図面 (/)

技術 焼結温度履歴の計算方法

出願人 日本製鉄株式会社
発明者 成田洋一川口尊三松村勝原応樹
出願日 2014年1月20日 (6年11ヶ月経過) 出願番号 2014-007819
公開日 2015年7月30日 (5年4ヶ月経過) 公開番号 2015-137368
状態 特許登録済
技術分野 開放式焼結炉 金属の製造または精製
主要キーワード スケール類 速度因子 固体温度 反応速度係数 粒度区分 焼成むら 階段関数 シミュレーション解析
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年7月30日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

燃焼性が大きく異なる炭材においても比較的容易に実測可能なパラメータを用いて容易に焼結使用時の温度履歴を計算でき、かつ、計算負荷も従来に比べて削減できる方法を提供する。

解決手段

1〜3mmの粒径の炭材の着火温度Tigを測定するステップと、前記炭材の着火温度Tigから反応開始温度Tiを決定するステップと、炭材の温度Tにより、炭材の反応速度係数krを、反応開始温度Tiを用いた階段状の関数により決定するステップとを有する焼結温度履歴計算方法である。

概要

背景

高炉製鉄法では、粉鉱石及び副原料からなる焼結鉱原料造粒して擬似粒子をつくる。焼結鉱原料は主に粉鉱石と副原料から構成されており、その大半は粒径10mm以下の鉄鉱石であり、残りは副原料と呼ばれ、石灰石、橄欖岩または蛇紋岩珪石、及びコークスである。擬似粒子は、ミキサーから排出された後ベルトコンベアーを乗継ぎ原料ホッパー装入される。その後、焼結機上に充填され、焼結層を形成する。充填された焼結鉱原料の表層部を点火炉バーナーで加熱してコークスに着火し、一方で下方に吸引することにより焼結鉱が製造されるが、焼結層内の通気性が焼結鉱の生産性に大きな影響を与える。

焼結層内の通気性が良好であれば、焼結層の下方に焼結が進行して行く速度(以下、「焼結速度」という。)は上昇し、生産性も向上する。しかし、通気性が悪い場合は、焼成むらを生じ、生焼け状態が発生して歩留を低下させたり、局所的に過溶融の状態が生じて燃焼帯の幅が広くなり、焼結速度が大幅に遅くなり、生産性が低下する。

したがって、焼結の生産性向上にあたり、焼結温度履歴を予め定められたように制御することが必要である。

焼結温度履歴を推定する方法は、すでに非特許文献1で公開されている。従来、この手法に基づいて数値計算を行い、焼結速度に影響を及ぼす種々の制御因子について、その影響が検討されている。具体的には、焼結充填層固体およびガスのそれぞれに関する熱収支を表す偏微分方程式(式11)および(式12)と、式中の発熱項を規定するコークスの総括反応速度式(式13)、を連立して解く
すなわち、以下の手順をその骨子とする。

まず、焼結充填層内の固体温度Tおよびガス温度tは、次の(式11)および(式12)で表される。

ここでは、焼結機高さ方向にz軸[m]をとっており、θ[sec]は反応時間を示す。また、ΔHは、反応(主にコークスの燃焼)1kmolあたりの吸発熱[kcal/kmol]、tおよびTはガスおよび固体の温度[K]、Gは単位断面積あたりのガス流量[kg/(m2・sec)]、csは固体(焼結層)の比熱[kcal/(kg・K)]、cgはガスの比熱[kcal/(kg・K)]、ρpは粒子(焼結層)の密度[kg/m3]、ρgはガスの密度[kg/m3]、εは焼結層の空隙率[−]である。

(式11)中の左辺第3項が化学反応による吸発熱項である。反応量R*は、コークスの燃焼熱(rc)、石灰石の分解熱(rl)やスケール類酸化発熱(rs)等の足し合わせであって、

表現されるものである。

化学反応の吸発熱のほとんどは、コークスの燃焼発熱である。コークスの総括反応速度rC*[kmol/m3・sec]は、炭材濃度ρcoke[kg/m2]、炭材の比表面積Acoke[m2/kg]、総括反応の速度定数kcoke[m/sec]、酸素濃度CO2[kmol/Nm3]を用いて、

により計算される。

さらに、総括反応の速度定数kcoke[m/sec]は、拡散速度係数kf[m/sec]と反応速度係数kr[m/sec]を用いて、

より求められる。さらに、反応速度係数kr[m/sec]は、温度T、ガス定数R[m2・kg/sec2・K・mol]をもちいて、非特許文献1に開示された、Hottel−Parkerの式を用いて、

により求められる。ここに、「2.351×109」および「44000」の値は、それぞれ、速度因子および活性化エネルギーといわれる。ここで、krは、温度Tにより変動する値であり、計算は非常に煩雑である。

特許文献1では、上記手法に基づいて、さらにフューエルNOx生成の支配因子を数式上で明確化し、燃焼の観点からNOx生成量抑制のための要因を俯瞰的に検討できるようにすることを目的とした発明を開示している。

すなわち、粉コークス粒子表面反応2C+O2→2CO、C+CO2→2CO、CaCO3→CO2+CaO、及び、焼結層内のガス反応2CO+O2→2CO2を含むようにした燃焼反応を対象に、少なくとも焼結層内のO2、CO2、CO、C、CaCO3の物質収支燃焼ガスの熱収支及び焼結層の熱収支を含んで構成される燃焼モデルに基づいて、焼結層温度燃焼排ガス中CO濃度及びO2濃度を計算し、これら計算された焼結層温度、燃焼排ガス中のCO濃度及びO2濃度を入力値にして、燃焼モデルに基づいて、コークス粒子のガス境膜内CO濃度及びO2濃度を計算して、燃焼過程にある粉コークス粒子のガス境膜内のCO濃度とO2濃度との比率CO/O2値を求める方法を開示している。

概要

燃焼性が大きく異なる炭材においても比較的容易に実測可能なパラメータを用いて容易に焼結使用時の温度履歴を計算でき、かつ、計算負荷も従来に比べて削減できる方法を提供する。1〜3mmの粒径の炭材の着火温度Tigを測定するステップと、前記炭材の着火温度Tigから反応開始温度Tiを決定するステップと、炭材の温度Tにより、炭材の反応速度係数krを、反応開始温度Tiを用いた階段状の関数により決定するステップとを有する焼結温度履歴の計算方法である。

目的

特許文献1では、上記手法に基づいて、さらにフューエルNOx生成の支配因子を数式上で明確化し、燃焼の観点からNOx生成量抑制のための要因を俯瞰的に検討できるようにすることを目的とした

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

1〜3mmの粒径を有する炭材着火温度Tigを測定するステップと、前記炭材の着火温度Tigから反応開始温度Tiを決定するステップと、炭材の温度Tにより、炭材の反応速度係数krを、により決定するステップと、を有することを特徴とする焼結温度履歴計算方法

請求項2

前記炭材の反応速度係数krを1.13[m/sec]以上の値とすることを特徴とする請求項1に記載の焼結温度履歴の計算方法。

技術分野

0001

本発明は、焼結原料焼成する過程温度履歴を計算する方法に関する。

背景技術

0002

高炉製鉄法では、粉鉱石及び副原料からなる焼結鉱原料造粒して擬似粒子をつくる。焼結鉱原料は主に粉鉱石と副原料から構成されており、その大半は粒径10mm以下の鉄鉱石であり、残りは副原料と呼ばれ、石灰石、橄欖岩または蛇紋岩珪石、及びコークスである。擬似粒子は、ミキサーから排出された後ベルトコンベアーを乗継ぎ原料ホッパー装入される。その後、焼結機上に充填され、焼結層を形成する。充填された焼結鉱原料の表層部を点火炉バーナーで加熱してコークスに着火し、一方で下方に吸引することにより焼結鉱が製造されるが、焼結層内の通気性が焼結鉱の生産性に大きな影響を与える。

0003

焼結層内の通気性が良好であれば、焼結層の下方に焼結が進行して行く速度(以下、「焼結速度」という。)は上昇し、生産性も向上する。しかし、通気性が悪い場合は、焼成むらを生じ、生焼け状態が発生して歩留を低下させたり、局所的に過溶融の状態が生じて燃焼帯の幅が広くなり、焼結速度が大幅に遅くなり、生産性が低下する。

0004

したがって、焼結の生産性向上にあたり、焼結温度履歴を予め定められたように制御することが必要である。

0005

焼結温度履歴を推定する方法は、すでに非特許文献1で公開されている。従来、この手法に基づいて数値計算を行い、焼結速度に影響を及ぼす種々の制御因子について、その影響が検討されている。具体的には、焼結充填層固体およびガスのそれぞれに関する熱収支を表す偏微分方程式(式11)および(式12)と、式中の発熱項を規定するコークスの総括反応速度式(式13)、を連立して解く
すなわち、以下の手順をその骨子とする。

0006

まず、焼結充填層内の固体温度Tおよびガス温度tは、次の(式11)および(式12)で表される。

0007

0008

0009

ここでは、焼結機高さ方向にz軸[m]をとっており、θ[sec]は反応時間を示す。また、ΔHは、反応(主にコークスの燃焼)1kmolあたりの吸発熱[kcal/kmol]、tおよびTはガスおよび固体の温度[K]、Gは単位断面積あたりのガス流量[kg/(m2・sec)]、csは固体(焼結層)の比熱[kcal/(kg・K)]、cgはガスの比熱[kcal/(kg・K)]、ρpは粒子(焼結層)の密度[kg/m3]、ρgはガスの密度[kg/m3]、εは焼結層の空隙率[−]である。

0010

(式11)中の左辺第3項が化学反応による吸発熱項である。反応量R*は、コークスの燃焼熱(rc)、石灰石の分解熱(rl)やスケール類酸化発熱(rs)等の足し合わせであって、

0011

表現されるものである。

0012

化学反応の吸発熱のほとんどは、コークスの燃焼発熱である。コークスの総括反応速度rC*[kmol/m3・sec]は、炭材濃度ρcoke[kg/m2]、炭材の比表面積Acoke[m2/kg]、総括反応の速度定数kcoke[m/sec]、酸素濃度CO2[kmol/Nm3]を用いて、

0013

により計算される。

0014

さらに、総括反応の速度定数kcoke[m/sec]は、拡散速度係数kf[m/sec]と反応速度係数kr[m/sec]を用いて、

0015

より求められる。さらに、反応速度係数kr[m/sec]は、温度T、ガス定数R[m2・kg/sec2・K・mol]をもちいて、非特許文献1に開示された、Hottel−Parkerの式を用いて、

0016

により求められる。ここに、「2.351×109」および「44000」の値は、それぞれ、速度因子および活性化エネルギーといわれる。ここで、krは、温度Tにより変動する値であり、計算は非常に煩雑である。

0017

特許文献1では、上記手法に基づいて、さらにフューエルNOx生成の支配因子を数式上で明確化し、燃焼の観点からNOx生成量抑制のための要因を俯瞰的に検討できるようにすることを目的とした発明を開示している。

0018

すなわち、粉コークス粒子表面反応2C+O2→2CO、C+CO2→2CO、CaCO3→CO2+CaO、及び、焼結層内のガス反応2CO+O2→2CO2を含むようにした燃焼反応を対象に、少なくとも焼結層内のO2、CO2、CO、C、CaCO3の物質収支燃焼ガスの熱収支及び焼結層の熱収支を含んで構成される燃焼モデルに基づいて、焼結層温度燃焼排ガス中CO濃度及びO2濃度を計算し、これら計算された焼結層温度、燃焼排ガス中のCO濃度及びO2濃度を入力値にして、燃焼モデルに基づいて、コークス粒子のガス境膜内CO濃度及びO2濃度を計算して、燃焼過程にある粉コークス粒子のガス境膜内のCO濃度とO2濃度との比率CO/O2値を求める方法を開示している。

0019

特開2011−256405号公報

先行技術

0020

鞭厳・森山昭 「冶金反応工学(1972)」 養研堂
B. M. Johnson, G. F. Froment and C. C. Watson: Chemical Engineering Science, 17, 835 (1962)

発明が解決しようとする課題

0021

近年、粉コークス以外の焼結炭材の開発が進み、それらの焼結使用時の温度履歴を頻繁に計算するニーズが生じている。

0022

しかしながら、新規に開発した炭材は、従来炭材と燃焼性が大きく異なる前記従来法にしたがって、これらの炭材の焼結利用時の温度履歴を計算するためには、(式15)中の速度因子と活性化エネルギーを実測する必要があり、炭材の燃焼のような高速で進行する反応の速度因子・活性化エネルギーの実測は煩雑で、多大な労力を要するため、従来と燃焼性の大きく異なる炭材の焼結使用時の温度履歴を計算することは極めて困難であった。

0023

本発明の目的は、比較的容易に実測可能なパラメータを用て新たな反応速度係数を表す方法を提案することにより、燃焼性が大きく異なる炭材の焼結使用時の温度履歴を、少ない労力、かつ、短時間で計算できる方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0024

発明者らは、焼結層中の炭材はある温度まで加熱されると反応を開始し、反応を開始すると速やかに温度上昇し、物質移動律速される概ね一定の反応速度に達すると考え、反応速度係数は、炭材の反応開始温度で表現できることに着目した。

0025

発明者らは、さらに、鋭意研究開発の結果、炭材の着火温度(Tig)の測定値より、反応開始温度Tiを決定し、かつ、1.13[m/sec]以上の反応速度係数krを階段関数ステップ関数)として与えることで、燃焼性の大きく異なる炭材の焼結使用時の温度履歴を簡便に、かつ精度よく計算できることを見出して本発明を完成させた。

0026

本発明の要旨は以下の通りである。

0027

(1)1〜3mmの粒径を有する炭材の着火温度Tigを測定するステップと、
前記炭材の着火温度Tigから反応開始温度Tiを決定するステップと、
炭材の温度Tにより、炭材の反応速度係数krを、

0028

により決定するステップと、
を有することを特徴とする焼結温度履歴の計算方法

0029

(2)前記炭材の反応速度係数krを1.13[m/sec]以上の値とすることを特徴とする(1)に記載の焼結温度履歴の計算方法。

発明の効果

0030

本発明の方法を実施することにより、比較的簡単に実測できる着火温度(Tig)を用いて、従来と燃焼性の大きく異なる炭材の焼結使用時の温度履歴を精度よく、かつ、短時間で計算できるという顕著な効果を奏する。

図面の簡単な説明

0031

本発明の方法を説明するフロチャートである。
コークスの場合の反応速度定数kr[m/sec]のグラフである。
焼結温度履歴を比較する図である。(a)本発明の方法による焼結温度履歴(b)従来の方法による焼結温度履歴

0032

本発明の実施形態は、以下のステップを有する焼結温度履歴の計算方法であり、図1にはそのフロチャートが記載されている。
[ステップ1]炭材の着火温度(Tig)の測定するステップである。

0033

炭材の着火温度(Tig)の測定にあたっては、1〜3mmの粒径の炭材を用いるが、1〜3mmの粒径の炭材を用いる理由は後述する。

0034

炭材の着火温度(Tig)の測定には、部らの方法(ISIJ International, 15(2013), p.1594.)を用いる。

0035

当該方法用いた着火温度(Tig)の測定結果を表1に記載する。

0036

0037

[ステップ2]反応開始温度Tiを決定するステップである。

0038

炭材の着火温度(Tig)の測定値より、反応開始温度Tiを決定する。

0039

しかしながら、Tiは粒径によらないパラメータであるが、着火温度は粒径に依存する物性値である点を留意する必要がある。

0040

そこで、炭材の粒径を実際の焼結で使用される炭材を代表する粒度区分である1〜3mmを用いるが、その算術平均粒径が1〜2mmの粒径を用いるのがより好ましい。

0041

なぜなら、藤部らの方法(ISIJ International, 15(2013), p.1594.)によって計測された、1〜3mm、好ましくは、1〜2mmの粒径の炭材の着火温度(Tig)は、そのまま、反応開始温度Tiとすることができるからである。
[ステップ3]炭材の反応速度係数krを決定するステップである。
<階段関数による付与>
炭材の反応速度定数を

0042

により決定する。
すなわち、焼結層中の炭材は、ある温度以下では全く反応せず、一度反応を開始すると速やかに温度上昇して一定の反応速度に達すると仮定し、ステップ状の燃焼速度式を採用している。

0043

図2には、krの挙動がグラフとして表されている。
図2において、縦軸はkr[m/sec]であり、横軸が温度[℃]であり、点線グラフが従来の方法を用いて求めたkrの挙動であり、実線グラフが本発明の方法により決定されたkrの挙動である。

0044

krは、炭材の反応速度を定数化した数値であり、焼結過程酸素供給律速であることから、焼結層ヒートパターンは反応速度の影響を受けないが、反応速度が極端に低いと、焼結層の温度を上昇させることができない。

0045

数値範囲
本発明者らの検討では、krは1.13[m/sec]以上の範囲で円滑にヒートパタン計算が行えることを確認した。

0046

ここで、kr=1.13[m/sec]の値は、Hottelの式によるコークスの着火点(前述の測定値によると618℃)での反応速度であり、発明者らは1.13[m/sec]が、コークスの燃焼を継続できる閾値であると考えている。

0047

(焼結熱履歴の計算方法)
本発明を用いた焼結熱履歴の計算は、従来技術でその概略を説明した非特許文献1の方法を用いるが、炭材の反応速度係数krを計算するにあたり、従来用いられてきた(式15)に代えて、上述のように決定された(式1)を使用する点が本願発明の特徴である。
以下、その顕著な効果について説明する。

0048

炭材の反応速度係数krを(式15)を用いて計算する場合には、温度Tを考慮する必要があり、計算は非常に煩雑となり、時間と労力を用することから、種々の炭材における焼結熱履歴の計算を実施するのは極めて困難である。

0049

一方、炭材の反応速度係数krを(式1)を用いて計算する場合には、温度Tを考慮することなく、1.13[m/sec]以上の値と、炭材の反応温度Tiを与えれば足り、また、炭材の反応温度Tiは、炭材の粒径が1〜3mmの場合には、簡単に実測できる着火温度(Tig)に相当する温度となることから、極めて簡単に与えることができ、種々の炭材における焼結熱履歴の計算を短時間で容易に実施できるという顕著な効果を奏することができる。

0050

また、実施例で説明するように、(式15)に代えて(式1)を用いても計算精度を低下させることはないことを、反応速度定数kr[m/sec]は、反応開始からほぼ一定であると仮定してパレット上の粒子層内のコークスの総括反応速度rC*[kmol/(m3・sec)]を計算して求めた焼結温度履歴は、従来のように反応速度定数kr[m/sec]を温度毎に計算して、パレット上の粒子層内のコークスの総括反応速度rC*[kmol/(m3・sec)]を再び計算して求めた焼結温度履歴との間には差がほとんどないことにより確認している。

0051

ここでは、本発明の方法を用いて計算した焼結温度履歴と、従来の方法を用いて計算した焼結温度履歴を比較することにより、本発明の方法を用いても、従来の方法を用いた場合とほぼ同様の精度で焼結温度履歴が得られることを、シミュレーション解析により確認する。

0052

解析条件
表2は、本発明の方法および従来の方法を実施するときに用いる解析条件を示す。なお、表2に記載してある値は、通常の焼結燃焼過程における値である。

0053

0054

解析結果]
図3を用いてシミュレーションにより解析した結果を説明する。

0055

図3(a)には、本発明の計算方法によりkrを求めた場合、図3(b)には、従来の方法によりkrを求めた場合に得られる焼結温度履歴が記載されている。

0056

図3(a)および図3(b)において、縦軸は温度(℃)であり、横軸は時間(分)であり、それぞれには、上層(表面から100mm)、中層(表面から250mm)、下層(表面から400mm)における温度履歴がグラフとして描かれている。

0057

ここで、図3(a)と図3(b)のグラフを比較すると、ほとんど同じグラフであることから、本発明の方法を用いても、従来の方法を用いた場合とほぼ同様の精度で焼結温度履歴が得られることをシミュレーション解析により確認できる。

0058

所要時間]
本発明の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合と、従来の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合に要した時間を比較した。
本発明の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合に要した時間は、従来の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合に比して、100分の1程度であった。

実施例

0059

[評価]
本発明の方法を用いて焼結温度履歴を計算すると、従来の方法を用いて焼結温度履歴を計算した場合とほぼ同じ精度で、かつ、100分の1の時間で実施でき、本発明の方法は従来の方法を代替することができる。

0060

本発明の方法は、焼結の燃焼制御において利用可能である。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 日本製鉄株式会社の「 焼結鉱の製造方法」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題】焼結鉱の歩留の向上を目的とする。【解決手段】鉄鉱石、石灰石、MgO含有副原料、炭材および返鉱を配合した焼結原料を造粒処理して下方吸引式焼結機のパレットに偏析装入し、焼成する焼結鉱の製造方法にお... 詳細

  • 住友金属鉱山株式会社の「 ニッケル酸化鉱石の湿式製錬において発生する貧液の中和処理方法」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題】 ニッケル酸化鉱石の湿式製錬において発生する貧液の量が多くなっても中和剤の消費量を抑えつつ該貧液を効率よく中和処理する方法を提供する。【解決手段】 鉄、マグネシウム、及びマンガンのうちのい... 詳細

  • 日本製鉄株式会社の「 焼結鉱の還元粉化性評価方法」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題】焼結鉱の還元粉化性の評価を簡便かつ迅速に行うことが可能な焼結鉱の還元粉化性評価方法を提供する。【解決手段】鉄含有原料、副原料、炭材を含む原料を造粒、焼成して得た焼結鉱を、粉砕して粉末試料とする... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ