JP2897362B2

JP2897362B2 - 溶銑の製造方法

Info

Publication number: JP2897362B2
Application number: JP19324090A
Authority: JP
Inventors: 優宇治澤; 高郁山本; 博章石田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1999-05-31
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: JPH0480312A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、製鋼用転炉に類する比較的簡単な筒型炉
を用い、スクラップと鉄鉱石を鉄源としコークスを主な
燃料源として銑鉄を製造する方法であって、燃焼効率を
高めエネルギー消費を少なくし、しかも安定した炉熱で
溶銑を製造する方法に関する。

（従来の技術）現在、銑鉄はその大部分が高炉によって製造されてい
る。高炉製銑法そのものは、永年にわたる改良が積み重
ねられて銑鉄の大量生産技術としては極めて優れたもの
となっている。しかし、高炉製銑法は、鉄源としては焼
結鉱を、燃料（還元材）としては高品位のコークスを使
用するものであり、利用できる原燃料の制約がある。ま
た、近年の高炉は巨大化し、しかも一旦火入れした後は
停止、再起動が簡単にはできないため、鋼材需要の変動
に応じる柔軟性に乏しい。

上記のような従来の高炉製銑法の問題点を解消すべ
く、本出願人は製鋼用の転炉に類似する筒型炉を使用
し、鉱石とスクラップとを鉄源とし安価なコークスを燃
料源として用いる新しい製銑方法を発明した（特開平１
−290711号公報参照）。

上記の銑鉄製造方法では第１図に示すような転炉型式
の筒型炉１を用いる。この筒型炉１は図示のように、炉
上部に炉内ガスの排出と原料装入用の開口部２、炉壁下
部に支燃性ガスと必要に応じて燃料を吹き込む一次羽口
３、その上部炉壁に支燃性ガスを吹き込む二次羽口４、
炉底に溶銑とスラグを排出する出銑口５を備えている。

上記筒型炉１を用いて溶銑を製造するには、まず炉内
下部にコークス充填層７を、その上にスクラップ６−１
と鉄鉱石６−２の充填層６を形成させる。そして下部の
コークス層７に一次羽口３から支燃性ガスと必要に応じ
て燃料を吹き込んで下記（１）式の反応を生じさせ、そ
の反応熱によってコークス層７を高温に保つ。

Ｃ＋1/20₂→CO＋29,400kcal/kmol・Ｃ ……（１）上記（１）式で発生したCOは、スクラップと鉄鉱石の
充填層６で二次羽口４から吹きこまれる支燃性ガスと下
記（２）式の反応（二次燃焼）を起こす。その反応熱は
スクラップと鉄鉱石の加熱および溶融に利用される。

CO＋1/20₂→CO₂＋67,590kcal/kmol・CO ……（２）この反応で溶融した鉄鉱石（溶融酸化鉄）は下部のコ
ークス層７に滴下して高温のコークスと下記（３）式に
より反応してすみやかに還元される。

Fe₂O₃＋3C→2Fe＋3CO −108,090kcal/kmol・Fe₂O₃ ……（３）上記（３）式の反応のとき、近くにCO₂が存在しない
からCO₂で（３）式の反応が阻害されることはない。そ
して（１）式および（３）式で発生したCOはスクラップ
と鉄鉱石の充填層６内で二次燃焼するために、それらの
加熱と溶融に有効に利用されて高い燃焼効率が達成され
る。

上記製造方法においては、通常の鉄鉱石の外に、Mn、
Cr、Mo、Niなどを多く含む鉱石またはこれらの酸化物を
使用することができる。また、これらの鉱石類およびコ
ークスとともに、珪石、石灰石、蛇紋岩、蛍石などの副
原料を装入することができる。スクラップとしてもステ
ンレス鋼スクラップのような高合金スクラップを使用し
て、その中の有用元素を再利用することが可能である。

鉄鉱石は炉の上部開口部からだけでなく、粉状鉱石を
一次羽口および／または二次羽口から吹き込むこともで
きる。

一次羽口および二次羽口から吹き込む支燃性ガスは酸
素（O₂）含有ガスである。一次羽口からは支燃性ガスと
ともに粉体燃料および／あるいは炭化水素系の助燃用燃
料を吹き込むこともできる。

一次羽口は、炉底または炉壁の最下部にある場合に
は、後述する脱硫剤の吹き込みにも兼用することができ
るが、炉底に脱硫剤吹き込み用の羽口を別途設けてもよ
い。

脱硫剤はCaOを主成分とする粉体である。CaOの外に、
CaCO₃、CaF₂、或いはさらに金属Alを混合した粉体であ
ってもよい。

脱硫剤は不活性ガス、例えば、窒素、アルゴン等をキ
ャリアーガスとして溶銑中に吹き込む。

操業形態は、バッチ方式でも実施できるが、次回以降
の原料を順次装入し、所定量の溶銑が炉内に蓄銑した
後、バッチ方式で出銑を行う半連続操業とするのが望ま
しい。半連続的に銑鉄を製造する場合は、第２図に示す
ように、最初に装入、加熱されて軟化、半溶融状態にな
ったスクラップおよび鉄鉱石の充填層６の上方に、次回
以降の溶解用のコークス充填層７′とスクラップおよび
鉄鉱石を主体とする充填層６′とを交互に形成させて操
業を行えばよい。

製造された溶銑とスラグ８は、炉底部の出銑口５から
間歇的に取り出す。出銑口とは別に、排滓口を出銑口よ
り上部に設けてもよい。

以上のように本出願人が先に提案した上記溶銑の製造
方法によれば、転炉型式の筒型炉でスクラップと鉄鉱石
から熱効率よく溶銑を製造することができるのである
が、実際の操業に際しては二次羽口前に次回以降溶解用
のコークス充填層と、スクラップと鉄鉱石の充填層とが
交互に降下してくるので、さらに熱効率を高めるには、
原料種別に応じて二次支燃性ガスの吹き込みを制御する
ことが重要である。

（発明が解決しようとする課題）本発明の課題は、筒型炉を用いてスクラップと鉄鉱石
から溶銑を製造する前記の方法において、充填層内二次
燃焼率を向上させるとともにカーボンソリューションロ
ス反応を抑制することにより炉熱を低下させることな
く、燃料および支燃性ガスの原単位を低減して高い熱効
率で銑鉄を製造することにあり、その具体的な目的は、
二次羽口から吹き込まれる支燃性ガスの流量と、必要に
応じてその酸素濃度を二次羽口前の原料層の種別に応じ
て制御しながら、支燃性ガスを吹き込んで溶銑を製造す
る方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは上述した筒型炉の操業を詳細に調査し、
前記課題の解決策を検討した。その結果、（ａ）筒型炉の操業中、二次羽口前にスクラップと鉄
鉱石の充填層が存在するときは、二次羽口から吹き込ま
れる支燃性ガス流量を設定値まで増加することにより、
二次燃焼率を高めることができる。

（ｂ）二次羽口前にコークス充填層が存在するとき
は、二次火炎温度が1000〜1400℃の範囲内となるよう、
支燃性ガス流量を設定値より減少させるとともに必要に
応じて支燃性ガスの酸素濃度を調整して火炎温度を調節
することによりソリューションロス反応を起こさずにコ
ークスを予熱することができる。

（３）その結果、低い燃料および支燃性ガス原単位で炉
熱を安定化し、高い生産性で溶銑を製造できる。

等の知見が得られた。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、
その要旨は『筒型炉を用いて、スクラップと鉄鉱石から
溶銑を製造する前述の方法であって、操業中に二次羽口
前の充填層の原料種別を判別し、二次羽口前の充填層が
スクラップと鉄鉱石のときは二次羽口から吹き込む支燃
性ガス流量を設定値まで増加させ、コークスのときは二
次羽口から吹き込む支燃性ガス流量を設定値以下とし、
必要に応じて支燃性ガスの酸素濃度を調節することによ
り二次燃焼火炎温度を1000℃〜1400℃の温度範囲内に制
御することを特徴とする溶銑の製造方法』にある。

本発明方法の実施の際は、電子計算機によるオンライ
ン制御で二次支燃性ガス流量およびその酸素濃度を調節
するのが望ましい。

二次支燃性ガス流量の設定値は、一次支燃性ガス流量
およびスクラップと鉄鉱石の配合比によって異なる。そ
こで予めバッチ操業を実施して物質精算、熱精算を行
い、排ガス熱損失および炉体放散熱損失が少なく、しか
も生産性が高く、燃料比が低くなる二次支燃性ガスの適
正流量を求めて設定値とすればよい。例えば、鉄換算鉱
石配合率25％、一次支燃性ガス流量1,000Nm³/hの場合、
前述した第１図の筒型炉の操業では二次支燃性ガス流量
の適正値は600Nm³/hであるから、これを設定値とすれば
よい。

（作用）以下、本発明方法について詳しく説明する。

まず、本発明の操業中における二次羽口前の充填層の
原料種別を判別する方法について説明する。前述した第
１図の炉内装入状態では一次羽口支燃性ガスによる燃
焼、鉄鉱石の還元反応および溶銑中への滲炭によってコ
ークスが消費されることによるコークス充填層７の体積
減少およびスクラップと鉄鉱石が溶解することによるス
クラップ、鉄鉱石充填層６の体積減少を補填するように
して炉内装入物の荷下りが進行する。

操業開始ｔ分後の炉底からのスクラップ、鉄鉱石充填
層６の層頂レベル▲ｈ⁶ _t▼は、例えば、サウンディング
ロッドのような測高器によって実測することができる。
また、層頂レベルの荷下り速度は操業開始後２分間隔で
層頂レベルを測高し、２分間の層頂レベルの変化量から
算出することができる。荷下り速度は時間経過とともに
変化するのでｔ分後の実測値から算出された荷下り速度
v_tを用いて、下記（４）式によりスクラップ、鉄鉱石充
填層６の層頂レベルが二次羽口前に到達する時刻（ｔ＋
△t₁）分を予測することができる。

ただし、h₂は炉底からの二次羽口レベル高さを示す。

前記第２図に示すように（ｔ＋△t₁）分後以降、二次
羽口前にはコークス充填層が存在することになる。

コークス充填層７′の上方に装入されたスクラップ、
鉄鉱石充填層６′は、第２図に示した装入状態では予熱
のみで溶解することはないので充填層高さがほぼ一定で
降下する。このため、スクラップと鉄鉱石充填層レベル
の測高値から算出される荷下り速度v_tはコークス充填層
７′の層頂レベルの荷下り速度と一致している。装入時
の炉底からのコークス層頂レベル高さを▲ｈ^7′ _t▼とす
ると、下記（５）式によりコークス充填層７′の層頂レ
ベルが二次羽口前に到達する時刻（ｔ＋△t₁＋△t₂）分
を予測することが可能となり、この時刻以降は二次羽口
前にはスクラップ、鉄鉱石充填層が存在することにな
る。

上述のごとく、各原料の充填層レベル位置、荷下り速
度を測高器を用いて計測することにより、二次羽口前の
充填層の原料種別を判別することができる。

なお、本発明を実施する場合の層頂レベルの計測は、
操業中、炉内の装入物が炉の円周方向、半径方向で不均
一な荷下りを生ずることもあるので、炉体を左右交互に
反復傾動する等の方法で層頂を平坦にした後、実施する
のが望ましい。

次に、本発明方法の二次羽口前原料種別に応じた二次
支燃性ガス流量および酸素濃度の制御方法について説明
する。第３図は、この制御方法を要約して示す図であ
る。

I.二次羽口前の充填層がスクラップと鉄鉱石の場合：本発明の溶銑製造法の基本原理に基づき、一次羽口か
ら吹き込まれる支燃性ガスでコークスが燃焼し前記
（１）式に従って生成するCOと、装入鉱石がコークスで
還元され前記（３）式に従って生成するCOとを二次羽口
から支燃性ガスを適正量吹き込んで前記（２）式により
効率よく二次燃焼させればよい。

第４図に一次羽口O₂流量1,000Nm³/h、鉱石使用比率
（鉄換算）25％のバッチ操業における二次羽口O₂流量
と、溶解所要時間および燃料原単位との関係を示す。図
示のとおり、溶解所要時間は二次羽口O₂流量の増加と共
に短くなるが、約600Nm³/h以上では排ガス持ち去り顕
熱、炉体放散熱等の熱損失が急増し、溶解時間短縮の程
度は低下する。一方、燃料原単位は二次羽口O₂流量約60
0Nm³/hで最小値を示す。この結果から、上記の操業条件
では二次羽口O₂流量の適正値は600Nm³/hとなる。

前述したように、二次羽口前にスクラップと鉱石が存
在するときの二次羽口支燃性ガス流量の適正値は一次羽
口支燃性ガス流量および鉱石使用比率（鉄換算）によっ
て異なるので予めバッチ操業を行ってその物質精算、熱
精算からこの適正値を求めておくのがよい。

従って、二次羽口前の充填層がスクラップと鉄鉱石の
場合は、上述の適正値を設定値として二次支燃性ガス流
量を設定値まで増加する制御を行えばよい。

II.二次羽口前の充填層がコークスの場合：コークス充填層が二次羽口前に降下した直後は、溶解
中のスクラップと鉄鉱石が二次羽口レベル直下に残存し
ているので、前述した設定値以下の流量の支燃性ガスを
二次羽口から吹き込むことにより残存スクラップと鉄鉱
石の溶解とコークスの予熱を促進することができる。二
次羽口前に降下したコークス充填層の温度は、二次羽口
レベルの上方に取り付けた熱電対で測定し、その温度の
高低に応じて支燃性ガス流量を制御し、コークス充填層
を1000℃程度まで予熱する。

さらに荷下りが進行し、二次燃焼がコークス充填層内
だけで起こり、コークス温度が1000℃以上になると、二
次燃焼で生成したCO₂がコークスと反応して下記（）式
に示すソリューションロス反応（吸熱反応）が生じ、そ
の反応速度はコークス温度が1100℃以上で急上昇する。

Ｃ＋CO₂→2CO−38,200kcal/kmol ……（６）従って、コークス温度が1000〜1100℃以上になると二
次燃焼率が低下して炉熱が低下し、コークスを無駄に消
費することになるので操業上好ましくない。

一方、本発明の試験結果によれば、二次羽口に取り付
けた輻射温度計で測定した二次火炎温度（以下、T₂と記
す）を1400＞T₂＞1000℃の範囲内に調節すれば、コーク
ス充填層温度を1000〜1100℃の範囲内に安定して保持で
き、その結果、ソリューションロス反応を抑制して効率
よくコークスを予熱できる。

さらに、二次支燃性ガス流量および濃度を下記（７）
式に示す論理燃焼温度（以下、T_fと記す）を用いて1600
℃≧T_f≧1200℃となるように制御することにより、1400
℃≧T₂≧1000℃とすることができた。なお、二次支燃性
ガスの酸素濃度は不活性ガス、例えば、N₂を添加して調
節するのであるが、不活性ガスを多量に使用すると製造
コストに影響するだけでなく、排ガスを燃料として使用
する場合、発熱量を低下させる。このため、コークス温
度の高低に応じて定められる1400〜1000℃範囲内の所定
T_f値が得られる二次支燃性ガス流量を（７）式を用いて
算出し、まず、流量をその算出値まで低減させて操業
し、実測二次火炎温度T₂を所定T_f値に制御する比較的小
さい温度制御量に対しては、（７）式から算出される流
量の不活性ガスを添加して支燃性ガスの酸素濃度を調節
して対応するのが望ましい。

ただし、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＨおよびＰ
は、送酸量（Nm³/h）、不活性ガス量（Nm³/h）、初助燃
料料（kg/h）および各々の温度によって定まる定数であ
り、tcはコークス温度（℃）である。

上述のごとく、二次羽口前の充填層がコークスの場合
は、二次支燃性ガス流量を設定値以下とし、必要に応じ
て支燃性ガスの酸素濃度を調節して二次燃焼火炎温度を
1000〜1400℃の温度範囲内に制御することにより、コー
クス温度は1000〜1100℃の温度範囲内に安定化し、ソリ
ューションロス反応を抑制して効率的にコークスを予熱
できる。

以下、実施例によって本発明の効果を具体的に説明す
る。

（実施例）使用した炉は、前記第１図に示した形式の筒型炉で、
直径1.5m、炉底から炉口までの高さが3.6m、内容積6.0m
³であり、炉底から1.4m上部の炉壁に90度間隔で４本の
一次羽口と炉底から2.0m上部の炉壁に90度間隔で４本の
二次羽口を設けた。また、炉底中央部に出銑口を設け
た。

鉄源は、最大寸法400mm、重比重3500kg/m³のスクラッ
プ（鉄純度99％）と、第１表に示す組成の粒径10〜25mm
の塊鉱石を使用した。燃料は、第２表に示す組成で粒径
30〜50mmのコークスおよび粒度200メッシュ以下の微粉
炭を用いた。

この実施例では上記の設備、鉄源および燃料を使用
し、連続的に１チャージ８トンの溶銑を製造する操業を
行った。まず、前記第１図に示す原料装入を行って立上
り操業を行い、溶解が進行して各充填層が降下したとこ
ろで次回溶解用のコークス層と鉱石およびスクラップ層
を順次装入して原料を予熱し、所定量を蓄銑した後出銑
していく定常操業に入った。

この定常操業において、一次羽口から1000Nm³/hの酸
素と1400kg/hの微粉炭を吹き込み、二次羽口から吹き込
む酸素流量は二次羽口前がスクラップと鉱石層の時は60
0Nm³/hの設定値、コークスの時は100〜600Nm³/hの範囲
で本発明方法に従って流量および酸素濃度を制御しなが
ら操業を行った。

比較例は、二次羽口から600Nm³/hの酸素を流量および
酸素濃度を制御することなく吹き込んだ以外は実施例と
同じ条件で操業した例である。

第５図は、実施例の二次支燃性ガス制御の状況を示す
図である。図示のように、二次羽口前の充填層がスクラ
ップと鉄鉱石の場合は、二次O₂流量を設定値まで高める
ことにより、二次燃焼率は適正値まで高められる。二次
羽口前の充填層がコークスの場合は、二次O₂流量および
O₂濃度を調節することにより、二次燃焼火炎温度は1000
〜1400℃の範囲に制御され、その結果、次回溶解用のコ
ークス温度は1000〜1100℃の範囲に制御されており、カ
ーボンソリューション反応を抑制しながら効率よくコー
クスが予熱された。

第３表に実施例および比較例の操業成績を示す。第３
表から明らかなように、実施例のコークス使用量は102
（kg/t・溶銑）と、比較例の133（kg/t・溶銑）に比べ3
1（kg/t・溶銑）低減され、燃料使用量合計でみると実
施例が230（kg/t・溶銑）、比較例が272（kg/t・溶銑）
で42（kg/t・溶銑）も低減された。

酸素使用量も実施例が比較例に比べて30（Nm³/h・溶
銑）も少なく、また二次燃焼率は実施例が43％と比較例
の35％に比べ８％を向上した。

溶銑温度も1500℃と、比較例の1450℃に対して50℃も
高く、炉熱の安定化も達成されている。

（発明の効果）本発明方法によれば、高炉に比較してはるかに小型で
簡便な筒型炉を使用し、かつ鉄源として鉄鉱石とともに
スクラップを使用して柔軟性に富んだ製銑を行うことが
できる。しかも、二次羽口前の原料種別に応じて二次燃
焼率を極めて効率よく制御することができる。その結
果、炉熱の低下が抑制され、操業が安定し生産性も向上
する。さらに、燃料および支燃性ガスの使用量の低減に
より大きい経済効果がえられる。

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明の溶銑製造方法に使用する筒型炉とそ
の原料装入状態を説明する図、第２図は、本発明の溶銑製造方法において、連続溶解操
業の場合の原料装入状態を説明する図、第３図は、本発明方法の二次支燃性ガス制御フローの概
要を示す図、第４図は、バッチ操業における二次羽口酸素流量と溶解
所要時間および燃料原単位との関係の一例を示す図、第５図は、本発明方法の実施例における二次支燃性ガス
制御の状況を示す図、である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上部に炉内ガスの排出と原料装入用の開口
部を、炉底部および／または下部側壁に一次羽口、その
上部側壁に二次羽口を有する筒型炉を用い、その炉底か
ら一次羽口を含むレベルまでコークスの充填層を形成さ
せ、その上に二次羽口を含むレベルまでスクラップと鉄
鉱石とから成る充填層を形成させた後、一次羽口および
二次羽口から支燃性ガスを吹き込む溶銑の製造方法であ
って、操業中、二次羽口前の充填層の原料種別を判別
し、二次羽口前の充填層がスクラップと鉄鉱石のときは
二次羽口から吹き込む支燃性ガス流量を設定値まで増加
させ、コークスのときは二次羽口から吹き込む支燃性ガ
ス流量を設定値以下とすることにより二次燃焼火炎温度
を1000℃〜1400℃の温度範囲内に制御することを特徴と
する溶銑の製造方法。
【請求項２】二次羽口前の充填層がコークスのとき、二
次羽口から吹き込む支燃性ガスの流量とともにその酸素
濃度を調整することによって二次燃焼火炎温度を1000℃
〜1400℃の温度範囲内に制御することを特徴とする請求
項（１）の溶銑の製造方法。