JP2001323312A

JP2001323312A - 二次燃焼による反応熱の利用方法

Info

Publication number: JP2001323312A
Application number: JP2000140271A
Authority: JP
Inventors: Takeo Imoto; 健夫井本; Naoto Sasaki; 直人佐々木; Shinya Kitamura; 信也北村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2001-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】脱炭炉、溶解炉において二次燃焼による反応
熱を効率的に溶解、酸化物反応に利用すると共に排ガス
温度上昇による耐火物へのダメージを低位に安定化させ
る技術の提供を目的とする。【解決手段】上吹きランスからの送酸をコントロール
することによって炉内の二次燃焼率を１０〜５５％の範
囲にコントロールすると共に、ランスより鉄鉱石等の伝
熱媒体を供給することによって、フレーム中で伝熱媒体
を加熱して溶鉄中に供給すると共に、フレーム温度を冷
却することによって二次燃焼熱の利用効率を高位にいじ
しつつ、耐火物ダメージを回避する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上吹き転炉、上底
吹き転炉、AODなどの転炉型精錬容器や酸素上吹き機能
を持った電気炉において、脱炭、スクラップ溶解、鉄ま
たはフェロクロムの溶融還元、ステンレス等高合金鋼溶
製時の時の二次燃焼率を高めると共に、排ガス温度上昇
による耐火物ダメージを低減させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】転炉内における脱炭反応やスクラップ溶
解、鉄浴式溶融還元には、主に炭素分を熱源とした昇
温、酸化物還元が行われる。現在、転炉内で発生するＣ
Ｏガスを上吹き酸素でＣＯ₂まで燃焼させる二次燃焼
は、炉内の熱利用度向上手段として、種々の開発が行わ
れており、特開昭62-164813号公報記載のような脱炭炉
用の二次燃焼用ランスなどが数多く開発され、特公平6
−10297号（特許第1882329号）公報記載のような溶融還
元、その他、転炉型精錬炉を用いたスクラップ溶解技術
や電気炉での電気エネルギー削減に応用されてきた。一
般に二次燃焼率は排ガス中のＣＯ₂／（ＣＯ＋ＣＯ₂）の
体積比で表され、二次燃焼率を上昇させるためには、ラ
ンスギャップの増加や多孔ランスの適用などによるソフ
トブロー化が効果的であること、二次燃焼によって発生
する熱量の７割程度は、有効にメタル温度上昇に用いる
ことができる一方で、二次燃焼率が増加すると排ガス温
度が上昇して特に炉体上部の耐火物の寿命を低下させる
ことが知られている。例えば、石川英毅ら：鉄と鋼第7
3年(1987)第6号653-660には、試験脱炭炉による二次燃
焼の研究結果が報告されているが、ランスハイトの上昇
によるソフトブロー化によって温度上昇が促進されるこ
と(Fig.3)や着熱効率が7割前後であること(Fig.13)など
が報告されており、さらに、Fig.12には、二次燃焼率上
昇によって排ガス温度が2000℃以上に達することから、
耐火物温度も同様に上昇することが示唆されている。排
ガス温度の上昇による耐火物劣化を回避する方法とし
て、特公平7−23495号（特許第2007577号）公報記載の
ように微粉炭の熱分解反応を利用した排ガス冷却技術
や、特公平4−78687号（特許第1796170号）公報記載の
ような炉内上部空間における二次燃焼帯中に加熱媒体を
通過させることによって着熱効率を向上させる技術など
が提案されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記、特公平
7−23495号のような排ガス冷却を行った場合には、炉体
側壁または、炉外斜め上より装入可能な微粉炭ランスを
設置する必要があることから、設備的に大幅な改造が必
要になる。また、冷却された顕熱は炉外に放散されるた
め、炉内での有効な着熱効率上昇には用いることができ
ないという欠点があった。また、特公平4−78687号の場
合も炉体上部に二次燃焼用酸素羽口を設置することか
ら、設備改造が大がかりとなり、また、炉体の比較的上
部で二次燃焼が発生するため、媒体によるフレーム冷却
を行った場合にも炉体への熱伝導を抑制するのには不利
である。

【０００４】本発明は、二次燃焼率を高めた操業におけ
る排ガス温度上昇による耐火物ダメージを軽減する技術
において、大きな設備改造を伴わず、また、排ガスから
の熱源の炉外への放散ロスを抑制すると共に、二次燃焼
帯をランスギャップより低い位置に配置することによっ
て、二次燃焼発生熱を効率よく溶解や酸化物還元に利用
できる技術の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段である本発明は、以下の通りである。

【０００６】精錬容器にランスから酸素と共に伝熱媒
体を吹き込む際に、精錬容器内の二次燃焼率を１０〜５
５％の範囲とし、伝熱媒体を(1)式の範囲で吹き込むこ
とを特徴とする二次燃焼による反応熱の利用方法。

【０００７】伝熱媒体供給速度(kg/min) ＝ｋ×二次燃焼率(%)×送酸速度(Nm³/min) ここで０．０６≦ｋ≦０．７５・・・・・・・・・・・・・・・・…(1) 上記の方法において、伝熱媒体の粒度を400μm以下
のサイズ比率を７０％以上にすることが望ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１に従っ
て説明する。この図は、脱炭処理中の転炉を模式的に示
したものである。転炉内に溶鉄が挿入されており、
上吹きランスより酸素ガスを吹酸しつつ、鋼中の炭
素を上吹き酸素によって脱炭している。溶鉄中から脱炭
反応や酸化鉄などの還元反応によって発生するＣＯガス
は、上吹き酸素ジェット中に再び巻き込まれ、CO+1/2O₂
→CO₂で表される二次燃焼によってフレームを形成す
る。フレーム中で生成するCO₂は一部に再び溶鉄中の脱
炭反応(CO₂+C→2CO)に消費されるものを除いて、排ガス
として排気ダクトから炉外へ排出される。

【０００９】吹酸中、二次燃焼による熱供給が有効な時
期には二次燃焼率を１０〜５５％にコントロールすると
共に、伝熱媒体の切り出し装置より伝熱媒体を酸素
ランス配管に供給する。二次燃焼のコントロールには、
ランスギャップの変化や、ノズルからの酸素ジェット速
度の変化をさせることが有効である。二次燃焼率の上昇
のためには、ランスギャップの上昇や、ソフトブローラ
ンス(6孔以上の多孔や、ストレートノズル、スリット状
のノズルを配したもの等)へのランス交換などを行い、
逆に、二次燃焼率の低減のためにはランスギャップの下
降やハードブローランス(通常4孔以下少数孔やラバール
ノズルを利用したもの等)へのランス交換が簡易である
が、例えば、７孔ランスの酸素孔をそれぞれ３孔と４孔
などの二系統に配管分岐させて接続しておき、二次燃焼
を高める時には７孔から均等に酸素を噴出させてソフト
ブロー化を図り、二次燃焼を下げるときには４孔側から
はパージガスを少量流し、３孔側のみを酸素専用ノズル
としてハードブロー化する等、複数系統のランスによる
コントロールも効果的である。

【００１０】二次燃焼率は、脱炭反応や酸化物の炭素還
元反応によって発生するＣＯガスと、二次燃焼によって
生成するＣＯ₂ガス発生量より(2)式で定義できる。

【００１１】ＣＯ₂／（ＣＯ＋ＣＯ₂）…………(2) この二次燃焼率の測定は、排気ダクト５内に設置された
排ガス濃度分析計による測定により一般に行われる。
なお、通常の排ガス設備では排気ダクト内への空気浸入
などの影響を受けるため、窒素濃度のマスバランス等に
よって炉内における反応分を算出評価する必要があり、
また、燃料源として揮発分の多い炭材や、底吹きガスに
プロパンガスなどの炭化水素系ガスを多く含み、炉内の
Ｈ₂Ｏガス濃度が１体積％以上になる場合には水素燃焼
の反応熱を無視できなくなることから、二次燃焼は下記
(3)式によって定義される。

【００１２】（ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ）／（ＣＯ＋ＣＯ₂＋Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）…………(3) また、酸素と共にランスから供給される伝熱媒体の供
給速度は上吹き酸素流量と二次燃焼率より次式の比率の
範囲で吹き込むことが必要である。

【００１３】伝熱媒体供給速度(kg/min)＝ｋ×二次燃焼
率(%)×上吹き送酸速度(Nm³/min) ここで０．０６≦ｋ≦０．７５二次燃焼率を高めた場合、二次燃焼フレームの温度が２
５００℃以上の高温になることから、二次燃焼フレーム
の温度が輻射伝熱によって排ガスおよび炉壁温度の上昇
をもたらす。このとき、伝熱媒体は、二次燃焼フレーム
中で加熱される反面、伝熱媒体の冷却作用によってフレ
ーム温度を低位に安定化させることができる。このと
き、伝熱媒体に用いるものとしては、鉄浴に配合される
副原料の代替材料とすることで、耐火物に対する輻射ダ
メージを抑制しつつ、二次燃焼で発生した熱で副材を有
効に加熱して鉄浴に供給できることから、媒体を利用し
た着熱効率が大幅に向上する。伝熱媒体供給速度に(1)
式で示した下限値と上限値を設けた理由は、下限値未満
では、媒体によるフレーム冷却効果が小さすぎることか
ら耐火物の温度上昇を効率的に防止できないためであ
り、また、上限値を超える場合では、酸素ガスを用いた
冷却媒体供給が困難になるためである。

【００１４】また、伝熱媒体の粒度分布は、全体の質量
比の７０％以上は400μm以下のサイズにすることが望ま
しい。これは、伝熱媒体の粒度分布が大きいサイズのも
のが多い場合、フレームで高速に鉄浴面に供給されるま
での時間には伝熱媒体中の熱伝導が十分進行しないこと
から、フレームと伝熱媒体中の熱交換が十分に進まず、
効率が低下するためである。伝熱媒体の粒度分布に下限
は設けていないが、粉体切り出しや配管素材を適宜選択
することによって、１μm程度の微粉でも問題なく供給
し伝熱に利用することができる。

【００１５】伝熱媒体の物質としては、スクラップ代替
の鉄やフェロアロイ、生石灰粉などの各種金属や酸化物
およびそれらの混合物が使用可能であるが、金属分を含
む媒体を使用する場合には、フレーム内で酸素と反応す
る発熱量が十分小さくなるように組成や粒径、表面コー
ティング条件などを考慮する必要がある。同様の理由
で、フレーム中で容易に酸素と反応して発熱する炭材や
廃プラスチック粉体などは伝熱媒体には適さない。

【００１６】また、メタル成分よりも安価で、フレーム
内加熱によって効率的に還元反応を促進できる鉄鉱石や
転炉ダスト、マンガン鉱石等を使用し、還元剤としての
炭材をマスバランスに併せてホッパーからの投入や初
期の成分配合によって供給することもでき、通常の上添
加よりも還元反応を促進することができ、また、熱効率
の向上によるコスト改善効果も大きい。このとき、還元
剤としての添加炭材は、添加中に酸素フレーム内で燃焼
し、フレーム温度を上昇させて耐火物に悪影響を与える
ことがない添加条件を適宜選択する必要がある。

【００１７】また、伝熱媒体のキャリアーガスは酸素ガ
スで良い。しかし、発火性の金属粉末などが酸素配管中
で燃焼することを防止する目的で、ＡｒやＮ₂等の不活
性ガスでランスに供給し、ランスノズル先端等の発火の
危険性が小さい部分で酸素と混合して鉄浴に供給しても
良い。なお、不活性キャリアガスの流量増加は、フレー
ム温度の低下にもつながることから、熱効率向上の面
で、不活性キャリアガスの使用は上吹き酸素流量の５０
％以下に抑えることが望ましい。

【００１８】二次燃焼率の制御範囲を１０〜５５％とし
たのは、二次燃焼率が１０％未満では、二次燃焼による
耐火物ダメージが比較的小さく本発明による実施効果が
顕著ではないこと、また、二次燃焼率が５５％を超える
場合には、発生熱が大量であることから、耐火物ダメー
ジを十分に軽減できる量の伝熱媒体を供給するための酸
素流量を確保することが困難であるからである。

【００１９】また、上吹き酸素からの副材添加技術とし
ては、高温の火点を利用したＭｎ鉱石の還元反応の促進
（特開平4-254507号公報等）や、精錬フラックスの滓化
促進による精錬能向上(特開平8-232008号公報等)がある
が、これらの技術では、耐火物ダメージ軽減を考慮した
適正二次燃焼率範囲や粉体供給条件を得ることができな
い。また、鉄浴への着熱量上昇のため、酸素と共に炭素
含有燃料を供給する技術も提案されているが(特開昭60-
221511号公報等)、これらの手段では、フレーム内で酸
素と炭材が燃焼反応を発生し、反応熱が増加し、耐火物
に対するダメージは本発明実施の場合とは逆に増加す
る。本発明では上記の作用によって二次燃焼によるフレ
ーム温度上昇を媒体へ熱伝達させることによって抑制
し、排ガス温度上昇を回避して耐火物へのダメージを回
避しつつ供給熱を増加させることができるため、熱エネ
ルギーの利用によって、転炉吹錬における供給酸素の一
部を鉄鉱石やマンガン鉱石等の安価な金属酸化物で代替
して、鉄やマンガン等の有価金属の還元を同時に行った
り、冷鉄源配合比の増加などが可能であるし、溶融還元
やスクラップ溶解に必要な炭材使用量の削減などを安定
的に実現できる。

【００２０】

【実施例】上記効果の検証を目的として、６ｔ試験転炉
によるテストを実施した。

【００２１】表１に試験操業において用いられた処理前
溶銑の成分範囲を示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】上吹き送酸速度は１２Ｎｍ³／ｍｉｎ一定
として、ランスノズルは８孔のストレートノズルを用
い、底吹き攪拌ガスは流量２Nm³/minのArガスで行っ
た。二次燃焼率のコントロールは、排ガス分析計の連続
データから換算した炉内での二次燃焼率(前記(2)式で定
義)をモニターしながらランスハイトを鉄浴面から０．
５〜２．５ｍの間で変化させることで目標二次燃焼率±
３％の精度でコントロールした。また、炉内の炭素濃度
の推定には積算送酸量と二次燃焼のマスバランス計算に
加え、サブランス測定を併用して実施した。伝熱媒体に
は、鉄鉱石を用い、粒度は分級によって２００μmアン
ダー、２００〜４００μm、４００〜１０００μmの３種
類をそれぞれ分級選別して用い、吹錬開始後１〜２分の
時点より炭素濃度が約１％と推定される時点まで脱炭が
進行する間、所定の二次燃焼率に制御しつつ伝熱媒体で
ある鉄鉱石を供給し、その後、ランスギャップを低下さ
せて１０％以下の二次燃焼率に維持して最終的に[C]0.0
3〜0.07質量％の溶鋼を溶製した。今回の実験条件にお
いては、炭素濃度が１％以上の領域で鉄鉱石を伝熱媒体
として供給しているが、浴面での炭素で効率よく還元さ
れ、通常吹錬と比較して吹き止め時のｔ．Ｆｅ濃度の異
常な上昇は見られず、鉄鉱石中鉄分の９０質量％以上は
メタル歩留りの上昇に有効に消費されている。また、伝
熱媒体による耐火物温度低減効果を評価するため、吹錬
中を通して出鋼孔より二色温度計を挿入して炉口部にお
ける排ガス温度を測定し、炭素濃度２質量％付近にまで
脱炭が進行したと考えられる時点における排ガススーパ
ーヒート（△Ｔ ℃）をサブランスによって測定した溶
鉄温度と排ガス温度の差より求めた。

【００２４】図２には、二次燃焼率を一定値(３０％)に
コントロールして、伝熱媒体供給速度（二次燃焼率、上
吹き送酸速度は一定なので(1)式中のkのみで定義）を変
化させて、上記実験方法によって測定された△Ｔ(℃)
（排ガス温度−溶鉄温度）の値を示す。伝熱媒体供給配
合率kが0.065以上では、全ての水準において△Ｔを１０
０℃以下に抑制できている。また、ｋが0.75を越える領
域では、固体輸送量がキャリアガスである酸素流量の上
限を超え、一定の処理時間安定して伝熱媒体の供給を行
うことができなかった。また、図２は、供給した伝熱媒
体の粒度の違いによる影響を示し、粉体の粒度が４００
μm以下の○,●印および、混合品＋印(200〜400μmと40
0〜1000μmを7:3の質量比で均一に混合したもの)では、
(1)式で規定したkの範囲では△Ｔは５０℃以下に特に低
位に制御できていることが分かる。これは、粉体中の４
００μm以下の質量分布を７０質量％以上のものを用い
て、粉体内の熱伝達が高位に確保できた効果によるもの
と考えられる。また、図３には、二次燃焼率を７〜７０
％の範囲で変化させて、伝熱媒体を供給しない通常の吹
錬を行った場合の△Ｔ（○印）と、それぞれ同じ二次燃
焼率の条件に設定してｋを０．２一定にした条件で伝熱
媒体を供給した場合の△Ｔ（●印）を示す。図３より本
発明の範囲内(二次燃焼率10〜55％)では、△Ｔを100℃
以下に制御できていることが分かる。また、二次燃焼率
が７％の場合には、伝熱媒体供給の無い場合の△Ｔは10
0℃以下であるように伝熱媒体供給による効果が小さ
い。また、二次燃焼率が55％を超える場合には、発熱量
自体が増加することから△Ｔを100℃以下に維持するこ
とができていない。この、二次燃焼が55％を超える領域
において、ｋ値を増加させて△Ｔを更に低減することは
可能であるが、(1)式より明らかなとおり、伝熱媒体供
給量はｋ値および二次燃焼率に比例することから55％を
超える高二次燃焼領域でｋ値を上昇させる場合には、単
位キャリアガス流量当たりの固体輸送量が急激に増加す
ることから媒体輸送が難しくなり、△Ｔを本発明の実施
例で得られた値と同レベルの100℃以下に抑制すること
は困難であると考えられる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によって、二次燃焼によって発生
する熱を排ガス温度上昇による耐火物ダメージを回避し
つつ、酸化物還元や合金鉄溶解、副材溶解や鉄浴加熱に
利用できることから、安価な加熱源を安定操業の元で活
用することができ、コスト、生産性向上の両面で工業的
利用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例を模式的に示したもの
である。

【図２】図２は、排ガススーパーヒート（△Ｔ）の低減
効果に対する伝熱媒体供給量の効果を示した図である。

【図３】図３は、排ガススーパーヒート（△Ｔ）に対す
る伝熱媒体供給量の有無の効果を、二次燃焼率との関係
と共に示した図である。

【符号の説明】：転炉：溶鉄：上吹きランス：酸素ガス：排気ダクト：伝悦媒体切り出し装置：伝熱媒体：排ガス濃度分析計：ホッパー

フロントページの続き (72)発明者北村信也富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内Ｆターム(参考） 4K002 AB01 AB04 AD05 4K013 CA04 CB04 EA02 4K055 AA02 MA02 MA17 4K056 AA02 BA06 CA02 DA02 DA33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】精錬容器にランスから酸素と共に伝熱媒
体を吹き込む際に、精錬容器内の二次燃焼率を１０〜５
５％の範囲とし、伝熱媒体を(1)式の範囲で吹き込むこ
とを特徴とする二次燃焼による反応熱の利用方法。伝熱媒体供給速度(kg/min) ＝ｋ×二次燃焼率(%)×送酸速度(Nm³/min) ここで０．０６≦ｋ≦０．７５・・・・・・・・・・・・(1)
【請求項２】伝熱媒体の粒度を400μm以下のサイズ比
率を７０％以上にすることを特徴とする請求項１記載の
二次燃焼による反応熱の利用方法。