JP2022143183A - 溶銑の脱りん方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精錬剤を投射できる燃料バーナーを用いて溶銑の脱りん処理を行う方法において、燃料燃焼による発熱が溶銑と精錬剤への着熱に寄与する着熱効率を向上する、溶銑の脱りん方法を提供する。【解決手段】燃料バーナー２は精錬容器１内の溶銑３の湯面４に向けて燃料と気体酸素を噴射してバーナー火炎７を形成しつつ精錬剤をバーナー火炎７を通過して投射し、燃料バーナー２の先端と湯面４との間の距離Ｌ、バーナー火炎７の長さＬ０が下記（１）式を満たし、燃料バーナー２から供給する燃料の燃焼するに必要な理論気体酸素供給量に対する過剰酸素供給比Ｒが下記（２）式を満たす、脱りん方法である。０．３≦Ｌ／Ｌ０≦０．８（１）１．１≦Ｒ≦１．５（２）【選択図】図１

Description

本発明は、りん濃度の高い溶銑を脱りん精錬して精錬後のスラグをりん酸肥料原料とする方法に用いることのできる、溶銑の脱りん方法に関する。

高炉法で製造された銑鉄中には０．１％程度のりんを含有している。溶銑を精錬する製鋼工程において脱りん精錬が行われる。脱りん精錬は、溶銑表面に脱りん精錬用スラグを形成し、酸化精錬によって溶銑中のりんを酸化してスラグ中に移行し、精錬終了後の溶鋼中のりん濃度の低減を図っている。精錬後に回収されたスラグ（以下「製鋼スラグ」という。）中に、脱りん精錬でスラグ中に移行したりん酸が２％前後含まれている。また、製鋼スラグ中には酸化鉄を含有している。系外に排出された製鋼スラグは、路盤材などの土木材料として使用され、あるいは海洋の埋め立てに用いられている。

このような製鋼スラグを還元処理することによって、製鋼スラグ中の酸化鉄とりん酸が還元され、０．５％以上のりんを含む高りん溶銑が得られること、この高りん溶銑を原料として脱りん処理を施し、得られる脱りんスラグをりん酸質肥料原料とする方法が知られている。

特許文献１には、りん濃度が１％以上の溶銑について脱りん精錬を行い、脱りん精錬で生成したスラグをりん酸肥料原料とするに際し、溶銑を精錬容器に装入し、溶融投射型燃料バーナーによって溶融した精錬剤を溶銑表面に添加し、上吹きランスから酸素ガスを溶銑表面に供給して溶銑の脱りん精錬を行う、りん酸肥料の製造方法が開示されている。スラグ原料を溶解・昇温するための熱源として、溶銑中の炭素の酸化熱を用いる必要のない、りん酸肥料の製造方法とすることができる。

特許文献２には、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融鉄の精錬方法および溶融還元方法であって、バーナーの燃焼熱を溶鉄に効率的に付与（着熱）するものが開示されている。粉状精錬剤供給流路と、燃料ガス供給流路と、燃料ガスの燃焼用酸化性ガス供給流路と、精錬用酸化性ガス供給流路とを別々に有する上吹きランスを用いて、反応容器に収容される溶融鉄の浴面に向けて上吹きランスのノズル前面に火炎を形成し、粉状精錬剤を粉状精錬剤供給流路から溶融鉄の浴面に向けて供給して、粉状精錬剤を火炎で加熱しながら溶融鉄の浴面に向けて吹き付ける、溶融鉄の精錬方法である。上吹きランス高さと火炎長さの比を制御するともに、燃料ガスと燃焼用酸化性ガスの比率を調整することで熱効率を上げるとしている。

特開２０１７－１２８７４７号公報 国際公開ＷＯ２０１３／０５７９２７号

本発明は、精錬剤を投射できる燃料バーナーを用いて溶銑の脱りん処理を行う方法を対象とする。前記燃料バーナーは、精錬容器内の前記溶銑の湯面に向けて燃料と気体酸素を噴射してバーナー火炎を形成しつつ、前記精錬剤を前記火炎を通過して投射する。

燃料バーナーから供給する燃料の燃焼で発生した熱量のうちのできるだけ多くを、溶銑及び投射した精錬剤に着熱して溶銑と精錬剤の顕熱上昇に寄与させることが好ましい。本発明は、燃料バーナーから供給する燃料と気体酸素の反応で燃料中のＨをＨ_２Ｏ、ＣをＣＯ_２に燃焼する際の発熱量のうち、溶銑及び投射した精錬剤に着熱して溶銑と精錬剤の顕熱上昇に寄与した熱量の比率を着熱効率とし、精錬剤を投射できる燃料バーナーを用いて溶銑の脱りん処理を行う溶銑の脱りん方法において、着熱効率の向上を図ることを課題とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］精錬剤を投射できる燃料バーナーを用いて溶銑の脱りん処理を行う方法において、
前記燃料バーナーは精錬容器内の前記溶銑の湯面に向けて燃料と気体酸素を噴射してバーナー火炎を形成しつつ前記精錬剤を前記バーナー火炎を通過して投射し、
前記燃料バーナーの先端と前記湯面との間の距離をＬとし、前記バーナー火炎の長さをＬ_０とし、
０．３≦Ｌ／Ｌ_０≦０．８ （１）
であり、
前記燃料バーナーから供給する前記燃料中のＨをＨ_２Ｏ、ＣをＣＯ_２に燃焼するに必要な気体酸素供給量を理論気体酸素供給量とし、実際の気体酸素供給量を前記理論気体酸素供給量で除した値を過剰酸素供給比（Ｒ）とし、
１．１≦Ｒ≦１．５ （２）
の範囲で前記気体酸素を供給することを特徴とする溶銑の脱りん方法。
［２］前記精錬剤が酸化鉄とＣａＯを含有することを特徴とする［１］に記載の溶銑の脱りん方法。
［３］りん濃度が１％以上の溶銑を脱りんする［１］または［２］に記載の溶銑の脱りん方法。

本発明は、精錬剤を投射できる燃料バーナーを用いて溶銑の脱りん処理を行う方法において、燃料バーナーの先端と湯面との間の距離Ｌ、燃料バーナーから供給する燃料の燃焼するに必要な理論気体酸素供給量に対する過剰酸素供給比Ｒを適切な範囲とすることにより、燃料燃焼による発熱が溶銑と精錬剤への着熱に寄与する着熱効率を向上することができる。

本発明の溶銑の脱りん方法に用いる精錬容器と燃料バーナーの関係の一例を示す図である。 燃料バーナーの先端と湯面との間の距離Ｌと、バーナー火炎の長さをＬ_０との関係を示す図である。

本発明が対象とする、精錬剤を投射できる燃料バーナーを用いて溶銑の脱りん処理を行う方法について、図１に基づいて説明する。精錬容器１内に溶銑３が収容されている。燃料バーナー２は精錬容器１内の溶銑３の湯面４に向けて燃料と気体酸素を噴射してバーナー火炎７を形成しつつ精錬剤をバーナー火炎７を通過して投射する。燃料バーナー２の先端と湯面４との間の距離をＬとする。距離Ｌを十分に離した状態で、バーナー火炎７の先端が湯面４から離れた状態において、バーナー火炎７の長さＬ_０を目視にて実測することができる（図２（Ｃ）参照）。

バーナー火炎７での発熱が溶銑３及び投射する精錬剤に着熱するメカニズムとして、第１に、バーナー火炎７からの輻射熱が溶銑３に着熱するルートが考えられる。バーナー火炎７からの輻射熱の一部が溶銑３に着熱し、輻射熱の他の部分は精錬容器１の炉体や炉蓋に放散して消費される。第２に、バーナー火炎７を通過して投射される精錬剤の顕熱として着熱するルートが考えられる。

ここで、バーナー火炎７から溶銑３及び投射した精錬剤への着熱効率について検討する。精錬剤として、ＣａＯ及び酸化鉄を用いる場合を想定する。所定の時間にわたって、燃料バーナー２を通じて所定量の燃料、気体酸素、ＣａＯ、酸化鉄を溶銑３に噴射する。

燃料と気体酸素の反応で燃料中のＨをＨ_２Ｏ、ＣをＣＯ_２に燃焼する際の燃料噴射量あたり発熱量に燃料噴射量を乗じた値をバーナー燃焼発熱量とする。
溶鉄の温度について、初期の温度をＴ_１、所定時間経過後の溶鉄の温度をＴ_２（ΔＴ＝Ｔ_２－Ｔ_１）（℃）とする。所定時間での溶鉄の成分変化について、Ｐ含有量の変化量をΔＰ、Ｃ含有量の変化量をΔＣとする。吹き込んだ酸化鉄が溶鉄中で還元する際の還元熱（吸熱）、溶鉄中のＰ、ＣがＣＯに酸化する際の酸化熱（発熱）を計算によって求める。溶鉄とスラグの温度上昇（ΔＴ）による顕熱増量に、酸化鉄の還元熱（吸熱）および放散熱量（吸熱）をたし合わせ、これから溶鉄中のＰ、Ｃが酸化する際の酸化熱（発熱）を引いた値が、着熱量に相当する。なお、処理前の溶銑中にＳｉを含有している場合、Ｓｉが酸化する際の酸化熱（発熱）も考慮する。
以上の準備の元、上記算出した発熱量と着熱量の値に基づき、バーナー燃焼発熱の着熱効率を以下のように定める。
着熱効率＝（溶鉄の顕熱量増分＋スラグの顕熱量増分＋放散熱量＋酸化鉄の還元熱－Ｐ酸化熱－Ｃ酸化熱－Ｓｉ酸化熱）／バーナー燃焼発熱量 （３）
溶鉄の顕熱増分：溶鉄量×溶鉄の比熱×ΔＴ
スラグの顕熱増分：スラグ量×スラグの比熱×ΔＴ
単位時間当たりの放散熱量は例えば次の方法によって求めることができる。バーナーを照射しない状態で数分おきに測温し温度降下量を測定する。この温度降下量から次式で算出する。単位時間当たりの放散熱量に所定時間を乗じた値が（３）式の放散熱量となる。
単位時間当たりの放散熱量＝単位時間当たりの温度降下量×（溶鉄量×溶鉄の比熱＋スラグ量×スラグの比熱） （４）

以下、上記定義した着熱効率をできるだけ高めることのできる、溶銑の脱りん方法について検討する。

まず、燃料バーナー２の先端と湯面４との間の距離Ｌとバーナー火炎７の長さＬ_０の関係について、Ｌ／Ｌ_０として定義するパラメータが、着熱効率に及ぼす影響について考える。図２（Ａ）はＬ／Ｌ_０＝０．３、図２（Ｂ）はＬ／Ｌ_０＝０．８の場合を図示している。Ｌ／Ｌ_０が大きすぎ、例えばＬ／Ｌ_０＞１となると、バーナー火炎７からの輻射熱のうちで溶銑３の加熱に寄与する分が減少し、着熱効率の低下が想定される。一方、Ｌ／Ｌ_０が小さすぎると、投射した精錬剤がバーナー火炎７中を通過する距離が短くなり、精錬剤の顕熱の上昇が十分ではなくなることが想定される。そこで、Ｌ／Ｌ_０を種々変更し、着熱効率を最大化するための最適なＬ／Ｌ_０の範囲を定めることとする。

燃料バーナー２から供給する燃料中のＨをＨ_２Ｏ、ＣをＣＯ_２に燃焼するに必要な気体酸素供給量を理論気体酸素供給量として定義する。実際の気体酸素供給量は、前記定義した理論気体酸素供給量より多くしたり少なくしたりすることができる。そこで、実際の気体酸素供給量を理論気体酸素供給量で除した値を過剰酸素供給比（Ｒ）として定義する。そして、過剰酸素供給比（Ｒ）を種々変更し、着熱効率を最大化するための最適なＲの範囲を定めることとする。

精錬容器１として取鍋を用い、精錬容器１中に［Ｐ］＝１質量％の溶銑３を収容した。精錬剤を投射できる燃料バーナー２（粉体投射型燃料バーナーともいう。）にて溶銑の脱りん処理を行った。燃料バーナー２先端からは、粉体（精錬剤）、ＬＰＧ等の燃料ガス、及び気体酸素が供給される。燃料バーナー２からの供給粉体（精錬剤）は鉄鉱石と生石灰の混合物とした。燃料バーナー２のバーナー火炎７の長さＬ_０は２ｍであった。

燃料バーナー２の先端と湯面４との間の距離Ｌを、Ｌ／Ｌ_０が０．２～０．９となる範囲で変化させ、過剰酸素供給比（Ｒ）が１．０～１．７となる範囲で、酸素ガス供給量を変化させた。
その結果、下記（１）式、（２）式を満たす範囲において、着熱効率が３５％以上と良好な結果を得ることができた。そこで本発明では、（１）式、（２）式を満たす範囲を本発明範囲とした。
０．３≦Ｌ／Ｌ_０≦０．８ （１）
１．１≦Ｒ≦１．５ （２）

Ｌ／Ｌ_０が上記（１）式を満たすときに着熱効率が良好であった点について考察する。前述のように、Ｌ／Ｌ_０が大きすぎると、バーナー火炎７からの輻射熱のうちで溶銑３の加熱に寄与する分が減少し、着熱効率が低下すると考えられるが、Ｌ／Ｌ_０が０．８以下であれば良好な着熱効率が得られることが分かった。一方、Ｌ／Ｌ_０が小さすぎると、投射した精錬剤がバーナー火炎７中を通過する距離が短くなり、精錬剤の顕熱の上昇が十分ではなくなることが考えられるが、Ｌ／Ｌ_０が０．３以上であれば良好な着熱効率が得られることが分かった。

過剰酸素供給比Ｒが上記（２）式を満たすときに着熱効率が良好であった点について考察する。
過剰酸素供給比Ｒが１より大きいとき、燃料バーナーから供給する燃料中のＨをＨ_２Ｏ、ＣをＣＯ_２に燃焼するに必要な理論気体酸素供給量に比較し、実際の気体酸素供給量が過剰になっている。過剰気体酸素と呼ぶこととする。精錬容器１内の湯面４より上方の空間においては、溶銑３中のＣが酸化してＣＯとなり、溶銑３から離脱したＣＯガスが含まれている。燃料バーナー２から供給された上記過剰気体酸素は、精錬容器１内の湯面４より上方の空間に存在するＣＯガスと反応し、ＣＯ_２ガスを生成すると考えられる（二次燃焼）。そして、過剰酸素供給比Ｒが１．１以上であれば、二次燃焼が進行して二次燃焼熱を生成し、この二次燃焼熱が溶銑３に着熱し、着熱効率を上昇させたものと推定される。

一方、燃料バーナー２からの過剰な酸素ガスは溶銑３中の炭素とも反応する。脱炭反応が生じるとスラグがフォーミングするため、過度の脱炭反応を引き起こした場合にはスロッピングが発生し、操業トラブルにつながる。そのため、燃料バーナーからの気体酸素供給量の調整で過剰酸素供給比Ｒを１．５以下とすることが必要であり、（２）式の右辺を規定することとした。

上記本発明のように、高い熱供給状態では下記の効果が得られる。
燃料バーナー２から投射する粉体（精錬剤）が生石灰や脱炭スラグの場合、本発明のように着熱効率を高い値に制御しない場合に比べ、バーナー火炎７中で生石灰がより高温となり、スラグへ急速に溶融し、脱りん効率が向上する。燃料バーナー２から投射する粉体（精錬剤）が酸化鉄含有物（例えば鉄鉱石）と生石灰の混合物である場合、バーナー火炎７中で低融点のカルシウムフェライトが生成し、溶融した状態で供給されるため、脱りん効率が向上する。

りん濃度１質量％以上の溶銑を原料として精錬容器１に装入し、本発明の溶銑の脱りん方法を行うことで、脱りん精錬後の溶銑表面に形成されたスラグをりん酸肥料原料とすることができる。りん濃度１質量％以上の溶銑を原料として脱りん精錬を行うことにより、脱りん精錬後の溶銑中りん濃度が０．２質量％前後まで低減する。このとき、脱りん精錬後の溶銑表面スラグ中のＰ_２Ｏ_５を１０質量％以上とすることができ、りん酸肥料原料とすることができる。

精錬容器１として取鍋を用い、精錬容器１中に［Ｐ］＝１質量％、［C］＝４質量％の溶銑３を収容した。精錬剤を投射できる燃料バーナー２（粉体投射型燃料バーナーともいう。）にて溶銑の脱りん処理を行った。燃料バーナー２先端の材料噴射部分は３重管となっており、最内管の内部（中心孔）からは空気をキャリアガスとして粉体（精錬剤）が供給される。最内管とその外側の管（中管）との間の空隙からはＬＰＧ等の燃料ガスが供給される。前記中管と最外管との間の空隙からは気体酸素が供給される。燃料バーナー２からの供給粉体（精錬剤）は鉄鉱石と生石灰の混合物とした。燃料バーナー２のバーナー火炎７の長さＬ_０は２ｍであった。

表１に示すように、燃料バーナー２の先端と湯面４との間の距離Ｌを、Ｌ／Ｌ_０が０．２～０．９となる範囲で変化させた。また、過剰酸素供給比（Ｒ）が１．０～１．７となる範囲で、酸素ガス供給量を変化させた。脱りん処理時間、燃料供給量、酸化鉄、生石灰供給量はすべての条件で同一としている。処理前の溶銑中Ｐ含有量は、表１に示すとおり、Ｎｏ．７は１．２０％であり、それ以外は１．００％であった。

処理後のＰ含有量、処理中の脱炭量実績を表１に示した。これらの値を用いて、着熱効率を前記（３）式に基づいて算出し、同じく表１に示した。表１から明らかなように、前述のとおり、前記（１）式、（２）式を満たす範囲において、着熱効率が３５％以上と良好な結果を得ることができた。

表１中のＮｏ．１１はＲが１．７であり、スロッピングが発生した。そのため、燃料バーナーからの気体酸素供給量の調整で過剰酸素供給比Ｒを、前述のとおり１．５以下とすることが必要であり、（２）式の右辺を規定することとした。

以上のように、表１に示すＮｏ．１～７は本発明例であって高着熱効率が得られ、処理後［Ｐ］を低減することができた。一方、Ｎｏ．８～１１は比較例であって着熱効率が低く、処理後［Ｐ］が高くなった。また、過剰酸素供給比Ｒが１．７と過剰酸素が多すぎる比較例Ｎｏ．１１では過度の脱炭が生じ、スロッピングが発生し操業が困難であった。

１ 精錬容器
２ 燃料バーナー
３ 溶銑
４ 湯面
７ バーナー火炎

Claims (3)

1. 精錬剤を投射できる燃料バーナーを用いて溶銑の脱りん処理を行う方法において、
   前記燃料バーナーは精錬容器内の前記溶銑の湯面に向けて燃料と気体酸素を噴射してバーナー火炎を形成しつつ前記精錬剤を前記バーナー火炎を通過して投射し、
   前記燃料バーナーの先端と前記湯面との間の距離をＬとし、前記バーナー火炎の長さをＬ_０とし、
   ０．３≦Ｌ／Ｌ_０≦０．８ （１）
   であり、
   前記燃料バーナーから供給する前記燃料中のＨをＨ_２Ｏ、ＣをＣＯ_２に燃焼するに必要な気体酸素供給量を理論気体酸素供給量とし、実際の気体酸素供給量を前記理論気体酸素供給量で除した値を過剰酸素供給比（Ｒ）とし、
   １．１≦Ｒ≦１．５ （２）
   の範囲で前記気体酸素を供給することを特徴とする溶銑の脱りん方法。
2. 前記精錬剤が酸化鉄とＣａＯを含有することを特徴とする請求項１に記載の溶銑の脱りん方法。
3. りん濃度が１％以上の溶銑を脱りんする請求項１または請求項２に記載の溶銑の脱りん方法。

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