JP6183412B2 - 高炉への原料装入装置 - Google Patents
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Description
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り、高炉におけるCO2排出量の削減が求められる。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)の削減により可能である。
しかし、高炉に使用する還元材、特にコークスを削減した場合、炉内通気性を担保しているコークスが減少することから、高炉内の通気抵抗が増加する。すなわち、一般的な高炉では、炉頂から装入された鉱石が軟化を開始する温度に到達すると、上部に存在する高炉原料の荷重により空隙を埋めながら変形する。そのため高炉下部では、鉱石層の通気抵抗は非常に大きくガスがほとんど流れない融着帯が形成される。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。
例えば特許文献1では、ベルレス式高炉において、鉱石ホッパーのうち下流側の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堆積させた後、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せしめる。特許文献2では、炉頂バンカーに鉱石とコークスを別々に貯留して、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および混合装入用バッチの3通りを同時に行う。また、特許文献3では、高炉操業における融着帯形状の不安定および中心部付近におけるガス利用率の低下を防止し、安定操業と熱効率の向上を図るために、高炉における高炉原料装入方法において、全鉱石と全コークスを完全混合したる後、炉内に装入する。
このような偏析させる技術として、特許文献4では、高炉原料の落下方向を変更する傾動自在な傾斜板を設け、高炉原料の装入位置を設定することで高炉原料の粒度を意図的に偏析させることが提案されている。このように炉頂バンカー内の高炉原料粒度を偏析させることで、混合原料の排出が望ましいタイミングでコークスを炉内に装入可能となると記載されている。
また特許文献6では、高炉の炉頂に設けられた炉頂バンカーに高炉原料を偏析して装入する偏析装置として、炉頂バンカーの横断面中央部の鉛直軸回りに回転可能で且つ上方から装入される高炉原料を受ける上下方向下側面が当該高炉原料の安息角より大きい偏析分配器を炉頂バンカー内の上部に備える。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、高炉原料の粒度を意図的に偏析させる偏析精度を向上させることを目的としている。
また、炉頂バンカー内に堆積している高炉原料の山の頂部の位置が、上面視で炉頂バンカー壁面に近づいて存在している場合であっても、その山の頂部に近い炉頂バンカー壁面側に材料が当たる場合、山の頂部の高さよりも所定以上高い場合には、炉頂バンカー壁面からの跳ね返りが大きくなって、やはり偏析の精度を悪くする原因となることを見出した。
このとき、本発明では、貯留した山の頂部と同じ高さから余裕代分だけの範囲の壁面位置に向けて投入された高炉原料を誘導することで、貯留する山の頂部を当該壁面位置若しくはその壁面に近接した位置に制御出来ると共に、壁面からの跳ね返りによる悪影響を小さく抑えることが可能となる。
このため、本発明によれば、高炉炉頂から混合原料を、粗粒、細粒の順序で払い出すことができるようになるので、高炉内における任意の位置にコークスを多量に装入することが可能となる。このことは、炉内反応性の向上を図り、還元材比の低減に繋がることが可能となる。
ここで、図面は模式的なものであり、寸法などは現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構造等が下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
高炉への原料装入装置は、図1に示すように、炉頂バンカー10、炉頂バンカー10内に配置された傾動可能な傾斜板11、傾斜板11の傾斜角θを変更する駆動部12、頂上判定部13、及び傾斜角調整部14を備える。
炉頂バンカー10は、高炉20の炉頂に配置される。
本実施形態の炉頂バンカー10は、図1に示すように、上端部に投入口10aが形成されていると共に、下端部には、一方に偏って排出口10bが形成されている。図1では、排出口10bが左側に偏って形成されている。
そして、炉頂バンカー10の投入口10aまでベルトコンベア15で運ばれてきた高炉原料が、当該投入口10aから炉頂バンカー10内に順次、投入されるようになっている。
その傾斜板11は、水平方向に対して所定の俯角をもって傾斜しており、その傾斜方向は、上面視で排出口10bから離れた側に位置する炉頂バンカー10の壁面10c側が下になるように傾斜している。図1では、傾斜板11は右側の壁面10c側に傾斜している。傾斜板11の傾斜角θは、水平方向に対する俯角で定義する。
尚、傾斜板11の幅方向両側に上方に立ち上がる立上り部(不図示)を設けて、幅方向両側から高炉原料がこぼれ難くしておいても良い。
頂上判定部13は、炉頂バンカー10内に堆積した高炉原料1の山の頂部Pの高さを検出若しくは推定により判定する装置である。
ここで、図1中、右側に向けて高炉原料を誘導しているので、炉頂バンカー10内に貯留する高炉原料1は、図1中右側に高炉原料1の頂部Pが偏って堆積していく。このため、その右側の高炉原料の堆積状態を検出することで、高炉原料1の山の頂部Pの高さを検出可能である。
傾斜角調整部14は、頂上判定部13が判定した高さと同じ高さの上記炉頂バンカー10の壁面位置、若しくは、その壁面位置と該壁面位置から予め設定した余裕代分だけ上方の位置との範囲に位置する壁面位置に高炉原料が誘導されるように、上記頂上判定部13が判定した高さの変化に応じて、上記傾斜板11の傾斜角θを連続的若しくは断続的に小さくなるように変更する。
ここで、実験若しくは理論から、落下して傾斜板11に当接した高炉原料が傾斜板11に沿って案内され、更に傾斜板11からの自由落下の軌跡を、傾斜角θに関連付けて求める。そして、傾斜角θと傾斜板11で誘導された高炉原料が壁面に当接する平均位置との関係を求めて、テーブルや関係式などの状態で記憶部に記憶しておく。
ここで、原料層の投入量の初期投入量のうちの最初の1/10以上の範囲に投入される高炉原料が、コークスを含まない鉱石原料とする。炉頂バンカー10に最初に投入した領域の高炉原料は、最初期に炉頂バンカーから排出されるため、高炉無次元半径の中心部に装入されることとなる。一方で混合コークスにより鉱石層の反応性を改善する必要があるのは鉱石量の多い、鉱石層中間部である。このようなことから、混合コークスは排出の中期に最も多く混合されることが望ましく、排出初期は混合されるコークスを低減する必要があるからである。そのために、原料排出初期には混合コークスを含まないことが望まれる。このようにすると、炉頂バンカー10の排出口10bを含む初期部分には鉱石原料だけが堆積した層となる。この場合も、一度傾斜板11に当接してから貯留がなされるので、粒径が粗い鉱石が主として排出口10b側に偏析して貯留する。初期投入量の1/2、更には全部がコークスを含まない鉱石原料であっても良い。
傾斜角θが大きすぎる場合には、壁面に材料を誘導出来ないおそれがある。逆に傾斜角θが小さすぎると、傾斜角θの側方からも原材料が所定量以上落下しやすくなると共に、落下速度が稼げずに壁面に材料を誘導出来ないおそれがある。この観点から、傾斜角θを45度から25度の範囲としている。また、山が高くなるほど傾斜角θを小さくするので25度未満となった場合を装入終了としている。
近年、高炉操業に際しては、装入物の炉内粒度分布を適切にして、高炉20内を上昇するガスの炉半径方向での流量分布を調整し、炉内における通気性や高炉原料の還元及び炉体の熱負荷等を所望の状態にしている。具体的には、炉中心部にガスが多く流れるような操業が望ましいとされている。ちなみに、このことを中心流指向あるいは中心流操業という。
そのようなガスの流量分布(以下、単にガス流分布ともいう)は、主に、炉内に形成する鉱石層とコークス層の厚み比や、それらの装入時に調整される炉半径方向での粒度分布で決定される。特に、旋回シュート21を備え、炉頂に炉頂バンカー10を並列に配置したベルレス型装入装置を用いる場合、該炉頂バンカー10内に高炉原料を装入すると、堆積した高炉原料の斜面上で分級し、粒径による偏在が生じる。つまり、炉頂バンカー10内の右側に落下した高炉原料は、落下位置から離れた中心部である排出口10b側に粗粒が移動するので、細粒が落下位置である右壁側に、粗粒が排出口10b側である左側に偏析して堆積することになる。
ここで、炉頂バンカー10から高炉原料を、高炉20への装入する時に、該炉頂バンカー10から、下方に配置した高炉20内の旋回シュート21へ払い出す際、中心側から、すなわちすり鉢状の斜面の下側から高炉原料を積み上げるように堆積させる方が、炉壁側からすり鉢状の斜面の上側から高炉原料をころがすように堆積させるよりも、堆積高炉原料の崩れ等の現象がなく、所望の堆積形状になる。このことを考慮して、本実施形態では、旋回シュート21の先端を炉の中心部から周辺方向に移動傾動させながら旋回させて、高炉原料を装入する(逆傾動装入)ように設定する。
なお、上記では中心流が発達したガス流分布を得る場合の説明であるが、操業者の意向で周辺流を発達させたい場合には、高炉20の周辺から中心に向けて徐々に傾動させつつ旋回させる順傾動装入を行って、周辺側に粗粒を配置するようにしても良い。
ここで、炉頂判定部13が原料層の増加を検知する程度に、つまり炉頂バンカー10内に予め設定した初期投入量以上の高炉原料が貯留してから、傾斜板11の制御を開始しているのは、堆積している高炉原料の頂部Pに向けて材料を誘導するのが、困難であるためである。
これに対し、本実施形態では、それを避けるべく、高炉原料堆積面の頂部Pに応じて傾斜板11の角度を制御し、図1に示すように高炉原料の排出口10b直上の対面(遠い側)の壁面に高炉原料堆積物1の頂部Pを作り、排出口10bに向けて裾野を形成するように制御した。
ここで、高炉原料装入面からの高炉原料装入位置の高さと、混合原料を鉱石と混合する際の混合タイミングが、コークス混合量に大きな影響を与えることをみいだしたため、それぞれを変化させたときの高炉20の操業評価を行った。
ここで、発明例1〜4,比較例2は、高炉原料堆積面(堆積した高炉原料1の上面)の頂部Pに応じて傾斜板11の角度を調整した場合の例であり、比較例1は、傾斜板11の傾斜角度を25度に固定して行った場合である。
このときの、各発明例及び比較例における排出比率と混合比との関係を図4に示す。また、各発明名及び比較例における各混合度の標準偏差を示す。これらから分かるように、発明例では、比較例に比べて、偏析が大幅に抑制されることが分かる。具体的には、発明例3が一番偏析が小さく、比較例4で一番偏析が大きくなっていることが分かる。偏析が抑えられる場合には、排出末期に装入されていたコークスが減少して、混合コークスの装入位置の制御をより正確に出来るようになる。
また、表1にそのときの操業結果を示す。
更に、発明例1〜3と発明例4から分かるように、発明例1〜3のように原料面からの装入高さを1.0m以下に抑えることで、原料面からの装入高さが1.0mよりも大きい場合に比べて、ガス利用率が向上し且つ還元材比が低下することが分かった。ここで発明例4のように、高炉原料装入面からの装入高さを1.0mよりも上昇させると、一部の高炉原料が壁に跳ね返り、炉頂バンカー10内の高炉原料堆積の頂部Pが滑らかになったため混合原料の偏析が抑制され、その結果、高炉原料排出後期に一部のコークスが排出されるようになりコークス混合量が不均一になり、その分、ガス利用率が低下し、また還元材比が上昇したと推定される。
高炉原料装入位置は1m以下に設定するのが望ましいと考えられる。
また、発明例1〜4と比較例2との比較から分かるように、高炉原料堆積面の上昇に従って傾斜板11の傾斜角を変更しても、混合原料の混合タイミングが、「0.0」の場合(比較例2)に比べて、混合原料の混合タイミングを0.1以上に遅らせることで、初期に偏析するコークスが抑制され、無次元半径で0.3〜0.7付近に混合原料をよく混合できたことに起因し、ガス利用率の向上と還元材比の低下が確認できた。
ここで、図6に高炉原料の排出比率と、高炉原料面からの装入高さを1mとしたときの傾斜板11の角度の変化を示す。なお炉頂バンカー10の下部で壁面が斜めになっている部分に高炉原料を装入しつづける間は、傾斜板11を45度で一定とした。
この結果、排出比率が20%までは制御板の角度を45度で一定とし、その後排出比率が100%なるにつれて、25度まで単調減少した。これらから傾斜板11の角度制御は、高炉原料装入比率が20%以降の領域において45度から25度まで単調減少させることが望ましい。
10 炉頂バンカー
10a 投入口
10b 排出口
10c 壁面
11 傾斜板
12 駆動部
13 頂上判定部
14 傾斜角調整部
15 ベルトコンベア
16 鉱石原料
17 コークス
20 高炉
21 旋回シュート
P 頂部
θ 傾斜角
Claims (4)
- 高炉に装入するための炉頂バンカーに投入された高炉原料を、当該炉頂バンカー内に偏析させて貯留させるための高炉への原料装入装置であって、
上記炉頂バンカー内に配置され、上記炉頂バンカーに投入された高炉原料を受けて上記炉頂バンカー内の壁面に向けて誘導する傾斜した傾斜板と、
上記炉頂バンカー内に貯留している高炉原料の山の頂部の高さを検出若しくは推定により判定する頂上判定部と、
上記炉頂バンカー内に予め設定した初期投入量以上に高炉原料が貯留すると、上記頂上判定部が判定した高さと同じ高さの上記炉頂バンカーの壁面位置、若しくはその壁面位置と該壁面位置から予め設定した余裕代分だけ上方の位置との範囲に位置する壁面位置に向けて高炉原料が誘導されるように、上記頂上判定部が判定した高さに応じて、上記傾斜板の傾斜角を変更する傾斜角調整部と、
を備え、
上記初期投入量のうち、当該初期投入量の少なくとも1/10の範囲の量の最初に投入される高炉原料は、コークスを含まない鉱石原料であり、上記初期投入量は重量で規定されることを特徴とする高炉への原料装入装置。 - 上記余裕代は1mであることを特徴とする請求項1に記載した高炉への原料装入装置。
- 上記傾斜角調整部で傾斜角の調整が行われる状態では、上記炉頂バンカーに投入される高炉原料は、鉱石原料とコークスの混合原料であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載した高炉への原料装入装置。
- 上記傾斜板の傾斜角は、水平方向に対する俯角の初期角度を45度とし、その傾斜角が25度未満になったと判定すると、上記炉頂バンカーへの高炉原料の投入を終了することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載した高炉への原料装入装置。
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