JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）p. 48-53

融着層シミュレーターによる高炉通気性に及ぼすコークス層厚の影響の評価
Evaluation of Effect of Coke Layer Thickness on Permeability in Blast
Furnace by Using Cohesive Zone Simulator
市川和平

ICHIKAWA Kazuhira

JFE スチール

スチール研究所

製銑研究部

主任研究員（副課長）廣澤寿幸

HIROSAWA Toshiyuki

JFE スチール

スチール研究所

製銑研究部

主任研究員（課長）・博士（工学）石井純

ISHII Jun

JFE スチール

スチール研究所

環境プロセス研究部

主任研究員（課長）要旨
高炉の装入物分布制御にあたり，鉱石とコークスの層厚分布は重要な因子である。特にコークス層については融着帯の通気性を維持する下限値があることが知られているが，論理的な評価はなされていなかった。そこで本研究
では融着層シミュレーターを開発し，本装置で得た結果を用いて融着帯の通気抵抗に及ぼすコークス層厚の影響を定量化することで，コークス層厚の低下により融着帯の通気抵抗が悪化することを明らかにした。この検討で得た知見を装入物分布設計に活用中である。

Abstract:
In controlling the burden distribution of blast furnace, layer thickness distribution of ore and coke is an importantfactor. Especially for coke layer, it is known that there is a minimum layer thickness to maintain the permeability ofcohesive zone. Though, the minimum coke layer thickness had not been theoretically quantified. Therefore, in thisstudy, the cohesive zone simulator was developed. By the results obtained by this simulator, the effect of coke layer
thickness on permeability was quantified, and it was revealed that the decrease of coke layer thickness deteriorates
the permeability of cohesive zone. The results obtained in this study are being utilized for burden distribution control.

1． はじめに

4, 5）

コークス層が交互に存在している。融着した鉱石は高通

6）高炉では，コスト削減の観点から，コークス使用量の少気抵抗であるため ，ガスは融着した鉱石層を流れずコークない低コークス比操業が求められる。一方で，コークスは，ス層に対し水平方向に流れると考えられる。このことから，高炉内の通気性を確保するためのスペーサーの機能を有す

コークス層厚が融着帯の圧力損失に与える影響を評価する

1）

るため，低コークス比操業時には炉内圧力損失増加 およ2）

びそれに伴う吹抜け，スリップなどの問題が生じる 。には，コークス層に水平にガスを流せる反応装置が必要である。

さらに，コークス層 厚 下 限 の 存 在 が 指 摘され ている。

従来，融着帯の鉱石軟化溶融挙動を模擬した，圧力損失

Geerdes らは高炉炉腹部における高炉半径方向のコークスの評価に用いられている荷重軟化試験装置は，融着鉱石層層厚は，少なくともコークス粒子 3 粒子ほど確保することがに対して垂直方向に強制的にガスを流す装置構成であり ，3）6）望ましいと指摘している 。また，室蘭 2 高炉について，高前述のような融着鉱石層とコークス層へのガス分配挙動を炉炉腹部における平均塊コークス層厚が 190 mm 以下にな再現していない。岩永は，外筒にコークス層を，内筒に鉱1）ると融着帯通気性が悪化することが示された 。

石層を配置しコークス層と鉱石層へのガス分配を評価でき7）以上から，安定した低コークス比操業を達成するには一る荷重軟化試験装置を開発したが ，本装置も融着帯の水平定のコークス層厚を維持し，特に融着帯における圧力損失方向のガス流れを再現するものではなく，コークス層厚の絶を増加させないことが重要である。しかし，コークス層厚下対値が融着帯の圧力損失に及ぼす影響を評価できていない。

限値を理論的に検討した例はなく，コークス層厚の下限値

以上の背景より，本研究では，試料層に対して水平方向を決定するメカニズムを明らかにすることが課題であった。にガスを流し融着帯のガス流れを模擬できる融着層シミュ

千葉 1 高炉，川崎 2，3 高炉の高炉解体調査時の融着帯形レーターを開発し，本装置を用いてコークス層厚が融着帯状の測定結果によると，いずれの高炉も融着した鉱石層と圧力損失に与える影響を評価した。

2021 年 9 月 21 日受付－ 48 －Copyright © 2022 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

融着層シミュレーターによる高炉通気性に及ぼすコークス層厚の影響の評価

実験は融着帯での反応の調査を目的としているため，焼結鉱は，熱保存帯から流出する際の還元率を想定し 33％まで予備還元したものを，1 448 g 用いた。コークスはコークス比が 320 kg/t 相当となるように 302 g 用いた。焼結鉱の平均粒径は 5.5 mm，コークスの平均粒径は 10 mm とした。試料層の上部から，高炉融着帯で原料にかかる荷重を想定し，0.098 MPa の荷重を加えた。図 3 にガス組成および昇温条
件 を 示 す。 融 着 帯 で の 鉱 石 溶 融 挙 動 を 模 擬 す る た め，1 000 ℃まで N2 雰囲気で昇温し，その後高炉ボッシュ部を想定したガス温度およびガス組成とした。
ガス流量は 100 L/min.（S.T.P.）とした。ガス入側と出側にそれぞれ設置した圧力計で圧力を測定し，ガス流通時の融着帯圧力損失を求めた。また 1 400℃で実験を終えたサンプルの断面観察と EPMA 分析を行った。

図 1 融着層シミュレーターの概略図
Fig. 1

Schematic illustration of cohesive zone simulator

2． 融着層シミュレーターの開発8）

融着層シミュレーターの概略図を図 1 に示す。本装置はガス予熱炉と反応炉で構成する。ガス混合器で混合されたガスは予熱炉で加熱後，反応炉内に設置した黒鉛製の試料充填容器に流入する。容器内にはコークス層および鉱石層で構成する試料層を充填する。試料層の上部からは，押し蓋および押し棒を介して荷重を負荷できる。試料層にガスを流した際，押し蓋と試料充填容器の隙間からガスが漏洩
図 2 試料層の充填条件することを防止するため，押し蓋上部に充填容器密閉用の蓋を設置した。また，実験中に生成した溶融物は，試料層Fig. 2

Experimental conditions of packed bed

下部の空洞に滴下できる構造とし，ガスがこの空洞を通り抜けないよう，整流板を 3 箇所設置した。これらの機構により，試料充填容器内では，ガスが試料層のみを流れるようにした。炉体の前後に設置した圧力計，試料層内の温度を測定する熱電対，および試料層の収縮量を測定する変位計より得られたデータは，パソコンに取り込まれる。
以上のとおり，高炉融着帯におけるガス流れを再現した融着層シミュレーターを開発し，本装置を用いて融着帯通気性を評価した。

3． 通気抵抗に及ぼすコークス層の影響
3.1

実験方法および実験条件

融着層シミュレーターを用いて融着帯の圧力損失に及ぼすコークス層厚の影響を評価した。試料充填構造を図 2 に示す。実験では，コークス層厚を 13，20，40 mm と変化させた。試料層の内寸は幅 50 mm，長さ 350 mm である。本－ 49 －図 3 ガス組成と温度の条件
Fig. 3

Experimental conditions of temperature and gascomposition
JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

融着層シミュレーターによる高炉通気性に及ぼすコークス層厚の影響の評価

3.2とから溶融したスラグ成分がコークス粒子の間隙に浸入し実験結果たことが示唆される。
9）

佐々木らによる広畑 1 高炉の解体調査 および Koch らにコークス層厚を 13，20，40 mm と変化させたときの圧力10）損失を測定した。図 4 にその変化を示す。いずれの条件でよる Jesenice 2 高炉の解体調査

も温度上昇に伴い圧力損失が増加した。また 1 300℃以上のコークス層に垂れ下がったツララ状の半溶融物の存在が確温度では，コークス層厚が薄くなるほど圧力損失が増加し認されている。Koch らはこのツララ状の半溶融物はスラグた。

がコークス層に浸入して形成されたと推定している 。これでは，融着層下方から

10）

図 5 にコークス層と鉱石層の界面付近を顕微鏡およびらから，融着層シミュレーター試験後に観察されたコークスEPMA で観察した結果を示す。コークス粒子間に融着した層への浸入物は，スラグ成分を含む融着した鉱石がコーク鉱石が入りこんでいることが分かる。また，コークス層に入ス間隙に浸入して形成されたものと考えられる。特にコークり込んでいる鉱石は Ca および Si を多く含んでいる。このこス層厚が薄い条件では，コークス層数が増加し融着鉱石とコークス層の界面が増えるため，融着鉱石により閉塞されるコークス空隙が増加し，圧力損失が増加したものと考えられる。
そこで，融着鉱石のコークス層への浸入層厚が融着層の圧力損失に及ぼす影響を評価するため，それぞれの実験後試料の融着鉱石のコークス層への浸入層厚を測定した。ここで浸入層厚は実験前のコークス層厚と実験後のコークス層厚の差より求めた。実験後のコークス層厚は実験後のコークス層の断面積を画像より得て，試料層の水平方向長さ（350 mm）で除すことで求めた。1 界面あたりの融着鉱石のコークス層への平 均 浸 入 層 厚は 4.4 mm/interface となった。

図 4 各温度における圧力損失の測定結果
Fig. 43.3

Measurement results of pressure drop changing with8）
temperature

コークス層厚が圧力損失に及ぼす影響の定量化

融着鉱石がコークス層へ浸入する現象が融着帯の圧力損失に与える影響を評価するため，その影響を取り込んだ圧力損失推定モデルを作成し，1 400℃における融着層シミュレーターの圧力損失を推算した。図 6 に作成したモデルの模式図を示す。ここで鉱石層，コークス層および融着鉱石のコークス層への浸入層は，計算の簡略化のためそれぞれ 1層として計算した。なお，融着鉱石がコークス層に浸入した層は鉱石層と同等の空隙率と考えられるため，鉱石層として扱った。

図 6 融着層シミュレーターモデルの模式図

図 5 鉱石-コークス界面の断面像と EPMA 像
Fig. 5 Cross sectional image of ore/coke interface and EPMAimage
JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

－ 50 －Fig. 6

Schematic view of cohesive zone simulator model融着層シミュレーターによる高炉通気性に及ぼすコークス層厚の影響の評価

それぞれの層厚の和は，融着後の層厚と総数の積で得られる。なお浸入層は，最下層のコークス層ではコークス層の上面のみに生じるが，最下層を除くコークス層では，コークス層の上面と下面の 2 面で融着鉱石層と接する。したがって，浸入層はコークス層の層数 nl に対して，2nl-1 層生じることとなる。各層の層厚の和を（1）～（3）式で表した。

L O nl  lO ……………………………………… （1）
L C nl  lC ……………………………………… （2）L P 2n  1   ll

P……………………………… （3）

図 7 1 400℃における実験値と計算値の比較
Fig. 7

ここで，LC はコークス層厚（m），LO は鉱石層厚（m），LP

Comparison between measurement and calculation
results of pressure drop at 1 400℃

は融着鉱石浸入層厚（m），lC は融着層シミュレーター試料層中のコークス層 1 層あたりの層厚（m），lO は融着層シ

ス充填層の空隙率と形状係数を評価した結果を用い，空隙ミュレーター試料層中の鉱石層 1 層あたりの層厚（m），lP率 0.418，形状係数 0.785 とした 。融着層の粒径は実験では融着層シミュレーター試料層中の融着鉱石浸入層厚（m）

用いた 5.5 mm，形状係数は 1.0 とした。また融着鉱石層のをそれぞれ表す。

コークス層への浸入層厚は前述の測定結果を用いた。

11）

鉱石層とコークス層の両端部はそれぞれ等圧力である。

図 7 に実験結果と計算結果の比較を示す。実験値と計算

ゆえに（4）式で示されるように，コークス層の圧力損失と値はよく一致し，コークス層厚が薄くなるほど圧力損失が増鉱石層の圧力損失は充填層の圧力損失と等しいと考えられ加する挙動を示した。このことから，コークス層が薄くなるる。と，融着鉱石層のコークス層への浸入割合が増加するため， P  P  P ………… （4）  L  packed  bed  L  coke  L  soft

融着帯圧力損失が増加することを確認できた。

4． 高炉圧力損失推定モデルによる評価

なお ΔP は各層の圧力差（kPa），L はガス流れ方向の試料層4.1長さ（m）を表し，添え字の packed-bed は試料充填層全体モデルの概要

高炉圧力損失に及ぼすコークス層厚の評価のため，実機を，coke はコークス層を，soft は融着鉱石層をそれぞれ表に即した圧力損失推定モデルを作成した。モデルは塊状帯す。
この場合，コークス層および鉱石層の圧力損失が充填層と融着帯を考慮した。図 8 にモデルの概要を示す。塊状帯の圧力損失測定結果と等しくなるように，コークス層およびについてはコークス層と鉱石層が層状に 1 層づつ積まれた鉱石層にガスが分配されるので，そのときのコークス層への層を所定の流量のガスを流通させ，そのときの圧力損失をガ ス 分 配 比を 求 めた。なお 各 層 の 圧 力 損 失 は（5）式 の推定した。また融着帯については，Kashihara らによる融着Ergun 式により求めた。

帯圧損推定モデル12）をベースとした。本モデルでは，融着帯圧力損失に与える平均炉腹コークス層厚の影響を評価す1       u  1.75 1       u 2P 150
2L33  d P   d P 2るため，半径方向の層厚およびコークス混合率の分布は一様とした。融着帯部分の形状については模式的に幅 1 m×奥……………………………………………………… （5）行き 1 m の融着層と鉱石層を配し，これらの層の下部にはコークス層を配した。コークス層厚は任意の値を与えた。

ここで，dP は各層の粒子径（m）を，u は各層を流れるガス

鉱石層および融着層の層厚はコークス層厚とコークス比の1  ）を，xA
ρ はガス密流速（m/s）を，ε は充填層の空隙率（DA 
3xxx Dϕ は充填粒子CB度（kg/m ）を，μ はガス粘性（Pa・s）を， 
D AB D AC D AD
1  ）をそれぞれ表す。
xAの形状指数（DA xx B 式を用いて圧力損失を推定するには，コークス層xErgun C  D  D AB D AC D AD
および鉱石層の粒径，空隙率および形状係数が必要となる。

設定値より求めた。また図 6 に示すモデルと同様に，融着ここで，コークスの粒径は 10 mm とした。コークス空隙率とで，融着帯部分の圧力損失が推定できると考えた。なおおよび形状係数は，山田らがコークス粒径 10 mm のコーク本モデルでは反応による粒径の変化は考慮していない。融鉱石がコークス層へ浸入した層は鉱石層として扱い，鉱石層の層厚は浸入層厚分だけ厚くなり，一方でコークス層の層厚はその分だけ薄くなると仮定した。
この融着帯に高炉炉腹部の平均ガス流速を流通させるこ－ 51 －JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

融着層シミュレーターによる高炉通気性に及ぼすコークス層厚の影響の評価

表 1 計算条件
Table 1Height of zone

Calculation condition（m）

Lumpy zone

Cohesive zone

172

Temperature（℃）

720

1 300

Pressure（MPa）

0.33

0.385

Gas velocity（m/s）

0.7

1.0

図9 全 圧損におよぼすコークス層厚の影響についての計算結果Fig. 9

得た式
図 8 モデルにおける融着層配置
Fig. 8Calculated results of relationship between totalpressure drop and coke layer thickness11）に 基 づき 求 め た。コークス 層 の 調 和 平 均 径 は0.032 m とした。鉱石層の調和平均径は小中塊コークスの混Arrangement of cohesive zone assumed in model

合も考慮し，0.011 m，形状係数は 1.0 とした。コークス層の形状係数は 0.785，空隙率は 0.42 とした。鉱石層の空隙率

着帯の圧力損失の算出では，融着層を通過するガス流路と，は，実機高炉に装入する焼結鉱へコークスを混合したときコークス層を通り鉱石層を通るガス流路を考え，この 2 つのの空隙率の測定値を用いた。融着層の粒径と形状係数は鉱ガス流路の圧力損失が（6）式で示されるように等しくなる石層と同様とし，空隙率は 0.07 とした。

ときのガス分配比を求めた。なお各ガス流路の圧力損失は（5）式で表される Ergun 式によって求めた。

また，塊状帯と融着帯の高さと，それぞれの層における平均ガス温度および圧力は高炉 2 次元定常モデル13）より求めた。その結果を表 1 に示す。この条件を用いて実機高炉

Psoft  Pcoke  Pore……………………… （6）の圧力損失を推定した。
なお，融着鉱石層のコークス層への浸入層厚は，著者ら

ここで添え字の soft は融着鉱石層を，coke はコークス層を，既報に基づき，鉱石層収縮率に応じた値を仮定して用い

ore は鉱石層をそれぞれ表す。

た 。

4.214）

図 9 にコークス比 360 kg/t の圧力損失と高炉炉腹部にお高炉圧力損失に及ぼすコークス層厚の影響評価

けるコークス層厚の関係を示す。この結果からコークス層厚前述のモデル用いて，高炉圧力損失に及ぼすコークス層ら，高炉においても一定のコークス層厚を確保することが圧が薄いほど圧力損失が増加することが分かる。この結果か厚の影響を評価した。本モデルは Ergun 式により圧力損失力損失の増加の回避に有効であることを示唆される。

を推定しているため，コークス層，鉱石層および融着鉱石一方で，既往の知見によると，鉱石層厚には経験的に上層それぞれの層について，平均粒径，形状係数および空隙限値があること ，鉱石層厚の増加により鉱石層の平均還率を求める必要がある。コークス層および鉱石層の平均粒元率が低下することが知られている 。一定のコークス比径は，実機高炉で用いる原料のサンプリング結果に基づきでは，コークス層厚を増加させると鉱石層厚も増加すること調和平均径を求めた。形状係数および空隙率は，山田らがから，鉱石層の還元性の観点からは，コークス層厚の確保

JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

15）

16）

－ 52 －融着層シミュレーターによる高炉通気性に及ぼすコークス層厚の影響の評価

が還元性を悪化させ還元材比の上昇を招く可能性がある。

勤．吹卸し高炉の炉内状況について―1（川崎 2，3 高炉の解体調査報

これらの知見から，コークス層厚には最低限の通気性を確

告―1）. 鉄と鋼．1975, vol. 61, S399.
6）斧勝也，肥田行博，重見彰利，児玉惟孝．高炉の軟化溶解帯における保できる適正値があることが示唆される。コークス層厚を適装入原料の収縮および圧損について．鉄と鋼．1975, vol. 61, no. 6, p.
777-786.

正値まで低減し，鉱石層の還元性を維持することで，安定

7）岩永祐治．微粉炭吹き込み時の高炉内装入物挙動．鉄と鋼．1993, vol.

した高炉操業に貢献していきたい。

79, no. 8, p. 927-933.
8）市川和平，柏原佑介，大山伸幸，廣澤寿幸，石井純，佐藤道貴，松野英寿．融着帯圧力損失推定モデルによる通気性に及ぼすコークス層厚

5． おわりにの影響の評価．鉄と鋼．2016, vol. 102, no. 1, p. 1-8.
9）佐々木稔，斧勝也，鈴木明，奥野嘉雄，吉沢謙一，中村隆．高炉融着帯の形成と溶落ち（高炉解体調査―3）．鉄と鋼．1976, vol. 62, no. 5, p.

本研究では，まず試料層に対して水平方向にガスを流すことができる，融着帯のガス流れを模擬した融着層シミュレーターを開発した。次に，融着層シミュレーターを用いてコークス層厚が融着帯通気性に与える影響を評価した。さらに，その影響を考慮した融着帯圧力損失推定モデルを作成し，コークス層厚が高炉通気性に及ぼす影響を定量化することで以下の知見を得た。
（1）コークス層厚が薄層化すると圧力損失が増加した。これはコークス層厚が薄いときは充填層中のコークスと鉱石の界面数が増加するため，コークス層への融着鉱石の浸入量が増加し，ガスが流れやすいコークス層が減少したためと考えられる。
（2）融着鉱石のコークス層への浸入を考慮した融着帯圧力
損失推定モデルより，通気性の確保に必要なコークス層厚があることを見出した。

559-569.
10）Koch,K.; Lamut,J.; Renner,H.J.; Schliephake,H. Blähersheinungen beim
Er weichen und Abschmelzen der Möllerstoffe im Hochofen. Stahl u.
Eisen. 1982, vol. 102, no. 8, p. 411-414.
11）山田孝雄，佐藤正明，宮崎伸吉，嶋村鍈郎，田口整司．大型高炉の装入物分布と通気性．川崎製鉄技報．1974, vol. 6, no. 1, p. 16-37.
12）Kashihara,Y.; Iwai,Y; Sato,T.; Ishiwata,N.; Sato,M. Effect of Unconsumed
Mixed Small Coke on Permeability in Lower Part of Blast Furnace. ISIJ
Int.. 2015, vol. 55, no. 6, p. 1237-1244.
13）佐藤健，野内泰平，木口満．高炉操業シミュレータの開発と溶銑シリコン低減への適用．川崎製鉄技報．1997, vol. 29, no. 1, p. 30-36.
14）Ichikawa,K.; Kashihara,Y.; Hirosawa,T.; Ishii,J.; Nouchi,T.; Fukada,K.
Quantifying the Effect of Coke Layer Thickness on the Permeability ofthe Cohesive Zone in the Blast Furnace by Using a New Simulator. Iron& Steel Technology. 2020, vol. 17, no. 11, p. 88-95.
15）村尾明紀，柏原佑介，佐藤健，渡壁史朗，佐藤道貴．低コークス比操
業に向けた層構造制御．材料とプロセス（CAMP-ISIJ）. 2012, vol. 25,
no. 2, p. 559-562.
16）折本隆，内藤誠章．焼結鉱の還元に及ぼす鉱石層厚の影響．材料とプロセス（CAMP-ISIJ）. 2000, vol. 13, no. 4, p. 894.

参考文献
1）一田守政，松崎眞六，田中毅，小泉文夫．焼結鉱品質改善と装入物分布調整による高微粉炭比操業．鉄と鋼．2001, vol. 87, no. 5, p. 342-349.
2）川田仁，岸本純幸，牧章，西条義夫，若井造，山本健一．NKK 福山
第 5 高炉における吹抜け機構．鉄と鋼．1993, vol. 79, T5-T8.
3）Geerdes,M.; Chaigneau,R.; Kurunov,I.; Lingiardi,O.; Ricketts,J. Morden
Brast Fur nace Ironmaking An Introduction. 3rd ed., IOS Press,
Amsterdam, 2015, 101 p.
4）橋爪繁幸，高橋洋光，奥村和夫，富田貞雄，小板橋寿光，小西行雄，近藤幹夫，森岡恭昭．千葉 1 高炉の解体調査結果．川崎製鉄技報．
1979, vol. 11, no. 3, p. 388-409.

市川和平

廣澤寿幸石井純5）伊沢哲夫，里見弘次，中島龍一，梶川脩二，宮本建彦，隅田昇，福島－ 53 －JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）
Copyright © 2022 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. 禁無断転載