高炉バーデンの効果的な調製と装入：安定操業のために

高炉（BF）は炉床を除き、基本的にガスとバーデン粒子が逆方向に移動する通路です。BF安定操業の基本要件は、変動の少ない移動バーデン層を炉内に維持することです。具体的には、安定したガス流と混合バーデン層のないバーデン層構造を形成することであり、これらは密接に関連しています。ガス流の安定性はほぼ完全にバーデン透気性に依存し、これはバーデン充填構造（粒径、粒度分布、微粉比率等）とバーデン降下挙動（固体流）によって決まります。

高炉内の多相流とゾーン構造

原則として、BFプロセスは固体、ガス、液体、粉体からなる複雑な逆流・並流・横流の4相流システムです。各相の相互作用は明確で、BFの異なる領域に局在化しています。通常、BFには5つの明確なゾーン（図1）があります：(i) 塊状ゾーン、(ii) 凝集ゾーン、(iii) コークス反応ゾーン、(iv) 燃焼ゾーン（レースウェイ）、(v) デッドマンゾーン（炉床中心領域）。バーデン相と特定領域での独特な相互作用の違いにより、BF全体積で単一のバーデン移動/流動パターンは存在しません。

図1 高炉のゾーン

BF内には一般に4つの異なる固体流動領域があります：(i) ストックラインから凝集/溶融ゾーン直上まで均一速度でバーデンが降下するプラグフロー領域、(ii) 部分的に反応したコークス粒子の不連続塊が炉床中心にある停滞フロー領域（デッドマン）、(iii) デッドマンに隣接し部分反応コークス粒子が緩慢に移動する準停滞フロー領域、(iv) レースウェイ周辺で停滞ゾーン-炉壁距離内に顕著な粒子速度変化がある収束フロー領域。

バーデン降下メカニズムは、鉱石とコークスの反応・溶解・燃焼による消失、バーデン層頂部と炉壁付近での粒子運動、微細原料の粗粒層への浸透等に関わります。BFにおけるバーデン降下に影響する要因には、原料状態（粒径、強度、バーデン配分-鉱石/コークス比）、レースウェイ状態（補助燃料吹込み）、炉内壁プロファイル等があります。

バーデン材料の要件と操業最適化

BF操業はプロファイリング、粒度分布、性能・生産性に影響する全ての要因に対して非常に敏感です。BFの円滑な運転のためには、ストックラインでの固体バーデン材料（鉄鉱石、コークス、フラックス）の配分を最適化し、ストックラインレベルでのバーデン配分適切制御によりBF内部状態を制御することが不可欠です。

BFバーデン材料は、機械的・化学的・熱的要件を満たす必要があります。装入材料は強靭で透気性のある構造を形成し、バーデンを支えながらBFシャフトでの還元ガス通過を可能にしなければなりません。バーデンの早期崩壊は微粉生成を招き、シャフト内還元ガス流を乱してプロセス効率を低下させるため回避すべきです。したがって、微細バーデン材料のBF装入は排除すべきです。

バーデンの下降移動、化学反応、熱プロファイル、液体移動をゾーンごとに最適化し、生産性最大化と安定炉操業を両立させる必要があります。安定した高生産性BF操業の実現には、炉内プロセス（装入材料の物理変化と化学反応）と周辺補助操業（バーデン備蓄、リクレーム、輸送、貯蔵、排出、搬送、装入）の両方を最適化することが必要です。これらは独立して扱えない連関したプロセスです。

BF装入材料である鉄鉱石、コークス、フラックスはバルク固体に分類され、互いに接触する離散固体粒子に類似しています。これらの材料は粒状材料と同様に相互作用する粒子で構成され、内部構造は進化的です。表1のバルク固体材料分類によれば、BF装入材料はバルクとして「破砕/不連続固体」に分類されます。

表1 バルク固体のサイズ分類における定性用語
No.	サイズ範囲 (mm)	典型的用語
		構成要素	バルク
1	0.1未満	粒子	粉体
2	0.1〜1	グランル	粒状固体
3	1〜3	グレイン	破砕固体
4	3以上	塊	破砕固体

一般に、バルク固体のあらゆる形態の取り扱いでは均質性維持が課題となります。同じ物理化学的特性を持つ粒子をバルク固体の離散成分と見なすと、バルク固体の混合（意図的/非意図的）は必然的に成分の自然な分離をもたらします。この概念は一般に分離（デミキシング）として知られます。分離は、物理分離プロセスでは有益、混合プロセスでは有害となる場合があり、製品やサブユニット操作の意図機能によります。

バーデン材料取り扱いの理論的側面

BFバーデン材料はコークス、シンター、ペレット、規格塊鉱（CLO）、石灰石、ドロマイト、マンガン鉱石、珪石で構成されます。プロセスの性質上、BFプロセスはバーデン材料のサイズ、分布、強度に本質的に敏感です。BF内でのバーデン材料分布は、ガス上昇流動だけでなく、プロセス化学、異相間の熱物質移動にも影響します。材料強度は重要で、降下に伴い荷重が増大し、高温高圧での後続化学反応によりアトリションと破砕が蔓延するためバーデンの完全性がさらに損なわれます。

BFコークスは、部分溶解反応しながらBF炉床まで降下する唯一のバーデン材料として、操業中の支持構造材料として機能します。コークスは銑鉄（HM）製造コストの高い割合を占めます。近年は安価な代替炭素源でコークスを置き換える動きがあり、一般的なのはレースウェイへの石炭直接吹込み、いわゆる微粉炭吹込み（PCI）です。しかし、置換には理論的限界があり、適切なコークスなきBFはバーデン透気性低下、炉詰まりとハンギング、さらにはスリッピング発生を招きます。

BFバーデン組成は、溶融温度、軟化、一部還元パラメータなどの炉内プロセス変数を決定し、バーデン配分が最適化されていない場合、生産に悪影響を及ぼします。このような制約と課題がある中で、バーデン配分を適切に制御する必要があります。典型的なBFバーデン材料のサイズ範囲を表2に示します。

表2 BFバーデン材料の典型的サイズ範囲
No.	材料成分	サイズ (mm)
		最小	最大
1	BFコークス	25	50
2	規格塊鉱	10	30
3	シンター	5	30
4	鉄鉱石ペレット	8	20
5	石灰石	10	40
6	ドロマイト	10	40
7	マンガン鉱石	10	40
8	珪石	10	40
9	ナッツコークス	10	25

粒状流動（BF装入材料含む）の物理現象と流動構造は一見単純ですが、実際には理解・予測が困難な複雑な挙動を示します。直接的な混合・分離パラメータ情報の欠如によりさらに複雑化します。しかし、BF装入材料凝集体のサイズと大きな材料サイズ分布により、分離傾向は可能な限り低減すべき深刻な操業上の問題です。

バルク材料取り扱いと流動挙動

粉体力学の要素が19世紀半ばまで遡ることが知られているにもかかわらず、バルク材料の挙動と流動の根本的理解は依然として不十分です。これは流動物理学の独特で複雑な特性に主に起因します。バルク材料取り扱いは興味深い挙動を示します。その一つは、個々の粒子特性により粒子のマクロな混合物がデミキシングする能力です。これらの観察は、これらの材料がパターン形成と自己組織化への自然な傾向を持つことの結果です。この現象は主に、バルク材料が流体様特性を模倣する振る舞いから生じます。

バルク材料が流体様特性を模倣し、それ自体は固体に見えるとしても、全体的挙動と特性はこれらの一般的な物質形態での観察と完全に平行しています。通常、他の物質形態ではダイナミクスが常温の影響を受けますが、バルク材料ダイナミクスではその影響は無視できます。流体に典型的なカオス的移流や混合効果と競合することが、バルク材料で観察される自己組織化傾向の原因であり、流動誘導分離には流体現象がありません。

基本プロセスのマクロ挙動は主に微小な粒子間接触と摩擦力によって支配されます。BF装入材料サイズが5mm超であることを考慮すると、静電気、ファンデルワールス、毛管現象などの表面力の影響は無視できます。さらに、バーデン材料の流動挙動は非粘着性固体に対応し、粘着傾向は10μm未満の超微粒子粉体に典型的です。

バルク材料流動の分類

バルク材料流動は、粒径、密度、形状など同じ物理特性を持つ粒子群として定義される成分により分類できます。流動構造は分析が困難で、粒子間相互作用と外部励振・境界条件の影響を大きく受けます。その結果、全てのバルク材料流動構造を完全に記述する包括的で汎用的な方法は存在しません。粒子が接触する時間セグメントに応じて、いくつかの異なるタイプの識別可能な流動構造を確立できます。

バルク材料流動の場合、粒状流動は可変数のメタステーブル非定常状態を示します。外部擾乱（振動など）がなければこれらの状態は無限に持続します。このような状態の持続は、粒子と境界が接触する時間セグメントに大きく依存し、これは固体体積分率（気体または液体の全体積に対する相対値）に依存します。その結果、粒状材料の流動は一般に希薄流と密流（接触支配）に分類され、固体体積分率に依存します。接触時間セグメントに応じて、密流はさらに衝突支配と接触支配に細分化されます。これら3分類では、各分類に固有の挙動と特性流動が区別されます。流体-粒子相互作用（揚力と抗力）が希薄流での粒子運動を支配するのに対し、粒子-粒子または粒子-壁衝突、または連続的粒子-粒子接触が密流を支配します。

図2に、希薄流、衝突支配密流、接触支配密流の間のバルク材料分類の概略を示します。図2の希薄バルク材料分類はサイクロン分離器、流動層、BF材料ホッパー流動でそれぞれ観察されます。密流（衝突支配と接触支配）は、BFバルク材料の排出、貯蔵、輸送プロセスで典型的です。

図2 バルク材料流動の分類

密材料流動の2分類

2つの密流レジームの共通特徴は、長さと時間スケールの関数としての構造的進行です。通常これは粒子の再配向によるパターン形成を導きます。このような材料配向は中間スケール構造によって駆動されます。個々の粒子スケール（マイクロスケール）は、中間スケールによってマクロ/連続体スケールから分離されます。粒状流動アセンブリの複雑な粒子間相互作用を理解することは、分離/デミキシング現象の定量化に不可欠です。この点で、マクロ構造的（バルク）振る舞いと基礎的なミクロ構造的（離散）ダイナミクスの関係を確立する必要があります。

衝突支配流動

衝突支配流動では、流動は分散・散逸・高エネルギーで、粒子は主に近似瞬時的・二体衝突で相互作用します。慣性効果は無視できます。衝突は非弾性で、粒子間または粒子-境界相互作用でエネルギーが散逸します。衝突が散逸的であるため、粒状材料の「流動性」を維持するには何らかの仕事源が必要です。衝突の散逸性により、クラスタリングや密度波といった独特の流動挙動とパターンが観察されます。密度波は粒子温度に関連した現象で、粒子が均一に流れず、平均速度とは異なる速度を持つ領域に流れ込みます。

接触支配流動

接触支配流動では、粒子間衝突が強く相関し、二体でも瞬時でもなく、持続的で多重です。この流動には2つの興味深い特徴的シナリオがあります：流動可能な臨界せん断応力以下の存在、流動開始時のせん断速度への複雑な依存性。その結果、接触支配流動に関連する粘弾塑性特性を含む完全な流動構造が必要となります。

局所回転による自由度の追加、確率的流動ルールの導入、運動論輸送係数（粘性項、衝突頻度、散逸項）の修正など、様々な処理と考慮に基づく構成則が提案されています。慣性数というパラメータが現れる最近の定式化は、接触支配流動の広範な粘弾塑性特性を再現できる堅牢な定式化と思われます。慣性数はせん断速度に粒子質量の平方根を圧力で割った値を乗じたものです。

粒状材料の混合と分離

粒状材料取り扱いは、均質で均一な分布が必要な場合に特に複雑で、材料サイズが大きく異なる場合、分離（デミキシング）への自然な傾向があります。混合が均質性を促進する流体プロセスとは異なり、粒状流動では混合と分離が鏡像関係にあり、長時間の混合傾向がデミキシング（分離）を促進します。したがって、反復的な取り扱いプロセスを経るBFバーデン材料の場合、混合をサイレントな特徴として扱うことが有用です。

粒状材料の自然な秩序は分離、すなわち均一振る舞いからの逸脱です。粒状材料が曝露されるシステム状態（装入、貯蔵、排出、輸送）に応じて、分離が発生する異なるメカニズム形態があります。分離の主な駆動要因は、粒径差、密度差、摩擦効果、反発係数、安息角などの微小特性差です。これらの中で、粒径が粒子の分離挙動を決定する最も重要な要因と思われます。

粒状材料分離メカニズム

分離最小化の研究で13の粒状材料分離メカニズムが提案されています。しかし、これらの多くは他のメカニズムの特殊または重複ケースです。これを考慮し柔軟性を持たせるため、粒状材料分離の分類を5つの主要メカニズムに簡略化しました。このうち流動化と凝集分離メカニズムは微細・粘着性粒子に関わるものでBF装入材料には適用されません。したがって、BF装入材料の装入、貯蔵、排出、輸送に適用される残り3つの主要分離メカニズムを以下に説明します。

浸透/動的篩分メカニズム

粒度分布を持つ粒子が相互作用する場合（例：材料貯蔵ビン）、小さな粒子が大きな粒子の間隙を通って下方に浸透・篩分される自発的な緻密化トリリングが発生します。粒状材料が流動すると粒状隙間が広がり間隙が生成されます。小さな粒子は大きな粒子の下の小さな間隙に入り込めますが、逆は起こりにくいため、小さな粒子の下方への正味分離フラックスが生じ、自由表面から離れていきます。この作用を一般に浸透と呼びます。定常状態では、底層に多くの微粒子を持つように粒子が分離します。浸透分離メカニズムを図3に示します。粒径d1、d2の二元系でd2>d1の場合、d1/d2≤0.1547で自発的篩分が発生します。この臨界比の最初の用途は、シュート流動における粒径差による分離の詳細モデル導出に用いられました。

図3 浸透分離メカニズムの概略

浸透分離メカニズムは、振動スクリーンなどの振動運動によるせん断誘導で強化され、大粒径・高密度粒子でさえ上部に移行します。これは振動系では幾何学的考慮のみが分離に必要であることを示唆します。要するに、浸透分離メカニズムが発生するには主に3条件が必要です：(i) 篩分の臨界サイズ比、(ii) 小粒子が間隙を通過するために非粘着性、(iii) 微粒子が複数の間隙に向く確率を高める十分な歪みまたは粒子間運動の存在。

軌道メカニズム

軌道駆動分離メカニズムは、主に装入材料移送ポイント、貯蔵ビンへの充填、貯蔵ホッパーからの排出、コンベアベルト末端での排出で見られます（図4）。粒状材料の円滑な流動条件を調査した研究では、異なるサイズの材料が異なる摩擦抗力により異なる速度で移動し、材料分離を引き起こすことが指摘されています。軌道分離のメカニズムは、流体に水平投射される粒子を考慮して数学的に説明されています。直径d、密度Dp、ストークス則に従う抗力を持つ小粒子について、初期投射速度Viで流体（粘度Vf、密度Df）中を移動する最大距離Xは、X=Dp・Vi・(Dp)²/18Vfで与えられます。しかし、BF装入材料サイズを考慮し抗力を無視できるとすると、粒子軌道は無次元軌道方程式で与えられます：y/x=tan A-[g/2(cos A)²]・x/Vi。ここでx、yは水平・垂直空間座標、Aは傾斜角、gは重力加速度、Viは自由落下開始時の初速度。この式から、粒子軌道はサイズ（質量）に依存せず、各粒子に伴う自由落下開始時のランダムな速度に依存することがわかります。

図4 軌道分離メカニズムの概略

微小特性差メカニズム

このメカニズムには3つの効果があります：(i) 摩擦効果、(ii) 反発係数効果、(iii) 安息角効果。

粒状材料への摩擦効果の研究では、静摩擦係数Fが異なる2成分粒状材料は通常分離することが示されています。研究では、質量m、高さh、滑り摩擦係数Fs、転がり摩擦係数Fr、半径rの球形粒子が傾斜角Aの斜面を排出するケースを検討しました（図5）。エネルギー保存則を考慮し、運動量方程式m・g・sin A・r=m・g・cos A・Frを満たす不安定平衡状態の粒子について、滑り摩擦係数を考慮した粒子移動距離X=(h/Fs)・(cos A)²・(1-Fs/tan A)、転がり摩擦係数を考慮したX=(r・h/Fr)・(cos A)²・(1-Fr/r・tan A)が導かれます。これらから、転がり摩擦係数を考慮すると粒子移動距離が粒径に依存し分離が生じる一方、滑り摩擦効果は粒子サイズと質量の両方から独立であることがわかります。

図5 傾斜境界上の粒子運動の概略

反発係数効果のメカニズムは原理的に動的効果です。粒子同士が衝突または境界に衝突すると、界面復元力により異なる速度で跳ね返り、最終位置が決まります。例として、ヒープ頂点や貯蔵ビンへの粒子装入があります。ヒープ頂点での衝突時、復元力の小さい粒子は跳ね返らずその位置に留まります。逆に高復元力の粒子は跳ね返り、堆積スポットから離れた場所、ヒープ周辺部に集中する可能性があります。

安息角効果の場合、粒状材料の積み上げ時に分離メカニズムが観察されます。ヒープ形成時、傾斜角（安息角）は材料タイプに依存し粒子数には独立です。回転ドラムにおける安息角への境界効果研究では、軸方向分離が静的または動的安息角によって影響されることが指摘されています。原理的に安息角効果は粒径、分布、形状、摩擦力などの材料パラメータに依存するため、他の変数が含まれることで混合メカニズムとなります。

粒状材料分離の分類

粒状材料の分離は、考慮されるプロセスの変数に基づいて分類されます。主に：(i) 粒子物理特性（サイズ、密度、形状分離）、(ii) エネルギー入力（振動、重力、せん断分離）、(iii) 粒子移動方向（水平、垂直分離）、(iv) 使用装置（ホッパー、シュート、コンベア）。

しかし、分離を生み出す自然または確立されたプロセス、いわゆるメカニズムによる分類が最も一般的なアプローチです。分離は表面現象と広く見なされており、異なる観察メカニズムは表面層下の粒子とは独立です。原理的には、移動表面層粒子の振る舞いのみを考慮することでメカニズムを説明できます。様々な分離タイプにおいて、原理的かつほとんどの場合、全体的分離メカニズムはいくつかの相互作用するメカニズムの組み合わせです。例えば、篩分分離は浸透と変位/移動分離の特殊ケースと見なせます。これらは共に小粒子が大粒子に対して下方に濾過される原理を共有するからです。

分離の定量化

粒状材料流動における分離メカニズムと効果について一定の理解があるものの、この現象から生じる問題を適切に把握するには、発生回避から分離制御へのシフトが必要です。このため、正確な定性的・定量的分離測定手法が必要であり、特に反復取り扱いプロセスを経るBFバーデン材料の場合、粒子材料分布の知識と粒状流動における混合・分離の定量化が炉ストックラインへの精密装入には不可欠です。完全な粒子分布記述は非自明ですが、必須です。

分離測定指標

原理的に分離は複雑な粒状材料流動の一部です。さらに、粒状流動の不透明さにより、分離研究中に物理的に有用データを抽出することは実質的に困難、あるいは不可能です。適切な理論定式化を数学的モデリングシミュレーションに組み込むことで、このようなシステムの粒状流動混合と分離をより良く特性評価できます。分離の定量化は、分離原因因子と粒子運動方程式の相互関係を完全に包含する重要なタスクです。しかし、粒状混合品質を測定する多くの指標が提案されており、これらは分離の定量的尺度として使用でき、一般に統計用語や無次元数で表現されます。一般的な混合・分離メトリクスは相対標準偏差（RSD）で、単一成分系のみを対象とします。このRSD分離メトリクスは、システム全体のマクロ混合状態を提供する反映的産業応用メトリクスです。

混合・分離測定メトリクスは多くの指標の骨子です。ラムプサンプルと特定分散の測定を用いて混合/分離指数を定義することが重要です。定量化はかなり情報的ですが、測定領域での平均化により粒子間分布変動が未発見のまま残るという主要な欠点があります。さらに、粒状材料の混合と分離について発展してきた古典的・基礎的概念では、粒状分離プロセスが表面現象として定義・結論付けられています。

多くの研究が、異なる形状の取り扱い装置、操作モード、材料特性が材料の混合・分離挙動と相関することを示しています。依然として残る主要課題は、混合ダイナミクスを記述するだけでなく、より複雑な分離現象に本質的に取り組む統一的特性評価手法を持つことです。新しいアプローチは、装入システム内の原料における粒子間関係の進化を特性評価し、時空間における混合・分離の程度を知ることです。この方法の支点は、粒子とその最近傍粒子との関係のいくつかの側面が、進化する粒子ダイナミクスプロセスへの有用な洞察を導くために使用できるという考えに基づいています。

粒状流動メカニスティック分離モデル

分離キネティクスは広く一般に数理統計学と確率の枠組みで構築されてきました。このアプローチの明らかな限界は、プロセスの物理的性質の絶対的反映を排除し、分離が進行する方向を規定できないことです。知識が経験的であるため、一般化の可能性が制限されます。実際の粒状流動システムで発生する優占的なデミキシング傾向を取り巻く全物理を組み込んだメカニスティックモデルを開発する最初の画期的研究では、粒状材料混合物の運動論が浸透メカニズムに基づく分離傾向の研究に適用されました。統計的・次元解析の組み合わせを用いて、開発された定式化は、せん断速度が十分高く全応力への主要寄与が粒子-粒子および粒子-境界衝突による場合、無視できる持続的摩擦接触に対して成立します。この研究では、高固体体積分率のシュート流動では、大きな空隙に比べて小さな空隙形成の確率が高いことが観察されました。この仮定の結果、小粒子が篩分されベッド底部に集積し、シュート表面に垂直な方向に小粒子の正味分離フラックスが生じます。

上記メカニスティックモデルが分離記述において意図した物理的理解を与える一方で、このような粒状流動の分散係数などの主要ファンダメンタルの評価は小さくなく、上記モデルでは確立できません。この方向で、密な気体系の運動論に基づく統計的・力学的相互作用の混合が提案され、粒状流動分離の原因について一般的理解を与えます。

衝突後のエネルギー損失により粒状流動が減衰するとクラスタリングが発生します。速度と移動の変化が非均一であるためクラスタが形成されます。したがって、衝突性急速流動の運動論に基づく構成方程式が提案されています。粒状分離分析への運動論式の利用は、非弾性・異サイズ粒子・低体積分率の場合にのみ使用可能です。これは典型的な粒状流動システムが高固体体積分率の接触支配流動であるという制約です。非弾性・異サイズ粒子・高固体体積分率に対する確立された構成方程式がある場合、この理論の適用がより有用です。

粒状流動は混合と分離の鏡像関係にあり、長時間の混合傾向が分離を促進します。濃度勾配が混合を生じる一方、圧力勾配と温度勾配の個々の寄与が、粒径分布と材料密度差を持つ粒子で特徴づけられる粒状流動システムにおいて分離を生み出します。

材料バルク取り扱いの理論的側面は、粒状流動、自由表面分離、メカニズム、粒状材料プロセスにおける理論的アプローチについて一般的だがコンパクトな背景を与えました。BFバーデン材料の貯蔵、取り扱い、輸送プロセスは分離に関連する運命に敏感です。例えば、BFシンター材料はBFコークスよりもビン内サイズ分離が多く、ビン外サイズ変動も大きいことが知られています。

BF装入システム

BF製鉄プロセスの装入システムは、指定された炉生産性と規定ストックラインレベルを維持するため、特定の順序、数量、速度で材料をBFに装入するように設計された装置とメカニズムのネットワークとして一般的に記述できます。装入システムは本質的に以下の3つのサブシステムで構成され、それぞれ(i) バッチング、(ii) 輸送、(iii) 炉への装入を担当します。バッチングはストックハウスで行われ、各材料（備蓄、シンター工場、コークス炉）からバルク固体原料を受け入れ、各材料を個別ビンに貯蔵し、通常のBF操業用に数時間分の原料を確保します。バッチングプロセスにはスクリーン、計量ホッパー、コンベアベルト、フィーダー、制御システムが含まれ、装入材料バッチを調製します。輸送は炉頂への材料配送手段を提供し、通常ベルトコンベアシステムまたはスキップホイスト装置で行われます。第3サブシステムは装入と制御装置のネットワークで構成されます。全体の装入システムは自動装入プログラムにより相互接続・制御されます。

特定条件下では、バッチング（ストックハウス）プロセスの装入材料供給能力により炉生産性が制限されることがあります。これは主に過渡的な装入材料フロー、装置設定、装入要求（バーデン比率）によるものです。装入組成の過渡的変化の典型的原因は、ストックハウスビンへの供給材料変化で、通常「ストックトランジション」と呼ばれます。これはリクレーム材料使用時、例えばフレッシュコークスとシンターを貯蔵コークスと貯蔵シンターで置換する時に通常発生します。このようなリクレーム材料はフレッシュ材料と比較して炉性能を変化させることが知られています。したがって、異なる材料を知り、装入システムを通じた正確な追跡を行い、バーデンとブラストパラメータを最適に制御して炉操業安定性を維持する必要性と有用性があります。

装入システムのもう一つの重要な特徴は装入材料の混合と分離です。例えば、同一ホッパー内での複数材料の精密計量には材料の逐次供給が必要です。しかし、計量ホッパー排出時に材料は本質的にある程度混ざり合い、供給ストリームの時間変化組成を生じます。炉に供給される材料のバーデン化学と物理特性の半径方向変動を推定するためには、この時間変化組成の精度を持つことが不可欠です。

バーデン材料が多段階取り扱いを経るため、異なるタイプの装入材料処理には高生産性と安定BF操業のためにより大きな制御が必要です。また、装入材料バッチングと輸送現象はBFオペレーターの重点領域でなければなりません。円滑なBF操業のため、オペレーターはバーデン材料を炉装入システムへの供給まで正確に追跡できる立場にあるべきです。

全体の装入システムは、離散イベントプロセスによって調整される自動装入プログラムにより相互接続・制御されます。以前、BFは一般的に現代の大容量BFと比較して小型でした。小型炉では、理論的コークス量が通常制御装入要因として決定され、スキップ装入炉では満タンスキップのコークスで最適装入容量に達していました。

現代のBF操業では、より大きなBF容量のバーデン材料要求への対応に加え、2つの追加操業要因があります：(i) 持続可能性、(ii) 環境に優しい操業。持続可能性は主に高炉生産性の実現により達成され、現在では技術活用の配列によって達成されています。この追加次元により、総スキップ重量が通常制御装入要因となり、現代炉では鉄系バーデン成分の満タンスキップで運転可能です。現代の大型BFサイズを考慮すると、必要スキップ容量は極めて大きくなり、このような巨大な連続装入システムに対応するスキップ装入設備の設計・設置は課題となります。このような現代大型炉への対応は、十分なバーデン供給能力があってのみ達成可能です。その結果、現代炉はコンベアベルト装入システムを装備しています。現代BF装入設備は、ストックハウスとコンベアベルトによるバーデン材料輸送、BFベルレストップ（BLT）装入システムで構成されます。

BLT装入システム

装入材料はBLT装入システムに搬送され、最終的にBF頂部材料ホッパー（ビン）に装入され、これらは交互に使用されます。一方のホッパーが充填されている間、もう一方が排出されます。計量ホッパーと材料ホッパーの操作は本質的に同一であり、以下では搬送（コンベアベルト）、中間貯蔵（材料ビンと計量ホッパー）、最終排出（シュートまたは自由落下）時の粒子挙動について説明します。

コンベアベルト上の粒子挙動

様々なサイズ分画と密度を持つ粒状材料が分離を引き起こすことがわかります。移動コンベアベルト上の粒状材料輸送メカニズムの詳細現象は限定的です。しかし、システムを質量流量とコンベア速度で定義し粒子層発達を促進する条件下では、システムを十分に定義しない限り、搬送システム上の分離現象を説明することは困難です。図6に、移動コンベアベルト移送ポイントでの粒径分離の概略を示します。

図6 移動コンベアベルト移送ポイントでの粒子サイズ分離の概略

コンベアベルト材料移動分離において考慮すべき4つの主要メカニズムが確立されています：(i) 浸透、(ii) 粒子移動、(iii) 軌道、(iv) 自由表面分離。

材料ビンと計量ホッパーでの粒子挙動

粒状材料ビンと計量ホッパーは、材料の貯蔵と後続プロセスステップへの最終排出によく使用されます。両者は原則的に：(i) 何らかの定義された材料供給/充填メカニズム、(ii) 材料の何らかの保持時間、(iii) 下部に定義された排出領域を持ちます。全3ステップが排出時の全体的材料流動挙動に寄与します。望ましい操作はこれらの装置からの比例流出ですが、重力誘導流動であるため流出は容易に制御できず、固有の誘導せん断と動的効果が分離を引き起こします。

材料貯蔵ビンとホッパーでの主要な分離メカニズムは、自由表面（充填時）、浸透（保持時）、軌道（排出時）です。また、空荷・排出フェーズでの粒子サイズと境界幾何寸法の重要性もあります。

ホッパー内部角度が粒状流動にどう影響するか調査した研究では、デジタル粒子画像流速計（PIV）測定を用いて、非粘着性固体の自由流動に対する顕著な阻害が特定されています。経験則として、機械的アーチング（粒子インターロック）を避けるため、Do/dp(max)の比を5〜10の範囲で満たす必要があります。ここでDoは境界出口径、dp(max)は適切な最大粒子径です。この比は無次元特性スケール数で、主に安息角と材料の粒度分布の影響を受けます。

別の研究では、粒状材料取り扱い装置の全幅に少なくとも8要素が収まるようにすることで、材料流動レオロジーを正確に捉えることができることが示唆されています。これは、物理的または理論的実験における最大粒子分画の直径が、ホッパー、コンベアベルト、またはその他の粒状材料取り扱い装置出口幅の最大8分の1であることを意味します。

シュート流動での粒子挙動

粒状材料シュート流動はストックハウスとBLT装入システムの共通機能です。充填受入システム、材料ホッパー、回転シュート（ディストリビューター）で構成されるBLT装入システムでは、シュート流動がさらなる重要性を帯びています。しかし、BF頂部装入システムにおけるシュート流動の核心原則はストックハウスのものと同じです。

シュート流動は、以下の3ステップで特性評価できます：(i) シュート前のバーデン移動、(ii) シュート上、(iii) シュート後（図7概略）。これら3ステップは3つの異なる流動分類を構成するため、このシステムでの流動挙動研究には異なる考慮が必要です。シュート前のバーデン移動を考慮する場合、この領域での粒子衝突は流動の希薄性により無視できます。バーデン材料がシュート上にある場合、シュート方向の速度成分を材料流動の初速度として数学的記述が可能です。シュート先端では、材料の軌道が衝撃点を決定し、それが後続の取り扱い境界/装置での材料の最終散布と分布を決定します。コンベアベルトシステムで仮定された分離メカニズムがシュート流動にも適用可能であり、図7概略のような分離が可能です。コアフローが下層と表面フローに挟まれた3つの流動ストリームが識別されます。この段階では主力は重力と見なされます。

図7 シュート内粒状材料流動の概略

装入材料に関連する分離の知識は、BFプロセス強化の一側面である装入比率の理解に有用です。しかし、BFプロセス強化には最適化された装入システム容量が必要で、BF生産性はストックハウスの供給能力によって制限される可能性があります。製品チェーンにおける多段階操作ステージを対処・最適化する必要があります。

装入システム容量分析

BF装入システムの操作はBF設計と同等に重要です。図8の典型的な現代BF装入システム（コンベアベルト配送システム装備）の概略を見ると、材料フローシーケンスはかなり複雑です。

図8 装入コンベアを備えた現代高炉の典型的装入システム

高生産性の観点から、BF装入システム設計には操作柔軟性、余剰装入能力の可用性、高スクリーニング効率、充填・排出・移送操作回数の最小化（これらは分離問題を引き起こす）への注意が必要です。BF効率向上の重要なルートは装入システム能力の完全活用です。さらに、ストックハウスが適切に設計されておらず最適バーデン供給が達成されない場合、バーデン材料の不足によるBFスターベーションが生じ、結果としてBF生産性損失につながります。

図8のように、ストックハウスアセンブリには多数のユニット操作があり、全てがBLT装入システムへの全体性能と出力供給にカスケード効果を持ちます。バーデン移動のマクロ挙動と全体システム性能を理解するには、顕著なシステム要素とそれらの関係の効果的で包括的な表現を確立する必要があります。技術的には、様々な取り扱いステップ、材料要件、操作の継続時間とシーケンスの記述が含まれます。しかし、ストックハウスのような複雑システムでは、全ユニットプロセス情報を明確化するのは膨大な作業です。エンジニアリング判断、類似プロセスからの経験、合理的仮定のブレンドをモデル開発入力データとストックハウス設計に使用します。

BF装入システム最適化のモデリング

BF装入システムは多段階材料移動を伴います。材料移動時の多段階取り扱いに関連する主要課題は、要求の適時充足とプロセスの突然変化です。シミュレーションは材料取り扱いシステム最適化によく使用されます。このようなシステムは一般にコンピュータ支援プロセス設計シミュレーターを使用します。これらは一般に過渡的・連続的プロセスをモデル化するように設計されており、バッチ・セミ連続プロセスであるBF装入システム操業には最良でも使用できません。BF装入システムのようなバッチ・セミ連続プロセスのモデリングに利用可能な2つのオプションは、スプレッドシート（Microsoft Excel）と離散イベントシミュレーション（DES）です。

スプレッドシートモデルは、材料収支、装置サイジング、コスト分析に焦点を当てた一般的なプラットフォームです。通常、このようなモデル開発には、Microsoft Excelに組み込まれたVisual Basic for Applications（VBA）の形でマクロとサブルーチンとして広範なコードを記述します。構築が容易でシンプルなシステムに適用しやすいですが、堅牢性に欠け、大規模複雑システムでは扱いにくくなります。DESは、シミュレート時間の正確なポイントでの状態変化を描写する物理システムの数理/論理モデルです。状態変化の性質と変化が発生する時刻の両方が正確な記述を義務付けます。成功するDESの主な特徴は、システムと中断に関する正確な詳細の事前要件です。通常、DESはダウンタイムとイベントを統計的に考慮できます。また、モジュールを作成・再利用でき、複数グレードやプロセス入力変更を容易に処理できます。したがって、一般にDESベースのモデルがBF装入システムに使用されます。

サイクログラム分析は、BF装入システムで最適化によく使用されてきた控えめなDESモデリング技術です。この概念は、装入サイクルの全体開始-終了シーケンス（供給時間）の最小化関数に基づいています。供給時間は、メカニズムの活性化順序、それらのシーケンス継続時間、個々の操作間インターバル長によって決定されます。個々のメカニズムの操作サイクル間にポーズがなく、かつメカニズムが効率的なシーケンスで活性化される時に最小サイクル継続時間が発生することは容易に理解できます。

サイクログラム分析では、システム入力条件のリアルタイム変化を組み込むのは困難です。さらに、分析構造は材料の排出挙動と分離傾向などのマイクロシステム変数の詳細な組み込みを排除します。これらのサイクログラム分析の弱点により、数理/論理表現に基づくDES装入材料供給モデルがBFストックハウス最適化のより良い選択肢となります。