JP6135622B2 - 高炉原料の装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉原料であるコークスと鉱石を、センターフィード型ベルレス原料装入装置を有するベルレス高炉に装入する方法に関する。

高炉原料であるコークスと鉱石は、ベルレス高炉の炉頂部に設けられた原料装入装置からベルレス高炉に交互に装入されるのが一般的である。この場合、近年では、環境問題の観点から高炉でのコークス使用量をできるだけ減らして高炉操業を行うことが求められている。
高炉でのコークス使用量を低減する方法としては、１チャージ当りの鉱石装入量を増やす方法と、１チャージ当りのコークス装入量を低下させる方法の２つが考えられる。しかし、鉱石装入量を増やす方法は高炉に装入された鉱石の層厚が厚くなるため、鉱石の還元性が低下し、高炉の下部で未還元鉱石の直接反応による炉熱低下を招いて高炉炉況を悪化させる要因になる。一方、コークス装入量を低下させる方法は高炉に装入されたコークスの層厚が融着帯（鉱石同士が軟化融着する領域）で薄くなるため、高炉下部での通気性が悪化する要因になる。

高炉の通気性や通液性を良好に維持して高炉炉況を安定させる技術としては、高炉にコークスを装入した後、鉱石とコークスを同時に装入して高炉内にコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に形成する技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
しかし、特許文献１、２に記載された技術では、鉱石の溶融を促進させるために鉱石と同時に装入されるコークスの粒径を小さくしているため、鉱石が溶融し始めてから滴下するまでの領域（軟化融着帯）でコークスが消滅してしまい、軟化融着帯での通気性が不十分となり、コークス装入量の低減効果、すなわち鉱石に対するコークス比の低減効果が小さいと考えられる。

そこで、ベルレス高炉にコークス混合鉱石層を形成する際に、コークスの粒径を、鉱石の粒径に対して１．３倍以上とし、上部バンカーに鉱石を投入し、引き続いて鉱石とコークスとを投入した後、上部バンカー内の原料を下部バンカー内に移送し、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コークス混合鉱石層を形成する技術が特許文献３に開示されている。

特許文献３に開示された技術によると、鉱石と同時に装入されたコークスが高炉の軟化融着帯で消滅してしまうことを抑制しつつ、鉱石とコークスとの粒径差に起因するコークスの偏析のコークス混合率に与える影響もいくらか改善してはいるが、高炉の半径方向のコークスと鉱石の混合率分布が均一化されるまでには至っていない。
つまり、装入の初期から中期にかけてコークス混合率が大となり、末期でコークス混合率が小となるような経時変化となる。このような排出混合率分布で旋回シュートを介して高炉内へ原料を装入すると、排出末期に装入された領域では炉下部において通気性の改善効果があまり期待できない。

また、特許文献３に記載された技術では、鉱石と同時に装入されたコークスの炉内分布が高炉の径方向で不均一となることを抑制するために、原料装入装置の炉頂コンベア上にコークスを原料槽から供給するときのタイミングを調整しているが、コークスの偏析は鉱石とコークスとの粒径差によって発生するため、鉱石とコークスとを混合して投入する限りコークスの偏析によるコークス排出比率の経時変化を抑制することは困難である。

特開平０８−２８３８０４号公報 特開平１０−１８３２１０号公報 特開２０１０−１３３００８号公報

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、鉱石とコークスとの混合率をほぼ一定に保ちながらセンターフィード型ベルレス原料装入装置を有するベルレス高炉に高炉原料を装入することのできる高炉原料の装入方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明者らは、センターフィード型ベルレス原料装入装置の特徴である、上部バンカーと下部バンカーとが複数のポートで連結されていることを利用して、複数のポートのそれぞれのポートに鉱石とコークスを適切に装入しておくことで、その原料を下部バンカーに落下移送させたときに、下部バンカーから排出する際のコークス、鉱石の混合率をほぼ一定に保てることを確認し、本発明を完成した。

本発明は、
（１）
炉頂部に設けられた下部バンカーと該下部バンカーの上方に設けられ、下部バンカーと複数のポートで連結された上部バンカーとが、上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス原料装入装置を有するベルレス高炉における高炉原料の装入方法であって、前記複数のポートの一部のポートにのみコークスを投入し、前記一部のポートに前記コークスを堆積させる工程と、
前記堆積したコークス上に鉱石を投入して前記複数のポートの他のポートに前記鉱石を流れ込ませ、前記他のポートに前記鉱石を堆積させる工程と、
前記上部バンカー内に堆積したコークスと鉱石とを、前記下部バンカーに移送する工程と、
前記下部バンカーに移送された前記コークスと前記鉱石とを前記ベルレス高炉内に装入してコークス混合鉱石層を形成する工程と、を含むことを特徴とする高炉原料の装入方法。
（２）
前記コークスを堆積させる工程においては、前記上部バンカーに備えられたシュートの先端の位置を前記一部のポートの上方に固定して前記コークスを投入することを特徴とする（１）に記載の高炉原料の装入方法。
（３）
前記他のポートに前記鉱石を堆積させる工程においては、前記シュートを介して前記鉱石を投入することを特徴とする（２）に記載の高炉原料の装入方法。
（４）
前記シュートは、旋回シュートであることを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉原料の装入方法。
（５）
前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの量を、前記炉頂部から装入される全コークス量に対して、１０質量％以上５０質量％以下とすることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の高炉原料の装入方法。
である。

したがって本発明の高炉原料の装入方法によれば、ベルレス高炉にコークスと鉱石とを装入して高炉内にコークス混合鉱石層を形成する際に、コークスと鉱石との混合率をほぼ一定に保ちながらベルレス高炉に高炉原料を装入することができる。

本発明の実施形態に係る高炉原料の装入方法が適用されるベルレス高炉の炉頂部を示す模式図である。 図１に示すベルレス高炉の炉頂部に配置された上下二段の炉頂バンカーのうち上部バンカーにコークスを投入したときの状態を説明する図である。 図２に示す上部バンカーに鉱石を投入したときの状態を説明する図である。 図３のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。 上部バンカーに形成されたすべての原料排出用のポートを開放した状態で、鉱石を上部バンカーから下部バンカーに排出したときの下部バンカーの状態を説明する図である。 図５のＶＩ−ＶＩ方向から見た断面図である。 下部バンカーから排出される鉱石とコークスとの排出割合を模式的に示す図である。 図８（ａ）は、比較例に係る高炉原料の装入方法を用いた場合に、下部バンカーから排出される鉱石とコークスとの混合率の時間的変化を示す図であり、図８（ｂ）は、本発明の実施形態に係る高炉原料の装入方法を用いた場合に、下部バンカーから排出される鉱石とコークスとの混合率の時間的変化を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る高炉原料の装入方法について説明する。まず、本発明の実施形態に係る高炉原料の装入方法が適用されるベルレス高炉１は、図１に示すように、炉頂部に炉頂バンカー４を備える。炉頂バンカー４は、ベルレス高炉１に高炉原料であるコークス２と鉱石３を装入する原料装入装置であり、下部バンカー６と、この下部バンカー６の上方に設けられた下部バンカー６とからなる上下二段の構造である。

また、炉頂バンカー４の上部投入口には、炉頂コンベア９を介して、コークス２用の原料槽７と鉱石３用の原料槽８にそれぞれ貯蔵された高炉原料が供給され、上部バンカー５の頂部に配置された上部旋回シュート１０から上部バンカー５に投入される。
上部バンカー５は、底部に開閉自在の複数のポートを有する。例えば図４に示すように、上部バンカー５は原料排出用の４つのポート５１，５３，５５，５７を有した構造が採用可能である。４つのポート５１，５３，５５，５７は、上部バンカー５の底部に円周方向に等間隔で設けられており、４つのポート５１，５３，５５，５７には各ポートを開閉するゲートがそれぞれ取り付けられている。図１中では、図４に示した上部バンカー５の４つのポート５１，５３，５５，５７のうち２つのポート５１、５３と、２つのポート５１，５３を開閉するそれぞれのゲート５２，５４とが例示的に示されている。尚、上部バンカー５のポートの数は４つに限定されるものではなく、２つ、３つ又は５つ以上等、適宜変更されてよい。

一方、下部バンカー６の底部には、上部バンカー５から移送された高炉原料を排出する１つのポート６１が設けられている。ポート６１は、ポート６１を開閉するゲート６２を有している。尚、下部バンカー６のポート６１から排出された高炉原料は、下部バンカー６の下方に配置された炉内旋回シュート１１からベルレス高炉１に装入される。
次に、図１に示す炉頂バンカー４を用いてコークス混合鉱石層１３を、ベルレス高炉１の原料装入部に形成する場合に用いる、本発明の実施形態に係る高炉原料の装入方法を説明する。まず、図２に示すように、上部旋回シュート１０の先端１０ａの位置を上部バンカー５の任意のポート上で固定する。本発明の実施形態においては、４つのポートのうちのひとつのポート５３を、上方に、上部旋回シュート１０の先端１０ａの位置を固定するポートとして設定している。上部バンカー５の４つのポート５１，５３，５５，５７（図４参照）の各ゲート５２，５４，５６，５８はすべて閉じた状態とする。

次に、原料槽７に貯蔵されたコークス２を炉頂コンベア９により炉頂バンカー４の上部投入口に搬送し、上部旋回シュート１０から上部バンカー５に投入する。このときの上部バンカー５の状態を図２に示す。上部バンカー５内では、設定されたひとつのポート５３の内側及び上方の空間にコークス２が堆積し、上部旋回シュート１０の先端１０ａ側には、頂部を有するコークス山２ａが形成される。本発明の実施形態の上部バンカー５の場合、コークス山２ａをなすコークス２は図２中に示すように、ポート５３に隣接する他の３つのポート内には存在しないが、他の３つのポート内にコークス２が流れ込むことを禁じるものではない。

次に、上部旋回シュート１０の先端１０ａの位置をひとつのポート５３の上で固定したまま、原料槽８に貯蔵された鉱石３を炉頂コンベア９によりベルレス高炉１の炉頂部に搬送する（図１参照）。そして、図３に示すように、ベルレス高炉１の炉頂部に搬送された鉱石３を上部旋回シュート１０から上部バンカー５に投入する。このとき、投入した鉱石３は、ひとつのポート５３上に堆積したコークス山２ａの頂部の上から周囲の３つのポートへと流れ込む。このときの上部バンカー５の状態を図３及び図４に示す。

具体的には、投入された鉱石３の一部はコークス山２ａの上に更に重ねて堆積するとともに、他の鉱石３はコークス山２ａの頂部から落下し、コークス山２ａの裾部側、すなわち他の３つのポート５１，５５，５７側へ主に移動する。コークス山２ａ上から落下した鉱石３は、他の３つのポート５１，５５，５７の内側及び上側に堆積する。このとき、上部バンカー５内には、コークス山２ａ上と他の３つのポート５１，５５，５７上とにそれぞれ同時に跨る鉱石山３ａが形成される。

すなわち、上部バンカー５内にコークス２、鉱石３が、この順に投入され堆積させることにより、まずコークス２を、上部旋回シュート１０の先端１０ａの位置の下方に存在するポート５３上に偏在させる。その後、鉱石３を、他の３つのポート５１，５５，５７のそれぞれの内側と、４つすべてのポート５１，５３，５５，５７の上側とに偏在させる。コークス２を偏在させる動作と鉱石３を偏在させる動作とは連続的に行われ、２つの動作の間で上部バンカー５のいずれかのポートを開放させる等の処理は行われない。

上部旋回シュート１０の先端１０ａの位置をひとつのポート５３上に固定することにより、ひとつのポート５３にコークス２を確実に堆積させることができる。またコークス２投入時に用いた上部旋回シュート１０を旋回させることなく、そのまま鉱石３投入に用いるので、１バッチにおける原料装入作業を効率化することができる。また１バッチにおいて上部旋回シュート１０は、先端１０ａを所定の位置に固定しておくだけでよく、旋回させる必要がないので、原料装入作業を効率化することができる。

次に、上部バンカー５の４つのポート５１，５３，５５，５７の各ゲート５２，５４，５６，５８をすべて同時に開放し、図５に示されるように上部バンカー５に投入されたコークス２及び鉱石３を下部バンカー６に移送する。すなわち、上部バンカー５に設けられた複数のポートの開放動作を１回のタイミングで行い、コークス２と鉱石３とを、下部バンカー６に同時に落下させる。このとき、下部バンカー６内には、堆積した高炉原料の内部で、水平面内でコークス２と鉱石３とが円周方向に互いに分離した層が、図５中の直線状の双方向矢印で示すように、下部バンカー６のポート６１のゲート６２の位置から、堆積した高炉原料層内の上面の近傍位置まで積層している。

図６は、略円筒状の下部バンカー６内に堆積した高炉原料を水平に断面して平面視した場合に正円状に表われる高炉原料の層を示す。コークス２と鉱石３とが分離した高炉原料の層内には、図６中の２つの円弧状の双方向矢印で示すように、コークス２と鉱石３とが円周方向に分離した状態が形成される。本発明の実施形態の場合、分離した層中でコークス２がなす領域は、概ね中心角９０度の扇状の領域であるので、鉱石３がなす領域は、概ね中心角２７０度の扇状の領域として現れる。

中心角９０度となりコークス２がなす扇の面積が正円全体の約４分の１であるのは、上部バンカー５の４つのポート５１，５３，５５，５７のうち、ひとつのポート５３からのみコークス２が落下するためである。尚、上部バンカー５に設けられるすべてのポートの数により、円周方向に互いに分離するコークス２と鉱石３との混合率が変化することは勿論である。

その後、下部バンカー６の底部に設けられたポート６１を開にし、下部バンカー６に移送されたコークス２及び鉱石３をベルレス高炉１側へ落下させ、炉内旋回シュート１１からベルレス高炉１に装入し、コークス混合鉱石層１３をベルレス高炉１の内部に形成する。
尚、コークス混合鉱石層１３に混合されるコークス２の量は、炉頂から装入する全コークス量に対して、１０質量％以上、５０質量％以下にすることが好ましい。すなわち、バッチ毎に投入するコークス２の量は、ベルレス高炉１内にコークス層１２及びコークス混合鉱石層１３として存在する全コークス量に対して、１０質量％以上、５０質量％以下となるように設定する。全コークス量に対するコークス２の量の割合が１０質量％未満の場合は、鉱石層に混合されるコークス量が１０％未満となるため、コークス混合鉱石層１３中のコークス２が融着帯に到達する前にガス化反応によってすべて消滅し、通気性改善効果が期待できなくなるためである。また全コークス量に対するコークス２の量の割合が５０質量％を超える場合は、高炉内に積層するコークス層の厚みが薄層化するために融着帯において通気性が悪化し、混合装入による鉱石層の通気性改善効果と相殺してしまうためである。また、上部旋回シュート１０の先端１０ａの位置を上方で固定するポート５３は、上部バンカー５内の高炉原料の円周偏差をなくすため、バッチごとに変更することが好ましい。

図２〜図６に示すように、炉頂バンカー４内のコークス２及び鉱石３の堆積状態を形成すると、下部バンカー６のコークス２と鉱石３とは、例えば図７に示すような排出割合で、下部バンカー６から排出されてベルレス高炉１に装入される。図７には、下方に縮径するように形成された貯蔵設備内で、ポート６１を開放した後すべての原料が排出される全体の時間に対して、各位置に堆積された原料の排出完了までの時間の割合が示されている。図７に示すように、ポート６１の略直上に位置する高炉原料が最初に排出され、続いて最初に落下した高炉原料の周囲の高炉原料が二番目に排出され、さらに続いて二番目に落下した高炉原料の周囲の高炉原料が排出される。

したがって、本発明の実施形態では、上部バンカー５に投入されたコークス２はひとつのポート５３から下部バンカー６に移送される。また上部バンカー５に投入された鉱石３のうちの一部はポート５３から、大部分は他の３つのポート５１，５５，５７から下部バンカー６に移送される。下部バンカー６内では、コークス２と鉱石３とを、円周方向に分離した状態で堆積させることができる。よって、コークス２と鉱石３とが、下部バンカー６からベルレス高炉１に装入されるときに、図７に示すような順序でコークス２と鉱石３とが排出されるので、排出初期から末期までのコークス２と鉱石３との混合比率が一定の状態となる。このようにして、ベルレス高炉１の炉頂部に配置された炉頂バンカー４から、ベルレス高炉１にコークス２と鉱石３とを装入して高炉内にコークス混合鉱石層１３を形成する際に、コークス２と鉱石３との混合比率をほぼ一定に保ちながら、ベルレス高炉１に高炉原料を装入することができる。

本発明者らは、下部バンカー６から排出される鉱石中のコークス混合率の時間的変化について調査した。調査結果を図８に示す。図８（ａ）は、原料槽内にコークス２と鉱石３とを同時に投入して混合原料とした上で、コークス２と鉱石３との混合原料を上部バンカー５に投入して下部バンカー６から排出した場合（比較例）の、高炉原料中のコークス混合率の時間的変化を示す。また図８（ｂ）は、本発明の実施形態を適用した場合（実施例）における、下部バンカー６から排出される高炉原料中のコークス混合率の時間的変化を示している。

比較例では、下部バンカー６から排出される高炉原料中のコークス混合率が、排出初期での段階では０．１５〜０．１２程度と大きいものの、排出中期から０．１０以下に減少し、排出末期の段階では０．０７程度と大幅に低下することが図８（ａ）からわかる。一方、本発明の実施例では、下部バンカー６から排出される高炉原料中のコークス混合率が、概ね０．０９〜０．１２程度の範囲内となり、排出初期〜排出末期にかけて大きく変化しないことが図８（ｂ）からわかる。

したがって、上述した本発明の実施例のように、上部旋回シュート１０の先端１０ａの位置を固定した状態で、上部バンカー５にコークス２、鉱石３の順で原料を投入し、上部バンカー５から下部バンカー６へ原料を移送することで、下部バンカー６からベルレス高炉１にコークス２と鉱石３とを装入して高炉内にコークス混合鉱石層１３を形成する際に、コークス２と鉱石３との混合率を装入の初期から末期にかけてほぼ一定に保ちながら、ベルレス高炉１に高炉原料を装入することができる。また高炉原料の粒径の違いによる下部バンカー６内の偏析の影響を低減することができる。

また、ベルレス高炉１にコークス２と鉱石３を、比較例に係る方法で装入した場合と本発明の実施例に係る方法で装入した場合における、高炉の通気抵抗指数やガス利用率を測定した結果を表１に示す。

ベルレス高炉１にコークス２と鉱石３とを比較例に係る方法で装入した場合は、表１に示されるように、通気抵抗指数が２．３５、ガス利用率が４７．９％という値を示した。またコークス比が３８９、還元材比が４９９という値を示した。一方、ベルレス高炉１にコークス２と鉱石３とを本発明の実施形態に係る方法で装入した場合は、通気抵抗指数が２．３１、ガス利用率が４８．３％という値を示した。またコークス比が３８６、還元材比が４９６という値を示した。

本発明の実施例に係る方法で装入した場合、通気抵抗指数が低下するとともにガス利用率が増加した。またコークス比および還元材比が、比較例に係る方法よりも低い値となった。表１の結果から、本発明の実施形態に係る方法は高炉の安定操業に有効であり、低還元材比操業技術としても利用可能であることが確認された。
以上、本発明の実施形態に係る高炉原料の装入方法を説明してきたが、本発明に係る高炉原料の装入方法は、説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明の実施形態に係る上部旋回シュート１０の先端１０ａは１つだけであるが、出側の先端が２つに分岐されてもよい。分岐した２つの先端の下方にそれぞれポートが１つずつ位置するように、シュートの２つの先端間の角度が設定されれば、本発明の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。

本発明においては、上部バンカーの複数のポートのうちの一部のポート上にのみコークスを投入して堆積させた後、堆積させたコークス上にさらに鉱石を投入して他のポートに流れ込ませた上で、上部バンカーの複数のポートをすべて開放し、コークスと鉱石とを下部バンカーに移送するように構成すればよい。

１ ベルレス高炉
２ コークス
３ 鉱石
４ 炉頂バンカー
５ 上部バンカー
６ 下部バンカー
７，８ 原料槽
１０ 上部旋回シュート
１０ａ 先端
１２ コークス層
１３ コークス混合鉱石層
５１，５３，５５，５７ ポート
５２，５４，５６，５８ ゲート

Claims (3)

1. 炉頂部に設けられた下部バンカーと該下部バンカーの上方に設けられ、下部バンカーと複数のポートで連結された上部バンカーとが、上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス原料装入装置を有するベルレス高炉における高炉原料の装入方法であって、
   前記上部バンカーに備えられたシュートの先端の位置を前記複数のポートの一部のポートの上方に固定し、前記シュートを介して前記一部のポートにのみコークスを投入し、前記一部のポートに前記コークスを堆積させる工程と、
   前記堆積したコークス上に、前記コークス投入時の前記シュートの位置を固定したままの状態で前記シュートを介して鉱石を投入して前記複数のポートの他のポートに前記鉱石を流れ込ませ、前記他のポートに前記鉱石を堆積させる工程と、
   前記上部バンカー内に堆積したコークスと鉱石とを、前記下部バンカーに移送する工程と、
   前記下部バンカーに移送された前記コークスと前記鉱石とを前記ベルレス高炉内に装入してコークス混合鉱石層を形成する工程と、を含むことを特徴とする高炉原料の装入方法。
2. 前記シュートは、旋回シュートであることを特徴とする請求項１に記載の高炉原料の装入方法。
3. 前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの量を、前記炉頂部から装入される全コークス量に対して、１０質量％以上５０質量％以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉原料の装入方法。

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