高炉操業方法
【課題】鉱石コークス混合装入法を用いた高炉操業において、還元効率を高めてコークスの使用量を低減することができる高炉操業方法を提供する。
【解決手段】炉頂バンカー１１内上部に、炉頂バンカー１１へ装入される原料の落下方向を変更するための傾斜角を調整可能な偏析制御板１２を設ける。そして、炉頂バンカー１１への混合原料（コークス混合鉱石層を形成するための鉱石とコークスとを混合した原料）の装入中に、偏析制御板１２の傾斜角を、混合原料の落下位置が炉頂バンカー１１の排出口の上方近傍の位置となる第１傾斜角から、排出口の上方近傍から水平方向で遠ざかる位置となる第２傾斜角へ切り替える。これにより、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率を、排出初期から排出後期にかけて徐々に増加させる。
【解決手段】炉頂バンカー１１内上部に、炉頂バンカー１１へ装入される原料の落下方向を変更するための傾斜角を調整可能な偏析制御板１２を設ける。そして、炉頂バンカー１１への混合原料（コークス混合鉱石層を形成するための鉱石とコークスとを混合した原料）の装入中に、偏析制御板１２の傾斜角を、混合原料の落下位置が炉頂バンカー１１の排出口の上方近傍の位置となる第１傾斜角から、排出口の上方近傍から水平方向で遠ざかる位置となる第２傾斜角へ切り替える。これにより、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率を、排出初期から排出後期にかけて徐々に増加させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉頂から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に形成する高炉の操業方法に関し、特にコークス混合鉱石層を形成するに際し、鉱石とコークスとをあらかじめ混合させた混合原料を装入する鉱石コークス混合装入法を用いた高炉操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉の効率的な操業のためには、炉内のガスを半径方向に適切に分配する必要がある。そこで、炉内ガス流分布を制御するために、コークスの装入地点を調整し、主として通気の確保が行われてきた。さらに、近年では炉頂装入設備が発展したことから、鉱石−コークスの混合装入が可能となり、通気と還元効率双方の向上が可能となっている。
高炉操業では、通常、炉頂から鉱石とコークスとをそれぞれが交互に層状となるように装入して鉱石層とコークス層とを形成している。これに対して、鉱石層中にコークスをあらかじめ混合させて装入することで、鉱石層自体の還元性を向上させる方法が鉱石コークス混合装入法である（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
鉱石層とコークス層とを形成する通常の操業では、融着帯において、鉱石層の空隙率の低下により通気性が悪化し、鉱石とコークスの接触が少なく還元反応が停滞する。一方、鉱石コークス混合装入法では、融着帯において、鉱石中に混合されたコークスにより融着層の粗大化が抑制されるため、空隙が確保され、通気性が向上し、その結果、鉱石とコークスとの接触が増加して還元性が向上する。
特許文献１に記載の技術においては、ベルレス装入装置を用いて鉱石コークス混合装入を行うために、鉱石とコークスとをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、炉頂バンカーから高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法を採用している。
【０００４】
また、特許文献２に記載の技術においては、複数の炉頂バンカーを有するベルレス装入装置を用いて高炉に原料を装入する際に、鉱石とコークスとを別々の炉頂バンカーに装入し、炉頂バンカーからの排出時に鉱石とコークスの一部を同時に排出して高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法を採用している。
これらの技術は、コークスの単独装入と、鉱石コークス混合装入とを交互に行う方法である。コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層では、鉱石とコークスとがほぼ均一に混合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２１１２１０号公報
【特許文献２】特開２００４−１０７７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、環境問題の観点から、高炉でのコークスの使用量をできるだけ低減できる技術の開発が求められている。したがって、鉱石コークス混合装入法においても、還元効率を一層向上させて、高炉におけるコークスの使用量を低減することが期待される。
そこで、本発明は、鉱石コークス混合装入法を用いた高炉操業において、還元効率を高めてコークスの使用量を低減することができる高炉操業方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る高炉操業方法は、炉頂バンカーに貯留された原料を、該炉頂バンカーの下方に設置した旋回シュートを介して炉頂から装入し、鉱石層とコークス層とを交互に形成する高炉操業方法であって、前記鉱石層は、前記炉頂バンカーに貯留された鉱石とコークスとの混合原料により形成されるコークス混合鉱石層であり、前記炉頂バンカー内上部に、該炉頂バンカーへ装入される原料の落下方向を変更するための傾斜角を調整可能な偏析制御板を設け、前記炉頂バンカーへの前記混合原料の装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を、前記混合原料の落下位置が前記炉頂バンカーの排出口の直上位置となる第１傾斜角から、前記混合原料の落下位置が前記排出口の直上位置から水平方向に離れた側壁位置となる第２傾斜角へ切り替えることを特徴としている。
【０００８】
このように、炉頂バンカーに混合原料を装入するに際し、先ず初めに偏析制御板を第１傾斜角として、混合原料の落下位置を炉頂バンカーの排出口の上方近傍の位置とし、その後、偏析制御板を第２傾斜角に切り替え、混合原料の落下位置を上記排出口から遠い位置とする。これにより、炉頂バンカー内で、混合原料中のコークスを上記排出口から遠い位置に偏析して堆積させることができる。さらにこのとき、炉頂バンカー内で、混合原料中のコークスが上記排出口から遠い位置に集中しすぎるのを抑制することができる。
【０００９】
炉頂バンカー中に堆積した混合原料は排出口の直上から排出されるため、上記のように堆積された混合原料を炉頂バンカーの排出口から排出した場合、混合原料のコークス混合率は、排出初期から排出後期にかけて徐々に増加することになる。したがって、炉頂バンカーから排出される混合原料を、旋回シュートを介して炉内の下層から上層へ順次装入すると、炉内で形成されたコークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることができる。
これにより、炉内において、コークス混合鉱石層の下方ではコークス層からの還元ガスを、上方ではコークス混合鉱石層内に混合されたコークスから発生する還元ガスを、鉱石の還元に利用することができ、還元ガスを効率的に利用することができる。
【００１０】
また、上記において、前記偏析制御板の傾斜角を第１傾斜角として前記炉頂バンカーに装入する前記混合原料の量を、当該混合原料の前記炉頂バンカーへの総装入量の６０ｍａｓｓ％以上９５ｍａｓｓ％以下とすることを特徴としている。
これにより、炉頂バンカーから排出される混合原料のコークス混合率が排出末期で急増することを防止しつつ、当該コークス混合率を排出初期から排出後期にかけて確実に増加させることができる。
【００１１】
さらに、上記において、前記コークス混合鉱石層を形成するための混合原料の高炉への装入の１チャージを、炉中心部への装入バッチと当該炉中心部より炉壁側の炉周辺部への装入バッチとの少なくとも２バッチに分割し、前記炉周辺部への装入バッチで高炉へ装入する前記混合原料の前記炉頂バンカーへの装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を前記第１傾斜角から前記第２傾斜角へ切り替える制御を行うことを特徴としている。
これにより、炉周辺部に形成されるコークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることができ、炉周辺部における還元ガスを効率的に利用することが可能となる。このように、一般に比較的ガス利用率が低くなる傾向がある炉周辺部の還元効率を改善することで、高炉全体の還元効率を効果的に改善することができる。
【００１２】
また、上記において、前記炉周辺部は、高炉の半径をＲ、高炉の中心からの半径方向の位置をｒとしたときの高炉の無次元半径ｒ／Ｒが０．７以上１以下の領域内で設定することを特徴としている。
このように、炉周辺部を０．７≦ｒ／Ｒ≦１の領域内で設定することで、より効果的に高炉全体の還元効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、コークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることができるので、鉱石の還元効率を高めることができ、効率的な高炉の操業が可能となる。また、鉱石の還元効率の向上によりコークスの使用量を低減することができるので、ＣＯ2の発生を削減して、地球環境に貢献した操業とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】均一混合のコークス混合鉱石層の模式図である。
【図２】コークスを上部偏析させたコークス混合鉱石層の模式図である。
【図３】鉱石の平均還元率の測定結果を示す図である。
【図４】鉱石層とコークス層の一例を模式的に示す側面断面図である。
【図５】偏析制御板の傾斜角の違いによる混合原料の堆積状況の違いを示す図である。
【図６】本実施形態での炉頂バンカー内の混合原料の堆積状況を示す図である。
【図７】炉頂バンカーから排出される混合原料中のコークス混合率の変化を示す図である。
【図８】偏析制御板の傾斜角を、混合原料の装入量が９５ｍａｓｓ％超えで第１傾斜角から第２傾斜角に切替えて装入した場合の炉頂バンカー内の混合原料の堆積状況を示す図である。
【図９】コークス混合鉱石層内の還元率分布の測定結果である。
【図１０】鉱石の平均還元率の測定結果を示す図である。
【図１１】ベルレス装入装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明者らは、鉱石層中にコークスが混合されたコークス混合鉱石層におけるコークスの上部偏析の効果を調査するために、荷重軟化試験装置を用いて試験を行った。
荷重軟化試験装置は、高炉内で原料が受ける温度、雰囲気、荷重を再現するものであり、直径１００ｍｍの黒鉛るつぼ内に装入した原料を還元ガス雰囲気で所定の温度に加熱して試験を行った。
【００１６】
このような荷重軟化試験装置にて、コークス層の上に、鉱石層として鉱石のみの層を積層した場合（混合なし）と、鉱石層としてコークスと鉱石とを均一に混合したコークス混合鉱石層を積層した場合（均一混合）と、鉱石層としてコークスを上部偏析させたコークス混合鉱石層を積層した場合（上部偏析）とを用いて実験を行い、それぞれの場合の鉱石の平均還元率を測定した。
ここで、試料としては、コークス層を形成する原料には、平均粒径１５ｍｍ〜２５ｍｍの塊コークスを、コークス混合鉱石層を形成する原料には、平均粒径８ｍｍ〜１０ｍｍの鉱石と平均粒径８ｍｍ〜１０ｍｍのコークスとを用いた。
【００１７】
図１は、均一混合のコークス混合鉱石層の模式図であり、図中符号１は鉱石、符号２はコークスである。この均一混合のコークス混合鉱石層の平均コークス混合率は、１２０ｋｇ／ｔ−ｐ相当とした。ここで、ｋｇ／ｔ−ｐは、溶銑１トンあたりのコークス量を示す単位である。
図２は、上部偏析のコークス混合鉱石層の模式図である。この上部偏析のコークス混合鉱石層の平均コークス混合率は、上記の均一混合のコークス混合鉱石層と同じ１２０ｋｇ／ｔ−ｐ相当とし、上部５０体積％内の平均コークス混合率を１７０ｋｇ／ｔ−ｐ相当、下部５０体積％内の平均コークス混合率を７０ｋｇ／ｔ−ｐ相当とした。すなわち、この上部偏析の例では、コークス混合鉱石層の上半分（上部５０体積％）内に、コークス混合鉱石層内に混合されるコークスの７０ｍａｓｓ％程度を混合した。
【００１８】
図３は、鉱石の平均還元率の測定結果を示す図である。この図３に示すように、コークスと鉱石との混合装入を行うことで、鉱石の単独装入と比べて還元率が向上し、さらにコークスを上部に偏析させることで、還元率がより一層向上している。このように、鉱石層をコークス混合鉱石層とし、さらにこのコークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることで、還元効率を向上させる効果があることが分かった。
均一混合のコークス混合鉱石層を適用した場合、コークス層とコークス混合鉱石層とが層状に重なる炉内において、マクロ的にはコークス層とその上部に積層されたコークス混合鉱石層との境界では、コークス層近傍の鉱石量に対して還元ガスの量が余剰である。そのため、還元効率が低下してしまう。
【００１９】
これに対して、上部偏析されたコークス混合鉱石層を適用した場合には、炉内において、コークス混合鉱石層の下方ではコークス層からの還元ガスを、上方ではコークス混合鉱石層内に混合されたコークスから発生する還元ガスを、鉱石の還元に利用することができる。そのため、還元ガスを効率的に利用することができ、トータルの還元効率が向上すると考えられる。
そこで、本実施形態では、鉱石層を、コークスを上部偏析させたコークス混合鉱石層とし、コークス混合鉱石層の上方をコークスが密の状態に、下方をコークスが粗の状態とする。
【００２０】
この場合、コークス混合鉱石層内の上部ほどコークス密度の高い状態であることが好ましく、コークス混合鉱石層の上半分（上部５０体積％）内に、コークス混合鉱石層内に混合されるコークスの６０ｍａｓｓ％以上が混合されていることが好ましい。さらに好ましくは、コークス混合鉱石層の上半分（上部５０体積％）内に、コークス混合鉱石層内に混合されるコークスの７０ｍａｓｓ％以上が混合されていることである。
【００２１】
なお、実際に高炉内に形成されるコークス混合鉱石層の表面は水平ではなく、高さ分布を有する。つまり、その上面高さ位置は、炉内半径位置により異なる。上記において、コークス混合鉱石層の上半分である上部５０体積％とは、コークス混合鉱石層の任意の範囲における、コークス混合鉱石層の上面から、コークス混合鉱石層の垂直方向の厚さの５０％に相当する距離だけ垂直下方向に離れた点を結んで形成される曲面を仮想した場合、該曲面より上部に位置するコークス混合鉱石層の体積をいう。
【００２２】
コークス混合鉱石層内に混合させるコークス量については、多いことが好ましく、コークスを炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上、特に好ましくは３０ｍａｓｓ％以上コークス混合鉱石層内に混合すると還元効率向上の効果が高い。一方で、コークスをコークス混合鉱石層内に混合する量が多すぎると、コークス層が薄くなり、融着帯でコークススリットが薄くなるため炉下部での通気性が悪化する。したがって、コークス混合鉱石層内に混合するコークスは、コークスを炉頂から装入する全コークス量に対して５０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００２３】
図４は、本発明に係る高炉操業方法を用いて形成した一例での鉱石層とコークス層を模式的に示す側面断面図である。
この図４（ａ）において、ｒ／Ｒは、高炉の半径をＲ、高炉の中心からの半径方向の位置をｒとしたときの高炉の無次元半径であり、ｒ／Ｒ＝０は高炉の中心位置、ｒ／Ｒ＝１は炉壁位置を示している。
【００２４】
コークス層を形成する際には、当該コークス層を形成する１チャージ分のコークスを２バッチに分割して炉頂から装入し、１バッチ目でコークス層３ａを形成し、２バッチ目でコークス層３ｂを形成した。また、鉱石層を形成する際には、当該鉱石層を形成するための原料の装入の１チャージを、炉中心部への装入バッチと当該炉中心部より炉壁側の炉周辺部への装入バッチとの２バッチに分割し、１バッチ目で炉中心部の鉱石層４ａを形成し、２バッチ目で炉周辺部の鉱石層４ｂを形成した。なお、炉周辺部は、ｒ／Ｒが０．７以上１．０以下の領域とした。
【００２５】
ここで、鉱石層４ａ，４ｂは、鉱石とコークスとが混合されたコークス混合鉱石層である。また、本実施形態では、鉱石層４ａを均一混合のコークス混合鉱石層、鉱石層４ｂを上部偏析のコークス混合鉱石層とする。
炉頂バンカーから排出される原料を、ベルレス装入装置の旋回シュートを用いて炉内に旋回装入した場合、例えば鉱石層４ｂの場合を図４（ｂ）に示すように、装入初期の混合原料は下層部へ、装入後期の混合原料は上層部へと、下層から上層へ順次堆積する。
したがって、この鉱石層４ｂ内でコークスを上部偏析させるためには、炉頂バンカーから排出する鉱石層４ｂを形成するための混合原料のコークス混合率（＝コークス量／（鉱石量＋コークス量））を、排出初期から排出後期にかけて増加させればよい。以下、コークスを鉱石層内で上部偏析させる方法について説明する。
【００２６】
ところで、コークスを鉱石層内に均一に混合させる方法としては、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、鉱石とコークスをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、炉頂バンカー受け入れ時に混合させてから高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法や、複数の炉頂バンカーからの排出時に鉱石とコークスの一部を同時に排出して高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法等が知られている。
【００２７】
コークスを鉱石層内に偏析させるには、例えば上記において、切り出しの際にコークスの混合量を変更したり、複数の炉頂バンカーから鉱石とコークスの一部を同時に排出する際に、炉頂バンカーからの排出量や排出速度を、流量調整ゲート等を用いて調節して、コークスの混合割合を変えたりすることで対応できる。しかしこのような方法では、原料装入工程が複雑となり、非効率な操業となるおそれがある。また、流量調整ゲートを有していない設備では対応が困難な場合もある。
【００２８】
そこで、本実施形態では、より簡易且つ効果的に上部偏析させる方法として、図５に示すように、炉頂バンカー１１内上部に、該炉頂バンカー１１へ装入される原料の落下方向を変更する傾動自在な偏析制御板１２を設け、当該偏析制御板１２を活用した方法を採用する。
すなわち、炉頂バンカー１１への原料装入中に偏析制御板１２の傾斜角を変更することで、混合原料の落下位置を装入初期と装入後期とで変更するようにする。このようにして、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率が排出初期から排出後期になるにつれて徐々に増加するような原料分布を形成しながら、炉頂バンカー１１に混合原料を堆積させる。以下、この方法について具体的に説明する。
【００２９】
ここでは、図５に示すように、炉頂バンカー１１の排出口１３が、該炉頂バンカー１１の上方から見て中心から一方へ寄った位置に設けられている場合について説明する。
図５（ａ）は、炉頂バンカー１１内の偏析制御板１２の角度を、排出口１３側（以下、バンカー中心寄りという）に傾斜するように設定した場合である。このとき、偏析制御板１２の傾斜角を、炉頂バンカー１１に装入される混合原料が矢印Ａに示すように排出口１３の直上位置に落下する角度（第１傾斜角）に設定すると、鉱石１はバンカー中心寄りに堆積するが、鉱石１より粒径が大であるコークス２はバンカー外周寄りに流れ込む。
【００３０】
これに対して、図５（ｂ）は、炉頂バンカー１１内の偏析制御板１２の角度を、水平方向で排出口１３側とは反対側（以下、バンカー外周寄りという）に傾斜するように設定した場合である。このとき、偏析制御板１２の角度を、炉頂バンカー１１に装入される混合原料が矢印Ｂに示すように排出口１３の直上位置から水平方向に離れた側壁位置に落下する角度（第２傾斜角）に設定すると、鉱石１はバンカー外周寄りに堆積するが、鉱石１より粒径が大であるコークス２はバンカー中心寄りに流れ込む。
【００３１】
炉頂バンカー１１に堆積した混合原料は、排出口１３の直上が先に排出される。したがって、図５（ａ）の場合には、混合原料中のコークスがバンカー外周寄りに集中しているため、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率は排出後期で増加するものの、排出末期で急増してしまう。つまり、コークス混合率が排出初期から排出後期にかけてほぼ均一に増加するような理想的な結果が得られない。一方、図５（ｂ）の場合には、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率は、排出後期で増加しない。
【００３２】
本実施形態では、炉頂バンカー１１に混合原料を装入する場合に、装入初期は図５（ａ）のようにして、炉頂バンカー１１に装入される混合原料をバンカー中心寄りに落下させ、装入末期は図５（ｂ）のようにして、炉頂バンカー１１に装入される混合原料をバンカー外周寄りに落下させるようにする。
これにより、図６に示すように、炉頂バンカー内でコークス２をバンカー外周寄りに堆積させつつ、その一部２ａをバンカー中心寄りに堆積させる。すなわち、バンカー外周寄りのコークスの集中を抑制するようにする。その結果、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率を排出末期で急激に増加することなく、排出初期から排出後期にかけて徐々に増加するようにする。
【００３３】
図７は、原料装入中における偏析制御板１２の角度の違いによる混合原料中のコークス混合率の変化を示す図である。この図７は模型試験の結果であり、鉱石の平均粒径は１．５ｍｍ、コークスの平均粒径は２．０ｍｍとした。
比較例１として、偏析制御板１２を、装入初期から装入後期までの全期間で図５（ｂ）に示すように混合原料をバンカー外周寄りに落下させるようにして炉頂バンカー１１内に混合原料を装入し、試験を行った。
【００３４】
また、比較例２としては、偏析制御板１２を、装入初期から装入後期までの全期間で図５（ａ）に示すように混合原料をバンカー中心寄りに落下させるようにして炉頂バンカー１１内に混合原料を装入し、試験を行った。
実施例１としては、偏析制御板１２を、装入初期は図５（ａ）に示す第１傾斜角、装入後期は図５（ｂ）に示す第２傾斜角として炉頂バンカー１１内に混合原料を装入し、試験を行った。この実施例１では、炉頂バンカー１１内に装入する混合原料のうち、８０ｍａｓｓ％を第１傾斜角、残りの２０ｍａｓｓ％を第２傾斜角で装入した。
【００３５】
また、実施例２としては、偏析制御板１２を、装入初期は図５（ａ）に示す第１傾斜角、装入後期は図５（ｂ）に示す第２傾斜角として炉頂バンカー１１内に混合原料を装入し、試験を行った。この実施例２では、炉頂バンカー１１内に装入する混合原料のうち、６０ｍａｓｓ％を第１傾斜角、残りの４０ｍａｓｓ％を第２傾斜角で装入した。
図７を参照すると、比較例１では、排出初期から排出後期にかけてコークス混合率に大きな変化はなく、このようにして炉頂バンカー１１から排出された混合原料により形成されるコークス混合鉱石層は、均一混合となることがわかる。
【００３６】
比較例２では、比較例１と比較して、炉頂バンカー１１からの排出初期から排出後期にかけてコークス混合率が増加していることがわかる。特に、装入初期から装入後期までの全期間で図５（ａ）に示す装入により、混合原料中のコークスの大部分をバンカー外周寄りに堆積させると、炉頂バンカーから排出される原料のコークス混合率が排出末期で急激に増加することがわかる。これにより、比較例２の条件で炉頂バンカーから排出された混合原料により形成されるコークス混合鉱石層は、最上層部にコークスが密集した上部偏析となることがわかる。
【００３７】
一方、実施例１，２のように、装入初期は第１傾斜角で混合原料をバンカー中心寄りに落下させ、排出後期は第２傾斜角で混合原料をバンカー外周寄りに落下させると、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率は排出初期から排出後期にかけて増加するが、比較例２のように排出末期で急激に増加することはない。また、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が装入量の６０ｍａｓｓ％以上であれば、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率を排出後期にかけて増加させられることもわかった。
【００３８】
また、実施例１と実施例２とを比較すると、実施例１は、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が８０ｍａｓｓ％と多いため、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が６０ｍａｓｓ％の実施例２よりも炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率が排出末期で増加する比率が大きいことがわかる。
ただし、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が多すぎると、混合原料の落下位置をバンカー外周寄りに変えても、炉頂バンカー１１内でコークスがバンカー外周寄りからバンカー中心寄りに向けて流れ込む効果が得られないため、混合原料のコークス混合率が排出末期で急激に増加してしまい、好ましくない。
【００３９】
図８は、炉頂バンカー１１に装入される混合原料の装入量が９５ｍａｓｓ％を超えてから、偏析制御板１２を第１傾斜角から第２傾斜角に切り替えた場合の炉頂バンカー１１内の混合原料の堆積状況を示す図である。このように、バンカー外周寄りに装入した混合原料中のコークス２ａは、バンカー中心寄りに流れ込むことができず、バンカー外周寄りに堆積してしまう。そのため、図８に示すように堆積された混合原料を排出した場合、コークス混合率は排出末期で急増してしまう。
【００４０】
そこで、本実施形態では、バンカー中心寄りに装入する混合原料の量を、炉頂バンカー１１に装入する混合原料の総装入量の６０ｍａｓｓ％以上９５ｍａｓｓ％以下とする。これにより、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率を排出初期から排出後期にかけて徐々に増加させるようにする。そして、炉内に形成されるコークス混合鉱石層内で、下層部から上層部にかけてコークスが徐々に密になるように、コークスを上部偏析させる。
【００４１】
次に、上述した比較例１、比較例２、実施例１および実施例２について、それぞれ荷重軟化試験によるコークス混合鉱石層内の還元率分布を測定した。その結果を図９に示す。
図９を参照すると、均一混合の比較例１では、コークス混合鉱石層の高さが高くなるほど（上層部ほど）還元率が低くなっていることがわかる。一方、排出末期で急激にコークス混合率が増加する上部偏析の比較例２では、コークス混合率が高い最上部の還元率が大きく改善されていることがわかる。これに対して、排出後期で全体的にコークス混合率が増加する上部偏析の実施例１及び実施例２では、上層部で全体的に還元率が改善されていることがわかる。
【００４２】
さらに、上述した比較例１、比較例２、実施例１および実施例２について、鉱石の平均還元率を測定したところ、図１０に示す結果が得られた。
この図１０を参照すると、上部偏析の比較例２では、均一混合の比較例１と比較して全体の平均還元率が向上していることがわかる。しかしながら、実施例１および実施例２では、比較例２に対して平均還元率がさらに向上している。
【００４３】
すなわち、装入初期から装入後期までの全期間バンカー中心寄りに装入するよりも、排出初期でバンカー中心寄りに装入し、その後の排出後期でバンカー外周寄りに装入する方が、全体の平均還元率を向上させることができることがわかった。また、バンカー中心寄りへの装入を８０ｍａｓｓ％とした実施例１の方が、バンカー中心寄りへの装入を６０ｍａｓｓ％とした実施例２よりも平均還元率が改善されていることもわかった。
【００４４】
（実施例）
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
ここでは、内容積５０００ｍ3を超える大型高炉において、比較的ガス利用率が低い傾向がある高炉の無次元半径ｒ／Ｒで０．７以上１．０以下の範囲に、コークス層と、コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる操業を行った。コークス層およびコークス混合鉱石層を形成する原料は、図１１に示すベルレス装入装置１０により高炉２０へ装入するようにした。
【００４５】
ベルレス装入装置１０は、図１１に示すように、鉱石とコークスとを混合した混合原料が貯留される炉頂バンカー１１と、コークスのみが貯留される炉頂バンカー１４とを備える。そして、炉頂バンカー１１，１４の下部に設けられたゲート１５，１６の開閉により集合ホッパー１７に装入された炉頂バンカー１１内の混合原料、または炉頂バンカー１４内のコークスが、旋回シュート１８により高炉２０に装入されるようになっている。
混合原料を炉頂バンカー１１に貯留する際には、鉱石とコークスをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、サージホッパーを介して炉頂バンカー１１に装入した。このとき、ゲート１５は原料装入制御部３０によって閉状態に制御した。
【００４６】
また、炉頂バンカー１１には、当該炉頂バンカー１１に装入された混合原料の質量を測定する、例えばロードセルで構成される質量計３１が設けられており、原料装入制御部３０は、質量計３１で測定した炉頂バンカー１１の質量変化（混合原料の装入量に対応）に応じて、炉頂バンカー１１内上部に設置された偏析制御板１２の傾斜角を混合原料の落下位置が中心寄りまたは外周寄りになるように制御するようにした。
さらに、高炉内でコークス混合鉱石層を形成するための混合原料は２バッチに分割して高炉２０へ装入した。このとき、１バッチ目は高炉２０の中心〜中間部に装入し、２バッチ目を高炉２０の周辺部（ｒ／Ｒ＝０．７）に装入した。
【００４７】
ここで、比較例としては、炉頂バンカー１１に混合原料を装入するに際し、１バッチ目、２バッチ目共に第２傾斜角で１００ｍａｓｓ％装入した。すなわち、１バッチ目、２バッチ目共に、装入初期から装入後期までの全期間、偏析制御板１２を原料装入制御部３０によって図５（ｂ）に示す第２傾斜角に維持し、混合原料を装入した。
そして、その炉頂バンカー１１から高炉２０へ混合原料を装入するに際し、１バッチ目、２バッチ目ともに、旋回シュート１８を逆傾動（炉中心から炉壁方向へと傾動）とした。このようにして、コークスがほぼ均一に分布したコークス混合鉱石層を形成し、操業を行った。
【００４８】
一方、実施例としては、炉頂バンカー１１に混合原料を装入するに際し、１バッチ目は第２傾斜角で１００ｍａｓｓ％装入し、２バッチ目は第１傾斜角で８０ｍａｓｓ％装入した後、第２傾斜角で２０ｍａｓｓ％装入する方法とした。すなわち、１バッチ目では、装入初期から装入後期までの全期間、偏析制御板１２を原料装入制御部３０によって図５（ｂ）に示す第２傾斜角に維持し、混合原料を装入した。
そして、２バッチ目では、混合原料が８０ｍａｓｓ％装入されるまでの間、偏析制御板１２を原料装入制御部３０によって図５（ａ）に示す第１傾斜角とし、質量計３１によって混合原料が８０ｍａｓｓ％装入されたことを検出したとき、偏析制御板１２を原料装入制御部３０によって図５（ｂ）に示す第２傾斜角に切り替えて、混合原料を装入した。これにより、２バッチ目の混合原料のコークス混合率は、図７の実施例１に示されるように、排出後期になるにつれて徐々に上昇するようにした。
【００４９】
そして、その炉頂バンカー１１から高炉２０へ混合原料を装入するに際し、１バッチ目、２バッチ目ともに、旋回シュート１８を逆傾動（炉中心から炉壁方向へと傾動）とした。このように、１バッチ目で炉中心〜中間部に均一混合のコークス混合鉱石層を形成し、２バッチ目で高炉の無次元半径で約０．７〜１．０の範囲に、コークスが上部に偏析された上部偏析のコークス混合鉱石層を形成して操業を行った。
ここで、鉱石の平均粒径、混合コークスの平均粒径は、比較例、実施例ともにそれぞれ１５ｍｍ、２５ｍｍとした。操業条件及び操業結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
なお、表１における通気抵抗指数は、高炉シャフト部での通気抵抗を指数化した指標であり、下記（１）式より計算した。
通気抵抗指数＝（（Ａ2−Ｂ2）／Ｃ）×（１／Ｄ1.7）×（２７３／Ｅ） ………（１）
但し、
Ａ＝（（ＢＰ／９８．０６６５）＋１．０３３）×１００００，
Ｂ＝（（ＴＰ／９８．０６６５）＋１．０３３）×１００００，
Ｃ＝１．０３３×１００００×ＬＳＴ，
Ｄ＝ＢＧＶ／ＳＡＶＥ，
Ｅ＝（（ＳＧＴ＋２７３）／２）＋２７３
であり、ＢＰは送風圧力［ｋＰａ］、ＴＰは炉頂圧力［ｋＰａ］、ＬＳＴはストックラインから羽口までの距離［ｍ］、ＢＧＶはボッシュガス流量［Ｎｍ3／ｍｉｎ］、ＳＡＶＥは高炉シャフト部の平均水平断面積［ｍ2］、ＳＧＴは高炉シャフト部の代表ガス温度（１０００℃に固定）である。
【００５２】
また、表１におけるガス利用率は、炉頂ガス中のＣＯとＣＯ2の合計量に対するＣＯ2の比率である。
この表１において比較例と実施例の操業を比較すると、上部偏析とすることで、通気抵抗指数は同等であるにもかかわらず、還元効率が改善した効果によりガス利用率が上昇して、還元材比（コークス比＋微粉炭比）が低下することがわかる。また、コークス比も低下することがわかる。
以上の結果より、本発明は、高炉の還元効率の改善技術として有効であり、さらに、低コークス比操業技術としても有効であることが確認された。
【符号の説明】
【００５３】
１…鉱石、２…コークス、３ａ，３ｂ…コークス層、４ａ，４ｂ…鉱石層、１０…ベルレス装入装置、１１…炉頂バンカー、１２…偏析制御板、１３…排出口、１４…炉頂バンカー、１５，１６…ゲート、１７…集合ホッパー、１８…旋回シュート、２０…高炉、３０…原料装入制御部、３１…質量計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉頂から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に形成する高炉の操業方法に関し、特にコークス混合鉱石層を形成するに際し、鉱石とコークスとをあらかじめ混合させた混合原料を装入する鉱石コークス混合装入法を用いた高炉操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉の効率的な操業のためには、炉内のガスを半径方向に適切に分配する必要がある。そこで、炉内ガス流分布を制御するために、コークスの装入地点を調整し、主として通気の確保が行われてきた。さらに、近年では炉頂装入設備が発展したことから、鉱石−コークスの混合装入が可能となり、通気と還元効率双方の向上が可能となっている。
高炉操業では、通常、炉頂から鉱石とコークスとをそれぞれが交互に層状となるように装入して鉱石層とコークス層とを形成している。これに対して、鉱石層中にコークスをあらかじめ混合させて装入することで、鉱石層自体の還元性を向上させる方法が鉱石コークス混合装入法である（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
鉱石層とコークス層とを形成する通常の操業では、融着帯において、鉱石層の空隙率の低下により通気性が悪化し、鉱石とコークスの接触が少なく還元反応が停滞する。一方、鉱石コークス混合装入法では、融着帯において、鉱石中に混合されたコークスにより融着層の粗大化が抑制されるため、空隙が確保され、通気性が向上し、その結果、鉱石とコークスとの接触が増加して還元性が向上する。
特許文献１に記載の技術においては、ベルレス装入装置を用いて鉱石コークス混合装入を行うために、鉱石とコークスとをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、炉頂バンカーから高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法を採用している。
【０００４】
また、特許文献２に記載の技術においては、複数の炉頂バンカーを有するベルレス装入装置を用いて高炉に原料を装入する際に、鉱石とコークスとを別々の炉頂バンカーに装入し、炉頂バンカーからの排出時に鉱石とコークスの一部を同時に排出して高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法を採用している。
これらの技術は、コークスの単独装入と、鉱石コークス混合装入とを交互に行う方法である。コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層では、鉱石とコークスとがほぼ均一に混合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２１１２１０号公報
【特許文献２】特開２００４−１０７７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、環境問題の観点から、高炉でのコークスの使用量をできるだけ低減できる技術の開発が求められている。したがって、鉱石コークス混合装入法においても、還元効率を一層向上させて、高炉におけるコークスの使用量を低減することが期待される。
そこで、本発明は、鉱石コークス混合装入法を用いた高炉操業において、還元効率を高めてコークスの使用量を低減することができる高炉操業方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る高炉操業方法は、炉頂バンカーに貯留された原料を、該炉頂バンカーの下方に設置した旋回シュートを介して炉頂から装入し、鉱石層とコークス層とを交互に形成する高炉操業方法であって、前記鉱石層は、前記炉頂バンカーに貯留された鉱石とコークスとの混合原料により形成されるコークス混合鉱石層であり、前記炉頂バンカー内上部に、該炉頂バンカーへ装入される原料の落下方向を変更するための傾斜角を調整可能な偏析制御板を設け、前記炉頂バンカーへの前記混合原料の装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を、前記混合原料の落下位置が前記炉頂バンカーの排出口の直上位置となる第１傾斜角から、前記混合原料の落下位置が前記排出口の直上位置から水平方向に離れた側壁位置となる第２傾斜角へ切り替えることを特徴としている。
【０００８】
このように、炉頂バンカーに混合原料を装入するに際し、先ず初めに偏析制御板を第１傾斜角として、混合原料の落下位置を炉頂バンカーの排出口の上方近傍の位置とし、その後、偏析制御板を第２傾斜角に切り替え、混合原料の落下位置を上記排出口から遠い位置とする。これにより、炉頂バンカー内で、混合原料中のコークスを上記排出口から遠い位置に偏析して堆積させることができる。さらにこのとき、炉頂バンカー内で、混合原料中のコークスが上記排出口から遠い位置に集中しすぎるのを抑制することができる。
【０００９】
炉頂バンカー中に堆積した混合原料は排出口の直上から排出されるため、上記のように堆積された混合原料を炉頂バンカーの排出口から排出した場合、混合原料のコークス混合率は、排出初期から排出後期にかけて徐々に増加することになる。したがって、炉頂バンカーから排出される混合原料を、旋回シュートを介して炉内の下層から上層へ順次装入すると、炉内で形成されたコークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることができる。
これにより、炉内において、コークス混合鉱石層の下方ではコークス層からの還元ガスを、上方ではコークス混合鉱石層内に混合されたコークスから発生する還元ガスを、鉱石の還元に利用することができ、還元ガスを効率的に利用することができる。
【００１０】
また、上記において、前記偏析制御板の傾斜角を第１傾斜角として前記炉頂バンカーに装入する前記混合原料の量を、当該混合原料の前記炉頂バンカーへの総装入量の６０ｍａｓｓ％以上９５ｍａｓｓ％以下とすることを特徴としている。
これにより、炉頂バンカーから排出される混合原料のコークス混合率が排出末期で急増することを防止しつつ、当該コークス混合率を排出初期から排出後期にかけて確実に増加させることができる。
【００１１】
さらに、上記において、前記コークス混合鉱石層を形成するための混合原料の高炉への装入の１チャージを、炉中心部への装入バッチと当該炉中心部より炉壁側の炉周辺部への装入バッチとの少なくとも２バッチに分割し、前記炉周辺部への装入バッチで高炉へ装入する前記混合原料の前記炉頂バンカーへの装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を前記第１傾斜角から前記第２傾斜角へ切り替える制御を行うことを特徴としている。
これにより、炉周辺部に形成されるコークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることができ、炉周辺部における還元ガスを効率的に利用することが可能となる。このように、一般に比較的ガス利用率が低くなる傾向がある炉周辺部の還元効率を改善することで、高炉全体の還元効率を効果的に改善することができる。
【００１２】
また、上記において、前記炉周辺部は、高炉の半径をＲ、高炉の中心からの半径方向の位置をｒとしたときの高炉の無次元半径ｒ／Ｒが０．７以上１以下の領域内で設定することを特徴としている。
このように、炉周辺部を０．７≦ｒ／Ｒ≦１の領域内で設定することで、より効果的に高炉全体の還元効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、コークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることができるので、鉱石の還元効率を高めることができ、効率的な高炉の操業が可能となる。また、鉱石の還元効率の向上によりコークスの使用量を低減することができるので、ＣＯ2の発生を削減して、地球環境に貢献した操業とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】均一混合のコークス混合鉱石層の模式図である。
【図２】コークスを上部偏析させたコークス混合鉱石層の模式図である。
【図３】鉱石の平均還元率の測定結果を示す図である。
【図４】鉱石層とコークス層の一例を模式的に示す側面断面図である。
【図５】偏析制御板の傾斜角の違いによる混合原料の堆積状況の違いを示す図である。
【図６】本実施形態での炉頂バンカー内の混合原料の堆積状況を示す図である。
【図７】炉頂バンカーから排出される混合原料中のコークス混合率の変化を示す図である。
【図８】偏析制御板の傾斜角を、混合原料の装入量が９５ｍａｓｓ％超えで第１傾斜角から第２傾斜角に切替えて装入した場合の炉頂バンカー内の混合原料の堆積状況を示す図である。
【図９】コークス混合鉱石層内の還元率分布の測定結果である。
【図１０】鉱石の平均還元率の測定結果を示す図である。
【図１１】ベルレス装入装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明者らは、鉱石層中にコークスが混合されたコークス混合鉱石層におけるコークスの上部偏析の効果を調査するために、荷重軟化試験装置を用いて試験を行った。
荷重軟化試験装置は、高炉内で原料が受ける温度、雰囲気、荷重を再現するものであり、直径１００ｍｍの黒鉛るつぼ内に装入した原料を還元ガス雰囲気で所定の温度に加熱して試験を行った。
【００１６】
このような荷重軟化試験装置にて、コークス層の上に、鉱石層として鉱石のみの層を積層した場合（混合なし）と、鉱石層としてコークスと鉱石とを均一に混合したコークス混合鉱石層を積層した場合（均一混合）と、鉱石層としてコークスを上部偏析させたコークス混合鉱石層を積層した場合（上部偏析）とを用いて実験を行い、それぞれの場合の鉱石の平均還元率を測定した。
ここで、試料としては、コークス層を形成する原料には、平均粒径１５ｍｍ〜２５ｍｍの塊コークスを、コークス混合鉱石層を形成する原料には、平均粒径８ｍｍ〜１０ｍｍの鉱石と平均粒径８ｍｍ〜１０ｍｍのコークスとを用いた。
【００１７】
図１は、均一混合のコークス混合鉱石層の模式図であり、図中符号１は鉱石、符号２はコークスである。この均一混合のコークス混合鉱石層の平均コークス混合率は、１２０ｋｇ／ｔ−ｐ相当とした。ここで、ｋｇ／ｔ−ｐは、溶銑１トンあたりのコークス量を示す単位である。
図２は、上部偏析のコークス混合鉱石層の模式図である。この上部偏析のコークス混合鉱石層の平均コークス混合率は、上記の均一混合のコークス混合鉱石層と同じ１２０ｋｇ／ｔ−ｐ相当とし、上部５０体積％内の平均コークス混合率を１７０ｋｇ／ｔ−ｐ相当、下部５０体積％内の平均コークス混合率を７０ｋｇ／ｔ−ｐ相当とした。すなわち、この上部偏析の例では、コークス混合鉱石層の上半分（上部５０体積％）内に、コークス混合鉱石層内に混合されるコークスの７０ｍａｓｓ％程度を混合した。
【００１８】
図３は、鉱石の平均還元率の測定結果を示す図である。この図３に示すように、コークスと鉱石との混合装入を行うことで、鉱石の単独装入と比べて還元率が向上し、さらにコークスを上部に偏析させることで、還元率がより一層向上している。このように、鉱石層をコークス混合鉱石層とし、さらにこのコークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることで、還元効率を向上させる効果があることが分かった。
均一混合のコークス混合鉱石層を適用した場合、コークス層とコークス混合鉱石層とが層状に重なる炉内において、マクロ的にはコークス層とその上部に積層されたコークス混合鉱石層との境界では、コークス層近傍の鉱石量に対して還元ガスの量が余剰である。そのため、還元効率が低下してしまう。
【００１９】
これに対して、上部偏析されたコークス混合鉱石層を適用した場合には、炉内において、コークス混合鉱石層の下方ではコークス層からの還元ガスを、上方ではコークス混合鉱石層内に混合されたコークスから発生する還元ガスを、鉱石の還元に利用することができる。そのため、還元ガスを効率的に利用することができ、トータルの還元効率が向上すると考えられる。
そこで、本実施形態では、鉱石層を、コークスを上部偏析させたコークス混合鉱石層とし、コークス混合鉱石層の上方をコークスが密の状態に、下方をコークスが粗の状態とする。
【００２０】
この場合、コークス混合鉱石層内の上部ほどコークス密度の高い状態であることが好ましく、コークス混合鉱石層の上半分（上部５０体積％）内に、コークス混合鉱石層内に混合されるコークスの６０ｍａｓｓ％以上が混合されていることが好ましい。さらに好ましくは、コークス混合鉱石層の上半分（上部５０体積％）内に、コークス混合鉱石層内に混合されるコークスの７０ｍａｓｓ％以上が混合されていることである。
【００２１】
なお、実際に高炉内に形成されるコークス混合鉱石層の表面は水平ではなく、高さ分布を有する。つまり、その上面高さ位置は、炉内半径位置により異なる。上記において、コークス混合鉱石層の上半分である上部５０体積％とは、コークス混合鉱石層の任意の範囲における、コークス混合鉱石層の上面から、コークス混合鉱石層の垂直方向の厚さの５０％に相当する距離だけ垂直下方向に離れた点を結んで形成される曲面を仮想した場合、該曲面より上部に位置するコークス混合鉱石層の体積をいう。
【００２２】
コークス混合鉱石層内に混合させるコークス量については、多いことが好ましく、コークスを炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上、特に好ましくは３０ｍａｓｓ％以上コークス混合鉱石層内に混合すると還元効率向上の効果が高い。一方で、コークスをコークス混合鉱石層内に混合する量が多すぎると、コークス層が薄くなり、融着帯でコークススリットが薄くなるため炉下部での通気性が悪化する。したがって、コークス混合鉱石層内に混合するコークスは、コークスを炉頂から装入する全コークス量に対して５０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００２３】
図４は、本発明に係る高炉操業方法を用いて形成した一例での鉱石層とコークス層を模式的に示す側面断面図である。
この図４（ａ）において、ｒ／Ｒは、高炉の半径をＲ、高炉の中心からの半径方向の位置をｒとしたときの高炉の無次元半径であり、ｒ／Ｒ＝０は高炉の中心位置、ｒ／Ｒ＝１は炉壁位置を示している。
【００２４】
コークス層を形成する際には、当該コークス層を形成する１チャージ分のコークスを２バッチに分割して炉頂から装入し、１バッチ目でコークス層３ａを形成し、２バッチ目でコークス層３ｂを形成した。また、鉱石層を形成する際には、当該鉱石層を形成するための原料の装入の１チャージを、炉中心部への装入バッチと当該炉中心部より炉壁側の炉周辺部への装入バッチとの２バッチに分割し、１バッチ目で炉中心部の鉱石層４ａを形成し、２バッチ目で炉周辺部の鉱石層４ｂを形成した。なお、炉周辺部は、ｒ／Ｒが０．７以上１．０以下の領域とした。
【００２５】
ここで、鉱石層４ａ，４ｂは、鉱石とコークスとが混合されたコークス混合鉱石層である。また、本実施形態では、鉱石層４ａを均一混合のコークス混合鉱石層、鉱石層４ｂを上部偏析のコークス混合鉱石層とする。
炉頂バンカーから排出される原料を、ベルレス装入装置の旋回シュートを用いて炉内に旋回装入した場合、例えば鉱石層４ｂの場合を図４（ｂ）に示すように、装入初期の混合原料は下層部へ、装入後期の混合原料は上層部へと、下層から上層へ順次堆積する。
したがって、この鉱石層４ｂ内でコークスを上部偏析させるためには、炉頂バンカーから排出する鉱石層４ｂを形成するための混合原料のコークス混合率（＝コークス量／（鉱石量＋コークス量））を、排出初期から排出後期にかけて増加させればよい。以下、コークスを鉱石層内で上部偏析させる方法について説明する。
【００２６】
ところで、コークスを鉱石層内に均一に混合させる方法としては、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、鉱石とコークスをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、炉頂バンカー受け入れ時に混合させてから高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法や、複数の炉頂バンカーからの排出時に鉱石とコークスの一部を同時に排出して高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法等が知られている。
【００２７】
コークスを鉱石層内に偏析させるには、例えば上記において、切り出しの際にコークスの混合量を変更したり、複数の炉頂バンカーから鉱石とコークスの一部を同時に排出する際に、炉頂バンカーからの排出量や排出速度を、流量調整ゲート等を用いて調節して、コークスの混合割合を変えたりすることで対応できる。しかしこのような方法では、原料装入工程が複雑となり、非効率な操業となるおそれがある。また、流量調整ゲートを有していない設備では対応が困難な場合もある。
【００２８】
そこで、本実施形態では、より簡易且つ効果的に上部偏析させる方法として、図５に示すように、炉頂バンカー１１内上部に、該炉頂バンカー１１へ装入される原料の落下方向を変更する傾動自在な偏析制御板１２を設け、当該偏析制御板１２を活用した方法を採用する。
すなわち、炉頂バンカー１１への原料装入中に偏析制御板１２の傾斜角を変更することで、混合原料の落下位置を装入初期と装入後期とで変更するようにする。このようにして、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率が排出初期から排出後期になるにつれて徐々に増加するような原料分布を形成しながら、炉頂バンカー１１に混合原料を堆積させる。以下、この方法について具体的に説明する。
【００２９】
ここでは、図５に示すように、炉頂バンカー１１の排出口１３が、該炉頂バンカー１１の上方から見て中心から一方へ寄った位置に設けられている場合について説明する。
図５（ａ）は、炉頂バンカー１１内の偏析制御板１２の角度を、排出口１３側（以下、バンカー中心寄りという）に傾斜するように設定した場合である。このとき、偏析制御板１２の傾斜角を、炉頂バンカー１１に装入される混合原料が矢印Ａに示すように排出口１３の直上位置に落下する角度（第１傾斜角）に設定すると、鉱石１はバンカー中心寄りに堆積するが、鉱石１より粒径が大であるコークス２はバンカー外周寄りに流れ込む。
【００３０】
これに対して、図５（ｂ）は、炉頂バンカー１１内の偏析制御板１２の角度を、水平方向で排出口１３側とは反対側（以下、バンカー外周寄りという）に傾斜するように設定した場合である。このとき、偏析制御板１２の角度を、炉頂バンカー１１に装入される混合原料が矢印Ｂに示すように排出口１３の直上位置から水平方向に離れた側壁位置に落下する角度（第２傾斜角）に設定すると、鉱石１はバンカー外周寄りに堆積するが、鉱石１より粒径が大であるコークス２はバンカー中心寄りに流れ込む。
【００３１】
炉頂バンカー１１に堆積した混合原料は、排出口１３の直上が先に排出される。したがって、図５（ａ）の場合には、混合原料中のコークスがバンカー外周寄りに集中しているため、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率は排出後期で増加するものの、排出末期で急増してしまう。つまり、コークス混合率が排出初期から排出後期にかけてほぼ均一に増加するような理想的な結果が得られない。一方、図５（ｂ）の場合には、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率は、排出後期で増加しない。
【００３２】
本実施形態では、炉頂バンカー１１に混合原料を装入する場合に、装入初期は図５（ａ）のようにして、炉頂バンカー１１に装入される混合原料をバンカー中心寄りに落下させ、装入末期は図５（ｂ）のようにして、炉頂バンカー１１に装入される混合原料をバンカー外周寄りに落下させるようにする。
これにより、図６に示すように、炉頂バンカー内でコークス２をバンカー外周寄りに堆積させつつ、その一部２ａをバンカー中心寄りに堆積させる。すなわち、バンカー外周寄りのコークスの集中を抑制するようにする。その結果、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率を排出末期で急激に増加することなく、排出初期から排出後期にかけて徐々に増加するようにする。
【００３３】
図７は、原料装入中における偏析制御板１２の角度の違いによる混合原料中のコークス混合率の変化を示す図である。この図７は模型試験の結果であり、鉱石の平均粒径は１．５ｍｍ、コークスの平均粒径は２．０ｍｍとした。
比較例１として、偏析制御板１２を、装入初期から装入後期までの全期間で図５（ｂ）に示すように混合原料をバンカー外周寄りに落下させるようにして炉頂バンカー１１内に混合原料を装入し、試験を行った。
【００３４】
また、比較例２としては、偏析制御板１２を、装入初期から装入後期までの全期間で図５（ａ）に示すように混合原料をバンカー中心寄りに落下させるようにして炉頂バンカー１１内に混合原料を装入し、試験を行った。
実施例１としては、偏析制御板１２を、装入初期は図５（ａ）に示す第１傾斜角、装入後期は図５（ｂ）に示す第２傾斜角として炉頂バンカー１１内に混合原料を装入し、試験を行った。この実施例１では、炉頂バンカー１１内に装入する混合原料のうち、８０ｍａｓｓ％を第１傾斜角、残りの２０ｍａｓｓ％を第２傾斜角で装入した。
【００３５】
また、実施例２としては、偏析制御板１２を、装入初期は図５（ａ）に示す第１傾斜角、装入後期は図５（ｂ）に示す第２傾斜角として炉頂バンカー１１内に混合原料を装入し、試験を行った。この実施例２では、炉頂バンカー１１内に装入する混合原料のうち、６０ｍａｓｓ％を第１傾斜角、残りの４０ｍａｓｓ％を第２傾斜角で装入した。
図７を参照すると、比較例１では、排出初期から排出後期にかけてコークス混合率に大きな変化はなく、このようにして炉頂バンカー１１から排出された混合原料により形成されるコークス混合鉱石層は、均一混合となることがわかる。
【００３６】
比較例２では、比較例１と比較して、炉頂バンカー１１からの排出初期から排出後期にかけてコークス混合率が増加していることがわかる。特に、装入初期から装入後期までの全期間で図５（ａ）に示す装入により、混合原料中のコークスの大部分をバンカー外周寄りに堆積させると、炉頂バンカーから排出される原料のコークス混合率が排出末期で急激に増加することがわかる。これにより、比較例２の条件で炉頂バンカーから排出された混合原料により形成されるコークス混合鉱石層は、最上層部にコークスが密集した上部偏析となることがわかる。
【００３７】
一方、実施例１，２のように、装入初期は第１傾斜角で混合原料をバンカー中心寄りに落下させ、排出後期は第２傾斜角で混合原料をバンカー外周寄りに落下させると、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率は排出初期から排出後期にかけて増加するが、比較例２のように排出末期で急激に増加することはない。また、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が装入量の６０ｍａｓｓ％以上であれば、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率を排出後期にかけて増加させられることもわかった。
【００３８】
また、実施例１と実施例２とを比較すると、実施例１は、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が８０ｍａｓｓ％と多いため、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が６０ｍａｓｓ％の実施例２よりも炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率が排出末期で増加する比率が大きいことがわかる。
ただし、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が多すぎると、混合原料の落下位置をバンカー外周寄りに変えても、炉頂バンカー１１内でコークスがバンカー外周寄りからバンカー中心寄りに向けて流れ込む効果が得られないため、混合原料のコークス混合率が排出末期で急激に増加してしまい、好ましくない。
【００３９】
図８は、炉頂バンカー１１に装入される混合原料の装入量が９５ｍａｓｓ％を超えてから、偏析制御板１２を第１傾斜角から第２傾斜角に切り替えた場合の炉頂バンカー１１内の混合原料の堆積状況を示す図である。このように、バンカー外周寄りに装入した混合原料中のコークス２ａは、バンカー中心寄りに流れ込むことができず、バンカー外周寄りに堆積してしまう。そのため、図８に示すように堆積された混合原料を排出した場合、コークス混合率は排出末期で急増してしまう。
【００４０】
そこで、本実施形態では、バンカー中心寄りに装入する混合原料の量を、炉頂バンカー１１に装入する混合原料の総装入量の６０ｍａｓｓ％以上９５ｍａｓｓ％以下とする。これにより、炉頂バンカー１１から排出される混合原料のコークス混合率を排出初期から排出後期にかけて徐々に増加させるようにする。そして、炉内に形成されるコークス混合鉱石層内で、下層部から上層部にかけてコークスが徐々に密になるように、コークスを上部偏析させる。
【００４１】
次に、上述した比較例１、比較例２、実施例１および実施例２について、それぞれ荷重軟化試験によるコークス混合鉱石層内の還元率分布を測定した。その結果を図９に示す。
図９を参照すると、均一混合の比較例１では、コークス混合鉱石層の高さが高くなるほど（上層部ほど）還元率が低くなっていることがわかる。一方、排出末期で急激にコークス混合率が増加する上部偏析の比較例２では、コークス混合率が高い最上部の還元率が大きく改善されていることがわかる。これに対して、排出後期で全体的にコークス混合率が増加する上部偏析の実施例１及び実施例２では、上層部で全体的に還元率が改善されていることがわかる。
【００４２】
さらに、上述した比較例１、比較例２、実施例１および実施例２について、鉱石の平均還元率を測定したところ、図１０に示す結果が得られた。
この図１０を参照すると、上部偏析の比較例２では、均一混合の比較例１と比較して全体の平均還元率が向上していることがわかる。しかしながら、実施例１および実施例２では、比較例２に対して平均還元率がさらに向上している。
【００４３】
すなわち、装入初期から装入後期までの全期間バンカー中心寄りに装入するよりも、排出初期でバンカー中心寄りに装入し、その後の排出後期でバンカー外周寄りに装入する方が、全体の平均還元率を向上させることができることがわかった。また、バンカー中心寄りへの装入を８０ｍａｓｓ％とした実施例１の方が、バンカー中心寄りへの装入を６０ｍａｓｓ％とした実施例２よりも平均還元率が改善されていることもわかった。
【００４４】
（実施例）
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
ここでは、内容積５０００ｍ3を超える大型高炉において、比較的ガス利用率が低い傾向がある高炉の無次元半径ｒ／Ｒで０．７以上１．０以下の範囲に、コークス層と、コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる操業を行った。コークス層およびコークス混合鉱石層を形成する原料は、図１１に示すベルレス装入装置１０により高炉２０へ装入するようにした。
【００４５】
ベルレス装入装置１０は、図１１に示すように、鉱石とコークスとを混合した混合原料が貯留される炉頂バンカー１１と、コークスのみが貯留される炉頂バンカー１４とを備える。そして、炉頂バンカー１１，１４の下部に設けられたゲート１５，１６の開閉により集合ホッパー１７に装入された炉頂バンカー１１内の混合原料、または炉頂バンカー１４内のコークスが、旋回シュート１８により高炉２０に装入されるようになっている。
混合原料を炉頂バンカー１１に貯留する際には、鉱石とコークスをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、サージホッパーを介して炉頂バンカー１１に装入した。このとき、ゲート１５は原料装入制御部３０によって閉状態に制御した。
【００４６】
また、炉頂バンカー１１には、当該炉頂バンカー１１に装入された混合原料の質量を測定する、例えばロードセルで構成される質量計３１が設けられており、原料装入制御部３０は、質量計３１で測定した炉頂バンカー１１の質量変化（混合原料の装入量に対応）に応じて、炉頂バンカー１１内上部に設置された偏析制御板１２の傾斜角を混合原料の落下位置が中心寄りまたは外周寄りになるように制御するようにした。
さらに、高炉内でコークス混合鉱石層を形成するための混合原料は２バッチに分割して高炉２０へ装入した。このとき、１バッチ目は高炉２０の中心〜中間部に装入し、２バッチ目を高炉２０の周辺部（ｒ／Ｒ＝０．７）に装入した。
【００４７】
ここで、比較例としては、炉頂バンカー１１に混合原料を装入するに際し、１バッチ目、２バッチ目共に第２傾斜角で１００ｍａｓｓ％装入した。すなわち、１バッチ目、２バッチ目共に、装入初期から装入後期までの全期間、偏析制御板１２を原料装入制御部３０によって図５（ｂ）に示す第２傾斜角に維持し、混合原料を装入した。
そして、その炉頂バンカー１１から高炉２０へ混合原料を装入するに際し、１バッチ目、２バッチ目ともに、旋回シュート１８を逆傾動（炉中心から炉壁方向へと傾動）とした。このようにして、コークスがほぼ均一に分布したコークス混合鉱石層を形成し、操業を行った。
【００４８】
一方、実施例としては、炉頂バンカー１１に混合原料を装入するに際し、１バッチ目は第２傾斜角で１００ｍａｓｓ％装入し、２バッチ目は第１傾斜角で８０ｍａｓｓ％装入した後、第２傾斜角で２０ｍａｓｓ％装入する方法とした。すなわち、１バッチ目では、装入初期から装入後期までの全期間、偏析制御板１２を原料装入制御部３０によって図５（ｂ）に示す第２傾斜角に維持し、混合原料を装入した。
そして、２バッチ目では、混合原料が８０ｍａｓｓ％装入されるまでの間、偏析制御板１２を原料装入制御部３０によって図５（ａ）に示す第１傾斜角とし、質量計３１によって混合原料が８０ｍａｓｓ％装入されたことを検出したとき、偏析制御板１２を原料装入制御部３０によって図５（ｂ）に示す第２傾斜角に切り替えて、混合原料を装入した。これにより、２バッチ目の混合原料のコークス混合率は、図７の実施例１に示されるように、排出後期になるにつれて徐々に上昇するようにした。
【００４９】
そして、その炉頂バンカー１１から高炉２０へ混合原料を装入するに際し、１バッチ目、２バッチ目ともに、旋回シュート１８を逆傾動（炉中心から炉壁方向へと傾動）とした。このように、１バッチ目で炉中心〜中間部に均一混合のコークス混合鉱石層を形成し、２バッチ目で高炉の無次元半径で約０．７〜１．０の範囲に、コークスが上部に偏析された上部偏析のコークス混合鉱石層を形成して操業を行った。
ここで、鉱石の平均粒径、混合コークスの平均粒径は、比較例、実施例ともにそれぞれ１５ｍｍ、２５ｍｍとした。操業条件及び操業結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
なお、表１における通気抵抗指数は、高炉シャフト部での通気抵抗を指数化した指標であり、下記（１）式より計算した。
通気抵抗指数＝（（Ａ2−Ｂ2）／Ｃ）×（１／Ｄ1.7）×（２７３／Ｅ） ………（１）
但し、
Ａ＝（（ＢＰ／９８．０６６５）＋１．０３３）×１００００，
Ｂ＝（（ＴＰ／９８．０６６５）＋１．０３３）×１００００，
Ｃ＝１．０３３×１００００×ＬＳＴ，
Ｄ＝ＢＧＶ／ＳＡＶＥ，
Ｅ＝（（ＳＧＴ＋２７３）／２）＋２７３
であり、ＢＰは送風圧力［ｋＰａ］、ＴＰは炉頂圧力［ｋＰａ］、ＬＳＴはストックラインから羽口までの距離［ｍ］、ＢＧＶはボッシュガス流量［Ｎｍ3／ｍｉｎ］、ＳＡＶＥは高炉シャフト部の平均水平断面積［ｍ2］、ＳＧＴは高炉シャフト部の代表ガス温度（１０００℃に固定）である。
【００５２】
また、表１におけるガス利用率は、炉頂ガス中のＣＯとＣＯ2の合計量に対するＣＯ2の比率である。
この表１において比較例と実施例の操業を比較すると、上部偏析とすることで、通気抵抗指数は同等であるにもかかわらず、還元効率が改善した効果によりガス利用率が上昇して、還元材比（コークス比＋微粉炭比）が低下することがわかる。また、コークス比も低下することがわかる。
以上の結果より、本発明は、高炉の還元効率の改善技術として有効であり、さらに、低コークス比操業技術としても有効であることが確認された。
【符号の説明】
【００５３】
１…鉱石、２…コークス、３ａ，３ｂ…コークス層、４ａ，４ｂ…鉱石層、１０…ベルレス装入装置、１１…炉頂バンカー、１２…偏析制御板、１３…排出口、１４…炉頂バンカー、１５，１６…ゲート、１７…集合ホッパー、１８…旋回シュート、２０…高炉、３０…原料装入制御部、３１…質量計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉頂バンカーに貯留された原料を、該炉頂バンカーの下方に設置した旋回シュートを介して炉頂から装入し、鉱石層とコークス層とを交互に形成する高炉操業方法であって、
前記鉱石層は、前記炉頂バンカーに貯留された鉱石とコークスとの混合原料により形成されるコークス混合鉱石層であり、
前記炉頂バンカー内上部に、該炉頂バンカーへ装入される原料の落下方向を変更するための傾斜角を調整可能な偏析制御板を設け、前記炉頂バンカーへの前記混合原料の装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を、前記混合原料の落下位置が前記炉頂バンカーの排出口の直上位置となる第１傾斜角から、前記混合原料の落下位置が前記排出口の直上位置から水平方向に離れた側壁位置となる第２傾斜角へ切り替えることを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
前記偏析制御板の傾斜角を前記第１傾斜角として前記炉頂バンカーに装入する混合原料の量を、当該混合原料の前記炉頂バンカーへの総装入量の６０ｍａｓｓ％以上９５ｍａｓｓ％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
前記コークス混合鉱石層を形成するための混合原料の高炉への装入の１チャージを、炉中心部への装入バッチと当該炉中心部より炉壁側の炉周辺部への装入バッチとの少なくとも２バッチに分割し、
前記炉周辺部への装入バッチで高炉へ装入する前記混合原料の前記炉頂バンカーへの装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を前記第１傾斜角から前記第２傾斜角へ切り替える制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。
【請求項４】
前記炉周辺部は、高炉の半径をＲ、高炉の中心からの半径方向の位置をｒとしたときの高炉の無次元半径ｒ／Ｒが０．７以上１以下の領域内で設定することを特徴とする請求項３に記載の高炉操業方法。
【請求項１】
炉頂バンカーに貯留された原料を、該炉頂バンカーの下方に設置した旋回シュートを介して炉頂から装入し、鉱石層とコークス層とを交互に形成する高炉操業方法であって、
前記鉱石層は、前記炉頂バンカーに貯留された鉱石とコークスとの混合原料により形成されるコークス混合鉱石層であり、
前記炉頂バンカー内上部に、該炉頂バンカーへ装入される原料の落下方向を変更するための傾斜角を調整可能な偏析制御板を設け、前記炉頂バンカーへの前記混合原料の装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を、前記混合原料の落下位置が前記炉頂バンカーの排出口の直上位置となる第１傾斜角から、前記混合原料の落下位置が前記排出口の直上位置から水平方向に離れた側壁位置となる第２傾斜角へ切り替えることを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
前記偏析制御板の傾斜角を前記第１傾斜角として前記炉頂バンカーに装入する混合原料の量を、当該混合原料の前記炉頂バンカーへの総装入量の６０ｍａｓｓ％以上９５ｍａｓｓ％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
前記コークス混合鉱石層を形成するための混合原料の高炉への装入の１チャージを、炉中心部への装入バッチと当該炉中心部より炉壁側の炉周辺部への装入バッチとの少なくとも２バッチに分割し、
前記炉周辺部への装入バッチで高炉へ装入する前記混合原料の前記炉頂バンカーへの装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を前記第１傾斜角から前記第２傾斜角へ切り替える制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。
【請求項４】
前記炉周辺部は、高炉の半径をＲ、高炉の中心からの半径方向の位置をｒとしたときの高炉の無次元半径ｒ／Ｒが０．７以上１以下の領域内で設定することを特徴とする請求項３に記載の高炉操業方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−９５９７０（Ｐ２０１３−９５９７０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４０５７６（Ｐ２０１１−２４０５７６）
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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