JP6645398B2 - 混合度の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉱石類とコークス類とからなる混合原料の混合度の測定方法に関する。

近年、地球温暖化防止の観点からＣＯ_２削減が求められている。鉄鋼業においてはＣＯ_２排出量の約７０％が高炉から排出されており、高炉におけるＣＯ_２排出量の削減が求められる。高炉操業においては、使用する還元材（コークス、微粉炭、天然ガスなど）を削減することで、ＣＯ_２排出量を削減できる。

ここで、溶銑の生産量を維持しながら、高炉で使用する還元材を削減する１つの手段として、鉱石層にコークスを混合する技術が知られている。非特許文献１には、鉱石層に５０ｋｇ／ｔの小塊コークスを混合することで、溶銑の生産量を維持しながら高炉で使用する還元材を低減できることが開示されている。

鉱石とコークスを混合して高炉へ装入するには、特許文献１に開示されているような、炉頂バンカーに鉱石とコークスとを別々に搬送して貯留し、鉱石とコークスを同時に混合装入する方法と、特許文献２に開示されているような、炉頂バンカーへ搬送するコンベアで鉱石の上にコークスを堆積させて炉頂バンカーへ搬送することで混合原料とし、当該混合原料を、旋回シュートを介して高炉に装入する方法がある。

特許文献１に開示されている方法は、１バッチで装入する鉱石とコークスを２つの炉頂バンカーへそれぞれ個別に搬送しなければならないので、原料の搬送に時間がかかる。このため、高炉への原料の装入時間という観点では、特許文献２に開示されている方法を用いることが好ましい。しかしながら、特許文献２に開示されている方法で操業を行なう場合、ホッパー内でのコークスと鉱石の偏析を受けるため、鉱石とコークスの混合物の排出時にはコークス混合率が変化するので、目標量の鉱石とコークスとが高炉に装入されていることを検出するセンサーが必要になる。

目標量の鉱石とコークスとが高炉に装入されていることを検出するには、混合原料における鉱石またはコークスの混合度を測定することが必要になる。特許文献３には、鉱石とコークスとの重量混合度を、コイルセンサーを用いて測定する技術が開示されている。

特許第４２６９８４７号公報 特開平３−２１１２１０号公報 特許第４８０２７３９号公報

材料とプロセス １２巻２３４頁（１９９９）

特許文献３に開示された重量混合度を測定する方法は、コークスの粒度により計測値が変化するので、重量混合度を測定する前にコークスの粒度を計測する必要がある。しかしながら、コークスの粒度は、コークス炉および高炉の稼動状況およびコークスの保存状況により変動する可能性が高く、コークスの粒度を把握するには、装入されるコークスの粒度をその都度計測することが必要になり、粒度の計測が困難であるという課題があった。

本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、コークス粒度の情報によらず、簡便な方法で鉱石類とコークス類とからなる混合原料のコークス類の混合度を測定できる混合度の測定方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）高炉の上部に設置された原料貯蔵ホッパーから排出され、前記高炉に装入される鉱石類とコークス類とからなる混合原料における混合度の測定方法であって、
単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の質量と、単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の体積とを用いて、前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料における混合度を算出する、混合度の測定方法。
（２）前記単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の質量は、単位時間あたりに変化した前記原料貯蔵ホッパーの質量を測定することで算出する、（１）に記載の混合度の測定方法。
（３）前記単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の体積は、前記原料貯蔵ホッパー内の前記混合原料の表面形状の変化量を測定することで算出する、（１）または（２）に記載の混合度の測定方法。
（４）前記混合原料の表面形状の変化量は、前記原料貯蔵ホッパー内に設置された複数の距離計を用いて測定する（３）に記載の混合度の測定方法。
（５）前記単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の体積は、予め把握された前記原料貯蔵ホッパーの排出ゲート開度値と、単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出される前記混合原料の体積との相関関係から算出する、（１）または（２）に記載の混合度の測定方法。

本発明の高炉原料の混合度の測定方法を実施することによって、コークス類の粒度を測定することなく、簡便な方法で混合原料のコークス類の混合度を測定できる。

混合原料のコークス類の混合度を測定する実験機１０の概略断面図である。 混合原料の排出割合に対するコークス混合比率を示すグラフである。 排出ゲートの開口率に対する混合原料の排出速度を示すグラフである。 原料貯蔵ホッパーの一例を示す部分断面図である。 混合原料の排出時間に対する原料貯蔵ホッパーの質量変化および原料貯蔵ホッパー内の混合原料の体積変化を示すグラフである。 混合原料の排出割合に対するコークス混合比率を示すグラフである。

本発明者らは、原料貯蔵ホッパーに鉱石類とコークス類とを混合した混合原料を原料貯蔵ホッパーに貯留し、単位時間あたりに原料貯蔵ホッパーから排出された混合原料の質量と、単位時間あたりに原料貯蔵ホッパーから排出された混合原料の体積と、を用いて、原料貯蔵ホッパーから排出された混合原料におけるコークス類の混合度を算出できることを見出して本発明を完成させた。以下、発明の実施形態を通じて本発明を説明する。

本実施形態において、鉱石類は、焼結鉱、塊鉱石およびペレットの少なくとも１種から構成される鉄含有原料を意味し、さらに、副原料として、石灰石、蛇紋岩、ドロマイト等を含んでもよい。また、コークス類とは、コークス、フェロコークスおよび石炭の少なくとも１種から構成される炭素含有原料を意味する。

図１は、混合原料のコークス類の混合度を測定する実験機１０の概略断面図である。実験機１０は、実機の大きさに対して１／１８に縮尺した模型であり、まず、当該実験機１０を用いた確認実験の結果と、混合原料におけるコークス類の混合度を算出する原理を説明する。

実験機１０は、サージホッパー１２と、リサイクルホッパー１４と、装入コンベア１６と、原料貯蔵ホッパー１８と、ロードセル２０と、サンプリングボックス２２と、装入コンベア１６とを備える。また、原料貯蔵ホッパー１８は、ガイド部材２６と、偏析制御板２８と、複数の距離計３０とを有する。

小塊コークス３２は、サージホッパー１２に貯留され、サージホッパー１２から装入コンベア１６に、切り出される。焼結鉱３４は、リサイクルホッパー１４に貯留され、リサイクルホッパー１４から装入コンベア１６に小塊コークス３２に重なるようにして切り出される。焼結鉱３４は、１２６秒かけて装入コンベア１６から原料貯蔵ホッパー１８へ切り出され、小塊コークス３２は、焼結鉱３４の切り出し開始から１０秒後からおよそ９５秒かけて原料貯蔵ホッパー１８へ切り出される。なお、小塊コークス３２は、コークス類の一例であり、焼結鉱３４は、鉱石類の一例である。

なお、縮尺した実験装置を用いていることから、焼結鉱３４および小塊コークス３２の粒径も、通常用いている焼結鉱および小塊コークスよりも小さくしている。すなわち、実験で用いた焼結鉱３４は、粒径０．２ｍｍ超え２．８ｍｍ未満の焼結鉱であり、小塊コークス３２は、粒径０．２ｍｍ超え４．０ｍｍ未満のコークスである。本実施形態において、粒径とは、ＪＩＳ Ｚ ８８０１−１に準拠した公称目開きの篩を用いて篩分けされた粒径であり、例えば、粒径５ｍｍ超えとは、ＪＩＳ Ｚ ８８０１−１に準拠した公称目開き３ｍｍの篩を用いて篩上に篩分けされる粒径をいい、粒径３５ｍｍ未満とは、公称目開き３５ｍｍの篩を用いて篩下に篩分けされる粒径をいう。

焼結鉱３４および小塊コークス３２は、ガイド部材２６を通って、原料貯蔵ホッパー１８へ装入される。焼結鉱３４および小塊コークス３２は、偏析制御板２８に衝突し、小塊コークス３２が偏析しないように混合されて混合原料３６になる。

原料貯蔵ホッパー１８からサンプリングボックス２２へ、混合原料３６を全排出質量に対して１０質量％ずつ異なるサンプリングボックスに切り出した。混合原料３６をサンプリングボックス２２に切り出す際、ロードセル２０を用いて、例えば、３秒ごとに原料貯蔵ホッパー１８の質量を測定し、当該質量の変化量を算出することで、原料貯蔵ホッパー１８から３秒間に排出される混合原料の質量を算出した。また、混合原料３６をサンプリングボックス２２に切り出す際、複数の距離計３０を用いて、例えば、３秒ごとに原料貯蔵ホッパー１８内の混合原料３６の表面形状を測定して表面形状の変化量を算出し、当該表面形状の変化量から原料貯蔵ホッパー１８から３秒間に排出される混合原料３６の体積を算出した。なお、３秒は、単位時間の一例である。

サンプリングボックス２２に切り出された混合原料３６を、搬送コンベア２４によって搬送して回収した後、サンプリングボックス２２の混合原料３６から小塊コークス３２を比重分離して、１０質量％（排出割合０．１）ごとに、混合原料３６の混合度である小塊コークス３２の混合比率を測定した。

ここで、混合原料３６における小塊コークス３２の混合比率の算出方法について説明する。焼結鉱３４と小塊コークス３２とからなる混合原料３６において、原料貯蔵ホッパー１８から排出される混合原料３６の質量（ｋｇ）をｍとし、焼結鉱３４の質量（ｋｇ）をｍ_０とし、小塊コークス３２の質量（ｋｇ）をｍ_ｃとする。また、原料貯蔵ホッパー１８から排出される混合原料３６の体積（ｍ^３）をＶとし、焼結鉱３４の体積（ｍ^３）をＶ_０とし、小塊コークス３２の体積（ｍ^３）をＶ_ｃとする。また、単位時間あたりに排出される混合原料３６の質量をｄｍ／ｄｔ（ｋｇ／ｓeｃ）とし、単位時間あたりに排出される混合原料３６の体積をｄＶ／ｄｔ（ｍ^３／ｓｅｃ）とする。同様に、単位時間あたりに排出される焼結鉱３４の質量をｄｍ_０／ｄｔ（ｋｇ／ｓeｃ）とし、単位時間あたりに排出される小塊コークス３２の質量をｄｍ_ｃ／ｄｔ（ｋｇ／ｓeｃ）とする。また、単位時間あたりに排出される焼結鉱３４の体積をｄＶ_０／ｄｔ（ｍ^３／ｓｅｃ）とし、単位時間あたりに排出される小塊コークス３２の体積をｄＶ_ｃ／ｄｔ（ｍ^３／ｓｅｃ）とする。

原料貯蔵ホッパー１８から排出される混合原料における小塊コークス３２の混合比率α（−）を、混合原料３６の全質量に対する小塊コークス３２の質量と定義すると、混合比率αは、下記（１）式で表すことができる。

また、同様に（１−α）は、混合原料３６の全質量に対する焼結鉱３４の質量になるので、原料貯蔵ホッパー１８から単位時間あたりに排出される焼結鉱の質量であるｄｍ_０／ｄｔは、下記（２）式で表すことができる。

また、排出される混合原料３６の体積は、焼結鉱３４の体積と小塊コークス３２の体積との和であるので、単位時間あたりに排出される混合原料３６の体積であるｄＶ／ｄｔは、下記（３）式で表すことができる。

但し、（３）式におけるρ_ｃは、小塊コークス３２のかさ密度（ｋｇ／ｍ^３）であり、ρ_０は、焼結鉱３４のかさ密度（ｋｇ／ｍ^３）である。

ここで、（３）式に（１）、（２）式を代入して、下記（４）式が得られる。

（４）式から、原料貯蔵ホッパー１８から排出される混合原料における小塊コークス３２の混合比率αは、小塊コークス３２のかさ密度ρ_ｃと、焼結鉱３４のかさ密度ρ_ｏと、単位時間あたりに排出される混合原料３６の質量ｄｍ／ｄｔと、単位時間あたりに排出される混合原料３６の体積ｄＶ／ｄｔとから算出できることがわかる。このことから、事前に小塊コークス３２のかさ密度ρ_ｃと焼結鉱３４のかさ密度ρ_ｏとを測定しておき、ロードセル２０を用いて原料貯蔵ホッパー１８の質量を測定して単位時間あたりに排出される混合原料３６の質量ｄｍ／ｄｔを算出し、複数の距離計３０を用いて原料貯蔵ホッパー１８内の混合原料３６の表面形状の変化量を測定することで、単位時間あたりに排出される混合原料の体積ｄＶ／ｄｔを算出する。これにより、小塊コークス３２の粒径を測定することなく、原料貯蔵ホッパー１８から排出される混合原料３６における小塊コークス３２の混合比率αを算出できると考えられる。

図２は、混合原料の排出割合に対するコークス混合比率を示すグラフである。図２において、横軸は、排出割合（−）であり、縦軸は、コークス混合比率（−）である。図２中、丸プロットは、サンプリングボックス２２の混合原料３６から小塊コークス３２を比重分離して測定した小塊コークス３２の混合比率を示しており、直線は、ロードセル２０を用いて測定された、３秒間に排出された混合原料３６の質量と、複数の距離計３０を用いて測定された３秒間に排出された混合原料の体積と、焼結鉱３４のかさ密度と、小塊コークス３２のかさ密度と、数式（４）とを用いて算出された小塊コークス３２の混合比率αを示している。

図２に示すように、混合原料３６から小塊コークス３２を比重分離して測定されたコークス混合比率は、数式（４）を用いて算出された小塊コークス３２の混合比率にほぼ一致した。これにより、事前に小塊コークス３２のかさ密度ρ_ｃと焼結鉱３４のかさ密度ρ_ｏとを測定しておき、ロードセル２０を用いて原料貯蔵ホッパー１８の質量を測定して単位時間あたりに排出される混合原料の質量ｄｍ／ｄｔを算出し、複数の距離計３０を用いて原料貯蔵ホッパー１８内の混合原料３６の表面形状の変化量を測定して単位時間あたりに排出される混合原料の体積ｄＶ／ｄｔを算出し、これらの値と上記（４）式を用いてコークス類の混合比率を算出できることが実験により確認できた。これにより、本実施形態に係る混合度の測定方法を用いることで、小塊コークス３２の粒径を測定することなく、原料貯蔵ホッパー１８から排出される混合原料３６における小塊コークス３２の混合比率を算出できることが確認された。

なお、混合原料３６における焼結鉱３４の混合比率は、１から小塊コークス３２の混合比率を減じた値であるので、混合原料３６における小塊コークス３２の混合比率を算出できれば、混合原料３６の混合度である焼結鉱３４の混合比率も、同様の方法で算出できる。

また、図１に示した実験機１０では、単位時間あたりに排出される混合原料の体積を原料貯蔵ホッパー１８内に設けた複数の距離計３０を用いて測定する例を示したが、これに限られない。例えば、原料貯蔵ホッパー１８の排出ゲート開度値と、単位時間あたりに排出される混合原料３６の体積との相関関係を予め把握し、当該排出ゲート開度値から単位時間あたりに排出される混合原料３６の体積を算出してもよい。

図３は、排出ゲートの開口率に対する混合原料の排出速度を示すグラフである。図３において、横軸は、開口率（−）であり、縦軸は、混合原料３６の排出速度（ｍ^３／ｓ）である。なお、開口率は、排出ゲートの開度値を示し、排出ゲートの開口面積をＳとすると、開口率１．０は、開口している面積がＳであることを示し、開口率０．２は、開口している面積が０．２×Ｓであることを示している。

図３に示すように、開口率が大きくなるに従って排出速度は速くなる。図３に示したような相関関係を予め実験を行なうことによって把握しておくことで、排出ゲートの開度値である開口率から単位時間あたりに排出される混合原料３６の体積を算出できる。

また、図１に示した実験機１０では、単位時間あたりに排出される混合原料３６の体積を複数の距離計３０を用いて測定する例を示したが、これに代えて、表面プロフィール計を用いて混合原料３６の表面形状を測定してもよい。この場合に、表面プロフィール計は、周波数を時間に対して直線的に変化させたマイクロ波で混合原料３６の表面を走査することで、混合原料３６の表面形状を測定する。表面プロフィール計は、この測定を繰り返し実行して、原料貯蔵ホッパー４０から排出された混合原料３６の表面形状の変化量を測定する。

上述した原理を用いて、実高炉を用いて、混合原料におけるコークス類の混合比率の計測を行なった。図４は、実高炉で使用されており、高炉の上部に設置された原料貯蔵ホッパー４０の一例を示す部分断面図である。図４に示す原料貯蔵ホッパー４０に、装入コンベアを用いて鉱石類を１２６秒で切出し、焼結鉱の切り出し開始から１０秒後におよそ９５秒かけてコークス類を原料貯蔵ホッパー４０へ切り出した。また、原料貯蔵ホッパー４０にも偏析制御板（不図示）が設けられており、当該偏析制御板は、装入される混合原料に衝突する位置に、水平方向に対して２５°傾けて設置されている。

本実施例で用いた鉱石類は、焼結鉱と塊鉱石と鉄鉱石ペレットの混合物（混合比 焼結鉱：塊鉱石：ペレット＝６５：２０：１５）であって、粒径５．０ｍｍ超え５０．０ｍｍ未満である。また、本実施例で用いたコークス類は、粒径５．０ｍｍ超え７０．０ｍｍ未満のコークスである。これらを混合した１１０ｔの混合原料を原料貯蔵ホッパー４０に装入した。

図４に示すように、原料貯蔵ホッパー４０には、貯蔵される混合原料４４の表面４６を測定する１６個のレーザー距離計４２が設けられている。レーザー距離計４２は、レーザー距離計４２が設けられた領域に対応して仮想的に１６分割した原料貯蔵ホッパー４０の断面の各領域において、レーザー距離計４２から混合原料４４の表面までの距離Ｌ２を測定する。

１６分割された各領域におけるレーザー距離計４２から原料貯蔵ホッパー４０の底面までの距離Ｌ１が予め測定されており、Ｌ１からＬ２を減じることで、原料貯蔵ホッパー４０内の混合原料の粉面高さを算出する。算出された各領域の粉面高さに、１６分割された各領域の面積を乗じて、原料貯蔵ホッパー４０内に貯蔵されている混合原料４４の近似体積を算出する。レーザー距離計４２は、混合原料４４の近似体積の算出を３秒ごとに実行した。

さらに、原料貯蔵ホッパー４０には、原料貯蔵ホッパー４０の質量を測定する不図示のロードセルが設けられており、３秒ごとに原料貯蔵ホッパー４０の質量を測定した。

図５は、混合原料の排出時間に対する原料貯蔵ホッパーの質量変化および原料貯蔵ホッパー内の混合原料の体積変化を示すグラフである。図５において、横軸は、排出時間（ｓｅｃ）であり、縦軸は、原料貯蔵ホッパー４０の質量（ｔ）および原料貯蔵ホッパー４０の混合原料４４の体積（ｍ^３）である。

図５に示した原料貯蔵ホッパー４０の質量を示す実線は、ロードセルによって測定された原料貯蔵ホッパー４０の質量から算出された値である。また、混合原料の体積を示す破線は、レーザー距離計４２によって測定された表面形状から算出された値である。これらのグラフから、３秒間に原料貯蔵ホッパー４０から排出された混合原料４４の質量と、３秒間に原料貯蔵ホッパー４０から排出された混合原料４４の体積とを算出し、これらの値と、上記数式（４）を用いて混合原料４４の全質量に対するコークスの混合比率を算出した。その結果を図６に示す。

図６は、混合原料の排出割合に対するコークス混合比率を示すグラフである。図６において、横軸は、排出割合（−）であり、縦軸は、コークス混合比率（−）である。図６において、実線は、図５に示したグラフと数式（４）を用いて算出された混合比率であり、丸プロットは、図１に示した実験機１０で実測した小塊コークス３２の混合比率（図２の丸プロット）である。図６に示すように、実高炉に用いている原料貯蔵ホッパー４０で測定されたコークスの混合比率の結果と、実験機１０を用いて測定した小塊コークス３２の混合比率の結果とがほぼ一致した。

このように、実高炉で使用されている原料貯蔵ホッパー４０においても、ロードセルを用いて原料貯蔵ホッパー４０の質量を測定して単位時間あたりに排出される混合原料の質量ｄｍ／ｄｔを算出でき、複数のレーザー距離計４２を用いて原料貯蔵ホッパー４０内の混合原料４４の表面形状の変化量を測定して単位時間あたりに排出される混合原料の体積ｄＶ／ｄｔを算出でき、これらを用いて、コークスの混合比率が算出できることが確認された。また、上述した実験機１０は、実高炉で使用されている原料貯蔵ホッパー４０の排出を再現できており、実験機１０で測定された小塊コークス３２の混合比率の結果は、排出された混合原料３６を比重分離して測定された小塊コークス３２の混合比率と一致している。このことから、実高炉で用いている原料貯蔵ホッパー４０においても、本実施形態に係る混合度の測定方法で、鉱石類とコークス類とからなる混合原料のコークス類の混合比率を算出できるといえる。

このように、本実施形態に係る混合度の測定方法を用いることで、高炉に装入する混合原料のコークス類の混合比率を把握できるので、当該混合比率に応じて、高炉における混合原料の装入位置を変更することができる。さらには、コークス類の混合比率を把握できることを利用して、原料貯蔵ホッパー４０への鉱石類およびコークス類の装入方法を変更し、コークス類の混合比率を変化させながら高炉に混合原料を装入させることも可能となる。このように、混合比率に応じた装入位置の調整、および／または、コークス類の混合比率の調整により、高炉内における適切な位置に、適切な混合比率の混合原料からなる混合層を形成させることが可能になる。

１０ 実験機
１２ サージホッパー
１４ リサイクルホッパー
１６ 装入コンベア
１８ 原料貯蔵ホッパー
２０ ロードセル
２２ サンプリングボックス
２４ 搬送コンベア
２６ ガイド部材
２８ 偏析制御板
３０ 距離計
３２ 小塊コークス
３４ 焼結鉱
３６ 混合原料
４０ 原料貯蔵ホッパー
４２ レーザー距離計
４４ 混合原料
４６ 表面

Claims (3)

1. 高炉の上部に設置された原料貯蔵ホッパーから排出され、前記高炉に装入される鉱石類とコークス類とからなる混合原料における混合度の測定方法であって、
   繰り返し測定される単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の質量と、繰り返し測定される単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の体積とを用いて、前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の全質量に対する前記コークス類の質量比である混合度を算出し、
   前記単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の体積は、前記原料貯蔵ホッパー内の前記混合原料の表面形状の変化量を測定することで算出される、混合度の算出方法。
2. 前記混合原料の表面形状の変化量は、前記原料貯蔵ホッパー内に設置された複数の距離計を用いて測定する、請求項１に記載の混合度の測定方法。
3. 前記単位時間あたりに前記原料貯蔵ホッパーから排出された前記混合原料の質量は、単位時間あたりに変化した前記原料貯蔵ホッパーの質量を測定することで算出する、請求項
   １または請求項２に記載の混合度の測定方法。