JP4274020B2

JP4274020B2 - 金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法

Info

Publication number: JP4274020B2
Application number: JP2004095833A
Authority: JP
Inventors: 悟郎奥山; 康夫岸本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005281749A

Description

本発明は、金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法に係わり、特に、転炉等、酸素ガス吹き込みランスを備えた鉄浴型反応容器に保持した溶鉄へ、粉体状及び／又は粒体状の金属酸化物、若しくはそれらを含有する鉱石、並びに炭材を供給し、酸素ガスの吹錬下で溶融、還元して金属溶湯を得る技術に関する。

近年、高価な合金鉄を用いずに、転炉等の鉄浴型反応容器に保持した溶鉄へ安価なクロム鉱石とコークス等の炭材とを添加し，酸素ガスの吹錬下で該クロム鉱石を直接溶融還元して、ステンレス鋼溶製用素材の含クロム溶鉄を製造することが行われるようになった。この技術は、鉄浴型反応容器（以下、単に反応容器又は容器という）による溶融還元法と称され、実施に際しては、一般的に粒径の小さい粉粒状鉱石が容器内に添加される。

ところで、鉱石中の有価金属を回収するには，通常，大量の加熱・還元エネルギーが必要であるが、この溶融還元法での熱源は、反応容器内に供給した炭素源を、別途該容器内へ吹き込んだ酸素ガスで燃焼（所謂、一次燃焼）させて生じる「一次燃焼熱」及び該一次燃焼により発生した一酸化炭素（記号：ＣＯ）ガスを反応容器のフリーボード（鉄浴表面上の空間）で酸素ガスにより二酸化炭素（記号：ＣＯ₂）ガスまで燃焼させて生じる「二次燃焼熱」である。

ところが、実際の操業では、反応容器内に多量のＣＯ及びＣＯ₂ガスが発生し、これらのガスが容器内で強烈な上昇流となるので、粉粒状の鉱石等が飛散し易く、該反応容器内へ添加するのは非常に難しい状況にある。また、添加された粉粒状の鉱石が容器の耐火物壁近傍で、溶鉄面に浮遊するスラグの上に偏在すると、耐火物の損耗が助長される。

そこで、このような問題を解決するため、転炉の軸心上に設置した酸化性ガスを供給する上吹きランスとは別に鉱石供給を専用とするランスを設置し、上吹きランスから供給される酸化性ガスジェットに向けて、鉱石供給を専用とする該ランスを介して粉粒状の鉱石を炉内に供給する技術が提案されている（特許文献１参照）。この技術では、転炉の軸心線上に設置した上吹きランスから供給される酸化性ガスジェットに向けて、前記鉱石供給ランスの軸心に対し、下向きに５°〜３０°の傾斜角度で鉱石を投入し、当該鉱石粉の吹き込み粉流の中心を、炉径の０．２倍以内の炉心領域にすることにより、添加歩留りが高く、且つ炉内スラグ上に鉱石が偏在しないために耐火物溶損を防ぐことを可能にしたものである。

上記特許文献１記載の技術により、鉱石を高歩留りで、操業上安定して炉内へ供給することができるようになったが、安価な鉱石をさらに大量に使用するには、以下のような問題を残していた。

すなわち、安価な鉱石の大量使用には、上述したように、大量の加熱・還元エネルギーが必要となる。それを前記「一次燃焼熱」で達成する場合、通常供給する酸素量の増加が有効であるので、上吹きランスを介して供給される酸素の増量が行われる。しかしながら、要求に従い酸素ガスの供給速度を増加させると、炉内からのダストの発生が増大するという現象が生じる。このようなダストの発生の増大は，製造する溶鋼の歩留り低下及びその後のダスト処理コストの増大等をもたらす。また、通常、上吹き酸素を高速で供給すると、前記した２次燃焼の発生割合（二次燃焼率ともいい、炉口ガス中のＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ₂で定義される）が低下するといった問題もある。

この二次燃焼で発生する熱を増加させるには、上吹きランスの先端位置（以下、ランス高さと称する）を上昇させたり、該ランスからの酸素ジェット流速を低下させるといった対策がある。しかしながら、これら対策を施しても、その効果は現状ではそれほど大きくなく、二次燃焼自体をさらに向上させるには頭打ちの状態である。また、二次燃焼の燃料となる炉内発生のＣＯガスは、Ｈ₂や炭化水素ガスと比較して燃焼し難いため、加熱・還元エネルギーの増加に対して、さらなる二次燃焼率の増加は非常に困難である。

そこで、これらの問題点を解決すべく、炉内で発生するＣＯガス量に対して、Ｈ₂ガスに換算して５ｖｏｌ％以上の水素原子を含有させるように、水素原子を含む物質を溶鉄中に添加、吹き込むか又は炉内で発生したＣＯガスに直接吹き込み混合させることにより、水素含有物質を燃焼させ、総発生熱量（一次燃焼熱＋二次燃焼熱＋水素含有物質の燃焼熱）を増加させる方法が提案された（特許文献２参照）。この方法によれば、炉内での総発生熱量は増加し、鉱石使用量の増大も期待できるが、水素含有物質は前記フリーボードで燃焼するので、溶鉄への着熱より、むしろ耐火物溶損を助長することが懸念される。

また、鉱石を、燃料となり得る石炭粉と共に添加して、石炭粉の燃焼で発生した熱を鉱石の加熱に利用する方法も多数開示されている（特許文献３、４及び５参照）。そのうち、特許文献３及び４記載の方法は、単に石炭粉の添加歩留りの向上を目的としたものに過ぎない。一方、特許文献５記載の方法は、上吹きランスを介して酸化性ガスと共に鉱石と石炭粉とを同時に吹き込むものであり、吹き込んだ石炭粉の一部を燃料として炉内空間に火炎を形成し、その火炎中に鉱石を通過させるものである。しかしながら、燃料としての石炭粉は、気体、液体又はガス化速度の大きいプラスチック等の固体と比較して着火し難く、また、予熱されない状態で酸素と接するので、一層着火が遅い。特に、石炭粉の代わりに用いられるコークス粉は、揮発分を含まないので、着火性が格別に劣る。また、この方法では、多量の石炭が吹き込まれるため、火炎が安定しない等の別の問題もあった。
特開平９−９５７２１号公報特開平２−１０４６０８号公報特開平５−１７１２３５号公報、特開平１−９６３１４号公報特開昭６０−２０８４０９号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、炉内発生ダストの増加や炉壁耐火物の溶損を助長させることなく、安価な金属酸化物含有鉱石を大量に使用可能な金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法を提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、酸化性ガスの上吹きランス及び該上吹きランスとは別の原料供給ランスを備えた鉄浴型反応容器を用い、該容器に保持した溶鉄に炭材を投入すると共に、該原料供給ランスを介して、前記上吹きランスから噴射された酸化性ガスジェットに向け、粉粒状の金属酸化物鉱石を供給する金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法において、前記金属酸化物含有鉱石に加え、プロパン及びＣガスの気体燃料、重油の液体燃料から選ばれた一種又は二種以上からなる水素含有燃料を前記原料供給ランスから前記金属酸化物含有鉱石と同時に供給することを特徴とする金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法である。

この場合、前記炭材の一部を同時に供給しても良い。さらに、前記金属酸化物含有鉱石をクロム鉱石としたり、あるいは前記鉄浴型反応容器に上底吹き転炉を用いるのが好ましい。

本発明によれば、上吹きランスからの酸素ガスの量を増加しないので、炉内発生ダストの増加はなく、且つフリーボードの耐火物近傍におけるＣＯガスの二次燃焼は変化しないので、炉壁耐火物の溶損を助長させることなく、総発熱量増大により安価な鉱石を従来より大量に使用できるようになる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態を説明する。

一般に、フリーボードでのＣＯガスの二次燃焼は、溶鉄内あるいはその近傍で起きる前記「一次燃焼」と比較して、溶鉄への着熱効率（溶鉄への着熱量／（一次燃焼と二次燃焼との合計発熱量））が劣ることが知られている。従って、溶融還元法では、この二次燃焼率が高くなると、前記した総発熱量に対して溶鉄への着熱効率が低下するため、総発熱量が増加しても炉壁耐火物の受熱量も増加し、該炉壁耐火物の溶損が助長される。また、二次燃焼を増加させる手段として、酸素ガスを噴射する上吹きランスの高さ（先端位置）を上昇させたり、該ランス先端での酸素ガスの噴流速度を低下させることが考えられるが、その効果はさほど大きくなく、現状では頭打ちの状態であった。

そこで、発明者は、特許文献２記載の炉内に水素を含有する燃料を添加する技術に着目し、総発熱量を増加させ、かつ溶鉄への着熱効率を高位に維持することについて検討した。ところが、この特許文献２記載の技術では、水素を含有する燃料を予熱なしの状態で耐火物側壁より添加し、前記フリーボード内で燃焼させるので、通常の炉内発生ＣＯガスの二次燃焼を増加させた場合と同様の効果しか得られなかった。そのため、発明者は、溶鉄への着熱効率を高位に維持することについて鋭意研究を重ね、特許文献１記載の技術に改良を加え、水素を含有する燃料の吹き込みを、酸素ガスの上吹きランスとは別に設けたランスを介して炉内へ供給される鉱石の粉体流に混合させるようにすれば、鉱石自体に燃料の発熱量を直接伝達でき、また、燃料自体も酸素ガスと出会う前に雰囲気により予熱され、着火も起き易くなるので、結果的に溶鉄への着熱効率が上げられるのではと考えた。

そして、発明者は、小型試験転炉を用い、図１に示すように、水素含有燃料を吹き込まない場合及び水素含有燃料を原料供給ランスを介して吹き込んだ場合の実験、並びに図２に示すように、水素含有燃料を単にフリーボードへ吹き込んだ場合の実験を行い、それぞれの場合の溶鉄への着熱効率及び鉱石の投人量を調査した。

その結果、図１に示すように、水素含有燃料を原料供給ランス６を介して炉内、つまり上吹きランス５からの酸素ガスジェット１０に向けて吹き込んだ場合には、着熱効率が非常に高くなり、鉱石の投人量を従来より格段に増加できることを見出した。その場合、上吹きランス５からの酸素ガスの量を増加させる必要がないので、炉内発生ダストの増加はなく、また燃料は酸化性ガスジェット内で燃焼するため、炉壁耐火物の溶損も促進しないという効果もあった。

なお、本発明では、原料供給ランス６を介しての鉱石の炉内供給には、該原料供給ランス６にキャリアガスほどではないが、炉内圧力に打ち勝つ程度の不活性ガスを流すのが好ましい。安定した供給が維持できるようになるからである。また、炭材は、通常シュート（図示せず）を介して炉内へ投入するが、本発明では、その一部を鉱石と一緒に供給しても良い。その方が着熱や還元の効率の向上が期待できるからである。さらに、本発明では、金属酸化物としては特に限定するものではない。ステンレス鋼の溶製には、クロム酸化物やニッケル酸化物、高マンガン鋼の溶製には、マンガン酸化物の溶融還元が行われるからである。従って、上記の金属酸化物としては、本発明では、金属酸化物単味であっても良いが、もっと安価な該金属酸化物を含む鉱石であるのが好ましい。

上記した本発明では用いる燃料として、水素含有のものに限定した。具体的には、プロパン及びＣガスの気体燃料、重油の液体燃料である。その理由は、水素を含有する燃料は、ＣＯガスや炭素質の固体燃料（石炭やコークス）よりも燃焼速度が大きいため、酸化性ガスジェットに到達すると速やかに燃焼するからである。また、水素含有燃料は、通常は一種だけを利用するが、二種以上を混合して用いても良い。混合によって何ら燃焼に支障がないからである。

以下に、本発明の具体的な実施例を説明する。

鉄浴型反応容器として、５トン規摸の上底吹き試験転炉を採用し、クロム鉱石の溶融還元操業を行った。予め４トンの溶銑（溶鉄）２を該転炉１４に装入し、図１に示したように、鉱石を供給する原料供給ランス６と酸化性ガス（ここでは、酸素ガス）を供給する上吹きランス５とを、該転炉１４の上方に鉛直に配設した。上吹き酸素ガス量：１５ｍ³（標準状態）／ｍｉｎ、底吹き酸素ガス量：５ｍ³（標準状態）／ｍｉｎの条件で、炭材としてのコークス粉を投入用のシュートを介して適宜供給しながら、操業を開始した。

溶銑の温度が１６００℃になるまで昇熱し、溶銑温度が上記温度に達した時点で、上記原料供給ランス６を介してクロム鉱石粉の供給を開始すると同時に、該原料供給ランス６を介して燃料として水素含有量が８２．３（Ｈ₂：５４．８％，ＣＨ₄：２７．５％）容量％のＣガスを供給するようにした。なお、原料供給ランス６の先端に設けたノズルは、開口が軸心に対して１５°傾けた下向きで、且つ上吹きランス５から噴射される酸素ガスジェット１０に向くようにしてある。

操業中には、適宜溶銑の温度を測定し、溶融還元に適した溶銑温度である１６００℃になるように、クロム鉱石粉の供給速度を調整した。所定の時間（約６０分）が経過したので、原料供給ランス６を上昇させて、クロム鉱石及びＣガスの供給を停止したが、引き続き上吹きランス５及び底吹き羽口４を介して酸素ガスの供給は継続し、酸素吹錬だけを３分間行った。

また、本発明の効果を確認するため、比較例としての操業も別途行った。ただし、比較例１では、図２で示したように、燃料のＣガスを原料供給ランス６ではなく、別途設けた燃料供給専用ランス１３から供給し、さらに比較例２では、燃料吹き込みを行わない条件での操業を実施した。他の操業条件は、実施例と同様である。

各操業での総発熱量、着熱効率及びクロム鉱石の総投入量を指数化し（比較例２のあおれらの値を１００として）、表１に一括して示す。表１より、本発明に係る実施例では、比較例に比較して、クロム鉱石の総投入量が多く、且つ溶鉄への着熱効率も高位であることが明らかである。つまり、本発明によれば、上吹き酸素ガス量の増加によるダストの増加や、二次燃焼による炉壁耐火物の溶損を助長させることなく、炉内に供給される鉱石に燃料の燃焼熱を効率的に着熱でき、安価な鉱石を従来より大量に使用可能であることが確認された。

本発明に係る金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法を説明する上底吹き転炉の縦断面図である。従来の金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法を説明する上底吹き転炉の縦断面図である。

符号の説明

１炉壁耐火物
２溶鉄
３スラグ
４ガス底吹き羽口
５酸素ガスの上吹きランス
６原料供給ランス
７酸素ガスの供給配管
８鉱石供給配管
９燃料供給配管
１０酸素ガスジェット
１１鉱石の流れ
１２燃料の流れ
１３燃料供給専用ランス
１４上底吹き転炉

Claims

酸化性ガスの上吹きランス及び該上吹きランスとは別の原料供給ランスを備えた鉄浴型反応容器を用い、該容器に保持した溶鉄に炭材を投入すると共に、該原料供給ランスを介して、前記上吹きランスから噴射された酸化性ガスジェットに向け、粉粒状の金属酸化物鉱石を供給する金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法において、
前記金属酸化物含有鉱石に加え、プロパン及びＣガスの気体燃料、重油の液体燃料から選ばれた一種又は二種以上からなる水素含有燃料を前記原料供給ランスから前記金属酸化物含有鉱石と同時に供給することを特徴とする金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法。
さらに、前記炭材の一部を同時に供給することを特徴とする請求項１記載の金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法。
前記金属酸化物含有鉱石をクロム鉱石とすることを特徴とする請求項１又は２記載の金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法。
前記鉄浴型反応容器に上底吹き転炉を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属酸化物含有鉱石の溶融還元方法。