JP2021121689A - ベル・アーマー方式の高炉における鉱石層崩れ量の推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベル・アーマー方式の高炉において鉱石最終バッチの装入末期に鉱石層崩れが生じた際に鉱石堆積傾斜角の低下角度の鉱石層崩れ量を推定することで高炉の操業安定性に寄与することができるベル・アーマー方式の高炉における鉱石層崩れ量の推定方法を提供する。【解決手段】本発明は、ベル・アーマー方式の原料装入装置４を用いて高炉１内に鉱石２とコークス３をバッチ単位で交互層状に装入する高炉１の原料装入方法において、下ベル７から鉱石最終バッチの装入時に、鉱石最終バッチの装入末期における鉱石の最終質量流速Ffinとし、装入末期の鉱石層の堆積傾斜角が低下する現象の鉱石層崩れが発生する境界におけるFfinの値をFcとし、鉱石層崩れが生じないときの鉱石層の最終堆積傾斜角をθcとし、鉱石層崩れが生じたときにおける鉱石層の堆積傾斜角の低下量である鉱石層崩れ量をΔθとし、鉱石層崩れ量の値ΔθをFfin、Fc、θcを用いて推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ベル・アーマー方式の原料装入装置を備えた高炉において、鉱石最終バッチの装入末期に、炉内の鉱石層が崩れて堆積傾斜角が低下するときに崩れた角度（鉱石層崩れ量）を推定する方法に関する。

従来より、図１に示すように、高炉では、炉頂より炉内に原料である鉱石とコークスを交互に層状に装入し、炉下部に備えられている羽口より熱風（高温の空気＋酸素）を炉内へ送風して、鉱石を昇温還元することで、溶銑を製造している。この高炉は、固気向流型の巨大な反応容器（シャフト炉）である。
このような向流移動層である高炉を安定させて操業するには、炉内の通気性を確保する、言い換えれば、充填層の圧力損失（圧損）を低位に保ち、荷下がりを安定させることが重要である。

高炉に装入する原料に関しては、還元材としてコークスなどが用いられ、鉱石原料としては焼結鉱、鉄鉱石ペレット（以下、ペレットと呼ぶ。) 、塊鉱石、メタルなどが代表的に用いられている。
また、補助燃料（還元材）としては、微粉炭(PC)や重油などが挙げられ、それらを羽口から炉内に吹き込んでいる。なお、微粉炭（pulverized coal(PC)）とは、石炭を50μm程度に微粉砕したものである。

コークスの役割としては、レースウェイでの燃焼に用いられる「熱源（C+O₂→CO₂）」、鉱石還元に必要なCOガスを生成する「還元材（C+CO₂→2CO、FeOn+nCO→Fe+nCO₂）」、溶鉄へ浸炭し融点を低下させる「加炭材」、高炉内の通気性を確保するための「スペーサー」などが挙げられる。
なお、羽口から吹き込む補助燃料（代表的には、微粉炭(PC)）でも、上記した「熱源」、「還元材」、「加炭材」の役割を代替することは可能である。しかしながら、「スペーサー」の役割については、コークスでしか担うことができない。

特に、近年における高炉の操業においては、溶銑コストの低減を行う目的として低コークス比操業、高PC比操業が志向されている。しかし、低コークス比操業の課題としては、スペーサーとして機能するコークス量の低下と炉内ガス量の増加により、高炉内の通気性が悪化してしまう。その結果として、高炉の操業が不安定化することとなる。したがって、低コークス比操業の実現に向けては、高炉内の通気性を改善する、すなわち圧損を低減させることが必要となる。

高炉の操業では、高炉内の通気性を確保するため、炉内における装入物分布の制御、すなわち高炉の半径方向での鉱石とコークスの層厚比を制御することで、高炉の半径方向におけるガスの流れ（ガスの分配）を制御している。鉱石とコークスを比較すると、コークスの方が鉱石よりも粒径が大きい。また、コークス層の方が鉱石層よりも充填層の空隙率が大きい。そのため、高炉内の鉱石とコークスの層厚比（鉱石層厚／コークス層厚）が大きいほど、ガスが流れにくくなる。

このような高炉内には、鉱石層が溶融して相互に融着した領域（以下、融着帯と呼ぶ。）が存在する。この融着層は、通気抵抗が大きく、ガスが流れにくいものとなっている。そのため、炉内で上昇するガスは、充填層の空隙率が鉱石層よりも大きいコークススリット側を水平方向に通過する。このことより、融着帯においては圧損が高くなる。その融着帯の形状を逆Ｖ型（上に尖った形状）に形成して維持することで、中心ガス流を維持して、炉内圧損が低下させることができる。これにより、高炉の操業を安定させることが可能となる。

さて、図２に示すように、ベル・アーマー方式の原料装入装置を備えた高炉は、炉上部のベルカップから原料を排出し、落下してきた原料を炉壁側のアーマー（反発板）で反発させて、炉内へ装入する方式の設備である。このアーマーを押し出す距離を調整することによって、炉内の周辺部における装入物分布の制御、すなわち高炉の半径方向における鉱
石とコークスの層厚比を制御することが可能となる。

また、塊コークスの一部を専用のシュートから高炉内の中心部に装入する、コークス中心装入では、中心コークスの装入質量により、高炉内の中心部の装入物分布が制御されている。この制御を行うことにより、融着帯の形状を逆Ｖ型に維持している（参考文献：「ふぇらむ」,Vol.9(2004), No.10, p721〜728）。
さらに、高炉内の中間部における装入物分布については、装入したコークスと鉱石の堆積傾斜角度の差に依存している。コークスの堆積傾斜角は、鉱石の堆積傾斜角より大きい。その鉱石の堆積傾斜角を増大させることで、中心ガス流が強化されることとなり、高炉内の通気性が良好になる。

高炉の操業に関する技術としては、例えば、特許文献１〜３などに開示されているものがある。
特許文献１は、高炉の操業方法に関し、特にベル型原料装入装置を備えた高炉の操業方法において、原料装入速度を一定に保って操業安定性を高めることを目的としている。
具体的には、ベル型原料装入装置を備えた高炉の操業方法であって、該装置を用いて装入される原料の１バッチ毎の装入時間を測定して該装入時間から装入中の微小単位時間当たりの装入速度を推定し、その推定結果をベル開速度および／またはベル・ストロークの調整にフィードバックして原料装入速度をコントロールし高炉操業の安定化を図ることとされている。その作用効果としては、高炉装入原料の装入時間を基にしてほぼ正確に推定することができる装入速度を一定に保つことによって、高炉内における原料の堆積状態を適正且つ安定に維持することができ、それに伴って高炉の操業安定性を著しく改善し得るとされている。

特許文献２は、鉱石傾斜角を増大させ、炉内の通気性改善(圧損低減)を行うことを目的としている。
具体的には、鉱石中のペレット比率が20%〜40%とされた鉱石を、コークスと交互に層状になるように、ベル・アーマー方式の原料装入装置を用いて高炉の炉内に装入する原料装入操作を、複数のチャージに亘って繰り返し行う高炉の原料装入方法において、前記１チャージ分の原料装入操作では、前記コークスを装入するコークス装入操作を２バッチに亘って行った後、前記鉱石を装入する鉱石装入操作を複数バッチ回に亘って行い、前記１バッチ目のコークス装入操作時のベルの開度、２バッチ目のコークス装入操作のベルの開度、及び１バッチ目の鉱石装入操作のベルの開度を等しくしたまま前記コークス及び鉱石を装入するものとし、且つ前記１バッチ目のコークス装入操作時のベルの開速度、２バッチ目のコークス装入操作のベルの開速度、及び１バッチ目の鉱石装入操作のベルの開速度を等しくしたまま前記コークス及び鉱石を装入するものとし、前記複数バッチ回のうちの最終バッチの鉱石装入操作においては、前記コークス装入操作の１バッチ目と２バッチ目の開速度の平均値U_Cと、前記鉱石装入操作の最終バッチの開速度U_Olastとの比である開速度比(U_Olast/U_C）が0.2〜0.7となる条件と、前記コークス装入操作の１バッチ目と２バッチ目の開度の平均値h_Cと、前記鉱石装入操作の最終バッチの開度h_Olastとの比である開度比(h_Olast/h_C)が0.3〜0.7となる条件との少なくとも一方を満足するように、前記最終バッチの鉱石を装入することとされている。その作用効果としては、最終バッチの鉱石装入時における下ベル開速度、最終開度を低下させることにより、鉱石傾斜角を増大させ、高炉内の通気性改善(圧損低減)が可能であると共に、通気余裕を活用したコークス比の低減が可能であるとされている。

特許文献３は、ベル・アーマー方式の高炉において、炉内に原料を装入する際に、その炉内に堆積し、時間と共に変化する鉱石堆積傾斜角の動的挙動を精度よく推定することができる高炉における鉱石堆積傾斜角の推定方法を提供することを目的としている。
具体的には、ベル・アーマー方式の原料装入装置を用いて、高炉内に原料となる鉱石とコークスを交互に層状に装入する際に、前記高炉内に堆積する鉱石の鉱石堆積傾斜角を推定する方法において、前記原料装入装置の下部側に配備されている下ベルから、鉱石最終バッチとなる前記鉱石を装入する際に、前記鉱石最終バッチの鉱石を装入するときの下ベルを開放する条件を用いて、前記鉱石の質量流速F[kg/s]を求め、求めた前記鉱石の質量
流速F[kg/s]を時間積分することで、所定時間までの前記鉱石の積算質量Σmi[kg]を求め、求めた前記鉱石の積算質量Σmi[kg]を鉱石嵩密度ρ[kg/m³]で除することで、所定時間までの前記鉱石の積算体積ΣVi[m³]を求め、前記高炉の炉壁部に落下した前記鉱石の堆積層高さh[m]を測定し、求めた所定時間までの前記鉱石の積算体積ΣVi[m³]と、測定した前記鉱石の堆積層高さh[m]を用いて、前記鉱石の堆積層における水平方向距離d[m]を求め、求めた所定時間までの前記鉱石の堆積層における水平方向距離d[m]と、測定した前記鉱石の堆積層高さh[m]を用いて、時間と共に変化する前記鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]を推定することとされている。その作用効果としては、ベル・アーマー方式の高炉において、炉内に原料を装入する際に、その炉内に堆積し、時間と共に変化する鉱石堆積傾斜角の動的挙動を精度よく推定することができるとされている。

特開昭６３−１８６８１３号公報 特開２０１９−１２７６１５号公報 特願２０１８−１８８２７４号

上記したベル・アーマー方式の原料装入装置を備えた高炉においては、炉内に装入される鉱石の堆積傾斜角を増大させる方法として、例えば、特願２０１８−００８９０１に開示されているように、原料装入装置である下ベルの開速度、あるいは最終開度を低下させる方法がある。また例えば、特願２０１８−１８８２７４に開示されているように、原料である鉱石を高炉内へ装入する時の質量流速Fと堆積層高さhから、鉱石層の動的堆積挙動を精度よく推定する方法がある。

図２に示すように、高炉に原料を装入する方法については、一般的に、コークス２バッチ(CI,CII)、鉱石複数バッチ(OI,OII,…,On)を１サイクルとし、このサイクルを繰り返しながら、原料である鉱石とコークスを交互に層状に装入している。
例えば、鉱石最終バッチ(On)が、鉱石２バッチ目(OII)の場合、高炉内の鉱石堆積傾斜角θ_OIIは、装入される鉱石の最終バッチ(OII)で決定される。そのため、鉱石最終バッチ(OII)を装入する際の下ベルの開条件を変更すれば良い。

また、鉱石最終バッチ(OII)を装入する時のアーマーポジション（アーマーの押し出し距離）については、下ベルから落下した鉱石と当たらない位置に設定する。
ところで、図３Ａに示すように、高炉内に鉱石を装入する際に、炉内における鉱石層の堆積傾斜角の経時変化を確認すると、鉱石最終バッチ(OII)の装入末期に鉱石層の堆積傾斜角が低下してしまう現象を知見した。この鉱石最終バッチ(OII)の装入末期における鉱石層の堆積傾斜角が低下する現象を「鉱石層崩れ」と呼ぶ。

図３Ｂに示すように、鉱石最終バッチ(OII)を装入する際に、「鉱石層崩れ（装入末期の鉱石堆積傾斜角の低下）」が生じなければ、鉱石堆積傾斜角を最大にすることができるので、高炉の中心近傍における鉱石層厚が低下することなり、中心ガス流が強化される。これにより、高炉内の通気性が改善されることとなる。
さて、特許文献１は、原料を高炉内へ装入する速度を制御することによって、高炉内における装入物の堆積状態を維持することが目的であり、本発明とは目的が異なる。また、特許文献１では、下ベルの開条件を用いて鉱石の質量流速を計算する方法で示されているだけであり、本発明が目的としている鉱石層崩れ量を求める技術とはなっていない。

特許文献２は、堆積完了後における鉱石堆積傾斜角を増大させることが目的であり、本発明とは目的が異なる。また、特許文献２では、下ベルの開条件を変更することにより、堆積完了後の鉱石堆積傾斜角を求めているのみであり、「鉱石層崩れ量（鉱石堆積傾斜角が低下した角度）」を求める技術とはなっていない。また、特許文献２では、下ベルの開条件を変更することにより、鉱石堆積傾斜角の増大量が開示されているが、「鉱石層崩れ量」を求める際に必要となる、装入時における鉱石の質量流速を計算式から推定する技術とはなっていない。

特許文献３は、鉱石を装入した時における鉱石堆積傾斜角の経時変化を把握することが目的であり、本発明とは目的が異なる。すなわち、特許文献３を用いて「鉱石層崩れ量」を推定する場合、鉱石の質量流速Fの推定の他に、堆積層高さhを測定しなければならないので、本発明と異なる技術である。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、ベル・アーマー方式の原料装入装置を備えた高炉において、鉱石最終バッチの装入末期に鉱石層が崩れ落ちる「鉱石層崩れ」が生じた際に、鉱石堆積傾斜角が低下する角度を表す「鉱石層崩れ量」を推定することで、高炉の操業安定性に寄与することができるベル・アーマー方式の高炉における鉱石層崩れ量の推定方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかるベル・アーマー方式の高炉における鉱石層崩れ量の推定方法は、ベル・アーマー方式の原料装入装置を用いて、高炉内に原料となる鉱石とコークスをバッチ単位で交互に層状に装入する高炉の原料装入方法において、前記原料装入装置の下部側に配備されている下ベルから、鉱石最終バッチを装入する際に、前記鉱石最終バッチの装入末期における前記鉱石の質量流速を、最終質量流速F_fin[kg/s]とし、前記装入末期に堆積した鉱石層の堆積傾斜角が低下する現象である「鉱石層崩れ」が発生する境界における前記F_fin[kg/s]の値を、F_c[kg/s]とし、前記「鉱石層崩れ」が非発生のときにおける鉱石層の最終堆積傾斜角を、θ_c[°]とし、前記「鉱石層崩れ」が発生したときにおける鉱石層の堆積傾斜角の低下量である「鉱石層崩れ量」を、Δθ[°]とすると、前記「鉱石層崩れ量」の値Δθ[°]を、F_fin[kg/s]、F_c[kg/s]、θ_c[°]の３つの変数のみを用いて推定することを特徴とする。

本発明によれば、ベル・アーマー方式の原料装入装置を備えた高炉において、鉱石最終バッチの装入末期に鉱石層が崩れ落ちる「鉱石層崩れ」が生じた際に、鉱石堆積傾斜角が低下する角度を表す「鉱石層崩れ量」を推定することで、高炉の操業安定性に寄与することができる。

高炉操業の概略を模式的に示した図である。 ベル・アーマー方式の高炉における原料装入の概略を模式的に示した図である。 「鉱石層崩れ」が発生したときの概略を模式的に示した図である。 「鉱石層崩れ」が発生していないときの概略を模式的に示した図である。 下ベルの開条件（下ベルの開度[mm]の時間変化）と、鉱石堆積傾斜角θ[degree]の経時変化を示した図である。 下ベルの開条件（下ベルの開度[mm]の時間変化）と、下ベルから排出される鉱石の質量流速F[g/s]を測定した結果を示した図である。 鉱石試料として焼結鉱を用いた場合における、鉱石の最終質量流速F_fin[kg/s]と、鉱石層崩れ量Δθ[degree]の関係を示した図である。 鉱石試料としてアルミナボールを用いた場合における、鉱石の最終質量流速F_fin[kg/s]と、鉱石層崩れ量Δθ[degree]の関係を示した図である。 Δθ、F_fin、F_c、θ_cを無次元化してまとめた図である。 本発明で用いるパラメータの定義を示した図である。 本実施例で用いる実験装置（２次元スライス冷間模型）の概略を模式的に示した図である。

以下、本発明にかかるベル・アーマー方式の高炉における鉱石層崩れ量の推定方法の実施形態を、図を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。また、「鉱石層崩れ」を、単に「層崩れ」、「鉱石層崩れ量」を、単に「層崩れ量」と表す場合もある。以降、本実施形態の説明において、本発明の名称を「鉱石層崩れ量の推定方法」と表す場合もある。

本発明にかかるベル・アーマー方式の高炉１における鉱石層崩れ量の推定方法は、鉱石最終バッチの装入末期に鉱石層が崩れ落ちる「鉱石層崩れ」が生じた際に、鉱石層の鉱石堆積傾斜角が低下する角度「鉱石層崩れ量」を、鉱石２の最終質量流速と、「鉱石層崩れ」が発生するときの質量流速の境界値と、「鉱石層崩れ」が生じないときの鉱石層の最終堆積傾斜角とを用いて推定する方法である。

まず、本発明が適用される高炉１について説明する。
図１に示すように、高炉１は、固気向流型の巨大な反応容器（シャフト炉）である。この高炉１では、炉頂より炉内に、塊鉱石、鉄鉱石ペレット、焼結鉱等の鉱石原料（鉱石２）とコークス３を交互に層状に装入し、炉下部に備えられている羽口から熱風（高温の空気＋酸素）を吹き込んで、鉱石原料の還元、溶融等の一連の反応を行わせることで、銑鉄を製造している。

本発明は、ベル・アーマー方式の原料装入装置４を備えた高炉１を対象としている。なお、本発明はベルレス方式の高炉を対象としていない。
図２に示すように、ベル・アーマー方式の原料装入装置４は、炉頂部に備えられていて、鉱石２やコークス３などの原料を貯留するベルカップ６と、ベルカップ６内に配備され、下方に向かうにつれて広がる円錐形状の下ベル７と、下ベル７の下方であって、鉛直方向に配備された板状のアーマー８と、を有している。なお、下ベル７の上方には、図示はしないが、上ベルが備えられている。下ベル７と上ベルはいずれも上下方向に移動可能となっている。

下ベル７は、下方につれて広がる円錐形状であり、ベルカップ６の下部に備えられている。アーマー８は、下ベル７の下方の炉壁部に備えられていて、落下してきた原料（鉱石２やコークス３など）を反発させるものである。
つまり、ベル・アーマー方式の原料装入装置４を備えた高炉１では、下ベル７を下方に移動させて、ベルカップ６の下部に隙間を設け、ベルカップ６内に貯留された原料（鉱石２やコークス３など）を炉内に所定量落下させる。

ベルカップ６から排出された原料は、ベルカップ６の下方に備えられたアーマー８（反発板）で反発されて高炉１内へ装入される。高炉１内に装入された原料は、落下した位置から炉内の中心側に向かって流れ込みながら堆積する。
なお、鉱石２やコークス３などの原料の落下位置については、アーマー８の押し出し量（距離）により調整を行うことができる。アーマー８の押し出し量とは、板状のアーマー８を高炉１の半径方向内側（高炉１の内部）に向かって出退させる量のことである。

また、図２に示すように、塊コークスの一部については、コークス装入用の専用のシュート（中心装入シュート９）を用いて、高炉１内の中心部へ装入している。いわゆる「コークス中心装入技術」である（参考文献：「ふぇらむ」,Vol.9(2004) No.10, p721〜728）。
ところで、高炉１では、炉内の中心部にガスを安定して流通させることにより、逆Ｖ字型（上に尖った形状）の融着帯を形成させることで、炉内の通気性を確保している。

高炉１内を流通するガスについては、鉱石２よりも粒径および充填層の空隙率が大きいコークス３側を優先的に流通する。また、高炉１内のガス流れについては、鉱石層厚(Lo)とコークス層厚(Lc)との層厚比(Lo/Lc)で制御している。この層厚比(Lo/Lc)が小さいほど、ガスが流れ易くなる。
すなわち、高炉１内の中心部に塊コークスを装入する（コークス中心装入を行う）ことにより、ガスが高炉１内の中心部を流れ易くなる。

本実施形態においては、一般的な高炉原燃料の装入方法で実施している。
図２に示すように、高炉１に原料を装入する方法については、一般的に、コークス２バッチ(CI,CII)、鉱石複数バッチ(OI,OII,…,On)を１サイクルとし、このサイクルを繰り返しながら鉱石２とコークス３をバッチ単位で交互に層状に装入している。なお、本実施形態においては、鉱石２バッチ目(OII)を鉱石最終バッチとしている。

すなわち、高炉１の原料装入方法の一例としては、コークス１バッチ目(CI)−コークス２バッチ目(CII)−鉱石１バッチ目(OI)−鉱石２バッチ目(OII)を１チャージとして、このサイクルを繰り返しながら装入する。また、コークス中心装入については、(CII)と(OI)の間、及び、(OI)と(OII)の間に装入する。
つまり、原料の装入サイクルについては、以下の工程(1)〜(6)に示す通りである。

(1) コークス１バッチ目(CI)
(2) コークス２バッチ目(CII)
(3) コークス中心装入(I)
(4) 鉱石１バッチ目(OI)
(5) コークス中心装入(II)
(6) 鉱石２バッチ目(OII)：鉱石最終バッチ
上記の原料装入工程(1)〜(6)が、１サイクルである。

コークス３の役割としては、レースウェイでの燃焼に用いられる「熱源(C+O₂→CO₂)」、鉱石還元に必要なCOガスを生成する「還元材(C＋CO₂→2CO、FeOn+nCO→Fe+nCO₂) 」、溶鉄へ浸炭し融点を低下させる「加炭材」、高炉１内の通気性を確保するための「スペーサー」などの４つが挙げられる。
また、高炉１に備えられた羽口５からは、微粉炭（石炭を粉砕した補助燃料、pulverized coal(PC)）を炉内へ吹き込んでいるため、「熱源」・「還元材」・「加炭材」の役割への代替は可能である。しかしながら、「スペーサー」としての役割については、コークス３でしか担うことができない。

すなわち、高炉１内の通気性を改善することができれば、その通気余裕を活用してコークス比を低減させることが可能となる。
原料装入装置４の下部側に配備されている下ベル７(ベル)から、鉱石最終バッチ(On)を装入するに際しては、以下に述べることを行っている。
ベル式の高炉１の原料装入装置４では、下方につれて広がる円錐形状の下ベル７を、下方に移動させてできる隙間を通して、原料（鉱石２やコークス３など）を炉内に装入している。また、コークス２バッチ(CI,CII)、鉱石複数バッチ(OI,OII,…,On)を装入の１チャージとする。なお。本実施形態においては、鉱石２バッチ目(OII)を鉱石最終バッチとしている。

鉱石最終バッチ(OII)を装入する時に、下ベル７を開放する条件（下ベル７の開条件）が異なれば、高炉１内の鉱石堆積傾斜角θ_OIIも異なってくる。また、高炉１内の中間部における装入物分布については、装入したコークス３と鉱石２との堆積傾斜角度の差に依存している。
なお、鉱石堆積傾斜角θ_OIIとは、図２に示すように、鉱石最終バッチ(OII)において、高炉１内に装入された鉱石２の傾斜面と水平方向の面とのなす角度のことである。この鉱石堆積傾斜角θ_OIIを増大させると、中心ガス流が強化されることとなるので、高炉１内の通気性は良好になる。

また、鉱石最終バッチ(OII)を装入する時のアーマーポジション（アーマー８の押し出し距離）については、下ベル７から落下してきた鉱石原料（鉱石２やコークス３など）と当たらない位置に設定する。
さて、本発明の鉱石層崩れ量を推定する方法については、下ベル７から高炉１内に鉱石２が落下する速度が必要となる。

下ベル７から高炉１内に排出される鉱石２の質量流速Fは、以下に示す式より求めることができる（参考文献：西尾浩明ら:「鉄と鋼」, 68(1982), p.2330 「高炉の装入物分布形成過程に関する解析」）。
F=2π・R_H・ρ・g^1/2・tan^1/2θ・(u_B・τ/tanθ-k・Dp)^3/2
ただし、F：鉱石２の質量流速[kg/s]、R_H：下ベル７の半径[m]、ρ：鉱石嵩密度[kg/m³]、g：重力加速度[m/s²]、θ：下ベル７の角度[°]、u_B：下ベル７の開速度[m/s]、τ：下ベル７の開時間[s]、k：補正係数[-]、Dp：原料粒径[m]
鉱石２の最終質量流速F_finについては、装入末期（鉱石２の質量流速Fが装入末期に大
きく低下するところから、鉱石排出時間の3%分遡った時間）における鉱石２の質量流速を示している（図５中において破線で丸く囲った箇所を参照）。

このことより、本実施形態の鉱石層崩れ量の推定方法においては、鉱石最終バッチ(OII)の装入末期における鉱石２の質量流速Fを、最終質量流速F_fin[kg/s]としている。
ところで、図３Ａ、図４に示すように、高炉１内に鉱石２を装入する際に、炉内における鉱石層の堆積傾斜角の経時変化を確認すると、鉱石最終バッチ(OII)の最終段階である装入末期に、鉱石層が雪崩のように崩れ落ちる現象、すなわち鉱石層の堆積傾斜角θ_OIIが低下してしまう現象を知見した。この装入末期における鉱石層の堆積傾斜角θ_OIIが低下する現象を「鉱石層崩れ」と呼ぶ。また、「鉱石層崩れ」について、装入末期に鉱石層の堆積傾斜角θ_OIIが低下する角度を「鉱石層崩れ量」とし、その値をΔθ[°]とする。

一方で、図３Ｂ、図４に示すように、鉱石最終バッチ(OII)を装入する際に、「鉱石層崩れ（装入末期の鉱石堆積傾斜角θ_OIIの低下）」が生じなければ、鉱石堆積傾斜角θ_OIIを最大にすることができるので、高炉１の中心近傍における鉱石層厚が低下することなり、中心ガス流が強化される。これにより、高炉１内の通気性が改善されることとなる。
図６Ａ、図６Ｂに示すように、「鉱石層崩れ量」の値Δθ[°]は、鉱石２の最終質量流速F_fin[kg/s]の大きさで決まるものである。また、F_c[kg/s]は、「鉱石層崩れ」の発生可否を判断する境界のF_fin[kg/s]の値である。このF_c[kg/s]の値は、原料条件（鉱石２の種類やサイズ、混合割合、装入量など）や装入装置（高炉１）のサイズによって異なってくる。θ_c[°]は、「鉱石層崩れ」が生じない場合における鉱石層の最終堆積傾斜角である。このθ_c[°]は、最大の堆積傾斜角を示している。

このことより、本実施形態の鉱石層崩れ量の推定方法においては、鉱石最終バッチ(OII)の装入末期に堆積した鉱石層の堆積傾斜角が低下する現象である「鉱石層崩れ」が発生する境界におけるF_fin[kg/s]の値を、F_c[kg/s]とし、「鉱石層崩れ」が非発生のときにおける鉱石層の最終堆積傾斜角を、θ_c[°]とし、「鉱石層崩れ」が発生したときにおける鉱石層の堆積傾斜角の低下量（低下角度）である「鉱石層崩れ量」の値を、Δθ[°]としている。

図５、図６Ａ、図６Ｂ、図７に示すように、「鉱石層崩れ」の現象は、装入末期における鉱石２の質量流速F_fin（最終質量流速）に依存している。この最終質量流速F_finを「鉱石層崩れ」が発生しうる質量流速の境界値F_c以下（F_fin/F_c＜1.0）にすれば、「鉱石層崩れ」は生じることはない。
すなわち、「鉱石層崩れ量」の値Δθ[°]については、「鉱石層崩れ」が生じないときの最終傾斜角をθ_c[°]とするとき、以下に示す式から求めることができる。

Δθ=θ_c×0.12(F_fin/F_c-1)^0.3
ただし、F_fin/F_c≧1.0
なお、上式は、「鉱石層崩れ量」の値Δθを無次元化して整理したものであり、原料種類（鉱石２の種類やサイズ、混合割合、装入量など）や装置（高炉１）のサイズによらず、この関係式が成立する（図７参照）。また、θ_c[°]とF_c[kg/s]については、物性値であるため、F_fin[kg/s]を推定することができれば、「鉱石層崩れ量」の値Δθも推定することが可能となる。

このことより、本実施形態の鉱石層崩れ量の推定方法においては、「鉱石層崩れ量」の値Δθ[°]を、F_fin[kg/s]、F_c[kg/s]、θ_c[°]の３つの変数のみを用いて推定する。
なお、原料装入時における鉱石２の質量流速Fについては、鉱石最終バッチ(OII)を装入する時の下ベル７の開条件から計算することができる。これにより、鉱石２の最終質量流速F_finも推定することが可能である（参考文献１：西尾浩明ら：「鉄と鋼」, 68(1982), p.2330「高炉の装入物分布形成過程に関する解析」) 。

なお、本実施形態で用いるパラメータの定義については、表１、表２、図８に示す通りである。表１は、本実施形態で用いる記号の定義について示したものである。表２は、本実施形態で用いる用語の定義について示したものである。図８は、本実施形態で用いるパラメータの定義を図示したものである。

まとめると、本発明にかかるベル・アーマー方式の高炉１における鉱石層崩れ量の推定方法は、ベル・アーマー方式の原料装入装置４を用いて、高炉１内に原料となる鉱石２とコークス３をバッチ単位で交互に層状に装入する高炉１の原料装入方法において、原料装入装置４の下部側に配備されている下ベル７から、鉱石最終バッチ(OII)を装入する際に、鉱石最終バッチ(OII)の装入末期における鉱石２の質量流速を、最終質量流速F_fin[kg/s]とし、装入末期に堆積した鉱石層の堆積傾斜角が低下する現象である「鉱石層崩れ」が発生する境界におけるF_fin[kg/s]の値を、F_c[kg/s]とし、「鉱石層崩れ」が非発生のときにおける鉱石層の最終堆積傾斜角を、θ_c[°]とし、「鉱石層崩れ」が発生したときにおける鉱石層の堆積傾斜角の低下量である「鉱石層崩れ量」を、Δθ[°]とすると、「鉱石層崩れ量」の値Δθ[°]を、F_fin[kg/s]、F_c[kg/s]、θ_c[°]の３つの変数のみを用いて推定する。
［実施例］
以下に、本発明のベル・アーマー方式の高炉１における鉱石層崩れ量の推定方法に従って実施した実施例について、説明する。

本実施例における実施条件については、以下の通りである。
実験装置１０については、ベル・アーマー方式の高炉１の炉上部を模した２次元冷間模
型を使用した。つまり、２次元冷間模型実験の条件については、下ベル７とアーマー８とを有している。この２次元スライス冷間模型の実験装置１０を用いて、鉱石原料（鉱石２）の装入・堆積実験を行った。

図９に示すように、本実施例で用いる実験装置１０のサイズについては、縦(高さH)=1450mm、横(幅W)=580mm、奥行きl=100mm、下ベル７（底面側）の半径R_H=374mmとし、透明のアクリル板で製作した。
なお、実験装置１０（２次元スライス冷間模型）と実機の高炉１との相似則に関しては、以下の通りである。

下ベル７の開度等の実験装置１０のサイズについては、幾何学的相似則を適用した。本実施例においては、実機の高炉１に対して、1/11.2倍とした。
また、下ベル７の開速度u_B等の速度については、フルード数Frを一定とした。本実施例においては、実機の高炉１に対して、1/√11.2倍とした。
また、装入する鉱石試料（鉱石２）については、粒径が2.8mm〜4.0mmの焼結鉱、および、φ2mmのアルミナボールを用いた。鉱石試料の混合割合については、焼結鉱：100%、アルミナボール：100%、焼結鉱：アルミナボール＝４：６とした。１バッチ当たりの鉱石装入量（鉱石バッチ装入量）については、1.75kg、3.50kg、5.25kgとした（図７参照）。

高炉１を模した実験装置１０内に、下地である鉱石１バッチ目(OI)および中心コークスを装入した状態で下ベル７を開放してベルカップ６から内部へ鉱石最終バッチ(OII) を装入する実験を行った。すなわち、上記の(1)〜(5)に示す原料の装入工程(CI)〜(CII)〜(I)〜(OI)〜(II)を終えた状態にしておき、工程(6)の鉱石最終バッチ(OII)を装入した。
鉱石最終バッチ(OII)での鉱石２の装入・堆積時に、その堆積状況を側方よりビデオ撮影を行い、鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]の変化を連続的に測定した。

鉱石最終バッチ(OII)を装入した時の下ベル７の開条件に関しては、以下の３パターンとした（図４中の上段の（ａ）参照）。
・条件（１）：通常の下ベル７の開条件（下ベル７の最終開度：58mm、下ベル７の開時間：3.6s) 、ベース条件
・条件（２）：下ベル７の開速度を低下させた条件（下ベル７の最終開度：36mm、下ベル７の開時間：11s）
・条件（３）：下ベル７の最終開度を低下させた条件（下ベル７の最終開度：58mm、下ベル７の開時間：1.1s）
図４は、下ベル７の開条件(条件（１）〜条件（３）)と、それぞれの条件に伴う鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]の変化(実測値)を示している。図４中の（ａ）は、下ベル７の開度[mm]の時間変化を示し、傾きは開速度を示している。図４中の（ｂ）は、鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]の時間変化を示している。

なお、下ベル７の開速度は、下ベル７が開くのにかかる時間ともいえる。また、下ベル７の開時間は、下ベル７が開いている時間である。ただし、本実施例では、下ベル７の開時間について、下ベル７が開くのにかかる時間を除いている。
図４中の下段の（ｂ）は、焼結鉱：100%を鉱石試料として用いた場合での下ベル７の開条件(条件（１）〜（３）)と、それに伴う鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]の変化（実測値）を示している。図４に示すように、下ベル７の開条件(条件（１）〜条件（３）)を変更すると、鉱石２の動的堆積挙動である鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]が異なることがわかる。

図３Ａ、図３Ｂ、図４中の下段の（ｂ）などに示すように、条件（１）、条件（２）では、時間経過と共に鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]は増大することとなるが、鉱石最終バッチ(OII)の装入末期に「層崩れ」が生じてしまい、鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]が低下して堆積が完了することになってしまう。このような鉱石最終バッチ(OII)の装入末期における鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]の低下量については、下ベル７の開条件によって異なってくる。

一方、条件（３）では、鉱石最終バッチ(OII)の装入末期において、鉱石堆積傾斜角θ_OII[°]の低下が生じることなく、堆積が完了することとなる。
ここで、条件（１）、条件（２）のように、「層崩れ」が生じるときの「層崩れ量」をΔθ[°]のとし、条件（３）のように、「層崩れ」が生じないときの最終堆積傾斜角をθ
_c[°]のとする。

図５は、下ベル７の開条件を変更した際における鉱石２の質量流速F[g/s]の測定結果を示すものである。この鉱石２の質量流速F[g/s]を測定する方法については、原料の堆積位置に天秤を設置し、堆積質量を連続して測定することで、鉱石２の質量流速Fを求めた。
図５中において破線で丸く囲った箇所、図４中の（ｂ）に示すように、「鉱石層崩れ」が生じる条件（１）、条件（２）では、排出末期の鉱石２の質量流速F_finが最大になるタイミングで発生した。

一方、条件（３）では、下ベル７を全開した後も、鉱石２は排出され続けており、鉱石最終バッチ(OII)の排出末期においても「鉱石層崩れ」は生じることはなかった。
図６Ａに、焼結鉱：100%を鉱石試料（鉱石２）として用いた場合における、鉱石最終バッチ(OII)の排出末期の最終質量流速F_finと、「鉱石層崩れ量」の値Δθとの関係を示す。

図６Ｂに、アルミナボール：100%を鉱石試料（鉱石２）として用いた場合における、鉱石最終バッチ(OII)の排出末期の最終質量流速F_finと、「鉱石層崩れ量」の値Δθとの関係を示す。
図６Ａに示すように、「鉱石層崩れ」の発生可否については、鉱石試料が焼結鉱：100%の場合、F_fin≧0.4kg/sである。このF_finが大きいほど、「鉱石層崩れ量」の値Δθも大きくなる。

図６Ｂに示すように、「鉱石層崩れ」の発生可否については、鉱石試料がアルミナボール：100%の場合、F_fin≧0.6kg/sである。このF_finが大きいほど、「鉱石層崩れ量」の値Δθも大きくなる。
なおここでは、「鉱石層崩れ」の発生可否の境界のF_finの値（境界値）を、F_c[kg/s]としている。

図７は、(F_fin/F_c)と(Δθ/θ_c)との関係を示したグラフである。なお、図７においては、装入原料（鉱石試料）に加え、１バッチ当たりの鉱石装入量（鉱石バッチ装入量）を変更した条件もプロットしている。また、図７のグラフは、「鉱石層崩れ量」の値Δθを無次元化して整理したものであり、原料条件（鉱石２の種類やサイズ、混合割合、装入量など）や実験装置１０のサイズなどに関わらず、グラフに示す関係が成立する。

F_fin/F_c≧1.0で「鉱石層崩れ」が生じ、「鉱石層崩れ量」の値Δθは、以下に示す関係式で求めることができる。
Δθ=θ_c×0.12(F_fin/F_c-1)^0.3
ただし、F_fin/F_c≧1.0
ここで、θ_c[°]、F_c[kg/s]は物性値であるため、鉱石２の最終質量流速F_fin[kg/s]が分かれば、上記の関係式から「鉱石層崩れ量」の値Δθ[°]を推定することが可能である。

なお、鉱石２の質量流速F[kg/s]については、下式で推定することが可能である（参考文献１：西尾浩明ら：「鉄と鋼」, 68(1982), p.2330「高炉の装入物分布形成過程に関する解析」）。
F=2π・R_H・ρ・g^1/2・tan^1/2θ・(u_B・τ/tanθ-k・Dp)^3/2
ただし、F：鉱石２の質量流速[kg/s]、R_H：下ベル７の半径[m]、ρ：鉱石嵩密度[kg/m³]、g：重力加速度[m/s²]、θ：下ベル７の角度[°]、u_B：下ベル７の開速度[m/s]、τ：下ベル７の開時間[s]、k：補正係数[-]、Dp：原料粒径[m]
上記の関係式を用いれば、鉱石２の質量流速Fを直接測定することができない、実機の高炉１においても、鉱石２の最終質量流速F_finを推定することが可能となり、本発明を用いて「鉱石層崩れ量」の値Δθも推定することが可能となる。

ところで、参考文献２（西尾浩明、有山達郎：「鉄と鋼」, 第66年(1980), 13号 p.98 「高炉の装入物分布に及ぼすガス流の影響」）については、高炉１のガス流速と装入物の堆積傾斜角の関係を整理したものである。この参考文献２によれば、２次元スライス冷間模型を用いた実験結果を、実機の高炉１に適用することができることが明らかとされている。

したがって、参考文献２に基づけば、本実験条件で実施した本実施例の２次元スライス冷間模型（実験装置１０）での結果が、実機の高炉１と相似するものといえるので、本発明の鉱石層崩れ量の推定方法を、実機の高炉１に適用することは可能である。
以上、本発明によれば、ベル・アーマー方式の原料装入装置４を備えた高炉１において、鉱石最終バッチ(On)、（本実施形態では、OII）の装入末期に鉱石層が崩れ落ちる「鉱石層崩れ」が生じた際に、鉱石堆積傾斜角θ_On（本実施形態では、θ_OII）が低下する角度を表す「鉱石層崩れ量」の値Δθを推定することで、高炉１の操業安定性に寄与することができる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
特に、今回開示された実施形態において、明示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 高炉
２ 鉱石
３ コークス
４ 原料装入装置
５ 羽口
６ ベルカップ
７ 下ベル
８ アーマー
９ 中心装入シュート
１０ 実験装置

Claims (1)

1. ベル・アーマー方式の原料装入装置を用いて、高炉内に原料となる鉱石とコークスをバッチ単位で交互に層状に装入する高炉の原料装入方法において、
   前記原料装入装置の下部側に配備されている下ベルから、鉱石最終バッチを装入する際に、
   前記鉱石最終バッチの装入末期における前記鉱石の質量流速を、最終質量流速F_fin[kg/s]とし、
   前記装入末期に堆積した鉱石層の堆積傾斜角が低下する現象である「鉱石層崩れ」が発生する境界における前記F_fin[kg/s]の値を、F_c[kg/s]とし、
   前記「鉱石層崩れ」が非発生のときにおける鉱石層の最終堆積傾斜角を、θ_c[°]とし、
   前記「鉱石層崩れ」が発生したときにおける鉱石層の堆積傾斜角の低下量である「鉱石層崩れ量」を、Δθ[°]とすると、
   前記「鉱石層崩れ量」の値Δθ[°]を、F_fin[kg/s]、F_c[kg/s]、θ_c[°]の３つの変数のみを用いて推定する
   ことを特徴とするベル・アーマー方式の高炉における鉱石層崩れ量の推定方法。

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