JP6102495B2 - 高炉の原料装入装置及び高炉の原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉の原料装入装置及び高炉の原料装入方法に関する。特に、偏芯型炉頂ホッパーからの装入物の排出のばらつきを減少させる高炉の原料装入装置及び高炉の原料装入方法に関する。

近年の資源劣質化により高炉で使用する装入物の多種多様化が求められている。そしてかかる環境下で、高出銑、低還元材比操業を達成するためには、従来以上に高精度な装入物分布制御技術の開発が期待されている。

大型高炉を安定して操業するには、高炉内での還元ガスの通気性の確保が重要である。
高炉の通気性は、（１）径方向での鉱石とコークスの層厚比（以下Ｏ/Ｃという。）の分布と（２）径方向粒度分布、により径方向通気抵抗分布が形成されるため、上記（１）と（２）のコントロールが重要である。

高炉においては、鉱石とコークスを順次に炉内に装入し、鉱石層とコークス層を形成する装入物装入方式が一般的である。高炉の炉内ガスの通気性を確保するために一定の中心流を確保することが有効であり、炉内での適正なコークス層を造りこむ。又、鉱石層は、炉内で、圧力損失が高い融着帯（１２００〜１４００℃での鉱石の軟化溶融領域）を形成するので、適正な融着帯を造りこむことが重要である。

ここで、鉱石としては、焼結鉱が主であるが、その他に、ペレット、塊鉱石及び副原料も含まれている。これらの種々の原料は、粒径と密度が夫々相違し、これらの特性が異なる鉱石類をコントロールして均一に炉内に装入することが大切である。

一方、高炉において、近年、鉱石に小塊コークス（略１０〜４０ｍｍ）を混合して装入する鉱石・小塊コークス混合装入法が採用されるようになってきた。鉱石に、小塊コークスを混合することにより、鉱石層の通気性を向上させ生産性を向上させると同時に、鉱石と小塊コークスの粒子を近接させることにより、鉱石の還元性を向上させ、高炉還元材比を低下させることを目的としている。

各種の鉱石類、又は鉱石層に混合する小塊コークスは、粒径と密度が相違するため、高炉に装入された場合、鉱石層の堆積に偏析を起こすという問題がある。

装入物分布制御の方法として、最近の大型高炉においては、炉頂部に旋回機能を有し、且つ、その俯仰角度が変更できるシュートを設け、このシュートにより原料をリング状に炉内に装入する旋回シュート式原料装入装置が採用されている（以下、ベルレス高炉と記す。）。
高炉に装入する各種の原料は、粒径と密度が相違することにより、例えば、粒径が小さな原料や密度が大きな原料は、装入物表面の落下位置にとどまり、粒径が大きな原料や密度が小さな原料は、装入物表面を転がり落ち、炉中心部及び炉壁近傍に堆積しやすい。また、鉱石に比べ、密度が小さなコークスは、その後に装入された鉱石により、はじき飛ばされ、転がって炉中心部に堆積しやすい。

ベルレス高炉においては、装入コンベアで輸送された高炉原料は、炉頂ホッパーに一時貯留した後、旋回シュートにより炉内に装入される。粒径と密度が相違することにより高炉原料の偏析は、炉頂ホッパー内でも起こる。高炉原料は、それぞれの粒径と密度の相違により炉頂ホッパーからの排出タイミングにより、種類の異なる原料が十分混合せずに、炉内に装入される。

炉頂ホッパーから排出され、旋回シュートにより炉内に装入されるときも、原料の粒径と密度の相違により、炉半径方向に原料の偏析が起こる。
したがって、高炉装入原料の種類に対応し、それぞれの粒径と密度を考慮して、上記の（１）（２）即ち、径方向のＯ/Ｃ分布と粒度分布をコントロールすることが重要である。

一方、ベルレス高炉の炉頂ホッパーは、一般的に、並列に配置され、排出口がホッパー中心から偏芯したホッパー構造となっている。この偏芯ホッパー構造は、同芯ホッパーと比較して上記の排出時の原料偏析が助長されるため、その対応が必要である。

高炉に供給する原料を、コークス層とコークス混合鉱石層とが交互に堆積するように装入する原料の装入方法において、前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの粒径を、鉱石の粒径の１．１〜１．４倍未満の範囲内にして相対鉱石比率の値が炉内半径方向の全域において０．８〜１．２の領域に入るような大きさにすると共に、該コークス混合鉱石層中に占める該コークスの割合が体積比率で１０vol％以上の配合となるようにし、かつ該コークス混合鉱石層の炉腹部における平均層厚が４００ｍｍ以上となるように堆積させることを特徴とする高炉への原料の装入方法の記載がある（特許文献１）。

上部バンカーと下部バンカーとが上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置を有するベルレス高炉において、炉頂部から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる原料装入を行なう際に、前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの粒径を、鉱石の粒径に対して１．３倍以上とし、前記コークス混合鉱石層を形成するために、前記上部バンカーに鉱石を装入し、引き続いて鉱石とコークスとを装入した後、前記上部バンカー内の原料を前記下部バンカー内に装入し、該下部バンカーから排出した原料を旋回シュートを介して高炉内に装入することを特徴とする、ベルレス高炉への原料装入方法の記載がある（特許文献２）。

又、上部バンカーと下部バンカーとが上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置を有するベルレス高炉において、炉頂部から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる原料装入を行なう際に、前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの粒径を、前記コークス層として装入される塊コークスの粒径に対して０．２倍以上、かつ、鉱石の粒径に対して１．３倍未満とし、前記コークス混合鉱石層を形成するために、前記上部バンカーに鉱石を装入し、引き続いて鉱石とコークスとを装入した後、前記上部バンカー内の原料を前記下部バンカー内に装入し、該下部バンカーから排出した原料を旋回シュートを介して高炉内に装入することを特徴とする、ベルレス高炉への原料装入方法の記載がある（特許文献３）。

特許第４７７０２２２号公報 特開２０１０―１３３００８号公報 特開２０１０―２１５９４９号公報

粒径と密度が相違する鉱石・コークス混合装入に関する特許文献１乃至特許文献３に記載の発明は、下記の課題がある。即ち、
特許文献１は、コークス混合鉱石層は、コークスの粒径を、鉱石の粒径の１．１〜１．４倍未満の範囲内にすれば、炉径方向の相対鉱石比率を均一にすることができるとする。
しかし、高炉の装入物分布は、装入装置と装入方法により変化するものであり、装入装置と装入方法の記載がなく、当該文献の適用範囲が不明確であるという問題がある。

特許文献２の記載は、混合コークスの粒径を、鉱石の粒径に対して１．３倍以上とし、又、特許文献３の記載は、混合コークスの粒径を、塊コークスの粒径に対して０．２倍以上、かつ、鉱石の粒径に対して１．３倍未満とし、炉頂バンカーに、先に鉱石を入れた後に混合コークスを入れることにより、炉頂バンカーから排出する混合コークスの比率の変動を減少させるものである。
しかし、炉頂バンカーから排出する混合コークスの比率は、装入装置と装入方法により変化するものであり、特許文献２及び文献３の記載は、いずれもセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置に限定されるという問題がある。

本願発明の課題は、ベルレス高炉において、原料の粒径と密度が相違する高炉装入物を装入する際に、偏芯型炉頂ホッパーからの装入物の排出のばらつきを減少し、炉径方向の装入物分布を制御する高炉の原料装入装置及び高炉の原料装入方法を提供することである。

本発明者等は、ベルレス高炉の偏芯型炉頂ホッパーにおいて、粒径と密度が相違する各種銘柄の高炉装入物を装入する際の、装入物の堆積の特性を、大型高炉の１／２０スケールの試験装置を用いて調査した。その結果、偏芯型炉頂ホッパーの入り口及び下部において、ダンパー角度を制御することにより、原料を均一に混合し、炉内に装入することができることを見出した。本発明は、これらの知見に基づくものである。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１） 装入ベルトコンベアと、炉頂ホッパー及び旋回シュートを有するベルレス高炉の原料装入装置であって、
前記炉頂ホッパーが偏芯型炉頂ホッパーであり、
前記偏芯型炉頂ホッパーの上部に、鉛直線に対する角度を調整可能な上部ダンパーを有し、
前記偏芯型炉頂ホッパーの下部に、鉛直線に対する角度を調整可能な下部ダンパーを有することを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置。
（２） 装入ベルトコンベアにより輸送された高炉装入原料を炉頂ホッパーに一時貯留し、前記炉頂ホッパーから排出する前記高炉装入原料を旋回シュートにより高炉内に装入するベルレス高炉の原料装入方法であって、
前記炉頂ホッパーとして偏芯型炉頂ホッパーを用い、
装入コンベアからの前記偏芯型炉頂ホッパーへの原料投入位置を上部ダンパーを用いてコントロールする工程と、
前記偏芯型炉頂ホッパーからの原料排出順序を下部ダンパーを用いてコントロールする工程を実施することを特徴とするベルレス高炉の原料装入方法。
（３） 前記偏芯型炉頂ホッパーへの原料投入位置を上部ダンパーを用いてコントロールする工程が、前記偏芯型炉頂ホッパーの中心部へ原料を投入することを特徴とする（２）に記載のベルレス高炉の原料装入方法。
（４） 前記偏芯型炉頂ホッパーからの原料排出順序を下部ダンパーを用いてコントロールする工程が、前記偏芯型炉頂ホッパーの中心部の原料の排出を遅延させることを特徴とする（２）又は（３）に記載のベルレス高炉の原料装入方法。

本発明は、ベルレス高炉において、原料の粒径と密度が相違する高炉装入物を装入する際に、偏芯型炉頂ホッパーからの装入物の排出のばらつきを減少し、炉径方向の装入物分布を制御することができる。

高炉の原料輸送系統を示す。 １/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーを示す。 １/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーへの原料装入方法を示す。 １/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーからの燒結鉱の排出時偏差を示す。 １/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーからのアルミナの排出時偏差を示す。 １/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーからのコークスの排出時偏差を示す。 １/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーからの排出時偏差を示す。

（偏芯型炉頂ホッパーについて）
図１に高炉の原料輸送系統を示す。鉱石又はコークスは、鉱石槽１又はコークス槽２から秤量し、切り出され、輸送コンベア３によりサージホッパー４に装入される。その後、装入物は、装入コンベア５により、炉頂ホッパー６に一時貯留された後、装入の指令により、旋回シュート７により高炉８の中に装入される。

ここで、炉頂ホッパー６は、銘柄毎に秤量し、装入準備が整い高炉への装入指令を待
つ装入物を一時貯留するためのホッパーである。高炉の指令に対応できるように、２式の炉頂ホッパーを設置するのが一般的である。ホッパーの構造は、排出口を極力、高炉軸芯側に寄せ、ホッパー中心とホッパーの排出口が偏芯した偏芯型炉頂ホッパーが一般的である。

装入ベルトコンベア５により、鉱石を炉頂ホッパー６に装入する際、細粒の鉱石は、落下地点にとどまるが、粗粒の鉱石は、炉頂ホッパー６の側壁に転がり落ちホッパー内で偏析する。炉頂ホッパーから切り出される際、排出口直上の細粒の鉱石から先に排出され、炉頂ホッパーの側壁の粗粒の鉱石銘柄は遅れて排出される。その結果、高炉に装入される原料は、銘柄、粒度により、時系列的に変化し、高炉装入物の分布制御を難しくするという問題がある。

（１/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーによる実験）
本発明者は、１/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーによる装入物の偏析実験を行った。
図２に１/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーを示す。偏芯型炉頂ホッパー中心とホッパー排出口中心は８０ｍｍ偏芯している。偏芯型炉頂ホッパー上部には、上部ダンパー９、下部には、下部ダンパー１０を設置した。上部ダンパー９は、原料コンベアからホッパー内に落下する鉱石に衝突し、鉱石の落下位置を変更する偏析制御装置である。下部ダンパー１０は、排出口の上にあり、ホッパーからの鉱石の流れを変更する偏析制御装置である。
実験に用いた原料を表１に示す。各原料は、実炉で使用する原料と同じ挙動を示す粒径の原料を用い、ペレットは、密度、形状が比較的近いアルミナ球で代用した。実炉のＯＢ（鉱石層厚）を１１５ｔ/チャージと想定し、ペレット比９．８％、小塊コークス比を３．７％（３５ｋｇ/ｔ）とした。

図３に１/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーへの原料装入方法を示す。鉱石の２バッチ装入とし、原料コンベア上にアルミナ、細粒燒結鉱、粗粒燒結鉱、小塊コークスの順に乗せ、小塊コークスは先頭からの３６％長さに堆積させた。

（実験結果）
図４に１/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーからの燒結鉱の排出時偏差を示す。横軸は、全排出時間を１とした場合の排出の相対時間を示す。縦軸は、燒結鉱の平均粒径を１とした場合の燒結鉱の相対平均粒子径である。細線は、上部ダンパー９及び下部ダンパー１０を設置しない場合であり、破線は、上部ダンパー９を設置し、その角度を＋１０°とし、下部ダンパー１０を設置しない場合である。太線は、上部ダンパー９の角度を＋１０°、下部ダンパー１０の角度を−２０°とした場合である。ここで、上部ダンパー９の角度が＋１０°であるということは、原料コンベアからの鉱石流れに対し、鉱石を受けるように上部ダンパー９の角度を鉛直線に対し１０°に設定した場合である（図２）。また、下部ダンパー１０の角度が−２０°であるということは、鉛直線に対し上部ダンパー９とは反対側に下部ダンパー１０の角度を２０°に設定した場合である（図２）。

偏芯型炉頂ホッパーから排出する燒結鉱の相対平均粒子径の時系列的な偏析が最も小さいのは、上部ダンパー９の角度を＋１０°、下部ダンパー１０の角度を−２０°とした太線の場合であった。ここで、上部ダンパー９の角度を＋１０°にすると、原料コンベアからホッパー内に落下する鉱石は、上部ダンパー９に衝突し、炉頂ホッパーの略中央の位置に落下した。また、下部ダンパー１０の角度を−２０°とした場合は、排出口の直上の原料の排出を妨げ、ファンネルフローが抑制された。

図５に１/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーからのアルミナの排出時偏差を示す。また、図６に１/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーからの小塊コークスの排出時偏差を示す。アルミナ及び小塊コークスの排出時偏差は、上部ダンパー９の角度を＋１０°、下部ダンパー１０の角度を−２０°とした太線の場合が最も小さかった。

１/２０模型の偏芯型炉頂ホッパーの上部ダンパー９の角度を−４０°＋１０°、＋４０°に変更し、下部ダンパー１０が無い場合及び下部ダンパー１０の角度を−４０°、−２０°、０°、＋２０°、＋４０°に変更した試験を行った。図７に排出時の燒結鉱の相対平均粒子径の標準偏差及びアルミナ重量の標準偏差を示す。上部ダンパー９の角度を＋１０°、下部ダンパー１０の角度を−２０°とした場合が、排出時の燒結鉱の相対平均粒子径の標準偏差及びアルミナ重量の標準偏差がもっとも小さかった。
上部ダンパー９の角度を＋１０°にすると、原料コンベアからホッパー内に落下する鉱石は、上部ダンパー９に衝突し、炉頂ホッパーの略中央の位置に落下した。原料投入位置を上部ダンパーのコントロールにより、偏芯型炉頂ホッパーの中心部へ原料を投入するこで、高炉内の原料偏析を少なくすることができることが確認できた。また、下部ダンパー１０の角度を−２０°とした場合は、排出口の直上の原料の排出を妨げ、ファンネルフローが抑制された。偏芯型炉頂ホッパーの中心部の原料の排出を遅延させることにより高炉内の原料偏析を少なくすることができることが確認できた。

本発明は、ベルレス高炉において、原料の粒径と密度が相違する高炉装入物を装入する際に、偏芯型炉頂ホッパーからの装入物の排出のばらつきを減少し、炉径方向の装入物分布の制御に利用することができる。

１…鉱石槽、２…コークス槽、３…輸送コンベア、４…サージホッパー、５…装入コンベア、６…炉頂ホッパー、７…旋回シュート、８…高炉、９…上部ダンパー、１０…下部ダンパー。

Claims (4)

1. 装入ベルトコンベアと、炉頂ホッパー及び旋回シュートを有するベルレス高炉の原料装入装置であって、
   前記炉頂ホッパーが偏芯型炉頂ホッパーであり、
   前記偏芯型炉頂ホッパーの上部に、鉛直線に対する角度を調整可能な上部ダンパーを有し、
   前記偏芯型炉頂ホッパーの下部に、鉛直線に対する角度を調整可能な下部ダンパーを有することを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置。
2. 装入ベルトコンベアにより輸送された高炉装入原料を炉頂ホッパーに一時貯留し、前記炉頂ホッパーから排出する前記高炉装入原料を旋回シュートにより高炉内に装入するベルレス高炉の原料装入方法であって、
   前記炉頂ホッパーとして偏芯型炉頂ホッパーを用い、
   装入コンベアからの前記偏芯型炉頂ホッパーへの原料投入位置を上部ダンパーを用いてコントロールする工程と、
   前記偏芯型炉頂ホッパーからの原料排出順序を下部ダンパーを用いてコントロールする工程を実施することを特徴とするベルレス高炉の原料装入方法。
3. 前記偏芯型炉頂ホッパーへの原料投入位置を上部ダンパーを用いてコントロールする工程が、前記偏芯型炉頂ホッパーの中心部へ原料を投入することを特徴とする請求項２に記載のベルレス高炉の原料装入方法。
4. 前記偏芯型炉頂ホッパーからの原料排出順序を下部ダンパーを用いてコントロールする工程が、前記偏芯型炉頂ホッパーの中心部の原料の排出を遅延させることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のベルレス高炉の原料装入方法。