JP3873367B2 - 移動型炉床炉の操業方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動型炉床炉を用いた鉄鉱石から還元鉄を製造する技術に関するもので、特に、燃料効率や生産性に優れる移動型炉床炉の操業方法を提案するものである。
【０００２】
【従来の技術】
粗鋼の製造は、大別して高炉−転炉法と電気炉法とで行われる。
このうち、電気炉法はスクラップや還元鉄を鉄原料として、それらを電気エネルギで加熱溶解させ、場合によっては精錬して鋼を製造している。このような電気炉法において、現状ではスクラップを主な原料としているが、近年、スクラップの需要のひっ迫や製品の高級化の流れから還元鉄の需要量が増加しつつある。
【０００３】
ところで、還元鉄を製造するプロセスの一つとして、例えば、特開昭63−108188号公報（移動型炉床炉および熱処理方法）には、水平方向に回転する炉床に鉄鉱石と固体還元剤からなる層を積み付け、炉内上方より輻射伝熱によって加熱して鉄鉱石を還元し、還元鉄を製造する技術が提案開示されている。この手段では、鉄鉱石と固体還元剤とからなる層内で鉄鉱石は直接還元によって逐次還元されていく。そして、この直接還元は大きな吸熱を伴うため、鉄鉱石の還元速度は層への熱供給量によって律速される。
【０００４】
したがって、層の厚さをあまり厚くすると層の下部への熱供給が不十分になるので、通常は層の厚さを数十mm程度と薄くしているため、炉床単位面積当りの生産量が少なく、生産量を増加するためには炉床面積を大きくする必要があった。また層への熱供給を改善する方法として、炉の温度を上昇させる手段が考えられるが、この手段を用いればそれなりの効果はあるものの、炉温を上げることで、炉体からの放散熱が増加し、燃料効率を下げるすなわち燃料の消費量が増加することのほか、炉の寿命が短縮されるなどの問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、前記した問題点を有利に解決しようとするものであって、燃料の使用量を増加することなく、炉床単位面積当りの生産量を増加できる、すなわち、燃料効率を向上し設備を小さくし得る移動型炉床炉の操業方法を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の要旨とするところは以下の通りである。
【０００７】
水平に移動する炉床上に、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とを供給して所定厚みの層に積み付け、炉内上方からの加熱によって鉄鉱石の還元を行う移動型炉床炉の操業方法において、
層の上部表面に凹凸形状を形成させ、かつ、該凹凸形状が下記式(1), (2)および(3) を同時に満足することを特徴とする移動型炉床炉の操業方法。
〔記〕
Ａ≧Ａ′×1.2 ---(1)
Ｌmax ≦ 120 ---(2)
Ｌ×0.8 ≦層上部表面の凹凸のピーク間距離 ---(3)
ただし
Ａ：凹凸形状の層の上部表面積 (mm2)
Ａ′：上部表面が平面の場合の層の上部表面積 (mm2)
Ｌmax ：層の最大厚さ (mm)
Ｌ：層の平均厚さ (mm)
【０００８】
ここで、層は、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤との混合物を炉床上に一層に積み付けたものが、作業性および還元の効率化の観点から有利であるが、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とを交互に積み重ねて多層としたものでもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の作用効果について述べる。
前記したように、移動型炉床炉の操業にあたって、水平に移動する炉床に積み付けた粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤との層を炉内上方よりの輻射伝熱によって加熱し、鉄鉱石の還元を行うには、層への熱供給を如何に効率よく行うかが重要になる。
【００１０】
ここで、図１に移動型炉床炉の伝熱形態の説明図を示す。図において、１は粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層、２はバーナ、３は炉体であり、４の矢印は輻射伝熱、５の矢印は層１内の熱伝導をあらわす。
【００１１】
このような層１への伝熱形態において、その伝熱の効率向上は、層１の上部表面でバーナ１の火炎や炉体３の上壁などからの輻射伝熱の吸収量を多くすること、および層１上部表面から層１底部までの伝熱量を多くすることとを同時に達成することで可能になる。
【００１２】
そこで、この発明では、層１の上部表面に凹凸形状を形成させ、かつ、下記式(1), (2)および(3) を満足させるようにすることで、層１表面での輻射伝熱の吸収量の増加と層１上部表面からその底部への伝熱量の増大とを達成するものである。
Ａ≧Ａ′×1.2 ---(1)
Ｌmax ≦ 120 ---(2)
Ｌ×0.8 ≦層上部表面の凹凸のピーク間距離 ---(3)
ただし
Ａ：凹凸形状の層の上部表面積 (mm2)
Ａ′：上部表面が平面の場合の層の上部表面積 (mm2)
Ｌmax ：層の最大厚さ (mm)
Ｌ：層の平均厚さ (mm)
【００１３】
以下に、これらの式(1), (2)および(3) の持つ意味について述べる。
▲１▼ Ａ≧Ａ′×1.2 ---(1)の意味
式(1) は、具体的には層１の上部表面が平面でないことを示すものである。
【００１４】
ここで、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層の上部表面積Ａについて定義する。
図２は上部表面積Ａを定義するための説明図であり、６は粉鉄鉱石または粉状の固体還元剤の個々の粒子を示し、７はこれらの粒子によって形成される層１の上部表面を示す。
この発明における層１の上部表面積Ａとは、図２(a) のように最上層に位置する個々の粒子の外周をそれぞれ結んでできる微細な凹凸面の面積を云うのではなく、図２(b) のように最上層に位置する個々の粒の最上点をそれぞれ結んでできる面の面積のことを云う。
【００１５】
・効果１
粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１が完全な黒体であれば、その上方からの輻射伝熱を全て吸収できるため、層１の上部表面を凹凸形状に形成しても効果はない。しかし、実際は灰色体であって、上方からの輻射伝熱のうちの１部は反射する。このとき、層１の上部表面が平面であると反射した輻射伝熱はほぼ全量炉体上壁面に到達し、そこで一部の熱が炉壁に吸収され、炉外に放散されることになる。
【００１６】
そこで式(1) を満足するように層１の上部表面に凹凸形状を形成させる、具体的には波状や鋸刃状などにすると、上方からの輻射伝熱の一部が層１の上部表面から反射するとき、反射した輻射伝熱の一部が再度層１の他の上部表面に到達してここで一部の熱が吸収されることになる。すなわち、実質的には層１の上部表面が平面の場合に比し、熱の吸収量が多くなる。
【００１７】
ここで、図３は層の上部表面を波状にしたときの輻射伝熱挙動を示す説明図である。図において、層１の上部表面７のＡ点に到達した輻射伝熱４はその一部が反射する。この反射した輻射伝熱８は、層１の上部表面７のＢ点に到達しここでその一部の熱が吸収される。
【００１８】
・効果２
この発明の対象とするプロセスでは、層１全体に還元に必要な熱量を供給しなければならない。輻射伝熱によって層１上部表面まで伝わった熱は熱伝導によって層１内部へ供給される。
【００１９】
この層１上部表面の違いによる層１内部の熱伝導を図４に基づいて述べる。
図４は層内の熱伝導の説明図で、図４(a) は層上部表面が平面の式(1) の条件を満たさない場合、図４(b) は層上部表面が波状の式(1) の条件を満たす場合であり、層１の平均厚さと上部表面温度とが(a) および(b) で同じで、炉床からの熱損失は共にないものとする。
【００２０】
これらの図において、輻射伝熱４によって加熱された層１の上部表面の９の部分すなわち輻射伝熱による被加熱帯が層１内部を加熱する熱源と考えることができる。したがって、上部表面７が平面の場合に比し、上部表面７の表面積の広いすなわち被加熱帯９の広い上部表面７が波状の方が層１内部の加熱に有利となる。
一方、層１の底部Ｃ，ＤおよびＥ点について見ると、上部表面７が波状の場合のＤ点は被加熱帯９からの距離が層１の平均厚さより小さく、上部表面７が平面の場合のＣ点より当然早く温度が上昇する。また、上部表面７が波状の場合、被加熱帯９からの距離が層１の平均厚さより大きいＥ点のような所が必ず存在する。このＥ点では一見、伝熱距離が長い分、上部表面７が平面の場合のＣ点より昇温が遅れるように思われるが、上記したように上部表面７が波状の場合、熱源となる被加熱帯９が広く、さらに矢印５のように上下方向以外の方向からも加熱される効果があるため、伝熱距離の長さの不利を解消してなおあり余る加熱効果が得られる。
【００２１】
▲２▼ Ｌmax ≦ 120 ---(2)の意味
層１の上部表面７の凹凸が上記した式(1) を満たせば、層１の平均厚さをいくらでも厚くしていいものでもない。
例えば、図５の式(2) の条件から外れる層の上部表面形状を示す説明図のように、層１の上部表面７の形状が式(1) を満足するが、あまりにも層１の底部までの伝熱距離が長すぎるＦ点のような部分は加熱に時間がかかりすぎることになる。よって、式(2) は式(1) による層１内の熱伝導を改善する効果（上記の効果２）を発揮させるために必要である。
【００２２】
▲３▼ Ｌ×0.8 ≦層の凹凸のピーク間距離
層１の上部表面７の凹凸が上記した式(1) および式(2) を満たせば、上部表面７を波状、鋸刃状等の凹凸をどのような凹凸のピーク間距離で形成していいものでもない。
【００２３】
例えば、図６の式(3) の条件から外れる層の上部表面形状を示す説明図のように、平均層厚に対して上部表面７の凹凸を非常に細かい周期で波状にした場合は、層１内の熱伝導は実質的に上部表面７が平面の場合と同様に上下方向のみになってしまい、式(1) による層１内の熱伝導を改善する効果（上記の効果２）が発揮されなくなる。したがって、その効果を発揮させるためには式(3) を満たす必要がある。
【００２４】
ここで、層１の上部表面７の凹凸のピーク間距離とは、例えば図７の鋸刃状ならし装置で上部表面７に凹凸をつける場合は、上部表面７に形成される鋸刃状の隣り合うピーク間距離を云う。またならし装置としてローラを用いたりあるいはスタンプなどにより図８の２次元方向に凹凸形状を形成した層上部表面形状の一例を示す鳥瞰図のように２次元方向に凹凸を形成する場合には、それぞれ隣り合うピーク間の平均距離をいう。
【００２５】
なお、図７は鋸刃状ならし装置の説明図で、鋸刃状ならし装置13により、水平方向に回転する回転炉床12上の層１の上部表面７に鋸刃状の凹凸を形成させる。
【００２６】
つぎに、式(1), (2)および(3) の具体的数値範囲を限定する根拠となった実験例について述べる。図９に示す電気炉を用い、表１および図10に示す条件で粉鉄鉱石の還元実験をそれぞれ行った。
【００２７】
【表１】
【００２８】
ここで、図９は粉鉄鉱石の還元実験に用いた電気炉の説明図で、炉体３の上壁の直近下方に配した発熱体10により、炉床上に配置した容器11内の粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１を窒素を吹き込みながら加熱し粉鉄鉱石を還元する。
また、図10は実験条件１の層上部表面の凹凸形状を示す説明図で、この実験での凹凸形状は全て鋸刃状にし、上部表面積（Ａ）、層１の平均厚さ（Ｌ）および最大厚さ (Ｌmax ) ならびに上部表面７の凹凸のピーク間距離などを変化させた。
【００２９】
この電気炉を用いての実験は、炉が指定温度になった時点で、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１の試料を容器11ごと炉内に装入し、特定時間経過後炉外に取り出し、冷却後還元された試料の還元率を分析により調査した。
また、この実験中は投入電力量が一定になるように制御するとともに、還元中に粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１から発生するガスが燃焼しないように炉内窒素雰囲気を調整した。
【００３０】
かくして得られた各試料の還元率を上記表１に併記した。
表１から以下に述べることが分る。
層１の平均厚さＬすなわち試料の装入量の違いによって、必要な熱量は当然異なってくる。
【００３１】
実験番号１〜12は層１の平均厚さＬが20mmの条件である。そのうち、実験番号１〜４は式(1), (2)および(3) の条件を同時に満足する（この発明に適合する）もので、これらの試料の還元率は95％以上と優れている。
【００３２】
これらに対し実験番号５および６は式(1) の条件から外れ、特に実験番号５は上部表面７が平面の場合で、これらは投入電力量および還元時間が実験番号１〜４と同一であっても還元率が90％未満と劣っている。
【００３３】
そして、実験番号５および６に対して、還元時間のみを14％延長した実験番号７および８、さらには投入電力量のみを14％増加した実験番号９および10の還元率は95％以上となっている。しかしこれらは、還元時間の延長あるいは投入電力量の増加によって実験番号１〜４と同等の還元率が得られたもので、生産性あるいは熱効率が劣ることを示している。
【００３４】
また、実験番号11および12は式(3) の条件から外れるもので、実験番号１〜４と同じ投入電力量および還元時間であって還元率が91％以下と劣っている。
【００３５】
一方、実験番号21〜30は層１の平均厚さが80mmの条件である。そのうち、実験番号21〜24は式(1), (2)および(3) を同時に満足するもので、これらの還元率は全て95％以上である。
【００３６】
これらに対し実験番号25および26は式(1) の条件から外れ、特に実験番号25は上部表面７が平面の場合で、これらは投入電力量および還元時間が実験番号21〜24と同一であるにもかかわらず還元率が90％未満と劣っている。
【００３７】
また、式(2) の条件から外れる実験番号27および28ならびに式(3) の条件から外れる実験番号29および30は、実験番号21〜24と同じ投入電力量および還元時間であっても、還元率は90％未満ならびに91％未満と劣っている。
【００３８】
なお、図11の小さい波状の凹凸と大きい波状の凹凸とが重なり合った層の上部表面形状の断面図のようになっている場合であっても式(1) および(3の条件を満たしつつ式(2) の条件から外すこともでき、この場合でも式(2) の条件から外れれば、優れる還元率は得られない。
【００３９】
これらの実験結果より明らかなように、Ａ≦Ａ′×1.15、Ｌmax ≧125mm またはＬ×0.7 ≧層上部表面の凹凸のピーク間距離の条件では優れる還元率が得られないことから、式(1), (2)および(3) を限定したものである。
【００４０】
【実施例】
図12に示す移動型炉床炉を用い、以下に述べる条件の操業を試験的に行い、それぞれ還元率を調査した。
【００４１】
ここで、図12は回転炉床の移動型炉床炉の説明図で、炉体３内の図面矢印方向に回転する回転炉床12上に粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１を形成させ、バーナ２を燃焼させ輻射伝熱により層１をその上方から加熱するものである。
【００４２】
粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１の上部表面７には、その供給口に設置されている前掲図７に示した表面ならし装置により凹凸形状を形成させる。そして、この発明に適合する適合例としては、層１の平均厚さを20mmとし、Ａ／Ａ′をNo. １：1.41、No. ２：1.66とし、凹凸のピーク間距離をNo. １：20mm、No. ２：40mmとした。なお、当然のことながら、これらのＬmax は120mm 以下の値である。また、比較例として図13に示す上部表面を平面にするならし装置により層１の上部表面７を平面にした層の厚さが20mmのものを用いた。
【００４３】
かくして、還元操業は、ふるい目６mm以下の粉鉄鉱石と、同じくふるい目６mm以下の石炭を粉状の固体還元剤として用い、これらを重量比で３：１の割合で混合し移動型炉床炉に供給して、それぞれ上記した適合例No. １，No. ２および比較例の上部表面形状とし、炉温はバーナ２の燃焼を調整することで1420℃の温度に制御した。そして、炉内での層１の滞留時間すなわち還元時間は炉床12の回転数によって、23分間と一定にした。
【００４４】
この結果、この発明の適合例No. １およびNo. ２の還元鉄は還元率が95％以上であったのに対し、比較例の還元率は90％未満であった。
【００４５】
【発明の効果】
この発明は、移動型炉床炉での鉄鉱石の還元操業において、炉内の粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層の上部表面に特定の凹凸形状を形成させるものであり、
この発明によれば、優れる還元率を得ることができるので、燃料使用量を増加することなく、炉床単位断面当たりの還元鉄の生産量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】移動型炉床炉の伝熱形態の説明図である。
【図２】上部表面積Ａを定義するための説明図である。
【図３】層の上部表面を波状にしたときの輻射伝熱挙動を示す説明図である。
【図４】層内の熱伝導の説明図である。
【図５】式(2) の条件から外れる層の上部表面形状を示す説明図である。
【図６】式(3) の条件から外れる層の上部表面形状を示す説明図である。
【図７】鋸刃状ならし装置の説明図である。
【図８】２次元方向に凹凸形状を形成した層上部表面形状の一例を示す鳥瞰図である。
【図９】粉鉄鉱石の還元実験に用いた電気炉の説明図である。
【図１０】実験条件１の層上部表面の凹凸形状を示す説明図である。
【図１１】小さい波状の凹凸と大きい波状の凹凸とが重なり合った層の上部表面形状の断面図である。
【図１２】回転炉床の移動型炉床炉の説明図である。
【図１３】上部表面を平均にするならし装置の説明図である。
【符号の説明】
１ 粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層
２ バーナ
３ 炉体
４ 輻射伝熱
５ 層内の熱伝導
６ 粉鉄鉱石または粉状の固体還元剤の個々の粒子
７ 層の上部表面
８ 反射した輻射伝熱
９ 輻射伝熱による被加熱帯
10 発熱体
11 容器
12 回転炉床
13 上部表面ならし装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動型炉床炉を用いた鉄鉱石から還元鉄を製造する技術に関するもので、特に、燃料効率や生産性に優れる移動型炉床炉の操業方法を提案するものである。
【０００２】
【従来の技術】
粗鋼の製造は、大別して高炉−転炉法と電気炉法とで行われる。
このうち、電気炉法はスクラップや還元鉄を鉄原料として、それらを電気エネルギで加熱溶解させ、場合によっては精錬して鋼を製造している。このような電気炉法において、現状ではスクラップを主な原料としているが、近年、スクラップの需要のひっ迫や製品の高級化の流れから還元鉄の需要量が増加しつつある。
【０００３】
ところで、還元鉄を製造するプロセスの一つとして、例えば、特開昭63−108188号公報（移動型炉床炉および熱処理方法）には、水平方向に回転する炉床に鉄鉱石と固体還元剤からなる層を積み付け、炉内上方より輻射伝熱によって加熱して鉄鉱石を還元し、還元鉄を製造する技術が提案開示されている。この手段では、鉄鉱石と固体還元剤とからなる層内で鉄鉱石は直接還元によって逐次還元されていく。そして、この直接還元は大きな吸熱を伴うため、鉄鉱石の還元速度は層への熱供給量によって律速される。
【０００４】
したがって、層の厚さをあまり厚くすると層の下部への熱供給が不十分になるので、通常は層の厚さを数十mm程度と薄くしているため、炉床単位面積当りの生産量が少なく、生産量を増加するためには炉床面積を大きくする必要があった。また層への熱供給を改善する方法として、炉の温度を上昇させる手段が考えられるが、この手段を用いればそれなりの効果はあるものの、炉温を上げることで、炉体からの放散熱が増加し、燃料効率を下げるすなわち燃料の消費量が増加することのほか、炉の寿命が短縮されるなどの問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、前記した問題点を有利に解決しようとするものであって、燃料の使用量を増加することなく、炉床単位面積当りの生産量を増加できる、すなわち、燃料効率を向上し設備を小さくし得る移動型炉床炉の操業方法を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の要旨とするところは以下の通りである。
【０００７】
水平に移動する炉床上に、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とを供給して所定厚みの層に積み付け、炉内上方からの加熱によって鉄鉱石の還元を行う移動型炉床炉の操業方法において、
層の上部表面に凹凸形状を形成させ、かつ、該凹凸形状が下記式(1), (2)および(3) を同時に満足することを特徴とする移動型炉床炉の操業方法。
〔記〕
Ａ≧Ａ′×1.2 ---(1)
Ｌmax ≦ 120 ---(2)
Ｌ×0.8 ≦層上部表面の凹凸のピーク間距離 ---(3)
ただし
Ａ：凹凸形状の層の上部表面積 (mm2)
Ａ′：上部表面が平面の場合の層の上部表面積 (mm2)
Ｌmax ：層の最大厚さ (mm)
Ｌ：層の平均厚さ (mm)
【０００８】
ここで、層は、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤との混合物を炉床上に一層に積み付けたものが、作業性および還元の効率化の観点から有利であるが、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とを交互に積み重ねて多層としたものでもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の作用効果について述べる。
前記したように、移動型炉床炉の操業にあたって、水平に移動する炉床に積み付けた粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤との層を炉内上方よりの輻射伝熱によって加熱し、鉄鉱石の還元を行うには、層への熱供給を如何に効率よく行うかが重要になる。
【００１０】
ここで、図１に移動型炉床炉の伝熱形態の説明図を示す。図において、１は粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層、２はバーナ、３は炉体であり、４の矢印は輻射伝熱、５の矢印は層１内の熱伝導をあらわす。
【００１１】
このような層１への伝熱形態において、その伝熱の効率向上は、層１の上部表面でバーナ１の火炎や炉体３の上壁などからの輻射伝熱の吸収量を多くすること、および層１上部表面から層１底部までの伝熱量を多くすることとを同時に達成することで可能になる。
【００１２】
そこで、この発明では、層１の上部表面に凹凸形状を形成させ、かつ、下記式(1), (2)および(3) を満足させるようにすることで、層１表面での輻射伝熱の吸収量の増加と層１上部表面からその底部への伝熱量の増大とを達成するものである。
Ａ≧Ａ′×1.2 ---(1)
Ｌmax ≦ 120 ---(2)
Ｌ×0.8 ≦層上部表面の凹凸のピーク間距離 ---(3)
ただし
Ａ：凹凸形状の層の上部表面積 (mm2)
Ａ′：上部表面が平面の場合の層の上部表面積 (mm2)
Ｌmax ：層の最大厚さ (mm)
Ｌ：層の平均厚さ (mm)
【００１３】
以下に、これらの式(1), (2)および(3) の持つ意味について述べる。
▲１▼ Ａ≧Ａ′×1.2 ---(1)の意味
式(1) は、具体的には層１の上部表面が平面でないことを示すものである。
【００１４】
ここで、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層の上部表面積Ａについて定義する。
図２は上部表面積Ａを定義するための説明図であり、６は粉鉄鉱石または粉状の固体還元剤の個々の粒子を示し、７はこれらの粒子によって形成される層１の上部表面を示す。
この発明における層１の上部表面積Ａとは、図２(a) のように最上層に位置する個々の粒子の外周をそれぞれ結んでできる微細な凹凸面の面積を云うのではなく、図２(b) のように最上層に位置する個々の粒の最上点をそれぞれ結んでできる面の面積のことを云う。
【００１５】
・効果１
粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１が完全な黒体であれば、その上方からの輻射伝熱を全て吸収できるため、層１の上部表面を凹凸形状に形成しても効果はない。しかし、実際は灰色体であって、上方からの輻射伝熱のうちの１部は反射する。このとき、層１の上部表面が平面であると反射した輻射伝熱はほぼ全量炉体上壁面に到達し、そこで一部の熱が炉壁に吸収され、炉外に放散されることになる。
【００１６】
そこで式(1) を満足するように層１の上部表面に凹凸形状を形成させる、具体的には波状や鋸刃状などにすると、上方からの輻射伝熱の一部が層１の上部表面から反射するとき、反射した輻射伝熱の一部が再度層１の他の上部表面に到達してここで一部の熱が吸収されることになる。すなわち、実質的には層１の上部表面が平面の場合に比し、熱の吸収量が多くなる。
【００１７】
ここで、図３は層の上部表面を波状にしたときの輻射伝熱挙動を示す説明図である。図において、層１の上部表面７のＡ点に到達した輻射伝熱４はその一部が反射する。この反射した輻射伝熱８は、層１の上部表面７のＢ点に到達しここでその一部の熱が吸収される。
【００１８】
・効果２
この発明の対象とするプロセスでは、層１全体に還元に必要な熱量を供給しなければならない。輻射伝熱によって層１上部表面まで伝わった熱は熱伝導によって層１内部へ供給される。
【００１９】
この層１上部表面の違いによる層１内部の熱伝導を図４に基づいて述べる。
図４は層内の熱伝導の説明図で、図４(a) は層上部表面が平面の式(1) の条件を満たさない場合、図４(b) は層上部表面が波状の式(1) の条件を満たす場合であり、層１の平均厚さと上部表面温度とが(a) および(b) で同じで、炉床からの熱損失は共にないものとする。
【００２０】
これらの図において、輻射伝熱４によって加熱された層１の上部表面の９の部分すなわち輻射伝熱による被加熱帯が層１内部を加熱する熱源と考えることができる。したがって、上部表面７が平面の場合に比し、上部表面７の表面積の広いすなわち被加熱帯９の広い上部表面７が波状の方が層１内部の加熱に有利となる。
一方、層１の底部Ｃ，ＤおよびＥ点について見ると、上部表面７が波状の場合のＤ点は被加熱帯９からの距離が層１の平均厚さより小さく、上部表面７が平面の場合のＣ点より当然早く温度が上昇する。また、上部表面７が波状の場合、被加熱帯９からの距離が層１の平均厚さより大きいＥ点のような所が必ず存在する。このＥ点では一見、伝熱距離が長い分、上部表面７が平面の場合のＣ点より昇温が遅れるように思われるが、上記したように上部表面７が波状の場合、熱源となる被加熱帯９が広く、さらに矢印５のように上下方向以外の方向からも加熱される効果があるため、伝熱距離の長さの不利を解消してなおあり余る加熱効果が得られる。
【００２１】
▲２▼ Ｌmax ≦ 120 ---(2)の意味
層１の上部表面７の凹凸が上記した式(1) を満たせば、層１の平均厚さをいくらでも厚くしていいものでもない。
例えば、図５の式(2) の条件から外れる層の上部表面形状を示す説明図のように、層１の上部表面７の形状が式(1) を満足するが、あまりにも層１の底部までの伝熱距離が長すぎるＦ点のような部分は加熱に時間がかかりすぎることになる。よって、式(2) は式(1) による層１内の熱伝導を改善する効果（上記の効果２）を発揮させるために必要である。
【００２２】
▲３▼ Ｌ×0.8 ≦層の凹凸のピーク間距離
層１の上部表面７の凹凸が上記した式(1) および式(2) を満たせば、上部表面７を波状、鋸刃状等の凹凸をどのような凹凸のピーク間距離で形成していいものでもない。
【００２３】
例えば、図６の式(3) の条件から外れる層の上部表面形状を示す説明図のように、平均層厚に対して上部表面７の凹凸を非常に細かい周期で波状にした場合は、層１内の熱伝導は実質的に上部表面７が平面の場合と同様に上下方向のみになってしまい、式(1) による層１内の熱伝導を改善する効果（上記の効果２）が発揮されなくなる。したがって、その効果を発揮させるためには式(3) を満たす必要がある。
【００２４】
ここで、層１の上部表面７の凹凸のピーク間距離とは、例えば図７の鋸刃状ならし装置で上部表面７に凹凸をつける場合は、上部表面７に形成される鋸刃状の隣り合うピーク間距離を云う。またならし装置としてローラを用いたりあるいはスタンプなどにより図８の２次元方向に凹凸形状を形成した層上部表面形状の一例を示す鳥瞰図のように２次元方向に凹凸を形成する場合には、それぞれ隣り合うピーク間の平均距離をいう。
【００２５】
なお、図７は鋸刃状ならし装置の説明図で、鋸刃状ならし装置13により、水平方向に回転する回転炉床12上の層１の上部表面７に鋸刃状の凹凸を形成させる。
【００２６】
つぎに、式(1), (2)および(3) の具体的数値範囲を限定する根拠となった実験例について述べる。図９に示す電気炉を用い、表１および図10に示す条件で粉鉄鉱石の還元実験をそれぞれ行った。
【００２７】
【表１】
ここで、図９は粉鉄鉱石の還元実験に用いた電気炉の説明図で、炉体３の上壁の直近下方に配した発熱体10により、炉床上に配置した容器11内の粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１を窒素を吹き込みながら加熱し粉鉄鉱石を還元する。
また、図10は実験条件１の層上部表面の凹凸形状を示す説明図で、この実験での凹凸形状は全て鋸刃状にし、上部表面積（Ａ）、層１の平均厚さ（Ｌ）および最大厚さ (Ｌmax ) ならびに上部表面７の凹凸のピーク間距離などを変化させた。
【００２９】
この電気炉を用いての実験は、炉が指定温度になった時点で、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１の試料を容器11ごと炉内に装入し、特定時間経過後炉外に取り出し、冷却後還元された試料の還元率を分析により調査した。
また、この実験中は投入電力量が一定になるように制御するとともに、還元中に粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１から発生するガスが燃焼しないように炉内窒素雰囲気を調整した。
【００３０】
かくして得られた各試料の還元率を上記表１に併記した。
表１から以下に述べることが分る。
層１の平均厚さＬすなわち試料の装入量の違いによって、必要な熱量は当然異なってくる。
【００３１】
実験番号１〜12は層１の平均厚さＬが20mmの条件である。そのうち、実験番号１〜４は式(1), (2)および(3) の条件を同時に満足する（この発明に適合する）もので、これらの試料の還元率は95％以上と優れている。
【００３２】
これらに対し実験番号５および６は式(1) の条件から外れ、特に実験番号５は上部表面７が平面の場合で、これらは投入電力量および還元時間が実験番号１〜４と同一であっても還元率が90％未満と劣っている。
【００３３】
そして、実験番号５および６に対して、還元時間のみを14％延長した実験番号７および８、さらには投入電力量のみを14％増加した実験番号９および10の還元率は95％以上となっている。しかしこれらは、還元時間の延長あるいは投入電力量の増加によって実験番号１〜４と同等の還元率が得られたもので、生産性あるいは熱効率が劣ることを示している。
【００３４】
また、実験番号11および12は式(3) の条件から外れるもので、実験番号１〜４と同じ投入電力量および還元時間であって還元率が91％以下と劣っている。
【００３５】
一方、実験番号21〜30は層１の平均厚さが80mmの条件である。そのうち、実験番号21〜24は式(1), (2)および(3) を同時に満足するもので、これらの還元率は全て95％以上である。
【００３６】
これらに対し実験番号25および26は式(1) の条件から外れ、特に実験番号25は上部表面７が平面の場合で、これらは投入電力量および還元時間が実験番号21〜24と同一であるにもかかわらず還元率が90％未満と劣っている。
【００３７】
また、式(2) の条件から外れる実験番号27および28ならびに式(3) の条件から外れる実験番号29および30は、実験番号21〜24と同じ投入電力量および還元時間であっても、還元率は90％未満ならびに91％未満と劣っている。
【００３８】
なお、図11の小さい波状の凹凸と大きい波状の凹凸とが重なり合った層の上部表面形状の断面図のようになっている場合であっても式(1) および(3の条件を満たしつつ式(2) の条件から外すこともでき、この場合でも式(2) の条件から外れれば、優れる還元率は得られない。
【００３９】
これらの実験結果より明らかなように、Ａ≦Ａ′×1.15、Ｌmax ≧125mm またはＬ×0.7 ≧層上部表面の凹凸のピーク間距離の条件では優れる還元率が得られないことから、式(1), (2)および(3) を限定したものである。
【００４０】
【実施例】
図12に示す移動型炉床炉を用い、以下に述べる条件の操業を試験的に行い、それぞれ還元率を調査した。
【００４１】
ここで、図12は回転炉床の移動型炉床炉の説明図で、炉体３内の図面矢印方向に回転する回転炉床12上に粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１を形成させ、バーナ２を燃焼させ輻射伝熱により層１をその上方から加熱するものである。
【００４２】
粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層１の上部表面７には、その供給口に設置されている前掲図７に示した表面ならし装置により凹凸形状を形成させる。そして、この発明に適合する適合例としては、層１の平均厚さを20mmとし、Ａ／Ａ′をNo. １：1.41、No. ２：1.66とし、凹凸のピーク間距離をNo. １：20mm、No. ２：40mmとした。なお、当然のことながら、これらのＬmax は120mm 以下の値である。また、比較例として図13に示す上部表面を平面にするならし装置により層１の上部表面７を平面にした層の厚さが20mmのものを用いた。
【００４３】
かくして、還元操業は、ふるい目６mm以下の粉鉄鉱石と、同じくふるい目６mm以下の石炭を粉状の固体還元剤として用い、これらを重量比で３：１の割合で混合し移動型炉床炉に供給して、それぞれ上記した適合例No. １，No. ２および比較例の上部表面形状とし、炉温はバーナ２の燃焼を調整することで1420℃の温度に制御した。そして、炉内での層１の滞留時間すなわち還元時間は炉床12の回転数によって、23分間と一定にした。
【００４４】
この結果、この発明の適合例No. １およびNo. ２の還元鉄は還元率が95％以上であったのに対し、比較例の還元率は90％未満であった。
【００４５】
【発明の効果】
この発明は、移動型炉床炉での鉄鉱石の還元操業において、炉内の粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層の上部表面に特定の凹凸形状を形成させるものであり、
この発明によれば、優れる還元率を得ることができるので、燃料使用量を増加することなく、炉床単位断面当たりの還元鉄の生産量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】移動型炉床炉の伝熱形態の説明図である。
【図２】上部表面積Ａを定義するための説明図である。
【図３】層の上部表面を波状にしたときの輻射伝熱挙動を示す説明図である。
【図４】層内の熱伝導の説明図である。
【図５】式(2) の条件から外れる層の上部表面形状を示す説明図である。
【図６】式(3) の条件から外れる層の上部表面形状を示す説明図である。
【図７】鋸刃状ならし装置の説明図である。
【図８】２次元方向に凹凸形状を形成した層上部表面形状の一例を示す鳥瞰図である。
【図９】粉鉄鉱石の還元実験に用いた電気炉の説明図である。
【図１０】実験条件１の層上部表面の凹凸形状を示す説明図である。
【図１１】小さい波状の凹凸と大きい波状の凹凸とが重なり合った層の上部表面形状の断面図である。
【図１２】回転炉床の移動型炉床炉の説明図である。
【図１３】上部表面を平均にするならし装置の説明図である。
【符号の説明】
１ 粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とからなる層
２ バーナ
３ 炉体
４ 輻射伝熱
５ 層内の熱伝導
６ 粉鉄鉱石または粉状の固体還元剤の個々の粒子
７ 層の上部表面
８ 反射した輻射伝熱
９ 輻射伝熱による被加熱帯
10 発熱体
11 容器
12 回転炉床
13 上部表面ならし装置
Claims (1)
- 水平に移動する炉床上に、粉鉄鉱石と粉状の固体還元剤とを供給して所定厚みの層に積み付け、炉内上方からの加熱によって鉄鉱石の還元を行う移動型炉床炉の操業方法において、
層の上部表面に凹凸形状を形成させ、かつ、該凹凸形状が下記式(1), (2)および(3) を同時に満足することを特徴とする移動型炉床炉の操業方法。
〔記〕
Ａ≧Ａ′×1.2 ---(1)
Ｌmax ≦ 120 ---(2)
Ｌ×0.8 ≦層上部表面の凹凸のピーク間距離 ---(3)
ただし
Ａ：凹凸形状の層の上部表面積 (mm2)
Ａ′：上部表面が平面の場合の層の上部表面積 (mm2)
Ｌmax ：層の最大厚さ (mm)
Ｌ：層の平均厚さ (mm)
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