JPS6116405B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高炉炉内に装入された装入物の炉内
における半径方向の装入物の層厚分布を推定する
方法に関するもので、詳しくは鉱石装入時に炉内
上層に堆積しているコークス層の一部が崩れるこ
とによつて生ずるコークス層厚分布の変化を知る
方法に関するものである。

（従来の技術） 高炉操業において、炉内のガス流分布は装入物
の還元効率向上や通気性改善の面から常に望まし
いパターンになるように調整する努力がなされて
いる。ガス流分布は、炉内での装入物の粉化や溶
融状況によつても変動するが、主に炉頂部の装入
物分布形状によつて支配される。

このため従来から、炉頂部の装入物分布形状を
望ましい形に調整すべく種々の方策がとられてき
た。その方策を大別すると、一つは装入物分布形
状を人為的に変更する手段の導入であり、もう一
つは装入物分布を精度よく検知する計測機器の導
入である。

前者の方策は、ムーバブルアーマーと呼ばれる
可動式反発板やベルレス装入装置で代表される旋
回シユート装入装置の導入があげられ、後者の方
策は、重錘式多点サウンジングメーターやマイク
ロ波、レーザー光を利用した非接触式プロフイル
メーターの導入があげられる。

ムーバブルアーマーやベルレス装入装置は現在
多くの高炉に採用され、装入物分布形状の調整に
有効な機能を発揮している。しかしこれらの装置
は分布形状の変更手段のみであるがゆえに、炉内
で生ずる分布形状の変化が正確に検知されないか
ぎり望ましい分布形状を得ることはできない。

一方、サウンジングメーターやプロフイルメー
ターは、炉内で形づくられた装入物の表面形状の
みを検知する機器であるがゆえにこれらの機器に
よる計測では装入物層内で生ずる形状の変化につ
いては全く検知することはできない。

このため、前記分布調整手段と表面形状検知手
段が導入されても炉内装入物の層内で生ずる形状
変化が把握されない限り高炉操業上望ましい分布
形状を得ることは不可能である。このことは同時
に、操業に適したガス流分布が得られないことを
意味する。

高炉内では、鉱石とコークスが間欠的に一定量
づつ交互に装入され、鉱石は鉄源として５〜50mm
の粒径のものが一回に30〜60tの量、コークスは
還元ガス源および熱源として30〜75mmの粒径のも
のが一回に10〜20tの量で装入される。

このように、一回の装入重量が多いために鉱
石、もしくはコークスが高炉内に装入される際
に、炉内上層のコークス、もしくは鉱石に崩れを
生ずるが、この崩れは炉内装入物の表面形状を検
知することによつては把握することはできない。
このため崩れが生ずると炉半径方向における鉱石
とコークスの層厚分布は、表面形状を検知するこ
とによつて算出される層厚分布とは全く異なつて
くる。

高炉内での炉半径方向におけるガス流分布は、
崩れを生じた後の鉱石とコークスの層厚分布によ
つて支配されるため、表面形状を検知することに
よつて求まる見掛上の層厚分布では、正確なガス
流分布を求めることはできない。

装入物の崩れ現象については、従来からその検
知方法の開発が試みられてきたが、未だ実用化さ
れるに致つていない。これは、炉内における装入
物層に外乱を与えることなく、かつ温度が高く粉
塵の多い環境下で正確に崩れの度合を測定するこ
とが至難であることに由来する。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、このような状況に鑑みてなされたも
のであつて、高炉炉内における装入物の崩れ現象
を把握し、炉内における炉半径方向の真の層厚分
布を算出して炉半径方向の鉱石／コークス比を理
想とする分布に近づけるように装入物の装入方法
にフイードバツクして炉内のガス流分布の制御を
一段と向上させることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は高炉炉頂部より投入されて炉内に堆積
した装入物が、引続いてその上に装入される装入
物の集載荷重により崩れを生ずる状態において、
崩れの深さを示す円弧状のすべり線を求めるとと
もに、すべり線を該装入物の内部摩擦角に相当す
る傾きで炉中心側に移動させて崩れによる該装入
物の炉半径方向での堆積層形状変化を求め、この
結果と該装入物および引続いて投入された装入物
の炉内におけるプロフイルの測定結果とから、炉
半径方向における装入物の層厚分布を推定するこ
とを特徴とする高炉炉内の装入物層厚分布推定方
法にある。

以下本発明を図面に基づいて詳述する。

装入物の崩れ現象について、高炉炉内装入物の
最上層がコークスである状態でその上に鉱石を装
入した場合を想定して模式図を示すと第１図のよ
うになる。

すなわち、既にベル１を介して装入されたコー
クス２は炉壁部に落下したのち炉中心側に向つて
流れ込みＶ形状のプロフイルを形成している。

この上に鉱石３が同様に装入されると炉壁部近
傍のコークスの一部４が鉱石の落下荷重を受けて
削られ、コークス層内で生じたすべり線５に沿つ
て鉱石と共に移動する。このすべり線５はコーク
スの内部摩擦角に規定される線６に接して移動す
るから、コークスの一部４は炉内中心部へ押し出
され、このため炉半径方向のすべり線５より上層
のコークス層は崩れて炉中心側に流れ込むことに
なる。

高炉炉頂部の装入物の崩れ状況を実高炉と同一
規模のモデル実験で測定した結果例を第２図に示
す。

この図はコークス、鉱石装入後にそれぞれ表面
形状を測定して算出した炉径方向の鉱石層厚／コ
ークス層厚分布と、鉱石の装入によつてコークス
が崩れた後、パラフインで固結させてその断面を
観察して求めた鉱石層厚／コークス層厚分布を対
比させて示した図であるが、両者の間には大きな
差異があることがわかる。従つて、装入物の装入
によつて生ずる崩れ現象を正確に把握できない限
り炉内ガス流分布の制御はできないことは明らか
である。

本発明等は、高炉炉頂部の実寸大規模のモデル
実験装置並びに火入れ前の装入物充填時における
高炉内の分布状況調査を数多く行い、装入物の崩
れ易さが次式で示すことができることを見出し
た。

崩れ率＝抵抗モーメント／滑動モーメント…
……(1) ここに、 滑動モーメント：ΣRWi・sinα_i 抵抗モーメント：Σ（Wi・cos〓i−ΔPi）tanφ ここでＲはすべり線によつて形成される円の中
心からの距離（ｍ） Wiはすべり線上の移動装入物単位量（Kg/m²） α_iは円の中心からの垂線とすべり線上の移動
装入物との間の角度（℃） φは装入物の内部摩擦角（゜） ΔPiは、移動装入物層内を流れるガスの抗力
（Kg/m²） ｉは、崩れが生ずる装入物層を炉半径方向で同
心円状にＮ分割した細片部分についての振り番号 (1)式に係る座標の説明を第３図に示す。

装入物の投入力を小分割して得られる仮想の単
位置が崩れを生ずる堆積層表面に逐次装入される
場合を考え、該単位量の重心、もしくは落下点位
置を通るすべり線を仮定すれば第３図に示すよう
にすべり線５の円弧が幾通り描け、各円弧につい
ての崩れ率が計算できる。７は積載装入物、７′
はｉ番目の細片部分、８はマトリツクス状グラフ
を表わす。

装入物の崩れは、崩れ率が最も小さい値を示す
場合の円弧（即ち、すべり線）に沿つて生ずるこ
とになるので、計算された崩れ率のなかから最小
値を示す円弧（すべり線）を見出せばよい。数多
くの円弧に対応する崩れ率を求めるには第３図の
ようにマトリツクス状のグラフつくり、それぞれ
の交差点位置を中心とする円弧の崩れ率を計算す
るのが実用的である。このようにすれば最小崩れ
率を示す円弧が容易に見出すことができる。

各交差点位置について求めた円弧の崩れ率の算
出値より、等崩れ率のラインを求めた例を第４図
に示す。最小崩れ率を示す円弧の原点位置が存在
することがわかる。

図において９は等崩れ率ライン、１０は炉壁、
１１は崩れを生じる装入物層、１２は最小崩れ率
を示す円弧の原点を表わす。

ここで、算出された最小崩れ率が限界崩れ率
（崩れが実際に観測される時の崩れ率）を上まわ
る場合には、この段階で更に次の単位装入物量が
装入された場合について、同様な計算を行う。

最小崩れ率が限界崩れ率を下まわれば、その時
点で崩れが、それまでに積み上げられた装入物の
単位置によつて生ずることになる。

なお、計算に必要な装入物の内部摩擦角および
限界崩れ率は予め各装入物について測定しておく
ことによつて与えられる。

このようにして装入物の単位装入量を与えれ
ば、崩れ開始時点のすべり線は一義的に決定され
る。第５図にその計算例を示す。崩れ開始時点の
すべり線が決定されれば、そのすべり線は崩れを
生ずる装入物層の内部摩擦角で決まる線に沿つて
サイクロイド状に炉中心側に移動する。その概念
図を第６図に示す。サイクロイド状のすべり線５
と内部摩擦角で決まる線６との関係は、すでに土
質力学で明らかにされている。

すべり線が移動することによつて、内部摩擦角
で決まる線より上層の装入物は崩れて炉中心部に
流れ込むことになる。１４は円弧の移動方向を表
わす。

限界崩れ率は数多く実施した実寸大のモデル実
験装置による測定結果から単位装入物量0.01〜
0.2（Kg/cm²）について、ほゞ0.6〜0.9の範囲にあ
ることを確かめている。

限界崩れ率は、後から装入する装入物の装入速
度や装入高さが変化すると異なる値を示すが、こ
のことはその高炉の装入条件によつて限界崩れ率
を選ぶ必要のあることを示す。

すべり線が内部摩擦角によつて決まる線に沿つ
てサイクロイド状に炉中心側に移動することによ
つて装入物の崩れ量並びに崩れた装入物面形状が
決定される。

この場合に、該装入物層が崩れる領域は、すべ
り面の炉中心側への移動によつて削られる面とそ
の面上の崩れ前に示す該装入物層表面で仕切られ
る領域とする。一方、崩れた装入物が流れ込む領
域は、炉中心側に移動した最終位置のすべり面と
崩れる前に示す装入物層表面によつて仕切られる
領域とする。すべり面の最終位置は、崩れ量が流
れ込み量に等しくなる条件を満足させることによ
り決定する。

また、内部摩擦角によつて決まる線６が該装入
物層表面の炉半径方向のある位置でクロスする場
合には、炉芯部近傍の崩れる前の該装入物層表面
に沿つて円弧状のすべり線を移動させる。この場
合も、崩れ量が崩れ前の装入物層表面と円弧状の
すべり線で仕切られる領域の堆積量に等しくなる
ようにすべり線位置を決める。崩れによる堆積層
形状変化の状況を第７図に示す。１５は崩れ前の
プロフイル、１６は崩れ後のプロフイルである。
炉中心部に崩れて流れ込んだ装入物の量が多い場
合には後から装入された装入物は炉中心部に到達
せず崩れた装入物によつて炉中心部の装入物面が
形成され、少ない場合には後からの装入物が崩れ
た装入物の上に堆積し装入物面を形成する。いず
れのケースにおいても崩された装入物の炉半径方
向の形状はすべり線で決まる面と後から装入した
装入物の表面形状によつて規定され、すべり線で
決まる面は計算によつて算出するし、後から装入
した装入物の表面形状は例えばレーザー光による
プロフイルメーターで実測して求めることができ
る。

従つて、崩れた装入物の炉内半径方向の層厚変
化と、後から装入した装入物の炉半径方向のプロ
フイルとを考慮して炉内半径方向における鉱石層
とコークス層の層厚分布を知ることができる。

上記手法によつて求めた炉内半径方向における
鉱石層とコークス層の層厚分布と、実高炉内の火
入れ前装入物充填時にパラフイン凝固法で測定し
た結果とを対比させて第８図イ及びロに示す。こ
れらの例はコークス層上に鉱石を投入した場合を
示すもので、コークス層２の一部が鉱石によつて
崩され、炉中心部へ流れ込んでいることがわか
る。鉱石とコークスの層厚分布がわかれば、炉内
半径方向における鉱石とコークスの層厚比分布が
求まる。第８図イ及びロの鉱石とコークスの層厚
比分布は両者がよく一致していることがわかる。

このように、崩れ率の概念を導入することによ
つて、装入物の崩れ状況を高炉内の鉱石とコーク
スの炉半径方向における層厚分布として精度よく
算出することができる。また装入物の崩れは、コ
ークス層上に鉱石を装入した場合に顕著にあらわ
れ、鉱石層上にコークスを装入した場合は非常に
少ない。従つて、高炉内での装入物の崩れを算出
する場合には前者のケースを考慮するだけで実用
的な精度は十分である。

コークスの崩れ度合は、鉱石の堆積量、装入位
置、下層コークスの表面形状等によつて異なり、
また、崩れを生じたあとの鉱石とコークスの表面
形状はガス流速によつて影響を受ける。従つて最
終的な炉半径方向の層厚分布は上記の条件を考慮
して算出するか、プロフイルメーターの測定結果
を用いて計算しなければならないが、コークスの
崩れ度合を考慮した層厚比（鉱石／コークス）と
装入方式とは第９図イに示す如くよく対応した関
係にあるので、装入方式の選定によつてコークス
の崩れ量分布を調整することが可能である。

炉内の半径方向のガス流分布は、炉頂部で形成
された半径方向の鉱石とコークスの層厚比分布に
よつて強く支配される。そしてガス流分布は一般
に炉壁側近で小さく炉中心部で大きい第１０図の
ようなパターンが操業上望ましいとされている。
炉壁側近でガス流速を小さくするのは炉体壁より
の熱損失や壁面の損傷を防ぐためであり、中心部
で大きくするのは炉下部側壁の送風羽口から入つ
たガスが出来るだけ炉中心部に流れ易い状況をつ
くるためである。炉中間部ではガスの還元効率を
上げるために均一なガス流速であることが必要で
ある。

このようなガス流分布を得るには、一般に第１
１図のような鉱石とコークスの層厚分布が望まし
い。

即ち、炉中心部ではガス流を発達させるために
層厚比（鉱石／コークス）を炉中心に向つて減少
させる分布を、また炉壁部ではガス流抵抗の大き
い細粒が多く堆積するので、炉壁面に向つてガス
流が大幅に押えられないように層厚比を下げる分
布をとる必要がある。

第１２図は本発明方法を用いて炉内装入物の層
厚を測定し炉半径方向の鉱石／コークス比を求め
つつその分布を理想とする形状に制御して高炉操
業を行つた操業結果を従来法と対比して示したも
のである。

なお、本発明方法による場合は炉内装入物の層
厚測定結果を炉頂装入方法（例えば９図イに示す
ようなムーバブルアーマー設定位置の組合わせ方
式の選択によつてフイードバツクして操業を行つ
たものであり、従来法の場合は炉内装入物の崩れ
を考慮せずに操業を行つたものである。

（発明の効果） 第１２図に示すとおり、本発明方法を高炉操業
に応用することによつて溶銑中〔Si〕は低値に安
定し、スリツプ数は減少し、炉頂ガス利用率は向
上した。更に、コークス比は従来方では495Kg/t
−ｐであつたものが480Kg/t-pに低減し高炉操業
上顕著な効果が得られた。

なお、本発明は高炉操業に限らず異種の粉粒体
を交互に装入する粉体ホツパー、サイロもしくは
反応塔において装入物の堆積形状の測定にも適用
できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は高炉炉頂部で堆積している装入物が後
から装入される装入物によつて崩される状況を説
明する模式図、第２図は炉頂部の炉径方向におけ
る鉱石とコークスの層厚比分布を示す図、第３図
は崩れ率を求めるのに必要な変数を説明する模式
図、第４図は等崩れ率ラインの分布と最小崩れ率
を示す位置が存在することをあらわす図、第５図
は装入物単位量の荷重と最小崩れ率の関係を示す
図、第６図は内部摩擦角で決まる線とその線に沿
つて移動する円弧状のすべり線との関係を示す
図、第７図イ，ロ，ハは、崩れによつて生ずる堆
積層形状の変化を示す図、第８図イ，ロは、炉頂
部のコークスと鉱石の堆積層形状を示す図で、イ
は高炉炉内での調査結果、ロは本発明に係る推定
結果である。第９図イはムーバブルアーマー位置
（装入シーケンスＣ↓Ｃ↓Ｏ↓Ｏ↓、↓は炉内へ
の装入を示す。各装入時におけるアーマーの設定
位置を数字で示したが図の横軸の値で数字の小さ
いほど炉壁側に装入することを示す。）と層厚比
との関係を示す図、第９図ロは鉱石コークス層厚
の模式図、第１０図は炉半径方向のガス流速分布
を例示する図、第１１図は炉半径方向の層厚比を
例示する図、第１２図は本発明方法を高炉に適用
して操業を行つた高炉操業状況の推移を示す図で
ある。 １……ベル、２……コークス、３……鉱石、４
……コークスの一部、５……すべり線、６……内
部摩擦角に規定される線、７……積載装入物、
７′……ｉ番目の細片部分、８……マトリツク状
グラフ、９……等崩れ率ライン、１０……炉壁、
１１……崩れを生ずる装入物層、１２……最小崩
れ率を示す円弧の原点、１４……円弧の移動方
向、１５……崩れ前のプロフイル、１６……崩れ
後のプロフイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高炉炉頂部より投入されて炉内に堆積した装
   入物が、引続いてその上に装入される装入物の積
   載荷重により崩れを生ずる状態において、崩れの
   深さを示す円弧状のすべり線を求めるとともに、
   すべり線を該装入物の内部摩擦角に相当する傾き
   で炉中心側に移動させて崩れによる該装入物の炉
   半径方向での堆積層形状変化を求め、この結果と
   該装入物および引続いて投入された装入物の炉内
   におけるプロフイルの測定結果とから、炉半径方
   向における装入物の層厚分布を推定することを特
   徴とする高炉炉内の装入物層厚分布推定方法。