JP6458919B1

JP6458919B1 - 焼結鉱の製造方法

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Publication number: JP6458919B1
Application number: JP2018548943A
Authority: JP
Inventors: 将人黒岩; 俊輔野中; 透理堀川; 峻典大浦; 神野　哲也; 哲也神野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: KR102316010B1; CN110546285B; TWI670458B; CN110546285A; EP3617334A4; EP3617334A1; US10995388B2; TW201842295A; WO2018198980A1; EP3617334B1; KR20190136043A; JPWO2018198980A1; US20200040427A1

Abstract

焼結機における焼けむらを抑制し、強度が高く、塊歩留まりの高い焼結鉱を製造する。粉鉱石と炭材とを含む焼結原料を循環移動するパレット上に装入して原料層を形成し、前記原料層表面の炭材に点火すると共に、前記原料層上方の空気を前記パレットの下方へ吸引して前記原料層内に導入し、前記原料層内において前記炭材を燃焼させて焼結鉱を製造する焼結鉱の製造方法であって、燃料ガスを４０Ｎｍ／ｓ以上の流速でノズルから吐出し、吐出された前記燃料ガスを燃焼させることにより燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスを用いて前記炭材に点火する、焼結鉱の製造方法。

Description

本発明は、焼結鉱の製造方法に関し、特に、高強度の高炉原料用焼結鉱を製造することができる焼結鉱の製造方法に関する。

焼結鉱（sintered ore）の製造には、下方吸引式のドワイトロイド焼結機（downward suction-type Dwight Lloyd sintering machine）が広く用いられている。下方吸引式のドワイトロイド焼結機では、粉鉱石（fine ore）を含む原料と粉コークス（coke breeze）等の燃料となる炭材とを混合してパレット上に装入し、原料層が形成される。その後、原料層の上方に設置された点火炉を用いて原料層表面の粉コークスに点火するとともに、前記パレットの下方に配設されたウインドボックスの負圧によって原料層上方の空気を下方へ吸引する。その結果、原料層内では粉コークスの燃焼が漸次層内下方へ移行して原料の焼結化が進行し、焼結ケーキが生成される。得られた焼結ケーキは、好ましい粒度の塊に解砕、粒度調整した後、高炉に装入され、焼結鉱は高炉内で還元されて銑鉄となる。

上記焼結機の点火炉に用いるバーナとしては、一般的に、燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合し、スリット状のノズルから吹き出して燃焼させるスリットバーナや、燃料ガスと燃焼用空気の多数のノズルを点火炉の幅方向（原料層の移動方向に対して交わる方向）に配置したラインバーナが用いられている。また近年では、特許文献１に記載されているような構造のバーナも提案されている。

特開２０１３−１９４９９１号公報

高炉の操業においては、高い強度の焼結鉱を用いることが重要である。強度の低い焼結鉱を高炉に装入すると、焼結鉱から発生した粉が高炉の通気を阻害するため、高炉に装入する焼結鉱は強度が高いことが求められる。また、強度が高い焼結鉱は、解砕、篩分け、ハンドリングの過程で粉化しにくく、高炉に装入する塊状の焼結鉱の歩留まりが高くなる点でも好ましい。そのため、より強度が高い焼結鉱を製造する方法の開発が求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高強度の高炉原料用焼結鉱を製造することができる焼結鉱の製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、強度の高い焼結鉱を製造するためには、原料層内での焼成むらを少なくすることが必要であると考えた。焼成むらがあると、焼成不十分となった部分の焼結鉱は強度が不十分となり、粉が発生しやすくなるためである。そして、原料層内における焼成むらを減らすためには、まず、原料層の上層に均一に点火することが重要であると考え、均一に点火する方法を鋭意検討した。

その結果、点火炉において、原料層に点火するために燃焼するガスの流速を従来よりも高め、高速の火炎で原料層に点火することで原料層の焼成むらが低減し、塊歩留まりが高く強度の高い焼結鉱を製造可能であることを見出した。

しかし、検討の結果、従来の点火炉で用いられているバーナでは、燃料ガスの吐出流速を十分に高くすることができず、焼成むらの低減に限界があることが分かった。

例えば、図１０は、従来の点火炉で用いられている予混合燃焼バーナの一例を示す模式図である。予混合燃焼バーナ１００では、可燃性の燃料ガス１０１と空気１０２とが予混合燃焼バーナ１００の内部で予め混合されて混合ガスとされ、前記混合ガスは予混合燃焼バーナ１００から吐出されて燃焼することによって火炎１０３が形成される。

しかし、吐出速度を高めるために単純に燃料ガスや空気の流速を上げると火炎が不安定となる。そして、さらに流速を上げると、燃焼速度とガス流速との釣り合いが破れ、火炎が下流へ吹き飛ばされて消える、いわゆる吹き消えが生じてしまう。そのため、従来のバーナでは吐出速度を大きく増加させることができなかった。

また、特許文献１では、火炎を安定させて吹き消えを抑制する方法として、主バーナと、前記主バーナにおける燃焼を助勢する袖火バーナとを備えたバーナを用いる方法が提案されている。しかし、特許文献１には、吹き消えを抑制することにより着火性を上げ、燃料原単位を下げることができることが開示されているものの、ガス流速の増加によって焼結鉱の強度を向上させることは検討されておらず、ガス流速の増加にも限界があった。

本発明は前記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は、次のとおりである。

１．粉鉱石と炭材とを含む焼結原料を循環移動するパレット上に装入して原料層を形成し、前記原料層表面の炭材に点火すると共に、前記原料層上方の空気を前記パレットの下方へ吸引して前記原料層内に導入し、前記原料層内において前記炭材を燃焼させて焼結鉱を製造する焼結鉱の製造方法であって、
燃料ガスを４０Ｎｍ／ｓ以上の流速でノズルから吐出し、
吐出された前記燃料ガスを燃焼させることにより燃焼ガスを生成し、
前記燃焼ガスを用いて前記炭材に点火する、焼結鉱の製造方法。

２．前記燃焼ガスの生成は、
前記燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと燃焼用空気を吐出する空気ノズルとを備える主バーナ部と、前記主バーナ部よりも外側に位置し、前記主バーナ部から吐出される燃料ガスを燃焼させるための袖火バーナ部とを備えるバーナを用いて行われる、上記１に記載の焼結鉱の製造方法。

本発明によれば、高い吐出速度の燃焼ガスによって焼結層に着火することにより、焼結鉱の焼けむらを低減し、強度が高く、塊歩留まりの高い焼結鉱を製造することができる。

本発明の一実施形態におけるバーナの構造を示す模式図である。本発明の一実施形態における主バーナ部の構造を示す模式図である。本発明の一実施形態における袖火バーナ部の構造を示す模式図である。本発明の他の実施形態における袖火バーナ部の構造を示す模式図である。実施例および比較例の各バーナにおける吐出速度を示す図である。点火炉における燃料ガスの流速と焼結鉱の粉率を示す図である。点火炉における点火後の原料層表面の状況を示す写真である。各バーナにおける加熱力を示す図である。バーナ１とバーナ３における温度分布の測定例を示す図である。従来の点火炉で用いられている予混合燃焼バーナの一例を示す模式図である。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施態様を示すものであり、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。

本発明の一実施形態における焼結鉱の製造方法においては、粉鉱石と炭材とを含む焼結原料を循環移動するパレット上に装入して原料層を形成し、前記原料層表面の炭材に点火すると共に、前記原料層上方の空気を前記パレットの下に配設されたウインドボックスで吸引して前記原料層内に導入し、前記原料層内において前記炭材を燃焼させて焼結鉱が製造される。

前記製造方法は、特に限定されることなく、パレット、点火手段（点火炉）、および原料層上方の空気を吸引する機構を備えた焼結機であれば任意の焼結機を用いて実施することができる。すなわち、一般的な下方吸引式のドワイトロイド式焼結機を用いることができる。また、点火炉の下流側に気体燃料供給装置を設置し、原料層の上方へ気体燃料を供給してもよい。

本発明においては、前記燃料ガスを４０Ｎｍ／ｓ以上の流速でノズルから吐出し、吐出された前記燃料ガスに着火することにより燃焼ガスを生成し、前記燃焼ガスを用いて前記炭材に点火する。火炎から被加熱物表面への伝熱量Ｑは熱伝達係数αに比例し、前記熱伝達係数αは火炎の速度Ｖ₀が大きいほど大きくなる。そこで、本発明では、４０Ｎｍ／ｓ以上という高速で燃料ガスを吐出し、前記燃料ガスに着火することで高速の燃焼ガス（火炎）を生成する。この高速の燃焼ガスを被加熱物である原料層の表面に衝突させることによって、極めて高い効率で熱を原料層に与えることができる。本発明によれば、原料層表面をむらなく加熱し、原料層に含まれる炭材を均一に点火することができるため、強度が高く、塊歩留まりの高い焼結鉱を製造することができる。

前記炭材への点火は、上記条件を満たす流速で燃料ガスを吐出し、該燃料ガスに着火して燃焼ガスを生成できる装置であれば任意の装置を用いて行うことができる。

本発明の一実施形態においては、前記燃焼ガスの生成に、燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと燃焼用空気を吐出する空気ノズルとを備える主バーナ部と、前記主バーナ部よりも外側に位置し、前記主バーナ部から吐出される燃料ガスを燃焼させるための袖火バーナ部とを備えるバーナを用いることができる。以下、前記バーナを用いる場合について説明する。

前記主バーナ部は、燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと燃焼用空気を吐出する空気ノズルとを備えており、前記主バーナ部から吐出された燃料ガスと空気とが燃焼することにより、被加熱物を加熱するための燃焼ガスを形成する。また、前記袖火バーナ部は、前記主バーナ部から吐出される燃料ガスに着火するための機能を有するものである。

ここで、前記袖火バーナ部が、前記主バーナ部よりもバーナの外側に位置することが重要である。このような位置関係とすることにより、他の位置関係とした場合と比べて高い吐出速度においても安定して火炎を保持することができる。

なお、上記位置関係とすることによって高い吐出速度においても火炎を安定に保持できるのは、以下のような理由からであると推測される。すなわち、特許文献１で提案されているように、燃料ガスと燃焼用空気が袖火バーナを挟むように配置され、燃料ガスの吐出方向と燃焼用空気の吐出方向が衝突するように配置されている場合、渦流が発生し、流れの乱れによる運動エネルギー損失が大きくなるため高い流速を維持することができない。これに対して、本発明の技術では、前記袖火バーナ部が前記主バーナ部よりもバーナの外側に位置することで、主流の燃料ガスと燃焼用空気の流れの乱れを抑制し、高い流速を維持することが可能である。さらに、主バーナ部から吐出される燃料ガスと燃焼用空気の吐出方向を平行にすることで、流れの乱れをより抑制でき、高い流速を維持できる。

また、燃料ガスノズルが中央部にあり、その外側に袖火バーナ、さらにその外側に燃焼用空気ノズルが配置されている場合、燃料ガスは両側の袖火に向けて吐出させる必要があり、燃料ガスノズルが両側に必要となる。それにより、ノズル個数が増加するため吐出速度を上昇させようとすると個々のノズルの径が小さくなるため、吐出後のガス速度の減衰が大きくなり、吐出後の高い流速の維持ができない。これに対して、本発明の技術では、燃料ガスを両側に分割する必要がないため、高い流速を維持できる。

［燃料ガス］
上記燃料ガスとしては特に限定されることなく、可燃性ガスであれば任意のものを用いることができる。例えば、一般には天然ガスやＬＰＧが使用可能であり、製鉄所で副生するプロセスガスを前記燃料ガスとして用いることもできる。前記プロセスガスとしては、特にコークス炉ガスと高炉ガスを混合したＭガスを用いることが好ましい。

次に、図面に基づいてさらに具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施形態におけるバーナ１の模式図であり、バーナ１の断面における構造を示している。バーナ１は、バーナ本体１０と、バーナ本体１０に設けられた主バーナ部２０および袖火バーナ部３０とを備えている。前記バーナ１の先端（火炎が形成される側）には、凹部４０が設けられており、凹部４０は、底部４１と、底部４１からバーナ１の先端に向かって漸次拡幅するテーパー部４２とを有している。

図２は、本発明の一実施形態における主バーナ部２０の構造を示す模式図である。主バーナ部２０は、燃料ガスを吐出する燃料ガスノズル２１と、燃焼用空気を吐出する空気ノズル２２とを備えている。空気ノズル２２は、燃料ガスノズル２１を挟むように左右対称に２つ設けられている。

なお、図２に示した例では１つのバーナの断面を示しているが、複数のバーナを紙面垂直方向に配列してラインバーナとすることが好ましい。この時、燃料ガスノズル、燃焼用空気ノズル、袖火の燃料ガス吐出口は必ずしも同一断面上になくてもよい。ラインバーナに配置するバーナは、ラインバーナの長さ１ｍあたり、２０個以上の燃料ガスノズルをなるべく均等な間隔で設置することが望ましい。ラインバーナの単位長さあたりに設置する燃料ガスノズルの数が増えるほど、均一な加熱がしやすくなるが、数が多すぎると１個のノズル径が小さくなりすぎるため、ラインバーナ１ｍあたり２０〜１５０個の燃料ガスノズルを設置することが好ましく、ラインバーナ１ｍあたり３０〜６０個とすることがより好ましい。また、ラインバーナの燃料ガス吐出口の位置は、原料層上面の、原料層表面から上方向に３００〜９００ｍｍの位置に設置することが好ましい。

燃料ガスは矢印Ｇで示したように供給され、燃料ガスノズル２１から吐出される。また、燃焼用空気は矢印Ａで示したように供給され、空気ノズル２２から吐出される。燃料ガスは、吐出された時点では着火していないが、図１で示すように袖火バーナ部３０によって形成される袖火５０によって点火され、火炎６０を形成する。一般に火炎とは、燃焼反応が起こり、光と熱を発生している部分であり、本発明における燃焼ガスには、火炎および燃焼して生成したガスの両者を含むものとする。炭材を含む原料層への点火は、火炎の熱によっても、燃焼によって生成した火炎を伴わない高温のガスによっても行うことができる。

燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２の形状は特に限定されず、任意の形状とすることができる。しかし、図２に示すようにノズル先端部のコーン状の構造を有しない直管構造とすることが好ましい。直管構造のノズルを用いることにより、旋回流を形成するノズルなどを用いた場合に比べ、ガスの渦流等によるエネルギーロスが少なくなり、吐出後のガス速度の減衰による速度低下が小さくなるため、吐出速度をさらに向上させ、被加熱面での熱伝達係数を大きくでき加熱効率を向上させることができる。

燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２の径は、バーナの加熱効率を上げるため、常用使用流量域でのノズル吐出流速が５０〜８０Ｎｍ／ｓとなるように決めることが望ましい。また、最大燃焼時のガス流速は１５０Ｎｍ／ｓ以下が望ましい。以下、燃料ガスノズルおよび空気ノズルの径を、単に「ノズル径」という。

また、前記ノズル径が３ｍｍ以上であれば、ノズルから吐出された後の速度減衰をさらに抑制することができる。そのため、前記ノズル径は３ｍｍ以上とすることが好ましく、５ｍｍ以上とすることがより好ましい。一方、前記ノズル径が３０ｍｍ以下であれば、高速でガスを吐出することによる燃料ガスの流量増加を抑制し、バーナへの熱負荷を低減できる。そのため、前記ノズル径は３０ｍｍ以下とすることが好ましい。

燃料ガスノズルと空気ノズルの間隔（ノズルピッチ）Ｌ₁は、燃料ガスノズル２１の径をｄ_NG、および空気ノズル２２の径をｄ_NAとするとき、２ｄ_NG≦Ｌ₁≦１５ｄ_NAを満たすことが好ましい。また、バーナを配列してラインバーナとする場合、各バーナの燃料ガスノズルの間隔（ノズルピッチ）Ｌ₂は、２ｄ_NG≦Ｌ₂≦１５ｄ_NAを満たすことが好ましい。それにより燃焼安定性を確保しガス速度の減衰を防止できる。

主バーナ部２０には、燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２それぞれの上流側に均圧室２３が設けられており、均圧室２３のノズルと反対側（上流側）には燃料ガスまたは空気が通るための孔が設けたれた有孔板２４が設置されている。このように均圧室２３を設ければガスをより均一に吐出できるため、火炎をさらに安定化し、吐出速度をさらに上げることが可能となる。なお、燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２のいずれか一方の上流側にのみ均圧室２３を設けることもできるが、図２に示したように両方に設けることが好ましい。

図３は、本発明の一実施形態における袖火バーナ部３０の構造を示す模式図である。この例において袖火バーナ部３０は、面燃焼バーナで構成されている。面燃焼バーナの先端には多孔質板３１が設けられており、多孔質板３１に、袖火用の燃料ガスと空気が、それぞれ矢印Ｇおよび矢印Ａで示すように供給される。本バーナでは、主バーナ部２０から燃料ガスと空気が高速で吐出されるため、その気流にともなう随伴流がバーナ１の先端付近、特に凹部４０の内部に形成される。例えば、主バーナ部から吐出されるガスの流速が５０ｍ／ｓの場合、随伴流の流速も２０〜３０ｍ／ｓと高速となるため、袖火バーナ部３０によって形成される袖火５０が不安定となるおそれがある。しかし、面燃焼バーナでは着火ポイントが多孔質板の表面または内部に存在するため、随伴流の影響を受けることなく安定して袖火を保持することができる。

多孔質板３１としては、特に限定されることなく任意の多孔体からなる板状部材を用いることができる。前記多孔体は、例えば、金属、合金、セラミックなどの材料で構成することができる。多孔質板３１としては、例えば、金属メッシュ（金属繊維を積層した物）を用いることができる。前記多孔質板３１の表面は、テーパー部４２の表面と同一面上に配置することが好ましい。

図１に示したように、主バーナ部２０から吐出される燃料ガスと空気は、袖火５０によって着火される。したがって、確実に着火するという観点からは、主バーナ部２０と袖火バーナ部３０とが、主バーナ部２０の吐出軸（吐出方向）と袖火バーナ部３０の吐出軸（吐出方向）とがその延長線上で交差するように配置されていることが好ましい。より具体的には、凹部４０を構成する底部４１とテーパー部４２のなす角度θを２０°以上とすることが好ましい。前記θが２０°未満であると、袖火バーナ部の火炎が主バーナ部から吐出されるガス流に届きにくくなるため、失火が発生しやすくなる。前記θは、３０°以上とすることがより好ましい。一方、前記θの上限は特に限定されないが、通常は８０°以下とすることが好ましく、６０°以下とすることがより好ましい。

主バーナ部と袖火バーナ部の距離は、袖火バーナ部の火炎（袖火５０）が主バーナ部からの吐出流に届くように決定する。袖火バーナ部の火炎有効長さをＦとするとき、袖火バーナ部の火炎が底部４１の面に平行な方向に到達する距離はＦ・ｓｉｎθとなるので、主バーナ部の端の位置と、袖火バーナ部の中心位置との距離が、底部４１の面に平行な方向にＦ・ｓｉｎθ以下となるように主バーナ部と袖火バーナ部の距離を決めればよい。具体的には、袖火バーナ部の有効火炎長さが１００ｍｍで、主バーナの幅（主バーナ部の最外ノズル間距離）が５０ｍｍ、θ＝３０°の場合、主バーナ部中心と袖火バーナ部中心の距離は７５ｍｍ以下とすればよい。θの好適範囲を考慮すれば、主バーナ部中心と袖火バーナ部中心の距離は６０〜１１０ｍｍとすることが好ましい。有効火炎長さは、火炎温度の測定結果に基づき、ガスの着火温度以上となる領域の、燃焼面またはテーパー面からの長さとして決定できる。

図４は、本発明の他の実施形態における袖火バーナ部の構造を示す模式図である。この実施形態では、袖火バーナ部３０が直径ｄの袖火ノズル３２を備えており、袖火ノズル３２の先端が、テーパー部４２の表面からｄ以上奥まった位置に設けられている。袖火ノズル３２から吐出される燃料ガスは空間３３内で着火し、その火炎（袖火）はテーパー部４２の表面を超えて外部へ伸びるように形成される。このように袖火ノズルの３２の先端をバーナ本体１０の内部へ向かって奥まった位置とすることにより、面燃焼バーナを用いずとも、上述した随伴流の影響を抑制して袖火を安定に保持することが可能となる。なお、袖火バーナ部３０が、短辺方向の幅ｄのスリットノズルを袖火ノズル３２として備える場合にも、同様に袖火ノズル３２の先端をテーパー部４２の表面からｄ以上奥まった位置に設けることが好ましい。随伴流の影響を抑制するという観点からは、袖火ノズル３２の先端を、テーパー部４２の表面から２ｄ以上奥まった位置に設けることがより好ましい。一方、袖火ノズル３２の先端がテーパー部４２の表面から１５ｄ以上奥まった位置に設置されていると、火炎温度が低下するおそれがある。そのため、袖火ノズル３２の先端は、テーパー部４２の表面から１５ｄ以下の位置とすることが好ましく、４ｄ以下の位置とすることがより好ましい。

［吐出速度］
上述したように、本バーナによれば、高い吐出速度においても失火することなく安定して火炎を保持することが可能である。

なお、ここで吐出速度とは、主バーナ部の燃料ガスノズルおよび空気ノズルの直管部におけるガス流速であり、吐出速度＝単一ノズルの単位時間当たりガス流量／ノズル断面積で求められる。直管部を有さないノズルでは、ノズル出口部の断面積をノズル断面積として考える。また、多数ノズルまたは多数孔からなるバーナで、図１０に例示したようにノズルの前方に円錐状のコーン部がある場合には、前記コーン部の出口における断面積で、バーナから吐出される燃料ガスと空気の和の合計流量を除することにより、バーナの吐出速度を求めることができる。

燃料ガスの吐出速度と燃焼用空気の吐出速度は、ほぼ等しくすることが好ましい。具体的には、燃焼用空気の吐出速度に対する燃料ガスの吐出速度の比（吐出流速比）を、０．８〜１．２とすることが好ましい。なお、円錐形のコーンを有するバーナにおいても、コーン手前のノズル孔部における前記吐出流速比を、０．８〜１．２とすることが好ましい。

［燃料ガス流量比］
主バーナ部における燃料ガス流量と袖火バーナ部における燃料ガス流量の比率（以下、「燃料ガス流量比」ともいう）は、火炎の安定性および加熱能力に大きく影響する。そのため、点火炉は、主バーナ部における燃料ガス流量と袖火バーナ部における燃料ガス流量を、それぞれ独立に調整可能な流量調整手段を備えることが好ましい。また、燃焼用空気量は、燃料ガス流量に、燃料ガスの理論空気量と空気比を乗じて決定することができる。点火炉は、主バーナ部における燃焼用空気の流量と袖火バーナ部における燃焼用空気の流量を、それぞれ独立に調整可能な流量調整手段を備えることが好ましい。前記流量調整手段としては、流量調整弁などを用いることができる。

主バーナ部における燃料ガス流量と袖火バーナ部における燃料ガス流量の合計を１００％としたとき、袖火バーナ部燃料ガス流量が１５％未満であると随伴流による火炎温度の低下が顕著となり、主バーナの失火が発生する場合がある。そのため、袖火バーナ部の燃料ガス流量を１５％以上、言い換えると、主バーナ部における燃料ガス流量と前記袖火バーナ部における燃料ガス流量の比を８５：１５以下とすることが好ましい。一方、袖火バーナ部の燃料ガス流量が多すぎると、火炎は安定するものの、主バーナ部の火炎が小さくなるため加熱能力が低下する。そのため、袖火バーナ部の燃料ガス流量を３０％以下、言い換えると、主バーナ部における燃料ガス流量と前記袖火バーナ部における燃料ガス流量の比を７０：３０以上とすることが好ましい。

（限界吐出速度の評価）
次に、上記バーナの能力を確認するため、以下の３種のバーナを用いて、吹き消えが起こらずに火炎を保持できる限界吐出速度を評価した。各バーナの仕様を表１に示す。
（バーナ１）図１０に示した従来の一般的な予混合燃焼バーナ
（バーナ２）特許文献１の図１に示されたバーナ
（バーナ３）図１〜３に示した構造のバーナ

上記バーナ１は、図１０に示した断面形状を有する従来の予混合燃焼バーナである。バーナ１のノズル形状は、長さ１ｍのスリット状ノズルとした。ここで、ノズルの長さとは、スリット状ノズルの長手方向における長さ、すなわち、図１０の紙面に垂直な方向におけるノズルの長さを指す。また、前記スリット状ノズルの幅は、ストレート部において１０ｍｍ、コーン部の先端において１００ｍｍとした。ここで、ノズルの幅とは、スリットの長手方向と垂直な断面におけるスリットの開口部の幅、すなわち、図１０の紙面左右方向における幅を指す。したがって、前記スリット状ノズルのストレート部における総断面積は１００ｃｍ^２である。

上記バーナ２は、特許文献１の図１に示された断面形状を有するノズルを複数備える、長さ１ｍのラインバーナである。前記ノズルは、前記ラインバーナの長手方向に、直線状に６０組配置した。バーナ２の主バーナ部における燃料ガスノズルのノズル径は、６ｍｍとした。また、バーナ２の主バーナ部における空気ノズルのノズル径は、前記燃料ガスノズルのノズル径と同じとした。特許文献１記載のバーナは、バーナ１個あたり２つの燃料ガスノズルを備えているため、燃料ガスノズルの個数は１２０個となる。したがって、バーナ２の主バーナ部における燃料ガスノズルの総断面積は３３．８ｃｍ^２である。なお、バーナ２において５０組のノズルを配置した場合には火炎が不安定であったため、ノズルは６０組設置して火炎の安定化を図った。

上記バーナ３は、図１〜３に示した断面形状を有するノズルを複数備える、長さ１ｍのラインバーナである。前記ノズルは、前記ラインバーナの長手方向に、直線状に５０組配置した。バーナ３の主バーナ部における燃料ガスノズルのノズル径は、６ｍｍとした。また、バーナ３の主バーナ部における空気ノズルのノズル径は、前記燃料ガスノズルのノズル径と同じとした。図２に示したように、前記バーナは、バーナ１個あたり１つの燃料ガスノズルを備えているため、燃料ガスノズルの個数は５０個となる。したがって、バーナ３の主バーナ部における燃料ガスノズルの総断面積は１４．１ｃｍ^２である。

また、バーナ２およびバーナ３のそれぞれについて、主バーナ部における燃料ガスの流量と袖火バーナ部における燃料ガスの流量の比（燃料ガス流量比）を表１に合わせて示した。

上記評価は、燃焼空間の寸法が１．４ｍ×１．４ｍ×０．４ｍである実験用燃焼炉にて実施した。燃料ガスと燃焼用空気の流量比を一定に保ちつつ両者の流量を増加させ、火炎の吹き消えが起こらずに火炎を保持できる限界吐出流速を測定した。

ここで、前記燃料ガスとしては、製鉄所内の副生ガスであるＭガス（コークス炉ガスと高炉ガスの混合ガス）を使用した。前記Ｍガスの主成分は、Ｈ₂：２６．５％、ＣＯ：１７．６％、ＣＨ₄：９．１％、Ｎ₂：３０．９％であった。

測定結果を図５に示す。バーナ１では、ノズルのストレート部における流速が３０Ｎｍ／ｓを超えると、火炎が保持できず吹き消えが発生した。なお、前記ストレート部の流速をコーン部の先端における流速に換算すると、３Ｎｍ／ｓである。バーナ２では、ノズル直管部の流速が４０Ｎｍ／ｓを超えると、火炎が保持できず吹き消えが発生した。一方、バーナ３では、ノズル部の流速が４０Ｎｍ／ｓを超えて吐出しても火炎は安定し、１００Ｎｍ／ｓを超えると火炎が不安定となり、１２０Ｎｍ／ｓで吹き消えが発生した。

以上の結果より、本発明のバーナは従来のバーナに比べて大幅に高い吐出流速においても安定燃焼が可能であることが分かる。なお、実際に工業用などで本発明のバーナを使う際には、吹き消え限界流速近傍での使用は供給系の操業変動などにより吹き消えリスクが高まる可能性があるため、吹き消え限界流速よりも流速を小さくして使用することが好ましい。図５には、実際の常用使用流速の一例も記載した。

（実施例１）
上記の燃料ガス流速が高い条件でも火炎の維持が可能なバーナおよび従来のバーナを点火炉用バーナとして用い、焼結鉱の品質に対する燃料ガス流速の影響を評価した。

パレット幅４ｍ、有効面積２９５ｍ²の下方吸引式のドワイトロイド式焼結機を用いて、同じ品位の原料（単一銘柄の鉄鉱石を使用、生石灰配合率２．３％、水分７．５％、原料装入層の厚み５８０ｍｍ）を用いて焼結鉱を製造した。製造された焼結鉱を、クーラーで冷却し、次いで、目開き７５ｍｍの篩で粒径７５ｍｍ超の大塊と粒径７５ｍｍ以下の焼結鉱とに分離した。前記大塊は破砕した後、粒径７５ｍｍ以下の焼結鉱と混合した。混合された焼結鉱は目開き５ｍｍの篩により、粒径５ｍｍ超の製品焼結鉱と粒径５ｍｍ以下の発生粉に分離した。そして、焼結鉱の全生産量（粒径５ｍｍ超の製品と粒径５ｍｍ以下の発生粉の合計質量）に対する、粒径５ｍｍ以下の発生粉の質量の割合（％）として定義される「発生粉率」を評価した。

点火炉には、パレット幅方向に個々のバーナが直線状に並んだラインバーナまたはスリットバーナがパレット全幅を覆うように設置されており、バーナの燃料ガス吐出口の位置は、原料装入層の上方０．４ｍである。バーナ１は、図１０に示した従来の一般的な予混合燃焼バーナ（スリットバーナ）、バーナ２は特許文献１の図１に示したバーナ（ラインバーナ）、バーナ３は図１〜３に示した構造のバーナ（ラインバーナ）とした。燃料ガスノズルのノズル径と、ラインバーナ長さ１ｍあたりに設置した燃料ガスノズルの個数、および試験時の燃料ガス流速を表２に示す。バーナ２およびバーナ３では面燃焼バーナを袖火バーナとして使用し、主バーナ部における燃料ガスの流量：袖火バーナ部における燃料ガスの流量比は７５：２５とした。試験Ｎｏ．１〜４、７、８では、ノズルの径および個数を調整し、燃料ガス流量が略同じになるようにした。また、試験Ｎｏ．５、６では試験７の条件からガス流量を減らしてガス流速を低下させた。

測定結果を表２および図６に示す。燃料ガスの流速を上げるにしたがって発生粉率が下がる傾向があり、特に、燃料ガス流速が４０Ｎｍ／ｓ以上では、粉率の低下が顕著であった。この結果より、燃料ガス流速を４０Ｎｍ／ｓ以上とすることによって、強度が高く、塊歩留まりの高い焼結鉱（粉発生の少ない焼結鉱）の製造が可能であることがわかる。

図７は、上記バーナ１を用いて燃料ガス流速を８．６Ｎｍ／ｓとした場合と、バーナ３を用いて燃料ガス流速を６１．３Ｎｍ／ｓとした場合における、点火後の原料層表面の状況を示す写真である。バーナ１を用いた場合には、原料層の搬送方向に延びる帯状の着火不良部分があるのに対し、バーナ３を用いた場合には原料層表面に均一に着火できていることが認められる。

（実施例２）
次に、燃料ガス流速が高い場合に原料層への着火が均一になり、焼結鉱の強度が上がる理由を検討するため、発明者らは、バーナの加熱力と温度分布の調査を行った。

図５の測定と同じ測定装置を用い、被加熱物を模擬した水冷チラーをバーナに対面させるように０．４ｍ離れた位置に設置し、水の上昇温度からバーナの加熱力を評価した。燃料ガス流量および空気比を同一としたときの、各バーナの加熱力を図８に示す。この時の流速は、バーナ１のノズル部流速で１０Ｎｍ／ｓ、バーナ３では７０Ｎｍ／ｓとなる。バーナ３では、バーナ１およびバーナ２に比べ加熱力が大幅に向上していることがわかる。

さらに、前述の測定と同時に、バーナ１およびバーナ３における火炎温度の分布を、熱電対を用いて測定し、これを元にバーナ断面方向の等温線を作成した。結果を図９に示す。両者は同じ燃料ガス流量および空気比にて測定したものである。バーナ１では、バーナ前方のコーン内部で燃焼し、被加熱物に到達する前に多くの燃料ガスの燃焼が完了している。一方、バーナ３では、主バーナから吐出された燃料ガスは、バーナと被加熱物の中間付近において袖火バーナの火炎により着火されて燃焼を開始しており、被加熱物の近傍で多くの燃料ガスが燃焼している。バーナ３のバーナではバーナ１のバーナに比べて、高温域が被加熱面の近傍に集中して発生していた。ガス流速の向上に伴い、図８に示すように多量の熱が被加熱面に伝わるとともに、高温域が被加熱面近傍に集中したことが、着火むらの減少をもたらし、それが焼結鉱強度、塊歩留まりの向上に寄与したものと考えられる。

１バーナ
１０バーナ本体
２０主バーナ部
２１燃料ガスノズル
２２空気ノズル
２３均圧室
３０袖火バーナ部
３１多孔質板
３３空間
４０凹部
４１底部
４２テーパー部
５０袖火
６０火炎
１００予混合燃焼バーナ
１０１燃料ガス
１０２空気
１０３火炎

Claims

粉鉱石と炭材とを含む焼結原料を循環移動するパレット上に装入して原料層を形成し、前記原料層表面の炭材に点火すると共に、前記原料層上方の空気を前記パレットの下方へ吸引して前記原料層内に導入し、前記原料層内において前記炭材を燃焼させて焼結鉱を製造する焼結鉱の製造方法であって、
燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと燃焼用空気を吐出する空気ノズルとを備える主バーナ部と、前記主バーナ部よりも外側に位置し、前記主バーナ部から吐出される燃料ガスを燃焼させるための袖火バーナ部とを備えるバーナを用い、
前記バーナにおいて、前記燃料ガスを４０Ｎｍ／ｓ以上の流速で前記燃料ガスノズルから吐出し、
吐出された前記燃料ガスを燃焼させることにより燃焼ガスを生成し、
前記燃焼ガスを用いて前記炭材に点火する、焼結鉱の製造方法。