JP4223604B2

JP4223604B2 - 金属溶解炉の助燃バーナ装置

Info

Publication number: JP4223604B2
Application number: JP34323698A
Authority: JP
Inventors: 敏明宮本
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP2000171158A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属溶解炉の助燃バーナ装置に関し、特に含クロム原料を溶解する電気炉の溶解促進用助燃バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属溶解炉、たとえば電気炉において鉄屑等の原料を溶解する場合、電極間には周囲よりも比較的温度の低いいわゆるコールドスポットを生ずることがある。コールドスポットの原料の溶解速度は周囲よりも遅くなるので、炉内の原料の溶解速度はコールドスポットの原料の溶解速度によって律速される。したがって、従来からコールドスポットにおける原料の溶解を促進するために各種の助燃バーナ装置が使用されている。
【０００３】
特開昭５５−１０７８７８公報には、バーナ先端から噴出する燃焼炎の噴出角度をバーナ本体の軸線に対して任意の角度屈折させるように形成したアーク炉用助燃バーナが開示されている。この助燃バーナは、炉壁の開口を通って挿入され、火炎は炉内に電極を直撃しないように噴射される。
【０００４】
特開昭５９−２０２３８８公報には、燃焼用チップを有するバーナボディとは別にシールバーを備え、助燃時間帯は炉壁のバーナ挿通孔にバーナチップを挿通させ、助燃休止時間帯はバーナチップをバーナ挿通孔より抜出し、その代わりにシールバーを挿通するバーナ装置が開示されている。
【０００５】
特開昭６１−４１８８０公報には、電気炉のコールドゾーンに向けて直進および左右の三方向に火炎を噴射可能なバーナを設置し、このバーナの各方向ノズルに酸素と燃料の供給系統をそれぞれ接続し、これら各供給系統に供給量制御手段を設置し、炉内の温度を検出して供給量制御手段を制御する助燃バーナの制御装置が開示されている。この助燃バーナは、炉壁を貫通してコールドゾーンに向けて設置され、火炎はコールドゾーンの鉄屑に向かって広い範囲に噴射される。
【０００６】
特開平８−７５３６４公報には、先端を炉内のコールドスポットに向けた助燃バーナを少なくとも１基炉壁に配置した製鋼用電気炉が開示されている。この助燃バーナはバーナ中心部に酸素ガスの吐出管を設け、かつこの吐出管の先端部をスロートを有する中細ノズルとから成している。
【０００７】
これら先行技術の各助燃バーナ装置は、いずれも炉壁の挿通孔に設けられ、燃焼炎と原料とを直接接触させるように構成されており、原料の昇熱機能とともに原料の溶解・溶断機能をも備えている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、前記先行技術の各助燃バーナ装置は、燃焼炎と原料とを直接接触させて原料を加熱するように構成されている。このような助燃バーナ装置は、クロムを含まない炭素鋼屑等の原料を電気炉で溶解するときには、効果的に原料の溶解を促進させることができる。すなわち、原料中にクロムが含まれていないときには燃焼炎との直接接触によって原料が酸化しても、生成した鉄酸化物はコークス等によって比較的簡単に還元することができる。したがって、鉄の酸化ロスの増大を招くことなく原料の溶解を促進することができ、電気炉の電力原単位を低減することができる。
【０００９】
これに対してステンレス鋼屑等の含クロム原料を電気炉で溶解するときに前記各助燃バーナ装置を用いると、含クロム原料の溶解を促進することはできるけれども、次のような問題が発生する。すなわち、含クロム原料と燃焼炎とが直接接触すると含クロム原料中のクロムが優先的に酸化してクロム酸化物が生成する。このクロム酸化物は還元することが困難であるので、酸化ロスとなり、クロムの歩留りが低下する。したがって、含クロム原料を溶解するときには、助燃バーナ装置はほとんど用いられず、その結果、電気炉の電力原単位の低減を図ることも困難であった。
【００１０】
本発明の目的は、前記問題を解決し、含クロム原料の溶解時にクロムの酸化を抑制しながら溶解を促進することのできる金属溶解炉の助燃バーナ装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、含クロム原料を溶解する金属溶解炉の炉壁に１または複数基設けられ、燃料を燃焼して含クロム原料の溶解を促進する金属溶解炉の助燃バーナ装置において、
炉壁の外方に設けられ、炉壁内に向けて先端部から燃焼炎を噴射するバーナ本体と、
バーナ本体の軸線と同軸に延びる筒状の形状を有し、基端側がバーナ本体の少なくとも先端部を外囲し、先端側が溶解炉の炉壁に形成される挿通孔に挿通され、先端側が挿通孔のうち炉壁の内表面側の位置にまで延びて設けられる燃焼筒とを含み、
バーナ本体の先端部から燃焼筒の先端側までの長さａに対する燃焼炎の長さｂの比率Ｒ（＝ｂ／ａ）が０．２≦Ｒ≦２．０の範囲の値に選ばれることを特徴とする金属溶解炉の助燃バーナ装置である。
【００１２】
本発明に従えば、助燃バーナ装置には先端部から燃焼炎を噴射するバーナ本体と、バーナ本体と同軸に延びる燃焼筒とが備えられており、燃焼筒の基端側はバーナ本体の少なくとも先端部を外囲し、燃焼筒の先端側は溶解炉の炉壁に形成される挿通孔に挿通され、先端側が挿通孔のうち炉壁の内表面側の位置にまで延びて設けられる。したがって、燃焼炎および燃焼ガスを確実に溶解炉内に導くことができ、含クロム原料の溶解を促進することができる。またバーナ本体の先端部から燃焼筒の先端側までの長さａに対する燃焼炎の長さｂの比率Ｒが適正範囲の値に選ばれているので、前記比率Ｒが過大または過小な場合に発生する不具合を回避することができる。したがって、前記比率が過大なときに生ずる高温の燃焼炎と含クロム原料との接触長さの過度な増大を回避することができるとともに、前記比率が過小なときに生ずる燃焼ガスの温度低下をともに回避することができる。この結果、含クロム原料に対する着熱効率を大きく損なうことなく、燃焼炎と含クロム原料との直接接触によるクロムの酸化を抑制することができる。
【００１３】
また本発明は、前記バーナ本体を、前記燃焼筒の軸線に沿って往復変位するように移動させる移動手段が備えられることを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、バーナ本体を燃焼筒の軸線に沿って往復変位することができるので、バーナ本体の燃焼条件を変更することなく、バーナ本体の先端部から燃焼筒の先端側までの長さａを変化させることができる。これによって、安定した燃焼状態のもとで前記長さａに対する燃焼炎の長さｂの比率Ｒを設定することができるので、前記比率Ｒを精度よく制御することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態である金属溶解炉の助燃バーナ装置１の構成を簡略化して示す断面図であり、図２は図１に示す助燃バーナ装置１を備える電気炉３の構成を簡略化して示す正面断面図であり、図３は図２に示す電気炉３の平面図であり、図４は図１に示すバーナ本体２５の構成を簡略化して示す断面図である。金属溶解炉の助燃バーナ装置１（以後、助燃バーナ装置と呼ぶ）は、金属溶解炉、たとえば電気炉３に設けられ、燃料を燃焼して原料（本実施の形態では含クロム原料７）の溶解を促進する。助燃バーナ装置１の構成については後述する。電気炉３は、含クロム原料を溶解する３相交流アーク式溶解炉であり、炉本体４と、炉蓋５と、３本の電極６とを含む。電気炉３の装入重量は、公称４０トンである。
【００１６】
炉本体４は、縦の軸線を有する上方に開口した有底円筒状容器であり、炉壁８と炉床９とを有する。炉壁８および炉床９は外殻を形成する鉄皮１０と、鉄皮１０の内周面に内張りされる耐火れんが１１，１２とを備える。炉壁８には、１または複数（本実施の形態では３）の挿通孔１３が周方向に間隔をあけて設けられており、さらに溶解した含クロム原料（以後、溶湯と呼ぶ）を出湯する出湯口１４と、出湯樋１５と、作業口１６とが設けられている。各挿通孔１３には助燃バーナ装置１がそれぞれ挿通されている。炉蓋５は、鉄皮１８と耐火物１９とを備え、炉本体４を上方から塞ぐ。炉蓋５には、電極６を挿通する３個の電極挿通孔２０が周方向に間隔をあけて設けられており、さらに集塵ダクト取付口２１が設けられている。集塵ダクト取付口２１には集塵ダクト２３が取付けられている。
【００１７】
電極６は、黒鉛からなり、その形状は円柱状である。電極６は炉蓋５の電極挿通孔２０に昇降自在に挿通されており、図３に示すように周方向に等間隔をあけて３本配置されている。電極６は放射状にアーク熱を放出するので、電極６に近接している領域（図３のＡ領域）の温度は電極６から離間している領域（図３のＢ領域）の温度よりも高温である。この周囲よりも温度の低いＢ領域は、いわゆるコールドスポットと呼ばれる。コールドスポットは電極間にそれぞれ存在するので、３箇所に形成される。コールドスポットの温度は周囲より低いので、炉内の原料の溶解速度はコールドスポットにおける溶解速度によって律速される。
【００１８】
助燃バーナ装置１は、バーナ本体２５と、燃焼筒２６とを含んで構成される。バーナ本体２５は、電気炉３の炉壁８の外方に設けられ、その先端部を炉壁８に向けて図示しない架台に取付けられている。バーナ本体２５は、図４に示すように３重管構造を有しており、内筒２７と、内筒２７の半径方向外方に設けられる外筒２８と、内筒２７の中心部に挿入される燃料吐出管２９とを含む。燃料吐出管２９、内筒２７および外筒２８は、同軸に設けられ、半径方向に間隔をあけて同心円上に配置される。燃料吐出管２９、内筒２７および外筒２８には、燃料供給管３０、空気供給管３１および酸素供給管３３がそれぞれ接続されている。
【００１９】
このため、燃料吐出管２９の外周面と内筒２７の内周面との間の空間には空気が供給され、この空間は空気流路３４を形成する。また内筒２７の外周面と、外筒２８の内周面との間の空間には酸素が供給され、この空間は酸素流路３５を形成する。空気流路３４の先端側は、先端部に向かうにつれて空気流路３４の断面積が小さくなるように先細状に形成されている。燃料吐出管２９から吐出された燃料、たとえば重油は空気流路３４からの空気によって噴霧され、さらに酸素流路３５からの酸素と混合されてバーナ本体２５の先端部から噴射される。本実施の形態のバーナ本体２５には、着火源が設けられていないけれども、バーナ本体２５の先端部から噴射された混合流体は、後述のように電気炉３からの熱によって自己着火し、燃焼炎３６を形成する。
【００２０】
燃焼筒２６は大略的に円筒状の形状を有し、耐熱性および断熱性の優れたセラミックスから成る。燃焼筒２６の基端側は、バーナ本体２５の少なくとも先端部を外囲し、燃焼筒２６の先端側は、電気炉３の炉壁８に形成された挿通孔１３に挿通されている。したがって、燃焼筒２６は燃焼炎３６の噴射方向に沿って延び、バーナ本体２５の先端部から炉壁内に向けて噴射される燃焼炎３６および燃焼ガスを、電気炉３の炉壁８内に確実に導くことができる。燃焼筒２６の軸線は、バーナ本体２５の軸線と同軸であり、助燃バーナ装置１の軸線３７を形成する。
【００２１】
助燃バーナ装置１は、図３に示すように各コールドスポットの近傍にそれぞれ設けられ、その軸線３７が各コールドスポットに向かって斜め下方に延びるように炉壁８に取付けられている。これによって、助燃バーナ装置１は、周囲よりも温度の低いコールドスポットを効果的に加熱することができるので、電気炉内の原料の溶解速度を均等にすることができる。したがって、含クロム原料７の溶解を促進することができる。また、前記軸線３７が斜め下方に延びているので、助燃バーナ装置１からの燃焼ガスと原料との接触時間が長くなり、後記着熱効率を高めることができる。
【００２２】
図１を参照して本実施の形態では、バーナ本体２５の先端部から燃焼筒２６の先端側までの長さａに対する燃焼炎３６の長さｂの比率Ｒ（＝ｂ／ａ）が０．２≦Ｒ≦２．０の範囲の値に選ばれる。これは次のような溶解実験に基づいて設定されたものである。図２に示す４０トン電気炉３に含クロム原料をフル装入し、含クロム原料の溶解実験を行った。電気炉３に装入された含クロム原料７は、装入メタル純分１トンに対して表１に示す通りであった。ここで装入メタル純分とは、装入原料中の鉄、ニッケル、クロム、銅の純分の合計重量を意味する。
【００２３】
【表１】

【００２４】
電極６に通電して含クロム原料の溶解を開始した。溶解実験中の溶解用電力は、装入メタル純分１トンに対して５６０ｋＷＨに設定した。通電開始から２０分経過後、助燃バーナ装置１の燃焼を開始した。前述のように助燃バーナ装置１には着火源が設けられていないけれども、含クロム原料の温度がすでに上昇しているので、助燃バーナ装置１の先端部付近の温度も上昇しており、自己着火させることができる。助燃バーナ装置１の共通燃焼条件は、表２に示す通りに設定した。表２における示燃性ガスとは燃焼反応における酸化剤を意味しており、燃料酸素比の値はほぼ理論比に設定されている。また燃焼筒２６の長さａは、バーナ本体２５の先端部から燃焼筒２６の先端側までの長さａを意味しており、以後説明の便宜上このように略称する。
【００２５】
【表２】

【００２６】
助燃バーナ装置１の燃焼炎の長さｂは、燃焼筒２６の長さａに対する燃焼炎の長さｂの比率Ｒ（＝ｂ／ａ）が予め定める８段階の設定値になるように調節され、燃焼炎の長さｂの調節は燃料の供給流量を調節することによって行われた。また助燃バーナ装置１は、予め定める時間燃焼を継続した後、消火された。前記比率Ｒの設定値、燃焼時間ｔの設定値および燃料供給流量の調節値は表３に示す通りであった。表３には、燃料の理論総発熱量（Ｍｃａｌ）およびその電力換算値が合わせて示されている。発熱量と電力との換算は１ｋＷＨ＝８６０ｋｃａｌで行った。前記燃焼時間ｔは、理論総発熱量が４段階に区分されるように設定した。
【００２７】
【表３】

【００２８】
電極６の通電は、助燃バーナ装置１の消火後も継続され、溶湯の温度が予め定める目標温度に到達した時点で停止した。通電停止後、実績総電力量を求め、溶湯の出湯を行った。出湯後、スラグサンプルを採取し、スラグ中のクロム酸化物の含有率（以後、Ｃｒ₂Ｏ₃％と略称する）を分析によって求めた。さらに、含クロム原料の着熱効率αを次のようにして算出した。着熱効率α（％）は、燃料の理論総発熱量のうち含クロム原料の溶解に有効に活用された発熱量の割合を百分率で表したものであり、溶解における通常総電力量をＷ１（ｋＷＨ）、実績総電力量をＷ２（ｋＷＨ）、燃料の理論総発熱量の電力換算値をＷ３（ｋＷＨ）とすると（１）式で定義される。（１）式において通常総電力量Ｗ１は、これまでの操業実績値から求められ、実績総電力量Ｗ２および燃料の理論総発熱量の電力換算値Ｗ３は溶解実験からそれぞれ求められるので、着熱効率αは前記比率Ｒ毎に（１）式に基づいて算出することができる。
【００２９】
【数１】

【００３０】
図５は、燃焼筒２６の長さａに対する燃焼炎３６の長さｂの比率Ｒ（＝ｂ／ａ）と、スラグ中のクロム酸化物の含有率Ｃｒ₂Ｏ₃％および着熱効率αとの関係を示すグラフである。図５は、前記溶解実験の実験データに基づいて作成したものである。図５から、前記比率Ｒが大きくなるにつれてＣｒ₂Ｏ₃％および着熱効率とも増大することが判る。
【００３１】
これは、前記比率Ｒが大きくなるにつれて燃焼炎の長さが長くなるので、前記比率Ｒが１を超えるときには、高温の燃焼炎と含クロム原料との接触長さが増大し、前記比率Ｒが１以下のときには燃焼ガスの温度が高くなることによるものである。すなわち、燃焼炎と含クロム原料との接触長さの増大および燃焼ガス温度の上昇は、含クロム原料の溶解を促進して着熱効率の増大をもたらすとともに、クロムの酸化を促進してＣｒ₂Ｏ₃％の増大をもたらす。
【００３２】
またＣｒ₂Ｏ₃％は、前記比率Ｒが２．０までは比較的緩やかに増大し、その値も助燃バーナ装置１を用いないときの値２．０％とほぼ同一水準である３．０％以下に止まるのに対して、前記比率Ｒが２．０を超えると急激に増大する。さらに着熱効率αは前記比率Ｒが０．２未満では、非常に低くなり、予め定める着熱効率の下限値３０％を下回る。これは、前記比率Ｒが０．２未満では燃焼炎の長さが非常に短くなるので、燃焼炎と含クロム原料との直接接触が生じないばかりでなく、燃焼ガスの温度も低下するからである。
【００３３】
これに対して、前記比率Ｒが０．２≦Ｒ≦２．０の範囲では、Ｃｒ₂Ｏ₃％：２．０〜３．０％，着熱効率α：３０〜７５％であり、Ｃｒ₂Ｏ₃％および着熱効率αとも良好な値が得られる。前述のように、本実施の形態において前記比率Ｒが０．２≦Ｒ≦２．０の範囲の値に選ばれるのは、この理由によるものである。また前記比率Ｒが０．５≦Ｒ≦１．５の範囲では、Ｃｒ₂Ｏ₃％：２．０〜２．５％，着熱効率α：５０〜７０％であり、Ｃｒ₂Ｏ₃％および着熱効率αとも非常に良好な値が得られる。したがって、前記比率Ｒの特に好ましい範囲は、０．５≦Ｒ≦１．５である。
【００３４】
このように、本実施の形態では前記比率Ｒが適正範囲の値に選ばれているので、前記比率Ｒが過大または過小なときに生じる不具合の発生を回避することができる。すなわち、前記比率が過大であるときに生ずる高温の燃焼炎と含クロム原料との接触長さの過度な増大を回避することができるとともに、前記比率が過小であるときに生ずる燃焼ガスの過度の温度低下をともに回避することができる。したがって、含クロム原料に対する着熱効率を大きく損なうことなく、燃焼炎と含クロム原料との直接接触によるクロムの酸化を抑制することができる。この結果、含クロム原料の溶解促進と、クロムの歩留りの向上とをともに図ることができ、電気炉３の電力原単位の低減を図ることができる。
【００３５】
図６は、本発明の他の実施の形態である助燃バーナ装置４１の構成を簡略化して示す正面断面図である。助燃バーナ装置４１は、図１に示す助燃バーナ装置１と類似し、対応する部分には同一の参照符号を付す。注目すべきは、本実施の形態の助燃バーナ装置４１には、バーナ本体２５を移動する移動手段４３が備えられている点である。移動手段４３は、空気シリンダ４４と台車４５とを含む。空気シリンダ４４は架台４６の上面に取付けられており、その軸線は燃焼筒２６の軸線３７と平行である。架台４６は、電気炉３の炉壁８の鉄皮１０に固定されており、架台４６の上面は燃焼筒２６の軸線３７と平行に炉壁８に向かって斜め下方に傾斜して取付けられている。燃焼筒２６は、固定部材４９を介して架台４６の上面に固定されている。
【００３６】
空気シリンダ４４は複動シリンダであり、そのピストン軸４４ａは軸線に沿って伸縮自在である。台車４５は架台４６の上面に敷設されたレール４７上に車輪４８を介して乗載されており、レール４７は燃焼筒２６の軸線に平行に敷設されている。台車４５の上部にはバーナ本体２５が連結されており、台車４５の下部には空気シリンダ４４のピストン軸４４ａがピン結合されている。空気シリンダ４４のピストン軸４４ａを伸縮させると、バーナ本体２５は台車４５を介して燃焼筒２６の軸線に沿って燃焼筒２６内を往復変位する。
【００３７】
このように本実施の形態では、バーナ本体２５を燃焼筒２６内を移動させることができるので、バーナ本体２５の先端部から燃焼筒２６の先端側までの長さａを調節することができる。したがって、燃焼炎の長さｂを一定に保持したまま、換言すれば安定した燃焼条件のもとで前記比率Ｒ＝ｂ／ａを予め定める値に設定することができる。この結果、前記比率Ｒを精度よく制御することができ、前記図１に示す助燃バーナ装置１よりもさらに安定して含クロム原料の溶解促進とクロムの歩留りの向上とをともに図ることができる。
【００３８】
以上述べたように前記各実施の形態では、含クロム原料を溶解する溶解炉として電気炉を用いているけれども、本発明はこれに限定されるものではなく、他の形式の溶解炉を用いてもよい。また示燃性ガスとして酸素を用いているけれども、これに限定されるものではなく、他の示燃性ガス、たとえば空気を用いてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の本発明によれば、含クロム原料の溶解時にクロムの酸化を抑制しながら溶解促進を図ることができる。したがってクロムの歩留りの向上と電力原単位の向上とをともに図ることができる。
【００４０】
また請求項２記載の本発明によれば、安定した燃焼状態のもとでバーナ本体の先端部から燃焼筒の先端側までの長さａに対する燃焼炎の長さｂの比率Ｒを設定することができるので、前記比率Ｒを精度よく制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である金属溶解炉の助燃バーナ装置１の構成を簡略化して示す断面図である。
【図２】図１に示す助燃バーナ装置１を備える電気炉３の構成を簡略化して示す正面断面図である。
【図３】図２に示す電気炉３の平面図である。
【図４】図１に示すバーナ本体２５の構成を簡略化して示す断面図である。
【図５】燃焼筒２６の長さａに対する燃焼炎３６の長さｂの比率Ｒ（＝ｂ／ａ）と、スラグ中のクロム酸化物の含有率および着熱効率αとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施の形態である助燃バーナ装置４１の構成を簡略化して示す正面断面図である。
【符号の説明】
１，４１助燃バーナ装置
３電気炉
６電極
８炉壁
１０鉄皮
１３挿通孔
２５バーナ本体
２６燃焼筒
３６燃焼炎
４４空気シリンダ
４５台車４
４６架台

Claims

含クロム原料を溶解する金属溶解炉の炉壁に１または複数基設けられ、燃料を燃焼して含クロム原料の溶解を促進する金属溶解炉の助燃バーナ装置において、
炉壁の外方に設けられ、炉壁内に向けて先端部から燃焼炎を噴射するバーナ本体と、
バーナ本体の軸線と同軸に延びる筒状の形状を有し、基端側がバーナ本体の少なくとも先端部を外囲し、先端側が溶解炉の炉壁に形成される挿通孔に挿通され、先端側が挿通孔のうち炉壁の内表面側の位置にまで延びて設けられる燃焼筒とを含み、
バーナ本体の先端部から燃焼筒の先端側までの長さａに対する燃焼炎の長さｂの比率Ｒ（＝ｂ／ａ）が０．２≦Ｒ≦２．０の範囲の値に選ばれることを特徴とする金属溶解炉の助燃バーナ装置。
前記バーナ本体を、前記燃焼筒の軸線に沿って往復変位するように移動させる移動手段が備えられることを特徴とする請求項１記載の金属溶解炉の助燃バーナ装置。