JP2014019882A - 溶融還元炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフト部での炉内ガス顕熱を有効利用するために有効な溶融還元炉の操業方法を提案する。
【解決手段】室炉塊コークスが充填された炉内に、上下の２段に配設された羽口６、７から高温ガスを吹き込むと共に、少なくとも上段羽口６からは併せて粉状鉄源原料を吹き込んで溶融還元することにより溶銑を製造するに当たって、炉内に装入し充填する室炉塊コークスの少なくとも一部をフェロコークスとする溶融還元炉１の操業方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化鉄を含む粉状鉄源原料を溶融還元して溶銑を製造する際に用いられる竪型２段羽口式溶融還元炉の操業方法に関する。

従来、転炉排ガス中に含まれる転炉ダストのような製鉄ダスト（酸化鉄を含有する粉状鉄源原料）を溶融還元して溶銑を製造する方法として、竪型炉である溶融還元炉を利用する方法がある。この竪型の溶融還元炉は、一般に、シャフト部とベリー部の周方向にそれぞれ上段羽口と下段羽口とを複数個づつ配設した２段羽口構造のものがよく知られている。

このタイプの溶融還元炉１は、図１に示すように、炉頂部に炉内ガスの排ガス口２と固体還元剤等の装入口３とを備えると共に、炉底部には出銑口４と排滓口５とを有し、そしてシャフト部付近には上段羽口６と下段羽口７とが設けられた構造の炉である。この炉は、炉内のシャフト上部に鉱石原料や副原料を装入して充填する場合もあるが、基本的には、炉内に固体還元材である室炉塊コークスを充填し、上段羽口６から炉内の塊コークス中、特に羽口先に形成されるレースウエイ部に、転炉ダストや鉱石粉等の粉状鉄源原料と共に熱風を吹き込むと共に、下段羽口７からは８００〜１０００℃程度の熱風と必要に応じて燃料ガスを吹き込むことにより、羽口先の前記レースウエイ８の高温還元雰囲気中において、該吹き込み原料を溶融還元することにより、炉底部の出銑口４から溶銑を排出する構成となっている（特許文献１、２、３参照）。

上述したように、この種の溶融還元炉では、塊コークスが充填された炉内に、主として上段羽口から吹き込まれる転炉ダストのような粉状の金属酸化物原料（鉄源原料）を、該羽口先のレースウエイ（２５００℃程度以上）の高温雰囲気中に導いて、一気に昇温、還元、溶融させることにより、溶銑を製造することとしている。

従って、この炉の場合、前記上段羽口６より上の領域であるシャフト部を上昇する高温の炉内ガスについては、該シャフト部に充填されている塊コークスの加熱には利用されるが、少なくとも前記吹き込み原料（粉状転炉ダスト等）の昇温のためにはほとんど利用されることなく炉頂部から排出されていくのが実情である。

もし、この溶融還元炉の熱効率を今以上に向上させようとしたら、前記シャフト部での炉内ガス顕熱を炉内に装入される鉄源原料の昇温にも利用できるようにすることが不可欠である。そのために、装入物である粉状鉄源原料（転炉ダスト等）を炉頂から装入してシャフト部に堆積させる方法も考えられる。しかし、これは装入対象が、粉状物であるために実質上困難である。もちろん、粉状の転炉ダスト等を塊成化して炉頂から装入する方法も考えられるが、高炉と同じような炉頂装入装置を設置して炉半径方向における堆積原料の分布を制御できるようにしなければならない。さもないと、装入物（塊成鉱と塊コークス）の偏析による装入物分布の不均一が発生しやすくなり、ひいては使用量の増大も望めないし、一方で設備費の増大も招くという問題も生じる。

特開平５−３３１５１５号公報 特開平８−１４３９２４号公報 特開２００３−２４７０３２号公報

上述したように、コークスを充填した従来の竪型２段羽口式溶融還元炉、とくにシャフト部内全域がコークス充填層形式のものでは、該シャフト部での炉内ガス顕熱の有効利用ができないという問題点があった。従って、この種の炉のエネルギー効率を向上させるという観点からは、炉内に装入する原料の形態を含む溶融還元炉の操業方法の改善が必要である。

そこで、本発明の目的は、シャフト部での炉内ガス顕熱を有効利用するために有効な溶融還元炉の操業方法を提案することにある。

シャフト部にコークスを充填するタイプの竪型２段羽口式溶融還元炉について、この炉が抱えている上述した課題について検討する中で、発明者らは、炉内に装入する前記コークスについて、これを鉄内装形のコークスに代えれば、上述した課題を解決することができ、エネルギー効率の向上に有効であるとの知見を得、下記の本発明を開発するに到った。

即ち、本発明は、主として室炉塊コークスが充填された炉内に、上下の２段に配設された羽口から高温ガスを吹き込むと共に、少なくとも上段羽口からは併せて粉状鉄源原料を吹き込んで溶融還元することによって、溶銑を製造する、竪型２段羽口式溶融還元炉の操業において、炉内に装入し充填する前記室炉塊コークスの少なくとも一部をフェロコークスに代えることを特徴とする溶融還元炉の操業方法である。

本発明の前記操業方法において、
（１）前記フェロコークスは、羽口から吹き込む全粉状鉄源原料の５〜２０ｍａｓｓ％に相当する量を該フェロコークス中に含有させて炉頂より装入すること、
（２）前記フェロコークスは、２０〜４０ｍａｓｓ％の鉄源と残部が主としてコークスからなるものであること、
（３）前記フェロコークスは、石炭、粉状鉄源原料を混合し、成形したのち乾留して得たものであること、
（４）前記粉状鉄源原料は、製鋼ダストを主として含む製鉄ダスト、ミルスケール粉、鉄鉱石粉の少なくとも１種以上であること、
が、より好ましい実施の形態となると考えられる。

上記のように構成された本発明に係る溶融還元炉の操業方法によれば、炉内ガス顕熱の有効利用が図れると共に、さらに、
（１）燃料比（コークス比）の低減
（２）炉頂ガス温度の低下
（３）スラグ比の低減
（４）吹き込み原料や炉内装入物の飛散によるロスの低減
を図ることができる。

本発明で使用する溶融還元炉の一例を示す略線図である。

上述したとおり、本発明は、室炉塊コークス（平均粒径≦約３０ｍｍ）が装入充填される竪型の２段羽口式溶融還元炉の炉内に、その室炉塊コークスの少なくとも一部を、フェロコークスにて代替させることで、シャフト部内に実質的に鉄源原料を装入することによって、シャフト部を上昇する反応後の高温の炉内ガスの顕熱を使い、該フェロコークス中の鉄源原料を加熱昇温させ、このことによりエネルギー効率の向上を図るという操業方法である。

本発明において用いられる溶融還元炉としては、図１に示すように、炉体１の上部に炉内発生排ガスの排出口２と炉頂装入装置３とを備え、炉底部には出銑口４と排滓口５とを設け、炉体１の中程、即ちシャフト部下部には上段羽口６が、そしてベリー部には下段羽口７がそれぞれ周方向に複数個（４本程度）づつ配設された構成の、所謂コークス充填式竪型の２段羽口構造の炉である。

この炉の操業に当たっては、前記炉頂装入装置３から、平均粒径が３０ｍｍ程度の室炉塊コークス、および本発明において特徴的な塊状のフェロコークスを装入充填し、上段羽口６および下段羽口７からはそれぞれ熱ガスである高温の空気または酸素富化空気を炉内に吹き込むことにより、炉内コークスを高温に保つと同時に、羽口先に高温のレースウエイ８が形成された状態にする。その上で、前記上段羽口６からは転炉ダストのような製鋼ダストやミルスケール粉、さらには鉄鉱石粉などの、約１００μｍ以下に調整された粉状鉄源原料を該熱ガスと共に吹き込んで、該レースウエイ８内において、溶融ＦｅＯ、還元Ｆｅ（溶融状態）を一気に生成させ、ベリー部以下の充填コークス層中を滴下させながら炉底部に導き、出銑口４からは溶銑を、そして出滓口５からは溶融スラグを排出する方法である。

上記の炉操業において、上段羽口６からレースウエイ８中に吹き込まれた粉状鉄源原料は、炉内の赤熱コークスに接して直接還元される一方、下段羽口から吹き込まれた高温空気が炉内充填コークスと反応してＣＯガス、ＣＯ_２ガスを生成してシャフト上部を上昇する。本発明では、この時、炉頂部から装入され室炉塊コークスとともに降下するフェロコークスは、その過程で該フェロコークス中に含まれている粉状鉄源が上昇する高温（ガス−固体の向流移動槽のガス側入り口で約２０００℃）の炉内ガスと接して昇温されたのち、前記レースウエイ１８に達し、ここで、一気に還元、溶融される。つまり、このことによって、シャフト部を上昇する反応後の炉内ガスのもつ顕熱が炉頂から降下してくるフェロコークス中の粉状鉄源の予熱昇温に利用されることになるのである。

なお、このような溶融還元炉の操業を可能にしているのは、フェロコークスを製造するときに、内装する粉状の鉄源、例えば、転炉ダストのような製鋼ダストや高炉ダスト等の製鉄ダスト、ミルスケール粉、あるいは鉄鉱石等が、この段階（コークス乾留時）において既に還元されるために、こうしたフェロコークスを該溶融還元炉内に装入したとしても、所謂、シャフト部においてＣＯガスによるガス還元、即ち、間接還元反応は起こらず、ＣＯ_２ガスが発生しない（ソリューションロスによる吸熱反応が起こらない）ので、溶融還元炉での熱効率が一層向上することになる。

それは、一般に、高炉や溶融還元炉では、前記ガス還元反応（Ｆｅ_２Ｏ_３→Ｆｅ_３Ｏ_４→ＦｅＯ）は、温度の低いシャフト部（１０００℃以下）のみで行なわれるところ、フェロコークスの場合、室炉での乾留時において、ＦｅＯ、Ｆｅまで還元が進行しているために、前記レースウエイ８での直接還元反応（ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ）しか起こらないからである。

従って、本発明の溶融還元炉の操業では、炉内ガスのＣＯ_２比率は非常に低位であり、コークスのガス化反応はほとんどがレースウエイ部で生じるものと考えられる。ゆえに、炉頂から装入されたものであったとしても、フェロコークス中の鉄分（還元鉄）は、レースウエイ内でのコークスのガス化雰囲気中に直接放出されたと同じになり、この高温場（レースウエイ）で直ちに溶融し、やがて炉下部に滴下するようになる。即ち、フェロコークス中の鉄源は、上段羽口から吹き込まれた粉状鉄源原料と同様の挙動を示し、熱効率が上昇した分、コークス比の低減が期待できる。

本発明において、使用可能な粉状鉄源原料、即ち、上段羽口から吹き込む鉄源原料およびフェロコークス中に内装する鉄源原料としては、転炉ダスト等の製鋼ダストもしくはこの製鋼ダストを主として含み、かつこれに他の製鉄所内発生ダスト、あるいはミルスケール粉、鉄鉱石粉などを混合したものであってもよい。

また、本発明において特徴的なフェロコークスとしては、石炭粉に前記粉状鉄源と必要に応じてピッチ等のバインダーを加えて成型し、これを連続式の竪型炉に装入して乾留したものなどが好適に用いられる。
例えば、原料石炭：６０〜８０ｍａｓｓ％、粉状鉄源原料２０〜４０ｍａｓｓ％の組成を有するものなどが好適に用いられる。粉状鉄源原料の割合が２０ｍａｓｓ％未満では乾留炉内で成型物が相互に融着する可能性があり、５０ｍａｓｓ％を超えるものでは、乾留後の強度が低下するからである。従って、フェロコークスは、２０〜４０ｍａｓｓ％の鉄源と残部が主としてコークスからなるものであることが好ましい。

また、このフェロコークスは、上段羽口から炉内に吹き込む全粉状鉄源原料の５〜２０ｍａｓｓ％に相当する量を、該フェロコークス中に含有させて、炉頂より代替装入する。全吹き込み原料の５ｍａｓｓ％以上を代替装入する理由は、少量では熱交換効率改善効果少なく、フェロコークス製造に見合う効果を得ることができないためであり、一方、２０ｍａｓｓ％以下にする理由は、溶融還元炉に投入するフェロコークス量が過大になると炉頂で偏析を起こし、熱交換が不均一になり、操業に変動を及ぼすためである。好ましい代替装入量は５〜２０ｍａｓｓ％である。

以下の実施例は、図１に示す１６０ｔ／ｄの規模の竪型２段羽口式溶融還元炉を用いて試験操業をしたときの結果を示すものである。この試験操業において使用した粉状鉄源原料は、転炉から発生する転炉ダストからなるものを用いた。また、この転炉ダストの炉内に供給すべき量（１５００ｋｇ／ｔ−ｐ）のうち約７％は、フェロコークス中に含有（１００ｋｇ／ｔ−ｐ ただし、フェロコークス中の転炉ダスト量は４０ｍａｓｓ％）させて、１００ｔ／ｄの溶銑を製造する試験を行なった。この試験時の炉操業条件は下記表１に示すとおりである。
即ち、表１に示すように、送風量は１５０〜２５０Ｎｍ^３／ｍｉｎ、酸素富化量は２０〜４０Ｎｍ^３／ｍｉｎ、送風温度は８００〜８５０℃、スラグ比は３００〜４５０ｋｇ／ｔ、メタル生成速度は平均１６０ｔ／ｄとした。

また、比較例として、炉内にフェロコークスを装入しない例（比較例１）、および転炉ダストの一部（１００ｋｇ／ｔ−ｐ）を、セメントボンド塊成物として炉頂から炉内に振り代え装入した例（比較例２）の操業例についても併せて表２に示す。

表２に示すとおり、本発明方法に適合する発明例は、転炉ダストの全量を上段羽口から吹き込む比較例１および転炉ダストの一部をセメントボンド塊成物中に含有させた比較例２に比べ、実質コークス比、スラグ比とも少なく、しかも炉頂ガス温度や炉頂装入原料の飛散ロス（比較例２と比べ）も少なく、本発明方法の優位性が確かめられた。なお、転炉ダストの一部をフェロコークス中でなくセメントボンド塊成物中に振り代えて使用する比較例２については、生成するスラグを加熱するための熱が必要となるためコークス比が上がると共に炉頂ガス温度の上昇と炉頂からの飛散ロスが発生している。

本発明に係る溶融還元炉の操業方法は、例示の竪型２段羽口式溶融還元炉だけでなく、他の竪型溶融還元炉、その他の竪型炉の操業にも応用が可能である。

１ 溶融還元炉
２ 排ガス口
３ 装入口
４ 出銑口
５ 排滓口
６ 上段羽口
７ 下段羽口
８ レースウェイ

Claims (5)

1. 主として室炉塊コークスが充填された炉内に、上下の２段に配設された羽口から高温ガスを吹き込むと共に、少なくとも上段羽口からは併せて粉状鉄源原料を吹き込んで溶融還元することによって、溶銑を製造する、竪型２段羽口式溶融還元炉の操業において、炉内に装入し充填する前記室炉塊コークスの少なくとも一部をフェロコークスに代えることを特徴とする溶融還元炉の操業方法。
2. 前記フェロコークスは、羽口から吹き込む全粉状鉄源原料の５〜２０ｍａｓｓ％に相当する量を該フェロコークス中に含有させて炉頂より装入することを特徴とする請求項１に記載の溶融還元炉の操業方法。
3. 前記フェロコークスは、２０〜４０ｍａｓｓ％の鉄源と残部が主としてコークスからなるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融還元炉の操業方法。
4. 前記フェロコークスは、石炭、粉状鉄源原料を混合し、成形したのち乾留したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の溶融還元炉の操業方法。
5. 前記粉状鉄源原料は、製鋼ダストを主として含む製鉄ダスト、ミルスケール粉、鉄鉱石粉の少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の溶融還元炉の操業方法。

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