JP5853977B2 - 高炉への原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つのポートで連結された上部バンカーと下部バンカーとを有する原料装入装置を用いる高炉への原料装入方法に関する。

高炉の原料装入装置としては、ベルレス原料装入装置が広く採用されている。該ベルレス原料装入装置には、原料バンカー（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ており、上部のバンカーから下部のバンカーへポート等を経由して原料を高炉へ装入する「センターフィード型」があることが知られている。

一般的に、センターフィード型のベルレス原料装入装置は、並列バンカー型のベルレス原料装入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、原料を高炉に装入する際に、円周方向において、原料の落下量のばらつきが小さく、原料を均一に分配しやすいという利点がある。一方で、センターフィード型のベルレス原料装入装置のような、上部と下部に二連のバンカーを有する原料装入装置を用いる場合には、高炉へ装入する原料を多くしつつ、原料バンカー以外の既存の設備を流用するなどの理由で原料装入装置の高さを従来装置並に抑えるために、上部と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。

ところが、上部と下部の二連のバンカー径を大きくすると、上部バンカーへ原料を投入する際に、もしくは、上部バンカーから下部バンカーへ原料を移送する際に、各バンカー内の堆積原料では、粗粒原料と細粒原料とが偏析しやすくなる。なぜならば、各バンカーの斜面上に堆積する原料のうち、細粒原料より粗粒原料の方が転がりやすいため、各バンカーに堆積する原料の順番として、粗粒原料が下側に、細粒原料が上側というような粒度偏析が発生するからである。下部バンカー内で粒度偏析した原料を、旋回シュート等を用いて高炉に装入する際に、その原料は、最終的に、高炉装入の初期から中期にかけて粒径が大きくなり、末期で粒径が小さくなるという粒度分布を有してしまう。

高炉を安定して操業するためには通気の管理が重要となり、高炉操業ではシャープな中心流および適度な炉壁流が指向されるが、このような粒度分布となる原料を、旋回シュートを用いて高炉の炉壁側から中心側へと順々に装入すると、炉壁から中間部にかけて粗粒原料、中心部に細粒原料が堆積することになる。その結果、中心にガスが流れにくくなり、炉壁に過度のガスが流れ、このことは高炉の安定操業に大きな支障となる。また、高炉の半径方向における原料の粒度分布が不均一化するので、原料装入量を調整することのみで高炉内のガス流分布を制御することが困難となる。

特許文献１には、竪型炉に装入される原料の粒度分布の発生を抑制するために、上部バンカーと下部バンカーとを連結する複数のポートを、時間差を設けて順次開放することが提案されている。特許文献２には、下部バンカー内に反発板を設置することで、下部バンカー内に堆積する原料の粒度分布を制御することが提案されている。また、特許文献３には、下部バンカー内に堆積する原料の粒度分布を制御するために、上部バンカーと下部バンカーをつなぐポートに傾斜を設けることが提案されている。

特開２００５−１５４８６７号公報 特開２００８−２１４７３９号公報 特開２００９−２９９１５５号公報

特許文献１の発明では、下部バンカーから排出される原料の粒度分布にばらつきが残り、排出末期に原料が細粒化する傾向は変わらないという問題がある。また、ポートを開く順序を変更することによって、上部バンカーから下部バンカーへの原料装入時間が全体として増加するため、原料装入時間を短縮したい場合には、特許文献１の発明は望ましいものではない。

特許文献２及び３の発明では、反発板やポートの傾斜によって下部バンカー内の堆積原料の粒度分布を制御して、排出末期にかけて粒径が大きくなる粒度分布を実現している。しかしながら、排出末期に粗粒となる原料の粒度分布では、高炉中心部に粗粒を装入して通気性を確保する必要があるため、装入方法が、炉壁から高炉中心部に向けて原料を装入する順傾動に限られてしまい、旋回シュートの角度を高炉中心部から周辺部へ戻す無駄時間が発生し高炉への原料装入時間が長くなるという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数のポートにより連結された上部バンカーと下部バンカーとを有する原料装入装置を用いて高炉へ原料を装入する際に、下部バンカーから排出される原料の粒度分布を的確に制御可能な高炉の原料装入方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
少なくとも２つのポートで連結された上部バンカーと下部バンカーとを有する原料装入装置を用いる高炉への原料装入方法であって、前記上部バンカーに原料を投入する際に、第１のポート上に、前記原料を供給して、前記第１のポート以外のポートに向けて下る斜面を有する第１の堆積層を形成し、前記第１の堆積層へ原料を供給して、前記斜面から転落する原料を、前記第１のポート以外のポート上へ流れ込ませることで、該ポート上に、前記第１の堆積層の面と連続する斜面を有する堆積層を形成し、前記ポートの全てを開放した状態で、上部バンカーの原料を前記下部バンカーへ移送して、該下部バンカーに原料を堆積させて、下部バンカー内の堆積原料を、高炉へ装入することを特徴とする高炉への原料装入方法。

本発明によれば、上部バンカーにおいて、第１のポートに集中的に原料を供給し続けて、その第１のポート上に第１の堆積層を形成し、該第１の堆積層から原料を転落させて、第１のポート以外の第２のポート上に第２の堆積層を形成すると、第１の堆積層上を転がる原料は、第１のポートに供給される原料のうち、粒径が比較的大きくなるため、第２の堆積層は、粒度が比較的粗い原料から構成されることになる。次いで、ポートの全てを開放した状態で、上部バンカーの原料を前記下部バンカーへ移送して、該下部バンカーに原料を堆積させると、第１のポートの下側に、細粒原料が比較的多く含まれている原料からなる堆積原料が形成され、第２のポートの下側に、粗粒原料が比較的多く含まれている原料からなる堆積原料が形成される。このようにして、下部バンカー内の堆積原料の粒度分布を制御することが可能となる。この粒度分布が制御された堆積原料を高炉へ装入することによって、高炉内に装入される原料の排出粒度分布が制御可能となる。これにより、高炉内のガス流れの制御を容易とし、より効率的な高炉の操業が可能となる。

原料装入装置の上部バンカーに原料が堆積している状態を示す説明図である。 原料装入装置の下部バンカーに原料が堆積している状態を示す説明図である。 実施例における、下部バンカーから排出される原料の粒度の経時変化を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、原料装入装置の上部バンカーに原料が堆積している状態を示す説明図である。原料装入装置１は、上部バンカー２と下部バンカー３との２連のバンカーを有しており、この２連のバンカーは、４つのポートにより連結されており、ポートの各々の下側にはゲートが設けられている。

４つのポートのうち、第１のポート５には第１のゲート７が設けられており、第１のポート５に隣接している第２のポート６には第２のゲート８が設けられている。第１，２のゲート７，８によって、第１，２のポート５，６の開口面積を調整して、これらのポート５，６を通過する原料の流量を調整することができる。

図１に示すように、第１のポート５が形成されている原料堆積部分９は、逆円錐台形状をしている。この逆円錐台形状における下底面部分が開口しており、この下底面部分がポートを構成している。第１のポート５以外の３つのポートが形成されている部分も、原料堆積部分９と同様の形状を有しており、第２のポート６が形成されている原料堆積部分には、符号９’を付している。なお、この３つのポートのうち全部を第２のポート６といい、図においては、そのうちの１つを示している。また、ポートとは、図１においては、上部バンカー２と下部バンカー３とを連結する直管状の部分のことをいう。原料堆積部分とは、第１のポート５を例に説明すると、第１のポート５の上部の水平面を下底面部分とし、第１のポート５の上部から第２のポート６が設けられている側に傾く傾斜面と、第２のポート６の上部から第１のポート５が設けられている側に傾く傾斜面と、が重なる位置における仮想水平面を上底面部分とした、逆円錐台形状の部分をいう。

上部バンカー２の頂部には、原料投入開口が形成されており、上部シュート４が設けられて、その上方には投入コンベア１１が配置されている。高炉１２へ装入される原料２０は、投入コンベア１１によって搬送される。上部シュート４によって、４つのポートのうちの第１のポート５に向けて（原料堆積部分９へ）原料２０を集中して投入する。原料２０を上部バンカー２に投入する際には、第１のゲート７によって、第１のポート５を閉じておき、第２のゲート８によって、第２のポート６も閉じておく。

第１のゲート７で完全に閉じられている状態で、原料２０が原料堆積部分９に投入されると、逆円錐台形状における円錐面に原料２０が堆積し始めて、やがて、原料堆積部分９には原料２０からなり、第２のポート６に向けて下る斜面を有する山型状の第１の堆積層２１がある程度の大きさで形成される。原料２０のうち、粒径が比較的に大きな原料（粗粒原料）２０ａが、粒径が比較的小さい原料（細粒原料）２０ｂより斜面を転がりやすい性質があるため、更に、引き続き、第１の堆積層２１へ原料２０を供給すると、この原料２０ａが第１の堆積層２１の斜面から転落して、第１のポート５以外でありこれに隣接する第２のポート６の原料堆積部分９’に流れ込む。ここで、第１のポートに隣接する第２のポートとは、集中的に原料が投入されている第１のポートに近接し、第１のポート上に形成される第１の堆積層から転落する原料が流れ込み得る全てのポートを意味する。

第２のゲート８で完全に閉じられている状態で、原料２０ａが原料堆積部分９’に流れ込むと、該原料堆積部分９’にも、原料２０ａからなり、第１の堆積層２１の面（斜面を含む）と連続する斜面を有する山型状の第２の堆積層２２が形成される。図１に示すように、原料堆積部分９，９’の上底面以上の高い位置では、第１の堆積層２１と第２の堆積層２２とは混ざっている。なお、原料堆積部分は、逆円錐台形状に限定されず、逆楕円錐台形状や逆四角錐台形状などであってもよい。

第１の堆積層２１と第２の堆積層２２とが上部バンカー２に形成された後に、第１のゲート７及び第２のゲート８を完全に開いて、すなわち、ポートの全てを開放した状態で、上部バンカー２から下部バンカー３へ原料２０を移送する。この際に、第１のポート５から原料２０ｂが排出されつつ、第１の堆積層２１が崩れ、第１のポート５上の原料２０ｂと第２のポート６上の原料２０ａとの間の原料２０ｃが、第２のポート６に向かって転落する。第１のポート上の原料２０ｂと第２のポート上の原料２０ａとの間には、粒径が比較的に大きな原料２０が堆積する傾向があるため、この原料２０ｃは、粒径が比較的に大きな原料２０を有する（粗粒原料）。

図２は、原料装入装置の下部バンカーに原料が堆積している状態を示す説明図である。原料２０ｂを下部バンカー３へ移送しつつ、原料２０ａと原料２０ｃとを第２のポート６から下部バンカー３へ移送する。図２に示すように、下部バンカー３内では、第１のポート５の下側に、細粒原料と粗粒原料とのうち細粒原料が比較的多く含まれている原料２０ｂからなる堆積原料２４が形成され、第２のポート６の下側に、粗粒原料が比較的多く含まれている原料２０ａと原料２０ｃからなる堆積原料２５が形成される。ここで、原料２０ｂを下部バンカー３へ移送している間に、原料２０ａと原料２０ｃとを下部バンカー３へ移送する。なぜならば、下部バンカー３の高さ方向において、堆積原料２４，２５の粒度を一定とするためである。特に、第１のポート５及び第２のポート６を同時に開くことが好ましいが、図１に示すように、第２の堆積層２２に対する第１の堆積層２１の大きさの程度に応じて、第１のポート５の開口度を、第２のポート６の開口度より大きくしてもよい。このようにして、堆積原料２４の原料２０ｂ及び堆積原料２５の原料２０ａと原料２０ｃの割合を調整することが可能となる。

堆積原料２４，２５を、下部バンカー３の下部排出口１３を通じて、高炉１２の頂部に設けられている旋回シュート１４へ送る。該旋回シュート１４は長さが可変でかつ旋回しており、この旋回シュート１４によって、堆積原料２５が高炉１２へ装入される。

本発明者らが、実際の原料装入装置のサイズから１／１８に縮尺された模型を用いて、各ポートから排出される原料の粒度を測定したところ、集中的に原料が投入されていた第１のポートから排出された原料の調和平均粒径は、そのポートの周囲の３つのポート（第２のポート）から排出された原料の調和平均粒径の約０．８３倍であった。

下部バンカー３内の原料２０が下部ゲート１５の開放により高炉１２に装入される際、ファンネルフローにより、堆積原料２４，２５のうち、下部排出口１３の直上にある原料２０ａ，２０ｂが高炉１２へ装入されて、その後、直上の周辺にある原料２０ａ，２０ｂが高炉へ装入され、最後に下部バンカー３の傾斜している側壁の原料２０ａ，２０ｂ，２０ｃが装入される。このため、排出初期から排出末期にかけて、原料２０ａと原料２０ｂと原料２０ｃとが一定の割合で、下部バンカー３から高炉へ装入され続けるため、排出粒度分布は均一となり、排出末期の粒度低下も抑制される。

本発明を実施するにあたって、１チャージ分の原料２０の容量が、１つのポートの容量及びそのポート上の原料堆積部分の容量の合計より多い必要があるが、通常の高炉操業では、１チャージ分の原料２０の容量は、その容量の合計より確実に多くなるため、通常の高炉操業をする限りは、１チャージ分の量については、特段の制約はない。さらに、本発明方法では、原料の装入時間が従来方法と同じであるため、生産能力を落とさずに実施することができる。

また、本発明を実施するにあたっては、原料を集中的に装入するポートをチャージごとに変更するのが好ましい。これにより、高炉の円周方向における、原料の炉内装入量のばらつきを抑えることができ、高炉の操業がより安定化する。

上記の実施形態では、高炉への原料装入装置として、４つのポートで連結された上部バンカーと下部バンカーとの２連のバンカーを有するセンターフィード型の原料装入装置を用いているが、本発明の原料装入方法で用いられる原料装入装置は、図１に示す原料装入装置に限定されるものではなく、原料装入装置を構成する部材の形状やポートの数なども特に限定されるものではない。

一般的な原料装入装置の操業では、上部シュート４を旋回して、上部バンカー２の各ポートに均等に原料を投入するが、本実施形態では、上部シュート４を、旋回させずに１つのポートの上側で固定して、原料を上部バンカー２内に投入する。上部シュート４を、各ポートの上側で停止するためには、各ポートの位置を検知できるようにセンサ等を取り付けるなどすればよい。このため、稼動中の既存の原料装入装置を大幅に設計変更することなく、本発明を実施することが可能である。センサを取り付けた後であれば、原料装入装置の操業中に、いつでも上部シュート４の動作を変更可能であるため、本発明を容易に実施可能である。

本発明によって、上部バンカーから下部バンカーへの原料移送の際に、下部バンカー内の堆積原料の粒度分布制御が可能であり、炉内に装入される原料の排出粒度分布が制御可能となる。これにより、高炉内のガス流れの制御を容易とし、より効率的な高炉の操業が可能となる。

更には、下部バンカーから排出される原料の粒度分布が均一になるため、順傾動・逆傾動や旋回パターンなどの高炉への原料装入方法を変更しても、炉内に堆積する原料の粒度分布は均一となるため、自由度の高い操業が可能である。例えば、操業度が上昇して原料装入時間を短縮したいような場合には順傾動と逆傾動を交互に組み合わせることで原料の装入時間を短縮することも可能である。

図１及び図２に示す原料装入装置１を用いて、高炉１２に原料２０を装入する際に原料装入装置１から排出された原料２０の粒度分布を測定しつつ、高炉１２を操業した。高炉１２へ装入する原料２０は鉱石とコークスである。高炉１２内に鉱石層とコークス層とが重なって形成されるように、鉱石のみまたはコークスのみを原料装入装置１に交互に投入する。このような原料２０の投入を繰り返し行なう。

上部バンカー２の容量は、９０ｍ^３であり、各ポートの容量は０．６ｍ^３である。各ポート上の原料堆積部分９の容積は、６．７ｍ^３であり、原料堆積部分は全てのポートで同じである。ポート５，６及び原料堆積部分９，９’の数は４個ずつであり、ポート及び原料堆積部分に原料が堆積する容量は、約３０ｍ^３である。

鉱石及びコークスの種類に拘らず、原料装入装置１へ原料２０を投入の際には、第１のポート５と第２のポート６とを閉じて、第１のポート５上に０．２５（ｍ^３／秒）で、原料２０を供給して、第２のポート８に向けて下っている斜面を有する第１の堆積層２１をある程度形成させ、引き続いて、該第１の堆積層２１に原料２０を供給し続けて、粗粒原料２０ａを斜面から転落させて、第２のポート６の原料堆積部分９’に、粗粒が偏析した粗粒原料２０ａが流れ込んだ。上部バンカー２への原料２０の１回の投入量は６０ｍ^３とした。その結果、原料堆積部分９’に、粗粒原料２０ａからなる第２の堆積層２２が形成された。

次いで、第１のポート５と第２のポート６とを開いて、下部排出口１３が閉じられている下部バンカー３に、上部バンカー２の原料全てを移送して、下部バンカー３に堆積原料２４，２５を形成した。

その後、下部バンカー３から、旋回している旋回シュート１４へ送り、該旋回シュート１４によって、原料２０を高炉１２へ装入して、下記の表１の操業条件で高炉１２を操業した（本発明例）。この高炉１２の操業を７２時間行った。本発明例では、高炉１２の送風羽口から、内部へ送り込む空気の流量及び圧力を、７５００（Ｎｍ^３／分）及び４１３ｋＰａとし、その空気の送風温度は１１５０℃とした。高炉１２からの溶銑温度は１５１１℃であった。

本発明例と比較するために、上部シュート４を回転させて、４つのポートに均等に原料２０を投入し、上部シュート４を回転させて、４つのポートに均等に原料２０を投入した以外は、本発明例と同じ条件で、原料装入装置１から排出される原料２０の粒度分布を測定しつつ、高炉１２を操業した（比較例）。なお、比較例における、原料装入装置１の上部バンカー２に投入される原料２０は、本発明の原料２０と同一の粒度分布を有する。

表１における通気抵抗指数は、Ｋ＝（Ｐ_Ｂ ^２−Ｐ_Ｔ ^２）／Ｖ^１．７×１００で表される。
ここで、Ｐ_Ｂ：送風圧（ｋＰａ）、
Ｐ_Ｔ：炉頂圧（ｋＰａ）、
Ｖ：送風量（Ｎｍ^３／分）である。
また、ガス利用率は、（高炉ガス中ＣＯ_２ガス組成（％）／（高炉ガス中ＣＯガス組成（％）＋高炉ガス中ＣＯ_２ガス組成（％）））で表される。

図３は、実施例における、下部バンカーから排出される原料の粒度の経時変化を示すグラフである。このグラフに示されるように、本発明例では、無次元調和平均径のばらつきが一定しているが、比較例ではそのばらつきが大きい。本発明によって、下部バンカーから排出される原料の粒度の経時変化が均一化されていることがわかる。

表１に示すように、本発明の原料装入方法による高炉の操業では、高炉内に装入された原料の径方向分布が均一化されたことによってガス流分布が安定化した結果、通気抵抗指数の低減、ガス利用率の向上が見られ、コークス比、還元材比が低下した。これにより、本発明の原料装入方法は、高炉の安定操業技術及び低還元材比操業技術として有効であることがわかる。

１ 原料装入装置
２ 上部バンカー
３ 下部バンカー
４ 上部シュート
５ 第１のポート
６ 第２のポート
７ 第１のゲート
８ 第２のゲート
９，９’ 原料堆積部分
１１ 投入コンベア
１２ 高炉
１３ 下部排出口
１４ 旋回シュート
１５ 下部ゲート
２０ 原料
２０ａ 原料（粗粒原料）
２０ｂ 原料（細粒原料）
２０ｃ 原料（粗粒原料）
２１ 第１の堆積層
２２ 第２の堆積層
２４ 堆積原料
２５ 堆積原料

Claims (1)

1. 少なくとも２つのポートで連結された上部バンカーと下部バンカーとを有する原料装入装置を用いる高炉への原料装入方法であって、
   前記上部バンカーの頂部には旋回可能な上部シュートが設けられ、前記上部バンカーに原料を投入する際に、該上部シュートを旋回させずに第１のポート上に固定して、前記原料を供給して、前記第１のポート以外のポートに向けて下る斜面を有する第１の堆積層を形成し、
   前記第１の堆積層へ原料を供給して、前記斜面から転落する原料を、前記第１のポート以外のポート上へ流れ込ませることで、該ポート上に、前記第１の堆積層の面と連続する斜面を有する堆積層を形成し、
   前記ポートの全てを開放した状態で、上部バンカーの原料を前記下部バンカーへ移送して、該下部バンカーに原料を堆積させて、
   下部バンカー内の堆積原料を、高炉へ装入することを特徴とする高炉への原料装入方法。

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