JP5359670B2 - ベル式高炉の原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、ベル式装入装置を備えた高炉（以下、「ベル式高炉」ともいう）への原料装入方法に関し、特に、炉内で鉱石層を形成する原料（以下、「鉱石層原料」ともいう）を装入する際に、配合量の少ない銘柄の鉱石や副原料の偏析を防止するベル式高炉の原料装入方法に関する。

高炉操業は、概略次のように行われる。原料である鉱石とコークスを炉頂から交互に炉内に装入して層状に堆積させ、鉱石層とコークス層を形成する。炉下部の羽口から熱風などを吹き込み、これにより炉内を上昇するガスを発生させる。この上昇ガスにより、原料を昇温させるとともに、原料中の酸化鉄を還元溶解して溶銑を生成させ、炉下部の出銑口から排出する。

鉱石層原料として装入される鉱石は、塊鉱石、焼結鉱、ペレットなど多種の鉄原料が該当する。そのほかに、鉱石層原料として、石灰石などの副原料も鉱石とともに装入される。また、塊鉱石は、種々の銘柄のものを混合して使用される。

高炉の原料装入装置は、現在ではベル式装入装置とベルレス式装入装置の２方式に大別される。

図１は、ベル式高炉における原料搬送過程と炉頂装入装置の概略構成例を模式的に示す図である。同図に示すように、高炉１４の炉頂部には、最上部にヘッドシュート５が設けられ、その下方に、互いに並設された２つの固定ホッパー６ａ、６ｂ、旋回シュート８、小ベルホッパー９、および大ベルホッパー１１が順に配置されている。固定ホッパー６ａ、６ｂは、それぞれ底部に固定ホッパーゲート７ａ、７ｂを備えており、小ベルホッパー９および大ベルホッパー１１は、それぞれ小ベル１０および大ベル１２を具備している。

ベル式高炉における原料装入では、多数並んだ原料ホッパー１に種類や銘柄の異なる原料を個別に装入し貯蔵しておき、ベルトコンベア２ａ上に各原料を適宜切り出して積載し、これをそのままベルトコンベア２ａで搬送してサージホッパー３に装入し、ここに一旦貯留する。その後、サージホッパー３内の原料を装入コンベア２ｂにより炉頂まで搬送し、ヘッドシュート５により等分して各固定ホッパー６ａ、６ｂに貯留する。

次いで、旋回シュート８の旋回を開始させた後、固定ホッパーゲート７ａ、７ｂを開いて固定ホッパー６ａ、６ｂ内の原料を旋回シュート８により円周方向に分配しつつ、小ベルホッパー９内に装入する。続いて、小ベル１０を開閉することにより、小ベルホッパー９内の原料を下方の大ベルホッパー１１内に装入する。さらに大ベル１２を開閉することにより、大ベルホッパー１１内の原料を炉内１３に装入する。この大ベル１２の１回の開閉動作で原料を炉内に装入する操作を１バッチといい、装入バッチ毎に、原料ホッパー１から切り出した原料を炉内に装入する。

ところで、高炉に装入される鉱石層原料には、上記の通り、塊鉱石、焼結鉱などの鉄原料、および石灰石などの副原料が含まれる。１バッチで装入される全鉱石層原料に占める塊鉱石の配合割合は、高炉の操業条件により差異があるものの、概ね２０〜３０％であり、複数の銘柄の塊鉱石を使用する場合、１銘柄当たりの塊鉱石の配合割合は更に低くなる。また、副原料の配合割合はそれより更に低くなり、数％程度である。

そのため、前記図１に示すように、原料ホッパー１から種類や銘柄の異なる鉱石層原料がベルトコンベア２ａ上に切り出される際、１回の全鉱石層原料の装入量（１バッチ量）に対して相対的に量が少ない銘柄の塊鉱石や副原料（以下、「少量鉱石層原料」ともいう）、具体的には１バッチで装入される全鉱石層原料に占める配合割合が１０％以下である少量鉱石層原料４ａは、ベルトコンベア２ａ上で局所的に堆積する。そして、その少量鉱石層原料４ａは、サージホッパー３への装入、およびそこでの貯留を経て装入コンベア２ｂ上へ排出された後も、幾分拡がりはするものの、この局所的な堆積状態を保ったまま、装入コンベア２ｂにより炉頂まで搬送される。図１では、装入コンベア２ｂ上の全鉱石層原料４のなかで、少量鉱石層原料４ａが局所的に存在する状態を模式的に示している。

図２は、従来の原料装入方法による小ベルホッパー内での原料堆積状況および高炉内での鉱石層とコークス層の堆積状況の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は小ベルホッパー内の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）は高炉内の縦断面図である。

図２（ａ）に示すように、装入コンベア２ｂにより炉頂まで搬送された鉱石層原料４は、ヘッドシュート５により等分されるため、少量鉱石層原料４ａも等分され、ヘッドシュート５の下方の各固定ホッパー６ａ、６ｂ内で同様の位置に少量鉱石層原料４ａが偏析する。図２（ａ）では、少量鉱石層原料４ａが、固定ホッパー６ａ、６ｂ内に収容された全鉱石層原料４において上方側に存在する例を示している。

従来の原料装入方法では、各固定ホッパーゲート７ａ、７ｂは同時に開閉されるため、固定ホッパー６ａ、６ｂに等分された少量鉱石層原料４ａは、旋回シュート８を通過する際に再度合流する。このとき、旋回シュート８は、１回の装入中に通常３〜５周程度にわたって旋回し、固定ホッパー６ａ、６ｂから排出される原料を小ベルホッパー９内で均一に分配する役割を担うが、少量鉱石層原料４ａは、その量が旋回シュート８の１周（１回転）分に満たない場合、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、小ベルホッパー９内において円周方向および高さ方向の１箇所に偏析する。この偏析は、小ベル１０を開閉して下方の大ベルホッパー（図２では図示せず）内に装入した後においても解消されない。

この状態で小ベルホッパー９内の原料を、大ベルホッパーを経て炉内に装入した場合、炉内１３においても少量鉱石層原料４ａの円周方向の偏析が生じる。

また、小ベルホッパー９内の高さ方向における少量鉱石層原料４ａの偏析は、大ベルホッパー内の高さ方向における偏析として引き継がれ、全原料が大ベルホッパーから炉内１３へ排出される際の１回の排出時間内において、少量鉱石層原料４ａの排出開始時間の偏りを生じさせる。図２では、少量鉱石層原料４ａは小ベルホッパー９内で上方側に存在しており、大ベルホッパー内においても同様に上方側に存在することになるため、大ベルホッパーを経て炉内１３へ排出される際には、少量鉱石層原料４ａの排出開始時間が後半に偏ることになる。

ここで、原料が大ベルホッパーから炉内１３へ排出される際、炉内径方向での原料の堆積分布は１回の排出時間内における排出開始時間の影響を受け、一般的には、排出初期の原料は炉内中心側に堆積し、排出後期の原料は炉壁側に堆積する。図２では、少量鉱石層原料４ａは、炉内１３への排出開始時間が後半に偏るため、図２（ｃ）に示すように、炉壁側に偏って堆積する。

このように、大ベルホッパー内で高さ方向に偏析した少量鉱石層原料４ａが炉内に装入されると、炉内１３において径方向にも偏析が生じることになる。

すなわち、図２（ｃ）に示すように、炉内１３においては、鉱石とコークスが交互に装入され、装入バッチ毎に鉱石層１５（全鉱石層原料４に該当する）とコークス層１６になって交互に堆積しているが、炉内１３に装入された少量鉱石層原料４ａは、炉内径方向の偏析が生じた状態で存在し、また、円周方向にも偏析して存在することとなる。なお、図２（ｃ）において、鉱石層１５内における少量鉱石層原料４ａの偏析が、鉱石層１５毎に左側と右側に交互に現れているのは、１バッチ内における旋回シュート８の旋回の開始時の向きが、この例では、前回バッチの開始時の向きに対して交互に反対になっていることによる。

このように、炉内において少量鉱石層原料が円周方向および半径方向に偏析すると、円周方向および半径方向の炉内反応が不均一になる。高炉操業においては、通常、複数の出銑口を切り替えて使用するため、炉内反応が不均一になると、複数の出銑口から排出される溶銑の温度や成分に偏差が発生する。

炉内において少量鉱石層原料が円周方向および半径方向に偏析した場合、もはやその影響を緩和する操業を行うことは極めて困難である。そのため、炉内へ原料を装入する前に少量鉱石層原料の偏析を解消することが望まれている。

この少量鉱石層原料の偏析の問題に限らず、装入原料の炉内での偏析の問題は、炉内のガス流分布を適正に制御して安定した操業を行い、良質の銑鉄を得るために極めて重要な解決課題であり、そのため、従来から種々の装入物分布制御が行われ、また幾多の研究開発がなされてきた。

なかでも、円周方向での原料装入量の均一性を確保するための装入方法および装入装置の開発には力が注がれており、例えば、特許文献１では、ベル式高炉において、固定ホッパーから旋回シュートを介して小ベルホッパーに原料を装入する際、旋回シュートの円周方向での装入開始位置（方位）を制御して、原料の円周方向の堆積量分布を制御する方法が提案されている。

また、特許文献２では、２つの固定ホッパーのゲートをそれぞれ独立に開閉操作し、各固定ホッパーからの原料排出開始時における旋回シュートの位置を１８０°ずらすことにより、高炉炉頂に装入される原料堆積量の偏りを著しく低減する装入方法が提案されている。

しかし、これらの提案された方法を少量鉱石層原料を含む鉱石層原料の装入に適用しても、少量鉱石層原料の偏析を解消ないしは緩和することはできない。

前記特許文献１に開示された方法では、各バッチ単位での堆積量分布しか考慮されておらず、各バッチ内の少量鉱石層原料の量が旋回シュートの１周分に満たない場合、小ベルホッパーおよび大ベルホッパー（以下、両者を総称して「ベルホッパー」ともいう）内での偏析は回避できない。

図３は、特許文献２に開示された原料装入方法による小ベルホッパー内での原料堆積状況および高炉内での鉱石層とコークス層の堆積状況の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は小ベルホッパー内の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図、同図（ｃ）は高炉内の縦断面図である。

前記特許文献２に開示された方法では、旋回シュート８の周回が１／２周（１８０°）ずれるように制御して、２つの固定ホッパー６ａ、６ｂから原料の排出を開始している。しかし、この方法では、旋回シュート８の１周分に満たない原料を２箇所に分散させることによりベルホッパー内の円周方向の偏析は緩和できても、ベルホッパー内の高さ方向の偏りを分散させることはできない。原料排出時における旋回シュート８の位置が１／２周ずれただけなので、各固定ホッパー６ａ、６ｂから排出された原料は、炉内１３においては、１バッチ毎の各層内における径方向のある一定のところに常に偏析し、炉内１３全体で見ると、半径方向に少量鉱石層原料４ａの偏りが生じることになる。

特開平１−２５９１０９号公報 特開昭５９−９３８０７号公報

本発明は、このような炉内への鉱石層原料の分布制御に関する事情に鑑みてなされたものであり、ベル式高炉に１バッチで装入する全鉱石層原料のうち、旋回シュートの１周分に満たない少量の銘柄の塊鉱石や副原料などの炉内円周方向および半径方向での偏析を著しく低減することができるベル式高炉の原料装入方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するために検討を重ねた結果、鉱石層原料として少量の塊鉱石や副原料を原料ホッパーから切り出す際にコンベアの長さ方向に二分割し、この二分割した少量鉱石層原料をベルトコンベア上に積載された全鉱石層原料の先頭と後尾に配置させることにより、炉内で少量の塊鉱石や副原料などの円周方向および半径方向の偏析を著しく緩和することができ、高炉の各出銑口間で溶銑成分偏差の低減が可能であることを知見した。

本発明の要旨は、下記のベル式高炉の原料装入方法にある。すなわち、複数種の鉱石層原料をそれぞれ原料ホッパーから切り出してベルトコンベア上に積載し、炉内に装入するベル式高炉の原料装入方法であって、１バッチで装入される全鉱石層原料のうち、当該全鉱石層原料に占める配合割合が１０％以下である鉱石層原料を二分割して原料ホッパーから切り出し、ベルトコンベア上で全鉱石層原料の積載領域の先頭と後尾に配置させることを特徴とするベル式高炉の原料装入方法である。

本発明のベル式高炉の原料装入方法によれば、１回の全鉱石層原料の装入量に対して相対的に量が少ない銘柄の塊鉱石や副原料の高炉内における円周方向および径方向での偏析を著しく緩和することができる。その結果、高炉の各出銑口間で溶銑温度および溶銑成分の偏差を低減し、良質の銑鉄を得ることが可能となる。

ベル式高炉における原料搬送過程と炉頂装入装置の概略構成例を模式的に示す図である。 従来の原料装入方法による小ベルホッパー内での原料堆積状況および高炉内での鉱石層とコークス層の堆積状況の一例を模式的に示す図である。 特許文献２に開示された原料装入方法による小ベルホッパー内での原料堆積状況および高炉内での鉱石層とコークス層の堆積状況の一例を模式的に示す図である。 本発明の原料装入方法による小ベルホッパー内での原料堆積状況および高炉内での鉱石層とコークス層の堆積状況の一例を模式的に示す図である。

上記のとおり、本発明のベル式高炉の原料装入方法は、複数種の鉱石層原料をそれぞれ原料ホッパーから切り出してベルトコンベア上に積載し、炉内に装入する原料装入方法であって、１バッチで装入される全鉱石層原料のうち、当該全鉱石層原料に占める配合割合が１０％以下である鉱石層原料を二分割して原料ホッパーから切り出し、ベルトコンベア上で全鉱石層原料の積載領域の先頭と後尾に配置させる原料装入方法である。ベルトコンベア上に二分割で切り出される鉱石層原料としては、配合割合が１０％以下である少量の銘柄の塊鉱石や副原料が該当する。

図４は、本発明の原料装入方法による小ベルホッパー内での原料堆積状況および高炉内での鉱石層とコークス層の堆積状況の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は小ベルホッパー内の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ断面図、同図（ｃ）は高炉内の縦断面図である。

本発明の原料装入方法では、高炉へ装入する鉱石層原料を焼結鉱、塊鉱石、副原料などの種類毎に原料ホッパーからベルトコンベア上に順次切り出す際、１バッチで装入される全鉱石層原料に占める配合割合が１０％以下である少量鉱石層原料をコンベアの長さ方向に二分割し、この二分割した少量鉱石層原料をそれぞれベルトコンベア上に積載された全鉱石層原料の先頭と後尾に配置させる。これにより、図４（ａ）に示すように、ベルトコンベアに続くサージホッパーを経た装入コンベア２ｂ上では、ベルトコンベア上の少量鉱石層原料４ａの配置状態が再現され、少量鉱石層原料４ａが全鉱石層原料４の積載領域の概ね先頭と後尾に配置される。

このような状態の鉱石層原料４を炉頂の固定ホッパー６ａ、６ｂまで輸送した場合、二分割した少量鉱石層原料４ａは固定ホッパー６ａ、６ｂ内で高さレベルに充分な差をもって存在させることができる。そして、この状態で固定ホッパー６ａ、６ｂ内の原料を小ベルホッパー９に装入すれば、二分割した少量鉱石層原料４ａは、旋回シュート８を通過する際に時間差が生じるため、小ベルホッパー９内に円周方向で異なる位置に排出される。すなわち、従来のように少量鉱石層原料が旋回シュートを同時に通過した場合は前述のように１箇所に偏析するのに対し、本発明では、図４（ｂ）に示すように、旋回シュート８を通過する時間に差を設けることによって少量鉱石層原料４ａを分散させ、円周方向における少量鉱石層原料４ａの偏析を低減することが可能となる。

また、図４（ａ）、（ｃ）に示すように、少量鉱石層原料４ａの炉内１３での半径方向における偏析は、固定ホッパー６ａ、６ｂ内での高さレベルの差を大きくすることにより、軽減することができる。これは以下の理由による。図４（ａ）に示すように、二分割した少量鉱石層原料４ａの一方を固定ホッパー６ａ、６ｂの上部側に、他方を固定ホッパー６ａ、６ｂの下部側に存在させれば、固定ホッパー６ａ、６ｂから小ベルホッパー９へ原料を排出したときに、一方の少量鉱石層原料４ａは小ベルホッパー９内の上部側に、他方は下部側に存在させることができる。この状態で、原料を小ベルホッパー９から大ベルホッパーを経て炉内１３へ装入するに際し、小ベルホッパー９の下部側に存在させた少量鉱石層原料４ａは炉内中心側へ、上部側に存在させた少量鉱石層原料４ａは炉壁側へと分散させられる。

上記の効果を充分に得るためには、二分割した少量鉱石層原料をベルトコンベア上に積載させる際に少量鉱石層原料の配置間隔を大きく確保することが有効であり、本発明ではベルトコンベア上で全鉱石層原料の積載領域の先頭と後尾に配置させることとしている。少量鉱石層原料をベルトコンベア上に二分割させる方法としては、原料ホッパーの原料切り出しタイミングをコントロールすればよい。

この原料装入方法を採用することにより、配合量の少ない銘柄の塊鉱石や副原料、すなわち少量鉱石層原料が旋回シュートを通過して小ベルホッパー内で１箇所に偏析するのを回避し、円周方向および高さ方向において少量鉱石層原料をそれぞれ２箇所に分散させ、炉内における円周方向および径方向での少量鉱石層原料の偏析を低減することができる。これにより、高炉の各出銑口間での溶銑温度や溶銑成分の偏差を低減し、良質の銑鉄を得ることが可能となる。

本発明のベル式高炉の原料装入方法によれば、１回の全鉱石層原料の装入量（１バッチ量）に対して相対的に量が少ない銘柄の塊鉱石や副原料の高炉内における円周方向および径方向での偏析を著しく緩和することができ、高炉の各出銑口間で溶銑温度および溶銑成分の偏差を低減して、良質の銑鉄を得ることが可能となる。

したがって、本発明のベル式高炉の原料装入方法は、製鉄業の分野で有効に利用することができる。

１：原料ホッパー、 ２ａ：ベルトコンベア、 ２ｂ：装入コンベア、
３：サージホッパー、 ４：全鉱石層原料、 ４ａ：少量鉱石層原料、
５：ヘッドシュート、 ６ａ、６ｂ：固定ホッパー、
７ａ、７ｂ：固定ホッパーゲート、 ８：旋回シュート、
９：小ベルホッパー、 １０：小ベル、 １１：大ベルホッパー、
１２：大ベル、 １３：炉内、 １４：高炉、 １５：鉱石層、
１６：コークス層

Claims (1)

1. 複数種の鉱石層原料をそれぞれ原料ホッパーから切り出してベルトコンベア上に積載し、炉内に装入するベル式高炉の原料装入方法であって、
   １バッチで装入される全鉱石層原料のうち、当該全鉱石層原料に占める配合割合が１０％以下である鉱石層原料を二分割して原料ホッパーから切り出し、ベルトコンベア上で全鉱石層原料の積載領域の先頭と後尾に配置させることを特徴とするベル式高炉の原料装入方法。

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