JP5920459B2 - 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の完全混合層を形成する装入方式と、コークス層のみを形成する装入方式の二通りの方式を用意し、これらの装入方式を適宜切り替えて炉内装入を行うものとし、その際、
(1) 粒径が３０〜５５mmのコークスと粒径が１０〜３０mmの鉱石類原料を用い、かつこれらの粒径比（コークスの粒径／鉱石類原料の粒径）を１．０〜５．５とし、
(2) コークス層の層厚は、高炉下部の最も炉半径が大きくなる高さレベルにおいて１５０〜３００mmとし、
(3) 完全混合層１層当たりの層厚は、炉上部に装入した時点で１３００〜１５００mmとし、かつ完全混合層中におけるコークスの割合は、（コークス量／鉱石類原料量）比で７〜２５質量％とし、
(4) 完全混合層少なくとも２層に１層の割合でコークス層を周期的に形成する
ことを特徴とする高炉への原料装入方法。

２．前記コークス層の形成を、完全混合層３〜５層に１層の割合で周期的に行う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とを完全混合層として高炉内に装入する場合に懸念される炉内通気性劣化のおそれを払拭して、良好な炉内通気性の下で安定した高炉操業を実現する。

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。

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、コークス量が全コークス量の３０質量％以下となるように調整されている。

ここで、コークス量を全コークス量の３０質量％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、コークス４と鉱石類原料２とで比重差及び粒子径差があるので、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まで搬送される間に、装入コンベア８上で偏析するおそれがあり、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、偏析するおそれがある。
このとき、混合させ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。
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る。なお、このような場合でも、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になる。

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鉱石類原料とコークスに分離する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。

また、鉱石類原料の粒径は通常５〜２５mm程度であるのに対し、コークスは粒径差が大きく１０〜６０mm程度である。
従って、鉱石類原料とコークスとの粒径差やそれぞれの粒度分布に起因して、融着帯においてガス流れが変動し、やはり炉内通気性の悪化を招くおそれがある。
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。

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て完全混合層とした場合には、前述したとおり、炉頂バンカー内貯留時に生じた偏析や、装入原料の粒径差および粒度分布に起因して、炉内通気性が悪化するおそれがある。

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。

なお、炉内通気性の異常は、図４に示すように、高炉の各レベルに複数個（この例で８個）の圧力計Ｐを取り付け、各レベルにおいて圧力計Ｐで測定したシャフト圧力を用いて、レベル間の差の偏差を求めることにより判定した。

すなわち、炉内通気性の異常は、次式で示す圧力偏差で判断することにした。
圧力偏差＝｛（所定レベル間の圧力差の標準偏差）／（所定レベル間の圧力差の平均値）｝×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た。

その結果、鉱石類原料とコークスとの完全混合層を２層積層しただけでは、特に炉内通気性の悪化は生じなかったが、早い場合には完全混合層の混合層３層を積層した段階で、また遅くとも完全混合層の混合層５〜６層を積層した段階で、炉内通気性の悪化が認められた。
これに対し、完全混合層の混合層３層に１層の割合でコークス層を周期的に形成したところ、何ら通気性の悪化は生じないことが確認された。
それ故、本発明では、安全性を見込んで、少なくとも完全混合層の混合層２層に１層の割合でコークス層を周期的に形成することにしたのである。
実際には、コークス層の形成は、完全混合層の混合層３〜５層に１層の割合で十分である。

ここに、周期的に装入するコークス層の層厚は、高炉下部の最も炉半径が大きくなる高さレベルにおいて１５０〜３００mm程度とすることが好ましい。完全混合層３〜５層に１層の割合でこのコークス層が形成されるが、１５０mm以上のコークス層厚とすることでコークススリットを確保でき、通気を維持できる層が形成できる。
また、完全混合層１層当たりの層厚は、炉上部に装入した時点で１３００〜１５００mm程度とするのが好ましい。なお、完全混合層中におけるコークスの割合は、（コークス量／鉱石類原料量）比で７〜２５質量％、より好ましくは１０〜１５質量％とするのが好ましい。（コークス量／鉱石類原料量）比が上記の範囲を逸脱すると、いずれの場合も混合層中の通気性は悪化する。また、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。

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。
さらに、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、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１チャージ当たりのコークス装入量の１０〜２０質量％程度とする。また、１チャージ当たりのコークス装入量とは、コークス層の層厚が、高炉下部の最も炉半径が大きくなる高さレベルにおいて、コークス層厚みが１５０〜３００mm確保できる量である。

次に、炉頂バンカー１２ｂから排出される予め混合した混合原料を集合ホッパー１４を経由させ、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の外側で、かつコークススリット１８の上面に鉱石類原料とコークスとの混合層１９を形成する。
あるいは前述の中心コークス層の形成に引き続いて、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の外側で、かつコークススリット１８の上面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、残りの炉頂バンカー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を混合し、混合原料と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の外側でコークススリット１８の上面には、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を複数層（この例で２層）にわたって形成する。

ついで、原料の炉内装入方式を次のように切り替える。
すなわち、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、所望厚みのコークス層１８を形成する。
そして、上記のような２種類の炉内装入方式を適宜切り替えながら、高炉操業を継続するのである。

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。

図４に示した各レベルのシャフト圧力を監視しつつ、次の要領で高炉装入原料の炉内装入を行った。
すなわち、完全混合層を５層連続して形成したのち、コークス層を１層形成する方式で、高炉装入原料の炉内装入を継続し、その時の圧力偏差について調査した。なお、圧力偏差のしきい値は５％に設定した。
その結果、シャフト圧力の測定期間を通じて、圧力偏差が５％を超えることは一度もなく、良好な炉内通気性が達成されていることが確認された。

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 コークス層
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の完全混合層を形成する装入方式と、コークス層のみを形成する装入方式の二通りの方式を用意し、これらの装入方式を適宜切り替えて炉内装入を行うものとし、その際、
   (1) 粒径が３０〜５５mmのコークスと粒径が１０〜３０mmの鉱石類原料を用い、かつこれらの粒径比（コークスの粒径／鉱石類原料の粒径）を１．０〜５．５とし、
   (2) コークス層の層厚は、高炉下部の最も炉半径が大きくなる高さレベルにおいて１５０〜３００mmとし、
   (3) 完全混合層１層当たりの層厚は、炉上部に装入した時点で１３００〜１５００mmとし、かつ完全混合層中におけるコークスの割合は、（コークス量／鉱石類原料量）比で７〜２５質量％とし、
   (4) 完全混合層少なくとも２層に１層の割合でコークス層を周期的に形成する
   ことを特徴とする高炉への原料装入方法。
2. 前記コークス層の形成を、完全混合層３〜５層に１層の割合で周期的に行う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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