JP5068116B2 - 連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体還元鉄等の固体還元金属を溶解して溶鉄などの溶解金属を連続的に製造する連続溶鉱炉について、その連続溶解炉内で発生するスラグフォーミングを抑制する連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法に関する。
図9は、従来の溶融還元炉の構成を示したものである。
溶融還元炉は反応容器50を備え、その反応容器50の天井部には原料投入口51と、反応容器50内で発生したガスを排出するガス排出口52が設けられている。このガス排出口52はダクトを介して排ガス浄化装置等に接続されている(例えば、特許文献1参照)。
上記反応容器50の上部には、炉内で発生するガスを二次燃焼させるための、酸素吹込み用の上部羽口53が複数設けられ、下部には酸素(あるいは酸素富化空気)を導入してスラグ浴Saを撹拌するため下部羽口54が設けられている。
一方、反応容器50下部の両外側には、一方のサイフォン55を介して反応容器50と連通している溶鉄溜まり56と、他方のサイフォン57を介して反応容器50と連通しているスラグ溜まり58がそれぞれ設けられている。
上記溶鉄溜まり56には溶鉄Mを排出するための出鉄口59が備えられ、上記スラグ溜まり58には、スラグSを出滓するための出滓口60が備えられている。
上記構成を有する溶融還元炉では、原料投入口51から反応容器50内に、鉄原料、石炭あるいはコークス等の炭材および造滓材等の原燃料が連続的に投入され、それにより、反応容器50内では、原料が溶解されてスラグ浴Saが形成される。
このスラグ浴Saに対し下部羽口54から酸素が吹き込まれることにより、スラグ浴Saが撹拌される。
スラグ浴Saに投入された原料はスラグ浴Saに巻き込まれて溶融スラグとなり、スラグ中の酸化鉄は、投入された石炭によって還元される。
スラグ浴Saで発生したCOガス等は、二次燃焼帯に吹込まれる酸素と反応して酸化され、反応容器50内で発生したガスはガス排出口52を通じて炉外に導かれ、ガス浄化装置を経て系外に排出される。
また、反応容器50内の下部においては溶融した鉄(または銑鉄)とスラグSとが比重差によって分離される。
特開平11−310814号公報
上記した従来の溶解炉において、溶鉄中の炭素と酸素が反応しCOガスが生成されることによって気泡が発生し、さらに、スラグとなった酸化鉄等によって粘性が高まると、生成したCOガスは小さなガス気泡のままスラグ中に閉じ込められて滞留し、気泡数が増加することによってスラグの泡立ち現象、いわゆるスラグフォーミングが発生する。
このスラグフォーミングを放置した場合、炉頂や炉蓋等のシール部から高温のスラグが炉外に噴出するトラブルを発生し生産性を阻害する。また、スラグフォーミングによって炉内における酸化と還元の反応バランスが崩れると、製造プロセスに対しても少なからず悪影響を与えることになる。そこで、安定して溶融金属を連続製造するためには、上記スラグフォーミングを抑制することが必要となってくる。
しかしながら、溶融金属を連続的に製造する過程においては、原料中の成分にバラツキがあったり、投入量や排出量の変動することが避けられない。加えて炉内においては非連続的な反応が起こる。さらに、炉内は高温であり且つ溶融ダストが多量に発生しているため、炉内を常時監視することは事実上不可能である。
このような諸事情により、スラグフォーミングを的確に抑制する方法は確立されていない。
本発明は以上のような従来の溶解炉における課題を考慮してなされたものであり、溶解炉内のスラグフォーミングの状態を把握してスラグフォーミングを的確に抑制し、安定した状態で、溶融金属を連続的に製造することができる連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法を提供する。
本発明は、排ガス流量の変化に基づいてスラグフォーミングを抑制する第一の形態と、排ガス濃度の変化に基づいてスラグフォーミングを抑制する第二の形態と、排ガス流量の変化と排ガス濃度の変化に基づいてスラグフォーミングを抑制する第三の形態が示される。
上記第一の形態は、固体還元金属を溶解して溶鉄等の溶融金属を連続的に製造する連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法であって、
吹錬中に上記連続溶解炉から排出される排ガスの流量を経時的に測定し、排ガス流量が増加傾向にあるときに、スラグフォーミングを抑制する抑制材の投入速度を高め、排ガス流量が減少傾向にあるときに上記抑制材の投入速度を低くすることを要旨とする。
本発明における連続溶解炉とは、例えば回転炉床炉と接続され、その回転炉床炉において酸化鉄と炭素質還元剤を含む成形体を加熱還元することにより得られる固体還元金属、具体的には固体還元鉄を、主原料として供給される炭材を酸素で燃焼させて溶解させ、溶鉄を連続的に製造するような炉が示される。
なお、連続溶解炉に供せられるエネルギーとしては、上記したように酸素と炭素による反応エネルギーに限らず、例えば電気炉で使用される電気エネルギーであってもよい。
上記第二の形態は、固体還元金属を溶解して溶鉄等の溶融金属を連続的に製造する連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法であって、
吹錬中に上記連続溶解炉から排出される排ガスのCO濃度を経時的に測定し、測定されたCO濃度が予め設定されている基準CO濃度を超えて上昇傾向にあるときに、スラグフォーミングを抑制する抑制材の投入速度を高め、CO濃度が減少傾向にあるときに上記抑制材の投入速度を低くすることを要旨とする。
上記第三の形態は、固体還元金属を溶解して溶鉄等の溶融金属を連続的に製造する連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法であって、
吹錬中に上記連続溶解炉から排出される排ガスの流量とCO濃度とを経時的に測定し、測定されたCO濃度が予め設定されている基準CO濃度を境として変化した場合に、排ガス流量の傾向を調べ、排ガス流量が上昇傾向にあるときに、スラグフォーミングを抑制する抑制材の投入速度を高め、排ガス流量が減少傾向にあるときに上記抑制材の投入速度を低くすることを要旨とする。
本発明において、上記抑制材として炭材を使用し、その投入量を、基準投入量の30〜35%ずつ段階的に増加または減少させることにより、上記抑制材投入速度を調節することができる。
本発明において、上記基準CO濃度は、送酸量と炉圧に基づいて設定することができる。
本発明に係る連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法によれば、溶解炉内のスラグフォーミングの状態を把握してスラグフォーミングを的確に抑制することができ、それにより、安定した状態で、溶融金属を連続して製造することができるという長所を有する。
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
1.溶解炉の構成
図1は、本発明のスラグフォーミング抑制方法が適用される連続溶解炉を示した正面断面図であり、図2はその平面図である。
両図において、連続溶解炉1は、天井部2と底部3を有する筒状の溶解炉本体4を有し、上記天井部2には原料投入口5と、酸素吹込みランス6と、排ガスダクト7が配設されている。
上記原料投入口5からは、固体還元鉄、炭材、造滓剤等からなる原燃料が溶解炉本体4内に投入される。
上記酸素吹込みランス6は、固体還元鉄を溶解するための熱源としてスラグ中の炭材および溶鉄中の炭素の少なくともいずれか一方を燃焼させるとともに、溶解炉本体4内で発生するガスを二次燃焼させる酸素を吹き込むようになっている。
上記排ガスダクト7は、二次燃焼後の炉内のガスを排出するようになっている。
この排ガスダクト7には、排ガス濃度、具体的には、COガス濃度を測定する排ガス濃度計8および排ガス(具体的には、N/CO/CO/Oを主成分とする)の流量を測定する排ガス流量計9が配設されている。
なお、排ガス流量計9は、上記排ガスダクト7に限らず、例えば、排ガスを冷却した後、燃焼式煙突に送る排ガス管路に設けることもできる。この排ガス管路では排ガス流量が安定しているため、測定精度を高めることができる。
また、溶解炉本体4の下部からは溶湯溜り部10が延設され、この溶湯溜り部10に、スラグSを連続的に排出するための排滓口11と、溶鉄Mを連続的に排出するための溶鉄排出口12がそれぞれ設けられている。
なお、回収された溶鉄M中にスラグSが極力混入しないように、排滓口11は溶鉄排出口12よりも上流側に設けられるとともに、排滓口11の通路底面の高さHAは溶鉄排出口12の通路底面の高さHBよりも高い位置に設けられている(図3参照)。
なお、図3(a)は図2のA−A矢視縦断面を、図3(b)は同図のB−B矢視縦断面をそれぞれ示したものである。
図1において、溶解炉本体4の側壁13には上記排滓口11とは別に、第二排滓口14が開閉可能に設けられており、この第二排滓口14の高さHCは、上記した排滓口11の通路底面高さHAよりも高い位置、より詳しくは、サイフォンSIの堰の高さよりも高い位置に設けられている。
また、溶解炉本体4には、上記第二排滓口14を開閉した際の炉内圧力変化を検出するための圧力計15が設けられている。なお、この圧力計15は排ガスダクト7に設けることもできる。
さらに、溶解炉本体4の天井部2からは仕切板16が垂下されており、この仕切板16の下端と底部3との間に所定の隙間を形成することにより、サイフォンSIが形成されている。
2.連続溶解炉の動作
次に、上記構成を有する連続溶解炉の動作について説明する。
原料投入口5から投入された原料Rは、スラグSの層中に潜り込み、酸素吹込みランス6によって吹き込まれた酸素(あるいは酸素富化空気)によって炭材や炉内発生ガス等を燃焼させた燃焼熱によって溶解される。
溶解された原料は、スラグSと溶鉄Mとに分離されてスラグ層および溶鉄層中にそれぞれ移行し、溶解炉本体4内の溶鉄レベルMLおよびスラグレベルSLがともに上昇する。
その結果、溶解炉本体4内外に液圧差が生じ、スラグSおよび溶鉄Mの増加分がサイフォンSIを通過して溶湯溜り部10に移動し、排滓口11からスラグSが、溶鉄排出口12から溶鉄Mがそれぞれ連続的に排出される。
溶解炉本体4内におけるスラグSおよび溶鉄Mの生成速度と溶湯溜り部10からの排出速度との間でバランスが取れている場合は、上記のようにしてスラグレベルSLが一定に維持され連続的に溶鉄Mを製造することが可能になる。
ところが、吹錬中、酸素吹込みランス6から吹込まれた酸素が燃焼に有効に供されないと、ガス成分が増加してスラグフォーミングが発生する。
このスラグフォーミングを放置すると、炉頂や炉蓋等のシール部から高温のスラグが炉外に噴出し生産性を阻害する虞れがある。また、フォーミングによって炉内における酸化と還元の反応バランスが崩れると、製造プロセスに対しても少なからず悪影響を与えることになる。
3.スラグフォーミング抑制方法
そこで、本発明のスラグフォーミング抑制方法では、排ガス濃度および排ガス流量の少なくともいずれか一方を検知し、その検知結果に基づいてスラグフォーミングを抑制する抑制材を添加することにより、スラグフォーミングを抑制することを特徴としている。
以下、図4、図6、図8に示すフローチャートにしたがって第一〜第三の形態に係るスラグフォーミング抑制方法を具体的に説明する。
なお、連続溶解炉1(図1参照)において、炉圧一定制御を行うとともに、送酸量を一定にして運転が行なわれているものとする。
3-1.第一の形態に係るスラグフォーミング抑制方法
排ガス濃度の変化に基づくスラグフォーミング抑制方法では、まず、排ガスのCO濃度を常時測定し記録する(ステップS1)。
次いで、前回CO濃度傾向の評価(後述する)から一定時間が経過したかどうかを判断する(ステップS2)。上記一定時間とは具体的には1分であるが、好ましくは30秒、さらに好ましくは15秒である。
ステップS2の判断結果が“No”であれば、上記ステップS2の処理を繰り返す。
ステップS2の判断結果が“Yes”であれば、吹錬中であるかどうかを判断する(ステップS3)。
吹錬中でなければ、スラグフォーミングの抑制は必要ないため、処理を終了する。
ステップS3で“Yes”と判断されると、CO濃度傾向を評価する(ステップS4)。
詳しくは、CO濃度傾向の評価では、2分、好ましくは1分、さらに好ましくは30秒の期間内でのCO濃度の変化量を演算し、上昇、減少、または安定のいずれかであることを評価する。なお、30秒よりも短い期間でCO濃度の変化量を演算することもできるが、その場合、分析周期やハンチングの回避を考慮して適性な演算周期とする。
図5は吹錬期間中の排ガス濃度の推移を示したグラフであり、横軸は吹錬時間を示し、左側縦軸は排ガスのCO濃度,CO濃度、右側縦軸は抑制材投入速度を示している。
また、グラフ中、CはCO濃度、DはCO濃度の推移を、Eは抑制材投入速度の推移をそれぞれ示している。
グラフ中、C1に示すように、CO濃度が基準CO濃度(40%)を超えて60%まで増加し、上昇傾向にあると評価されると、抑制材投入速度(投入量)を、基準投入速度(基準投入量)の30〜35%ずつ段階的に高くする(ステップS5)。
なお、上記基準投入速度は送酸量に応じて予め決定されており、本実施形態では600kg/h である。したがって、本実施形態の例では抑制材投入速度を600→800→1000kg/h と速める制御を行なう。
一方、グラフ中、C2に示すように、CO濃度が40%まで下降し、さらに減少傾向にあると評価されると、抑制材投入速度を例えば1000→800→600kg/h と段階的に低くする(ステップS6)。
また、グラフ中、C3に示すように、CO濃度が40%を境として上下し、全体として変化がなく安定している場合は、抑制材投入速度を変更せず、基準投入速度を維持する(ステップS4→S7)。
次いで、ステップS2に戻り、次回のCO濃度傾向の評価まで待機する。
なお、炉内に吹き込まれたOが確実に燃焼している場合は、COが排ガスとして排出されるため、CO濃度を測定することによってスラグフォーミングを抑制することができる。しかしながら、吹き込まれたOがうまく溶鉄表面に到達できず、十分に反応に供せられないような場合に、COが多量に排出される場合もある。
図5のグラフから分かるように、COの濃度分布はCO濃度分布と逆の性状を示している。したがって、炉内にCOが多量に発生するような場合には、CO濃度の測定に代えてCO濃度を測定し、CO濃度の傾向と逆の傾向に基づいて評価を行なうことにより、スラグフォーミングを的確に抑制することができる。例えば、CO濃度が減少傾向にあれば、抑制材投入速度を高めるように制御すればよい。
なお、図5中、抑制材投入速度を基準投入速度以下にしているのは、スラグにはある程度の嵩比重からなるフォーミングが形成する必要であり、その調整のためである。
3-2.第二の形態に係るスラグフォーミング抑制方法
次に、排ガス量の変化に基づくスラグフォーミング抑制方法を、図6に示すフローチャートにしたがって説明する。
まず、排ガス流量を常時測定し記録する(ステップS10)。
次いで、前回排ガス流量の傾向評価(後述する)から一定時間が経過したかどうかを判断する(ステップS11)。上記一定時間とは具体的には1分であるが、好ましくは30秒、さらに好ましくは15秒である。
ステップS11の判断結果が“No”であれば、上記ステップS11の処理を繰り返す。
判断結果が“Yes”であれば、次に、吹錬中であるかどうかを判断する(ステップS12)。
吹錬中でなければ、スラグフォーミングの抑制は必要ないため、処理を終了する。
ステップS12で“Yes”と判断されると、初期安定する排ガス流量に到達したかどうかを判断する(ステップS13)。上記初期安定するとは、排ガス流量が計算上バランスする量になったことを言う。
ステップS13の判断結果がNoであれば、排ガス流量が安定したという結果が得られるまでステップS13の処理を継続する。
ステップS13の判断結果がYesになれば、排ガス流量の傾向について評価する(ステップS14)。
排ガス量の傾向については、安定、増加傾向、減少傾向、急激な減少傾向のいずれに該当するかを判断する。
図7は吹錬期間中の排ガス量の推移を示したグラフであり、横軸は吹錬時間を示し、左側縦軸は排ガス流量、右側縦軸は抑制材投入速度を示している。ただし、排ガス流量は基準排ガス流量を100として表している。
また、グラフ中、Fは排ガス流量の推移を、Gは抑制材投入速度の推移をそれぞれ示している。
同グラフの線分Faに示されるように、排ガス流量が増加傾向(F1参照)にあれば、抑制材投入速度を例えば800→1000kg/h と段階的に高くする(ステップS15)。なお、上記線分Faは、吹錬時間と排ガス流量との間に相関関係があることから、回帰直線を計算することによって求めることができる。
これとは逆に、排ガス流量が減少傾向にあれば、抑制材投入速度を低くする(ステップS16)。排ガス流量が急激に減少する傾向にあれば、異常スラグフォーミングが発生したと判断し、抑制材投入速度を大幅に高める。
ステップS14において、抑制材投入速度を段階的に上昇させる(図中、G1参照)ことによりスラグフォーミングが抑制され、排ガス流量が安定すると(図中、F2参照)、抑制材投入速度を一定に保ち(図中、G3参照)、ステップS11に戻り、次回の排ガス流量の測定まで待機する。
このように、排ガス流量の変化に基づいてスラグフォーミングを抑制することもできる。
3-3.第三の形態に係るスラグフォーミング抑制方法
上記第一および第二の形態では排ガス濃度または排ガス流量の変化に基づいてスラグフォーミングを抑制する方法について説明したが、図8のフローチャートに示すように、スラグフォーミングの抑制は、排ガス濃度の変化と排ガス流量の変化の両方に基づいて行うこともできる。
同図において、まず、排ガス流量、排ガスのCO濃度を常時測定し記録する(ステップS20)。
次いで、前回排ガスCO濃度の評価から一定時間が経過したかどうかを判断する(ステップS21)。上記一定時間とは具体的には1分であるが、好ましくは30秒、さらに好ましくは15秒である。
ステップS21の判断結果が“No”であれば、上記ステップS21の処理を繰り返す。
ステップS21の判断結果が“Yes”であれば、さらに、吹錬中であるかどうかを判断する(ステップS22)。
吹錬中でなければ、スラグフォーミングの抑制は必要ないため、処理を終了する。
ステップS22で“Yes”と判断されると、CO濃度傾向の評価を行なう(ステップS23)。
評価結果が“安定”であれば、抑制材投入速度を変更せず(ステップS24)、ステップS21に戻る。
一方、評価結果が基準CO濃度を境として“変化あり”であれば、引き続き、排ガス流量の傾向について評価を行なう(ステップS25)。なお、排ガス流量の傾向については、安定、増加傾向、減少傾向、急激な減少傾向のいずれに該当するかを判断する。
排ガス流量が増加傾向にあれば、抑制材投入速度を段階的に高くする(ステップS26)。
これとは逆に、排ガス流量が減少傾向にあれば、抑制材投入速度を低くする(ステップS27)。なお、排ガス流量が急激に減少する傾向にあれば、異常フォーミングが発生したと判断し、抑制材投入速度を大幅に高める。
炉内が負圧で運転されている場合、炉内にリークするエアーを常に排ガスダクト7から吸い込んでいる。スラグフォーミングが炉蓋まで上昇すると、スラグがシール材となってリークするエアー量が急激に減少することになる。したがって、排ガス流量の急激な減少とCO濃度が急激に上昇したことによって異常フォーミングが発生したと判断することができる。
また、炉内が正圧で運転されている場合、炉外に設けた集塵機においてガス成分を測定することができる。この場合も上記負圧で運転される場合と同様に、異常フォーミングが発生したかどうかを判断することができる。なぜなら、正圧運転では負圧運転のようにリークするエアーが無く、常に排ガスが炉外に放出される。この状態でスラグフォーミングが炉蓋まで上昇すると、スラグがシール材となるため、炉外への放出量が減少することにより、CO濃度が低下することによって異常フォーミングが発生したと判断することができるからである。
また、ステップS25において排ガス流量が安定していると評価される場合、排ガス濃度計8や排ガス流量計9、さらには分析ラインに異常がないかチェックする(ステップS28)。
このように、排ガス濃度と排ガス流量の変化に基づいてスラグフォーミングを抑制すれば、CO濃度の傾向に変化があり、且つ排ガス流量の傾向においても変化がある場合に、抑制材の投入速度を増減させてスラグフォーミングの抑制が行なわれる。
したがって、排ガス濃度または排ガス流量に基づいて単独に制御を行なう場合に比べ、より正確にスラグフォーミングを抑制することができるようになる。
本発明のスラグフォーミング抑制方法に使用される連続溶解炉の構成を示した正面断面図である。 図1の平面図である。 (a)は図2のA−A矢視縦断面図、(b)は図2のB−B矢視縦断面図である。 本発明の第一の形態に係るスラグフォーミング抑制方法を説明するフローチャートである。 吹錬期間中の排ガス濃度の推移を示したグラフである。 本発明の第二の形態に係るスラグフォーミング抑制方法を説明するフローチャートである。 吹錬期間中の排ガス量の推移を示したグラフである。 本発明の第三の形態に係るスラグフォーミング抑制方法を説明するフローチャートである。 従来の溶融還元炉の構成を示す縦断面図である。
符号の説明
1 連続溶解炉
2 天井部
3 底部
4 溶解炉本体
5 原料投入口
6 酸素吹込みランス
7 排ガスダクト
8 排ガス濃度計
9 排ガス流量計
10 溶湯溜り部
11 排滓口
12 溶鉄排出口
13 側壁
14 第二排滓口
15 圧力計
16 仕切板

Claims (5)

  1. 固体還元金属を溶解して溶鉄等の溶融金属を連続的に製造する連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法であって、
    吹錬中に上記連続溶解炉から排出される排ガスの流量を経時的に測定し、排ガス流量が増加傾向にあるときに、スラグフォーミングを抑制する抑制材の投入速度を高め、排ガス流量が減少傾向にあるときに上記抑制材の投入速度を低くすることを特徴とする連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法。
  2. 固体還元金属を溶解して溶鉄等の溶融金属を連続的に製造する連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法であって、
    吹錬中に上記連続溶解炉から排出される排ガスのCO濃度を経時的に測定し、測定されたCO濃度が予め設定されている基準CO濃度を超えて上昇傾向にあるときに、スラグフォーミングを抑制する抑制材の投入速度を高め、CO濃度が減少傾向にあるときに上記抑制材の投入速度を低くすることを特徴とする連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法。
  3. 固体還元金属を溶解して溶鉄等の溶融金属を連続的に製造する連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法であって、
    吹錬中に上記連続溶解炉から排出される排ガスの流量とCO濃度とを経時的に測定し、測定されたCO濃度が予め設定されている基準CO濃度を境として変化した場合に、排ガス流量の傾向を調べ、排ガス流量が上昇傾向にあるときに、スラグフォーミングを抑制する抑制材の投入速度を高め、排ガス流量が減少傾向にあるときに上記抑制材の投入速度を低くすることを特徴とする連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法。
  4. 上記抑制材として炭材を使用し、その投入量を、基準投入量の30〜35%ずつ段階的に増加または減少させることにより、上記抑制材投入速度を調節する請求項1〜3のいずれか1項に記載の連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法。
  5. 上記基準CO濃度を、送酸量と炉圧に基づいて設定する請求項2〜4のいずれか1項に記載の連続溶解炉のスラグフォーミング抑制方法。
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