JP2005264292A - ベルレス原料装入装置を備えた高炉での原料装入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高炉炉頂より鉄源原料とコークスとを混合させて装入しても、原料堆積面上での鉄源原料とコークスとの分離が抑制できると共に、形成された混合層中のコークスの混合比率が炉内半径方向で均一になるベルレス原料装入装置を備えた高炉での原料装入方法を提供することを目的としている。
【解決手段】炉頂バンカにそれぞれ保持した鉄源原料及びコークスを、該炉頂バンカの底部に設けた流量調整ゲートを経て同時に切出して混合した後、旋回シュートを介して炉内へ装入するに際して、前記旋回シュートの傾動角の変更に伴い前記コークスの切出し量を複数段階にわたって調整して、前記混合した鉄源原料及びコークスの１回の炉内装入を行い、その装入中に前記鉄源原料及びコークスの切出し量の比率を変更する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ベルレス原料装入装置を備えた高炉での原料装入方法に係わり、特に、高効率で安定した高炉操業を実施可能な原料の炉内装入状態にするため、鉄源原料である焼結鉱、鉄鉱石等の鉄鉱石類（所謂「オア（記号：Ｏ）」と称する）と該鉄鉱石類の還元剤及び熱源になる原料のコークス（記号：Ｃ）とを、炉頂より適切に混合して装入する技術に関する。

固定費の負担が大きい鉄鋼業、とりわけ製銑分野においては、必要最低限の稼動設備数で最大効率の生産を行なうことが重要である。また、前記Ｏ及びＣで構成する高炉原料を、できるだけ安価なものに、つまり低価格原料比率を増大して、変動費を削減することも重要である。すなわち、高炉一基あたりの生産量(出銑比)の増大、コークス使用比率の低減、あるいは安価であるが劣質の被還元性の低い原料の使用比率の増大等が今後開発される技術の方向性を示している。

ところで、高炉の生産性を増大させ、また使用するコークス量を低減するには、焼結鉱、ペレット、塊状鉄鉱石等の鉄源原料の粒径低下、還元性の向上等による炉内ガスの利用率向上、炉内を上昇する炉内ガス流量分布の適正化による熱バランスの改善等が有効である。また、羽ロからの微粉炭の吹込み量を増大させることによってもコークス比の低減が可能である。しかしながら、そのような操業を行うと、炉内の鉄源原料とコークスとの存在質量比(Ｏ／Ｃ)が大きくなって、図１１で示す高炉炉体１上部の塊状帯２（Ｏ，Ｃが塊状で存在する領域）での通気性の悪化、軟化融着帯３（Ｏが軟化溶融している領域）の肥大化による炉下部の通気性の悪化等が引き起こされることが知られている。また、被還元性の低い鉄源原料の使用比率を増加させると、上記軟化融着帯３の肥大化や溶融物の炉内滞留という所謂「ホールドアップ」の増加による通気抵抗の上昇、未還元スラグの高炉下部への滴下による炉下部熱バランスの不安定化等の問題も引き起こされる。

そこで、これらの問題の対策として、従来はＯだけで構成していた鉄源原料に、コークス（Ｃ）を混合させる原料装入方法が開発された。この方法は、コークスを混合すると、上記軟化融着帯３において、軟化溶融した状態にある鉄源原料に混合したコークスがスペーサー（介在物）となって該軟化融着帯３の通気性確保に貢献すること、及び還元を開始したＦｅＯ系の融液がコークスと接触し溶融還元されて一層還元特性を向上すること等に着眼した技術である。

しかしながら、焼結鉱等の鉄源原料とコークスとでは、その粒径や比重が異なるために、現在の原料装入装置では、均一に混合させることが非常に難しいという問題がある。つまり、いったん両者を混合しても、各原料槽、ホッパ、ペルトコンベヤ等、炉頂の炉内堆積面に至るまでの輸送中に、あるいは炉内堆積面上で両者が分離してしまう。そのため、装入原料の半径方向Ｏ／Ｃ分布の制御ができず、また炉中心に流れ込んだＯに混合させた細粒コークスが高炉下部に存在する炉芯４（コアとも称し、塊状コークスからなる領域）に入り込んで、その空隙率を低下させる。すなわち、鉄源原料と細粒コークスとを混合させた所謂「混合装入」による実際の高炉操業では、混合層の分離による混合コークスの高炉中心部への流れ込みが最も大きな課題となっており、コークスの混合比率も、質量比率で４％程度を上限とする程度にとどまっている。ここで、コークスの混合比率は、混合装入する鉄源原料の質量に対する混合コークスの質量の比率であり、以下、同様の意味で用いる。そのため、このような混合層の分離を防止するため、従来から様々な技術が開発されている。

例えば、鉄源原料及びコークスを一時貯留する複数の炉頂バンカと旋回シュートとからなるベルレス原料装入装置を備えた高炉での原料装入において、原料を炉中心側から炉壁側に装入するように旋回シュートの傾動角θ（通常、この傾動角θは、旋回シュートの長手軸が鉛直方向と一致した場合をゼロ度としている）を変更しながら、原料の炉中心側への流れ込みを防止する技術を開示している（特許文献１参照）。つまり、炉中心側から炉壁側へ順次原料を装入することにより、先のシュート旋回時の装入物で次のシュート旋回時の装入物が中心へ流れ込むことを防止するものである。また、混合原料の炉内での堆積角度（水平を基準に）が２０°を超えないようにすることによって、特許文献１記載の技術をより効果あるものとする技術も開示されている（特許文献２参照）。これらの技術により、高炉炉頂での原料堆積面上で鉄源原料とコークスとの分離は大幅に抑制されるようになった。しかしながら、鉄源原料とコークスとの混合物が旋回シュートに至るまでのベルトコンベア上での分離、炉頂バンカ内での堆積時における分離及びそれらによる偏析分布を抑制することはできない。そのため、これらの技術を用いても、炉内において目標とするコークスの混合比率分布（つまり、炉半径方向で混合比率が均一）を実現することは難しかった。

さらに、鉄源原料及びコークスをそれぞれ複数の炉頂バンカに蓄え、それらを同時に切り出すことによって混合率の制御を行う技術も開示されている（特許文献３参照）。しかしながら、この技術でも、高炉炉頂の原料堆積面上で混合したコークスと鉄源原料との分離を防止することはできず、混合したコークスの炉中心部への流れ込みのために、高炉１の滴下帯５（前記軟化融着帯の下方にあって、融液が上方より落下してくる領域）での通気性、通液性が悪化する可能性がある。また、同様の理由によって、炉半径方向でのガス流比率を制御することが極めて困難となる。

以上述べたように、従来の技術では、鉄源原料へのコークスの混合比率を一定値以上に増加させ、且つ高炉の半径方向で該混合比率を均一にするような原料装入を行うことは難しかった。
特開昭６２−１２７４１４号公報 特開昭６２−２６００１０号公報 特開昭６１−２４３１０７号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、高炉炉頂より鉄源原料とコークスとを混合させて装入しても、原料堆積面上での鉄源原料とコークスとの分離が抑制できると共に、形成された混合層中のコークスの混合比率が炉内半径方向で均一になるベルレス原料装入装置を備えた高炉での原料装入方法を提供することを目的としている。

鉄源原料とコークスとは、貯鉱槽や貯骸槽からの切り出す段階で混合した場合でも、その後に、輸送中の振動やベルトコンベアから各種ホッパへの受け渡し等のハンドリングにおける再堆積により、その粒径、比重の相違に起因した分離が生じる。従って、それらを混合させる位置としては、混合後のハンドリングができるだけ少ないことが望ましく、炉頂バンカからの切り出し時に混合させるのが最も好ましいと考えられる。そこで、発明者は、炉頂バンカから同時に切り出した鉄源原料とコークスとが炉頂の堆積面上で再分離するのをできる限り抑制することに着眼して研究を重ね、その成果を本発明に具現化したのである。

すなわち、本発明は、炉頂バンカにそれぞれ保持した鉄源原料及びコークスを、該炉頂バンカの底部に設けた流量調整ゲートを経て同時に切出して混合した後、旋回シュートを介して炉内へ装入するに際して、前記旋回シュートの傾動角の変更に伴い前記コークスの切出し量を複数段階にわたって調整して、前記混合した鉄源原料及びコークスの１回の炉内装入を行い、その装入中に前記鉄源原料及びコークスの切出し量の比率を変更することを特徴とするベルレス原料装入装置を備えた高炉での原料装入方法である。この場合、前記旋回シュートの傾動角を１旋回毎に炉中心側から炉壁側へ向けて大きくなるように炉内装入を行う際には、前記コークスの切出し量をシュート旋回数の増加につれて増加し、炉壁側から炉中心側へ向けて小さくなるように炉内装入を行う際には、前記コークスの切出し量をシュート旋回数の増加につれて減少させるのが好ましい。

本発明によれば、炉内における鉱石コークス混合層中のコークス混合率を炉半径方向で一定とすることができ、炉内半径方向のガス流分布を安定させることができる。その結果、高炉操業の制御性が向上し、生産量の増大や、安価原料の多量使用など、種々の操業条件での安定した操業が可能となる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態を説明する。 まず、発明者は、ベルレス原料装入装置の縮尺模型を用いた実験により、炉内における鉄源原料及びコークス混合層中のコークス混合比率を炉半径方向で一定とする手段の発見に努力した。該実験に用いたのは、図１０に概略を示す実高炉の１／１７．８の縮尺模型であり、実機の原料排出経時変化を再現するために、貯鉱槽６、貯骸槽７、計量ホッパ８、ベルレス原料装入装置９、高炉の炉体１で構成してある。なお、実機のベルレス原料装入装置９は、図９に概略を示すように、鉄源原料１０及びコークス１１をそれぞれ保持する炉頂バンカ１２と、該炉頂バンカ１２の底部に設けられ、切り出す鉄源原料及びコークスの量を調整する流量調整ゲート１３と、同時に切出されて混合した混合物を炉内へ装入する旋回シュート１４とを備えており、図１０の模型においても炉頂バンカ、流量調整ゲート、旋回シュートを備えている。また、この実験では、炉体１の下部に設けたガス吹き込みロ１５を介してブロア１６からの送風を行うと共に、炉内に蓄積した鉄源原料等の装入物は、炉体１の底部に設けた電磁フィーダ１７で抜き出せるようになっている。

実験は、想定した実験条件に基づいて鉄源原料及びコークスの装入量等を決定して行なった。例えば、鉄源原料を１バッチで装入しコークスを２バッチに分割して装入する場合、それぞれの装入量を模型の縮尺比率によって粒径分布ごとに決め、計量ホッパ８からの排出速度を相似条件に応じて決定した。また、旋回シュート１４の傾動角や旋回速度は、予めパターン化して自動的に変化させるようにした。さらに、各バッチの装入終了後には、レーザー変位計を用いて、装入したコークス、鉄源原料及びそれらの混合物の炉内での堆積形状を測定した。加えて、装入の終了後には、堆積面上の半径方向に沿って、直径３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒管を差込み、該円筒管を介して吸い込みにより鉄源原料、コークス等を採集した。採取した試料は、ヨウ化ナトリウム水溶液を用いて比重分離し、コークス、鉄源原料に分けて採取重量を測定し、コークスの混合比率を確認すると共に、それぞれについての粒径分析も行った。さらに加えて、堆積面の上方から樹脂を流し込み、固化後に切断して炉半径方向に沿った断面（充填状態）の観察を行った。その際用いたエポキシ樹脂は、粘性が極めて低く、硬化時間も制御できるため、樹脂の流し込み中に装入物の堆積面を崩すことはなかった。

以下に、実験結果及び本発明の最良の実施形態を示す。

まず、１回の装入についての旋回シュートの傾動角及び旋回数をパターン化した。そして、下記の装入パターンＡを採用し、装入を行った。1回の装入に用いたコークス量の全量は７．１ｋｇであり、このコークスは２バッチに分割して、２つ目のコークスバッチで鉄源原料とコークスの混合装入を行った。鉄源原料へのコ一クスの混合量は２．７ｋｇとした。なお、鉄源原料としては、０．２１〜２．８ｍｍの粒度に調整した焼結鉱を、コークスとしては粒径２．０〜５．６ｍｍのものを用いた。

・装入パターンＡ（装入物の落下位置が炉壁側から炉中心側へ移動させるパターン）
Ｃ₁（コークスのみ）：５４°×２旋回、５３°×２旋回、５２°×３旋回、５１°×２旋回、５０°×１旋回、４９°×１旋回、４８°×１旋回、４７°×１旋回、３８°×１旋回、３２°×２旋回、２６°×１旋回、２０°×１旋回
Ｃ₂＋Ｏ（混合装入）：５２°×３旋回、５０°×２旋回、４８°×２旋回、４６°×１旋回、４４°×１旋回、４２°×１旋回、４０°×１旋回、３８°×１旋回、３６°×１旋回

最初の実験は、コークスのみの装入（Ｃ₁）及び混合装入（Ｃ₂＋Ｏ）のいずれも、炉頂バンカからの鉄源原料（図８参照）及びコークス（図７参照）の切り出し速度が装入中にそれぞれ一定となるように、流量調整ゲート１３の開度を調整して行った。その結果は、炉半径方向に沿ったコークスの混合比率で評価することとし、その測定値を図６に整理した。図６より、炉中心部に近いほどコークスの混合比率が増加していることが明らかである。これは、鉄源原料及びコークスの混合層が、それらの堆積面上を流れ落ちる際に、コークスと鉄源原料とが分離して、コークスが斜面の裾野に偏在するようになったからである。つまり、一般に、粒度分布または密度差を持つ粒子が斜面上を流れ込むと、パーコレーション（分級作用）を起こして斜面下方に粗粒が、斜面上方に細粒が多く存在するようになるが、コークスと鉄源原料の混合物の場合にも同じ現象が起き、堆積面上で流れ落ちる距離が長いほど、この偏在効果が促進して互いに分離するようになったのである。

このように、装入パターンＡを採用しても、コークス及び鉄源原料の炉頂バンカからの切り出し量を１回の装入時期全体で一定としたのでは、炉内の堆積面で得られるコークスの混合比率は、炉半径方向で一様にならなかった。

そこで、発明者は、上記実験の結果に基づくと、炉中心部寄りで旋回シュートを旋回させる時期のコークス切出し量を、炉壁寄りで旋回させる時期より減らせば、炉内の堆積面で得られるコークスの混合比率は、炉半径方向で一様になると考え、本発明に想到した。そして、この考えを確認するため、具体的に、図５に示すように、装入パターンＡの採用に加えて、２バッチ目の混合装入（Ｃ₂＋Ｏ）を行う際に炉頂バンカからのコークス（Ｃ₂）の切出し量を旋回時期に応じて複数段階にわたって減少させることを試みた。なお、鉄源原料の切出し量は、図８の通りとした。

その結果得られた炉半径方向に沿ったコークスの混合比率の測定値を図４に示す。図４より、炉中心部のコークス量が多くなるという偏在が減少して、炉半径方向に沿ったコークスの混合比率は、図６に示した場合に比べて一様化していることが明らかである。つまり、本発明は、炉頂バンカにそれぞれ保持した鉄源原料及びコークスを、該炉頂バンカの底部に設けた流量調整ゲートを経て同時に切出して混合した後、旋回シュートを介して炉内へ装入するに際して、前記旋回シュートの傾動角の変更に伴い前記コークスの切出し量を複数段階にわたって調整して、前記混合した鉄源原料及びコークスの１回の炉内装入を行い、前記鉄源原料及びコークスの切出し量の比率を変更するものである。この場合、炉壁側から炉中心側へ向けて旋回シュートの傾動角が小さくなるように炉内装入を行う際には、前記コークスの切出し量をシュート旋回数の増加につれて減少させるのが好ましい。

なお、上記の試みでは、１回の装入についての旋回シュートの傾動角及び旋回数のパターンとして前記「装入パターンＡ」を採用したが、そのような装入パターンは、旋回シュートの傾動角及び旋回数を変更すれば、多種のパターンが考えられる。本発明では、特に「装入パターンＡ」に限定するものではない。

また、上記「装入パターンＡ」での試みでは、１回の装入を、装入物の落下位置が炉壁側から炉中心側へ移動させながら行うものであったが、旋回シュートの機能として、炉中心側より炉壁側へ向けて装入物の落下位置を移動させることもできる。そこで、発明者は、そのような落下位置の移動を行う装入パターンの一例として下記「装入パターンＢ」を定め、そのパターンを採用すると共に、混合装入時のコークス（Ｃ₂）の切出し量を、図２に示すように数段階にわたって増加させる試みを行った。

その結果得られた炉半径方向に沿ったコークスの混合比率の測定値を図３に示す。図３より、炉中心部のコークス量が多くなるという偏在が一層減少して、炉半径方向に沿ったコークスの混合比率は、図４に示した装入パターンＡの場合に比べて格段と良く一様化していることが明らかである。つまり、本発明では、前記旋回シュートの１旋回毎の傾動角を炉中心側から炉壁側へ向けて大きくなるように炉内装入を行う際には、前記コークスの切出し量をシュート旋回数の増加につれて増加させるのが好ましいのである。なお、「装入パターンＢ」のように、旋回シュートの傾動角を炉中心側から炉壁側へ向けて大きくなるように炉内装入を行う際にも、傾動角と旋回数の組み合わせは多種考えられるので、本発明では、前記したように、種々の装入パターンを決めて実施すれば良い。

・装入パターンＢ（装入物の落下位置が炉中心側から炉壁側へ移動させるパターン）
Ｃ₁（コークスのみ）：５４°×２旋回、５３°×２旋回、５２°×３旋回、５１°×２旋回、５０°×１旋回、４９°×１旋回、４８°×１旋回、４７°×１旋回、３８°×１旋回、３２°×２旋回、２６°×１旋回、２０°×１旋回
Ｃ₂＋Ｏ（混合装入）：３２°×１旋回、３６°×１旋回、３８°×１旋回、４０°×２旋回、４２°×２旋回、４４°×１旋回、４６°×２旋回、３８°×１旋回、４８°×２旋回

本発明の効果を確認するため、実際の高炉操業に、本発明に係る原料装入方法を適用した。利用した高炉は、内容積が５１５３ｍ³、炉口直径が１１．４ｍ、炉床直径が１５．０ｍで、熱風の供給に４０本の羽ロを備えたものである。この操業でも、コークス及び鉄源原料の焼結鉱は、別個の炉頂バンカに供給、保持してから、コークスのうちの１５０ｋｇ／ｔｏｎ−ｐｉｇを焼結鉱と同じタィミングで切出して混合するようにした。旋回シュートの傾動角及び旋回数は、前述の模型実験で定めた「装入パターンＢ」に従うようにした。コークスと焼結鉱の混合装入を実施するバッチでは、コークスの切出し量を図１に示すように、旋回時期に応じて徐々に３段階に増加させた。また、本発明に係る原料装入方法を適用した操業とは別に、図７で示したように、コークスを全旋回時期にわたって一定の切出し量とした原料装入を行った場合の高炉操業（比較例）も行った。なお、高炉の主な操業条件は、送風量が８０００ｍ³（標準状態）／ｍｉｎ，送風温度が１１００℃、送風湿分が３０ｇ／ｍ³（標準状態）、送風の酸素富化量が１００００ｍ³（標準状態）／ｈｒである。

操業成績を表１に一括して示す。表１より、比較例１及び２では、コークスの混合比率を増加するに従って高炉シャフト部全体の通気抵抗（ΔＰ（圧力；ｋＰａ）／Ｖ（炉頂ガス量；ｍ³（標準状態）／ｍｉｎ））が増大し、炉況が不安定になって、還元剤（コークス比＋微粉炭比）比の増大等の悪影響が生じていることが明らかである。これに対し、本発明に係る原料装入方法適用した操業では（実施例１及び２）、コークスの混合比率を従来の４質量％から１２質量％まで高めても操業が安定して行えたばかりでなく、ガス利用率の向上、還元剤比低下、通気抵抗減少が確認された。

以上のように、原料とコークスとを混合した状態で高炉内に装入し、堆積面上での分離を効果的に防止することによって、多量のコークスを鉄源原料に混合しても、混合したコークスの炉中心部への流れ込みによる中心ガス流の阻害や炉芯の空隙率の低下等の悪影響を招くことがなく、高炉操業における鉄源原料の還元性の向上、ガス利用率の向上、還元剤比の低減、炉内通気性の向上、出銑Ｓｉの低減等の効果が期待できる。

本発明に係る原料装入方法を実際の高炉に適用し、コークスを鉄源原料に混合する場合の旋回シュートの１旋回あたりのコークス装入量を示す図である。 模型実験装置を用い、装入パターンＢで本発明に係る混合装入を実施した場合の炉半径方向における混合層中のコークス混合比率の分布を示す図である。 模型実験装置を用い、装入パターンＢで本発明に係る混合装入を実施する際のコークスの装入量変更を説明する図である。 模型実験装置を用い、装入パターンＡで本発明に係る混合装入を実施した場合の炉半径方向における混合層中のコークス混合比率の分布を示す図である。 模型実験装置を用い、装入パターンＡで本発明に係る混合装入を実施する際のコークスの装入量変更を説明する図である。 模型実験装置を用い、装入パターンＡでコークス及び鉄源原料の切出し量を一定として混合装入を実施した場合の炉半径方向における混合層中のコークス混合比率の分布を示す図である。 模型実験装置を用い、装入パターンＡでコークス及び鉄源原料の切出し量を一定として混合装入を実施する際のコークスの装入量を示す図である。 模型実験装置を用い、装入パターンＡでコークス及び鉄源原料の切出し量を一定として混合装入を実施する際の鉄源原料の装入量を示す図である。 高炉のベルレス原料装入装置の縦断面を示す図である。 模型実験で用いた高炉を説明する図である。 一般的な炉内状況を示す高炉の縦断面図である。

符号の説明

１ 高炉炉体
２ 塊状帯（鉄源原料、コークス層及びそれらの混合層からなる）
３ 軟化融着帯
４ 炉芯
５ 滴下帯
６ 貯鉱槽
７ 貯骸槽
８ 計量ホッパ
９ ベルレス原料装入装置
１０ 鉄源原料（焼結鉱、鉄鉱石等）
１１ コークス
１２ 炉頂バンカ
１３ 流量調整ゲート
１４ 旋回シュート
１５ ガス吹き込み口
１６ ブロア
１７ 電磁フィーダ
１８ ベルト・コンベア
１９ 羽口

Claims (2)

1. 炉頂バンカにそれぞれ保持した鉄源原料及びコークスを、該炉頂バンカの底部に設けた流量調整ゲートを経て同時に切出して混合した後、旋回シュートを介して炉内へ装入するに際して、
   前記旋回シュートの傾動角の変更に伴い前記コークスの切出し量を複数段階にわたって調整して、前記混合した鉄源原料及びコークスの１回の炉内装入を行い、その装入中に前記鉄源原料及びコークスの切出し量の比率を変更することを特徴とするベルレス原料装入装置を備えた高炉での原料装入方法。
2. 前記旋回シュートの傾動角を１旋回毎に炉中心側から炉壁側へ向けて大きくなるように炉内装入を行う際には、前記コークスの切出し量をシュート旋回数の増加につれて増加し、炉壁側から炉中心側へ向けて小さくなるように炉内装入を行う際には、前記コークスの切出し量をシュート旋回数の増加につれて減少させることを特徴とする請求項１記載のベルレス原料装入装置を備えた高炉での原料装入方法。

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