(57)【要約】【課題】燃焼性が大きく異なる炭材においても比較的容易に実測可能なパラメータを用いて容易に焼結使用時の温度履歴を計算でき、かつ、計算負荷も従来に比べて削減できる方法を提供する。【解決手段】１〜３ｍｍの粒径の炭材の着火温度Ｔｉｇを測定するステップと、前記炭材の着火温度Ｔｉｇから反応開始温度Ｔｉを決定するステップと、炭材の温度Ｔにより、炭材の反応速度係数ｋｒを、反応開始温度Ｔｉを用いた階段状の関数により決定するステップとを有する焼結温度履歴の計算方法である。【選択図】図１
2015137368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１〜３ｍｍの粒径を有する炭材の着火温度Ｔｉｇを測定するステップと、
前記炭材の着火温度Ｔｉｇから反応開始温度Ｔｉを決定するステップと、
炭材の温度Ｔにより、炭材の反応速度係数ｋｒを、
【数１】
2015137368.tif 000013
により決定するステップと、
を有することを特徴とする焼結温度履歴の計算方法。
【請求項２】
前記炭材の反応速度係数ｋｒを１．１３［ｍ／ｓｅｃ］以上の値とすることを特徴とする請求項１に記載の焼結温度履歴の計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結原料を焼成する過程の温度履歴を計算する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉製鉄法では、粉鉱石及び副原料からなる焼結鉱原料を造粒して擬似粒子をつくる。焼結鉱原料は主に粉鉱石と副原料から構成されており、その大半は粒径１０ｍｍ以下の鉄鉱石であり、残りは副原料と呼ばれ、石灰石、橄欖岩または蛇紋岩、珪石、及びコークスである。擬似粒子は、ミキサーから排出された後ベルトコンベアーを乗継ぎ、原料ホッパーに装入される。その後、焼結機上に充填され、焼結層を形成する。充填された焼結鉱原料の表層部を点火炉バーナーで加熱してコークスに着火し、一方で下方に吸引することにより焼結鉱が製造されるが、焼結層内の通気性が焼結鉱の生産性に大きな影響を与える。
【０００３】
焼結層内の通気性が良好であれば、焼結層の下方に焼結が進行して行く速度（以下、「焼結速度」という。）は上昇し、生産性も向上する。しかし、通気性が悪い場合は、焼成むらを生じ、生焼け状態が発生して歩留を低下させたり、局所的に過溶融の状態が生じて燃焼帯の幅が広くなり、焼結速度が大幅に遅くなり、生産性が低下する。
【０００４】
したがって、焼結の生産性向上にあたり、焼結温度履歴を予め定められたように制御することが必要である。
【０００５】
焼結温度履歴を推定する方法は、すでに非特許文献１で公開されている。従来、この手法に基づいて数値計算を行い、焼結速度に影響を及ぼす種々の制御因子について、その影響が検討されている。具体的には、焼結充填層の固体およびガスのそれぞれに関する熱収支を表す偏微分方程式（式１１）および（式１２）と、式中の発熱項を規定するコークスの総括反応速度式（式１３）、を連立して解く。
すなわち、以下の手順をその骨子とする。
【０００６】
まず、焼結充填層内の固体温度Ｔおよびガス温度ｔは、次の（式１１）および（式１２）で表される。
【０００７】
【数１１】
2015137368.tif 000003
【０００８】
【数１２】
2015137368.tif 000004
【０００９】
ここでは、焼結機高さ方向にｚ軸[m]をとっており、θ[sec]は反応時間を示す。また、ΔＨは、反応（主にコークスの燃焼）１ｋｍｏｌあたりの吸発熱［ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ］、ｔおよびＴはガスおよび固体の温度［Ｋ］、Ｇは単位断面積あたりのガス流量［ｋｇ／（ｍ２・ｓｅｃ）］、ｃｓは固体（焼結層）の比熱［ｋｃａｌ／（ｋｇ・Ｋ）］、ｃｇはガスの比熱[ｋｃａｌ／（ｋｇ・K）]、ρｐは粒子（焼結層）の密度［ｋｇ／ｍ３］、ρgはガスの密度［ｋｇ／ｍ３］、εは焼結層の空隙率［−］である。
【００１０】
（式１１）中の左辺第３項が化学反応による吸発熱項である。反応量R*は、コークスの燃焼熱(ｒｃ)、石灰石の分解熱(ｒｌ)やスケール類の酸化発熱(ｒｓ)等の足し合わせであって、
【００１１】
【数１２Ａ】
2015137368.tif 000005
と表現されるものである。
【００１２】
化学反応の吸発熱のほとんどは、コークスの燃焼発熱である。コークスの総括反応速度ｒＣ＊［ｋｍｏｌ／ｍ３・ｓｅｃ］は、炭材濃度ρｃｏｋｅ［ｋｇ／ｍ２］、炭材の比表面積Ａｃｏｋｅ［ｍ２／ｋｇ］、総括反応の速度定数ｋｃｏｋｅ［ｍ／ｓｅｃ］、酸素濃度ＣＯ２［ｋｍｏｌ／Ｎｍ３］を用いて、
【００１３】
【数１３】
2015137368.tif 000006
により計算される。
【００１４】
さらに、総括反応の速度定数ｋｃｏｋｅ［ｍ／ｓｅｃ］は、拡散速度係数ｋｆ［ｍ／ｓｅｃ］と反応速度係数ｋｒ［ｍ／ｓｅｃ］を用いて、
【００１５】
【数１４】
2015137368.tif 000007
より求められる。さらに、反応速度係数ｋｒ［ｍ／ｓｅｃ］は、温度Ｔ、ガス定数Ｒ［ｍ２・ｋｇ／ｓｅｃ２・Ｋ・ｍｏｌ］をもちいて、非特許文献１に開示された、Ｈｏｔｔｅｌ−Ｐａｒｋｅｒの式を用いて、
【００１６】
【数１５】
2015137368.tif 000008
により求められる。ここに、「２．３５１×１０９」および「４４０００」の値は、それぞれ、速度因子および活性化エネルギーといわれる。ここで、ｋｒは、温度Ｔにより変動する値であり、計算は非常に煩雑である。
【００１７】
特許文献１では、上記手法に基づいて、さらにフューエルＮＯx生成の支配因子を数式上で明確化し、燃焼の観点からＮＯx生成量抑制のための要因を俯瞰的に検討できるようにすることを目的とした発明を開示している。
【００１８】
すなわち、粉コークス粒子の表面反応２Ｃ＋Ｏ2→２ＣＯ、Ｃ＋ＣＯ2→２ＣＯ、ＣａＣＯ3→ＣＯ2＋ＣａＯ、及び、焼結層内のガス反応２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2を含むようにした燃焼反応を対象に、少なくとも焼結層内のＯ2、ＣＯ2、ＣＯ、Ｃ、ＣａＣＯ3の物質収支、燃焼ガスの熱収支及び焼結層の熱収支を含んで構成される燃焼モデルに基づいて、焼結層温度、燃焼排ガス中のＣＯ濃度及びＯ2濃度を計算し、これら計算された焼結層温度、燃焼排ガス中のＣＯ濃度及びＯ2濃度を入力値にして、燃焼モデルに基づいて、コークス粒子のガス境膜内ＣＯ濃度及びＯ2濃度を計算して、燃焼過程にある粉コークス粒子のガス境膜内のＣＯ濃度とＯ2濃度との比率ＣＯ／Ｏ2値を求める方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２０１１−２５６４０５号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】鞭厳・森山昭  「冶金反応工学（１９７２）」  養研堂
【非特許文献２】B. M. Johnson, G. F. Froment and C. C. Watson:                     Chemical Engineering Science, 17, 835 (1962)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
近年、粉コークス以外の焼結炭材の開発が進み、それらの焼結使用時の温度履歴を頻繁に計算するニーズが生じている。
【００２２】
しかしながら、新規に開発した炭材は、従来炭材と燃焼性が大きく異なる前記従来法にしたがって、これらの炭材の焼結利用時の温度履歴を計算するためには、（式１５）中の速度因子と活性化エネルギーを実測する必要があり、炭材の燃焼のような高速で進行する反応の速度因子・活性化エネルギーの実測は煩雑で、多大な労力を要するため、従来と燃焼性の大きく異なる炭材の焼結使用時の温度履歴を計算することは極めて困難であった。
【００２３】
本発明の目的は、比較的容易に実測可能なパラメータを用て新たな反応速度係数を表す方法を提案することにより、燃焼性が大きく異なる炭材の焼結使用時の温度履歴を、少ない労力、かつ、短時間で計算できる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
発明者らは、焼結層中の炭材はある温度まで加熱されると反応を開始し、反応を開始すると速やかに温度上昇し、物質移動で律速される概ね一定の反応速度に達すると考え、反応速度係数は、炭材の反応開始温度で表現できることに着目した。
【００２５】
発明者らは、さらに、鋭意研究開発の結果、炭材の着火温度（Tｉｇ）の測定値より、反応開始温度Ｔｉを決定し、かつ、１．１３［ｍ／ｓｅｃ］以上の反応速度係数ｋｒを階段関数（ステップ関数）として与えることで、燃焼性の大きく異なる炭材の焼結使用時の温度履歴を簡便に、かつ精度よく計算できることを見出して本発明を完成させた。
【００２６】
本発明の要旨は以下の通りである。
【００２７】
（１）１〜３ｍｍの粒径を有する炭材の着火温度Ｔｉｇを測定するステップと、
前記炭材の着火温度Ｔｉｇから反応開始温度Ｔｉを決定するステップと、
炭材の温度Ｔにより、炭材の反応速度係数ｋｒを、
【００２８】
【数１】
2015137368.tif 000009
により決定するステップと、
を有することを特徴とする焼結温度履歴の計算方法。
【００２９】
（２）前記炭材の反応速度係数ｋｒを１．１３［ｍ／ｓｅｃ］以上の値とすることを特徴とする（１）に記載の焼結温度履歴の計算方法。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の方法を実施することにより、比較的簡単に実測できる着火温度（Ｔｉｇ）を用いて、従来と燃焼性の大きく異なる炭材の焼結使用時の温度履歴を精度よく、かつ、短時間で計算できるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の方法を説明するフロチャートである。
【図２】コークスの場合の反応速度定数ｋｒ［ｍ／ｓｅｃ］のグラフである。
【図３】焼結温度履歴を比較する図である。（ａ）本発明の方法による焼結温度履歴（ｂ）従来の方法による焼結温度履歴
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の実施形態は、以下のステップを有する焼結温度履歴の計算方法であり、図１にはそのフロチャートが記載されている。
［ステップ１］炭材の着火温度（Tｉｇ）の測定するステップである。
【００３３】
炭材の着火温度（Tｉｇ）の測定にあたっては、１〜３ｍｍの粒径の炭材を用いるが、１〜３ｍｍの粒径の炭材を用いる理由は後述する。
【００３４】
炭材の着火温度（Tｉｇ）の測定には、藤部らの方法（ISIJ International, 15(2013), ｐ.1594.）を用いる。
【００３５】
当該方法用いた着火温度（Ｔｉｇ）の測定結果を表１に記載する。
【００３６】
【表１】
2015137368.tif 000010
【００３７】
［ステップ２］反応開始温度Tｉを決定するステップである。
【００３８】
炭材の着火温度（Tｉｇ）の測定値より、反応開始温度Ｔｉを決定する。
【００３９】
しかしながら、Tｉは粒径によらないパラメータであるが、着火温度は粒径に依存する物性値である点を留意する必要がある。
【００４０】
そこで、炭材の粒径を実際の焼結で使用される炭材を代表する粒度区分である１〜３ｍｍを用いるが、その算術平均粒径が１〜２ｍｍの粒径を用いるのがより好ましい。
【００４１】
なぜなら、藤部らの方法（ISIJ International, 15(2013), ｐ.1594.）によって計測された、１〜３ｍｍ、好ましくは、１〜２ｍｍの粒径の炭材の着火温度（Tｉｇ）は、そのまま、反応開始温度Tｉとすることができるからである。
［ステップ３］炭材の反応速度係数ｋｒを決定するステップである。
＜階段関数による付与＞
炭材の反応速度定数を
【００４２】
【数１】
2015137368.tif 000011
により決定する。
すなわち、焼結層中の炭材は、ある温度以下では全く反応せず、一度反応を開始すると速やかに温度上昇して一定の反応速度に達すると仮定し、ステップ状の燃焼速度式を採用している。
【００４３】
図２には、ｋｒの挙動がグラフとして表されている。
図２において、縦軸はｋｒ［ｍ／ｓｅｃ］であり、横軸が温度［℃］であり、点線グラフが従来の方法を用いて求めたｋｒの挙動であり、実線グラフが本発明の方法により決定されたｋｒの挙動である。
【００４４】
ｋｒは、炭材の反応速度を定数化した数値であり、焼結過程は酸素供給律速であることから、焼結層ヒートパターンは反応速度の影響を受けないが、反応速度が極端に低いと、焼結層の温度を上昇させることができない。
【００４５】
＜数値範囲＞
本発明者らの検討では、ｋｒは１．１３［ｍ／ｓｅｃ］以上の範囲で円滑にヒートパタン計算が行えることを確認した。
【００４６】
ここで、ｋｒ＝１．１３［ｍ／ｓｅｃ］の値は、Ｈｏｔｔｅｌの式によるコークスの着火点（前述の測定値によると６１８℃）での反応速度であり、発明者らは１．１３［ｍ／ｓｅｃ］が、コークスの燃焼を継続できる閾値であると考えている。
【００４７】
（焼結熱履歴の計算方法）
本発明を用いた焼結熱履歴の計算は、従来技術でその概略を説明した非特許文献１の方法を用いるが、炭材の反応速度係数ｋｒを計算するにあたり、従来用いられてきた（式１５）に代えて、上述のように決定された（式１）を使用する点が本願発明の特徴である。
以下、その顕著な効果について説明する。
【００４８】
炭材の反応速度係数ｋｒを（式１５）を用いて計算する場合には、温度Ｔを考慮する必要があり、計算は非常に煩雑となり、時間と労力を用することから、種々の炭材における焼結熱履歴の計算を実施するのは極めて困難である。
【００４９】
一方、炭材の反応速度係数ｋｒを（式１）を用いて計算する場合には、温度Ｔを考慮することなく、１．１３［ｍ／ｓｅｃ］以上の値と、炭材の反応温度Tｉを与えれば足り、また、炭材の反応温度Tｉは、炭材の粒径が１〜３ｍｍの場合には、簡単に実測できる着火温度（Ｔｉｇ）に相当する温度となることから、極めて簡単に与えることができ、種々の炭材における焼結熱履歴の計算を短時間で容易に実施できるという顕著な効果を奏することができる。
【００５０】
また、実施例で説明するように、（式１５）に代えて（式１）を用いても計算精度を低下させることはないことを、反応速度定数ｋｒ［ｍ／ｓｅｃ］は、反応開始からほぼ一定であると仮定してパレット上の粒子層内のコークスの総括反応速度ｒＣ＊［ｋｍｏｌ／（ｍ３・ｓｅｃ）］を計算して求めた焼結温度履歴は、従来のように反応速度定数ｋｒ［ｍ／ｓｅｃ］を温度毎に計算して、パレット上の粒子層内のコークスの総括反応速度ｒＣ＊［ｋｍｏｌ／（ｍ３・ｓｅｃ）］を再び計算して求めた焼結温度履歴との間には差がほとんどないことにより確認している。
【実施例】
【００５１】
ここでは、本発明の方法を用いて計算した焼結温度履歴と、従来の方法を用いて計算した焼結温度履歴を比較することにより、本発明の方法を用いても、従来の方法を用いた場合とほぼ同様の精度で焼結温度履歴が得られることを、シミュレーション解析により確認する。
【００５２】
［解析条件］
表２は、本発明の方法および従来の方法を実施するときに用いる解析条件を示す。なお、表２に記載してある値は、通常の焼結燃焼過程における値である。
【００５３】
【表２】
2015137368.tif 000012
【００５４】
［解析結果］
図３を用いてシミュレーションにより解析した結果を説明する。
【００５５】
図３（ａ）には、本発明の計算方法によりｋｒを求めた場合、図３（ｂ）には、従来の方法によりｋｒを求めた場合に得られる焼結温度履歴が記載されている。
【００５６】
図３（ａ）および図３（ｂ）において、縦軸は温度（℃）であり、横軸は時間（分）であり、それぞれには、上層（表面から１００ｍｍ）、中層（表面から２５０ｍｍ）、下層（表面から４００ｍｍ）における温度履歴がグラフとして描かれている。
【００５７】
ここで、図３（ａ）と図３（ｂ）のグラフを比較すると、ほとんど同じグラフであることから、本発明の方法を用いても、従来の方法を用いた場合とほぼ同様の精度で焼結温度履歴が得られることをシミュレーション解析により確認できる。
【００５８】
［所要時間］
本発明の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合と、従来の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合に要した時間を比較した。
本発明の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合に要した時間は、従来の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合に比して、１００分の１程度であった。
【００５９】
［評価］
本発明の方法を用いて焼結温度履歴を計算すると、従来の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合とほぼ同じ精度で、かつ、１００分の１の時間で実施でき、本発明の方法は従来の方法を代替することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の方法は、焼結の燃焼制御において利用可能である。
【図１】
2015137368.tif 000014
【図２】
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【図３】
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