JP5481894B2 - 溶融還元方法 - Google Patents
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Description
本発明は、粉体加熱バーナーのバーナー火炎で金属の酸化物や酸化物系鉱石等の粉体または粒体を加熱して溶解し、さらに還元性ガス（たとえば酸素ガス等）を用いて還元を行ない、金属溶湯を得る溶融還元方法に関するものである。
高価な合金鉄の代わりに、金属の酸化物や酸化物系鉱石の粉体または粒体（以下、原料粉粒体という）を炭材（たとえばコークス等）とともに転炉型精錬炉に装入して、炉内で加熱して溶解し、さらに還元して有価金属を含有する金属溶湯を溶製する技術は、溶融還元法と呼ばれている。溶融還元法では、安価な原料（すなわち粒径の小さい粉体または粒体）に含まれる有価金属を溶湯として回収するために、大規模な還元反応を生起させる大量の熱エネルギーを必要とする。
そこで、溶融還元の原料となる原料粉粒体を加熱する粉体加熱バーナーが種々検討されている。
たとえば特許文献１には、粉体加熱バーナーのノズル形状や原料粉粒体の供給速度を規定することによって、粉体加熱バーナーのバーナー火炎から発生する熱量を原料に効率良く伝熱する技術が開示されている。しかしながら、この技術では粉体加熱バーナーに供給される燃料が必ずしも完全燃焼しないので、燃料の燃焼によって生じる熱量を有効に活用する観点から改善の余地が残されていた。
たとえば特許文献１には、粉体加熱バーナーのノズル形状や原料粉粒体の供給速度を規定することによって、粉体加熱バーナーのバーナー火炎から発生する熱量を原料に効率良く伝熱する技術が開示されている。しかしながら、この技術では粉体加熱バーナーに供給される燃料が必ずしも完全燃焼しないので、燃料の燃焼によって生じる熱量を有効に活用する観点から改善の余地が残されていた。
粉体加熱バーナーに供給される燃料を完全燃焼させるためには、燃料のみならず酸素の供給量についても適正範囲に維持する必要がある。特に転炉型精錬炉を用いた原料粉粒体の溶融還元のように、還元のための酸素ガスを上方から炉内の溶鉄に吹き付ける上吹きランスと、加熱のための燃料を酸素で燃焼させる粉体加熱バーナーとを用いる場合には、上吹きランスから吹き付ける酸素ガスが溶鉄中の炭素と反応して生成したＣＯガスが炉内に多量に存在するので、粉体加熱バーナーに供給した酸素が、燃料と反応せず、炉内のＣＯガスと反応する。その結果、燃料の燃焼効率が低下し、熱量を十分に発生できないので、原料粉粒体を投入することによって溶鉄の温度が低下する。したがって、原料粉粒体を溶解し、さらに溶鉄の温度を再び昇温して、上吹きランスから吹き付けられる酸素ガスによる還元反応を生起させるまで長時間を要する。
本発明は、粉体加熱バーナーに供給した燃料を効率良く燃焼させ、そのバーナー火炎内で原料粉粒体を効率良く加熱し、さらに溶解した原料粉粒体を還元して金属溶湯を得る溶融還元方法を提供することを目的とする。
本発明は、転炉型精錬炉内に保持した溶鉄に酸素ガスを上方から吹き付ける上吹きランスと、原料粉粒体をバーナー火炎で加熱して前記転炉型精錬炉内に投入するための粉体加熱バーナーとを用いて、前記原料粉粒体を加熱し、さらに溶解した前記原料粉粒体を還元して金属溶湯を得る、転炉型精錬炉を用いた溶融還元方法において、粉体加熱バーナーの酸素ガス供給速度Ｇ（Ｎｍ3／分）と燃料供給速度Ｆ（Ｎｍ3／分）で算出される酸素燃料比Ｇ／Ｆが下記の(1)式を満足する溶融還元方法である。
1.2≦（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st≦5.0 ・・・(1)
Ｇ ：粉体加熱バーナーの酸素ガス供給速度（Ｎｍ3／分）
Ｆ ：粉体加熱バーナーの燃料供給速度（Ｎｍ3／分）
（Ｇ／Ｆ）st：燃料が完全燃焼する酸素燃料比の化学量論値
本発明の溶融還元方法においては、粉体加熱バーナーに供給する燃料が気体燃料であることが好ましい。
1.2≦（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st≦5.0 ・・・(1)
Ｇ ：粉体加熱バーナーの酸素ガス供給速度（Ｎｍ3／分）
Ｆ ：粉体加熱バーナーの燃料供給速度（Ｎｍ3／分）
（Ｇ／Ｆ）st：燃料が完全燃焼する酸素燃料比の化学量論値
本発明の溶融還元方法においては、粉体加熱バーナーに供給する燃料が気体燃料であることが好ましい。
本発明によれば、粉体加熱バーナーに供給した燃料を効率良く燃焼させ、溶融還元の原料となる金属の酸化物や酸化物系鉱石の粉体または粒体（すなわち原料粉粒体）をそのバーナー火炎内で効率良く加熱し、さらに金属溶湯の還元を行なうことができる。
図１は、本発明の溶融還元方法で使用する粉体加熱バーナーの例を模式的に示す図であり、(a)は断面図、(b)はＡ−Ａ’方向から見た平面図である。粉体加熱バーナー１には、金属の酸化物や酸化物系鉱石の粉体または粒体（すなわち原料粉粒体）を噴出する粉体ノズル２が中心部に設けられ、その外周部に燃料を噴出する燃料ノズル３および酸素ガスを噴出する酸素ガスノズル４が同心円状に配置される。粉体ノズル２は円形であり、燃料ノズル３および酸素ガスノズル４は円環状の形状をなす。また、粉体加熱バーナー１の溶損を防止するために冷却水が循環供給される冷却水循環路５が設けられる。
このような粉体加熱バーナー１に供給される酸素ガスを助燃剤として燃料が燃焼し、粉体加熱バーナー１の先端に火炎（以下、バーナー火炎という）が発生する。
一方、溶融還元の原料となる原料粉粒体は、粉体ノズル２から噴出してバーナー火炎中を通過する際に加熱される。
バーナー火炎を形成するにあたって、粉体加熱バーナー１に供給される酸素ガスの供給速度Ｇ（Ｎｍ3／分）と燃料の供給速度Ｆ（Ｎｍ3／分）を調整して、燃料を完全燃焼させる。つまり、酸素ガス供給速度Ｇと燃料供給速度Ｆで算出されるＧ／Ｆ値（いわゆる酸素燃料比）を下記の(1)式を満足する範囲内に維持しながら燃料を燃焼させる。
一方、溶融還元の原料となる原料粉粒体は、粉体ノズル２から噴出してバーナー火炎中を通過する際に加熱される。
バーナー火炎を形成するにあたって、粉体加熱バーナー１に供給される酸素ガスの供給速度Ｇ（Ｎｍ3／分）と燃料の供給速度Ｆ（Ｎｍ3／分）を調整して、燃料を完全燃焼させる。つまり、酸素ガス供給速度Ｇと燃料供給速度Ｆで算出されるＧ／Ｆ値（いわゆる酸素燃料比）を下記の(1)式を満足する範囲内に維持しながら燃料を燃焼させる。
1.2≦（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st≦5.0 ・・・(1)
Ｇ ：粉体加熱バーナーの酸素ガス供給速度（Ｎｍ3／分）
Ｆ ：粉体加熱バーナーの燃料供給速度（Ｎｍ3／分）
（Ｇ／Ｆ）st：燃料が完全燃焼する酸素燃料比の化学量論値
この（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値が1.0未満では、燃料が完全燃焼せず、原料粉粒体が十分に加熱されない。一方、（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値が5.0を超えると、やはり燃料が完全燃焼せず、原料粉粒体が十分に加熱されない。
Ｇ ：粉体加熱バーナーの酸素ガス供給速度（Ｎｍ3／分）
Ｆ ：粉体加熱バーナーの燃料供給速度（Ｎｍ3／分）
（Ｇ／Ｆ）st：燃料が完全燃焼する酸素燃料比の化学量論値
この（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値が1.0未満では、燃料が完全燃焼せず、原料粉粒体が十分に加熱されない。一方、（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値が5.0を超えると、やはり燃料が完全燃焼せず、原料粉粒体が十分に加熱されない。
本発明で使用する燃料の種類は、特に限定しないが、気体燃料または液体燃料が好ましい。ただし、液体燃料は燃料ノズル３が目詰まりを起こす惧れがあるので、気体燃料が最も好ましい。気体燃料を使用すれば、燃料ノズル３の目詰まりを防止できるだけでなく、供給速度を容易に調整できる、着火し易いので失火を防止できる等の利点がある。
本発明は、上吹きランスを備えた転炉型精錬炉を用いて原料粉粒体の溶融還元を行なう際に有効である。上吹きランスと粉体加熱バーナーを用いる場合は、原料粉粒体が粉体加熱バーナーのバーナー火炎中を通過する際に加熱され、溶鉄に落下する途中で溶解する。あるいは、原料粉粒体がバーナー火炎で溶解しない場合は、溶鉄に落下した後、短時間で溶解する。したがって、原料粉粒体を投入しても溶鉄の温度低下を防止できる。そして、溶解した原料粉粒体（すなわち金属の酸化物や酸化物系鉱石）の還元反応が、上吹きランスから吹き付けられる酸素ガスによって速やかに進行する。
本発明は、上吹きランスを備えた転炉型精錬炉を用いて原料粉粒体の溶融還元を行なう際に有効である。上吹きランスと粉体加熱バーナーを用いる場合は、原料粉粒体が粉体加熱バーナーのバーナー火炎中を通過する際に加熱され、溶鉄に落下する途中で溶解する。あるいは、原料粉粒体がバーナー火炎で溶解しない場合は、溶鉄に落下した後、短時間で溶解する。したがって、原料粉粒体を投入しても溶鉄の温度低下を防止できる。そして、溶解した原料粉粒体（すなわち金属の酸化物や酸化物系鉱石）の還元反応が、上吹きランスから吹き付けられる酸素ガスによって速やかに進行する。
既に説明した通り、従来は、上吹きランスから吹き付ける酸素ガスが溶鉄中の炭素と反応して生成したＣＯガスが炉内に多量に存在するので、粉体加熱バーナー１に供給した酸素が、燃料と反応せず、炉内のＣＯガスと反応してしまい、熱量を十分に発生できないという問題があった。
これに対して本発明では、炉内にＣＯガスが存在しても、粉体加熱バーナー１に供給した酸素が燃料を完全燃焼させるので十分な熱量を得ることができる。その結果、原料粉粒体を効率良く加熱することが可能となり、溶融還元の能率向上に寄与する。
これに対して本発明では、炉内にＣＯガスが存在しても、粉体加熱バーナー１に供給した酸素が燃料を完全燃焼させるので十分な熱量を得ることができる。その結果、原料粉粒体を効率良く加熱することが可能となり、溶融還元の能率向上に寄与する。
図２に模式的に示すようにして、容量５tonの上底吹き転炉を用いてクロム鉱石の溶融還元を行なった。溶銑７を上底吹き転炉６に装入し、粉体加熱バーナー１と上吹きランス15を炉口から挿入した。使用した粉体加熱バーナー１は図１に示す通りである。溶銑７の重量は４ton，上吹きランス15に供給する酸素ガス（以下、上吹き酸素ガスという）の供給速度は15Ｎｍ3／分，底吹き羽口９に供給する酸素ガス（以下、底吹き酸素ガスという）の供給速度は５Ｎｍ3／分として溶銑７を加熱した。
溶銑７の温度が1600℃に昇温したときに鉱石配管13を介して粉体加熱バーナー１にクロム鉱石粉11を供給するとともに、酸素ガス配管12と燃料配管14を介してそれぞれ酸素ガスと燃料を供給した。なお、燃料はプロパンガス10を使用した。
このようにして溶融還元を開始した後は、燃料（すなわちプロパンガス）の供給速度は0.3〜1.0Ｎｍ3／分，底吹き酸素ガスの供給速度は５Ｎｍ3／分とし、上吹きランス15に供給する酸素ガス（すなわち上吹き酸素ガス）と粉体加熱バーナー１に供給する酸素ガスの供給速度は合計20Ｎｍ3／分となるように種々変化させた。それらの供給速度は表１に示す通りである。
このようにして溶融還元を開始した後は、燃料（すなわちプロパンガス）の供給速度は0.3〜1.0Ｎｍ3／分，底吹き酸素ガスの供給速度は５Ｎｍ3／分とし、上吹きランス15に供給する酸素ガス（すなわち上吹き酸素ガス）と粉体加熱バーナー１に供給する酸素ガスの供給速度は合計20Ｎｍ3／分となるように種々変化させた。それらの供給速度は表１に示す通りである。
そして、溶融還元を行ないながら溶銑７の温度を適宜測定し、溶銑７を1600℃に保持するようにクロム鉱石粉11の供給速度を調整した。溶融還元を開始して60分経過した後、粉体加熱バーナー１を引き上げるとともに、酸素ガス，プロパンガス，クロム鉱石粉の供給を停止した。
さらにその後、上吹き酸素ガス16の供給のみを行なう吹錬を３分間行なった。
さらにその後、上吹き酸素ガス16の供給のみを行なう吹錬を３分間行なった。
以上のような手順で行なった溶融還元における（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値は表１に示す通りである。ここにプロパンガスの完全燃焼反応の反応式はＣ3Ｈ8＋５Ｏ2→３ＣＯ2＋４Ｈ2Ｏであるので、この場合の（Ｇ／Ｆ）st＝５／１＝５である。表１中の発明例は（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値が(1)式の範囲を満足する例であり、比較例は(1)式の範囲を外れる例である。
また、バーナー火炎の燃焼熱の着熱効率を表１に併せて示す。着熱効率は、バーナー火炎の燃焼熱量のうち、クロム鉱石の加熱に寄与する熱量の比率を示す指標であり、着熱効率が高いほど、クロム鉱石が効率良く加熱されることを表わす。なお表１では、（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st＝1.0の溶融還元における着熱効率を1.00とする指数（以下、着熱効率指数という）で示す。図３は、表１中の（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値と着熱効率指数との関係を示すグラフである。
表１および図３から明らかなように、（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値が(1)式の範囲を満足する例（すなわち発明例）では着熱効率指数が1.03〜1.25であったのに対して、（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st値が(1)式の範囲を外れる比較例では0.80〜0.90であった。つまり、発明例ではバーナー火炎がクロム鉱石を効率良く加熱していることが分かった。
したがって本発明によれば、原料粉粒体を炉内に装入する際に、バーナー火炎が効率良く加熱するので、粉体あるいは粒体の安価な原料を大量に使用して溶融還元を行なうことが可能である。
粉体加熱バーナーに供給した燃料を効率良く燃焼させ、溶融還元の原料となる金属の酸化物や酸化物系鉱石の粉体または粒体（すなわち原料粉粒体）をそのバーナー火炎内で効率良く加熱し、さらに金属溶湯の還元を行なうことができ、産業上格段の効果を奏する。
１ 粉体加熱バーナー
２ 粉体ノズル
３ 燃料ノズル
４ 酸素ガスノズル
５ 冷却水循環路
６ 上底吹き転炉
７ 溶銑
８ スラグ
９ 底吹き羽口
10 プロパンガス
11 クロム鉱石粉
12 酸素ガス配管
13 鉱石配管
14 燃料配管
15 上吹きランス
16 上吹き酸素ガス
２ 粉体ノズル
３ 燃料ノズル
４ 酸素ガスノズル
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６ 上底吹き転炉
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９ 底吹き羽口
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11 クロム鉱石粉
12 酸素ガス配管
13 鉱石配管
14 燃料配管
15 上吹きランス
16 上吹き酸素ガス
Claims (2)
- 転炉型精錬炉内に保持した溶鉄に酸素ガスを上方から吹き付ける上吹きランスと、原料粉粒体をバーナー火炎で加熱して前記転炉型精錬炉内に投入するための粉体加熱バーナーとを用いて、前記原料粉粒体を加熱し、さらに溶解した前記原料粉粒体を還元して金属溶湯を得る、転炉型精錬炉を用いた溶融還元方法において、前記粉体加熱バーナーの酸素ガス供給速度Ｇ（Ｎｍ3／分）と燃料供給速度Ｆ（Ｎｍ3／分）で算出される酸素燃料比Ｇ／Ｆが下記の(1)式を満足することを特徴とする溶融還元方法。
1.2≦（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）st≦5.0 ・・・(1)
Ｇ ：粉体加熱バーナーの酸素ガス供給速度（Ｎｍ3／分）
Ｆ ：粉体加熱バーナーの燃料供給速度（Ｎｍ3／分）
（Ｇ／Ｆ）st：燃料が完全燃焼する酸素燃料比の化学量論値 - 前記粉体加熱バーナーに供給する燃料が気体燃料であることを特徴とする請求項１に記載の溶融還元方法。
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