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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023050036
(43)【公開日】2023-04-10
(54)【発明の名称】高炉の操業方法及び高炉用鉱石原料の配合設計方法
(51)【国際特許分類】
C21B 5/00 20060101AFI20230403BHJP
【ＦＩ】
C21B5/00 324
C21B5/00 301
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021160187
(22)【出願日】2021-09-29
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087398
【弁理士】
【氏名又は名称】水野 勝文
(74)【代理人】
【識別番号】100128783
【弁理士】
【氏名又は名称】井出 真
(72)【発明者】
【氏名】安田 尚人
(72)【発明者】
【氏名】中野 薫
【テーマコード（参考）】
4K012
【Ｆターム（参考）】
4K012BA01
(57)【要約】
【課題】 鉱石原料の配合を変更するとき、熱保存帯温度を調整することにより、配合変更後における鉱石層の高温性状（還元率）を配合変更前における鉱石層の高温性状（還元率）と同等以上にする。
【解決手段】 高炉の操業方法では、複数種類の単味原料からなる高炉用の鉱石原料の配合を変更するとき、所定条件を満たす熱保存帯温度の調整量に基づいて、熱保存帯温度を調整する調整手段を実施する。所定条件は、熱保存帯温度の低下に応じて単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉが上昇する相関関係によって規定される条件であって、鉱石原料の配合変更後の還元率Ｒｓが鉱石原料の配合変更前の還元率Ｒｓ以上となる条件である。還元率Ｒｓは、鉱石原料によって形成された鉱石層の融着開始時の還元率である。
【選択図】 図１
【解決手段】 高炉の操業方法では、複数種類の単味原料からなる高炉用の鉱石原料の配合を変更するとき、所定条件を満たす熱保存帯温度の調整量に基づいて、熱保存帯温度を調整する調整手段を実施する。所定条件は、熱保存帯温度の低下に応じて単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉが上昇する相関関係によって規定される条件であって、鉱石原料の配合変更後の還元率Ｒｓが鉱石原料の配合変更前の還元率Ｒｓ以上となる条件である。還元率Ｒｓは、鉱石原料によって形成された鉱石層の融着開始時の還元率である。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数種類の単味原料からなる高炉用の鉱石原料の配合を変更するとき、所定条件を満たす熱保存帯温度の調整量に基づいて、熱保存帯温度を調整する調整手段を実施し、
前記所定条件は、熱保存帯温度の低下に応じて単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉが上昇する相関関係によって規定される条件であって、前記鉱石原料によって形成された鉱石層の融着開始時の還元率Ｒｓについて、前記鉱石原料の配合変更後の前記還元率Ｒｓが前記鉱石原料の配合変更前の前記還元率Ｒｓ以上となる条件であることを特徴とする高炉の操業方法。
前記所定条件は、熱保存帯温度の低下に応じて単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉが上昇する相関関係によって規定される条件であって、前記鉱石原料によって形成された鉱石層の融着開始時の還元率Ｒｓについて、前記鉱石原料の配合変更後の前記還元率Ｒｓが前記鉱石原料の配合変更前の前記還元率Ｒｓ以上となる条件であることを特徴とする高炉の操業方法。
【請求項2】
前記還元率Ｒｓは、各単味原料の前記還元率Ｒｓｉを各単味原料の配合比率ｘｉで重み付けした加重平均値であることを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
【請求項3】
前記熱保存帯温度及び前記還元率Ｒｓｉの前記相関関係が一次関数で表され、前記調整量は、下記式（Ｉ）で表されることを特徴とする請求項２に記載の高炉の操業方法。
上記式（Ｉ）において、ΔＴｔｒｚは前記調整量［℃］、添字ｉは配合比率が変更される単味原料の種類、ｘｉは配合変更前の各単味原料の配合比率［－］（０≦ｘｉ≦１）、Δｘｉは配合変更に伴う各単味原料の配合比率の変化量［－］、Ｔｔｒｚは配合変更前の熱保存帯温度［℃］、ａｉ及びｂｉは、単味原料毎に定められる、前記相関関係を規定する係数［－］である。
【数1】
【請求項4】
前記鉱石原料の配合変更において、配合比率を減少させる単味原料が焼結鉱であり、配合比率を増加させる単味原料がペレットであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の高炉の操業方法。
【請求項5】
前記鉱石原料の配合変更において、配合比率を減少させる単味原料が塩基性ペレットであり、配合比率を増加させる単味原料が酸性ペレットであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の高炉の操業方法。
【請求項6】
前記調整手段は、水素含有ガスの吹込み量を調整する手段、高反応性コークス又は含炭塊成鉱の使用量を調整する手段のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の高炉の操業方法。
【請求項7】
複数種類の単味原料からなる高炉用の鉱石原料の配合を変更することにより、前記鉱石原料の配合を設計する方法であって、
熱保存帯温度が所定の調整量で調整されるとき、所定条件を満たすように、配合比率を変更する単味原料と配合比率の変化量を決定し、
前記所定条件は、熱保存帯温度の低下に応じて単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉが上昇する相関関係によって規定される条件であって、前記鉱石原料によって形成された鉱石層の融着開始時の還元率Ｒｓについて、前記鉱石原料の配合変更後の前記還元率Ｒｓが前記鉱石原料の配合変更前の前記還元率Ｒｓ以上となる条件であることを特徴とする高炉用鉱石原料の配合設計方法。
熱保存帯温度が所定の調整量で調整されるとき、所定条件を満たすように、配合比率を変更する単味原料と配合比率の変化量を決定し、
前記所定条件は、熱保存帯温度の低下に応じて単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉが上昇する相関関係によって規定される条件であって、前記鉱石原料によって形成された鉱石層の融着開始時の還元率Ｒｓについて、前記鉱石原料の配合変更後の前記還元率Ｒｓが前記鉱石原料の配合変更前の前記還元率Ｒｓ以上となる条件であることを特徴とする高炉用鉱石原料の配合設計方法。
【請求項8】
前記還元率Ｒｓは、各単味原料の前記還元率Ｒｓｉを各単味原料の配合比率ｘｉで重み付けした加重平均値であることを特徴とする請求項７に記載の高炉用鉱石原料の配合設計方法。
【請求項9】
前記熱保存帯温度及び前記還元率Ｒｓｉの前記相関関係が一次関数で表され、前記調整量は、下記式（ＩＩ）で表されることを特徴とする請求項７又は８に記載の高炉用鉱石原料の配合設計方法。
上記式（ＩＩ）において、ΔＴｔｒｚは前記調整量［℃］、添字ｉは配合比率が変更される単味原料の種類、ｘｉは配合変更前の各単味原料の配合比率［－］（０≦ｘｉ≦１）、Δｘｉは配合変更に伴う各単味原料の配合比率の変化量［－］、Ｔｔｒｚは配合変更前の熱保存帯温度［℃］、ａｉ及びｂｉは、単味原料毎に定められる、前記相関関係を規定する係数［－］である。
【数2】
【請求項10】
前記鉱石原料の配合変更において、単味原料である焼結鉱の配合比率を減少させるとともに、単味原料であるペレットの配合比率を増加させることを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の高炉用鉱石原料の配合設計方法。
【請求項11】
前記鉱石原料の配合変更において、単味原料である塩基性ペレットの配合比率を減少させるとともに、単味原料である酸性ペレットの配合比率を増加させることを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の高炉用鉱石原料の配合設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鉱石原料の配合を変更するとき、鉱石層の高温性状を少なくとも維持できる高炉の操業方法と、高炉用鉱石原料の配合設計方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高炉内の融着帯の形状は、高炉内の通気性に大きな影響を与え、鉱石層の高温性状は、融着帯の形状を決める重要な要因になる。鉱石層の高温性状としては、鉱石層の融着開始時の還元率Ｒｓが挙げられる。鉱石層を形成する鉱石原料は、複数種類の単味原料を配合したものであるが、鉱石原料の配合を変更したときには、配合変更後における鉱石層の還元率Ｒｓが配合変更前における鉱石層の還元率Ｒｓよりも低くなってしまうおそれがある。還元率Ｒｓが低下すると、高炉内の通気性が悪化したり、還元材比（ＲＡＲ）が上昇したりしてしまう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】鉄と鋼， Ｖｏｌ．８３（１９９７）ｐ．９７－１０２
【非特許文献2】鉄と鋼， Ｖｏｌ．８０（１９９４）ｐ．４３１－４３９
【非特許文献3】鉄と鋼， Ｖｏｌ．７５（１９８９）ｐ．５９４－６０１
【非特許文献4】鉄と鋼， Ｖｏｌ．６６（１９８０）ｐ．１９０８－１９１７
【非特許文献5】鉄と鋼， Ｖｏｌ．１００（２０１４）ｐ．２７０－２７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明者らは、高炉の熱保存帯温度に着目したところ、鉱石原料の配合を変更しても、熱保存帯温度を調整することにより、配合変更後における鉱石層の高温性状（還元率）を配合変更前における鉱石層の高温性状（還元率）と同等以上にできることが分かり、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明である高炉の操業方法では、複数種類の単味原料からなる高炉用の鉱石原料の配合を変更するとき、所定条件を満たす熱保存帯温度の調整量に基づいて、熱保存帯温度を調整する調整手段を実施する。所定条件は、熱保存帯温度の低下に応じて単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉが上昇する相関関係によって規定される条件であって、鉱石原料の配合変更後の還元率Ｒｓが鉱石原料の配合変更前の還元率Ｒｓ以上となる条件である。還元率Ｒｓは、鉱石原料によって形成された鉱石層の融着開始時の還元率である。
【0006】
本発明は、複数種類の単味原料からなる高炉用の鉱石原料の配合を変更することにより、鉱石原料の配合を設計する方法であって、熱保存帯温度が所定の調整量で調整されるとき、所定条件を満たすように、配合比率を変更する単味原料と配合比率の変化量を決定する。所定条件は、熱保存帯温度の低下に応じて単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉが上昇する相関関係によって規定される条件であって、鉱石原料の配合変更後の還元率Ｒｓが鉱石原料の配合変更前の還元率Ｒｓ以上となる条件である。還元率Ｒｓは、鉱石原料によって形成された鉱石層の融着開始時の還元率である。
【0007】
還元率Ｒｓとしては、各単味原料の還元率Ｒｓｉを各単味原料の配合比率ｘｉで重み付けした加重平均値とすることができる。
【0008】
熱保存帯温度及び還元率Ｒｓｉの相関関係は、一次関数で表すことができ、調整量は、下記式（Ｉ）で表すことができる。
【0009】
【数1】
【0010】
上記式（Ｉ）において、ΔＴｔｒｚは調整量［℃］、添字ｉは配合比率が変更される単味原料の種類、ｘｉは配合変更前の各単味原料の配合比率［－］（０≦ｘｉ≦１）、Δｘｉは配合変更に伴う各単味原料の配合比率の変化量［－］、Ｔｔｒｚは配合変更前の熱保存帯温度［℃］、ａｉ及びｂｉは、単味原料毎に定められる、前記相関関係を規定する係数［－］である。
【0011】
鉱石原料の配合変更において、配合比率を減少させる単味原料として焼結鉱を用い、配合比率を増加させる単味原料としてペレットを用いることができる。一方、配合比率を減少させる単味原料として塩基性ペレットを用い、配合比率を増加させる単味原料として酸性ペレットを用いることもできる。調整手段としては、水素含有ガスの吹込み量を調整する手段、高反応性コークス又は含炭塊成鉱の使用量を調整する手段のうちの少なくとも１つがある。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、鉱石原料の配合を変更するとき、熱保存帯温度を調整することにより、配合変更後における鉱石原料の還元率Ｒｓを配合変更前における鉱石原料の還元率Ｒｓ以上とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】熱保存帯温度の調整に関する高炉の操業方法を説明するフローチャートである。
【図2】鉱石原料の配合設計方法を説明するフローチャートである。
【図3】単味原料の還元率Ｒｓｉを推定する方法を示すフローチャートである。
【図4】単味原料のＸ線ＣＴ画像の解析方法を説明する図である。
【図5】２つの熱保存帯温度における昇温パターンを示すグラフである。
【図6】単味原料層（焼結鉱、塩基性ペレット及び酸性ペレット）の収縮率の挙動を示すグラフである。
【図7】単味原料層（焼結鉱、塩基性ペレット及び酸性ペレット）の圧力損失の挙動を示すグラフである。
【図8】単味原料層（焼結鉱、塩基性ペレット及び酸性ペレット）の収縮速度の挙動を示すグラフである。
【図9】２つの熱保存帯温度（９００，１０００℃）における各単味原料の還元率Ｒｓｉを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本実施形態において、鉱石原料は、複数種類の単味原料を所望の配合比率で配合したものであり、高炉の操業において鉄源として用いられる。高炉の操業では、高炉の炉頂部から鉱石原料及びコークスが交互に装入される。単味原料としては、例えば、焼結鉱、ペレット、塊鉱石が挙げられ、ペレットは、塩基性ペレットＦＰ及び酸性ペレットＡＰに分類できる。塩基性ペレットＦＰは、塩基性物質（副原料）を含むペレットであり、酸性ペレットＡＰは、塩基性物質（副原料）を含まないペレットである。ペレット中のＣａＯ（質量％）とＳｉＯ２（質量％）の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２）は、例えば塩基性ペレットＦＰでは０．５超、酸性ペレットＡＰでは０．５以下である。
【0015】
本実施形態では、高炉に装入される鉱石原料の配合を変更するとき、熱保存帯温度を所定の調整量だけ調整（変更）することにより、配合変更後における鉱石層の還元率Ｒｓを、配合変更前における鉱石層の還元率Ｒｓ以上とすることができる。配合変更後の鉱石層の還元率Ｒｓを配合変更前の鉱石層の還元率Ｒｓ以上とすることにより、高炉内の通気性を維持あるいは改善したり、還元材比（ＲＡＲ）を維持あるいは低減できる。
【0016】
鉱石層は、鉱石原料を高炉に装入したときに形成される層である。配合比率は、鉱石原料の質量に占める各単味原料の質量の割合（０～１）である。還元率Ｒｓは、鉱石層の高温性状を評価する指標であり、還元率Ｒｓの詳細については後述する。
【0017】
熱保存帯とは、炉下部から供給されるのガス温度と、炉上部から降下してくる原燃料の温度との差が小さく熱交換速度が著しく低下することによって、高炉内で温度がほぼ一定となる領域であり、熱保存帯温度は９００℃～１１００℃の範囲内である。このため、上述した熱保存帯温度の調整は、９００℃～１１００℃の範囲内で行う。熱保存帯温度の調整量は、配合変更後の鉱石層の還元率Ｒｓが配合変更前の鉱石層の還元率Ｒｓ以上となる条件に基づいて決められる。調整量の求め方や、熱保存帯温度を調整する手段については、後述する。
【0018】
なお、熱保存帯温度は高炉内の炉高方向において必ずしも一定値ではないが、本明細書においては、熱保存帯（領域）の温度範囲の平均値を熱保存帯温度と呼ぶ場合がある。例えば、以下で説明する図５に示す二つの昇温条件では、熱保存帯の温度範囲が９５０～１０５０℃である場合を熱保存帯温度Ｔｔｒｚが１０００℃であるとし、熱保存帯の温度範囲が８５０～９５０℃である場合を熱保存帯温度Ｔｔｒｚが９００℃であるとすることができる。
【0019】
鉱石原料の配合を変更することとは、配合変更前の鉱石原料に含まれる少なくとも１種類（任意）の単味原料の配合比率を減少させるとともに、他の種類（１種類又は複数種類）の単味原料の配合比率を増加させることである。他の種類の単味原料は、配合変更前の鉱石原料に含まれる単味原料であってもよいし、配合変更前の鉱石原料に含まれていない単味原料であってもよい。
【0020】
例えば、配合変更後の鉱石原料に、焼結鉱及びペレットが単味原料として含まれている場合、焼結鉱の配合比率を減少させるとともに、ペレットの配合比率を増加させることができる。ここで、ペレットは、配合変更前の鉱石原料に含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい。一方、配合変更後の鉱石原料に、塩基性ペレットＦＰ及び酸性ペレットＡＰが単味原料として含まれている場合、塩基性ペレットＦＰの配合比率を減少させるとともに、酸性ペレットＡＰの配合比率を増加させることができる。ここで、酸性ペレットＡＰは、配合変更前の鉱石原料に含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい。
【0021】
ここで、配合比率を減少させる減少量と、配合比率を増加させる増加量とは、絶対値として同じである。複数種類の単味原料の配合比率を減少させる場合、上述した減少量は、各単味原料の配合比率の減少量を合計した量である。複数種類の単味原料の配合比率を増加させる場合、上述した増加量は、各単味原料の配合比率の増加量を合計した量である。
【0022】
なお、鉱石原料には、配合比率を変更しない単味原料が含まれていてもよい。
【0023】
（熱保存帯温度の調整量）
熱保存帯温度を調整するとき、この調整量が下記式（１）の条件を満たせば、配合変更後の鉱石層の還元率Ｒｓが配合変更前の鉱石層の還元率Ｒｓ以上になる。
熱保存帯温度を調整するとき、この調整量が下記式（１）の条件を満たせば、配合変更後の鉱石層の還元率Ｒｓが配合変更前の鉱石層の還元率Ｒｓ以上になる。
【0024】
【数2】
【0025】
上記式（１）において、ΔＴｔｒｚは熱保存帯温度の調整量［℃］、添字ｉは、配合比率が変更（増加又は減少）される単味原料の種類、ｘｉは配合変更前の各単味原料の配合比率［－］（０≦ｘｉ≦１）、Δｘｉは各単味原料の配合比率の変化量（増加量や減少量）［－］、Ｔｔｒｚは配合変更前の熱保存帯温度［℃］、ａｉ及びｂｉは単味原料毎に定められた係数［－］である。
【0026】
上記式（１）によれば、配合変更前の熱保存帯温度Ｔｔｒｚを特定（推定）するとともに、配合比率が変更（増加又は減少）される単味原料及びその変化量Δｘｉを特定することにより、上記式（１）の右辺の値を求めることができる。ここで、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを推定する方法としては、公知の方法（例えば、特開２０１８－４８３７６号公報）を適宜採用することができる。
【0027】
また、上記式（１）によれば、調整量ΔＴｔｒｚの最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎが規定されるため、配合変更前の熱保存帯温度Ｔｔｒｚに対して、少なくとも最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整（低下）すれば、配合変更後の鉱石層の還元率Ｒｓが配合変更前の鉱石層の還元率Ｒｓ以上になる。
【0028】
以下、上記式（１）の意味について説明する。
【0029】
本実施形態において、熱保存帯温度Ｔｔｒｚが９００～１１００℃の温度域にあるとき、各単味原料の融着開始時の還元率Ｒｓｉ及び熱保存帯温度Ｔｔｒｚの間には負の相関関係が認められ、下記式（２）に示すように一次関数（線形近似）として表すことができる。
【0030】
【数3】
【0031】
上記式（２）において、添字ｉは単味原料の種類を示し、Ｒｓｉは単味原料の融着開始時の還元率［％］、Ｔｔｒｚは熱保存帯温度［℃］、ａｉは単味原料毎に定められる係数［％／℃］、ｂｉは単味原料毎に定められる係数［％］である。係数ａｉ，ｂｉは、還元率Ｒｓｉ及び熱保存帯温度Ｔｔｒｚの相関関係を規定する係数である。各単味原料について、還元率Ｒｓｉ及び熱保存帯温度Ｔｔｒｚの関係を予め求めておけば、係数ａｉ，ｂｉを決めることができる。上記式（２）によれば、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの低下に応じて還元率Ｒｓｉが上昇する。すなわち、係数ａｉは負の値である。
【0032】
還元率Ｒｓｉは、単味原料の層の圧力損失が所定値に到達したときの単味原料の還元率［％］である。この所定値としては、例えば、５０［ｋＰａ／ｍ］とすることができる。各単味原料の還元率Ｒｓｉは、後述するように測定又は推定することができる。
【0033】
本実施形態において、鉱石層の還元率Ｒｓは、下記式（３）に示すように、鉱石原料に含まれる各単味原料の還元率Ｒｓｉを各単味原料の配合比率ｘｉ（０≦ｘｉ≦１）で重み付けした値（加重平均値）とする。
【0034】
【数4】
【0035】
上記式（２），（３）によれば、鉱石層の還元率Ｒｓは、下記式（４）で表される。下記式（４）に示すように、還元率Ｒｓは、配合比率ｘｉ、熱保存帯温度Ｔｔｒｚ及び各単味原料の係数ａｉ，ｂｉに依存する。
【0036】
【数5】
【0037】
上記式（４）より、配合比率ｘｉの変化量に対する還元率Ｒｓの変化量の比率は、下記式（５）で表される。
【0038】
【数6】
【0039】
また、上記式（４）より、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量に対する還元率Ｒｓの変化量の比率は、下記式（６）で表される。
【0040】
【数7】
【0041】
単味原料の配合比率ｘｉを変更するとき、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉに伴う還元率Ｒｓの変化量をｄＲｓとする。上記式（４）で説明したように、還元率Ｒｓは、配合比率ｘｉ及び熱保存帯温度Ｔｔｒｚに依存するため、変化量ｄＲｓは、下記式（７）に示すように、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉ及び熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量ΔＴｔｒｚの関数として表すことができる。
【0042】
【数8】
【0043】
上記式（７）において、還元率Ｒｓの変化量ｄＲｓは、配合変更後の還元率Ｒｓから配合変更前の還元率Ｒｓを減算した量であり、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量ΔＴｔｒｚは、配合変更後の熱保存帯温度Ｔｔｒｚから配合変更前の熱保存帯温度Ｔｔｒｚを減算した量である。上記式（７）に示す変化量ｄＲｓが０以上の値になれば、単味原料の配合比率ｘｉを変更したとき、配合変更後の還元率Ｒｓが配合変更前の還元率Ｒｓ以上になる。
【0044】
上記式（７）の右辺に上記式（５），（６）を代入し、変化量ｄＲｓ（言い換えれば、上記式（７）の右辺）が０以上である条件を考慮すると、下記式（８）に示す条件が導かれる。下記式（８）を変形すると、上記式（１）となる。
【0045】
【数9】
【0046】
（熱保存帯温度の調整手段）
熱保存帯温度Ｔｔｒｚは、吸熱反応を利用することによって低下させることができ、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させる手段としては、公知の手段を適宜採用することができる。例えば、高炉に吹き込まれる水素含有ガス（天然ガス等）の吹込み量を調整したり、高反応性コークスや含炭塊成鉱の使用量を調整したりすることにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることができる。熱保存帯温度を低下させるためには、水素含有ガスの吹込み量を調整する手段及び高反応性コークスや含炭塊成鉱の使用量を調整する手段のうちの少なくとも１つの手段を実施すればよい。
熱保存帯温度Ｔｔｒｚは、吸熱反応を利用することによって低下させることができ、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させる手段としては、公知の手段を適宜採用することができる。例えば、高炉に吹き込まれる水素含有ガス（天然ガス等）の吹込み量を調整したり、高反応性コークスや含炭塊成鉱の使用量を調整したりすることにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることができる。熱保存帯温度を低下させるためには、水素含有ガスの吹込み量を調整する手段及び高反応性コークスや含炭塊成鉱の使用量を調整する手段のうちの少なくとも１つの手段を実施すればよい。
【0047】
水素含有ガスの吹込み量を増やせば、水素による酸化鉄の還元反応（吸熱反応）を促進させることにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることができる。水素含有ガスの吹込み量を調整する場合には、単位吹込み量当たりの熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量ΔＴｔｒｚ＿Ｈ２［℃／（ｋｇ／ｔ－ｐiｇ）］を予め把握しておけば、上述した最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整するための吹込み量（増加量）［ｋｇ／ｔ－ｐiｇ］を求めることができる。すなわち、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎを変化量ΔＴｔｒｚ＿Ｈ２で除算した値が、水素含有ガスの吹込み量（増加量）［ｋｇ／ｔ－ｐiｇ］になる。なお、ここでは、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの調整量ΔＴｔｒｚを最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎとしたが、上述したように最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎよりも大きな調整量ΔＴｔｒｚであってもよい。
【0048】
高反応性コークスの使用量を増やせば、炭素のガス化反応（吸熱反応）を促進させることにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることができる。高反応性コークスを使用する場合には、高反応性コークスの単位使用量当たりの熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量ΔＴｔｒｚ＿Ｃ［℃／（ｋｇ／ｔ－ｐiｇ）］を予め把握しておけば、上述した最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させるための高反応性コークスの使用量（増加量）［ｋｇ／ｔ－ｐiｇ］を求めることができる。すなわち、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎを変化量ΔＴｔｒｚ＿Ｃで除算した値が、高反応性コークスの使用量（増加量）［ｋｇ／ｔ－ｐiｇ］になる。なお、ここでは、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの調整量ΔＴｔｒｚを最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎとしたが、上述したように最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎよりも大きな調整量ΔＴｔｒｚであってもよい。
【0049】
含炭塊成鉱の使用量を増やせば、炭素のガス化反応（吸熱反応）を促進させることにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることができる。含炭塊成鉱を使用する場合には、含炭塊成鉱の単位使用量当たりの熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量ΔＴｔｒｚ＿RＣＡ［℃／（ｋｇ／ｔ－ｐiｇ）］を予め把握しておけば、上述した最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させるための含炭塊成鉱の使用量（増加量）［ｋｇ／ｔ－ｐiｇ］を求めることができる。すなわち、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎを変化量ΔＴｔｒｚ＿RＣＡで除算した値が、含炭塊成鉱の使用量（増加量）［ｋｇ／ｔ－ｐiｇ］になる。なお、ここでは、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの調整量ΔＴｔｒｚを最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎとしたが、上述したように最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎよりも大きな調整量ΔＴｔｒｚであってもよい。
【0050】
上述したように、本実施形態である高炉の操業方法では、図１に示す処理が行われる。ステップＳ１０１では、配合比率ｘｉが変更（増加又は減少）される単味原料と、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを決定する。ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で決定された条件と上記式（１）に基づいて、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎを求める。ステップＳ１０３では、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの調整量ΔＴｔｒｚを決定する。上述したように、調整量ΔＴｔｒｚは、ステップＳ１０２で求めた最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎであってもよいし、この最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎよりも多くてもよい。ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で決定された調整量ΔＴｔｒｚに基づいて、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整するための手段を実施する。
【0051】
（鉱石原料の配合設計方法）
上述した説明では、鉱石原料の配合比率ｘｉを変更することを前提として、上記式（１）から最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎを求め、少なくとも最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整している。一方、調整量ΔＴｔｒｚだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整することを前提とし、上記式（１）に示す条件を満たすように、鉱石原料の配合を設計すれば、配合変更後の還元率Ｒｓを配合変更前の還元率Ｒｓ以上にすることができる。このとき、上記式（１）は下記式（１’）のようにも変形できる。
上述した説明では、鉱石原料の配合比率ｘｉを変更することを前提として、上記式（１）から最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎを求め、少なくとも最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整している。一方、調整量ΔＴｔｒｚだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整することを前提とし、上記式（１）に示す条件を満たすように、鉱石原料の配合を設計すれば、配合変更後の還元率Ｒｓを配合変更前の還元率Ｒｓ以上にすることができる。このとき、上記式（１）は下記式（１’）のようにも変形できる。
【0052】
【数9】
【0053】
調整量ΔＴｔｒｚを予め決めれば、上記式（１’）に基づいて、配合比率ｘｉを変更（増加又は減少）する単味原料を特定して、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを決定することができる。ここで、配合比率ｘｉを変更する単味原料を特定すれば、上記式（１’）に示す係数ａｉ，ｂｉが決定される。なお、上記式（１’）に示す熱保存帯温度（配合変更前）Ｔｔｒｚは、予め推定しておくことができる。
【0054】
配合比率ｘｉを減少させる単味原料について、変更後の配合比率ｘｉは、変更前の配合比率ｘｉから変化量Δｘｉを減算した値となる。また、配合比率ｘｉを増加させる単味原料について、変更後の配合比率ｘｉは、変更前の配合比率ｘｉに変化量Δｘｉを加算した値となる。上述したように、配合比率ｘｉを減少させる単味原料は、１種類に限らず、２種類以上であってもよい。また、配合比率ｘｉを増加させる単味原料は、１種類に限らず、２種類以上であってもよい。
【0055】
配合比率ｘｉを変更（増加又は減少）する単味原料を特定して、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを求めれば、鉱石原料の配合を設計することができる。配合変更後の鉱石原料を高炉に装入するときには、調整量ΔＴｔｒｚだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚが調整されるように、上述した熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整する手段を実施すればよい。
【0056】
以上の通り、熱保存帯温度Ｔｔｒｚが所定の調整量ΔＴｔｒｚで調整されるとき、例えば、何らかの要因により熱保存帯温度Ｔｔｒｚが上昇してしまったか、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを上昇させる操業アクションが必要となったとき、本実施形態である鉱石原料の配合設計方法によれば、配合変更後の還元率Ｒｓを配合変更前の還元率Ｒｓ以上にすることができる。例えば、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの上昇に対応して、ペレットの配合比率ｘｉを減少させるとともに、焼結鉱の配合比率ｘｉを増加させることができる。また例えば、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの上昇に対応して、酸性ペレットＡＰの配合比率ｘｉを減少させるとともに、塩基性ペレットＦＰの配合比率ｘｉを増加させることができる。
【0057】
上述したように、本実施形態である鉱石原料の配合設計方法では、図２に示す処理が行われる。ステップＳ２０１では、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの調整量ΔＴｔｒｚを決定する。ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１で決定した調整量ΔＴｔｒｚと上記式（１’）に基づいて、配合比率ｘｉを変更する単味原料と配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを決定する。ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２での決定事項に基づいて、鉱石原料を配合する。このように配合された鉱石原料を用いて高炉の操業を行うときには、ステップＳ２０１で決定された調整量ΔＴｔｒｚだけ熱保存帯温度が調整されるように、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整するための手段を実施することができる。
【0058】
（単味原料の還元率Ｒｓｉの測定）
上記式（２）に示す各単味原料の還元率Ｒｓｉは、例えば、荷重軟化試験（非特許文献１参照）によって測定することができる。荷重軟化試験では、まず、坩堝に単味原料及びコークスを装入し、単味原料の層の上下にコークスの層を形成する。そして、電気炉などを用いて坩堝内の単味原料を加熱するとともに、所定の組成及び流量に調整された還元ガスを予熱した後に坩堝に供給する。単味原料が昇温及び還元される過程において、荷重付与装置を用いて単味原料に所定の荷重を与えることにより、実炉での荷重条件を模擬する。坩堝から排出された排出ガスの成分を分析し、また圧力損失を測定すれば、この分析結果から単味原料の還元率Ｒｓｉを算出できる。
上記式（２）に示す各単味原料の還元率Ｒｓｉは、例えば、荷重軟化試験（非特許文献１参照）によって測定することができる。荷重軟化試験では、まず、坩堝に単味原料及びコークスを装入し、単味原料の層の上下にコークスの層を形成する。そして、電気炉などを用いて坩堝内の単味原料を加熱するとともに、所定の組成及び流量に調整された還元ガスを予熱した後に坩堝に供給する。単味原料が昇温及び還元される過程において、荷重付与装置を用いて単味原料に所定の荷重を与えることにより、実炉での荷重条件を模擬する。坩堝から排出された排出ガスの成分を分析し、また圧力損失を測定すれば、この分析結果から単味原料の還元率Ｒｓｉを算出できる。
【0059】
（単味原料の還元率Ｒｓｉの推定）
上記式（２）に示す還元率Ｒｓｉを推定するためには、単味原料の還元挙動、単味原料層の収縮挙動、単味原料層の収縮に伴う圧力損失の上昇を予測する必要がある。ここでは、単味原料層一層に着目し、単味原料層が高炉内を降下する過程の温度の経時変化、還元ガスの圧力、組成及び流量の経時変化、単味原料層にかかる荷重（鉛直応力）の経時変化を入力条件とし、単味原料の還元率、単味原料層の収縮率及び単味原料層で生じる圧力損失を算出する。
上記式（２）に示す還元率Ｒｓｉを推定するためには、単味原料の還元挙動、単味原料層の収縮挙動、単味原料層の収縮に伴う圧力損失の上昇を予測する必要がある。ここでは、単味原料層一層に着目し、単味原料層が高炉内を降下する過程の温度の経時変化、還元ガスの圧力、組成及び流量の経時変化、単味原料層にかかる荷重（鉛直応力）の経時変化を入力条件とし、単味原料の還元率、単味原料層の収縮率及び単味原料層で生じる圧力損失を算出する。
【0060】
具体的な計算手法としては、図３に示す通り、初期条件を設定し（Ｓ３０１）、所定時間Δｔ（例えば５秒）が経過（Ｓ３０２）した後の条件（Ｓ３０３）に基づいて、単味原料層の還元率、収縮率及び圧力損失を計算する（Ｓ３０４～Ｓ３０６）。ここで、単味原料層の圧力損失が所定値に到達するまで（Ｓ３０７のＹｅｓ）、上述した処理（Ｓ３０２～Ｓ３０６）を繰り返す。単味原料層は時間の経過とともに炉内を降下するため、所定時間Δｔが経過する毎に、ステップＳ３０３の処理では、単味原料層が炉内で降下した高さに応じた条件（温度、還元ガス（圧力、組成及び流量）及び荷重）を設定する。
【0061】
上述した初期条件としては、例えば、上述した荷重軟化試験（非特許文献１参照）に開示された試験条件とすることができる。非特許文献１によれば、下部炉については、昇温速度を１０［℃／分］とし、温度が１７００℃に到達したときには、この温度に維持する。また、上部炉については、温度が１０００℃に到達するまでは、昇温速度を１０［℃／分］とし、温度が１００℃以上では、昇温速度を５［℃／分］としている。一方、温度が８００℃に到達するまではＮ２ガスを導入し、温度が８００℃以上であるときには、還元ガス（２９．４［ｖｏｌ％］のＣＯガス、３．６［ｖｏｌ％］のＨ２ガス及び６７．０［ｖｏｌ％］のＮ２ガス）を導入している。ガス流量は３４［Ｎｌ／ｍｉｎ］で一定とし、標準空塔速度を１０［ｃｍ／ｓ］としている。荷重としては、温度が８００℃以上であるときに、０．０９８［ＭＰａ］の荷重を与えている。なお、試験条件は非特許文献１に開示された試験条件に限定されず、対象とする高炉の操業条件等に応じて適宜設定すればよい。
【0062】
上述した繰り返し計算においては、例えば、下記式（９）で定義される炉内滞留時間を考慮することができる。
【0063】
【数10】
【0064】
上記式（９）において、ｔｓは炉内滞留時間［ｈ］、Ｖは炉内容積［ｍ３］、ＯＲは鉱石比［ｋｇ／ｔ－ｐｉｇ］、ＣＲはコークス比［ｋｇ／ｔ－ｐｉｇ］、Ｐは出銑量［ｔ／ｄ］である。ボッシュガス原単位（銑鉄の単位量当たりのボッシュガス供給量）が一定であると仮定して、炉内滞留時間ｔｓに応じて昇温速度及びガス流速を変化させることができる。具体的には、炉内滞留時間ｔｓが長いほど、昇温速度及びガス流速を減少させる。言い換えれば、炉内滞留時間ｔｓが短いほど、昇温速度及びガス流速を増加させる。
【0065】
単味原料の還元率は、非特許文献２に記載の反応モデルを用いて求めることができ、非特許文献２に記載の還元率Ｆに相当する。反応モデル式では、反応モデルで用いられる単味原料と化学組成が同様である単味原料について還元試験を行い、この試験結果を再現できるように反応モデル式の各種パラメータを調整する。なお、単味原料の還元率を求める方法は、これに限るものではない。
【0066】
コークスのガス化反応における反応率は、非特許文献３に記載の反応モデルを用いて求めることができる。この反応モデル式では、反応モデルで用いられるコークスと化学組成が同様であるコークスについてガス化反応試験を行い、この試験の結果を再現できるように反応モデル式の各種パラメータを調整する。なお、コークスの反応率を求める方法は、これに限るものではない。
【0067】
単味原料層の高さ方向において、単味原料層を所定数の計算セル（例えば、高さ１ｍｍ毎）に分割し、計算セル毎の各単味原料の体積割合及び粒度を設定する。初期空隙率については、計算セル毎に設定する。下部から流通される還元ガスは、各単味原料の体積割合に応じた流量で流通すると仮定して、還元反応及びガス化反応によるガス濃度の変化を求める。上述した反応モデルにおいて、単味原料層の昇温条件や、還元ガス（混合ガス）の圧力、組成及び流量の温度依存性は、実際の高炉操業時の条件を模擬して、すなわち、単味原料層が高炉内を降下する経路に沿った分布になるように適宜設定すればよい。
【0068】
次に、単味原料の圧力損失を推定する方法について説明する。単味原料の圧力損失を推定するためには、まず、単味原料層の収縮率を推定する。
【0069】
単味原料層の収縮挙動は、２つの温度領域のそれぞれで異なるため、２つの温度領域Ｉ，ＩＩに分けて、単味原料層の収縮速度を推定する。収縮速度を時間で積分した値が収縮率となる。ここで、２つの温度領域Ｉ，ＩＩを分ける境界温度は、単味原料層の収縮速度が最大値を示すときの温度である。本実施形態では、境界温度よりも低い温度領域を温度領域Ｉとし、境界温度よりも高い温度領域を温度領域ＩＩとする。
【0070】
温度領域Ｉでは、単味原料層の収縮速度の推定式として、下記式（１０），（１１）を適用する。
【0071】
【数11】
【0072】
上記式（１０）において、左辺はｉ番目の計算セルの収縮速度［ｓ－１］、Ｓｒｉはｉ番目の計算セル全体の平均収縮率［－］、Ｗは単味原料層にかかる荷重［Ｐａ］、ηは単味原料の見かけの軟化粘度［Ｐａ・ｓ］である。温度領域Ｉにおける収縮速度は、荷重Ｗに比例し、軟化粘度η（単味原料層の収縮抵抗）に反比例する。軟化粘度ηは、上記式（１１）に示すように、定数η０［Ｐａ・ｓ］、係数ｃ１［Ｋ］及び単味原料層の温度Ｔ［Ｋ］から求められる。定数η０及び係数ｃ１は、上述した荷重軟化試験によって軟化粘度ηを求め、上記式（１１）を満たすように決定される。
【0073】
温度領域ＩＩでは、単味原料層の収縮速度の推定式として、下記式（１２）～（１５）を適用する。
【0074】
【数12】
【0075】
上記式（１２）において、左辺はｉ番目の計算セルの収縮速度［ｓ－１］、Ｓｒｉはｉ番目の計算セル全体の平均収縮率［－］、βは係数［－］、ＭＳＰは単味原料の重量［ｋｇ］、Ｖ０．ＳＰは収縮前の単味原料層の体積［ｍ３］、Ｖｌｉｑは単味原料１ｋｇ当たりの融液の体積［ｍ３／ｋｇ］である。温度領域ＩＩにおける収縮速度は、融液の生成速度に比例する。温度領域ＩＩでは、融液の生成挙動及び生成した金属鉄による骨材効果が、収縮速度を決める主な支配因子となる。
【0076】
体積Ｖｌｉｑは、上記式（１３）に示す通り、係数ｃ２［ｍ３／（ｋｇ・Ｋ）］、係数ｃ３［ｍ３／ｋｇ］、係数ｃ４［ｍ３／ｋｇ］、鉱石層の温度Ｔ［Ｋ］及びｉ番目の計算セルの還元率Ｒｉ［－］から求められる。係数βは、上記式（１４）に示す通り、係数ｃ５［－］、係数ｃ６［－］及び単味原料層に占める金属鉄の体積割合ＸＦｅ［－］から求められ、体積割合ＸＦｅの増加に伴って減少する。体積割合ＸＦｅは、上記式（１５）に示す通り、金属鉄の体積ＶＦｅ［ｍ３］、体積Ｖ０．ＳＰ及びｉ番目の計算セル全体の平均収縮率Ｓｒｉ［－］から求められる。
【0077】
なお、上記式（１３）に示す係数ｃ２，ｃ３，ｃ４は、単味原料の種類毎に、熱力学平衡計算ソフト（例えば、ＦａｃｔＳａｇｅ）を用いて予め求めておくことができ、上記式（１４）に示す係数ｃ５，ｃ６は、高温性状試験によって予め求めておくことができる。定数η０及び係数ｃ１～ｃ６は、単味原料の組成や気孔構造等の性状に対して決定される。定数η０及び係数ｃ１～ｃ６は、単味原料の種類が変更されない限り変化せず、単味原料の充填条件や還元ガス条件の変更によっては変化しない。
【0078】
単味原料層全体の平均収縮率Ｓｒは、下記式（１６）に示す通り、単味原料層の初期層厚Ｌ０［ｍ］及びｉ番目の計算セルの初期層厚Ｌｉ［ｍ］から求められる。初期層厚Ｌｉは、下記式（１７）に示す通り、ｉ番目の計算セルの層厚Ｌ０，ｉ［ｍ］及びｉ番目の計算セル全体の平均収縮率Ｓｒｉ［－］から求められる。
【0079】
【数13】
【0080】
次に、単味原料層の圧力損失は、下記式（１８）で表されるＥｒｇｕｎ式を用いて推定できる。
【0081】
【数14】
【0082】
上記式（１８）において、ΔＰ／ΔＬは単味原料層の圧力損失［Ｐａ／ｍ］、εは単味原料層の空隙率［－］、ｄは単味原料の粒径［ｍ］、φは単味原料の形状係数［－］である。粒径ｄ及び形状係数φを乗算した値（φｄ）は、単味原料の有効径を示す。Ｕは還元ガスの空塔流速［ｍ／ｓ］、μは還元ガスの粘度［Ｐａ・ｓ］、ρは還元ガスの密度［ｋｇ／ｍ３］を示す。
【0083】
上記式（１８）に示す空隙率εは、下記式（１９）に示すように、収縮率Ｓｒの関数として表すことができる。したがって、収縮率Ｓｒを推定すれば、下記式（１９）及び上記式（１８）から単味原料層の圧力損失を求めることができる。
【0084】
【数15】
【0085】
上記式（１９）において、ε０は初期空隙率［－］である。係数αは、単味原料層の収縮に伴う単味原料層の全体積の減少量に対する空隙体積の減少量を示す値であり、鉱石原料の閉気孔量や軟化溶融性に依存する。なお、ここでの空隙とは、ガスが流通して単味原料層の通気抵抗に直接寄与する空隙である。例えば、単味原料を対象としたＸ線ＣＴ画像の解析結果に基づいて、係数αを求めることができる。以下、係数αの求め方について説明する。以下の説明において、係数αは、収縮率Ｓｒの一次関数として規定する。
【0086】
図４には、Ｘ線ＣＴ画像を用いた画像解析方法の概要を示す。坩堝１００には、単味原料１０１が充填されており、単味原料の上方及び下方のそれぞれには、混合層１０２及びコークス層１０３が積層されている。Ｘ線ＣＴ撮影を行うことにより坩堝１００の水平方向の断面画像１０４ａが得られるが、この断面画像１０４ａを取得する領域は、単味原料１０１だけが存在する領域（解析対象領域という）ＡＡとする。
【0087】
解析対象領域ＡＡにおいて、坩堝１００の高さ方向における等間隔の位置で所定枚数の断面画像１０４ａを抽出し、各断面画像１０４ａを用いて、空隙率及び見かけの粒子径を求める。まずは、断面画像１０４ａを二値化することにより二値化画像１０４ｂを生成し、二値化画像１０４ｂに対してマスキング処理を行うことにより、２つの抽出画像１０４ｃ，１０４ｄを生成する。抽出画像１０４ｃは、二値化画像１０４ｂから単味原料の粒子のみを抽出した画像であり、抽出画像１０４ｄは、二値化画像１０４ｂから坩堝１００の内部空間を抽出した画像である。
【0088】
抽出画像１０４ｃ，１０４ｄについて、黒色部の画素数、白色部の画素数及び白色部の周囲の画素数をカウントし、下記式（２０）に基づいて、単味原料層の空隙率を求める。
【0089】
【数16】
【0090】
上記式（２０）において、εは空隙率［－］、ＳＶｏｉｄは空隙領域の画素数［ｐｉｘｅｌ］、ＳＡは坩堝１００の外部に位置する領域の画素数［ｐｉｘｅｌ］、ＳＢは坩堝１００の内部に位置する領域の画素数［ｐｉｘｅｌ］である。
【0091】
収縮率Ｓｒが異なる複数の単味原料層に対して上述した画像解析を行うことにより、各単味原料層について空隙率εを求め、この空隙率εに基づいて上記式（１９）を満たす係数αを求める。これにより、係数α及び収縮率Ｓｒの関係（一次関数）を規定することができる。上述したように収縮率Ｓｒを推定すれば、係数α及び収縮率Ｓｒの関係（一次関数）に基づいて、係数αを求めることができる。なお、簡易的に空隙率εを求める場合には、係数αを単味原料の種類に応じた固定値としてもよい。
【0092】
上述した説明では、上記式（１８）に示す空隙率εを収縮率Ｓｒの関数（上記式（１９））として規定したが、これに加えて、上記式（１８）に示す粒子径ｄを収縮率Ｓｒの関数として規定することもできる。この場合には、上述した画像解析を行うことにより、収縮率Ｓｒが異なる複数の単味原料層について、粒子の見かけの粒子径ｄｃをそれぞれ求める。これにより、収縮率Ｓｒ及び粒子径ｄｃの相関関係が求められるため、この相関関係を用いれば、上述したように推定した収縮率Ｓｒに基づいて、上記式（１８）に示す粒子径ｄを求めることができる。
【0093】
なお、粒子径ｄｃは、下記式（２１）～（２３）に基づいて算出することができる。
【0094】
【数17】
【0095】
上記式（２１）～（２３）において、ｄｃは見かけの粒子径［ｍ］、ＳＳｏｌｉｄは、粒子が存在する領域の面積［ｍ２］、ＬＳｏｌｉｄは粒子の周囲の長さ［ｍ］である。Ｄは坩堝１００の内径［ｍ］、Ｓ’Ｓｏｌｉｄは、粒子が存在する領域の画素数［ｐｉｘｅｌ］、ＳＢは上記式（２０）で説明した画素数［ｐｉｘｅｌ］である。Ｌ’Ｓｏｌｉｄは粒子の周囲を構成する画素数［ｐｉｘｅｌ］、Ｌ０は坩堝１００の周囲を構成する画素数［ｐｉｘｅｌ］である。
【0096】
なお、圧力損失を求める方法は、上述した方法に限るものではない。例えば、非特許文献４に開示された圧力損失の計算式において、慣性項の係数を収縮率の関数として規定し、収縮率に基づいて圧力損失を求めることができる。また、非特許文献５に開示された圧力損失の計算式（収縮率Ｓｒを含む）を用いて、圧力損失を求めることができる。
【0097】
上述したように還元率及び圧力損失を推定すれば、還元率及び圧力損失に基づいて単味原料の還元率Ｒｓｉを推定することができる。上述したように還元率Ｒｓｉは、単味原料層の圧力損失が所定値に到達したときの還元率であるため、上述したように圧力損失を推定し、推定した圧力損失が所定値であるときの還元率が還元率Ｒｓｉとなる。
【実施例0098】
（熱保存帯温度Ｔｔｒｚが還元率Ｒｓｉに及ぼす影響）
熱保存帯温度Ｔｔｒｚが還元率Ｒｓｉに及ぼす影響について、以下に考察する。
熱保存帯温度Ｔｔｒｚが還元率Ｒｓｉに及ぼす影響について、以下に考察する。
【0099】
まず、２つの熱保存帯温度Ｔｔｒｚを設定し、各熱保存帯温度Ｔｔｒｚにおける収縮率及び圧力損失の挙動を推定した。単味原料としては、焼結鉱、塩基性ペレットＦＰ及び酸性ペレットＡＰをそれぞれ用いた。図５に示す昇温条件を設定することにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚが９５０～１０５０℃である場合（以下、１０００℃の熱保存帯温度という）と、熱保存帯温度Ｔｔｒｚが８５０～９５０℃である場合（以下、９００℃の熱保存帯温度という）とを設定した。
【0100】
下記表１には、上述した各単味原料（焼結鉱、塩基性ペレットＦＰ及び酸性ペレットＡＰ）の化学組成を示す。
【0101】
【表1】
【0102】
収縮率及び圧力損失は、上述した推定方法によって推定した。ここで、初期条件としては、下記表２，３に示す条件を設定した。
【0103】
【表2】
【0104】
【表3】
【0105】
また、１チャージ分のコークス層及び単味原料層を計算領域とし、計算セルの初期高さが１［ｍｍ］となるように、計算領域を複数の計算セルに分割した。熱保存帯温度が９００℃であるときの条件は、４０［ｋｇ／ｔ－ｐiｇ］レベルの天然ガスの吹込みを想定している。単味原料層にかかる荷重は、いずれの条件でも一定の９８［ｋＰａ］とした。
【0106】
図６には、図５に示す昇温条件（熱保存帯温度Ｔｔｒｚ：９００，１０００［℃］）における各単味原料層（焼結鉱、塩基性ペレットＦＰ、酸性ペレットＡＰ）の収縮率（推定値）の挙動を示す。図６において、縦軸は収縮率［－］であり、横軸は温度［℃］である。図７には、図５に示す昇温条件（熱保存帯温度Ｔｔｒｚ：９００，１０００［℃］）における各単味原料層（焼結鉱、塩基性ペレットＦＰ、酸性ペレットＡＰ）の圧力損失（推定値）の挙動を示す。図７において、縦軸は圧力損失［ｋＰａ／ｍ］であり、横軸は温度［℃］である。
【0107】
図６，７によれば、焼結鉱については、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの低下（１０００℃→９００℃）による収縮率の変化や、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの低下による圧力損失の変化がほとんど確認できなかった。一方、塩基性ペレットＦＰ及び酸性ペレットＡＰについては、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの低下（１０００℃→９００℃）により収縮率及び圧力損失が大きく低下した。特に、酸性ペレットＡＰについては、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの低下（１０００℃→９００℃）に伴う収縮率及び圧力損失の低下が顕著であった。この理由は、図８に示すように、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを含む温度領域Ｉにおいては、焼結鉱、塩基性ペレットＦＰ及び酸性ペレットＡＰの順に収縮速度が高くて収縮しやすい傾向を示し、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの低下に伴う収縮率の抑制効果が高いことを示すためである。なお、図８に示す収縮速度から図６に示す収縮率が算出される。
【0108】
下記表４には、各熱保存帯温度Ｔｔｒｚにおける各単味原料の還元率Ｒｓｉを示す。各単味原料の還元率Ｒｓｉは、上述した推定方法によって推定した。ここで、還元率Ｒｓｉは、単味原料層の圧力損失が５０［ｋＰａ／ｍ］に到達したときの単味原料の還元率とした。
【0109】
【表4】
【0110】
図９（上記表４に相当する）には、各単味原料（焼結鉱、塩基性ペレットＦＰ、酸性ペレットＡＰ）において、熱保存帯温度Ｔｔｒｚが還元率Ｒｓｉに及ぼす影響を示す。図９から分かるように、塩基性ペレットＦＰ及び酸性ペレットＡＰでは、焼結鉱に比べて、熱保存帯温度Ｔｔｒｚの低下（１０００℃→９００℃）に伴う還元率Ｒｓｉの上昇量が顕著であった。また、熱保存帯温度Ｔｔｒｚが９００℃であるとき、塩基性ペレットＦＰの還元率Ｒｓｉは焼結鉱の還元率Ｒｓｉよりも高くなった。
【0111】
この結果によれば、配合変更前の熱保存帯温度が１０００℃であるときにおいて、焼結鉱の一部をペレット（塩基性ペレットＦＰや酸性ペレットＡＰ）に変更したり、塩基性ペレットＦＰを酸性ペレットＡＰに変更したりするときには、鉱石原料の還元率Ｒｓを維持又は向上させる上で、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることが有効であることが分かる。
【0112】
（鉱石原料の配合変更に伴う熱保存帯温度Ｔｔｒｚの調整方法）
以下、３つのケース１～３のそれぞれについて、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整する方法について説明する。ここで、配合変更前の単味原料としては、焼結鉱、塩基性ペレットＦＰ及び塊鉱石を用い、各単味原料の配合比率は下記表５に示す値とした。配合変更前の熱保存帯温度Ｔｔｒｚを１０００℃とする。
以下、３つのケース１～３のそれぞれについて、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを調整する方法について説明する。ここで、配合変更前の単味原料としては、焼結鉱、塩基性ペレットＦＰ及び塊鉱石を用い、各単味原料の配合比率は下記表５に示す値とした。配合変更前の熱保存帯温度Ｔｔｒｚを１０００℃とする。
【0113】
【表5】
【0114】
上記表４に示す熱保存帯温度Ｔｔｒｚ及び還元率Ｒｓｉの関係によれば、各単味原料について、上記式（２）に示す係数ａｉ，ｂｉは下記表６に示す値となる。下記表６に示す係数ａｉ，ｂｉは、上記式（１）から特定される最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎの算出に用いられる。
【0115】
【表6】
【0116】
（ケース１）
ケース１では、焼結鉱の一部を塩基性ペレットＦＰに変更し、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを±０．０１［―］とする。すなわち、焼結鉱の配合比率を０．０１［―］だけ減少させるとともに、塩基性ペレットＦＰの配合比率を０．０１［―］だけ増加させた。上記式（１）に基づいて、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎを算出した。ここで、焼結鉱については、上記式（１）に示す添字ｉを１とし、塩基性ペレットＦＰについては、上記式（１）に示す添字ｉを２とする。具体的には、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎは、下記式（２４）から算出される。下記式（２４）は、焼結鉱及び塩基性ペレットＦＰについて、上記式（１）を展開したものである。
ケース１では、焼結鉱の一部を塩基性ペレットＦＰに変更し、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを±０．０１［―］とする。すなわち、焼結鉱の配合比率を０．０１［―］だけ減少させるとともに、塩基性ペレットＦＰの配合比率を０．０１［―］だけ増加させた。上記式（１）に基づいて、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎを算出した。ここで、焼結鉱については、上記式（１）に示す添字ｉを１とし、塩基性ペレットＦＰについては、上記式（１）に示す添字ｉを２とする。具体的には、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎは、下記式（２４）から算出される。下記式（２４）は、焼結鉱及び塩基性ペレットＦＰについて、上記式（１）を展開したものである。
【0117】
【数18】
【0118】
（ケース２）
ケース２では、焼結鉱の一部を酸性ペレットＡＰに変更し、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを±０．０１［―］とする。すなわち、焼結鉱の配合比率を０．０１［―］だけ減少させるとともに、配合比率が０．０１［―］となるように酸性ペレットＡＰを追加した。上記式（１）に基づいて、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎを算出した。ここで、焼結鉱については、上記式（１）に示す添字ｉを１とし、酸性ペレットＡＰについては、上記式（１）に示す添字ｉを２とする。具体的には、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎは、上記式（２４）から算出される。
ケース２では、焼結鉱の一部を酸性ペレットＡＰに変更し、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを±０．０１［―］とする。すなわち、焼結鉱の配合比率を０．０１［―］だけ減少させるとともに、配合比率が０．０１［―］となるように酸性ペレットＡＰを追加した。上記式（１）に基づいて、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎを算出した。ここで、焼結鉱については、上記式（１）に示す添字ｉを１とし、酸性ペレットＡＰについては、上記式（１）に示す添字ｉを２とする。具体的には、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎは、上記式（２４）から算出される。
【0119】
（ケース３）
ケース３では、塩基性ペレットＦＰの一部を酸性ペレットＡＰに変更し、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを±０．０１［―］とする。すなわち、塩基性ペレットＦＰの配合比率を０．０１［―］だけ減少させるとともに、配合比率が０．０１［―］となるように酸性ペレットＡＰを追加した。上記式（１）に基づいて、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎを算出した。ここで、塩基性ペレットＦＰについては、上記式（１）に示す添字ｉを１とし、酸性ペレットＡＰについては、上記式（１）に示す添字ｉを２とする。具体的には、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎは、上記式（２４）から算出される。
ケース３では、塩基性ペレットＦＰの一部を酸性ペレットＡＰに変更し、配合比率ｘｉの変化量Δｘｉを±０．０１［―］とする。すなわち、塩基性ペレットＦＰの配合比率を０．０１［―］だけ減少させるとともに、配合比率が０．０１［―］となるように酸性ペレットＡＰを追加した。上記式（１）に基づいて、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎを算出した。ここで、塩基性ペレットＦＰについては、上記式（１）に示す添字ｉを１とし、酸性ペレットＡＰについては、上記式（１）に示す添字ｉを２とする。具体的には、最小量ΔＴｔｒｚ Ｍｉｎは、上記式（２４）から算出される。
【0120】
下記表７には、ケース１～３のそれぞれについて、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎの計算結果と、この計算に用いられる各パラメータを示す。
【0121】
【表7】
【0122】
下記表８には、水素含有ガスの吹込みに伴う熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量ΔＴｔｒｚ＿Ｈ２［℃／（ｋｇ／ｔ－ｐiｇ）］と、高反応性コークスの使用に伴う熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量ΔＴｔｒｚ＿Ｃ［℃／（ｋｇ／ｔ－ｐiｇ）］と、含炭塊成鉱の使用に伴う熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量ΔＴｔｒｚ＿ＲＣＡ［℃／（ｋｇ／ｔ－ｐiｇ）］とを示す。変化量ΔＴｔｒｚ＿Ｈ２，ΔＴｔｒｚ＿Ｃ，ΔＴｔｒｚ＿ＲＣＡは予め求めておくことができる。
【0123】
【表8】
【0124】
ケース１では、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎが－２．２８［℃］であったため、上記表８を考慮すると、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させるためには、例えば高反応性コークス又は含炭塊成鉱を使用すればよいことが分かる。ここで、高反応性コークスだけを使用する場合には、高反応性コークスの使用量を現在の使用量に対して７．６［ｋｇ／ｔ－ｐｉｇ］だけ増加すればよい。また、含炭塊成鉱だけを使用する場合には、含炭塊成鉱の使用量を現在の使用量に対して２２．８［ｋｇ／ｔ－ｐｉｇ］だけ増加すればよい。
【0125】
ケース２では、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎが－１８．１［℃］であったため、上記表８を考慮すると、水素含有ガスの吹込み、高反応性コークスの使用及び含炭塊成鉱の使用のいずれであっても、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることができる。ここで、上記表８から分かるように、水素含有ガスの吹込みを行うことにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを効率良く低下させることができる。水素含有ガスの吹込みだけを行う場合には、水素含有ガスの吹込み量を現在の使用量に対して７．３［ｋｇ／ｔ－ｐｉｇ］だけ増加すればよい。
【0126】
ケース３では、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎが－１４．１［℃］であったため、上記表８を考慮すると、水素含有ガスの吹込み、高反応性コークスの使用及び含炭塊成鉱の使用のいずれであっても、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎだけ熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることができる。ここで、上記表８から分かるように、水素含有ガスの吹込みを行うことにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを効率良く低下させることができる。水素含有ガスの吹込みだけを行う場合には、水素含有ガスの吹込み量を現在の使用量に対して５．６［ｋｇ／ｔ－ｐｉｇ］だけ増加すればよい。
【0127】
なお、上述した説明では、水素含有ガスの吹込み、高反応性コークスの使用及び含炭塊成鉱の使用のうちのいずれか１つの手段によって、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させているが、水素含有ガスの吹込み、高反応性コークスの使用及び含炭塊成鉱の使用のうちの２つ以上の手段を組み合わせることにより、熱保存帯温度Ｔｔｒｚを低下させることもできる。この場合には、２つ以上の手段による熱保存帯温度Ｔｔｒｚの変化量の合計が、最小量ΔＴｔｒｚ
Ｍｉｎとなればよい。
【符号の説明】
【0128】
１００：坩堝、１０１：単味原料、１０２：混合層、１０３：コークス層、
１０４ａ：断面画像、１０４ｂ：二値化画像、１０４ｃ，１０４ｄ：抽出画像、
ＡＡ：解析対象領域
１０４ａ：断面画像、１０４ｂ：二値化画像、１０４ｃ，１０４ｄ：抽出画像、
ＡＡ：解析対象領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
