JP4506521B2 - 移動炉床炉内移動床上への原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動炉床炉内移動床上への原料装入方法に関し、とくにこの炉の移動床上に下層材（炭材）や原料を連続的に装入して積層させる際に、堆積した各層の厚みを移動方向に均一なものにするために開発された原料装入方法について提案するものである。

粗鋼の製造を電気炉によって行う方法があるが、この方法は、スクラップや還元鉄を原料として、これらを電気エネルギーで加熱溶解し、場合によってはさらに精錬して、所望の鋼としている。また、この方法は、スクラップを主な原料としているが、近年、そのスクラップ需給が逼迫する一方で、製品の高級化の流れから、スクラップに換えて還元鉄を使用する傾向がある。

前記還元鉄に代表される還元金属製造プロセスのひとつとして、特許文献１に示されるような方法がある。この方法は、水平方向に移動する炉床（移動床）上に、主として鉄鉱石と固体還元剤を積載し、上方からの輻射伝熱によって鉄鉱石の加熱、還元を行い、さらに該移動床上でこの還元生成物を溶融して、還元鉄を製造する方法であり、移動炉床炉法とも呼ばれている。

この方法に用いられる移動炉床炉とは、加熱炉内に配設される炉床（移動床）が水平方向に移動する過程で、原料を加熱して還元する炉であり、環状の移動床が、図１に示すように回転する形式をとるのが普通であり、それ故に回転炉床炉とも呼ばれる。

例えば、代表的な移動炉床炉は、図１に示すように、予熱帯１０ａ、還元帯１０ｂ、溶融帯１０ｃおよび冷却帯１０ｄに区画された環状型加熱炉の加熱炉炉体１０内に、回転しながら連続的に移動する移動床１１を配設してなるものである。そして、この移動床１１の上には、例えば、鉄鉱石（炭材内装ペレットが用いられることもある）と固体還元剤からなる混合原料１２を積載して加熱、還元するようになっている。前記移動床１１は、通常、耐火物でライニングされた炉体１０によって囲われているが、特許文献１に開示されているように、炉床耐火物保護のために、混合原料の層とは別に、床敷材となる炭材の層が用いられる場合もある。また、この炉体１０の上部にはバーナー１３が設置され、このバーナー１３を熱源として、移動床１１上の鉄鉱石等が還元される。なお、図１において、１４は原料を移動床１１上に装入する装入装置、１５は還元物を排出する排出装置である。また、炉体１０内の雰囲気温度は還元帯では通常、１３００℃程度に調節されているが、溶融帯では１５００℃前後の高温に制御される。

上述した移動型炉床炉による還元鉄の製造方法においては、特許文献１、２に開示されているように、前記移動床上に、床敷用の下層材として炭材を堆積させ、そしてこの下層材の上には、上層材として原料を装入する場合がある。その他、この下層材は、移動床の保護材として機能させる方法としても知られている。
また、移動する移動床上に、異なる種類の装入材料を２層以上の層に分けて積層装入する方法としては、その他にも、特許文献３や特許文献４にも開示されているが、これらの技術に共通しているのは、移動床上にホッパを設置して装入する点にある。
特開平１１−１７２３１２号公報 特開２００２−０５３９０７号公報 特開２００４−３６０９５３号公報 特開２００４−３６０９５４号公報

ところで、移動床上における上記原料層（上層）の厚さが不均一になった場合、例えば、層厚の厚い部分と薄い部分が生じた場合、層厚の厚い部分の還元、溶融が遅れ、還元率の低下やメタルとスラグの分離が不均一となる問題があった。この場合、還元鉄の品質が不均一になることはもちろん、層厚の厚い部分が完全に還元、溶融するまでに時間がかかることから、移動床の移動速度が遅くなり、ひいては生産量の低下や製品のコストアップにつながるという問題があった。

しかも、特許文献２〜４に開示の技術の場合、下層（例えば、炭材層）および上層（例えば、原料層）をそれぞれ均し板を使って表面が水平となるように装入してはいるものの、上層表面はたしかに、見かけ上は、水平で、しかも全層厚としては一定の厚さになっているものの、実際は、上層と下層との層厚比が著しく変動（移動方向において）したものとなることがあり、このことが、移動床の位置によって、製品品質のバラツキを生じさせる原因となっていた。

本発明の目的は、移動床上に、装入すべき材料を上層と下層とに分けて堆積させる際に、それぞれの層の厚さが共に、該移動床の移動方向において一定の厚さになるように装入することができる装入方法を提案することにある。
本発明の他の目的は、上層の鉄含有物と下層の炭材との層厚比が一定となるように装入することによって、炉操業の安定化と、製品（還元鉄）品質を向上させる上で有効な技術を提案することにある。

そこで、発明者らは、従来技術が抱えている上述した問題が、どこに原因があるのかを究明するために上層と下層の層厚分布、とくに装入後の両層の層厚比がどのように変化するのかを調査した。
この調査に当たっては、上層である原料層は、鉄鉱石などの電気を伝えにくい材料であるのに対し、下層の炭材層は、電気を通しやすい性質を持っていることから、原料層上面から炭材層に向けて一方の電極を差し込み（他方の電極は接地した）、この電極に流れる電流量を測定し、これを上層である原料層の層厚値として取り出した。その結果を図２に示す。驚いたことに、移動方向（回転炉材であるため周長として示されている）における原料層の層厚値は、１〜３０ｍｍの範囲で大きく変動していることがわかった。そこで、上層の原料層のみを除去してみたところ、該原料層上面は水平で、全層厚（上層と下層の合計厚み）は一定であったのに対して、下層の炭材層の層厚については大きく変動していたことがわかった。

このような結果から、発明者らは、下層炭材層の層厚には移動床の移動方向に起伏（凹凸）が生じ、その結果、上層の層厚が変動していたことを知見した。そして、さらに観察を続けたところ、その原因は、上層、即ち原料貯蔵用ホッパからの原料の切り出し時に生じる粉体圧の影響により、下層の堆積層の形が崩れ、図３に示すように、不定期に脈動しながら堆積層の形を変化させていることがわかった。このことについて、発明者らの推定では、このような現象が生じる原因については、次のように考えている。

（１）図３（ａ）〜（ｂ）に示すように、移動炉床の進行に伴って、原料（上層）貯蔵用ホッパの直下で、下層の炭材層を押す力（粉体圧）が発生し、炭材層（下層）の動きがせき止められた状態となって凹み、そこに原料が過剰に装入される。
（２）そして、図３（ｃ）に示すように、下方へ向う圧力（粉体圧）が移動床の移動、その他の原因によって低下すると、滞っていた炭材がホッパ直下に入ってきて、原料の装入量が減少する。
（３）その後、図３（ｄ）に示すように、再度、原料貯蔵用ホッパ直下に炭材層を押す力が発生し、上記と同様の状況を繰り返すようになる。

そこで、発明者らは、このことを確認するために、図４に示すように、炭材層中に圧力検出素子を埋め込み、この炭材層にかかる圧力の変化を測定した。なお、前記圧力検出素子は、スタート位置から１ｍ後方に設置し、炉床を１ｍ／６０秒で運転した。従って、この場合、装入装置が測定素子直上にくるのは約６０秒後である。

その測定結果を図５に示す。装入装置が前記圧力検出素子に近づくにつれて圧力が次第に大きくなり、装入装置通過時には最高の２０００Ｐａとなっており、その後は急激に減少していた。通常、２０００Ｐａの圧力が炭材層に対して均等にかかっている場合には何事も起こらないが、図５のように、装置の通過によって圧力が変化した場合には、該装置直下の部分がへこみ、その部分が、圧力のかからない部分に移動しようとするために、結果的に炭材層の層厚の変化につながったものと考えられる。

このように、原料貯蔵用ホッパ直下にかかる圧力（粉体圧）とその変動によって、炭材層の層厚が順次に変動し、予め均一に装入したはずの炭材層に凹凸ができてしまっていたのである。一方で、上層の原料層表面は常に平らにしてあるため、両者の層厚比に変動が生じているということがわからなかったのである。

本発明は、上記知見に基づいて開発されたものであって、移動炉床炉の加熱炉内を移動する移動床上に、炭材を装入堆積させて下層となる炭材層を形成し、その炭材層の上に上層として、鉄含有物および固体還元剤を含む原料を、装入堆積させて原料層を形成し、次いで加熱還元することにより、還元鉄を製造する移動炉床炉内の、移動床上に原料を装入する方法において、前記移動床の上に配置した原料貯蔵用ホッパから前記原料を切り出して装入する際に、該原料貯蔵用ホッパ下に、装入物の下降エネルギーを和らげる作用のある粉体圧抑制機構を介在させることにより、前記炭材層にかかる原料装入時の粉体圧を緩和して層厚の均一な炭材層を維持し、移動床の移動方向における、上層と下層との層厚比が一定になるような原料装入を行うことを特徴とする移動炉床炉内移動床上への原料装入方法である。

以上の説明に明らかなように、本発明に係る装入方法によれば、移動炉床炉の移動床上に装入材料を複数層に亘って積層堆積させる際に、各層それぞれの層厚を一定の厚みで装入することができる。その結果、移動炉床炉の操業を安定化させることができると共に、得られる製品、例えば、還元鉄の品質を向上させることができる他、生産性を向上させることができる。

本発明の好適実施形態は、図に示す移動床上に、主として粉状の金属含有物等の原料と粉状の固体還元剤からなる炭材とを装入して堆積させ、該移動床が加熱炉内を移動する間に、前記原料を加熱還元し、さらには溶融させてメタルとスラグに分離して還元金属を得る型式の移動炉床炉の、その移動床上に原料を切り出すための装入方法である。前記移動床上には、上流側にはまず、炭材を装入する炭材装入手段としての炭材貯蔵用ホッパが配置される。そして、その下流側には、前記移動床上に形成された炭材層上に、原料あるいは原料と炭材との混合物を装入する原料装入手段としての原料貯蔵用ホッパが配置される。従って、原料貯蔵用ホッパというのは、移動床の移動方向に沿う前記炭材貯蔵用ホッパの下流側に設けられているものである。

なお、本発明において、上記原料中の鉄含有物としては、鉄鉱石の他、砂鉄、還元鉄粉、製鉄ダスト、ステンレス精錬ダスト、製鉄スラッジなどを含有する粉状物を使用する。一方、固体還元剤としては、石炭の他、チャー、コークス、一般炭、無煙炭などの炭素含有材料粉を主として使用する。これら粉状原料および粉状炭材は、それぞれ単一種類のものを使用してもよいし、また、各々２種以上のものを混合して使用してもよい。なお、上記原料中の製鉄ダストや製鉄スラッジなどのように、もともと十分な炭素分を含有するものの場合、炭材を混合することなくそのまま使用することもできる。また、原料中には、溶融時に還元鉄や灰分の溶融を容易にするために必要最小限の副原料を添加してもよい。このような副原料としては、石灰石、螢石、蛇紋岩、ドロマイトなどが使用できる。さらに、かかる原料は、ブリケットやペレットなどのように塊状化したものを用いてもよい。

また、本発明の好適実施形態では、前記移動床上に炭材を装入堆積させて炭材層を形成し、その上に原料あるいは原料と炭材の混合物を装入積層させて原料層を形成する。移動床上に下層として堆積させる前記炭材層は、その上層に堆積させる原料(鉄含有物等) の方が溶融しても溶融することはなく、しかも互いに混合することもない。この炭材層は、実質的にそのほとんどは、還元剤としての役割を果たしておらず、いわゆる、この下層の炭材層の存在によって、たとえ上層の原料層が溶融しても、その溶融生成物が炉床に直接接触するのを防止して、移動床の保護層としての機能を発揮するものである。

このような構成を有する装入方法において重要なことは、下層の炭材層の厚みが移動床移動方向の位置によって変動しないようにすることである。もし、この炭材層の厚みが変動すると、それは直ちに上層の原料層の層厚変動を招くことを意味しているからである。

従って、本発明の特徴は、下層に堆積させた炭材層にかかる圧力、即ち、上層である原料（鉄含有物、媒溶材、固体還元剤）貯蔵用ホッパからの粉体圧を低減することにより、下層である炭材層の上述した層厚変動を低減させることにある。そして、該原料貯蔵用ホッパの粉体圧低減のためには、該原料貯蔵用ホッパ内の粉体圧を受け止め、かつこれを緩和ないし抑制して、その粉体圧が炭材層に直接かからないようにすることが肝要である。

以下に、本発明に特有の構成である粉圧体抑制機構について説明する。
図６は、上層のための原料貯蔵用ホッパの排出口、即ち移動床を臨む開口部に、該移動床の移動方向とは逆向きに延びる均し板２１を取付けた例である。
この均し板２１の存在により、前記貯蔵用ホッパ１８内充填物による該移動床１１上に先行して堆積している炭材層にかかる粉体圧が緩和され、その結果、該炭材層の層厚状態が崩されることなく、当初の堆積層厚を維持したまま、即ち、均一な層厚の炭材層を維持したものとなる。
しかも、この均し板は、移動床の移動方向とは逆向きに設置されていても、装入堆積層の表面を均一に均し、その層厚を均一にする作用効果を阻害するものではない。

また、図７は、粉体圧抑制機構の他の例として、前記貯蔵用ホッパ１８内に、粉体圧の影響を緩和する作用のある板状もしくは棒状の遮蔽板を斜め下向きに突出させて充填物の下降エネルギーを和らげるようにしたものである。この例において、遮蔽板等は移動床の移動（搬送）方向に沿って設けられる一般的な均し板２０と共に設けられるが、その突設の方向は斜め下向きであればいずれでもよい。これらは、貯蔵用ホッパ１８内において適当な間隔で配置され、充填物の降下切り出しに影響を及ぼさないようにすることが肝要である。つまり、流路を完全に遮断するようにしないことである。

次に、図８は、粉体圧抑制機構としてのさらに他の例を示すものであり、前記貯蔵用ホッパ１８の下流排出口１８ａに、材料切り出しフィーダ２３を配置し、貯蔵用ホッパ１８内充填物の粉体圧をこのフィーダで受けるようにしたものである。このフィーダとしては、振動フィーダ、ロータリーフィーダ、スクリューフィーダ、ドラムフィーダなどが使用できる。フィーダの下流側に均し板１７を設けることで、層厚を一定にすることができる。

この実施例は、図１に示す移動炉床炉を用い、本発明方法に適合する装入装置を使って装入したものと、本発明に適合しない装入条件で装入した例（比較例）とを比較する実験を報告するものである。なお、移動床１１上に、粒径１０ｍｍ１００％のコークスを５０ｍｍの層厚で積み付けて炭材層１を形成し、この炭材層１の上に、−３ｍｍの粒径のものを１００％の鉄鉱石とコークスとを重量比で８０：２０に混合した原料を１０ｍｍの層厚で積み付け原料層２とした。
このとき、装入装置の例としては、図６に示す逆向きの均し板を用いた。その結果を、鉱石層厚と粉体圧として、図９および図１０に示した。図９の周長（移動方向を示す）と鉱石層厚との関係から明らかなように、本発明に従うものではその変動は小さくなっていることがわかる。また、図１０に炭材層にかかる粉体圧力の変化を示したが、やはり本発明に従う操業例ではその変動は小さくなっていることがわかった。

このことから、上記粉体圧抑制機構を用いて、炭材層に対し、原料貯蔵用ホッパからの粉体圧が直接かかるのを防止する原料の装入を行えば、炭材層にかかる圧力が軽減され、この炭材層の層厚の変動を小さくすることができる。

本発明の技術は、移動型炉床炉の材料装入方法に関するものであるが、他の還元炉設備や粉粒体を積層装入する設備に対しても有効に用いることができる。

移動型炉床炉の略線図である。 電極にて測定した上層（原料層層厚）の変化を示すグラフである。 下層（炭材層）に凹凸ができるメカニズムを説明する模式図である。 下層（炭材層）にかかる圧力測定装置の略線図である。 下層（炭材層）にかかる圧力の変動を示すグラフである。 本発明方法に用いる装置の一例を示す模式図）である。 本発明方法に用いる装置の他の例を示す模式図）である。 本発明方法に用いる装置のさらに他の例を示す模式図）である。 本発明方法に従う操業での層厚変動を示すグラフである。 本発明方法に従う操業で炭材層にかかる圧力変動を示すグラフである。

符号の説明

１ 炭材層
２ 原料層
１０ 炉体
１０ａ 予熱帯
１０ｂ 還元帯
１０ｃ 溶融帯
１０ｄ 冷却帯
１１ 移動床
１３ バーナー
１４ 装入装置
１５ 排出装置
１７ 均し板
１８ 原料貯蔵用ホッパ
１９ 炭材貯蔵用ホッパ
２０ 均し板
２１ 均し板
２２ 遮蔽板
２３ 材料切出しフィーダ

Claims (1)

1. 移動炉床炉の加熱炉内を移動する移動床上に、炭材を装入堆積させて下層となる炭材層を形成し、その炭材層の上に上層として、鉄含有物および固体還元剤を含む原料を、装入堆積させて原料層を形成し、次いで加熱還元することにより、還元鉄を製造する移動炉床炉内の、移動床上に原料を装入する方法において、前記移動床の上に配置した原料貯蔵用ホッパから前記原料を切り出して装入する際に、該原料貯蔵用ホッパ下に、装入物の下降エネルギーを和らげる作用のある粉体圧抑制機構を介在させることにより、前記炭材層にかかる原料装入時の粉体圧を緩和して層厚の均一な炭材層を維持し、移動床の移動方向における、上層と下層との層厚比が一定になるような原料装入を行うことを特徴とする移動炉床炉内移動床上への原料装入方法。

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