JP6747232B2 - 高炉の原料混合比率推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉に複数種の原料を混合して装入する際に、混合原料の混合比率を推定する方法に関する。

一般に、銑鉄の製造における高炉には、炉頂から装入物として、鉱石及びコークス等が順次装入されて堆積し、炉内に鉱石層およびコークス層が形成される。そして、高炉下方にある羽口から吹き込まれる熱風とコークスとの反応によって生じるＣＯガスにより、鉱石は加熱、還元され、一部はコークスにより直接的に還元されて、軟化融着帯を形成した後、溶滴、すなわち溶銑となる。

ここに、鉱石は鉄原料の総称である。日本の高炉操業においては、例えば焼結鉱８５％、塊鉱石１０％、ペレット５％で構成される。さらにこの鉱石には、種々の目的により、多種の銘柄が混合される。ここでは、これを混合原料と言う。混合原料は炉内に装入され、鉱石層が形成される（特許文献１）。

鉱石に添加する原料は、その鉱石の主体となる焼結鉱に対して密度や粒子径が異なる。このため、鉱石層に均一に分散せず偏析が生じる。例えば焼結鉱の還元を促進するための小塊コークスの密度は、鉱石の約１／３である。したがって、鉱石と小塊コークスを高炉に搬送する際には、その搬送途中にあるホッパーへの装入時及び排出時に偏析する。これにより高炉に装入する際には特定の時間帯に装入量が偏ったりしてしまう。

特許文献２には、ホッパーから排出される混合原料中の各原料の重量混合度（鉱石と小塊コークスの混合比率）を計測する方法が開示されている。すなわち、この方法では、炉頂ホッパーに設けたロードセルの出力値に基づいて混合原料の総重量を計測し、さらに炉頂ホッパーの排出口に取り付けたコイルセンサーの出力値に基づいて混合原料中の焼結鉱とコークスの各々の重量値を計測して、原料の混合度を推定している。

特許第２８０８３４３号公報 特開２００７−２０４７９１号公報

しかしながら、特許文献２に開示された方法を用いた場合、原料の混合度を推定するにあたり、ロードセルとコイルセンサーの２つの計測手段が必要となる。このため、設備コストやメンテナンスコストがかかり、さらに混合度の推定が煩雑になる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高炉に複数種の原料を混合して装入する際において、混合原料の混合比率を簡易に推定する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、前記の目的を達成するため、ホッパーからの種々の混合粒状体の排出挙動を調査したところ、高炉法（原料装入方法）で採用される原料、その原料の混合比率（配合率）の範囲においては、ホッパーから排出される混合原料の体積流量速度は、鉱石に混合される混合物の種類、その混合比率によらず概ね一定と見做せることを知見した。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、高炉に複数種の原料を混合して装入する際において、混合原料の混合比率を推定する方法であって、前記混合原料は、母相原料と一種の添加原料からなり、ホッパーから排出される前記混合原料の体積流量速度を決定する第１の工程と、前記ホッパーから前記混合原料を連続的に排出する際、当該ホッパーの重量を測定する第２の工程と、前記第２の工程で測定された前記ホッパーの重量に基づいて、所定時刻における前記混合原料の質量流量速度を求める第３の工程と、前記第１の工程で決定した前記混合原料の体積流量速度を一定とし、前記第３の工程で求めた前記混合原料の質量流量速度に基づいて、前記添加原料の混合比率を推定する第４の工程と、を有し、前記第４の工程は、所定時刻ｔにおける前記母相原料と前記添加原料の質量流量速度Ｗ _Ａ,ｔ 、Ｗ _Ｂ,ｔ をそれぞれ下記式（１）、（２）により算出し、前記添加原料の混合比率Ｍ _ｔ を下記式（３）で推定する工程であることを特徴としている。
Ｗ _Ａ,ｔ ＝（ρ _Ａ ρ _Ｂ Ｖ−ρ _Ａ Ｗ _ｔ ）／（ρ _Ｂ −ρ _Ａ ） ・・・・（１）
Ｗ _Ｂ,ｔ ＝Ｗ _ｔ −Ｗ _Ａ,ｔ ・・・・（２）
Ｍ _ｔ ＝Ｗ _Ｂ,ｔ ／Ｗ _ｔ ・・・・（３）
但し、Ｗ _Ａ,ｔ ：所定時刻ｔにおける母相原料の質量流量速度、Ｗ _Ｂ,ｔ ：所定時刻ｔにおける添加原料の質量流量速度、Ｗ _ｔ ：所定時刻ｔにおける混合原料の質量流量速度、ρ _Ａ ：母相原料の嵩密度、ρ _Ｂ ：添加原料の嵩密度、Ｖ：混合原料の体積流量速度、Ｍ _ｔ ：混合比率
別の観点による本発明は、高炉に複数種の原料を混合して装入する際において、混合原料の混合比率を推定する方法であって、前記混合原料は、母相原料と複数種の添加原料からなり、ホッパーから排出される前記混合原料の体積流量速度を決定する第１の工程と、前記ホッパーから前記混合原料を連続的に排出する際、当該ホッパーの重量を測定する第２の工程と、前記第２の工程で測定された前記ホッパーの重量に基づいて、所定時刻における前記混合原料の質量流量速度を求める第３の工程と、前記第１の工程で決定した前記混合原料の体積流量速度を一定とし、前記第３の工程で求めた前記混合原料の質量流量速度に基づいて、前記添加原料の混合比率を推定する第４の工程と、を有し、前記第４の工程は、前記複数種の添加原料のうち、前記母相原料の嵩密度から最も離れた嵩密度を有する一の添加原料の質量流量速度Ｗ _Ｂ,ｔ を下記式（２）により算出すると共に、前記母相原料と、前記複数種の添加原料のうち前記一の添加原料以外の他の添加原料と、を混合した状態の原料の質量流量速度Ｗ _Ａ,ｔ を下記式（１）により算出する第５の工程と、前記一の添加原料の混合比率Ｍ _ｔ を下記式（３）で推定する第６の工程を有することを特徴としている。
Ｗ _Ａ,ｔ ＝（ρ _Ａ ρ _Ｂ Ｖ−ρ _Ａ Ｗ _ｔ ）／（ρ _Ｂ −ρ _Ａ ） ・・・・（１）
Ｗ _Ｂ,ｔ ＝Ｗ _ｔ −Ｗ _Ａ,ｔ ・・・・（２）
Ｍ _ｔ ＝Ｗ _Ｂ,ｔ ／Ｗ _ｔ ・・・・（３）
但し、Ｗ _Ａ,ｔ ：所定時刻ｔにおける母相原料と他の添加原料とを混合した状態の原料の質量流量速度、Ｗ _Ｂ,ｔ ：所定時刻ｔにおける一の添加原料の質量流量速度、Ｗ _ｔ ：所定時刻ｔにおける混合原料の質量流量速度、ρ _Ａ ：母相原料と他の添加原料とを混合した状態の原料の嵩密度、ρ _Ｂ ：一の添加原料の嵩密度、Ｖ：混合原料の体積流量速度、Ｍ _ｔ ：混合比率
前記別の観点による本発明において、前記第４の工程は、前記他の添加原料のうち、前記母相原料の嵩密度から離れた嵩密度を有する順に、前記他の添加原料の質量流量速度を算出する第７の工程をさらに有し、前記第６の工程において前記他の添加原料の混合比率を推定してもよい。

前記母相原料は焼結鉱、あるいは、鉱石であってもよい。

また、前記第２の工程における前記ホッパーの重量の測定は、当該ホッパーに設けられたロードセルを用いて行われてもよい。

本発明によれば、第１の工程〜第４の工程を行うことによって、混合原料の混合比率（添加原料の混合比率）を適切に推定することができる。しかも、この混合比率の推定にあたり、実際に測定が必要となるものはホッパーの重量のみであり、従来のように２つの重量測定手段、特にコイルセンサーは不要となる。したがって、混合比率の推定を簡易に行うことができる。

本実施の形態で用いられる原料装入装置の構成の概略を模式的に示す説明図である。 ホッパーから排出される原料の挙動のシミュレーション結果を示し、（ａ）は混合原料の体積流量速度の経時変化を示し、（ｂ）は焼結鉱の質量流量速度の経時変化を示し、（ｃ）は小塊コークスの質量流量速度の経時変化を示している。 第１の実施の形態にかかる高炉の原料混合比率推定方法の工程の例を示すフローチャートである。 第２の実施の形態にかかる高炉の原料混合比率推定方法の工程の例を示すフローチャートである。 実施例１について実施例における混合原料の質量流量速度の経時変化を示す。 実施例１について実施例における小塊コークスの質量流量速度の経時変化を示す。 実施例１について比較例における小塊コークスの質量流量速度の経時変化を示す。 実施例２において小塊コークスの混合比率の実績値及び推定値の経時変化を示す。 実施例２において硅石の混合比率の実績値及び推定値の経時変化を示す。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．原料装入装置＞
先ず、本実施の形態で用いられる原料装入装置について説明する。図１は、ベルレス式の原料装入装置の構成の概略を模式的に示す説明図である。以下、並列ホッパー方式の原料装入装置で説明するが、本発明は垂直型など、その他の原料装入装置へ適用できる。

原料装入装置１０は、並列ホッパー方式の原料装入装置であり、高炉２０に原料を装入する。原料装入装置１０は、複数、例えば２つの炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂ、集合シュート１２、垂直シュート１３、及び旋回シュート１４を有している。炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂ、集合シュート１２、垂直シュート１３、旋回シュート１４は、上方から下方に向けてこの順で配置されている。

炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂは、並列に対向配置され、且つ各炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂの排出口が垂直シュート１３の中心軸から偏心して配置されている。各炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂの排出口には、原料の流量を調整する流量調整ゲート１５ａ、１５ｂが設けられている。炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂには、当該炉頂ホッパー１１の重量を測定するロードセル１６ａ、１６ｂが設けられている。なお、炉頂ホッパー１１の重量を測定する荷重測定器は、ロードセル１６に限定されず、他の荷重測定器を任意に用いることができる。各炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂには、装入１回分の原料Ｒが一時的に保管される。一方の炉頂ホッパー１１ａ内の原料Ｒを炉内に装入する間に、もう一方の炉頂ホッパー１１ｂに原料Ｒを受け入れる。これを交互に繰り返すことで、原料Ｒの受け入れ、装入にかかる時間を短縮している。

なお、炉頂ホッパー１１ａの原料Ｒは、例えば高炉２０内で鉱石層を形成するための混合材料である。本実施の形態では混合材料として、母相材料である鉱石と、当該母相材料に添加される添加材料である小塊コークスとが混合された材料を用いる例について説明する。また、炉頂ホッパー１１ｂの原料Ｒは、例えば高炉２０内でコークス層を形成するためのコークスである。

集合シュート１２は、炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂから排出された原料Ｒを集めて垂直シュート１３に流す。

垂直シュート１３は略円筒形状を有し、集合シュート１２の下面に接続されて、当該集合シュート１２から排出された原料Ｒを旋回シュート１４に流す。

旋回シュート１４は、垂直シュート１３から排出された原料Ｒを受け、その先端から高炉２０内に原料Ｒを装入する。旋回シュート１４は、図示しない駆動機構によって、垂直シュート１３を中心に高炉２０の円周方向に回転自在に構成されている。また旋回シュート１４は、垂直シュート１３を中心に上下方向に傾動（回動）自在に構成されており、旋回シュート１４の回転半径を任意に変更できる。

そして、原料装入装置１０では、炉頂ホッパー１１ａ、１１ｂ内の原料Ｒが、流量調整ゲート１５ａ、１５ｂで流量調整されて、集合シュート１２に排出される。原料Ｒは、集合シュート１２、垂直シュート１３を経て旋回シュート１４上に落下し、当該旋回シュート１４の先端から高炉２０内に装入される。

なお、以下の説明においては、上述した炉頂ホッパー１１を単にホッパーという場合がある。

＜２．ホッパーからの混合原料の挙動＞
本発明にかかる高炉の原料混合比率推定方法は、ホッパーから排出される混合原料の体積流量速度を一定と見做すことができるという新たな知見に基づくものである。かかる知見を得るにあたり、本発明者は以下のシミュレーションを行い、ホッパーからの原料の挙動を調査した。

シミュレーションは、密度が異なる２種類の原料、すなわち焼結鉱と小塊コークスをホッパー内で混合し、さらにこの混合原料をホッパーから排出するという条件において、離散要素法（ＤＥＭ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて行った。また、このシミュレーションの計算条件として、焼結鉱の平均粒子径を２５ｍｍ、焼結鉱の重量を２８ｔｏｎとし、小塊コークスの平均粒子径を３５ｍｍ、小塊コークスの重量を１．８ｔｏｎとした。

シミュレーション結果を図２に示す。図２（ａ）は、ホッパーから排出される混合原料の体積流量速度の経時変化を示し、図２（ｂ）は、ホッパーから排出される焼結鉱の質量流量速度の経時変化を示し、図２（ｃ）は、ホッパーから排出される小塊コークスの質量流量速度の経時変化を示している。図２（ａ）〜（ｃ）において横軸は経過時間を示し、ホッパーからの原料排出開始時間を“０”とし、原料排出完了時間を“１”として無次元化している。

図２を参照すると、混合原料の体積流量速度は時間が経過してもほぼ一定であることが確認でき、新たな知見を得るに至った。

なお、三輪茂雄著「粉体流体工学（１９７２年）」のＰ．２１２−２１３には、下記式（４）で定義される粉体（以下、混合原料に置き換えて説明する）の質量流量速度Ｗが一定であることが記載されている。

但し、Ｗ：混合原料の質量流量速度、ρ：混合原料の嵩密度、Ｄ_ｐ：混合原料の粒子径、ｆ：摩擦係数、φ：ホッパーの開き角度、Ｄ_０：ホッパーの排出口の径

ここで、混合原料の体積流量速度Ｖは、下記式（５）で表される。そうすると、上述した混合原料の体積流量速度Ｖが一定であるという新たな知見は、換言すれば、混合原料の嵩密度ρが一定であるともいえる。すなわち、ホッパー内で複数種の原料が流動していても、ホッパーから排出される際の混合原料の嵩密度ρは一定と見做すことができる。
Ｖ＝Ｗ／ρ ・・・・（５）
但し、Ｖ：混合原料の体積流量速度、Ｗ：混合原料の質量流量速度、ρ：混合原料の嵩密度

一方、従来、原料の質量流量速度Ｗは一定であると考えられていたが、例えば本発明のように複数種の原料を混合する場合、その混合原料の嵩密度ρが一定として扱えることは全く想定されていなかった。したがって、混合原料の体積流量速度Ｖが一定であることは従来にはない、極めて新しい知見なのである。

翻ってみても、上記式（４）は単一原料を想定した式であり、複数種の原料が混合された混合原料を想定していなかった。かかる観点からも、混合原料の体積流量速度Ｖが一定であるという知見は新しいものであると言える。

＜３．第１の実施の形態にかかる高炉の原料混合比率推定方法＞
次に、上述した知見に基づいてなされた、第１の実施の形態にかかる高炉の原料混合比率推定方法について説明する。図３は、かかる高炉の原料混合比率推定方法の工程の例を示すフローチャートである。

（ステップＳ１）
先ず、ホッパーから排出される混合原料の体積流量速度を決定する。この混合原料の体積流量速度は種々の方法で決定でき、例えば実測値を用いて決定してもよいし、理論式を用いて決定してもよいし、混合原料の排出時間を用いて推定してもよい。

理論式を用いる場合、例えば下記式（６）を用いて混合原料の体積流量速度Ｖを決定する。この式（６）は、上述したように式（４）において混合原料の嵩密度ρを一定と見做せるため、当該式（４）を嵩密度ρで除することにより導出される。なお、混合原料の粒子径Ｄ_ｐは、当該バッチの混合原料をホッパーに投入する前にサンプリングし、その粒度を篩で測定することにより決定できる。摩擦係数ｆは、混合原料の安息角を測定することで推定できる。

但し、Ｗ：混合原料の質量流量速度、ρ：混合原料の嵩密度、Ｄ_ｐ：混合原料の粒子径、ｆ：摩擦係数、φ：ホッパーの開き角度、Ｄ_０：ホッパーの排出口の径

また、混合原料の排出時間を用いる場合、例えば式（７）を用いて混合原料の体積流量速度Ｖを決定する。具体的には、ホッパーに投入した混合原料の重量Ｑと全量排出に要した時間θを求め、式（７）から混合原料の体積流量速度Ｖを決定する。なお、排出時間θはゲート開度が同一条件であれば、当該バッチの排出時間に代えて、前バッチにおける混合原料の排出時間を用いてもよい。
Ｖ＝Ｑ／ρθ ・・・・（７）

（ステップＳ２）
次に、ホッパーに設けられたロードセルにより、内容物である混合原料を含むホッパーの重量Ｑ_ｈを連続的に測定する。

（ステップＳ３）
次に、ステップＳ２で測定されたホッパーの重量Ｑ_ｈに基づいて、所定時刻ｔにおけるホッパーの重量Ｑ_ｈの変化量ｄＱ_ｈ／ｄｔを求める。このｄＱ_ｈ／ｄｔを、所定時刻ｔにおける混合原料の質量流量速度Ｗ_ｔとする。

（ステップＳ４）
このとき、下記（８）、（９）の関係式が成立する。式中の添え字Ａ、Ｂは粒子銘柄であり、Ａは母相原料である鉱石を示し、Ｂは添加原料である小塊コークスを示している。
Ｗ_ｔ＝Ｗ_Ａ,ｔ＋Ｗ_Ｂ,ｔ ・・・・（８）
Ｖ＝Ｗ_Ａ,ｔ／ρ_Ａ＋Ｗ_Ｂ,ｔ／ρ_Ｂ ・・・・（９）
但し、Ｗ_ｔ：所定時刻ｔにおける混合原料の質量流量速度、Ｗ_Ａ,ｔ：所定時刻ｔにおける鉱石の質量流量速度、Ｗ_Ｂ,ｔ：所定時刻ｔにおける小塊コークスの質量流量速度、Ｖ：混合原料の体積流量速度、ρ_Ａ：鉱石の嵩密度、ρ_Ｂ：小塊コークスの嵩密度

上記式（８）、（９）を解くことにより、下記式（１）、（２）が求まる。そして、ステップＳ１で決定した混合原料の体積流量速度Ｖを一定とし、ステップＳ３で算出した混合原料の質量流量速度Ｗ_ｔに基づいて、鉱石の質量流量速度Ｗ_Ａ,ｔと小塊コークスの質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔを算出する。
Ｗ_Ａ,ｔ＝（ρ_Ａρ_ＢＶ−ρ_ＡＷ_ｔ）／（ρ_Ｂ−ρ_Ａ） ・・・・（１）
Ｗ_Ｂ,ｔ＝Ｗ_ｔ−Ｗ_Ａ,ｔ ・・・・（２）

（ステップＳ５）
次に、ステップＳ３で算出した混合原料の質量流量速度Ｗ_ｔと、ステップＳ４で算出した小塊コークスの質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔとに基づき、下記式（３）を用いて、混合原料における添加原料の混合比率Ｍ_ｔを推定する。
Ｍ_ｔ＝Ｗ_Ｂ,ｔ／Ｗ_ｔ ・・・・（３）

以上の実施の形態によれば、ステップＳ１〜Ｓ５を行うことによって、混合原料における小塊コークスの混合比率を適切に推定することができる。しかも、この混合比率の推定にあたり、実際に測定が必要となるものはロードセルによるホッパーの重量のみであり、従来のように２つの重量測定手段、特にコイルセンサーは不要となる。したがって、混合比率の推定を簡易に行うことができる。

そして、このように適切に推定された混合比率は、高炉の原料装入工程において、次のように活用することができる。

例えば原料装入装置には、炉頂ホッパーへ混合原料を投入する際、その混合原料の偏析を調整する偏析調整装置が設けられる。そこで、本発明の方法で推定される混合比率の経時的変化が均一になるように、偏析調整装置を制御することができる。

また、例えば本発明の方法で推定される混合比率に基づいて、混合原料を高炉内に装入する際に、旋回シュートの角度を適宜制御する。そうすると、高炉内において、炉半径方向で小塊コークスの消耗が大きい位置に、小塊コークスの混合比率が高い混合原料を装入することができる。

なお、以上の実施の形態では、母相原料が鉱石であり、添加原料が小塊コークスである場合について説明したが、母相原料と添加原料はこれに限定されない。本実施の形態は、母相原料として、種々の比率で構成される焼結鉱、塊鉱石、ペレットの混合物に適用できる。また本実施の形態は、添加原料として、フェロコークス、含炭塊成鉱、還元鉄粉、スクラップ成鉱等の高炉用原料や、石灰石、蛇紋岩、橄欖岩、硅石等の副原料を用いた場合にも適用することができる。すなわち、添加原料の粒子が、母相原料の粒子と密度差があれば、本実施の形態を適用して添加原料の混合比率を推定することができる。

＜４．第２の実施の形態にかかる原料混合比率推定方法＞
次に、第２の実施の形態にかかる２種類以上の添加原料がある場合の原料混合比率推定方法について説明する。図４は、かかる高炉の原料混合比率推定方法の工程の例を示すフローチャートである。本実施の形態では、母相原料Ａ（鉱石）、添加原料Ｂ（小塊コークス）、添加原料Ｃ（硅石）とし、各原料Ａ、Ｂ、Ｃの嵩密度はρ_Ａ＞ρ_Ｃ＞ρ_Ｂとする。なお、添加原料Ｃは硅石でなくてもよい。

（ステップＳ１〜Ｓ３）
第２の実施の形態におけるステップＳ１〜Ｓ３は、それぞれ上述した第１の実施の形態におけるステップＳ１〜Ｓ３と同様であるので、説明を省略する。

（ステップＳ４’）
母相原料Ａと嵩密度が近い添加原料Ｃを混合した状態を、１つの混合粒子と考え、上記式（８）、（９）を下記式（８’）、（９’）とする。
Ｗ_ｔ＝Ｗ_ＡＣ,ｔ＋Ｗ_Ｂ,ｔ ・・・・（８’）
Ｖ＝Ｗ_ＡＣ,ｔ／ρ_ＡＣ＋Ｗ_Ｂ,ｔ／ρ_Ｂ ・・・・（９’）
但し、Ｗ_ＡＣ,ｔ：所定時刻ｔにおける鉱石と硅石を混合した状態の質量流量速度、ρ_ＡＣ：鉱石と硅石を混合した状態の嵩密度

上記式（８’）、（９’）を解くことにより、下記式（１’）、（２’）が求まる。そして、ステップＳ１で決定した混合原料の体積流量速度Ｖを一定とし、ステップＳ３で算出した混合原料の質量流量速度Ｗ_ｔに基づいて、鉱石及び硅石の質量流量速度Ｗ_ＡＣ,ｔと小塊コークスの質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔを算出する。
Ｗ_ＡＣ,ｔ＝（ρ_ＡＣρ_ＢＶ−ρ_ＡＣＷ_ｔ）／（ρ_Ｂ−ρ_ＡＣ） ・・・・（１’）
Ｗ_Ｂ,ｔ＝Ｗ_ｔ−Ｗ_ＡＣ,ｔ ・・・・（２’）

（ステップＳ５’）
次に、ステップＳ４’で算出した小塊コークスの質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔを用いて、所定時刻ｔにおける鉱石及び硅石の体積流量速度Ｖ_ＡＣ,ｔを、下記式（１０）を用いて算出する。
Ｖ_ＡＣ,ｔ＝Ｖ−Ｗ_Ｂ,ｔ／ρ_Ｂ （１０）

（ステップＳ６’）
次に、Ｗ_ＡＣ,ｔから母相原料Ａと添加原料Ｃの質量流量速度をそれぞれ分離し、求める。式（８’）、（９’）は、式（８’’）、（９’’）に変更される。
Ｗ_ＡＣ,ｔ＝Ｗ_Ａ,ｔ＋Ｗ_Ｃ,ｔ ・・・・（８’’）
Ｖ_ＡＣ,ｔ＝Ｗ_Ａ,ｔ／ρ_Ａ＋Ｗ_Ｃ,ｔ／ρ_Ｃ ・・・・（９’’）
但し、Ｗ_Ｃ,ｔ：所定時刻ｔにおける硅石の質量流量速度

上記式（８’’）、（９’’）を解くことにより、下記式（１’’）、（２’’）が求まり、これらの式から、鉱石の質量流量速度Ｗ_Ａ,ｔと硅石の質量流量速度Ｗ_Ｃ,ｔを求める。
Ｗ_Ａ,ｔ＝（ρ_Ａρ_ＣＶ_ＡＣ,ｔ−ρ_ＡＷ_ＡＣ,ｔ）／（ρ_Ｃ−ρ_Ａ） ・・・・（１’’）
Ｗ_Ｃ,ｔ＝Ｗ_ＡＣ,ｔ−Ｗ_Ａ,ｔ ・・・・（２’’）

（ステップＳ７’）
次に、ステップＳ３で算出した混合原料の質量流量速度Ｗ_ｔと、ステップＳ４’で算出した小塊コークスの質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔと、ステップＳ６’で算出した硅石の質量流量速度Ｗ_Ｃ,ｔに基づき、下記式（３’）、（３’’）を用いて、混合原料における添加原料Ｂ、Ｃの混合比率Ｍ_Ｂ,ｔ、Ｍ_Ｃ,ｔを推定する。
Ｍ_Ｂ,ｔ＝Ｗ_Ｂ,ｔ／Ｗ_ｔ ・・・・（３’）
Ｍ_Ｃ,ｔ＝Ｗ_Ｃ,ｔ／Ｗ_ｔ ・・・・（３’’）

以上の実施の形態によれば、ステップＳ１〜Ｓ７’を行うことによって、複数銘柄の混合原料における添加原料の混合比率を適切に推定することができる。

なお、以上の実施の形態では、母相原料Ａが鉱石であり、添加原料Ｂが小塊コークス、添加原料Ｃが硅石である場合について説明したが、母相原料と添加原料はこれに限定されない。本実施の形態は、母相原料として、種々の比率で構成される焼結鉱、塊鉱石、ペレットの混合物に適用できる。また本実施の形態は、添加原料として、フェロコークス、含炭塊成鉱、還元鉄粉、スクラップ成鉱等の高炉用原料や、石灰石、蛇紋岩、橄欖岩等の副原料を用いた場合にも適用することができる。すなわち、添加原料の粒子が、母相原料の粒子と密度差があれば、本実施の形態を適用して添加原料の混合比率を推定することができ、複数種の添加原料がある場合には、母相原料との密度差が大きいものから順番に質量流量速度を求めていけばよい。

例えば添加原料がＢ、Ｃ、Ｄの３種類の場合であって、嵩密度がρ_Ａ＞ρ_Ｄ＞ρ_Ｃ＞ρ_Ｂの場合、添加原料Ｂ、Ｃ、Ｄのうち、母相原料Ａと嵩密度が近い添加原料Ｃ、Ｄを混合した状態を１つの混合粒子と考えて、ステップＳ４’〜Ｓ６’を行い、添加原料Ｂの質量流量速度と、添加原料Ｃ、Ｄを混合した状態の質量流量速度を算出する。その後、添加原料Ｃ、Ｄのうち、母相原料Ａと嵩密度が近い添加原料Ｄを混合した状態を１つの混合粒子と考えて、さらにステップＳ４’〜Ｓ６’を行い、添加原料Ｃの質量流量速度と添加原料Ｄの質量流量速度を算出する。そして、ステップＳ７’において、混合原料における添加原料Ｂ、Ｃ、Ｄの混合比率を推定する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以上の実施の形態では、本発明を炉頂ホッパーに適用した場合について説明したが、他のすべてのホッパー（例えばサージホッパー等）に適用することができる。

以下、実施例と比較例に基づいて本発明（第１の実施の形態）の効果について説明する。具体的には、上述した式（３）で推定される添加原料の混合比率Ｍ_ｔの基となる、式（２）で算出される小塊コークスの質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔの検証を行う。

実施例においては、実炉（高炉）にて、鉱石８０ｔｏｎと小塊コークス１．９ｔｏｎを搬送し、混合原料排出時の炉頂ホッパーの重量Ｑ_ｈをロードセルにより連続的に測定した。そして、所定時刻における炉頂ホッパーの重量変化量ｄＱ_ｈ／ｄｔ、すなわち所定時刻における混合原料の質量流量速度Ｗ_ｔを求めた。このように求められた混合原料の質量流量速度Ｗ_ｔを図５に示す。

また実施例において、炉頂ホッパーから排出される混合原料の体積流量速度Ｖは、上述した式（６）を用いて求めた。式（６）では、混合原料の粒子径Ｄ_ｐを１８ｍｍとし、摩擦係数ｆを０．４とし、炉頂ホッパーの開き角度φを４５度とし、ホッパーの排出口の径Ｄ_０を６５５ｍｍとした。そうすると、混合原料の体積流量速度Ｖは０．７１ｍ^３／ｓと求まった。

そして、これら混合原料の質量流量速度Ｗ_ｔと混合原料の体積流量速度Ｖに基づき、上述した式（２）を用いて小塊コークスの質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔを算出した。この際、鉱石の嵩密度ρ_Ａを１．８ｔｏｎ／ｍ^３とし、小塊コークスの嵩密度ρ_Ｂを０．５ｔｏｎ／ｍ^３とした。その結果、小塊コークスの質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔが図６に示すように求まった。

一方、比較例においては、実炉（高炉）の相似形となる１／５縮尺の試験装置を用いて実験を行った。炉頂ホッパーから排出される混合原料を所定のサンプリング装置で回収し、各時間帯の小塊コークスの重量を測定した。その結果、当該小塊コークスの質量流量速度は図７に示すように求まった。

実施例の図６と比較例の図７を比較すると、小塊コークスの質量流量速度の経時変化の傾向は非常に良い対応関係にある。したがって、本発明で算出される小塊コークスの質量流量速度は、その精度が極めて高いことが分かった。そして、当該小塊コークスの質量流量速度に基づいて推定される添加原料の混合比率も、その精度が極めて高いことが分かった。

以下、本発明（第２の実施の形態）の効果について説明する。具体的には、母相原料Ａ（鉱石）に対して、複数種の添加原料Ｂ（小塊コークス）、添加原料Ｃ（硅石）を混合した時の質量流量速度Ｗ_Ｂ,ｔとＷ_Ｃ,ｔ（混合比率Ｍ_Ｂ,ｔとＭ_Ｃ,ｔ）の検証を、離散要素法（ＤＥＭ）を用いて行った。本検証においては、焼結鉱の平均粒子径を２５ｍｍ、焼結鉱の重量を２８ｔｏｎとし、小塊コークスの平均粒子径を３５ｍｍ、小塊コークスの重量を１．８ｔｏｎ、硅石の平均粒子径を３０ｍｍ、硅石の重量を３．０ｔｏｎとした。混合した全粒子をホッパーに装入し、その後、ホッパーから排出し、排出された粒子の銘柄と重量を調査した。

小塊コークスと硅石の混合比率の経時変化をＤＥＭによりシミュレーションした結果（実績値）と、式（３’）、（３’’）による推定値を図８、９に示す。この際、焼結鉱の嵩密度ρ_Ａを１．８ｔｏｎ／ｍ^３とし、小塊コークスの嵩密度ρ_Ｂを０．５ｔｏｎ／ｍ^３、硅石の嵩密度ρ_Ｃを１．１５ｔｏｎ／ｍ^３とした。さらに、焼結鉱と硅石が混合状態にあるときの嵩密度ρ_ＡＣを１．７ｔｏｎ／ｍ^３とした。

図８と図９を確認すると、小塊コークス、硅石の混合比率の時間変化の傾向は、ＤＥＭでシミュレートした実績値と、式（３’）、（３’’）による推定値で非常に良い対応関係にある。したがって、本発明で算出される複数の銘柄を添加原料とした場合においても、添加原料の質量流量速度は、その精度が極めて高いことが分かった。

本発明は、高炉に複数種の原料を混合して装入する場合において、混合原料の混合比率を推定する際に有用である。

１０ 原料装入装置
１１ａ、１１ｂ 炉頂ホッパー
１２ 集合シュート
１３ 垂直シュート
１４ 旋回シュート
１５ａ、１５ｂ 流量調整ゲート
１６ａ、１６ｂ ロードセル
２０ 高炉

Claims (5)

1. 高炉に複数種の原料を混合して装入する際において、混合原料の混合比率を推定する方法であって、
   前記混合原料は、母相原料と一種の添加原料からなり、
   ホッパーから排出される前記混合原料の体積流量速度を決定する第１の工程と、
   前記ホッパーから前記混合原料を連続的に排出する際、当該ホッパーの重量を測定する第２の工程と、
   前記第２の工程で測定された前記ホッパーの重量に基づいて、所定時刻における前記混合原料の質量流量速度を求める第３の工程と、
   前記第１の工程で決定した前記混合原料の体積流量速度を一定とし、前記第３の工程で求めた前記混合原料の質量流量速度に基づいて、前記添加原料の混合比率を推定する第４の工程と、を有し、
   前記第４の工程は、所定時刻ｔにおける前記母相原料と前記添加原料の質量流量速度Ｗ _Ａ,ｔ 、Ｗ _Ｂ,ｔ をそれぞれ下記式（１）、（２）により算出し、前記添加原料の混合比率Ｍ _ｔ を下記式（３）で推定する工程であることを特徴とする、高炉の原料混合比率推定方法。
   Ｗ _Ａ,ｔ ＝（ρ _Ａ ρ _Ｂ Ｖ−ρ _Ａ Ｗ _ｔ ）／（ρ _Ｂ −ρ _Ａ ） ・・・・（１）
   Ｗ _Ｂ,ｔ ＝Ｗ _ｔ −Ｗ _Ａ,ｔ ・・・・（２）
   Ｍ _ｔ ＝Ｗ _Ｂ,ｔ ／Ｗ _ｔ ・・・・（３）
   但し、Ｗ _Ａ,ｔ ：所定時刻ｔにおける母相原料の質量流量速度、Ｗ _Ｂ,ｔ ：所定時刻ｔにおける添加原料の質量流量速度、Ｗ _ｔ ：所定時刻ｔにおける混合原料の質量流量速度、ρ _Ａ ：母相原料の嵩密度、ρ _Ｂ ：添加原料の嵩密度、Ｖ：混合原料の体積流量速度、Ｍ _ｔ ：混合比率
2. 高炉に複数種の原料を混合して装入する際において、混合原料の混合比率を推定する方法であって、
   前記混合原料は、母相原料と複数種の添加原料からなり、
   ホッパーから排出される前記混合原料の体積流量速度を決定する第１の工程と、
   前記ホッパーから前記混合原料を連続的に排出する際、当該ホッパーの重量を測定する第２の工程と、
   前記第２の工程で測定された前記ホッパーの重量に基づいて、所定時刻における前記混合原料の質量流量速度を求める第３の工程と、
   前記第１の工程で決定した前記混合原料の体積流量速度を一定とし、前記第３の工程で求めた前記混合原料の質量流量速度に基づいて、前記添加原料の混合比率を推定する第４の工程と、を有し、
   前記第４の工程は、
   前記複数種の添加原料のうち、前記母相原料の嵩密度から最も離れた嵩密度を有する一の添加原料の質量流量速度Ｗ _Ｂ,ｔ を下記式（２）により算出すると共に、前記母相原料と、前記複数種の添加原料のうち前記一の添加原料以外の他の添加原料と、を混合した状態の原料の質量流量速度Ｗ _Ａ,ｔ を下記式（１）により算出する第５の工程と、
   前記一の添加原料の混合比率Ｍ _ｔ を下記式（３）で推定する第６の工程を有することを特徴とする、高炉の原料混合比率推定方法。
   Ｗ _Ａ,ｔ ＝（ρ _Ａ ρ _Ｂ Ｖ−ρ _Ａ Ｗ _ｔ ）／（ρ _Ｂ −ρ _Ａ ） ・・・・（１）
   Ｗ _Ｂ,ｔ ＝Ｗ _ｔ −Ｗ _Ａ,ｔ ・・・・（２）
   Ｍ _ｔ ＝Ｗ _Ｂ,ｔ ／Ｗ _ｔ ・・・・（３）
   但し、Ｗ _Ａ,ｔ ：所定時刻ｔにおける母相原料と他の添加原料とを混合した状態の原料の質量流量速度、Ｗ _Ｂ,ｔ ：所定時刻ｔにおける一の添加原料の質量流量速度、Ｗ _ｔ ：所定時刻ｔにおける混合原料の質量流量速度、ρ _Ａ ：母相原料と他の添加原料とを混合した状態の原料の嵩密度、ρ _Ｂ ：一の添加原料の嵩密度、Ｖ：混合原料の体積流量速度、Ｍ _ｔ ：混合比率
3. 前記第４の工程は、前記他の添加原料のうち、前記母相原料の嵩密度から離れた嵩密度を有する順に、前記他の添加原料の質量流量速度を算出する第７の工程をさらに有し、
   前記第６の工程において前記他の添加原料の混合比率を推定することを特徴とする、請求項２に記載の高炉の原料混合比率推定方法。
4. 前記母相原料は焼結鉱、あるいは、鉱石であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の高炉の原料混合比率推定方法。
5. 前記第２の工程における前記ホッパーの重量の測定は、当該ホッパーに設けられたロードセルを用いて行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の高炉の原料混合比率推定方法。