JP5179751B2 - スクラップバルクを加熱、溶融する際のエネルギー供給を改善する方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクラップバルクを加熱し、溶融する時のエネルギー供給の改良方法に関する。化石燃料を伴う予熱した酸化性ガスでスクラップバルクを溶融して通路を形成させ、さらなるエネルギーの供給がこの通路によって行われる。

現在、アーク炉でスクラップを溶融するのは一般的な方法であり、そこではバーナーが化石エネルギーの最大級可能な量を供給する。最大限のエネルギーがこのように供給されているが、それは、必要とされるエネルギー全体のたった10％である。

化石燃料でスクラップを溶融する重要性は“Stahl und Eisen 1990, p.109-116”の中
の、“Stand der Verfahrenstechnik fur das Einschmelzen von Schrott mit fossiler Energie”（化石エネルギーと溶融スクラップのためのプロセステクノロジーに関する状
況）に記載され、要約されている。この刊行物では特に、スクラップを溶融するために化石エネルギーを適用する新しいプロセスを開発するための集中的な取り組みについて述べている。工業的規模では113ページに記載されている二転炉プロセス(Two-Converter-Process)が現在、日本スチールの製鋼所の一つで使用されている。しかしながら、その特定の製鋼工場における特別な状況のために、利益が出るだけであることは明らかである。同じことが114ページに記載されているEOF−プロセスにも当てはまる。それは設備の複雑な配置、特に高炉中のスクラップの予熱に関する配置のため、限定的に使用できるのみである。

ドイツ特許明細書DE 195 215 18 C1はスクラップバルク(scrap bulk)へのエネルギー供給の改良法、つまり天然ガスまたは石炭で富化された熱い酸素含有ガス噴射流が、スクラップバルクを溶融してチャネルを形成し（melt channels）、これによりさらなるエネル
ギー供給を可能にすることが記載されている。この特許明細書は、その発明による方法がアーク炉へのさらなるエネルギー供給に適するだけでなく、炉床型炉(hearth-type furnace)で電気エネルギーを使わずに、化石エネルギーだけでスクラップバルクを完全に溶解
することにも使用される可能性があることも説明している。化石エネルギー源は適した形態でスクラップバルクへ挿入されなければならない。例としてはスクラップと一緒に、スクラップ1トン当たりおよそ100kgの石炭を仕込む。液状のたまりがあればすぐに、石炭の一部を羽口（tuyere）からも注入してもよい。溶融後、熱風噴射流（hot blast jet）は
、次に要求されるタッピング（tapping）温度まで浴（bath）を加熱するためにエネルギ
ーをさらに供給する後燃焼噴射流として作用する。

上記特許明細書には、熱風インジェクターが炉の側壁に均等に配設され、角度10°で炉内へ送風するという態様が記載されている。これはスクラップバルクの一様な溶解を保証するが、熱風噴射流がスクラップバルクの中を燃焼した後、耐火物にぶつかることも防ぐ。

この発明の実用化はある問題へと繋がった。熱風噴射流は炉の中央で上昇流をひき起こし、その結果として煙突がスクラップバルクへ溶け込むという事態になった。熱いオフガス(off-gas)がスクラップバルクを去ると、エネルギーがほとんどスクラップへ供給され
なかった。このことが溶解していないスクラップの外輪形成の原因となった。特許明細書に記載されているように、この作用は、熱風噴射流のオリフィスの正面に低温ゾーンが直に形成され、そこではスクラップの温度が低いことから酸化もしないという事実によって明らかに助長されている。

この問題は10トン試験炉ですでに起こっていた。この問題が工業的規模の炉で増加することは予想されることであった。さらなる問題は、スクラップが溶融した後も側壁のオリフィスを熱風で開けさせておかなければならず、その結果として水平に配置された熱風噴射流が反対側の壁に向けて、溶融スラグを吹きつけることであった。さらに熱風噴射孔を介した、プロセスガスの後燃焼からの金属浴へのエネルギー伝達は、熱風噴射流がその上に水平に吹きつけている溶融スラグ層がある場合には影響を受ける。

[発明の開示]
本件発明は、化石エネルギーを用いるスクラップ溶融についての特許明細書DE 195 215
18 C1の理論に記載されている不都合を回避する。

化石エネルギーが加えられた熱風をトップからスクラップバルク上に向けて吹きつけると、特許明細書 DE 195 215 18C1に記載された条件下におけるプロセスの不都合が除かれることは、驚くべき発見である。本発明によるとこの効果は、熱風が中央部のトップ位置からスクラップバルクへ向かって吹く時に特に好ましい。本発明によると、トップから吹く熱風は、驚くべきことにスクラップバルク内のガス流を生じさせ、これにより該ガスのエネルギーが著しく良好に利用され、しかも側壁にあるスクラップを迅速にかつ効果的な方法で溶融する。次のプロセスがおそらくスクラップバルク内で生じる。スクラップバルクを貫通した熱風噴射流は、スクラップバルク内部のガス循環により効果的に周囲のスクラップを加熱する。しかしながらスクラップのこの部分からのガスは、トップから吹く噴射流によって吸込まれる。このため熱いガスは、外輪を通してスクラップバルクから去る。結果としてこの領域に集中的なエネルギー供給が起こり、外側領域のスクラップを下側より加熱し、この部分での溶融を促進する。

予熱した酸化ガスは上端から、1またはそれ以上の噴射孔を通して供給してもよい。特に都合のよい予熱した酸化ガスの分配は、中央噴射孔から35〜65％の予熱した酸化ガスを供給し、その外側の3〜6個のノズルから残りの予熱した酸化ガスを供給することだと判明した。特に有効なのは、例えば、50％の予熱した酸化ガスを供給する1つの中央オリフィスと、残りの50％をその周りに均等に配設された4つのオリフィスから供給することである。この設計は、中央オリフィスにより著しく急速にスクラップバルクを溶融して通路を形成するという効果がある。

中央噴射孔とは対照的に、外側のオリフィスは角度10〜20°で設置されるべきである。それは、噴射流はより小さい角度ではお互いに影響を及ぼし、真っ直ぐな流れに狭小化されるという結果を招く。外側方向に向けて吹くようにオリフィスを配置するだけではなく、ある角度をなす形で炉内へ吹き込むようにする外周傾斜角を有することが本発明では意図されている。そのためこれは炉内である旋回流をひき起こす。

本発明によると、熱風は、オリフィスとスクラップとまたは溶融物の表面との距離がそれぞれ調整できる方式で供給されなければならない。これは上端から挿入された熱風供給用のランス（lance）によって実施できる。

前記天井内部の熱風供給用の一つまたは複数のオリフィスの調節可能なデザインは、最新技術として知られているものよりはるかに優る有利な点を有している。すなわちオリフィスが炉側壁の耐火性内張りの内側に設置されている場合、そうしたオリフィスはスクラップの予熱のためのみならず、溶融段階の間にプロセスガスの後燃焼のためにも最適の位置に調整することができることである。加えて、プロセスの最終段階で熱風の吹き出しが不都合になってくると該オリフィスは天井から取り除くことができる。

本発明によるスクラップ溶融のプロセスにおいて、燃料の添加と併せて熱風噴射流の手段により、最初の段階（以下、第１段階と称する）でスクラップバルクは予熱され、大部分は溶融する。２番目の段階（以下、第２段階と称する）で、鉄浴（iron bath）には、残りのスクラップを溶かすためと鉄鋼の温度をタッピング温度まで上げるために、同じ熱風噴射孔を通ったプロセスガスの後燃焼によってエネルギーが供給される。

第１段階と第２段階はもちろん明確に分かれてはいない。第１段階から第２段階への移行は数分間続く。30分間の全溶融時間では、第１段階がおよそ15分；移行時間がおよそ5分、そして第２段階が残り10分続く。第１段階において、化石エネルギー、例えば天然ガスが予熱した酸化ガスの噴射流に加えられる。
驚くことには、別々の供給路を通して予熱した酸化ガスの噴射流に接近させて天然ガスを吹き出すだけで充分である。熱風ランスはこのためバーナーとして備え付ける必要はない。予熱した酸化ガスの噴射流の強力な吸引力は明らかに天然ガスと予熱した酸化ガスとを混ぜるのに充分である。

上記のように、熱風オリフィスのちょうど正面におけるスクラップの低温ゾーンは、本発明に基づき熱風オリフィスとスクラップの表面との間の距離を0.2〜0.5mに保つことに
よって避けられる。もしスクラップから去るオフガスが炉から出る前にさらなる後燃焼をするならば、その距離は幾分大きくしてもよい。スクラップが予熱される時に起こるかも知れないオフガスの問題は、かくしてかなり減らすことができる。

しかしながらこれには、炎の温度が下がるという不利益を必然的に含んでいる。高い炎温度は、スクラップの酸化を減らすためと同様に、迅速な通路の溶融形成とスクラップの溶融のために重要である。したがって、スクラップを溶融する時にはスクラップ表面からの距離が約30cmという短い距離だけを用いて、天井に均等に配置された小さな熱風バーナーでオフガスを燃焼することがより望ましいかもしれない。

熱風噴射流により溶融したスクラップが固まらないように、その底部の中央にできるだけ迅速にエネルギーを投入することは、本発明によるプロセスにとって重要である。いくつかの基準がここでは役に立っている。スクラップバルク中の通路は、それを通してエネルギーがさらにスクラップバルクの底部に供給されることから、できるだけ早く溶融されなければならない。このため予熱した酸化ガスの可能な最高温度、高い酸素富化と可能な最大速度の予熱した酸化ガスの噴射流は有利な条件になる。予熱した酸化ガスの大部分、例えば約50％を中央噴射孔経由で投入することもまた有益である。天然ガスをそれぞれ添加し、酸素を40％へ富化した、20,000Nm³／hのガス噴射流は、2、3分の内にスクラップバルク内を底部近くまで溶解し、通路を形成できる。

まだ熱風炎の中に遊離酸素がいくらかある時には、より速やかに通路がスクラップバルクに燃焼して生じることが起きた。最適値は、3〜10％の遊離酸素含量でエネルギー源が完全に燃焼した後に到達し得る。

充填の間、底部の中央にコークスを蓄積することはさらに有利である。他の方法は、炉内に約20％のホットヒール（hot heel）を残すことである。もし、炉がホットヒールなしにコールドスタートだけならば、熱風噴射流とできるだけ早く反応できるように、コークスを予熱しておくべきである。底部の中央噴射孔のインパクトスポットに100トンの溶融
物当たり100〜200kgのアルミニウムまたはケイ素を仕込むこともまた、ホットヒールなしで、冷えた炉での最初の溶融のために有用である。

オフガスの構成が僅かに還元的になるように予熱した酸化ガスの噴射流に加えられる天然ガス量を調節することは、さらに有益である。オフガス中のCOまたはH₂含有量が1〜2％になることを目指ざすべきである。この量は、オフガス中のダイオキシン含有量を減らし、酸素の一部は鉄の酸化により消費されるために、熱風噴射流中の所望する遊離酸素含量には影響しない。

熱風噴射流により供給される酸素の量が、プロセスガスの後燃焼に必要とされる量よりも多いことは第２段階でも同様に重要である。最大の後燃焼規模を獲得するためには、熱風噴射孔経由で、後燃焼段階について理論上必要とされる以上の酸素を供給するとともに、底部の羽口経由ではより少ない酸素を供給することが不可欠である。例えば、酸素の底部吹き込み率が3,000Nm³／hで、熱風20,000Nm³／hを酸素の富化なしで供給すべきである。

二つの吹き込み段階の間において、異なる速度の熱風噴射流とともに異なるランスの高さで動作させることがプロセスの最適化のために重要であると証明された。スクラップ溶融の段階では、音速に近い最大可能速度で稼動させることは有用である（1200℃で約750m／s）。しかしながら第２段階の間は、一般に鉄浴を用いて音速の40〜60％の熱風速度が選ばれる（1200℃で約400m／s）。この段階の間、ランスをより高い位置にすることもまた望ましい。望ましくは、第２段階の間は、熱風噴射流の鉄浴に対する距離は、少なくとも3mに調整されている。

炉内へのランスの挿入はまた、熱風噴射流に起因するやかましい騒音の大部分を弱める。可能であれば熱風ランスを炉中に50cmより深く挿入することはとりわけ有利であると証明された。アーク炉の一般的なやり方であるが、オフガスは天井の別のダクト経由で放出することができる。上記ランスは、アーク炉へ電極を挿入するために使われるのと類似の装置で移動させるべきである。本発明によればこの挿入は、熱風供給への接続のため、柔軟なプロセス管理のため、ならびに精製プロセス終局に近づいてランスを取り除くためにもまた有用である。

本発明により炉床型炉は、酸素注入のために、場合によっては石炭と石灰もまた注入するために、底部吹き出し羽口を装備させる。底吹き転炉（bottom blowing converter）から知られている設計と配置が使用される。しかしながら転炉プロセスが24〜28mmの大きな内径を有する少数の羽口だけを使用する場合、ホットヒールが残る炉床型炉における適用にとって小さな径の羽口を使用することは、たとえ多数の設置が必要であるとしても、有用である。羽口の内径は最大15mmに制限するべきである。これにより、タッピング後の残留スチールとスラグのはねかけ（splashing）を避けることができる。加えて小さな径の
羽口は、羽口の冷却が不調の場合、液状スチールの突出に対する良好な保護を提供する。

本発明に基づいて底部のくぼみの中に羽口を設置することにより、タッピング後により高い遮蔽（coverage）を達成することが意図されている。羽口が終始液状スチールで覆われたままであり、スラグと接触することにならないという利点をこの配置は有する。もし羽口がスラグ内で吹くなら、羽口の機能に影響を及ぼす沈殿物が容易に形成されうる。

底部の羽口を酸素注入のために使うことは必要ない。酸素は、標準的な方法であるように炉の側壁に配置された、いわゆる“コヒーレントジェット（coherent jets）”経由で
注入してもよい。

もし、鉄鋼が極めて低い窒素含有量を必要とするなら、溶融プロセスの終局前に熱風吹き込みを停止することは有益である。このことは、浴(bath)中の炭素含有量が約0.5％で
あるときに望ましい。この時点でランスは天井から引き出された状態であり、溶融物は純粋な酸素で精製される。

本発明により過剰酸素と熱風噴射流を用いてスクラップを溶かす時、鉄の一部がスラグとなる。これは、スクラップの速やかな溶融を可能にする。生成したFeOの一部はスラグ
中に残る；しかしながら、大部分は再び還元されなければならない。そのため炭素を該プロセスに加えなければならない。石炭は、アーク炉の一般的なやり方のように、炉の底部羽口を経由して、または側壁のオリフィスを経由して挿入することができる。本発明によ
るプロセスでは、挿入の二方法は特に都合がよい。大部分は、20〜30kg／トン・スチールの量で、スクラップと一緒にコークスの形で、好ましくはブリーズ（粉コークス）で充填される。他の有利な方法は熱風とともに石炭を注入することからなる。石炭が大規模に燃焼してしまわないように、粒の粗い石炭、好ましくは少なくとも数mmサイズの大きい粒の石炭を使うべきである。

すでに触れたようにスクラップが溶融する間、ランスとスクラップ表面との距離をおおよそ同じにしておくように熱風ランスが調整されているならば、それは有利なことである。それゆえランスはスクラップの溶融の間、下げられていなければならない。二つの熱風オリフィス間の距離に相当する角度にランスをゆっくりと回転することは、さらに有利である。四つのオリフィスでは、これは約90°になるであろう。ランスがゆっくりと下げられた時、熱風噴射流はスクラップバルク内を環状に焼く。二つの実施例が本発明のプロセスを詳細に説明する。

約110トンのスクラップが100トン炉の中に仕込まれている。昇降動作のための装置を有する熱風ランスを介して、40％に富化した酸素を伴う1200℃、0.9バールの予熱した酸化ガス、40,000Nm³／h が供給された。ランスは５つのオリフィスから成る；一つの中央オリフィスと、垂直方向噴射流に対して角度15°の傾きを有する４個の外側オリフィスである。中央オリフィスの直径は20cmで、外側のオリフィスの直径は10cmである。天然ガス注入用の管は、すべてのオリフィスに装着されている。この天然ガスの吹き込み速度は全部で5,000Nm³／hである。同時に酸素2,000Nm³／hが、6個の底部羽口（直径12mm）経由で導入される。

本実施例では、底部羽口は全く使われていない。酸素は、いわゆる"コヒーレントジェット"で、炉側壁にある固定式の注入システムを経由して供給される。この実施例では、炉の側壁中に均等に配設された４個の注入装置に基づいている。酸素に加えて、石炭または天然ガスを、現在一般的であるこれらの注入装置で同時に注入することができる。この例では、インジェクター当たり酸素1,000Nm³／hが供給される；最初の10分の間は天然ガス500Nm³／hと一緒である。10分後、天然ガスの注入を停止し、該プロセスは、インジェクター当たり1,000Nm³／hの酸素速度で続けられる。予熱した酸化ガスは、酸素を40％に富化して、合計の吹き込み速度40,000Nm³／hで注入される。予熱した酸化ガスは、それぞれ直径140mmの四つのオリフィス経由で供給される。オリフィスは、コヒーレント酸素噴射流が浴に衝突するところで、おおよそ噴射流が炉内へ吹き込むように、この場合垂直方向に対して15°をなすようにして設置される。耐火物との反応を避けるために、そのポイントを少し内側に移動することは好都合である。20分後に予熱した酸化ガスの吹き込み速度は20,000Nm³／hに低下される。最初の実施例と同様にこの段階の間、酸素の富化はない。30分後、熱風ランスは取り除かれ、充填物は炉の側壁のインジェクターを介して3分間で精製される。

本プロセスは本件特許明細書の中で、炉床型炉にとって有利な適用例として記載された。しかしながら、同様に、転炉にも適用することができる。

図１は、本発明により天井内に設置された熱風ランス（２）を備える炉床型炉（１）の概念図である。熱風ランスは、アーク炉の電極ホルダーと類似の装置（３）により移動される。熱風ランスは、スクラップバルクの上方、約30cmに位置するようになるまで垂直に挿入される。熱風噴射流のためのオリフィスは、一つの中央オリフィスと、傾斜角15°を持つ４個の独立オリフィスとから構成される。天然ガスは熱風噴射流へ別個のパイプ（４）により供給される。６個の酸素底部羽口（５）は底に設置されている。中央の熱風噴射流との接触地点の下方に位置するという方式でオリフィスを配置することは有利である。オフガスは炉外へ、ダクト（６）経由で放出される。図1では、別の方法として、"コヒーレントジェット"によって酸素を供給するために、オリフィスがまた側壁（７）に設置されてもよい。天然ガスまたは石炭は四つのインジェクター経由で酸素と一緒にいっせいに供給されてもよい。この横方向のオリフィスシステムは第１段階の間に、スクラップの予熱用のバーナーとして作動する。 図２は、熱風ランスの有利なデザインを例示している。問題のランスは、100トン炉床型炉の中で110トンのスクラップを溶融するためのランスである。第１段階の間、1200℃、圧力0.95バールで、プロセスに40,000Nm³／hの予熱した酸化ガスが、内径90cmの水冷式熱風ランス（8）を介して送り込まれる。予熱した酸化ガスは、直径20cmの中央オリフィス（9）と、垂直方向の噴射流に対して15°の傾斜角を持つ４個の側面オリフィス（10）に配給される。天然ガスは、別のパイプ（11）を経由してオリフィスに投入される。装置は準臨界流速で作動しているため、オリフィスの特別な設計は必要としない。オリフィスは単純な環状開口部で構成される。音速に近い稼動では、予熱した酸化ガスはこの断面図に基づいて、それぞれのオリフィスに分けられる。第２段階の間、圧力が約0.4バールに減少すると、予熱した酸化ガスの大部分は中央オリフィス（９）経由で供給される。しかしながらこれは、この段階の間にプロセスガスの後燃焼を促進することから望ましいことである。

Claims (11)

1. 炉内において、化石燃料を伴う予熱した酸化ガスの熱風によりスクラップバルクを溶融して通路を形成し、さらなるエネルギーがこの通路を介して供給され、前記熱風が炉の頂部から、炉の天井に設けられた熱風ランス内部の一つまたは複数のオリフィスによってスクラップバルクへ、前記熱風が上下方向に調整できる熱風ランスを経由して供給されることを特徴とする、スクラップバルクを加熱、溶融する際のエネルギー供給を改善する方法。
2. 熱風は前記炉の頂部の中央に設けられた熱風ランスから供給される、請求項1に記載の方法。
3. 予熱した酸化ガスが、複数のオリフィスによっていくつかの独立した噴射流に分けられる、請求項1または2に記載の方法。
4. 予熱した酸化ガスの全体量の35〜65％が中央オリフィスへ、中央オリフィスの外側にある幾つかのオリフィスに残りが分配される、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
5. 熱風ランスが垂直軸を中心に回転する、請求項4に記載の方法。
6. 炉内にホットヒールが残る、請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
7. 炉内のホットヒールが溶融物の10〜30％を構成する、請求項6に記載の方法。
8. 酸素が底部吹き込み羽口を経由して炉内へ注入される、請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
9. 前記底部吹き込み羽口が炉の底のくぼみに設置されている、請求項8に記載の方法。
10. 前記方法が、２段階に分けて行われ、
    第１段階では、予熱した酸化ガスの噴射流は酸素を30〜50％に富化され、第２段階では酸素の富化が全くない、請求項1〜9のいずれかに記載の方法。
11. 第１段階では、熱風噴射孔とスクラップ表面との距離が0.2〜0.5mであり、第２段階では鉄浴に対する距離が少なくとも3mに調整されている、請求項10に記載の方法。

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