落下衝撃を受けた粒子充填層の力学特性調査ならびに個別要素法による粒子充填層崩壊シミュレーションへの適用

摘要

鉄鋼業における主要設備である高炉は、巨大な向流移動層反応器であり、上部から鉄鉱石やコークスを層状に装入し、下部から1200°C以上の熱風を吹き込むことでコークスを燃焼させ、発生した高温の還元ガス（主としてCOガス）で炉内の鉄鉱石を昇温、還元、溶解して溶銑を得るために用いられる(Fig.1)。高炉の直径は10m以上に及び、半径方向のガス分配が生産性·効率を左右する。そのため、装人時の鉱石·コークスの半径方向配置や粒度分布の制御、すなわち、装入物分布制御による炉内ガス流れの制御が重要である。しかしながら、鉄鉱石と比較してコークスの密度は1/3程度であるため、コークス層上に鉄鉱石を装入すると、衝撃によりコークス層が崩れて炉内配置が変化してしまう。これは“コークス崩れ”と呼ばれ、炉内のコークス層厚分布に大きな影響を及ぼすが、崩れ後のコークス層は鉱石で覆われてしまうため、実高炉の崩れ量の計測が困難である。そのため、崩れ量の予測·制御が高炉操業上の大きな課題となっている。これまで、コークス崩れ量に及ぼす影響因子を定量化するため、模型試験による検討や個別要素法(DEM)による装入物分布シミュレーションが数多くなされてきたが、コークス崩れ量の予測手法の確立には至っていない。その理由の一つとして、コークスは粒子形状が歪であり、粒子間の嚙み込み（Interlocking)や破砕により充填層力学特性が変化し、コークス崩れ挙動に影響を及ぼしている可能性が考えられる。本報では、鉱石の落下衝撃によるコークス粒子の破砕有無について落下衝撃試験により確認し、コークス粒子の破砕が充填層力学特性に及ぼす影響を大型一面せh断試験により調査した。得られた知見を基に、個別要素法(DEM)の接触力モデルを修正して鉱石装人時のコークス崩れ挙動を計算し、1/3スケールの模型試験結果と比較したので報告する。