JP4317505B2 - ベル式高炉の原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、ベル式高炉への原料の装入方法に関し、より具体的には、炉内に装入した鉄鉱石等の原料（以下「装入物」ともいう。）の堆積層での炉径方向の粒度偏析を緩和可能なベル式高炉の原料装入方法に関するものである。

高炉操業においては、概念的には、炉頂に備えた原料装入装置によって、炉内に装入した鉄鉱石（鉄鉱石と焼結鉱）やコークス等の装入物（層）に、羽口から熱風を吹き込んでコークスと反応させてＣＯガスを生成し、このＣＯガスで鉄鉱石を加熱して酸化鉄から鉄を還元させ、軟化融着帯を形成後に鉄の溶滴すなわち溶銑を、副生したスラグとともにコークス層経由で炉底部に滴下させて溜め、適時出銑口から出銑し、スラグを分離して溶銑を製造する。

この高炉操業の場合、高炉内に装入された装入物の反応挙動は直接に観察することが困難であることから、一般には、操業の進行に伴い降下する装入物の表面形状の変化と、炉内に挿入したゾンデによって装入物の堆積表面の各部位から上昇するガス流の流量・流速、温度、成分などを測定することによって炉況を判定し、熱風の吹き込み条件や鉱石とコークスの装入条件（鉄鉱石とコークスの層厚比、装入量、炉径方向の装入物分布など）を調整することが行なわれている。

特に、高炉操業を安定維持するためには、炉内の装入物の各部位から上昇するガス流の流量・流速、温度、成分などを適正範囲に制御することが重要であり、そのために、炉径方向の装入物の分布を適正範囲に管理することが重要である。

ベル式高炉においては、一般に、炉内中心部での装入物の粒径が粗粒化して炉壁側部で細粒することから、ガス流が増加する現象を利用する、いわゆる中心流操業が行われることが多い。

この中心流操業は、炉壁側に粉・細粒（粒径−５ｍｍ）が多く分布して高温ガス流の上昇が抑制されることから、炉壁保護の観点では望ましい操業と言えるが、炉内反応の最適化という観点では全面肯定できる操業とは言い難い操業である。

なお、粉・細粒は積極的に混合装入するものではなく、原料装入に至る搬送過程、原料装入時に発生することは避けられないもので、炉内に装入された段階では、通常、原料全体の３〜５％程度発生するものである。

最近では、炉内反応の最適化のためには、炉径方向での鉄鉱石とコークスの層厚比および装入物の粒径分布を改善することが重要であるとの認識に基づき、その実現のためにいくつかの提案がなされている。

例えば、特許文献１には、小ベルホッパー内を、円筒状の仕切りで２分割し、仕切りの外側には粒径の粗い装入物を、仕切りの内側には粒径の小さい装入物をそれぞれ装入して、小ベル「開」時に粒径の粗い装入物を先行させて大ベル上に落下させ、大ベルホッパー下部に粗粒を、上部側に細粒を貯留することが開示されている。
この方法では、大ベルホッパー内の粒度分布を変えることが可能であるが、粒度別に上下２層を形成するにとどまり、大ベルホッパーから装入物を炉内へ排出する際の排出順序を考慮すると、炉内に堆積した状態で炉径方向の粒度偏析を緩和する顕著な効果は期待できない。
また、小ベルホッパー内に可動式の仕切る板を設置するため、構造、装入操作が複雑である。さらに、設備費、保守費など費用負担が増大するという問題もある。
特開昭６３−２９７５１４号公報

本発明の原料の装入方法は、炉頂部に小ベル、大ベル、ムーバブルアーマーを備えた原料装入装置によって、高炉内に鉄鉱石（主に焼結鉱）やコークス等の原料を装入するベル式高炉において適用するものであり、炉径方向での装入物の粒度偏析を簡易でかつ安価な手段で容易に緩和し、ガス流分布を改善してガス利用率を向上可能なベル式高炉への原料の装入方法を提供する。

本発明は、上記課題を有利に解決するために、以下の（１）〜（２）を要旨とするものである。
（１）小ベルを昇降して開閉する小ベルホッパーと、大ベルを昇降して開閉する大ベルホッパーとを有する原料装入装置であって、前記小ベルを下降して小ベルホッパーを開とし、小ベルと小ベルホッパー間の装入物を排出して、前記大ベルが上昇して閉となっている大ベルホッパー内に堆積させ、その後、大ベルを下降して前記大ベルホッパーを開として、該大ベルホッパー内の原料を炉内に装入するベル式高炉への原料の装入方法において、前記小ベルホッパーから排出した原料の落下位置を、前記大ベルホッパー最下部の内径をＤａとすると、Ｄａの０．７０〜０．８５の径領域の大ベル上面にすることにより、大ベルホッパー内に堆積する原料の粒度偏析を防止することを特徴とするベル式高炉の原料装入方法。

（２）（１）において、大ベルホッパー最下部の内径と小ベル最下部の外径の比が１．８〜２．０であることを特徴とするベル式高炉の原料装入方法。
この条件は、（１）で、小ベルホッパーからの原料を落下させる大ベル上領域を、大ベルホッパー最下部の内径Ｄａの０．７０〜０．８５の径領域に安定的に落下させるために簡易で有効な条件である。
なお、この条件は、小ベルと大ベルの上面のコーン角度、開状態の小ベルと閉状態の大ベル間の距離によって多少異なるが、このコーン角度、距離は基本的には従来レベルで変更しないものである。

本発明では、構造、操業操作を複雑にすることなく、炉壁側部の粉・細粒比率を低減して、炉中心領域−中間部領域での粉・細粒比率を増加させ、炉径方向の粉率差を小さくして、ガス流分布を安定させ、シャフト圧力変動や荷下がり不順といった操業変動を抑制することができる。また、ガス利用率を高レベルに安定維持することができ、燃料比、コークス比の低減が可能であり、高出銑の安定継続が可能になる。

本発明は、図１に示すように、炉頂部内に、小ベル２を昇降して開閉する小ベルホッパー３と、大ベル４を昇降して開閉する大ベルホッパー５を有する原料装入装置９を備えたベル式高炉１において適用するものである。
基本的には、小ベルホッパー３から原料８の大ベル４上の落下位置ｘを、大ベルホッパー５最下部の径（内径）Ｄａの０．７０〜０．８５の径領域（Ｄｘ領域）にすることにより、大ベル４上の原料８の滑走距離を短くして滑走による粒度偏析を緩和し、大ベルホッパー５内に粉・細粒を、排出中期に多く排出できる領域に堆積させ、大ベルホッパー５から炉内１ｉに分配装入して、炉中心領域−中間部領域で粉・細粒比率が１．０〜２．５％程度になる粒度分布のすり鉢状の原料８の堆積層（装入物層）８ｆを形成する。
この装入方法は、例えば、大ベルホッパー５最下部の内径Ｄａと小ベル２最下部の外径Ｄｂを、大ベルホッパー５最下部の内径Ｄａ／小ベル最下部の外径Ｄｂが１．８〜２．０の範囲内になるように設定することによって容易に実現できる。

本発明者らは、炉内反応の最適化を実現するためには、特に炉径方向での粒径分布を安定確保して、ガス利用率を高レベルに維持することが重要であるとの認識に基づき、その効率実現のための検討を行い、以下の知見を得た。

本発明は、この知見に基づくものである。
ａ．炉内通気性を良好に維持するためには、粉・細粒を偏積させないことが必要である 。
ｂ．一般的に、ベル式高炉では粉・細粒が炉壁近傍に集積しやすい。
ｃ．この炉内粒度偏析を緩和するには、大ベルホッパー内の粒度偏析状態を適正にする ことが有効である。
ｄ．この方法としては、大ベルから炉内への落下順序を考慮し大ベルホッパー内の粉・ 細粒の集積ポイントを調整することが有効である。
ｅ．粉・細粒の集積ポイントは、小ベルから大ベルへの落下位置に依存する。これは粒 度の自然分級上の落下点直下に粉・細粒が集積するためである。
ｆ．一方、大ベルから炉内への装入物は、
排出初期：大ベルが下がっている途中であり、大ベル下端は高レベルにあるため、原 料落下位置は高く、落下する原料は炉壁近傍に放物線を描く軌跡で落下す る。
排出中期：大ベルは下限位置に下がって全開状態となって、該大ベルの下端位置は低 いレベルにあり、かつ、主に大ベルホッパー内の上部に堆積した原料が炉 内に落下するため、落下開始時の垂直方向の初速度が大きく、炉内への落 下位置が炉壁近傍から炉中間部側に離れた位置となり、さらに、その後、 連続的に落下してくる原料に押し流され、炉内ですり鉢状に堆積した装入 物の上面に沿って炉内中心部まで流し込まれる。
排出末期：大ベル本体側上部に堆積している原料が、大ベルの傾斜した上面を滑走し て炉内に落下することから、落下時の半径方向の初速度が大きい。このた め、落下する原料の落下放物線は炉壁側にシフトして、炉壁近傍に落下し て堆積する。
ｇ．以上のことから、炉壁近傍での粉・細粒の偏積を緩和するためには、大ベルホッパ ーからの粉・細粒の排出順序を排出中期に多くすることが有効である。

図２は、オフライン実験で得られた、大ベルホッパー５内に貯留された原料８の堆積形状と、各貯留部位の排出順と、大ベル４上の原料落下領域と、大ベルホッパー５内での粉・細粒８ｓの貯留領域と排出順との関係を、代表的な３例について模式的に示したものである。図２（ｂ）は、本発明の範囲のものであり、図２（ａ），（ｃ）は、本発明の範囲外のものである。
なお、ここでは、大ベルホッパー５最下部の径Ｄａを一定にし、小ベル２の外径Ｄｂを変化させＤａ／Ｄｂを変化させることにより、大ベル４上面の原料落下位置ｘ領域を変化させた。

図２（ａ）は、大ベル４上の原料８の落下位置ｘを、大ベルホッパー５の径Ｄａの０．６８の径領域（本発明の範囲外）の大ベル４上にした場合を示している。
ここで、粉・細粒８ｓが大ベル本体側に堆積するのは、大ベル上への落下初期は大ベルホッパー５内が空であるため、装入物（原料）が大ベル上で滑走し大ベル最下部に堆積する。このとき、粒径に起因した密度差により、粉・細粒８ｓが大ベル本体側に多くなり、塊は大ベルホッパーの上部に多く堆積する。さらに、中期以降も落下点が、大ベルホッパー５の中心部に近いため、排出初期と同様の状態が継続し、大ベル本体側に粉・細粒の堆積が多くなることによる。
ここでは、粉・細粒８ｓは、排出順（１），（５），（６）に相当する位置に堆積しているため、炉内への排出初期と末期に集中し、排出中期には粉・細粒の排出が少ない。

図２（ｂ）は、大ベル４上の原料８の落下位置ｘを、大ベルベルホッパー５の径Ｄａの０．７５の径領域（本発明の範囲）にした場合を示している。
排出初期については、図２（ａ）と同様であり、最下部には粉が堆積し、排出中期以降は粉・細粒８ｓは落下点およびその近傍に多く堆積する。その結果、大ベルホッパー５内での粉・細粒８ｓの堆積位置は炉内への排出順序（１）−（４）に相当する位置に多く堆積し、炉内への排出初期と中期に多く粉・細粒８ｓが排出され、炉壁近傍への粉・細粒の堆積を緩和することができる。

図２（ｃ）は、大ベル４上面の原料８の落下位置ｘを、大ベルホッパー５最下部の径Ｄａの０．９０の径領域（本発明の範囲外）にした場合を示している。ここでは、大ベルホッパー５内に堆積した原料８の粉・細粒８ｓは、排出順（１），（２），（３）に相当する位置に多く堆積し、排出初期に多く排出され、排出中期に少ない。そのため、粉・細粒が炉壁近傍に堆積しやすい。

上記図２の例から、大ベル４上面の原料８の落下位置ｘで決まる大ベル４上の滑走距離によって、大ベルホッパー５内での粉・細粒８ｓの貯留領域が異なり、大ベルホッパー５からの排出順が変化するため、炉内１ｉに分配装入した場合に、炉径方向の粒度分布も異なることが確認された。

そこで、さらに、大ベル４上面の原料８の落下位置ｘの数を増やし、各落下位置ｘ別に、大ベルホッパー５に貯留後、大ベルホッパー５から炉内１ｉに分配装入後の炉径方向の粉・細粒８ｓの分布状況（粉・細粒比率）を調査し、ガス利用率との関係も併せて調査した。
その結果は、図３に示す通りで、この結果から、炉中心領域−中間部領域での粉・細粒比率を、目標とする１．０％以上で安定確保してガス利用率５０％以上を得るためには、小ベルホッパー３から大ベル４上面への原料８の落下位置ｘを大ベルホッパー５最下部の径Ｄａの０．７０〜０．８５の径領域（Ｄｘ領域）にすればよいことが確認できた。

以上のことから、大ベル４上面への原料８の落下位置ｘを大ベルホッパー５最下部の径Ｄａの０．７０〜０．８５の径領域（Ｄｘ領域）でにすれば、炉中心領域−中間部領域での粉・細粒比率、ガス利用率ともに満足できる結果が得られ、特に、０．７５〜０．７８の径領域（Ｄｘ領域）で、さらに満足できる結果が得られることを確認できた。

概念的には、図１に示すような炉頂部構造を有する内容積５０００ｍ^３級の２ベル式高 炉において、本発明の原料装入方法を実施し、表１の粒径分布を有する焼結鉱石と塊鉱石の混合鉱石をバッチで小ベルホッパー３から大ベル４上面の大ベルホッパー５最下部の径Ｄａの０．７５の径領域（Ｄｘ領域）に落下させ、大ベルホッパー５内に一時貯留した後、大ベルホッパー５から排出し炉内に装入した。

比較例では、小ベル２の外径Ｄｂを実施例より小さくして、表１の粒径分布を有する焼結鉱石と塊鉱石の混合鉱石をバッチで小ベルホッパー３から大ベル４上面の大ベルホッパー最下部の径Ｄａの０．６５の径領域に落下させ、実施例と同様にして炉内に装入した。 実施条件と実施結果を比較例の場合とともに、表１、表２、表３、表４に示す。

「実施条件」
（高炉頂部条件）
対象高炉：２ベル式高炉
小ベルと大ベルの間隔：６４００ｍｍ
小ベル上面のコーン角度：５０度
大ベル上面のコーン角度：４５度
大ベルからストックライン間距離：３０５０ｍｍ
大ベル開放平均速度：６０（ｍｍ／秒）

（使用鉱石条件）
焼結鉱と塊鉱石の混合鉱石（混合比 ８０：２０）
装入量：７０ｔ／バッチ
粒径分布：表１に示す。

（操業条件と操業結果）
操業条件：表２に示す。
操業結果：表２に示す。

（炉径方向の粉・細粒分布）
実施例：表３に示す。
比較例：表４に示す。

「操業結果の評価」
（１）炉径方向の粉・細粒比率（％）
炉内に装入して混合鉱石層８について、炉内を半径方向に５分割し、それぞれの分割領域毎に粉・細粒（−５ｍｍ）比率（％）を測定（算出）した。実施例では、表３の通りで、炉中心部と炉壁周辺部の粉・細粒比率の差は２．１（％）で満足できるものであった。 これに対して、比較例では、表４の通りで、炉中心部と炉壁周辺部の粉・細粒比率の差は４．７（％）と大きく、不満足なものであった。

（２）ＣＯガス利用率（％）
実施例では、５１％と良好であり、微粉炭吹き込み量を１２０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ増やし燃料比を４７５ｋｇ／ｔ−ｐを実現できた。
これに対して比較例では４９％と不十分であり、微粉炭吹き込み量を１１０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ燃料比が４８０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ、また、コークス比については３６５ｋｇ／ｔ−ｐでいずれも５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ程度大きく不満足なものであった。

（３）シャフト部通気抵抗
実施例では、シャフト部の通気抵抗（Ｋ）値が、１．６でガス流が安定した。この効果で、荷下がりが安定し、シャフト圧力変動が減少して炉況が安定し、出銑量１１２００ｔ／日を安定的に実現できた。
これに対して比較例では、シャフト部の通気抵抗（Ｋ）値が１．６５で、炉況が不安定で、出銑量は１００００ｔ／日と、実施例に比較すると１０％程度少なく、不満足なものになった。

本発明は、上記の実施例の内容に限定されるものではない。原料装入装置の構造、実施例での実施条件としての炉頂条件、装入条件、操業条件などは、対象高炉の形式、炉容積、装入方式、装入原料条件などに応じて請求項の範囲を満足する範囲内で変更のあるものである。

本発明の高炉の炉頂部および原料装入装置の構造例を概念的に示す側断面 説明図。 原料の大ベル上の落下位置別の大ベルホッパー内での粉・細粒貯留位置例 と排出順例を模式的に示した部分側断面説明図で、（ａ）図は、落下位置ｘのＤｘが 大ベルホッパー最下部の径Ｄａの０．６８の場合、（ｂ）図は、落下位置ｘのＤｘが 大ベルホッパー最下部の径Ｄａの０．７５の場合、（ｃ）図は、落下位置ｘのＤｘが 大ベルホッパーの径Ｄａの０．９０場合を、それぞれ示す。 原料の大ベル上の落下位置別での炉中心部−中間部の粉・細粒堆積比率（ ％）と、ηｃｏ（ガス利用率）の関係を示した説明図。

符号の説明

１ ベル式高炉
１ｉ 炉内
２ 小ベル
３ 小ベルホッパー
４ 大ベル
５ 大ベルホッパー
６ 炉壁部
８ 原料
８ｃ 原料落下流の中心線
９ 原料装入装置
８ｓ 粉・細粒

Claims (2)

1. 小ベルを昇降して開閉する小ベルホッパーと、大ベルを昇降して開閉する大ベルホッパーとを有する原料装入装置であって、前記小ベルを下降して小ベルホッパーを開とし、小ベルと小ベルホッパー間の装入物を排出して、前記大ベルが上昇して閉となっている大ベルホッパー内に堆積させ、その後、大ベルを下降して前記大ベルホッパーを開として、該大ベルホッパー内の原料を炉内に装入するベル式高炉への原料の装入方法において、前記小ベルホッパーから排出した原料の落下位置を、前記大ベルホッパー最下部の内径をＤａとすると、Ｄａの０．７０〜０．８５の径領域の大ベル上面にすることにより、大ベルホッパー内に堆積する原料の粒度偏析を防止することを特徴とするベル式高炉の原料装入方法。
2. 前記大ベルホッパー最下部の内径と前記小ベル最下部の外径の比が１．８〜２．０であることを特徴とする請求項１に記載のベル式高炉の原料装入方法。

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