JP4160199B2

JP4160199B2 - 金属溶解方法

Info

Publication number: JP4160199B2
Application number: JP08516399A
Authority: JP
Inventors: 伸明小林; 敬記有賀; 弘五十嵐
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JP2000274958A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属溶解炉及びこの金属溶解方法に係り、詳しくは、スクラップやリターン材等の鉄（鋼を含む）又は還元鉄等の原料を、酸素あるいは酸素富化空気を支燃性ガスとした酸素バーナーを主体に効率良く連続して溶解処理する金属溶解方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スクラップやリターン材等の鉄（鋼を含む）原料を溶解する方式では、主たるエネルギー源が電気であるアーク式電気炉が多く用いられている。このような電気を利用した溶解法は、昇温が容易で温度管理も簡便であるなどの利点を有するものの、別途に発生させた電気を使用するため、総合的な燃料の利用効率やエネルギーコスト面で問題があった。
【０００３】
一方、エネルギー源として、前記電気に代えて、酸素あるいは酸素富化空気を支燃性ガスとする酸素バーナーで化石燃料を燃焼させ、その燃焼熱で鉄等のスクラップや製造時のリターン材等の鉄原料を溶解させることが行われている。このような酸素バーナーを利用した鉄原料の溶解法は、例えば特開平９−１７６７５３号公報，特開平１１−１４２６３号公報，特開平１１−２３１５６号公報等に記載されている。
【０００４】
また、特開平１１−２３１５６号公報に開示されている金属溶解炉は、図２に示されるように、金属原料溶解用酸素バーナー１を備えた溶解室２の上方に、金属原料予熱室３を配設し、前記溶解室２の底部に、排ガス流路を兼ねた溶湯流路４を介して溶湯保熱用酸素バーナー５を備えた湯溜室６を連設し、該湯溜室６の下流側に、排ガス流路を兼ねた溶湯流路７介して、酸素バーナー８及び出湯口９を備えた保持室１０を連設している。この構造の金属溶解炉は、溶解室２,湯溜室６及び保持室１０の順序で流れる溶湯流と対向して、保持室１０,湯溜室６及び溶解室２で発生した排ガスを流通して、予熱室３から排出させることによって、エネルギー効率の良い溶解が可能であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の金属溶解炉では、溶解室２で溶解された溶湯は、溶湯流路４を介して湯溜室６に流れ込んでいるが、溶解室６で溶解された鉄原料は、その原料の略融点に近い温度でかつ炭素分の少ない溶湯として溶湯流路４を流れるため、加熱不足になると溶湯流路４で溶湯が凝固して溶湯流路４を閉塞してしまい、凝固部分がなくなるまで、溶解室２の酸素バーナー１の燃焼量を抑えて溶解量を低下させなければならなかった。また、溶解室２の鉄原料の一部は、酸素バーナー１によって酸化され、生成された酸化鉄が溶湯とともに溶湯流路４を流れ、溶湯流路４を構成する耐火物を溶損するおそれがあった。
【０００６】
そこで本発明は、溶湯の凝固による溶湯流路の閉塞を防止するとともに、金属原料の酸化を抑制し、炉壁を構成する耐火物の溶損を防止することができる金属溶解方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の金属溶解方法は、湯溜室の一側部分に形成した溶解部の上方に配設した金属原料予熱室に連続的に投入した金属原料を、前記溶解部で金属原料溶解用加熱手段にて溶解し、溶解された溶湯を前記湯溜室に連続的に流し込み、該湯溜室に流し込まれた溶湯に前記湯溜室に備えた炭素質原料吹込みランスから炭素質原料を吹き込んで、溶湯中の炭素濃度を０．０５〜２％に制御するとともに、湯溜室のスラグ中の全鉄濃度を１５〜３０％に制御し、前記湯溜室に備えた溶湯保熱用加熱手段により溶湯状態に保持された溶湯を、前記湯溜室から溶湯流路を介して保持室に流出し、該保持室で加熱手段にて溶湯状態を保持しながら、出湯口から間欠的に出湯することを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明の金属の溶解方法は、前記溶湯保熱用加熱手段は、少なくとも酸素バーナー又は酸素ランスのいずれか一方であること、前記酸素バーナーから、燃料を完全燃焼するために必要な酸素量の１．５〜５倍の酸素を流すこと、前記炭素質原料吹込みランスから吹き込まれる炭素質原料の加炭エネルギーは、前記酸素バーナーによる加熱によって補われること、前記炭素質原料吹込みランスから吹き込まれる炭素質原料の加炭エネルギーは、前記酸素ランスによる一酸化炭素の燃焼によって補われること、前記保持室の加熱手段は、少なくとも酸素バーナー又はアーク発生用電極のいずれか一方であることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る金属溶解方法に用いる金属溶解炉の一形態例を図１に基づいてさらに詳しく説明する。
【００１０】
この金属溶解炉は、溶湯保熱用加熱手段としての酸素バーナー１１と炭素質原料吹込みランス１２とを備えた湯溜室１３と加熱手段としての酸素バーナー１４及び出湯口１５を備えた保持室１６とを溶湯流路１７を介して連設するとともに、前記湯溜室１３の一側に金属原料溶解用加熱手段としての酸素又は酸素富化空気を支燃性ガスとした酸素バーナー１８を設けて、湯溜室１３の一側部分に溶解部１９を形成し、該溶解部１９の上方に金属原料予熱室２０を配設している。２１，２２は、湯溜室１３又は保持室１６の溶湯に高純度アルゴンガス又は窒素を吹き込む溶湯撹拌用ノズルである。
【００１１】
このように、湯溜室１３の一部を溶解部１９とした金属溶解炉は、従来のこの種金属溶解炉の如く、溶解室と湯溜室との間に溶融流路がないから、溶解部１９で溶解した溶湯は、酸素バーナー１１によって保熱されている湯溜室１３の溶湯に直接流れ込むので、凝固することがない。また、湯溜室１３内の一部が溶解部１９に形成されているため、湯溜室１３は部分的に固体原料が進入する構造となり、この固体原料が骨材となって、溶湯が安定して湯溜室１３に落下して流れ込むことになる。
【００１２】
尚、湯溜室１３に設けた溶湯保熱用加熱手段である酸素バーナー１１は、酸素ランスでもよい。溶湯を保持して貯湯するための保持室１６に設けた加熱手段である酸素バーナー１４は、アーク発生用電極でもよいが、このアーク発生用電極を用いる場合は、アークの放熱を抑えるために、スラグフォーミングの目的で、炭素質原料吹込ランスと酸素ランスとを備える。また、溶解部１９，湯溜室１３及び保持室１６で発生した排ガスは、この順序に沿って流れる溶湯流と対向した流れで流通して予熱室２０を経て排出される流路を形成している。
【００１３】
次に、この金属溶解炉を使用した金属溶解方法の実施の形態について説明する。まず、予熱室２０に連続的に投入した金属原料（例えば、鉄原料）を、溶解部１９で酸素バーナー１８，１８にて溶解する。このとき、必要に応じて、鉄原料に加えてフラックスや炭素原料（銑鉄を含む）を投入する。
【００１４】
溶解部１９で溶融した溶湯は、湯溜室１３に連続的に流下する。湯溜室１３では、炭素質原料吹込ランス１２から炭素質原料を溶湯に吹き込み、溶湯中の炭素濃度を０．０５〜２％に制御する。これにより、溶湯の融点を低下させて、溶湯内に入った鉄原料（低炭素で融点が高い）を直ちに溶解させることなく、溶解部上部の原料を維持させることができるので、固体原料の湯溜室１３への侵入量を制限できるとともに、溶解部１９で溶解された溶湯を湯溜室１３に安定して流下させることができる。
【００１５】
湯溜室１３に流下した低炭素で融点の高い溶湯は、炭素濃度の低い溶湯と混合され、直ちに炭素質原料吹込ランス１２から吹き込まれる炭素材料により加炭される。加炭エネルギーは、湯溜室１３の酸素バーナー１１（又は酸素ランス）による加熱あるいは一酸化炭素（ＣＯ）の燃焼によって補われる。また、湯溜室１３の溶湯の融点を低下させることにより、下流側の保持室１６への溶湯流路１７内での溶湯の凝固や、溶湯の凝固による流路内の閉塞を防止することができる。
【００１６】
さらに、炭素質原料ランス１２から、炭素質原料を湯溜室１３に吹き込み、溶解部１９で酸化した鉄原料を還元して、原料歩留を向上させるとともに、スラグ中の全鉄濃度を１５〜３５％に制御して、耐火物の溶損を防止する。湯溜室１３の昇温，加炭および還元に必要な熱量は、酸素バーナー１１による加熱や、酸素バーナー１１から燃料を完全燃焼するのに必要な酸素量の１．５〜５倍の酸素を流すことにより、炭素質原料投入によって発生した一酸化炭素（ＣＯ）を燃焼すること、あるいは、酸素バーナー１１の代わりに設けた酸素ランスによって一酸化炭素（ＣＯ）を燃焼することによって補う。
【００１７】
加炭，昇温した溶湯は、溶湯流路１７を通じて保持室１６に流出し、酸素バーナー１４により所定温度に昇温し、所定量保持した後、出湯口１５から間欠的に排出する。
【００１８】
【実施例】
実施例１
図１に示す金属溶解炉用いて鉄スクラップを溶解した。この金属溶解炉は、全高１５０ｃｍ，内径１２０ｃｍの溶解部１９を除く湯溜室１３は、全高８０ｃｍ，全幅９０ｃｍであり、溶解部１９の底部は、湯溜部室１３の最深部の底部に向かって２２度の傾斜を有している。溶解部１９の上方は、水平面に対して８０度の傾斜角度で絞り込まれ、全高１３０ｃｍ，内径８５ｃｍの予熱室２０に直接連通している。湯溜室１３と保持室１６とを連通する溶湯流路１７は、内径４０ｃｍで、長さ６５ｃｍであり、保持室１６は、全高２８５ｃｍ，内径１２０ｃｍである。
【００１９】
湯溜室１３の溶解部１９には、重油を燃料とし、純酸素を支燃性ガスとする酸素バーナー１８を、水平面に対して６０度の傾斜角で３本配置した。湯溜室１３には、重油を燃料とし、純酸素を支燃性ガスとする酸素バーナー１１を、水平面に対して７０度の傾斜角で上方より底部に向かって１本、窒素又は空気を搬送ガスとする炭素質原料吹込ランス１２を、垂直方向下向きに１本、それぞれ配置するとともに、底部に溶湯撹拌用ノズル２１を１本配置した。保持室１６には、重油を燃料とし、純酸素を支燃性ガスとする酸素バーナー１４を、水平面に対して７０度の傾斜角で上方より底部に向かって１本配置するとともに、底部に溶湯撹拌用ノズル２２を１本設置した。
【００２０】
このような仕様の金属溶解炉では、先ず全体の耐火物を保熱するために、溶解部１９，湯溜室１３，保持室１６の酸素バーナー１８，１１，１４を燃焼させて耐火物を昇熱する。昇熱完了次第、各酸素バーナー１８，１１，１４を消火するとともに、予熱室２０の上部に設けた蓋を開けて、開口部より５トンの鉄スクラップと、鉄スクラップ１トン当り４５ｋｇのフラックスと、鉄スクラップ１トン当り２０ｋｇのコークスを投入し、各酸素バーナー１８，１１，１４を燃焼させて溶解を開始した。
【００２１】
溶解部１９に溶湯が生成し、湯溜室１３に流出し始めたら、湯溜室１３の酸素バーナー１１の燃料を徐々に増量し燃焼させるとともに、炭素質原料吹込ランス１２から、窒素を搬送ガスとしてコークスを吹き込んだ。溶解が進行し、湯溜室１３から保持部１６に溶湯が流出する段階になった時点で保持室１６の酸素バーナー１４の燃料流量を増量させた。
【００２２】
尚、上記した操業の進行中、予熱室２０内の原料投入レベルが下がるに伴い予熱室２０の上部より逐次連続的に上記割合の鉄スクラップ，フラックス及びコークスを投入した。
【００２３】
このようにして、保持室１６に１５６０〜１６３０℃の溶湯が約６トン溜まった時点で、溶湯を保持室１６から取鍋に出湯した。この出湯操作を繰り返して行うと、２回目以降から出湯時間の間隔が短くなるとともに、燃料原単位等が徐々に低下し、３回目以降で略一定値になった。
【００２４】
また、酸素バーナー１８，１１，１４に供給する重油の流量を変化させて、重油量による変動も確認した。溶解部２の３本の酸素バーナー１８には、毎時６０〜７０リットル，湯溜室１３の１本の酸素バーナー１１には、毎時２０〜５０リットル、保持室１６の１本の酸素バーナー１４には、毎時１００〜１２０リットルの重油を供給した。なお、酸素は、酸素バーナー１８及び酸素バーナー１４については、酸素比が１になるように、それぞれ毎時１２０〜１４０Ｎｍ^３（溶解部１９），２００〜２４０Ｎｍ^３（保持室１６）を供給した。
【００２５】
湯溜室１３の酸素バーナー１１には、炭素質原料吹込ランス１２から湯溜室１３に吹き込まれるコークス量に応じて湯溜室１３で発生する一酸化炭素（ＣＯ）を燃焼させるために、酸素比を１〜５の範囲で、毎時１００Ｎｍ^３供給した。また、湯溜室１３の炭素質原料吹込ランス５には、毎時６０〜９０ｋｇのコークスと、搬送ガスとして毎時４０Ｎｍ^３の窒素をそれぞれ吹き込んだ。さらに、湯溜部室１３及び保持室１６の溶湯撹拌ノズル２１，２２から溶湯湯中に窒素を毎時約６Ｎｍ^３の流量で吹き込んだ。
【００２６】
このようにして、湯溜室１３で生成された溶湯の炭素含有量は、１．０〜１．５％の範囲であり、同室のスラグ中の全鉄濃度（Ｔ．Ｆｅ）は２５％であった。また、溶解後の湯溜室１３の側壁及び溶湯流路１７を構成する耐火物の溶損は観察されず、溶損が抑制されていることが判明した。また、溶解部１９の覗き窓からの目視で、安定した溶解が観察され、凝固による閉塞は見られなかった。
【００２７】
実施例２
実施例１と同様に、鉄原料として鉄スクラップとブリケット状の還元鉄とを混合し、還元鉄の混合割合を２０〜６０％に変化させて、溶解部１９の溶解状況，湯溜室１３の溶湯の炭素の濃度，スラグ組成を測定した。減量中の還元鉄割合を増加させると、湯溜室１３のコークスの吹込量は毎時９０〜１２０ｋｇに増加した。
【００２８】
比較例
図２に示す従来の金属溶解炉を使用して鉄スクラップを溶解し、溶解室２下部の溶湯の流れ性と湯溜室６の溶湯中の炭素濃度とスラグ組成を調べ、実施例１及び２のものと比較した。
【００２９】
溶解室２の内径や湯溜室６の全幅及び全高及びその他の各部の大きさ，形状等は、実施例１と略同一とした。溶解室２及び保持室１０の酸素バーナー１，８は実施例と同じ条件で行った。
【００３０】
比較例１では、湯溜室６に酸素バーナー５のみを使用し、比較例２では、実施例１と同様に酸素バーナー５と炭素質原料吹込ランスからコークスを吹き込む条件とした。
【００３１】
実施例１と同様に、最初に５トンの鉄スクラップを予熱室３から投入して溶解を開始し、湯溜室６の溶湯中の炭素濃度とスラグ組成を調べ、併せて溶解室２下部の溶解状態及び溶湯流路４，７の状況を目視により観察した。さらに、操業後に溶湯流路４，７及び湯溜室６の耐火物の溶損状況を調べ、両者を比較した。この結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【発明の効果】
本発明は、湯溜室に溶解部を形成して、溶解部と湯溜室とを直結し、両者間に溶湯流路を設けない構造としたから、溶湯室と湯溜室との間に溶湯流路を有する比較例１及び２では、溶湯流路に一部閉塞がみられるのに対し、実施例１及び２にも示す如く、溶解部と湯溜室との間に溶湯の凝固は生じず、両者間を閉塞することなく、安定した溶解が可能となる。
【００３４】
また、湯溜室の溶湯へ炭素質原料を吹き込んで、溶湯中の炭素濃度を０．０５〜２％に制御することにより、湯溜室の溶湯の融点を低下させて、溶湯内に落下した固体原料を直ちに溶解させることなく、かつ周囲の溶湯も凝固させることなく、溶解部上部の原料の落下を防止させることができるので、固体原料の湯溜室への侵入量を制限できるとともに、溶解部で溶解された溶湯を固定原料に沿って湯溜室の溶湯に安定して流下させることができる。
【００３５】
さらに、表１によれば、湯溜室の溶湯に炭素質原料を吹き込むことにより、溶解部で酸化された一部の原料を還元し、その際に発生する一酸化炭素（ＣＯ）を、湯溜室の酸素バーナーの酸素比を１より高くすること又は酸素ランスにより燃焼して、湯溜室の溶湯を効果的に昇温できる。
【００３６】
また、溶解部で原料を溶解する際に、原料の一部が酸化して生成した酸化物は、耐火物に接触せずに、湯溜室の溶湯に流下し、直ちに吹き込まれた炭素質原料により還元される。このため、比較例１及び２では、溶解室で一部酸化された酸化物が、溶融流路の耐火物表面を流れて耐火物を溶損したが、本発明によれば、耐火物の溶損の原因となるスラグ中の鉄酸化物濃度を低減でき、実施例１及び２にも示す如く、耐火物の溶損を防止できる。
【００３７】
以上のように、本発明によれば、溶湯温度を下げても、金属溶解中に溶湯が凝固して溶湯流路を閉塞することを防止するとともに、原料の酸化を抑制し、耐火物の溶損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態例を示す金属溶解炉の断面図
【図２】従来の金属溶解炉を示す断面図
【符号の説明】
１１，１４，１８…酸素バーナー、１２…炭素質原料吹込みランス、１３…湯溜室１３、１５…出湯口、１６…保持室、１７…溶湯流路、１９…溶解部、２０…予熱室、２１，２２…溶湯撹拌用ノズル

Claims

湯溜室の一側部分に形成した溶解部の上方に配設した金属原料予熱室に連続的に投入した金属原料を、前記溶解部で金属原料溶解用加熱手段にて溶解し、溶解された溶湯を前記湯溜室に連続的に流し込み、該湯溜室に流し込まれた溶湯に前記湯溜室に備えた炭素質原料吹込みランスから炭素質原料を吹き込んで、溶湯中の炭素濃度を０．０５〜２％に制御するとともに、湯溜室のスラグ中の全鉄濃度を１５〜３０％に制御し、前記湯溜室に備えた溶湯保熱用加熱手段により溶湯状態に保持された溶湯を、前記湯溜室から溶湯流路を介して保持室に流出し、該保持室で加熱手段にて溶湯状態を保持しながら、出湯口から間欠的に出湯することを特徴とする金属溶解方法。
前記溶湯保熱用加熱手段は、少なくとも酸素バーナー又は酸素ランスのいずれか一方であることを特徴とする請求項１記載の金属溶解方法。
前記酸素バーナーから、燃料を完全燃焼するために必要な酸素量の１．５〜５倍の酸素を流すことを特徴とする請求項２記載の金属溶解方法。
前記炭素質原料吹込みランスから吹き込まれる炭素質原料の加炭エネルギーは、前記酸素バーナーによる加熱によって補われることを特徴とする請求項２又は３記載の金属溶解方法。
前記炭素質原料吹込みランスから吹き込まれる炭素質原料の加炭エネルギーは、前記酸素ランスによる一酸化炭素の燃焼によって補われることを特徴とする請求項２記載の金属溶解方法。
前記保持室の加熱手段は、少なくとも酸素バーナー又はアーク発生用電極のいずれか一方であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の金属溶解方法。