JP5375028B2 - ベルレス高炉への原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉頂に原料バンカーが上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置を有するベルレス高炉への原料装入方法に関し、特に鉱石層中にコークスを混合してなるコークス混合鉱石層とコークス単独のコークス層とを交互に堆積させる装入方法に関する。

高炉操業では、通常、炉頂から鉱石とコークスとをそれぞれが交互に層状となるように装入すると共に、鉱石層とコークス層との炉半径方向における層厚分布、あるいは、粒度分布を制御することにより、炉内でのガス流分布を制御している。

近年、環境問題の観点から、高炉でのコークスの使用量をできるだけ低減できる技術の開発が求められている。コークス装入量を低減するには、１チャージ当りの鉱石装入量を増加させる方法、または、１チャージ当りのコークス装入量を低下させる方法の２つが考えられる。この場合、前者を実施すると、鉱石層厚が厚くなるため、鉱石の還元性が悪化して炉下部における未還元鉱石の直接反応による炉熱低下を招いて炉況を悪化させる。一方、後者を実施すると、融着帯でコークススリットを形成するコークス層厚が薄くなるため、炉下部での通気性が悪化することになる。

そこで従来、これらの影響を緩和するために、前記鉱石層中にコークスをあらかじめ混合させて（鉱石コークス混合装入）、鉱石層自体の還元性を向上させる方法が開発されている。例えば、特許文献１、特許文献２などにおいては、コークス混合鉱石層を形成する装入方法の採用によって、炉内の通気性や通液性を改善することにより、炉況を安定させる方法を提案している。これらの技術は、コークスの単独装入と、鉱石とコークスの混合装入を交互に行なう方法であり、コークス混合鉱石層中のコークス粒径を小さくし、鉱石とコークスの粒径調節を行なうこと、さらに副原料を混合して装入することにより、鉱石とコークスとの密度差や粒度差に起因する炉半径方向における装入偏析をなくし、想定したガス流分布の形成をするため、かつ、鉱石の溶融状態を良好にするための方法である。

しかし、上記のコークス粒径を小さくしたコークスを混合する鉱石コークス混合装入の技術は、鉱石層中のコークスを鉱石が溶融し始めてから滴下するまでの領域（すなわち、軟化融着帯）で反応消滅させることになり、炉下部、特に軟化融着帯での通気性改善には不十分であり、コークス装入量の低減、すなわち、コークス比の低減効果が小さいと考えられる。

また、高炉の原料装入装置としては、ベルレス装入装置が広く採用されており、ベルレス装入装置には、炉頂バンカー（ホッパー）が並列に設置された「並列バンカー型」と、原料バンカーが上、下二段に設置された「センターフィード型」がある。一般的にセンターフィード型のベルレス装入装置は、並列バンカー型の装置に比べて、構造的に簡素であるため設備投資額が安く、また、装入物を炉内に装入する際の円周方向偏差が少なく、ほぼ均一に分配できるという利点がある。

一方、センターフィード型ベルレス装置のように上部と下部に二段のバンカーを備えた原料装入装置を用いると炉高が高くなる傾向となり、既存の設備を流用する等の理由で装置の高さを従来装置並に抑えるためには、上部、下部の二連のバンカー径を大きくして内容積を確保する必要がある。しかしながら、上部、下部の二段のバンカー径を大きくすることにより、上部バンカーへの原料の受け入れ時、もしくは上部バンカーから下部バンカーへの原料装入の際に、各バンカー内で鉱石層内に混合されたコークスの偏析が発生する。そして最終的に下部バンカー内で偏析した混合コークスは、旋回シュートを用いて炉内に装入する際に、装入の初期から中期にかけてコークス混合率が大となり、末期でコークス混合率が小となるような排出コークス混合率分布となる。

このような排出混合率分布となる原料を、旋回シュートを用いて、高炉の中心側から炉壁方向へと順々に装入すると、中心部に混合率大、中間部〜炉壁部に混合率小となって堆積することになる。その結果、コークス混合鉱石層中のコークスの径方向分布が不均一となり、混合コークスとして有効に活用されず、特に炉下部において通気性の改善効果があまり期待できない。
特開平８−２８３８０４号公報 特開平１０−１８３２１０号公報

一般に、高炉の安定操業を達成するためには、炉内、特に軟化融着帯における通気性を良好に保つことが有効である。そして、この軟化融着帯の通気性を良好に保つためには、基本的には、一度に装入する鉱石量を低減させ、軟化融着帯の層厚を低減すること、および鉱石と同時にコークスの一部を装入する鉱石コークス混合装入が有効であることが知られている。

ここで、前者はコークス比の上昇となるため望ましくない。一方、後者の鉱石コークス混合装入では、鉱石層中に混合するコークスの分布を適切に制御することで、特に融着帯においてコークスが鉱石層の軟化収縮を抑制することによって、通気抵抗の高い軟化融着帯へのガスの侵入を可能とし、通気性を改善することによって炉況を安定化させるのに有効である。

しかしながら、特許文献１、２に記載の鉱石コークス混合装入技術は、鉱石の溶融を促進させているため、コークス混合鉱石層中のコークスが炉内を降下中に消滅してしまうと考えられ、融着帯での通気性改善が不十分であると考えられる。

また鉱石コークス混合装入では、炉頂バンカーからの排出混合率特性に起因して炉内径方向の混合率分布が不均一となること、または、混合装入によって同時装入した鉱石とコークスが装入後に偏析現象を生じ、炉内径方向の混合率分布が不均一となること等により、ガス流分布を不安定化させて、炉況悪化を招く危険性がある。

センターフィード型の原料装入装置では、炉頂バンカーからの排出混合量分布において、排出初期に混合量が大となる特性がある。そのため、例えば、中心部から周辺部に向けて順次装入する場合には、炉内装入後には中心部に混合量大、中間部〜炉壁部に混合量小となって堆積することになり、コークス混合鉱石層中のコークスの径方向分布が不均一となる。

コークス混合鉱石層中のコークスは、特定の部位に偏析させることなく、均一に分散した状態に制御することによって、局所的な通気悪化を抑制でき、通気性改善に効果的であることがわかっている。

またコークス混合鉱石層中のコークスは、融着帯での通気性改善効果が期待されることから、融着帯においてもコークスが消滅しないことが必要である。そこで混合コークスの配合量は多く、粒径は大きくすることが有効であると考えられる。しかしながら、多量または大粒径のコークスを鉱石層中に混合させた場合には、粒度差に起因した偏析現象が生じるため、混合率分布が不均一になりやすいことから、最適な粒径が存在すると考えられる。さらに混合量に応じて偏析量も増加することから、均一な混合率分布を形成させることができないという課題がある。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、センターフィード型の原料装入装置を有するベルレス高炉で鉱石コークス混合装入を行なう際に、炉頂バンカーの排出混合率特性と、装入後の偏析現象を考慮して、原料の炉内装入後にコークス混合鉱石層中のコークスの径方向分布が均一となり、混合性が良好となるベルレス高炉の原料装入方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）上部バンカーと下部バンカーとが上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置を有するベルレス高炉において、炉頂部から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる原料装入を行なう際に、
前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの粒径を、前記コークス層として装入される塊コークスの粒径に対して０．２倍以上、かつ、鉱石の粒径に対して１．３倍未満とし、
前記コークス混合鉱石層を形成するために、原料槽から前記上部バンカーに向けて原料を供給するベルトコンベアにコークスを排出するタイミングを、鉱石を前記ベルトコンベアへ排出する全時間に対して０．５以内に完了して前記上部バンカーに鉱石とコークスとを装入し、前記上部バンカー内の原料を前記下部バンカー内に装入し、該下部バンカーから排出した原料を旋回シュートを介して高炉内に装入することを特徴とする、ベルレス高炉への原料装入方法。
（２）コークス混合鉱石層中に混合されるコークス量を、炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とする、（１）に記載のベルレス高炉への原料装入方法。

本発明によれば、センターフィード型の原料装入装置を有するベルレス高炉の鉱石コークス混合装入において、コークス混合鉱石層中の混合コークスの排出特性を考慮して、事前に混合コークスの混合量を経時的に制御することによって、炉頂バンカーからの排出混合量分布を制御し、炉内装入後にコークス混合鉱石層中の混合コークスの径方向分布を制御可能となる。これにより、混合性が良好となり炉下部の通気性が改善されることによって、より効率的な高炉の操業が可能となる。

図１は本発明のベルレス高炉への原料装入方法の一実施形態を示す概略図である。図１中の矢印は、旋回シュートの傾動方向を示す。図１を用いて、上部バンカーと下部バンカーとが上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置にコークス混合鉱石層用の原料を装入する方法を説明する。

鉱石とコークスとが、それぞれ個別に原料槽３（３ａ、３ｂ）に貯溜される。まず鉱石１を原料槽３ａから排出し、ベルトコンベア４を用いてサージホッパー５への送給を開始する。それとほぼ同時にコークス２を原料槽３ｂから排出し、サージホッパー５への送給を開始するが、この時、鉱石１の原料槽３ａからの排出量が１回の排出量の５０％に到達するまでにコークス２の排出を完了させる。すなわち、ベルトコンベア４で搬送される原料は、前半は鉱石１とコークス２、後半は鉱石１のみの状態となる。このためには、コークスを排出するタイミングを、鉱石をベルトコンベア４へ排出する全時間に対して０．５以内に完了するようにすればよい。ベルトコンベア４で搬送される原料は、サージホッパー５に順次装入される。次いでサージホッパー５の下部から原料を排出して、装入コンベア６を介して上部バンカー７、下部バンカー８へと順次送給する。この時、鉱石１とコークス２は、バンカー７、８内の堆積状況と偏析状況によって決まる排出挙動への影響を受けて、鉱石とコークスが混合された状態となって下部バンカー８に貯溜される。

下部バンカー８から高炉９内へ装入する際には、下部バンカー８の下部から原料を排出する。その場合、原料槽３ａ、３ｂから同時に鉱石とコークスとの排出を開始して、同時に排出を終了するような操業では、高炉９内へ装入される原料は排出初期のコークスの混合率大、排出後期のコークスの混合率小という傾向の排出混合率分布となる。しかしながら上記のように鉱石とコークスとを原料槽３から排出させるタイミングを調整して、これにより上部バンカー７、下部バンカー８内の原料の粒度分布が最適となるように粒度設定をすることによって、下部バンカー８から排出される混合率変化を均一に制御することができる。その結果、旋回シュート１０を介して高炉９内へコークス混合鉱石層用の原料を装入した場合、コークス混合鉱石層中のコークスの径方向分布が均一となる。

本発明においては、コークスの排出を終了する時期を制御する方法は、特定の方法に限定しない。例えば鉱石とコークスとの排出を同時に開始した後、鉱石の排出が終了するまでの間に所定量のコークスの排出が終わるようにすれば良く、タイマーや各種センサーを使用して制御すれば良い。また原料槽３ｂからコークス２を排出する時期については、原料槽３ａから鉱石１の排出が１回の排出量の５０％になるまでに完了していれば良く、鉱石の排出を開始する前にコークスの排出を開始しても問題は無い。コークス２を排出する時期が、鉱石の排出を開始した後であっても、鉱石１の排出が１回の排出量の５０％になるまでにコークス２の排出が完了していれば良い。

また、上記のようにベルトコンベア４上に排出した原料をサージホッパー５を介して、サージホッパー５内で鉱石１とコークス２とを混合してから上部バンカー７に装入する以外に、原料槽３ｂをサージホッパー５の下流側に移動して、上部バンカー７に装入する前の段階のベルトコンベア６上の鉱石１の上でコークス２を排出して、上部バンカー７にまず鉱石とコークスとを装入し、引き続いて鉱石を装入した後、上部バンカー７内の原料を下部バンカー８内に装入し、下部バンカー８から排出した原料を旋回シュート１０を介して高炉９内に装入してコークス混合鉱石層１２を形成することもできる。この場合は、上部バンカー７に原料を供給する直前のベルトコンベア６の上でコークス２を排出するタイミングを調整して、搬送される鉱石１の前半分のみの上にコークスを排出してから上部バンカー７に鉱石１とコークス２とを装入することになる。

混合するコークスの最適な粒径について調べるために下部バンカー８からの排出試験を行った結果、コークス混合鉱石層中に混合されるコークス粒径（混合コークス粒径）を、鉱石の粒径に対して１．３倍以下とすることで下部バンカーからの排出が均一になることがわかった。粒径としては、鉱石及び混合コークスの平均粒径を用いれば良い。

また高炉内を降下する間にコークスはガス化反応によって粒径が次第に低下する。このとき、コークス混合鉱石層中に混合されるコークスは、塊コークスとの粒径差が大きければ、比表面積差がより大きくなることに起因して、ガス化反応の影響をより大きく受けることによって粒径低下が顕著となり、融着帯下端に到達するまでに混合コークスが消滅してしまい、通気性改善効果が薄れてしまうことが考えられる。そこで高炉内の昇温パターン、および、ガス組成について、鉱石の溶け落ちまでを模擬した電気炉実験により、最適な粒径について検討を行った。結果を図２に示す。図２の結果から、コークス混合鉱石層中に混合されるコークス粒径（混合コークス粒径）が小さすぎるとコークスが消滅してしまい、塊コークスの粒径に対して０．２倍以上とすることで、コークス混合鉱石層中に混合されたコークスの消滅を抑制できることがわかった。粒径としては、塊コークスと混合コークスの平均粒径を用いれば良い。

コークス混合鉱石層中に混合されるコークス量は、炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上とすることが好ましい。偏析が問題にならない場合には、融着帯においてもコークスが消滅しないように、混合コークスの配合量は多いことが好ましいためである。

本発明の原料装入方法を用いれば、コークス混合鉱石層中のコークスの混合率が均一化するので、図１に示すように旋回シュートの傾動が、高炉の中心部から炉壁方向へと移動する逆傾動の場合にも、高炉の炉壁側から炉中心方向へと移動する順傾動の場合にも、本発明を適用することができる。

図１に示す装置と同様の設備を用いて、高炉に原料を装入する際の排出混合率分布を測定した。図３に従来技術を用いた場合の下部バンカーからの排出コークス混合率分布を示す（比較例）。従来技術では、原料槽３ａ、３ｂから同時に鉱石とコークスとの排出を開始し、同時に排出を終了して、１回の装入に必要な所定量の鉱石とコークスとをベルトコンベア４に排出し、ベルトコンベア４、サージホッパー５、装入コンベア６での搬送中に鉱石とコークスとを混合し、混合状態で上部バンカー７に装入した。また、本発明例として、原料槽３ｂからの排出速度を調整して、原料槽３ｂからコークスを排出する時期を、排出の開始は鉱石と同時であるが、原料槽３ａからの鉱石の排出量が１回の装入に必要な量の２５％の時にコークスの排出が全て完了するようにした場合の、下部バンカーからの排出コークス混合率分布を、図４に示す。比較例の図３の場合に比較して、本発明例の図４においては高炉へのコークスの混合率が排出の全体に渡ってほぼ均一となっていることが分かる。

次に、比較例と本発明例の装入方法を用いて、コークスの単独装入と、鉱石とコークスの混合装入を交互に行なう鉱石コークス混合装入により高炉の操業を行なった。操業条件と、通気抵抗指数、ガス利用率等の測定結果を表１に示す。

本発明の原料装入方法を適用後、高炉内に装入されたコークス混合鉱石層中のコークスの径方向分布均一化によってガス流分布が安定化した結果、表１に示すように、通気抵抗指数の低減、ガス利用率の向上が見られ、還元材比が低下した。これにより、本発明方法は、高炉の安定操業技術として有効であり、さらに、低還元材比操業技術としても利用可能であることが確認された。

本発明の一実施形態を示す概略図。 電気炉実験により調査した塊コークス粒径比と反応後コークス粒径比の関係を示すグラフ。 従来技術を用いた場合の下部バンカーからの排出コークス混合率分布を示すグラフ。 本発明を用いた場合の下部バンカーからの排出コークス混合率分布を示すグラフ。

符号の説明

１ 鉱石
２ コークス
３（３ａ、３ｂ） 原料槽
４ ベルトコンベア
５ サージホッパー
６ 装入コンベア
７ 上部バンカー
８ 下部バンカー
９ 高炉
１０ 旋回シュート
１１ 鉱石とコークスの混合物
１２ コークス混合鉱石層

Claims (2)

1. 上部バンカーと下部バンカーとが上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置を有するベルレス高炉において、炉頂部から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる原料装入を行なう際に、
   前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの粒径を、前記コークス層として装入される塊コークスの粒径に対して０．２倍以上、かつ、鉱石の粒径に対して１．３倍未満とし、
   前記コークス混合鉱石層を形成するために、原料槽から前記上部バンカーに向けて原料を供給するベルトコンベアへのコークスの排出を、前記ベルトコンベアへ排出される鉱石の排出量の５０％になるまでに完了して前記上部バンカーに鉱石とコークスとを装入し、前記上部バンカー内の原料を前記下部バンカー内に装入し、該下部バンカーから排出した原料を旋回シュートを介して高炉内に装入することを特徴とする、ベルレス高炉への原料装入方法。
2. コークス混合鉱石層中に混合されるコークス量を、炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とする、請求項１に記載のベルレス高炉への原料装入方法。

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