JP6950718B2 - ベルレス高炉の原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、原料のコークスと鉱石とを順次層状に装入するベルレス高炉の原料装入方法、特に、鉱石中に中小塊コークスが混合されているベルレス高炉の原料装入方法に関する。

高炉操業においては、一般に、炉上部から還元材および燃料としてのコークス、および鉄源としての焼結鉱、ペレット、塊鉱石など（以下、これらの鉄源を総称して「鉱石」と記す）が交互に装入されてコークス層、鉱石層の重層構造が形成され、炉下部においては羽口から熱風が送風されると同時に微粉炭やタールなどの補助燃料が吹き込まれて高温の還元性ガスが生成して炉内を上昇し、鉱石を還元、溶融して溶銑を製造する。
高炉の安定操業を維持するためには、炉内に良好な通気性を確保し、炉内ガスの流れを安定化（すなわち、安定した中心ガス流および炉壁ガス流の確保）が必要である。通気性は、主として装入物（コークスおよび鉱石）の性状、粒度および装入量により大きく影響を受けるが、それに加えて、炉頂からの装入物の装入方法、つまり、炉内に装入する装入物の分布状況（以下、「装入物分布」と記す）によっても大きく左右される。

この装入物分布の制御については、従来から、高炉の半径方向における、鉱石層とコークス層との質量比（以下、「Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ」と記す）の制御が最も良く用いられている。鉱石は、炉内で還元、昇温溶融するため、平均粒径で１０〜２０ｍｍ程度の比較的小粒径に調整され、コークスは高炉の通気性を確保するために平均粒径で５０ｍｍ程度の比較的大粒径に調整されている。特に、安定したガス流れを得るためには、ベルレス高炉またはベル高炉のいずれの場合にも、炉中心部における（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さくするのが有効であることが知られている。

炉中心部における（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さく方法として、従来、例えば、特許文献１に示すベルレス高炉の鉱石装入方法が知られている。
特許文献１に示すベルレス高炉の鉱石装入方法は、鉱石を２分割以上で投入し、最初の１分割目の鉱石を、装入シュート１旋回当たりの装入鉱石量を１０ｔ／旋回以上として炉の中間部に装入し、コークスを中心部に流れ込ませるとともに中間部にテラスを形成し、２分割目以降の鉱石を、装入シュート１旋回当たりの装入鉱石量を５ｔ／旋回以下として、テラスの炉壁側に装入することで、鉱石の炉中心部への流れ込みを防止する。
このように、炉中心部における（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さくすることで、炉内で鉱石が溶融して形成される融着帯の頂部が高くなるいわゆる中心流型融着帯（逆Ｖ型）が形成され、塊状帯部が狭くなり、滴下帯部が広くなるので、炉内の通気性は良好となると同時に、炉内ガスが炉中心部を常時流れてガス流が安定化するために、ガス利用率も高位のレベルに維持できる。

一方、近年の高出銑比かつ高微粉炭比低還元材比操業においては、羽口から吹込まれる微粉炭の燃焼により還元性ガスを生成する量が多いため、炉頂から装入するコークス量は相対的に低減する。このため、高炉内のシャフト部では全体的に（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値が大きくなる。このような操業では、炉半径方向の中間部から周辺部の融着帯形状が、炉芯部コークス層の通気性の良否を大きく左右するようになってきた。すなわち、炉内全体で（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値が大きくなることで通気抵抗が大きくなってガス流が不安定になり易くなる。そのため炉芯部のガス流を確保しようとしたときに中間部や周辺部のガス流が低下し易くなり、鉱石の昇温が遅れて中間部の融着帯の垂れ下りや周辺部の融着帯根部肥大化が生じる可能性があり、そのような場合には、未還元の焼結鉱や高ＦｅＯスラグが大量に炉芯内に滴下するため、炉芯内のコークスはＦｅＯとの吸熱反応のために温度低下やコークス自体の劣化・粉化が促進される。炉芯内コークスの温度低下と粉化促進により、融着帯から滴下するメタル・スラグのホールドアップも増加し、炉芯内の通気性・通液性が悪化し、操業状況は不安定になってくる。

これに対して、特許文献２では、高炉内の鉱石層中の炉半径方向の中間部から周辺部（炉半径をｒとすると、０．５ｒからｒの範囲）の鉄鉱石中に粒径が５ｍｍ〜４０ｍｍの中小塊コークスを混合することで、炉半径方向の中間部から周辺部の鉱石の還元性を促進させ、融着帯の厚さを低減させて高炉の通気性が改善できることが開示されている。
ここで、特許文献２では、炉半径方向の中間部から周辺部に中小塊コークスを装入する方法に関し、鉄鉱石をベルトコンベア上に切り出して炉頂ホッパーに供給する際に、ベルトコンベア上の鉄鉱石の先頭部分のみに重なるように粒径が５ｍｍ〜４０ｍｍの中小塊コークスを切り出して、その後、炉頂ホッパーから高炉炉内へ鉄鉱石と一緒に中小塊コークスを装入すると記載されている。
しかしながら、炉頂ホッパーや旋回シュート内、さらには高炉炉内の原料堆積面上において鉄鉱石と中小塊コークスとが偏析により分離してしまうため、特許文献２に記載された方法では目的とする位置に中小塊コークスが装入されない可能性がある。

また、特許文献３では、副原料ホッパーに整流板を設け、副原料ホッパー直前の装入ベルトコンベア上にて鉱石の上にコークスを層状に積層させ、装入ベルトコンベアから副原料ホッパーに混合物を装入する際に整流板の角度を調整することで、副原料ホッパーから排出される混合物中のコークスの比率の経時的変化を制御するようにしている。
しかしながら、特許文献３にあっても、高炉炉内の原料堆積面上において鉱石と中小塊コークスとの偏析による分離を抑制することについて記載はない。

また、特許文献４では、ベルレス装入装置を用いて高炉内へ原料として鉱石およびコークスを装入するベルレス高炉の原料装入方法において、鉱石とコークスとを混合した混合原料を１基の炉頂バンカーに貯留し、高炉中心軸を中心として装入シュートを旋回させかつ装入シュートの傾動角を順次変更して、装入シュートが高炉半径方向に少なくとも１回往復する間に炉頂バンカーに貯留された混合原料の全量を高炉内に装入するようにしている。
しかしながら、特許文献４では、高炉炉内の原料堆積面に傾斜があった場合に、原料堆積面上でのコークスと鉱石との偏析による分離を抑制することはできない。
このように、従来の高炉への原料装入方法では、原料が高炉内の炉頂の原料堆積面上に装入された際に、コークスと鉱石とが偏析し、分離してしまうことを防ぐことができなかった。

ここで、高炉炉内の原料堆積面上での中小塊コークスと鉱石との分離を防ぐ方法に関しての従来の知見は、非特許文献１に示すように、中小塊コークスと鉱石との粒径差を小さくする、あるいは混合物の装入速度を大きくするということが一般的であった。
これに対して、非特許文献２による篩層モデルによる知見では、混合物の装入速度を大きくすることは、流動層の流れを促進し、鉱石の下面への沈降を妨げてコークスと鉱石との分離を抑制する効果がある一方、流動層中の空隙率が増加することにより、鉱石の下面への沈降が促進されてコークスと鉱石との分離が助長される傾向があり、相反する効果があることが示されている。
このように、従来においては、高炉内のような下方からガスが流れている条件での中小塊コークスを混合した鉱石の高炉内への装入速度が、高炉内の原料堆積面での鉱石と中小塊コークスとの分離挙動にどのように影響するかについては統一的な見解は得られてなかった。

特許第４２１１６１７号公報 特開２００２−３９１０号公報 特開２０１６−７９４６８号公報 特許第４０４５８９７号公報

三輪茂雄著、粉体工学通論、日刊工業新聞社、１９８１年、ｐ．１２６−１２７ 篠原邦夫、「篩層モデルによる粉粒体の貯槽充てん時の偏析機構に関する一般的解析」、粉体工学会誌、１９８２年、ｖｏｌ．１９、Ｎｏ８、ｐ．４６２

ところで、近年の高出銑比かつ高微粉炭比低還元材比操業のような高（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）条件下の操業では、単に炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）を低減させて、逆Ｖ字型の融着帯形状を形成させて通気の安定を図るだけでなく、中間部から炉壁の融着帯の厚さを低減させて未還元のＦｅＯの炉床への降下を防ぎつつ、炉下部の通気を改善することが望まれる。このためには、鉱石中に中小塊コークスを混合させ、中小塊コークスを混合した鉱石を中間部から炉壁に装入させる必要がある。
しかしながら、鉱石と中小塊コークスは、高炉内の原料堆積面にて分離してしまう。

ここで、従来の特許文献１乃至４にあっては、高炉内の原料堆積面での鉱石と中小塊コークスとの分離を抑制する有効な方法が提案されていない。
また、非特許文献１及び２にあっては、高炉内のような下方からガスが流れている条件での中小塊コークスを混合した鉱石の高炉内への装入速度が、高炉内の原料堆積面での鉱石と中小塊コークスとの分離挙動にどのように影響するかについては統一的な見解は得られてなかった。
従って、本発明はこれら従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、中小塊コークスを混合した鉱石の高炉内への装入速度を適切な装入速度として、高炉内の原料堆積面での鉱石と中小塊コークスとの分離を抑制し、中小塊コークスが炉の中間部から炉壁部に歩留まるようにすることができるベルレス高炉の原料装入方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るベルレス高炉の原料装入方法は、原料のコークスと鉱石とを順次層状に装入する高炉の原料装入方法であって、前記鉱石中に平均粒子径が鉱石の平均粒径に対して３．０倍以下となる中小塊コークスが、装入される全コークス量の５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲で混合されているベルレス高炉の原料装入方法において、炉頂バンカー内に貯留された前記中小塊コークスを混合した鉱石を前記炉頂バンカーから装入シュートに投入するに際し、前記中小塊コークスを混合した鉱石を、１．０（ｔ／ｓ）以下の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）で前炉頂バンカーから前記装入シュートに投入することを要旨とする。

本発明に係るベルレス高炉の原料装入方法によれば、炉頂バンカー内に貯留された中小塊コークスを混合した鉱石を、炉頂バンカーから装入シュートに投入するに際し、中小塊コークスを混合した鉱石を、１．０（ｔ／ｓ）以下の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）で炉頂バンカーから装入シュートに投入することにより、中小塊コークスが高炉内の原料堆積面で鉱石と分離するのを抑制することができ、炉の中間部から炉壁部の範囲に歩留まる。これにより、炉の中間部から炉壁部の融着帯の厚さが低減し通気の安定を図れるとともに、未還元のＦｅＯの炉床への降下を防ぎつつ、炉下部の通気を改善することができる。

本発明の一実施形態に係るベルレス高炉の原料装入方法が適用されるベルレス高炉の炉頂部の模式図である。 中小塊コークスを混合した鉱石の装入速度が高炉内の原料堆積面上での鉱石と中小塊コークスとの分離に及ぼす影響について基礎実験を行って調査した際の実験装置の概略構成図である。 鉱石と中小塊コークスとを混合した混合原料の偏析指数と装入速度との関係を示すグラフである。 中小塊コークスの偏析指数と装入速度との関係を示すグラフである。 平均粒子径が鉱石の平均粒子径の２．１倍である中小塊コークスを鉱石中に全コークス量の１５ｍａｓｓ％混合し、実機に換算して１．６７ｔ／ｓの装入速度で装入シュートに投入した場合と、０．８４ｔ／ｓの装入速度で装入シュートに投入した場合との、高炉の径方向への中小塊コークスの混合比率を示すグラフである。 ベルレス高炉の実機の炉頂部の模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ここで、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。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装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

図１には、本発明の一実施形態に係るベルレス高炉の原料装入方法が適用されるベルレス高炉の炉頂部が示されており、炉頂に設置した二基以上の炉頂バンカー１の１つには、鉱石２ａが貯留され、他の１つにはコークス２ｂが貯留される。
鉱石２ａ中には、平均粒子径が鉱石２ａの平均粒径に対して３．０倍以下となる中小塊コークスが、装入される全コークス量（中小塊コークス＋大塊コークスの全質量）の５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲で混合されている。

中小塊コークスを混合した鉱石２ａの炉頂バンカー１への貯留の仕方について述べると、図示しない貯鉱槽より鉱石２ａを炉頂バンカー１への装入ベルトコンベア（図示せず）に切出し、中小塊コークスを鉱石２ａとは別の貯鉱槽より切出し、鉱石２ａの上層に重なるように切出す。そして、装入ベルトコンベアから炉頂バンカー１に鉱石２ａと中小塊コークスの混合物を貯留する。
また、コークス２ｂは、平均粒子径が鉱石２ａの平均粒径に対して３．０倍より大きい大塊コークスである。

各炉頂バンカー１の下部の原料装入通路には、流量調整ゲート３が設けられている。各流量調整ゲート３は、炉頂バンカー１内に貯留された中小塊コークスを混合した鉱石２ａあるいは大塊コークスであるコークス２ｂが通過する際にその開度を調整し、後述する装入シュート５へ投入する中小塊コークスを混合した鉱石２ａあるいは大塊コークスであるコークス２ｂの装入速度ｖ（ｔ／ｓ）を調整する。
各原料装入通路の流量調整ゲート３の下方部は、垂直シュート４に集約され、各流量調整ゲート３を通過した鉱石２ａあるいはコークス２ｂは垂直シュート４から高炉６内の装入シュート５に投入される。垂直シュート４の断面は、内周面が円形となる円環形状を有する。中小塊コークスを混合した鉱石２ａの装入シュート５への投入と大塊コークスであるコークス２ｂの装入シュート５への投入とは所定時間ごとに交互になされる。

装入シュート５は、高炉中心軸を中心として旋回するとともに、傾動角θを変更しながら鉱石２ａあるいはコークス２ｂを高炉６内に装入する。図１中の矢印ａは装入シュート５の旋回を示し、矢印ｂは鉱石２ａあるいはコークス２ｂの落下を示す。高炉６内に鉱石２ａあるいはコークス２ｂを装入する際に、装入シュート５を旋回させ、かつ傾動角θを順次変更することによって、高炉６炉頂部の原料堆積面７上の広い範囲に亘って鉱石２ａあるいはコークス２ｂを装入することができる。鉱石２ａの装入シュート５への投入とコークス２ｂの装入シュート５への投入とは所定時間ごとに交互になされ、大塊コークスであるコークス２ｂと中小塊コークスを混合した鉱石２ａとを層状に装入することができる。

本実施形態の場合、中小塊コークスを混合した鉱石２ａを投入した際の装入シュート５の傾動角θは、鉱石２ａの落下位置が、高炉６の半径をｒとすると、０．５ｒとなる角度に調整した後、１旋回毎に順次傾動角θを増加し、鉱石２ａの落下位置が０．９ｒに調整した後は、１旋回毎に傾動角θを減少させ、最終旋回における鉱石２ａの落下位置が０．５ｒとなるように調整する。但し、中小塊コークスを混合した鉱石２ａの装入パターンは、この時の装入パターンを１セットとした場合、１セットと同一パターンを２セット以上繰り返して装入するようにしてもよい。

ここで、本実施形態にあっては、炉頂バンカー１内に貯留された中小塊コークスを混合した鉱石２ａを炉頂バンカー１から装入シュート５に投入するに際し、中小塊コークスを混合した鉱石２ａを、１．０（ｔ／ｓ）以下の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）で炉頂バンカー１から装入シュート５に投入するように、流量調整ゲート３の開度を調整している。
これにより、中小塊コークスが高炉６内の原料堆積面７で鉱石２ａと分離せずに高炉６の中間部（炉半径をｒとしたとき、０．５ｒ）から炉壁部（０．９ｒ）の範囲に歩留まる。これにより、高炉６の中間部から炉壁部の融着帯の厚さが低減し通気の安定を図れるとともに、未還元のＦｅＯの炉床への降下を防ぎつつ、炉下部の通気を改善することができる。

本実施形態において、中小塊コークスを混合した鉱石２ａを、１．０（ｔ／ｓ）以下の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）で炉頂バンカー１から装入シュート５に投入するようにした根拠を以下に説明する。
本発明者らは、中小塊コークスを混合した鉱石２ａの装入速度ｖ（ｔ／ｓ）が、高炉６内の原料堆積面７上での鉱石２ａと中小塊コークスとの分離に及ぼす影響について、基礎実験を行い調査した。その際の実験装置の概略構成を図２に示す。実験は、以下の手順で行った。

鉱石２ｋｇとコークス１００ｇを事前に混合し、バンカー１１内に装入した。鉱石は、篩により調和平均径１．４ｍｍに調整したものを用いた。コークスは、篩により調和平均径２．０ｍｍに調整したもの（中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘ＝１．４）、調和平均径４．２ｍｍに調整したもの（中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘ＝３．０）、及び調和平均径５．６ｍｍに調整したもの（中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘ＝４）の３種類を用いた。バンカー１１の出口には流量調整ゲート１２が設けられ、その下方に集合ホッパー１３が設置されている。そして、集合ホッパー１３の下方には、バンカー１１の出口と上面との間の距離が３１５ｍｍとなる位置にサンプリングボックス１４を設置した。このサンプリングボックス１４の大きさは、高さが２００ｍｍ、幅が３００ｍｍ及び奥行が１５５ｍｍである。そして、サンプリングボックス１４内には、図２に示すように、幅方向一端面から幅方向他端面にかけて３０°の傾斜角で傾斜する斜面が設けられている。そして、サンプリングボックス１４の幅方向他端面に位置する斜面上端が集合ホッパー１３の直下となるように位置を調整する。

その後、流量調整ゲート１２の開度を所定の値に設定し、集合ホッパー１３を介してサンプリングボックス１４内に中小塊コークスと鉱石との混合原料を装入した。流量調整ゲート１２の開度は、実機の炉口径（図１において垂直シュート４の内径ｄ）が１１．４ｍの高炉６の１／１８のスケール装入装置における流量調整ゲート３の開度と同等の範囲内で設定した。

そして、サンプリングボックス１４内の中小塊コークスと鉱石との混合原料をサンプリングボックス１４の幅方向に沿って５０ｍｍ間隔で採取し、比重分離により鉱石とコークスとに分離してから、各々の重量を測定した。サンプリングボックス１４の斜面下方への原料の偏析を評価するため、サンプリングボックス１４の斜面下方の壁から幅方向に１５０ｍｍの位置までに存在した鉱石および中小塊コークスの混合原料の重量が、装入した鉱石および中小塊コークスの全重量に対する百分率を混合原料の偏析指数Ｓｍとして評価した。Ｓｍが大きいほど、壁部に流れ込む鉱石および中小塊コークスの混合原料の量が多いことを示す。また、サンプリングボックス１４の斜面下方の壁から幅方向に１５０ｍｍの位置までに存在した中小塊コークスの重量が、装入した中小塊コークスの全重量に対する百分率を中小塊コークスの偏析指数Ｓｃとして評価した。Ｓｃが大きいほど、壁部へ流れ込む中小塊コークスの量が多いことを示す。すなわち、壁部へ中小塊コークスが偏析することを示す。

評価結果である鉱石と中小塊コークスとを混合した混合原料の偏析指数Ｓｍと装入速度との関係を図３に示す。また、評価結果である中小塊コークスの偏析指数Ｓｃと装入速度との関係を図４に示す。ここで、図３及び図４における横軸の混合原料の装入速度（ｔ／ｓ）は、基礎実験と実機との縮尺、およびフルード数を考慮し、実機での装入速度（ｔ／ｓ）に換算した値を用いた。
図３に示されるように、鉱石と中小塊コークスとを混合した混合原料の偏析指数Ｓｍは、中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘの大きさにかかわらず、混合原料の装入速度（ｔ／ｓ）が低下することに伴って低減している。これは、混合原料の装入速度（ｔ／ｓ）が低下することに伴い、壁への混合原料の流れ込み量が減少したことを意味している。

一方、図４に示すように、中小塊コークスの偏析指数Ｓｃは、中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘが１．４では、混合原料の装入速度（ｔ／ｓ）の低下とともに減少し、中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘが４．０では、混合原料の装入速度（ｔ／ｓ）が１．２ｔ／ｓ以上ではあまり変わらないが、当該装入速度（ｔ／ｓ）が１．２ｔ／ｓを下回ると、逆に増大した。また、中小塊コークスの偏析指数Ｓｃは、中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘが３．０では、混合原料の装入速度（ｔ／ｓ）が１．２ｔ／ｓ以上であまり変化しないが、当該装入速度（ｔ／ｓ）が１．２ｔ／ｓを下回ると低減していることがわかる。これらの結果から、中小塊コークスと鉱石との粒径が同程度、即ち、中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘが３．０以下では、混合原料の装入速度（ｔ／ｓ）を低下させる、即ち当該装入速度（ｔ／ｓ）を１．０ｔ／ｓ以下とすると、混合原料の壁への流れ込み量が減少するとともに、中小塊コークスの壁への偏析が低減することが判る。一方で、中小塊コークスと鉱石との粒径の差が大きいと、即ち中小塊コークスと鉱石との粒径比Ｘが３．０よりも大きいと、鉱石と中小塊コークスとが分離しやすい条件となっているため、混合原料の装入速度（ｔ／ｓ）を低下させる、即ち当該装入速度（ｔ／ｓ）を１．０ｔ／ｓ以下の条件で、混合原料の壁への流れ込み量が減少することによる中小塊コークスの壁への偏析低減効果があるにも係らず、中小塊コークスの壁への偏析が助長されるものと考えられる。

この知見に基づき、本発明者らはさらに実機の装入方法を模擬した模型試験を行った。試験は炉口径ｄ（図１参照）が１１．４ｍである高炉を想定して実験した。平均粒子径が鉱石の２．１倍である中小塊コークスを鉱石中に３．１ｍａｓｓ％（全コークス（大塊コークス＋中小塊コークス）量の１５ｍａｓｓ％程度）混合し、実機に換算して１．６７ｔ／ｓの装入速度で装入シュートに投入した場合と、０．８４ｔ／ｓの装入速度で装入シュートに投入した場合とで、高炉の径方向への中小塊コークスの混合比率（鉱石に対して中小塊コークスが混合している比率ｍａｓｓ％）を調査した。

鉱石中に中小塊コークスを混合した混合原料を１．６７ｔ／ｓの装入速度で装入シュートに投入した場合は、中間部（炉半径をｒとすると、０．５ｒ）より混合原料を堆積させ始め、炉壁（炉半径をｒとすると、０．９ｒ）を経由して再び中間部に堆積させた。この時の装入パターン１セットとすると、０．８４ｔ／ｓの装入速度で装入シュートに投入した場合は、１セットと同一パターンを２セット実施して炉内に装入した。結果を図５に示す。
図５を参照すると、鉱石中に中小塊コークスを混合した混合原料を０．８４ｔ／ｓの装入速度で装入シュートに投入した場合の方が、鉱石中に中小塊コークスを混合した混合原料を１．６７ｔ／ｓの装入速度で装入シュートに投入した場合よりも、中小塊コークスが中間部（０．５ｒ）から炉壁部（０．９ｒ）にかけて多く歩留まることが確認できた。

従って、本実施形態にあっては、炉頂バンカー１内に貯留された中小塊コークスを混合した鉱石２ａを炉頂バンカー１から装入シュート５に投入するに際し、中小塊コークスを混合した鉱石２ａを、１．０（ｔ／ｓ）以下の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）で炉頂バンカー１から装入シュート５に投入するようにしている。
これにより、中小塊コークスが高炉６内の原料堆積面７で鉱石２ａと分離せずに高炉６の中間部（炉半径をｒとしたとき、０．５ｒ）から炉壁部（０．９ｒ）の範囲に歩留まる。これにより、高炉６の中間部から炉壁部の融着帯の厚さが低減し通気の安定を図れるとともに、未還元のＦｅＯの炉床への降下を防ぎつつ、炉下部の通気を改善することができる。

なお、本実施形態に係るベルレス高炉の原料装入方法において、鉱石中に、中小塊コークスが、装入される全コークス量（中小塊コークス＋大塊コークスの全質量）の５ｍａｓｓ％以上混合されているものを対象としたのは、次の理由による。
即ち、鉱石中に、中小塊コークスが、装入される全コークス量の５ｍａｓｓ％未満混合されているものの場合、中小塊コークスが融着帯位置まで降下する前にソリューソンロス反応により消失し、融着帯の厚さ低減に寄与しないからである。

一方、中小塊コークスの混合量が過多となると、中間部に装入した中小塊コークスがソリューションロス反応により消失しきらずに、炉下部に残留するという問題が生じる。過剰に中小塊コークスを装入する場合は、中間部に装入するよりも炉壁部に装入した方が、通気性の確保およびレースウェイでの中小塊コークスのソリューションロス反応促進といった点から有利である。従って、投入速度を低減して（１．０（ｔ／ｓ）以下の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）として）中小塊コークスを中間部に多く装入する場合装入する場合は、鉱石に混合する中小塊コークス量を全コークス量の２０ｍａｓｓ％以下とする。

図６は、ベルレス高炉の実機の炉頂部の模式図である。図６において、図１に示すベルレス高炉と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図６に示す実機を用い、内容積が５１５３ｍ^３で炉口径ｄを１１．４ｍとした高炉６に、貯骸槽（図示せず）よりコークス２ｂを炉頂バンカー１（図６における一番左の炉頂バンカー）に貯留し、コークス２ｂのみを切出して、装入シュート５に投入し、高炉６内に堆積させた。その後、貯鉱槽（図示せず）より鉱石２ａ−１を炉頂バンカー１（図６における一番右の炉頂バンカー）に貯留し、貯骸槽（図示せず）よりコークス２ｂを炉頂バンカー１（図６における一番左の炉頂バンカー）に貯留し、鉱石２ａ−１及びコークス２ｂを炉頂バンカー１のそれぞれより同時に切出して、装入シュート５に投入し、高炉６内に堆積させた。その後、鉱石２ａ−２と中小塊コークスを貯留した炉頂バンカー１（図６における中央の炉頂バンカー）から中小塊コークスを混合した鉱石２ａ−２をその炉頂バンカー１より切出して、装入シュート５に投入し、高炉６内に堆積させた。コークス２ｂの平均粒径は４０ｍｍであった。また、中小塊コークスの平均粒径は１５ｍｍであり、鉱石２ａ−１及び鉱石２ａ−２のそれぞれの平均粒径は１２ｍｍであった。また、コークス２ｂは、鉱石２ａ−１及び鉱石２ａ−２の合計量に対して２．４ｍａｓｓ％（全コークス（大塊コークス＋中小塊コークス）量の１２ｍａｓｓ％程度）混合させた。ここで、実施例１−５及び比較例１、２では、中小塊コークスは鉱石２ａ−１及び鉱石２ａ−２の合計量に対して３．１ｍａｓｓ％（全コークス（大塊コークス＋中小塊コークス）量の１５ｍａｓｓ％程度、後に述べる表１における混合コークス比５５（ｋｇ／ｔ））混合させた。一方、比較例３、４では、中小塊コークスは鉱石２ａ−１及び鉱石２ａ−２の合計量に対して５．２ｍａｓｓ％（全コークス（大塊コークス＋中小塊コークス）量の２５ｍａｓｓ％程度、表１における混合コークス比８０（ｋｇ／ｔ））混合させた。

鉱石２ａ−１及び鉱石２ａ−２のそれぞれの装入量は、出銑比とコークス比とから決定され、９５〜１００ｔの範囲となった。
鉱石２ａ−１を高炉６内に装入する際の装入シュート５の傾動角θは、鉱石２ａ−１の落下位置が、高炉６の半径をｒとすると、０．１ｒとなる角度に調整した後、１旋回毎に順次傾動角θを増加し、鉱石２ａ−１の落下位置が０．５ｒに調整した。また、中小塊コークスを混合した鉱石２ａ−２を高炉６内に装入する際の装入シュート５の傾動角θは、鉱石２ａ−２の落下位置が、高炉の半径をｒとすると、０．５ｒとなる角度に調整した後、１旋回毎に順次傾動角θを増加し、鉱石２ａ−２の落下位置が０．９ｒとなる角度に調整した後は、１旋回毎に傾動角θを減少させ、最終旋回における鉱石２ａ−２の落下位置が０．５ｒとなるように調整した。

中小塊コークスを混合した鉱石２ａ−２を装入シュート５に投入する際の装入シュート５の旋回数を設定し、それに合わせて流量調整ゲート３の開度を調整した。例えば、比較例１及び比較例４では、装入シュート５の旋回速度を１０ｒｐｍとし、装入シュート５が１０旋回する間に鉱石９５ｔを炉頂バンカー１より切出すことができるように流量調整ゲート３の開度を調整した。そして、装入シュート５の旋回速度を１０ｒｐｍで固定し、比較例２では装入シュート５の旋回数を１４旋回、実施例１では装入シュート５の旋回数を１６回、実施例２では装入シュート５の旋回数を１８旋回、実施例３及び比較例３では装入シュート５の旋回数を２０旋回、実施例４では装入シュート５の旋回数を２５旋回、実施例５では装入シュート５の旋回数を３０旋回する間に鉱石９５ｔを炉頂バンカー１より切出すことができるように流量調整ゲート３の開度を調整した。操業試験結果を表１に示す。

実施例１〜５では、中小塊コークスを混合した鉱石２ａ−２の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）が全て１．０ｔ／ｓ以下であり、中小塊コークスが炉の中間部から炉壁部に多く歩留まり、鉱石の還元を促進し、融着帯の炉中間部から炉壁部にかけての厚さが減少し、炉内の通気性が改善された。その結果、実施例１では、微粉炭比（ｋｇ／ｔ）を１５５ｋｇ／ｔに低く抑えつつコークス比（ｋｇ／ｔ）を３５０ｋｇ／ｔに低減した操業が可能となった。また、実施例２、３、４、５の順に中小塊コークスを混合した鉱石２ａ−２の装入速度（ｔ／ｓ）を低減させており、その結果、微粉炭比（ｋｇ／ｔ）を実施例１とほぼ同様に低く抑えつつ（実施例２では１５６ｋｇ／ｔ、実施例３では１５５ｋｇ／ｔ、実施例４では１５６ｋｇ／ｔ、実施例５では１５５ｋｇ／ｔ）、コークス比（ｋｇ／ｔ）を順次低減させた操業が可能となった（実施例２では３４８ｋｇ／ｔ、実施例３では３４８ｋｇ／ｔ、実施例４では３４７ｋｇ／ｔ、実施例５では３４５ｋｇ／ｔ）。

これに対して、比較例１〜２では、中小塊コークスを混合した鉱石２ａ−２の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）が全て１．０ｔ／ｓよりも速く、中小塊コークスが炉壁部側に多く偏析し、融着帯の炉中間部から炉壁部にかけての厚さが厚く、炉内の通気性が良くなかった。その結果、比較例１では、微粉炭比（ｋｇ／ｔ）を実施例１と同様に１５５ｋｇ／ｔとした場合、コークス比（ｋｇ／ｔ）が３５５ｋｇ／ｔと多くなる操業となってしまった。また、比較例２の場合も、微粉炭比（ｋｇ／ｔ）を実施例１とほぼ同様に１５３ｋｇ／ｔとした場合、コークス比（ｋｇ／ｔ）が３５６ｋｇ／ｔと多くなる操業となってしまった。

比較例３及び４に関しては、中小塊コークスの混合量が２０ｍａｓｓ％以下の実施例１−５及び比較例１、２と比較して通気性が悪化し、還元材比が高くなる結果となった。装入速度ｖ（ｔ／ｓ）を０．８０ｔ／ｓまで低減させた比較例３では、装入速度ｖ（ｔ／ｓ）が１．５８ｔ／ｓの比較例４と比べて、炉の中間部に多く装入された中小塊コークスが、ソリューションロス反応で消費しきれずに炉床に堆積したため、さらなる通気性の悪化を招き還元材比が高くなる結果となった。
なお、実施例５では、中小塊コークスを混合した鉱石２ａ−２の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）が０．５６ｔ／ｓと遅いため、当該鉱石２ａ−２の装入時間の延長により、鉱石２ａ−２の１日当たりの装入量が低減し、出銑比が低下した。しかし、鉱石の還元促進による炉内の通気性改善の効果が最も顕著であり、最もコークス比を低減させた操業が可能となった。

１ 炉頂バンカー
２ａ，２ａ−１，２ａ−２ 鉱石
２ｂ コークス
３ 流量調整ゲート
４ 垂直シュート
５ 装入シュート
６ 高炉
７ 原料堆積面
１１ バンカー
１２ 流量調整ゲート
１３ 集合ホッパー
１４ サンプリングボックス

Claims (1)

1. 原料の大塊コークスと鉱石とを順次層状に装入する高炉の原料装入方法であって、１チャージが、大塊コークスを貯留した炉頂バンカーから大塊コークスのみを装入シュートに投入する工程と、平均粒子径が鉱石の平均粒径に対して３．０倍以下となる中小塊コークスを混合した鉱石を貯留した炉頂バンカーから中小塊コークスを混合した鉱石を前記装入シュートに投入する工程とで形成されるか、あるいは１チャージが大塊コークスを貯留した炉頂バンカーから大塊コークスのみを前記装入シュートに投入する工程と、鉱石及び大塊コークスをそれぞれ貯留した炉頂バンカーのそれぞれから鉱石及び大塊コークスのそれぞれを同時に前記装入シュートに投入する工程と、平均粒子径が鉱石の平均粒径に対して３．０倍以下となる中小塊コークスを混合した鉱石を貯留した炉頂バンカーから中小塊コークスを混合した鉱石を前記装入シュートに投入する工程とで形成されるベルレス高炉の原料装入方法であって、１チャージにおける前記中小塊コークスが１チャージにおける前記大塊コークス及び前記中小塊コークスを合わせた全コークス量の５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲で前記鉱石中に混合されているベルレス高炉の原料装入方法において、
   前記中小塊コークスを混合した鉱石を前記装入シュートに投入する工程において、前記中小塊コークスを混合した鉱石を１．０（ｔ／ｓ）以下の装入速度ｖ（ｔ／ｓ）で前記中小塊コークスを混合した鉱石を貯留した前記炉頂バンカーから前記装入シュートに投入することを特徴とするベルレス高炉の原料装入方法。

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