JP5181877B2 - 竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、竪型スクラップ溶解炉を用い、コークスの燃焼熱により鉄系スクラップを溶解して溶銑を製造する方法に関する。

従来、竪型溶解炉（シャフト炉型スクラップ溶解炉）を用いて鉄系スクラップを溶解するプロセスが知られており（例えば、特許文献１）、このプロセスでは、竪型溶解炉の炉頂部から鉄系スクラップとコークスを装入し、炉下部に設けられた複数の羽口（送風羽口）から熱風を吹き込み、コークスの燃焼熱で鉄系スクラップを溶解することにより溶銑が得られる。
特開昭５６−１５６７０９号公報

上記のようなプロセスにおいて、目標とする品質および生産量の溶銑を製造する場合、原料や燃料の品質、製造しようとする溶銑の品質や生産量は常に一定という訳ではないので、これらに応じて、操業中に原燃料条件や送風条件などの操業条件を変える必要がある。
しかし、単純に操業条件を変更した場合、変更後しばらくは操業状態が不安定で変動しやすく、このため溶銑品質（溶銑成分、溶銑温度）が規格外になったり、原料の棚吊りや吹き抜けなどが生じて操業自体が困難な状況になることもある。

したがって本発明の目的は、以上のような課題を解決し、堅型スクラップ溶解炉を用いて鉄系スクラップを溶解し、溶銑を製造する方法において、操業条件（原燃料条件、送風条件）を変更した際の操業変動を最小限に抑え、安定した操業を行いつつ、所望の品質の溶銑を製造することができる溶銑製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、竪型スクラップ溶解炉において、炉頂部から鉄系スクラップとコークスを装入し、炉下部に設けられた複数の羽口から熱風を吹き込み、コークスの燃焼熱でスクラップ中Ｃ濃度が０〜１mass％の鉄系スクラップを溶解することにより溶銑中Ｃ濃度が３．０〜４．５mass％の溶銑を製造する方法であって、操業中に原燃料条件と送風条件を変更する際に、該原燃料条件と送風条件の変更を、原燃料条件変更時刻ｔｃと送風条件変更時刻ｔｂが下記（1）式を満足するように実施することを特徴とする竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法である。
０．５×ａ＜（ｔｂ−ｔｃ）＜１．３×ａ …（1）
但し、ｔｂ：送風条件変更時刻（ｈｒ）
ｔｃ：原燃料条件変更時刻（ｈｒ）
ａ＝０．３９×Ｖ×ρｓ^０．８／Ｂ_０２
Ｖ：羽口レベルから上の炉内原燃料充填層の体積（ｍ^３）
ρｓ：原燃料条件変更時に炉内に存在しているスクラップの炉装入前の平均嵩密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｂ_０２：原燃料条件変更時から送風条件変更時までの平均送風酸素量（Ｎｍ^３／ｈｒ）

本発明によれば、操業条件（原燃料条件、送風条件）を変更する際に、原燃料条件変更から送風条件変更までの時間を特定の範囲に制御することにより、操業変動を最小限に抑えることができ、このため安定した操業を行いつつ、所望の品質の溶銑を製造することができる。

図１は、本発明で用いる竪型スクラップ溶解炉（以下、単に「溶解炉」という）とその基本的な操業形態を模式的に示している。図において、１は炉体、２は炉頂に設けられる原料装入部、３は炉下部の周方向において適当な間隔で設けられる複数の羽口（送風羽口）、４はこの羽口３に熱風を供給する熱風管、５は炉体上部に接続される排気ダクト、６はこの排気ダクト５の途中に設けられる集塵装置である。
この溶解炉の大きさ等に本質的な制限はないが、実質的に操業可能若しくは操業上有利なサイズとして、通常は、羽口位置での炉内径が２〜４ｍ程度、炉高が６〜１０ｍ程度である。羽口数に制限はないが、通常、４〜１２本程度である。

このような溶解炉では、炉頂の原料装入部２から鉄系スクラップとコークスを装入するとともに、複数の羽口３から熱風を吹き込み、コークスの燃焼ガスの熱で鉄系スクラップを溶解し、溶銑とする。生成した溶銑は炉底部の出銑口から炉外に取り出される。また、炉内では上昇する熱風に伴いダストが生成し、このダストは排気ダクト５を経由して集塵装置６で捕集される。
原料である鉄系スクラップとコークスは、炉内に同時に装入してもよいし、交互に装入してもよい。また、主たる炉装入原料は鉄系スクラップとコークスであるが、それ以外に、例えば、銑鉄、還元鉄、ダスト・スラッジ類の塊成化物、鉄鉱石等の鉄源、木炭や無煙炭等の炭材などを装入してもよい。

以上のような溶解炉による溶銑製造プロセスにおいて、操業計画に従い、目標とする品質および生産量の溶銑を製造していくためには、操業中に操業条件を随時変更する必要があり、多くの場合、原燃料条件と送風条件の両方を変更することが求められる。
ここで、操業条件（原燃料条件、送風条件）の変更とこれに伴う炉内状態の変化との関係を考えると、まず、溶解炉内での炉内ガスの滞留時間は１秒程度であり、したがって、送風条件を変えると直ちに炉内に作用し、炉内状態が変化し始める。
一方、燃料であるコークスは、炉頂から装入された後も炉内を降下し、炉内でソリューションロス反応、燃焼、浸炭などで徐々に消費され、おおよそ羽口レベルで消失する。コークスの炉内での滞留時間は、その時々の条件によって変化するが、炉内ガスの滞留時間に比べるとはるかに長く、代表的な例でいうと３０分程度、条件によっては１時間ということもある。

また、原料であるスクラップも、炉頂から装入された後、炉内をコークスとともに降下し、羽口よりある程度高い炉内位置において溶解し、溶解後は比較的短時間で炉床に達し、炉外に排出される。したがって、炉内での滞留時間はコークスよりは若干短いが、炉内ガスの滞留時間に比べるとはるかに長い。
以上のように、原燃料条件を変更してからその変更の影響が出るまでには、相当の時間がかかる。
したがって、送風条件と原料条件を同時に変更しても、それぞれの炉内現象への働きかけ方、そのタイミング、影響が持続する時間などが違うことから、操業結果である溶銑品質（温度、成分）が安定するまで長い時間が必要になる。そして、その間に得られる溶銑は温度や成分が変動しやすく、規格外となる場合がある。

そこで、本発明では、操業中に原燃料条件と送風条件を変更する際に、該操業条件の変更を、原燃料条件変更時刻ｔｃと送風条件変更時刻ｔｂが下記（1）式を満足するように実施するものである。
０．５×ａ＜（ｔｂ−ｔｃ）＜１．３×ａ …（1）
但し、ｔｂ：送風条件変更時刻（ｈｒ）
ｔｃ：原燃料条件変更時刻（ｈｒ）
ａ＝α・Ｖ×ρｓ^０．８／Ｂ_０２ …（2）
Ｖ：羽口レベルから上の炉内原燃料充填層の体積（ｍ^３）
ρｓ：原燃料条件変更時に炉内に存在しているスクラップの炉装入前の平均嵩密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｂ_０２：原燃料条件変更時から送風条件変更時までの平均送風酸素量（Ｎｍ^３／ｈｒ）

ここで、原燃料条件変更時刻ｔｃとは、原燃料（スクラップ、コークスなど）を変更された条件で炉に装入し始めた時刻であり、送風条件変更時刻ｔｂとは、変更された条件で炉に送風を行い始めた時刻である。
上記（1）式が示すとおり、本発明では原燃料条件を送風条件よりも早く変更することを骨子とするものであるが、上記（1）式の意義は、原燃料条件変更から送風条件変更までの時間を特定の範囲に制御し、送風条件変更と原燃料条件変更が炉内現象に働きかけるタイミングをほぼ揃えることにより、操業結果である溶銑品質（温度、成分）を早期に安定化させることにある。
上記（1）式の係数×ａは原燃料条件を変更してから実質的に炉内現象に影響するまでの時間である。ａは、羽口レベルから上の炉内原燃料充填層の体積Ｖと、原燃料条件変更時に炉内に存在しているスクラップの炉装入前の平均嵩密度ρｓと、原燃料条件変更時から送風条件変更時までの平均送風酸素量Ｂ_０２とから、上記（2）式で求められる。ここで、Ｖ、ρｓ、Ｂ_０２は、以下に述べるように原燃料条件を変更してから実質的に炉内現象に影響するまでの時間を左右する因子である。

・炉内原燃料充填層の体積Ｖ： Ｖが大きければそれだけ溶解炉中に多くの原料が存在していることになるから、その分、原燃料条件を変更してから実質的に炉内現象に影響するまでの時間が長くなる。したがって、Ｖが大きいほど、原燃料条件変更から送風条件変更までの時間を長くすることが求められる。
・平均送風酸素量Ｂ_０２： 送風（空気または酸素富化した空気）中の酸素はコークスを燃やす。コークスは燃えれば固体としての体積が減少し、同時に装入しているスクラップも炉内を降下させることになる。すなわち、Ｂ_０２を増加させると装入原料の炉内での滞留時間が減少し、原燃料条件を変更してから実質的に炉内現象に影響するまでの時間が短くなる。したがって、Ｂ_０２が大きいほど、原燃料条件変更から送風条件変更までの時間を短くすることが求められる。

・炉装入前のスクラップ平均嵩密度ρｓ： 原料のスクラップには様々な種類があり、嵩密度は６００ｋｇ／ｍ^３程度のものもあれば、１０００ｋｇ／ｍ^３を超えるものもある。嵩密度が大きければ、炉内容積が同じであっても単位質量で言えば炉内存在量は多い。ρｓが大きければ、それだけ溶解炉中に多くの原料が存在していることになるから、その分、原燃料条件を変更してから実質的に炉内現象に影響するまでの時間が長くなる。したがって、ρｓが大きいほど、原燃料条件変更から送風条件変更までの時間を長くすることが求められる。
スクラップの嵩密度は、適当な容器（例えば、数百Ｌ以上の容量の容器）にスクラップを入れるなどして、事前に測定しておくことができる。例えば、シュレッダーをかけたスクラップ（最大長０．５ｍ）の嵩密度は、以下のように測定できる。まず、直径２ｍ、高さ２．５ｍの容器の質量を測定する。次に、リフマグにてスクラップを装入、目視にて装入高さを測定し、これによりスクラップの容積を算出する。また、スクラップの入った容器の質量を測定し、先に測定した容器重量を差し引くことにより、スクラップの質量を測定する。その結果、スクラップの質量とスクラップの体積から嵩密度を算出できる。なお、スクラップを装入する際のリフマグの位置は、一例として容器上面から約２ｍの位置である。なお、Ｈ２の嵩密度は０．６ｔ／ｍ^３程度であり、これをシュレッダーにかけると０．８ｔ／ｍ^３程度になる。

また、上記（2）式中の係数αは、スクラップ中Ｃ濃度、溶銑中Ｃ濃度によって決まるが、スクラップ中Ｃ濃度：０〜１mass％、溶銑中Ｃ濃度：３．０〜４．５mass％では、例えばα＝０．３９が好ましい。この係数は試験により求めた数値である。
また、上記（1）式の左辺、右辺の係数０．５および１．３は試験により求めたものであり、この範囲であれば、溶銑品質の変動が大きな問題にならない程度に収まる。
以上のような本発明条件に従い操業を行うことにより、操業中に原燃料条件と送風条件を変更した際の操業変動を最小限に抑えることができ、このため目標とする溶銑品質（溶銑温度、溶銑成分）を維持することができ、操業トラブル（棚吊り、吹き抜けなど）の発生も防止することができる。

本発明において、変更する対象となる原燃料条件としては、例えば、コークス比、コークス粒径、スクラップサイズ、スクラップ形状などがあり、これらの１つ以上を変更することができる。また、変更する対象となる送風条件としては、送風温度、送風量、酸素富化率、送風湿分などがあり、これらの１つ以上を変更することができる。
なお、原燃料条件と送風条件の変更幅は、例えば、過去の操業結果などに基づいて原燃料条件と送風条件との関係（例えば、「コークス比を６kg／溶銑ton低減させる場合、送風温度を１００℃上昇させれば、溶銑品質はほぼ一定に保たれる」）を予め求めておき、この関係に従って決めればよい。

図１に示す構造を有する炉床径３．４ｍ、羽口数１０本、羽口レベルからの有効高さ１１．３ｍの堅型溶解炉を用いて、以下のような操業試験を行った。この試験では、シュレダー屑、プレス屑等の市中スクラップを９割、製鉄所内で発生するスクラップ屑を１割の割合で鉄源とし、熱源であるコークスは鋳物コークスと篩目４０ｍｍで篩った篩上の高炉コークスを用い、鋳物コークスの質量比率は６０質量％で一定とした。

この操業試験では、表１に示す「変更前の操業条件」で操業中、生産計画に合わせ、原燃料条件としてコークス比を、送風条件として送風温度を、それぞれ変更することとした。表１にその「変更操業条件」を併せて示す。
この操業試験では、原燃料条件（コークス比）変更後に送風条件（送風温度）変更を行うか若しくは両条件の変更を同時に行った。原燃料条件（コークス比）変更時刻ｔｃから送風条件（送風温度）変更時刻ｔｂまで時間（ｔｂ−ｔｃ）を、（1）式のａ、０．５×ａ、１．３×ａの値とともに表２に示す。また、操業条件変更前の出銑温度および溶銑Ｃ濃度、操業条件変更後２時間以内の出銑温度および溶銑Ｃ濃度を表２に併せて示す。なお、上記（2）式は係数α＝０．３９としてａを求めた。

表２によれば、本発明例では、操業条件変更前後で出銑温度および溶銑Ｃ濃度はほぼ一定に推移している。これに対して、原燃料条件（コークス比）と送風条件（送風温度）を同時に変更したＮｏ．９の比較例、ｔｂ−ｔｃが（1）式の範囲を超えたＮｏ．１０の比較例では、操業条件変更前の出銑温度および溶銑Ｃ濃度に対して、操業条件変更後の出銑温度や溶銑Ｃ濃度の変動が見られる。

図２は、表１および表２に示すＮｏ．１の試験例（本発明例）における操業条件（コークス比および送風温度）の推移と、この操業条件変更前後での出銑温度および溶銑Ｃ濃度の推移を示したものである。この試験例では、コークス比１４０kg／溶銑ton、送風温度５００℃で操業していたものを、コークス比１３４kg／溶銑ton、送風温度６００℃に変更するものであり、コークス比変更後、（1）式を満足する期間ｗ内で送風温度を変更したものである。さきに述べたように、操業条件変更前後で出銑温度および溶銑Ｃ濃度はほぼ一定に推移している。

図３は、表１および表２に示すＮｏ．９の試験例（比較例）における操業条件（コークス比および送風温度）の推移と、この操業条件変更前後での出銑温度および溶銑Ｃ濃度の推移を示したものである。この試験例でも、コークス比１４０kg／溶銑ton、送風温度５００℃で操業していたものを、コークス比１３４kg／溶銑ton、送風温度６００℃に変更するものである。この試験例では、コークス比を変更した後、（1）式を満足する期間ｗ内で送風温度を変更する必要があったが、コークス比と送風温度を同時に変更したものである。操業条件変更前の出銑温度および溶銑Ｃ濃度に対して、操業条件変更直後から出銑温度、溶銑Ｃ濃度の上昇が認められ、出銑温度は最高約１６００℃に達し、溶銑Ｃ濃度は４．２mass％を超える値となった。操業条件変更前とほぼ同一レベルに戻るために約１時間を要した。

図４は、表１および表２に示すＮｏ．１０の試験例（比較例）における操業条件（コークス比および送風温度）の推移と、この操業条件変更前後での出銑温度および溶銑Ｃ濃度の推移を示したものである。この試験例でも、コークス比１４０kg／溶銑ton、送風温度５００℃で操業していたものを、コークス比１３４kg／溶銑ton、送風温度６００℃に変更するものである。この試験例では、コークス比を変更した後、（1）式を満足する期間ｗ内で送風温度を変更する必要があったが、この期間ｗを経過した後に送風温度を変更したものである。操業条件変更前の出銑温度および溶銑Ｃ濃度に対して、期間ｗ経過直後から出銑温度、溶銑Ｃ濃度の低下が認められ、出銑温度は最低約１４４０℃まで低下し、溶銑Ｃ濃度も約３．２mass％まで低下した。操業条件変更前とほぼ同一レベルに戻るのに、コークス比を変更してから約２時間を要した。

本発明で使用する竪型スクラップ溶解炉とその基本的な操業形態を模式的に示す説明図 表１および表２に示すＮｏ．１の試験例（発明例）における操業条件の推移と、この操業条件変更前後での出銑温度および溶銑Ｃ濃度の推移を示すグラフ 表１および表２に示すＮｏ．９の試験例（比較例）における操業条件の推移と、この操業条件変更前後での出銑温度および溶銑Ｃ濃度の推移を示すグラフ 表１および表２に示すＮｏ．１０の試験例（比較例）における操業条件の推移と、この操業条件変更前後での出銑温度および溶銑Ｃ濃度の推移を示すグラフ

符号の説明

１ 炉体
２ 原料装入部
３ 羽口
４ 熱風管
５ 排気ダクト
６ 集塵装置

Claims (1)

1. 竪型スクラップ溶解炉において、炉頂部から鉄系スクラップとコークスを装入し、炉下部に設けられた複数の羽口から熱風を吹き込み、コークスの燃焼熱でスクラップ中Ｃ濃度が０〜１mass％の鉄系スクラップを溶解することにより溶銑中Ｃ濃度が３．０〜４．５mass％の溶銑を製造する方法であって、
   操業中に原燃料条件と送風条件を変更する際に、該原燃料条件と送風条件の変更を、原燃料条件変更時刻ｔｃと送風条件変更時刻ｔｂが下記（1）式を満足するように実施することを特徴とする竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法。
   ０．５×ａ＜（ｔｂ−ｔｃ）＜１．３×ａ …（1）
   但し、ｔｂ：送風条件変更時刻（ｈｒ）
   ｔｃ：原燃料条件変更時刻（ｈｒ）
   ａ＝０．３９×Ｖ×ρｓ^０．８／Ｂ_０２
   Ｖ：羽口レベルから上の炉内原燃料充填層の体積（ｍ^３）
   ρｓ：原燃料条件変更時に炉内に存在しているスクラップの炉装入前の平均嵩密度（ｋｇ／ｍ^３）
   Ｂ_０２：原燃料条件変更時から送風条件変更時までの平均送風酸素量（Ｎｍ^３／ｈｒ）

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