JP7180467B2 - 高炉融着帯を模擬するための反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、高炉内の融着帯を模擬するための反応装置に関する。

高炉操業では、鉄源としての焼結鉱、ペレット、塊鉱石など（以下、「鉱石」と称する）と、還元材及び燃料としてのコークスが炉頂部から交互に装入されることにより、鉱石層及びコークス層が交互に形成される。また、炉下部の羽口からガスが供給されることにより、鉱石層及びコークス層は、炉下部に向かって徐々に降下しながら、炉下部から上昇するガスにより加熱されて昇温される。

高炉内で加熱、還元されながら降下する鉱石層は、炉下部に到達すると軟化、溶融を開始し、鉱石融着層を形成する。高炉内において、鉱石融着層が存在する領域を融着帯と称する。融着帯から滴下した溶銑は、炉底に貯留される。鉱石融着層では、鉱石間の空隙が減少するためにガスの通気性が悪く、ガスは、２つの鉱石融着層の間に位置するコークス層を通過して炉頂に向かって上昇する。したがって、融着帯の形状は、高炉の通気性に極めて大きな影響を与え、鉱石の高温性状は、融着帯の形状を決定する重要な要因のひとつとなる。

従来、鉱石の高温性状は、非特許文献１に記載されている荷重軟化試験によって評価されていた。また、特許文献１に記載の高温性状評価試験装置では、鉱石層の通気悪化に伴い、通気性が良好なコークス層にガスが分配される現象を考慮し、鉱石層にガスが流れる主経路と、鉱石層をバイパスしてガスが流れるバイパス経路とを設けるとともに、バイパス経路に通気抵抗調整装置を設けている。

特許文献２には、高炉融着帯を模擬することができる反応装置が記載されている。この反応装置では、試料加熱炉及び気体加熱炉を並列に配置し、気体加熱炉で加熱された気体を試料充填容器内の試料充填層に対して横方向から水平に流通させている。

特開２０１６－０５７１４９号公報 特開２０１４－１４２３３７号公報

鉄と鋼、ｖоｌ．８３（１９９７）、第９７頁～第１０２頁、「焼結鉱の軟化溶融性状評価法の開発」

非特許文献１に記載の荷重軟化試験では、鉱石の軟化融着状態にかかわらず、一定流量の還元ガスを強制的に鉱石層へ流通させている。上述したように、高炉の融着帯では、鉱石融着層に流れるガスの量が減少したり、コークス層に流れるガスの量が増加したりするが、上述した荷重軟化試験では、このようなガスの流れを模擬することができない。

特許文献１に記載の高温性状評価試験装置では、主経路及びバイパス経路が独立しているため、主経路に対応した鉱石層が、バイパス経路に対応したコークス層に与える影響を考慮することができない。具体的には、鉱石層が軟化融着すると、コークス層の一部を閉塞してコークス層でのガスの通気性を悪化させることになるが、特許文献１に記載の高温性状評価試験装置では、このような現象を模擬することができない。

特許文献２に記載の反応装置では、ガス流れの方向が常に水平方向になるが、高炉内では、ガスが水平方向だけではなく、鉛直上方にも流れる。具体的には、塊状帯においては鉛直上方にガスが流れ、鉱石融着層の形成に伴いコークス層への水平方向のガス流れに遷移する。特許文献２に記載の反応装置では、このガスの流れを模擬することができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高炉融着帯を模擬するための反応装置を提供することを目的とする。

本発明は、高炉融着帯を模擬するための反応装置であって、この反応装置は、容器と、複数の押し棒と、加熱炉とを有する。容器には、鉱石及びコークスを含む充填物が充填可能であり、容器の底面部には、所定組成のガスを容器内に取り込むとともに、鉱石の溶融によって生成された滴下物を容器外に排出させる開口部が設けられている。複数の押し棒は、容器内の充填物の上面に沿って所定方向に並べられており、容器内の充填物に対して上方から荷重をそれぞれ与える。加熱炉は、容器内の充填物のうち、複数の押し棒から荷重を受ける複数の領域をそれぞれ加熱する複数のヒータを備える。これにより、複数の押し棒が並ぶ方向を高炉の半径方向とみなすことにより、高炉の半径方向における温度分布を模擬することができる。

複数の押し棒には、充填物に第１荷重を与える押し棒と、充填物に第１荷重とは異なる第２荷重を与える押し棒とを含めることができる。これにより、複数の押し棒が並ぶ方向を高炉の半径方向とみなすことにより、高炉の半径方向における荷重分布を模擬することができる。

容器を直方体で形成することができる。容器を直方体で形成することにより、複数の押し棒の並ぶ方向における容器の長さ寸法を大きく取ることができ、高炉の半径方向における装入物分布、温度分布及び荷重分布を模擬しやすくできる。

押し棒の数は４つ以上とすることができる。少なくとも４つの押し棒を用いることにより、鉱石の４つの状態（塊状状態、軟化状態、溶融状態、滴下状態）を模擬することができる。

充填物としての鉱石及びコークスは、実炉に装入される際の装入物分布を模擬して充填することができる。

具体的には、充填物としての鉱石の粒度分布は、実炉に装入される鉱石の粒度分布と等しくすることができる。また、充填物としてのコークスの粒度分布は、実炉に装入されるコークスの粒度分布と等しくすることができる。また、充填物としての鉱石層の層厚は、実炉に装入される鉱石層の層厚と等しくすることができ、充填物としてのコークス層の層厚は、実炉に装入されるコークス層の層厚と等しくすることができる。また、鉱石とコークスの装入量の比であるＯ／Ｃについても、実炉と等しくすることができる。これにより、容器に充填される鉱石及びコークスの層を、実炉で装入される鉱石及びコークスの層に近い状態とすることができる。

容器内の充填物を加熱する加熱炉とは別に、開口部から容器内に取り込まれるガスを加熱する加熱炉を設けることができる。この加熱炉は、ガスが通過する球体充填層を加熱することにより、ガスを加熱することができる。球体充填層は、容器に対してガスの流路の上流側に配置されており、セラミックス製の球体が充填されている。

複数の押し棒の変位量をそれぞれ測定する複数の変位計を設けることができる。変位計の測定結果に基づいて、押し棒から荷重を受ける領域の収縮率を求めることができる。押し棒には、容器内の所定情報を取得するセンサ又はサンプリング管を容器内に挿入するための挿入孔を設けることができる。所定情報としては、例えば、温度、圧力、ガスの組成が含まれる。

本発明によれば、複数のヒータによって、複数の押し棒から荷重を受ける複数の領域をそれぞれ加熱しているため、複数の領域の温度を互いに異ならせることができ、高炉融着帯における炉内径方向での温度分布を模擬することができる。この温度分布によって、高炉融着帯付近における鉱石の複数の状態（具体的には、塊状状態、軟化状態、溶融状態、滴下状態）を模擬することができ、実炉により近いガスの流れを模擬することができる。ここで、複数の押し棒は複数の領域にそれぞれ荷重を与えているため、各領域における鉱石の状態に応じて押し棒を変位させることができ、鉱石の状態に応じた充填物の充填構造を再現することができる。

反応装置の構造を示す概略図である。 容器内におけるコークス及び鉱石の充填状態を示す図である。 水平面内において、容器内の４つの領域と、上部加熱炉のヒータとの位置関係を示す図である。 鉱石層の４つの状態（塊状状態、軟化状態、溶融状態、滴下状態）を説明する図である。 鉱石層の軟化溶融後における容器内の状態を示す図である。 上部加熱炉による４つの領域での昇温パターンを示す図である。 下部加熱炉による４つの領域での昇温パターンを示す図である。 容器内の第２領域の温度と、還元ガスの流量との関係を示す図である。 容器内の４つの領域における温度変化を示す図である。 容器内の４つの領域における収縮率の変化を示す図である。

本実施形態の反応装置は、融着帯及び、融着帯の周囲に存在する塊状帯において、高炉の半径方向（反応装置において、後述する複数の押し棒が並ぶ方向）における温度分布を模擬するものである。また、本実施形態の反応装置は、融着帯及び、融着帯の周囲に存在する塊状帯において、高炉の半径方向（反応装置において、後述する複数の押し棒が並ぶ方向）における荷重分布を模擬するものである。上述した温度分布や荷重分布を模擬することによって、鉱石層が塊状帯から融着帯に変化するまでの現象を模擬することができる。

反応装置の構造について、図１を用いて説明する。反応装置１は、鉱石及びコークスが充填される容器（例えば、黒鉛坩堝）２０を有する。容器２０には、図２に示すように、鉱石が充填された鉱石層ＳＯと、コークスが充填されたコークス層Ｃとが交互に形成される。容器２０内の充填物の最上層と最下層にはコークス層Ｃが形成されている。充填物の上面（すなわち、最上層の上面）は、後述する押し棒２２ａ～２２ｄの下端面に沿い、充填物の下面（すなわち、最下層の下面）は容器２０の底面部２０ａに沿う。

鉱石及びコークスは、実炉に装入される際の装入物分布を模擬して容器２０に充填することができる。以下、この一例について説明する。

容器２０に充填される鉱石の粒度分布は、実炉に装入される鉱石の粒度分布と等しくすることが好ましい。また、容器２０に充填されるコークスの粒度分布は、実炉に装入されるコークスの粒度分布と等しくすることが好ましい。容器２０の容積の制約から、簡易的には、鉱石及びコークスの粒径をそれぞれ実炉で使用される粒径の１／３から１／２程度としてもよい。コークス層Ｃの厚さ（図２の上下方向の長さ）は、高炉内で形成されるコークス層Ｃの厚さと等しいことが好ましく、鉱石層ＳＯの厚さ（図２の上下方向の長さ）は、高炉内で形成される鉱石層ＳＯの厚さと等しいことが好ましい。また、容器２０に充填される鉱石及びコークスの装入量の比であるＯ／Ｃについても、実炉でのＯ／Ｃと等しくすることができる。これにより、容器２０内の鉱石層ＳＯ及びコークス層Ｃを実炉での鉱石層及びコークス層に近い状態とすることができる。ここで、実炉とは、反応装置１において試験されている、すなわち容器２０に充填されている鉱石及びコークスを、操業に用いることを検討している対象の高炉である。

なお、容器２０には、鉱石として含炭塊成鉱などが充填されてもよく、コークスとしてフェロコークスなどが充填されてもよい。また、鉱石層ＳＯ及びコークス層Ｃは、それぞれ鉱石以外の原料及びコークス以外の原料を含んでもよい。例えば、鉱石層ＳＯにコークスや副原料を混合してもよい。

なおまた、容器２０内の充填物の最上層と最下層に形成されるのは、コークス層Ｃでなく鉱石層ＳＯであってもよい。

図２において、容器２０の底面部２０ａには複数の開口部２１が設けられている。開口部２１は、後述する還元ガスを容器２０の内部に取り込んだり、鉱石の溶融によって生成した滴下物を容器２０の外部に排出したりするために用いられる。

本実施形態では、容器２０は、直方体に形成されており、非特許文献１に記載された荷重軟化試験で用いられる円筒形の坩堝とは異なる。容器２０が直方体であることにより、後述する押し棒２２ａ～２２ｄの並ぶ方向の容器の寸法を大きく取ることができ、この方向において、充填物の充填構造や、温度分布、荷重分布などを変化させやすくなる。好ましくは、充填物の充填構造や、温度分布、荷重分布などを変化させたい方向（高炉の半径方向を模擬する方向、すなわち後述する押し棒２２ａ～２２ｄの並ぶ方向）の寸法を十分に設けるとよく、この寸法は例えば４００～８００ｍｍとすることができる。また、本実施形態では、後述するように、同一形状の４つの押し棒２２ａ～２２ｄを鉛直方向（図２の上下方向）に移動させるようにしているが、このような押し棒２２ａ～２２ｄの移動を行わせるためには、容器２０を直方体に形成したほうが好ましい。

図２の左右方向は、高炉の半径方向を模擬する方向である。図２の左右方向における容器２０（内部空間）のサイズは、後述するように、４つの領域Ａ１～Ａ４を形成できるサイズとなっている。一方、図２の紙面と直交する方向における容器２０（内部空間）のサイズは、特に限定するものではないが、このサイズが小さすぎると、図２の紙面と直交する方向で対向する容器２０の壁面近傍へのガス流量が多くなる、所謂壁効果の影響が相対的に大きくなり好ましくない。この点を考慮して、図２の紙面と直交する方向における容器２０のサイズを決めることが好ましい。

図１に示すように、容器２０の下部には、言い換えれば、容器２０に対して還元ガスの流路の上流側には、ガイド管１０が接続されている。ガイド管１０の上部は容器２０に接続され、ガイド管１０の下部はアルミナ球充填層１１に接続されている。ガイド管１０は、アルミナ球充填層１１を通過した還元ガスを容器２０に供給する。容器２０及びアルミナ球充填層１１に対するガイド管１０の配置は特に限定されず、例えば、ガイド管１０はアルミナ球充填層１１の周囲を覆うように構成されていてもよい。

アルミナ球充填層１１は、容器２０に対して還元ガスの流路の上流側に配置されており、アルミナ球充填層１１には、複数のアルミナ球が充填されている。アルミナ球充填層１１には、還元ガス供給装置３０から還元ガスが供給される。還元ガスは、炉内ガスを模擬した組成とすることができ、例えば、Ｎ_２ガス、ＣＯガス、ＣＯ_２ガス及びＨ_２ガスが含まれる。還元ガスをアルミナ球充填層１１に通過させることにより、還元ガスの温度を安定化することができる。なお、本実施形態では、アルミナ球を用いているが、他の材料（セラミックス）で形成された球体を用いることもできる。下部加熱炉１２は、アルミナ球充填層１１の周囲に配置されており、アルミナ球充填層１１（言い換えれば、アルミナ球充填層１１を通過する還元ガス）を所定の温度まで加熱する。

容器２０の周囲には、上部加熱炉１３が配置されており、上部加熱炉１３は、容器２０の内部において、図２の左右方向（高炉の半径方向を模擬する方向）での温度分布を発生させる。この温度分布は、高炉の半径方向における温度分布、言い換えれば、例えば高炉の炉中心から炉壁までの温度分布に相当する。上部加熱炉１３は、図３に示す複数のヒータ１３ａ～１３ｄを有しており、これらのヒータ１３ａ～１３ｄは、図３に示すように配置されている。図３は、図１に示すＡ―Ａ断面（言い換えれば、水平断面）に相当する模式図である。

本実施形態では、図３に示すように、容器２０の内部を、高炉の半径方向を模擬する方向（図３の左右方向）において４つの領域Ａ１～Ａ４に分けている。図４に示すように、高炉内の融着帯と、融着帯の周囲に存在する塊状帯とを含む領域において、鉱石層ＳＯには４つの状態（塊状状態、軟化状態、溶融状態、滴下状態）が発生する。これらの４つの状態をそれぞれ模擬するために、本実施形態では、容器２０の内部を４つの領域Ａ１～Ａ４に分けている。

上部加熱炉１３は、４つの領域Ａ１～Ａ４の温度が互いに異なるように各領域Ａ１～Ａ４を加熱する。４つの領域Ａ１～Ａ４が並ぶ方向（図３の左右方向）は、高炉の半径方向に相当しており、４つの領域Ａ１～Ａ４のうち、第１領域Ａ１は高炉の炉中心に最も近い領域に相当し、第４領域Ａ４は高炉の炉壁に最も近い領域に相当する。なお、本実施形態では、水平面内（図３の紙面内）における各領域Ａ１～Ａ４の面積を互いに等しくしているが、領域Ａ１～Ａ４のうちの少なくとも２つの領域の面積を互いに異ならせることもできる。

３つの第１ヒータ１３ａは、水平面内において、第１領域Ａ１の周囲に配置されており、第１ヒータ１３ａの設定温度はＴ（Ａ１）である。２つの第２ヒータ１３ｂは、４つの領域Ａ１～Ａ４が並ぶ方向と直交する方向において、第２領域Ａ２を挟む位置に配置されており、第２ヒータ１３ｂの設定温度はＴ（Ａ２）である。２つの第３ヒータ１３ｃは、４つの領域Ａ１～Ａ４が並ぶ方向と直交する方向において、第３領域Ａ３を挟む位置に配置されており、第３ヒータ１３ｃの設定温度はＴ（Ａ３）である。３つの第４ヒータ１３ｄは、水平面内において、第４領域Ａ４の周囲に配置されており、第４ヒータ１３ｄの設定温度はＴ（Ａ４）である。

高炉内では、炉中心から炉壁に向かって温度が低くなりやすいため、温度Ｔ（Ａ１），Ｔ（Ａ２），Ｔ（Ａ３），Ｔ（Ａ４）の順に低くなるように、ヒータ１３ａ～１３ｄが駆動される。高炉内の温度分布を模擬するためには、例えば、温度Ｔ（Ａ１）を１６００℃とし、温度Ｔ（Ａ４）を１１００℃とすることができる。

なお、本実施形態では、４つの領域Ａ１～Ａ４に対して、図３に示すようにヒータ１３ａ～１３ｄを配置し、それぞれ設定温度に駆動しているが、これに限るものではない。すなわち、各領域Ａ１～Ａ４の温度を所望の温度とすることができればよく、ヒータ１３ａ～１３ｄを配置する位置やヒータ１３ａ～１３ｄの設定温度は適宜決めることができる。例えば、Ｗ型の融着帯が形成されている場合には、炉中間部に比べ、炉壁近傍の温度が高いケースもある。このとき、実炉の半径方向の温度分布を模擬できるよう温度Ｔ（Ａ１）～温度Ｔ（Ａ４）を適宜設定することができる。

また、下部加熱炉１２を、上部加熱炉１３と同様に、複数のヒータによって構成することができる。この場合には、図３に示すヒータ１３ａ～１３ｄの配置と同様に、下部加熱炉１２を構成する複数のヒータを配置することができる。これらのヒータを用いることにより、アルミナ球充填層１１に対して、言い換えれば、アルミナ球充填層１１に供給される還元ガスに対して、温度分布を発生させることができる。この温度分布は、上部加熱炉１３によって発生させる温度分布と等しくすることができる。

図１及び図２に示すように、容器２０内の充填物の上面には、４つの押し棒２２ａ～２２ｄが配置されており、４つの押し棒２２ａ～２２ｄは、図２の左右方向（高炉の半径方向を模擬する方向）に並べられている。押し棒２２ａ～２２ｄは、領域Ａ１～Ａ４にそれぞれ対応して設けられている。具体的には、押し棒２２ａは第１領域Ａ１に対して設けられ、押し棒２２ｂは第２領域Ａ２に対して設けられ、押し棒２２ｃは第３領域Ａ３に対して設けられ、押し棒２２ｄは第４領域Ａ４に対して設けられている。荷重機２４は、押し棒２２ａ～２２ｄのそれぞれを駆動する。

押し棒２２ａ～２２ｄは、互いに独立して容器２０の上下方向に移動することができる。図１から分かるように、上部加熱炉１３（ヒータ１３ａ～１３ｄ）は、容器２０の周囲だけでなく、容器２０の上部及び押し棒２２ａ～２２ｄの周囲にも配置されており、容器２０の上部及び押し棒２２ａ～２２ｄも加熱することができる。上部加熱炉１３によって押し棒２２ａ～２２ｄを加熱することにより、押し棒２２ａ～２２ｄを介して、容器２０に充填された鉱石層ＳＯやコークス層Ｃの温度が低下することを抑制できる。なお、本実施形態では、上部加熱炉１３（ヒータ１３ａ～１３ｄ）を用いて、容器２０及び押し棒２２ａ～２２ｄを加熱しているが、これに限るものではない。例えば、容器２０を加熱するための加熱炉と、押し棒２２ａ～２２ｄを加熱するための加熱炉とを別々に設けることもできる。

押し棒２２ａは、第１領域Ａ１内のコークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯに所定の荷重を与えるために用いられる。押し棒２２ｂは、第２領域Ａ２内のコークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯに所定の荷重を与えるために用いられる。押し棒２２ｃは、第３領域Ａ３内のコークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯに所定の荷重を与えるために用いられる。押し棒２２ｄは、第４領域Ａ４内のコークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯに所定の荷重を与えるために用いられる。

押し棒２２ａ～２２ｄによってコークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯに与える荷重は、互いに等しくすることができる。また、押し棒２２ａ～２２ｄのうち、少なくとも２つの押し棒によってコークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯに与える荷重を互いに異ならせることもできる。すなわち、複数の押し棒２２ａ～２２ｄには、充填物に第１荷重を与える押し棒と、充填物に第１荷重とは異なる第２荷重を与える押し棒とを含めることができる。
具体的な荷重は、実炉内におけるコークス層及び鉱石層の充填状態を考慮して、適宜決めることができる。

押し棒２２ａ～２２ｄによってコークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯに与える荷重を互いに異ならせる場合としては、例えば、高炉に対するコークス及び鉱石の装入物分布などを考慮して荷重を設定することができる。ここで、第４領域Ａ４は、高炉の炉壁に最も近い領域となるが、この領域では、炉壁によって装入物（コークスや鉱石）が支えられやすくなるため、他の領域Ａ１～Ａ３よりも荷重を低くすることができる。また、第１領域Ａ１は、高炉の炉中心に相当する領域となるが、この領域では、鉱石量及びコークス量の比（Ｏ／Ｃ）に関して、他の領域よりもコークス量が多く装入されることがある。コークスの密度は鉱石の密度よりも低いため、第１領域Ａ１での荷重を他の領域Ａ２，Ａ３での荷重よりも低くすることができる。

図１に示すように、本実施形態では、押し棒２２ａ～２２ｄのそれぞれに、変位計２３が設けられている。各変位計２３は、各押し棒２２ａ～２２ｄの変位量を検出し、この検出結果に基づいて、容器２０の内部における鉱石層ＳＯの収縮率を算出することができる。収縮率とは、鉱石層ＳＯの層厚の変化率であり、鉱石層ＳＯの収縮による層厚の減少量の、加熱前（塊状状態）の鉱石層ＳＯの層厚に対する比として算出される。鉱石層ＳＯについて、各領域Ａ１～Ａ４の収縮率を算出することにより、鉱石層ＳＯの軟化溶融状態を把握することができる。

押し棒２２ｄは、好ましくは、図２に示すように温度センサ（熱電対等）２５を容器２０の外部から容器２０の内部まで挿入するための挿入孔２２ｄ１を有する。温度センサ２５を容器２０の内部まで挿入することにより、コークス層Ｃや鉱石層ＳＯの温度を測定することができる。温度センサ２５の挿入深さを変更することにより、コークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯの積層方向における任意の位置の温度を測定することができる。図２では、押し棒２２ｄに挿入孔２２ｄ１が設けられているが、他の押し棒２２ａ～２２ｃにも、温度センサ２５を挿入するための挿入孔を設けることができる。これにより、各領域Ａ１～Ａ４におけるコークス層Ｃや鉱石層ＳＯの温度を測定することができる。

押し棒２２ｃは、好ましくは、図２に示すように、サンプリング管２６を容器２０の外部から容器２０の内部まで挿入するための挿入孔２２ｃ１を有する。サンプリング管２６を容器２０の内部まで挿入することにより、サンプリング管２６を介してコークス層Ｃや鉱石層ＳＯの圧力を測定したり、サンプリング管２６を介してコークス層Ｃや鉱石層ＳＯのガスを収集して、このガスの組成を測定したりすることができる。サンプリング管２６の挿入深さを変更することにより、コークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯの積層方向における任意の位置において、圧力やガス組成を測定することができる。図２では、押し棒２２ｃに挿入孔２２ｃ１が設けられているが、他の押し棒２２ａ，２２ｂ，２２ｄにも、サンプリング管２６を挿入するための挿入孔を設けることができる。これにより、各領域Ａ１～Ａ４における圧力やガス組成を測定することができる。

上述したように、各領域Ａ１～Ａ４の温度、圧力、ガス組成を測定することにより、実炉の融着帯を含む部分において、コークス層Ｓ中や鉱石層ＳＯ中のガスの流れ、鉱石の還元反応及びコークスのガス化反応の挙動を推定することができる。具体的には、各領域Ａ１～Ａ４の圧力を測定することにより、ガスの流れを間接的に把握することができる。また、各領域Ａ１～Ａ４のガス組成を測定することにより、還元反応やガス化反応の挙動を把握することができる。

反応装置１を使用するときには、押し棒２２ａ～２２ｄによって、容器２０に充填されたコークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯに所定の荷重を与えた状態において、上部加熱炉１３によって容器２０を加熱するとともに、下部加熱炉１２によって加熱された還元ガスを容器２０に供給する。これにより、容器２０に充填された鉱石を軟化溶融させることができる。

本実施形態では、上述したように、容器２０の内部において温度分布を発生させているため、領域Ａ１～Ａ４のそれぞれにおいて、鉱石の状態が異なる。図５に示すように、第１領域Ａ１では、鉱石が滴下状態にあり、コークス層Ｃだけが存在している。鉱石は、溶鉄及び溶融スラグとしてコークス層Ｃを滴下し、容器２０の底面部２０ａの開口部２１から排出される。第２領域Ａ２では鉱石が溶融状態にあり、第３領域Ａ３では鉱石が軟化状態にあり、第４領域Ａ４では鉱石が塊状状態にある。

鉱石が塊状状態、軟化状態、溶融状態、滴下状態の順に変化することにより、鉱石層ＳＯの厚みが段階的に減少する。ここで、押し棒２２ａ～２２ｄは、領域Ａ１～Ａ４にそれぞれ独立して荷重を与えているため、鉱石層ＳＯの厚みの変化に追従することができ、鉱石の状態に応じて押し棒２２ａ～２２ｄの高さ方向位置が変化する。このように、押し棒２２ａ～２２ｄを鉱石層ＳＯの厚みの変化に追従させることにより、鉱石の状態に応じた充填構造を再現することができる。

第４領域Ａ４（塊状状態）において、還元ガスは、コークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯにおいて、ほぼ鉛直上方（図５の上方向）に流れる。一方、鉱石が軟化・溶融すると、鉱石融着層における還元ガスの通気性が低下するため、第３領域Ａ３（軟化状態）や第２領域Ａ２（溶融状態）では、還元ガスがコークス層Ｃに偏流して、還元ガスの流れの方向は鉛直上方から水平方向に徐々に変化する。第１領域Ａ１では、コークス層Ｃだけが固体として存在しているため、還元ガスは、鉛直方向及び水平方向に連通した隙間を有するコークス層を伝って上昇する。これにより、高炉内において、塊状状態、軟化状態、溶融状態及び滴下状態を含む鉱石層における還元ガスの流れを模擬することができる。

本実施形態によれば、少なくとも上部加熱炉１３（ヒータ１３ａ～１３ｄ）によって各領域Ａ１～Ａ４の温度を独立して設定することができるため、実炉の炉内の半径方向における温度分布を模擬することができ、炉内の半径方向の位置に応じて変化する鉱石層ＳＯの４つの状態（塊状状態、軟化状態、溶融状態及び滴下状態）を模擬することができる。また、領域Ａ１～Ａ４毎に設けられた押し棒２２ａ～２２ｄを用いることにより、実炉の炉内の半径方向における荷重分布を模擬することができる。

容器２０の内部において、４つの領域Ａ１～Ａ４を設定することにより、炉内における鉱石の４つの状態（塊状状態、軟化状態、溶融状態、滴下状態）を模擬することができる。ただし、容器２０の内部に設定される領域の数は、４つに限るものではなく、５つ以上とすることができる。この領域の数を増やすほど、炉内の半径方向における温度分布や荷重分布をより詳細に模擬することができる。容器２０の内部に５つ以上の領域を設定した場合において、少なくとも２つの領域は、鉱石の４つの状態のうちの１つの状態を示す領域として特定することができる。また、容器２０の内部に設定される領域の数は、２つ又は３つとしてもよい。例えば、容器２０の内部に３つの領域が設定されるとき、鉱石の４つの状態のうちの状態変化の前後関係にあるいずれか２つの状態（例えば、軟化状態と溶融状態）は、ある１つの領域によって簡易的に模擬される。

以上説明した反応装置を用いて、炉内の融着帯付近における充填状態を模擬できているかを確認した。

図２に示すように、容器２０の内部に焼結鉱（粒径１０～１５［ｍｍ］）及びコークス（粒径１５～２０［ｍｍ］）を充填して、コークス層Ｃ及び鉱石層ＳＯを交互に形成した。コークス層Ｃの厚さを８０［ｍｍ］とし、鉱石層ＳＯの厚さを１２０［ｍｍ］とした。また、容器２０の上面部に配置されるコークス層Ｃの厚さを２０［ｍｍ］とした。押し棒２２ａ～２２ｄによって与える荷重は、互いに等しい値（９８［ｋＰａ］）とした。

図６には、上部加熱炉１３における昇温パターンを示す。図６において、横軸は時間［ｍｉｎ］であり、縦軸は上部加熱炉１３（各ヒータ１３ａ～１３ｄ）の温度［℃］である。具体的には、図６は、上部加熱炉１３のうち、４つの領域Ａ１～Ａ４のそれぞれに対応するヒータ１３ａ～１３ｄの昇温パターンを示す。各ヒータ１３ａ～１３ｄの昇温速度としては、常温から５００［℃］までは５［℃／ｍｉｎ］とし、５００［℃］から８００［℃］までは６［℃／ｍｉｎ］とし、８００［℃］から１５００［℃］までは７［℃／ｍｉｎ］とした。

図７には、下部加熱炉１２における昇温パターンを示す。図７において、横軸は時間［ｍｉｎ］であり、縦軸は下部加熱炉１２（各ヒータ１２ａ～１２ｄ）の温度［℃］である。具体的には、図７は、下部加熱炉１２のうち、４つの領域Ａ１～Ａ４のそれぞれに対応するヒータの昇温パターンを示す。下部加熱炉１２の各ヒータの昇温速度としては、常温から５００［℃］までは５［℃／ｍｉｎ］とし、５００［℃］から８００［℃］までは６［℃／ｍｉｎ］とし、８００［℃］から１５００［℃］までは７［℃／ｍｉｎ］とした。

図８には、容器２０に供給される還元ガスのパターンを示す。図８において、横軸は第２領域Ａ２の温度［℃］であり、縦軸は還元ガスの流量［ＮＬ／ｍｉｎ］である。第２領域Ａ２の温度は、ヒータ１３ｂの設定温度である。還元ガス供給装置３０は、図８に示すパターンにしたがって還元ガス（Ｎ_２，ＣＯ，ＣＯ_２）を供給する。

図９には、容器２０の内部（各領域Ａ１～Ａ４）に挿入された温度センサ２５（図２参照）の測定結果を示す。図９において、横軸は時間［ｍｉｎ］であり、縦軸は、温度センサ２５によって測定された温度［℃］であって、容器２０内の上部における温度である。図９から分かるように、第１領域Ａ１と第４領域Ａ４の温度差は、最大で２５０［℃］程度であった。図９に示す領域Ａ１～Ａ４の温度分布によれば、容器２０内において温度分布が発生しており、鉱石の４つの状態（塊状状態、軟化状態、溶融状態、滴下状態）を模擬し得ることが分かる。

図１０には、各領域Ａ１～Ａ４の収縮率の変化を示す。図１０において、横軸は時間［ｍｉｎ］であり、縦軸は各領域Ａ１～Ａ４の収縮率［％］である。各領域Ａ１～Ａ４の収縮率は、押し棒２２ａ～２２ｄのそれぞれに設けられた変位計２３の測定結果に基づいて算出した。本実施例では、２５０分が経過したときに、下部加熱炉１２及び上部加熱炉１３による加熱を停止した。図１０から分かるように、領域Ａ１～Ａ４では、鉱石層ＳＯの収縮率が異なっているが、これは、領域Ａ１～Ａ４が鉱石層の状態（塊状状態、軟化状態、溶融状態、滴下状態）をそれぞれ模擬し得ることを示す。

１：反応装置、１０：ガイド管、１１：アルミナ球充填層、１２：下部加熱炉、
１３：上部加熱炉、１３ａ～１３ｄ：ヒータ、２０：容器、２０ａ：底面部、
２１：開口部、２２ａ～２２ｄ：押し棒、２２ｃ１，２２ｄ１：挿入孔、２３：変位計、
２４：荷重機、２５：温度センサ、２６：サンプリング管

Claims (12)

1. 高炉融着帯を模擬するための反応装置であって、
   鉱石及びコークスを含む充填物が充填可能であり、所定組成のガスを取り込むとともに鉱石の溶融によって生成された滴下物を排出させる開口部を底面部に備えた容器と、
   前記容器内の前記充填物の上面に沿って所定方向に並べられ、前記容器内の前記充填物に対して上方から荷重をそれぞれ与える複数の押し棒と、
   前記容器内の前記充填物のうち、前記複数の押し棒から荷重を受ける複数の領域をそれぞれ加熱する複数のヒータを備えた加熱炉と、
   を有することを特徴とする反応装置。
2. 前記複数の押し棒は、前記充填物に第１荷重を与える前記押し棒と、前記充填物に前記第１荷重とは異なる第２荷重を与える前記押し棒とを含むことを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
3. 前記容器は直方体に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の反応装置。
4. 前記押し棒の数は４つ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の反応装置。
5. 前記充填物としての鉱石及びコークスは、実炉に装入される際の装入物分布を模擬して充填されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の反応装置。
6. 前記充填物としての鉱石は、実炉に装入される鉱石の粒度分布を有し、
   前記充填物としてのコークスは、実炉に装入されるコークスの粒度分布を有することを特徴とする請求項５に記載の反応装置。
7. 前記充填物としての鉱石は、実炉に装入される鉱石層の層厚と等しい層厚で充填され、
   前記充填物としてのコークスは、実炉に装入されるコークス層の層厚と等しい層厚で充填されることを特徴とする請求項５又は６に記載の反応装置。
8. 前記充填物としての鉱石及びコークスは、実炉に装入される鉱石とコークスの装入量の比であるＯ／Ｃと等しい装入量の比で充填されることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の反応装置。
9. 前記開口部から前記容器内に取り込まれる前記ガスを加熱する加熱炉をさらに有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の反応装置。
10. 前記容器に対して前記ガスの流路の上流側に配置され、セラミックス製の球体が充填された球体充填層をさらに有し、
    前記ガスを加熱する加熱炉は、前記球体充填層を加熱することを特徴とする請求項９に記載の反応装置。
11. 前記複数の押し棒の変位量をそれぞれ測定する複数の変位計を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の反応装置。
12. 前記押し棒は、前記容器内の所定情報を取得するセンサ又はサンプリング管を前記容器内に挿入するための挿入孔を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の反応装置。

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