JP2009243708A - 溶鉄製造用原料投入装置および溶鉄製造用原料投入方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】連続運転される回転炉床炉とバッチ運転される溶解炉とのマッチングを改善し、直接還元製鉄設備の生産性を高める。
【解決手段】直接還元製鉄プロセスで生産された高温還元鉄を溶解炉９に熱間供給する高温用投入系統１０と、冷却された低温還元鉄および炭材を溶解炉９に供給する低温用投入系統１１とを有し、高温用投入系統１０は、熱間排出される還元鉄を貯溜する高温用貯溜容器５と、この高温用貯溜容器５内の高温還元鉄を所定量ずつ上記溶解炉９に供給する定量切出装置６とを備え、低温用投入系統１１は、低温還元鉄を貯溜する第一ホッパ１２と、この第一ホッパ１２からの低温還元鉄の切出し量を調整するフィーダ１３と、炭材を貯溜する第二ホッパ１４と、この第二ホッパ１４からの炭材切出し量を調整するフィーダ１５とを備えてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温用投入装置と低温（常温）用投入装置との二つ以上の投入装置を併用し、その低温用投入装置からの原料投入を制御することにより、回転炉床炉と溶解炉のマッチングを改善し、生産性を高め、また、プラント稼働率を向上させることができる溶鉄製造用原料投入装置および溶鉄製造用原料投入方法に関するものである。
鉄鉱石をガスあるいは固体炭素で還元し、固体の還元鉄を製造するプロセスを一般に直接還元鉄製鉄法：ＤＲプロセス（Direct reduction process）と呼び、この製鉄法によって得られる還元鉄をＤＲＩ（Direct reduced iron）と呼んでいる。
ＤＲプロセスには、ミドレックス法に代表されるシャフト炉タイプや回転炉床炉タイプ等が知られている。
回転炉床炉タイプによるＤＲプロセスでは、粉状の鉄鉱石と石炭を混合・造粒してペレットまたはブリケット状にし、ドーナッツ状の回転炉で還元した後、高温のまま溶解炉で溶かして溶銑を製造する。
この種のＤＲプロセスによれば、従来のような焼結炉やコークス炉を必要とせず、回転炉床炉だけで還元鉄を製造できる。また、回転炉床炉内で還元反応に伴い発生するＣＯガスは炉内で完全燃焼させるとともに、還元鉄を高温の状態で溶解炉に供給（熱間排出）して溶銑を製造することから、エネルギー消費量やＣＯ２発生量を低減することができる等の利点がある。
シャフト炉、回転炉床炉等の還元炉は基本的に連続運転されるのに対し、その下流側に設けられる溶解炉は、定期的にメンテナンスする必要があることから、その運転サイクルは上流側に設けられる還元炉とは異なっている。
溶解炉の稼働サイクルは、還元炉のサイクルに比べて短く、立ち上げ時では特に還元炉と溶解炉の生産性は一致しない。
そこで、連続運転される還元炉と、比較的非連続運転される溶解炉との間でマッチングを図るために高温還元鉄貯蔵槽が設けられており、還元炉から排出された高温還元鉄は、一旦、上記高温還元鉄貯蔵槽に貯蔵され、溶解炉のニーズに応じて還元鉄を供給するようになっている。
しかし、マッチングのために貯蔵槽（ホッパ）に長時間、還元鉄を滞留させると、還元鉄温度が下がり、溶解炉で使用する際に、著しく溶解炉の生産性を阻害する。また、高温還元鉄の投入系統だけを有する設備構成であると、温度降下した還元鉄を使用しない限りは還元炉の生産性も阻害することになる。
以上のことから、高温還元鉄を単に溶解炉に投入する設備では、還元炉および溶解炉の生産性を低下させるだけでなく、稼働率も低下させる。また、立ち上げ時に低温ＤＲＩを使用したくても、切出能力がないと操業ができない。
本発明は以上のような従来のＤＲプロセスにおける課題を考慮してなされたものであり、連続運転される回転炉床炉とバッチ運転される溶解炉とのマッチングを改善し、生産性を維持し、還元炉および溶解炉の稼働率を高めることができる溶鉄製造用原料投入装置および溶鉄製造用原料投入方法を提供するものである。
本発明の溶鉄製造用原料投入装置は、直接還元製鉄プロセスで生産された高温還元鉄を溶解炉に熱間供給する高温用投入系統と、冷却された低温還元鉄および炭材を上記溶解炉に供給する低温用投入系統とを有し、
上記高温用投入系統は、熱間排出される還元鉄を貯溜する高温用貯溜容器と、この高温用貯溜容器内の高温還元鉄を所定量ずつ上記溶解炉に供給する定量切出装置とを備え、
上記低温用投入系統は、上記低温還元鉄を貯溜する第一ホッパと、この第一ホッパからの低温還元鉄の切出し量を調整するフィーダと、炭材を貯溜する第二ホッパと、この第二ホッパからの炭材切出し量を調整するフィーダとを備えてなることを要旨とする。
上記溶鉄製造用原料投入装置において、上記第一ホッパおよび上記第二ホッパから切り出される低温還元鉄および炭材を上記溶解炉に投入するための投入シュートを有し、この投入シュートに、上記溶解炉内の発生ガスの侵入を防止する遮断装置を介設することが好ましい。
上記低温用投入系統の切出し能力は、上記高温用投入系統の切出し能力の０〜３０％を制御範囲とすることが好ましい。
本発明の溶鉄製造用原料投入方法は、直接還元製鉄プロセスで生産された高温還元鉄を溶解炉に熱間供給する高温用投入系統と、冷却された低温還元鉄および炭材を上記溶解炉に供給する低温用投入系統とを有し、
投入速度が調整された上記低温還元鉄および炭材を上記低温用投入系統から上記溶解炉に供給し、上記溶解炉内で上記低温還元鉄が溶解された後は、原料の投入を上記低温用投入系統から上記高温用投入系統に切り替えることを要旨とする。
また、上記溶解炉に還元鉄を投入する際に、低温還元鉄の投入速度を段階的に高め、上記高温還元鉄を速やかに定常の投入速度に到達させることが好ましい。
また、上記高温用投入系統による原料投入状態において、上記低温用投入系統から上記低温用還元鉄を所定量投入し、溶湯温度が低下傾向にある場合には上記低温還元鉄の投入速度を下げ、溶湯温度が上昇傾向にある場合には上記低温還元鉄の投入速度を上げれば、上記高温還元鉄の投入速度を一定にしたまま、溶湯温度を一定に維持することができる。
本発明の溶鉄製造用原料投入方法は、直接還元製鉄プロセスで生産された高温還元鉄を溶解炉に熱間供給する高温用投入系統と、冷却された低温還元鉄および炭材を上記溶解炉に供給する低温用投入系統とを有し、
上記高温用投入系統による原料投入状態において、上記低温用投入系統から上記低温還元鉄を所定量投入し、溶湯温度が低下傾向にある場合には上記低温還元鉄の投入速度を下げ、溶湯温度が上昇傾向にある場合には上記低温還元鉄の投入速度を上げて溶湯温度を一定に維持することを要旨とする。
本発明によれば、連続運転される還元炉と非連続的に運転される溶解炉とのマッチングを改善し、所定の生産性を維持し、各炉の稼働率を高めることができるという長所を有する。
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
１．直接還元製鉄設備の構成
図１は、本発明に係る溶鉄製造用原料投入装置（以下、原料投入装置と略称する）を直接還元製鉄設備に適用した場合の構成を示したものである。
同図において、直接還元製鉄設備１は、回転炉床式加熱還元炉（以下、回転炉床炉と呼ぶ）２を有し、この回転炉床炉２の回転炉床２ａは反時計方向（矢印Ａ方向）に回転するようになっている。
回転炉床炉２の回転速度は、加熱還元炉の大きさや操業条件によって異なるが、通常は６分から１６分程度で１周するようになっている。
また、回転炉床炉２における炉体２ｂの壁面には加熱バーナー２ｃが複数個設けられており、これらの加熱バーナー２ｃによる燃焼熱あるいはその輻射熱によって炉床部に熱が供給される。
耐火材で構成された回転炉床２ａ上に装入された原料混合物Ｍは、回転炉床２ａ上で回転炉床炉２内を周方向へ移動する中で、加熱バーナー２ｃからの燃焼熱や輻射熱によって加熱される。そして回転炉床炉２内の加熱帯を通過する間に、原料混合物Ｍ内の酸化鉄が還元され、副生する溶融スラグと分離しつつ残余の炭素質還元剤による浸炭を受けて溶融しながら粒状に凝集して粒状還元鉄Ｎとなる。
さらに、回転炉床炉２の回転下流側ゾーンから高温のまま排出された粒状還元鉄Ｎは、高温ＤＲＩ搬送容器３に収容され、原料投入装置４に移動される。
２．原料投入装置の構成
原料投入装置４は、直接還元製鉄プロセスで生産された高温還元鉄を、後述する溶解炉に熱間供給する高温用投入系統１０と、冷却された低温還元鉄および炭材を溶解炉に供給する低温用投入系統１１とから構成されている。
２.１ 高温用投入系統
原料投入装置４の高温用投入系統１０に移動された高温ＤＲＩ搬送容器３は、中間ビン（高温用貯溜容器）５の上部接続部５ａに接続される。
中間ビン５は上側スライドゲート５ｂと下側スライドゲート５ｃを備えている。また、中間ビン５の下方には上記高温用投入装置としての水冷式スクリューフィーダ（定量切出装置）６が設けられており、この水冷式スクリューフィーダ６の下方にさらにロードセル付きのフィードビン７が設けられている。
上記水冷式スクリューフィーダ６の切出し能力（定格）は５ｔ／ｈであるのに対し、低温用投入系統１１における振動フィーダの切出し能力（定格）は１．５ｔ／ｈであり、高温用投入系統１０の切出し能力の３０％である。
通常、切出し能力の下限以下では制御性が悪く使用することができない。本実施形態の水冷式スクリューフィーダ６も例外ではなく、制御可能な最低投入速度は約１，０００kg／h（定格の約２０％）であった。
これに対し、低温用投入系統１１における振動フィーダの切出し能力（定格）は１．５ｔ／ｈであるため、高温用投入系統１０における切出し能力の少なくとも０〜３０％までの制御範囲をその低温用投入系統１１でカバーすることが可能になる。
詳しくは、高温用投入系統１０は、本実施形態では８００℃の高温ＤＲＩを処理することをベースに設計されている。また、低温（常温）ＤＲＩを溶解するために必要なエネルギーは、上記高温用投入系統１０の約１．５倍必要となる。したがって、高温用投入系統１０において制御が困難な定格の約２０％について、低温用投入系統１１で制御可能にするためには、２０％×１．５＝３０％の切出し能力（最大）が必要になる。従って、低温用投入系統１１の切出し能力としては、高温用投入系統１０の切出し能力の０〜３０％をカバーできるものが望ましい。
回転炉床炉２と溶解炉（後述する）との連続プロセス（ホットリンクプロセス）においては必ずしもマッチングしないため、常に余剰の還元鉄を製造する必要があり、また、溶解炉の立ち上げ時や回転炉床炉休止中における溶解炉の稼働に際しては生産性が低いために低温用還元鉄を投入する等の対応を取る必要性がある。
そのため、単に高温用投入系統１０の制御域をカバーするだけでなく、上述した場合においても高温用投入系統１０の代替ができるように振動フィーダの切出し能力を３０％に設定している。３０％を上回る切出し能力に設定することも可能ではあるが、そうすると、原料投入装置４の規模が大型化してしまい、プラントコストが高くなるだけでなく制御も複雑になる。
なお、連続プロセスのマッチング状況に応じ、切出し能力が３０％以下の振動フィーダを複数設けることもできる。
また、上記フィードビン７には、上側スライドゲート７ａと下側スライドゲート７ｂが備えられており、フィードビン７の下部は、投入部８を介して溶解炉９と接続されている。
なお、フィードビン７より上流側の投入系統においてシール性が低く、溶解炉運転に支障があるような場合には、上記フィードビン７を設け、還元鉄Ｎをバッチ投入することが好ましい。
また、上記スライドゲート５ｂ，５ｃおよびスライドゲート７ａ，７ｂは、溶解炉９内からの発生ガスが高温用投入系統１０に侵入することを防止するためにある。
２.２ 低温用投入系統
一方、投入部８には高温用投入系統１０とは別に低温用投入系統１１が設けられている。
この低温用投入系統１１は、低温ＤＲＩホッパ（第一ホッパ）１２と、この低温ＤＲＩホッパ１２から低温ＤＲＩの切出しを行なう低温用投入装置としての振動フィーダ（フィーダ）１３と、石炭ホッパ（第二ホッパ）１４と、この石炭ホッパ１４から炭材の切出しを行なう同じく低温用投入装置としての振動フィーダ（フィーダ）１５と、これらのホッパから供給される原料を先上がりに搬送するためのコンベヤ１６と、このコンベヤ１６の先端部に設けられたホッパ１６ａと上記投入部８とを連通させるシュート（投入シュート）１７と、このシュート１７に設けられたロータリーバルブ（遮断装置）１７ａとから主として構成されている。
なお、遮断装置としては上記ロータリーバルブに限らず、二重ダンパ式開閉弁等で構成することもできる。
上記ロータリーバルブ１７ａは溶解炉９内からの発生ガスが低温用投入系統１１に侵入することを防止している。
なお、連続切出し装置としては上記振動フィーダを用いることが好ましいが、これに限らず、スクリューフィーダ、テーブルフィーダ等、他方式のフィーダを用いることもできる。
上記溶解炉９には、溶解炉９の湯面上のスラグ層に向けて高純度の酸素を吹込むための酸素吹込みランス１８が設けられ、その酸素吹込みランス１８から溶解炉９に投入される酸素源と炭材とを反応（燃焼）させることにより、還元鉄中に残存する未還元の酸化鉄を還元するとともに、還元鉄を加熱・溶解し、溶銑を製造するようになっている。
３．原料投入装置の投入動作
次に、上記構成を有する原料投入装置４の投入動作について図２および図３を参照しながら説明する。
３.１ 立ち上げ時
図２は溶解炉９の運転初期から定常期に至るまでの制御動作をグラフで示したものであり、回転炉床炉２は連続運転されていることを前提とする。
図２において、横軸は吹錬開始からの経過時間（分）を示し、左側縦軸は送酸速度（Nm3/h）、炭材・ＤＲＩ投入速度（kg/h）を示し、右側縦軸は溶湯温度（℃）を示している。
同図において送酸速度０は一定とし、炭材投入速度Ｃは経過時間１０分から一定とした。
送酸設備の規模が大きくすることは避けたいため、送酸速度はできれば一定で運転することが望まれる。しかしながら、還元プロセスの稼働率を高めるために回転炉床炉２から排出される還元鉄量のすべてをそのまま溶解炉９に供給しようとすると、溶解炉９の溶湯温度を制御する手段がなくなるため、還元プロセスが成り立たなくなってしまうことになる。
そこで、従来は、溶解炉９の溶湯温度が低い場合には還元鉄Ｎの供給量を減らし、溶湯温度が高い場合には還元鉄Ｎの供給量を増やすという処理が行なわれていた。
これに対し、本発明の原料投入装置４では、高温用投入系統１０とは別に低温用投入系統１１を備え、この低温用投入系統１１から投入される低温ＤＲＩおよび炭材の量を制御することで、回転炉床炉２から排出される還元鉄Ｎ量をそのまま溶解炉９に供給できるようにしている。なお、炭材は、ＦｅＯを高濃度で含有するスラグを還元するために投入される。
そのための制御方法として、溶解炉９の運転立ち上げから、低温ＤＲＩ投入速度Ｌと炭材投入速度Ｃとをそれぞれ段階的に高めていくようにしている。
図１に示したロータリーバルブ１７ａを動作させた状態で振動フィーダ１３，１５の振動数を高めることにより、低温ＤＲＩ投入速度Ｌと炭材投入速度Ｃを上昇させると、溶解炉９内の溶湯温度Ｔが上昇する。そして溶湯温度Ｔが１，４５０℃を超えた時点で、振動フィーダ１３，１５をオフし、低温ＤＲＩの投入を停止する。ただし、炭材投入速度Ｃは一定のままである。
グラフ中、矢印Ｂは、低温ＤＲＩ投入から高温ＤＲＩ投入への切り替えのタイミングを示している。
このように、溶解炉９の溶湯温度Ｔが所定の温度に到達した時点で、高温ＤＲＩの投入に切り替えれば、ロスを発生することなく回転炉床炉２と溶解炉９の運転とをマッチングさせることが可能になる。そして、高温ＤＲＩへの切り替え後、高温ＤＲＩ投入速度Ｈを段階的に増加させることにより、溶解炉９内の溶湯温度Ｔの推移は、切り替えのタイミングＢ点を境にして上昇から安定に移行することになる。
３.２ 定常運転時
図３は定常運転を行なうための投入動作をグラフで示したものである。
回転炉床炉２から排出される還元鉄量はすべてをそのまま溶解炉９に供給しており、したがって、高温ＤＲＩ投入速度Ｈは一定である。また、炭材投入速度Ｃおよび送酸速度Ｏも一定である。
溶湯温度Ｔが低下傾向にあるときは低温ＤＲＩ投入速度Ｌを下げる（グラフ中、立下り部Ｌ１参照）ことによって溶湯温度Ｔの低下を抑えることができる。
一方、溶湯温度Ｔが上昇傾向にあるときは低温ＤＲＩ投入速度Ｌを上げる（グラフ中、立上り部Ｌ２参照）ことによって溶湯温度Ｔの上昇を抑えることができる。
低温ＤＲＩ投入速度Ｌを上げることによって溶湯温度Ｔの上昇が抑制された後、溶湯温度Ｔが徐々に低下する傾向を示すと、低温ＤＲＩ投入速度Ｌを若干下げる（グラフ中、立下り部Ｌ３参照）。
このように、溶湯温度Ｔの傾向を見ながら低温ＤＲＩの投入速度を調節することによって溶湯温度Ｔの変動を抑制しながら連続運転を行なうことができる。
なお、本発明の原料投入装置は、上記実施形態では回転炉床炉と溶解炉との間に介設した場合を例に取り説明したが、回転炉床炉に限らず、直接還元製鉄プロセスを行なう任意の炉と溶解炉との間に介設することができる。
本発明に係る原料投入装置の構成を示す説明図である。 本発明に係る原料投入装置の制御動作を示したグラフである。 本発明に係る原料投入装置の制御動作を示したグラフである。
符号の説明
１ 直接還元製鉄設備
２ 回転炉床炉
２ａ 回転炉床
２ｂ 炉体
２ｃ 加熱バーナー
３ 高温ＤＲＩ搬送容器
４ 原料投入装置
５ 中間ビン（高温用貯溜容器）
５ａ 上部接続部
５ｂ 上側スライドゲート
５ｃ 下側スライドゲート
６ 水冷式スクリューフィーダ（定量切出装置）
７ フィードビン
７ａ 上側スライドゲート
７ｂ 下側スライドゲート
８ 投入部
９ 溶解炉
１０ 高温用投入系統
１１ 低温用投入系統
１２ 低温ＤＲＩホッパ（第一ホッパ）
１３ 振動フィーダ（フィーダ）
１４ 石炭ホッパ（第二ホッパ）
１５ 振動フィーダ（フィーダ）
１６ コンベヤ
１６ａ ホッパ
１７ シュート（投入シュート）
１７ａ ロータリーバルブ（遮断装置）
１８ 酸素吹込みランス

Claims (7)

  1. 直接還元製鉄プロセスで生産された高温還元鉄を溶解炉に熱間供給する高温用投入系統と、冷却された低温還元鉄および炭材を上記溶解炉に供給する低温用投入系統とを有し、
    上記高温用投入系統は、熱間排出される還元鉄を貯溜する高温用貯溜容器と、この高温用貯溜容器内の高温還元鉄を所定量ずつ上記溶解炉に供給する定量切出装置とを備え、
    上記低温用投入系統は、上記低温還元鉄を貯溜する第一ホッパと、この第一ホッパからの低温還元鉄の切出し量を調整するフィーダと、炭材を貯溜する第二ホッパと、この第二ホッパからの炭材切出し量を調整するフィーダとを備えてなることを特徴とする溶鉄製造用原料投入装置。
  2. 上記第一ホッパおよび上記第二ホッパから切り出される低温還元鉄および炭材を上記溶解炉に投入するための投入シュートを有し、この投入シュートに、上記溶解炉内の発生ガスの侵入を防止する遮断装置が介設されている請求項１記載の溶鉄製造用原料投入装置。
  3. 上記低温用投入系統の切出し能力が、上記高温用投入系統の切出し能力の０〜３０％を制御範囲とするものである請求項１または２記載の溶鉄製造用原料投入装置。
  4. 直接還元製鉄プロセスで生産された高温還元鉄を溶解炉に熱間供給する高温用投入系統と、冷却された低温還元鉄および炭材を上記溶解炉に供給する低温用投入系統とを有し、
    投入速度が調整された上記低温還元鉄および炭材を上記低温用投入系統から上記溶解炉に供給し、上記溶解炉内で上記低温還元鉄が溶解された後は、原料の投入を上記低温用投入系統から上記高温用投入系統に切り替えることを特徴とする溶鉄製造用原料投入方法。
  5. 上記低温還元鉄の投入速度を段階的に高め、上記高温還元鉄を速やかに定常の投入速度に到達させる請求項４記載の溶鉄製造用原料投入方法。
  6. 上記高温用投入系統による原料投入状態において、上記低温用投入系統から上記低温用還元鉄を所定量投入し、溶湯温度が低下傾向にある場合には上記低温還元鉄の投入速度を下げ、溶湯温度が上昇傾向にある場合には上記低温還元鉄の投入速度を上げて溶湯温度を一定に維持することで、上記高温還元鉄の投入速度を一定にする請求項４または５記載の溶鉄製造用原料投入方法。
  7. 直接還元製鉄プロセスで生産された高温還元鉄を溶解炉に熱間供給する高温用投入系統と、冷却された低温還元鉄および炭材を上記溶解炉に供給する低温用投入系統とを有し、
    上記高温用投入系統による原料投入状態において、上記低温用投入系統から上記低温還元鉄を所定量投入し、溶湯温度が低下傾向にある場合には上記低温還元鉄の投入速度を下げ、溶湯温度が上昇傾向にある場合には上記低温還元鉄の投入速度を上げて溶湯温度を一定に維持することを特徴とする溶鉄製造用原料投入方法。
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