JP5920012B2 - 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及び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非常に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。

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。

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

融着帯の通気抵抗を改善するためには、前述した特許文献３に記載された従来例のように、鉱石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いる。
そこで、発明者らは、従来、鉱石類原料層とコークス層としてそれぞれ交互に装入していたコークス層相当量のコークスを鉱石類原料層中に完全に混合した混合層として炉内装入を試みた。
その結果、鉱石類原料とコークスとを完全混合層として装入した場合、チャージ数が増加した場合に良好な通気性が得られない場合があることが判明した。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、鉱石類原料とコークスとを完全混合層として炉内装入する場合に懸念される通気性の劣化を有利に解消した高炉への原料装入方法を提供することを目的とする。

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、
前記高炉装入原料の高炉内への装入方式として、鉱石類原料とコークスを完全混合層として装入する方式と、鉱石類原料とコークスをそれぞれ個別に鉱石類原料層およびコークススリットとして装入する方式の二通りの方式を想定しておくと共に、炉内通気性の異常を検知するために、高炉のシャフト部下部の周りの複数位置でシャフト圧力を常時監視しておき、
前記完全混合層の形成を複数層にわたって連続して行っている際に、前記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、完全混合層の形成方式から、鉱石類原料層およびコークススリットの個別形成方式に切り替え、
その後、前記シャフト圧力の異常が解消されたら、再度完全混合層の形成方式に切り替える
操業を継続して行うことを特徴とする高炉への原料装入方法。

２．前記鉱石類原料層およびコークススリットの個別形成方式における当該コークススリットの厚みが、塊コークス３個分以上または１５０mm以上であ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、鉱石類原料とコークスを完全混合層として炉内装入しているときに、高炉内のガス流れに異常が生じた場合に、高炉内への原料装入を鉱石類原料層とコークススリットの個別形成方式に切り替えることによって、高炉内のガス流れを復元させることができ、良好な高炉通気性が維持できるため、安定した高炉操業が可能となる。

本発明の高炉への原料装入方法の一実施形態を示す模式図である。 炉頂バンカーからの原料排出順序を示す説明図である。 コークスを鉱石類原料層中に少しずつ混合していき、最終的に完全な混合層とした状態を示す模式図である。 シャフト圧力を測定する圧力計Ｐの好適設置位置を示した図である。 炉頂バンカーを含む原料装入状態を示す模式図である。 平常時と異常時における圧力偏差の推移比較して示して図である。

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は、本発明による高炉への原料装入方法の一実施形態を模式的に示す図である。
図中、符号１は、焼結鉱、ペレット及び塊状鉱石の少なくとも一つからなる鉱石類原料２を貯蔵する鉱石類原料ホッパー、３はコークス４を貯蔵するコークスホッパーである。これら鉱石原料ホッパー１及びコークスホッパー３から所定比率で切出された鉱石類原料２及びコークス４は鉱石コンベア５によって上方に搬送されてリザービングホッパー６に鉱石類原料２及びコークス４が混合されて高炉装入原料７として貯留される。このリザービングホッパー６から切出された高炉装入原料７は装入コンベア８によって高炉１０の炉頂に搬送され、レシービングシュート１１を介して複数例えば３つの炉頂バンカー１２ａ〜１２ｃの１つ例えば１２ｂに投入されて貯留される。なお、炉頂バンカー１２ｂに貯留される鉱石類原料及びコークスの混合原料は、コークス量が混合原料の全量の３０％以下となるように調整されている。

ここで、コークス量を混合原料の全量の３０％以下に調整する理由は以下のとおりである。鉱石類原料ホッパー１及びコークスホッパー３から切出された鉱石類原料２及びコークス４は、鉱石コンベア５で、鉱石類原料２上にコークス４が積層された状態で、リザービングホッパー６に投入されることにより、このリザービングホッパー６で鉱石類原料２とコークス４とが混合されて混合原料となる。しかしながら、リザービングホッパー６に貯留された混合原料が装入コンベヤ８でレシービングシュート１１まで搬送されるので、この装入コンベア８上で、コークスと鉱石類原料とで比重差及び粒子径差があるので、偏析する可能性があり、さらに、レシービングシュート１１を介して炉頂バンカー１２ｂに投入される際にも、偏析する可能性がある。
このとき、混合させるコークス量が全量の３０％以下であるときには、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はなく、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。

これに対して、コークス量が全量の３０％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。
しかも、炉頂バンカー１２ｂから混合原料を排出する際の排出順序は、図２に示すように、高炉の中心軸に近い排出口１２ｇに近い位置から上方に順次移動し、その後高炉の中心軸から外側に離れる方向に移動し、最後に傾斜側壁１２ｈの上端側が排出される。

このため、排出口１２ｇの直上部や傾斜側壁１２ｈの上端側に鉱石類原料のみやコークスのみが存在する場合には、鉱石類原料のみ又はコークスのみが排出されることになり、後述する集合ホッパー１４で他の炉頂バンカー１２ａ及び１２ｃから排出されるコークス及び鉱石類原料と混合されることにはなるが、鉱石類原料又はコークスの比率が増加して、旋回シュート１６によって形成される鉱石類原料及びコークスの混合層の混合率が不均一となる。

また、鉱石類原料とコークスとの粒径差が大きい場合にも、さらには鉱石類原料とコークスそれぞれの粒度分布によっても、これらを混合したときに偏析が生じる場合がある。
従って、鉱石類原料とコークスとを完全混合層として高炉内に装入した場合には、原料の偏析に起因して炉内通気性の悪化が懸念される。

ところで、従来のように、高炉原料を、鉱石類原料層およびコークス層として交互に層状に形成した場合、コークス層が特に融着帯においてガス流れを整流する働きを有していることが知られている。
これに対し、鉱石類原料中にコークスを混ぜて混合層として炉内に装入した場合、混合層中におけるコークスは融着層の通気性を大幅に改善する効果を有するものの、コークスの混合量を増加した場合には、相対的にコークススリットが薄くなって、ガスの変動が起こり易くなる。

すなわち、鉱石類原料の粒径は通常５〜２０mm程度（平均で１０mm程度）であるのに対し、コークス、特に塊コークスは粒径が大きく、３０〜６０mm程度（平均で５０mm程度）である。
従って、コークススリットの厚みが薄くなって塊コークスの粒径に近づくと、コークススリット内にコークス粒が存在する領域と存在しない領域が現れて、コークススリット内でガスの偏流が起こり、ガス通気変動が生じ易くなく。

そこで、発明者らは、従来、図３（ａ）に示すように、鉱石類原料層とコークス層としてそれぞれ個別に装入されていたコークスを、図３（ｂ）に示すように、鉱石類原料層中に少しずつ混合し、相対的にコークススリットを薄くしていき、最終的には図３（ｃ）に示すように、完全な混合層として炉内に形成したときの、炉内通気性について調査を行った。図中、符号１７が中心コークス層、１８がコークススリット、１９が混合層である。

その結果、鉱石類原料に対するコークス混合量を増加する場合に、コークススリット厚の下限値を設定し、それ以下の厚みではコークスリットを形成しないようにしてやれば、通気変動を低減できることが判明した。
ここに、上記したコークススリット厚の下限値は、塊コークス３個分以上または１５０mm以上とすることが好ましい。というのは、上記の厚みであれば、コークススリット内にコークス粒が存在する領域と存在しない領域が生じず、コークススリット内でガスの偏流が起こらないので、ガス通気変動が生じなくなるからである。なお、コークススリット厚の上限値については、一定のコークス比においてコークススリット厚を増加させると混合層および鉱石層厚が増加し、層上部の還元性が悪化することから３００mm程度するのが好適である。

一方、鉱石類原料とコークスとを完全混合層として装入した場合には、必ずしも炉内通気性の悪化が生じるわけではないが、悪化し易いことが判明した。
この原因は、前述したとおり、炉頂バンカー内貯留時に生じた偏析や、装入原料の粒径差や粒度分布が関係しているものと考えられる。

そこで、本発明では、高炉装入原料の高炉内への装入方式として、鉱石類原料とコークスを完全混合層として装入する方式と、鉱石類原料とコークスをそれぞれ個別に鉱石類原料層およびコークススリットとして装入する方式の二通りの方式を想定しておく一方、炉内通気性の異常を検知するために、高炉のシャフト部下部の周りの複数位置でシャフト圧力を常時監視しておき、最初は完全混合層の形成を連続して行い、シャフト圧力の異常が検知された時点で、高炉装入原料の炉内装入を、完全混合層の形成方式から、鉱石類原料層およびコークススリットの個別形成方式に切り替え、その後シャフト圧力の異常が解消された時点で、再度完全混合層の形成方式に切り替えるような操業を継続して行うのである。
これにより、仮に炉内に通気性の悪化が生じたとしても、その悪化を修復して健全な炉内装入を継続して実施することができることになる。

図４に、シャフト圧力を監視するのに適した位置を示す。図中、Ｐは圧力計であり、レベル１はシャフト部下部の最下段における圧力計Ｐの設置位置であり、レベル２は二番目の高さの圧力計Ｐの設置位置である。そして、各レベルにおいて、高炉の周りに４〜６個程度（この例で５個）の圧力計Ｐが設けられている。
従って、いずれかのレベルにおいて少なくとも２ヶ所、好ましくは３ヶ所以上の位置で炉内圧を測定することにより、高炉内における通気性の異常を検知することができる。

また、通気性の異常は、次式で示す圧力偏差で判断することが好ましい。
圧力偏差＝｛（同じ高さレベルでの圧力値の標準偏差）／（同じ高さレベルでの圧力 値の平均値）｝×１００（％）
そして、圧力偏差のしきい値を例えば５％に設定し、実際の圧力偏差が５％を超えた場合に、炉内通気性に悪化が生じたと判断して、原料装入方式の切換えを行うのである。

次に、高炉内に、鉱石類原料及びコークスを装入する具体的な装入要領を、図５に基づいて説明する。
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。
また、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。

さて、炉頂バンカーからの原料装入順序としては、まず、旋回シュート１６の原料装入先を高炉の軸心部とし、コークスのみを装入した炉頂バンカー１２ａからコークスのみを排出することによって、高炉の軸心部に中心コークス層１７を形成する。
すなわち、旋回シュート１６が略垂直状態に傾動している状態では、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を開き、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に供給することによって、図５に示すように、軸心部に中心コークス層１７を形成する。

この際、原料ストックライン高さにおけるコークスの落下位置は、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１０〜３０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１０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。

次に、各炉頂バンカーから同時に、コークスと鉱石類原料及び／又は混合原料とを排出し、集合ホッパー１４で混合したのち、旋回シュート１６に供給することによって、中心コークス層１７の外側に鉱石類原料とコークスとの混合層１９を形成する。
すなわち、この場合には、炉頂バンカー１２ａだけでなく、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を所定の開度で開き、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と、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へ供給し、この集合ホッパー１４でコークスと鉱石類原料とを完全に混合してから旋回シュート１６に供給する。その結果、高炉１０内の中心コークス層１７の外側には、コークスと鉱石類原料とが略均一な混合率となった混合層１９が形成されるのである。

上記したような完全混合層１９の形成を複数層にわたって連続して行っている際に、シャフト圧力の異常が検知されたときは、原料の炉内装入方式を次のように切り替える。
すなわち、中心コークス層１７の形成後、その外側に、コークスのみを貯留した炉頂バンカー１２ａからコークスを排出して、中心コークス層１７の外側に所望厚みのコークス層（コークススリット）１８を形成し、さらにこの上に、上記と同様な方法でコークスと鉱石類原料との混合層１９を形成する。
かような（コークススリット＋混合層）の組み合わせになる層の形成は、シャフト圧力の異常が解消されるまで継続する。
そして、シャフト圧力の異常が解消された時点で、再度、鉱石類原料とコークスの完全混合層を形成するための装入方式を切り替えるのである。

図４に示したレベル１にてシャフト圧力を監視しつつ、高炉装入原料の炉内装入を行った。
最初は、完全混合層の形成を連続して行い、シャフト圧力に異常が検知された時点で、高炉装入原料の炉内装入を、完全混合層の形成方式から、鉱石類原料層およびコークススリットの個別形成方式に切り替えた。
切換えのタイミング、すなわち圧力偏差のしきい値は５％とした。

図６に、平常時で原料の装入方式の切換えを行わなかった場合とシャフト圧力異常が生じたため、途中で原料の装入方式を切り替えた場合における圧力偏差の推移を比較して示す。
同図において、圧力偏差が５％を超えた時点で原料の炉内装入を、完全混合層の形成方式から、鉱石類原料層およびコークススリットの個別形成方式に切り替え、かような（コークススリット＋混合層）の組み合わせになる層の形成を２回行った。
なお、混合層のコークス比は１６０ｋｇ／ｔ、コークススリットの厚みは２５０mmとした。

図６に示したとおり、圧力偏差が５％を超え、炉内通気性の悪化が懸念された場合でも、本発明に従って原料の装入方式の切換えを行った場合は、その後に炉内通気性の悪化が解消され、安定した高炉操業を継続することができた。

１ 鉱石類粉ホッパー
２ 鉱石類原料
３ コークスホッパー
４ コークス
５ 鉱石コンベア
６ リザービングホッパー
７ 高炉装入原料
８ 装入コンベア
１０ 高炉
１１ レシービングシュート
１２ａ〜１２ｃ 炉頂バンカー
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
１７ 中心コークス層
１８ コークススリット
１９ 混合層

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、
   前記高炉装入原料の高炉内への装入方式として、鉱石類原料とコークスを完全混合層として装入する方式と、鉱石類原料とコークスをそれぞれ個別に鉱石類原料層およびコークススリットとして装入する方式の二通りの方式を想定しておくと共に、炉内通気性の異常を検知するために、高炉のシャフト部下部の周りの複数位置でシャフト圧力を常時監視しておき、
   前記完全混合層の形成を複数層にわたって連続して行っている際に、前記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、完全混合層の形成方式から、鉱石類原料層およびコークススリットの個別形成方式に切り替え、
   その後、前記シャフト圧力の異常が解消されたら、再度完全混合層の形成方式に切り替える
   操業を継続して行うことを特徴とする高炉への原料装入方法。
2. 前記鉱石類原料層およびコークススリットの個別形成方式における当該コークススリットの厚みが、塊コークス３個分以上または１５０mm以上であ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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