JP5884208B1 - 高炉への原料装入方法 - Google Patents

Abstract

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への原料装入方法であって、高炉内に装入されるコークスを鉱石類原料と混合せずにコークス層および鉱石層として、または、高炉内に装入されるコークスの一部を鉱石類原料と混合し、コークス層およびコークスと鉱石類原料の混合層として、該高炉装入原料を高炉内へ装入するものとし、１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層が高炉炉腹部に到達したとき、該高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を適正に制御するとともに、該高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚を190mm以下に制御することにより、安定した高炉操業と、鉱石層の薄層化による還元効率の向上とを同時に実現する。

Description

本発明は、高炉への原料装入方法に関するものである。

近年、地球温暖化防止の観点からＣＯ₂削減が求められている。特に鉄鋼業においては、ＣＯ₂排出量の約７０％が高炉によるものであることから、高炉におけるＣＯ₂排出量の低減が求められている。

高炉では、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交互に層状に装入し、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から高炉炉腹部へと降下し、鉱石の還元と原料の昇温が起こる。そして、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、高炉炉腹部においては、通気抵抗が非常に大きくガスが殆ど流れない、いわゆる融着層を形成する。

ここで、高炉におけるＣＯ₂削減は、高炉で使用する還元材（コークス、微粉炭、天然ガスなど）の削減により実現できるが、その場合には、鉱石層の還元効率を向上させることが重要となる。

このような鉱石層の還元効率を向上させる方法として、例えば、非特許文献１に示されるように、鉱石層の層厚を低減して、未還元の鉱石を減少させることが知られている。

一方、鉱石層の層厚を低減する場合には、コークス層の層厚も同時に減少することになる。しかし、コークス層の層厚が減少すると、鉱石が軟化溶融する融着帯において、通気抵抗が上昇する。ここで、融着帯の通気抵抗は、高炉全体の通気性に大きく影響しており、この融着帯の通気抵抗が上昇すると、高炉の安定操業が阻害されることが、経験的に知られている。

そこで、高炉内、特に融着帯の通気抵抗の上昇を防止して、高炉の安定操業を実現すべく、コークス層の下限層厚についても、種々検討が行われている。
たとえば、非特許文献２には、コークス層の下限層厚を高炉炉腹部における平均値で190mm程度とすることが示されており、それ以下の層厚では、融着帯の通気抵抗が上昇して、高炉の安定操業が阻害されることが示されている。

また、特許文献１には、高炉炉口部での１層あたりのコークス層の平均層厚が60cm（600mm）以上となるようにコークス装入量を調整して、コークス層の局所的な薄層化を回避する高炉装入物分布制御方法が開示されている。
なお、原料を装入する高炉炉口部と融着帯が形成される高炉炉腹部とでは、内径が異なるため、高炉炉口部におけるコークス層の層厚は、一般的に、高炉炉腹部におけるコークス層の層厚の2.2倍程度となる。

さらに、特許文献２には、融着帯における通気抵抗上昇を防止するため、高炉炉腹部におけるコークス層厚を250mm以上とする高炉操業法が開示されている。

以上述べたとおり、安定した高炉操業を行うには、高炉炉腹部における平均コークス層厚を一定以上とする必要があると考えられており、実際の高炉操業においても、高炉炉腹部における平均コークス層厚を少なくとも190mm程度、条件によっては250mm以上確保して、コークスの装入を行っているのが現状である。

一方、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も知られており、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３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。

また、特許文献４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で、コークスの通常装入用バッチ、コークスの中心装入用バッチ及び混合装入用バッチの３通りを同時に行うようにしている。

さらに、特許文献５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。

加えて、特許文献６では、混合コークスによる反応性向上効果を享受する手段として、高反応コークスと、JIS M 8713により測定される還元率、いわゆるJIS還元率の低い鉱石とを混合することで、低反応性鉱石を高効率に反応させて高炉の反応性を向上させる技術が開示されている。

このように、鉱石層にコークスを混合する技術は数多く報告されている。しかし、鉱石層にコークスを混合する場合においても、融着帯の通気抵抗を確保するために必要となるコークス層の層厚については、必ずしも明確にはなっていないのが現状である。

特開平7-18310号公報 特開平6-136414号公報 特開平3−211210号公報 特開2004−107794号公報 特開昭55−079810号公報 特開昭64−036710号公報 特願2013-264319号明細書 特開平8-189926号公報

材料とプロセス 63巻 894頁（2000年） 鉄と鋼 87巻5号 342-349頁（2001年） 鉄と鋼 79巻8号 927-933頁（1993年）

ところで、前述した高炉炉腹部における融着帯の通気抵抗を実際の操業時に測定することは極めて困難であるため、その評価には、高炉融着帯を模擬した装置において、高炉内のガス流れを正確に再現する必要がある。
ここで、高炉融着帯は軟化収縮するため通気抵抗が非常に大きい鉱石融着層と、軟化収縮せず通気抵抗が小さいコークス層の２層で構成される。従って、融着帯を流れるガスは、コークス層を横向きに流れる。それ故、高炉融着帯におけるガス流れを模擬するには、横方向のガス流れを再現する必要がある。

これを達成するものとして、発明者らは、先に、特許文献７において、「鉄鉱石および／または焼結鉱ならびにコークスを充填することができる試料充填容器を内部に有する試料加熱炉と気体加熱炉とを並列配置とし、該気体加熱炉において加熱された気体を該試料充填容器内の試料充填層に対し横方向から水平に流通する構造になる高炉融着帯を模擬した反応装置。」を開示した。

この高炉融着帯を模擬した反応装置は、試料充填層に対し水平方向からガスを流通すると共に、鉱石に対しては鉛直方向に荷重を付加する構造となっている。そして、このような構造とすることで、従来の高炉融着帯を模擬した装置（例えば、特許文献８や非特許文献３）では再現できなかった、高炉融着帯における横方向のガス流れ、つまり融着帯近傍のガス流れを精度良く再現することが可能となり、これにより、実機に則した高炉融着帯の通気抵抗の測定が可能となった。

本発明は、上記の反応装置を活用して、従来解明することができなかった高炉炉腹部における融着帯のガス通気性支配因子を解明し、最適な層構造設計を行うことにより、安定した高炉操業と、鉱石層の薄層化による還元効率の向上とを同時に実現し得る、高炉への原料装入方法を提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の目的を達成するため、特許文献７で開示した高炉融着帯を模擬した反応装置を用い、コークスを鉱石類原料と混合せずに高炉装入原料を高炉内へ装入する場合について、コークス層および鉱石層の層厚を種々変化させて、融着帯近傍におけるガス流れ、さらには当該融着帯の通気抵抗について、鋭意検討を重ねた。
また、コークスの一部を鉱石類原料と混合して高炉装入原料を高炉内へ装入する場合についても、コークス層およびコークスと鉱石類原料の混合層（以下、混合層ともいう）の層厚を種々変化させて、融着帯近傍におけるガス流れ、さらには当該融着帯の通気抵抗について、鋭意検討を重ねた。
その結果、従来下限と考えられていたコークス層の平均層厚を下回る場合であっても、コークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を調整して、最低限の層厚を確保してやれば、融着帯におけるガスの通気性は確保され、高炉の安定操業が可能になるとの知見を得た。また、上記のようにコークス層の層厚を低減することで、鉱石層や混合層も薄層化され、結果として、還元効率の向上も同時に実現できるとの知見を得た。

さらに、コークスの一部を鉱石類原料との混合層として装入する場合における融着帯のガス通気性は、混合層中におけるコークス混合比と、コークス層の層厚にも影響を受けており、これらの関係を適正に制御することによって、より安定した高炉操業とコークス量の低減とを同時に実現できるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えた末に完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．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への原料装入方法であって、
高炉内に装入されるコークスを鉱石類原料と混合せずにコークス層および鉱石層として、または、高炉内に装入されるコークスの一部を鉱石類原料と混合し、コークス層およびコークスと鉱石類原料の混合層として、該高炉装入原料を高炉内へ装入するものとし、
１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層が高炉炉腹部に到達したとき、該高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を、次式（１）または（２）に示す範囲に制御するとともに、該高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚を190mm以下に制御する、高炉への原料装入方法。
コークスと鉱石類原料を混合せずに、高炉装入原料を高炉内へ装入する場合：
Ｌc_min／Ｄc ≧ 2 （１）
コークスの一部を鉱石類原料と混合して、高炉装入原料を高炉内へ装入する場合：
Ｌc_min／Ｄc ≧ −0.0063Ｃ_mix＋2 （２）
ここで、Ｃ_mixは混合層中のコークス混合比（kg/t）、Ｌc_minは１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層の高炉炉腹部における最小層厚（mm）、Ｄcはコークスの算術平均粒径（mm）である。

２．前記１に記載の高炉への原料装入方法であって、
高炉内に装入されるコークスの一部を鉱石類原料と混合し、コークス層およびコークスと鉱石類原料の混合層として、前記高炉装入原料を高炉内へ装入する場合に、
１チャージ当たり炉内に装入される前記コークス層の高炉炉腹部における平均層厚を、該混合層中におけるコークス混合比に応じて、次式（３）に示す範囲に制御する、高炉への原料装入方法。
Ｌc_ave ≧ 50×（−0.0063Ｃ_mix＋2）＋80 （３）
ここで、Ｃ_mixはコークス混合比（kg/t）、Ｌc_aveは１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層の高炉炉腹部における平均層厚（mm）である。

３．前記コークス混合比Ｃ_mixが80kg/t以上である、前記２に記載の高炉への原料装入方法。

本発明によれば、安定した高炉操業と、還元効率の向上とを同時に達成することが可能となる。また、コークスの一部を鉱石類原料と混合して高炉装入原料を高炉内へ装入する場合には、コークス量が低減され、CO₂排出量の削減も可能となる。

高炉融着帯を模擬した反応装置を示す模式図である。 コークスと鉱石類原料を混合せずにコークス層および鉱石層として、高炉装入原料を高炉内に装入する場合の1400℃における通気抵抗を、コークス層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄ_Cとの比（Ｌc／Ｄ_C）に対してプロットしたものである。 融着帯におけるコークス層への溶融した鉱石の侵入形態を示す模式図であり、（ａ）はコークス層の層厚が厚い場合、（ｂ）はコークス層の層厚が薄い場合である。 各コークス混合比における1400℃での通気抵抗を、コークス層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄ_Cとの比（Ｌc／Ｄ_C）に対してプロットした図である。 基準となる通気抵抗値に到達するときのコークス層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄ_Cとの比（Ｌc／Ｄ_C）を、コークス混合比Ｃ_mixに対してプロットした図である。 高炉実機における高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚Ｌc_minとコークスの算術平均粒径Ｄ_Cとの比（Ｌc_min／Ｄc）と、高炉炉腹部のコークス層の平均層厚Ｌc_aveとの関係を示す図である。 高炉内での原料装入状態を示す模式図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、コークスと鉱石類原料を混合せずにコークス層および鉱石層として、高炉装入原料を高炉内に装入する場合に、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を適正にする必要性を知るに至った実験（実験１）について、説明する。

（実験１）
図１に、この実験に用いた装置の概略図を示す。図中、符号１は試料加熱炉であり、この試料加熱炉１はその内部に試料充填容器２および加熱装置３をそなえている。また、試料充填容器２内には、コークス層４および鉱石層５を層状に充填した試料充填層６が形成されている。そして、試料充填層６の温度は、加熱装置３によりコントロールできる。
７は気体加熱炉であり、この気体加熱炉７もその内部に加熱装置８をそなえている。なお、９はガス混合器、10はガス流通用の配管、11は圧力計、12は熱電対、13は押え板、14は台座、15は接続棒であり、この接続棒は黒鉛または金属製である。そして、16が負荷手段であり、ここでは錘を用いている。そして、この錘16により、高炉内を模擬した荷重を試料充填層６に付加している。

また、この測定装置は、図示したように、試料加熱炉１と気体加熱炉７とを並列配置としたところに最大の特徴がある。すなわち、並列配置としたが故に、気体加熱炉７で加熱された気体は、試料加熱炉１内に横方向から侵入することになり、その結果、侵入した加熱気体は試料充填容器１内の試料充填層６を水平に流れることから、高炉融着帯における横方向のガス流れを再現できるのである。

さらに、この測定装置では、台座14上に錘16を載せることにより、接続棒15および押え板13を介して、操業条件に応じた一定の荷重を試料充填層に付加することができ、このため、上記した水平方向のガス流れと相まって、高炉融着帯における層構造を反映した通気抵抗の評価が可能となるのである。

ここで、この実験では、上記の装置を用い、コークス層および鉱石層の層厚を種々変化させて、融着帯の通気抵抗を測定した。実験条件を表１に示す。
なお、コークス層の層厚を変えた場合には、初期の単位体積あたりのガス流通量が一定となるようにガス流量も併せて変更した。また、各層の厚みを、場所によらずほぼ一定となるように調整した。

図２に、1400℃での通気抵抗の測定結果を、コークス層厚とコークスの算術平均粒径との比に対してプロットして示す。ここで、コークス層厚をＬc（mm）、コークスの算術平均粒径をＤc（mm）とする。なお、1400℃は、操業中の高炉における融着帯の代表的な温度である。
同図より、コークス層厚とコークスの算術平均粒径との比（Ｌc／Ｄｃ）が２未満になると、通気抵抗が急激に上昇することがわかる。

ここに、コークス層厚とコークスの算術平均粒径との比が２未満になると、通気抵抗が急激に上昇する理由について、発明者らは、次のように考えている。
すなわち、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、融着帯では、コークス層４の層厚が厚い場合に比べ、コークス層４の層厚が薄くなると、単位厚み当たりにおいて、溶融鉱石層21aとコークス層４とが接する界面数が増加する。ここで、溶融した鉱石は、それぞれの界面からコークス層へ浸入していくため、コークス層が薄い場合、溶融した鉱石のコークス層への相対的な浸入厚さが増加する。このため、コークス層中にガスが容易に流れる部分が減少して、通気抵抗が上昇する。図３中、符号21bは、溶融した鉱石の侵入層である。

特に、コークス層厚とコークスの算術平均粒径との比が２未満である場合、コークス層はコークス粒子２個分未満の層厚となり、コークス粒子が１個しか存在しない部分が生じることとなる。この場合、このコークス粒子が、上下より溶融した鉱石によって包み込まれるため、この部分で横方向のガス流れが閉塞されることになる。
それ故、コークス層厚とコークスの算術平均粒径との比が２未満になると、通気抵抗が急激に上昇するものと発明者らは考えている。

以上の実験結果から、本発明では、コークスと鉱石類原料を混合せずにコークス層および鉱石層として、高炉装入原料を高炉内へ装入する場合、１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層が高炉炉腹部に到達したとき、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比が次式（１）の関係を満足するように装入することとしたのである。
Ｌc_min／Ｄc ≧ 2 （１）
ここで、Ｌc_minは１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層の高炉炉腹部における最小層厚（mm）、Ｄcはコークスの算術平均粒径（mm）である。
また、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比の上限は特に限定されるものではないが、コークス層の平均層厚を極力低減する観点からは、４以下とすることが好ましい。

このように、本発明では、上記した（１）式の範囲に高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を制御することで、コークスと鉱石類原料を混合せずに装入する場合に、従来下限と考えられていた高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚をさらに低減すること、具体的には190mm以下とすることが可能になる。
ただし、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を２以上とする必要があるため、高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚の下限値としては、180mm程度が現実的である。

なお、コークスの算術平均粒径は特に限定されるものではないが、20〜60mmの範囲とすることが好適である。

また、ここでいうコークスの算術平均粒径は、無作為に抽出した一定量のコークスを篩目の大きい順に篩にかけ、それぞれの篩に残留したコークス質量とその篩目の積を求め、求めた積の和を篩にかけたコークスの全質量で除することにより求めた。
すなわち、コークスの算術平均粒径をＤ（ｍ）、篩にかけたコークスの全質量をＭ（ｋｇ）、ｉ番目の篩の篩目をｄ_i（ｍ）、ｉ番目の篩に残留したコークス質量をｍ_i（ｋｇ）、篩の数をｎとすると、コークスの算術平均粒径Ｄは次式のように表すことができる。

次に、コークスの一部を鉱石類原料と混合して高炉装入原料を高炉内へ装入する場合に、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を適正にする必要性を知るに至った実験（実験２）について説明する。また、この場合に、融着帯のガス通気性を支配する、混合層中におけるコークス混合比とコークス層の層厚との関係、具体的には、混合層中におけるコークス混合比と、１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層の高炉炉腹部における平均層厚との関係を見出すに至った点ついても、説明する。
なお、ここでは、コークス混合比をＣ_mix（kg/t）、１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層の高炉炉腹部における平均層厚をＬc_ave（mm）とする。また、ここでいうコークス混合比Ｃ_mix（kg/t）とは、溶銑１ｔを製造する際の混合層中におけるコークス量（kg）を意味する。なお、この実験でも、上述した図１の装置と同じものと用いた。

（実験２）
この実験では、コークス層と、コークスと鉱石類原料とを混合した混合層を形成し、上記の装置を用いて、融着帯の通気抵抗を測定した。その際、コークス混合比は０kg/t（鉱石類原料とコークスの混合なし）、80kg/t、160kg/t、230kg/tとし、各コークス混合比にて、コークス層厚とコークスの算術平均粒径との比を種々変化させた。ここで、コークス層厚をＬc（mm）、コークスの算術平均粒径をＤc（mm）とする。また、各層の厚みを、場所によらずほぼ一定となるように調整した。
なお、この実験では、溶銑１ｔを製造する際に必要となるコークス量、いわゆるコークス比は一定（320kg/t）とした。また、使用したコークスの算術平均粒径は、いずれも10mmであった。さらに、コークス層の層厚を変えた場合には、初期の単位体積あたりのガス流通量が一定となるようにガス流量も併せて変更した。

図４に、各コークス混合比における1400℃での通気抵抗の測定結果を、コークス層の層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄcとの比（Ｌc／Ｄc）に対してプロットして示す。
同図より、いずれのコークス混合比であっても、コークス層の層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄcとの比（Ｌc／Ｄc）が小さくなるにつれ、通気抵抗が上昇することがわかる。
特に、鉱石類原料とコークスの混合を行わない場合（混合比が０kg/tの場合）には、実験１でも示したように、コークス層の層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄcとの比（Ｌc／Ｄc）が２未満になると、通気抵抗が急激に上昇することがわかる。

そこで、鉱石類原料とコークスの混合を行わない場合における、コークス層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄcとの比（Ｌc／Ｄc）が２のときの通気抵抗の値（約22kPa/m）を基準として、この通気抵抗値に到達するときのＬc／Ｄcの値を、各コークス混合比について求めた。求めたＬc／Ｄcの値を、コークス混合比Ｃ_mixに対してプロットして、図５に示す。
同図より、基準となる通気抵抗値に到達するときのコークス層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄcとの比（Ｌc／Ｄc）は、コークス混合比Ｃ_mixに対して、直線で近似できることがわかる。このことから、コークス層厚Ｌcとコークスの算術平均粒径Ｄcとの比（Ｌc／Ｄc）を、コークス混合比Ｃ_mixに対して、下式（２ａ）のように制御することで、所期した通気抵抗を確保できることがわかる。
Ｌc／Ｄc ≧ −0.0063Ｃ_mix＋2 （２ａ）

ただし、実機の高炉では、同じチャージで堆積されたコークス層であっても、位置によって層厚が異なる。このため、実機の高炉において十分な通気抵抗を確保するには、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚が上記した（２ａ）式の関係を満足することが重要となる。ここで、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚をＬc_min（mm）とすると、この関係は次式（２）のように表すことができる。
Ｌc_min／Ｄc ≧ −0.0063Ｃ_mix＋2 （２）

なお、コークスの一部を鉱石類原料と混合して高炉装入原料を高炉内へ装入する場合に、コークス層厚とコークスの算術平均粒径との比が２未満となっても、上掲式（２）の範囲であれば、通気抵抗が確保されるのは、混合コークスによる骨材効果により軟化鉱石層の収縮が抑制されるため、溶融スラグの鉱石層への浸透が緩和されることから、通気性が改善するため、と発明者らは考えている。

また、図６に示すように、実機高炉における高炉炉腹部のコークス層の平均層厚Ｌc_aveを、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚Ｌc_minおよびコークスの算術平均粒径Ｄcとの関係で整理すると、Ｌc_aveとＬc_min／Ｄcとの間には相関性が見られ、これらの関係は次式（３ａ）のように表すことができる。
Ｌc_ave ＝ 50（Ｌc_min／Ｄc）＋80 （３ａ）

上記した（２）式および（３ａ）式より、コークス混合比Ｃ_mixと、１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層の高炉炉腹部における平均層厚Ｌc_aveとの関係式（３）が得られる。
Ｌc_ave ≧ 50（−0.0063Ｃ_mix＋2）＋80 （３）

以上の実験結果から、コークスの一部を鉱石類原料と混合して高炉装入原料を高炉内へ装入する場合における、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比の適正な関係、さらには、コークス層の高炉炉腹部における平均層厚との好適な関係を見出すに至ったのである。
なお、この場合についても、高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚Ｌc_aveの上限は、コークス量を低減する観点から190mm以下とする。

また、鉱石類原料と混合するコークス混合比としては、80kg/t以上とすることが好ましい。ただし、鉱石類原料と混合するコークス混合比の上限としては、230g/t程度である。

次に、本発明の原料装入方法を、実機の旋回シュート方式の高炉に適用する場合の例について、図７に基づき説明する。
図中、符号22は高炉、22ａは高炉炉口部、22ｂは高炉炉腹部、23ａ〜23ｃは炉頂バンカー、23ｄは中心コークス層、23ｅは周辺コークス層、23ｆは境界部、24は集合ホッパー、25はベルレス式装入装置、26は旋回シュート、27は羽口の送風管である。
なお、この例では、炉頂バンカー23ａにはコークスのみが、さらに炉頂バンカー23ｃには鉱石類原料のみが、それぞれ貯留されている。

コークスを鉱石類原料を混合せずに装入する場合の旋回シュート方式の高炉における原料装入は、旋回シュート26によって鉱石類原料とコークスとを交互に装入することにより行っており、炉内ではコークス層４と鉱石層５とが交互に層状となって堆積されている。
ここで、具体的なコークス層の装入手順の例としては、いわゆる順傾動方式により、まず、旋回シュート26の原料装入先を高炉22の炉壁内周部とし、コークスのみを装入した炉頂バンカー23ａからコークスを装入することによって、炉壁内周部に周辺コークス層23ｅを形成し、ついで旋回シュート26の原料装入先を高炉の軸心部として、炉頂バンカー23ａからコークスを装入することにより、高炉の軸心部に中心コークス層23ｄを形成する方法が挙げられる。

このようにして中心コークス層23ｄと周辺コークス層23ｅからなるコークス層４を形成する場合、通常、図７に示すとおり、中心コークス層23ｄと周辺コークス層23ｅの境界部23ｆにおいて、コークス層７の層厚が最小（t_min）になる。
ここで、原料を装入する高炉炉口部22ａと融着帯が形成される高炉炉腹部22ｂとでは、内径が異なるため、高炉炉口部22ａにおけるコークス層の層厚は、一般的に、高炉炉腹部22ｂにおけるコークス層の層厚の2.2倍程度となる。
従って、目標とする高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚から１チャージ当たり炉内に装入するコークス量を決定し、コークス層の層厚が最小となる中心コークス層と周辺コークス層の境界部において、高炉炉腹部で目標とするコークス層厚の2.2倍程度となるように、装入量を調整してやれば、高炉炉腹部において目標とするコークス層の層厚が得られるのである。

また、コークスの一部を鉱石類原料との混合層として装入する場合における旋回シュート方式の高炉への原料装入は、例えば、炉頂バンカー23ａからのコークスのみの装入と、炉頂バンカー23ａおよび23cからのコークス装入と鉱石装入の同時切り出しを交互に行うことにより実施しており、炉内では、コークス層４とコークスと鉱石類原料が混合された混合層５が、交互に層状となって堆積されている。
ここで、コークス層の具体的な装入手順の例としては、いわゆる順傾動方式により、まず、旋回シュート26の原料装入先を高炉22の炉壁内周部とし、コークスのみを装入した炉頂バンカー23ａからコークスを装入することによって、炉壁内周部に周辺コークス層23ｅを形成し、ついで旋回シュート26の原料装入先を高炉の軸心部として、炉頂バンカー23ａからコークスを装入することにより、高炉の軸心部に中心コークス層23ｄを形成する方法が挙げられる。
なお、このような装入手順でコークス層の装入を行った場合、やはり図７に示すとおり、中心コークス層23ｄと周辺コークス層23ｅの境界部23ｆにおいて、コークス層４の層厚が最小（t_min）になる。

また、一般的に、原料を装入する高炉炉口部22ａと融着帯が形成される高炉炉腹部22ｂとでは、内径が異なるため、高炉炉口部22ａにおけるコークス層の層厚は、高炉炉腹部22ｂにおけるコークス層の層厚の2.2倍程度となる。
従って、鉱石類原料と混合するコークス混合比から、目標とする高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚を設定し、高炉炉口部におけるコークス層の層厚が、設定した高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚の2.2倍程度となるように、コークス装入量を調整してやることで、本発明の原料装入方法を高炉実機へ適用することができる。

（実施例１）
この例は、高炉内に装入されるコークスを鉱石類原料と混合せずにコークス層および鉱石層として炉内に装入した場合である。
図７に示したような旋回シュート方式の高炉実機において、同一出銑比で、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を種々変化させて、それぞれの場合における操業成績を比較した。結果を表２に示す。
ここで、出銑比は、高炉の一日当たりの出銑量（t/d）を炉内容積（m³）で除した値である。また、還元材比、コークス比及び微粉炭比は、溶銑１ｔを製造する際に使用した還元材量、コークス量及び微粉炭量（kg/t）である。

同表より、発明例１では、圧力損失が従来例と同等程度であり、通気抵抗の上昇は見られなかったことがわかる。また、発明例１では、従来例と比較して、コークス層の平均層厚、ひいては鉱石層の層厚も大幅に低減されており、還元材比の低減による還元効率の向上も同時に実現することができた。
一方、比較例１は、高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比が２未満であるため、従来例と比べて圧力損失が増加して、通気抵抗が上昇した。

（実施例２）
この例は、高炉内に装入されるコークスの一部を鉱石類原料と混合し、コークス層およびコークスと鉱石類原料の混合層として炉内に装入した場合である。
図７に示したような旋回シュート方式の高炉実機において、同一出銑比で、鉱石類原料と混合するコークス混合比と、高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚を種々変化させて、それぞれの場合における操業成績を比較した。得られた結果を表３に示す。
ここで、出銑比は、高炉の一日当たりの出銑量（t/d）を炉内容積（m³）で除した値である。また、還元材比、コークス比及び微粉炭比は、溶銑１ｔを製造する際に使用した還元材量、コークス量及び微粉炭量（kg/t）である。

同表より、発明例２および３では、圧力損失が小さく、十分な通気性を確保できていることがわかる。また、コークス比も低減しており、還元材比の低減も併せて実現することができた。
一方、比較例２では、コークス層の高炉炉腹部における平均層厚が前記（１）式で規定した下限未満であるため、圧力損失が増加して、通気性が悪化した。また、比較例２は、通気性の悪化に伴い、コークス比も増大した。

（実施例３）
表４の条件でコークス混合比を種々変化させて、それぞれの場合における操業成績を比較した。得られた結果を表４に示す。なお、表４に示す条件以外は、実施例２の発明例２と同じ条件である。

同表より、コークス混合比を80kg/ｔ以上とした発明例５および６では、コークス混合比を60kg/ｔとした発明例４に比べ、圧力損失が一層低下し、より良好な通気性が得られていることがわかる。また、コークス比も低減され、還元材比の一層の低減も実現することができた。

１ 試料加熱炉
２ 試料充填容器
３ 加熱装置
４ コークス層
５ 鉱石層
６ 試料充填層
７ 気体加熱炉
８ 加熱装置
９ ガス混合器
10 ガス流通用の配管
11 圧力計
12 熱電対
13 押え板
14 台座
15 接続棒
16 負荷手段（錘）
21ａ 溶融鉱石層
21ｂ 溶融した鉱石の侵入層
22 高炉
22ａ 高炉炉口部
22ｂ 高炉炉腹部
23ａ〜23ｃ 炉頂バンカー
23ｄ 中心コークス層
23ｅ 周辺コークス層
23ｆ 境界部
24 集合ホッパー
25 ベルレス式装入装置
26 旋回シュート
27 羽口の送風管

Claims (3)

1. 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への原料装入方法であって、
   高炉内に装入されるコークスを鉱石類原料と混合せずにコークス層および鉱石層として、または、高炉内に装入されるコークスの一部を鉱石類原料と混合し、コークス層およびコークスと鉱石類原料の混合層として、該高炉装入原料を高炉内へ装入するものとし、
   １チャージ当たり炉内に装入されるコークス層が高炉炉腹部に到達したとき、該高炉炉腹部におけるコークス層の最小層厚とコークスの算術平均粒径との比を、次式（１）または（２）に示す範囲に制御するとともに、該高炉炉腹部におけるコークス層の平均層厚を190mm以下に制御する、高炉への原料装入方法。
   コークスと鉱石類原料を混合せずに、高炉装入原料を高炉内へ装入する場合：
   Ｌc_min／Ｄc ≧ 2 （１）
   コークスの一部を鉱石類原料と混合して、高炉装入原料を高炉内へ装入する場合：
   Ｌc_min／Ｄc ≧ −0.0063Ｃ_mix＋2 （２）
   ここで、Ｃ_mixは混合層中のコークス混合比（kg/t）、Ｌc_minは１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層の高炉炉腹部における最小層厚（mm）、Ｄcはコークスの算術平均粒径（mm）である。
2. 請求項１に記載の高炉への原料装入方法であって、
   高炉内に装入されるコークスの一部を鉱石類原料と混合し、コークス層およびコークスと鉱石類原料の混合層として、前記高炉装入原料を高炉内へ装入する場合に、
   １チャージ当たり炉内に装入される前記コークス層の高炉炉腹部における平均層厚を、該混合層中におけるコークス混合比に応じて、次式（３）に示す範囲に制御する、高炉への原料装入方法。
   Ｌc_ave ≧ 50×（−0.0063Ｃ_mix＋2）＋80 （３）
   ここで、Ｃ_mixはコークス混合比（kg/t）、Ｌc_aveは１チャージ当たり炉内に装入されるコークス層の高炉炉腹部における平均層厚（mm）である。
3. 前記コークス混合比Ｃ_mixが80kg/t以上である、請求項２に記載の高炉への原料装入方法。

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