JP2006336094A

JP2006336094A - 高炉原料装入装置および高炉原料装入方法

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Publication number: JP2006336094A
Application number: JP2005165139A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sato; 健佐藤; Michitaka Sato; 道貴佐藤; Tatsuro Ariyama; 達郎有山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】炉中心部の限られた領域のみの「コークス／鉱石」層厚比を大きく保つとともに、炉中心部に装入されるコークス粒径を粗粒化できる、高炉原料装入装置および高炉原料装入方法を提供すること。
【解決手段】高炉に原料を装入するために炉頂部に設置する装置であって、中心軸に対して偏芯した位置に排出口を有する炉頂バンカーと、該炉頂バンカーから排出された原料を高炉内に装入する旋回シュートと、炉軸近傍領域にコークスを装入するための中心コークス専用シュートとを有することを特徴とする高炉原料装入装置を用いる。３基以上の炉頂バンカーを有すること、炉頂バンカーに対して、その排出口上方から原料を装入するためのガイド手段を有することが好ましい。また、炉頂バンカーから高炉内に装入する装入物の粒径を、排出の初期に細粒が多く、排出の後期に粗粒が多くなるように装入する
【選択図】図６

Description

本発明は、高炉に鉱石やコークス等の原料を装入するための高炉原料装入装置及びこの装置を用いた高炉原料装入方法に関する。

高炉の炉芯、炉床の通気・通液性は高炉安定操業に重大な影響を及ぼすものである。炉芯、炉床はコークス充填層で形成されており、さらに炉芯、炉床のコークスは炉軸を中心とする狭い範囲（無次元半径０〜０．２）に装入されたコークスで構成されることが知られている。近年、コークス比、還元材比を低下させる操業が指向され、コークスの反応負荷は増大する傾向にあり、炉芯、炉床へ健全なコークスを供給する技術が要求される。この際、炉頂から装入する装入物の分布制御が重要な操作因子となる。コークスは炉内でＣＯ₂と反応して劣化する。このＣＯ₂は焼結鉱や鉄鉱石等の原料（以下、「鉱石」と記載する。）がＣＯガスで還元される際に生成するものである。従って、炉中心部におけるコークス反応量を減少させてコークスの劣化を防止するには該箇所のコークス量を鉱石量に対して大とする、すなわち炉中心部において、鉱石に対するコークスの層厚比である「コークス／鉱石」を大とする必要がある。これに鑑み、高炉の中心にコークスを装入する技術が開発され、専用シュートを介して炉中心部へコークスを装入する際の装入方法を制御し、中心部への鉱石流入を阻止することにより中心部の「コークス／鉱石」を大とする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。専用シュートを用いることで、高炉の中心部へのコークスの装入が容易となる。

一方、専用シュートを用いることなく、旋回シュートを用いても炉軸芯近傍へコークスを装入することは可能であるが、装置によっては旋回シュートを最大限鉛直に近づけても落下主流が炉軸と一致せず、同芯円状の装入しかできない場合がある。図１２（ａ）に示すように、回転シュート１から装入されるコークスは、落下軌跡５に示すように落下して、炉軸芯からずれた位置に頂部を有するコークス堆積形状７となる。また、落下主流が炉軸と一致しても、落下領域が専用シュートを介する場合より広がるために、専用シュートと類似のコークス堆積状態を形成するのが困難な場合がある（図１２（ｂ）参照。）。専用シュートから装入されるコークスは、図１２（ｃ）に示すように、専用シュートからのコークス落下軌跡６に示すように落下して、コークス堆積形状８を形成する。図１２（ｂ）に示すような旋回シュートによる中心部へのコークス装入では、図１２（ｃ）に示す専用シュートによる装入に比べ、炉芯軸上近傍のみならずその中心部の広範囲でコークス／鉱石層厚比が大きくなる傾向がある。これは過度の中心ガス流を招き、還元効率の低い部位を増加させるため、特に低還元材比操業においては好ましくない。

一方、炉芯、炉床の通気・通液性を良好に保つためには、該箇所のコークス粒径を高位にする、つまり、充填層を構成する粒子の粗粒比率を高めることが望ましい。旋回シュートによって炉内に装入された装入物は、落下位置から炉中心へ向かって斜面を構成する際に分級効果によって粗粒が斜面の下方、すなわち中心部へ偏析する特性があり、中心部のコークスを粗粒化させるという意味では合理的である。

また、炉中心部へ粗粒コークスを効果的に供給するためには、前述の炉内での分級効果に加え、炉内装入物の装入時の粒径の経時変化を利用するとより効果的である。ベルレス装入装置においては、所定量秤量された装入物は炉頂バンカーに貯蔵され、所定のタイミングかつ所定の時間内に旋回シュートを介して炉内に装入される。この装入時間内で旋回シュートの傾動角度を経時的に変化させ、一般的に装入初期は周辺側へ装入物が落下する傾動角度で、後期は中間〜中心側へ装入物が落下する傾動角度で装入する。従って、炉中心側に粗粒装入物を装入するためには、炉頂バンカーから装入物を排出する際に後期に粗粒が排出される状態が望ましい。炉頂バンカーの形状、バンカー内への装入物の堆積方法によってバンカーからの排出特性は異なるが、数種類のバンカー形状における排出時の粒度の経時変化を調査した結果によれば、炉軸に対して並列配置型で、排出口がバンカー中心軸と一致しないタイプ（オフセンター型）であり、かつ、炉軸芯側を頂点としてバンカー内に装入物を堆積させる機構を持つ炉頂バンカーが、初期に細粒、後期に粗粒が排出される特性を有している（例えば、非特許文献１参照。）。このように、炉頂バンカーの配置およびその形状を選択すれば旋回シュートによる装入で中心部に粗粒コークスを堆積させるのに有利な条件を設定できる。
特開２００1−３２３３０５号公報日本金属学会会報 vol.３１、p３３０〜３３２(１９９２）

以上のように、旋回シュートを有するベルレス装入装置を用いた場合、炉芯、炉床のコークスの粗粒比率を高めることは比較的容易に行なうことができる。しかし、旋回シュートを用いて中心部に直接コークスを装入した場合、上記のように中心近傍で過度のコークス／鉱石層厚比の低下を招きやすいという問題がある。

これに対し、コークス装入専用シュートを介した炉中心へのコークス装入方法においては、中心コークスの堆積形状は炉の半径方向に大きく広がることなくコンパクトになるものの、落下位置にそのまま装入物が存在するため、上記の分級効果による中心部への粗粒コークス供給は望めない。この対策として、専用シュートを介して装入するコークスの事前篩いを強化して、粗粒のみを選択的に炉中心部に装入する方法が挙げられるが、事前処理に手間がかかり、粒子径の粗大化による専用シュート内でのコークスの詰まり等の問題が発生する。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、炉中心部の限られた領域のみの「コークス／鉱石」層厚比を大きく保つとともに、炉中心部に装入されるコークス粒径を粗粒化できる、高炉原料装入装置および高炉原料装入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）、高炉に原料を装入するために炉頂部に設置する装置であって、中心軸に対して偏芯した位置に排出口を有する炉頂バンカーと、該炉頂バンカーから排出された原料を高炉内に装入する旋回シュートと、炉軸近傍領域にコークスを装入するための中心コークス専用シュートとを有することを特徴とする高炉原料装入装置。
（２）、３基以上の炉頂バンカーを有することを特徴とする（１）に記載の高炉原料装入装置。
（３）、炉頂バンカーに対して、その排出口上方から原料を装入するためのガイド手段を有することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉原料装入装置。
（４）、（１）ないし（３）のいずれかに記載された高炉原料装入装置を用いて原料を装入するに際し、炉頂バンカーから高炉内に装入される装入物の粒径が、排出の初期に細粒が多く、排出の後期に粗粒が多くなるように原料を装入することを特徴とする高炉原料装入方法。

本発明によれば、炉中心部の「コークス／鉱石」層厚比を炉軸部近傍のみで大とし、かつ該箇所のコークス粒径を粗粒化でき、炉芯の健全性および炉全体の良好な還元性の維持が図れ、高炉操業が安定する。

本発明者らは縮小模型を用いた実験を行い、上記課題を解決するために好適な高炉原料の炉頂装入装置について検討した。装置の縮尺は実機の１／１０であり（炉口径１１．４ｍ相当）、旋回シュート、中心部へコークスを供給するシュート（以下、「専用シュート」と記載する。）を有するものである。炉頂バンカーおよびその配置は、中心軸位置に排出口を有し、中心軸を炉軸芯上に配するタイプと（垂直型）、中心軸に対して偏芯した位置に排出口を有するバンカーを、炉軸芯に対して偏芯した位置に排出口を配するタイプ（並列＋オフセンター型）を用いた。また、どちらの炉頂バンカーを用いる場合も、排出口の上部位置からバンカー内に原料を装入した。破砕したコークスを実機の粒度分布（２５ｍｍ〜８０ｍｍ）に相当するように調整した試料を用い、所定のベルレスパターン（条件によっては中心装入専用シュートを併用）で装入した際の炉内の堆積形状および半径方向の粒度分布を測定した。各実験条件における装置および、コークスの堆積形状を図１に示す。図１（ａ）は垂直型のバンカー装置で旋回シュート１のみを用いてコークスを装入した結果、図１（ｂ）は垂直型のバンカー装置で炉中心部へのコークス装入を旋回シュート１、専用シュート２双方を用いて実施した結果、図１（ｃ）は並列＋オフセンター型のバンカー装置で旋回シュート１のみを用いてコークスを装入した結果、図１（ｄ）は並列＋オフセンター型のバンカー装置で炉中心部へのコークス装入を旋回シュート１、専用シュート２双方を用いて実施した結果である。各条件において炉軸部のコークス層厚は同一とした。図１における旋回シュートの位置は、各条件における装入終了時の傾動位置を示しており、専用シュートを用いない場合（図１（ａ）、（ｃ））は旋回シュートから炉軸部へ直接コークスを落下、堆積させているのに対し、専用シュートを用いた場合（図１（ｂ）、（ｄ））は最終旋回における旋回シュート１からのコークス落下位置は炉軸〜中間部の位置であり、落下位置から中心部へは炉内での流れこみでコークスが堆積し、その上に専用シュート２によりコークスを装入している。これらのコークスの挙動を図１中に破線５（旋回シュートからのコークス落下軌跡）および矢印で示した。７は旋回シュートによる装入で形成されたコークス堆積形状、８は専用シュートによる装入で形成されたコークス堆積形状である。図１によれば、旋回シュート１のみを用いてコークスを炉中心に供給すると、炉軸部のコークス層厚は同一としても、専用シュート２を用いた場合に比べ中心部近傍の広範囲でコークス層厚が大となることがわかる。専用シュート２を用いた場合は無次元半径でほぼ０〜０．２の範囲でコークス層厚が大となるのに対して、旋回シュート１のみを用いた場合は無次元半径でほぼ０〜０．３の範囲でコークス層厚が大であり、旋回シュート１のみを用いた場合は、前述した炉芯コークス供給領域（無次元半径で０〜０．２の範囲）よりも広範囲でコークス層厚が大であり、旋回シュート１のみを用いた場合は炉芯制御に対して格段の効果は望めないばかりか、還元効率の低い領域を拡大する負の効果を生じてしまう。従って、堆積形状の観点からは図１（ｂ）および（d）のように専用シュートを用いることが望ましい。

次に図１（ａ）〜（ｄ）の各条件の半径方向粒径分布を図２ａ〜ｄに示す。図２において、中心部のコークス粒径を比較すると、垂直型のバンカー（図１（ａ）、（ｂ））のａ、ｂの場合が小さく、これに比べ並列＋オフセンター型（図１（ｃ）、（ｄ））のｃ、ｄの場合はともに大となった。ここで、図1の各炉頂バンカーからのコークス排出時の粒度の経過時変化を図３に示す。図２の結果はこれを反映したものであり、中心部ヘ粗粒コークスを供給するためには、後期に粗粒が排出される並列＋オフセンター型を用いる方が望ましい。なお、図１（ｃ）と図１（ｄ）の条件が同等の粒径分布を与えたのは、以下の理由によるものである。図２のｄでは旋回シュートによる装入が炉軸状には達しておらず、落下位置から軸芯部ヘコークスが流れこむ過程における偏析効果が生じる。これと専用シュートによる装入によって平均粒径のコークスがそのまま炉軸上にとどまる効果が複合し（図4参照。）、結果として図１（ｃ）に示す旋回シュートからの粗粒コークスが炉軸上、すなわち斜面上の粒度偏析が無い条件で装入される条件と同等となったと考えられる。

以上の検討結果を整理すると、表１が得られる。すなわち、炉の半径方向に広がりを生じる中心部のコークス堆積過多を抑制しつつ、コークス粒径を大きくするためには、中心軸に対して偏芯した位置に排出口を有する炉頂バンカーに加え、コークスを炉中心部へ供給するための専用シュートを有する装入装置が最適であることが分かる。

なお、並列＋オフセンター型のバンカーは、装入物が旋回シュートに導かれる際に炉軸上を落下しないという装置特性を有する。これにより、図５に示すように旋回シュート１の向きによって、同シュート上に装入物が落下する位置が異なり、シュート上の滑走距離の差を介して飛び出し速度、すなわち落下挙動に偏差が生じるものである。これは円周方向の偏差を助長し、高炉操業の不安定要因になる恐れがある。この対策として、並列＋オフセンター型のバンカーの数を少なくとも３つとすることにより、その偏差を分散させることができる。したがって、並列＋オフセンター型バンカーの数は３以上とすることが好ましい。

以上のことから、図６に示すような、旋回シュート１と、中心軸に対して偏芯した位置に排出口を有し、３つ以上のバンカー３を有する、炉頂バンカーと、コークスを炉軸部へ供給するための専用シュート２とを有する高炉原料装入装置が、中心部の「コークス／鉱石」を炉軸部近傍のみで大きくし、かつ該箇所のコークス粒径を大きくする条件に関して特に好適であるとの結論を得た。

また、本発明の高炉原料装入装置においては、炉頂バンカーが、炉頂バンカーに対して、その排出口上方から原料を装入するためのガイド手段を有することが望ましい。炉頂バンカー内に原料を装入する際には、排出口の上部に頂点を有するような形状の山形になるようにバンカー内に装入物を堆積させることが望ましく、例えば、排出口の上部からバンカー内に原料を装入することで前記の形状とすることができるが、より確実に排出口の上部に頂点を有する山形形状とするためには、ガイド手段等を用いて排出口の上部位置に確実に原料が装入されることが望ましい。バンカー内の原料を排出口の上部に頂点を有する山形形状となるように装入することで、確実に初期に細粒、後期に粗粒の原料を、バンカーから排出させることができる。

炉頂バンカー内に、排出口の上部に頂点を有するような形状の山形に原料を装入するためのガイド手段等としては、図７に示すような手段を用いることができる。図７（ａ）は炉頂バンカー３に原料装入用のシュート１０を設置した場合、図７（ｂ）はガイド手段である反発板１１を設置した場合である。装入された原料の転がりにより排出口の上部に細粒が、排出口から遠い部分に粗粒が分布する傾向となる。さらに、炉頂バンカーへの原料装入時に分級装置を用いることもできる。図７（ｃ）にワイヤー式の分級装置１２を設置した場合を示す。

したがって、上記に記載の高炉原料装入装置を用いて原料を装入するに際し、炉頂バンカーから高炉内に装入される装入物の粒径が、排出の初期に細粒が多く、排出の後期に粗粒が多くなるように原料を装入する高炉原料装入方法を用いることで、炉中心部の限られた領域のみの「コークス／鉱石」層厚比を大きく保つとともに、炉中心部に装入されるコークス粒径を粗粒化できる。

高炉の改修の際に、炉頂部に、並列＋オフセンター型である、中心軸に対して偏芯した位置に排出口を有し、中心軸が炉軸と平行かつ炉軸と一致しない位置に並列に配置された３基の炉頂バンカーと、旋回シュートと、炉軸芯部へコークスを装入する専用のシュートを有する高炉原料装入装置を設置した。火入れ前の炉内への装入物填充時における炉内堆積形状、コークスの半径方向粒度分布を測定した。これらの結果について、以前に測定した専用シュートを有さず、垂直型の炉頂バンカーと、旋回シュートを有するベルレス装入装置を用いた場合との比較を行なった。結果を図８、図９に示す。図８（ａ）が垂直型バンカーの高炉原料装入装置の場合の炉内堆積形状であり、図８（ｂ）が並列＋オフセンター型の３基の炉頂バンカーと専用シュートとを有する高炉原料装入装置の場合の炉内堆積形状であり、図９が図８（ａ）、（ｂ）の粒度分布ａ、ｂである。図８、９に示すように、模型実験で得られた結果が再現できており、並列＋オフセンター型の３基の炉頂バンカーと専用シュートとを有する高炉原料装入装置の有効性が確認できた。

さらに、並列＋オフセンター型の３基の炉頂バンカーと専用シュートとを有する高炉原料装入装置と、垂直型バンカーを有する高炉原料装入装置を用いた場合の操業時の炉上部ガス分布の比較を行なった。結果を図１０に示すが、並列＋オフセンター型の３基の炉頂バンカーと専用シュートとを有する高炉原料装入装置を用いた場合ｂ（還元材比４９０ｋｇ／ｔ）は、垂直型バンカーを有する高炉原料装入装置を用いた場合ａ（還元材比５１０ｋｇ／ｔ）に比べ、ガス利用率が低い領域が小さく、中心部近傍のガス流過多を抑制できており、低還元材比操業を行なうことができる。また、図１１に、コークス比を３８０ｋｇ／ｔとした際の、並列＋オフセンター型の３基の炉頂バンカーと専用シュートとを有する高炉原料装入装置を用いた場合の炉下部の通気抵抗指数（ａ）と、垂直型バンカーを有する高炉原料装入装置を用いた場合の炉下部の通気抵抗指数（ｂ）との比較を示す。図１１によれば、炉下部の通気抵抗も並列＋オフセンター型の３基の炉頂バンカーと専用シュートとを有する高炉原料装入装置を用いた場合（ａ）に低位となっており、炉芯・炉床の通気性の改善を介して安定操業に寄与することができた。

１／１０模型における装置概略およびコークス堆積形状。１／１０模型における半径方向コークス粒度分布を示すグラフ。炉頂バンカーからのコークス排出時の粒度の経時変化を示すグラフ。旋回シュートおよび専用シュートによるコークス装入時の半径方向粒度分布を示すグラフ。並列＋オフセンター型の炉頂バンカーが装入偏差に及ぼす影響を示す概略図。本発明の高炉原料装入装置の一実施形態を示す概略図。炉頂バンカーに設置する（ａ）シュート、（ｂ）反発板、（ｃ）分級装置。コークス堆積形状を示す概略図（（ａ）従来例、（ｂ）本発明例）。半径方向のコークス粒度分布を示すグラフ（ａ従来例、ｂ本発明例）。半径方向のガス利用率分布を示すグラフ（ａ従来例、ｂ本発明例）。炉下部通気抵抗指数を示すグラフ（ａ従来例、ｂ本発明例）。旋回シュートおよび専用シュートによる中心部コークス装入を行なう際のコークス堆積形状を示す概略図。

符号の説明

１旋回シュート
２中心部コークス装入専用シュート
３炉頂バンカー（並列＋オフセンター型）
４炉頂バンカー（垂直型）
５旋回シュートからのコークス落下軌跡
６専用シュートからのコークス落下軌跡
７旋回シュートによる装入で形成されたコークス堆積形状
８専用シュートによる装入で形成されたコークス堆積形状
１０シュート
１１反発板
１２分級装置

Claims

高炉に原料を装入するために炉頂部に設置する装置であって、中心軸に対して偏芯した位置に排出口を有する炉頂バンカーと、該炉頂バンカーから排出された原料を高炉内に装入する旋回シュートと、炉軸近傍領域にコークスを装入するための中心コークス専用シュートとを有することを特徴とする高炉原料装入装置。
３基以上の炉頂バンカーを有することを特徴とする請求項１に記載の高炉原料装入装置。
炉頂バンカーに対して、その排出口上方から原料を装入するためのガイド手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉原料装入装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載された高炉原料装入装置を用いて原料を装入するに際し、炉頂バンカーから高炉内に装入される装入物の粒径が、排出の初期に細粒が多く、排出の後期に粗粒が多くなるように原料を装入することを特徴とする高炉原料装入方法。