(57)【要約】【課題】高ＰＣ比操業下で、通気性を維持したまま高温ガス顕熱を回収し、低還元材比で安定的な操業を行うことができるようにする。【解決手段】炉体の中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を装入し、羽口から１５０ｋｇ／ｔｐ以上の補助燃料を吹き込んで高炉の操業を行うに際し、メタリック原料のＦｅＯは１．０質量％以下、Ｍ．Ｆｅは９０．０質量％以上、Ｃが１．０質量％以上、Ｍ．Ｆｅ＋Ｃは９３．０質量％以上である。中心装入コークスの粒径ＤＣは４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、メタリック原料の粒径ＤＭは５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。ＤＩＣ≧８４．０＋ＤＭＭＡＸ３／１０００００、ＤＭ／（ＤＣ／（１−ＦｅＯ／１００）＝０．０５〜０．７５、Ｍ１／Ｍ２（質量比率）＝１．０〜３．０である。【選択図】図３
2016125085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体の中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を装入し、羽口から１５０ｋｇ／ｔｐ以上の補助燃料を吹き込んで高炉の操業を行うに際し、
前記メタリック原料の成分に関し、ＦｅＯは１．０質量％以下、Ｍ．Ｆｅは９０．０質量％以上、Ｃは１．０質量％以上、Ｍ．Ｆｅ＋Ｃは９３．０質量％以上であり、
前記中心装入コークスの粒径ＤＣは、４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、前記メタリック原料の粒径ＤＭは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、
前記中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣと前記メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸとの関係は、式（１）を満たし、
前記中心装入コークスの粒径ＤＣとメタリック原料の粒径ＤＭとメタリック原料に含まれるＦｅＯとの関係は、式（２）を満たし、
前記メタリック原料の質量Ｍ１と中心装入コークスの質量Ｍ２との比を示す質量比率は、式（３）を満たし、
相対半径で０．２０以下である前記中心部に、前記メタリック原料及び中心装入コークスを装入する
ことを特徴とする高炉のメタリック原料装入方法。
ＤＩＣ≧８４．０＋ＤＭＭＡＸ３／１０００００                 ・・・（１）
ＤＭ／（ＤＣ／（１−ＦｅＯ／１００）＝０．０５〜０．７５  ・・・（２）
Ｍ１／Ｍ２＝１．０〜３．０                                ・・・（３）    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉（竪型冶金炉）にメタリックの原料を装入する高炉のメタリック原料装入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高炉（竪型冶金炉）では、その上部からペレット、焼結鉱、塊鉱石、コークス、石灰石などの原料と還元材とを層状に装入し、下部から熱風を吹込んで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造している。高炉の操業の技術として特許文献１〜５に示されているものがある。
特許文献１は、ガス利用効率の悪化や炉頂ガス温度の過度の上昇を伴わずに確実に炉芯コークスの通気・通液性の確保と高温の維持することを目的としたものである。この特許文献１では、コークスの装入と鉄源原料の装入を繰り返して高炉を操業するに際し、各チャージの鉄源原料の一部を酸化鉄源から金属鉄源に代え、この金属鉄源を通常のコークスの装入もしくは鉄源原料の装入、またはその両者に先立って中心部に集中装入し、各チャージの装入コークスの一部を、通常のコークスの装入もしくは鉄源原料の装入、またはその両者に先立って、中心部に集中装入し、炉中心軸上における装入物最上層の表層レベルから垂直下方への距離が１ｍから５ｍまでの範囲の中心部のコークス層内に炭化水素系の気体もしくは液体、またはその両者を吹き込んでいる。
【０００３】
特許文献２は、高中心部に装入する酸化鉄原料以外の鉄源原料（金属鉄原料）を選択することにより低下した炉芯コークス温度をより即効的に回復させ、操業の安定化と生産性の確保することを目的としている。この特許文献２では、高炉に装入する酸化鉄原料の一部を、炭素含有量２．５重量％以上の金属鉄原料で代替し、これを残りの酸化鉄原料の装入に先立って炉の中心部に装入し、装入すべきコークスの一部を炉の中心部に重点的に装入している。
【０００４】
特許文献３は、低下した炉芯コークス温度を速やかに上昇させて、短時間のうちに炉況を回復させることを目的としている。この特許文献３では、高炉に装入する鉄源原料の一部を鉄系スクラップまたは／および還元鉄に代え、これを残りの鉄源原料の装入に先立って炉の中心部に装入し、装入すべきコークスの一部を炉の中心部に重点的に装入している。
【０００５】
特許文献４は、高炉炉底レンガの損耗を抑制し、炉寿命の延長を図ることを目的とし、高炉炉頂部からコークスと鉄源原料を交互に炉内に装入するとき、コークス装入に先だっては代替塊状物を、鉄源原料の装入に先だってはコークスもしくは代替塊状物、または還元鉄もしくは鉄スクラップを炉中心領域に重点的に装入することとしている。
特許文献５は、本発明は、回転炉床式還元炉で酸化鉄を還元して、還元鉄ペレットを高炉またはキュポラ等の縦型炉に供給する際に、これらの炉での適正な操業を実施することを目的としている。特許文献５は、回転炉床式還元炉にて、酸化鉄と炭素を含む粉体の成形体を加熱処理して、鉄の金属化率５０〜８５％の還元鉄ペレットを製造する。この還元鉄ペレットの性状として、気孔率２０〜５０％のものを製造する。分級処理などをして、還元鉄ペレットの換算径が５〜２０ミリメートルのものの比率が８０％以上としたものを、製鉄高炉またはキュポラ等の縦型炉に装入する。炉下部の羽口から吹き込まれる空気とコークスや微粉炭との反応により発生する還元ガスにより、還元・溶解して、溶融鉄を製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０８−２６９５０８号公報
【特許文献２】特開平０８−２５３８０２号公報
【特許文献３】特開平０６−２７９８１８号公報
【特許文献４】特開平０９−７８１１０号公報
【特許文献５】特開２００９−８４６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１〜３において、羽口から吹き込む微粉炭は１００ｋｇ／ｔｐであって、補助燃料を羽口から１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込む操業とは前提となる条件が異なっている。なお、「ｋｇ／ｔｐ」とは、銑鉄１トン当たりの微粉炭の吹き込み質量のことである。
また、特許文献１〜３では、原料を中心に装入することが記載されているものの、原料の組成等については詳細に述べられていない。加えて、高炉に装入する中心装入コークスの強度について示されていない。それゆえ、安定的に操業を行いつつ、低コークス操業下で炉内の中心部における通気性を維持することが難しいのが実情である。
【０００８】
特許文献４は、羽口から吹き込む微粉炭は７０ｋｇ／ｔｐであって、補助燃料を羽口から１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込む操業とは前提となる条件が異なっている。加えて、特許文献４では、中心装入する鉄原料の性状について、鉄スクラップは市中鉄屑であってもよいこと、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ等の不純物を含有していない製鉄所発生屑を用いてもよいことなどが記載されている。しかしながら、中心装入コークスの強度について示されていない。それゆえ、上述した特許文献と同様に、安定的に操業を行いつつ、低コークス操業下で炉内の中心部における通気性を維持することが難しいのが実情である。
【０００９】
特許文献５は、原料を中心に装入する操業ではない。また、装入する原料が示されているものの、装入するコークスの強度について示されておらず、安定的に操業することが難しいのが実情である。
さて、近年、コークス（石炭）の品質が劣化すると共に、価格も高騰してきている。このようなことから、高品質なコークスの比率を下げ、一方で、微粉炭（ＰＣという）等の補助燃料を多量に用いる操業（高ＰＣ比操業）の開発が進められている。また、ＣＯ２の削減の観点からも、高ＰＣ比操業の開発が進められている。
【００１０】
上述したような従来の技術では、高ＰＣ比操業、即ち、低コークス比操業を行うと、炉内ガス量増加とスペーサーコークス量低下により、炉内通気性が低下し、操業が不安定化する虞がある。また、低還元材比操業時には、熱不足による冷え込み、操業不安定化の虞がある。
そこで、本発明は上記問題点を鑑み、高ＰＣ比操業（低コークス操業）下で、通気性を維持したまま高温ガス顕熱を回収し、低還元材比（低コークス比）で安定的な操業を行うことができる高炉のメタリック原料装入方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る高炉のメタリック原料装入方法は、炉体の中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を装入し、羽口から１５０ｋｇ／ｔｐ以上の補助燃料を吹き込んで高炉の操業を行うに際し、前記メタリック原料の成分に関し、ＦｅＯは１．０質量％以下、Ｍ．Ｆｅは９０．０質量％以上、Ｃは１．０質量％以上、Ｍ．Ｆｅ＋Ｃは９３．０質量％以上であり、前記中心装入コークスの粒径ＤＣは、４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、前記メタリック原料の粒径ＤＭは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、前記中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣと前記メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸとの関係は、式（１）を満たし、前記中心装入コークスの粒径ＤＣとメタリック原料の粒径ＤＭとメタリック原料に含まれるＦｅＯとの関係は、式（２）を満たし、前記メタリック原料の質量Ｍ１と中心装入コークスの質量Ｍ２との比を示す質量比率は、式（３）を満たし、相対半径で０．２０以下である前記中心部に、前記メタリック原料及び中心装入コークスを装入することを特徴としている。
【００１２】
ＤＩＣ≧８４．０＋ＤＭＭＡＸ３／１０００００                  ・・・（１）
ＤＭ／（ＤＣ／（１−ＦｅＯ／１００）＝０．０５〜０．７５  ・・・（２）
Ｍ１／Ｍ２＝１．０〜３．０                                ・・・（３）
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高ＰＣ比操業下で、通気性を維持したまま高温ガス顕熱を回収し、低
還元材比で安定的な操業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ベルアーマー式の原料装入装置の概略図である。
【図２】中心部に中心装入コークスのみを装入した場合の炉内圧損と、ドラム強度指数ＤＩＣを示した図である。
【図３】メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸと、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣとの関係図である。
【図４】本発明において、中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を配置した模式図である。
【図５】図４との比較として、中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を配置した模式図である。
【図６】実施例及び比較例におけるコークス比と中心液指数との関係図である。
【図７】実施例及び比較例における還元材比と中心液指数との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る高炉のメタリック原料装入方法の実施の形態を図を基に説明する。
高炉（竪型冶金炉）では、その上部からペレット、焼結鉱、塊鉱石、コークス、石灰石などの原料と還元材とを層状に装入し、下部から熱風を吹込んで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造している。
本発明では、微粉炭などの補助燃料を多量に用いる高ＰＣ比操業であっても、後述するように、通気性を維持したまま高温ガス顕熱を回収し、低還元材比で安定的な操業を行うことができる。
【００１６】
以下、本発明、即ち、高炉の原料装入方法について説明する。
まず、本発明のＰＣ比操業では、１５０ｋｇ／ｔｐ以上の補助燃料（微粉炭、ＰＣ）を羽口から吹き込むことを前提としている。微粉炭の吹き込み量の国内平均は、現在、１２０〜１３０ｋｇ／ｔｐであり、この操業では、微粉炭の吹き込み量は国内平均以上である。なお、「ｋｇ／ｔｐ」とは、銑鉄１トン当たりの微粉炭の吹き込み質量のことである。
【００１７】
さて、高炉への原料装入方式は、大別すると、「講座・現代の金属学  精練編  第１巻
鉄鋼精錬、社団法人日本金属学会、（１９７９）、ｐ１２０」に示されているように、ベルアーマー式と、ベルレス式（旋回シュート式）との２種類がある。本実施形態では、原料装入方式として、ベルアーマー式を採用している。
図１は、ベルアーマー式の原料装入装置の概略図である。
【００１８】
図１に示すように、原料装入装置は、高炉（炉体）上部に位置し且つ上下動可能なベル２と、原料を反発して炉内へ装入するアーマー（反発板）３と、ベルカップに向けて原料を供給する供給装置（図示省略）と、中心装入シュート４とを備えている。中心装入シュート４は、先端部が中心部に向けられていて、「Ｒ＆Ｄ  神戸製鋼技報，Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．２，（２００５），ｐ９〜１７」に示されているように、中心部に向けて原料を供給することができる。
【００１９】
この原料装入装置によれば、供給装置から所定の原料をベルカップに供給して、ベル２を下降させると、ベルカップから原料が排出され、当該ベルカップから排出された原料は、アーマー３で反発されて炉内へ装入される。詳しくは、ベル２を用いて、ペレット、焼結鉱、塊鉱石などの鉱石と、コークスとを交互に層状に装入する。加えて、本発明では、中心装入シュート４を用いて、中心部に向けてコークスを装入する「コークス中心装入」を実施している。コークス中心装入については、「ふぇらむ，Ｖｏｌ．９（２００４）Ｎｏ．１０，ｐ７２１〜７２８」の文献に記載されている。
【００２０】
「コークス中心装入法」を実施した場合、中心部のＯ／Ｃ（鉱石質量／コークス質量）の制御が容易にでき、中心ガス流の確保、逆Ｖ型の融着帯の形成、炉芯の活性化、通液性の向上をすることができる。一方、コークス中心装入法において、中心部に向けて装入したコークス（中心装入コークスという）の量が多すぎると、ＣＯガス利用率の低下や排出ガス顕熱の増加が発生し、還元材（還元材比）を増加させる必要がでてくる。例えば、中心領域の装入物表層のガス温度は、約１０００℃と高温になり、高温ガス顕熱を多量に排
出してしまう。中心装入コークスは、装入後わずか１時間で約１２００℃まで上昇し、炉内での熱交換が十分ではないため顕熱を無駄にしている。その結果、単に、コークス中心装入を行った場合には、還元材比を増加させる一方で、通気性を優先して安定操業を行っているのが実情である。
【００２１】
そこで、本発明では、中心部には、中心装入コークスだけではくメタリック原料も装入することにより、還元材比の増加を抑制し、安定操業を行うこととしている。即ち、図１に示すように、相対半径（相対半径＝炉体の中心からの距離／炉口半径）で０．２０以下である中心部に、メタリック原料及び中心装入コークスを装入している。
メタリック原料とは、金属鉄（Ｍ．Ｆｅ）を主成分とする還元鉄（ＤＲＩ、ＨＢＩ）、鋳物銑、スクラップ（くず鉄）等の総称である。
【００２２】
メタリック原料の成分は、ＦｅＯは１．０質量％以下、Ｍ．Ｆｅは９０．０質量％以上、Ｃが１．０質量％以上、Ｍ．Ｆｅ＋Ｃは９３．０質量％以上である。また、前述した成分以外は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２及び不可避的不純物である。なお、ＦｅＯ、Ｍ．Ｆｅの成分は、ＪＩＳＭ８２１３で示されている滴定法で求めることができる。また、Ｃの成分は、ＪＩＳＭ８２１７で示されている燃焼−赤外線吸収法で求めることができる。
【００２３】
ＦｅＯが１．０質量％以下である場合、中心装入コークスとメタリック原料との両方を装入しても、中心装入コークスがメタリック原料に含まれるＦｅＯによって反応劣化（ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ）されることなく、コークスを十分に炉内に供給することができる。
Ｍ．Ｆｅが９０．０％以上である場合、炉中心の高ガス流速域においてフラッディングを抑制することができ、中心部における通気性や中心ガス流に影響を及ぼさない。
【００２４】
炭素分（Ｃ）は、金属鉄へ浸炭している成分である。即ち、析出Ｃや固体Ｃの巻き込みによる成分ではなく浸炭Ｃである。この場合、メタリック原料の融点（溶け落ち温度）は純鉄より低く、融着帯上面温度から下面温度の範囲で溶け落ちる。Ｃが１．０質量％以上である場合、中心装入コークスは、浸炭反応でほとんど反応劣化されることなく、炉下部へ供給されることができる。
【００２５】
Ｍ．Ｆｅ＋Ｃが９３．０％以上である場合、上述したようなＭ．Ｆｅの供給による影響、Ｃの供給による影響はなく、健全なコークスを炉下部へ供給することができ、炉中心の高ガス流速域においてフラッディングを抑制することができる。
さて、炉中心に装入する中心装入コークスの粒径ＤＣは、４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。詳しくは、炉内に装入前のコークスを篩に掛けて、粒径ＤＣが４０〜１００ｍｍであるコークスを用意し、当該コークスを中心部に向けて装入するコークス（中心装入コークス）とする。中心装入コークスの粒径ＤＣを、４０〜１００ｍｍの範囲内にすることによって、中心コークス層の空隙率が向上し、中心流が強化する。その結果、逆Ｖ型の融着帯が形成でき、圧損を低下すると共に、熱損失も低下させることができる。特に、通気性の向上には、中心装入コークスの平均粒径の大きくするのではなく、粒径ＤＣの小さいものを低減（粉低減、アンダーカット）する一方で、ある程度、粒径ＤＣが大きな大塊を用い、さらに、粒度分布幅を狭くすることが効果的であり、上述したように、中心装入コークスの粒径ＤＣを４０〜１００ｍｍにすることによって、通気性等を向上させることができる。
【００２６】
なお、中心装入コークスの粒径ＤＣが４０ｍｍ未満の場合、中心装入コークスが充填層の間隙を埋めるため、空隙率が小さくなる。また、中心装入コークスの粒径ＤＣが１００ｍｍより大きい場合、粒度分布幅が広くなり、空隙率が小さくなる。
また、室炉式コークス炉で乾留されたコークスは、大小の亀裂を多数有していて、不定形状を呈している。コークスはコークス炉から押し出された後に輸送工程を経ていく途中で落下衝撃等で破壊され、その結果として決まる粒度分布は概ね正規分布となることが知られている。本発明では、コークスを装入する直前、即ち、コークスの製造及び輸送後であって、供給装置に装入されたときの粒径について規定している。
【００２７】
メタリック原料の粒径ＤＭは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。詳しくは、炉内に装入
前のメタリック原料を篩に掛けて、粒径が５〜３０ｍｍであるメタリック原料を用意し、当該メタリック原料を中心部に向けて装入している。
メタリック原料の粒径が５ｍｍ以上である場合、中心部における高流速域にメタリック原料を装入した場合であっても流動化せず、飛散することを抑制することができる。一方、メタリック原料の粒径が５ｍｍ未満である場合、流動化が発生してしまう。なお、メタリック原料は、浸炭しているため、装入直後に昇温されて溶け落ちる（低融点で溶ける）ため、粒径が下限値（５ｍｍ）であって小粒径であったとしても、通気性の低下が発生することがなかった。
【００２８】
メタリック原料の粒径の上限値は、次の３点から総合的に決定した。
第１に、メタリック原料の粒径が大きすぎる場合、メタリック原料がコークス充填層の間隙に入らない、即ち、間隙に堆積することができない。即ち、中心部における充填層の体積が大きくなり、中心ガス流領域が広くなり過ぎる。その結果、中心流が強くなりすぎて、ＣＯガス利用率が低下してしまう。ゆえに、メタリック原料を装入したとしても、還元材比を増加を抑制することができなくなる。
【００２９】
第２に、メタリック原料の粒径が大きすぎる場合、メタリック原料の個重（１個当たりの質量）が大きくなり、中心装入時に落下衝撃でコークスを破壊してしまう虞がある。その結果、中心流が低下する。
第３に、メタリック原料の粒径が大きすぎる場合、昇温が遅くなる（粒子内の伝熱遅れ）。その結果、高温ガスの顕熱の回収効果が小さくなってしまう。このようなことを鑑み、様々な検証の結果、メタリック原料の粒径の上限値は、３０ｍｍとした。
【００３０】
さて、中心装入コークス及びメタリック原料を装入した場合において、中心装入コークスの強度が小さいと、落下の衝撃によって中心装入コークスが割れ、通気性が低下してしまう虞がある。
そこで、本発明では、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣと、メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸとの関係は、式（１）を満たすようにしている。
【００３１】
ＤＩＣ≧８４．０＋ＤＭＭＡＸ３／１０００００                  ・・・（１）
ここで、ドラム強度指数ＤＩＣとは、ＪＩＳＫ２１５１に準じて求められるもので、ドラム試験機を用いて１５０回転した後において、１５ｍｍ以上の粒径を有するコークスの質量割合である。
図２は、実際の高炉（内容積＝４５００ｍ３）において、メタリック原料を装入しない場合の炉内圧損（ｋＰａ）、即ち、中心部に中心装入コークスのみを装入した場合の炉内圧損と、ドラム強度指数ＤＩＣを示した図である。図２に示すように、ドラム強度指数ＤＩＣが８４．０以上である場合、炉内圧損が１８０ｋＰａ以下であって、実操業において、通気や通液性が向上し、安定操業を行うことができる。一方、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣが８４．０より小さくなると炉内圧損が１８０ｋＰａより大きくなり、スリップや吹き抜けが発生し、安定操業が継続できないことがある。したがって、メタリック原料を装入しない時に、安定操業のために必要なドラム強度指数ＤＩＣの下限値は８４．０である。
【００３２】
さて、中心装入コークスに加えてメタリック原料も中心部に装入する場合において、メタリック原料が大きいと、中心装入時に落下衝撃でコークスが破壊されてしまう。そこで、本発明では、コークスが破壊されないように、メタリック原料の粒径ＤＭに応じて、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣを高くし、中心装入コークスが破壊されないようにする必要がある。
【００３３】
中心装入コークスの必要なドラム強度指数ＤＩＣについて、ラボ実験で求めた。ラボ実験では、コークス充填層に実高炉を模擬した高さ（１２ｍ）からメタリック原料を落下し、コークスが破壊されるかどうかを観察した。なお、当社の高炉は「ベルアーマー式と中心装入方式を合わせたもので、中心装入ホッパー下面から装入の基準となる装入線まで１２ｍである。他社の高炉は「ベルアーマー式」と「ベルレス式」があるが、いずれのタイプもホッパー下面或いはベルカップ下面から装入線まで１２ｍ以内である。そこで、最も落下高さが高く、最も落下衝撃力が大きくなる高さである１２ｍで試験を実施した。
【００３４】
ラボ実験において、中心装入コークスは、ドラム強度指数ＤＩＣが異なるものを用いた。メタリック原料は、異なる粒径のものを用いた。
図３及び表１は、メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸと、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣとの関係である。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
所定サイズ（最大値ＤＭＭＡＸ＝７、１２、１８、２３、２７、３２ｍｍ）のメタリック原料を装入した場合、図３の×印で示すように、中心装入コークスはドラム強度指数ＤＩＣが低いと、中心装入コークスが真っ二つに割れ、破壊される。図３の○印で示すように、ドラム強度指数ＤＩＣが高い場合は、中心装入コークスは割れず、破壊されない。
ここで、メタリック原料装入時の落下衝撃によるコークスの破壊挙動を物理的に検討するため、この結果から中心装入コークスが割れる、割れないの境界線を求めた。
メタリック原料の落下衝撃力は以下の関係より求められる。
【００３７】
メタリック原料は球形であると仮定し、当該メタリック原料の粒径ＤＭを直径とすると、メタリック原料１つの質量（個重）は半径の３乗に比例する。即ち、メタリック原料の落下衝撃力は質量に比例するため、メタリック原料の落下衝撃力は半径の３乗に比例すると考えられる。それ故、境界線はメタリック原料の粒径ＤＭの３乗の関数となる。最も重いメタリック原料が衝突した時にコークスは最も割れやすいので、メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸについて考えるとする。なお、球の体積＝４πｒ３／３（半径ｒ、個重＝体積×密度）である。境界線は、メタリック原料の粒径ＤＭに依存するため、実験結果をもとに係数を求めると「１／１０００００」となった。図３に示すように、係数を「１／２０００００」や「１／５００００」にした場合、適切な境界線を得ることができない。
【００３８】
したがって、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣは、式（１）を満たすようにすることにより、中心装入コークスとメタリック原料との両方を装入した場合でも、中心装入コークスの割れを防止することができ、その結果、炉内圧損を１８０ｋＰａ以下に維持することができる。なお、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣが非常に高いコークスは、良質で高価なコークスである。そのため、式（１）の下限値を満たすことのできる中心装入コークスを適用することによって、低コストで操業を行うことが可能である。
【００３９】
さて、中心装入コークス（コークス）は、ＦｅＯにより反応劣化され、粒径が低下することが考えられる。中心装入コークスは、反応劣化後にも所定サイズを確保する必要がある。
そこで、本発明では、中心装入コークスの粒径ＤＣ、メタリック原料の粒径ＤＭ及びメタリック原料に含まれるＦｅＯの関係は、式（２）を満たすこととしている。
ＤＭ／（ＤＣ／（１−ＦｅＯ／１００）＝０．０５〜０．７５  ・・・（２）
反応劣化度合いはＦｅＯ（％）に比例することから、ＦｅＯによる反応劣化による影響を考慮した中心装入コークスの粒径ＤＣ（反応劣化後粒径）は、ＤＭ／（ＤＣ／（１−ＦｅＯ／１００）で表現可能である。
【００４０】
図４に示すように、反応劣化を考慮した中心装入コークス粒径ＤＣが式（２）を満たす場合、中心装入コークスの充填層の空隙にメタリック原料を配置可能である。また、図４に示すように、メタリック原料は、低融点で装入直後に溶け落ちるため、メタリック原料の粒径ＤＭが５ｍｍ未満で小さくてもによる通気悪化は認められず、メタリック原料が溶け落ち時にも中心装入コークスの充填構造は変化しない。つまり、メタリック原料の溶融滴下により、充填層が収縮してしまうことがなく、メタリック原料の装入により通気（中心流）を乱さない。
【００４１】
一方、メタリック原料が中心装入コークス並みに大きな場合、式（２）の上限値（０．７５）より大きい場合、充填層の間隙にメタリック原料を堆積させることができない。
図５に示すように、メタリック原料の溶融前の固体状態では通気性があり、中心ガス流領域が広く過ぎるが、中心部の高温度域に装入した場合は直に昇温・溶け落ちし、中心充填構造が変化してしまう。例えば、中心装入コークスと鉱石の混合層が形成され、通気が逆に悪化したり、ガス流れが変化してしまう。
【００４２】
さて、メタリック原料は、中心部における中心流を維持して通気性を低下させない範囲で、還元材比を低減させることができるだけの量を装入することが望ましい。そのため、本発明では、メタリック原料の質量Ｍ１と中心装入コークスの質量Ｍ２との比（質量比率）が式（３）を満たすこととしている。
Ｍ１／Ｍ２（質量比率）＝１．０〜３．０                    ・・・（３）
装入するメタリック原料の質量Ｍ１が少なく、式（３）の下限値（１．０）よりも小さい場合、還元材比、即ち、コークス比低減効果が小さい（中心高温ガス顕熱回収効果が小さい）。装入するメタリック原料の質量Ｍ１が多く、式（３）の上限値（３．０）よりも大きい場合、溶けたメタルのホールドアップで通気を阻害してしまう虞があり、中心ガス流が弱くなり、高炉操業が不安定化する可能性がある。この場合は、還元材比を上げないと安定した高炉操業が実施できないため、メタリック原料の装入による還元材の低減を行うことができない。
【００４３】
なお、メタリック原料と中心装入コークスは、炉内で固体状態の間（装入から溶け落ち前までの間）においては、均等（均一）に分散していることが望ましい。装入バッチごとに式（３）の関係を満たしていれば、炉内でも式（３）を満たすことが出来る。なお、式（３）で示した質量比率は、バッチごとの総質量の比率である。
以上、本発明の高炉のメタリック原料装入方法によれば、中心部（相対半径で０．２０以下となる部分）に、メタリック原料及び中心装入コークスを装入している。メタリック原料の成分に関し、ＦｅＯは１．０質量％以下、Ｍ．Ｆｅは９０．０質量％以上、Ｃが１．０質量％以上、Ｍ．Ｆｅ＋Ｃは９３．０質量％以上としている。また、中心装入コークスの粒径ＤＣは、４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、メタリック原料の粒径ＤＭは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下としている。中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣ、メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸとの関係は、式（１）を満たしている。中心装入コークスの粒径ＤＣとメタリック原料の粒径ＤＭとメタリック原料に含まれるＦｅＯとの関係は、式（２）を満たしている。メタリック原料の質量Ｍ１と中心装入コークスの質量Ｍ２との比を示す質量比率は、式（３）を満たしている。
【００４４】
表２〜５は、本発明の高炉のメタリック原料装入方法で操業を行った実施例と、本発明とは異なる方法で操業を行った比較例とを示したものである。
【００４５】
【表２】
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【００４６】
【表３】
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【００４７】
【表４】
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【００４８】
【表５】
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【００４９】
まず、実施例及び比較例における実施条件について説明する。
高炉は、内容積が４５００ｍ３のベルアーマー式の高炉を用いた。出銑比は、１．８ｔ／ｍ３／ｄａｙとした。出銑比とは、一日当たり（ｄａｙ）の出銑量（ｔ）を高炉内容積（ｍ３）で割り戻した値である。また、高炉の操業では、補助燃料の吹き込みを、１５０ｋｇ／ｔｐ以上とした。また、中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を装入した。実施例及び比較例のテスト期間は１週間で、その間の累積出銑量は、５６７００トン（４５００×１．８×７トン）とした。なお、還元材比（ｋｇ／ｔｐ）とは、銑鉄１トンを製造する時に必要な還元材（コークス、ＰＣ、重油、他）の質量（ｋｇ）である。コークス比（ｋｇ／ｔｐ）とは、銑鉄１トンを製造する時に必要なコークスの質量（ｋｇ）である。
【００５０】
実施例及び比較例の評価は、中心液指数を用いて行った。中心液指数は、「中心液指数（−）＝炉底中心レンガ温度（ＴＲＣ、℃）/炉底側壁レンガ温度（ＴＲＷ、℃）」で求めることができる。
実施例１〜３０では、メタリック原料の成分に関し、ＦｅＯは１．０質量％以下、Ｍ．Ｆｅは９０．０質量％以上、Ｃが１．０質量％以上、Ｍ．Ｆｅ＋Ｃは９３．０質量％以上としている（メタリック原料の欄）。また、中心装入コークスの粒径ＤＣは、４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、メタリック原料の粒径ＤＭは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下としている（粒径の欄）。
【００５１】
さらに、実施例１〜３０では、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣ、メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸとの関係は、式（１）を満たし、中心装入コークスの粒径ＤＣとメタリック原料の粒径ＤＭとメタリック原料に含まれるＦｅＯとの関係は、式（２）を満たしている（コークス形状とメタリック原料形状の相関式の欄）。また、中心部（相対半径で０．２０以下となる部分）に、メタリック原料及び中心装入コークスを装入している（中心装入の欄）。
【００５２】
一方、比較例１では、コークスの中心装入に向けて装入を行っているものの、メタリック原料について中心装入を行っていない。比較例２及び３では、ＦｅＯは１．０質量％を超え、比較例４及び５では、Ｍ．Ｆｅは９０．０質量％を超え、比較例６及び７では、Ｃが１．０質量％を超え、比較例５、７及び８では、Ｍ．Ｆｅ＋Ｃは９３．０質量％を超え
ている。比較例９、１０、１３では、中心装入コークスの粒径ＤＣは４０ｍｍ未満、比較例１１〜１３では、中心装入コークスの粒径ＤＣは１００ｍｍを超えている。比較例１４、１５では、メタリック原料の粒径ＤＭは５ｍｍを超え、比較例１６〜１９では、メタリック原料の粒径ＤＭは３０ｍｍを超えている。比較例１９、２０では、中心装入コークスのドラム強度指数ＤＩＣと、メタリック原料の粒径ＤＭの最大値ＤＭＭＡＸとの関係は式（１）を満たしていない。比較例９、１０、１３〜１９では、中心装入コークスの粒径ＤＣとメタリック原料の粒径ＤＭとメタリック原料に含まれるＦｅＯとの関係は、式（２）を満たしていない。比較例２１では、中心装入コークス及びメタリック原料の中心装入の範囲が相対半径で０．２０を越えた位置で行っている。比較例２２〜２４では、メタリック原料の質量Ｍ１と中心装入コークスの質量Ｍ２との比を示す質量比率は、式（３）を満たしていない。
【００５３】
図６は、実施例及び比較例におけるコークス比と中心液指数との関係を示している。図６に示すように、炉中心部にメタリック原料を装入しない比較例１を境界とした場合、実施例では、コークス比が低くても中心液指数は比較例に比べて上昇させることができた。
図７は、実施例及び比較例における還元材比と中心液指数との関係を示している。図７に示すように、比較例１を境界とした場合、実施例では、還元材比が低くても中心液指数は比較例に比べて上昇させることができた。
【００５４】
つまり、一般的に高炉操業でも中心液指数が大きき状況下では操業が安定するが、このような一般的な高炉操業に対して単にメタリック原料を装入しただけでは、中心液指数が低下し、操業が不安定化する。一方、本発明では、装入するメタリック原料に関し、メタリック原料の組成、メタリック原料の大きさ（粒径）、中心装入コークスの大きさ（粒径）との関係を規定しているため、低還元材比／低コークス条件でも中心液指数が従来技術（メタリック原料未装入時）と同等以上とすることができる。即ち、安定操業を維持した上で、低還元材比／低コークス操業が可能である。
【００５５】
なお、実施例及び比較例では、参考のため、中心ガス指数についても測定を行った。中心ガス指数は、「中心ガス指数（−）＝炉頂中心ガス温度（ＴＧＣ、℃）／炉頂ガス温度（ＴＧ、℃）」で求めることができる。高炉操業方法の場合、中心ガス指数が増加すると操業が安定するといわれている。本実施例は、中心ガス顕熱を回収しているので中心ガス指数は小さいが、中心液指数で示したように高炉操業安定することができる。
【００５６】
なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
【符号の説明】
【００５７】
２  ベル
３  アーマー（反発板）
４  中心装入シュート  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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