JP2014043603A - スクラップ溶解竪型炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全量、高炉用コークスを用いるスクラップ溶解竪型炉の操業方法を提供すること。
【解決手段】スクラップを溶解する竪型炉の操業方法において、固体燃料として、粒径４０ｍｍ以上７２ｍｍ未満の高炉用コークスを４０質量％以上７５質量％未満と、粒径７２ｍｍ以上の高炉用コークスを２５質量％以上６０質量％未満を使用してスクラップを溶解することを特徴とするスクラップ溶解竪型炉の操業方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、スクラップ溶解竪型炉の操業方法に関する。

キュポラ等の竪型炉でスクラップを溶解する技術が知られている。スクラップに限られず、鋳物屑、銑鉄、直接還元鉄（ＤＲＩ）、ホットブリケット（ＨＢＩ）等の金属化率の高い鉄源を溶解する場合もある。

スクラップ溶解竪型炉では、固形燃料として、一般的に、鋳物用コークスを使用する。これに対し、鉄鉱石を溶融、還元する高炉では、高炉用コークスを用いる。鋳物用コークスは、高炉用コークスに比べて低反応性であり、粒径が大きく、強度が高く、灰分が少ない。ここで、スクラップ溶解竪型炉で、鋳物用コークスを使用する理由を高炉との対比において説明する。

まず、高炉について説明する。高炉は、鉄鉱石を還元する必要があり、還元性ガスとしてＣＯガスが必要である。炉内に装入されたコークスは、羽口前で高温かつ高速で吹き込まれた送風と反応し、レースウェイ空間を形成する。即ち、レースウェイ空間内では、コークス（Ｃ）は、一旦、送風中の酸素（Ｏ₂）と燃焼反応（Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂）により発熱する。しかし、高温であるが故に、Ｏ₂が消費され尽くされると引き続き、コークス（Ｃ）は生成したＣＯ₂ガスとソルーションロス反応（ＣＯ₂＋Ｃ→１／２ＣＯ）の吸熱反応が起こり、燃焼生成ガスは、ほぼ全量、ＣＯガスと反応性のない送風中Ｎ₂の混合ガスに成る。生成されたＣＯガスは高炉の炉内で鉄鉱石の還元に寄与する。

これに対し、スクラップ溶解竪型炉は、金属化率の高い鉄源を溶融する操業である。還元を必要とせず、炉内で還元性ガス（ＣＯ）が必要とされない点で高炉とは相違する。
ＣＯガスの生成は必要とされないので、ソルーションロス反応（ＣＯ₂＋Ｃ→１／２ＣＯ）の吸熱反応を抑制し、コークス中のカーボン（Ｃ）をＣＯ₂に完全燃焼し、炉内の熱量低下を抑制する。そのため、羽口から冷風や、６００℃以下の送風を低い送風速度の条件で、炉内に吹き込み、炉内の羽口前方でのレースウェイの形成を避ける。そして、ソルーションロス反応（ＣＯ₂＋Ｃ→１／２ＣＯ）の吸熱反応をおこすことを回避するため、高炉用コークスに比べてソルーションロス反応が起き難い低反応性で、粒度の大きな鋳物用コークスを固体燃料として使用している。

鋳物用コークスは、粒径が大きく、反応性が低いため、ソルーションロス反応を抑制し、また、強度が高く、灰分が少ないため、炉内での粉化量及びスラグ発生量が少なく、炉内通気性に優れる点で、高炉用コークスに比べて有利である。

しかし、鋳物用コークスは、高炉用コークスに比べて高価であることから、スクラップの溶解コストを増加させる原因となる。そこで、スクラップ溶解竪型炉で安価な高炉用コークスを用いることが望まれてきた。

炉体の内壁面から炉中心までの面積に対する、各羽口先端から炉中心までの面積の比（羽口先端面積比）が３２〜４２％の範囲内となるように羽口を設けたキュポラを用い、コークスを主燃料として冷鉄源を溶解して溶銑を溶製するキュポラによる溶銑の溶製方法の提案がある（特許文献１）。このキュポラによれば、コークスの燃焼により発生した高温のＣＯ₂ガスは、炉壁との接触が少なくなり、側壁からの抜熱量が減少して、炉内熱効率が向上するので、鋳物用コークスの３０〜４０％を高炉用コークスに置換できる。

又、スクラップ溶解竪型炉で安価な高炉用コークスを大量に用いる操業方法が、提案されている。炉下部に充填されたコークスベッド上に、炉頂から、平均金属化率が９５％以上の金属化率が高い鉄源と、高炉用コークスを７０〜１００質量％配合した固体燃料を、層状又は混合の状態で装入し、炉下部の羽口から送風して鉄源を溶融し、銑鉄を製造する竪型炉であって、（１）炉高方向の最下段の羽口の下面から炉底底盤上面までの距離が、羽口下面位置における炉径の０．７倍以上であり、かつ、（２）シャフト部、羽口周辺部、炉底側壁部、及び、炉底底盤に、それぞれ配置された内張耐火物の熱伝導率及び厚みを基に計算される、上記シャフト部から炉底底盤までの炉高範囲の内容積当りの炉体放散熱が０．１５Ｍｗ／ｍ³以下であることを特徴とする竪型炉の提案がある（特許文献２）。この方法によれば、（１）小粒径で通気抵抗が大きい高炉用コークスの多量使用に伴う炉内の圧力損失の増大に対し、炉高方向の最下段の羽口の下面から炉底底盤上面までの距離を大きくし、（２）ソルーションロス反応（ＣＯ₂＋Ｃ→１／２ＣＯ）の増加による吸熱に対し、炉下部の炉体放散熱が少ない耐火物構造としている。

特開２００７−００２３０５号公報 特開２００９−７９２８９号公報

スクラップ溶解竪型炉において、粒径が小さく、反応性が高い高炉用コークスを多量に使用すると、上述したソルーションロス反応（Ｃ（カーボン）＋ＣＯ₂（コークスの燃焼ガス）→２ＣＯ−Ｑ（吸熱））の進行が助長され、炉内の温度が低下する。そして、鉄源の溶融が不十分となるとともに、炉内温度低下による出銑の不安定化などの生産性低下の原因となる。

また、スクラップ溶解竪型炉において、鋳物用コークスに比べて小粒径で、灰分が高く、低強度の高炉用コークスを使用すると、炉内の圧力損失が大きい操業となる。

特許文献１の記載では、鋳物用コークスから高炉用コークスへの置換は、使用コークスの３０〜４０％に止まる。

特許文献２の記載によれば、スクラップ溶解竪型炉の固体燃料の７０〜１００質量％を高炉用コークスにすることができる。しかし、高炉用コークスの粒径は、最大粒径７２ｍｍ以下、平均粒径６０ｍｍ以下とあるのみで、スクラップ溶解竪型炉に適切なコークスの粒径についての言及はない。

本発明は、かかる技術の現状に鑑みて、鋳物用コークスを、全て、安価な高炉用コークスに変更し、それに伴うコークスのソルーションロス反応に起因する炉内温度の低下と炉内の圧力損失の増加を防止することを課題とする。

本発明の目的は、全量、高炉用コークスを用いるスクラップ溶解竪型炉の操業方法を提供することである。

本発明者は、スクラップ溶解竪型炉で高炉用コークスを使用するには、高炉用コークスの粒度構成が重要であることの知見を得た。本発明は、かかる知見に基づくものであり、その要旨は、以下のとおりである。
（１）スクラップを溶解する竪型炉の操業方法において、
固体燃料として、粒径４０ｍｍ以上７２ｍｍ未満の高炉用コークスを４０質量％以上７５質量％未満と、粒径７２ｍｍ以上の高炉用コークスを２５質量％以上６０質量％未満を使用してスクラップを溶解することを特徴とするスクラップ溶解竪型炉の操業方法。
（２）前記固体燃料が、粒径４０ｍｍ以上７２ｍｍ未満の高炉用コークスを５０質量％以上７５質量％未満と、粒径７２ｍｍ以上の高炉用コークスを２５質量％以上５０質量％未満を使用してスクラップを溶解することを特徴とする（１）に記載のスクラップ溶解竪型炉の操業方法。
（３）前記スクラップを溶解する竪型炉の操業方法が、金属化率が低いダスト塊成鉱若しくは自己還元性鉱塊成鉱をスクラップに加えて溶解することを特徴とする（１）又は（２）に記載のスクラップ溶解竪型炉の操業方法。

鋳物用コークスを、全て、安価な高炉用コークスに変更し、それに伴う炉内の圧力損失増加と、コークスのソルーションロス反応に起因する炉内熱量の低減を防止するスクラップ溶解竪型炉の操業方法を提供することができる。

本発明に係る竪型炉の一態様を示す図である。 大粒径コークス（≧７２ｍｍ）使用比率とコークス比の関係を示す図である。

（本発明に係るスクラップ溶解竪型炉について）
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明に係る竪型炉の一態様を示す。

竪型炉１は、炉本体２の下部に設けられた羽口６と、炉本体２の上部に設けられたガス吸引部４、及び、このガス吸引部４内に貫通して設けられた炉頂部３とで構成されている。

羽口６は、炉の高さ方向に、上段羽口６ａ及び下段羽口６ｂの２段設けられる。上段羽口６ａは、炉下部に充填されたコークスベッド８表面の直下の高さ位置に設けられ、下段羽口６ｂは、コークスベット８内の高さ位置に設けられる。

羽口径は、羽口先でレースウェイを作らないように、高炉に比べて送風速度が遅くなる
ように設定される。なお、本発明は、羽口は２段に限られるものではなく、送風条件によ
り１段で行うことも可能である。

上段羽口６ａ及び下段羽口６ｂの２段の羽口から送風する場合は、下段羽口６ｂから、
室温又は６００℃以下の空気を吹き込むことで、主として、コークスを燃焼させる。上段羽口６ａから室温の空気を吹き込むことで、一部燃焼ガス（ＣＯ₂）とコークスのソルーションロス反応で生成したＣＯガスを燃焼させ、ソルーションロス反応（吸熱）による鉄源の溶融熱量の低下を補償する。

なお、１段の羽口から送風する場合は、羽口を上記下段羽口６ｂと同じ高さ位置に設け
、コークスの燃焼を促進する。鉄源の溶融熱量を高めるために、下段羽口６ｂから吹き込まれる室温又は６００℃以下の空気中に酸素を富化し、酸素濃度を高める場合もある。

一方、図１に示す２段の羽口から送風する場合は、上段羽口６ａからの送風により、熱
量を補償できる。

原燃料１０は、それぞれの原料ホッパーから切り出され、それぞれ、秤量器で秤量され
た後、装入装置であるバケット７内に収容される。このバケット７を介して、竪型炉１の炉頂部３から、竪型炉１の下部に形成されたコークスベッド８上に、固体燃料と鉄源が層状又は混合の状態となるように装入される。

なお、固体燃料と鉄源を層状に装入するためには、固体燃料と鉄源をバケット７内に層
状に装入し、バケット７底部を開放して炉内に装入する。落下時に、固体燃料と鉄源の一部が混合するので、固体燃料と鉄源は、主として、固体燃料と鉄源の層状で装入され、その一部が固体燃料と鉄源の混合の状態で装入される。

原燃料１０の堆積高さ（ストックレベル）は、炉頂部３内の上部の高さ位置に調整され
る。炉頂部３内のガス吸引部４から上方の高さ方向範囲は、原燃料１０を充填した状態とすることで、炉頂最上部（開口部）を封止（これを、マテリアルシールという）している。

なお、当然のことながら、操業中、原料の溶解および燃料コークスのガス化による原燃料の降下に伴い、原燃料１０の堆積高さ（ストックレベル）レベルは低下する。このため、炉頂部３を封止しながら安定した原燃料の溶融を行うために、炉頂部３の内側にレベル計（図示なし）などを取り付ける。これにより、原燃料１０の堆積高さ（ストックレベル）を計測し、ストックレベルを所定レベルに維持するように、原燃料１０の装入タイミングを制御する。

竪型炉１の炉頂部の上方から装入された原燃料１０中の鉄源は、コークスベッドより上の溶解帯で、羽口６から吹き込まれた空気中の酸素によるコークス（Ｃ）の燃焼熱により溶解される。鉄源中に一部含有される酸化鉄は、還元ガス（ＣＯ）、固体炭素（Ｃ）、又は、溶銑中炭素（［Ｃ］）で還元され、さらに、溶解してコークスベッド８を降下して、炉底部に溜まる。

炉底部の炉底底盤上面の高さレベルには、炉外に設けられた貯銑滓部１１と連通する連通管１２が備えられる。炉内の炉底部に溜まった溶銑滓は、連通管１２を通って炉外の貯銑滓部１１に流れ、溶銑滓の上層部の溶滓（スラグ）と下層部の溶銑に分離された後、下層部の溶銑は、出銑口９から取り出される。

なお、鉄源の溶解が行われる溶解帯は、主として、コークスベッド８の表面から、上方に、約１〜２．５ｍ程度の炉高さ方向範囲（バケット７内に収容された原燃料の約１〜２．５チャージに相当する）に形成される。

（スクラップ溶解竪型炉により溶解する鉄源）
スクラップ溶解竪型炉は、スクラップに限られず、鋳物屑、銑鉄、直接還元鉄（ＤＲＩ）、ホットブリケット（ＨＢＩ）等の金属化率の高い鉄源を溶解する場合もある。
一方、製鉄所においては、製鉄プロセスで大量に発生する鉄分を多く含有する製鉄ダストが発生する。そのリサイクル処理に、ダスト塊成鉱又は自己還元性鉱塊（炭材含有量が高い塊成鉱）等の金属化率が低い鉄源を溶解する場合もある。
本発明は、鉄源としては、平均金属化率が９５％未満の金属化率が低い鉄源を用いる場合に、より効果的である。なぜなら、平均金属化率が９５％未満の金属化率が低い鉄源は酸化鉄を還元するための熱が必要であるためコークス比を高めて操業する必要があり、ガス利用率が上昇すれば、コークス比の削減比率が同等でも削減原単位が大きい。例えば、本発明の実施により、コークス比を１０％低減できるとすれば、ベースのコークス比が２００ｋｇ／ｔであれば削減原単位は２０ｋｇ／ｔであるが、ベースのコークス比が２５０ｋｇ／ｔであれば、削減原単位は２５ｋｇ／ｔとなる。

（高炉用コークスの粒度の適切化）
通常の鋳物用コークスの粒度は、最大粒径３００ｍｍ以下、平均粒径８０ｍｍ以上、灰
分が９％以下である。これに対し、高炉用コークスは、灰分が９％以上で、粒径は小さく、通常７２ｍｍ以上は破砕して、４０ｍｍ〜７２ｍｍの粒度のものを高炉に使用している。
コークス炉（室炉）で製造されるコークスは、コークス炉からの押し出し、ＣＤＱプロセス等を経て成品となるが、粒度分布があり、中には７２mmを超える大きな粒度を持つものもある。ただし、コークス炉の炉幅が４００ｍｍであることから、２００ｍｍを超えることはない。
高炉ではガス流れの安定のため装入物の粒度をできるだけ均一にすることが望ましく、７２ｍｍ以上の大粒径の成品は破砕処理を行い、７２ｍｍ未満に破砕して使用する。

特許文献２で使用する高炉用コークスは、高炉と共通使用でき、工程や製品の製造量、使用量の管理が容易になるよう、篩い分け、破砕処理を経て高炉用粒度に調整されたコークスを使用することを前提にしている。これに対し、本発明に係る方法を実施する場合は、篩い分け後７２ｍｍ以上のコークスを破砕前に抜き取りを行い、高炉使用に供するコークスとは別途保管してスクラップ溶解専用に使用するものである。

溶解炉に使用する高炉用コークスの粒度下限は、高炉に使用する粒度下限と一致させる。通常、それは４０ｍｍである。本発明では、粒径７２ｍｍ以上の比率を２５質量％以上６０質量％未満とする。これによって、高炉用コークスを多量に使用することの弊害、すなわち炉内圧力損失の増加とソルーションロス反応増加による炉内温度の低下とを改善できる。更に、粒径７２ｍｍ以上の比率は５０質量％未満とするのが量バランス上より好ましい。

上記構成比率の限定の理由は、大粒径コークスの使用比率を変更して炉内のスクラップ溶解炉のガス利用率とコークス比を調べた結果、後述するように、(1)大粒径（≧７２ｍｍ）コークスの使用比率が２５質量％未満ではコークス比の低減効果は小さいこと、(2) 大粒径（≧７２ｍｍ）コークスの使用比率が６０質量％以上になると、コークス比は低下していくものの低減効果の度合いが減ってくることを見いだしたことによる。
更に、コークス炉の成品のうちに占める大粒径（≧７２ｍｍ）コークスの比率はそれほど多くないので、大粒径（≧７２ｍｍ）高炉用コークスの使用比率を高くしすぎると、大粒径コークスと小粒径コークスの製造比率と使用比率がアンバランスとなり、長期継続的に大粒径コークスを高比率で使用することが困難となる。大粒径コークスを２５〜５０質量％、残りを小粒径（４０〜７２ｍｍ）コークスの比率で、高炉用コークスを使用するのが長期的に最もコークス比削減メリットを享受することができる。

特許文献２の記載によれば、最大粒径７２ｍｍ以下、平均粒径６０ｍｍ以下、灰分が９
質量％以上の性状を有する高炉用コークスを７０質量％以上配合した固体燃料を用いて鉄
源を溶融又は溶融、還元する場合について記述がある。本発明は、粒径７２ｍｍ以上の高炉コークスを用いる場合の最適の粒度構成を規定するものであり、特許文献２の記載とは、相違する。

次に、本発明の実施例について説明する。
図１に示す溶解能力５５ｔ／ｈ（１３２０ｔ／ｄ）のスクラップ溶解竪型炉において、２００８年１月１日〜６月３０日の６ヶ月間、全量、高炉用コークスを用い、その粒度を変更する操業実験を行った。

スクラップは、製鉄所内で発生する厚板屑等のスクラップ３０〜５０％と、市中購入屑をシュレッダー化処理して混入異物を除去したスクラップ５０〜７０％を用いた。コークスは、製鉄所内のコークス炉で製造した灰分１１質量％〜１３質量％の高炉用コークスを用いた。送風は、下段羽口８本から、５００℃の酸素富化率５〜６％の熱風を吹き込み、上段羽口４本から常温の空気を吹き込んだ。

図２に大粒径コークス（≧７２ｍｍ）使用比率とコークス比の関係を示す。粒径７２ｍｍ以上の高炉用コークスの使用割合が、２５質量％以下の場合は、コークス比の低減効果は小さかったが、２５質量％〜６０質量％の場合に、コークス比の低減効果が大きかった。

鋳物用コークスを、全て、安価な高炉用コークスに変更することができるスクラップ溶解竪型炉の操業方法に利用できる。

１…竪型炉、２…炉本体、３…炉頂部、４…ガス吸引部、６…羽口、６ａ…上段羽口、６ｂ…下段羽口、７…バケット、８…コークスベッド、９…出銑口、１０…原燃料（鉄源、固体燃料）、１１…貯銑滓部、１２…連通管。

Claims (3)

1. スクラップを溶解する竪型炉の操業方法において、
   固体燃料として、粒径４０ｍｍ以上７２ｍｍ未満の高炉用コークスを４０質量％以上７５質量％未満と、粒径７２ｍｍ以上の高炉用コークスを２５質量％以上６０質量％未満を使用してスクラップを溶解することを特徴とするスクラップ溶解竪型炉の操業方法。
2. 前記固体燃料が、粒径４０ｍｍ以上７２ｍｍ未満の高炉用コークスを５０質量％以上７５質量％未満と、粒径７２ｍｍ以上の高炉用コークスを２５質量％以上５０質量％未満を使用してスクラップを溶解することを特徴とする請求項１に記載のスクラップ溶解竪型炉の操業方法。
3. 前記スクラップを溶解する竪型炉の操業方法が、金属化率が低いダスト塊成鉱若しくは自己還元性鉱塊成鉱をスクラップに加えて溶解することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスクラップ溶解竪型炉の操業方法。

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