JP2013087316A - バーナー機能を付与した粉体吹込みランス、その粉体吹込みランスを用いた溶鉄の精錬方法および金属溶湯の溶融還元方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶銑配合率を低減し得る粉体吹込みランス、その吹込みランスを用いた溶鉄の精錬方法を提案する。
【解決手段】円形軌道に沿い間隔をおいて配列され、鉄浴型精練炉に収容された鉄浴中へ酸素ガスを吹込む複数の噴出開口を有する精錬用酸素ガス吹込みノズル５ｂ１と、前記円形軌道の中心軸と同軸になる軸芯を有し、該精錬用酸素ガス吹込みノズルの内側にて火炎を形成するとともに、該火炎によって着熱された粉体を前記鉄浴中へ吹き込む噴出開口を有するバーナーノズル５ｂ２とを備えた粉体吹込みランスにおいて、前記精練用酸素ガス吹込みノズル５ｂ１の噴出開口と前記バーナーノズル５ｂ２の噴出開口との位置関係を示す指標Ｆを調整することにより、精錬用酸素ガスとバーナーによる火炎の干渉が小さくなり、火炎温度が高位に保たれて粉体が効率的に加熱され、溶鉄着熱効率の向上を図る。
【選択図】図２

Description

本発明は、バーナー機能を付与した粉体吹込みランスと、その粉体吹込みランスを用いた溶鉄の精錬方法および溶融還元方法に関する。

近年、溶鋼の製造プロセスにおいては、環境保護の観点から、ＣＯ_２の排出量を少なくするためにスクラップの使用量を増やし溶銑配合率を低下させる操業が採用されている。

溶銑配合率を低下させるべく、スクラップを大量に溶解するためには、熱的余裕が必要になる。

このための対策として、例えば特許文献１には、溶銑の脱りん処理中に、該溶銑に対して昇熱用の炭素源（熱源）を添加し、熱源不足を補う方法が開示されている。

また、特許文献２には、転炉内で発生する一酸化炭素（ＣＯ）とランスにより吹き込んだ酸素とを溶湯の浴面上で燃焼（いわゆる二次燃焼）させて、その燃焼熱を溶鉄に着熱させる方法が開示されている。

一方、溶銑の脱りん処理においては、その際に発生するスラグからのフッ素の溶出が問題になっており、蛍石等のフッ素化源を使用することなしに効率的に脱りん処理を施すことが望まれている。

そのための手段として、特許文献３には、上底吹き転炉において、上吹きランスからＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３の混合粉を溶銑に吹き付けると共に、炉底から攪拌用ガスを吹き込んで溶銑を攪拌しながら脱りん処理を行う方法が開示されている。

さらに、特許文献４〜６には、冶金反応の効率向上を目的として、スラグの滓化を促進させるために、上吹きランスにバーナー機能を付与し、該バーナーの中心孔から脱りん剤を噴出させて加熱、添加する方法がそれぞれ開示さている。

特開平９―２０９１３号公報 特開昭６０―６７６１０号公報 特開２０００―３４５２２６号公報 特開平１１―０８０８２５号公報 特開２００５―３３６５８６号公報 特開２００７―９２１５８号公報

ところで、上記特許文献１〜６には、以下に述べるような問題があった。
すなわち、特許文献１に開示された方法では、スクラップを大量に溶解するための熱源を確保することは可能であるが、昇熱用の炭素源（炭材等）を別途投入するため、溶製コストの上昇が避けられない。

また、炭材に含まれる硫黄が混入するため、吹き止めされた鋼のＳ濃度が高くなるうえ、二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生量が増大してしまう。

上記特許文献２に開示の方法では、転炉内で発生するＣＯとランスにより吹き込んだ酸素が溶銑の浴面上で燃焼するため、炉体耐火物の損耗が激しい。

引用文献３に開示の方法では、添加するＡｌ_２Ｏ_３によりＣａＯの融点が低下し、ＣａＯの滓化を促進させることができるものの、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３濃度が高まるため、炉体耐火物の損耗を招き、却って、コスト高になることが懸念されるとともに、脱りん速度が低下してしまう。

さらに、引用文献４、５、６に開示の方法では、４重管あるいは５重管構造からなる上吹きランスが使用され、脱りん剤等を酸素ガスで搬送しているため、純鉄等を含む反応性の粉体を吹き込むことができない。また、吹込み量、プロパンの流量が低く、溶銑配合率を低減するのに十分な効果が期待できない。

そこで、本発明の目的は、上述したような不具合なしにバーナーの燃焼熱を溶鉄に効率的に付与（着熱）し、溶銑配合率を有利に低減し得る粉体吹込みランス、その吹込みランスを用いた溶鉄の精錬方法および金属溶湯の溶融還元方法を提案するところにある。

本発明は、円形軌道に沿い間隔をおいて配列され、鉄浴型精練炉に収容された鉄浴中へ酸素ガスを吹込む複数の噴出開口を有する精錬用酸素ガス吹込みノズルと、前記円形軌道の中心軸と同軸になる軸芯を有し、該精錬用酸素ガス吹込みノズルの内側にて火炎を形成するとともに、該火炎によって着熱された粉体を前記鉄浴中へ吹き込む噴出開口を有するバーナーノズルとを備えた粉体吹込みランスにおいて、前記精練用酸素ガス吹込みノズルと前記バーナーノズルとの位置関係を示す指標Ｆが、下記の条件を満足することを特徴とするバーナー機能を付与した粉体吹込みランスである。
記
Ｆ＝１．７（Ｒ−ｒ−ｄ/２）/Ｌ＋ｔａｎ（θ−１２°）−０．０５２４＞０

Ｒ：精練用酸素ガス吹込みノズルのピッチサークルの半径（ｍｍ）
ｒ：バーナーノズルの開口半径（ｍｍ）
ｄ：精練用酸素ノズルの直径（ｍｍ）
θ：精練用酸素がス吹込みノズルの軸芯と、円形軌跡の中心軸とのなす角度（傾角）（°）
Ｌ：ランス高さ（ｍｍ）

上記の構成からなるバーナー機能を付与した粉体吹込みランスにおいては、該粉体吹込みランスを、脱りん吹錬または脱炭吹錬に使用する精錬用上吹ランスとして適用することが課題解決のための具体的手段として好ましい。

また、本発明は、上記の構成になる粉体吹込みランスを用いて鉄浴型精練炉に収容された溶鉄の精錬を行う方法において、前記バーナーノズルの燃料として、プロパンガス、Ｃガス等の気体燃料、重油等の液体燃料およびプラスチック等の固体燃料のうちの１種または２種以上を用いることを特徴とするバーナー機能を付与した粉体吹込みランスを用いた溶鉄の精錬方法である。

さらに、本発明は、前記鉄浴型精錬炉内に金属酸化物、酸化物系鉱石の粉体または粒体を装入、溶融還元して金属溶湯を得る溶融還元方法において、上記の構成からなる粉体吹込みランスのバーナーノズルを通して、酸化鉄、媒溶材および炭素含有物質のうちのいずれか１種または２種以上の粉粒状の副原料を吹き込むことを特徴とする溶融還元方法である。

本発明にかかるバーナー機能を付与した粉体吹込みランスによれば、精練用酸素ガス吹込みノズルと前記バーナーノズルとの位置関係を示す指標Ｆを、Ｆ＝１．７（Ｒ−ｒ−ｄ/２）/Ｌ＋ｔａｎ（θ−１２°）−０．０５２４＞０としたため、吹込みにかかる精錬用酸素ガスとバーナーによって形成される火炎の干渉が小さくなり、バーナー火炎の温度が高位に保たれるため、粉体が効率的に加熱され、その結果として溶鉄における着熱効率の向上を図ることができる。

また、上記の構成からなるバーナー機能を付与した粉体吹込みランスによれば、溶鉄への着熱効率が改善されるため、脱りん吹錬または脱炭吹錬に使用する精錬用上吹ランスとして用いることにより、スクラップを大量に使用でき、溶銑配合率の大幅な低減が可能となる。また、着熱効率の改善により炭材の使用量を削減することが可能であり、ＣＯ_２の排出量の削減を図ることができる。

また、本発明にかかる粉体吹込みランスによれば、バーナーノズルの燃料として、プロパンガス、Ｃガス等の気体燃料、重油等の液体燃料およびプラスチック等の固体燃料のうちの１種または２種以上を用いることにより鉄浴型精練炉に収容された溶鉄の精錬を行うことができる。

さらに、上記の構成からなる本発明の粉体吹込みランスによれば、該粉体吹込みランスのバーナーノズルを通して、酸化鉄、媒溶材および炭素含有物質のうちのいずれか１種または２種以上の粉粒状の副原料を吹き込むことにより、金属溶湯の溶融還元を行うこともできる。

本発明に従う粉体吹込みランスを転炉型精錬設備に設置した状態を示した図である。 (ａ)（ｂ）は、本発明に従う粉体吹込みランスの具体的構造を模式的に示した図である。 粉体温度とＦ値の関係を示した図である。

以下、本発明を図面を用いてより具体的に説明する。
図１は、本発明に従う粉体吹込みランスを転炉型精錬設備に設置した状態を示した図であり、図２（ａ）（ｂ）は、本発明に従う粉体吹込みランスの先端部分の断面を拡大して示した図である。

図における符号１は、炉体である。炉体１は、該炉体１の骨格をなす鉄皮１ａと、この鉄皮１ａの内側に施工された耐火物層１ｂから構成されている。

また、符号２は、炉体１の底部に設けられ、精錬に際してＡｒガスの如き不活性ガスを吹き込んで鉄浴を攪拌するための底吹き羽口、３は、炉体１内に収容された溶鉄、４は、溶鉄上に浮遊するスラグ、５は、先端を下に向けて起立姿勢でもって配置された粉体吹込みランス（上吹きランス）である。

粉体吹込みランス５の上端には、精錬用酸素ガスを供給する送給管６、燃焼用酸素ガスを供給する送給管７、燃料ガスを供給する送給管８、粉体を供給する送給管９がそれぞれ連結されている。

さらに、符号１０は、上吹きランス５より吹き込まれる粉体、１１は、燃料の燃焼によって形成された火炎、１２は、粉体１０とともに吹き込まれる精錬用酸素ガスである。

粉体吹込みランス５は、その具体的構造を図２(ａ)（ｂ）に示したように、ランス本体５ａと、このランス本体５ａの先端部に一体連結するノズル部５ｂとから構成されている。

ランス本体５ａは、冷却水循環路ｍを有する外管５ａ_１と、該外管５ａ_１の内側に精錬用酸素ガスの吹き込み経路を形成するように同心配置された内管５ａ_２からなる。

また、ノズル部５ｂには、炉体１に収容された鉄浴中へ酸素ガスを吹き込む精錬用酸素ガス吹込みノズル５ｂ_１と、バーナーノズル５ｂ_２が設けられており、粉体１０は、内管５ａ_２の最内側に形成される通路を通して不活性ガス等の搬送ガスとともに吹き込まれる。

ランス本体５ａの内管５ａ_２の内側には、燃焼用酸化性ガスを供給する経路と燃料を供給する経路を形成するための管体５ａ_３、５ａ_４を適宜同心に配置しておくことができる。この場合、最内側に位置する管体５ａ_４が粉体の送給経路を形成する。

上記の精錬用酸素ガス吹込みノズル５ｂ_１は、円形軌道Ｋ（図２（ｂ）参照）に沿い間隔をおいて配列され、精錬用酸素ガスの吹込み経路につながる複数の噴出開口ｅを備えている。

また、バーナーノズル５ｂ_２は、円形軌道Ｋの中心軸Ｋ_１と同軸になる軸芯Ｊを有し、精錬用酸素ガス吹込みノズル５ｂ_１の噴出開口ｅの径方向の内側で火炎１１を形成するとともに、該火炎１１によって着熱された粉体１０を鉄浴中へ吹き込む噴出開口ｆを備えている。

上記円形軌道Ｋは、仮想線で表示されるものであって、噴出開口ｅの軸芯が円形軌道Ｋ上にある場合に、該円形軌道Ｋを、噴出開口ｅのピッチサークルと呼ぶこととする。

ここに、精練用酸素ガス吹込みノズル５ｂ_１の噴出開口ｅにおけるピッチサークルの半径をＲ（ｍｍ）、バーナーノズル５ｂ_２の噴出開口ｆの半径をｒ(ｍｍ）、精練用酸素ノズル５ｂ_１の噴出開口ｅの直径をｄ（ｍｍ）、精練用酸素ガス吹込みノズル５ｂ_１の噴出開口ｅの軸芯ｄ_１と、円形軌跡の中心軸Ｋ_１とのなす角度（傾角）をθ（°）、ランス高さ（鉄浴浴面からランスのノズル先端に至るまでの高さ）をＬとした場合に、精錬用酸素ガス吹込みノズル５ａとバーナーノズル５ｂとは、その位置関係を示し指標をＦとすると、Ｆ＝１．７（Ｒ−ｒ−ｄ/２）/Ｌ＋ｔａｎ（θ−１２°）−０．０５２４＞０の条件を満たすようになっている。

以下、上記の構成からなる粉体吹込みランスにつき、精錬用酸素ガス吹込みノズル５ｂ_１と、バーナーノズル５ｂ_２の位置関係を、Ｆ＝１．７（Ｒ−ｒ−ｄ/２）/Ｌ＋ｔａｎ（θ−１２°）−０．０５２４＞０とするに至った経緯について説明する。

まず、発明者らは、ランスを通して金属酸化物や酸化物系の粉体を吹込みに当たり、溶鉄と接触する前に予め吹込みにかかる粉体を加熱することが溶銑配合率を低下させるのに効果的ではないかと考え、粉体の加熱、添加方法についての検討を進めた。

そして、粉体の加熱状況を調査するため、内径１ｍ、高さ３ｍの縦型管状炉を用いて、この縦型管状炉の上部に、中心部から粉体を供給することができるバーナー機能の付与された表１に示す如き条件からなる種々異なる上吹きランスを用いて粉体（サイズ：≦７５ｍｍになる石灰を使用）の吹込み実験を行い、吹込みにかかる粉体の温度を、放射温度計を用いて測定した。

その結果を図３に示す。図３に示す結果から、粉体吹込みランスにつき、精錬用酸素ガス吹込みノズル５ｂ_１と、バーナーノズル５ｂ_２の位置関係を、Ｆ＝１．７（Ｒ−ｒ−ｄ/２）/Ｌ＋ｔａｎ（θ−１２°）−０．０５２４＞０とすることにより、粉体の温度が著しく上昇することの知見を得るに至ったものである。

上記の条件は、バーナーガスの噴流と精錬用酸素ガスの噴流の広がりの軌跡から算出したものであり、過剰に精錬用酸素ガスがバーナー火炎と接触（干渉）するとバーナー火炎の温度が低下するという考え方に基づくものであり、これにより、精錬用酸素ガスとバーナー火炎との干渉が小さくなり、バーナー火炎の温度が高位に保たれる結果、粉体が効率的に加熱される。

本発明によれば、上吹きの精錬用酸素ガスを吹込みながら、脱りん精錬（吹錬）あるいは脱炭精錬を実施するに当たり、副原料である粉体をバーナーの火炎により効率的に加熱しつつ溶鉄に供給することが可能となり、従来と比較して大量のスクラップを溶解することが可能となる。

そして、その結果として、脱りん、脱炭精錬にかかる溶製コストの削減が可能となり、省資源、省エネルギーが達成される。また、転炉操業の安定化を図ることができるので、工業上有益な効果がもたらされる。

なお、Ｆ値は、精錬用酸素ガスの二次燃焼による耐火物の溶損防止の観点から上限値としては、０．２０とするのがよい。

また、ランス高さＬは、転炉操業においては、１０００〜５０００ｍｍ程度に設定される。

本発明に従う粉体吹込みランスを用いて処理する溶鉄としては、高炉等の溶銑製造設備で製造された溶鉄（脱りん工程で用いられる溶鉄）、脱りん工程を経た脱りん溶鉄が好ましい。

溶鉄の精錬においては、バーナーノズルの燃料として、プロパンガス、Ｃガス等の気体燃料、重油等の液体燃料およびプラスチック等の固体燃料のうちの１種または２種以上を用いることができる。

また、鉄浴型精錬炉内に金属酸化物、酸化物系鉱石の粉体または粒体を装入し、溶融還元して金属溶湯を得るに当たっては、酸化物を還元するための炭材および還元熱を補償するための炭材を別途添加する必要がある。

上吹きランスとして、上掲図２に示したような構造になるランスを用い、容量が２．５ｔになる上掲図１に示した如き上底吹き転炉にて表２に示す成分組成になる溶銑を、鉄スクラップとともに装入し、表３の条件のもとで脱りん吹錬を行った。

そして、その後、出銑、排滓し、さらに同様の上底吹き転炉に脱りん処理した溶銑を鉄スクラップとともに装入して表３の条件のもとに脱炭吹錬を行い、上吹きランスのＦ値の溶銑配合率に与える影響についての調査を行った。その結果を表４に示す。

なお、脱りん吹錬では、炉内に鉄スクラップを装入したのち、温度が１３５０℃になる溶鉄を装入し、上吹きランスから吸錬酸素ガスを供給し、同時に生石灰粉、燃焼酸素ガス、プロパンガスを溶鉄面に向けて吹きつけながら底吹き羽口からアルゴンガスを攪拌ガスとして溶鉄中に吹き込んだ。

また、この吸錬では、鉄スクラップの装入量は、脱りん処理終了温度が１４００℃となるように調整し、生石灰は、炉内スラグの塩基度（ｍａｓｓ％ＣａＯ／ｍａｓｓ％ＳｉＯ_２）が２．５となるように添加量を調整した。

脱炭吹錬では、炉内に鉄スクラップを装入したのち、温度が１３５０℃になる溶鉄（脱りんした溶鉄）を装入し、上吹きランスから吸錬酸素ガスを供給し、同時に生石灰粉、燃焼酸素ガス、プロパンガスを溶鉄面に向けて吹きつけながら底吹き羽口からアルゴンガスを攪拌ガスとして溶鉄中に吹き込んだ。

鉄スクラップの装入量は、脱炭処理終了温度が１６８０℃、炭素濃度が０．０５ｍａｓｓ％となるように調整した。生石灰は、炉内スラグの塩基度（ｍａｓｓ％ＣａＯ／ｍａｓｓ％ＳｉＯ_２）が３．５となるように添加量を調整した。

表４より明らかなように、本発明に従うバーナー機能を備えた吹込みランスを用いて、脱りん、脱炭吹錬を行った場合においては、鉄スクラップ配合比を高めることが可能であり、溶銑配合率を大幅に低減できることが確かめられた。

また、本発明に従う吹込みランスを用いて金属溶湯の溶融還元を行うべく、２．５ｔの溶銑を転炉に装入し、精錬用酸素ガス量：７．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ、底吹き窒素ガス量：０．２５Ｎｍ^３／ｍｉｎの条件でコークスを適宜供給しながら吸錬を開始した。

そして、溶銑温度が１６００℃になるまで昇熱し、溶銑温度が１６００℃に達した時点で、上吹きランスからクロム鉱石粉の供給を開始し、溶融還元吹錬を実施した。なお、この溶融還元吹錬においては、溶融還元吹錬の開始とともに上吹きランスからバーナーのプロパンガスと酸素ガスの供給も開始した。

プロパンガスと酸素ガスの流量は、それぞれ０．２Ｎｍ^３／ｍｉｎ、１．０Ｎｍ^３／ｍｉｎとし、 溶融還元吹錬中は、適宜溶銑温度を測定し、溶融還元に適した溶銑温度１６００℃になるようにクロム鉱石粉の供給速度を変化させて吹錬を実施した。

所定の時間（約３０分間）を過ぎてから、クロム鉱石粉、プロパンガス、酸素ガスの供給を停止し、さらに、上吹きの酸素ガスの供給のみを行う吹錬を３分行った。

上記の溶融還元吹錬において、クロム鉱石の使用量指数とＦ値との関係について調査した結果を、比較例（比較例３、４、吹錬条件は適合例４、適合例５と同じ）の結果とともに表５に示す。なお、表中のクロム鉱石の使用量指数は、適合例５の指数を１．００として比較して表示したものである。

表５より明らかなように、Ｆ値が０以下になる比較例３、比較例４では、溶融還元吹錬でのクロム鉱石の使用量指数が小さくなることが確認された。

本発明によれば、バーナーの燃焼熱を、粉体を通して溶鉄に効率よく伝達することができるため、溶鉄における着熱効率の改善が可能であり、転炉で脱りん精錬、脱炭精錬を行うに当たってスクラップの大量使用により溶銑配合率を大幅に低減することができる。

また、本発明によれば、着熱効率の改善により、炭材の使用量を削減することが可能であり、ＣＯ_２の排出量を低減することができる。

１ 炉体
１ａ 鉄皮
１ｂ 耐火物層
２ 底吹き羽口
３ 溶鉄
４ スラグ
５ 粉体吹込みランス
５ａ ランス本体
５ａ_１ 外管
５ａ_２ 内管
５ａ_３ 管体
５ａ_４ 管体
５ｂ ノズル部
５ｂ_１ 精錬用酸素吹込みノズル
５ｂ_２ バーナーノズル
６ 精錬用酸素ガスを供給する送給管
７ 燃焼用酸素ガスを供給する送給管
８ 燃料ガスを供給する送給管
９ 粉体を供給する送給管
１０ 粉体
１１ 火炎
１２ 精錬用酸素ガス
ｅ 噴出開口
ｆ 噴出開口

Claims (4)

1. 円形軌道に沿い間隔をおいて配列され、鉄浴型精練炉に収容された鉄浴中へ酸素ガスを吹込む複数の噴出開口を有する精錬用酸素ガス吹込みノズルと、前記円形軌道の中心軸と同軸になる軸芯を有し、該精錬用酸素ガス吹込みノズルの内側にて火炎を形成するとともに、該火炎によって着熱された粉体を前記鉄浴中へ吹き込む噴出開口を有するバーナーノズルとを備えた粉体吹込みランスにおいて、
   前記精練用酸素ガス吹込みノズルの噴出開口と前記バーナーノズルの噴出開口との位置関係を示す指標Ｆが、下記の条件を満足することを特徴とするバーナー機能を付与した粉体吹込みランス。
   記
   Ｆ＝１．７（Ｒ−ｒ−ｄ/２）/Ｌ＋ｔａｎ（θ−１２°）−０．０５２４＞０
   
   Ｒ：精練用酸素ガス吹込みノズルの噴出開口のピッチサークルの半径（ｍｍ）
   ｒ：バーナーノズルの噴出開口の半径（ｍｍ）
   ｄ：精練用酸素ノズルの噴出開口の直径（ｍｍ）
   θ：精練用酸素ガス吹込みノズルの軸芯と、円形軌跡の中心軸とのなす角度（傾角）（°）
   Ｌ：ランス高さ（ｍｍ）
2. 請求項１に記載した粉体吹込みランスが、脱りん精錬または脱炭精錬に使用する精錬用上吹きランスであることを特徴とするバーナー機能を付与した粉体吹込みランス。
3. 請求項１または２に記載した粉体吹込みランスを用いて鉄浴型精練炉に収容された溶鉄の精錬を行う方法において、
   前記バーナーノズルの燃料として、プロパンガス、Ｃガス等の気体燃料、重油等の液体燃料およびプラスチック等の固体燃料のうちの１種または２種以上を用いることを特徴とする溶鉄の精錬方法。
4. 前記鉄浴型精錬炉内に金属酸化物、酸化物系鉱石の粉体または粒体を装入、溶融還元して金属溶湯を得る溶融還元方法において、
   請求項１〜３のいずれか１に記載した粉体吹込みランスのバーナーノズルを通して、酸化鉄、媒溶材および炭素含有物質のうちのいずれか１種または２種以上の粉粒状の副原料を吹き込むことを特徴とする金属溶湯の溶融還元方法。

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