(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉頂装入装置の旋回シュートから鉱石原料及びコークス原料を交互に炉口部に装入し、装入原料の堆積物表面が炉壁近傍で水平になったテラス部と、テラス部から炉中心に向かって下方に傾斜した傾斜部とを有する装入原料の堆積形状分布を造り込む際、炉口部の内部水平断面の面積を同心円状に中心領域，中間領域及び周辺領域に３等分し、周辺領域における鉱石層／コークス層の実測層厚比を求め、装入原料全体の鉱石／コークスの平均層厚比に対する実測層厚比の比率（実測層厚比／平均層厚比）を相対層厚比として算出し、周辺領域における相対層厚比が０．５０〜０．７０の管理範囲に収まるように炉口部に装入される鉱石原料及びコークス原料の炉口半径方向に沿った分布量を調整することを特徴とする高炉炉口部の装入物分布制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、炉頂装入物の装入パターンを確実且つ的確に調整して高炉を安定操業する装入物分布制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉の安定操業のためには、炉下部から一定量の熱風を送り込み、炉上部から鉱石，コークス等の装入原料を一定速度で降下させ、炉内の熱バランスを図ることが必要である。
鉱石，コークス等の装入原料は、炉頂部からベル式又はベルレス式の装入装置で炉内に装入される。ベルレス式装入装置では、旋回シュートを使用して鉱石原料及びコークス原料を交互に炉上部に装入する。鉱石原料及びコークス原料は、炉内上部で交互に積み重ねられ、炉内を降下する間に昇温して，還元され溶解される。定常状態の炉内は、装入物の昇温，還元，溶解に適した熱バランスに保たれている。ところが、スリップ，吹抜け等が炉内に発生すると、昇温，還元，溶解の過程を経ずに装入原料が落下して炉内の熱バランスが崩れ、操業上で大きなトラブルを発生させる。
【０００３】
炉内における装入原料及び熱風の流れを図１（ａ）で模式的に示す。炉口部１に交互に装入され層状に積み付けられた鉱石，コークス等の装入原料は、下降流Ｍ1 となってシャフト部２，炉腹朝顔部３を下降する。下降流Ｍ1 は、シャフト部２を全体的に炉壁方向に広がりながら炉半径方向に関してほぼ同じ速度で炉内を下降する。炉腹朝顔部３より下方では、装入原料は、ホッパー内原料の流れと同様な縮流流れとなって炉壁内面と炉芯４との間を下降する。熱風は、炉腹朝顔部３の下方位置で炉壁の円周方向に設けられている羽口５から炉内に吹き込まれ、レースウェイ６を形成する。
何らかの原因で高炉炉内の特定部位で装入原料の下降が一時的に停滞すると、停滞部分Ｍ2 に昇温及び還元が遮断された不連続域が発生する。停滞部分Ｍ2 より下方にある装入原料はそのまま炉内を下降するが新たな装入原料の供給が断たれるため、空洞Ｖが停滞部分Ｍ2 の下方に発生する。空洞Ｖに上方から装入物の重量が加わるため、しばらくすると停滞部分Ｍ2 が自重によって落下し、図１（ｂ）に示すように空洞Ｖが消滅する。
【０００４】
停滞部分Ｍ2 の落下，すなわちスリップ現象は、炉内上部にある装入物が未昇温，未還元のままで炉内下部に急激に降下することを意味し、炉内の熱バランスを崩して炉況を不調にする。炉況が悪化すると、固液２相の流体が炉内上下方向に移動する連続向流反応プロセスである高炉の安定操業が望めず、反応効率が低下する。その結果、生産される溶銑の品質や溶銑温度のバラツキが大きくなり、最悪の場合には炉熱低下に起因して高炉の生産性が大幅に低下する。
炉況を不安定にするスリップを防止するため、特開平７−１８３１１号公報では送風条件及び１チャージ当りの鉱石装入量を制御している。この方法では、炉下部から持ち込まれる送風顕熱量に対する１チャージ当り炉頂装入される炉腹朝顔部換算の鉱石層厚との比率を融着帯スリット内の鉱石層を溶解させる能力を表わす管理指標として用いている。そして、溶融還元の遅れ，融着帯根部の肥大化・垂下り，荷下がり悪化等が生じないように、管理指標を一定範囲に収めている。
【０００５】
特開平２−３４７０９号公報では、炉頂に設けた暗視カメラで炉内を撮影し、暗視カメラからの映像信号に基づいて炉半径方向の中心部，中間部及び周辺部の各領域ごとにコークス平均粒径を測定し、各領域ごとの粒径が所定範囲内の値になるように炉頂装入物の分布状態を制御している。
特開平３−１３５１４号公報では、炉外待機位置から炉中心部に向けて複数のゾンデを使用して高炉シャフト部堆積原料内の半径方向及び高さ方向に沿った複数箇所でガス分析している。分析値から炉軸対称二次元断面上に表わされる堆積原料内部での等ηCO線図を作図し、熱保存帯上端（ηCO＝１００％）の平均高さレベル及び周辺部高さレベルを求め、各部の高さが適正値になるように燃料比，装入物分布，送風条件等を制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平７−１８３１１号公報の方法では、通常の高炉操業中にスリップが多発する際の発生原因として高いウエートを占める炉頂装入物の分布制御の不適切なアクションのように、固気２相間での局部的な熱交換の進行に起因する熱交換不良，荷下がり異常等に対しては効果的なアクションが取れない。
特開平２−３４７０９号公報の方法では、著しく悪化した炉況のため炉口部堆積原料表面から多量のダストを随伴した高炉ガスが発生している場合，または炉頂から排出される高炉ガスを乾式除塵設備を介して炉頂発電設備に回収するプロセスを備えた高炉のように除塵設備の濾布耐熱温度以下に高炉ガスを炉頂撒水で冷却している場合等では、暗視カメラの視野が高炉ガスに随伴しているダスト，水蒸気の白煙等で遮られるため、暗視カメラが使用できなくなる。
【０００７】
特開平３−１３５１４号公報の方法では、高炉シャフト部に複数のゾンデを設ける必要がある。しかも、炉壁側から炉内堆積原料内部に向けてゾンデを抜き差しするシャフト上部ゾンデ及び中部水平ゾンデは、大出力の駆動装置を備えた高価な計測機器である。そのため、大量の溶銑を生産できる大型高炉と異なり、未設置の小型高炉には適していない。更には、ゾンデの抜き差しに起因した炉内原料の揺さ振り等で耐火物の損傷を促進させることにもなる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、原料装入パターンの管理に併せ装入原料の炉内堆積形状を安定に作りこむことにより、スリップ発生のない安定な高炉操業を可能にすることを目的とする。
本発明の装入物分布制御方法は、その目的を達成するため、炉頂装入装置の旋回シュートから鉱石原料及びコークス原料を交互に炉口部に装入し、装入原料の堆積物表面が炉壁近傍で水平になったテラス部と、テラス部から炉中心に向かって下方に傾斜した傾斜部とを有する装入原料の堆積形状分布を造り込む際、炉口部の内部水平断面の面積を同心円状に中心領域，中間領域及び周辺領域に３等分し、周辺領域における鉱石層／コークス層の実測層厚比を求め、装入原料全体の鉱石／コークスの平均層厚比に対する実測層厚比の比率（実測層厚比／平均層厚比）を相対層厚比として算出し、周辺領域における相対層厚比が０．５０〜０．７５の管理範囲に収まるように炉口部に装入される鉱石原料及びコークス原料の炉口半径方向に沿った分布量を調整することを特徴とする。
【０００９】
【実施の形態】
ベルレス式炉頂装入装置は、図２（ａ）に示すように、炉口部１に配置した原料供給管７の下端に旋回シュート８を取り付けている。鉱石原料及びコークス原料は、交互にホッパ（図示せず）から原料供給管７を経て旋回シュート８に送り込まれ、炉口半径方向に装入分配される。旋回シュート８は、旋回しながら徐々に炉軸側に傾斜する。原料装入は、通常、機械式サウンジング装置に吊り下げられた重錘９が示す炉内装入原料層表面Ｓの高さが指定高さに達するまで降下した場合に行われる。
分配された鉱石原料及びコークス原料は、炉壁近傍で水平になったテラス部と、テラス部から炉中心に向かって下方に傾斜した傾斜部とを有する堆積形状分布に造り込まれ、交互に積み付けられた多層構造になる。炉口部１に堆積した装入原料層表面Ｓは、炉頂部に設けた測深装置１０で測定される。測深装置１０は、炉頂部に設けられ、炉内半径方向に沿った複数箇所で装入原料層表面Ｓの高さを検出できる。測深装置１０で得られた測定値から装入原料層の堆積形状を求め、原料装入アクションの結果を監視評価する。
【００１０】
測深装置１０としては、たとえば炉口部１の半径方向に移動可能なように駆動機構を備えた接触式や、マイクロ波，レーザ等を利用した非接触式の測深装置が使用される。移動可能な測深装置１０は、装入原料層表面Ｓ上のガス温度が比較的低く挿入推進の負荷が加わらない自由空間でセンサ内臓のプローブを抜き差しして計測できるため、小型化でき、使いやすく、コスト，保守等を考慮した総合評価の点でも優れていることから、現行高炉では設置率の高いセンサである。
サウンジング装置は、原料装入の機会を判断するセンサ機能の外に、スリップ検知用センサとしても使用される。炉上部の装入原料層表面Ｓの急降下として現れるスリップは、装入原料層の上に配置された重錘９の深度差として検知され、深度差の大小によってスリップの程度が評価される。
【００１１】
サウンジング装置は、炉口部１の円周方向に関して等間隔で４個配置される。４個のサウンジング装置のうち、その時々で荷下がり状況が比較的異常な挙動を示した２個のサウンジング装置の動きを基にして、荷下がり安定性の評価結果を管理値として数値化する。具体的には、２個のサウンジング装置の何れかが瞬間的に０．５ｍ以上の急降下を示した場合の荷下がり現象をスリップとして扱う。そして、図２（ｂ）に示すように、深度差Ｌが、片方のサウンジング装置のみで０．５ｍ≦Ｌ＜１．０ｍのスリップを検知した場合をスリップ指数＝０．２回，両方のサウンジング装置が０．５ｍ≦Ｌのスリップを検知した場合をスリップ指数＝０．５回，両方のサウンジング装置が１．０ｍ≦Ｌのスリップを検知した場合をスリップ指数＝１．０回と評価する。スリップ現象をこのように評価し、スリップのない安定した荷下がりを呈する装入物分布を解明するため、原料装入条件と装入堆積原料層の表面形状との関係を調査した。
【００１２】
炉口部１の水平方向断面の面積を同心円状に３等分して、中心領域，中間領域及び周辺領域を設定する。測深装置１０の測定値から、周辺領域における鉱石／コークスの実測層厚比を求め、装入原料全体の鉱石／コークスの平均層厚比に対する実測層厚比の比率を算出し、周辺領域の相対層厚比とする。また、鉱石の平均落下位置に対するコークスの平均落下位置の比率を算出し、ベルレス強度比とする。ベルレス式炉頂装入装置を備えた高炉では、ベルレスモードの変更，コークスベース量の変更，チャージライン（重錘９で判断される原料装入開始条件としての指定高さ）等により装入原料の層厚分布が制御される。最も定量的で自由度の大きな制御手段は、旋回シュート８の傾動角度及び旋回数の組合せにより設定されるベルレスモードである。そこで、旋回シュートの傾動角度及び旋回数の組合せによって装入原料の層厚分布を制御する方法を先ず説明する。
【００１３】
ＯＣ２バッチ１チャージ装入の形態で１バッチ当りのシュート旋回数を１２旋回とし鉱石原料及びコークス原料を交互に装入する場合、たとえばＯ７4 ８4 ９3 １０1 ，Ｃ７6 ８1 ９4 １０1 といった数値の組合せでベルレスモードが表現される。Ｏ７4 ８4 ９3 １０1 は、鉱石原料の１バッチ装入を７ノッチ４旋回，８ノッチ４旋回，９ノッチ３旋回，１０ノッチ１旋回の合計１２旋回で実施することを意味する。Ｃ７6 ８1 ９4 １０1 は、同様にしてコークス原料を装入するときのノッチ及び旋回数を意味する。なお、ノッチとは旋回シュートで予め設定した傾動角度を番号付けして表わした数値であり、数値が大きくなるほど装入原料が炉内中心側に、数値が小さくなるほど炉壁側に装入されることを意味する。
【００１４】
前掲の表現方式で複数の装入パターンを順位付けして評価するとき、一見して見分けるには不便である。そこで、ベルレスモード条件を指数とし、次式（１），（２）によって平均落下位置指数及びベルレス強度比を与える。式（１），（２）の指数は、ベルレス式炉頂装入装置や炉口寸法が異なる２基以上の高炉データを比較する上でも有効である。
鉱石原料又はコークス原料の平均落下位置指数
＝Σ［（ｔ／Ｒ）×ｎ］／Ｎ            ・・・・（１）
ベルレス強度比＝（コークス原料の平均落下位置指数）／（鉱石原料の
平均落下位置指数）                  ・・・・（２）
ただし、ｔ：チャージライン基準の高さで各ノッチの原料落下軌跡が交差
した位置を炉壁から水平に測った距離
ｎ：各ノッチでの設定旋回回数
Ｎ：合計の設定旋回回数
Ｒ：炉口部の半径
【００１５】
具体的に実施した装入アクションを解析する場合、式（２）のベルレス強度比を解析用の指標に用いることが有利である。
炉内半径方向に関する装入原料の層厚分布は、炉頂部に設置した測深装置１０で求められる。すなわち、鉱石原料及びコークス原料の装入前後において堆積層表面までの深さを炉口半径方向に沿って所定間隔ごとに細かく測定し、原料装入により形成される鉱石層とコークス層との層厚比に測定結果を加工する。これにより、層厚分布に関し定量化したデータが得られる。
本発明は、図３（ａ）に示すように、炉口部において炉壁近傍で堆積物表面が水平になったテラス部Ｔとテラス部Ｔから炉中心に向かって堆積物表面が下方に傾斜した傾斜部Ｃをもつ表面形態に造り込むことを基本としている。テラス型の装入原料分布では、鉱石層Ｓ１とコークス層Ｓ２の炉口半径方向に関する層厚比分布は、図３（ｂ）に示すように周辺領域で小さく、中心領域で大きくなる。
【００１６】
炉口部の半径をＲとし、炉中心からの距離をＸとするとき、Ｘ／Ｒ＝０〜０．５７７の範囲を中心領域，Ｘ／Ｒ＝０．５７７〜０．８１６の範囲を中間領域，Ｘ／Ｒ＝０．８１６〜１．０の範囲を周辺領域と設定する。そして、順次繰り返される鉱石原料及びコークス原料の装入を１チャージとし、１チャージ当りに装入される原料全体の鉱石原料及びコークス原料の平均層厚比に対する実測層厚比の比率を求め、この比率を相対層厚比として中心領域，中間領域及び周辺領域の各領域における管理指標に使用する。たとえば、図３の例では、中心領域の相対層厚比が１．０以上，中間領域及び周辺領域の相対層厚比が１．０以下になっており、周辺領域の相対層厚比が最も小さい層厚比分布と評価される。
【００１７】
スリップ指数は、本発明者等による調査・研究の結果を示す図４にみられるように、ベルレス強度比又は中間領域の相対層厚比と密接な相関関係をもっている。すなわち、コークス原料の平均落下位置と鉱石原料の平均落下位置の相互関係を示すベルレス強度比と周辺領域の相対層厚比との間に、正の相関関係が成立している。そこで、ベルレス強度比がニュートラルに近い状態にある０．９０〜１．２８の範囲に、或いは周辺領域の相対層厚比が同様のレベルに相当する０．５０〜０．７５の範囲に収まるようにベルレスモードを調整するとき、スリップはほとんど発生しないことが判る。
【００１８】
逆に、ベルレス強度比又は周辺領域の相対層厚比が所定範囲を外れると、スリップ指数が大きくなる傾向が示される。この場合にスリップが多発する理由は、次のように考えられる。スリップは、レースウェイ６で燃焼したコークス量に対応する装入原料の下降が一時的に停滞することに発端がある。停滞現象は、コークス原料の最終到達点であるレースウェイ６の上方に当たる炉周辺部で、（１）鉱石層Ｓ1 及び／又はコークス層Ｓ2 が厚くなり過ぎて炉内ガスの上昇流に対する抵抗が高くなり、高温還元ガスによる昇温及び還元が遅延して鉱石が溶解不良に陥ること、（２）周辺領域の鉱石層Ｓ1 及び／又はコークス層Ｓ2 が薄くて装入原料の自重が軽くなり過ぎ、装入原料が降下する力が炉内ガスの上昇力に釣り合うことの何れか一方に原因があり、装入原料の下降流Ｍ1 が不安定化し、レースウェイ６に炉上部から供給されるコークス原料が絶たれた現象と考えられる。すなわち、不適切な装入パターンの選定により、炉の周辺領域における固気２相間の熱交換バランス又は力関係バランスが崩れたことに原因があるものと推定される。
【００１９】
そこで、ベルレス強度比又は周辺領域の相対層厚比を管理指標として装入パターンを決定するとき、鉱石層Ｓ1 及びコークス層Ｓ2 の層厚が炉内各部で適正に維持され、装入原料の下降流Ｍ1 が安定化する。好ましくは、ベルレス強度比及び周辺領域の相対層厚比の双方を管理指標として使用するとき、管理精度が一層向上し、安定した高炉操業が可能になる。すなわち、ベルレス強度比による管理では、炉内に堆積した装入原料のテラス部Ｔの造り込みが不充分でテラス部Ｔが傾いた表面形態になった場合、その表面形態に対応して周辺領域における相対層厚比が変わるため、平坦で且つ水平なテラス型分布を前提とするデータ収集で得られたスリップ指数との関係からずれる虞れがある。また、周辺領域における相対層厚比で管理するとき、通常１個の測深装置１０しか炉頂に設けられていないことから、炉口部１の円周方向に関するアンバランスが装入原料表面に発生した場合、測深装置１０による測定値が高炉全体の状況からずれる虞れがある。これらのずれは、ベルレス強度比及び周辺領域の相対層厚比の双方を管理指標として使用することにより抑制できる。
【００２０】
実際に炉口半径Ｒ＝３．５ｍ，炉内容積１６５０ｍ3 の高炉における原料装入に本発明を適用した例で、装入物分布が適正に管理されることを説明する。
炉頂装入条件に管理指標を設けることなく高炉操業を２ヶ月間継続したところ、表１に示すように高炉羽口からの微粉炭吹込み量が１５０ｋｇ／トン前後に達していたが、非常に不安定な炉況であった。すなわち、２ヶ月の間、荷下がりが不安定でスリップ，吹き抜け，棚吊り等が頻繁に発生し、その影響として炉内の熱バランスが崩れた結果、炉下部から排出される溶銑の温度や成分が大きくばらついた。炉内のガス反応効率、特に水素ガス利用効率も低下する傾向を示した。そこで、ベルレス強度比及び周辺領域における相対層厚比を管理指標としてベルレスモードの変更により装入物分布を制御したところ、荷下がり状況が安定化し、炉下部の熱レベルが安定になり、炉内ガスの反応効率も改善された。その結果、燃料比が５００〜５１０ｋｇ／トンから４９５〜５００ｋｈ／トンに低下し、微粉炭吹込み量が１５０ｋｇ／トンから１６０〜１６５ｋｇ／トンに増加し、出銑比も２．０５〜２．１５トン／ｍ3 ／日から２．２７トン／ｍ3 ／日に増加した。
【００２１】
0004157951.tif 000002
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、相対層厚比が管理範囲に維持されるように装入パターン等で炉口半径方向の装入物分布を制御することにより、炉内に堆積した装入原料の表面形態を適正に維持している。その結果、炉況を不安定化する棚吊り，吹抜け等のトラブルが未然に防止され、安定した炉況が維持され、高出銑比の高炉操業が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  高炉の内部に発生するスリップ現象の説明図
【図２】  ベルレス式炉頂装入装置を備えた高炉上部の概略図（ａ）及びスリップ発生時に炉頂装入原料のレベル変化を示す図（ｂ）
【図３】  高炉炉頂での装入物堆積形状に関して本発明の定義を示した図
【図４】  ベルレス強度比がスリップ発生回数及び炉周辺領域における鉱石層／コークス層の相対層厚比に及ぼす影響を表わしたグラフ
【符号の説明】
１：炉口部    ８：旋回シュート    １０：測深装置
Ｓ1 ：鉱石層    Ｓ2 ：コークス層    Ｓ：装入原料層の表面
Ｍ1 ：装入原料の下降流    Ｍ2 ：装入原料の停滞部分    Ｖ：空洞
【図１】
0004157951.tif 000003
【図２】
0004157951.tif 000004
【図３】
0004157951.tif 000005
【図４】
0004157951.tif 000006