JP6160839B2 - 焼結機の保温炉への酸素富化方法とその保温炉 - Google Patents

Description

本発明は、焼結熱源として炭材の他に、気体燃料を供給して高品質の高炉原料用焼結鉱を製造する下方吸引式ドワイトロイド（ＤＬ）焼結機における保温炉への酸素富化方法とその保温炉に関するものである。

高炉製銑法の主原料である焼結鉱は、図１に示すような工程を経て製造されるのが一般的である。焼結鉱の原料は、鉄鉱石粉や焼結鉱篩下粉、製鉄所内で発生した回収粉、石灰石およびドロマイトなどの含ＣａＯ系副原料、生石灰等の造粒助剤、コークス粉や無煙炭などであり、これらの原料は、ホッパー１の各々から、コンベヤ上に所定の割合で切り出される。切り出された原料は、ドラムミキサー２および３等によって適量の水が加えられ、混合、造粒されて、平均径が３〜６ｍｍの擬似粒子である焼結原料とされる。この焼結原料は、その後、焼結機上に配設されているサージホッパー４、５からドラムフィーダー６と切り出しシュート７を介して、無端移動式の焼結機パレット８上に４００〜８００ｍｍの厚さで装入され、焼結ベッドともいわれる焼結原料装入層（以降、単に「装入層」ともいう）９を形成する。その後、上記装入層９の上方に設置された点火炉１０で装入層表層の炭材に点火するとともに、パレット８の直下に配設されたウインドボックス１１を介して装入層上方の空気を下方に吸引することにより、装入層内の炭材を順次燃焼させ、このときに発生する燃焼熱で前記焼結原料を溶融して焼結ケーキを得る。このようにして得た焼結ケーキは、その後、破砕、整粒され、約５ｍｍ以上の塊成物が、成品焼結鉱として回収され、高炉に供給される。

上記製造プロセスにおいて、点火炉１０によって点火された装入層内の炭材は、ウインドボックス１１により吸引されて装入層内を上層から下層に向かって流れる空気によって燃焼を続け、厚さ方向に幅をもった燃焼・溶融帯（以降、単に「燃焼帯」ともいう。）を形成する。この燃焼帯は、パレット８が下流側に移動するのに伴って次第に装入層の上層から下層に移行し、燃焼帯が通過した後には、焼結反応が完了した焼結ケーキ（以降、単に「焼結層」ともいう。）が生成される。
図２は、点火炉で点火された装入層表層の炭材が、ウインドボックスによって吸引され、装入層内に導入される空気によって燃焼を続けて燃焼帯を形成し、これが装入層の上層から下層に順次移動し、焼結ケーキが形成されていく過程を模式的に示した図である。

一般に、焼結鉱の強度は、焼結原料の粒子が溶融し、焼結反応が起こり始める温度、即ち１２００℃以上の温度に保持されるときの温度と時間の積に依存し、その値が大きいほど高くなることが知られている。したがって、１２００℃以上の温度に保持される時間（以降、「高温域保持時間」という）が長い程、焼結鉱の歩留りが向上し、生産性も高くなる。
図３は、装入層の厚さ方向中間部に燃焼帯が存在するときの装入層内の温度分布を、焼結機のパレットの移動速度が速い場合（生産性が高いときに相当）と遅い場合（生産性が低いときに相当）とを比較して示したものである。図中、１２００℃以上の温度に保持される時間（高温域保持時間）を、パレットの移動速度が速い場合はＴ_１、パレットの移動速度が遅い場合はＴ_２で示しているが、Ｔ_１はＴ_２と比べて短くなる。高温域保持時間が短くなると、焼結不足となり、焼結鉱の冷間強度が低下し、歩留りが低下してしまう。したがって、高強度の焼結鉱を、短時間でかつ高歩留りで、生産性よく製造するためには、何らかの手段を講じて、高温域保持時間を延長し、焼結鉱の冷間強度を高めてやる必要がある。

また、図４（ａ）は、図２に示した太枠内に示した装入層の上層部、中層部および下層部の各位置に燃焼帯が存在しているときの、装入層内の厚さ方向の温度分布を模式的に示したものである。装入層の中層部や下層部は、装入層上層部の炭材の燃焼熱が装入層内に吸引される空気によって運ばれて予熱されるため、その部分の高温域保持時間は安定して長時間となるが、装入層上層部は、上記予熱効果がないため、高温域保持時間は短く、燃焼溶融反応（焼結反応）が不十分となり易い。その結果、装入層のパレット幅方向断面における焼結鉱の歩留り分布は、図４（ｂ）に示したように、装入層上層部ほど低くなる。なお、図４（ｂ）では、装入層のパレット幅方向断面の両幅端部側も歩留りが大きく低下しているが、これは、パレット側壁からの放熱や、通過する空気による過冷却によって、高温域保持時間が十分に確保できないためである。

上記の問題、特に、装入層厚さ方向の歩留り不均一問題に対する対応策としては、従来、熱源として焼結原料中に添加している炭材（粉コークス）を増量することが行われてきた。しかし、焼結原料中のコークス量を増加させた場合には、図５に示したように、１２００℃以上の温度に保持される高温域保持時間を延長することができるものの、装入層内の最高到達温度が１４００℃を超え、焼結鉱を構成する鉱物の中で強度が最も高く、被還元性にも優れるカルシウムフェライトが、冷間強度と被還元性に劣る非晶質珪酸塩（カルシウムシリケート）と、還元粉化しやすい骸晶状二次ヘマタイトとに分解してしまうため、逆に、焼結鉱の被還元性や冷間強度の低下を招き、歩留りが低下してしまう。

そこで、発明者らは、上記問題点を解決する技術として、焼結原料中への炭材添加量を削減した上で、焼結機の点火炉の直下流に設置した気体燃料供給装置のフード内に気体燃料を供給して、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を装入層内に導入し、燃焼させることで、装入層内の最高到達温度および高温域保持時間の両方を適正範囲に制御する技術を開発した（例えば、特許文献１、２等参照）。
これらの技術を適用した場合には、図６に示したように、供給した気体燃料が、装入層内の炭材が燃焼する位置から離れた位置、即ち、炭材の燃焼が完了し、冷却しつつある位置で燃焼するので、燃焼帯の最高到達温度を１４００℃超えとすることなく、燃焼帯の幅を装入層の厚さ方向に拡大させることができるので、効果的に高温域保持時間を延長することができる。

また、下方吸引式のＤＬ焼結機では、従来、焼結機から発生し、ウインドボックスによって吸引・排出された燃焼排ガスや、排鉱部から排出された焼結鉱の冷却に用いられたクーラー排ガスは、粉塵除去等の排ガス処理を施した後、高温のまま放出することが多かった。そこで、上記排ガスが有する顕熱を有効活用するため、点火炉の下流に保温炉（保熱炉）を設けて、支燃ガスとして装入層内に吸引導入する空気の代わりに、燃焼排ガスやクーラー排ガスの一部を循環させた高温ガスを供給し、焼結原料装入層の予熱に再利用する技術が実用化されている（例えば、特許文献３等参照）。

しかし、保温炉を有する焼結機に、前述した特許文献１や２に開示の気体燃料供給技術を適用しようとすると、上記保温炉は、気体燃料供給装置の設置に対する障害となる。また、保温炉を撤去しようとした場合、上記保温炉は、点火炉と同様、内部を耐火煉瓦で内貼りした堅固な構造となっているため、撤去に多大な費用が掛かるだけでなく、その間の操業停止は避けられない。そこで、特許文献４には、保温炉をそのまま残存させ、該炉を気体燃料供給設備のフード代わりに用いる技術が提案されている。

ところで、焼結鉱の生産性を高めるには、支燃ガスとして装入層内に導入する空気に酸素を富化して焼結反応を促進し、焼結時間を短縮することが有効であることが知られている（例えば、特許文献５、６等を参照。）。そこで、出願人らは、上記の酸素富化技術と、前述した特許文献１、２に開示の気体燃料供給技術とを組み合わせた焼結鉱の製造技術を提案している。例えば、特許文献７や特許文献８には、高温域保持時間が不足する装入層上層部で焼結反応が進行している点火炉の直下流の位置に設置した気体燃料供給装置のフード内において、気体燃料を供給すると同時に酸素を富化する焼結鉱の製造技術を提案している。

特開２００８−０９５１７０号公報 特開２００８−２９１３５４号公報 特開昭５０−０１５７０２号公報 特開２０１０−１３２９４６号公報 ＷＯ９８／０７８９１号公報 特開平０２−０７３９２４号公報 特開２０１２−２０７２３６号公報 特開２０１４−０３１５８０号公報

しかしながら、上記特許文献７および特許文献８に提案された気体燃料の供給と酸素の富化を同時に行う装置を、特許文献４に記載の保熱炉を有する焼結機に適用しようとした場合には、保温炉を撤去する必要があり、前述したように現実的ではない。

本発明は、従来技術における上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、保温炉を有する焼結機において、保温炉を撤去することなく、気体燃料の供給と同時に酸素を富化することができる保温炉への酸素富化方法を提案するとともに、その保温炉を提供することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討を重ねた。その結果、高温ガスを供給する保温炉を残存させたままで、気体燃料の供給と酸素の富化を実現するには、保温炉に酸素を直接供給するのではなく、保温炉に供給する高温ガス中の酸素濃度を予め高めた上で保温炉に供給することが有効であることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、点火炉下流に設置され、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を含有する高温ガスを焼結原料装入層内に供給する焼結機の保温炉への酸素富化方法であって、予め酸素濃度を高めた高温ガスを保温炉内に供給することを特徴とする焼結機の保温炉への酸素富化方法を提案する。

本発明の上記焼結機の保温炉への酸素富化方法は、高温ガスを保温炉に供給する高温ガス供給配管に、酸素を供給する酸素供給配管を接続して高温ガス中の酸素濃度を高めることを特徴とする。

また、本発明の上記焼結機の保温炉への酸素富化方法は、上記保温炉に供給する高温ガス中の酸素濃度を２１ｖｏｌ％超えに高めることを特徴とする。

また、本発明の上記焼結機の保温炉への酸素富化方法に用いる上記高温ガスは、焼結機から発生した燃焼排ガスおよび／または焼結鉱の冷却に使用したクーラー排ガスであることを特徴とする。

また、本発明は、点火炉下流に設置され、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を含有する高温ガスを焼結原料装入層内に供給する焼結機の保温炉であって、上記保温炉の上面に、高温ガスを供給する高温ガス供給配管が接続され、上記高温ガス供給配管の接続位置の保温炉内部側に、上記高温ガス供給配管から供給される高温ガス流に対して気体燃料を噴出する気体燃料供給ノズルが配設されてなるとともに、上記高温ガス供給配管の保温炉との接続位置より上流側に、高温ガスに酸素を供給する酸素供給配管が接続されてなることを特徴とする焼結機の保温炉である。

本発明に上記焼結機の保温炉は、上記高温ガス供給配管の保温炉との接続位置と酸素供給配管との接続位置との間に、酸素濃度計が設置され、該酸素濃度計の酸素濃度測定値に基いて高温ガスへの酸素供給量を制御することを特徴とする。

また、本発明に上記焼結機の保温炉は、下流側に、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を含有する空気を焼結原料装入層内に供給する気体燃料供給装置、あるいは、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を含有しかつ酸素を富化した空気を焼結原料装入層内に供給する気体燃料供給装置を有することを特徴とする。

本発明によれば、下方吸引式のドワイトロイド焼結機の保温炉においても、気体燃料を供給すると同時に酸素を富化することができるので、高強度でかつ被還元性に優れる、高品質の高炉原料用焼結鉱を安定して製造することが可能となる。

焼結鉱の製造プロセスの概要を説明する図である。 装入層内の焼結の進行に伴う変化を説明する図である。 焼結時における装入層内の温度分布を、高生産時と低生産時とで比較して示した図である。 燃焼帯が装入層の上層部、中層部および下層部の各位置に存在しているときの装入層内の温度分布と、装入層のパレット幅方向断面内における焼結鉱の歩留り分布を説明する図である。 炭材添加量を増加したときの装入層内の温度分布の変化を説明する図である。 気体燃料を供給したときの焼結層内の温度分布の変化を説明する図である。 焼結実験に用いる試験鍋を説明する図である。 酸素を富化する位置が焼結鉱の生産性に及ぼす影響を示すグラフである。 酸素を富化する濃度が焼結鉱の生産性に及ぼす影響を示すグラフである。 酸素を富化する位置が焼結時の温度パターンに及ぼす影響を説明する図である。 酸素を富化する位置が高温域保持時間、最高到達温度に及ぼす影響を示すグラフである。 気体燃料と高温ガスを供給する従来技術の保温炉を説明する図である。 酸素を富化する従来技術の気体燃料供給装置を説明する図である。 気体燃料と酸素を富化した高温ガスを供給する本発明の保温炉を説明する図である。 保温炉で気体燃料供給に加えて酸素を富化したときの焼結鉱の生産性に及ぼす効果を示すグラフである。

発明者らは、特許文献４に開示の焼結機のように、保温炉と気体燃料供給装置を有する焼結機において、酸素を富化するときの最適位置および最適酸素濃度を決定するべく、焼結機を模した焼結試験鍋を用いた焼結実験を行った。ここで、上記試験鍋は、図７に示すように、内径３００ｍｍφ×高さ４００ｍｍの円筒状で、底部が格子状で通気性を有する石英製の焼結原料装入容器（鍋部）内に、炭材を添加した焼結原料を充填して装入層を形成した後、上記装入層の上表面に図示のない点火装置で点火するとともに、容器の下方に配設したブロアーで排気して装入層上方の空気を装入層内に吸引・導入し、焼結原料中の炭材を燃焼させることで焼結を行うことができるようにしたものである。

＜実験１＞
表１に示したように、焼結試験鍋に供給する空気中に、気体燃料として都市ガスを０．２５ｖｏｌ％（一定）の濃度になるよう添加し、点火から３２０ｓｅｃ間（全焼結時間の約１／３の時間に相当）供給するとともに、酸素を２４ｖｏｌ％に富化し、富化する時間を点火から８０ｓｅｃ間、１６０ｓｅｃ間および３２０ｓｅｃ間の３水準に変化させた焼結実験を行い、焼結時間、焼結鉱の歩留りを測定し、それらの結果から生産率（単位時間、単位炉床面積当たりの焼結鉱の生産量（ｔ/ｈ・ｍ^２））を求めた。
ここで、上記酸素を富化する時間８０ｓｅｃは、上述した焼結機の保温炉のみで酸素富化する条件、供給時間１６０ｓｅｃは、保温炉と＃１気体燃料供給装置のフードで酸素富化する条件、供給時間３２０ｓｅｃは、保温炉〜＃３気体燃料供給装置のすべてのフードに酸素富化する条件に相当する。

上記実験の結果を表１中に併記するとともに、図８に示した。なお、上記表１中の歩留り変化量は、酸素富化しない場合（酸素濃度２１ｖｏｌ％）をベースとしたきの変化量である。この結果から、酸素を富化することによる生産率の向上効果は、水準Ｔ１、即ち、保温炉のみで酸素を富化する条件が最も大きく、水準Ｔ２やＴ３のように、保温炉以降の気体燃料供給装置で酸素を富化する条件では生産率の向上効果は小さく、焼結鉱の歩留りの点では、却って逆効果となることがわかった。

＜実験２＞
次いで、上記＜実験１＞の結果に基き、酸素を富化する時間を保温炉のみに限定した条件で、富化する酸素濃度の好適範囲を調査する焼結実験を行った。
上記実験は、表２に示したように、焼結試験鍋に供給する空気中に、都市ガスを０．２５ｖｏｌ％に希釈して添加し、点火から３２０秒間供給するとともに、空気中の酸素濃度を２１ｖｏｌ％（酸素富化なし）、２４ｖｏｌ％、２７ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％および３３ｖｏｌ％の５水準に変化させて、点火から８０秒間供給し、その後は、通常の空気に切り替えて焼結を行い、＜実験１＞と同様、焼結時間、焼結鉱の歩留りを測定するとともに、それらの結果から生産率（単位時間、単位炉床面積当たりの焼結鉱の生産量（ｔ/ｈ・ｍ^２））を求めた。

上記実験の結果を表２に併記するとともに、図９に、酸素濃度と、焼結時間および焼結鉱の歩留りとの関係を示した。これらの結果から、酸素濃度が高いほど焼結時間は短縮されるが、焼結鉱の歩留りは２７〜３０ｖｏｌ％で最大となり、それ以上では低下すること、その結果、生産率の上昇効果は、酸素濃度が２７ｖｏｌ％以上で飽和状態となり、３３ｖｏｌ％では却って低下することがわかった。

上記のように、酸素を富化する位置として、点火炉の直下流の保温炉が最も有効である理由について、発明者らは、以下のように考えている。
前述したように、適度の濃度への酸素富化は、高温域保持時間を延長するのに有効である。これは、図４からわかるように、焼結に必要な高温域保持時間が不足している装入層の厚さ方向位置は、装入層の上層部であるからである。したがって、上記部分で焼結反応が進行している領域において酸素を富化する、すなわち、点火炉の直下流で酸素を富化することが、装入層上層部の高温域保持時間の延長に対して有効であると考えられる。

図１０は、前述した＜実験１＞の焼結実験において、酸素を富化する範囲を変えたときの、試験鍋に装入した原料装入層の上表面から１００ｍｍの深さにおける高温域保持時間（１２００℃以上に保持される時間）と、最高到達温度の測定結果を示したものである。
この結果から、保温炉のみで酸素を富化した条件（水準１）と比較し、その下流の気体燃料供給装置でも酸素を富化した条件（水準２，３）では、１２００℃以上に保持される時間（高温域保持時間）が低下するとともに、焼結時の最高到達温度も低下している。

上記の変化理由は、以下のように推定している。
図１１に示したように、保温炉でのみ酸素を富化した条件（水準１）では、都市ガスのみを供給する場合（図１１（ａ））に対して、図１１（ｂ）のように、気体燃料の燃焼位置が装入層の上層側に移行するため、最高到達温度は若干低下するものの、燃焼帯の装入層厚さ方向の幅は拡大され、高温域保持時間が延長される。しかし、保温炉に加えて、気体燃料供給装置でも酸素を富化する条件（水準２，３）では、図１１（ｃ）のように、上記気体燃料の燃焼位置がさらに装入層の上方に移動する。その結果、上記コークスと気体燃料の燃焼位置の乖離幅が大きくなり過ぎ、高温域保持時間の延長効果得られなくなるだけでなく、最高到達温度も低下してしまう。

また、上記のように酸素濃度に最適範囲がある理由について、発明者らは、以下のように考えている。
コークスＣの燃焼反応は、下記式；
Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２
で表され、その反応速度式は、下記式；
ｒ_Ｃ＝Ａ×αｅｘｐ（−Ｅａ／ＲＴ）×［Ｏ_２］
で表されるのに対して、都市ガスの主成分であるメタンＣＨ_４の燃焼反応は、下記式；
ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ
で表され、その反応速度式は、下記式；
ｒ_ＣＨ４＝Ａ×αｅｘｐ（−Ｅａ／ＲＴ）×［Ｏ_２］^２
で表される。

すなわち、コークスの燃焼速度は、酸素濃度の１乗に比例するのに対して、気体燃料（都市ガス）の燃焼速度は、酸素濃度の２乗に比例するため、酸素濃度が適度に上昇した場合には、気体燃料の方が相対的に早く燃焼するようになる。また、酸素濃度が上昇すると、気体燃料の燃焼開始温度も低下する。その結果、図１１（ｂ）と同様の現象が起こり、コークスが燃焼する位置と、気体燃料が燃焼する位置との乖離幅が拡大し、高温域保持時間が延長される。しかし、酸素濃度が高くなり過ぎると、気体燃料の燃焼位置が、装入層に上方にさらに移動するため、図１１（ｃ）と同様の現象が起こり、コークスと気体燃料の燃焼位置の乖離幅が大きくなり過ぎ、高温域保持時間の延長効果得られなくなる。
また、酸素富化は、コークスや気体燃料の燃焼速度を高め、燃焼時間を短縮するため、高温域保持時間はより短縮し、焼結鉱の歩留りが低下する。
さらに、気体燃料を供給する場合には、最高到達温度の上昇を抑制するため、焼結原料中に添加する炭材量を削減しているため、上記負の効果はより大きくなる。

上記＜実験１＞および＜実験２＞の結果から、保温炉を有する焼結機において、気体燃料を供給するとともに酸素を富化して焼結鉱を製造する場合には、点火炉と気体燃料供給装置間の保温炉において酸素を２１ｖｏｌ％超えの濃度に富化することが有効であること、また、その場合の富化後の酸素濃度は２７〜３０ｖｏｌ％の範囲が好ましいことがわかった。

なお、実機の焼結機において酸素を富化した焼結操業を行う場合には、大量の酸素を必要とするため、そのコストも考慮する必要があり、上記表２に示された酸素富化による生産率向上効果の場合には、費用対効果の観点から、酸素濃度の最適値は２７ｖｏｌ％程度（酸素のコストに依存するが）である。

次に、発明者らは、特許文献４に開示の気体燃料を供給する機能を有する保温炉で、酸素を富化する方法について検討した。
図１２は、前述した特許文献４に記載された保温炉を有する焼結機の上流部分を模式的に示したものである。給鉱部の下流には点火炉が設置され、該点火炉の下流には、上流から下流に向かって、１つの保温炉と３つの気体燃料供給装置が配設されている。
ここで、上記気体燃料供給装置においては、気体燃料が、フードの高さ方向下部に、パレット幅方向に配設された複数列の気体燃料供給配管からフード内の空気中に供給され、瞬時に燃焼下限濃度以下の濃度に希釈される。また、上記気体燃料供給配管の上方（フードの高さ方向中段）には、段面がへの字状の邪魔板がパレット幅方向に複数列かつフード高さ方向に複数段千鳥状に配設されており、パレット下方に配設された図示のないウインドボックスによって装入層内に吸引・導入される空気の流れを制御するとともに、上記気体燃料供給配管から供給される気体燃料の装置外への漏洩を防止している。

また、上記点火炉と気体燃料供給装置間に配設された保温炉においては、焼結機のウインドボックスによって吸引・排出された燃焼排ガスや、排鉱部から排出された焼結鉱を冷却するのに使用されたクーラー排ガスを再利用した高温ガスが、保温炉の上面に接続された複数の高温ガス供給配管から炉内に供給されるとともに、気体燃料が、上記高温ガス供給配管の接続位置の下部（保温炉内部）に配設されたリング状の気体燃料供給ノズルから上記高温ガス流に向かって噴出され、瞬時に高温ガスと混合して燃焼下限濃度以下に希釈される。

また、図１３は、前述した特許文献７，８に開示された気体燃料の供給と同時に酸素を富化することができる気体燃料供給装置を示したものである。この気体燃料供給装置は、気体燃料供給装置のフード内の高さ方向中段に複数列かつ複数段に配設した邪魔板の上方に、酸素供給配管を配設し、該配管から上記邪魔板の間隙に向けて酸素を噴出することで、酸素の外部への漏洩を防止しつつ、酸素の富化と濃度均一化を図っている。

しかし、上記気体燃料供給装置を、特許文献４に開示の焼結機にそのまま適用することはできない。というのは、保温炉においては、供給される高温ガスが外部に漏洩するのを防止するため、圧力計が設置され、外部に対して常に負圧になるように、高温ガスの流量を管理している。しかし、ここに、新たに酸素を供給することになると、上記高温ガスの流量に加えて酸素の流量をも制御することが必要となり、保温炉内部の圧力制御が難しくなる。

また、特許文献４に開示の保温炉において、気体燃料を供給するリング状ノズルに加えて、新たに酸素を供給するノズルを配設するには、火災や爆発を防止する観点から、酸素供給ノズルの配設位置を、気体燃料が燃焼下限濃度以下に確実に希釈される、気体燃料供給ノズルから十分に離れた場所、かつ、保温炉内に供給された酸素が高温ガスと混合・均一化する時間を確保できる場所であることが必要であるが、保温炉内という限られたスペースには斯かる条件を満たす位置は存在していない。さらに、保温炉内に供給された酸素濃度を測定するには、保温炉内の複数箇所で測定する必要がある。

なお、上記問題点は、保温炉を撤去し、特許文献７や８に開示の気体燃料供給装置を新たに設けることで解決することができる。しかし、上記方法は、保温炉撤去や気体燃料供給装置の新設に多大な費用が必要となり、さらに、その工事期間における焼結鉱の生産量低下を考慮すると、現実的ではない。

そこで、本発明では、保温炉への酸素富化を、保温炉に酸素を直接供給して富化するのではなく、保温炉に供給している高温ガスの酸素濃度を予め高めておき、これを保温炉に供給する、具体的には、図１４に示したように、高温ガスを保温炉に供給する高温ガス供給配管の保温炉との接続位置より上流側に、高温ガスに酸素を供給する酸素供給配管を接続して高温ガスに酸素を供給・混合し、均一化してから保温炉に供給する方法を採用することとした。

この方法であれば、保温炉の撤去や保温炉の大きな改造を行うことなく、酸素富化を実現することができる。また、酸素の濃度管理も、高温ガスの流量と酸素ガスの流量比を制御するだけで行うことができ、酸素濃度の測定も、高温ガス供給配管の１箇所のみで行えばよいので、酸素濃度の制御や管理が容易となる。さらに、酸素を高温ガスの供給配管に供給するので、気体燃料のような供給ノズルの目詰まり等の発生がなく、メンテナンスが容易となる。

さらに、保温炉において酸素を供給する場合には、高濃度の酸素を保温炉に供給する必要があるが、保温炉は点火炉に隣接しているため、原料装入層上表面には気体燃料の異常燃焼（火災や爆発）を引き起こす火種が残存している可能性が高い。そのため、酸素供給配管には、配管自体の焼損を防止するため、禁油処理を施した銅製や銅合金製、Ｎｉ合金製等の高価な配管を用いて不燃化する必要がある。しかし、上記の高温ガスへの酸素混合方法では、火種が存在しないため、高価な配管の使用は不要となる。

なお、本発明の保温炉において焼結原料層内に供給する空気中の酸素濃度は、保温炉に供給される高温ガスの量が気体燃料よりも圧倒的に多いことから、高温ガス中の酸素濃度によってほぼ決定される。したがって、焼結原料層内に供給する空気中の酸素濃度は、高温ガス中の酸素濃度を管理すればよく、例えば、図１４の図中に示したように、高温排ガス供給配管の保温炉との接続位置と酸素供給配管との接続位置と間に酸素濃度計を設置し、この酸素濃度計の測定値に基いて、酸素供給配管に設置された流量調整弁の開度を調整することで、容易に酸素濃度を制御することができる。

次に、本発明の保温炉に供給する高温ガスについて説明する。
本発明において保温炉に供給する高温ガスとしては特に制限はないが、焼結機から発生する高温排ガス、例えば、パレット下方に配設したウインドボックスによって吸引・排出された燃焼排ガスや、焼結機の排鉱部から排出された焼結鉱の冷却に使用されたクーラー排ガスであれば好適に用いることができる。また、燃焼排ガスとクーラー排ガスの両方を用いてもよく、その場合には、燃焼排ガスとクーラー排ガスとを別々に供給してもよいし、予め混合してから供給してもよい。また、燃焼排ガスとクーラー排ガスの供給位置を違えてもよい。なお、燃焼排ガスを用いる場合には、酸素消費量が少なく酸素濃度が高いガスを用いるのが好ましい。

また、上記高温ガスは、温度が１３０〜３００℃の範囲が好ましい。１３０℃未満では、焼結原料の予熱効果が小さく、一方、３００℃を超えると、造粒粒子である焼結原料が急激な乾燥により崩壊を起こすからである。

次に、本発明で保温炉や気体燃料供給装置に供給する気体燃料について説明する。
本発明で用いる気体燃料としては、都市ガスやＬＮＧ、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガスあるいはこれらの混合ガスの他に、製鉄所で発生する高炉ガス（Ｂガス）や（コークス炉ガス）Ｃガス、ＣＯガスあるいはこれらの混合ガス等を用いることができる。ただし、ＢガスやＣガス、ＣＯガスを使用する場合には、ＣＯガスの漏洩対策を別途講ずることが必要となる。さらに、本発明では、上記気体燃料以外に、アルコール類、エーテル類、石油類、その他の炭化水素系の液体燃料を気化させたものを用いることもできる。ただし、この場合には、気化した燃料が再液化しないよう、気体供給配管を液体燃料の沸点以上着火温度未満の温度に保持することが好ましい。

なお、保温炉や気体燃料供給装置で焼結原料装入層中に供給する空気中に含まれる気体燃料の濃度（希釈後の濃度）は、常温での燃焼下限濃度以下とする必要がある。希釈した気体燃料の濃度が燃焼下限濃度より高いと、装入層の上方で燃焼してしまい、気体燃料を供給する効果が失われてしまったり、火災や爆発を起こしたりするおそれがある。また、希釈気体燃料の濃度が高いと、燃焼温度が低下し、焼結反応が既に完了した領域で燃焼してしまうため、高温域保持時間の延長に有効に寄与し得ないおそれがある。希釈後の気体燃料の濃度は、大気中の常温における燃焼下限濃度の７５％以下が好ましく、より好ましくは燃焼下限濃度の２０％以下、さらに好ましくは燃焼下限濃度の１０％以下である。しかし、希釈気体燃料の濃度が燃焼下限濃度の１％未満では、燃焼による発熱量が不足し、焼結鉱の品質改善効果や生産性の向上効果が得られなくなるため、燃焼下限濃度の１％以上とするのが好ましい。より好ましくは２％以上である。因みに、メタンＣＨ_４を主成分とする都市ガスやＬＮＧの燃焼下限濃度は約４．８ｖｏｌ％であるから、希釈気体燃料の濃度は、０．０５〜３．６ｖｏｌ％の範囲が好ましく、０．０５〜１．０ｖｏｌ％の範囲がより好ましく、０．０５〜０．５ｖｏｌ％の範囲がさらに好ましい。

なお、上記本発明の説明では、焼結機の保温炉において、高温ガスとともに気体燃料を供給し、さらに酸素を富化する場合について説明しているが、焼結機の特性（例えば、保温炉の設置位置や機長方向長さ等）に応じで、上記保温炉の下流に設置した気体燃料供給装置においても、気体燃料に加えて酸素富化を実施してもよい。

点火炉出側から排鉱部までの長さが９０ｍで、図１４に示したように、点火炉の下流に長さが７．５ｍの１つの保熱炉と、長さが７．５ｍの＃１〜＃３の気体燃料供給装置を有する実機焼結機において、上記保温炉と気体燃料供給装置から気体燃料を供給するとともに、上記保温炉で酸素を富化する焼結操業を実施し、酸素富化の効果を評価する実験を行った。なお、上記実験においては、焼結原料中の炭材（コークス）配合量を４ｍａｓｓ％（一定）とし、気体燃料は、ＬＮＧを、上記保温炉と気体燃料供給装置において０．２５ｖｏｌ％に希釈した後、原料装入層内に供給した。また、酸素は、保温炉に供給する高温ガスの供給配管に酸素供給配管を連結し、酸素濃度が２７ｖｏｌ％となる量を供給し、高温ガス供給配管内で均一の濃度とした後、保温炉上面から保温炉内に供給することで、原料装入層内に供給する空気中の酸素を富化した。

図１５は、上記の実機焼結機を用いた焼結実験で得られた焼結鉱の回転強度（タンブラー強度ＴＩ）と生産率との関係を、酸素富化の有無で対比して示したものである。
この図から、酸素を富化することにより、焼結鉱の平均回転強度ＴＩは６９．５％から７１．５％へと約２％向上し、生産率も１．３７ｔ／ｈ・ｍ^２から１．４３ｔ／ｈ・ｍ^２へと約０．０６ｔ／ｈ・ｍ^２（約４％）向上していることがわかる。

本発明の焼結技術は、製鉄用、特に高炉用原料として使用される焼結鉱の製造技術として有用であるばかりでなく、その他鉱石の塊成化技術としても利用することができる。

１：原料ホッパー
２：ドラムミキサー
３：ロータリーキルン
４、５：サージホッパー
６：ドラムフィーダー
７：切り出しシュート
８：パレット
９：原料装入層
１０：点火炉
１１：ウインドボックス
１２：カットオフプレート

Claims (4)

1. 点火炉下流に設置され、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を含有する高温ガスを焼結原料装入層内に供給する焼結機の保温炉への酸素富化方法であって、
   高温ガスを保温炉に供給する高温ガス供給配管に、酸素供給配管を接続して酸素を供給し、予め酸素濃度を２７〜３０ｖｏｌ％に高めた高温ガスを保温炉内に供給するとともに、
   上記高温ガス供給配管の保温炉との接続位置と酸素供給配管との接続位置との間に設置された酸素濃度計の酸素濃度測定値に基いて高温ガスへの酸素供給量を制御することを特徴とする焼結機の保温炉への酸素富化方法。
2. 上記高温ガスは、焼結機から発生した燃焼排ガスおよび／または焼結鉱の冷却に使用したクーラー排ガスであることを特徴とする請求項１に記載の焼結機の保温炉への酸素富化方法。
3. 点火炉下流に設置され、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を含有する高温ガスを焼結原料装入層内に供給する焼結機の保温炉であって、
   上記保温炉の上面に、高温ガスを供給する高温ガス供給配管が接続され、
   上記高温ガス供給配管の接続位置の保温炉内部側に、上記高温ガス供給配管から供給される高温ガス流に対して気体燃料を噴出する気体燃料供給ノズルが配設されてなるとともに、
   上記高温ガス供給配管の保温炉との接続位置より上流側に、高温ガスに酸素を供給して酸素濃度を２７〜３０ｖｏｌ％に富化する酸素供給配管が接続され、
   上記高温ガス供給配管の保温炉との接続位置と酸素供給配管との接続位置との間に、高温ガスへの酸素供給量を制御するのに用いる酸素濃度を測定する酸素濃度計が設置されてなることを特徴とする焼結機の保温炉。
4. 下流側に、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を含有する空気を焼結原料装入層内に供給する気体燃料供給装置、あるいは、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を含有しかつ酸素を富化した空気を焼結原料装入層内に供給する気体燃料供給装置を有することを特徴とする請求項３に記載の焼結機の保温炉。

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