JP2716173B2 - 溶融還元炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、回転炉を用いて鉄鉱石を溶融還元して銑鉄
を製造する溶融還元炉に関するものである。

［従来の技術］ 近年、鉄鉱石を例えば、転炉型の回転炉によって溶融
還元する技術が開発されている。その一般的に知られた
製造プロセスとしては、例えば、予め種湯を装入した炉
内に鉄鉱石を還元剤であるコークス、無煙炭、造滓剤で
ある石灰等と共に装入し、酸素を吹き込んで還元を行う
ものがある。

このプロセスは、既に周知の通り、上底吹きによる転
炉製鋼法がベースとなっている。そのため、溶融還元炉
の内張り耐火物としては、従来の転炉で使用実績の良好
なMgO−Ｃ、MgO−CaO−Ｃ、MgO−MgCO₃・CaCO₃−Ｃ等の
カーボンボンド塩基性黒鉛含有煉瓦が多く使用されてい
る。これらの耐火物は、比較的広い範囲の塩基度（CaO/
SiO₂）を有するスラグに対する耐浸食性に優れ、スラグ
中にMgOを富化することによって、さらに溶損量を小さ
くすることができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記のカーボンボンドの黒鉛含有塩基性耐火
物は、溶融還元炉用の耐火物としては適性充分なものと
は言いがたい。

これについて具体的に説明する前に、まず、溶融還元
炉内の反応について説明する。

炉内に装入された鉄鉱石は、種湯面上において、コー
クス、無煙単、造滓剤の混合層を形成し、上部からの上
吹き酸素によるコークス、無煙炭の燃焼熱によって予熱
され、溶融する。この溶融鉄鉱石は、さらに、混合層中
のコークスとの反応Fe₂O₃＋3C２［Fe］＋３ COによ
って還元される。

発生COガスは、炉上部において、上吹き酸素と２ CO
＋O₂２ CO₂の発熱反応を起こす。したがって、スラ
グ浴面上部では、高温かつ酸化雰囲気となる。

一方、スラグ浴スラグの塩基度は、還元速度を高める
ために、1.0〜1.3に調整される。Al₂O₃、MgO濃度は、装
入している鉄鉱石、炭材の品種によって若干異なるが、
それぞれ20％、５％前後である。

次に、このような条件下で、従来のMgO−Ｃ等のカー
ボンボンドの黒鉛含有塩基性耐火物を溶融還元炉に内張
りした場合の内張り耐火物の耐食性について説明する。
まず、スラグ浴面下部の内張り耐火物は、低塩基度、高
Al₂O₃、低MgOスラグと接触する。当該部位では、底部か
らの底吹きガスによって、メタル、スラグは流動してい
る。一般に、MgOを主成分とする塩基性煉瓦は、低塩基
度のスラグとの反応によってモンチィセライト（CaO−M
gO−SiO₂）等の低融点鉱物を生成し、浸食される。又、
煉瓦中のMgOのスラグ中への溶解量は、CaO−SiO₂−Al₂O
₃−MgO4成分系反応状態図より容易に知ることができ
る。すなわち、塩基度を一定とした場合、Al₂O₃濃度の
増加と共にMgO溶解濃度は増加し、煉瓦中のMgOの溶出を
増加させる。スラグ中へのMgO溶出濃度を低減させるた
めには、ドロマイト等のMgO源をスラグ中へ富化するこ
とによって溶出量を抑制させる方法もある。しかし、ス
ラグを水砕して利用する場合には、MgO量の増加は、次
の理由によって好ましくない。

すなわち、現行の製銑法である高炉法では、生成する
スラグは、主として路盤材とセメント原料として有効に
利用されている。しかし、溶融還元法で生成するスラグ
が多量のマグネシア分を含有していると、次の２つの問
題を生じ、製銃法として高炉代替をめざす溶融還元法の
所期の目的を達成することができない。

（イ）MgOを飽和量近くまで含有していると、消化の傾
向を有するため、路盤材としては好ましくない。

（ロ）MgOを７％以上含有しているとセメント用原料と
しては不適になる。

したがって、生成スラグを現行高炉法のルートの中で
有効利用するためには、スラグのマグネシア含有量を高
めることは好ましくない。このような理由でスラグ中へ
のMgO富化操業が不可能な状況下では、例えばMgO−Ｃ系
のカーボンボンド黒鉛含有塩基性煉瓦を内張りした炉に
おいては、MgOの溶出が溶損速度を律速する。実炉操業
下では、当該部位の溶損速度は、0.04mm/吹酸時間（mi
n）であり、１ヒート当たりでは4.8mmの大きな溶損速度
となるため、内張り厚み600mmの場合でも120ヒートで炉
止めとなる。

一方、スラグ浴上部では、前記した還元生成ガスであ
るCO₂および上吹きO₂ガスの高温酸化雰囲気となり、MgO
−Ｃ煉瓦の稼動面は、黒鉛が優先的に酸化され、著しく
強度低下を生じる。さらに、フォーミングスラグによっ
てMgOが溶出するため、当該部位の溶損速度は、大き
く、実炉では、0.2mm/吹酸時間（min）と大きな溶損速
度となる。

黒鉛マトリックスの酸化防止対策としては、Mg、Al、
Ca、Si等の金属添加を試みたが、抜本的な改善には至ら
なかった。

本発明は、鉄鉱石の溶融還元に適性の高いライニング
構造を有する溶融還元炉を提供するためになされたもの
である。

［課題を解決するための手段］ 操業状態でスラグ浴面下に位置する炉壁をカーボンボ
ンド黒鉛含有中性煉瓦で、好ましくは、Al₂O₃−SiO−Ｃ
系煉瓦あるいはAl₂O₃−Ｃ系煉瓦のカーボンボンド黒鉛
含有中性煉瓦で構成し、操業状態でスラグ浴面より上部
に位置する炉壁をカーボンボンド黒鉛含有中性煉瓦で、
好ましくは、Al₂O₃−Ｃ系煉瓦のカーボンボンド黒鉛含
有中性煉瓦で構成したことを特徴とする溶融還元炉であ
る。

本発明者らは、先ず、スラグ浴面より上部の高温酸化
雰囲気用耐火物について、炉内条件の解明、実験を行
い、その結果、従来のカーボンボンド黒鉛含有煉瓦より
セラミック結合のMgO−Cr₂O₃ダイレクトボンドが高耐溶
を示すことを確認した。しかし、実炉使用条件下では、
MgO、Cr₂O₃の溶損が大きく、特に、Cr₂O₃は、スラグ浴
中で還元され、メタル浴内でCrとしてピックアップし、
メタル汚染につながった。MgOは、前述した通り、スラ
グ中のMgO濃度を増加させることになった。そこで、溶
融還元スラグに対して耐浸食性があり、有害成分となら
ない中性成分であるAl₂O₃を主成分とし、かつ耐熱衝撃
性を向上させるために黒鉛を５〜20％含有させ、かつ、
黒鉛マトリックスの酸化防止を図るために煉瓦内にAl＝
２〜６％を含有させ、必要に応じて、さらに、Siを１〜
４％含有させたカーボンボンド黒鉛含有中性煉瓦を開発
した。

このカーボンボンド黒鉛含有中性煉瓦は、カーボンボ
ンド黒鉛含有塩基性煉瓦に比較すると骨材成分の溶損量
が小さく、スラグ中への有害成分溶出がない利点があ
る。又、黒鉛マトリックスにおいては、Al、Si等の金属
を含有させることによって次の作用がある。

まず、 黒鉛とAl₂O₃骨材の接触する部分では、Al₂O₃とＣとが
反応してAl₄C₃をAl₂O₃粒の周囲に生成し、酸性ガスと接
触する稼動面では、Al₂O₃微粉が折出し、緻密層を生成
するため、黒鉛の酸化を防止し耐食性の向上が期待でき
る。

Alを含有させた場合には、黒鉛マトリックス中に点在
するAlは、黒鉛と反応して、Al₄C₃を生成し、酸性ガス
と接触する稼動面ではAl₂O₃微粉が折出し、緻密層を生
成するため、黒鉛の酸化を防止するばかりでなく耐食性
の向上も期待できる。

Siを含有させた場合は、黒鉛マトリックス中に点在す
るSiは、黒鉛と反応して、β−SiCを生成し、ウィスカ
ーとして気孔間を充填し、黒鉛の酸化を抑制する。しか
し、β−SiCの酸化が稼動面で発生し、高温下では生成S
iO₂が溶出するので高温部への適性は高いとは言いがた
い。

このように、MgO−Ｃとの黒鉛マトリックス部の耐酸
化性の相違は，によるところが大きい。すなわち、
MgO−Ｃ煉瓦では、MgO＋ＣMg＋COの反応によって生成
したMgは、稼動面へ移動し、稼動面でMgOとして析出
し、緻密化が図られるが、低塩基度、高Al₂O₃、低MgOス
ラグによって浸食されるため、緻密化による耐食性、耐
酸化性向上は、Al₂O₃−Ｃ程ではない。

また、酸化防止のため、予め煉瓦の配材にSiCを添加
する方法（Al₂O₃−SiC−Ｃ）もあるが、SiCは稼動面でS
iO₂となり溶流するため、Al₂O₃−SiC−Ｃ煉瓦は適性で
ない。したがって、本発明においては、吹錬操業中、高
温酸化雰囲気にさらされるスラグ浴面より上部に位置す
る炉壁部には、Al₂O₃−Ｃ系の黒鉛含有煉瓦を適用す
る。

本発明において、黒鉛含有量を５〜20％に限定した理
由は、５％未満では煉瓦の熱衝撃性が不十分であり、20
％超では黒鉛マトリックス部の酸化が大きく酸化防止材
が大量必要となり、経済的でない。又、Al添加量は、２
％未満では緻密化の効果が少なく、６％超では経済的で
はない。

なお、Al添加として、例えば、経済的に入手可能な、
Mg含有Al、Ca含有Alを主体に利用する場合には、Mg、Ca
が２％程度含有することになるが、このMg、Caはマイナ
スの要素が大きいので極力少なくすることが好ましい。

又、Siは前記したようにβ−SiC化のためであり、１
％未満では効果が少なく、４％超ではSiCのSiO₂化によ
り特に耐溶損性が低下するので、１〜４％含有している
ことが好ましい。

このような理由から、Al₂O₃は75〜90％が適性値と言
える。

つぎに、スラグ浴面より下部に位置し、低塩基度、高
Al₂O₃、低MgOの溶融還元スラグに接触する炉壁部は、当
該スラグに対してMgOよりも拡散速度の小さいAl₂O₃骨材
を主成分とし、スラグ浸潤を防止し耐熱衝撃性が向上す
る黒鉛を添加し、さらに黒鉛の酸化防止の目的でSiC、A
lを含有させ、必要に応じてSiを含有させた、カーボン
ボンド黒鉛含有中性煉瓦か、あるいは、前述したスラグ
浴面上部で用いたAl₂O₃−Ｃ煉瓦を適用することによっ
て、スラグへの無害化とともに、耐溶性を向上すること
ができる。

なお、Al源として経済性の面から、Mg−Al、Ca−Alを
主体に用いる場合には、２％程度のMg、Caが含有するこ
とになる。このMg、Caは、マイナス要素の方が多いので
極力２％以下にすることが好ましい。

ここに用いられるSiCを含有していても、スラグ浴面
上の場合とは状況が異なり、接触するメタル、スラグの
温度が1500℃程度であるため、稼動面に生残したSiO₂が
容易に溶出することはなく、充分な黒鉛の酸化抑制効果
が得られる。

したがって、この部位においては、Al₂O₃−SiC−Ｃ系
煉瓦に適用する。

なお、吹錬操業中における当該部位の黒鉛含有煉瓦に
おいては、気相酸化（Ｃ＋O₂→CO₂）はないものの、操
業〜操業の間で気相酸化作用を受ける。

又、操業中は、スラグ中のFeOによって、FeO＋Ｃ→Ee
＋COの液相酸化作用を受けるため、黒鉛マトリックスの
酸化防止は必要である。

なお、Al源としてAl₂O₃−SiC−Ｃ煉瓦の場合、Ｃを５
〜20％に限定したのは、前述Al₂O₃−Ｃ煉瓦と同理由で
ある。また、SiCを２〜10％に限定したのは、２％未満
では酸化防止の効果が少なく、10％超では経済的でない
ためである。

Al、Mg、Ca、Siの含有量は、前述のAl₂O₃−Ｃ煉瓦と
同理由によるものである。

［実施例］ 以下に、本発明の実施例を第１図に基づいて説明す
る。

この実施例における溶融還元炉は、170ton/chの炉内
を有する転炉型溶融還元炉である。

第１図において、Ａは溶融還元炉であり、炉内は溶融
金属浴Ｍと、鉄鉱石、コークス、スラグ混合浴域Ｓ、さ
らに上部の雰囲気域Ｂに大別される。本実施例では、内
張りを必要とする炉壁全域をカーボンボンド黒鉛含有中
性煉瓦で構成する。Al₂O₃−Ｃ煉瓦をライニングした。
なお、図中Ｌは上吹ランス、Ｎは底吹きノズルである。

この煉瓦の特性を従来品と比較して実験室的にテスト
した結果を表−１に示す。

Al含有のAl₂O₃−Ｃ煉瓦は、スラグ浸食と気相酸化を
受ける回転浸食法によると黒鉛マトリックスの酸化防止
効果が著しく認められる。一方、Al含有のAl₂O₃−SiC−
Ｃ煉瓦は、SiCの酸化溶出によって著しく損耗しスラグ
浴面より上部には不向きである。

一方、スラグ浴面より下部用は、いずれも大差なくMg
O−Ｃよりも高耐食性がある。

前述した170tom/chの炉容で、１チャージ約２時間要
して溶融還元反応が完了する場合の溶損速度を、従来の
ライニング構造と比較して表−２に示す。

従来技術のMgO−Ｃライニングの場合に比較して、ス
ラグ浴面より上部の溶損速度は1/14に、スラグ浴面より
下部の溶損速度は1/3に低減でき、大幅なライニング寿
命の向上、及び炉材原単位の大幅な低減が達成された。

なお、ダイレクトボンドのMgO−Cr₂O₃煉瓦をスラグ浴
上部に内張した例では、Al₂O₃−Ｃより若干溶損速度は
小さかったものの、メタル中へCrがピックアップすると
いう問題があり、さらに放熱対策として保熱設備配管等
が必要であった。しかし、Al₂O₃−Ｃ煉瓦の場合、この
ような問題は発生していない。

［発明の効果］ 本発明の溶融還元炉においては、高温酸化雰囲気下に
さらされるスラグ浴面より上部の炉壁をAl₂O₃−Ｃ質の
カーボンボンド黒鉛含有中性煉瓦を用いているので、耐
熱衝撃性、耐酸化性、耐溶損性にすぐれ、従来のMgO−
Ｃ質、MgO−Cr₂O₃質等の塩基性煉瓦に比して耐溶性が大
幅に向上し、又、MgO成分を用いていないので、スラグ
中へのMgO溶出混入がなく、例えば水滓化してセメント
原料として用いる場合の利用性を損なうことはない。

又、スラグ浴面下の炉壁は、スラグ浴面より上部の炉
壁と同様Al₂O₃−Ｃ質の黒鉛含有中性煉瓦を用いるか、
又はAl₂O₃−SiO−Ｃ質の黒鉛含有中性煉瓦を用いること
により、従来のMgO−Ｃ質の塩基性煉瓦に比し、耐熱衝
撃性、耐酸化性、耐溶損性にすぐれ、特に耐溶損性にお
いて顕著であり、加えてスラグ中へのMgOの溶出混入が
ないので、例えばスラグを水滓化してセメント原料とし
て用いる場合の利用性を損うことはない、したがって、
溶融還元炉内張りとしての特性を大幅に向上することが
でき、炉の寿命の延長による生産性の向上と共に炉材原
単位の低減、スラグ利用性の向上等により、大幅なコス
ト低減を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶融還元炉の実施例を示す縦断面であ
る。 Ａ…溶融還元炉、１…カーボンボンド黒鉛含有中性煉
瓦、Ｂ…雰囲気域、Ｌ…上吹きランス、Ｍ…溶融金属
溶、Ｎ…底吹きノズル、Ｓ…鉄鉱石、コークス、無煙
炭、スラグ等のスラグ溶。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中尾 淳 福岡県北九州市八幡東区枝光１―１―１ 新日本製鐵株式會社設備技術本部内 (72)発明者 阪本 克彦 大阪府堺市築港八幡町１番地 新日本製 鐵株式會社堺製鐵所内 (72)発明者 平田 浩 福岡県北九州市八幡東区枝光１―１―１ 新日本製鐵株式會社第３技術研究所内

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉内へ鉄鉱石を還元剤および造滓剤と共に
   供給し、この炉内に酸素もしくは、酸素と炭材を吹き込
   むことによって鉄鉱石を溶融還元して銑鉄を製造する溶
   融還元炉において、内張り耐火物を、カーボンボンドの
   黒鉛含有中性煉瓦で構成したことを特徴とする溶融還元
   炉。
2. 【請求項２】吹錬操業状態でスラグ浴面上に位置する炉
   壁およびスラグ浴面下に位置する炉壁の内張りを、重量
   ％で、Al₂O₃75％〜90％、C5〜20％、Al2〜６％を含有す
   るカーボンボンドの黒鉛含有中性煉瓦で構成したことを
   特徴とする請求項１記載の溶融還元炉。
3. 【請求項３】吹錬操業状態でスラグ浴面上に位置する炉
   壁の内張りを、重量％で、Al₂O₃75〜90％、C5〜20％、A
   l2〜６％含有するカーボンボンドの黒鉛含有中性煉瓦で
   構成し、スラグ浴面下に位置する炉壁の内張りを、重量
   ％で、Al₂O₃75〜90％、C5〜20％、SiC2〜10％、Al2〜６
   ％含有するカーボンボンドの黒鉛含有中性煉瓦で構成し
   たことを特徴とする請求項１記載の溶融還元炉。