JP3280839B2 - 竪型炉における金属溶解法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は広くは金属の溶解
法に関するものであり、特に鉄系スクラップとコークス
を炉頂より装入し、羽口から高温の衝風を吹き込む竪型
炉（キュポラ）を用いた金属溶解法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属を再溶解する技術は従来より数多く
存在し、鉄系原料の溶解に関しては、例えば「キュポ
ラ」( 石野 亨、 社団法人・ 新日本鋳鍛造協会、 昭和60
年) 等に詳しく記述されている。

【０００３】これら技術を基礎に種々の操業技術が提案
されているが、この中で、特にシャフト部に羽口を複数
段設置し溶解機能を改善させた竪型溶解炉によって鉄系
原料を溶解するプロセスについては種々の技術が開示さ
れている。

【０００４】例えば特公平7ー23501 号公報に記載の技術
では、竪型炉のシャフト中段に設置した支燃性ガス吹き
込み、羽口より空気を吹き込み、この空気と炉内ガスと
の燃焼反応により炉内ガスの顕熱を上昇させ、炉頂より
装入した鉄原料、コークス、造滓剤を予熱することによ
りコークス量を削減することを目的としている。

【０００５】また、コークス量を削減するための送風温
度、酸素富化の調整方法、更には羽口先コークスの燃焼
条件等も明らかにしている。この技術は、酸化度が０に
近いガスを支燃性ガス吹き込み羽口より空気を吹き込
み、炉内の上昇ガスを部分酸化させ、その酸化熱を有効
に使う点に特徴がある。

【０００６】特開平1-208425号公報は、上下２段羽口を
有するシャフト炉において、炉頂排ガスの有効利用法を
提案している。炉頂部の原料装入レベルの下側から抜き
出した排ガスを除塵した後、上段羽口より吹き込む粉状
物質の乾燥のために、一部のガスを乾燥設備の燃料及び
顕熱として利用し、残りのガスは熱風発生炉の燃料とし
て使用する。この熱風発生炉より得られる酸素富化され
た熱風は分岐され上下段羽口より炉内に吹き込まれる。
本技術の特徴は、上下２段羽口から組成と温度の等しい
酸素富化空気が吹き込まれることにある。

【０００７】特開昭53-96904号公報は、キュポラによる
鉄系原料の新溶解技術を開示している。図６にそのキュ
ポラの装置の概略図を示す。図６で、８は炉体、９は下
段羽口、１０は上段羽口、１１、１２は風箱、１３は下
段羽口への熱風供給経路、１４はファン、１５は送風加
熱器、１６は１次空気流量制御器、１７は上段羽口への
冷風供給経路、１８はファン、１９は空気流量制御器、
２０は出湯口である。

【０００８】この技術では、従来のキュポラに上段羽口
１０より常温の空気を吹き込み、装入コークスの消費量
を削減し、溶湯温度の上昇を達成している。この技術
は、空気吹き込み量、吹き込みガス中の酸素濃度などが
変わるものの、基本的には特公平 7-23501号公報と同じ
く上昇ガスを部分酸化させ原燃料の予熱を行い、この熱
量に見合うだけコークス量の消費を削減することができ
るという原理に基づいている。

【０００９】特開昭56-156709 号公報に記載された技術
には、通常のキュポラの溶解帯より上方の位置に補助羽
口を設けている点に特徴がある。風箱を介して２次空気
を均等に補助羽口より炉内に吹き込み、コークスの燃焼
効率を向上させ、高価な鋳物用コークスの代わりに高炉
用コークスの使用を可能とする。しかしながら、全体の
熱収支という点からは、この技術も特開昭53ー156709 号
公報、特公平7ー23501号公報と同様な基本原理に基ずく
コークス消費量の削減技術である。

【００１０】特公平3ー10030 号公報の技術は、特公平1ー
208425号公報に示された技術と類似しているが、３段羽
口を有するシャフト炉型溶解炉であることに特徴があ
る。この技術によりステンレス屑などの有価金属粉体を
２段目の羽口吹き込むことが可能になり、これらの有効
活用を図ることができる。

【００１１】この溶解炉は、有価金属粉体の吹き込みシ
ステムを備えた主羽口の下部に設けた高温酸素富化羽口
と、主羽口の上部に設けた空気または高温酸素富化空気
を吹き込む上部羽口から構成されている。空気または高
温酸素富化空気をヘッダーを介し、３段に分割された上
部羽口より炉内に吹き込む。これによりダスト類の還元
やコークスの燃焼によって生成するＣＯガスの一部を燃
焼させ炉内での溶解を促進させることが可能となる。

【００１２】従って、この技術も、特開昭53ー156709 号
公報、特開昭56ー156709 号公報、特公平7ー23501 号公
報、特開平1ー 208425号公報に示された技術と同様、燃
焼ガスの顕熱を原料の予熱に利用するという基本原理に
基づいている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た技術には以下のような問題点が内包されている。例え
ば特開平1-208425号公報に記載された方法では、その実
施例が示すごとく、竪型炉全体に対して総括物質収支、
熱収支が成り立つものの、反応速度論的には原燃料の予
熱効果が期待できない。

【００１４】この理由は、常温空気あるいは酸素を富化
した空気をシャフト部に吹き込むことによって吹き込み
位置前面ではボッシュガスとの反応の遅れが生じ、この
混合ガスの温度がいったん低下し、その後急激な燃焼反
応が生じて、炉内ガスの温度が顕著に上昇するためであ
る。その結果、炉壁部分に存在する鉄系原料及びコーク
スは上昇ガスの顕熱によって装入部より予熱されてきた
にも拘わらず、一旦冷却されることになる。

【００１５】また、炉壁から離れた内部における燃焼領
域では、逆に鉄系原料及びコークスは異常高温に曝され
ることにもなり、羽口先での急激な燃焼に必要なコーク
スが一部ソルーションロス反応（Ｃ＋ＣＯ₂ ＝２ＣＯ）
によって消費される懸念もある。その結果、吹き込み位
置前面を降下する原燃料の加熱、溶解は他の部分に比較
し遅れ、他方、その先の燃焼が活発である領域を降下す
る原燃料の加熱、溶解が進みすぎることになる。

【００１６】この様に溶解炉全体の熱収支は満足する
が、溶解炉の特定断面方向での熱的挙動には変動が発生
し易いため、安定な溶解操業を乱すだけでなく、ひいて
は目標とするコークス削減量を達成できないおそれがあ
る。更に溶湯の成分制御も困難になる懸念もある。

【００１７】特開平3ー10030 号公報、特開平1ー208425号
公報、特開昭56-156709 号公報、特開昭53ー96304号公報
に開示された技術も、この種の常温空気或いは酸素富化
空気を竪型溶解炉の炉腹或いはシャフト部から吹き込ん
でコークス消費量を削減しようとしているが、上記と同
様な問題点を有している。

【００１８】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、竪型溶解炉の安定操業を維持しな
がら、コークス消費量を削減し、更に送風量一定の下で
出湯量を増やすことのできる竪型炉による金属溶解法を
提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】

（１）第１の発明は，主にコークスの燃焼により金属を
溶解する竪型炉における金属溶解法において、炉頂又は
シャフト中間部から得られるガスの一部を空気或いは酸
素を富化した空気で燃焼し、場合により助燃用の燃料を
添加し、酸素含有量が３ｖｏｌ％以下の循環ガスを製造
し、該循環ガスを該竪型炉のシャフト部から、該シャフ
ト部以下のボッシュガスの熱流比を１以下で、かつ、吹
き込み温度を１０００℃以下の条件で吹き込むことを特
徴とする竪型炉による金属溶解法である。 上記金属溶
解法はコークスの燃焼を有効に利用することができるた
めコークスの原単位を減少させることができる。

【００２０】（２）第２の発明は、第１の発明において
前記金属が鉄系原料であることを特徴とする竪型炉によ
る金属溶解法である。上記金属溶解法は特に鉄系原料の
溶解において効果を発揮する。

【００２１】（３）第３の発明は、前記循環ガスの温度
を４００〜１０００℃の範囲でシャフフト部に吹き込む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載された竪型炉に
よる金属溶解法である。上記循環ガスの温度を４００〜
１０００℃の範囲とすることにより最適な操業が可能で
ある。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明においては、主にコークス
を燃料として金属を溶解する竪型炉、例えばキュポラを
前提とする。以下、キュポラにおいて鉄系原料、例えば
鋳物、鋼スクラップ等を溶解する場合について述べるが
金属は鉄系原料に限定されるものではない。

【００２３】上記キュポラにおける鉄系原料の溶解にお
いては、この溶解炉の頂部又はシャフト中間部、例えば
シャフト下部より燃焼できるガスが得られる。そこで、
このガスの一部を溶解炉の外において空気或いは酸素富
化空気によって適切に燃焼することにより、溶解炉のシ
ャフト部に吹き込むガスの温度、流量、組成を自由に制
御することが可能である。

【００２４】そして、最適な循環ガス温度の範囲を設定
することによって循環ガス中のＣＯ₂ 或いはＨ₂ Ｏに起
因する上記ソルーションロス反応を抑え、装入コークス
の循環ガス吹き込み部での消費を抑制することが可能と
なる。

【００２５】この際の循環ガス吹き込み量は（１）式で
示す熱流比により制約される。 熱流比（Ｕ）＝固体の持つエンタルピ−／ガスの持つエンタルピ− ---（１） この場合、吹き込み部を中心としてこれより下部にある
シャフト下部領域の熱流比が操業の限界となる。この理
由は、上記吹き込み部より下部のシャフトでは装入コー
クス量が減少した分だけ羽口からのガス発生が減少し、
（１）式で示した熱流比が相対的に大きくなりガスから
固体への円滑な熱移動が行われないからである。通常安
定操業を行っている竪型炉においては、この熱流比が
０．７〜Ｏ．９である。

【００２６】炉頂温度を一定とした場合には、循環ガス
吹き込み量が増すにつれて、その顕熱によってコークス
削減量は増え、羽口先で発生するコークス燃焼に由来す
るガス発生量は低下する。その結果、送風温度一定下で
はガスの持つエンタルピーは相対的に低下し、Ｕは必然
的に１．０を超え、ガス側から固体側へ安定した熱移動
が行われなくなる。したがって、Ｕが１以下になるよう
に循環ガス吹き込み量を調整する必要がある。

【００２７】次に、循環ガスの吹き込み温度の上限であ
るが、これは循環ガス中ののＣＯ₂或いはＨ₂ Ｏと装入
コークスがソルーションロス反応を起こさない温度が限
界となる。通常ソルーションロス反応は１０００℃を超
えると活発になるためこの温度が上限温度となる。

【００２８】他方、循環ガスの温度の下限は吹き込みレ
ベルの原燃料の温度、例えば４００〜６００℃である。
この温度よりも低い循環ガスの吹き込みでは原燃料を昇
温できないからである。燃焼ガス組成については、コー
クスとの反応を抑制するためは循環ガス中の酸素含有量
は約３％ｖｏｌ以下としなくてはならない。

【００２９】以上のように、鉄系原料について主に述べ
たが、上記燃焼反応は金属の種類によらないことが明ら
かであり、例えばフェロクロム、或いは銅合金の溶解に
も適用できる溶解方法であることが自明であろう。ま
た、コークスの一部を他の炭素原料、例えば石油コーク
ス、木炭等に代えても本発明は成立する。

【００３０】

【実施例】図１ａに本発明の１実施例である竪型溶解炉
であるキュポラの概要図を示す。図１ａで、１は装入原
料（鉄系スクラップ、コークス）、２は熱風及び蒸気吹
き込み装置、３は溶湯、スラグ、４は炉頂ガスダスト集
塵機、５は空気送風機を含む燃焼システム、６は昇圧ブ
ロワー、７は竪型溶解炉を示す。この炉においては高温
のガスを昇圧する高温用の昇圧ブロアー６を備えてお
り、ダスト集塵機も耐熱性があるものを備える必要があ
る。

【００３１】また、図１ｂに本発明の他の実施例である
竪型溶解炉であるキュポラの概要図を示す。図１ａと異
なる点は、シャフト中間部から得たガスを燃焼させる方
法を採用した点である。この図で８は空気送風機、９は
燃焼システムを示す。この方法においては、空気送風機
８は常温用のものでよい。

【００３２】この空気送風機８から送る空気の随伴流と
してシャフト中間部から炉内ガスを導き、燃焼システム
９内で燃焼させ、得られた高温ガスを炉内に戻す方法で
ある。また、この方法は炉内ガスのダストと温度の影響
をあまり受けない点でより望ましい。この炉内ガスは可
燃性のＣＯガス濃度が高く、これを燃焼することにより
ガスの温度を高めることができる。

【００３３】図１ａに示した装置を用い、キュポラ内の
スクラップ温度が５００℃の位置で循環ガスを吹き込
み、炉頂温度を１９２℃に設定し、表１に示す条件で溶
解試験を行った。

【００３４】

【表1 】

【００３５】図２に循環ガス吹き込み量とコークス比、
衝風量（４５０℃の加熱空気）の関係を示す。図中に示
すように酸化度（ＯＤ:(ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ）／（ＣＯ＋Ｃ
Ｏ₂＋Ｈ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ））が０．６１である循環ガスの吹
き込み量が増加するにつれその持ち込み顕熱が増えるた
め、コークス比すなわち装入コークス消費量が低下し、
その結果、衝風量すなわち羽口より吹き込む熱風量が減
少する。この傾向は循環ガス温度が高いほど顕著とな
る。

【００３６】図３に循環ガス吹き込み量と炉頂ガス発生
量、炉頂ガス熱量の関係を示す。循環ガス吹き込み量の
増加によって炉頂ガス発生量が増えてくる。その増え方
は、循環ガス吹き込み温度が高くなるにつれ減少する。
これは循環ガス温度上昇に伴って装入コークス量を減ら
すことができるので、羽口先発生ガス量が減少するため
である。

【００３７】炉頂ガス熱量は循環ガス吹き込み量増によ
って低下する。これは循環ガス吹き込み量が増加によ
り、コークス量が削減されているのでボッシュガス量が
減少し、徐々に酸化度の高い循環ガス組成によって炉頂
ガス組成が決まってくるためである。

【００３８】それ故、吹き込みガス温度が下がり450℃
となるとコークス削減量が減少し、高温時とは逆に循環
ガス吹き込み量の増加によって炉頂ガス熱量は増える傾
向を示す。このとき、炉頂ガス発生量も増えるから炉頂
ガスの処理に負荷がかかることは言うまでもない。

【００３９】図４に循環ガス吹き込み量と熱流比、ボッ
シュガス温度の関係を示す。循環ガス吹き込み量が増え
ると、ボッシュガス温度は低下する。これは循環ガス吹
き込み量の増加によってコークス量が削減でき、その結
果ボッシュガス発生量が減少し、ガス側から原燃料に供
給する熱量が不足するためである。このためコークス削
減効果は吹き込みガス温度の高い条件で顕著となり、ま
た、ボッシュガス温度低下が顕著となる。

【００４０】以上、図２〜図４に示したように、循環ガ
ス吹き込み量と温度は自由に設定できるが、上述したよ
うに安定操業を行うには熱流比が制約になる。ガス吹き
込み部より下部のシャフトの熱流比を1 以下にするに
は、循環ガス温度が４５０℃と低い場合は吹き込み量は
２５０Ｎｍ³ ／ｔｏｎ程度まで可能であるが、８５０℃
と高い場合は１００Ｎｍ³ ／ｔｏｎが限界であった。

【００４１】図５に、循環ガス吹き込み量及び吹き込み
ガス温度とコークス比の関係を示す。表１に示す基準コ
ークス比１３３ｋｇ／ｔｏｎに対し，循環ガス量を増
し、吹き込み温度を上げることによってコークス比の削
減は出来るが、無制限には削減できないことがわかる。
すなわちその限界はシャフト下部熱流比の限界１．０に
よって決まり、循環ガス吹き込み量と温度はこの限界内
では独立に設定できる。

【００４２】循環ガス吹き込み量２００Ｎｍ³ ／ｔｏ
ｎ、吹き込み温度４００℃がコークス比削減効果が一番
でき、そのときのコークス比は１２０ｋｇ／ｔｏｎであ
り約１０％のコークス削減が可能であった。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明は従来の空気或い
は酸素を富化した空気を炉内に吹き込む方法とは異な
り、溶解炉より発生するガスを系外で燃焼させ、酸素含
有量を低減しかつ温度を制御しているため、炉内でボッ
シュガスと酸素との反応が抑制でき、更に吹き込み位置
下部の熱流比によって決まるガスの温度と吹き込み量を
適当に設定すれば、コークス削減率を決定できる。ま
た、コークスの削減のみならず出湯量増を送風機の更新
或いは衝風中に高価な酸素を富化することなく達成する
ことができ、その経済効果は著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】本発明の１実施例である竪型溶解炉の装置図
である。

【図１ｂ】本発明の他の実施例である竪型溶解炉の装置
図である。

【図２】循環ガス吹き込み量とコークス比、衝風量の関
係を示す図である。

【図３】循環ガス吹き込み量と炉頂ガス発生量、炉頂ガ
ス熱量の関係を示す図である。

【図４】循環ガス吹き込み量と熱流比、ボッシュガス温
度の関係を示す図である。

【図５】循環ガス吹き込み量及び吹き込みガス温度とコ
ークス比の関係を示す図である。

【図６】従来のキュポラの概要図である。

【符号の説明】

１ 装入原料 ２ 熱風、蒸気吹き込み装置 ３ 溶湯、スラグ ４ 炉頂ガスダスト集塵機 ５ 空気送風機を含む燃焼システム ６ 昇圧ブロワー ７ 竪型溶解炉（キュポラ） ８ 空気送風機 ９ 燃焼システム

フロントページの続き (72)発明者 井ノ口 孝憲 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 尾関 昭矢 東京都千代田区内神田３丁目16番９号 日本鋳鉄管株式会社内 (72)発明者 大川 又三 東京都千代田区内神田３丁目16番９号 日本鋳鉄管株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−123708（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−282784（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−81889（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21B 11/00 - 13/14 F21B 1/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主にコークスの燃焼により金属を溶解す
   る竪型炉における金属溶解法において、炉頂又はシャフ
   ト中間部から得られるガスの一部を空気或いは酸素を富
   化した空気で燃焼し、酸素含有量が３ｖｏｌ％以下の循
   環ガスを製造し、該循環ガスを該竪型炉のシャフト部か
   ら、該シャフト部以下のボッシュガスの熱流比を１以下
   で、かつ、吹き込み温度を１０００℃以下の条件で吹き
   込むことを特徴とする竪型炉による金属溶解法。
2. 【請求項２】 前記金属が鉄系原料であることを特徴と
   する請求項１に記載された竪型炉による金属溶解法。
3. 【請求項３】 前記循環ガスの温度を４００〜１０００
   ℃の範囲でシャフト部に吹き込むことを特徴とする請求
   項１又は２に記載された竪型炉による金属溶解法。