(57)【要約】      （修正有）【課題】気体燃料の着火や燃焼を効果的に防止し、着火や燃焼が起きても、気体燃料の供給を停止することなく焼結操業を継続することができる焼結鉱の製造方法を提案する。【解決手段】循環移動するパレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入する装入工程と、その装入層表面の炭材に点火する点火工程と、装入層上方のフード内の大気中に気体燃料を供給する気体燃料供給工程と、パレット下に配置されたウインドボックスで上記気体燃料と空気を装入層内に吸引し、装入層内の炭材を燃焼させると共に、上記気体燃料を炭材燃焼により形成される燃焼・溶融帯のより上層部で燃焼させて焼結原料を焼結する焼結工程を有する焼結鉱の製造方法において、上記気体燃料供給工程で、気体燃料にさらに消炎性ガスを混合し希釈する。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環移動するパレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入して装入層を形成する装入工程と、
その装入層表面の炭材に点火炉を使って点火する点火工程と、
装入層上方のフード内の大気中に気体燃料を供給する気体燃料供給工程と、
パレット下に配置されたウインドボックスで上記気体燃料と空気を装入層内に吸引し、装入層内の炭材を燃焼させると共に、上記気体燃料を炭材燃焼により形成される燃焼・溶融帯のより上層部で燃焼させて焼結原料を焼結する焼結工程を有する焼結鉱の製造方法において、
上記気体燃料供給工程で、気体燃料にさらに消炎性ガスを混合し希釈することを特徴とする焼結鉱の製造方法。
【請求項２】
上記気体燃料供給工程で、装入層表面の上方３０ｍｍ以上の高さから、気体燃料および消炎性ガスを、下記（１）式を満たして供給することを特徴とする請求項１に記載の焼結鉱の製造方法。
記
ｈ≧２．５ｄ（２００／Ｃ＋１）＋５０（１−ｃｏｓβ）  ・・・（１）
ここで、ｈ：装入層表面からのノズル高さ（ｍｍ）（ただし、ｈ≧３０ｍｍ）
ｄ：ノズルの口径（ｍｍ）
β：鉛直下方からのノズル吹出角度（度）
Ｃ：気体燃料の燃焼下限濃度（ｖｏｌ％）
【請求項３】
上記消炎性ガスは、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガスおよび水蒸気のうちから選ばれる１種または２種以上を混合したガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の焼結鉱の製造方法。
【請求項４】
上記消炎性ガスは、フード内のいずれかの位置で希釈気体燃料の濃度が燃焼下限濃度の１／４以上となったとき、および／または、フード内の気体燃料に着火した場合に混合することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焼結鉱の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度高品質の焼結鉱を高歩留りかつ安全に製造することができる下方吸引式焼結機による焼結鉱の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高炉製銑法の主原料である焼結鉱は、一般に、図１に示すような工程を経て製造される。焼結鉱の原料は、鉄鉱石粉や焼結鉱篩下粉、製鉄所内で発生した回収粉、石灰石およびドロマイトなどの含ＣａＯ系副原料、生石灰等の造粒助剤、コークス粉や無煙炭などであり、これらの原料は、ホッパー１・・・の各々から、コンベヤ上に所定の割合で切り出される。切り出された原料は、ドラムミキサー２および３等によって適量の水が加えられ、混合、造粒されて、平均径が３〜６ｍｍの擬似粒子である焼結原料とされる。この焼結原料は、その後、焼結機上に配置されているサージホッパー４、５からドラムフィーダー６と切り出しシュート７を介して、無端移動式の焼結機パレット８上に装入され、焼結ベッドともいわれる装入層９を形成する。装入層の厚さ（高さ）は通常４００〜８００ｍｍ前後である。なお、装入層表面位置は、焼結パレット上に設置されたカットオフプレート１２により一定に制御されており、装入層の厚みは、パレット８上端からカットオフプレート１２下端までの距離に相当する。その後、装入層９の上方に設置された点火炉１０により、装入層表層の炭材に点火するとともに、パレット８の直下に配設されているウインドボックス１１を介して大気を下方に吸引することにより、該装入層中の炭材を順次燃焼させ、このときに発生する燃焼熱で前記焼結原料を溶融して焼結ケーキを得る。このようにして得た焼結ケーキは、その後、破砕、整粒され、所定粒径（例えば、約５ｍｍ）以上の塊成物が、成品焼結鉱として回収される。
【０００３】
上記製造プロセスにおいて、点火炉１０によって点火された装入層中の炭材は、その後、ウインドボックスによって装入層の上層から下層に向かって吸引される大気によって燃焼を続け、幅をもった燃焼・溶融帯（以降、単に「燃焼帯」ともいう。）を形成する。この燃焼帯は、パレット８が下流側に移動するのに伴って次第に装入層の上層から下層に移行し、燃焼帯が通過した後には焼結ケーキ層（以降、単に「焼結層」ともいう。）が生成されている。また、燃焼帯が上層から下層に移行するのにともない、焼結原料中に含まれる水分は、炭材の燃焼熱で気化して、まだ温度が上昇していない下層の焼結原料中に濃縮し、湿潤帯を形成する。その水分濃度がある程度以上になると、吸引ガスの流路となる焼結原料の粒子間の空隙が水分で埋まり、通気抵抗を増大させる。また、焼結反応に必要な燃焼帯に発生する溶融部分も、通気抵抗を高める要因となる。
【０００４】
図２は、厚さが６００ｍｍの装入層中を移動する燃焼帯が、該装入層のパレットの約４００ｍｍ上（装入層表面から２００ｍｍ下）の位置にあるときの、装入層内の圧損と温度の分布を示したものである。このときの圧損分布は、湿潤帯におけるものが約６０％、燃焼帯におけるものが約４０％である。
【０００５】
さて、焼結機の生産量（ｔ／ｈｒ）は、一般に、焼結生産率（ｔ／ｈｒ・ｍ２）×焼結機面積（ｍ２）により決定される。即ち、焼結機の生産量は、焼結機の機幅や機長、原料堆積層の厚さ（装入層厚さ）、焼結原料の嵩密度、焼結（燃焼）時間、歩留りなどにより変化する。したがって、焼結鉱の生産量を増加させるには、装入層の通気性（圧損）を改善して焼結時間を短縮する、あるいは、破砕前の焼結ケーキの冷間強度を高めて歩留りを向上することなどが有効であると考えられている。
【０００６】
図３は、焼結鉱の生産性が高い時と低い時、即ち、焼結機のパレット移動速度が速い時と遅い時の装入層内のある点における温度と時間の推移を示したものである。焼結原料の粒子が溶融し始める１２００℃以上の温度に保持される時間（以降、「高温域保持時間」と称する）は、生産性が低い場合はｔ１、生産性が高い場合はｔ２で表されている。生産性が高い時はパレットの移動速度が速いため、高温域保持時間ｔ２が、生産性が低い時のｔ１と比べて短くなる。高温域保持時間が短くなると焼成不足となり易く、焼結鉱の冷間強度が低下し、歩留りが低下する。したがって、高強度の焼結鉱を短時間で、高い歩留りをもって生産性よく製造するには、何らかの手段を講じて「高温域保持時間」を延長し、焼結ケーキの強度、即ち焼結鉱の冷間強度を高めてやる必要がある。なお、焼結鉱の冷間強度を表す指標としては、一般に、ＳＩ（シャッターインデックス）、ＴＩ（タンブラーインデックス）が用いられている。
【０００７】
図４は、点火炉によって着火された装入層表層の炭材が、吸引される空気によって燃焼を続けて燃焼帯を形成し、これが装入層の上層から下層に順次移動し、焼結ケーキが形成されていく過程を模式的に示した図である。また、図５（ａ）は、上記燃焼帯が、図４に示した太枠内に示した装入層の上層部、中層部および下層部の各層内に存在しているときの温度分布を模式的に示したものである。焼結鉱の強度は、１２００℃以上の温度に保持される時間、正確には、１２００℃以上の温度に保持される温度と時間の積に影響され、その値が大きいほど焼結鉱の強度は高くなる。装入層の中層部および下層部は、装入層上層部の炭材の燃焼で発生する燃焼熱が吸引される空気と共に運ばれて予熱される。そのため、装入層の中層部や下層部は高温度に長時間にわたって保持されるのに対して、装入層上層部は、燃焼熱が不足し、焼結に必要な燃焼溶融反応（焼結化反応）が不十分となりやすい。その結果、装入層内の焼結機幅方向断面内の焼結鉱の歩留り分布は、図５（ｂ）に示したように、装入層上層部ほど歩留りが低くなる。
【０００８】
この問題に対しては、装入層上層部を長時間にわたって高温に保持することを目的とした技術が幾つか提案されている。例えば、特許文献１には、装入層に点火後、装入層上に気体燃料を噴射する技術が、特許文献２には、装入層に点火後、装入層に吸引される空気中に可燃性ガスを添加する技術が、また、特許文献３には、焼結原料の装入層内を高温にするため、装入層の上にフードを配設し、そのフードから空気やコークス炉ガスとの混合ガスを点火炉直後の位置で吹き込む技術が、さらに、特許文献４には、低融点溶剤と炭材や可燃性ガスを同時に点火炉直後の位置で吹き込む技術が提案されている。
【０００９】
しかし、これらの技術は、高濃度の気体燃料を使用し、しかも燃料ガスの吹き込みに際して炭材量を削減していないため、装入層内の焼結時の最高到達温度が操業管理上の上限温度である1４００℃以上、厳密な化学反応論的な観点からは１３８０℃を超える高温となり、焼結過程で生成したカルシウムフェライトが分解して、被還元性や冷間強度の低い焼結鉱が生成して歩留改善効果が得られなかったり、気体燃料の燃焼による温度上昇と熱膨張によって通気性が悪化し、生産性が低下したりし、さらには、気体燃料の使用によって焼結ベッド（装入層）上部空間で火災を起こす危険性があったりするため、いずれも実用化には至っていない。
【００１０】
そこで、出願人は、上記問題点を解決する技術として、焼結機の点火炉の下流において、燃焼下限濃度以下に希釈した各種気体燃料を、パレット上の焼結原料層（装入層）の上から供給して装入層内に導入し、燃焼させることにより、装入層内の最高到達温度および高温域保持時間のいずれか一方または両方を調整する方法を特許文献５に提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭４８−１８１０２号公報
【特許文献２】特公昭４６−２７１２６号公報
【特許文献３】特開昭５５−１８５８５号公報
【特許文献４】特開平５−３１１２５７号公報
【特許文献５】ＷＯ２００７−０５２７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記特許文献５の技術によれば、下方吸引式焼結機の装入層内に、所定の濃度に希釈した気体燃料を導入し、装入層内の目標とする位置で燃焼させることができるので、焼結原料の燃焼時の最高到達温度や高温域保持時間を適正に制御することによって、熱量不足で焼結鉱の冷間強度が低くなりやすい装入層上層部の焼結鉱の強度を高めたり、装入層の中・下層部の焼結鉱の強度をより高めたりすることができる。
【００１３】
しかしながら、上記所定濃度に希釈した気体燃料を点火炉下流側で供給する場合、気体燃料が供給されるノズル開口部付近では、気体燃料はまだ高濃度であるため、着火や燃焼が起こりやすく、この着火や燃焼を防止できないと、せっかく供給した気体燃料が焼結ベッド上で燃焼してしまい、本来の気体燃料供給効果が得られなくなる。また、供給した気体燃料に着火した場合には、一旦、気体燃料の供給を停止して、窒素ガス等でパージして消炎し、気体燃料を供給配管から追い出してから、再度、気体燃料の吹き込みを開始することになるため、その間、気体燃料の供給効果が得られない。さらに、気体燃料を供給する焼結操業では、パレットに充填された焼結原料中の炭材（コークス）は、気体燃料供給効果を見込んで、その配合量を予め低減しているため、気体燃料の供給が停止した時間帯の焼結鉱は、熱不足となって品質が低下してしまうという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、下方吸引式焼結機の点火炉下流側で気体燃料を供給して高強度、高品質の焼結鉱を製造する方法において、噴出口近傍での気体燃料の着火や燃焼を効果的に防止するとともに、たとえ着火や燃焼が起きたときでも、気体燃料の供給を停止することなく焼結操業を継続することができ、気体燃料供給効果を最大限に発揮することができる焼結鉱の製造方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明者らは、上記課題を解決するべく、気体燃料の供給方法について鋭意検討を重ねた。その結果、気体燃料の燃焼濃度範囲は、気体燃料に窒素ガス、二酸化炭素、水蒸気等の消炎性ガスを混合することにより変更しえること、したがって、消炎性ガスを気体燃料に混合して燃焼下限濃度を高めてやれば、供給する希釈気体燃料の濃度を高めることができるだけでなく、たとえ気体燃料が着火して燃焼を起こしたとしても、気体燃料の供給を継続しつつ、着火燃焼を防止することができることに想到し、本発明を開発した。
【００１６】
すなわち、本発明は、循環移動するパレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入して装入層を形成する装入工程と、その装入層表面の炭材に点火炉を使って点火する点火工程と、装入層上方のフード内の大気中に気体燃料を供給する気体燃料供給工程と、パレット下に配置されたウインドボックスで上記気体燃料と空気を装入層内に吸引し、装入層内の炭材を燃焼させると共に、上記気体燃料を炭材燃焼により形成される燃焼・溶融帯のより上層部で燃焼させて焼結原料を焼結する焼結工程を有する焼結鉱の製造方法において、上記気体燃料供給工程で、気体燃料にさらに消炎性ガスを混合し希釈することを特徴とする焼結鉱の製造方法である。
【００１７】
本発明の焼結鉱の製造方法は、上記気体燃料供給工程で、装入層表面の上方３０ｍｍ以上の高さから、気体燃料および消炎性ガスを、下記（１）式；
ｈ≧２．５ｄ（２００／Ｃ＋１）＋５０（１−ｃｏｓβ）  ・・・（１）
ここで、ｈ：装入層表面からのノズル高さ（ｍｍ）（ただし、ｈ≧３０ｍｍ）
ｄ：ノズルの口径（ｍｍ）
β：鉛直下方からのノズル吹出角度（度）
Ｃ：気体燃料の燃焼下限濃度（ｖｏｌ％）
を満たして供給することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の焼結鉱の製造方法における上記消炎性ガスは、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガスおよび水蒸気のうちから選ばれる１種または２種以上を混合したガスであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の焼結鉱の製造方法は、上記消炎性ガスは、フード内のいずれかの位置で希釈気体燃料の濃度が燃焼下限濃度の１／４以上となったとき、および／または、フード内の気体燃料に着火した場合に混合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、気体燃料に窒素や炭酸ガス、水蒸気等の消炎性ガスを混合し、燃焼下限濃度を上昇させることにより、供給する気体燃料の濃度を高めることができるだけでなく、供給した気体燃料の着火や燃焼を確実に防止することができるので、焼結鉱の製造を安全に行うことが可能となる。また、たとえ気体燃料の着火や燃焼が起こっても、気体燃料に消炎性ガスを混合することで着火や燃焼を防止し、気体燃料の供給を継続して行うことができるので、高品質の焼結鉱を安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】焼結鉱の製造工程を説明する図である。
【図２】焼結時の装入層内の圧損と温度の分布を説明する図である。
【図３】焼結鉱の生産性が高い時と低い時の装入層内温度の時間推移を比較して示した図である。
【図４】装入層の焼結進行過程を模式的に説明する図である。
【図５】装入層上層部、中層部および下層部における焼結時の温度分布と、装入層幅方向断面内における焼結鉱の歩留り分布を説明する図である。
【図６】焼結反応について説明する図である
【図７】骸晶状二次ヘマタイトが生成する過程を説明する状態図である。
【図８】希釈気体燃料の供給方法の比較に用いた試験装置を説明する図である。
【図９】本発明における気体燃料供給装置の一例を説明する図である。
【図１０】本発明における気体燃料供給装置の他の例を説明する図である。
【図１１】気体燃料に消炎性ガスを混合させたときの可燃範囲に及ぼす影響を示すグラフである。
【図１２】気体燃料に消炎性ガスを混合させたときの可燃範囲に及ぼす影響を示す他のグラフである。
【図１３】気体燃料に消炎性ガスを混合させる方法の一例を説明する図である。
【図１４】気体燃料に着火したときの本発明の操業方法を説明する図である。
【図１５】気体燃料供給配管の配設例を説明する平面図である。
【図１６】気体燃料吹き込みノズルからの気体燃料の噴出方向を説明する図である。
【図１７】ノズルからのガス吹出し角度βとガス流路長との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の焼結鉱の製造方法は、装入工程、点火工程、気体燃料供給工程および焼結工程の各工程から構成されている。ここで、上記の装入工程は、循環移動するパレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入して装入層を形成する工程であり、点火工程は、点火炉によって装入層表層の炭材に点火する工程である。また、上記の気体燃料供給工程は、点火炉のパレット進行方向の下流側で、気体燃料供給装置から高濃度の気体燃料を装入層上方の大気中に高速で吐出し、空気と瞬時に混合させて燃焼下限濃度以下の所定濃度の希釈気体燃料とし、この希釈気体燃料を空気と共にパレット下に配置されたウインドボックスによって吸引して装入層内に導入する工程であり、焼結工程は、装入層内に吸引した上記空気によって装入層内の炭材を燃焼させ、発生した燃焼熱によって焼結原料を溶融・焼結すると共に、希釈気体燃料を燃焼帯が通過した装入層内の所定の位置で燃焼させ、さらに溶融・焼結を促進して焼結ケーキを生成させる工程である。
【００２３】
まず、本発明の焼結鉱の製造方法において、装入層内に気体燃料を供給する理由について説明する。
「鉱物工学」（今井秀喜、武内寿久禰，藤木良規編、１９７６、１７５、朝倉書店）によれば、焼結反応は、図６の模式図のようにまとめられる。また、表１には、焼結過程で生成する各種鉱物の引張強度（冷間強度）と被還元性の値を示した。図６からわかるように、焼結過程では、１２００℃で融液が生成し始め、焼結鉱の構成鉱物の中で最も高強度で被還元性も比較的高いカルシウムフェライトが生成する。さらに昇温が進んで約１３８０℃を超えると、冷間強度と被還元性が最も低い非晶質珪酸塩（カルシウムシリケート）と、還元粉化しやすい二次ヘマタイトとに分解し始める。したがって、焼結鉱の冷間強度および被還元性のいずれにも優れた焼結鉱を安定して得るには、焼結過程において１２００℃以上の温度で得られたカルシウムフェライトを、カルシウムシリケートと二次ヘマタイトとに分解させないことが重要なポイントとなる。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
また、上記刊行物「鉱物工学」によれば、焼結鉱の還元粉化の起点となる二次ヘマタイトの析出挙動について、鉱物合成試験の結果から、図７の状態図により説明している。その説明によると、還元粉化の起点となる骸晶状二次ヘマタイトは、Ｍａｇ．ｓｓ＋Ｌｉｑ．域まで昇温して冷却したのちに析出するので、状態図上では、（１）の経路でなく、（２）の経路を介して焼結鉱を製造することで、還元粉化を抑制できるとしている。
したがって、還元粉化性（ＲＤＩ）に優れかつ高強度で被還元性に優れる焼結鉱を得るためには、焼結時における装入層内の最高到達温度を１３８０℃超えとすることなく、装入層内の温度を１２００℃（カルシウムフェライトの固相線温度）〜１３８０℃（転移温度）の範囲に制御する必要がある。
【００２６】
また、カルシウムフェライトの生成は、前述したように、実操業上、１２００℃以上１４００℃以下の温度に保持される時間、正確には、１２０５℃〜１３８０℃の範囲の保持される温度と時間の積に依存する。したがって、高強度で被還元性がよくかつ低ＲＤＩの焼結鉱を得るためには、焼結時の装入層内の温度を１２００〜１４００℃の範囲に長時間保持するヒートパターンを如何に実現するかが課題となる。そこで、本発明は、焼結に必要な熱源を確保し、焼結時の装入層内の温度を１２００〜１４００℃の温度範囲に保持する時間を延長するため、炭材に加えてさらに希釈気体燃料を装入層内に供給する焼結方法を採用している。
【００２７】
しかし、気体燃料を供給する場合に注意すべきことは、従来、コークスのみを炭材として用いていた場合には、コークスの燃焼熱によって上記焼結温度を確保していたが、従来と同じ量の炭材が含まれて装入層内に希釈気体燃料の供給を行うと、気体燃料の燃焼熱によって焼結時の最高到達温度が上昇して上述した適正温度範囲（１２００〜１４００℃）に装入層内の温度を維持することができなくなり、焼結強度の低いカルシウムフェライトが生成して、歩留りや被還元性の低下を招くことがあるということである。したがって、供給する気体燃料に応じて、焼結原料中に配合する炭材の量を低減することが好ましい。また、炭材量を削減できれば、炭材コストが低減できるだけでなく、焼結工程で発生する二酸化炭素の量を削減することも可能となる。
【００２８】
次に、本発明の焼結鉱の製造方法において、装入層上方のフード内の大気中に気体燃料を供給する方法はどのような方法でも良く、例えば気体燃料を予め空気と混合させておくこともできる。フード内での気体燃料の濃度は燃焼下限濃度以下であることが好ましく、中でも、高濃度の気体燃料を装入層の上方で大気中に高速で吐出（噴出）させて周囲の空気と短時間で混合させ、その気体燃料が有する燃焼下限濃度以下の濃度に希釈し、その後、その希釈した気体燃料を装入層中に導入することが好ましい。その理由は、以下のとおりである。
内径３００ｍｍφ×高さ４００ｍｍの焼結鍋に焼結ケーキを充填し、焼結ケーキの下方で焼結ケーキを通して空気を吸引可能とした実験装置を製作した。次いで、図８（ａ）に示したように、焼結ケーキの中央部の上から深さ９０ｍｍの位置にノズルを埋め込み、吸引する空気に対して１ｖｏｌ％となる量の１００％濃度のメタンガスを吹き込み、焼結ケーキ内の円周方向および深さ方向におけるメタンガス濃度の分布を測定し、その結果を表２に示した。また、図８（ｂ）に示したように、同じノズルを用いて、焼結ケーキの上方３５０ｍｍの位置から、上記と同量のメタンガスを大気中に供給して希釈し、上記と同様にして焼結ケーキ内のメタンガス濃度の分布を測定し、その結果を表３に示した。これらの結果から、メタンガスを焼結ケーキ中に直接導入した場合には、メタンガスの横方向への拡散が不十分であるのに対して、メタンガスを焼結ケーキ上方で供給した場合には、焼結ケーキ内のメタンガス濃度はほぼ均一化していることがわかる。この結果からわかるように、気体燃料は、焼結ケーキの上方で大気中に供給し、装入層内に導入される前に、均一に希釈しておくことが好ましいからである。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
【表３】
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【００３１】
なお、上記濃度の希釈気体燃料を装入層中に供給する方法としては、都市ガスやＬＮＧ、Ｃガス等の気体燃料を、高濃度のまま大気中に吐出して周囲の空気と混合させて所定濃度に希釈してから装入層中に導入する直上吹込み方式と、あらかじめ大気と気体燃料とを混合して所定濃度まで希釈したものを装入層の上方から供給する予混合吹込み方式（いわゆるプレミックス形式）がある。表４は、上記両方式の得失を評価したものである。直上吹込み方式では、乱流燃焼速度以上の速度で気体燃料を吐出すれば、逆火防止は容易であるが、気体燃料を周囲の大気と混合して希釈させる際、濃度ムラが発生しやすく、異常燃焼を起こす可能性が予混合吹込み方式に比べて高い。しかし、設備コストを含めて総合的に評価した場合、都市ガス（ＬＮＧ）の直上吹込み方式が最も優れている。
【００３２】
【表４】
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【００３３】
気体燃料を供給する装置としては、例えば、図９に示したように、パレットの幅方向に沿って、複数の気体燃料供給パイプを配設し、そのパイプに気体燃料を吐出するスリットあるいは開口を設けるかまたはノズルを取付けた気体燃料供給手段を有するもの、あるいは、図１０に示したように、パレットの進行方向に沿って、複数の気体燃料供給パイプを配設し、そのパイプに気体燃料を吐出するスリットあるいは開口を設けるかまたはノズルを取付けた気体燃料供給手段を有するものが好ましい。
【００３４】
次に、本発明の焼結鉱の製造方法において、装入層中に供給する希釈気体燃料の種類について説明する。
表５は、製鉄業において使用されている気体燃料（都市ガス、コークス炉ガス（Ｃガス）、高炉ガス（Ｂガス））の燃焼下限濃度、供給濃度等を示したものである。焼結原料中に供給する際の気体燃料の濃度は、爆発や火災（着火）を防止する観点からは、燃焼下限濃度より低い方が安全である。この点、都市ガスは、メタンを主成分とする天然ガス（ＬＮＧ）を使用しており、Ｃガスと燃焼下限濃度が近似しているが、熱量がＣガスよりも高いことから、供給濃度を低くできる。しかも、都市ガスは、ＣＯを含まないので、ガス中毒を起こすおそれもない。したがって、安全性を確保するには、供給濃度を低くできる都市ガスの方がＣガスよりも優位である。なお、都市ガスの主原料はＬＮＧであり、ＬＮＧの主成分はメタンである。
【００３５】
【表５】
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【００３６】
表６は、気体燃料中に含まれる燃焼成分（水素，ＣＯ，メタン）と、それら成分の燃焼下限・上限濃度、層流、乱流時の燃焼速度等を示したものである。焼結中に気体燃料供給装置から供給している気体燃料への着火を防止するには、逆火防止を図る必要がある。そのためには、気体燃料を、少なくとも層流燃焼速度以上、好ましくは乱流燃焼速度以上の高速で吐出させればよいと考えられる。例えば、メタンを主成分とする都市ガスの場合には、３．７ｍ／ｓｅｃを超える速度で吐出させれば、逆火のおそれはないわけである。一方、水素ガスは、乱流燃焼速度がＣＯやメタンと比較して速いため、逆火を防止するには、その分、高速で吐出させる必要がある。この点、水素を含まない都市ガス（ＬＮＧ）は、水素を５９ｖｏｌ％含有するＣガスと比較して、吐出速度を遅くすることができる。したがって、都市ガス（ＬＮＧ）は、本発明において使用する気体燃料として、好ましい特性を有するものであると言える。
【００３７】
【表６】
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【００３８】
本発明において装入層中に供給することができる気体燃料としては、上記、都市ガス（ＬＮＧ）の他に、ＢガスやＣガス、ＣＯガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス、およびそれらの混合ガスのいずれかを用いることができる。ただし、ＢガスやＣガスを使用する場合には、ガス吐出速度を高めること、および、ＣＯ対策を別途講ずることが必要となる。
【００３９】
さらに、本発明の製造方法では、上記気体燃料以外に、気体状態での着火温度が、焼結ベッド表層の温度より高い、アルコール類、エーテル類、石油類、その他の炭化水素系の液体燃料を気化させたものを用いることもできる。本発明で用いることができる液体燃料とその特性について、表７に示した。斯かる液体燃料を気化させた気体燃料は、上述した気体燃料と比較して着火温度が比較的低いため、焼結ベッド表層の温度より高い、装入層のより上部で燃焼するため、吹き込む位置での燃焼・溶融帯のすその温度の拡大に有効である。特に、着火温度が３００℃前後のものは、その効果が大きい。なお、液体燃料を気化した気体燃料を用いる場合には、気体供給配管は、気化した燃料が再液化しないよう、該液体燃料の沸点以上着火温度未満の温度に保持することが好ましい。
【００４０】
【表７】
2010156037.tif 000009
【００４１】
なお、廃油等は、引火しやすい成分や着火温度の低い成分を含むことがあるので、本発明で用いるには好ましくない。着火温度や引火点の低い成分を含む廃油等の液体燃料を予め気化させて、焼結原料ベッド上に供給した場合には、原料ベッド中の燃焼帯近傍に到達する前の原料ベッド表層の上部空間ないしは原料ベッド表層近傍で燃焼してしまうため、本発明が意図する焼結原料ベッドの燃焼帯近傍で燃焼させて高温保持時間の延長を図るという効果を得ることができないためである。
【００４２】
次に、本発明の焼結鉱の製造方法で供給する希釈気体燃料の濃度について説明する。
本発明の製造方法において装入層中に導入する希釈気体燃料は、その中に含まれる可燃性ガス（燃焼成分）の濃度を、大気中の常温における燃焼下限濃度の１／４（２５％）以下に希釈したものであることが好ましい。その理由は、装入層上部への高濃度の可燃性ガスの供給は、時として、爆発的燃焼を招くおそれがあり、少なくとも常温では、火種があっても燃焼しない状態としておく必要があること、装入層中で完全に燃焼せず、未燃焼のままウインドボックスの下流にある電気集塵器等に到達したとしても、電気集塵器の放電によって燃焼するおそれがないことが必要であること、さらに、希釈気体燃料の燃焼による酸素の消費によって、焼結原料用に含まれる総燃料（炭材＋気体燃料）の燃焼に必要な酸素の不足を招いて燃焼不足を起こさない程度に希釈されたものであることが必要であるからである。
【００４３】
一方、希釈気体燃料の下限濃度は、燃焼下限濃度の１／２５（４％）以上であるのが好ましい。燃焼下限濃度の４％未満では、燃焼による発熱量が不足し、焼結鉱の強度向上と歩留りの改善効果が得られないからである。
【００４４】
以上のことから、本発明における装入層に供給する希釈気体燃料の濃度は、燃焼下限濃度の４〜２５％の範囲とするのが好ましい。これを、天然ガス（ＬＮＧ）についてみると、ＬＮＧの燃焼下限濃度は４．８ｖｏｌ％（表４参照）であるから、希釈気体燃料の濃度は、０．２〜１．２ｖｏｌ％の範囲が好適であることになる。
【００４５】
しかし、上記気体燃料の燃焼下限濃度は、空気と混合した場合の値である。そこで、何らかの手段により、例えば、消炎性ガスと混合させることにより燃焼下限濃度を高めることができれば、希釈した気体燃料の１／４の濃度も高まるため、その分、高濃度の気体燃料を供給することができるだけでなく、気体燃料への着火や燃焼を防止することができるので、安全性をより高めることも可能となる。さらに、気体燃料の着火や燃焼を容易に防止できれば、異常時に気体燃料の供給を停止する必要もなくなるので、安定して気体燃料供給操業を行うことが可能となる。
【００４６】
図１１は、気体燃料である水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）に消炎性ガスとして窒素（Ｎ２）および二酸化炭素（ＣＯ２）を混合したときの、混合比（消炎性ガス／気体燃料）と気体燃料の可燃範囲との関係を示した図であり、図中の線で囲まれた範囲が燃焼範囲である。この図から、消炎性ガスの混合比が高いほど、燃焼下限濃度が高まることがわかる。例えば、気体燃料を水素、消炎性ガスを窒素とした場合に、水素の空気中での燃焼下限濃度は４．０ｖｏｌ％であるが、水素に窒素を混合して、混合比を１０としたときの混合燃料の燃焼下限濃度は４８ｖｏｌ％であることが読み取れる。そうすると、混合燃料中の水素は、４８／（１＋１１）で４．４ｖｏｌ％となり、４．４−４．０＝０．４ｖｏｌ％分は、実質的に水素濃度を高めることができる。メタン（ＬＮＧ）の場合は、空気中での燃焼下限濃度が５．０ｖｏｌ％であり、メタンに２倍のＣＯ２を混合した場合の混合燃料の燃焼下限濃度が１７．５ｖｏｌ％なので、メタン濃度としては５．８ｖｏｌ％である。ＣＯ２をメタン容積の２倍混合することにより、燃焼下限を制約条件として気体燃料を使用する場合、５．８−５．０＝０．８ｖｏｌ％分は、実質的にメタン濃度を高めることができる。
【００４７】
つまり、消炎性ガスを気体燃料に混合することで、気体燃料の燃焼下限濃度が上昇し、燃焼し難くなることを示している。また、この図１１から、空気中における燃焼下限濃度近傍で、気体燃料の吹き込みをした場合に、万が一、着火した場合でも、消炎性ガスで気体燃料を希釈して燃焼下限濃度を上げてやれば、容易に気体燃料の燃焼を防止できることを示している。
【００４８】
また、図１２は、炭化水素系の気体燃料であるエタン（Ｃ２Ｈ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ６）およびベンゼン（Ｃ６Ｈ６）に、消炎性ガスとして窒素（Ｎ２）および二酸化炭素（ＣＯ２）を混合したときの、混合比（消炎性ガス／気体燃料）と気体燃料の可燃範囲との関係を示した図であり、図９と同様のことが見て取れる。なお、図１１および図１２中には示されていないが、水蒸気（Ｈ２Ｏ）の消炎効果は、ＣＯ２よりも高いので、低圧蒸気を容易に使用できる環境では、消炎性ガスとして好適に用いることができる。因みに、消炎効果は、効果が高い方からＨ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２の順番である。
【００４９】
なお、気体燃料に消炎性ガスを混合させる手段としては、図１３に示したように、装入層上に配設した気体燃料供給配管の近傍、例えば直下に、消炎性ガスの供給配管を配設し、気体燃料が吐出しているところに消炎性ガスを供給する方法が簡便である。勿論、気体燃料と消炎性ガスとを予め混合しておく方法でもよい。
【００５０】
次に、気体燃料に着火した場合における、本発明の焼結鉱の製造方法について説明する。
気体燃料を供給する従来の焼結鉱の製造方法において、例えば、紫外線式の火災検知器等で気体燃料への着火を検知した場合、気体燃料の供給を一旦遮断し、配管中の燃料をパージし、消火してから、再度、燃料供給し始めていたので、少なくとも数分、長い場合には１０分近く、気体燃料の供給が絶たれることになり、焼結機の生産性や焼結鉱の品質に悪影響を与えることがあった。
【００５１】
そこで、本発明では、図１４（ａ）に示したように、着火検知後、速やかに消炎性ガスを増量することにより、気体燃料の供給を停止することなく、気体燃料の燃焼を容易に消火できる。したがって、気体燃料の吹き込み停止に伴う、焼結鉱の品質低下や、生産性の低下を招くことなく、高品質の焼結鉱の製造を安全に行うことができる。
【００５２】
なお、上記説明においては、消炎性ガスの気体燃料への混合は、焼結操業中、常時、行うことを前提としていたが、例えば、図１４（ｂ）に示したように、通常操業時においては、消炎性ガスの供給を行わずに気体燃料の供給のみとし、気体燃料への着火や、気体燃料の濃度分布の異常等が検知された場合のみ、消炎性ガスを気体燃料に混合させる操業方法を採用することもできる。
【００５３】
次に、気体燃料および／または消炎性ガスを、周囲の空気と混合し、燃焼下限濃度以下の所定濃度に均一に希釈するための好ましい気体燃料供給条件（ノズル噴出条件）について説明する。
図１５は、焼結パレット上に配設した気体燃料供給配管の配置図（平面図）であり、気体燃料供給配管をパレット進行方向に並行に配設することにより、パレット幅方向で、気体燃料の供給濃度を調整できる構造となっている。
【００５４】
気体燃料供給配管に取付けられたノズルからの気体燃料の大気中への吹き込みは、ウインドボックスにより吸引される空気の流量（気体燃料供給域の面積×流束）に対して所定の濃度となる量の気体燃料を吹き込むことが必要である。この際のノズルからの噴出速度は、気体燃料への着火を防止するため、７０ｍ／ｓｅｃ以上の高速で噴出させることが必要である。
【００５５】
また、図１６は、本発明におけるノズルからの気体燃料ないしは消炎性ガスの噴出方向の一例を示した図である。配管に設置したノズルより、水平方向に気体燃料または消炎性ガスを吹きだすことにより、焼結層内に吸引されていく周囲の空気と速やかに混合する。
【００５６】
発明者らは、気体燃料を、操業上十分なレベルまでノズル近傍で均一に希釈させる条件についてさらに検討した。下記（１）式； 
ｈ≧２．５ｄ（２００／Ｃ＋１）＋５０（１−ｃｏｓβ）  ・・・（１）
ここで、ｈ：装入層表面からのノズル高さ（ｍｍ）（ただし、ｈ≧３０ｍｍ）
ｄ：ノズルの口径（ｍｍ）
β：鉛直下方からのノズル吹出角度（度）
Ｃ：気体燃料の燃焼下限濃度（ｖｏｌ％）
を満たすことが重要であることを知見した。なお、ノズルの噴出口の高さは、装入層表面との接触を避けるため、挿入層表面から３０ｍｍ以上とする。
【００５７】
ここで、上記（１）式について説明する。
Ｊ．Ｍ．ベア、Ｎ．Ａ．シガー著「燃焼の空気力学」（田中良一訳、社団法人日本熱エネルギー技術協会、昭和５１年６月３０日発行）に記載されている、噴流に随伴されて巻き込まれる周囲のガス量を求める計算手法を基に、焼結機の装入層表面から高さｈの位置に設置されたノズルから、図１７（ａ）のように、気体燃料を鉛直下方に噴出したときの、気体燃料が焼結層表面に到達するまでに巻き込む空気の量を、噴出するガスを１００％の都市ガス（主成分がメタン）として求めると、下記（ｉ）式で表される。
Ｖｅ／Ｖｏ≒０．４（ｈ／ｄ）−１  ・・・（ｉ）
ここで、Ｖｅ：噴出する都市ガスに巻き込まれる周囲の空気の容積
Ｖｏ：噴出する都市ガス容積
ｄ：ノズル径（ｍｍ）
ｈ：ノズル先端からの距離（ノズル高さ）（ｍｍ）
なお、都市ガスの代わりに、別の気体燃料を用いる場合には、ガスの密度が異なるので補正が必要であるが、希釈度合いが大きい場合には、上記（ｉ）式を用いても大きな誤差は生じない。
【００５８】
上記（ｉ）式から、ｈの高さから噴出され、装入層表面に到達した都市ガス濃度Ｃｈは、空気を巻き込んで希薄濃度まで希釈されているとすると、Ｖｅ＞Ｖｏであるので、
Ｃｈ（ｖｏｌ％）＝１００・Ｖｏ／（Ｖｅ＋Ｖｏ）≒１００・Ｖｏ／Ｖｅ  ・・・（ｉｉ）
ここで、Ｃｈ（ｖｏｌ％）を、濃度分率で表すとＣｈ／１００であるので、
Ｃｈ／１００≒Ｖｏ／Ｖｅ≒１／（０．４・（ｈ／ｄ）−１）  ・・・（ｉｉｉ）
となる。
この式を、ｈを求める式に変換すると、
ｈ＝２．５（１００／Ｃｈ＋１）ｄ  ・・・（ｉｖ）
が得られる。
【００５９】
次に、目標とする気体燃料の希釈濃度をＣとすると、実際には均一に希釈されることは難しく少なからず濃度のバラツキが存在するので、（ｉｖ）式のＣｈがＣの１／２の濃度となるときに、気体燃料がＣまで均一に希釈されたと判断するものとすると、濃度Ｃ／２まで希釈される（均一にＣまで希釈されたと判断できる）ためのノズル高さｈは、Ｃｈ＝Ｃ／２であるから、
ｈ＝２．５（２００／Ｃ＋１）ｄ  ・・・（ｖ）
となる。
よって、気体燃料の目標希釈濃度Ｃの場合、気体燃料を噴出するノズルの高さｈが、
ｈ≧２．５（２００／Ｃ＋１）ｄ
を満たすときは、ノズル間隔が適正であれば、気体燃料は十分に均一に希釈されていると判断でき、一方、
ｈ＜２．５（Ｃ／２００＋１）ｄ
であれば、気体燃料への空気の巻き込みが不十分であると判断できることになる。
【００６０】
上記（ｖ）式は、気体燃料（都市ガス）を鉛直下方に噴出した場合の計算式であるが、次に、ノズルからの都市ガスの噴出方向が、図１７（ｂ）〜（ｄ）のように、鉛直下方からβの角度を有している場合について検討する。
この場合、ノズルから噴出された気体燃料は、装入層表面に到達するまで、鉛直下方に噴出した場合よりも長い距離を移動することになるので、その分を、上記ノズル高さｈに対して補正してやることが必要となる。
発明者らが行った数多くの気体燃料吹込みに関する数値熱流体解析や実験結果からの知見によれば、ノズルから噴出された気体燃料は、図１７に示したように、ノズル先端から５０ｍｍ程度先では、ウインドボックスによって吸引される空気の流れに沿った、鉛直下方に向かう流れとなっている。
【００６１】
そこで、β≦９０度の場合（図１７（ｂ），（ｃ））を考えると、気体燃料が装入層表面に到達するまでの流路長は、＋５０ｍｍ増加し、５０ｃｏｓβ（ｍｍ）分減少するので、その分をｈに対して補正すると、
ｈ＝２．５（２００／Ｃ＋１）ｄ＋５０（１−ｃｏｓβ）  ・・・（ｖｉ）
が得られる。
同様に、β＞９０度の場合（図１７（ｄ））を考えると、気体燃料の流路長は、＋５０ｍｍ増加し、さらに５０ｃｏｓβ（ｍｍ）分増加するので、その分をｈに対して補正する必要があるが、β＞９０度では、ｃｏｓβの符号が−となるので、結局、上記（ｖｉ）式と同じ式が得られる。
【００６２】
よって、気体燃料噴出ノズルの高さｈを、下記（１）式；
ｈ≧２．５（２００／Ｃ＋１）ｄ＋５０（１−ｃｏｓβ）  ・・・（１）
を満たすように設置してやれば、気体燃料吹込ノズルから供給された気体燃料が、装入層表面に到達するまで（装入層内に吸引されるまで）に、操業上問題のない十分なレベルまで均一に希釈される。なお、消炎性ガスの場合には、Ｃとして、気体燃料のみの場合の燃焼下限濃度を用いれば、同様にして希釈条件を求めることができる。
【００６３】
上記に説明したように、本発明によれば、気体燃料に消炎性ガスを混合させることにより、希釈気体燃料の燃焼下限濃度を高めることができるので、高濃度の気体燃料を供給することができ、その分、焼結原料中に配合する炭材量を低減することができる。また、本発明によれば、気体燃料に消炎性ガスを混合させることにより、気体燃料への着火や燃焼を防止することができるので、安全性をより高めることも可能となる。さらに、気体燃料の着火や燃焼を容易に防止できるので、異常時に気体燃料の供給を停止する必要もなく、安定して気体燃料供給操業を行うことが可能となる。
【００６４】
なお、以上の説明では、気体燃料を高濃度のまま大気中に吐出して希釈し、装入層中に導入する直上吹込み方式において、消炎性ガスを気体燃料中に混合する技術について紹介してきた。しかし、本発明の気体燃料に消炎性ガスを混合する技術は、上記直上吹込み方式に限定されるものではなく、あらかじめ、気体燃料と消炎性ガスを混合して供給する予混合吹込み方式（いわゆるプレミックス形式）にも、同様に適用することができる。
【実施例】
【００６５】
図１３に示したのと同様の気体燃料供給装置を接した実機焼結機において、表８に示した条件で、気体燃料として水素およびヘキサンを吹き込んで焼結鉱を製造する実験を行った。
この際、気体燃料は、装入層表面から５００ｍｍの高さにおいて、口径が１ｍｍφのノズルから水平横吹き（β：９０度）に２００ｍ／ｓｅｃで大気中に噴出させた。また、消炎性ガスは、気体燃料が水素の場合には、窒素ガスを混合比で１０となる量、ヘキサンの場合には、二酸化炭素を混合比で１．５となる量を、装入層表面から５５０ｍｍの高さにおいて、口径が１ｍｍφのノズルからβ：９０度で、３００ｍ／ｓｅｃで大気中に噴出させた。図１３に示したのと同様の装置を用いて気体燃料に混合した。
また、上記気体燃料の吹き込みに伴い、焼結原料中に含められる炭材は、吹き込んだ気体燃料の燃焼熱に相当する量を予め差し引いて配合した。
なお、本実施例で使用したヘキサンは、灯油、ガソリンに多く含まれているノルマルヘキサン（ｎ−ヘキサン、分子式Ｃ６Ｈ１４、沸点６９℃）であり、常温では透明な液体であるので、焼結クーラーの高温排ガスからの回収蒸気を用いて気化し、気体燃料として使用した。
【００６６】
【表８】
2010156037.tif 000010
【００６７】
上記焼結実験の結果を、表８中に併記して示した。なお、表中のＮｏ．５の参考例は、気体燃料の吹き込みも消炎性ガスの混合も行わない、炭材の燃焼熱のみで焼結を行う従来の焼結法の例であり、炭材削減量および品質、生産性は、この例をベースとして評価した。
まず、安全性に対する消炎性ガスの混合効果についてみると、水素の常温、空気中での燃焼下限濃度は４．０ｖｏｌ％であるが、窒素で混合比１０まで希釈すると、燃焼下限濃度は４８ｖｏｌ％まで上昇する。また、ヘキサンの常温、空気中での燃焼下限濃度は１．２ｖｏｌ％であるが、ＣＯ２で混合比１．５まで希釈すると、燃焼下限濃度は４ｖｏｌ％まで上昇する。したがって、表８中に示した発明例における希釈気体燃料の濃度は、対燃焼下限濃度という観点からみれば、比較例よりも安全であることになる。
次に、生産性、品質面に及ぼす消炎性ガスの混合効果について見ると、Ｎｏ．２の比較例は、気体燃料として水素を０．８０ｖｏｌ％吹き込んだ例であり、気体燃料を吹き込まないＮｏ．５の参考例と比べて、コークス原単位を１ｋｇ／ｔ（焼結鉱）低減でき、品質、生産性も向上している。これに対して、Ｎｏ．１の発明例は、窒素で水素を希釈したことにより、燃焼下限濃度が上昇するので、水素を０．９６ｖｏｌ％に高めても安全性に問題はなく、しかも、品質や生産性に悪影響を及ぼすことなくコークスの削減量を１．２ｋｇ／ｔ（焼結鉱）まで拡大できている。同様に、Ｎｏ．４の比較例は、気体燃料として気化したヘキサンを０．２１ｖｏｌ％吹き込んだ例であり、気体燃料を吹き込まないＮｏ．５の参考例と比べて、コークス原単位を１ｋｇ／ｔ（焼結鉱）低減でき、品質、生産性も向上している。これに対して、Ｎｏ．３の発明例は、二酸化炭素で水素を希釈したことにより、燃焼下限濃度が上昇するので、ヘキサンを０．４２ｖｏｌ％に高めても安全性に問題はなく、しかも、品質や生産性に悪影響を及ぼすことなくコークスの削減量を２．０ｋｇ／ｔ（焼結鉱）まで拡大できている。
以上のように、気体燃料に消炎性ガスを混合することにより、気体燃料の供給効果を最大限に発現させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の技術は、一般的な下方吸引式焼結機以外に、回転炉床式や充填層構造の焼結・反応装置にも適用することができ、また、造粒・塊成化のためのプロセス・装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１：原料ホッパー
２、３：ドラムミキサー
４：床敷鉱ホッパー
５：サージホッパー
６：ドラムフィーダー
７：切り出しシュート
８：パレット
９：装入層
１０：点火炉
１１：ウインドボックス（風箱）
１２：カットオフプレート
【図１】
2010156037.tif 000011
【図２】
2010156037.tif 000012
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010156037.tif 000015
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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