WO2022176518A1

WO2022176518A1 - 高炉の原料装入方法

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Publication number: WO2022176518A1
Application number: PCT/JP2022/002471
Authority: WO
Inventors: 光輝照井; 傑井田; 健佐藤; 泰志小笠原
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-08-25
Also published as: JPWO2022176518A1; KR20230109743A; EP4276202A1; CN116710577A; JP7343052B2

Abstract

順傾動装入および逆傾動装入のそれぞれに適した炉頂バンカー内の原料粒度分布を実現し、これにより、傾動方式によらず、高炉の中心部近傍のガス流量を増加させて、通気性および還元効率のさらなる向上を図ることが可能な高炉の原料装入方法を、提供する。炉頂バンカーの原料貯留部内に、所定の形状となる構造体を配置し、装入工程での傾動方式に応じて、貯留工程での構造体における原料衝突位置を決定する。

Description

高炉の原料装入方法

　本発明は、高炉の原料装入方法に関するものである。

　高炉では、通常、図１に示すように、焼結鉱、ペレット、塊状鉱石等の鉱石類原料とコークスとを上部から交互に層状に装入して鉱石層およびコークス層を形成し、羽口先より上方に向かって高温の還元性ガスを流して銑鉄を得るという操業が行われる。なお、以下、鉱石類原料とコークスを総称して原料ともいう。図中、符号１が高炉、２が羽口、３が鉱石層、４がコークス層、５が融着層である。

　このような高炉の操業では、高炉内のガスの流れが、鉱石類原料の還元効率や高炉外への放散熱量に影響する。一般的に、鉱石類原料の還元効率を向上させ、かつ高炉外への放散熱量を低減するためには、高炉の中心部近傍に、より多くのガスを流すことが望ましいとされている。

　この理由として、主に、以下の２つの理由が挙げられる。
（１）高炉の炉壁近傍のガス流量が増えると、高炉外への放散熱量が増加しエネルギー効率が低下する。
（２）高炉下部では、高炉内に装入された鉱石類原料が、還元ガスにより昇温および還元され、融着帯が形成される。融着帯は、鉱石類原料の粒子同士が互いに融着した岩盤状の構造となる融着層と、コークスが単体で存在するコークススリットとが、交互に存在する領域である。融着層は、上述したように鉱石類原料の粒子同士が互いに融着した岩盤状の構造となるため、層内の空隙率は極めて低い。一方、コークススリットの空隙率は、融着層よりも高い。そのため、融着帯では、鉛直方向下方より流れてくるガスが、コークススリットを選択的に流れる。ここで、高炉の中心部近傍を流れるガス量が増加すると、融着帯の高さ領域が拡張される。その結果、融着帯におけるコークススリット数が増加し、ガスの通気性が向上する。

　高炉の中心部近傍のガス流量を増加させるには、高炉の半径方向において、中心部近傍に大粒径原料を配置し、炉壁近傍に小粒径原料を配置することが有効である。
　これは、大粒径の粒子の充填層と、小粒径の粒子の充填層とを比較すると、前者の方が充填された粒子の合計の比表面積が小さくなる、すなわち、当該充填層中を流れるガスと粒子との摩擦が低減され、ガス流量が増加するからである。

　そのため、高炉内に形成される鉱石層およびコークス層について、粒度分布、さらには層厚などを制御して高炉の中心部近傍のガス流量を増加させようとする技術が、種々提案されている。

　例えば、特許文献１には、
「旋回シュートを備え、炉頂にバンカを並列に配置したベルレス型装入装置を用いた高炉の原料装入方法であって、
　高炉に装入する原料を一時貯溜し、その下方に設けた旋回シュートヘ払い出す炉頂バンカを介して、該原料を炉内へ装入するに際して、
　前記炉頂バンカ内に傾動自在な可動板を設け、該炉頂バンカヘ装入される原料を該可動板へ衝突させ、旋回シュートの先端を高炉内の周辺から中心方向に向けて傾動させる場合には、原料の落下方向が、該炉頂バンカの排出ロの方向となるように、可動板を操作し、炉頂バンカ内へ装入される原料の落下位置を、該原料の排出口の直上部として、炉頂バンカ内には、原料の堆積特性より細粒が排出口近くに集まり、そこから離れた位置に粗粒が集まるようにし、
　旋回シュートの先端を高炉内の中心から周辺方向に向けて傾動させる場合には、原料の落下方向が、該炉頂バンカの排出ロの反対方向となるように、可動板を操作し、炉頂バンカ内へ装入される原料の落下位置を排出口から離れた側壁とし、粗粒の原料が、排出口近くに集まり、細粒が該排出口から遠くに集まるようにして、
　高炉の中心部へ粗粒を堆積させることを特徴とする炉頂バンカ及びベルレス型装入装置を用いた高炉の原料装入方法。」
が提案されている。

特許第４５９１５２０号

　ところで、図２に示すようなベルレス式高炉では、高炉に装入する原料を一時的に貯留する炉頂バンカーが、高炉の炉頂部分に配設される。そして、流量調整ゲートを開いて炉頂バンカーから排出される原料を、集合ホッパーや旋回シュートを介して、高炉内に装入する。この際、旋回シュートの半径方向の先端位置を変更（以下、傾動ともいう）して、高炉の半径方向における原料の落下位置を調整することがある。
　なお、図中、符号６が炉頂バンカー、７が流量調整ゲート、８が集合ホッパー、９が旋回シュートである。

　すなわち、旋回シュートは、高炉への原料装入時、高炉の軸心を回転軸とし、高炉の周方向に一定の速度で旋回しつつ、一定の間隔で傾動を行う。傾動方式は大きく２つに分けられ、高炉の炉壁近傍から高炉の中心部へと傾動させる場合を順傾動装入と、高炉の中心部から高炉の炉壁近傍へと傾動させる場合を逆傾動装入と呼ぶ。

　このうち、逆傾動装入は、原料を高炉内に装入・堆積させた後、原料が高炉の中心部へ流れ込むことを抑制する効果がある。そのため、逆傾動装入は、順傾動装入と比較して、原料堆積形状が安定化し易く、高炉内の原料粒度分布などを制御するうえで有利となる。

　前述したように、高炉の中心部近傍のガス流量を増加させるという観点からは、高炉の半径方向において、中心部近傍に大粒径原料を配置し、高炉の炉壁近傍に小粒径原料を配置することが有効である。本明細書では、高炉の炉頂部から装入されるコークス、鉱石（塊成化された鉱石を含む）、および、石灰石などの副原料を総称して原料と呼ぶ。これらの原料のすべてについて、高炉の中心部に大粒径のものを配置することが最も好ましいが、そのうちのコークス、鉱石、および、コークスと鉱石の混合物のいずれか１種以上について中心部に大粒径のものを配置しても有効である。炉頂バンカーには、通常、１バッチあたりの原料が貯留される。そのため、逆傾動装入を行う場合には、炉頂バンカーからの原料排出初期に、大粒径原料が、多数排出されるような炉頂バンカー内の原料粒度分布とすることが好ましい。

　この点、特許文献１の技術は、炉頂バンカー内に設けた傾動自在な可動板（以下、偏析制御板ともいう）を用いて、炉頂バンカー内に貯留される原料を意図的に偏析させる。これにより、傾動方式に応じて、好ましい炉頂バンカー内の原料粒度分布を実現しようとするものである。

　しかし、特許文献１の技術では、逆傾動装入に適した炉頂バンカー内の原料粒度分布を十分には実現できない。すなわち、炉頂バンカーからの原料排出中期～末期に排出される原料に、大粒径原料が一定数混在して、結果的に、高炉の炉壁近傍に大粒径原料が一定数混在する場合があった。

　本発明は、上記の現状に鑑み開発されたものであって、順傾動装入および逆傾動装入のそれぞれに適した炉頂バンカー内の原料粒度分布を実現し、これにより、傾動方式によらず、高炉の中心部近傍のガス流量を増加させて、通気性および還元効率のさらなる向上を図ることが可能な高炉の原料装入方法を、提供することを目的とする。

　さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた。
　まず、発明者らは、特許文献１の技術において、逆傾動装入に適した炉頂バンカー内の原料粒度分布が十分に実現されない場合がある理由を調査した。
　一般的に、炉頂バンカーから排出される原料を受ける集合ホッパーをコンパクト化する観点およびバンカー内の粒度偏析を強化する観点から、炉頂バンカーの原料排出口は、図３に示すように、水平面（鉛直方向への投影面）において、原料貯留部の中心から高炉の軸心側に偏心して、配置される。なお、図３は、鉛直方向上方から見たときの、炉頂バンカーの各部の配置を示す模式図である。図中、６－１は原料貯留部、６－２は原料排出口である。
　ここで、偏心方向は、水平面において、原料貯留部の中心から原料排出口の中心に向かう方向とし、鉛直方向上方から見た場合に、偏心方向から時計回りに９０°回転した方向を第１の方向、１８０°回転した方向を偏心反対方向、２７０°回転した方向を第２の方向と呼ぶ。なお、炉頂バンカーの原料排出口は、水平面（鉛直方向への投影面）において、原料貯留部の中心から高炉の軸心側に偏心して配置される。そのため、炉頂バンカーを高炉頂部に配設した状態では、通常、偏心方向は、原料貯留部の中心から高炉の軸心に向かう方向（以下、高炉軸心方向ともいう）と同じ方向となる。

　特許文献１の技術で逆傾動装入を行う場合、図４に示すように、原料の落下方向が、水平面において、炉頂バンカーの原料排出ロの反対側、つまり偏心反対方向側の壁部（以下、偏心反対側壁部ともいう）近傍となるように、偏析制御板を操作する。そのため、炉頂バンカー内の原料堆積層の形状は、原料堆積面が、偏心方向に向かって（偏心反対側壁部から偏心方向側の壁部（以下、偏心側壁部ともいう）に向かって）鉛直方向下方に傾斜するものとなる。図中、６－３は偏析制御板である。

　この場合の炉頂バンカー内の原料粒度分布、および、炉頂バンカーからの原料排出時の原料排出順序（炉頂バンカー内の原料貯留位置ごとの排出時間）を、離散要素法と呼ばれる数値シミュレーションにより計算したところ、図５に示すように、大粒径原料の半数超が、原料排出口近傍、つまり、原料排出初期に排出される領域に集まる。しかし、大粒径原料の残りの多くが、炉頂バンカーの偏心方向に直角な方向である第１の方向および第２の方向側の壁部（以下、第１の壁部および第２の壁部ともいう）の近傍、つまり原料排出中期～末期に排出される領域に位置することがわかった。すなわち、これが原因で、逆傾動装入を行うと、高炉の炉壁近傍にも大粒径原料が一定数混在するようになることがわかった。

　この点を踏まえて、発明者らがさらに検討したところ、
・炉頂バンカーに装入される原料の落下位置を、偏心反対側壁部近傍だけでなく、第１の壁部および第２の壁部近傍にも分散させ、
・これによって、図６に示すように、炉頂バンカー内の原料堆積層の形状を、偏心反対側壁部からだけでなく、第１の壁部および第２の壁部からも、原料排出ロに向かって鉛直方向下方に傾斜させる、換言すれば、原料堆積層の形状を略すり鉢形にする、
ことが有効であることを知見した。
　そして、これによって、より密に原料排出口近傍に大粒径原料を集められることを知見した。

　なお、発明者らは上記の理由について、以下のように考えている。
　すなわち、大粒径原料は、小粒径原料に比べて、堆積面を転がり易い傾向にある。そのため、炉頂バンカーに装入される原料の落下位置を、偏心反対側壁部近傍だけでなく、第１の壁部および第２の壁部近傍にも分散させることによって、第１の壁部および第２の壁部から原料排出ロに向かって鉛直方向下方に傾斜する原料堆積層が形成される。そして、漸次装入される大粒径原料がこの堆積面を転がる一方、小粒径原料は落下位置で堆積することにより、より密に原料排出口近傍に大粒径原料を集められる。

　そして、発明者らは、上記の知見を基に、炉頂バンカーに装入される原料の落下位置を、偏心反対側壁部近傍だけでなく、第１の壁部および第２の壁部近傍にも分散させる方法について検討したところ、
・炉頂バンカーの原料貯留部の内部に、原料衝突面を有する構造体を配置し、
・原料衝突面の形状を偏心反対方向、ならびに、偏心反対方向と鉛直方向とに直角な第１の方向および第２の方向においてそれぞれ、構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜させる、
ことが有効であることを知見した。

　また、発明者らは、さらに検討を重ね、図８に示すように、
・原料衝突面の形状を、偏心反対方向、ならびに、偏心反対方向と鉛直方向とに直角な第１の方向および第２の方向に加え、さらに、偏心方向にも、構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜させるとともに、
・高炉内に原料を装入する際の傾動方式に応じて（炉頂バンカーの原料貯留部の内部に配置した）構造体における原料衝突位置を決定することにより、順傾動装入および逆傾動装入を行う場合のそれぞれに適した、炉頂バンカー内の原料粒度分布を実現することができることを知見した。なお、図中、６－４は構造体、６－５が原料衝突面である。
　本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。

　すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．高炉の原料装入方法であって、
　前記高炉は、炉頂部に炉頂バンカーを有し、
　前記炉頂バンカーのうちの少なくとも１つは、
　　原料貯留部と、
　　前記原料貯留部に、前記原料貯留部の上方から原料を装入する、原料装入口と、
　　前記原料貯留部の内部に配置され、かつ、前記原料装入口から装入された原料が衝突する原料衝突面を有する、構造体と、
　　前記原料貯留部内の原料を、前記原料貯留部の下方に排出する、原料排出口と、
をそなえ、
　　前記原料排出口が、水平面において、前記原料貯留部の中心から偏心して配置されており、
　　また、前記構造体の原料衝突面が、少なくとも、偏心方向、偏心反対方向、ならびに、該偏心方向と鉛直方向とに直角な第１の方向および第２の方向においてそれぞれ、前記構造体の頂部から前記原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜しており、
　さらに、前記高炉の原料装入方法は、
　　前記炉頂バンカーの前記原料装入口から前記原料貯留部に原料を装入し、該原料を、前記構造体に衝突させたうえで、該原料を、前記原料貯留部に貯留する、貯留工程と、
　　前記原料貯留部内に貯留した原料を前記原料排出口から排出し、排出した原料を、前記高炉の旋回シュートを介して前記高炉内に装入する、装入工程と、をそなえ、
　　前記装入工程での傾動方式に応じて、前記貯留工程での前記構造体における原料衝突位置を決定する、高炉の原料装入方法。
　ここで、偏心方向は、水平面において、原料貯留部の中心から原料排出口が偏心している方向である。また、偏心反対方向は、同水平面において、偏心方向と反対向きの方向である。

２．前記偏心方向および前記偏心反対方向における、前記構造体の頂部と前記原料衝突面の端部とを結ぶ線分の水平方向からの傾斜角度αおよびα´がそれぞれ２５～４５°である、前記１に記載の高炉の原料装入方法。

３．前記第１の方向および前記第２の方向における、前記構造体の頂部と前記原料衝突面の端部とを結ぶ線分の水平方向からの傾斜角度βおよびγがそれぞれ２５～４５°である、前記１または２に記載の高炉の原料装入方法。

４．前記構造体の頂部が、水平面において、原料貯留部の中心からの無次元距離（ｒ／Ｒ）で０～０．６の範囲に位置する、前記１～３のいずれかに記載の高炉の原料装入方法。
　ここで、無次元距離（ｒ／Ｒ）とは、水平面における、原料貯留部の中心からの距離（ｒ）を、原料貯留部の内半径（Ｒ）で除した値である。

　本発明によれば、順傾動装入および逆傾動装入を行う場合のそれぞれに適した、炉頂バンカー内の原料粒度分布を実現することができる。
　その結果、高炉の操業時に、傾動方式によらず、高炉の中心部近傍のガス流量を増加させて、通気性および還元効率のさらなる向上を図ることが可能となる。
　加えて、本発明は、厳密な制御を行う必要やそのための複雑な構造体等を必要としないので、操業性やメンテナンス性の面でも優れている。

高炉内のガス流れを示す模式図である。高炉への原料装入要領を示す模式図である。鉛直方向上方から見たときの、炉頂バンカーの各部の配置を示す模式図である。偏析制御板を設置した炉頂バンカー内に（逆傾動装入を想定して）原料を装入するときの、炉頂バンカー内の原料堆積状況を示す模式図である。（ａ）は偏心方向から見たときの模式図であり、（ｂ）は斜視図である。偏析制御板を設置した炉頂バンカー内に（逆傾動装入を想定して）原料を装入するときの、炉頂バンカー内の原料粒度分布、および、炉頂バンカーからの原料排出時の原料排出順序（炉頂バンカー内の原料貯留位置ごとの排出時間）の数値シミュレーション結果である。逆傾動装入を行う場合に好適な炉頂バンカー内の原料堆積状況を示す模式図である。（ａ）は偏心方向から見たときの模式図であり、（ｂ）は斜視図である。順傾動装入を行う場合に好適な炉頂バンカー内の原料堆積状況を示す模式図である。（ａ）は偏心方向から見たときの模式図であり、（ｂ）は斜視図である。本発明の一実施形態に従う高炉の原料装入方法により、炉頂バンカー内に原料を貯留する要領の一例を示す模式図である。構造体の頂部から原料衝突面の端部までの形状（外周形状）の一例を示す模式図である。炉頂バンカーの内部に設置する構造体の例を示す模式図である。構造体の頂部が位置する好適な領域を示す模式図である。条件１および２について、逆傾動装入を行うことを想定して炉頂バンカー内に原料を装入するときの、炉頂バンカー内の原料粒度分布、および、炉頂バンカーからの原料排出時の原料排出順序（炉頂バンカー内の原料貯留位置ごとの排出時間）の数値シミュレーション結果である。模型実験に使用した装置の概略図である。模型実験により得られた原料の粒度分布（順傾動装入）を示す模式図である。模型実験により得られた原料の粒度分布（逆傾動装入）を示す模式図である。構造体における原料衝突位置を調節する要領を示す模式図である。

　本発明を、以下の実施形態に基づき説明する。

　本発明の一実施形態に係る高炉の原料装入方法は、炉頂部に、炉頂バンカーを１つ以上配設した高炉で行うものであり、
　炉頂バンカーの原料装入口から原料を装入し、原料を、所定形状の構造体に衝突させたうえで、原料を、炉頂バンカーの原料貯留部に貯留する、貯留工程と、
　炉頂バンカーの原料貯留部に貯留した原料を排出し、排出した原料を、高炉の旋回シュートを介して高炉内に装入する、装入工程と、をそなえる。
　ここで、炉頂バンカーは、図２に示すように、高炉の炉頂部に配設され、高炉に装入する原料を一時的に貯留するものである。高炉の炉頂部に配設される炉頂バンカーの数は特に限定されるものではなく、原料種類の数や炉頂バンカーに求められる容積によって適宜設定すればよいが、通常、２～４個である。
　以下、本発明の一実施形態に係る高炉の原料装入方法で使用する炉頂バンカー、ならびに、本発明の一実施形態に係る高炉の原料装入方法の貯留工程および装入工程について説明する。

［炉頂バンカー］
　本発明の一実施形態に係る高炉の原料装入方法では、この炉頂バンカーの少なくとも１つに、図８に示すような、
　　原料貯留部と、
　　該原料貯留部に、該原料貯留部の上方から原料を装入する、原料装入口（図示せず）と、
　　該原料貯留部の内部に配置され、かつ、該原料装入口から装入された原料が衝突する原料衝突面を有する、構造体と、
　　該原料貯留部内の原料を、該原料貯留部の下方に排出する、原料排出口と、
をそなえる炉頂バンカーを使用する。好ましくは、高炉の炉頂部に配設される炉頂バンカーの全てに、上記の炉頂バンカーを使用する。
　なお、上方、下方、上部および下部という用語は、特に断りがない限り、鉛直方向の上方、下方、上部および下部を意味するものとする。

　ここで、原料装入口は、原料貯留部の上部に配置される。原料装入口の水平面における位置は特に限定されるものではないが、一般的には、原料貯留部の中心位置から高炉の軸心側（原料排出口と同じ方向）に位置している。

　そして、原料装入口から装入された原料は、原料貯留部の内部に配置された構造体の原料衝突面に衝突したのち、原料貯留部に落下して、原料貯留部内に一時的に貯留される。なお、原料貯留部内に一時的に貯留される原料は、通常、１バッチ分である。また、原料貯留部は、円筒状、円錐台筒状またはこれらを組み合わせた形状などとなる胴部と、下方に向かって径が小さくなる縮径部とを有する。
　なお、炉頂バンカーの最大径（外径）は、通常、４０００～５０００ｍｍ程度であり、また、炉頂バンカーの高さは９０００～１３０００ｍｍ程度である。

　ついで、高炉の操業に合わせて、流量調整ゲートが開けられ、原料貯留部の縮径部の下端の原料排出口から、原料の自重によって、原料が漸次排出され、集合ホッパーおよび旋回シュートを介して、高炉内へ原料が装入される。

　原料排出口は、図３に示すように、水平面において、原料貯留部の中心から偏心しており、通常、水平方向における原料貯留部と原料排出口の中心間距離（偏心量）：Ａは、原料貯留部の内半径：Ｒの０．６０～０．７０倍である。また、原料排出口の内半径：Ｂは、通常、原料貯留部の内半径：Ｒの０．１０～０．３０倍である。なお、原料貯留部の中心位置および内径は、後述する構造体の頂部の設置高さ位置を基準とする。また、原料排出口の中心位置および内径は、原料貯留部の下端と接続する高さ位置を基準とする。これ以降も同様である。
　なお、図３では、原料貯留部の水平断面を円形とした例で説明したが、これ以外の形状の場合、原料貯留部の中心は、最大の面積となる水平断面の重心とする。この場合、偏心方向は、当該水平断面（最大の面積となる水平断面）における原料排出口の中心と原料貯留部の中心とを結ぶ原料貯留部の中心から原料排出口の中心に向かう方向であり、Ｒは、当該水平断面の偏心方向での原料貯留部の長さの１／２とする。

　そして、本発明の一実施形態に係る高炉の原料装入方法では、上記構造体の原料衝突面の形状が極めて重要となる。
　具体的には、図８に示すように、原料衝突面の形状を、少なくとも、偏心方向、偏心反対方向、偏心方向と鉛直方向とに直角な第１の方向および第２の方向においてそれぞれ、構造体（原料衝突面）の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜させることが重要となる。

　すなわち、上述したように、逆傾動装入を行う場合、図６に示すように、炉頂バンカーに装入される原料の落下位置を、偏心反対側壁部近傍だけでなく、第１の壁部および第２の壁部近傍にも分散させる。これによって、炉頂バンカー内の原料堆積層の形状を、偏心反対側壁部からだけでなく、第１の壁部および第２の壁部からも、原料排出ロに向かって鉛直方向下方に傾斜させる、換言すれば、原料堆積層の形状を略すり鉢形にすることが重要となる。これによって、より密に原料排出口近傍に大粒径原料を集められる。そのため、上記構造体の原料衝突面の形状（鉛直断面の外周形状）を、偏心反対方向だけでなく、第１の方向および第２の方向においてそれぞれ、構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜させることが重要となる。

　また、順傾動装入を行う場合には、図７に示すように、炉頂バンカーに装入される原料の落下位置を偏心側壁部近傍（つまり、原料排出口近傍）だけでなく、第１の壁部および第２の壁部近傍にも分散させる。これによって、炉頂バンカー内の原料堆積層の形状を、偏心側壁部からだけでなく、第１の壁部および第２の壁部からも、偏心反対側壁部に向かって鉛直方向下方に傾斜させることが重要である。これによって、原料排出口から離れた位置に大粒径原料が集められる。すなわち、炉頂バンカーからの排出末期に大粒径原料が排出される。そのため、上記構造体の原料衝突面の形状（鉛直断面の外周形状）を、偏心方向においても、構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜させることが重要となる。

　ここで、偏心方向および偏心反対方向において、構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜するとは、図８に示すように、構造体の頂部を通る位置の構造体の鉛直断面を第１の方向から見たときに、構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜していることを意味する。同様に、第１の方向および第２の方向において構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜するとは、図８に示すように、構造体の頂部を通る位置の構造体鉛直断面を偏心方向から見たときに、構造体の頂部から第１の方向および第２の方向の原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜していることを意味する。または、構造体の第１の方向および第２の方向に沿った断面において、原料衝突面の最も高い位置から端部に向かって下方に傾斜していることを意味する。

　なお、原料衝突面は、構造体の上面（上方から見たときの構造体の領域）である。そのため、構造体の頂部は、原料衝突面の鉛直方向で最も高い位置となる。ここで、原料衝突面に最も高い位置が複数存在する場合には、最も高い位置のうちで、偏心方向において原料排出口から最も遠い距離にある点を頂部とする。また、構造体を固定するための部材なども原料衝突面からは除くものとする。なお、原料衝突面は、連続した１つの面から構成されていてもよいし、複数の面から構成されていてもよい。

　また、偏心方向および偏心反対方向における、構造体の頂部と原料衝突面の端部とを結ぶ線分の水平方向からの傾斜角度αおよびα´はそれぞれ２５～４５°とすることが好ましい。αおよびα´はそれぞれ、より好ましくは４０～４３°である。

　さらに、第１の方向および第２の方向における、構造体の頂部と原料衝突面の端部とを結ぶ線分の水平方向からの傾斜角度βおよびγはそれぞれ２５～４５°とすることが好ましい。βおよびγはそれぞれ、より好ましくは４０～４３°である。

　同様に、第１の方向から、偏心反対方向を通り、第２の方向までの間の方向（偏心方向から時計回りに９０°～２７０°の間の方向）における構造体の頂部から原料衝突面の端部までの形状も、構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜させることが好ましい。これらの方向における構造体の頂部と原料衝突面の端部とを結ぶ直線の水平方向からの好適な傾斜角度も、上記の傾斜角度α、α´、βおよびγと同様である。

　なお、構造体の各鉛直断面における構造体の頂部から原料衝突面の端部までの形状（外周形状）は、方向によらず、一定の傾きとする必要はなく、傾きが種々変化するよう形状、例えば、図９に示すように、円弧状や傾斜が段階的に変化するような形状でもよい。

　加えて、第１の方向から、偏心方向を通り、第２の方向までの間の方向（偏心方向から時計回りに０～９０°、２７０°～３６０°の間の方向、ただし、第１の方向および第２の方向は除く）における構造体の頂部から原料衝突面の端部までの形状は特に限定されない。
　例えば、偏心反対方向や第１の方向および第２の方向と同様に、構造体の頂部から原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜させてもよい。この場合、構造体の形状は、例えば、図１０に示すように、円錐形や斜円錐形、楕円錐形、円錐台の上部に円錐を張り合わせた形状（形状１）、半割にした円錐と半割にした楕円錐とを切断面同士で張り合わせた形状（形状２）、原料衝突面が球面状となるドーム形、四角錐、六角錐、八角錐などの多面体形、これらの形状を任意の位置で鉛直方向に切断した形状などとなる。なお、構造体の内部は中空であってもよく、底面や側面といった原料衝突面以外の面には、部材が配置されていなくてもよい。また、上記した形状には、原料衝突面の領域が変わらなければ、底面などに部材を設けることによって、形状が変化したものも含まれるものとする。

　加えて、上記の構造体の長さ（構造体を第１の方向から見たときの水平方向における原料衝突面の端部間の距離）ａは、原料貯留部の内半径：Ｒの０．４～０．８倍とすることが好ましい（図８参照、後述する構造体の幅および高さも同様）。上記の構造体の幅（構造体を偏心方向から見たときの水平方向における原料衝突面の端部間の距離）ｂは、原料貯留部の内半径：Ｒの０．４～０．８倍とすることが好ましい。上記の構造体の高さｈ（原料衝突面の下端から頂部までの距離）は、構造体の長さ：ａの０．４７～１．０倍とすることが好ましい。

　なお、構造体の形状は、第１の方向と第２の方向で対称であってもよく、非対称であってもよい。

　さらに、上記の構造体の水平方向における設置位置については、図１１に示すように、構造体の頂部が、原料貯留部の中心からの無次元距離（ｒ／Ｒ）で０～０．６の範囲に位置することが好ましい。
　ここで、無次元距離（ｒ／Ｒ）とは、水平面（鉛直方向への投影面）における、原料貯留部の中心からの距離（ｒ）を、原料貯留部の内半径（Ｒ）で除した値である。

　加えて、上記の構造体の鉛直方向における設置位置については、特に限定されるものではないが、構造体の頂部における無次元高さ（ｈ´／Ｈ）を０．７５～０．８５の範囲内とすることが好ましい。
　ここで、無次元高さ（ｈ´／Ｈ）とは、鉛直方向における、炉頂バンカーの下端（原料排出口の高さ位置）から構造体の頂部までの距離（高さ）：ｈ´を、炉頂バンカーの高さ：Ｈで除した値である。

　また、上記の構造体は、偏心方向から見たときに原料貯留部の中心を通る鉛直線を基準に左右対称となるように配置することが好ましい。ただし、構造体の頂部から第１の方向および第２の方向の端部に向かって下方に傾斜していれば、左右対称とならなくてもよい。

　加えて、上記の構造体の材質については特に限定されず、一般的な鋼材などを使用すればよい。また、構造体の設置方法についても特に限定されず、例えば、炉頂バンカーの内壁に金具や溶接などによって梁部材を固定し、この梁部材に金具や溶接などによって、上記の構造体を固定すればよい。さらに、上記の構造体は、その位置を変更するための位置調整機構や、設置角度を変更するための設置角度調整機構を有していてもよい。

［貯留工程］
　本発明の一実施形態に係る高炉の原料装入方法の貯留工程は、炉頂バンカーの原料装入口から原料貯留部に原料を装入し、原料を、構造体に衝突させたうえで、原料を、原料貯留部に貯留する工程である。
　そして、本工程では、後述する装入工程で採用する傾動方式に応じて、構造体における原料衝突位置を決定（設定）することが重要である。

　上述したように、傾動方式によって、好ましい炉頂バンカー内の原料粒度分布は異なる。例えば、逆傾動装入の場合、図６に示すように、炉頂バンカー内の原料堆積層の形状を、偏心反対側壁部からだけでなく、第１の壁部および第２の壁部からも、原料排出ロに向かって鉛直方向下方に傾斜させる、換言すれば、原料堆積層の形状を略すり鉢形にする（原料排出口近傍に大粒径原料を集める）ことが重要である。そのため、逆傾動装入の場合には、構造体における原料衝突位置を構造体の頂部よりも偏心反対方向側とする。

　一方、順傾動装入の場合、図７に示すように、炉頂バンカー内の原料堆積層の形状を、偏心側壁部からだけでなく、第１の壁部および第２の壁部からも、偏心反対側壁部に向かって鉛直方向下方に傾斜させることが重要である。そのため、順傾動装入の場合には、構造体における原料衝突位置を構造体の頂部よりも偏心方向側とする。

　ここで、構造体における原料衝突位置は、構造体における原料衝突範囲の偏心反対方向での代表位置を基準として、偏心反対方向側か偏心方向側かを判断する。
　すなわち、鉛直方向上方から見たときの構造体（原料衝突面）における原料の各粒の衝突位置（範囲）を、構造体の頂部を原点として、横軸（Ｘ軸）を偏心反対方向における構造体の頂部からの距離、縦軸（Ｙ軸）を第１の方向における構造体の頂部からの距離（偏心反対方向および第１の方向への距離を正の値、偏心方向および第２の方向への距離を負の値）としてプロットする。そして、偏心反対方向の重心位置、すなわち、各粒の衝突位置のプロットにおける偏心反対方向（Ｘ座標）の平均値を、構造体における原料衝突範囲の偏心反対方向での代表位置（以下、単に偏心反対方向での代表位置ともいう）とする。同様に、第１の方向の重心位置、すなわち、各粒の衝突位置のプロットにおける第１の方向（Ｙ座標）の平均値を、構造体における原料衝突範囲の第１の方向での代表位置（以下、単に第１の方向での代表位置ともいう）とする。
　例えば、偏心反対方向での衝突代表位置が正の値（０超）であれば、構造体における原料衝突位置は構造体の頂部よりも偏心反対方向側であり、偏心反対方向での衝突代表位置が負の値（０未満）であれば、構造体における原料衝突位置は構造体の頂部よりも偏心方向側である。

　なお、逆傾動装入の場合には、偏心反対方向での衝突代表位置を、ａ_１／４～ａ_１／２の範囲とすることが好ましい。ここで、ａ_１は、構造体の頂部と偏心反対方向における原料衝突面の端部間の距離（構造体を第１の方向から見たときの構造体の頂部と偏心反対方向における原料衝突面の端部間の距離、図８参照）である。
　また、順傾動装入の場合には、偏心反対方向での衝突代表位置を、－ａ_２／２～－ａ_２／４の範囲とすることが好ましい。ここで、ａ_２は、構造体の頂部と偏心方向における原料衝突面の端部間の距離（構造体を第１の方向から見たときの構造体の頂部と偏心方向における原料衝突面の端部間の距離、図８参照）である。

　なお、構造体における原料の第１の方向での衝突範囲は特に限定されるものではないが、構造体における原料衝突範囲の第１の方向での代表位置（以下、第１の方向での衝突代表位置ともいう）を、－ｂ／１０～ｂ／１０の範囲とすることが好ましい。特に好ましくは、第１の方向での衝突代表位置が０である。

　また、原料装入口から落下する原料の粒（個数）のうち、８０％以上、好ましくは９０％以上が構造体（原料衝突面）に衝突するように（すなわち、構造体への原料衝突割合（＝［構造体（原料衝突面）に衝突する原料の個数］／［炉頂バンカー内に装入する原料の個数］×１００）を８０％以上、好ましくは９０％以上となるように）、構造体における原料衝突位置を調節する。構造体への原料衝突割合は１００％であってもよい。

　なお、構造体における原料衝突位置や原料衝突角度は、例えば、図１６に示すような、レシービングホッパから炉頂バンカーの原料装入口への原料流通路内に、可動式の制御板１７を設け、その位置や角度を変更することにより、調節することができる。なお、図１６では、可動式の制御板１７の原料衝突面を水平面に対して直角に固定し、可動式の制御板１７を炉頂バンカー６の偏心方向と偏心反対方向に移動させる例を示しているが、これに限るものではない。例えば、さらに、可動式の制御板１７の原料衝突面の角度を変更できるようにして、その位置や角度を変更することにより、構造体における原料衝突位置や衝突角度をより詳細に調節することができる。

［装入工程］
　上記の貯留工程において、炉頂バンカーの原料貯留部内に貯留した原料を原料排出口から排出し、排出した原料を、高炉の旋回シュートを介して、逆傾動装入または順傾動装入により、高炉内に装入する。
　すなわち、逆傾動装入を行う場合には、逆傾動装入に適した原料粒度分布とした炉頂バンカーから原料を排出し、排出した原料を、高炉内に装入する。
　一方、順傾動装入を行う場合には、順傾動装入に適した原料粒度分布とした炉頂バンカーから原料を排出し、排出した原料を、高炉内に装入する。
　その結果、順傾動装入および逆傾動装入のいずれを行う場合にも、高炉の中心部近傍のガス流量が増加し、通気性および還元効率が向上する。

　上記以外の条件については特に限定されず、常法に従えばよい。

　以下の条件１および条件２により、炉頂バンカーをモデリングし、それぞれの炉頂バンカーの内部に原料を装入したときの炉頂バンカー内の原料粒度分布、および、炉頂バンカーからの原料排出時の原料排出順序（炉頂バンカー内の原料貯留位置ごとの排出時間）を、離散要素法により計算した。

・条件１（発明例）
［炉頂バンカー内に設置した構造体の形状］
　傾斜角度：α＝４２°、α´＝４２°、β＝４２°、γ＝４２°　
　幅：ａ＝Ｒ×０．５、長さ：ｂ＝Ｒ×０．５、高さ：ｈ＝ａ×０．５
［炉頂バンカー内の構造体の設置位置］
　構造体の頂部の位置：原料貯留部の中心位置から偏心方向にｒ／Ｒ＝０．５３の位置
　構造体の頂部の設置高さ：ｈ´／Ｈ＝０．８２
［炉頂バンカー内の構造体における原料衝突位置］
　・順傾動装入の場合
　　偏心方向側
　　（偏心反対方向の衝突代表位置：－ａ_２/４、第１の方向の衝突代表位置：０、
　　　原料衝突割合：１００％）
　・逆傾動装入の場合
　　偏心反対方向側
　　（偏心反対方向の衝突代表位置：ａ_１/２、第１の方向の衝突代表位置：０、
　　　原料衝突割合：１００％）

・条件２（比較例）
［炉頂バンカー内に設置した構造体の形状］
　板状（特許文献１でいう偏析制御板）
　傾斜角度：
　・順傾動装入の場合　α＝８０°、β＝０°、γ＝０°
　・逆傾動装入の場合　α＝１５５°（α´＝２５°）、β＝０°、γ＝０°
　幅：Ｒ×０．３１、長さ：Ｒ×１．０、厚み：１６０ｍｍ
［炉頂バンカー内の構造体の設置位置］
　偏析制御板の中心位置：原料貯留部の中心位置から偏心方向にｒ／Ｒ＝０．３７の位置
　偏析制御板の中心位置の設置高さ：ｈ´／Ｈ＝０．４２
［炉頂バンカー内の構造体における原料衝突位置］
　偏析制御板の略中心位置、原料衝突割合：１００％
　（順傾動装入および逆傾動装入とも同じ）

　また、条件１および２の構造体とも、偏心方向から見たときに原料貯留部の中心を通る鉛直線を基準に左右対称となるように配置した。
　さらに、炉頂バンカーの原料貯留部や原料装入口、原料排出口の形状については、実機に合わせて条件１および２とも同じ条件（Ｒ＝２３５０ｍｍ、Ｈ＝１２０００ｍｍ、原料貯留部と原料排出口の中心間距離（偏心量）：Ａ＝Ｒ×０．６４、原料排出口の内半径：Ｂ＝Ｒ×０．３５）でモデリングした。

　また、原料装入条件も、条件１および２で同じとした。具体的には、ここでいう原料は鉱石を指し、原料装入量は１バッチ分相当量とする。また、実際の原料での粒度分布から粒度を大粒子・中粒子・小粒子の３種類で代表させ、実際の原料に合わせて、大粒子・中粒子・小粒子の粒径比を３．８：２．０：１．０とした。さらに、大粒子・中粒子・小粒子はそれぞれ同じ質量で含まれているとした。このとき、コークスは、条件１および２でそれぞれ同じバンカーを使用し、装入条件も同じとした。
　逆傾動装入を行ったときの評価結果を代表して図１２に示す。

　図１２に示したように、条件１（発明例）では、逆傾動装入に適した炉頂バンカー内の原料粒度分布を実現することができた。すなわち、逆傾動装入の場合、原料排出口近傍に大粒子を集めて、炉頂バンカーからの排出初期に多くの大粒子を排出できる。また、順傾動装入に適した炉頂バンカー内の原料粒度分布も実現することができた。すなわち、順傾動装入の場合、原料排出口から離れた位置に大粒子を集めて、炉頂バンカーからの排出末期に多くの大粒子を排出できる。
　一方、条件２（比較例）では、逆傾動装入の場合に原料排出口近傍に大粒子を十分に集めることができず、逆傾動装入に適した炉頂バンカー内の原料粒度分布を実現することができなかった。

　なお、条件１（発明例）の条件をベースに、構造体の形状をα＝２５～４５°、β＝２５～４５°、γ＝２５～４５°の範囲で種々変化させた場合にも、条件１（発明例）とほぼ同様の結果が得られた。また、構造体の頂部の位置をｒ／Ｒ＝０～０．６の範囲で種々変化させた場合にも、条件１（発明例）とほぼ同様の結果が得られた。さらに、構造体の形状として、上記した斜円錐形や楕円錐形などの他の形状とした場合にも、条件１（発明例）とほぼ同様の結果が得られた。

　また、上記の数値シミュレーションによる炉頂バンカー内の粒度分布の精度を確認するため、模型実験を行った。
　すなわち、図１３に示すような、条件１（発明例）および条件２（比較例）に対応する実機１／１７．８サイズの炉頂バンカー模型をそれぞれ製作した。図中、符号１０は装入ベルトコンベア、１１は炉頂バンカー模型、１２は集合ホッパー模型、１３はサンプリングボックス、１４はローラーコンベア、１５はサンプリングボックス用ベルトコンベア、１６は偏析制御板模型または構造体模型である。
　そして、装入ベルトコンベアから原料（ここでは鉱石）を、炉頂バンカー模型内に装入した。なお、原料の装入位置（偏析制御板模型および構造体模型における原料衝突位置）は、装入ベルトコンベアの位置を変更することにより、調節した。装入後、炉頂バンカー模型下端に接続した排出口の弁を開き、排出口から原料を排出した。そして、排出された原料を、複数のサンプリングボックスで捕集した。その際、サンプリングボックスをサンプリングボックス用ベルトコンベアにより、漸次、水平方向に移動させ、排出される原料を、排出開始から排出終了までの一定間隔で時系列に分別した。ついで、各サンプリングボックスに捕集された原料をふるい分けし、各サンプリングボックスで捕集された原料の平均粒径を算出し、炉頂バンカー模型に装入する前の全ての原料の平均粒径で除することにより、無次元化排出時間ごとの原料の無次元化粒径を算出した。結果を、図１４および図１５に示す。

　図１４および図１５より、当該模型実験でも、上記の数値シミュレーション結果を裏付けるデータが得られた。
　すなわち、条件１（発明例）では、順傾動装入の場合、炉頂バンカーからの排出末期に多くの大粒子を排出できた。また、逆傾動装入の場合、炉頂バンカーからの排出初期に多くの大粒子を排出できた。
　一方、条件２（比較例）では、逆傾動装入の場合、条件１（発明例）に比べて、炉頂バンカーからの排出初期に多くの大粒子を排出することができなかった。

　１：高炉
　２：羽口
　３：鉱石層
　４：コークス層
　５：融着層
　６：炉頂バンカー
　６－１：原料貯留部
　６－２：原料排出口
　６－３：偏析制御板
　６－４：構造体
　６－５：原料衝突面
　６－６：分散調整板
　７：流量調整ゲート
　８：集合ホッパー
　９：旋回シュート
　１０：装入ベルトコンベア
　１１：炉頂バンカー模型
　１２：集合ホッパー模型
　１３：サンプリングボックス
　１４：ローラーコンベア
　１５：サンプリングボックス用ベルトコンベア
　１６：偏析制御板模型または構造体模型
　１７：可動式の制御板

Claims

　高炉の原料装入方法であって、
　前記高炉は、炉頂部に炉頂バンカーを有し、
　前記炉頂バンカーのうちの少なくとも１つは、
　　原料貯留部と、
　　前記原料貯留部に、前記原料貯留部の上方から原料を装入する、原料装入口と、
　　前記原料貯留部の内部に配置され、かつ、前記原料装入口から装入された原料が衝突する原料衝突面を有する、構造体と、
　　前記原料貯留部内の原料を、前記原料貯留部の下方に排出する、原料排出口と、
をそなえ、
　　前記原料排出口が、水平面において、前記原料貯留部の中心から偏心して配置されており、
　　また、前記構造体の原料衝突面が、少なくとも、偏心方向、偏心反対方向、ならびに、該偏心方向と鉛直方向とに直角な第１の方向および第２の方向においてそれぞれ、前記構造体の頂部から前記原料衝突面の端部に向かって下方に傾斜しており、
　さらに、前記高炉の原料装入方法は、
　　前記炉頂バンカーの前記原料装入口から前記原料貯留部に原料を装入し、該原料を、前記構造体に衝突させたうえで、該原料を、前記原料貯留部に貯留する、貯留工程と、
　　前記原料貯留部内に貯留した原料を前記原料排出口から排出し、排出した原料を、前記高炉の旋回シュートを介して前記高炉内に装入する、装入工程と、をそなえ、
　　前記装入工程での傾動方式に応じて、前記貯留工程での前記構造体における原料衝突位置を決定する、高炉の原料装入方法。
　ここで、偏心方向は、水平面において、原料貯留部の中心から原料排出口が偏心している方向である。また、偏心反対方向は、同水平面において、偏心方向と反対向きの方向である。
　前記偏心方向および前記偏心反対方向における、前記構造体の頂部と前記原料衝突面の端部とを結ぶ線分の水平方向からの傾斜角度αおよびα´がそれぞれ２５～４５°である、請求項１に記載の高炉の原料装入方法。
　前記第１の方向および前記第２の方向における、前記構造体の頂部と前記原料衝突面の端部とを結ぶ線分の水平方向からの傾斜角度βおよびγがそれぞれ２５～４５°である、請求項１または２に記載の高炉の原料装入方法。
　前記構造体の頂部が、水平面において、原料貯留部の中心からの無次元距離（ｒ／Ｒ）で０～０．６の範囲に位置する、請求項１～３のいずれかに記載の高炉の原料装入方法。
　ここで、無次元距離（ｒ／Ｒ）とは、水平面における、原料貯留部の中心からの距離（ｒ）を、原料貯留部の内半径（Ｒ）で除した値である。