JP5251408B2

JP5251408B2 - 高炉操業方法

Info

Publication number: JP5251408B2
Application number: JP2008257617A
Authority: JP
Inventors: 公平砂原; 優宇治澤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: JP2010084221A

Description

本発明は、ベル・アーマー型炉頂装置を有する高炉（以後、「ベル・アーマー高炉」とも称する。）において、コークスと塊鉱石との混合層を形成させることで、劣質原料の多量使用下において高い反応効率と良好な通気性を維持した高生産性かつ低還元材比操業を実現させる高炉操業方法に関する。

高炉操業においては、還元材としてのコークス、および鉄源としての焼結鉱、ペレット、塊鉱石など（以下、これらの鉄源を「鉱石」と総称する。）が炉頂部から交互に装入され、炉下部の羽口からは熱風が送風されるとともに、通常は微粉炭などの補助還元材が吹き込まれる。炉頂部から装入されたコークスおよび鉱石（以下、「コークス」と「鉱石」とを「原料」と総称する。）は、交互に積層されたコークス層および鉱石層を形成し、高炉内の荷下がりにしたがって、徐々に高炉内を炉下部に向かって降下しながら、炉下部から上昇するガスにより昇温される。鉱石は昇温および還元により軟化収縮して融着帯と呼ばれる領域を経て、溶解して炉内を滴下して炉下部に至る。

羽口から送風された熱風（空気または酸素富化された空気を加熱したもの）は、コークスなどの還元材と反応して還元ガスを生成し、この時に反応消失したコークスにより高炉内に装入された原料は荷下がりする。

高炉を安定にしかも効率よく操業するには、炉内を上昇するガスと炉内を降下するコークスおよび鉱石との熱交換および反応を効率よく行い、通気性、通液性を良好に保つことが重要である。特に生産性を高めるために還元材比（銑鉄１ｔを生産するために必要な還元材量をｋｇで表したものであって、通常はコークスおよび微粉炭が還元材として使用される。）を低くすること指向した操業を行った場合には、高炉内のコークス層厚に比較して鉱石層厚が増加するため、鉱石層内上部では還元ガス濃度が低下し、炉内の反応効率が低下する。

近年の高生産性のみならずＣＯ_２排出抑制の観点から強く要請されている高炉還元材比低減を実現するためには、次のような通気性の低下という問題を解決しなければならない。

装入物の粒径を比較するとコークスよりも鉱石の粒径が小さいので、還元材比を低下させるべく装入されるコークスに対する鉱石の比率が上昇すると、装入物で形成される充填層の空隙率が低下する。また、高炉下部には高炉全体の通気性を支配する通気抵抗の高い領域である融着帯（鉱石層が軟化収縮してなる帯状領域）が存在し、装入コークスに対する鉱石の比率が上昇すると、この融着帯領域が拡大する。このように、還元材比を低下させると通気性が低下する傾向を示す。

一方で、昨今の世界的な原料需給情勢の変化に対応した、低コストの劣質原料の有効利用が要請されている。劣質原料とは、鉱石の場合には、特にＡｌ_２Ｏ_３濃度が高い原料や天然の塊鉱石の中でも高結晶水塊鉱石などが挙げられる。

ここで、「高結晶水塊鉱石」とは天然の塊鉱石のうち比較的結晶水量が多いもの（通常は４質量％以上）をいう。このように結晶水量が多い塊鉱石が炉内で昇温されると、塊鉱石内の結晶水が揮発し、この脱水によって生成する気孔は高温における塊鉱石の強度を劣化させる。すなわち、高結晶水塊鉱石は高温における荷重軟化収縮抵抗が小さく、高温通気抵抗も焼結鉱に比較すると著しく高い。この傾向は、結晶水量が４〜６質量％以上になると顕著になり、高温（９７３Ｋ以上）加熱後の強度劣化、荷重軟化性状の悪化が顕著化する。このため、一般的には高結晶水塊鉱石は単独で使用されず、焼結鉱とともに高炉に装入されている。

その一方で、高結晶水塊鉱石は前述の気孔が発生することによって比表面積が増加するため、結晶水量の少ない塊鉱石や焼結鉱などに比べると被還元性が高い。したがって、還元材比を低下させるとともに昨今の原料需給事情に対応するという観点からは可能な限り高結晶水塊鉱石の使用量を増加させることが好ましい。

上記のように高結晶水塊鉱石は一般に焼結鉱と混合されて高炉に装入されているが、焼結鉱とは性状の異なる高結晶水塊鉱石をその特徴に応じて有効に使い分けることにより高炉内全体の反応効率を向上させることを目的とした技術が見られる。

高結晶水塊鉱石の使用法として、特許文献１では、高結晶水塊鉱石の微粉部（具体的にはアンダー３ｍｍメッシュ）を予め取り除いた後、高炉に装入することで炉内の通気性を良好に維持する方法が開示されている。この方法により、粉状鉱石の目詰まりによる通気性の悪化を緩和することができるが、高結晶水塊鉱石は微粉部を予め取り除くことによって装入時には塊状であっても、高炉内昇温過程に於いて強度が劣化するため、炉内では細粒化し通気抵抗が上昇し、操業に支障をきたすことになるという基本的な問題点を回避することは困難である。

特許文献２においては、高結晶水塊鉱石と細粒の高反応性コークスとを混合装入することによって、高被還元性の高結晶水塊鉱石と高反応性コークスとを近接に配置し、鉱石還元および炭材ガス化を活発にして、同領域の反応効率を向上させる技術が開示されている。しかし、高結晶水塊鉱石は、炉内においては強度がきわめて低くなること、また、細粒の高反応性コークスは一般に低強度で、融着帯までに反応消滅させることが炉下部通気確保の必要条件であることから、混合されている高結晶水塊鉱石と高反応性コークスの劣化（強度低下）が塊状帯（融着帯の上方における鉱石とコークスとがともに塊状で混在する領域）において同時に生じ、通気性を著しく阻害する領域が生成されるおそれがある。また、融着帯付近において、高結晶水塊鉱石に近接配置されているコークスが消滅または反応劣化すると、高結晶水塊鉱石の軟化収縮を抑制することができず、融着帯の圧損上昇が操業を阻害するおそれもある。

また、特許文献３では、塊コークスに鉱石を事前に混合して装入する方法が開示されている。混合する鉱石として高結晶水塊鉱石を選択すれば、高結晶水塊鉱石の周辺にスペーサーとなる塊コークスを配置することになり、強度の低い高結晶水塊鉱石にかかる荷重を緩和し、いわゆる骨材的効果により高結晶水塊鉱石の700℃付近からの軟化収縮と劣化は抑制され、通気性を確保することができる。

特許文献４には、鉱石中に適量のコークスを分散して混入したコークス混入鉱石層を形成させるために、鉱石ホッパーから装入ベルトコンベア上に切り出された鉱石の上にコークスを切り出して配置することによって、鉱石とコークスとを同時に炉内へ装入することを意図する発明が開示されている。高炉の原料は、ベル・アーマー型炉頂装入装置等の炉頂装入装置へは、装入ベルトコンベアで搬送されており、この発明は装入ベルトコンベアへの積載方法を規定した発明である。
特開平０４−２６３００３号公報特開平０６−１４５７２８号公報特開２００６−２９９３８２号公報特開昭６２−１２７４１１号公報

しかしながら、塊コークスおよびそれよりも粒径の小さい鉱石によって構成された均一な混合層を高炉内に形成することは、特許文献３や４に開示された技術をもってしても十分とはいえなかった。

そこで、本発明は、近年の低還元材比による高炉操業または微粉炭吹き込みによる低コークス比を前提とした高炉操業における、高生産性の要求および原料需給変動による高炉使用原材料の品質変化に柔軟に対応して、高結晶水塊鉱石を使用しつつ、その高結晶水塊鉱石を含む鉱石と塊コークスとの均一な混合状態を高炉に作り出し、高炉内の反応効率および通気性をいずれも良好に維持することが可能な高炉の操業方法を提供することを目的とする。

上記の目的を実現するために提供される本発明は、以下に示すとおりである。
（１）ベル・アーマー型炉頂装置を用いて、塊鉱石を含む鉱石とコークスとを交互に高炉炉内に装入する高炉操業方法において、高炉炉内に鉱石を装入するために高炉炉頂へ装入物を搬送する装入ベルトコンベア上に前記鉱石を積載するにあたり、前記塊鉱石のうちで当該積載された鉱石全体の３体積％以上５体積％以下の体積の塊鉱石を、装入ベルトコンベアの先頭部に配置することを特徴とする高炉操業方法。

（２）前記装入ベルトコンベアの先頭部に配置される塊鉱石は、結晶水を４質量％以上含む塊鉱石であることを特徴とする上記（１）に記載の高炉操業方法。

（３）前記コークスは平均粒径が３０ｍｍ以上の塊コークスであって、前記装入ベルトコンベアの先頭部に配置される塊鉱石は、当該塊コークスからなる高炉炉内のコークス層に浸透可能なように当該塊コークスよりも平均粒径が小さい、上記（１）または（２）に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、装入ベルトコンベアに積載される鉱石の先頭に、装入される全鉱石の５体積％以下の体積に相当する塊鉱石、好ましくは結晶水含有率を４質量％以上含有する塊鉱石を配置することで、塊鉱石の高炉内落下点近傍に、反応性と通気性に優れた塊コークスと塊鉱石の混合層を形成することができる。このため、高炉内の到達還元率および高温通気抵抗指数を共に良好とすることが可能である。したがって、低還元材比であっても、生産性かつ経済性に優れる高炉操業が実現される。

本発明に係る高炉操業方法の最良の形態を以下に説明する。
１．塊鉱石および塊コークスの混合物の堆積時の偏析現象
本発明者らは、塊鉱石の落下点近傍に塊鉱石と塊コークスとの均一な混合層を作成できる装入方法を見出すべく、実高炉のベル・アーマー型炉頂装入装置を模擬した実物大の装置による装入実験を実施し、詳細な解析を行った。なお、ベル・アーマー型装入装置の常法によりアーマー（ムーバブルアーマー）の位置を変化させることで、炉内半径方向であれば塊鉱石の落下点を任意の位置に設定することができる。したがって、炉内半径方向のいずれかの落下点での現象を正確に把握し、その結果に基づいて装入を適切に制御して塊鉱石と塊コークスとの均一な混合層を形成することができれば、炉内半径方向の全面にわたって塊鉱石と塊コークスとの均一な混合層を配置することが可能である。そこで、装入工程全体における原料の振る舞いについて詳細に検討を行った。

まず、特許文献３に開示されたように塊コークスと塊鉱石とを予め混合して、装入ベルトコンベアから大ベルホッパーに装入すると、装入直後はベルトコンベア上の混合状態を維持して塊コークスと塊鉱石との混合物が堆積されるものの、大ベルホッパー内における原料の堆積が進行するにつれて、装入ベルトコンベアからの落下点付近であるところの大ベルホッパー内の半径方向の中間部には、塊コークスよりも密度が大きく粒径が小さい塊鉱石が偏析し、当該落下点から離れた大ベルホッパー外周部、および大ベル近傍（中心付近）に塊コークスが集中して堆積する。すなわち、大ベルホッパーに装入する前の段階でいかに均一な混合物としていても、装入後の大ベルホッパー内ではその均一性は失われ、ホッパー内で塊コークスが密な領域と塊鉱石が密な領域とが形成されてしまう。

これは、塊コークスと塊鉱石とでは、形状も密度も大きく異なることに由来している。高炉内で使用される塊コークスは、一般的に、粒子比重が１．０ｇ／ｃｍ^３程度で、粒径は３０乃至８０ｍｍ程度である。一方、塊鉱石は、一般的に、粒子比重が３ｇ／ｃｍ^３前後で、粒径は１０ｍｍ乃至４０ｍｍ程度である。このため、密度が小さく粒径の大きい塊コークスと、密度が大きく粒径の小さい塊鉱石との混合物は、搬送、落下、堆積過程において振動が付与されると均一性を失い、塊鉱石が優先的に下方に沈降してしまう。したがって、たとえ装入ベルトコンベア上では均一な混合物であったとしても、大ベルホッパー内部の斜面を流下している間に、密度が大きく粒径の小さい塊鉱石は、堆積層の下部方向にふるい落とされながら堆積する傾向を示す。

このような傾向を有するため、塊鉱石および塊コークスの斜面における移動方向を比較すると、塊鉱石の方がより垂直に近い方向に移動する（塊鉱石の優先流下の原則）。このため、大ベルホッパーに落下した塊コークスの方が、塊鉱石よりも落下点から炉内半径方向外側に堆積しやすくなる。したがって、外周側に塊コークスがより多く堆積され、その塊コークスがより多く存在する外周側の領域よりも内周側の領域である落下点近傍に塊鉱石がより多く堆積する領域が形成されるようになる。

こうしてひとたび外周側から塊コークス、塊鉱石の順番で堆積されると、この塊鉱石が多い領域よりも内周側に落下した塊コークスはその密度が塊鉱石よりも軽いがゆえに塊鉱石が多い領域を超えて外周側に流下することが困難となる。このため、この塊鉱石が多い落下点近傍の領域よりも内周側では、上記の塊鉱石の優先流下の原則にしたがって、より外周側に塊鉱石が多い領域が、より内周側に塊コークスが多い領域が形成されることとなる。

この塊鉱石が多い落下点近傍の領域よりも内周側の領域における相対的に外周側の塊鉱石が多い領域は、塊鉱石が多く堆積する落下地点近傍の領域と一体化する。したがって、落下地点付近には塊鉱石が優先的に堆積され、塊コークスはそれ以外の領域、すなわち落下点から離れた大ベルホッパー外周部、および大ベル近傍に集中することになる。

このように、塊鉱石および塊コークスの混合物にはベルホッパー内の堆積過程での偏析現象が存在するため、大ベルの開操作によって塊コークスと塊鉱石との混合物が高炉内に排出されると、排出の先頭には、大ベルホッパー外周部に存在している塊コークスが優先的に高炉内に落下する。この先頭に排出された塊コークスが高炉内落下後は、炉中心付近まで流れ込み、中心部における塊コークスの分布密度が高くなる。しかも、排出中期以降に塊コークスと塊鉱石とが混合状態で排出される場合にも、混合物の炉内への落下後、原料斜面を流下する際に、密度が大きく粒径の小さい塊鉱石が、混在する塊コークスの空隙を下層方向に優先的に移動しながら堆積する結果、落下点付近には鉱石が選択的に偏在することになる。

以上説明したように、たとえ大ベルホッパーに装入する塊コークスと鉱石とを装入ベルトコンベア上で均一に混合させておいたとしても、両者の密度および粒径の相違により、炉内で堆積時に偏析分離することは避けられないのである。

２．塊鉱石のコークス層内部への浸透現象および均一な混合層の形成
以上の検討を基礎として偏析分離現象を抑制する方法を検討するにあたり、発明者らは、塊コークス斜面上に、鉱石を落下させたときに、先頭に落下した一部の鉱石が、高炉内の最表層をなすコークス層（実質的にコークスのみが堆積する層）における落下点付近の内部に入り込む現象に着目した。

前述したように、落下させる塊鉱石に比較すると斜面を形成するコークス層の塊コークスは軽く粗いため、重く細かい塊鉱石粒子群が落下すると、落下点付近のコークス層の内部に落下した一部の塊鉱石が塊コークスの空隙を通過して下方へと落下する（以下、この現象を「浸透」とも称する。）。

本発明者らが塊鉱石の装入過程をさらに詳細に観察した結果、コークス層への浸透現象は次のようにして均一な混合層の形成をもたらすことが見出された。まず、先頭に落下した鉱石が落下点付近のコークス層に浸透し、その領域に存在していたコークス粒子間の空隙が、強制的に侵入した塊鉱石によって満たされる。このため、コークス層には、塊鉱石落下点付近に充填密度が高い領域が生成される。この領域は、鉱石の落下衝撃を伴って形成されるため、この段階の充填密度は、通常の異種粒子混合による空隙率低下、すなわち充填密度上昇の程度よりも大きい状況にある。このため、局所的にコークス層の斜面が不安定になる。この領域に塊鉱石が更に落下してくると、この塊鉱石粒子の衝撃によってこの密度が高い領域における表層部分が崩壊を開始し、塊コークス中に侵入した塊鉱石の一部は、隣接している塊コークスとともに斜面下部（すなわち高炉の中心側）に流れ込む。

その結果、落下直後にコークス粒子間空隙への塊鉱石の侵入により形成された混合層における過剰な塊鉱石は排除され、先頭に落下した塊鉱石を中心とした均一な混合層が形成される。

３．均一な混合層の形成条件
この均一な混合層の形成条件を調査したところ、この領域に含まれる塊鉱石量は、落下する際の鉱石の衝撃エネルギー、すなわち、落下距離、装入量、および、塊鉱石粒子の粒径や密度、また、下部からのガス流速に依存するものの、通常の高炉操業範囲においては、これらの因子の中では、主として粒径および装入される全鉱石量に影響を受け、その他の因子による影響は小さいことがわかった。

これらが混合層の形成に与える影響について説明すれば、塊鉱石の粒径が落下点付近のコークス粒径よりも十分に小さいと、塊鉱石のコークス粒子間への浸透が促進され、均一な混合層が形成される領域は拡大される。また、装入される全鉱石量が多くなると、落下点近傍のコークス層に侵入する鉱石が荷重により押し込まれる効果が働き、やはり均一な混合層が形成される領域は拡大するからである。

この点についてのさらなる詳細な実験を行ったところ、落下点近傍でコークスと混合層を形成する鉱石は装入される全鉱石の５体積％であることが明らかになった。具体的には、大ベルホッパー内の全鉱石のうち最下端部に存在する５体積％分が、落下点においてコークス層に浸透し、同領域近傍に均一な混合層を形成することに関与する。

一方、大ベルホッパー内の全鉱石のうち最下端部５体積％以外の鉱石は、コークス層斜面の落下点付近にはすでに塊コークスと塊鉱石との均一な混合層を形成されているので、それ以上はコークス層にほとんど浸透せず、通常の鉱石層を形成する。

ここで、この大ベル最下部の５体積％の原料は、炉頂へ搬送する装入ベルトコンベア上の鉱石の先頭の５体積%に相当する。この程度の装入ごく初期については、前述のような装入ベルトコンベアから大ベルホッパーへの装入過程における偏析現象が生じることはなく、装入ベルトコンベアにおける原料の状態がほぼそのまま維持される。したがって、高炉炉内に鉱石を装入するときに、高炉炉頂へ装入物を搬送する装入ベルトコンベア上に鉱石を積載するにあたり、当該積載された鉱石全体の５体積％以下の体積に相当する塊鉱石を、装入ベルトコンベアの先頭部に配置する方法を採用することで、高炉内において効率的に混合層を形成することが実現される。また、この効果を十分に発揮するためには、装入ベルトコンベアの先頭部に配置する塊鉱石が、当該積載された鉱石全体の３体積％以上であることが望ましい。

このように、塊コークスと塊鉱石との均一な混合層を形成することができれば、この混合層では塊コークスが骨材の機能を果たすため、塊鉱石の結晶水量が多くても、混合層全体としての荷重軟化収縮抵抗が著しく低下することはない。したがって、塊鉱石の結晶水量が多い劣質原料を使用しても、炉内通気性が低下する危険性が抑制されることになる。また、天然の塊鉱石の結晶水量（ＣＷ、単位：質量％）と被還元性（ＲＩ、単位：％）との関係を表す図１に示されるように、一般に天然の塊鉱石の被還元性は、鉱石が含有する結晶水量が多いほど上昇する。このため、結晶水量が多いほうがむしろ混合層の塊鉱石および塊コークスの近接配置効果による反応性、通気性向上効果が得られやすい。ここで、図１によれば、通常の焼結鉱の被還元性６０乃至７０％に相当する結晶水量は４質量％である。したがって、劣質原料であるがゆえに低コストで調達可能な結晶水量が４質量％以上の高結晶水塊鉱石を用いることで、焼結鉱と同等以上の生産性を安定的に実現することが可能である。

以上をまとめると、ベル・アーマー型高炉において、コークス装入後の鉱石装入において、結晶水を含む塊鉱石、好ましくは結晶水量が４質量％以上の高結晶水塊鉱石をコークスの直後に装入する鉱石量の５体積％以下を高炉炉頂へ搬送する装入ベルトコンベア上の同鉱石の先頭に配置することで、劣質原料の多量使用下においても、高い反応効率と良好な通気性を維持した高生産性かつ低還元材比操業が安定的に実現される。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
１．装入装置
実高炉（内容積２１５０ｍ^３）のベル-アーマー型炉頂装入系を模擬した実物大の装入装置による装入実験を実施した。

図２には本実施例において使用した装入装置を概念的に示す斜視図である。この装入装置は、高炉炉頂部分の炉中心から炉壁までの半径方向を矩形型に切り取った形状をしており、原料の落下、堆積挙動が直接観察できるように、その一断面が透明なアクリル板で構成されている。また、第２図に示すように、実高炉のベル-アーマー型炉頂装入系と同様に、装置の上部には、大ベルホッパーaおよびこれに含まれる大ベルb、ならびにアーマープレートcが配置されている。アーマープレートcは、垂直軸からの角度が可変であり（ムーバブルアーマー）、落下する原料が反発する角度を変更することで、炉内への装入位置を調整する機能を有する。

装入ベルトコンベア（図示せず。）から、装入装置の大ベルホッパーa内に堆積させた原料は、大ベルbを降下させることで炉内へ落下し、アーマープレートcに反発後炉内斜面に堆積する。この際、落下距離dを一定に保つように、大ベルホッパーaごと大ベルbの高さを設定できるようになっている。

この落下距離dは、通常のベル高炉においては、アーマープレートcの垂直軸からの角度が0の場合、大ベルホッパーaから排出される原料流の落下軌跡が炉周辺部まで十分に到達するような高さを目安として操業上管理されており、本実験では標準的な値としてｄ=３．６５ｍとした。

また、図中ｆに示すように装置下部に配置された４本の支管ごとに独立したガス流量調整が可能である。実高炉において、半径方向の数カ所で測定されたガス組成、温度より推定した炉頂半径方向のガス流速分布を模擬し、炉中心のガス流速を周辺部よりも大きくなるように設定した。具体的には、中心からの距離が半径に対して１２．５％となる位置におけるガス流速が５．３ｍ／ｓであり、同様の計算で３７．５％となる位置が２．１ｍ／ｓ、６２．５％となる位置が０．７４ｍ／ｓ、および８７．５％となる位置が０．３４ｍ／ｓであった。

なお、以上の実験条件は、通常の高炉操業の典型例であり、通常の高炉操業範囲内であれば実験結果に影響を及ぼさない。
使用原料として実高炉使用品を用い、装置下部からは高圧ブロアにより実高炉相当量のガス流速分布を与えると、炉内に装入される原料は、実炉と同等の装入エネルギーで落下し、実高炉相当の上昇ガスによる圧力損失を受けながら堆積するため、本実験装置によって実高炉内状況を精緻に再現した高炉原料の堆積挙動を観察することができる。

また、装入後は、堆積後の原料を半径方向全域にわたって採取することで、混合層の形成状態、例えば混合率について測定することが可能である。この「混合率」とは、落下点近傍の塊鉱石のうちコークス層への混合した割合を示すもの（単位：％）であって、（落下点近傍のコークス層内に混入した塊鉱石量）／（装入ベルトコンベア先頭の塊鉱石量）×１００により算出される。なお、「コークス層に混入している塊鉱石」とは、塊鉱石が装入される前のコークス層の表面レベルよりも下側に存在する、すなわちコークス層に浸透した塊鉱石をいう。

２．装入実験
上記の装入装置を用いて、次のような実験を行った。
まず、実高炉条件で塊コークスを装入ベルトコンベアから大ベルホッパーを介して炉内へ装入し、装入実験装置の炉口部に斜面を有するコークス層を形成した。次に、装入ベルトコンベア上には、鉱石を配置するが、この際、装入ベルトコンベアの先頭に全鉱石に対する所定体積比率だけ塊鉱石を配置し、残りの鉱石は、残部の塊鉱石と焼結鉱とを混合して装入ベルトコンベアに配置した。この混合比率は装入実験ごとに変化したが、各実験の装入ベルトコンベア上では混合比率が一定になるように配置した。また、この装入ベルトコンベア先頭に配置する塊鉱石については、結晶水の高低に応じた被還元性による影響を比較するため、結晶水含有率（結晶水量）が３質量％の鉱石と５質量％の鉱石とを用いた。なお、これらの塊鉱石は、後述する荷重軟化実験でも同じ鉱石銘柄を用いた。

通常の高炉操業範囲を想定し、全鉱石類のうち、焼結鉱が８０質量％、塊鉱石が２０質量％とし、塊鉱石のうち、結晶水が５質量％以上の高結晶水塊鉱石を４０質量％、すなわち全鉱石の８質量％を配合した。

なお、コークス層に浸透する鉱石量は実験条件によって異なるため、装入実験ごとに各原料の重量比率は変化した。実験に係る原料の重量比率の例を挙げると、コークス３３２ｋｇ、焼結鉱１０４０ｋｇ、および結晶水含有率３質量％または５質量％の塊鉱石２６０ｋｇであった。

また、コークス層への浸透が十分に生じる粒径を考慮し、塊鉱石の平均粒径は２０ｍｍ、塊コークスの平均粒径は３５ｍｍとした。ここで、この塊コークスの平均粒径は、通常高炉内で使用される塊コークスの粒径範囲（３０〜８０ｍｍ）の小径側に設定されている。これは次の理由による。すなわち、装入ベルトコンベアから大ベルホッパー内に装入された塊コークスは、大ベルホッパー内に堆積される過程で粒径の小さいものが下方に、粒径の大きなものが上方になるように偏析する。したがって、大ベルホッパーから高炉内に原料を装入する初期においては、塊鉱石に続いて高炉に供給される塊コークスの粒径は比較的小さなものとなっている。そこで、この高炉への原料装入初期の塊鉱石のコークス層への浸透を再現する本実験では、より現実の装入状態を再現すべく、塊コークスの平均粒径を３５ｍｍとしている。

３．高温荷重軟化滴下実験
次に、上記の装入実験において、落下点近傍に形成された塊コークスおよび塊鉱石からなる積層構造、すなわちコークス層、鉱石層および混合層からなる構造を、それぞれの層高および粒径を約１/３スケールに縮小して高さ３００ｍｍ、直径７０ｍｍの充填層を黒鉛坩堝内に再現し、高温荷重軟化滴下実験を行った。黒鉛坩堝における各層の積層状態を概念的に示す断面図である図３に示されるように、黒鉛坩堝内の最下部にはコークス層を堆積させ、その上に塊鉱石が混合されたコークス層、すなわち混合層を堆積させ、さらにその上に塊鉱石と焼結鉱とからなる鉱石層を配置した。この構造において、混合層における塊鉱石が「コークス充填層に混入した鉱石」に相当する。

なお、コークス、塊鉱石および焼結鉱からなる充填層構造の配置の影響を比較するため、各層の厚みを変える実験を行った場合にも、坩堝内に存在するコークス、塊鉱石および焼結鉱におけるそれぞれの総体積量は一定とした。

高温荷重軟化滴下実験は、想定される高炉条件に応じた温度、ガス組成と充填層上部から荷重パターンを与える試験であり、鉱石類の高温性状を評価する試験として知られている実験方法である。

本実施例における実験では、図４（ａ）に示されるように常温から１９２３Ｋまで約６時間かけて昇温した。また、導入したガスの組成は、図４（ｂ）に示されるようにＣＯ、ＣＯ_２およびＮ_２の各ガスの上記の昇温時間における供給流量を変化させて、ＣＯ：２４〜４６体積％、ＣＯ_２：０〜２２体積％、Ｎ_２：５４体積％の範囲で設定し、この条件はいずれの実験でも一定とした。試料に加えられた荷重は、図４（ｃ）に示されるように、３０〜９８ｋＰａの範囲で変動させ、この条件もいずれの実験でも一定とした。なお、これらの温度、ガス組成および荷重の各パターンは、実際の高炉条件に基づいて設定されたものである。

上記の昇温期間に混合層は軟化収縮し、ガス還元反応が完了したときの還元率を、入出力のガス流量とガス組成分析値、および実験後の各試料減量測定値に基づいた酸素、炭素のバランスよりから算出して「到達還元率」（単位：％）とした。また、実験中は、充填層の収縮による変位、および圧力損失を連続的に測定して、１２７３Ｋから１８７３Ｋにかけて、充填層高さあたりの高温通気抵抗を温度で積分した値であって、下記式（１）で表される「高温通気抵抗指数：ＫＳ」（単位：Ｋ/ｍ^１．３）を求めた。この高温通気抵抗指数は、高炉内では、融着帯の通気抵抗に相当する指数で、通常の高炉原料では３００〜４００×１０^５Ｋ/ｍ^１．３程度であり、数値が高いほど通気性が悪化する。

ここで、ΔP:圧力損失(N/m²)
μ_g:ガス粘度(kg/m/sec)
ΔL:層厚(m)
ρ_g:ガス密度(kg/m³)
u_g:ガス速度(m/s)
T :温度(K) である。

４．結果
上記の装入実験および高温荷重軟化滴下実験の条件およびそれらの結果を表１に示した。

ここで、混合層の安定性についての判定及び評価１における判定および評価基準は次のとおりである。
安定（○）：装入実験において同条件での実験回数が４回以上であって、その場合における混合率のばらつき（（最大値−最小値）／平均値）が１０％未満
不安定（×）：装入実験において同条件での実験回数が４回以上であって、その場合における混合率のばらつきが１０％以上
判定不能（−）：装入実験において同条件での実験回数が４回以上であって、混合層が形成できない場合がある

到達還元率についての評価２における評価基準は次のとおりである。
○（良好）：到達還元率が同条件での全ての実験において８０％以上
△（可）：到達還元率が６０％以上８０％未満となる場合がある
×（不可）：到達還元率が同条件での全ての実験において６０％未満

高温通気抵抗指数についての評価３における評価基準は次のとおりである。
○（良好）：高温通気抵抗指数が同条件での全ての実験において４００×１０^５Ｋ/ｍ^１．３未満
△（可）：高温通気抵抗指数が４００×１０^５Ｋ/ｍ^１．３以上５００×１０^５Ｋ/ｍ^１．３未満
×（不可）：高温通気抵抗指数が同条件での全ての実験において５００×１０^５Ｋ/ｍ^１．３以上

総合評価における評価基準は次のとおりである。
○（良好）：評価１，２，３のいずれもが○（良好）である
△（可）：評価１，２，３のいずれもが○（良好）または△（可）である
×（不可）：評価１，２，３のいずれかが×（不可）または−（判定不能）である

従来例１は、塊鉱石の装入ベルトコンベア上の位置を規定しないため、落下点近傍のコークス層に混合する塊鉱石について、塊鉱石の混合率は、塊鉱石が装入ベルトコンベア上に配置される位置によって異なる。このため、到達還元率および高温通気抵抗指数はいずれも大きく変動し、これらを共に良好とすることができなかった。

また、従来例２では、予め混合されたコークスおよび塊鉱石は、大ベルホッパー内の大ベル上で塊コークスと塊鉱石との分離が生じやすいため、炉内落下後の混合層の形成が安定せず、混合状態には変動があったが、最もうまく混合された場合を再現した高温荷重軟化滴下実験によると、到達還元率は高く、高温通気抵抗指数も低位で良好となる場合もあった。塊コークスと塊鉱石との混合層の効果は認められるものの、安定な混合層の造り込み方法が重要であることがわかる。

比較例および実施例はいずれも装入ベルトコンベアの先頭に所定量の塊鉱石を配置する方法であった。この先頭に配置された塊鉱石（先頭塊鉱石）の配置量が装入された全鉱石の５体積％以下の場合（実施例１〜４）には、ほぼ全量落下点においてコークス層内に混合されたが、先頭塊鉱石の配置量が７体積％に増加された場合（比較例１，２）には、先頭に配置した塊鉱石の約６割程度がコークス層内に混入するものの、混合率は５５〜６０％程度であり、残りの４割強は、コークス層と鉱石層の間に単味で存在していた。

上記の落下点近傍の堆積状況を黒鉛坩堝内に再現した反応実験によると、先頭塊鉱石を結晶水量が３質量％の塊鉱石とした場合には、到達還元率がいずれも通常の高炉融着帯レベルで必要な８５％を超えることができなかったが、先頭塊鉱石を結晶水量が５質量％の塊鉱石とした場合には、いずれの混合率でも、９０％を超えた。図1に示されるように焼結鉱相当の被還元性を有する４質量％以上の結晶水を含有することで、通常の高炉で必要な８５％以上の到達還元率を維持できたものと考えられる。

実施例３，４に示されるように、コークス中に塊鉱石がほとんど混合している場合には、高温通気抵抗指数は、２０５〜２１０×１０^５Ｋ/ｍ^１．３と低いが、比較例４に示すようにコークスとの混合の他、塊鉱石単味層が存在している場合には、９８０×１０^５Ｋ/ｍ^１．３と非常に高く、通気性に支障をきたすことが明らかになった。これは、塊鉱石単味充填層部分が比較的低温の７７３Ｋ程度以上から軟化収縮するため、通気抵抗が低温から上昇し、融着後も圧損が著しく上昇したためと考えられる。したがって、実施例１，２のように、塊鉱石がコークス充填層内に混合している場合には、荷重を受けたときでも、コークスによる骨材効果により、軟化収縮抵抗が大きくなり、充填層の空隙が維持され、通気抵抗の低下効果が発現したと考えられる。

塊鉱石中結晶水含有率と被還元性との関係を示すグラフである。実スケール装入実験装置の構造ならびにその内部に配置される塊コークスおよび塊鉱石の積層状態を概念的に示す斜視図である。高温荷重軟化滴下実験装置ならびにその内部に配置される塊コークスおよび塊鉱石の積層状態を概念的に示す断面図である。高温荷重軟化滴下実験における温度パターン（ａ）、ガス流量パターン（ｂ）、および荷重パターン（ｃ）を示すグラフである。

符号の説明

a−大ベルホッパー
b−大ベル
c−アーマープレート
d−ストックレベル
e−原料
f−送風ブロア

Claims

ベル・アーマー型炉頂装置を用いて、塊鉱石を含む鉱石とコークスとを交互に高炉炉内に装入する高炉操業方法において、高炉炉内に鉱石を装入するために高炉炉頂へ装入物を搬送する装入ベルトコンベア上に前記鉱石を積載するにあたり、前記塊鉱石のうちで当該積載された鉱石全体の３体積％以上５体積％以下の体積の塊鉱石を、装入ベルトコンベアの先頭部に配置することを特徴とする高炉操業方法。
前記装入ベルトコンベアの先頭部に配置される塊鉱石は、結晶水を４質量％以上含む塊鉱石であることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
前記コークスは平均粒径が３０ｍｍ以上の塊コークスであって、前記装入ベルトコンベアの先頭部に配置される塊鉱石は、当該塊コークスからなる高炉炉内のコークス層に浸透可能なように当該塊コークスよりも平均粒径が小さい、請求項１または２に記載の高炉操業方法。