JPWO2019187997A1

JPWO2019187997A1 - 高炉の原料装入方法

Info

Publication number: JPWO2019187997A1
Application number: JP2019526618A
Authority: JP
Inventors: 和平市川; 泰志小笠原; 佐藤　健; 健佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: JP6558519B1

Abstract

ベルレス式装入装置を有する高炉おいて小塊コークスと鉱石の混合層を炉内に形成するに当たり、炉心コークスの細粒化を防止しつつ、鉱石の還元反応を促進する。炉頂部に複数の主ホッパーと、主ホッパーよりも容量の小さい副ホッパーを有するベルレス装入装置を備えた高炉の原料装入方法であって、複数の主ホッパーのうちの１つ以上に投入された鉱石を排出して旋回シュートにより炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する際に、鉱石の装入を開始した後、少なくとも、１バッチで装入する前記鉱石全量の１５質量％の装入が完了するまでは、旋回シュートから鉱石のみを装入し、それ以降の任意の時点から、副ホッパーに投入された小塊コークスの排出を開始し、それ以降の任意の期間、旋回シュートから鉱石とともに小塊コークスを装入する。

Description

本発明は、ベルレス式装入装置を有する高炉の原料装入方法に関する。

近年、地球温暖化防止の観点からＣＯ_２削減が求められている。鉄鋼業においてはＣＯ_２排出量の約７０％が高炉によるものであり、高炉におけるＣＯ_２排出量の削減が求められる。高炉におけるＣＯ_２削減は、高炉で使用するコークス、微粉炭、天然ガスなどの還元材の削減により可能である。

一方で、還元材、特にコークスを削減する場合、炉内通気性を担保しているコークスが減少するので炉内通気抵抗が増加する。一般的な高炉では、炉頂から装入された鉱石が軟化を開始する温度に到達すると、上部に存在する原料の自重により空隙を埋めながら変形する。このため、高炉下部では、鉱石層の通気抵抗が非常に大きく、ガスがほとんど流れない融着帯が形成される。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。

従来、融着帯の通気抵抗を改善するために多くの検討がなされている。その１つとして、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。これに関して、例えば、特許文献１には、ベルレス式高炉において、鉱石ホッパーのうち下流側の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堆積させた後、炉頂ホッパーに装入し、旋回シュートを通じて鉱石とコークスを高炉内に装入することで鉱石にコークスを均一に混合する方法が開示されている。特許文献２には、炉頂のホッパーに鉱石とコークスを別々に貯留して、コークスと鉱石を同時に混合装入することで、コークスの中心装入と鉱石及びコークスの混合装入とを常時円滑に行う方法が開示されている。

鉱石とコークスを均一に混合することによる効果を得るには、高炉への原料装入方法や装入装置に関する検討も重要であり、従来から多くの検討がなされている。特許文献３には、高炉原料貯蔵用ホッパーと分配シュートを連通する原料の主供給通路に対し、副供給通路から原料の供給を行う原料装入方法が開示されている。特許文献３には、主原料の装入時間に合わせて順次副原料を混入させて炉内に供給する態様が開示されている。

特許文献４には、複数の主ホッパーから同時に複数原料を装入する高炉への原料装入方法が開示されている。しかしながら、高炉への原料装入時には、主ホッパー内を高炉内雰囲気に置換するための均排圧時間が必要となるので、生産量の維持のためには少量原料のみでのホッパー使用は困難である。

特許文献５には、少量原料の装入のために、通常のホッパー（第１ホッパー）に加えて小型の第２ホッパーを設置し、原料種に応じて、第１ホッパーからの主原料の装入の合間若しくは主原料の装入と同時に第２ホッパーから原料を装入する方法が開示されている。特許文献５では、主原料である鉱石を収容する第１ホッパー内の予め決められたレベルに劣質鉱石を収容しておき、高炉への装入時に、第１ホッパーから排出する鉱石がファンネルフロー排出特性に基づいて炉内に装入されるタイミングに合わせて、第２ホッパーから篩下コークスを排出することで、劣質鉱石と篩下コークスの混合を促進させている。高炉上部に設置されたホッパーは、上述したように、ホッパーへの原料貯蔵時には大気雰囲気に置換し、高炉への原料排出時には高炉内雰囲気に置換する均排圧時間が必要となるので、生産量の維持のためには、少量原料のみでのホッパー使用は困難である。特許文献５に開示された第２ホッパーは、この問題を解消するために設置されており、単独で少量原料の装入が可能となり、少量原料を有効に利用できるとしている。

特開平３−２１１２１０号公報特開２００４−１０７７９４号公報特開昭５７−２０７１０５号公報国際公開２０１３／１７２０４５号特許３９４８３５２号公報

清水ら、「高炉炉芯コークス層の制御に関する基礎的検討」、鉄と鋼、社団法人日本鉄鋼協会、１９８７年、第７３巻、Ｓ７５４

上述したとおり、小塊コークスなどの少量原料を効果的に高炉に装入できれば、炉内通気性が改善できるので、高炉還元材比の低減に有効である。一方で、これら少量原料と鉱石などの主原料は、それらの密度差と粒径差に起因して偏析するので、その制御が求められる。これに対しては、上述した特許文献３や特許文献５のように、原料を高炉内に装入する際に複数のホッパーから異種の原料を同時に装入するといった対策が検討されている。

しかしながら、小塊コークスのような粒径の小さい原料は、炉中心部に装入されると、炉中心部を流れるガス流に対して抵抗が大きくなるので、安定な中心ガス流の形成を阻害する要因となることが知られている。非特許文献１に報告されるように、高炉無次元半径０．１２以下の領域に装入されたコークスは、融着帯の下方に形成される炉芯に供給される。この炉心コークスは、高炉の羽口から供給される酸素により燃焼することがなく、長期間炉内に滞留するものであるので、この炉心コークスの粒径が小さいと、長期間に亘って炉内通気性の低下や不安定化の原因となる。

このような課題は、特許文献３や特許文献５のように、原料を高炉内に装入する際に複数のホッパーから異種の原料を同時に装入するだけでは解決できない。

本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、ベルレス式装入装置を有する高炉において小塊コークスと鉱石の混合層を炉内に形成するに当たり、炉心コークスの細粒化を防止しつつ鉱石の還元反応を促進させ、これにより、高炉内の通気性の悪化を抑制しつつ還元性を改善できる高炉の原料装入方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］炉頂部に複数の主ホッパーと、前記主ホッパーよりも容量の小さい副ホッパーを有するベルレス装入装置を備えた高炉の原料装入方法であって、前記複数の主ホッパーのうちの１つ以上に投入された鉱石を排出して旋回シュートにより炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する際に、前記鉱石の装入を開始した後、少なくとも、１バッチで装入する前記鉱石全量の１５質量％の装入が完了するまでは、前記旋回シュートから前記鉱石のみを装入し、それ以降の任意の時点から、前記副ホッパーに投入された小塊コークスの排出を開始し、それ以降の任意の期間、前記旋回シュートから前記鉱石とともに前記小塊コークスを装入する、高炉の原料装入方法。
［２］前記副ホッパーに複数チャージ分の前記小塊コークスを投入し、前記副ホッパーから１チャージ分の前記小塊コークスを各バッチに分割して排出する、［１］に記載の高炉の原料装入方法。
［３］炉頂部に複数の主ホッパーと、前記主ホッパーよりも容量の小さい副ホッパーを有するベルレス装入装置を備えた高炉の原料装入方法であって、前記複数の主ホッパーのうちの１つ以上に投入された鉱石を排出して旋回シュートにより炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する際に、前記鉱石の装入開始と同時に又は装入開始後の任意の時点から、前記副ホッパーに投入された小塊コークスの排出を開始して、前記旋回シュートから前記鉱石とともに前記小塊コークスを装入し、少なくとも、１バッチで装入する前記鉱石全量の９０質量％の装入が完了する時点までに、前記小塊コークスの装入を停止する、高炉の原料装入方法。
［４］前記副ホッパーに複数チャージ分の前記小塊コークスを投入し、前記副ホッパーから１チャージ分の前記小塊コークスを各バッチに分割して排出する、［３］に記載の高炉の原料装入方法。
［５］１バッチで装入する前記鉱石全量の２７質量％の装入が完了した時点から４６質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度よりも高くする、［１］または［２］に記載の高炉の原料装入方法。
［６］１バッチで装入する前記鉱石全量の２７質量％の装入が完了した時点から４６質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度の１．５倍以上２倍以下とする、［５］に記載の高炉の原料装入方法。
［７］１バッチで装入する前記鉱石全量の５４質量％の装入が完了した時点から８３質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度よりも高くする、［３］または［４］に記載の高炉の原料装入方法。
［８］１バッチで装入する前記鉱石全量の５４質量％の装入が完了した時点から８３質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度の１．５倍以上２倍以下とする、［７］に記載の高炉の原料装入方法。
［９］高炉内の炉半径方向でのガス組成分布を測定して、炉半径方向でのＣＯガス利用率の分布を求め、前記ＣＯガス利用率が炉半径方向での平均値以上である炉半径方向領域において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の炉半径方向領域での排出速度よりも高くする、［１］から［４］の何れか１つに記載の高炉の原料装入方法。
［１０］高炉内の炉半径方向でのガス組成分布を測定して、炉半径方向でのＣＯガス利用率の分布を求め、前記ＣＯガス利用率が炉半径方向での平均値以上である炉半径方向領域において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の炉半径方向領域での排出速度の１．５倍以上２倍以下とする、［９］に記載の高炉の原料装入方法。
［１１］前記副ホッパーは、ホッパー本体および排出口を有し、前記副ホッパーは、前記ホッパー本体および前記排出口の中心軸が前記高炉の炉体中心軸と一致する位置に設けられる、［１］から［１０］の何れか１つに記載の高炉の原料装入方法。

本発明によれば、小塊コークスと鉱石の混合層を炉内に適正な状態で形成することができ、これにより、炉心コークスの細粒化とそれに伴う炉心部での通気性悪化を抑制しつつ鉱石の還元反応を促進させ、還元性を改善できる。

図１は、炉体上部を切り欠いた状態のベルレス装入装置１ａの全体斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図３は、炉体上部を切り欠いた状態のベルレス装入装置１ｂの全体斜視図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。図５は、旋回シュート４による原料の装入範囲を、無次元半径と装入比率との関係で示すグラフである。図６は、炉内の原料装入層最上部の縦断面図である。図７は、標準的な鉱石層厚の半径方向の分布を示すグラフである。図８は、原料の装入範囲および装入中心位置を無次元半径と装入比率との関係で示すグラフである。図９は、実施例で使用した模型試験装置の模式図である。図１０は、模型試験装置から排出された排出原料の分割回収方法を説明する図である。図１１は、炉中心側から炉壁側に向かって原料を順次装入した場合における混合コークス比率と装入比率との関係を示すグラフである。図１２は、炉壁側から炉中心側に向かって原料を順次装入した場合における混合コークス比率と装入比率との関係を示すグラフである。

鉱石層に小塊コークスを混合することは炉内通気性の改善に有効であるが、この場合、小塊コークスが炉芯部に残留することに起因する炉況悪化を防止する必要がある。鉱石に混合された小塊コークスは鉱石の反応を促進する役割を果たすので、後述するように鉱石の層厚が厚くなる領域でコークス混合率を高めることが望ましい。したがって、鉱石層に小塊コークスを混合する場合、これらを満たすように小塊コークスが炉内に装入されることが望ましい。

従来の原料装入装置を用いた場合には、主ホッパー内で小塊コークスを鉱石に事前混合し、高炉内に排出させることになる。その際、排出初期に小塊コークスが排出されないように、原料投入初期には鉱石のみが主ホッパーに投入され、その後、小塊コークスを含む原料が主ホッパーに投入される。しかしながら、主ホッパー内では鉱石と小塊コークスの密度差に起因した偏析が生じ、さらに、これらの原料は主ホッパーからファンネルフローで排出されるので、主ホッパーに投入したときの小塊コークスの混合比率とは異なる混合比率で排出される。このため、小塊コークスを上述したような好ましい混合形態に制御することは難しい。

そこで、本発明では、炉頂部に複数の主ホッパーと、この主ホッパーよりも容量の小さい副ホッパーとを有するベルレス装入装置を用い、複数の主ホッパーのうちの１つ以上の主ホッパーに鉱石を投入し、副ホッパーには複数チャージ分の小塊コークスを投入し、これら主ホッパーと副ホッパーからそれぞれ１チャージ分の鉱石と小塊コークスを複数のバッチに分割して排出する。このような原料装入では、主ホッパー及び副ホッパーからの原料の排出量を調整することで小塊コークスの混合比率を変更できるので、小塊コークスを好ましい混合形態に容易に制御できる。

本発明において小塊コークスとは、室炉式コークス炉で製造したコークスから高炉で使用する塊コークスを得る際に篩分けにより除去された小粒径の塊状コークスのことである。小塊コークスの平均粒径（Ｄ５０）は、通常、５〜２５ｍｍ程度である。

本発明において鉱石とは、鉄源である焼結鉱、塊鉱石、ペレットなどの１種以上を意味する。主にスラグの成分調整を目的とした副原料（例えば、石灰石、珪石、蛇紋岩など）が鉱石に混合される場合、鉱石は上記副原料を含む。

高炉の操業では、高炉内に鉱石層とコークス層とが交互に形成されるように炉頂部から原料が装入される。鉱石層に小塊コークスを混合する場合、１層の鉱石層を形成させるのに用いられる鉱石および小塊コークスが１チャージ分の鉱石および小塊コークスであり、この１チャージ分の鉱石および小塊コークスが複数のバッチに分割されて装入される。本発明に係る高炉の原料装入方法は、１バッチで装入される鉱石および小塊コークスの装入方法を対象とする。

１バッチで装入される原料の粒径に変動があると、炉内のガス流れが不安定になるおそれがある。このため、副ホッパー内の原料の降下がマスフローとなるようにし、副ホッパーに投入された原料が、投入された順番に副ホッパーから排出させることが好ましい。副ホッパーの排出口の径をｄ１とし、副ホッパーのホッパー本体の径をｄ２とすると、ホッパー本体の径ｄ２が、ｄ１＜ｄ２≦１．５×ｄ１を満足することが好ましい。これにより、副ホッパー内における原料の降下がマスフローとなる。

図１及び図２は、本発明で使用する高炉のベルレス装入装置の一実施形態を示す模式図である。図１は、炉体上部を切り欠いた状態のベルレス装入装置１ａの全体斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。ベルレス装入装置１ａは、炉体中心軸を中心とする１つの仮想円上にホッパー中心軸を有する３基の主ホッパー２と、これら複数の主ホッパー２の外側に配置された１基の副ホッパー３と、を有している。

図３及び図４は、本発明で使用する高炉のベルレス装入装置の他の実施形態を示す模式図である。図３は、炉体上部を切り欠いた状態のベルレス装入装置１ｂの全体斜視図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。図１及び図２の実施形態と同様、このベルレス装入装置１ｂも炉体中心軸を中心とする１つの仮想円上にホッパー中心軸を有する３基の主ホッパー２と、１基の副ホッパー３と、を有している。ベルレス装入装置１ｂでは、副ホッパー３が３基の主ホッパー２の中心に設けられ、副ホッパー３のホッパー本体３ａ及び排出口３ｂの中心軸が、高炉の炉体中心軸と一致するように設けられている。

以上のような各実施形態のベルレス装入装置１ａ、１ｂにおいて、主ホッパー２から排出された鉱石と副ホッパー３から排出された小塊コークスは、集合ホッパー５を経由して旋回シュート４から高炉内に装入される。図１、図３において、６は高炉本体、７は装入ベルトコンベアである。小塊コークスの排出速度を制御できるように、副ホッパー３の排出口には流量調整弁（図示せず）が設けられている。

以下、上述したベルレス装入装置１ａ、１ｂを使用する場合を例に、本発明の原料装入方法の詳細を説明する。

非特許文献１によると、高炉無次元半径（炉中心を始点：０とし、炉壁を終点：１．０とする炉の無次元半径）が０．１２以下の領域に装入された原料は炉芯に供給される。したがって、小粒径の原料が無次元半径０．１２以下の領域に装入されると、細かい原料が炉芯に供給され、炉芯部の通気性を阻害する可能性がある。このような現象を避けるには、無次元半径０．１２よりも外側（炉壁側）に小塊コークスを装入すればよい。

図５は、旋回シュート４による原料の装入範囲を、無次元半径と装入比率との関係で示すグラフである。図５に示した装入範囲は、図９に示した１／２０スケールの模型試験装置により求めたものである。図５（ａ）は原料を炉中心側から炉壁側に向かって順次装入した場合の原料の装入範囲を示す。図５（ｂ）は原料を炉壁側から炉中心側に向かって順次装入した場合の原料の装入範囲を示す。ここで、装入範囲とは、高炉内へ旋回シュート４から原料が装入されたときに原料が炉半径方向に広がる範囲を意味する。

高炉炉頂の原料の堆積面は炉中心部が最も低い位置となるすり鉢状となっており、その斜面に旋回シュート４から原料が落下した位置を装入中心位置とする。この装入中心位置から炉中心方向および炉壁方向へ原料が広がって堆積した範囲を装入範囲とする。炉中心側から炉壁側へと旋回シュート４を移動させると、すり鉢状の斜面の下側から原料が装入されるので、炉中心側への原料の広がりは抑制される。このため、炉中心側から炉壁側へと旋回シュート４を移動させて原料を装入した場合の装入範囲は、炉壁側から炉中心側へ旋回シュート４を移動させて原料を装入した場合よりも狭くなる。図５の横軸の「装入比率」とは、旋回シュート４により１バッチ分の原料を炉中心側から炉壁側に向かって、又は、炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する際に、１バッチで装入する鉱石全量のうち、炉半径方向の各装入位置において装入が完了した鉱石の割合を意味する（図８、図１１、図１２において同じ）。例えば、装入比率０．１とは、１バッチで装入する鉱石全量のうち、その装入位置において１０質量％の装入が完了したことを意味する。

図６は、炉内の原料装入層最上部の縦断面図である。図６に「装入範囲」とその中心である「装入中心位置」を模式的に示した。

原料を炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する場合、図５（ａ）によれば、装入比率が０．１５以上となってから小塊コークスを装入することで、無次元半径０．１２以下の領域に小塊コークスが装入されることを回避できる。原料を炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する場合、図５（ｂ）によれば、装入比率が０．９以下となってから小塊コークスを装入することで無次元半径０．１２以下の領域に小塊コークスが装入されることを回避できる。

以上の結果から、小塊コークスを混合するのに好適な領域は、原料を炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する場合は装入比率０．１５以上の領域であり、原料を炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する場合は装入比率０．９以下の領域である。

そこで、本発明では、１つの主ホッパー２に投入された鉱石を排出して旋回シュート４により炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する場合（本発明の第一の原料装入方法）では、鉱石の装入を開始した後、少なくとも、１バッチで装入する鉱石全量の１５質量％の装入が完了するまでは、旋回シュート４から鉱石のみを装入し、それ以降の任意の時点から、副ホッパー３に投入された小塊コークスの排出を開始し、それ以降の任意の期間、旋回シュート４から鉱石とともに小塊コークスを装入する。小塊コークスの排出を開始するタイミングは、１バッチで装入する鉱石全量の１５質量％の装入が完了した時点でもよいし、１バッチで装入する鉱石全量の１５質量％の装入が完了した後、一定期間経過した後でもよい。小塊コークスの排出は、鉱石全量の装入が完了するまで行ってもよいし、鉱石全量の装入が完了する以前に停止してもよい。小塊コークスの排出を開始するタイミングや小塊コークスの排出を行う期間は、必要とされる小塊コークスの混合形態に応じて決めればよい。

１つの主ホッパー２に投入された鉱石を排出して旋回シュート４により炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する場合（本発明の第二の原料装入方法）では、鉱石の装入開始と同時に又は装入開始後の任意の時点から、副ホッパー３に投入された小塊コークスの排出を開始して、旋回シュート４から鉱石とともに小塊コークスを装入し、少なくとも、１バッチで装入する鉱石全量の９０質量％の装入が完了する時点までに、小塊コークスの排出を停止する。この場合も、小塊コークスの排出を開始するタイミングや小塊コークスの排出を行う期間は、必要とされる小塊コークスの混合形態に応じて決めればよい。

図７は、標準的な鉱石層厚の半径方向の分布を示すグラフである。図７の縦軸は装入層最上部における「鉱石層厚／全層厚（鉱石層厚＋コークス層厚）」であり、横軸は無次元半径である。図７に示すように、特に無次元半径０．４〜０．６の領域で鉱石層厚が厚くなる。この領域は鉱石の反応負荷が高いので、小塊コークスを多く混合すれば、混合コークスによる鉱石の還元反応促進効果が得られると考えられる。このような領域に小塊コークスを多く装入するには、図６に示した装入中心位置が無次元半径０．４〜０．６の領域内に入るように小塊コークスが多く混合された原料を装入すればよい。図５（ａ）、（ｂ）を参照すると、無次元半径０．４〜０．６の領域は、原料を炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する場合は装入比率０．２７〜０．４６の領域となり、原料を炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する場合は装入比率０．５４〜０．８３の領域となる。そこで、本発明では、これらの無次元半径領域の一部又は全部において、副ホッパー３から排出する小塊コークスの排出速度を他の期間での排出速度よりも高めることが好ましい。これにより、上記無次元半径領域により多くの小塊コークスを装入でき、鉱石の還元反応を促進させることができる。

上記のような特定の無次元半径領域（特定の装入比率の領域）において小塊コークスの排出速度を高めた原料装入を行う場合、図６に示す装入原料の山ａ_１のように「装入中心位置」がその指定範囲（上記特定の無次元半径領域）内に入るようにする必要がある。例えば、図６の装入原料の山ａ_２のように「装入中心位置」が指定範囲（上記特定の無次元半径領域）内にない場合は、装入範囲と指定範囲が一部重複していても、装入原料の山の過半数が指定範囲外となる場合があるので好ましくない。

図８は、原料の装入範囲および装入中心位置を無次元半径と装入比率との関係で示すグラフである。図８に示すように、装入中心位置を基準にすると無次元半径０．４〜０．６の領域は、装入比率０．２７〜０．４６の領域に対応する。

したがって、本発明では、１つの主ホッパー２に投入された鉱石を排出して旋回シュート４により炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する場合（本発明の第一の原料装入方法）には、１バッチで装入する鉱石全量の２７質量％の装入が完了した時点から４６質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、副ホッパー３から排出する小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度よりも高くすることが好ましい。鉱石を炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する場合、１バッチで装入する鉱石全量の２７質量％の装入が完了した時点から４６質量％の装入が完了する時点までの期間は、炉内での鉱石の堆積厚みが大きい領域であり、この領域により多くの小塊コークスを混合することで、鉱石の還元反応の促進が期待できる。この場合、小塊コークスの排出速度は、他の期間での排出速度の１．５倍以上２倍以下であることが好ましい。小塊コークスの排出速度が他の期間での排出速度の１．５倍以上であれば、鉱石の還元反応の促進が顕著に認められる。一方、小塊コークスの排出速度を、他の期間の排出速度の２倍を超えて増加させても、鉱石の還元反応の進行度が飽和するので好ましくない。

１つの主ホッパー２に投入された鉱石を排出して旋回シュート４により炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する場合（本発明の第二の原料装入方法）には、１バッチで装入する鉱石全量の５４質量％の装入が完了した時点から８３質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、副ホッパー３から排出する小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度よりも高くすることが好ましい。鉱石を炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する場合、１バッチで装入する鉱石全量の５４質量％の装入が完了した時点から８３質量％の装入が完了する時点までの期間は、炉内での鉱石の堆積厚みが大きい領域であり、この領域により多くの小塊コークスを混合することで、鉱石の還元反応の促進が期待できる。この場合の小塊コークスの排出速度も、上記と同様の理由により、他の期間での排出速度の１．５倍以上２倍以下とすることが好ましい。

本発明では、炉頂部又はシャフト上部において高炉内の炉半径方向でのガス組成分布を測定して、炉半径方向でのＣＯガス利用率の分布を求め、このＣＯガス利用率が炉半径方向での平均値以上である炉半径方向領域において、副ホッパー３から排出する小塊コークスの排出速度を、他の炉半径方向領域での排出速度よりも高くすることが好ましい。炉半径方向でのＣＯガス利用率が大きい領域は、鉱石層の厚みが大きく鉱石の還元負荷が大きい領域に相当するので、このような領域により多くの小塊コークスを混合することで、鉱石の還元反応が促進されることが期待できる。その場合も、上記と同様の理由により、小塊コークスの排出速度は、他の炉半径方向領域での排出速度の１．５倍以上２倍以下とすることが好ましい。

ＣＯガス利用率は、炉内ガス組成に基づき下式（１）式で定義される。

ＣＯガス利用率＝１００×（ＣＯ_２体積％）／［（ＣＯ体積％）＋（ＣＯ_２体積％）］・・・（１）
高炉炉頂部又はシャフト上部において炉半径方向に炉頂ガスゾンデまたはシャフトガスゾンデを挿入して炉半径方向の５箇所以上１０箇所以下で炉内ガスをサンプリングし、これをガス分析して炉半径方向の各箇所のガス組成を求める。炉半径方向の各箇所のガス組成から炉半径方向の各箇所のガス利用率および炉半径方向のＣＯガス利用率の分布を求めることができる。ＣＯガス利用率の平均値とは、それら全測定箇所におけるＣＯガス利用率の算術平均値とする。

図１及び図２のベルレス装入装置１ａと、図３及び図４のベルレス装入装置１ｂとを比較した場合、副ホッパー３が高炉中心軸を外れて配置された図１及び図２のベルレス装入装置１aでは、旋回シュート４の旋回位置が、高炉中心軸に対して副ホッパー側である場合と反副ホッパー側である場合とで原料流の落下位置に偏差が生じる。これに対して、副ホッパー３の本体及び排出口の中心軸が炉体中心軸と一致する図３及び図４のベルレス装入装置１ｂは、主ホッパー２から切出される原料と副ホッパー３から切出される原料の速度ベクトルの絶対値が全ての主ホッパー２で同じになるので、原料流の落下位置に上記のような偏差を生じることがない。このため、原料の落下位置を高精度に制御することが容易である。集合ホッパー５の直上に副ホッパー３が存在することで、副ホッパー３から集合ホッパー５までの原料流路が省略でき、排出タイミング等の調整も容易となる。

本発明では副ホッパー３に複数チャージ分の小塊コークスを投入し、副ホッパー３から１チャージ分の小塊コークスを複数のバッチに分割して排出する。これにより、原料排出時の均排圧時間を削減できるので、独立した副ホッパーを用いて少量原料を高炉内に装入する場合であっても高炉の生産量を維持できる。

１／２０スケールの模型試験装置を用い、鉱石とコークスの装入試験を行った。図９は、実施例で使用した模型試験装置の模式図である。小塊コークスの排出速度を制御できるように、模型試験装置の副ホッパーの排出口に流量調整弁（図示せず）を設けている。発明例では、主ホッパーに鉱石を投入し、副ホッパーに小塊コークスを投入し、主ホッパーからの鉱石の排出期間の一部において副ホッパーから小塊コークスを排出した。一方、比較例では、従来法に準じて主ホッパーのみを用い、主ホッパーに鉱石と小塊コークスを所定の状態となるように投入し、主ホッパーからこれらを排出した。

図１０は、模型試験装置から排出された排出原料の分割回収方法を説明する図である。この試験では、図１０に示すように、模型試験装置から旋回シュートを取り外し、搬送コンベア上に複数個のサンプリングボックスを設置し、このサンプリングボックスを原料排出と同期して一定速度で移動することで、排出原料を分割回収した。回収した排出原料について、鉱石とコークスの比重差を利用した比重分離を行い、排出原料中の小塊コークスの比率を求めた。

模型試験装置を用いて、旋回シュートにより炉中心側から炉壁側に向かって原料を順次装入する装入試験を行い、排出原料中の小塊コークスの比率（混合コークス比率）を上記方法で測定した。図１１は、炉中心側から炉壁側に向かって原料を順次装入した場合における混合コークス比率と装入比率との関係を示すグラフである。

図１１によれば、従来法による比較例１では、原料の排出初期には小塊コークスは排出されず、装入比率０．１以降に小塊コークスが排出されている。主ホッパー内では小塊コークスの偏析の影響を受けるので、装入比率０．９〜１．０となる排出末期に混合コークス比率が急上昇し、排出中間期の混合コークス比率は低位となった。

これに対して発明例１〜３では、装入比率０．１５以降に小塊コークスが排出されるとともに、副ホッパーからの小塊コークス排出量を制御できるので、発明例１では小塊コークスの全排出期間を通じて混合コークス比率をほぼ一定にすることができた。発明例２、３では、特に鉱石層が厚くなる排出中間期での混合コークス比率を高めることができた。

旋回シュートにより炉壁側から炉中心側に向かって原料を順次装入した場合を想定した上記装入試験を行い、出原料中の小塊コークスの比率（混合コークス比率）を上記方法で測定した。図１２は、炉壁側から炉中心側に向かって原料を順次装入した場合における混合コークス比率と装入比率との関係を示すグラフである。

図１２によれば、図１１の比較例１と同様、従来法による比較例２では、主ホッパー内では小塊コークスの偏析の影響などを受けるので、混合コークス比率を大きく変更することは困難である。比較例３では、主ホッパーからの鉱石の装入と副ホッパーからの小塊コークスの装入を同時に行い、炉壁側から炉中心側まで鉱石にほぼ均一に小塊コークスを混合した。これに対して発明例４、５では、装入比率０．９以前に小塊コークスの排出が停止されるとともに、副ホッパーからの小塊コークス排出量を制御できるため、発明例４では小塊コークスの全排出期間を通じて混合コークス比率をほぼ一定にすることができた。発明例５では、特に鉱石層が厚くなる排出中間期での混合コークス比率を高めることができた。

表１に、各実施例および比較例の操業条件を高炉操業予測モデルにより評価した結果をまとめて示す。表１に示すように、発明例１〜５は、比較例１〜３よりも還元材比および充填層の圧力損失が低下した。これらの結果から、発明例１〜５のように鉱石および小塊コークスを装入することで小塊コークスの混合性が改善されて通気性や還元性が改善し、高炉の還元材比を低減できることがわかる。

旋回シュートにより炉中心側から炉壁側に向かって原料を順次装入した発明例１〜３は、いずれも比較例１に対して通気性や還元性が改善された。特に、鉱石層が厚くなる装入比率０．３〜０．７付近に小塊コークスを多く装入し、かつ高炉周辺部に原料が装入される装入比率１．０付近でも小塊コークス量を維持した発明例２、３の通気性および還元性の改善効果は顕著であった。なかでも、鉱石層厚の大きい装入比率０．２７〜０．４６に小塊コークスを最も多く装入した発明例３の還元材比が最も低くなった。

旋回シュートにより炉壁側から炉中心側に向かって原料を順次装入した発明例４、５は、いずれも比較例２、３に対して通気性や還元性が改善された。混合コークス比率を大きく変更することが困難である比較例２に比べて、発明例４、５では炉壁側から炉中心近傍の装入比率０．９までの間に小塊コークスを混入することで通気性や還元性が改善していることがわかる。特に鉱石層厚が大きい装入比率０．５４〜０．８３の領域での小塊コークス量を増加した発明例５では還元材比の低下が大きかった。一方、炉壁側から炉中心側まで常時均一に小塊コークスを混合した比較例３では、高炉軸中心領域にも小塊コークスが装入された結果、炉内に小塊コークスが残留し、通気性の改善効果が見られなかった。

以上の結果から、炉内の適切な領域に小塊コークスを高精度に装入することで、高炉内の通気性や還元性を改善でき、高炉の還元材比を低減できることが確認できた。

１ａベルレス装入装置
１ｂベルレス装入装置
２主ホッパー
３副ホッパー
３a ホッパー本体
３ｂ排出口
４旋回シュート
５集合ホッパー
６高炉本体
７装入ベルトコンベア

Claims

炉頂部に複数の主ホッパーと、前記主ホッパーよりも容量の小さい副ホッパーを有するベルレス装入装置を備えた高炉の原料装入方法であって、
前記複数の主ホッパーのうちの１つ以上に投入された鉱石を排出して旋回シュートにより炉中心側から炉壁側に向かって順次装入する際に、
前記鉱石の装入を開始した後、少なくとも、１バッチで装入する前記鉱石全量の１５質量％の装入が完了するまでは、前記旋回シュートから前記鉱石のみを装入し、
それ以降の任意の時点から、前記副ホッパーに投入された小塊コークスの排出を開始し、それ以降の任意の期間、前記旋回シュートから前記鉱石とともに前記小塊コークスを装入する、高炉の原料装入方法。
前記副ホッパーに複数チャージ分の前記小塊コークスを投入し、前記副ホッパーから１チャージ分の前記小塊コークスを各バッチに分割して排出する、請求項１に記載の高炉の原料装入方法。
炉頂部に複数の主ホッパーと、前記主ホッパーよりも容量の小さい副ホッパーを有するベルレス装入装置を備えた高炉の原料装入方法であって、
前記複数の主ホッパーのうちの１つ以上に投入された鉱石を排出して旋回シュートにより炉壁側から炉中心側に向かって順次装入する際に、
前記鉱石の装入開始と同時に又は装入開始後の任意の時点から、前記副ホッパーに投入された小塊コークスの排出を開始して、前記旋回シュートから前記鉱石とともに前記小塊コークスを装入し、
少なくとも、１バッチで装入する前記鉱石全量の９０質量％の装入が完了する時点までに、前記小塊コークスの装入を停止する、高炉の原料装入方法。
前記副ホッパーに複数チャージ分の前記小塊コークスを投入し、前記副ホッパーから１チャージ分の前記小塊コークスを各バッチに分割して排出する、請求項３に記載の高炉の原料装入方法。
１バッチで装入する前記鉱石全量の２７質量％の装入が完了した時点から４６質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度よりも高くする、請求項１または請求項２に記載の高炉の原料装入方法。
１バッチで装入する前記鉱石全量の２７質量％の装入が完了した時点から４６質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度の１．５倍以上２倍以下とする、請求項５に記載の高炉の原料装入方法。
１バッチで装入する前記鉱石全量の５４質量％の装入が完了した時点から８３質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度よりも高くする、請求項３または請求項４に記載の高炉の原料装入方法。
１バッチで装入する前記鉱石全量の５４質量％の装入が完了した時点から８３質量％の装入が完了する時点までの期間の一部又は全部において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の期間での排出速度の１．５倍以上２倍以下とする、請求項７に記載の高炉の原料装入方法。
高炉内の炉半径方向でのガス組成分布を測定して、炉半径方向でのＣＯガス利用率の分布を求め、前記ＣＯガス利用率が炉半径方向での平均値以上である炉半径方向領域において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の炉半径方向領域での排出速度よりも高くする、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の高炉の原料装入方法。
高炉内の炉半径方向でのガス組成分布を測定して、炉半径方向でのＣＯガス利用率の分布を求め、前記ＣＯガス利用率が炉半径方向での平均値以上である炉半径方向領域において、前記副ホッパーから排出する前記小塊コークスの排出速度を、他の炉半径方向領域での排出速度の１．５倍以上２倍以下とする、請求項９に記載の高炉の原料装入方法。
前記副ホッパーは、ホッパー本体および排出口を有し、
前記副ホッパーは、前記ホッパー本体および前記排出口の中心軸が前記高炉の炉体中心軸と一致する位置に設けられる、請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の高炉の原料装入方法。