JP6515285B2 - 高炉の原料装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉頂バンカから集合ホッパ、垂直シュート及び旋回シュートを介して高炉に原料を装入する方法に関する。

従来、高炉に原料を装入する装置としてベルレス式炉頂装入装置が知られている。炉頂装入装置は、炉頂バンカの下方に、集合ホッパ、垂直シュート及び旋回シュートがこの順で配置された構成を有している。そして、炉頂バンカから集合ホッパと垂直シュートを介して旋回シュートに原料を排出し、旋回シュートを回転させながら当該旋回シュートから高炉に原料を装入する。

ここで、炉頂バンカが並列に配置されている、いわゆる並列バンカ方式の炉頂装入装置では、各炉頂バンカが垂直シュートの中心軸から偏心して配置される。かかる場合、炉頂バンカからの原料は、集合ホッパから垂直シュートへの落下時に水平方向の速度成分を持って排出されるため、垂直シュート内で原料が偏心（偏流）し、旋回シュートの異なる位置に落下する。その結果、旋回シュート上を原料が移動する時間や、旋回シュートから排出される原料の落下速度、落下軌跡等が変動し、さらに高炉内での原料の堆積位置が変動して、高炉の円周方向における原料分布に偏差が生じる場合がある。そして、円周方向の原料分布偏差により、安定した高炉操業ができないおそれがある。

一般的には、原料流量を増加させるにつれて、垂直シュート内の原料偏心は抑制されるとされている。しかしながら、原料流量の増加は、垂直シュートの閉塞につながる。垂直シュートが閉塞すると、休風による対処が必要となるため、通常は小流量で操業を行う。

そこで、従来、小流量でも垂直シュート内の原料偏心を抑制するため、種々の方法が提案されている。

特許文献１には、集合ホッパ内に分流突起を設けることで、原料を分散させ、垂直シュート内の原料偏心を抑制する方法が提案されている。

非特許文献１には、集合ホッパ内に垂直シュートを突き出させることで、当該集合ホッパ内に原料を滞留させ、垂直シュート内の原料偏心を抑制できることが記載されている。

特許文献２と特許文献３には、垂直シュート上部に可動機器を設置し、この可動機器を制御することで、垂直シュート内の原料偏心を抑制する方法が提案されている。

特許第３７９９９８７号公報 特許第２９２１７７７号公報 特許第３７７７６５４号公報

沢田寿郎ら著 「３並列バンカー式ベルレス高炉の操業と装入物分布制御」 鉄と鋼 Ｖｏｌ．７８（１９９２）Ｎｏ．８ Ｐ１３３７−１３４４ 一般社団法人 日本鉄鋼協会

しかしながら、特許文献１に記載された方法を用いた場合、分流突起によって原料が分散するので、集合ホッパ内に原料が大量に蓄積する。集合ホッパ内にはシール弁駆動装置や、原料流れを検知する振動センサ一等の付帯機器が設置されており、蓄積した原料はこれら付帯機器の動作を妨げる。そのため、集合ホッパ内に原料を蓄積させるのは好ましくない。また、別途の分流突起を設ける必要があり、その手間や費用がかかる。

また、非特許文献１に記載された方法を用いた場合も、集合ホッパ内に一旦原料を滞留させる必要があるため、垂直シュートの閉塞の原因となり好ましくない。

さらに、特許文献２と特許文献３に記載された方法を用いた場合、別途の可動機器自体の費用が高額となる。加えて、可動機器設置には垂直シュート長さがある程度必要となるため、炉頂装入装置自体を高い位置に設置する必要があり、高炉自体の設備費も高額となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、炉頂装入装置における垂直シュート内の原料の偏心を抑制し、高炉に原料を適切に装入することを目的とする。

上述したように、従来、原料流量を増加させるにつれて、垂直シュート内の原料偏心は単調減少するとされてきた。この点について、本発明者らは、集合ホッパ内と垂直シュート内の原料の流動挙動と、集合ホッパと垂直シュートからの原料の排出挙動とを離散要素法により調査し、垂直シュート内の原料偏心を更に詳細に調べた。その結果、垂直シュート内の原料偏心は、所定の原料流量で極小値をとることを見出した。

本発明者らは、かかる知見に基づいて、本発明に想到した。すなわち、本発明は、炉頂バンカから集合ホッパ、垂直シュート及び旋回シュートを介して高炉に原料を装入する方法であって、下記式（１）を満たす流量で原料を高炉へ装入することを特徴としている。なお、これら上限値と下限値の根拠については、後述の実施の形態において詳しく説明する。
０．３０≦Ｆ／Ｆｍａｘ≦０．４９ ・・・（１）
但し、Ｆ［ｔ／ｓ］：原料の流量、Ｆｍａｘ［ｔ／ｓ］：下記式（２）で表される原料の最大流量であって、垂直シュート上端における原料落下速度がゼロであると仮定した場合の、垂直シュート下端における最大流量
但し、ｇ：重力定数（＝９．８［ｍ／ｓ ^２ ］）、Ａ：垂直シュート下端断面積（=πＤｂ ^２ ／４［ｍ ^２ ］）、Ｌａ：垂直シュートのテーパ部の垂直方向長さ［ｍ］、ＢＤ：原料の嵩密度［ｔ／ｍ ^３ ］

また、この高炉の原料装入方法においては、前記集合ホッパの底面の傾斜角度は、原料の安息角以下であるのが好ましい。

本発明によれば、原料流量を調整することで、垂直シュート内の原料の偏心を抑制し、高炉に原料を適切に装入することができる。これにより安定した高炉操業が可能となる。しかも、垂直シュート内の原料の偏心を抑制するにあたり、従来のように炉頂装入装置に別途の機器を設ける必要がない。すなわち、新たな設備投資が必要ない。

本実施の形態で用いられる炉頂装入装置の構成の概略を模式的に示す説明図である。 集合ホッパと垂直シュートの構成の概略を示す説明図である。 旋回シュートの構成の概略を示す説明図である。 原料流量を変動させた場合の、集合ホッパと垂直シュートにおける原料の挙動を示す説明図である。 原料流量と原料主流位置との関係を示すグラフである。 方位と落下軌跡主流位置との関係を示すグラフである。 無次元流量と落下流の最大偏差との関係を示すグラフである。

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．炉頂装入装置＞
先ず、本実施の形態で用いられる炉頂装入装置について説明する。図１は、当該炉頂装入装置の構成の概略を模式的に示す説明図である。炉頂装入装置１０は、並列バンカ方式の炉頂装入装置であり、高炉２０に原料を装入する。

炉頂装入装置１０は、複数、例えば２つの炉頂バンカ１１ａ、１１ｂ、集合ホッパ１２、垂直シュート１３、及び旋回シュート１４を有している。炉頂バンカ１１ａ、１１ｂ、集合ホッパ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。

炉頂バンカ１１ａ、１１ｂは、並列に対向配置され、且つ各炉頂バンカ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。各炉頂バンカ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。各炉頂バンカ１１ａ、１１ｂには、装入１回分の原料Ｍａ、Ｍｂが一時的に保管される。一方の炉頂バンカ１１ａ内の原料Ｍａを炉内に装入する間に、もう一方の炉頂バンカ１１ｂに原料Ｍｂを受け入れる。これを交互に繰り返すことで、原料の受け入れ、装入にかかる時間を短縮している。原料Ｍａは例えば鉱石であり、原料Ｍｂは例えばコークスである。なお、以下の説明においては、原料Ｍａ、Ｍｂを総称して原料Ｍという場合がある。

集合ホッパ１２は、炉頂バンカ１１ａ、１１ｂから排出された原料Ｍを集めて垂直シュート１３に流す。

垂直シュート１３は、図２に示すようにテーパ部１６と垂直部１７を有している。テーパ部１６は集合ホッパ１２の下端に接続され、垂直部１７はテーパ部１６から下方に延伸している。テーパ部１６は、その上端の径Ｄａが下端の径Ｄｂより大きく、上方から下方に向けてテーパ状に径が小さくなり、略円錐台形状を有している。垂直部１７は、その径Ｄｂが一定で略円筒形状を有している。

旋回シュート１４は、図３に示すようにその上面が開口し、垂直シュート１３から排出された原料Ｍを受け、その先端から高炉２０内に原料Ｍ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回動（傾動）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、炉頂装入装置１０では、炉頂バンカ１１ａ、１１ｂ内の原料Ｍが、流量調整ゲート１５ａ、１５ｂで流量調整されて、集合ホッパ１２に排出される。集合ホッパ１２で集められた原料Ｍは、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。

＜２．垂直シュート下端における評価＞
本発明者らは、集合ホッパ１２内と垂直シュート１３内の原料Ｍの流動挙動と、集合ホッパ１２と垂直シュート１３からの原料Ｍの排出挙動を離散要素法により調査し、垂直シュート１３内の原料Ｍの偏心について調べた。その結果、垂直シュート１３内の原料Ｍの偏心は、以下に述べるとおり、所定の原料流量で極小値をとることを見出した。

調査対象の垂直シュート１３の寸法は、次のとおりである。図２に示すように、テーパ部１６の上端径Ｄａが８７０ｍｍ、テーパ部１６（垂直部１７）の下端径Ｄｂが６００ｍｍ、テーパ部１６の垂直方向長さＬａが１４７０ｍｍ、テーパ部１６の垂直方向長さＬｂが２０７０ｍｍである。また、テーパ部１６の垂直方向からの傾斜角度θ１は約５度である。

そして、炉頂バンカ１１ａから原料Ｍを排出し、その挙動を調査した。この際、図４に示すように、原料流量を８ｔ／ｍｉｎ、１６ｔ／ｍｉｎ、２４ｔ／ｍｉｎ、３２ｔ／ｍｉｎ、４０ｔ／ｍｉｎ、４８ｔ／ｍｉｎに変動させて、垂直シュート１３内の原料偏心に対する原料流量の影響について調査した。

調査結果を図４に示す。図４において、上段は集合ホッパ１２と垂直シュート１３を側面から見た原料Ｍの流量分布を示し、下段は垂直シュート１３の下端断面における原料Ｍの流量分布を示している。

原料流量が極端に少ない場合（８ｔ／ｍｉｎ）、原料Ｍは、炉頂バンカ１１ａと反対側（図中右側）に偏心して垂直シュート１３に落下する。原料流量が２４ｔ／ｍｉｎ程度まで増加すると、垂直シュート１３内で原料Ｍの流れが図中左側に押し戻されるため、原料Ｍは垂直シュート１３の下端では中心を通る。さらに原料流量が増加し３２ｔ／ｍｉｎを超えると、原料Ｍの流れが過剰に押し戻され、炉頂バンカ１１ａ側（図中左側）に偏心する。原料流量が４８ｔ／ｍｉｎを超えると、原料Ｍは集合ホッパ１２内で一度滞留したのちに落下するため、原料偏心はなくなる。しかし、この場合は集合ホッパ１２を閉塞するおそれがあるため不適である。

図５は、上記調査結果（図４）をグラフ化したものであり、原料流量が、垂直シュート１３内の原料Ｍの主流位置（以下、原料主流位置）に及ぼす影響を示している。ここで、原料主流位置が正の値をとるとき、原料Ｍは図４の右側に偏流しており、原料主流位置が負の値をとるとき、原料Ｍは図４の左側に偏心していることを示す。したがって、原料主流位置が０（ゼロ）となるとき、原料Ｍは偏心せず、垂直シュート１３の下端中心を通過することを示す。

以上、図４及び図５を参照すると、垂直シュート１３の下端で評価した場合、原料流量２４ｔ／ｍｉｎ程度が、偏心が少なく最適であることが分かった。なお、ここで導出された原料流量２４ｔ／ｍｉｎは、高炉の大きさによって変動するものであり、その絶対値自体が重要なのではない。垂直シュート１３内の原料Ｍの偏心が、所定の原料流量で極小値をとることが重要なのであり、本発明における新しい知見なのである。

＜３．炉内装入面における評価＞
高炉２０内に原料を装入する際には、「ノッチ」と呼ばれる刻み幅に、原料Ｍの装入位置を割り付けて制御する。ここで、旋回シュート１４から飛び出す原料Ｍの位置を落下軌跡と呼ぶと、ノッチの刻み幅よりも、落下軌跡の円周方向偏差が大きい場合、原料Ｍの落下位置の制御ができず、高炉２０に与える影響が大きいといえる。ノッチ数は、高炉によって異なるが、１０〜２０程度が一般的である。現在操業中の大型高炉の直径は約１０ｍ（半径は５ｍ）であるため、１ノッチ分の刻み幅は２５〜５０ｃｍである。したがって、高炉２０の安定操業のためには、落下軌跡の円周方向偏差を２５ｃｍ以内に抑制する必要がある。

垂直シュート１３内の原料偏心は、原料Ｍを高炉２０内に装入する際、落下軌跡の円周方向偏差の原因となる。そこで、上記＜２．垂直シュート下端における評価＞で行った調査において、落下軌跡の炉内装入面での主流位置をさらに調べた。一例として、落下軌跡の円周方向偏差が最も大きい、原料流量８ｔ／ｍｉｎの落下軌跡の炉内装入面での主流位置を図６に示す。図６の横軸は、基準位置からの円周方向の方位を示している。図６を参照すると、方位により、落下軌跡の位置が５０ｃｍ程度異なることが分かり、この場合、高炉２０の安定操業に悪影響を及ぼす。

本発明では、落下軌跡の円周方向偏差を２５ｃｍ以内に抑制するための、原料流量の範囲を導出するため、以下のパラメータを用いる。すなわち、落下軌跡の円周方向偏差を評価する際に、高炉２０の中心から落下軌跡までの距離のうち、円周方向の最大値と最小値の差を、原料Ｍの落下流の最大偏差と定義して用いる。また、原料流量（Ｆ［ｔ／ｓ］）は高炉の大きさによって大きく異なるため、原料Ｍの最大体積流量（Ｆｍａｘ［ｔ／ｓ］）との比であるＦ／Ｆｍａｘで表現することとする。Ｆｍａｘは、垂直シュート１３の上端における原料Ｍの落下速度が０（ゼロ）であると仮定した場合の、垂直シュート１３の下端における原料Ｍの最大流量であり、下記式（２）で表わされる。
但し、ｇ：重力定数（＝９．８［ｍ／ｓ^２］）、Ａ：垂直シュート下端断面積（=πＤｂ^２／４［ｍ^２］）、Ｌａ：垂直シュートのテーパ部の垂直方向長さ［ｍ］、ＢＤ：原料の嵩密度［ｔ／ｍ ^３ ］

上記＜２．垂直シュート下端における評価＞で行った調査において、落下流の最大偏差と原料の無次元流量（Ｆ／Ｆｍａｘ）との関係を図７に示す。図７によれば、落下流の最大偏差を２５ｃｍ以内とするためには、原料の無次元流量（Ｆ／Ｆｍａｘ）は、式（１）で示したとおり０．３０〜０．４９の範囲とする必要がある。換言すれば、原料の無次元流量（Ｆ／Ｆｍａｘ）を０．３０〜０．４９に調整すれば、従来のように別途の機器を設けることなく、炉頂装入装置１０から高炉２０に原料Ｍを適切に装入することができるのである。
０．３０≦Ｆ／Ｆｍａｘ≦０．４９ ・・・（１）

なお、本実施の形態では、テーパ部１６の傾斜角度θ１が約５度である場合に、原料の無次元流量（Ｆ／Ｆｍａｘ）の範囲、すなわち式（１）を導出した。しかしながら、傾斜角度θ１はこれに限定されるものではなく、式（１）を満たすように調整すればよい。本発明者らが鋭意検討した結果、この傾斜角度θ１を３〜５度とするのが好ましい。

＜４．集合ホッパの傾斜角度＞
垂直シュート１３内の原料Ｍの偏心を抑制するためには、上述した原料流量の調整に加えて、集合ホッパ１２から垂直シュート１３に入る原料Ｍの挙動を制御するのが好ましい。このために、図２に示した集合ホッパ１２の底面の傾斜角度θ２を規定する。

集合ホッパ１２の傾斜角度θ２が原料Ｍの安息角より大きい場合、当該集合ホッパ１２から流入した原料Ｍが垂直シュート１３に衝突する位置を制御することが困難になる。その結果、垂直シュート１３内の原料偏心を制御しにくくなるおそれがある。

そこで、集合ホッパ１２の傾斜角度θ２は、原料Ｍの安息角以下とするのが好ましい。すなわち、本実施の形態のように異なる原料Ｍａ、Ｍｂが用いられる場合、傾斜角度θ２は、原料Ｍａ、Ｍｂの安息角のいずれか小さい方の角度以下となり、例えば０度〜２５度である。

かかる場合、集合ホッパ１２の内部に原料Ｍを一時的に滞留されるので、炉頂バンカ１１ａ、１１ｂから排出された原料Ｍが集合ホッパ１２の種々の位置に落下しても、当該集合ホッパ１２から垂直シュート１３内に原料Ｍが安定して排出される。したがって、垂直シュート１３内の原料Ｍの偏心をより確実に抑制することができる。

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。

本発明は、並列バンカ方式の炉頂装入装置から高炉に原料を装入する際に有用である。

１０ 炉頂装入装置
１１ａ、１１ｂ 炉頂バンカ
１２ 集合ホッパ
１３ 垂直シュート
１４ 旋回シュート
１５ａ、１５ｂ 流量調整ゲート
１６ テーパ部
１７ 垂直部
２０ 高炉
Ｍ（Ｍａ、Ｂｂ） 原料

Claims (2)

1. 炉頂バンカから集合ホッパ、垂直シュート及び旋回シュートを介して高炉に原料を装入する方法であって、
   下記式（１）を満たす流量で原料を高炉へ装入することを特徴とする、高炉の原料装入方法。
   ０．３０≦Ｆ／Ｆｍａｘ≦０．４９ ・・・（１）
   但し、Ｆ［ｔ／ｓ］：原料の流量、Ｆｍａｘ［ｔ／ｓ］：下記式（２）で表される原料の最大流量であって、垂直シュート上端における原料落下速度がゼロであると仮定した場合の、垂直シュート下端における最大流量
   但し、ｇ：重力定数（＝９．８［ｍ／ｓ ^２ ］）、Ａ：垂直シュート下端断面積（=πＤｂ ^２ ／４［ｍ ^２ ］）、Ｌａ：垂直シュートのテーパ部の垂直方向長さ［ｍ］、ＢＤ：原料の嵩密度［ｔ／ｍ ^３ ］
   
2. 前記集合ホッパの底面の傾斜角度は、原料の安息角以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高炉の原料装入方法。