JP2003194307A - バーナ・ランスおよび精錬方法 - Google Patents

バーナ・ランスおよび精錬方法

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JP2003194307A JP2002288115A JP2002288115A JP2003194307A JP 2003194307 A JP2003194307 A JP 2003194307A JP 2002288115 A JP2002288115 A JP 2002288115A JP 2002288115 A JP2002288115 A JP 2002288115A JP 2003194307 A JP2003194307 A JP 2003194307A
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弘 五十嵐
Hiroyuki Nakabayashi
宏行 中林
Nobuaki Kobayashi
伸明 小林
Yoshiteru Kikuchi
良輝 菊地
Fumihiro Washimi
郁宏 鷲見
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼炎の不安定化による加熱効率の低下を防
ぎ、かつ支燃性流体流を高速化することができ、しかも
取り扱い性およびメンテナンス性に優れたバーナ・ラン
スを提供する。 【解決手段】 酸素を含む支燃性流体を供給する支燃性
流体供給管2の外周側に、燃料流体を供給する燃料流体
供給管3が設けられた二重管構造を有し、これら供給管
の隙間が燃料流体流路11とされ、支燃性流体供給管2
に、燃料流体をこの供給管2の内部に導く燃料流体噴出
孔8が形成され、燃料流体噴出孔8より先端側に、ほぼ
一定の内径を有する直胴部9が形成され、この直胴部9
の内面に、周方向にわたって溝10が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素を含む支燃性
流体を噴出させつつ、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱
するバーナ・ランスおよび精錬方法に関する。
【0002】
【従来の技術】酸素を含む支燃性流体(酸素、空気、酸
素富化空気等)を噴出させつつ、燃料を燃焼させて被加
熱物を加熱するバーナは、様々な生産プロセスで用いら
れている。例えば、電気炉製鋼プロセスにおいては、鉄
屑等の原料を電気炉内で加熱し、溶融させる際に、原料
にコールドスポットといわれる低温部分が生じ、この部
分において原料が溶融しにくくなることがある。このた
め、この低温部分の原料を加熱し、その溶融を促進する
ことを目的として、補助的にバーナが使用される。バー
ナの使用によって、原料の加熱効率を高め、原料溶融の
ための電力使用量を低減し、溶融コストを削減すること
ができる。また、支燃性流体によって原料の一部を酸化
・溶融させ、切断を促し、原料に対する加熱効率を高め
ることができる。さらには、支燃性流体の供給によっ
て、未燃焼流体(一酸化炭素等)の燃焼を促進すること
ができる。バーナは、支燃性流体の流速を高めるほど、
被加熱物の切断速度を高め、加熱効率を高めることがで
きるため、支燃性流体の流れの高速化が要望されてい
る。
【0003】しかしながら、支燃性流体の流れを高速化
する(例えば音速を超える速度とする)と、この流体の
流れによって燃料の燃焼炎が不安定になり、かえって加
熱効率が低下することがあった。燃焼炎の安定化を図る
ことができるバーナとしては、特許文献1、2に記載さ
れたものがある。これら公報に記載されたバーナは、酸
素ガス供給管の外周側に、燃料ガス供給管が設けられ、
さらにその外周側に、二次酸素を供給する二次酸素供給
管が設けられた三重管構造を有する。また、特許文献3
には、酸素を供給する中央導管の外周側に、燃料供給用
の管と、二次酸素供給用の管が設けられ、燃料および二
次酸素をバーナ先端の噴出孔から噴出させることができ
る三重管構造のバーナ・ランスが提案されている。これ
らのバーナでは、酸素ガス供給管から高速の酸素ガス流
を噴出させるとともに、二次酸素を用いて燃料ガスを燃
焼させることができるようになっており、二次酸素によ
って燃焼炎を安定化させることができる。このため、燃
焼炎の不安定化による加熱効率の低下を引き起こすこと
なく、酸素ガス流を高速化することができる。
【0004】
【特許文献1】特開平8−75364号公報
【特許文献2】特開平10−9524号公報
【特許文献3】特開平10−259413号公報
【0005】また、一般に、液体燃料を燃焼させる場合
には、液体燃料を微粒化し霧状にするのが好ましい。こ
の微粒化には、油圧法または高圧気流法が用いられてい
る。油圧法は、液体燃料を高圧化して噴霧する手法であ
り、高圧気流法は、空気や水蒸気などの高圧の霧化媒体
を用いて液体燃料を微粒化する方法である。
【0006】しかしながら、これらのバーナでは、三重
管構造とされていることから、構造が複雑である上、全
体のサイズが大きくなってしまう。このため、メンテナ
ンスが難しく、しかも取り扱いがしにくい問題があっ
た。また、被加熱物が溶融金属等である場合には、被加
熱物の一部がガス流によって飛散し、飛散物が燃料ガス
や二次酸素の噴出孔を閉塞させることがあり、メンテナ
ンスに手間がかかる問題もあった。
【0007】また、液体燃料を用いる場合には、油圧法
と高圧気流法のいずれを採用してもノズル構造が複雑化
し、取り扱い性およびメンテナンス性の点で不利となる
問題があった。
【0008】また、鉄鋼精錬プロセスにおいては、高炉
などで製造した溶鉄(例えば溶銑や、溶銑を脱炭して得
られた溶鋼)を効率的に精錬するため、酸素などの支燃
性流体の供給は重要である。支燃性流体は、溶鉄中の珪
素、燐、炭素などの除去や、別途添加される炭素、珪
素、アルミニウムなどが酸化する際の発生熱を溶鉄に着
熱させる(熱付加)ために用いられる。支燃性流体を溶
鉄に作用させる際には、上記除去反応や熱付加の効率を
高めるために、溶鉄を攪拌し混合することが好ましい。
このため、支燃性流体を供給するには、支燃性流体供給
管に、内径が先端方向に向けて徐々に大きくなるテーパ
部が形成されたラバールノズルを有するランスが用いら
れている。このタイプのランスを用いると、支燃性流体
の初速が超音速となり、効率よく溶鉄を攪拌することが
できる。支燃性流体に与えられたエネルギーを効率よく
攪拌力に変換するためには、浴面(溶鉄表面)に対し、
ランスをできるだけ低く配置することが有効であるが、
ランスを低く配置すると、輻射熱などによりランスが劣
化しやすくなる問題がある。そのため、ランスを高く配
置せざるを得ず、高い精錬効率を得るのは難しい。ま
た、支燃性流体の流量などに応じて、ノズル形状や供給
圧力の適正化などが行われているが(例えば特許文献4
を参照)、支燃性流体を十分に高速化するのは難しく、
高速化を実現できる精錬方法が要望されている。
【0009】
【特許文献4】特開平10−30110号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
鑑みてなされたもので、その課題は次に示すとおりであ
る。 (1)燃焼炎の不安定化による加熱効率の低下を防ぎ、
かつ支燃性流体を高速化することができ、しかも取り扱
い性およびメンテナンス性に優れたバーナ・ランスを提
供する。 (2)精錬効率を向上させることができる精錬方法を提
供する。 (3)液体燃料を用いる場合でも、取り扱い性およびメ
ンテナンス性に優れたバーナ・ランスを提供する。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明のバーナ・ランス
は、酸素を含む支燃性流体を供給する支燃性流体供給管
の外周側に、燃料流体を供給する燃料流体供給管が設け
られた二重管構造を有し、これら供給管の隙間が燃料流
体流路とされ、支燃性流体供給管に、燃料流体をこの供
給管の内部に導く燃料流体噴出部が形成され、燃料流体
噴出部より先端側の支燃性流体供給管内面に、周方向に
わたって溝が形成されていることを特徴とする。前記溝
の深さL1は、次式で表される範囲内であることが好ま
しい。
【数2】 本発明のバーナ・ランスでは、燃料流体噴出部より先端
側に、ほぼ一定の内径を有する直胴部を形成するのが好
ましい。本発明のバーナ・ランスは、液状の燃料流体を
用いた場合に、その噴出流速を1.0m/s以上とし、
かつ燃料流体噴出部の直径の総和L4と、支燃性流体供
給管の出口の内周縁長さπD2との比L4/πD2が、
次式で表される範囲内である構成とすることができる。 L4/πD2≧0.1
【0012】本発明の冷鉄源の溶解・精錬炉の操業方法
は、バーナ・ランスを用いて、酸素を含む支燃性流体と
燃料流体との混合流体を燃焼させつつ冷鉄源に向けて噴
出させることによって、冷鉄源を溶解し、精錬する炉の
操業方法であって、冷鉄源が溶解する溶解工程と、冷鉄
源が溶落ちした後の精錬工程とにおいて、それぞれ独立
に燃料流体供給量を設定することを特徴とする。溶解工
程においては、混合流体を、1≦酸素比<3とし、溶落
ちした後の精錬工程においては、混合流体を、酸素比≧
3とすることが好ましい。本発明の冷鉄源の溶解・精錬
炉の操業方法では、上記バーナ・ランスを用いることが
できる。本発明の操業方法は、脱珪、脱燐、脱硫、脱
炭、昇温、熱付加、スクラップ溶解、合金溶解、還元処
理のうち1種以上を対象とすることができる。支燃性流
体としては、純酸素ガス、工業用酸素ガス、空気のうち
1種または2種以上を用いることができる。
【0013】本発明の精錬方法は、バーナ・ランスを用
いて、酸素を含む支燃性流体と燃料流体との混合流体を
燃焼させつつ溶鉄に向けて噴出させることによって、こ
の溶鉄を精錬することを特徴とする。混合流体は、酸素
比>5であることが好ましい。本発明の精錬方法では、
上記バーナ・ランスを用いることができる。本発明の精
錬方法は、脱珪、脱燐、脱硫、脱炭、昇温、熱付加、ス
クラップ溶解、合金溶解、還元処理のうち1種以上を対
象とすることができる。本発明では、精錬にあたって、
固体炭素源、炭化水素源、石灰源、マグネシウム源、ア
ルミニウム源、鉄鉱石、マンガン鉱石、合金のうち1種
以上を溶鉄に添加することができる。本発明では、炭素
濃度が0.6mass%以下である低炭素域において、
溶鉄の精錬を行うことができる。支燃性流体としては、
純酸素ガス、工業用酸素ガス、空気のうち1種または2
種以上を用いることができる。本発明の精錬方法では、
精錬の際に発生する排ガスから顕熱または潜熱を回収す
ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は、本発明のバーナ・ランス
の一実施形態を示すもので、ここに示すバーナ・ランス
1は、酸素を含む支燃性流体を供給する支燃性流体供給
管2の外周側に、燃料流体を供給する燃料流体供給管3
が設けられ、さらにその外周側に、管状の水冷ジャケッ
ト4が設けられたノズル5を備えている。すなわち、こ
のノズル5は、支燃性流体供給管2と燃料流体供給管3
とからなる二重管構造物の外周に、水冷ジャケット4が
設けられた構成となっている。
【0015】支燃性流体供給管2は、酸素を含む支燃性
流体を、その内部に流通させることができるようになっ
ている。以下、支燃性流体供給管2の内部を支燃性流体
流路6という。支燃性流体供給管2には、他の部分に比
べ内径が小さい細径部2aが形成されている。以下、こ
の細径部2aにおける支燃性流体流路6をスロート部7
という。
【0016】スロート部7の内径(細径部2aの内径)
D1は、次のようにして設定するのが好ましい。一般
に、ラバールノズルのスロート部の断面積AL1、およ
び出口断面積AL2は、以下に示す式(1)、(2)よ
り求めた値で設計される。
【0017】
【数3】
【0018】
【数4】
【0019】図1に示すバーナ・ランス1におけるスロ
ート部7の断面積をA1とし、供給管2の先端における
支燃性流体流路6の断面積(出口断面積)(直胴部9の
流体流路断面積)をA2とすると、これら断面積A1、
A2の比率(A2/A1)は、式(2)に示すラバール
ノズルの断面積比(AL2/AL1)以上となるように
設定されるのが望ましい。この断面積比A2/A1を、
ラバールノズルの断面積比AL2/AL1以上に設定す
ることによって、支燃性流体の流れを、若干、過膨張状
態とし、供給管2内の圧力を低くし(例えば大気圧以
下)、支燃性流体が燃料流体の流路に流入することによ
る逆火を未然に防ぐことができる。
【0020】細径部2aの先端側には、テーパ部2bが
形成されている。テーパ部2bは、供給管2の内径が先
端方向に向けて徐々に大きくなるように形成されてい
る。供給管2の中心軸方向に対するテーパ部2bの傾斜
角度θ1は、3〜10°とするのが好ましい。この傾斜
角度θ1をこの範囲とすることによって、支燃性流体の
流れを高速化することができる。この傾斜角度θ1が上
記範囲未満である場合、および上記範囲を越える場合に
は、支燃性流体の流速が低下する。
【0021】テーパ部2bの先端付近の供給管2には、
燃料流体を供給管2の外部から内部に導く燃料流体噴出
孔8が形成されている。燃料流体噴出孔8は、供給管2
内に向けて開口するように形成されている。燃料流体噴
出孔8(燃料流体噴出部)は、供給管2の周方向にわた
って複数形成され、供給管2からの支燃性流体の流れを
ほぼ囲むように、燃料流体を噴出させることができるよ
うに構成するのが好ましい。図示例において、燃料流体
噴出孔8は、周方向に等間隔に8つ形成されている。燃
料流体噴出孔8は、供給管2の外側から内側に向けて先
端方向に傾斜して形成されており、燃料流体として液体
燃料を使用する場合、供給管2の中心軸方向に対する噴
出孔8の傾斜角度θ2(噴出孔8の中心軸の傾斜角度)
は、5〜90°とするのが好ましい。傾斜角度θ2が上
記範囲未満であると、供給管2内において燃料流体と支
燃性流体の混合が不十分になりやすくなる。傾斜角度θ
2が上記範囲を越えると、燃料流体の流量が低下しやす
くなる。燃料流体として気体燃料を使用する場合、噴出
孔8の傾斜角度θ2は、60°以下とするのが好まし
い。傾斜角度θ2が上記範囲を越えると、燃料流体の噴
出により支燃性流体の流れが乱され、混合流体の流速が
低下する。
【0022】テーパ部2bの先端側には、ほぼ一定の内
径を有する直胴部9が形成されている。この直胴部9の
内面(燃料流体噴出孔8より先端側の支燃性流体供給管
2の内面9a)には、周方向に沿って溝10が形成され
ている。溝10は、燃料流体の燃焼炎を安定化するため
のもので、直胴部9の全周にわたって形成されている。
溝10の深さL1は、次に示す式(3)を満たすように
設定するのが好ましい。
【0023】
【数5】
【0024】溝10の深さL1が上記範囲を下回ると、
燃料流体の燃焼炎が不安定になりやすくなる。溝10の
幅L2は、L1と同等以上にすることが好ましい。この
幅L2が上記範囲未満である場合には、燃料流体の燃焼
炎が不安定になりやすい。
【0025】燃料流体供給管3は、LNG(液化天然ガ
ス)等の燃料流体を、供給管2、3の隙間(以下、燃料
流体流路11という)に流通させることができるように
なっている。燃料流体供給管3の先端と、支燃性流体供
給管2の先端との間には、これら供給管2、3間を閉止
する閉止壁部12が設けられており、これによって、燃
料流体の全量を噴出孔8に導くことができるようになっ
ている。
【0026】水冷ジャケット4は、その内部に冷却水を
流通させることができるようになっており、この冷却水
の流通によって、供給管2、3の内部温度を調節するこ
とができるようになっている。
【0027】次に、バーナ・ランス1の使用方法につい
て説明する。支燃性流体を支燃性流体供給管2に供給
し、先端側から噴出させる。支燃性流体としては、酸素
含有流体(空気、酸素、酸素富化空気など)を用いるこ
とができる。支燃性流体供給管2には、テーパ部2bが
形成されているため、このテーパ部2bにおいて、支燃
性流体流路6の断面積が先端方向に向けて徐々に大きく
なっている。このため、テーパ部2bにおいて支燃性流
体を適度に膨張させ、支燃性流体の流れを高速化するこ
とができる。
【0028】この際、LNG(液化天然ガス)等の燃料
流体を、燃料流体流路11(供給管2、3の隙間)に供
給し、燃料流体噴出孔8を通して供給管2内に噴出させ
る。なお、燃料流体としては、LNGのほか、LPG
(液化石油ガス)、CO、H2、CO/H2混合ガスが
使用できる。また、重油、灯油などの液体燃料を用いる
こともできる。
【0029】燃料流体は、供給管2内で支燃性流体と混
合される。混合流体は直胴部9内を先端方向に流れ、燃
料流体が燃焼しつつ、ノズル5の先端から噴出する。直
胴部9内面には、溝10が形成されているため、燃焼し
つつ流れる混合流体の一部は、一旦溝10内に流入し、
溝10から流出した後、直胴部9内面に沿って先端方向
に流れる。
【0030】本実施形態のバーナ・ランス1は、以下の
効果を得ることができる。 (1)燃料流体噴出孔8より先端側の支燃性流体供給管
2の内面9aに、溝10が形成されているので、燃料流
体がこの溝10内に流入する。このため、支燃性流体の
流速にかかわらず、溝10内で燃料流体を安定的に燃焼
させることができる。よって、支燃性流体を高速化した
場合でも、燃焼炎を安定化することができる。従って、
燃焼炎の不安定化による加熱効率の低下を防ぎ、かつ支
燃性流体の流れを高速化することができる。 (2)支燃性流体供給管2の外周側に燃料流体供給管3
を設けた二重管構造を有するので、構造を簡略化し、全
体を小型化することができる。従って、メンテナンス性
を向上させるとともに、取扱いを容易にすることができ
る。 (3)燃料流体噴出孔8が、供給管2内に向けて開口す
るように形成されているので、被加熱物が溶融金属など
のように飛散しやすいものである場合でも、飛散物が噴
出孔8内に侵入しにくい。これは、供給管2からの支燃
性流体の流れによって、供給管2内への飛散物侵入が妨
げられるためである。従って、上記飛散物による噴出孔
8の閉塞を未然に防ぎ、メンテナンスを容易にすること
ができる。 (4)燃焼炎を安定化させることができるため、この燃
焼炎によって、支燃性流体の流れ方向の乱れを抑え、支
燃性流体の流速が噴射の過程で減衰するのを防ぐことが
できる。従って、支燃性流体の流速を高く維持し、加熱
効率をさらに高めることができる。 (5)燃料流体噴出孔8の先端側に、ほぼ一定内径の直
胴部9が設けられているため、燃料流体を、直胴部9の
内面に沿って、先端方向に向けて流すことができる。こ
のため、燃料流体の流れが径方向に拡がるのを防ぎ、燃
焼炎を先端方向に向け、加熱効率をさらに高めることが
できる。
【0031】図2は、本発明のバーナ・ランスの他の実
施形態を示すものである。ここに示すバーナ・ランス2
1において、燃料流体噴出孔8(液体燃料噴出孔)は、
供給管2の周方向にわたって複数形成され、供給管2か
らの支燃性流体の流れをほぼ囲むように、燃料流体を噴
出させることができるように構成するのが好ましい。図
示例において、燃料流体噴出孔8は、周方向に等間隔に
8つ形成されている。
【0032】バーナ・ランス21では、燃料流体噴出孔
8の直径D3の総和L4と、支燃性流体供給管2の出口
の内周縁長さπD2との比L4/πD2が、次式で表さ
れる範囲内であることが好ましい。 L4/πD2≧0.1 この比L4/πD2がこの範囲未満であると、燃料流体
として液状物(液体燃料)を用いた場合に、支燃性流体
をほぼ囲むように液体燃料を噴出させるのが難しくな
り、支燃性流体の速度減衰が大きくなる。また微粒化さ
れた液体燃料の粒径が大きくなり、液体燃料の燃焼効率
が低下する。供給管2の出口径D2はテーパ部2bの最
大内径に相当する。また出口径D2は直胴部9の内径に
相当する。
【0033】バーナ・ランス21は、液体燃料を用いた
場合に、その噴出流速を1.0m/s以上とすることが
好ましい。噴出速度がこの範囲未満であると、微粒化さ
れた液体燃料の粒径が大きくなり、液体燃料の燃焼効率
が低下する。
【0034】噴出孔8の傾斜角度θ2は、5〜90°と
することができる。傾斜角度θ2が上記範囲を越える
と、燃料流体の噴出により支燃性流体の流れが乱され、
混合流体の流速が低下する。
【0035】バーナ・ランス21では、支燃性流体をほ
ぼ囲むように液体燃料を供給し、支燃性流体によって液
体燃料を微粒化することができるため、液体燃料の加圧
や霧化媒体が不要であり、ノズル構造を簡略化すること
ができる。従って、取り扱い性およびメンテナンス性の
点で優れている。
【0036】上記実施形態では、支燃性流体供給管2内
に支燃性流体のみを供給する方法を例示したが、本発明
では、支燃性流体に、コークス、廃棄物燃料等の粉体を
混入させることもできる。この場合には、溶融金属など
の被加熱物を加熱する際に、粉体を燃焼させつつ被加熱
物に吹き込み、加熱効率を高めることができる。また、
本発明における流体とは、気体状態、液体状態、および
気体中にミスト状の液体が含まれる状態の流体を含む。
【0037】次に、本発明の冷鉄源の溶解・精錬炉の操
業方法について説明する。固体原料(冷鉄源)を溶解さ
せるには、電気炉を用いて、固体原料を炉内へ装入し、
アーク加熱により溶解させる。炉内には供給熱の不足に
よりコールドスポットが生じることがあるため、本発明
の操業方法では、バーナ・ランスを、コールドスポット
を加熱できるように設置することができる。電気炉溶解
では、主に固体原料を溶解させる工程(溶解工程)と、
それが溶落ちし液体状態となった液状物(溶鋼など)を
昇温、精錬する工程とがある。
【0038】本発明の操業方法では、バーナ・ランスを
用いて固体原料を溶解し、精錬するに際して、固体原料
が溶解する工程と、固体原料が溶落ちした後の精錬工程
において、それぞれの工程に適した条件となるように、
独立的に燃料流体供給量を設定する。本発明のバーナ・
ランスは、支燃性流体と燃料流体の混合流体を、火炎と
ともに高速で噴出させることができるため、優れた溶断
能力を有する。溶解工程においては、固体原料を溶断し
つつ加熱することができるため、加熱効率を高めること
ができる。このため、燃料への着熱効率を高め、より多
くの燃料を燃焼させ、電力原単位を低減することができ
る。
【0039】一方、溶落ち以降の精錬工程では、炉内
は、底部に溶鋼やスラグなどがあり、その上方は空間部
となるため、多量の燃料を供給したとしても、その着熱
効率は低くなる。このため、流体流速が減衰するのを抑
止する効果が得られる範囲で最小限の燃料を供給するこ
とによって、炉壁から浴に向けて効率よく支燃性流体
(酸素)を吹き込み、脱炭反応やスラグフォーミングを
促進させる。
【0040】溶解工程では、酸素比が1≦酸素比<3を
満たすようにするのが好ましい。これによって、固体原
料の溶断、溶解を促すとともに、炉内で発生する一酸化
炭素などの可燃成分を燃焼させることができる。なお酸
素比とは、燃料流体の完全燃焼に必要な酸素量に対して
供給する酸素量の比をいう。溶落ち以降の精錬工程で
は、燃料流体供給量を大幅に低く、好ましくは酸素比が
3以上となるようにし、支燃性流体(酸素)を高速で吹
き込むことによって、脱炭反応およびスラグフォーミン
グを促進しつつ、固体原料を溶解させることができる。
【0041】このように、固体原料が溶解する溶解工程
と、固体原料が溶落ちした後の精錬工程において、独立
的に燃料流体供給量を設定する方法によれば、燃料流量
のみを調整するという単純な方法によって、各工程の効
率化を図ることができる。
【0042】次に、本発明の精錬方法について説明す
る。本発明の精錬方法は、バーナ・ランスを用いて、酸
素を含む支燃性流体と燃料流体との混合流体を、燃料流
体を燃焼させつつ、溶鉄(溶銑や溶鋼)に向けて噴出さ
せることによって溶鉄を精錬する方法である。一般に、
高炉から出銑された溶銑は、溶銑鍋などの搬送用器に受
銑され、脱珪、脱燐、脱硫などの予備処理が施された後
に、転炉に装入され、必要に応じて予備処理された後、
脱炭される。脱炭された溶鋼は、溶鋼鍋などの搬送容器
により搬送され、二次精錬工程に供される。本発明の精
錬方法は、溶鉄(溶銑や溶鋼)を受容する容器、例えば
転炉、溶融還元炉、脱炭炉、二次精錬炉などの精錬炉に
おいて実施することができる。本発明の精錬方法は、高
炉鍋、混銑車(トピードカー)、装入用の鍋などの輸送
用容器において実施することもできる。上記容器は、支
燃性流体の排ガスを処理する処理装置を有するものであ
ることが好ましい。
【0043】以下、本発明の精錬方法を転炉内の溶鉄に
対して適用した例を説明する。一般に、転炉に装入され
た溶銑は、ランスからの酸素供給(送酸)によって脱炭
され、溶鋼として次工程に供される。この際、スラグや
溶鋼の成分調整を目的として、精錬剤(CaO、ドロマ
イトなど)、鉱石類(鉄鉱石、マンガン鉱石など)、合
金類などが添加される。また、鉄スクラップの溶解、昇
温などを行う際には、十分な熱量が必要となる。またマ
ンガン鉱石などの鉱石類を還元処理する際には、十分な
還元熱が必要である。このため、溶鉄中の炭素などの量
が十分でない場合には、酸素の供給が十分であっても熱
補償が必要となり、コークス、土壌黒鉛、石炭などの炭
材が添加される。酸素供給には、通常、深冷法などで製
造された純度99%以上の酸素ガスが用いられる。酸素
供給流量の上限は、脱炭で生成する、一酸化炭素を主成
分とする排ガスを排気する設備の能力に応じて定めるこ
とができる。酸素供給流量は、通常、処理される溶鉄1
トンあたり100〜300Nm/hとされる。
【0044】転炉内の溶鉄に対し酸素供給を行う際に
は、例えば、昇降台車に設置された水冷式の酸素供給用
ランスが用いられる。このランスとしては、例えば図1
に示すバーナ・ランス1を用いることができる。バーナ
・ランス1を、排ガスフードのランス孔から炉内に導入
し、バーナ・ランス1を用いて、支燃性流体と燃料流体
との混合流体を、燃料流体を燃焼させつつ溶鉄に向けて
噴出させる吹錬を行う。この際、溶鉄に対し上方から混
合流体を噴出させる上吹きを採用してもよいし、側方か
ら噴出させる横吹きを採用してもよい。
【0045】脱炭反応などの際にはスラグの生成や浴温
度の上昇が起こるため、スラグや温度の調整を目的とし
て、ランス高さや酸素供給量が適宜調整される。転炉に
おける吹錬の際には、酸素だけでなく種々の副原料が添
加されることがある。副原料は、通常、上方から自然落
下させることによって添加される。
【0046】吹錬の際には、次の反応が起きる。 (1)1/2O2+Fe=FeO (2)C+FeO=CO(ガス)+Fe (3)C+O=CO (4)1/2O2+CO=CO2 このほか、石灰を添加する場合には、石灰の溶解反応も
起きる。
【0047】この際、バーナ・ランス1による酸素供給
速度が高速であるほど、副原料、溶鉄、酸素の攪拌が効
率よく行われ、上記反応(2)が遅滞なく起こる優先脱
炭の条件となり、低炭素濃度になっても効率よく脱炭で
き、鉄の歩留まりを高くすることができる。特に、酸素
吹錬中の転炉内環境は、酸素の反応挙動の違いから、高
炭素域([C]>0.6mass%)と低炭素域([C]≦
0.6mass%)とに大別することができる。高炭素
域では、供給される酸素はほぼ全量が脱炭に費やされ、
高い酸素供給速度で吹錬が行われる。この際、反応は酸
素の供給律速となる。一方、低炭素域では、反応は炭素
の移動律速となり、酸素の一部が鉄の酸化にも費やされ
るため、鉄の酸化を抑制して脱炭酸素効率を高めるた
め、通常、酸素供給速度は低く抑えられる。
【0048】吹錬末期においては、浴中への酸素溶解が
増大しスラグの酸化度は高くなり、酸素供給量の抑制に
よる動圧の低下などで、スラグの酸化度は増大する傾向
がある。転炉の吹錬末期に、上記バーナ・ランス1を適
用することで、酸素流量を低下させても酸素を浴に高速
で添加することができるため、反応効率が改善され、ス
ラグの酸化度が低減し、鉄の歩留まり向上、溶鋼の酸化
度の低位安定化、さらにはマンガンの酸化が抑制され、
マンガンの歩留まりの向上がもたらされる。支燃性流体
が高速となると、浴中への進入深さが大きくなるが、支
燃性流体が炉底に達すると、炉が劣化することがあるた
め、支燃性流体の速度は、これらが炉底に達しない程度
に調整するのが好ましい。
【0049】本発明の精錬方法は、脱珪、脱燐、脱硫、
脱炭、昇温、熱付加、スクラップ溶解、合金溶解、還元
処理のうち1種以上に適用することができる。熱付加
は、鉄源や合金源添加時の熱補償のために行われる。還
元処理は、鉄鉱石、マンガン鉱石などを用いる場合に行
われる。精錬の際に用いる精錬剤は、精錬の目的に応じ
て選択使用すればよい。例えば、脱珪や脱燐では、酸素
との反応で生成する珪酸や燐酸をスラグとして安定化す
る必要があるため、安定化効果のある石灰源などを精錬
剤として用いるのが好ましい。石灰源は、CaOとCa
CO3のうち少なくとも一方を主成分とするものを用い
ると、迅速に溶融、スラグ化させることができるため好
ましい。本発明の精錬方法では、石灰源などの精錬剤を
支燃性流体とともに供給することもできるし、支燃性流
体とは別に溶鉄に直接添加してもよい。精錬剤を粉体と
して使用する場合には、供給の際に飛散などにより失わ
れる精錬剤量と、精錬剤の粉体化処理(粉砕処理)に要
するコストとを経済性の点で考慮する必要がある。精錬
剤の添加量は、精錬処理量、要求される精錬度、許容さ
れる精錬時間などの条件によって設定することができ
る。
【0050】脱珪においては、供給された酸素や、生成
した酸化鉄との反応によって、溶銑中の珪素が珪酸にな
る脱珪反応が重要である。この反応が遅滞すると、酸化
鉄の蓄積が起こったり、溶銑中の炭素との反応によって
酸素が消費されるようになり、脱珪効率が低下し、珪素
濃度を低くすることが難しくなる。バーナ・ランス1を
使用することによって、支燃性流体を高速で供給するこ
とができるため、優先脱珪反応を、珪素濃度が低くなる
まで継続させることができる。
【0051】脱燐においては、反応原理上、燐酸を固定
する溶融石灰と、酸素ポテンシャルを高位に保つ酸化鉄
が共存するスラグを、溶鉄と強攪拌することが必要であ
る。バーナ・ランス1を使用することによって、支燃性
流体を高速で供給することができるため、生成する高温
の酸化鉄を石灰と混合でき、石灰の溶解を促進でき、さ
らに生成するスラグの攪拌も可能となる。また浴面への
噴流の衝突圧を高めることができ、生成したスラグの浴
中への叩き込みによる分散や溶鉄流動増加でスラグの巻
き込みも増大でき、スラグの反応界面積の飛躍的な増大
が可能となる。
【0052】また、鉱石を還元処理する際には、鉄鉱
石、マンガン鉱石、その他の鉱石に対し、媒溶剤(石灰
など)、コークス、石炭などが還元剤や熱付加用の燃料
源として添加されることがある。バーナ・ランス1を使
用することによって、鉱石の還元時やスクラップ溶解時
の降温の補償や、単なる浴の昇温のために、燃料源を効
率的に燃焼し、発生した熱を効果的に着熱させることが
可能である。
【0053】本発明の精錬方法においては、コークス、
石炭などの固体炭素源:プラスチックなどの炭化水素
源:CaO、CaCO3等を含む石灰源:MgO、Mg
CO3等を含むマグネシウム源:Al、Al2O3等を
含むアルミニウム源:鉄鉱石:マンガン鉱石:合金のう
ち1種以上を溶鉄に添加することができる。固体炭素
源、炭化水素源、アルミニウム源は、燃料源として作用
する。本発明の精錬方法では、これらの燃料源や、燃料
として作用する溶銑中の炭素や珪素を効率よく燃焼させ
ることができ、スラグを含む浴を効率的に攪拌し、浴へ
の発生熱の着熱を促進することができる。
【0054】本発明の精錬方法では、支燃性流体を高速
化するため、バーナ・ランスの燃料(燃料流体)の燃焼
を適切に調整したり、燃料と支燃性流体との比率を適正
化することが重要である。燃料と支燃性流体との比率に
関しては、燃料が一部しか燃焼しないように設定するこ
ともできるし、燃料がすべて燃焼するようにすることも
できる。この比率については、支燃性流体を溶鉄に効率
よく作用させ、かつ高速化を達成するため、酸素比>5
とするのが好ましい。支燃性流体としては、純酸素ガ
ス、工業用酸素ガス、空気、これらの混合ガスなどの気
体酸素含有ガスを用いることが可能である。このほか、
気体状態に限らず、液体状態、および気体中にミスと上
の液体が含まれる状態の気液混合体であってもよい。ま
た、燃料に関しては、LPG、LNGなどの炭化水素系
ガスのほか、製鉄所内で回収される高炉ガス、転炉ガス
なども使用できる。また、本発明では、精錬の際に発生
する排ガスから、熱交換器などを用いて顕熱または潜熱
を回収することができる。
【0055】本発明の精錬方法では、支燃性流体を高速
化することができるため、従来より浴の深部まで支燃性
流体を吹き込むことができ、精錬効率を高めることがで
きる。
【0056】
【実施例】(実施例1)図1に示す構成のノズル5を有
するバーナ・ランス1を作製した。装置仕様を表1に示
す。スロート部7の断面積A1と、支燃性流体流路6の
出口断面積A2との比率(A2/A1)は、式(2)に
示すラバールノズルの断面積比(AL2/AL1)の
1.05倍に設定した。
【0057】(比較例1)ラバールノズルを有するバー
ナ・ランスを作製した。装置仕様を表1に併せて示す。
このバーナ・ランスは、直胴部、溝が形成されていない
点で実施例1のものと異なる。
【0058】
【表1】
【0059】実施例1および比較例1のバーナ・ランス
を用いて、燃焼試験を行った。支燃性流体としては酸素
を使用し、燃料としてはLPGを使用した。試験結果を
図3に示す。図3において、横軸はノズル先端から供給
管中心軸方向の距離を示し、縦軸は支燃性流体の流速を
示す。図3より、実施例1のバーナ・ランスでは、噴出
する支燃性流体の流速が高くなり、流体流速の減衰が起
こりにくかったことがわかる。
【0060】(実施例2)図1に示す構成のノズルを有
するバーナ・ランスを作製した。装置仕様を表2に示
す。燃焼試験結果を表3に示す。
【0061】(実施例3)L4/πD2と、燃料流体噴
出孔8の数が異なること以外は実施例2と同様にしてバ
ーナ・ランスを作製した。装置仕様を表2に示す。燃焼
試験結果を表3および図4に示す。
【0062】(比較例2)直胴部、溝が形成されていな
いバーナ・ランスを作製した。装置仕様を表2に示す。
燃焼試験結果を図4に示す。
【0063】
【表2】
【0064】
【表3】
【0065】表3より、実施例2は未燃分が多かった
が、実施例3では、未燃の液滴が飛散することなく、高
燃焼効率が達成でき、また火炎長も長くなったことがわ
かる。したがって、L/πDは、0.1以上にする
ことが望ましい。実施例3と比較例2で噴流速度の減衰
を調べた。図4より、実施例3では、比較例2に比べ、
噴流速度の減衰を大幅に抑制することができたことがわ
かる。
【0066】(実施例4)350kgスケールの誘導溶
解炉にて、温度1500℃、炭素濃度[C]が2.5重
量%となるように溶鉄200kgを溶製した。図1に示
す構成のバーナ・ランス1を、溶鉄の浴面から高さ35
0mmの位置に配置し、支燃性流体および燃料を溶鉄に
向けて5分間噴出させた。支燃性流体としては酸素を使
用し、燃料としてはLPGを使用した。同時に、粒径1
0mm以下の粒状コークスを炉内に連続的に添加した。
添加速度は15kg/hrとした。また、攪拌のため、
炉底のポーラスノズルよりArガスを炉内に供給した。
供給速度は3Nm/hrとした。装置仕様および試験
結果を表4に示す。
【0067】(比較例3)直胴部、溝が形成されていな
いこと以外は実施例4のものと同様のバーナ・ランスを
用いて、実施例4と同様の精錬試験を行った。装置仕様
および試験結果を表4に示す。
【0068】
【表4】
【0069】表4より、実施例4の精錬方法では、加炭
効率を高めることができたことがわかる。
【0070】(実施例5)珪素濃度が0.20〜0.2
1重量%の溶銑26.5トンを鍋に装入した。実施例1
で用いたものと同様のバーナ・ランス1を用いて、上部
から純酸素ガスを6分間供給し脱珪処理した。純酸素ガ
スの供給速度は450Nm/hrとした。装入前の溶
銑の[C]は4.5〜4.6重量%、温度は1385℃
であった。攪拌のため、鍋底のポーラスプラグより窒素
ガスを炉内に供給した。供給速度は10Nm/hrと
した。燃料としてはLPGを使用し、その供給速度は1
2.8Nm/hrとした。試験結果を表5に示す。
【0071】(比較例4)比較例1で用いたものと同様
のバーナ・ランスを用いて、実施例5と同様の試験を行
った。試験結果を表5に示す。
【0072】
【表5】
【0073】表5より、実施例5の精錬方法によれば、
脱珪効率を高めることができたことがわかる。これは、
純酸素ガスが高速で溶鉄に対し吹き付けられるため、溶
銑中の珪素と効率よく反応した結果であると考えられ
る。また、実施例5の精錬方法によれば、脱炭よりも優
先的に脱珪を行うことができ、珪素濃度を低くすること
ができる。このため、溶銑中の炭素の燃焼による溶銑温
度の過度の上昇が起こりにくい。
【0074】(実施例6〜9)[C]が4.7〜4.8重
量%、[Si]が0.01重量%以下であり、[Mn]が
0.2重量%である溶銑4トンを転炉に装入した。実施
例1で用いたものと同様のバーナ・ランス1を用いて、
上部から純酸素ガスを供給し吹錬を行った。純酸素ガス
の供給速度は、試験開始時に650Nm/hrとし、
[C]が0.5重量%以下となった時点で450Nm
hrとした。燃料としてはLPGを使用し、その供給速
度は12.8Nm/hrとした。また、攪拌のため、
炉底のポーラスプラグよりArガスを炉内に供給した。
供給速度は36Nm/hrとした。吹錬中に、マンガ
ン鉱石を表6に示す条件で添加した。マンガン鉱石の添
加は、試験開始から6分間のあいだに行った。マンガン
鉱石は上方から炉内に連続投入した。マンガン鉱石とし
ては、マンガン50重量%、珪酸5重量%を含有する粒
状物(粒径20〜60mm)を用いた。マンガン鉱石中
の珪酸量などを考慮して、スラグ塩基度が約3となる量
の生石灰を試験開始時に添加した。吹錬中に冷材として
鉄鉱石を添加し、処理後の温度が1650℃となるよう
にした。終点(試験終了時)の精錬生成物の成分と、マ
ンガン還元効率を表6に示す。マンガン還元効率とは、
溶銑とマンガン鉱石による全装入マンガン量に対し、脱
炭後の溶鉄中のマンガン量の割合である。試験結果を表
6に示す。
【0075】(比較例5〜8)比較例1で用いたものと
同様のバーナ・ランスを用いて、実施例6〜9と同様の
試験を行った。試験結果を表6に示す。
【0076】
【表6】
【0077】表6より、実施例6〜9の精錬方法では、
マンガン還元効率を高め、マンガン濃度を高めることが
できたことがわかる。さらに、吹錬末期に酸素供給量を
低くした低炭素域においても、酸素ガスが高速で溶鉄に
吹き込まれ、反応効率が高く維持される。よって、脱炭
反応が優先的に行われることから、スラグ中の酸化鉄
(T.Fe)との反応が抑えられ、マンガン酸化反応が
抑制され、マンガン還元効率を高めることができること
がわかる。
【0078】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のバーナ・
ランスは、以下の効果を得ることができる。 (1)燃料流体噴出部より先端側の支燃性流体供給管の
内面に、溝が形成されているので、支燃性流体の流速に
かかわらず、燃料流体を溝内で安定的に燃焼させること
ができる。従って、燃焼炎の不安定化による加熱効率の
低下を防ぎ、かつ支燃性流体の流れを高速化することが
できる。 (2)支燃性流体供給管の外周側に燃料流体供給管を設
けた二重管構造を有するので、構造を簡略化し、全体を
小型化することができる。従って、メンテナンス性を向
上させるとともに、取扱いを容易にすることができる。 (3)燃料流体噴出部が、支燃性流体供給管内に向けて
開口するように形成されているので、被加熱物が溶融金
属などのように飛散しやすいものである場合でも、飛散
物による噴出部の閉塞を未然に防ぎ、メンテナンスを容
易にすることができる。 (4)燃焼炎を安定化させることができるため、この燃
焼炎によって、支燃性流体の流れ方向の乱れを抑え、支
燃性流体の流速が噴射の過程で減衰するのを防ぐことが
できる。従って、支燃性流体の流速を高く維持し、加熱
効率をさらに高めることができる。 (5)燃料流体噴出部の先端側に、ほぼ一定内径の直胴
部が設けられているため、燃料流体の流れが径方向に拡
がるのを防ぎ、燃焼炎を先端方向に向け、加熱効率をさ
らに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のバーナ・ランスの一実施形態を示す
断面図である。
【図2】 本発明のバーナ・ランスの他の実施形態を示
す断面図である。
【図3】 試験結果を示すグラフである。
【図4】 試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1、21・・・バーナ・ランス、2・・・支燃性流体供給管、
3・・・燃料流体供給管、6・・・支燃性流体流路、7・・・ス
ロート部、8・・・燃料流体噴出孔(燃料流体噴出部)、
9・・・直胴部、9a・・・燃料流体噴出孔より先端側の支燃
性流体供給管、10・・・溝
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F23D 14/22 F23D 14/22 G 4K070 14/32 14/32 (72)発明者 中林 宏行 東京都港区西新橋1丁目16番7号 日本酸 素株式会社内 (72)発明者 小林 伸明 東京都港区西新橋1丁目16番7号 日本酸 素株式会社内 (72)発明者 菊地 良輝 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 鷲見 郁宏 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 Fターム(参考) 3K019 AA02 BA03 BB05 BD09 BD12 CC05 3K052 GA10 GB03 GD06 3K056 AA10 AB01 AB03 AC01 AC07 AD07 AE03 CA12 4K013 BA01 CA16 CD01 4K014 AC11 AD21 AD27 CC01 CD18 4K070 AB01 BA05 BB02 CF01

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素を含む支燃性流体を供給する支燃性
    流体供給管の外周側に、燃料流体を供給する燃料流体供
    給管が設けられた二重管構造を有し、これら供給管の隙
    間が燃料流体流路とされ、 支燃性流体供給管に、燃料流体をこの供給管の内部に導
    く燃料流体噴出部が形成され、燃料流体噴出部より先端
    側の支燃性流体供給管内面に、周方向にわたって溝が形
    成されていることを特徴とするバーナ・ランス。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のバーナ・ランスにおい
    て、前記溝の深さL1が、次式で表される範囲内である
    ことを特徴とするバーナ・ランス。 【数1】
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載のバーナ・ランス
    において、燃料流体噴出部より先端側に、ほぼ一定の内
    径を有する直胴部が形成されていることを特徴とするバ
    ーナ・ランス。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のうちいずれか1項記載の
    バーナ・ランスにおいて、液状の燃料流体を用いた場合
    に、その噴出流速を1.0m/s以上とし、かつ燃料流
    体噴出部の直径の総和L4と、支燃性流体供給管の出口
    の内周縁長さπD2との比L4/πD2が、次式で表さ
    れる範囲内であることを特徴とするバーナ・ランス。 L4/πD2≧0.1
  5. 【請求項5】 バーナ・ランスを用いて、酸素を含む支
    燃性流体と燃料流体との混合流体を燃焼させつつ冷鉄源
    に向けて噴出させることによって、冷鉄源を溶解し、精
    錬する炉の操業方法であって、 冷鉄源が溶解する溶解工程と、冷鉄源が溶落ちした後の
    精錬工程とにおいて、それぞれ独立に燃料流体供給量を
    設定することを特徴とする冷鉄源の溶解・精錬炉の操業
    方法。
  6. 【請求項6】 溶解工程においては、混合流体を、1≦
    酸素比<3とし、溶落ちした後の精錬工程においては、
    混合流体を、酸素比≧3とすることを特徴とする請求項
    5記載の冷鉄源の溶解・精錬炉の操業方法。
  7. 【請求項7】 請求項1〜4のうちいずれか1項記載の
    バーナ・ランスを用いることを特徴とする請求項5また
    は6記載の冷鉄源の溶解・精錬炉の操業方法。
  8. 【請求項8】 脱珪、脱燐、脱硫、脱炭、昇温、熱付
    加、スクラップ溶解、合金溶解、還元処理のうち1種以
    上を対象とすることを特徴とする請求項5〜7のうちい
    ずれか1項記載の冷鉄源の溶解・精錬炉の操業方法。
  9. 【請求項9】 支燃性流体として、純酸素ガス、工業用
    酸素ガス、空気のうち1種または2種以上を用いること
    を特徴とする請求項5〜8のうちいずれか1項記載の冷
    鉄源の溶解・精錬炉の操業方法。
  10. 【請求項10】 バーナ・ランスを用いて、酸素を含む
    支燃性流体と燃料流体との混合流体を燃焼させつつ溶鉄
    に向けて噴出させることによって、この溶鉄を精錬する
    ことを特徴とする精錬方法。
  11. 【請求項11】 混合流体は、酸素比>5であることを
    特徴とする請求項10記載の精錬方法。
  12. 【請求項12】 請求項1〜4のうちいずれか1項記載
    のバーナ・ランスを用いることを特徴とする請求項10
    または11項記載の精錬方法。
  13. 【請求項13】 脱珪、脱燐、脱硫、脱炭、昇温、熱付
    加、スクラップ溶解、合金溶解、還元処理のうち1種以
    上を対象とすることを特徴とする請求項10〜12のう
    ちいずれか1項記載の精錬方法。
  14. 【請求項14】 精錬にあたって、固体炭素源、炭化水
    素源、石灰源、マグネシウム源、アルミニウム源、鉄鉱
    石、マンガン鉱石、合金のうち1種以上を溶鉄に添加す
    ることを特徴とする請求項10〜13のうちいずれか1
    項記載の精錬方法。
  15. 【請求項15】 炭素濃度が0.6mass%以下であ
    る低炭素域において、溶鉄の精錬を行うことを特徴とす
    る請求項10〜14のうちいずれか1項記載の精錬方
    法。
  16. 【請求項16】 支燃性流体として、純酸素ガス、工業
    用酸素ガス、空気のうち1種または2種以上を用いるこ
    とを特徴とする請求項10〜15のうちいずれか1項記
    載の精錬方法。
  17. 【請求項17】 精錬の際に発生する排ガスから顕熱ま
    たは潜熱を回収することを特徴とする請求項10〜16
    のうちいずれか1項記載の精錬方法。
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