(57)【要約】【課題】低コークス比であっても高炉上部の通気性が悪化せず安定して高炉の操業を行う。【解決手段】本発明の高炉への浸炭メタル２の装入方法は、微粉炭を１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込みつつコークス４を中心装入して銑鉄を製造する高炉であって、鉱石原料３とコークス４とが交互に層状に装入される高炉に対して浸炭メタル２を装入するに際しては、コークス４に、粒径が４０ｍｍ以上であって、且つ１００ｍｍ以下のものを用い、浸炭メタル２に、炭素含有量が３．０質量％以上とされると共に、粒径の下限がコークス粒径の下限以上であって、粒径の上限が６０ｍｍとされたものを用い、コークス４と鉱石原料３とを、それぞれが２層以上設けられるように分割して交互に装入するものとし、分割して装入されたコークス層のうち、コークス層第２バッチＣ２以降に、浸炭メタル２が３０ｋｇ／ｔｐ以上であって１５０ｋｇ／ｔｐ以下装入することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粉炭を１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込みつつコークスを中心装入して銑鉄を製造する高炉であって、鉱石原料と前記コークスとが交互に層状に装入される高炉に対して浸炭メタルを装入するに際しては、
前記コークスに、粒径が４０ｍｍ以上であって、且つ１００ｍｍ以下のものを用い、
前記浸炭メタルに、炭素含有量が３．０質量％以上とされると共に、粒径の下限がコークス粒径の下限以上であって、粒径の上限が６０ｍｍとされたものを用い、
前記コークスと鉱石原料とを、それぞれが２層以上設けられるように分割して交互に装入するものとし、
前記分割して装入されたコークス層のうち、コークス層第２バッチ以降に、前記浸炭メタルが３０ｋｇ／ｔｐ以上であって１５０ｋｇ／ｔｐ以下装入する
ことを特徴とする高炉への浸炭メタルの装入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉上部の通気を確保しながら低コークス比の条件下において高炉の安定操業を行う浸炭メタルの装入方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高炉に対して原料であるコークスと鉱石を装入する際には、粒のサイズが大きいコークスと、粒のサイズが小さい鉱石とが交互に層状に装入している。つまり、粒のサイズが小さい鉱石を装入した際に形成される鉱石層は、空隙率が小さいため、通気性が悪いが、粒のサイズが大きいコークスを装入した際に形成されるコークス層は、空隙率が高いため、スペーサの役割を果たす。
【０００３】
それゆえ、高炉の上部の通気性、言い換えれば高炉の塊状帯の通気性は、鉱石層が占める鉱石層体積（Ｖｏ）と、コークス層が占めるコークス層体積（Ｖｃ）の比（Ｖｏ／Ｖｃ）による影響が大きい。例えば、鉱石層体積（Ｖｏ）がコークス層体積（Ｖｃ）に比して大きい場合には、体積比Ｖｏ／Ｖｃは大きくなるため上述した塊状帯（高炉の上部）の通気性は悪化する。
【０００４】
一方、高炉にどのような鉱石を装入するかは、通気性だけでなく、溶銑コストにも影響を及ぼす。例えば、高炉に装入する鉱石に、スクラップ、鋼地金、浸炭メタルなどのメタル原料を用いた場合、これらの金属原料については還元を行わなくても既に還元が為されているため、還元材比を低減することができ、溶銑コストを下げることができる。このようにメタルを鉱石に用いて還元材比を低減に向けた技術（メタルチャージの技術）としては、以降の特許文献１〜特許文献４に示すようなものが知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、還元鉄やスクラップ等の鉄鋼原料を用いる高炉操業において、高炉内に鉄鉱石やコークスとともに還元鉄やスクラップ等の鉄鋼原料を装入する（メタルチャージする）際に、還元鉄やスクラップ等といったメタルの鉄鋼原料の粒径を、装入される鉄鉱石の粒径より大きく、且つ、装入されるコークスの粗径よりは小さくなるように調整する技術が開示されている。この特許文献１の技術では、メタルの鉄鋼原料の装入時期を、コークスを装入した後であって、鉄鉱石を装入する前に行うものとしている。
【０００６】
一方で、この特許文献１の高炉への原料装入方法では、メタル粒径が２０〜４５ｍｍであり、塊状帯（上部）の空隙率が低下し、上部通気改善の効果が小さいという短所や、メタル原料とコークスを分離させて炉内へ装入しており、上部通気改善効果が小さいという短所を備えている。また、特許文献１の原料装入方法では、炭素含有量の記述はなく、コークス劣化により上部通気性が悪化するという問題もある。
【０００７】
また、特許文献２には、高炉に装入する酸化鉄原料の一部を、炭素含有量が２．５重量％以上の金属鉄原料（型銑、鋳鉄スクラップ等）、あるいは上記金属鉄原料と炭素含有量が  ２．４重量％以下の金属鉄原料（鋼材スクラップ、還元鉄等）とを混合した原料で代替し、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すること、および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する高炉の操業方法が開示されている。
【０００８】
特許文献２の方法は、炭素含有量が高く、低融点であって、かつ還元不要の代替原料を用いているため、炉中心部で早期液滴化が可能であり、高炉内での熱伝達を促進することができる。また、コークスの反応や浸炭劣化がないことにより、炉芯コークスの通気性が確保され、炉芯コークスの温度上昇が早くなるという長所を備えている。
一方で、この特許文献２の方法は、装入されるメタルの最大径が１００ｍｍと大きく、メタルを装入した際に先に装入されていたコークスが破壊されやすいという問題があり、コークスが破壊された場合には高炉上部の通気性が悪化しやすくなる。また、特許文献２では、微粉炭の吹き込み量が１００ｋｇ／ｔｐと少なく、且つ、コークス比が４０５ｋｇ／ｔｐと大きな場合の高炉操業に関するものであり、微粉炭の吹き込み量が１５０ｋｇ／ｔｐ以上となる場合や、コークス比が４０５ｋｇ／ｔｐに満たない場合の高炉操業に対応しているかどうかは不明となっている。
【０００９】
さらに、特許文献３には、高炉内へのコークスおよび／または鉄源原料の通常装入に先立って、装入コークスの一部を高炉の中心に装入すると共に、鉄源原料の一部として金属鉄源（還元鉄、スクラップ、型銑等）の中心装入を行う高炉の操業方法が開示されている。この特許文献３の高炉の操業方法では、高炉内に装入された装入物の最上層から、高炉の中心軸に沿って、垂直下方へ１ｍ〜５ｍの炉中心部領域を降下するコークス内に、炭化水素系気体または／および液体を吹き込むものとされている。特許文献３では、炭化水素系気体などの吹き込みに替えて、予め炭化水素系液体を付着させたコークスを準備しておき、準備した炭化水素系液体が付着したコークスを中心装入する方法も採用可能としている。  
【００１０】
つまり、特許文献３の操業方法は、炉芯コークス層を摩耗粉化や反応劣化のないコークスで構成するものであり、これによりレースウェイ発生ガスや高温溶鉄炉芯コークスと高炉上部との熱交換を促進し、炉芯コークス層の通気性および通液性を改善可能なものとなっており、炉況を安定させつつ高炉の操業が可能なものとなっている。  
しかしながら、上述した特許文献３でも、特許文献２と同様に、メタルに対する炭素含有量についてはっきりとした記述がない。そのため、炭素含有量が多い場合には、コークス劣化により上部通気性が悪化する可能性もある。
【００１１】
また、特許文献３は、高炉の中心部へメタル原料を混合する技術に関するものであり、高炉の周辺部に対してメタルチャージを行う場合に対しても、適応可能な技術であるかどうかは不明となっている。
さらに、特許文献３の方法は、微粉炭比が６０ｋｇ／ｔｐと少なく、且つ、コークス比が４５０ｋｇ／ｔｐと大きな場合の高炉操業に関するものであり、微粉炭の吹き込み量が１５０ｋｇ／ｔｐ以上となる場合や、コークス比が４５０ｋｇ／ｔｐに満たない場合の高炉操業に対応しているかどうかは不明となっている。
【００１２】
最後に、特許文献４には、特許文献３と同様に、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／および還元鉄などのメタル原料に代え、このメタル原料を残りの鉄源原料の装入に先立って炉の中心部に装入すること、および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する高炉の操業方法が開示されている。特許文献４では、炉中心部へのメタル原料ならびにコークスの装入は通常の炉頂装入装置とは別ルートの装入装置から行う点も開示されている。
【００１３】
特許文献４の方法では、炉中心部で還元に要する熱が少なくなるため、羽口から供給される熱を用いて高温の溶銑を生成させることができ、コークスの反応劣化による粉化も生じなくなるとされている。従って、特許文献４の方法では、高温溶銑が得られ、この高温の溶銑およびレースウェイ発生ガスと炉芯コークスとの熱交換が促進されるため、炉芯コークスの昇温を速やかに行うことができる。
【００１４】
しかしながら、特許文献４の方法では、還元鉄の粒径は１５ｍｍと小さく、還元鉄がコークス層の空隙を埋めるため、通気改善効果が小さい。また、特許文献２、３と同様に、メタルに対する炭素含有量についてはっきりとした記述がない。そのため、炭素含有量が多い場合には、コークス劣化により上部通気性が悪化する可能性もある。加えて、特許文献４のスクラップは最大径が２００ｍｍと極めて大きく質量も大であり、装入時の落下エネルギによりコークスを破壊してしまう可能性があり、特許文献２と同様な理由から上部通気性が悪化する可能性もある。
【００１５】
さらに、この特許文献４も、炉中心領域のみにメタルを装入する技術となっており、高炉の周辺部に対してメタルチャージを行う場合に対しても、適応可能な技術であるかどうかは不明となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００１−２７１１０４号公報
【特許文献２】特開平０８−２５３８０２号公報
【特許文献３】特開平０８−２６９５０８号公報
【特許文献４】特開平０６−２７９８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述した特許文献１〜特許文献４のメタルチャージの技術は、いずれも他の鉱石原料（塊鉱石、鉄鉱石ペレット、焼結鉱等）と異なり、還元にエネルギが必要でないメタルや浸炭メタルを高炉へ装入するものであり、図１の「従来法１」に示すようなメタル系の原料を用いない場合に比べれば、還元材比（コークス比）を低減可能なものとなっている。
ここで、高炉に装入して還元材比を低減可能なメタル系の原料としては、炭素の含有量によって図１の「従来法２」のような鋼地金やスクラップ等の原料と、「従来法３」のような浸炭メタルとが選択可能である。
【００１８】
まず、「従来法２」の鋼地金やスクラップ等の原料は、炭素含有量が低く、鉱石とサイズが同等（粒径３−４０ｍｍ）に調製されている。このようなメタル系の原料を鉱石層に装入すれば、メタル自体の骨材効果により高炉内の融着帯の通気性を改善することができる。このような高炉下部での通気性の改善効果は、「従来法３」のようにメタル系の原料に浸炭メタルを用いた場合にも、同様に得られる。
【００１９】
さらに、図１の「参考」に示すように、上述したメタルチャージの技術以外に、コークスを高炉の中心に装入する中心装入操業において、小粒（５ｍｍ以上３０ｍｍ以下）の浸炭メタルを高炉の中心に鉱石原料として装入することもできる。この方法であれば、炉中心の余剰顕熱を利用して浸炭メタルを溶融させることができ、還元材比を低減することも可能となる。
【００２０】
しかしながら、上述した「従来法２」、「従来法３」、「参考」の場合には、コークス比が低くなる反面、メタルを添加しない場合よりも、高炉上部における鉱石層とコークス層の体積比（鉱石層とコークス層の体積比：Ｖｏ／Ｖｃ）が増加してしまう。その結果、粒径が小さく空隙率が低い鉱石層の割合も増加するため、融着帯の通気性が良好になる反面、高炉の上部の通気性が悪化するという問題が発生する。
【００２１】
また、浸炭メタルは、他の鉱石原料と溶け落ち性（軟化点、融点）が異なり、高炉内での溶融が進んで高炉内の融着帯幅が広がるため、高炉下部での通気性も悪化する。加えて、スクラップ等を用いた場合のような骨材効果、つまり収縮抑制による通気改善効果は、浸炭メタルの場合には得られないという問題もある。
そこで、「従来法２」、「従来法３」、「参考」の場合とは異なり、メタル系の原料として、例えばコークスよりも粒径が大きな浸炭メタルを用い、さらにこの大径の浸炭メタルを鉱石層でなくコークス層に装入することも、図１の「比較の方法」に示すように考えられる。
【００２２】
ただ、メタル系の原料として、粒径が大きな浸炭メタルを装入する場合であっても、コークス層の第１バッチ目に浸炭メタルを装入する場合には、コークスと浸炭メタルの密度の違いにより偏析がおこり、コークスが上層に浮き上がると共に浸炭メタルが下層に沈み込んで、コークス前バッチである鉱石層と浸炭メタルが混合層をつくり、形成された混合層によって高炉上部の通気性が悪化してしまう可能性がある。
【００２３】
そこで、本発明の高炉への浸炭メタルの装入方法では、図１の「本発明の方法」に示すように、浸炭メタルをコークス層の第２バッチ目以降に装入するようにしている。
つまり、本発明は、上述したさまざまな問題に鑑みて、コークス層へ浸炭メタルを装入することにより、コークス比が低減でき、低コークス比操業でも大粒径の浸炭メタルを装入することにより上部の空隙が維持されるため、さらにコークス比を低減しても上部通気指数が上限を超えずに高炉の操業が可能となる高炉への浸炭メタルの装入方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決するため、本発明の高炉への浸炭メタルの装入方法は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の高炉への浸炭メタルの装入方法は、微粉炭を１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込みつつコークスを中心装入して銑鉄を製造する高炉であって、鉱石原料と前記コークスとが交互に層状に装入される高炉に対して浸炭メタルを装入するに際しては、前記コークスに、粒径が４０ｍｍ以上であって、且つ１００ｍｍ以下のものを用い、前記浸炭メタルに、炭素含有量が３．０質量％以上とされると共に、粒径の下限がコークス粒径の下限以上であって、粒径の上限が６０ｍｍとされたものを用い、前記コークスと鉱石原料とを、それぞれが２層以上設けられるように分割して交互に装入するものとし、前記分割して装入されたコークス層のうち、コークス層第２バッチ以降に、前記浸炭メタルが３０ｋｇ／ｔｐ以上であって１５０ｋｇ／ｔｐ以下装入することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の高炉への浸炭メタルの装入方法によれば、コークス層へ浸炭メタルを装入することにより、コークス比が低減でき、低コークス比操業でも大粒径の浸炭メタルを装入することにより上部の空隙が維持されるため、さらにコークス比を低減しても上部通気指数が上限を超えずに高炉の操業が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】高炉に対する鉱石原料とコークスの装入状態を、メタルを装入しない場合（従来法１）、小径のメタルを鉱石層に装入する場合（従来法２）、小径の浸炭メタルを鉱石層に装入する場合（従来法３）、浸炭メタルを炉中心に装入する場合（参考）で比較して示した図である。
【図２】高炉に対する鉱石原料とコークスの装入状態を、浸炭メタルをコークス層第１バッチに装入する場合（比較例）と、第２バッチ以降に装入する場合（実施例）とで比較して示した図である。
【図３】コークス層第１バッチに装入された浸炭メタルと、第２バッチ以降に装入された浸炭メタルの状態を、比較して示した図である。
【図４】メタルを用いない場合（従来法１）、小径のメタルを鉱石層に装入する場合（従来法２）、小径の浸炭メタルを鉱石層に装入する場合（従来法３）、浸炭メタルを炉中心に装入する場合（参考）で、コークス比と上部圧損指数との関係がどのように変化するかを示した図である。
【図５】浸炭メタルの装入方法を変えた場合における、鉱石層／コークス層の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）を示した図である。
【図６】粒径の異なる浸炭メタルを装入した場合のコークス層の状態を示した図である。
【図７】本発明の装入方法に使用可能な浸炭メタルの粒径範囲を示した図である。
【図８】大径の浸炭メタルをコークス層第１バッチに装入する場合（比較例）と、第２バッチ以降に装入する場合（実施例）における鉱石層／コークス層の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）を示した図である。
【図９】実施例及び比較例i〜比較例iiiにおいて、コークス比と上部圧損指数との関係がどのように変化するかを示した図である。
【図１０】実施例及び比較例i〜比較例iiiにおいて、還元材比と上部圧損指数との関係がどのように変化するかを示した図である。
【図１１】実施例及び比較例i、比較例iiiにおいて、微粉炭比一定条件下でコークス比と、鉱石層／コークス層の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）との関係がどのように変化するかを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［第１実施形態］
以下、本発明にかかる高炉への浸炭メタル２の装入方法の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、第１実施形態の浸炭メタル２の装入方法を模式的に示したものである。
図１に示すように、第１実施形態の浸炭メタル２の装入方法は、鉱石原料３とコークス４とが交互に層状に装入される高炉に対して、還元にエネルギが不要な浸炭メタル２を装入することで、還元材比を低減して低コストで溶銑を得るものである。そして、本発明の浸炭メタル２の装入方法は、さらに以下の条件（１）〜条件（４）を満足するものとなっている。
条件（１）
「微粉炭を１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込みつつコークス４を中心装入して銑鉄を製造する高炉に対して、浸炭メタル２を装入する」
条件（２）
「鉱石原料３とコークス４とが交互に層状に装入される高炉に対して、浸炭メタル２を装入する」
条件（３）
「コークス４に、粒径が４０ｍｍ以上であって、且つ１００ｍｍ以下のものを用い、浸炭メタル２に、炭素含有量が３．０質量％以上とされると共に、粒径の下限がコークス４の粒径の下限以上であって、粒径の上限が６０ｍｍとされたものを用いる」
条件（４）
「コークス４と鉱石原料３とを、それぞれが２層（２バッチ）以上設けられるように分割して交互に装入するものとし、分割して装入されたコークス層のうち、コークス層第２バッチＣ２以降に、浸炭メタル２が３０ｋｇ／ｔｐ以上であって１５０ｋｇ／ｔｐ以下装入する」
次に、本発明の浸炭メタル２の装入方法を構成する上述した条件（１）〜条件（４）について説明する。
【００２８】
条件（１）は、「微粉炭を１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込みつつコークス４を中心装入して銑鉄を製造する高炉に対して、浸炭メタル２を装入する」というものである。
上述した高炉は、微粉炭を１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込みつつコークス４を中心装入して銑鉄を製造するものとなっている。この微粉炭は、主燃料であるコークス４に対して、補助燃料として羽口から吹き込まれるものである。なお、吹き込み量の単位に用いられる「ｔｐ」は、溶銑換算での単位重量であり、「１５０ｋｇ／ｔｐ」は溶銑１トン当たりに微粉炭が１５０ｋｇ吹き込まれることを示している。
【００２９】
例えば、本実施形態の高炉の場合であれば、溶銑１トンを得るのに、コークス４が３００ｋｇ〜３６０ｋｇ、鉱石原料３は鉱石のＴ．Ｆｅ量に依存するが、Ｔ．Ｆｅ＝６０〜６８％の鉱石原料を使用し、このような条件で高炉を操業する場合に微粉炭の吹き込み量が１５０ｋｇ／ｔｐ以上となる場合を、「微粉炭を１５０ｋｇ／ｔｐ以上吹き込みつつ銑鉄を製造する」という。Ｔ．ＦｅはＪＩＳＭ８２１２で示される「滴定法」により求めることができる。なお、このように溶銑を１トン得る条件は、当業者であれば過去の操業データなどに基づいて、極めて容易に導き出すことができる。
【００３０】
上述した条件（１）は、コークス４を中心装入して銑鉄を製造する「中心装入方式」の高炉に適用されるものとなっている。「中心装入方式」は、高炉中心へ通常のコークス４や塊鉱石、鉄鉱石ペレット、焼結鉱他とは別にコークス４を少量装入するものである。「コークス中心装入」を行っている通気抵抗が鉱石層１よりも低いコークス層５を、高炉の中心部に集中的に配備して、高炉の操業を行う高炉操業方法である。この「中心装入方式」では、ＣＯ２ガスを発生して劣化しやすい高炉中心部の鉱石層１を減少させることができる（例えば、「ふぇらむ」Ｖｏｌ．９（２００４）Ｎｏ．１０、Ｐ７２１〜７２８、参照）。また、「中心装入方式」では、高炉の中心部のＯ／Ｃ（鉱石の質量／コークスの質量）の制御が容易にでき、高炉の中心を通る中心ガス流の確保、経済的な操業を行う際に重要となる逆Ｖ型の融着帯形成、炉芯の活性化、通液性の向上などを可能とすることができる。
【００３１】
条件（２）は、「鉱石原料３とコークス４とが交互に層状に装入される高炉に対して、浸炭メタル２を装入する」というものである。
高炉は、鉱石原料３とコークス４を交互に層状に装入し、下部から熱風を吹き込んで鉱石原料３の還元、溶融等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造する構成となっている。これらの鉱石原料３とコークス４とは、ベルレス方式の中心装入システムなどを用いて炉内に上部より装入される。高炉内に装入された鉱石原料３により鉱石層１が形成され、鉱石原料３に続いて高炉内に装入されたコークス４により、鉱石層１の上にコークス層５が積層状態で形成される。
【００３２】
高炉の外周に設けられた炉壁には、熱風を発生する熱風環状管と、熱風環状管で発生した熱風を炉内に導き入れる羽口とが設けられている。高炉内部における羽口の内側には、羽口から吹き込まれた熱風によりレースウェイと呼ばれる空間が形成され、レースウェイから炉内上部に移動する途中でコークス４や微粉炭のガス化によって生成した還元ガスを用いて、鉱石原料３の還元、溶融等の一連の反応が行われ、銑鉄が製造される。
【００３３】
ところで、上述した鉱石原料３には、塊鉱石、鉄鉱石ペレット、焼結鋼といった原料を用いることが多いが、本発明の装入方法では、これらの鉱石原料３に加えて、条件（３）に示すような粒径の浸炭メタル２を用いている。
条件（３）は、「コークス４に、粒径が４０ｍｍ以上であって、且つ１００ｍｍ以下のものを用い、浸炭メタル２に、炭素含有量が３．０質量％以上とされると共に、粒径の下限がコークス４粒径の下限以上であって、粒径の上限が６０ｍｍとされたものを用いる」というものである。  
【００３４】
つまり、条件（３）の前段に規定されるように、コークス４は、高炉の炉内で通気性確保のためのスペーサとしての役割を果たすものである。そのため、コークス４には、粉化しない程度の強度を実現可能であって、コークス層５（充填層）に通気のための空隙を確保可能な粒径が求められる。このようなコークス４の粒径は、４０ｍｍ以上であって、１００ｍｍ以下という条件を満足するものであり、篩いを用いて粒径が大きい粒子と粒径が小さい粒子を排除（上下限をカット）し、中位粒径のみを残す（分級する）ことで得ることができる。
【００３５】
高炉に装入するコークス４に、このような４０ｍｍ以上であって、１００ｍｍ以下という条件を満足するコークス４を用いた場合には、粒度が大きいコークス粒子のみでコークス層５を形成することができ、粒度が揃った（粒度分布における粒径幅が狭い）コークス粒子でコークス層５を形成することができるので、コークス層５の空隙率を高く保つことができる。
【００３６】
なお、上述した高炉に装入するコークス４に、下限の粒径が４０ｍｍ未満となるような小径なものを含むコークス粒子を用いた場合には、装入されたものの中でも小径なコークス粒子（細かいコークス粒子）が、大径なコークス粒子の間隙を埋めるため、コークス層５の空隙率が低下し、コークス層５の通気性が悪化する。
また、上述した高炉に装入するコークス４に、上限の粒径が１００ｍｍより大きくなるような大径のものを含むコークス粒子を用いた場合にも、装入されるコークス４の粒度分布が広くなるため、粒度に差があるコークス粒子同士が相補的に空隙を埋めるためコークス層５の空隙率が低下し、コークス層５の通気が悪化する。
【００３７】
条件（３）の後段に規定されるように、浸炭メタル２には、炭素含有量が３．０質量％以上とされると共に、粒径の下限がコークス４の粒径の下限以上であって、粒径の上限が６０ｍｍとされたものが用いられる。
つまり、本発明は、鉱石原料３として一般に使用される塊鉱石、鉄鉱石ペレット、焼結鉱等の原料の一部を、メタル原料（堅銑、鋳物銑ほか）に代替するものである。つまり、本発明は、塊鉱石、鉄鉱石ペレット、焼結鉱等の一部にメタル原料（堅銑、鋳物銑ほか）を装入するメタルチャージに関する技術となっている。このようなメタルチャージの技術を用いれば、還元にエネルギが不要なメタル原料を用いた分だけ還元材比を低減することができるものとされている（特開平７−１２６７１８号公報等参照）。
【００３８】
ただ、還元材比を低減するために一部の鉱石原料３を浸炭メタル２のようなメタル原料に代替すると、高炉の通気性、特に高炉上部の通気性が悪化してしまう場合が多く、通気性が悪化すると還元材比の低減も困難になる。つまり、還元材比を低減するためには、上部通気性を確保することが重要になる。そして、この上部通気性には、高炉上部における鉱石層１の体積（Ｖｏ）とコークス層５（Ｖｃ）の体積の比である（Ｖｏ／Ｖｃ）が大きく影響する。この体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）が大きくなった場合には、空隙が小さい鉱石層１の比率が大きくなるため高炉上部での通気障害を起こし易くなるからである。
【００３９】
なお、上述した「高炉上部」とは主に塊状帯を示しており、「塊状帯」とは鉱石が溶融している溶融層の上側に位置すると共に、鉱石が固体状態で存在している高炉内部の領域を示している。
また、上述した条件（３）では、浸炭メタル２として、炭素含有量が３．０質量％以上とされたものが用いられる。この「炭素含有量」とは、浸炭メタル２などのメタル原料（金属鉄）に含まれる炭素分を意味している。この炭素含有量は、ＪＩＳＭ８２１７で示される「燃焼−赤外線吸収法」により求めることができる。本実施形態で使用するメタル原料に炭素含有量が３．０質量％以上の浸炭メタル２を用いれば、浸炭反応によってコークス４が反応劣化を起こし難くなる（浸炭によるコークス４の劣化を防止できる）。しかし、炭素含有量が３．０質量％未満の場合、浸炭反応によるコークス４の反応劣化が大きくなり、高炉上部での通気性が悪化し、コークス比が増加する。
【００４０】
上述したように浸炭メタル２の炭素含有量を３．０質量％以上とすれば、融点が１２００℃程度を下回るようになり、他の鉱石原料３（塊鉱石、鉄鉱石ペレット、焼結鉱等）の溶融点（１３５０〜１４５０℃）よりも低い温度で溶融するようになる（例えば「鉄鋼便覧（第３版）Ｐ４０１」等参照）。
次に、図５及び図８を用いて、従来から行われてきたメタルチャージの方法の手順と、周辺部の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）、さらには本発明のメタルチャージの方法と周辺部の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）について説明する。なお、図５及び図８に示す「従来法１」、「従来法２」、「従来法３」、「参考」、「比較の方法」、「本発明の方法」は、表１Ａに示す条件に従ったものである。
【００４１】
【表１Ａ】
2017166039.tif 000003
【００４２】
図５の左側に示される「従来法１」は、メタルチャージの技術を利用せずに溶銑を製造する高炉の断面構造と、「従来法１」の条件で操業を行った場合の高炉上部における周辺部の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）を示したものである。
一方、図５の中央左側に示される「従来法２」は、メタル原料に炭素含有量が少なく、小粒のスクラップや鋼地金を用いたものであり、小粒のスクラップや鋼地金をメタル原料として鉱石層１へ混合（装入）したものである。これらのメタル原料は塊鉱石などの鉱石原料３よりも融点が高く、メタル原料自身（スクラップ、鋼地金）が高炉下部の融着帯で骨材として働くため、高炉下部では良好な通気改善効果を得ることができる。それゆえ、「従来法２」では、鉱石原料３の一部にメタル原料を使用した分だけ還元が必要な鉱石原料３が減り、コークス比の低減も可能となる。
【００４３】
しかし、図５の下側に示すように、コークス比を低減してしまうと、コークス４の装入量も減るので、高炉の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）、特に高炉上部の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）は増加することになるため、高炉上部の空隙率が低下し通気性が悪化する。
また、図５の中央右側に示される「従来法３」は、メタル原料に小粒の浸炭メタル２を用いたものであり、小粒の浸炭メタル２をメタル原料として鉱石層１へ混合したものである。この「従来法３」の場合も、「従来法２」と同様に高炉上部の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）が増加する。また、浸炭メタル２は、炭素含有量が３．０質量％を超えるような鋳物銑を主として用いており、融点が低く、溶け落ちが鉱石よりも早い場合が多い。そのため、融着帯の幅が広がった形となり高炉下部での通気が悪化しやすい。また、小粒の浸炭メタル２のメタル原料は融着帯に達する前に溶解してしまうため、骨材としては働かず、「従来法３」のようにメタル原料が骨材として機能して通気改善をするといった効果も得られない。そのため、上述したスクラップや鋼地金をメタル原料として用いる方法（従来法３）よりもコークス比を低減する効果は小さくなる。
【００４４】
なお、図５の中央右側に示される「参考」のように、浸炭メタル２を高炉の中心にコークス４と共に装入することもできる（特開２０１４−２６５８２６号公報参照）。この「参考」の方法（中心装入方法）でも、高炉中心の余剰顕熱により浸炭メタル２を溶融させるため、還元材比を低減する事はできる。しかしながら、高炉中心に装入された浸炭メタル２の分だけ、還元が必要な鉱石層１の体積が減少するため、「従来法２」や「従来法３」と同様に、高炉上部の周辺部の体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）は微増する。
【００４５】
上述したように、メタル原料に小粒のスクラップや浸炭メタル２を用いると、還元が必要でないメタル原料を用いた分だけ、メタル原料以外の鉱石層１の量も減るので、還元材の必要量が減り、結果として還元材比を下げることが可能となる。しかし、その反面で、メタル原料以外の鉱石層１の量が減った分だけ、コークス層５の量が減り、高炉上部での体積比が増加してしまう。
【００４６】
そこで、本発明の浸炭メタル２の装入方法では、高炉に装入する浸炭メタル２に、粒径の下限がコークス粒径の下限以上であって、粒径の上限が６０ｍｍとされたもの、言い換えればコークス４よりも粒径が大きなものを用いている。
このように粒径の下限がコークス粒径の下限以上とされた浸炭メタル２を高炉に装入すれば、図６の（ａ）に示すように、浸炭メタル２の粒子サイズとコークス４の粒子サイズとに差がつきにくくなり、浸炭メタル２がコークス層５の間隙を埋めることがなくなるため、コークス層５（充填層）の空隙率を保つことができ、高い通気性を維持することが可能となる。
【００４７】
ところが、図６の（ｂ）に示すように、浸炭メタル２の粒径下限が、コークス粒径下限を下回る場合、浸炭メタル２の粒子サイズがコークス４の粒子サイズより小さくなり、浸炭メタル２がコークス層５の間隙を埋めるため高炉上部の空隙率が小さくなり、コークス層５（充填層）の通気性が悪化してしまう。
一方、浸炭メタル２の粒径上限はコークス４が破壊されるかどうかで判断した。すなわち、浸炭メタル２の粒径上限が６０ｍｍ以下の場合、浸炭メタル２の粒子サイズはそれ程大きくないため、高炉の上部から装入された浸炭メタル２がコークス４の上に落下しても、コークス４を破壊することがない。
【００４８】
ところが、浸炭メタル２の粒径上限が６０ｍｍを超えると、浸炭メタル１粒子当たりの質量（個重）が大きくなり、落下時にコークス４に加わる落下衝撃も大きくなる。そのため、落下した際の衝撃によってコークス４の粒子が破壊されて、コークス４が粉化してしまい（細かくなってしまい）、粉化したコークス４が間隙を埋めることで高炉上部の通気性を悪化させる可能性も大きくなる。
【００４９】
それゆえ、本発明の浸炭メタル２の装入方法では、浸炭メタル２の粒径上限を６０ｍｍ以下として、高炉上部の通気性を確保しているのである。
なお、浸炭メタル２の粒径と、コークス４の破壊との関係は、以下の方法で評価した。
すなわち、コークス４と浸炭メタル２とを、床面から３ｍの高さから同時に落下させ、コークス４の粒子が破壊されるかどうか（浸炭メタル２の粒子サイズがコークス４の粒子の破壊に及ぼす挙動）を観察した。なお、この「３ｍ」という落下高さは、本実施形態に用いられるベルアーマー式の高炉において、アーマーから、高炉内部に装入された原料表層までの高さに基づいて設定されている。また、コークス４と一緒に落下させる浸炭メタル２としては、粒径の最大値が３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍ、８０ｍｍのものを使用した。
【００５０】
上述した評価手順で評価を行った結果、６０ｍｍ以下の浸炭メタル２（３０ｍｍ〜６０ｍｍの浸炭メタル２）を落下させた場合には、コークス４の破壊は観察されなかった。しかし、６０ｍｍより大きい浸炭メタル２（７０ｍｍ、８０ｍｍの浸炭メタル２）を落下させた場合、コークス４は半分に割れていた。このことから、浸炭メタル２の粒径上限が６０ｍｍを超えると、コークス粒子の破壊が起きると判断した。
【００５１】
つまり、上述した条件（３）で規定される鉱石原料３、コークス４、浸炭メタル２の粒子サイズの関係を示すと、図７に示すようになる。
図７に示すように、本発明の浸炭メタル２の装入方法では、鉱石層１を形成する鉱石原料３に比して、コークス層５を形成するコークス粒子の方が粒径が大きく、またこのコークス粒子の粒径に対して、浸炭メタル２はコークス粒子の粒径下限より大きな粒子下限を有している。
【００５２】
条件（４）は、「コークス４と鉱石原料３とを、それぞれが２層（２バッチ）以上設けられるように分割して交互に装入するものとし、分割して装入されたコークス層のうち、コークス層第２バッチＣ２以降に、浸炭メタル２を３０ｋｇ／ｔｐ以上であって１５０ｋｇ／ｔｐ以下装入する」というものである。
つまり、高炉への原料装入は、コークス４と鉱石原料３とを交互に装入するものとなっている。また、交互に装入されるコークス４及び鉱石原料３は、いずれも２バッチ以上（複数）に分割して炉内へ装入される。
【００５３】
例えば、図８の「比較の方法」の高炉内部の断面構造を例に挙げれば、高炉の周辺部においては、コークス層５（図中でグレーで示す部分）は、下層からコークス層第１バッチＣ１、コークス層第２バッチＣ２となっている。本実施形態のコークス４は、２バッチに分けて装入されるため、第１及び第２の２バッチであるが、３バッチ以上に分割してコークス４を装入する場合は、コークス層第３バッチＣ３などを設けても良い。
【００５４】
また、鉱石層１は、鉱石層第１バッチＯ１、鉱石層第２バッチＯ２  に分けて、鉱石原料３の装入が行われる。
さらに、上述した「中心装入方式」では、高炉の中心部においては、鉱石原料３が装入されず、コークス４のみが装入されるため、中心コークス第１バッチＣＣＣ１、中心コークス第２バッチＣＣＣ２に分けてコークス４の装入が行われる。
【００５５】
そして、条件（４）に示すように、本発明の浸炭メタル２の装入方法は、上述したようにコークス４と鉱石原料３とを、それぞれが２層以上設けられるように分割して交互に装入するものとし、分割して装入されるコークス層第２バッチＣ２以降に、浸炭メタル２が３０ｋｇ／ｔｐ以上であって１５０ｋｇ／ｔｐ以下装入するものとなっている。
このようにコークス層第２バッチＣ２以降に浸炭メタル２を装入するのは、以下のような理由による。
【００５６】
すなわち、図８の「比較の方法」に示すように、コークス層第１バッチＣ１に、コークス４の粒径の下限以上であって、６０ｍｍ以下の粒径を備えた浸炭メタル２を装入した場合、コークス４と浸炭メタル２の見かけ密度の違いから浸炭メタル２はコークス層５の下層へ沈み込み、浸炭メタル２の偏析が生じる。その結果、図３（ａ）に示すように、コークス層第１バッチＣ１の前バッチである鉱石層最終バッチ（鉱石層第２バッチＯ２）に沈み込んだ浸炭メタル２が同化するため、体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）が低下する。
【００５７】
特に、鉱石層１の鉱石原料３に粒径が３ｍｍ以上４０ｍｍ以下と小さいものを用いると、粒径が小さい鉱石層１が粒径の大きな（コークス下限以上６０ｍｍ以下）浸炭メタル２と混合することにより、粒径に違いのある粒子同士が粒子間の隙間を補間し合うため、空隙率が低下し上部通気が悪化する。
しかしながら、図８の「本発明の方法」に示すように、コークス層第２バッチＣ２以降に浸炭メタル２を装入した場合、装入された浸炭メタル２の下に先に装入したコークス層５（コークス層第１バッチＣ１）が存在しているため、装入された浸炭メタル２が鉱石層１と混合されることがない。そのため、図３（ｂ）に示すように、浸炭メタル２の粒子と浸炭メタル２の粒子とが混ざり合うことが無く、高炉上部の通気性を確保することが可能となる。
【００５８】
また、コークス層第２バッチＣ２以降に装入される浸炭メタル２の装入量（使用量）が３０ｋｇ／ｔｐ以上、且つ、１５０ｋｇ／ｔｐ以下の場合には、高炉の径方向にも円周方向にも浸炭メタル２を偏り無く（偏析なく）分布させることが可能になり、高炉の中心から周辺部に、あるいは高炉の下部から上部に向かうガス流れが安定するため、高炉上部の通気性が改善できる。
【００５９】
しかし、浸炭メタル２の装入量が３０ｋｇ／ｔｐ未満の場合には、特に高炉の円周方向に浸炭メタル２の分布に差が生じやすくなり、高炉の円周方向で通気性の差が生まれ、ガス流れが不安定となってスリップ（吹き抜け現象のやや軽いもので、多くは高炉の径方向の一部分にガスの流れの停滞箇所が生じ、ガス流の再開とともに一方向の装入物分布のみが乱れる（すべり落ちる）現象をいう）等の原因となりやすくなる。また、ガス流れを安定化させるために、終局的にはコークス比を増加させる処置を取るので、溶銑コストの高騰に繋がるおそれがある。
【００６０】
一方、浸炭メタル２の装入量が１５０ｋｇ／ｔｐより多い場合には、特に高炉の径方向に浸炭メタル２の分布に差が生じやすくなり、溶け落ち時に高炉の径方向で通気性の差が生まれ、ガス流れが不安定となってスリップ等の原因となりやすくなる。また、ガス流れを安定化させるために、終局的にはコークス比を増加させる処置を取るので、溶銑コストの高騰に繋がるおそれがある。
【実施例】
【００６１】
次に、実施例及び比較例（比較例i〜比較例iii）を用いて、本発明の作用効果をより詳しく説明する。
実施例及び比較例は、内容積が５４００ｍ３の実際の高炉において、装入条件を変えて浸炭メタル２の装入を行い、「コークス比（ＣＲ）」、「上部圧損指数」、「還元材比（ＲＡＲ）」、「コークス層５と鉱石層１との体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）」を評価したものである。
【００６２】
なお、評価に用いた高炉は、出銑比（一日当たりに高炉から出船される出銑量（ｔ）を、高炉内容積（ｍ３）で割った値）が１．８〜２．１ｔ／ｍ３／ｄａｙのものである。この高炉では、補助燃料として微粉炭を１５０ｋｇ／ｔｐ以上羽口から吹き込んでおり、またコークス４を高炉の中心に装入する「中心装入方式」で操業が行われている。
なお、実施例及び比較例は、上部圧損指数が０．７を超えると吹き抜け等のトラブルの原因となるため、上部通気指数が０．７を超えないようにコークス比を維持しつつ（コークス比増加の対応を取りつつ）操業を行っており、上部通気指数が０．５〜０．７の範囲で操業を行ったものとなっている。
【００６３】
また、「コークス比（ＣＲ）」、「上部圧損指数」、「還元材比（ＲＡＲ）」、「コークス層５と鉱石層１との体積比（Ｖｏ／Ｖｃ）」を評価する際に用いる各パラメータは、表１Ｂに示すようなものとなっている。
【００６４】
【表１Ｂ】
2017166039.tif 000004
【００６５】
さらに、実施例、及び比較例i〜比較例iiiについては、以下のように浸炭メタル２及び鉱石原料３の装入条件を変化させた。
すなわち、「実施例」は、粒径が４０ｍｍ以上であって、且つ１００ｍｍ以下のコークス４と、炭素含有量が３．０質量％以上とされると共に、粒径の下限がコークス４の粒径の下限以上であって、粒径の上限が６０ｍｍとされた浸炭メタル２を、用意し、コークス４と鉱石原料３とを、それぞれが２層以上設けられるように分割して交互に装入するものとし、分割して装入されたもののうち、コークス層第２バッチＣ２以降に、上述した浸炭メタル２が３０ｋｇ／ｔｐ以上であって１５０ｋｇ／ｔｐ以下装入しているものである。
【００６６】
また、「比較例i」は、メタル原料を一切使用せず（メタル混合なしで）、鉱石原料３のみを装入して操業を行ったものである。
さらに、「比較例ii」は、浸炭メタル２をコークス層５に装入するものではあるが、浸炭メタル２やコークス４の性状、装入手順などが本発明の条件とは異なるもの（本発明の条件外れ）となっている。
【００６７】
さらにまた、「比較例iii」は、「実施例」と同じ浸炭メタル２（小径の浸炭メタル２）を、鉱石層１に装入（混合）したものである。
以下の表２〜表５に、実施例、及び比較例i〜比較例iiiについての評価結果を示す。
【００６８】
【表２】
2017166039.tif 000005
【００６９】
【表３】
2017166039.tif 000006
【００７０】
【表４】
2017166039.tif 000007
【００７１】
【表５】
2017166039.tif 000008
【００７２】
なお、表２〜表５及び図９、図１０に示す「上部圧損指数」とは、以下の式（１）で計算されるものである。
［数１］
上部圧損指数＝（炉頂圧力２−ボッシュ部圧力２）／ボッシュガス量１．７・・・（１）
本実施形態では上部圧損指数の上限を「０．７」としているが、この上限値の「０．７」はスリップ等が多発した過去実績より定めたものである。上部圧損指数が「０．７」を超えた場合、高炉上部（塊状帯）の通気性が悪化してることを示しており、スリップ、吹き抜け等が発生し、安定的に生産活動を行うことが不可能になる。そのため、上部通気指数が「０．７」を超えないようにコークス比増加の対応をとる必要がある。
【００７３】
表２〜表５及び図９、図１０に示すように、実施例の操業方法では、コークス比ＣＲが最大でも３６０ｋｇ／ｔｐもあれば、０．７以下の上部圧損指数を実現することができている。ところが、メタル原料を用いていない比較例i（実施番号３７、３８）、浸炭メタル２をコークス層５に装入するものであっても、コークス粒径との関係、炭素含有量、粒径、浸炭メタル２の装入対象、浸炭メタル２の装入量の範囲が実施例とは異なる比較例ii（実施番号３９、・・・、６４）、浸炭メタル２の装入先が鉱石層１とされた比較例iiiでは、コークス比ＣＲを最小でも３６５ｋｇ／ｔｐ以上に高めなければ０．７以下の上部圧損指数を実現することができていない。
【００７４】
このことから、実施例の操業条件で高炉の操業を行えば、コークス比ＣＲを低減でき、還元材の使用量を抑えて、溶銑の製造コストを低減できることがわかる。
一方、上述した上部圧損指数との関係は、コークス比ＣＲでなく、還元材比ＲＡＲを用いても成立する。このことから、実施例の操業条件で高炉の操業を行えば、還元材の使用量を低減できることは明らかである。
【００７５】
さらに、図１１に示すように横軸にコークス比ＣＲ、縦軸に体積比をプロットすると、微粉炭比ＰＣＲが一定条件下で、実施例の結果は、比較例に比して、より低いコークス比で、低体積比で操業が行えていることがわかる。このことから、実施例の操業条件で高炉の操業を行えば、高炉上部での体積比を下げることができ、高炉上部の通気性を良好な状態に維持したまま、より低いコークス比で溶銑を得ることが可能であると判断される。
【００７６】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、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、運転条件や操業条件、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値を採用している。
【符号の説明】
【００７７】
１  鉱石層
２  浸炭メタル
３  鉱石原料
４  コークス
５  コークス層
Ｃ１  コークス層第１バッチ
Ｃ２  コークス層第２バッチ
Ｏ１  鉱石層第１バッチ
Ｏ２  鉱石層第２バッチ
ＣＣＣ１  中心コークス第１バッチ
ＣＣＣ２  中心コークス第２バッチ
【図１】
2017166039.tif 000009
【図２】
2017166039.tif 000010
【図３】
2017166039.tif 000011
【図４】
2017166039.tif 000012
【図５】
2017166039.tif 000013
【図６】
2017166039.tif 000014
【図７】
2017166039.tif 000015
【図８】
2017166039.tif 000016
【図９】
2017166039.tif 000017
【図１０】
2017166039.tif 000018
【図１１】
2017166039.tif 000019