JP4598875B2

JP4598875B2 - 鉄浴式溶融還元炉

Info

Publication number: JP4598875B2
Application number: JP2009530082A
Authority: JP
Inventors: 壽志中村; 教之占部; 和久福田; 渉永井; 文明松本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: BRPI0816106A2; CN101784859B; WO2009028416A1; BRPI0816106A8; CN101784859A; JPWO2009028416A1

Description

本発明は、酸化鉄ならびに酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解する鉄浴式溶融還元炉に関する。
本出願は、特願２００７−２２０２２７号を基礎出願とし、その内容を取り込む。

酸化鉄ならびに酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解する鉄浴式溶融還元炉では、内張り耐火物ライニングとして、主にＭｇＯ−Ｃれんが、ＭｇＯ−Ｃｒ₂Ｏ₃れんがなどが用いられている。例えば、下記特許文献１には、製鋼用転炉の内張り用耐火物であるＣ含有量が１５質量％〜１８質量％のＭｇＯ−Ｃれんがで内張りされた鉄溶式溶融還元炉が開示されている。また、下記特許文献２や下記特許文献３には、れんが内にガス導入管を設け、ガスの吹き込みによる冷却効果で耐火物損傷を抑制する方法が開示されている。

しかし、特許文献１に開示された製鋼用転炉の内張り耐火物であるＣ含有量が１５質量％〜１８質量％のＭｇＯ−Ｃれんがでは、鉄浴式溶融還元炉の操業で生じるＣａＯ及びＳｉＯ₂の比（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が１．０〜１．７の範囲となり、投入する酸化鉄原料に起因した酸化鉄を含有するスラグに対して耐用性が十分に得られないという問題点があった。

また、特許文献２や特許文献３に開示されたガス吹き込みによる冷却効果で耐火物損傷を抑制する方法は、れんが内に冷却配管を設けるため、れんがの単価が上昇する、構造が複雑になる等の問題点があった。

これに対して、時間と労力を要せず、ガス吹き込みれんがも用いずに耐火物損傷を抑制する方法として、下記特許文献４や下記特許文献５に、上吹メインランスを用いてスラグをスプラッシュ状に吹き飛ばしてコーティングする上吹き補修法が開示されている。しかし、これら特許文献４及び特許文献５に開示された方法においては、鉄浴式溶融還元炉の操業で生じる、ＣａＯ／ＳｉＯ₂比が１．０〜１．７となる粘性の小さいスラグを炉内全体に均一に付着させることが難しく、耐火物の損傷抑制効果が十分に得られないという問題点があった。

特開平１−２５２７０６号公報実開昭６３−３９１４７号公報実開昭６３−９０５６２号公報特開昭６１−５６２２３号公報特開昭６２−１７１１２号公報

本発明は、酸化鉄ならびに酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解する鉄浴式溶融還元炉に関し、前述のような従来技術の問題点を解決し、優れた耐用性を発揮する内張り耐火物ライニングを具備した鉄浴式溶融還元炉の提供を課題とする。

本発明者等は、前述のような現状に鑑み、酸化鉄ならびに酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解する鉄浴式溶融還元炉において、内張り耐火物として主にＣ含有量が特定範囲にあるＭｇＯ−Ｃれんがを用い、さらにライニングの安定化を図るためにライニング内の発生熱応力を特定範囲とする構成を採用した。その結果、耐用性に優れる耐火物ライニングを提供することができた。本発明の要旨を以下に示す。
（１）本発明の鉄浴式溶融還元炉は、複数の耐火物からなる側壁ライニングを備え、前記側壁ライニングのうち溶解・還元中にＣａＯ/ＳｉＯ _２比が１．０〜１．７のスラグと接する部位の耐火物が、カーボンを１質量％以上かつ５質量％未満含有するＭｇＯ−Ｃれんがであり、前記側壁ライニングのうち溶解・還元中にＣａＯ/ＳｉＯ _２比が１．０〜１．７のスラグと接しない部位の耐火物が、カーボンを１５質量％以上１８質量％以下含有するＭｇＯ−Ｃれんがである。
（２）上記（１）の鉄浴式溶融還元炉では、溶解・還元中にＣａＯ/ＳｉＯ _２比が１．０〜１．７のスラグと接する部位の前記耐火物の曲げ強さをσ_B（ＭＰａ）とし、下式（１）により計算される前記側壁ライニング内の発生熱応力をσ_L（ＭＰａ）とした場合、３≦σ_B／σ_L≦６を満たすようにしてもよい。
σ_L＝Ｅ・（α・Ｌ・Ｔ−Ａ）／［Ｌ＋（α・Ｌ・Ｔ−Ａ）］・・・式（１）
ここで、
Ｅ：使用耐火物の弾性率（ＧＰａ）、
α：使用耐火物の熱膨張率（／℃）、
Ｔ：ライニング表面温度（℃）、
Ｌ：ライニング長さ（ｍ）、
Ａ：ライニング内膨張代長さ（ｍ）

本発明によれば、酸化鉄ならびに酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解する鉄浴式溶融還元炉において、側壁の内張り耐火物として、主にＣ含有量が特定範囲のＭｇＯ−Ｃれんがを用い、さらに、ライニングの安定化を図るためにライニング内の発生熱応力を特定範囲としている。これにより、耐用性に優れる耐火物ライニングを具備した鉄浴式溶融還元炉を提供することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
なお、鉄浴式還元炉は、（ａ）常時、溶湯が炉内にある、（ｂ）含鉄冷材を溶融させるため２次燃焼が大きく、発生熱量が大きい、といった特性を持っている。このような特性があるため、従来よりスラグコーティングがしにくいという問題点があった。これに対し、本発明では、Ｃ含有量が１質量％以上かつ５質量％未満の範囲である低カーボンのＭｇＯ−Ｃれんが採用することにより、従来では困難であったスラグコーティングを可能としている。
また、溶銑と溶鋼では、溶銑の粘性の方が低いので、ライニングの目地に溶湯が差しやすい。これに対し、本発明者らは鋭意実験を行った結果、上記（２）に記載したように３≦σ_B／σ_L≦６とすることでこの問題を防げることを見いだした。

図１Ａは、鉄浴式溶融還元炉の一例を示す図であって、耐火物損傷前の縦断面図である。図１Ｂは、同鉄浴式溶融還元炉の、耐火物損傷発生時の縦断面図である。図２は、本発明の参考形態に係る鉄浴式溶融還元炉の縦断面図である。図３は、本発明の鉄浴式溶融還元炉の他の実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１溶融還元炉
２底吹羽口
３吹錬用の酸素ランス
４溶鉄
５溶融スラグ
６耐火物損傷部位
７耐火物
８Ｃ含有量が１〜５質量％のＭｇＯ−Ｃれんがの適用部位
９Ｃ含有量が１５〜１８質量％のＭｇＯ−Ｃれんがの適用部位

本発明の鉄浴式溶融還元炉の一実施形態について、図１Ａ〜図３を用いて以下に詳細に説明する。

図１Ａに示すように、本実施形態の鉄浴式溶融還元炉１は、転炉状であり、炉の下部に底吹羽口２を備えている。そして、この鉄浴式溶融還元炉１では、溶鉄や溶融スラグを攪拌して反応を促進させるために、攪拌ガス（例えばＮ₂ガス）、Ｏ₂ガス、ＣＯ₂ガス、微粉炭、酸化鉄等を炉内に吹き込む。図１Ａにおいて、符号１は鉄浴式溶融還元炉、符号２は底吹羽口、符号３は吹錬用の酸素ランス、符号４は溶鉄、符号５は溶融スラグ、符号７は耐火物を示す。

この鉄浴式溶融還元炉１では、溶鉄および溶融スラグからなる溶融物に、酸化鉄あるいは酸化鉄含有鉄原料、そして炭材を、連続的あるいは断続的に加える。さらに、吹錬用の酸素ランス３から酸素を吹き込み、酸化鉄を鉄に還元し、溶鉄量を増加させ、所定の溶鉄量に達すると出湯する。すなわち、鉄浴式溶融還元炉１内に投入された温度１３８０℃〜１４１５℃かつ、Ｃ濃度４．２質量％〜４．３質量％の溶融鉄浴に、酸化鉄あるいは酸化鉄含有鉄原料を供給する。そして、上吹きの酸素ランス３から酸素を７０００Ｎｍ³／ｈ以上の速度で吹き込み、さらに炭材を上方から投入、あるいは、底吹きから供給する。供給した酸化鉄あるいは酸化鉄含有鉄原料を溶解・還元することにより、溶鉄量が５０ｔｏｎから８０ｔｏｎになるまで溶解を行い、溶解終了後、鉄浴式溶融還元炉１から、溶鉄量３０ｔｏｎの溶鉄を図示しない鍋に出湯する。

この際に発生するスラグは、ＣａＯ／ＳｉＯ₂の比が１．０〜１．７と低く、またスラグに含まれる酸化鉄または原料として投入される酸化鉄の影響もあり、内張り耐火物ライニングを著しく損傷させる。特に、図１Ｂに示すように、溶融還元時に溶融スラグおよび酸化鉄と直接接触する側壁をなす耐火物７の損傷が著しい。なお、図１Ｂにおける符号６は、耐火物７における耐火物損傷部位を示す。

本実施形態の鉄浴式溶融還元炉１では、側壁ライニングである内張り耐火物７として、Ｃ含有量が１質量％以上かつ５質量％未満の範囲であるＭｇＯ−Ｃれんがを採用している。

側壁ライニングに使用するＭｇＯ−Ｃれんがは、Ｃ含有量が１質量％未満になると、ＭｇＯ−Ｃれんが内部へのスラグ浸潤が著しくなって耐用性が劣る。また、Ｃ含有量が５質量％以上になると、ＭｇＯ−Ｃれんが表面のスラグコーティング効果が著しく低下して耐用性が劣る。これは、ＭｇＯ−Ｃれんが表面へのカーボンの露出面積割合が大きくなり、スラグコーティングを阻害するからである。Ｃ含有量が５質量％未満では、ＣａＯ／ＳｉＯ₂の比が１．０〜１．７と低く、原料として投入される酸化鉄を含みかつ粘性の低いスラグでも、コーティング性が極めて良好である。従って、上吹メインランスを用いてスラグをスプラッシュ状に吹き飛ばしてコーティングする方法等、特殊なスラグコーティング方法を必要としないため、好ましい。

最も好ましいＣ含有量は、３質量％以上かつ４質量％以下であり、このＣ含有量のＭｇＯ−Ｃれんがのスラグコーティング性は特に優れる。

本実施形態で使用するＭｇＯ−Ｃれんがは、マグネシア粒、カーボン、および、Ａｌ系合金、Ｂ系化合物等の酸化防止剤から構成される。マグネシア粒は、ＭｇＯが９５質量％以上である電融マグネシアあるいは焼結マグネシアであることが好ましい。カーボンは、鱗状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、ピッチ、カーボンブラック、フェノール樹脂、無煙炭等である。

酸化防止剤は、Ａｌ、Ａｌ−Ｍｇ等のＡｌ系合金、あるいはＣａＢ₆、Ｂ₄Ｃ等のＢ系化合物を用いるのが好ましい。

本発明の参考形態である図２における符号８は、Ｃ含有量が１質量％〜５質量％のＭｇＯ−Ｃれんがの適用部分を示す。また、同図において、符号９が、Ｃ含有量１５質量％〜１８質量％のＭｇＯ−Ｃれんがを示している。

本実施形態で使用するＭｇＯ−Ｃれんがは、製鋼用転炉の内張り用耐火物であるＣ含有量が１５質量％〜１８質量％のＭｇＯ−Ｃれんがに比べて、極めてＣ含有量が低いため、熱膨張量が大きくなる。このため、操業中の高温環境下において発生する熱応力によりＭｇＯ−Ｃれんがに亀裂および剥落が発生しないよう、配慮することが好ましい。

本発明者らは、鋭意実験を重ね、耐火物の曲げ強さσ_B（ＭＰａ）と下式（１）により計算される側壁ライニング内の発生熱応力σ_L（ＭＰａ）との比σ_B／σ_Lを、３≦σ_B／σ_L≦６の範囲内に制御することで、ＭｇＯ−Ｃれんが内の亀裂および剥落が発生せず、ライニングが安定することを見出した。
σ_L＝Ｅ・（α・Ｌ・Ｔ−Ａ）／［Ｌ＋（α・Ｌ・Ｔ−Ａ）］・・・式（１）
ここで、
Ｅ：使用耐火物の弾性率（ＧＰａ）、
α：使用耐火物の熱膨張率（／℃）、
Ｔ：ライニング表面温度（℃）、
Ｌ：ライニング長さ（ｍ）、
Ａ：ライニング内膨張代長さ（ｍ）

すなわち、σ_B／σ_Lが３未満の条件では、ＭｇＯ−Ｃれんが内に亀裂が発生し、ＭｇＯ−Ｃれんがの一部が剥落してしまい、内張りライニングの安定性が著しく低下する。σ_B／σ_Lが６を超える条件では、ライニングが冷却された場合に、ＭｇＯ−Ｃれんがの目地開きが発生し、目地溶損の発生やライニング拘束力低下によるＭｇＯ−Ｃれんがの脱落が発生する。

なお、本実施形態におけるライニング長さＬは、ライニング、即ちＭｇＯ−Ｃれんがの水平方向の長さであり、ライニング内膨張代長さＡも、水平方向のＭｇＯ−Ｃれんが目地すきま間隔を意味する。垂直方向については、鉄皮によるライニングの拘束が水平方向と比較して弱いため、σ_B／σ_Lの条件は特に規定しない。

本実施形態において、σ_B／σ_Lを３以上に制御するための方法は、ライニング内膨張代長さＡを設定することにより行われる。膨張代長さＡの設定方法について特に規定はしないが、制御を容易にする観点から、目地部に、ダンボール等の加熱により燃焼して消失するものを挿入する方法や、れんが表面に加熱により揮発ないしは燃焼するコーティング材を塗布する方法などが好ましい。

本発明においては、図３に示すように、側壁耐火物であっても溶解・還元中にスラグと接しない部位では、製鋼用転炉の内張り耐火物であるＣ含有量が１５質量％〜１８質量％のＭｇＯ−Ｃれんが９を用いる。スラグと接しない部位は、溶鉄による耐火物の侵食が主であり、その侵食量がスラグと接する部位と比較して極めて少ない。そのため、Ｃ含有量が１５質量％〜１８質量％のＭｇＯ−Ｃれんがを用いた内張りライニングでは、σ_B／σ_Lを３以上に制御する必要はない。図３において、符号１は鉄浴式溶融還元炉、符号２は底吹羽口、符号３は吹錬用の酸素ランス、符号４は溶鉄、符号５は溶融スラグ、符号６は耐火物損傷部位、符号８はＣ含有量が１質量％以上かつ５質量％未満のＭｇＯ−Ｃれんがの適用部位を示す。

本発明の一実施例を以下に示す。

本実施例に係る鉄浴式溶融還元炉の側壁ライニング（図３の符号８に示す部分）に各種のＭｇＯ−Ｃれんがを適用した試験結果を以下に示す。
ＭｇＯ−Ｃれんがは、マグネシア粒として純度９８％以上の電融マグネシア、カーボンとして鱗状黒鉛及びフェノール樹脂、酸化防止剤としてＡｌおよびＢ₄Ｃを用いた。図３の符号９に示す部分には、Ｃ含有量が１５質量％のＭｇＯ−Ｃれんがを用いた。σ_B／σ_Lは、ライニング内膨張代長さＡ（れんがの水平方向目地間隔）の設定によって調整した。図３の符号８の部分に、下表１に示すライニングを施した鉄浴式溶融還元炉１を準備した。そして、同表１に示すスラグ組成で溶融還元を行い、ＭｇＯ−Ｃれんがのスラグコーティング状況とＭｇＯ−Ｃれんがの損傷状況とを評価した。

表１に記載のコーティング性指数とは、ＭｇＯ−Ｃれんが表面へのスラグ付着厚みを指数化したものであり、数値が大きいほど良好である。また、損傷速度指数とは、ＭｇＯ−Ｃれんがの損傷速度（ｍｍ／ｈｅａｔ）を指数化したものであり、数値が小さいほど良好である。さらに、コーティング性指数及び損傷速度指数は、いずれも、下記比較例における表２の左端に記載する条件での結果を１００として指数化したものである。

（比較例）
比較例として、Ｃ含有量が５質量％以上のＭｇＯ−Ｃれんがであるマグクロダイレクトボンドれんがを側壁ライニングに使用した試験結果を下表２に示す。本比較例におけるその他の条件は、上記表１の場合と同様である。ＭｇＯ−Ｃれんがは、上記実施例と同じくマグネシア粒として純度９８％以上の電融マグネシアを、カーボンとして鱗状黒鉛及びフェノール樹脂を、酸化防止剤としてＡｌおよびＢ₄Ｃを用いた。

これら表１及び表２の試験結果から明らかであるように、コーティング性指数及び損傷速度指数の双方において実施例は比較例に対して優れており、よって本発明の優位性が確認できた。

本発明によれば、酸化鉄ならびに酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解する鉄浴式溶融還元炉において、側壁の内張り耐火物として、主にＣ含有量が特定範囲にあるＭｇＯ−Ｃれんがを用い、さらに、ライニングの安定化を図るためにライニング内の発生熱応力を特定範囲としている。これにより、耐用性に優れる耐火物ライニングを具備した鉄浴式溶融還元炉を提供することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

Claims

複数の耐火物からなる側壁ライニングを備え、
前記側壁ライニングのうち溶解・還元中にＣａＯ/ＳｉＯ _２比が１．０〜１．７のスラグと接する部位の耐火物が、カーボンを１質量％以上かつ５質量％未満含有するＭｇＯ−Ｃれんがであり、
前記側壁ライニングのうち溶解・還元中にＣａＯ/ＳｉＯ _２比が１．０〜１．７のスラグと接しない部位の耐火物が、カーボンを１５質量％以上１８質量％以下含有するＭｇＯ−Ｃれんがであることを特徴とする鉄浴式溶融還元炉。
請求項１の鉄浴式溶融還元炉であって、
溶解・還元中にＣａＯ/ＳｉＯ _２比が１．０〜１．７のスラグと接する部位の前記耐火物の曲げ強さをσB（ＭＰａ）とし、下式（１）により計算される前記側壁ライニング内の発生熱応力をσL（ＭＰａ）とした場合、３≦σB／σL≦６であることを特徴とする鉄浴式溶融還元炉。
σ_L＝Ｅ・（α・Ｌ・Ｔ−Ａ）／［Ｌ＋（α・Ｌ・Ｔ−Ａ）］・・・式（１）
［式（１）において、Ｅ：使用耐火物の弾性率（ＧＰａ）、α：使用耐火物の熱膨張率（／℃）、Ｔ：ライニング表面温度（℃）、Ｌ：ライニング長さ（ｍ）、Ａ：ライニング内膨張代長さ（ｍ）である。］