JPWO2013172043A1 - 高炉への原料装入方法 - Google Patents

Abstract

焼結鉱、ペレット、塊状鉱石などの鉱石類原料及びコークスの高炉装入原料を、旋回シュートを用いて高炉内へ装入する高炉操業方法において、前記鉱石類原料と前記コークスとを混合した混合原料として高炉内へ装入することにより、高炉内に混合層を形成するに際し、高炉軸心部を０、炉壁部を１．０とする高炉無次元半径において、少なくとも当該無次元半径が０．７〜１．０の炉壁周辺領域については、混合層中におけるコークスと鉱石類原料の粒径比を３倍以下とすることにより、鉱石類原料とコークスとを混合層として炉内装入する場合に、鉱石とコークスの粒径差に起因して発生が懸念される通気性の劣化を有利に解消する。

Description

本発明は、炉内への原料装入を旋回シュートで行う高炉への原料装入方法に関するものである。

高炉は、一般的に焼結鉱、ペレット、塊状鉱石等の鉱石類原料とコークスとを炉頂から層状に装入し、羽口より燃焼ガスを流して、銑鉄を得る。装入された高炉装入原料であるコークスと鉱石類原料は炉頂より炉下部へと降下し、鉱石の還元と原料の昇温が起こる。鉱石類原料層は、昇温と上方からの荷重により鉱石類原料間の空隙を埋めながら徐々に変形して、高炉のシャフト部の下方においては非常に通気抵抗が大きくガスが殆ど流れない融着層を形成する。

従来、高炉への原料装入は、鉱石類原料とコークスを交互に装入しており、炉内では鉱石類原料層とコークス層が交互に層状となっている。また、高炉内下部には、融着帯と呼ばれる、鉱石が軟化融着した通気抵抗の大きな鉱石類原料層とコークス由来の比較的通気抵抗が小さいコークススリットとが混在する領域が存在する。
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。低コークス操業を行う場合、使用されるコークス量が減少することからコークススリットが非常に薄くなることが考えられる。

融着帯の通気抵抗を改善するためには、鉱石類原料層にコークスを混合することが有効であることが知られており、適切な混合状態を得るために多くの研究が報告されている。
例えば、特許文献１においては、ベルレス高炉において、鉱石ホッパーのうち下流側の鉱石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積層し、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するようにしている。

また、特許文献２では、炉頂のバンカーに鉱石とコークスとを別々に貯留して、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及び混合装入用バッチの３通りを同時に行うようにしている。

さらに、特許文献３では、高炉操業における融着帯形状の不安定化及び中心部付近におけるガス利用率の低下を防止し、安全操業と熱効率の向上を図るために、高炉における原料装入方法おいて、全鉱石と全コークスを完全混合した後炉内に装入するようしている。

特開平３−２１１２１０号公報 特開２００４−１０７７９４号公報 特公昭５９−１０４０２号公報

融着帯の通気抵抗を改善するためには、前述した特許文献３に記載された従来例のように、鉱石層にコークスを混合することが有効であることが知られている。
一方で、鉱石とコークスには粒径差が存在する。特にコークスを多量に混合する場合には、小塊コークスに加え、粒径の大きな塊コークスを混合することから、鉱石とコークスの粒径差が大きくなる。

粒径の異なる粒子を混合すると、粒径比および混合比率に応じて空隙率が低下することが知られており、コークスの多量混合時には、融着帯の通気性は改善されるものの、高炉塊状帯（混合原料充填層）の通気性は劣化する。
従って、粒径差の大きなコークスを用いて混合層を形成した場合、総合的な炉内通気性の悪化が懸念される。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、鉱石類原料とコークスとを完全混合層として炉内装入する場合に、コークスと鉱石の粒径差に起因して発生が懸念される通気性の劣化を有利に解消した高炉への原料装入方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．焼結鉱、ペレット、塊状鉱石などの鉱石類原料及びコークスの高炉装入原料を、旋回シュートを用いて高炉内へ装入する高炉操業方法において、
前記鉱石類原料と前記コークスとを混合した混合原料として高炉内へ装入することにより、高炉内に混合層を形成するに際し、高炉軸心部を０、炉壁部を１．０とする高炉無次元半径において、少なくとも当該無次元半径が０．７〜１．０の炉壁周辺領域については、混合層中におけるコークスと鉱石類原料の粒径比（コークス粒径／鉱石類原料粒径）を３倍以下とすることを特徴とする高炉への原料装入方法。

２．前記コークスと前記鉱石類原料の粒径比を２倍以下とすることを特徴とする前記１に記載の高炉への原料装入方法。

３．前記高炉装入原料を高炉内に装入するに際し、高炉の軸心部に中心コークス層を形成することを特徴とする前記１または２に記載の高炉への原料装入方法。

本発明によれば、鉱石類原料とコークスとを完全混合層として高炉内に装入する場合に、コークスと鉱石の粒径差に起因して発生が懸念される通気性の劣化を防止して、良好な炉内通気性の下で安定した高炉操業を実現する。

本発明の高炉への原料装入方法の一実施形態を示す模式図である。 鉱石類原料に対する粒径比が３．０と２．０のコークスを用い、かかるコークスの混合割合を種々に変化させた場合における、混合層の空隙率の推移を示す図である。 炉頂バンカーを含む原料装入状態を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による高炉への原料装入方法の一実施形態を模式的に示す図である。
図中、符号１は、焼結鉱、ペレット及び塊状鉱石の少なくとも一つからなる鉱石類原料２を貯蔵する鉱石類原料ホッパー、３はコークス４を貯蔵するコークスホッパーである。これら鉱石原料ホッパー１及びコークスホッパー３から所定比率で切出された鉱石類原料２及びコークス４は鉱石コンベア５によって上方に搬送されてリザービングホッパー６に鉱石類原料２及びコークス４が混合されて高炉装入原料７として貯留される。このリザービングホッパー６から切出された高炉装入原料７は装入コンベア８によって高炉１０の炉頂に搬送され、レシービングシュート１１を介して複数例えば３つの炉頂バンカー１２ａ〜１２ｃの１つ例えば１２ｂに投入されて貯留される。なお、炉頂バンカー１２ｂに貯留される鉱石類原料及びコークスの混合原料は、コークス量が全コークス量の３０質量％以下となるように調整されている。

ここで、コークス量を全コークス量の３０質量％以下に調整する理由は以下のとおりである。鉱石類原料ホッパー１及びコークスホッパー３から切出された鉱石類原料２及びコークス４は、鉱石コンベア５で、鉱石類原料２上にコークス４が積層された状態で、リザービングホッパー６に投入されることにより、このリザービングホッパー６で鉱石類原料２とコークス４とが混合されて混合原料となる。しかしながら、コークス４と鉱石類原料２とで比重差及び粒子径差があるので、リザービングホッパー６に貯留された混合原料が装入コンベヤ８でレシービングシュート１１まで搬送される間に、装入コンベア８上で偏析するおそれがあり、さらにレシービングシュート１１を介して炉頂バンカー１２ｂに投入される際にも、偏析するおそれがある。
このとき、混合させるコークス量が全コークス量の３０質量％以下であれば、炉頂バンカー１２ｂに貯留された時点で、コークスと鉱石類原料とで大きな偏析を生じることはなく、旋回シュート１６によって形成される鉱石類原料とコークスとの混合層の混合率を略均一にすることができる。

これに対して、コークス量が全コークス量の３０質量％を超えると比重差及び粒子径差による偏析が起こりやすくなり、炉頂バンカー１２ｂに貯留された時点でコークスと鉱石類原料との偏析が大きくなり、局所的に鉱石類原料のみやコークスのみが存在する領域が発生してしまう。

ところで、高炉塊状帯（混合原料充填層）の通気性は、空隙率によって決まり、混合層中のコークスと鉱石類原料との粒径差が大きい場合には空隙率が低下する一方、これらの粒径差が小さくなると空隙率の低下は抑制される。
ここで、鉱石類原料およびコークスの大きさについて説明すると、鉱石類原料は粒径差はさほど大きくなく、通常５〜２５mm程度（平均で１０mm程度）である。これに対し、コークスは粒径差が大きく、１０〜６０mmと幅がある。通常、粒径が３０〜６０mm程度のものは塊コークス、一方粒径が１０〜３０mm程度のものは小中塊コークスと呼ばれている。

また、高炉は、円筒形の反応容器であるため、同じ半径方向断面においても、外周部すなわち炉壁周辺部の方がガス流量が大きい。そのため、炉壁周辺部の通気性が、総合的な高炉の通気性に大きく影響を及ぼしている。

そこで、発明者らは、コークスと鉱石類原料との粒径比が混合層の空隙率に及ぼす影響について調査した。
実験は、鉱石類原料に対する粒径比が種々に異なるコークスを用い、かかるコークスの混合割合を種々に変化させることにより行った。ここで、混合層中におけるコークスの割合は、通常、（コークス量／鉱石類原料量）比で７〜２５質量％程度であるが、これは全コークス量に対する比率に換算すると約２０〜９５％となる。

なお、混合層中の空隙率は、高炉内の圧力損失をエルガン（Ｅｒｇｕｎ）によって提案されている下記（１）式を用いて推定した。実験は、所定混合量の混合層にガスを流し、そのときに得られる圧力損失から、空隙率を算出した。
記
△Ｐ／△Ｌ＝１５０{（１−εｒ）²μ・ｕ／εｒ³（φ・ｄｐ）²}
＋１．７５{（１−εｒ）ρ・ｕ²／εｒ³（φ・ｄｐ）} ・・・（１）
ここで、
ΔＰ：高炉内の圧力損失（Ｐａ）
ΔＬ：圧力測定の２点間の距離（ｍ）
εｒ：炉内の実質的な空隙率（−）
μ：流体の粘度（Ｐａ・ｓ）
ｕ：流体の速度（ｍ／ｓ）
ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ³）
φ：粒子の形状係数（−）
ｄｐ：粒子の平均粒径（ｍ）

図２は、コークスとして、鉱石類原料に対する粒径比が３．０の塊コークスと粒径比が２．０の小中塊コークスを用いた場合について示しているが、同図に示したとおり、コークスと鉱石類原料の粒径比が３．０以下であれば空隙率の低下は小さく、特に好ましくは粒径比：２．０以下であるとこが分かる。
従って、コークスと鉱石類原料の粒径比を３．０以下にしてやれば、高炉の通気性の悪化を効果的に防止できるわけである。

次に、発明者らは、コークスと鉱石類原料の粒径比：３．０以下の混合層を形成すべき炉内領域について検討した。
その結果、高炉の炉内半径を、高炉軸心部を０、炉壁部を１．０とする高炉無次元半径で表したとき、少なくともこの無次元半径が０．７〜１．０となる炉壁周辺領域について、上記のような粒径比が小さい混合層を形成すれば良いことが突き止められた。
なお、無次元半径が０．７以下の領域については、特別に粒径比を３．０以下とするような粒径比制御を行う必要はなく、コークスとしては塊コークスや小中塊コークスが混在した通常のコークスを使用しても、炉内通気性の悪化はほとんどないことも併せて知見された。

次に、本発明に従い、高炉内に鉱石類原料及びコークスを装入する具体的な装入要領を、図３に基づいて説明する。
なお、この例で、炉頂バンカー１２ｂには小中塊コークスのみが、また炉頂バンカー１２ａには粒度選別をしていない通常のコークスが、さらに炉頂バンカー１２ｃには鉱石類原料のみが、それぞれ貯留されている。
また、旋回シュート１６は、高炉１０の軸心を中心に旋回すると同時に高炉１０の軸心部から炉壁側へ向かって傾動するように逆傾動制御される、いわゆる逆傾動制御方式で原料装入を行う場合について説明する。
さらに、高炉の軸心部に中心コークス層を形成する場合について説明する。

さて、炉頂バンカーからの原料装入順序としては、まず、旋回シュート１６の原料装入先を高炉の軸心部とし、通常のコークスを貯留した炉頂バンカー１２ａからコークスのみを排出することによって、高炉の軸心部に中心コークス層１７を形成する。
すなわち、旋回シュート１６が略垂直状態に傾動している状態では、炉頂バンカー１２ｂ及び１２ｃの流量調整ゲート１３を閉じ、炉頂バンカー１２ａのみの流量調整ゲート１３を開き、この炉頂バンカー１２ａに貯留されているコークスのみを旋回シュート１６に供給することによって、図３に示すように、軸心部に中心コークス層１７を形成する。

この際、原料ストックライン高さにおけるコークスの落下位置は、高炉無次元半径において０以上、０．３以下とすることが望ましい。この理由は、コークスの一部を炉軸心部に集めることによって、軸心部での通気性ひいては高炉全体の通気性を効果的に改善することができるからである。
なお、中心コークス層を形成するために装入されるコークス量は、１チャージ当たりのコークス装入量の５〜３０質量％程度とするのが好ましい。というのは、軸心部へのコークス装入量が５質量％に満たないと軸心部周辺の通気性の改善が十分でなく、一方３０質量％より多いコークスを軸心部に集中させた場合には、混合層に使用するためのコークス量が低下するだけでなく、軸心部をガスが流れすぎてやはり炉体からの抜熱量が増加するからである。好ましくは１チャージ当たりのコークス装入量の１０〜２０質量％がよい。

次に、炉頂バンカー１２ａおよび１２ｃから同時に、通常のコークスと鉱石類原料とを排出し、集合ホッパー１４で混合したのち、旋回シュート１６に供給することによって、中心コークス層１７の外側、すなわち高炉無次元半径で０．７となる領域について鉱石類原料とコークスとの混合層１９−１を形成する。
ついで、高炉無次元半径で少なくとも０．７以上１．０以下の炉壁周辺領域については、コークスの排出バンカーを炉頂バンカー１２ａから炉頂バンカー１２ｂに変更し、コークスとして小中塊コークスを排出し、鉱石類原料と混合したのち、旋回シュート１６を介して炉壁周辺領域に混合層１９−２を形成する。
そして、上記のような原料装入方式を繰り返して炉内への原料装入を行いつつ、高炉操業を継続するのである。
なお、炉頂バンカーから同時に、通常のコークスと鉱石類原料とを排出し、集合ホッパーで混合したのち、旋回シュートに供給することによって混合層１９を得ることとして説明したが、炉頂バンカーに偏析の生じない範囲の混合させるコークス量が全コークス量の３０質量％以下とした鉱石類原料とコークスとを予め混合した混合原料を用い、必要な混合量制御のため、他の炉頂バンカーから、通常のコークスあるいは鉱石類原料とを混合原料と同時に排出し、集合ホッパーで必要量混合したのち、旋回シュートに供給することによって、中心コークス層の外側に鉱石類原料とコークスとの混合層を形成してもかまわない。

なお、高炉操業中はシャフト圧力を注視しておき、本発明に従う高炉装入を継続して行っている際に、シャフト圧力に異常が検知されたときは、原料の装入方式を、通常の鉱石類原料層とコークススリットとを個別に形成する方式に切り替え、その後、シャフト圧力の異常が解消されたら、再度、本発明に従う装入方式に切り替えて操業を行うようにすることが有利である。

表１に示すように、コークスと鉱石類原料の粒径比（コークス粒径／鉱石類原料粒径）を種々に変化させた条件下で、高炉操業を行った。
各操業条件で実施した際のガス利用率および充填層の圧力損失ΔＰ／Ｖについて調べた結果を、表１に比較して示す。

同表に示したとおり、本発明に従い、コークスと鉱石類原料の粒径比（コークス粒径／鉱石類原料粒径）を３倍以下とした場合には、コークス比を低減させたにもかかわらず、ガス利用率は向上し、また充填層の圧力損失ΔＰ／Ｖは低減している。

１ 鉱石類粉ホッパー
２ 鉱石類原料
３ コークスホッパー
４ コークス
５ 鉱石コンベア
６ リザービングホッパー
７ 高炉装入原料
８ 装入コンベア
１０ 高炉
１１ レシービングシュート
１２ａ〜１２ｃ 炉頂バンカー
１３ 流量調整ゲート
１４ 集合ホッパー
１５ ベルレス式装入装置
１６ 旋回シュート
１７ 中心コークス層
１９−１ 混合層
１９−２ 混合層（粒径比調整）

Claims (3)

1. 焼結鉱、ペレット、塊状鉱石などの鉱石類原料及びコークスの高炉装入原料を、旋回シュートを用いて高炉内へ装入する高炉操業方法において、
   前記鉱石類原料と前記コークスとを混合した混合原料として高炉内へ装入することにより、高炉内に混合層を形成するに際し、高炉軸心部を０、炉壁部を１．０とする高炉無次元半径において、少なくとも当該無次元半径が０．７〜１．０の炉壁周辺領域については、混合層中におけるコークスと鉱石類原料の粒径比（コークス粒径／鉱石類原料粒径）を３倍以下とすることを特徴とする高炉への原料装入方法。
2. 前記コークスと前記鉱石類原料の粒径比を２倍以下とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉への原料装入方法。
3. 前記高炉装入原料を高炉内に装入するに際し、高炉の軸心部に中心コークス層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の高炉への原料装入方法。

Images