JP4711735B2 - フライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法 - Google Patents
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Description
一方、高炉より排出される高炉溶融スラグ(以下、単に溶融スラグともいう)は、多大な熱エネルギーを有しており、このエネルギーの活用方法の開発が必要となっている。
そこで、これらを組み合わせ、溶融スラグへフライアッシュを溶解処理するプロセスが検討されている。
このプロセスとしては、従来、溶融スラグが、高炉鋳床において、溶銑から分離された後に鍋に供給され、水砕設備まで搬送して水砕されていることから、この水砕処理前にフライアッシュを溶融スラグに溶解させてフライアッシュの処理費を軽減し、フライアッシュを利材化する方法がある。
ここで、水砕処理を安定に行うためには、溶融スラグの流動性を確保する必要があり、溶融スラグの成分に応じて所定温度以上に確保しなければならない。
特許文献1には、溶融スラグを鍋型容器に入れた後、この容器上部に蓋を設置した状態で、ランスからフライアッシュと昇温材を吹き込む方法が開示されている。
また、特許文献2には、フライアッシュを酸素と共に、樋から流下する溶融スラグに吹き込み、これを水砕する方法が開示されている。なお、この方法は、フライアッシュ中の残存炭素分の有効活用、及び不要なN2 ガスの排除により、溶融スラグ中へのフライアッシュの溶解性を確保するという点で有効な手段である。
そして、特許文献3には、鍋型容器内に残留させた溶融スラグにフライアッシュを投入し、その上から更に溶融スラグを追加投入して、溶融スラグにフライアッシュを溶解させる方法が開示されている。
更に、特許文献4には、溶融スラグへのフライアッシュの溶融化を容易にするため、フライアッシュにCaO含有物質を添加し、この混合物の塩基度を高めてから、溶融スラグに添加する方法が開示されている。
特許文献1の方法は、昇温材を使用するためコストがかかり、付加価値の小さいフライアッシュ処理に使用するには適さない。また、温度確保のための具体的な条件が開示されておらず、フライアッシュの吹き込み条件(例えば、溶融スラグ温度又は吹き込み速度)によっては、溶融スラグにフライアッシュを溶融できない。
また、特許文献2の方法は、有効な発熱を確保するため、多量の酸素を溶融スラグへ吹き込む必要があるので、吹き込みランスが例えば溶解又は損耗し、酸素を安定に吹き込むことが難しく、しかも酸素のランニングコストがかかり経済的でない。また、発熱は、フライアッシュ中の炭素分の燃焼によるもののみであるため、溶融スラグの温度低下の抑制が十分でなく、フライアッシュの溶解量を現状より増やすことが困難である。更に、樋から流下する溶融スラグへフライアッシュを吹き込んでいるため、溶融スラグの撹拌が不十分であり、均一な溶解がしにくい。
そして、特許文献3の方法は、鍋型容器内のフライアッシュに溶融スラグを注入することで、フライアッシュと溶融スラグとの撹拌を行っているため、十分な撹拌及び分散ができず、溶融スラグへのフライアッシュの溶解量には限界がある。
更に、特許文献4の方法は、CaO含有物質の添加により、溶融スラグへのフライアッシュの溶解が容易になるが、高炉から排滓され樋を流れる溶融スラグにフライアッシュを添加しているため、溶融スラグとフライアッシュとの混合に限界があり、均一な品質の溶融スラグが得られない問題がある。
前記酸素含有気体の酸素濃度は空気以上であり、前記高炉溶融スラグを鍋型容器に貯留し、該高炉溶融スラグの温度を1400℃以上にして、前記フライアッシュを酸化鉄含有ダストと共に混合粉として吹き込み、この吹き込み終了時の前記高炉溶融スラグの温度を、前記混合粉が吹き込まれた前記高炉溶融スラグの水砕可能な下限温度以上にして、前記混合粉が吹き込まれた前記高炉溶融スラグの水砕を行う。
また、フライアッシュに酸化鉄含有ダストを添加して、フライアッシュの融点を低下させているので、より低い熱量で溶融スラグへフライアッシュを溶解できる。
そして、高炉溶融スラグの温度を1400℃以上にするので、溶融スラグの熱裕度が大きいことに加え、前記した発熱作用を大きくできる。
これにより、フライアッシュの吹き込みによる溶融スラグの温度低下を抑制し、従来よりも経済的に多量のフライアッシュが処理可能になる。
ここで、図1は本発明の一実施の形態に係るフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法における水砕化可能下限温度の説明図、図2は同フライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法を使用する混合粉吹き込み設備の説明図、図3は溶融スラグへ混合粉の吹き込みを行った試験の熱収支解析結果の説明図、図4(A)〜(C)はそれぞれ混合粉の単位重量当たりの発熱量と溶融スラグ温度、吹き込み速度、ガス流速の関係を示す説明図、図5は溶融スラグ温度とフライアッシュ添加量との関係を示す説明図である。
また、フライアッシュを含む混合粉を溶融スラグに投入し溶解した後も、これらの温度を確保する必要があり、この方法として、例えば、鍋の断熱強化を可能な限り行う手段、又はフライアッシュ中に残存する炭素分の有効活用を図る手段が考えられる。しかし、吹き込む混合粉は常温であるため、溶融スラグの温度低下の影響を少なくするためには、混合粉を溶融スラグの温度まで予熱する必要がある。また、鍋の側壁や上面からの熱放散により、溶融スラグの温度低下が顕著であることから、溶融スラグの温度確保は厳しい状況であることが推定された。
まず、フライアッシュを含む混合粉を溶融スラグへ溶融させる試験の手順について簡単に説明した後、その検討結果、及びこれから得られる吹き込み条件について説明する。
図2に示すように、高炉鋳床下において、高炉(図示しない)から排滓され流下する溶融スラグ11を受けた鍋10を、混合粉吹き込み設備14まで移動させる。
吹き込まれたフライアッシュは、酸化鉄含有ダストと混合していることでその融点が下がっており、溶融スラグ11への融解が促進される。
また、フライアッシュ中の炭素分は、搬送気体中の酸素分で燃焼し、その熱量は溶融スラグ11に着熱する。しかし、これらに使われる炭素分は少量であり、多くの炭素が溶融スラグ11表面に出て外気との接触により燃焼する。一方、外気は、鍋10上の蓋15下に外部より流入し、その流入量と浮上する炭素量のバランスで、蓋下温度が決定される。また、鍋10内の溶融スラグ11は、ランス13から溶融スラグ11内に噴出される空気により撹拌され、その撹拌強度に応じて、側壁及び上部液面から放熱することとなる。
そして、混合粉の吹き込みが終了した鍋10から、ランス13及び蓋15を外し、鍋10を傾斜させて、流れ出る混合粉が吹き込まれた溶融スラグに水を吹き付けて水砕を行う。
まず、溶融スラグへ混合粉の吹き込みを行った代表的試験の熱収支解析結果について説明する。
図3に示すように、前記した溶融方法により溶融スラグに混合粉を吹き込んだ第1回試験では、混合粉の吹き込み総量が少なく(230kg)、溶融スラグの温度低下は略放熱量(上部抜熱、側壁抜熱、ガス抜熱、混合粉抜熱、及びFe2 O3 還元)に等しくなっていた。これに対し、第2回試験では、第1回試験の10倍以上の多量(2520kg)の混合粉の吹き込みを行ったが、冷たい混合粉の吹き込みにより溶融スラグの温度降下が生じるにも関わらず、実際の温度降下は、第1回試験に比べて小さくなり、なんらかの発熱作用があることが見出された。これは、いわゆる滓化熱と考えられ、本発明者らは、この発熱作用を発現させる条件を把握すべく、種々の条件での吹き込み試験を行った。
なお、図4(A)〜(C)のプロットした点は、熱収支解析結果より求めた混合粉の単位重量当たりの発熱量を示している。また、図4(A)の発熱量と溶融スラグ温度との関係を示す実線は、吹き込み速度とガス流速の相互の影響、図4(B)の発熱量と吹き込み速度との関係を示す実線は、溶融スラグ温度とガス流速の相互の影響、図4(C)の発熱量とガス流速(酸素含有気体の流速)との関係を示す実線は、溶融スラグ温度と吹き込み速度の相互の影響を考慮した重回帰結果を示している。
これらの関係を定量化して、鍋全体の熱収支を計算し、混合粉の吹き込み量に対する溶融スラグの温度推移を推定した。この結果の一例を図5に示す。なお、図5は、溶融スラグの受容量が50トンの鍋を使用し、空気のガス流速を220m/秒に設定して、初期の溶融スラグ温度を1400℃と1450℃にし、混合粉の吹き込み速度を変化(50kg/分、100kg/分、150kg/分、及び200kg/分)させた結果である。また、図5中の点線は、図1の水砕可能な下限温度を示す。
また、混合粉の吹き込み速度に対しては、速度が速いほど溶融スラグの温度低下が抑制される傾向となり、前記した図4(B)に示す傾向とは合わない。これは、混合粉の分散悪化に伴う発熱作用の低下よりも、同一吹き込み量を得るまでの時間短縮による溶融スラグの放熱抑制効果が大きいためである。
しかし、過剰な吹き込み速度では、発熱が抑制されるため、増量による温度確保効果は飽和する。
以上の検討結果より、溶融スラグへのフライアッシュの吹き込み量を十分にするためには、以下の条件を満たす必要があることが判明した。
これは、スラグ単位重量当たりの放熱面積を小さくし、放熱影響を抑えることを目的として設定した値であり、鍋容積が大きくなるほど有利だからである。ただし、均一性を確保するため、鍋の大型化に伴って、複数のランスを使用して混合粉の吹き込みを行い、混合粉の分散に留意する必要が生じる。
一方、上限値については、受容量が大きいほど前記した効果を得ることができるため規定していないが、1回の出銑で高炉から排滓される溶融スラグ量は350トン程度であるため、これに対応した範囲内(例えば、100トン)の受容量を備える鍋を使用できる。
溶融スラグの温度が高いほど、溶融スラグの熱裕度が大きいことに加え、前記した発熱作用が大きくなり、溶融スラグの温度確保に有利になるからである。このため、溶融スラグの温度を確保すべく、溶融スラグを受けた鍋の搬送時間を従来よりも短縮したり、またフライアッシュの吹き込みを制限するなどの調整を行う必要がある。
一方、高炉出銑時の溶融スラグ温度は、高炉出銑温度(概ね1550℃以下)と同等であり、溶融スラグ温度の更なる向上のために、出銑温度を更に上昇させる方法は非現実的である。従って、溶融スラグ温度は1550℃以下が望ましい。
混合粉を溶融スラグ内に分散させるためには、酸素含有気体により溶融スラグ内で高速気流を形成することが有効である。従って、酸素含有気体の量に応じて、100m/秒超の流速が得られるように、ランスの噴出孔の口径を選定(例えば、内径が13mm以上18mm以下程度)する必要がある。一方、流速を増加させ過ぎると、例えば、ランスの摩耗が問題となり、混合粉の安定した吹き込みができない場合があるため、標準状態換算での噴出速度を音速以下にすることが望ましい。
また、酸素含有気体は、酸素濃度が50%超となると、ランス先端部の噴出孔部分の溶損が顕著になることから、50%以下が好ましい。
なお、混合粉の溶融スラグへの分散を促進する手段としては、ランスの噴出孔を複数個設けたり、またこのようなランスを1本又は複数本、溶融スラグ内に浸漬させることが好ましい。ここで、複数のランスを使用する場合は、各ランスの噴出孔における酸素含有気体の流速を、ランス1本当たり標準状態換算で100m/秒超にする。
混合粉の吹き込み速度が速い場合、分散悪化のため発熱作用は低下するが、吹き込み時間短縮の効果が大きくなり、結果的には、溶融スラグの温度をより高く確保できる。しかし、その効果は、混合粉の吹き込み量の増大と共に飽和すること、また一箇所からの多量吹き込みは溶融スラグ内への混合粉の歩留り悪化を招く(溶融スラグ内に吹き込んだ混合粉が、溶融スラグに溶解することなく浴面から上方へ吹き上げられる)ことから、その上限を300kg/分とすることがよい。
溶融スラグの飛散と鍋上方への放熱を抑える目的で、鍋上部に蓋(カバー)を設置しているが、溶融スラグ内から空間内に未燃のカーボン及びCOガスが浮上し、空気と接触して燃焼することから、これを活用して溶融スラグ上面の放熱を抑制できる。従って、この空間温度が高いほど、放熱が減少することから、蓋周囲の鍋への密着度合いなどを調整することで、空間への空気流入量を調整し、高温状態を形成することが可能になる。
一方、蓋及び鍋の耐熱性の観点から、空間温度は1500℃以下とするとよい。
この混合粉の吹き込み終了は、溶融スラグへの混合粉の添加量と、混合粉中のフライアッシュ量に応じて、溶融スラグの温度が図1に示す水砕可能な下限温度以上になるように調整する。
これにより、フライアッシュが添加された溶融スラグ中の固相率を20質量%以下にでき、安定した水砕処理が可能になる。
各種条件にて、混合粉の吹き込みを行い、溶融スラグ温度が水砕可能な下限温度に達するまでに投入できたフライアッシュ量を比較評価した(図1参照)。また、比較例及び実施例1〜8において、鍋上部の蓋の高さを調整して、蓋と溶融スラグ表面との間に流入する空気量を調整し、この空間温度を1200℃に確保した。なお、混合粉中のフライアッシュ量を75質量%とし、焼結集塵ダスト量を25質量%(焼結集塵ダストの全鉄量がフライアッシュ量の17質量%)とした。ここで、フライアッシュの溶融処理を行った条件とその結果を表4に示す。
実施例3及び4は、混合粉の吹き込み速度を低減した結果である。実施例4のように、吹き込み速度を100kg/分未満まで低減した場合、初期溶融スラグ温度が1450℃にも関わらず、フライアッシュ吹き込み可能量は2トンまで低下したが、前記した混合割合の目標値は達成できた。
また、実施例6は、二重構造となったランスを用いて酸素のみを吹き込み、溶融スラグ内のカーボンの燃焼量を増やすことで、溶融スラグの温度上昇を図った結果であるが、初期温度が1400℃であるにも関わらず、フライアッシュ吹き込み可能量5トンを達成した。
そして、実施例7は、ガス流速を更に上昇させ、フライアッシュ分散を促進することで、混合粉の発熱作用を更に強化した結果であるが、ランスの摩耗を抑制しながら、フライアッシュ処理量を9トンまで増大できた。
なお、実施例8は、鍋として溶融スラグの受容量が30トンの小型の鍋を用いた結果である。初期溶融スラグ温度が1450℃にも関わらず、フライアッシュ吹き込み可能量は1.5トンまで低下したが、溶融スラグに対する混合粉の混合割合5質量%以上(フライアッシュ量:1.1トン以上)を確保した。
Claims (6)
- 先端部に噴出孔を備えたランスを高炉溶融スラグ内に浸漬させ、該ランスにより、フライアッシュを酸素含有気体を用いて前記高炉溶融スラグ内に吹き込むフライアッシュの溶融スラグへの溶融方法において、
前記酸素含有気体の酸素濃度は空気以上であり、前記高炉溶融スラグを鍋型容器に貯留し、該高炉溶融スラグの温度を1400℃以上にして、前記フライアッシュを酸化鉄含有ダストと共に混合粉として吹き込み、この吹き込み終了時の前記高炉溶融スラグの温度を、前記混合粉が吹き込まれた前記高炉溶融スラグの水砕可能な下限温度以上にして、前記混合粉が吹き込まれた前記高炉溶融スラグの水砕を行うことを特徴とするフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法。 - 請求項1記載のフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法において、前記ランスの前記噴出孔における前記酸素含有気体の流速を、前記ランス1本当たり標準状態換算で100m/秒超にすることを特徴とするフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法。
- 請求項1及び2のいずれか1項に記載のフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法において、前記混合粉の吹き込み速度を100kg/分以上にすることを特徴とするフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法において、前記鍋型容器の上部を蓋で覆い、前記高炉溶融スラグの上方に形成される空間温度を1000℃以上にすることを特徴とするフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法において、前記鍋型容器は、前記高炉溶融スラグの受容量が40トン以上であることを特徴とするフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法において、前記ランスは前記噴出孔を複数個有し、このランスを1本又は複数本、前記高炉溶融スラグ内に浸漬させることを特徴とするフライアッシュ混合粉の溶融スラグへの溶融方法。
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