JP5601426B2 - 高炉への原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉内への原料装入を旋回シュートで行う高炉への原料装入方法に関し、特に鉱石類原料とコークスとの混合層の均一化を達成しようとするものである。

高炉は、一般的に焼結鉱、ペレット、塊状鉱石等の鉱石類原料とコークスとを炉頂から層状に装入し、羽口より燃焼ガスを流して、銑鉄を得る。装入された高炉装入原料であるコークスと鉱石類原料は炉頂より炉下部へと降下し、鉱石の還元と原料の昇温が起こる。鉱石類原料層は、昇温と上方からの荷重により鉱石類原料間の空隙を埋めながら徐々に変形して、高炉のシャフト部の下方においては非常に通気抵抗が大きくガスが殆ど流れない融着層を形成する。

従来、高炉への原料装入は、鉱石類原料とコークスを交互に装入しており、炉内では鉱石類原料層とコークス層が交互に層状となっている。また、高炉内下部には、融着帯と呼ばれる、鉱石が軟化融着した通気抵抗の大きな鉱石類原料層とコークス由来の比較的通気抵抗が小さいコークススリットとが混在する領域が存在する。
この融着帯の通気性が高炉全体の通気性に大きく影響を及ぼしており、高炉における生産性を律速している。低コークス操業を行う場合、使用されるコークス量が減少することからコークススリットが限りなく薄くなることが考えられる。

融着帯の通気抵抗を改善するためには、鉱石類原料層にコークスを混合することが有効であることが知られており、適切な混合状態を得るために多くの研究が報告されている。
例えば、特許文献１においては、ベルレス高炉において、鉱石ホッパーのうち下流側の鉱石ホッパーにコークスを装入し、コンベア上で鉱石の上にコークスを積層し、炉頂バンカーに装入して、鉱石とコークスとを旋回シュートを介して高炉内に装入するようにしている。
しかしながら、特許文献１においては、炉頂バンカーにおいて鉱石とコークスとを混合させることから、炉頂バンカー内で偏析が生じてしまい、鉄鉱石とコークスとの混合比率を正確に維持することはできないという問題があった。

また、特許文献２では、炉頂のバンカーに鉱石とコークスとを別々に貯留して、コークスと鉱石を同時に混合装入することを提案している。
しかしながら、原料が炉内に装入された後のコークスと鉱石の分離については特に考慮が払われてなく、原料装入後の粗粒と細粒の偏析によるコークスと鉱石の分離が懸念される。

さらに、特許文献３では、高炉操業における融着帯形状の不安定化及び中心部付近におけるガス利用率の低下を防止し、安全操業と熱効率の向上を図るために、高炉における原料装入方法おいて、全鉱石と全コークスを完全混合した後、炉内に装入するようしている。
しかしながら、特許文献３に記載された技術では、コークススリットがない高炉については記載されているが、高炉における具体的な原料装入方法については言及されてなく、装入物混合率の制御法が不明である。

ところで、発明者らは、先に、特許文献４において、コークススリットを存在させることなく、通気抵抗を向上させる高炉への原料装入方法として、
「焼結鉱、ペレット、塊状鉱石などの鉱石類原料及びコークスの高炉装入原料の高炉内への装入を旋回シュートで行う高炉の操業方法であって、
前記高炉装入原料を前記高炉に装入する際に、軸心部に中心コークス層を形成し、該中心コークス層の外側にコークススリットを生じさせないように前記鉱石類原料及びコークスを混合させた混合層を形成するようにしたことを特徴とする高炉への原料装入方法。」
を提案した。

特開平３−２１１２１０号公報 特開２００４−１０７７９４号公報 特公昭５９−１０４０２号公報 特開２０１２−９７３０１号公報

上掲特許文献４の開発により、高炉内における通気性は大幅に向上し、安定した高炉操業が可能になった。

本発明は、上記した特許文献４に記載の技術の改良に係るもので、混合層の形成に際し、一層の均一化を達成し、もってより安定した高炉操業の実施を可能ならしめようとするものである。

さて、発明者らは、高炉内での混合層の形成に際し、一層の均一化を達成すべく種々検討を重ねた。
その結果、混合原料の高炉内への排出速度を上昇させることによって、混合層の均一化が大幅に向上するという新規な知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．焼結鉱、ペレット、塊状鉱石などの鉱石類原料及びコークスの高炉装入原料を、旋回シュートを用いて高炉内へ装入する高炉操業方法において、
炉頂バンカーから同時に、前記コークスと前記鉱石類原料及び／又は前記鉱石類原料と前記コークスとを混合させた混合原料を排出し、集合ホッパーで混合して前記旋回シュートに供給することによって、前記鉱石類原料と前記コークスとを混合した混合原料として高炉内へ装入することにより、高炉内の所定領域に混合層を形成するに際し、前記混合原料の高炉内への排出速度を１．５ｔ／ｓ以上とすることを特徴とする高炉への原料装入方法。

２．前記高炉の炉頂に配設した少なくとも２つの炉頂バンカーと、各炉頂バンカーの排出口に配設され当該炉頂バンカーから排出される原料を混合して前記旋回シュートに供給する集合ホッパーとを備え、
前記炉頂バンカーの１つまたは２つに、前記鉱石類原料若しくは前記鉱石類原料と前記コークスとを混合させた混合原料のいずれかまたは両者をそれぞれ貯留し、残りの炉頂バンカーの１つに前記コークスを貯留して、前記混合層を形成する際に、前記炉頂バンカーから同時に、前記コークスと前記鉱石類原料及び／又は混合原料を排出し、前記集合ホッパーで混合して前記旋回シュートに供給する
ことを特徴とする前記１に記載の高炉への原料装入方法。

３．前記高炉装入原料を高炉内に装入するに際し、高炉の軸心部に中心コークス層を形成することを特徴とする前記１または２に記載の高炉への原料装入方法。

本発明によれば、高炉内へ鉱石類原料とコークスとを混合した混合原料を装入して、高炉内に混合層を形成するに際し、混合層の一層の均一化を達成できるので、より安定した高炉操業の実施が可能になる。

炉頂バンカーを含む原料装入状態を示す模式図である。 鉱石類原料の高温性状を測定する実験装置を示す概略構成図である。 コークス粒子径をパラメータとした鉱石類原料へのコークスの混合割合と最大圧力損失割合との関係を示すグラフである。 バンカー内混合と同時排出混合の場合における、装入原料中のコークスの混合率の経時変化を比較して示したグラフである。 同時排出条件で排出速度を変化させたときの炉半径方向にわたるコークス混合率の変化を示したグラフである。 同時排出時における排出速度を種々に変化させた場合の混合率の変化を示したグラフである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に基づき、特許文献４に従って鉱石類原料及びコークスを高炉内に装入する具体的な装入要領を説明する。
なお、この例で、炉頂バンカー１２ｂには鉱石類原料及びコークスの混合原料が、また炉頂バンカー１２ａにはコークスのみが、さらに炉頂バンカー１２ｃには鉱石類原料のみが、それぞれ貯留されている。
ここに、炉頂バンカー１２ｂに貯留される混合原料において、コークス量は全コークス量の３０質量％以下に調整することが好ましい。というのは、混合されるコークス量が全コークス量の３０質量％以下であれば、炉頂バンカー１２ｂに貯留された時点で、コークスと鉱石類原料とで大きな偏析を生じることがなく、旋回シュート１６によって形成される鉱石類原料とコークスとの混合層の混合率を略均一にすることができるからである。
これに対して、コークス量が全コークス量の３０質量％を超えると、比重差及び粒子径差による偏析が起こりやすくなり、炉頂バンカー１２ｂに貯留された時点でコークスと鉱石類原料との偏析が大きくなり、局所的に鉱石類原料のみやコークスのみが存在する領域が発生してしまう。

さて、炉頂バンカーからの原料を装入するには、炉頂バンカー１２ａ〜１２ｃから流量調整ゲート１３により所定の流量に調整されて排出されたコークス、混合原料及び鉱石類原料を、集合ホッパー１４で混合して直下のベルレス式装入装置１５へ送り、このベルレス式装入装置１５の旋回シュート１６により高炉１０内に装入する。
ここで、旋回シュート１６は、高炉１０の軸心を中心に旋回すると同時に高炉１０の軸心部から炉壁側へ向かって傾動するように逆傾動制御される、いわゆる逆傾動制御方式で原料装入を行う場合について説明する。
また、高炉の軸心部に中心コークス層を形成する場合について説明する。

さて、旋回シュート１６は、高炉１０の中心軸を中心に旋回すると同時に高炉１０の炉中心の軸心部側から炉壁側へ向かって傾動するように逆傾動制御され、炉頂バンカー１２から排出された高炉装入原料が炉中心側から炉壁側へと逆方向に装入を行う逆傾動制御方式で原料装入を行う。
このとき、旋回シュート１６が略垂直状態に傾動している初期装入状態では、炉頂バンカー１２ｂ及び１２ｃの流量調整ゲート１３を閉じ、炉頂バンカー１２ａのみの流量調整ゲート１３を開いて、この炉頂バンカー１２ａに貯留されているコークスのみを旋回シュート１６に供給し、図１に示すように、軸心部に中心コークス層１２ｄを形成する。

その後、旋回シュート１６を徐々に水平方向側に傾動させて、中心コークス層１２ｄの形成が終了すると、残りの２つの炉頂バンカー１２ｂ及び１２ｃの流量調整ゲート１３を所定比率で開口し、炉頂バンカー１２ａから排出されるコークスと、炉頂バンカー１２ｂから排出される混合原料及び／又は炉頂バンカー１２ｃから排出される鉱石類原料とを同時に集合ホッパー１４へ供給する。このため、集合ホッパー１４でコークスと鉱石類原料とが完全に混合されてから旋回シュート１６に供給され、図１に示したように、高炉１０内の中心コークス層１２ｄの外側にコークスと鉱石類原料とが略均一な混合率となってコークススリットを生じない混合層１２ｅが形成される。

ここで、中心コークス層１２ｄ及び混合層１２ｅのコークス量は、中心コークス層１２ｄのコークス量が１チャージ当たりのコークス全装入量の５〜３０質量％程度に、一方混合層１２ｅのコークス量が全コークス量の７０〜９５質量％程度に設定されている。
なお、中心コークス層を形成する領域は、高炉軸心部を０、炉壁部を１とする高炉無次元半径において０以上、０．３以下とすることが望ましい。この理由は、コークスの一部を炉軸心部に集めることによって、軸心部での通気性ひいては高炉全体の通気性を効果的に改善することができるからである。
なお、中心コークス層を形成するために装入されるコークス量は、１チャージ当たりのコークス装入量の５〜３０質量％程度とするのが好ましい。というのは、軸心部へのコークス装入量が５質量％に満たないと軸心部周辺の通気性の改善が十分でなく、一方３０質量％より多いコークスを軸心部に集中させた場合には、混合層に使用するためのコークス量が低下するだけでなく、軸心部をガスが流れすぎてやはり炉体からの抜熱量が増加するからである。好ましくは１０〜２０質量％である。

そして、中心コークス層１２ｄ及び混合層１２ｅで構成される層を順次高炉１０内に下部から上部まで形成して行く。
このように中心コークス層１２ｄ及び混合層１２ｅで構成される層を順次積層することにより、高炉１０内の軸心部では通気抵抗の小さい中心コークス層１２ｄが高炉下部から高炉上部に向かって形成され、その周囲にコークスと鉱石類原料とが混合された混合層１２ｅが形成されるのである。

そこで、発明者らは、上記効果を実証するために、図２に示す実験装置を用いて、高炉内での原料還元、昇温過程を模擬してその通気抵抗の変化を調べた。
この実験装置は、円筒状の炉体３１の内周面に炉芯管３２を配置し、この炉芯管３２の外側に円筒状の加熱用ヒーター３３を配置する。炉芯管３２の内側には耐火物で構成された円筒体３４の上端に黒鉛製るつぼ３５を配置し、このるつぼ３５内に装入原料３６が装入されている。この装入原料３６には、高炉下部の融着層と同程度の状態となるように、パンチ棒３７を介して連結した荷重負荷装置３８により上部から荷重を負荷する。円筒体３４の下部には、滴下物サンプリング装置３９が設けられている。

るつぼ３５には、その下部の円筒体３４を介してガス混合装置４０によって調整したガスを送り、るつぼ３５内の装入原料３６を通過したガスはガス分析装置４１で分析する。加熱用ヒーター３３には加熱温度制御用の熱電対４２が配設され、この熱電対４２で温度を測定しながら図示しない制御装置で加熱用ヒーター３３を制御することによって、るつぼ３５を１２００〜１５００℃に加熱する。
ここで、るつぼ３５内に装入された装入原料３６の鉱石としては５０〜１００質量％の焼結鉱と、０〜５０質量％の塊鉄鉱石を混合したものを用いた。

図３は、鉱石に対するコークスの混合量を変化させたときの最大圧力損失割合と混合量との関係を、コークスの大きさが異なる場合について調べたグラフである。
図３に示したように、コークスを混合しない場合は圧損が最も高かったのに対し、コークスを添加することによって通気抵抗は著しく低下し、しかもこの効果はコークス量の増加に伴って大きくなることが分かる。この理由は、コークスを混合することによって鉱石の変形が抑制され、また混合コークス近傍の空隙が維持されるため、鉱石の変形により粒子間の空隙が減少して通気抵抗が上昇する現象が抑制されたものと考えられる。
また、同図に示したとおり、塊コークスと小中塊コークスとを用いた場合では、融着層における通気抵抗値が異なり、小中塊コークスを用いた場合には、塊コークスを用いた場合と比較して同じ混合量でも圧力損失が小さくなることが判明した。
ここに、塊コークスとは粒径が３０〜６０mm程度のものを、また小中塊コークスとは粒径が１０〜３０mm程度のものをいう。一方、鉱石類原料は、通常、粒径が５〜２５mm程度である。
ここに、鉱石類原料やコークスの粒径に起因した炉内通気性の悪化を回避するには、鉱石類原料の粒径は１０〜３０mm、コークスの粒径は３０〜５５mmとすることが好ましく、さらにこれらの粒径比（コークスの粒径／鉱石類原料の粒径）を１．０〜５．５程度とすることが好適である。

また、発明者らは、圧力損失の低減すなわち通気性の向上に好適な混合層中におけるコークスの割合（コークス量／鉱石類原料量）について調査したところ、質量比率で７〜２５％程度とすることが好ましいことが判明した。より好ましくは１０〜１５％の範囲である。なお、混合層中におけるコークスの好適割合を全コークス量に対する比率に換算すると約２０〜９５％となる。

ところで、上記のような好適条件で模擬試験を行った場合でも、混合層の不均一さに起因すると考えられる通気抵抗の上昇が見られた。

そこで、発明者らは、図１に示したような高炉炉頂部を模擬した実高炉の１／１８スケールになる装入模型装置を用いて、鉱石原料中におけるコークスの混合率の評価試験を行った。
本模型装置において、原料の落下軌跡および堆積挙動を実炉と一致させるために、原料粒径を実高炉の１／１８倍に、原料装入量は（１／１８） ³ 倍に、また装入シュートの旋回速度は（１／１８） ^0.5 倍とした。

図４に、バンカー内で鉱石とコークスを混合した場合、または２つのバンカーから鉱石とコークスを同時に排出した場合における、装入原料中のコークスの混合率の経時変化について調べた結果を示す。なお、いずれの場合も、鉱石量およびコークス量は一定とし、また目標混合率は０．０５に設定した。
図４に示したとおり、バンカー内で鉱石とコークスを混合した場合は、排出の初期および後期で混合率が上昇し、排出中期では混合率は目標値（０．０５）よりも減少している。これに対し、２つのバンカーから鉱石とコークスを同時に排出した場合は、鉱石中におけるコークスの混合率は目標値に対してほぼ一定の値を示した。従って、バンカー内混合よりも同時排出混合の方が、コークスの混合率を精度よく制御できることが分かる。

次に、同時排出条件で、排出速度をそれぞれ０．８５ｔ／ｓ、１．２７ｔ／ｓ（いずれも実機換算）と変化させたときの炉半径方向にわたるコークス混合率の変化について調べた結果を、図５に示す。
図５に示したとおり、排出速度が実機換算で０．８５ｔ／ｓのときと比較して、実機換算で１．２７ｔ／ｓのときの方がコークス混合率の最大値と最小値の差異が小さく、より均一に混合されていることが分かる。

そこで、発明者らは、次に、同時排出時における排出速度を種々に変化させた場合の混合率の変化について調査した。混合率の良否は、炉半径方向における最大混合率と最小混合率との差で判定した。得られた結果を図６に示す。なお、この差が、小さいほどより均一に混合されているといえる。
図６に示したとおり、原料の排出速度が大きくなるに従って最大混合率と最小混合率との差は小さくなっている。すなわち、原料の排出速度が大きくすることによって、鉱石とコークスをより均一に混合できることが分かる。
特に、排出速度を１．５ｔ／ｓ以上とすることによって、最大混合率と最小混合率との差は大幅に低減し、１．８ｔ／ｓ以上でほぼ一定になっている。

なお、従来の一般的な原料の排出速度は、０．８〜１．３ｔ／ｓ程度であり、また従来はこの排出速度には特に注意は払われていなかった。

ここに、装入原料の排出速度を大きくすることによって、最大混合率と最小混合率との差が小さくなる、すなわち混合層の均一化が達成される理由は、まだ明確に解明されたわけではないが、発明者らは次のように推察している。
装入原料の偏析は、装入原料流れが、静止した原料堆積面を流れる際に、小粒径である鉱石が原料堆積面の凹凸の影響を受け静止しやすいために生じると考えられる。
この点、装入速度が増加すると、堆積面移動時の装入原料がもつ移動エネルギーが増加し、小粒径である鉱石の静止が抑制される。また、原料の排出速度を大きくすると、装入原料流れの層厚が増加する。さらに、装入原料流れの層厚が増加すると、下面と接する粒子の比率は相対的に減少し、下面の凹凸の影響が低減する。
以上から、装入速度が増加すると、装入原料の偏析が抑制され、混合層の均一化が達成されるものと推察される。

なお、高炉操業中はシャフト圧力を注視しておき、本発明に従う高炉装入を継続して行っている際に、シャフト圧力に異常が検知されたときは、原料の装入方式を、通常の鉱石類原料層とコークススリットとを個別に形成する方式に切り替え、その後、シャフト圧力の異常が解消されたら、再度、本発明に従う装入方式に切り替えて操業を行うようにすることが有利である。

１０ 高炉
１２ａ〜１２ｃ 炉頂バンカー
１２ｄ 中心コークス層
１２ｅ 混合層
１３ 流量調整ゲート
１４ 集合ホッパー
１５ ベルレス式装入装置
１６ 旋回シュート
３１ 円筒状の炉体
３２ 炉芯管
３３ 円筒状の加熱用ヒーター
３４ 円筒体
３５ 黒鉛製るつぼ
３６ 装入原料
３７ パンチ棒
３８ 荷重負荷装置
４０ 混合装置
４１ ガス分析装置
４２ 熱電対

Claims (3)

1. 焼結鉱、ペレット、塊状鉱石などの鉱石類原料及びコークスの高炉装入原料を、旋回シュートを用いて高炉内へ装入する高炉操業方法において、
   炉頂バンカーから同時に、前記コークスと前記鉱石類原料及び／又は前記鉱石類原料と前記コークスとを混合させた混合原料を排出し、集合ホッパーで混合して前記旋回シュートに供給することによって、前記鉱石類原料と前記コークスとを混合した混合原料として高炉内へ装入することにより、高炉内の所定領域に混合層を形成するに際し、前記混合原料の高炉内への排出速度を１．５ｔ／ｓ以上とすることを特徴とする高炉への原料装入方法。
2. 前記高炉の炉頂に配設した少なくとも２つの炉頂バンカーと、各炉頂バンカーの排出口に配設され当該炉頂バンカーから排出される原料を混合して前記旋回シュートに供給する集合ホッパーとを備え、
   前記炉頂バンカーの１つまたは２つに、前記鉱石類原料若しくは前記鉱石類原料と前記コークスとを混合させた混合原料のいずれかまたは両者をそれぞれ貯留し、残りの炉頂バンカーの１つに前記コークスを貯留して、前記混合層を形成する際に、前記炉頂バンカーから同時に、前記コークスと前記鉱石類原料及び／又は混合原料を排出し、前記集合ホッパーで混合して前記旋回シュートに供給することを特徴とする請求項１に記載の高炉への原料装入方法。
3. 前記高炉装入原料を高炉内に装入するに際し、高炉の軸心部に中心コークス層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の高炉への原料装入方法。

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