JP3014763B2 - コークス燃焼キュポラで鉄系金属材料を溶解する方法及び装置 - Google Patents

コークス燃焼キュポラで鉄系金属材料を溶解する方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、鉄系金属材料、特に例えば鋼鉄スクラッ
プのような低炭素量の酸化し易い鉄系金属材料を鋳鉄を
作るためのコークス燃焼キュポラにおいて溶解する方法
及び装置に関する。
熱風で運転されるキュポラの現在最も普及している構
成は、その熱風を伝熱式熱交換機で発生させるとともに
炉頂ガスの燃焼の際に生ずる煙道ガスを付勢される構成
である。この炉は鋼鉄スクラップの分量が多い材料の場
合に鋳鉄を作るために適している。熱風キュポラにおい
ては温度依存性のブドアル平衡CO2＋Ｃ→COにわたって
材料に熱力学的に酸化性にも還元性にも作用する炉帯域
が生ずることが知られている。溶融鉄の過熱はその場合
主として充填コークス柱の高さ即ち溶融された鉄の滴下
時間及び充填コークス柱に生じている温度分布に関係す
る。溶融鋳鉄をできるだけ高温に過熱するためには、コ
ークス投入の際酸化帯域において最高ガス温度となるよ
うにすることが求められる。これは実際には、燃焼空気
を摂氏600度にまで予熱するか或いは付加的に酸素を導
入することによって実現される。それにより摂氏2000乃
至2200度のガス温度が得られるもっと高い温度は燃焼生
成物の解離傾向が増加することと過熱帯域における高い
流速により達成不可能である。炭素量の少ない金属スク
ラップを溶解する際に熱風キュポラは、ノズル範囲に酸
化性の強い炉雰囲気が生じ、これにより30パーセントま
でのシリコン損失が生ずるという製法上の欠点を有す
る。この原因はコークスの不均質な燃焼反応である。さ
らに溶解の際生ずる炉頂ガスの比ガス量が大きく、これ
がまたガスの有効活用のためには高い設備費用を必要と
するという欠点もある。
現在知られている新規開発の炉構成は全て同様に炭素
量の低い酸化し易い鉄系金属材料を溶解する際に欠点を
有する。いわゆるFAR炉においては鉄系金属材料は中央
炉筒に装填される。コークスと石灰とが周囲に対称に配
置された６つの装填筒を介して架台に供給される。燃焼
空気は専用ノズルを通して高速で吹き込まれるが、予熱
されない。しかし燃焼空気は1.5パーセントまでの酸素
が富化されている。FAR炉は、燃焼ガスが常に中央の炉
筒を貫流し、従って鉄系金属材料を充分に加熱するよう
に制御される。二次ノズル系列によってCOを含むガスは
中央の炉筒に入る前に再燃焼される。FAR炉の欠点は、
装填によって、均一に高温燃焼空気が供給されない多数
のガス通流通路が生じ、これにより燃焼空気と燃焼ガス
の完全な混合が行われず、従ってまたCOのCO2への完全
な変換が行われないということにある。排ガスはなお0.
1容量パーセント以上のCOを含んでいる。従って環境へ
の負担を軽減するためにこの場合もガス経済のためには
かなりの費用が必要となる。
プラズマバーナーを備えた熱風キュポラにおいては、
CO成分が高いこととアフターバーニングが必要なため燃
焼空気は付加的に通常方法で予熱される。プラズマバー
ナーは次いで燃焼空気の部分流を摂氏3000乃至5000度に
加熱するために使用され、これによりいかなる任意の混
合温度も調整可能である。燃焼空気の初期温度は摂氏14
00度にまでなる。このように高い温度は炉の還元性運転
を必要とする。プラズマバーナーを備えた熱風キュポラ
の欠点は、間接的な電気融解が行われるので電力コスト
がかなり嵩むことにある。CO2の発生量は大きい。
大量のガス発生を回避するために、このタイプの炉に
ついて新型モデルが将来構想として開発された（別刷
「鋳造」79（199 ２）、第４号、134乃至143頁）。こ
の構成は、高温に加熱されたガスを熱媒体として、例え
ば分流中のプラズマバーナーを介して発生させ、残余ガ
スと混合させて所望の温度にし、炉頂ガスは完全に吸気
して浄化後再びプラズマバーナーに加熱のため供給する
閉鎖ガス回路を構成しようとするものである。しかしこ
の新型モデル構想を実現するためには、その所要スペー
スが大きいことに関連して大きな設備コストが必要であ
り、また人工的な炉ガス組成を作ることになるので、溶
解プロセスを確実に行うためには付加的な測定、制御及
び調整技術を必要とするという欠点がある。
従ってこの発明の課題は、鉄系金属材料、特に例えば
鋼鉄スクラップのような炭素量の低い酸化し易い鉄系金
属装填材料を鋳鉄を作るためのコークス燃焼キュポラで
確実に溶解し、しかも溶解コストが低い特徴を持ちかつ
シリコンの損失を回避した方法及びこの方法を実施する
ための簡単に操作できる装置を開発し、少量のかつCOを
含まない炉頂ガスしか発生させず、従って環境への負担
を著しく減少しようとすることにある。この課題は、こ
の発明によれば、摂氏400度以上の温度を持つ炉ガスを
予熱帯域において一部取り出し、融解・過熱帯域におい
て23パーセント以上、好ましくは33乃至48パーセントの
酸素とともに再び供給することによって解決される。こ
の発明による方法の他の特徴は、部分的に取り出された
炉ガスの量を溶解プロセスで生ずる炉ガスの70パーセン
トまでにすることにある。炉ガスを供給することによっ
て、特に炉ガス中のCO成分によって、酸素と燃焼するガ
ス状の燃料が供給される。これによりコークス燃焼キュ
ポラにおける還元条件が強められ、従ってまた金属精錬
作用が向上する。有利なことに炉頂ガス量及び塵埃発生
も減少する。この結果装置上の費用及びガス経済に対す
る所要空間も小さくなる。請求項３乃至８の特徴を備え
たこの発明による装置によれば上記の溶解方法をコスト
的に有利でかつより確実に実施することが可能となり、
また既存の炉の改造がそれ程複雑でなく行える。炉の外
套のノズル部分のこの発明による構成によれば、ノズル
の入口で既に炉ガスが酸素と混合しCO＋O2からCO2への
変換が起こる。この結果所望の炉雰囲気及び金属精錬作
用が得られる。
この発明を２つのねずみ鋳鉄合金の融解の例で詳しく
説明する。
図１はこの発明による構成を備えたコークス燃焼キュ
ポラの断面図、 図２はこの発明による構成の異なる実施例の断面図、 図３は炉の外套におけるノズル部分の構成の断面図で
ある。
図１にはこの発明による構成を備えたコークス燃焼キ
ュポラが断面で示されている。装填装置６及び炉頂下部
吸気部７の下方に炉ガス吸気部９が、炉床１の上方にそ
の中央に導入された酸素供給管12を備えた４つのノズル
13が配置されている。炉ガス吸気部９はラジアル換気扇
10、循環ガス通路14及び循環ガスリング11を介してノズ
ル13と接続されている。
図２はこの構成の異なる実施例を断面で示す。この構
成の特徴は、装填装置及び炉頂下部吸気部の下方に４つ
の炉ガス吸気口15が炉筒５の周りに配置され、この吸気
口は通路16を介して、炉床１の上にあってその中央に導
入された酸素供給管12を持つノズル13に接続されている
ことである。
図３は炉の外套におけるノズル部分の構成を断面で示
す。炉外套17はノズルの作用方向18の範囲において球欠
状の拡がり部19を備え、ノズル13の中央に導入された酸
素供給管12は炉外套17から18mmの距離ａだけ離れて配置
されている。このようなノズル及び酸素供給管の構成
は、例えばガスジェットコンプレッサのように吸引エジ
ェクターとして作用する。
この発明によるねずみ鋳鉄合金の融解例を以下に説明
する。
例１ 装填装置６を介してコークス燃焼キュポラに、50％ス
クラップ鋳鉄及び50％循環スクラップからなる鉄系金属
材料と１装填分のコークス及び造滓剤とを装入する。１
装填分のコークスとは、融解・過熱プロセスの間に燃料
充填コークス分量の補充としてキュポラに供給される燃
料の分量である。充填コークスは融解及び過熱の開始前
にキュポラ内にコークス柱を形成するために装入される
燃料の分量である。このコークス柱は融解・過熱帯並び
に融解された鉄系金属材料に炭素を付加するための帯域
を形成する。造滓剤はコークスを燃焼する際に生ずるコ
ークスの灰をスラグ化するために必要な鉱物成分であ
る。造滓剤の供給量は、１装填当たり供給されるコーク
ス量（kg）に対するパーセントで表される。１装填当た
りのコークス量は鉄系金属材料の重量に対するパーセン
トで表される。充填コークスは溶解プロセス行程、即ち
全溶解時間にわたって溶解された鉄系金属材料の量を考
慮して、鉄系金属材料の重量に対するパーセントで表さ
れる。
成分は分析の結果、3.42.C、1.85％Si、0.62％Mn、0.
50％Ｐ及び0.11％Ｓ並びに１％以下の痕跡元素並びに10
0％までのFeである。材料の酸化鉄付加は２％である。
１装填当たり10.43％の装填コークス、ランプサイズ6
0/90が加えられる。その分量に適合した充填コークス、
ランプサイズ80/100は1.81％となり、融剤として１装填
当たりのコークスの20％の石灰石が装入される。
ラジアル換気扇10により炉ガス吸気リング11からノズ
ル13に、約63％CO及び37％CO2並びに残余ガス（H2及びH
2O）から構成される炉ガスの60％が炉に再び供給され
る。
この炉ガスは摂氏350度の温度を示し、供給されたガ
ス量に対して33％の酸素を同時に供給することによって
燃焼する。これにより溶解・過熱帯域で還元作用して、
3.64％Ｃ、2.03％Si、0.58％Mn、0.50％Ｐ及び0.11％以
下のＳの液状鉄が分析される。
この鋼鉄スクラップを含まない混合物の炭化率は相対
的に７％、シリコン化率は相対的に10％、Mn損失は相対
的に約５％になる。加炭のためには１装填当たりのコー
クスの0.27％が、２％の錆の還元には１装填当たりのコ
ークスの0.23％が必要とされる。有効な溶解コークス分
は11.75％である。塩基性の炉運転によりそれに続く鋳
鉄の硫化が回避される。この発明は塵埃の発生をコーク
ス燃焼キュポラ炉における通常の塵埃吐出量の凡そ40％
に減少させる。炉頂ガス下部吸気部７から残りの炉ガス
が吸気され、その際点火装置８は炉頂ガスを絶えず点火
させ、これにより完全な燃焼を保証する。従って後続の
除塵装置が小さくてすむ。
例２ 装填装置６を介してコークス燃焼キュポラに、25％鋳
鉄砕片、40％鋼鉄スクラップ、そのうち30％はシュレッ
ダースクラップ、32％循環スクラップ、0.22％FeSiブリ
ケット及び0.22％FeMnブリケットを装填する。成分分析
によれば、2.09％Ｃ、1.18％Si、0.55％Mn、0.34％Ｐ及
び0.08％Ｓ並びに１％以下の痕跡元素並びに100％まで
のFeである。材料の酸化鉄付加は２％である。
１装填当たり10.43％装填コークス、ランプサイズ60/
90が供給される。分量に適した充填コークス、ランプサ
イズ80/100は1.81％となる融剤として１装填当たりのコ
ークス分量の20％の石灰石が挿入される。炉ガス吸気部
９から摂氏480度の温度を持つ炉ガスの60％がノズル13
を通して融解・過熱帯域２に再び供給され、その際この
ガスは、供給されるガス量に対して33％の酸素を同時に
供給することによって燃焼する。これにより3.55％C1.4
0％Si、0.60％Mn、0.40％Ｐ及び0.10％以下のＳの液状
鉄が分析される。
融解しにくいリサイクル材からなるこの混合物の炭化
率は相対的に71％になる。相対シリコン付加は約10％、
相対Mn損失は約５％である。硫黄の付加は酸化性炉運転
においてコークスの硫黄の33％になる。加炭のためには
１装填当たりのコークスの1.67％が、錆の還元には装填
コークスの0.23％が消費される。有効な溶解コークス分
量は10.34％である。溶湯温度は摂氏1500度である。炉
頂の下側にある炉ガスの60％を吸気管から取り出し、炉
床範囲で酸素で燃焼させることにより塵埃発生をコーク
ス燃焼キュポラで通常発生する塵埃吐出量の凡そ40％に
減少できる。残りの取り出されない炉ガスは完全に再燃
焼される。
フロントページの続き (73)特許権者 999999999 シヤーフ、ミヒアエル ドイツ連邦共和国 デー‐7101 リユツ クマルスドルフ エルンスト‐テールマ ン‐シユトラーセ ５ (72)発明者 フオイステル、ハンス ウルリツヒ ドイツ連邦共和国 デー‐7030 ライプ チツヒ アンデアメルヒエンウイーゼ 72 (72)発明者 マロン、ヨアヒム ドイツ連邦共和国 デー‐7022 ライプ チツヒ クロカーシユトラーセ ３ (72)発明者 シヤーフ、ミヒアエル ドイツ連邦共和国 デー‐7101 リユツ クマルスドルフ エルンスト‐テールマ ン‐シユトラーセ ５ (72)発明者 ウイルムス、エドムント ドイツ連邦共和国 デー‐2405 アーレ ンスベーク トリフトシユトラーセ 20 (72)発明者 ノイマン、ゲルハルト ドイツ連邦共和国 デー‐9200 フライ ベルク ジルバーホーフシユトラーセ 11 (72)発明者 ケーラー、カール‐ハインツ ドイツ連邦共和国 デー‐6603 エルス ターベルク ローザ‐ルクセンブルク- シユトラーセ ６ (72)発明者 ルシツカ、ルートヴイツヒ ドイツ連邦共和国 デー‐9205 ハルス ブリユツケ ベルクマンスルー 23 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F27B 1/00 - 1/28 C21B 11/00 - 11/10

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素の少ない酸化し易い鉄系金属材料を鋳
    鉄を作るために溶解するための循環ガス通風構成のコー
    クス燃焼キュポラにおいて、装填装置（６）及び炉頂下
    部吸気部（７）の下方には炉ガス吸気部（９）が、また
    炉床（１）の上方にはその中央に導入された酸素供給管
    （12）を備えた１つ或いは複数のノズル（13）がそれぞ
    れ配置され、前記炉ガス吸気部（９）は吸気装置（1
    0）、循環ガス通路（14）及び循環ガスリング（11）を
    介してノズル（13）に接続されていることを特徴とする
    コークス燃焼キュポラ。
  2. 【請求項２】吸気装置（10）が送風機、例えばラジアル
    換気扇であることを特徴とする請求項１記載のコークス
    燃焼キュポラ。
  3. 【請求項３】装填装置（６）及び炉頂下部吸気部（７）
    の下方に複数の炉ガス吸気口（15）が炉筒（５）の周囲
    に配置され、これらの炉ガス吸気口が通路（16）を介し
    て、炉床（１）の上にありかつその中央に導入された酸
    素供給管（12）を備えたノズル（13）に接続されている
    ことを特徴とする請求項１記載のコークス燃焼キュポ
    ラ。
  4. 【請求項４】炉の外套（17）がノズル作用方向線（18）
    の範囲に球欠状の拡がり部（19）を備えていることを特
    徴とする請求項１又は３記載のコークス燃焼キュポラ。
  5. 【請求項５】ノズル（13）の中央に導入された酸素供給
    管（12）が炉の外套（17）に対して距離ａをもって配置
    されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
    １つに記載のコークス燃焼キュポラ。
  6. 【請求項６】距離ａは調整可能であり、少なくとも15mm
    であることを特徴とする請求項５記載のコークス燃焼キ
    ュポラ。
  7. 【請求項７】ノズル（13）及び酸素供給管（12）が吸引
    エジェクターとして構成されていることを特徴とする請
    求項３又は４記載のコークス燃焼キュポラ。
  8. 【請求項８】溶解プロセスで生ずる炉ガスの70％までが
    400℃以上の温度で予熱帯域において部分的に取り出さ
    れ、溶解・過熱帯域に、供給されるガス量に関して、23
    ％以上の酸素と共に再び供給されることを特徴とする請
    求項１乃至７のいずれか１つに記載の循環ガス構成を備
    えたコークス燃焼キュポラにおける鉄系金属材料の溶解
    方法。
  9. 【請求項９】供給されるガス量に関して、33％乃至48％
    の酸素が供給されることを特徴とする請求項８記載の溶
    解方法。
JP51663594A 1993-01-20 1994-01-18 コークス燃焼キュポラで鉄系金属材料を溶解する方法及び装置 Expired - Lifetime JP3014763B2 (ja)

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DE4301322.8 1993-01-20
PCT/EP1994/000108 WO1994017352A1 (de) 1993-01-20 1994-01-18 Verfahren und einrichtung zum schmelzen von eisenmetallischen werkstoffen in einem koksbeheizten kupolofen

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