JP5853904B2

JP5853904B2 - ベル式高炉の原料装入方法

Info

Publication number: JP5853904B2
Application number: JP2012180715A
Authority: JP
Inventors: 和治山田; 公平砂原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: JP2014037580A

Description

この発明は、ベル式装入装置を有する高炉（以下、「ベル式高炉」という。）における原料の装入方法に関する。

ベル式高炉の操業では、高炉の頂部（炉頂）に形成された炉口から、原料である鉱石とコークスとを、交互に炉内に装入して、鉱石およびコークスをそれぞれ層状に堆積させる。この状態で、炉下部の羽口から、熱風を吹き込んで、炉内を上昇するガスを生成し、このガスによって、原料を昇温させるとともに、原料の鉱石中の酸化鉄を還元および溶融して溶銑を生成し、この溶銑を炉下部の出銑口から排出する。

高炉内へ原料を装入するために、原料装入装置が使用される。現在使用されている原料装入装置は、ベル式装入装置と、ベルレス式装入装置とに大別される。

図１は、ベル式装入装置の概略構成例を模式的に示す断面図である。このベル式装入装置は、高炉１４の炉頂部に設けられている。

このベル式装入装置は、種々の原料を個別に収容する原料ホッパー１と、原料ホッパー１から供給された原料を搬送するベルトコンベア２ａと、ベルトコンベア２ａにより搬送された原料を収容するサージホッパー３と、サージホッパー３から供給された原料４を搬送する装入コンベア２ｂと、装入コンベア２ｂで搬送された原料が装入されるヘッドシュート５とを備えている。

ヘッドシュート５は、このベル式装入装置の最上部で、かつ炉口の上方に配置されている。このベル式装入装置は、ヘッドシュート５の下方に順に配置された、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をさらに備えている。

旋回シュート８は、炉の中心軸周りに旋回可能である。固定ホッパー６ａ、６ｂの底部には、それぞれ、固定ホッパーゲート７ａ、７ｂが備えられている。

小ベルホッパー９、および大ベルホッパー１１の下部には、いずれも、円形の穴が形成されており、これらの穴は、それぞれ、下方から挿入される小ベル１０、および大ベル１２により開閉される。小ベル１０、および大ベル１２は、いずれも、下広がりの円錐形状を有する。

ベル式高炉に原料を装入する際は、まず、装入コンベア２ｂにより炉頂まで搬送した原料を、ヘッドシュート５により、等分して２つの固定ホッパー６ａ、６ｂに貯留する。

次いで、旋回シュート８を旋回させた後、固定ホッパーゲート７ａ、７ｂを開いて、固定ホッパー６ａ、６ｂから供給された原料を、旋回シュート８により、炉の中心軸周りの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を下降させて小ベルホッパー９の穴を開くことにより、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を下降させて大ベルホッパー１１の穴を開くことにより、大ベルホッパー１１内の原料を炉内１３に装入する。炉内１３に装入される原料（鉱石、コークス等）は、異なる径を有する複数の原料粒子からなる（粒度分布を有する）。

炉内１３に装入された原料は、炉内１３にすでに装入されている原料からなる充填層の上面において、炉の中心軸周りの環状の領域に落下する。この環状の領域の半径は、炉口の半径にほぼ一致する。充填層の上面は、炉の中心軸側に向かう下り傾斜を有する。すなわち、充填層の上面は、斜面をなす。このため、この斜面上に落下した原料は、重力の作用により、この斜面に沿って、炉の中心軸側へと流れる。

原料は、斜面上を流れることにより、分級される。以下、この現象を「斜面分級」という。斜面分級により、炉の径方向に関して原料の粒度差が形成される（偏析する）。炉内１３に装入される原料のうち、鉱石は、他の原料（コークス等）に比して大きな粒度の分布幅を有し、炉内１３で、炉の径方向に沿って偏析する現象は、鉱石に対して顕著に生ずる。

炉の内部におけるガスの流れ方、および充填層の通気抵抗は、充填層を構成する原料粒子の径と当該原料粒子の充填状態とによって決まる空隙率により変化する。このため、上述の原料の偏析は、炉内１３のガス流れ、および充填層の通気抵抗に大きく影響する。

異なる粒径の原料粒子が均一に混合された状態では、粗い原料粒子間に細かい原料粒子が入り込み、当該混合物からなる充填層の空隙率を低下させ、充填層の通気抵抗を増加させる。これに対して、各粒径別に原料粒子が分けられて、粗い原料粒子と細かい原料粒子とが混じり合わないように炉内１３に配置されていると、充填層の空隙率が大きくなり、通気抵抗が低くなる。炉内１３へ装入するべき鉱石の粒度の分布幅が大きいことにより、炉内１３の鉱石層の空隙率分布は、充填層の通気抵抗に大きな影響を及ぼす。

上述の斜面分級により生じる原料の粒度差は、原料の炉内１３への装入速度（以下、単に、「装入速度」という。）に、大きく影響を受けることが知られている（下記非特許文献１参照）。具体的には、装入速度を低くすると、斜面上での分級が促進され、炉の径方向に関する原料の粒度差が大きくなる。堆積した原料において、原料が流れる方向の下流側、すなわち、炉の中心軸側に向かって、原料の粒径が増大するように、炉の径方向に関して粒度差が形成される。したがって、斜面分級により、炉の中心軸付近での通気性を向上させることができる。

下記特許文献１には、大ベルのストローク（下降距離）を調整して、装入速度を調整することが開示されている。

特開２０００−２７３５０８号公報特開平１−２５９１０９号公報

Takanobu Inada外、ISIJ, vol. 29 (1989), p. 761-770

しかし、炉の径方向に関する原料の粒度差は、原料の炉内への装入速度のみならず、斜面上で原料が流れる距離（以下、「斜面長さ」という。）によっても変化する。斜面の傾斜角が同じであれば、斜面長さは、使用する炉の口径（炉口の半径）に比例する。したがって、高炉の斜面長さを変更することは困難であり、このため、従来は、斜面長さが、炉内での原料の偏析を制御するために考慮されることはなかった。上記特許文献１に開示された方法においても、炉内での原料の偏析を制御するために、装入速度のみが考慮されており、斜面長さは考慮されていない。

ところが、装入される原料（特に、焼結鉱）の粒度は、高炉の大きさによらず、ほぼ同じであるので、炉口の半径が異なり、斜面長さが異なると、原料の装入速度を同じにしても、炉内における原料の偏析の状態は異なる。たとえば、小型高炉において、大型高炉と同じ装入速度を採用すれば、小型高炉の炉口の半径が大型高炉に比して小さい（斜面長さが短い）ことにより、斜面分級の効果は小さくなり、炉の中心軸付近で、充填層の空隙率が低下し通気抵抗が増大する。

そこで、本発明の目的は、ベル式高炉において、使用する高炉の炉口の半径によらず、充填層の通気抵抗を低減できる原料装入方法を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために、まず、従来技術において、どのような条件で操業すると通気抵抗が低下するのかを検討した。

図２は、１ｔの銑鉄を生産するために使用するコークス量（以下、「コークス比」という。）と、炉内上部にある塊状帯（未溶融の充填層）の通気抵抗指数ＫＲとの関係を示す図である。図２から、コークス比を３５０ｋｇ／ｐｔ以下とする高炉操業では、炉内上部の塊状帯の通気性が顕著に悪化することがわかる。

図３は、コークス比と、中心ガス流指数（炉の径方向に関する、平均温度に対する中心部の温度の比）との関係を示す図である。図３から、コークス比の低下、すなわち、コークスに対する鉱石の相対的な量の増加に伴い、中心ガス流指数が低くなることがわかる。これは、コークス比の低下に伴い、炉の中心軸上で充填層の空隙率が低下するためと考えられる。

図４は、中心ガス流指数と、炉の上部における通気抵抗指数ＫＲとの関係を示す図である。図４から、中心ガス流指数が低下すると、通気抵抗が高くなることがわかる。通気抵抗を十分低くするには、中心ガス流指数は、３５以上であることが好ましい。

図２〜図４の結果から、従来技術では、コークス比を３５０ｋｇ／ｐｔ以下として操業すると、中心ガス流指数は、３５を大きく下回り、十分な通気性が得られていない。

そこで、このような場合においても、斜面分級を利用して、炉の中心軸付近における充填層の空隙率を増加させ、中心ガス流指数を増加させることを検討した。

大ベルホッパー１１（図１参照）から排出された原料は、充填層の上面で、炉の中心軸まわりの環状の領域に落下した後、重力の作用により、中心軸側へと流れる。原料が、充填層の上面を流れる際、粗粒の原料ほど長い距離に渡って動き易く、細粒の原料ほど、初期的に落下した位置から動き難い。このため、充填層の上面を流れる原料からは、原料を篩にかけたときのように、細粒のものが除去されていく。

充填層の上面に落下したときの原料の厚さ（以下、「装入時の層厚」という。）を薄くすれば、原料が流れるときに、細粒のものが除去され易くなり、その結果、原料は、炉の径方向に分級されやすくなる。上記非特許文献１によれば、装入時の層厚ｈ₀（単位は、ｍ）は、下記（１）式で表すことができる。

ここで、
ｗは、原料の装入量（単位は、Ｋｇ）であり、
Ｒは、炉口の半径（たとえば、築炉時の設計値を採用することができる。；単位は、ｍ）であり、
Ｔは、装入時間（装入量ｗの原料を装入するのに要する時間；単位は、ｓｅｃ）であり、
ｇは、重力の加速度（単位は、ｍ／ｓｅｃ²）であり、
Ｈは、大ベルホッパー１１（充填層直上にある原料の収容器）と充填層上面との距離（単位は、ｍ）であり、
κは、斜面衝突時の速度減少率（０．５３とする。）であり、
αは、充填層上面による斜面の傾斜角であり、
ρは、原料の見掛密度（単位は、Ｋｇ／ｍ³）であり、
εは、原料の空隙率（０．５とする）である。

上記（１）式の右辺で、ｗ／（２πＲ・Ｔ）以外の部分の値は、異なる高炉間でほぼ同じであると考えられるので、一定であるとすると、装入時の層厚ｈ₀は、原料の装入速度ｗ／Ｔと２πＲとの比に比例する。以下、この比の逆数２πＲ・Ｔ／ｗを、「偏析指数」という。偏析指数ｓの値が大きいほど、装入時の層厚ｈ₀は薄くなり、斜面上を流れる原料から細粒のものが除去され、炉内の中心軸側に粗粒の原料が堆積し易くなり、したがって偏析が大きくなる。

斜面の傾斜角αが一定であれば、斜面長さは、炉口の半径Ｒに比例する。偏析指数ｓは、炉口の半径Ｒの関数であるので、斜面長さに依存する。

以下、偏析指数ｓの変更が炉内の状態に及ぼす影響に関し、数値計算した結果について説明する。原料（鉱石）の装入速度は、たとえば、大ベル１２のストロークを調整することにより、調整できる。

図５は、計算により求めた、炉口の半径Ｒに対する炉の中心軸からの距離ｒの比と、距離ｒにおける鉱石の粒径との関係を示す図である。図５では、偏析指数ｓを、７．１、９．２、および１１．０としたときのそれぞれについて、距離ｒと、距離ｒにおける鉱石の粒径との関係を示す。

図５から、偏析指数sを最も大きい１１．０にしたときに、炉の中心部における鉱石の粒径が大きくなる結果となった。

図６は、計算により求めた、偏析指数ｓと中心ガス流指数との関係を示す図である。図６から、偏析指数ｓが大きいほど、中心ガス流指数が大きくなることがわかる。中心ガス流指数を３５以上にするためには、偏析指数ｓを１０以上にする必要がある。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）に示す原料装入方法を要旨とする。
（１）ベル式高炉に原料を装入する方法であって、１ｔの銑鉄を生産するために使用するコークスの量であるコークス比が、３５０ｋｇ／ｐｔ以下であり、ベル式高炉の炉口の半径をＲ（ｍ）とし、原料の装入量をｗ（ｔ）とし、装入量ｗの原料を装入するのに要する時間である装入時間をＴ（ｓｅｃ）とするとき、偏析指数ｓ＝２π・Ｒ・Ｔ／ｗが１０以上になるように、前記炉口の半径Ｒに応じて原料の装入速度ｗ／Ｔを調整する方法であって、前記原料は鉱石であることを特徴とする原料装入方法。

本発明によれば、使用する高炉の炉口の半径によらず、原料、特に鉱石について、炉の径方向に関して適切な粒度差を生じさせて、炉の中心軸上における充填層の通気抵抗を十分低くすることができる。特に、従来技術では通気抵抗の増加が顕著である条件での高炉操業、すなわち、コークス比を３５０ｋｇ／ｐｔ以下とする高炉操業においても、本発明によって、充填層の通気抵抗を十分低くすることができる。

ベル式高炉における原料装入装置の概略構成例を模式的に示す断面図である。コークス比と塊状帯の通気抵抗との関係を示す図である。コークス比と中心ガス流指数との関係を示す図である。中心ガス流指数と炉の上部における通気抵抗指数との関係を示す図である。計算により求めた、炉口の半径に対する炉の中心軸からの距離の比とその距離における鉱石の粒径との関係を示す図である。計算により求めた、偏析指数と中心ガス流指数との関係を示す図である。偏析指数ｓ＝９，１０で操業した場合のコークス比と中心ガス流指数との関係を示す図である炉口の半径と、原料の装入速度との関係を示す図である。

［実施例１］
図７は、偏析指数ｓ＝９，１０で操業した場合のコークス比と中心ガス流指数との関係を示す図である。偏析指数ｓ＝９での操業は、従来技術によるものであり、偏析指数ｓ＝１０での操業は、本発明によるものである。

偏析指数ｓ＝９のとき、中心ガス流指数は、コークス比が３３０〜３７０ｋｇ／ｐｔの範囲で、３５未満であり、特に、コークス比が３５０ｋｇ／ｐｔ以下で、中心ガス流指数は、著しく低下する。これに対して、偏析指数ｓ＝１０のとき、コークス比が３３０〜３７０ｋｇ／ｐｔの範囲に渡って、中心ガス流指数は、３５以上になる。

偏析指数ｓ＝９および１０のいずれの場合でも、コークス比が減少すると、中心ガス流指数は減少するが、コークス比が３５０ｋｇ／ｐｔ以下の領域において、コークス比の減少に対する中心ガス流指数の減少率は、偏析指数ｓ＝９のときに比して、偏析指数＝１０のときに大幅に低減される。すなわち、中心ガス流指数に対するコークス比低減（鉱石量増加）の影響は、偏析指数ｓ＝９での操業では、強く現れるが、偏析指数ｓ＝１０での操業では、少なくなる。

［実施例２］
図８は、炉口の半径Ｒと、原料の装入速度ｗ／Ｔとの関係を示す図である。図８において、直線Ｌより下（装入速度ｗ／Ｔが小さい側）の領域は、偏析指数ｓ≧１０の条件を満たす。

○印Ａおよび○印Ｂは、それぞれ、上記特許文献１および２に開示された原料装入方法（従来技術）における炉口の半径Ｒと原料の装入速度ｗ／Ｔとの関係（推定値）を表す。○印Ａおよび○印Ｂは、いずれも、偏析指数ｓ≧１０の条件を満たさない。

○印Ｃ１および◆印Ｃ２は、同じ炉を用いたときの炉口の半径Ｒと原料の装入速度ｗ／Ｔとの関係を表す。用いた炉が同じため、○印Ｃ１の操業と◆印Ｃ２の操業とで、炉口の半径Ｒは同じである。原料の装入速度ｗ／Ｔは、ベルのストロークを異ならせることにより、○印Ｃ１の操業と◆印Ｃ２の操業とで異ならせている。

○印Ｃ１は、ベルのストロークを大きくして、装入速度ｗ／Ｔを大きくした場合に対応し、偏析指数ｓ≧１０の条件を満たさない。◆印Ｃ２は、ベルのストロークを小さくして、装入速度ｗ／Ｔを小さくした場合に対応し、偏析指数ｓ≧１０の条件を満たす。図８に示されているように、炉口の半径が小さくなると、偏析指数ｓ≧１０の条件を満たさない領域が広くなるが、装入速度ｗ／Ｔを十分小さくすることにより、偏析指数ｓ≧１０の条件は満たされる。

４：原料、１４：高炉

Claims

ベル式高炉に原料を装入する方法であって、
１ｔの銑鉄を生産するために使用するコークスの量であるコークス比が、３５０Ｋｇ／ｐｔ以下であり、
ベル式高炉の炉口の半径をＲ（ｍ）とし、原料の装入量をｗ（ｔ）とし、装入量ｗの原料を装入するのに要する時間である装入時間をＴ（ｓｅｃ）とするとき、偏析指数ｓ＝２π・Ｒ・Ｔ／ｗが１０以上になるように、前記炉口の半径Ｒに応じて原料の装入速度ｗ／Ｔを調整する方法であって、前記原料は鉱石であることを特徴とする原料装入方法。