JP6260490B2

JP6260490B2 - 鉄鋼原料の混合機の運転方法

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Publication number: JP6260490B2
Application number: JP2014160997A
Authority: JP
Inventors: 典子小澤; 勇介土肥; 道雄本間; 宏治平子
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: JP2016036768A

Description

本発明は、鉄鋼原料（例えば、鉄鉱石や石炭）の予備処理に利用する混合機の運転方法に関する。

一般に、鉄鋼原料（製鉄原料）である鉄鉱石や石炭は、溶銑を製造する高炉に装入される前に予備処理が行われる。鉄鉱石のうち塊鉱石はそのまま高炉に装入されるが、その他の粉鉱石は焼結機で焼結して焼結鉱として高炉に装入される。また、石炭はコークス炉で乾留してコークスにして高炉に装入される。

その際に、鉄鉱石も石炭も通常は複数の銘柄を配合して使用されるため、混合機にて混合される。それによる混合度の向上により、粉鉱石を焼結したり、石炭を乾留したりする際の反応が均一に進み、品質の安定化と高強度化が期待できる。

混合機はさまざまあるが、鉄鋼原料は大量に処理する必要があることから、円筒状の容器を横向きに寝かして（円筒状の容器の軸心が水平方向もしくは水平に近い方向に向くようにして）、その円筒状横型容器の上流端部側に原料供給口を設け、下流端部側に原料排出口を設けた連続式の横型混合機が良く用いられる。

更に、この連続式横型混合機は、円筒状横型容器が回転するタイプと、円筒状横型容器は固定で内部に配置された羽根、リボン、スクリュー、パドルなどが回転するタイプに分類される。

そして、円筒状横型容器が固定のタイプでは、円筒状横型容器の軸心に配置された回転軸を中心として回転する複数の送り羽根と、円筒状横型容器の軸心以外の個所に配置された回転軸を中心として回転する攪拌翼とを有するタイプがよく知られている。

いずれのタイプの混合機においても、円筒状横型容器の体積に対する円筒状横型容器内に滞留する原料の体積の占有割合（占積率）が、効率的に混合するための重要な指標のひとつとなる。占積率が低すぎると円筒状横型容器内に原料が滞留する時間が短くなり、混合が十分進行しないまま排出されてしまう。一方、占積率が高すぎると原料が塊で共回りするので、混合が進行しない。

特許文献１には、円筒状横型容器は固定で内部の羽根が回転するタイプの焼結原料造粒機（混合機の機能を備えている）において、容器内径を１５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、容器の内面と回転する羽根との隙間を２ｍｍ以上１５ｍｍ以下、及び羽根の厚みを３ｍｍ以上３０ｍｍ以下の場合に、焼結原料の積み付け高さ５０ｍｍ以上、かつ占積率３０％以下の範囲内にすることが提案されている。占積率は１０〜２０％が最も良く、５〜２５％でも良いとされる。

特許文献２には、横型ニーダやパドルミキサ等の横長型の混練装置（混合機）において、バインダーの添加割合を一定にする方法が開示されており、その際の占積率は装置の仕様等に応じて予め実験などにより定めれば良いとされていて、８０〜９０％の占積率が適正な占積率とされている。

特開２００９−２４２９３９号公報特開２０１１−１３６２５６号公報

特許文献１や特許文献２のように、適正な占積率は混合機の仕様により大きく変化し、これまでは、混合機の占積率を種々変更した条件で実験することにより、その混合機の適正な占積率を決定していた。

しかしながら、上記のように、種々の条件の実験によって適正な占積率を決定するのは、小型の混合機の場合には実施が容易であるが、大型の混合機の場合にはその実験自体に多大な労力を要する。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、鉄鉱石や石炭等の鉄鋼原料を混合する混合機を運転するに際して、当該混合機が効率的に混合することができる適正な占積率を、種々の条件の実験を行うことなく、容易に決定することができる鉄鋼原料の混合機の運転方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］固定された筒状の横型容器と、該筒状横型容器の軸心に配置された回転軸を中心として回転するひとつ以上の送り羽根と、前記筒状横型容器の軸心以外の位置に配置された回転軸を中心として回転するひとつ以上の攪拌翼と、前記筒状横型容器の上流端部側に設置された原料供給部と、前記筒状横型容器の下流端部側に設置された原料排出部とを有する混合機を運転して、鉄鋼原料を連続的に混合するに際して、
前記筒状横型容器の縦断面の面積Ｗに対する前記攪拌翼の最高到達高さ位置より下方に位置する前記縦断面の面積ｗの比ｗ／Ｗに基づいて、前記筒状横型容器の体積に対する当該筒状横型容器内に滞留する鉄鋼原料の体積の比率である占積率Ｓ（％）を決定して、当該混合機を運転することを特徴とする鉄鋼原料の混合機の運転方法。

［２］式（１）を満たすように占積率Ｓ（％）を決定して、当該混合機を運転することを特徴とする前記［１］に記載の鉄鋼原料の混合機の運転方法。
１６０ｗ／Ｗ≦Ｓ≦２２０ｗ／Ｗ・・・（１）

［３］前記筒状の横型容器は円筒状の横型容器であり、前記円筒状横型容器の半径をＲ（ｍ）、前記円筒状横型容器の最底部から前記攪拌翼の最高到達高さ位置までの高さをｈ（ｍ）、前記円筒状横型容器の円に正対した面から見て、前記高さｈにおける水平線と前記円とが交差する２点と前記円の中心とによりできる扇形の角度を２θ（ｒａｄ）とすると、式（２）を満たすように占積率Ｓ（％）を決定して、当該混合機を運転することを特徴とする前記［２］に記載の鉄鋼原料の混合機の運転方法。

本発明においては、鉄鉱石や石炭等の鉄鋼原料を混合する混合機を運転するに際して、当該混合機が効率的に混合することができる適正な占積率を、種々の条件の実験を行うことなく、当該混合機の仕様に基づいて容易に決定することができる。

本発明の一実施形態において用いる混合機を示す縦断面図である。図１におけるＡ−Ａ矢視図（混合機の円筒状横型容器の円に正対した面から見た図）である。図２における寸法線を書き換えた図である。面積比ｗ/Ｗと占積率Ｓの関係を示す図である。本発明の実施例における占積率Ｓと混合度の関係を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態において用いる混合機を示す縦断面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ矢視図（混合機の円筒状横型容器の円に正対した面から見た図）である。

図１、図２に示すように、この実施形態において用いる混合機１０は、固定された円筒状の横型容器１１と、円筒状横型容器１１の軸心１２に配置された回転軸１３を中心として回転するひとつ以上の送り羽根１４と、円筒状横型容器１１の内壁面に配置された回転軸１５を中心として回転するひとつ以上の攪拌翼１６と、円筒状横型容器１１の上流端部側に設置された原料供給部１８と、円筒状横型容器１１の下流端部側に設置された原料排出部１９とを有している。

なお、図１において、ｌ（ｍ）は円筒状横型容器１１の長さである。また、図２において、Ｒ（ｍ）は円筒状横型容器１１の内面の円の半径、ｒ（ｍ）は攪拌翼１６の半径、ｄ（ｍ）は攪拌翼１６の回転軸１５の長さ、α（ｒａｄ）は攪拌翼１６の回転軸１５の鉛直方向に対する取り付け角度（図２の平面上に投影）、β（ｒａｄ）は攪拌翼１６の回転軸１５と円筒状横型容器１１の軸心１２と攪拌翼１６の最上端とを結ぶ角度（図２の平面上に投影）としている。ちにみに、図２では、送り羽根１４等は省略している。

そして、この混合機１０を用いて鉄鋼原料を連続的に混合する際に、円筒状横型容器１１の体積（内容積）Ｖ（ｍ^３）に対する円筒状横型容器１１内に滞留する鉄鋼原料の体積ｖ（ｍ^３）の比率ｖ／Ｖ×１００で表される占積率Ｓ（％）の適正な値を、この混合機１０の仕様に基づいて決定できないか検討した。

円筒状横型容器１１、送り羽根１４、攪拌翼１６の各寸法を変更し、実験を繰り返した結果、混合機１０が効率的に混合することができる適正な占積率Ｓ（％）は、図２の寸法線を変更した図３に示すような、円筒状横型容器１１の円の面積Ｗ（ｍ^２）に対する攪拌翼１６の最高到達高さ位置より下方に位置する円の弓形部分の面積ｗ（ｍ^２）の比ｗ／Ｗに依存することを見出した。言い換えれば、混合機１０の仕様から定まる面積比ｗ／Ｗに基づいて占積率Ｓ（％）を決定すればよいことが分かった。

具体的には、仕様の異なる複数の混合機において、占積率Ｓ（％）を変更した実験を行い、混合度が良好だった条件と不良だった条件を判別した。

なお、混合度の良好・不良の判別については、よく知られた統計的手法を用いて算出した。ある混合機１０において占積率Ｓ（％）を変更して実験を繰り返し、得られた混合度の最大値の９５％以内であれば混合度が良好だったと判断し、最大値の９５％未満であれば混合度が不良だったと判別した。その詳細については、後述する実施例１の欄において述べる。

混合度が良好か不良かを判別した結果を面積比ｗ／Ｗと占積率Ｓ（％）で整理すると、図４のようになった。すなわち、混合機１０の適正な占積率Ｓ（％）を、式（１）を満たす範囲とすればよいことが分かった。
１６０ｗ／Ｗ≦Ｓ≦２２０ｗ／Ｗ・・・（１）

そして、図２の寸法線を変更した図３に示すように、攪拌翼１６最上端と円筒状横型容器１１の軸心１２を結ぶ距離（図３の平面上に投影）をＬ（ｍ）、攪拌翼１６の最上端と円筒状横型容器１１の軸心１２の高さ位置との距離（図３の平面上に投影）をｘ（ｍ）、円筒状横型容器１１の最底部から攪拌翼１６の最高到達高さ位置までの高さをｈ（ｍ）、高さｈにおける水平線と円筒状横型容器１１の円とが交差する２点と円の中心（軸心）１２とによりできる扇形の中心角の角度を２θ（ｒａｄ）とすると、式（１）は幾何学的関係から式（２）のように変換される。

すなわち、図２に示した角度βは式（３）により求められる。また、図３に示した距離Ｌ（ｍ）、距離ｘ（ｍ）、高さｈ（ｍ）、角度θ（ｒａｄ）は、それぞれ式（４）、式（５）、式（６）、式（７）により計算できるので、円筒状横型容器１１の円の面積Ｗ（ｍ^２）は式（８）で算出され、攪拌翼１５の最高到達高さ位置より下方に位置する円の弓形部分の面積ｗ（ｍ^２）は式（９）で算出される。

β＝ａｔａｎ（ｒ／（Ｒ−ｄ））・・・（３）
Ｌ＝（ｒ^２＋（Ｒ−ｄ）^２）^１／２・・・（４）
ｘ＝Ｌｓｉｎ（π／４−α−β）・・・（５）
ｈ＝Ｒ−ｘ・・・（６）
θ＝ａｃｏｓ（（Ｒ−ｈ）／Ｒ）・・・（７）
Ｗ＝πＲ^２・・・（８）
ｗ＝Ｒ^２θ−Ｒ（Ｒ−ｈ）ｓｉｎθ ・・・（９）

そして、式（８）のＷと式（９）のｗを式（１）に代入すると、上記の式（２）が得られる。

言い換えれば、混合機１０が効率的に混合することができる適正な占積率Ｓ（％）は、円筒状横型容器１１の円の半径Ｒ（ｍ）、円筒状横型容器１１の最底部から攪拌翼１６の最高到達高さ位置までの高さｈ（ｍ）、高さｈにおける水平線と円筒状横型容器１１の円とが交差する２点と円の中心１２とによりできる扇形の中心角の角度２θ（ｒａｄ）の３つのパラメータに依存していることが分かる。

このようにして、この実施形態においては、鉄鉱石や石炭等の鉄鋼原料を混合する混合機１０を運転するに際して、混合機１０が効率的に混合することができる適正な占積率を、種々の条件の実験を行うことなく、混合機１０の仕様に基づいて容易に決定することができる。

なお、この実施形態においては、横型容器が円筒状の横型容器１１（すなわち、縦断面（軸心１２と直交する断面）が円形の筒状横型容器）であったが、横型容器は必ずしも円筒状の横型容器である必要はなく、縦断面が楕円形や多角形の筒状横型容器であってもよい。筒状横型容器の縦断面の面積Ｗ（ｍ^２）に対する攪拌翼１６の最高到達高さ位置ｈより下方に位置する縦断面の面積ｗ（ｍ^２）の比ｗ／Ｗを式（１）に適用すればよい。

また、この実施形態においては、図１、図２に示したように、複数設置された同種類の攪拌翼１６が、円筒状横型容器１１の円に正対した面から見た場合に同じ位置に設置されているが、複数設置された攪拌翼１６の形状や寸法がそれぞれ異なる場合や、複数設置された攪拌翼１６が、円筒状横型容器１１の円に正対した面から見た場合に、それぞれ異なる位置に設置されている場合であってもよい。その場合には、各攪拌翼１６毎に面積比ｗ／Ｗを求めて、それらｗ／Ｗの平均値を用いればよい。

本発明の効果を確認するために、図１〜図３に示した混合機を用いて、石炭の混合試験を行い、その混合度を評価した。

その際に、混合機として、仕様が異なる２種類の混合機（混合機Ａ、混合機Ｂ）を用いた。混合機Ａと混合機Ｂの仕様は表１に示している。

また、表１の仕様を用いて、図２、図３に示した距離、角度の各値を求めた計算値を表２に示している。表２には、式（１）により算出した占積率Ｓも合わせて示している。

なお、混合度については、よく知られた統計的手法を用いて算出・評価した。

すなわち、混合物からＮ個のサンプルを採取し、そのトレーサ濃度をｘ_ｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）とする。初期仕込み濃度ｘ_ｃとすると、サンプルの分散σ^２は式（１０）となる。

完全分離状態のサンプル分散σ_０ ^２は式（１１）で表される。
σ_０ ^２＝ｘ_ｃ（１−ｘ_ｃ）・・・（１１）

σ_０ ^２を用いてσ^２を規格化したＭは式（１２）となる。
Ｍ＝１−（σ^２／σ_０ ^２）・・・（１２）

このＭは、完全分離状態のとき０を取り、完全混合状態のとき１を取り、規格化された混合度を表す。

ここでは、混合機１０の原料供給部１８で鉄鋼原料に対してトレーサを１ｍａｓｓ％添加し（ｘ_ｃ＝０．０１）、原料排出部１９からサンプルを１０個（Ｎ＝１０）採取して、トレーサの濃度ｘｉを分析した。そして、上記の式（１０）〜式（１２）を用いて混合度Ｍを求めた。

図５は、混合機Ａと混合機Ｂのそれぞれについて、占積率Ｓを変更した場合の混合度Ｍを示すものである。

図５に示すように、表２に示した式（１）により算出した適正な占積率と比較すると、混合機の仕様を変えても、式（１）から算出した適正な占積率の範囲で、実際に混合度が良好になることがわかる。

これにより、本発明の有効性が確認された。

１０混合機
１１円筒状横型容器
１２軸心
１３回転軸
１４送り羽根
１５回転軸
１６攪拌翼
１８原料供給部
１９原料排出部

Claims

固定された筒状の横型容器と、該筒状横型容器の軸心に配置された回転軸を中心として回転するひとつ以上の送り羽根と、前記筒状横型容器の軸心以外の位置に配置された回転軸を中心として回転するひとつ以上の攪拌翼と、前記筒状横型容器の上流端部側に設置された原料供給部と、前記筒状横型容器の下流端部側に設置された原料排出部とを有する混合機を運転して、鉄鋼原料を連続的に混合するに際して、
前記筒状横型容器の縦断面の面積Ｗに対する前記攪拌翼の最高到達高さ位置より下方に位置する前記縦断面の面積ｗの比ｗ／Ｗと、前記筒状横型容器の体積に対する当該筒状横型容器内に滞留する鉄鋼原料の体積の比率である占積率Ｓ（％）に対して、予め、目標とする混合度に混合できる比ｗ／Ｗと占積率Ｓ（％）との関係式を求めておき、前記鉄鋼原料の混合に用いる前記筒状横型容器の前記比ｗ／Ｗを測定し、前記関係式と測定された比ｗ／Ｗとを用いて占積率Ｓ（％）の範囲を決定し、決定した占積率Ｓ（％）を満たすように当該混合機を運転することを特徴とする鉄鋼原料の混合機の運転方法。
式（１）を満たすように占積率Ｓ（％）を決定して、決定した占積率Ｓ（％）を満たすように当該混合機を運転することを特徴とする請求項１に記載の鉄鋼原料の混合機の運転方法。
１６０ｗ／Ｗ≦Ｓ≦２２０ｗ／Ｗ・・・（１）
前記筒状の横型容器は円筒状の横型容器であり、前記攪拌翼は前記円筒状横型容器の前記回転軸を通る水平面より下方に設けられ、前記円筒状横型容器の半径をＲ（ｍ）、前記円筒状横型容器の最底部から前記攪拌翼の最高到達高さ位置までの高さをｈ（ｍ）、前記円筒状横型容器の円に正対した面から見て、前記高さｈにおける水平線と前記円とが交差する２点と前記円の中心とによりできる扇形の中心角の角度を２θ（ｒａｄ）とすると、式（２）を満たすように占積率Ｓ（％）を決定して、決定した占積率Ｓ（％）を満たすように当該混合機を運転することを特徴とする請求項２に記載の鉄鋼原料の混合機の運転方法。