JP5747775B2 - 竪型溶融炉 - Google Patents

Description

本発明は、羽口を上下２段に備える竪型溶融炉に関するものである。

従来から、竪型溶融炉を用いて、鉄鉱石に比べ金属化率が高く、還元を必要としない、鉄屑、鋳物屑、銑鉄等の鉄源を溶融し、銑鉄を製造している（例えば、特許文献１〜３、参照）。炉内で、上記鉄源を溶融するために、炉頂から、鉄源とともにコークス（Ｃ）を装入し、燃焼させて、鉄源を溶融するのに必要な熱量を確保する。

竪型溶融炉の操業において、高炉操業のように、羽口前にレースウエイを形成すると、送風中の酸素（Ｏ₂）とコークス（Ｃ）が反応してＣＯ₂が生成し、次いで、生成したＣＯ₂ガスとコークス（Ｃ）が反応してＣＯが生成する。

酸素（Ｏ₂）とコークス（Ｃ）の反応は発熱反応であるが、ＣＯ₂とコークス（Ｃ）の反応（ソルーションロス反応）は吸熱反応であるので、ＣＯが多量に生成すると、燃焼熱が増大する一方で吸熱量も増大し、鉄源を溶融する熱量が不足することになる。

ところで、近年、鉄源の多種多様化を背景に、竪型溶融炉には、溶融機能の他、還元機能も求められている。

例えば、製鉄ダスト（鉄源）は酸化鉄を多く含み、銑鉄屑に比べ金属化率が低いので、製鉄ダストを多量に含む鉄源を使用する場合、溶融竪型炉には、(a)金属化率の高い鉄源を溶融する機能に加え、(b)酸化物を多く含み、金属化率の低い鉄源を還元する機能が求められることになる。

炉内で、溶融と還元を同時に進行させるには、溶融に必要な熱量を確保するとともに、還元に必要な還元ガス（ＣＯ）を確保する必要があるが、ＣＯが生成するソルーションロス反応は吸熱反応であるので、還元ガス（ＣＯ）が多量に生成すると、炉内熱量が低下し、鉄源を溶融する熱量が不足することになる。

そこで、羽口を上下２段（以下「２段羽口」ということがある。）に備えた竪型溶融炉の操業において、上段羽口から、酸素含有ガスを吹き込み、生成したＣＯの一部を燃焼させ、この燃焼熱で、ソリューションロス反応による吸熱分を補償する操業方法が提案されている（例えば、特許文献４、５、参照）。上記操業方法においては、ガスの利用効率が向上して、多種多様の鉄源を効率よく溶解・還元することができる。

特開平０７−１０９５０８号公報 特開平０９−０６１０５８号公報 特開平０８−２０９２１１号公報 特表平０１−５０１４０１号公報 特開平１０−０３６９０６号公報

しかし、竪型溶解炉において、従来の鋳物銑のみの溶解操業から、スレッダー屑や製鉄ダストペレットなどの寸法や還元・溶解反応が異なる鉄源を使用するに及んで、二段羽口の新たな問題点が顕在化した。即ち、上記鉄源の多種多様化と、上段羽口の存在が相俟って、頻繁な棚吊りを経験するに至った。

そこで、本発明は、２段羽口を備える竪型溶融炉の操業において、棚吊りの発生を抑制することを課題とし、該課題を解決する上段羽口を備える竪型溶融炉を提供することを目的とする。

本発明者らの調査の結果、２段羽口を備える竪型溶融炉の操業において、棚吊りは、多くの場合、金属化率の高い鉄源が、上段羽口の上部に集積し、通気性が悪化することが契機として発生することが判明した。

本発明者らは、鉄源の降下と通気性を妨げない上段羽口の構造について、鋭意検討した。その結果、上段羽口の数を適正化し、さらに、羽口径を縮小し、炉内挿入胴部を伸長した上段羽口を用いることで、棚吊りの発生を大幅に抑制できることが判明した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）羽口を上下２段に備える竪型溶融炉であって、上段羽口の本数を下段羽口の本数の１／２以下１／４以上とし、かつ、上記上段羽口の、冷却水路を備える炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）と羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）が下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする竪型溶融炉。
５２０−０．８０×ｌ≦ｒ₀（ｍｍ）≦２９０−０．２０×ｌ ・・・（１）
１６０（ｍｍ）≦ｒ₀（ｍｍ）≦２００（ｍｍ） ・・・（２）

（２）前記炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）が４５０ｍｍ以上５５０ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の竪型溶融炉。

（３）前記羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）が１６５〜１７５ｍｍであることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の竪型溶融炉。

（４）前記冷却水路を流れる冷却水の流速が４ｍ／秒以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の竪型溶融炉。

本発明によれば、２段羽口を備える竪型溶融炉の操業において、棚吊りの発生を抑制して、安定操業を長期に継続することができる。

竪型溶融炉の一態様を示す図である。 上段羽口の基本構造を示す図である。 羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）と炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）の関係を示す図である。

本発明を図面に基づいて説明する。

図１に、２段羽口を備える竪型溶融炉の一態様を示す。竪型溶融炉は、出銑口３を備える炉底部２、下部炉壁１４に下段羽口１０及び上段羽口１１を備える炉本体１、ガス吸引口５を備えるガス吸引部４、収容した鉄源で炉頂を封止する炉頂部６、及び、鉄源８を炉内に装入する装入部７から構成されている。

炉内には、下段羽口１０から熱風を送り込み、上段羽口１１から冷風又は熱風を送り込み、金属化率の高い鉄源の溶融に必要な熱量、及び、酸化鉄を含む鉄源の還元に必要な還元ガスを確保する。炉本体１の下部には、コークスベッド９が形成されている。

鉄源８は、降下する間に溶融及び／又は還元されて、概ね、上段羽口に到達するまでに全て溶融する。生成した溶銑は、さらに、コークスベッド９を降下し、湯溜部１３にて、溶銑１２として貯留される。溶銑１２は、適宜、出銑口３から出銑される。

図１に示すような竪型溶融炉の操業において、棚吊りは、以下の機構で発生すると考えられる。

金属化率の高い鉄源が、半溶融状態で上段羽口の上部に到達し、炉内に突き出された上段羽口が障害物となって荷下がりが停滞する。炉壁及び羽口の冷却によって溶けかかった鉄源が再凝固し、羽口上から炉壁に付着する。この付着物が、さらに上から降下してくる原料の荷下がり障害となって成長肥大し、ついには、棚吊りが発生する。さらに、付着物が、羽口間にブリッジングするに及んで、操業の継続が不能となる。

本発明者らは、表１に示す炉仕様及び使用原料における竪型溶解炉の操業の中で、障害物となる上段羽口の数を減少し、径を縮小するとともに、ＣＯの燃焼を促進するため、炉内挿入胴部を伸長した。そして、棚吊りを回避しつつＣＯの２次燃焼を十分に行わせる２次羽口形状を見出した。

操業開始時、上段羽口は８本であったが、棚吊りが頻発し、継続した操業ができなかった。そこで、順次、上段羽口の本数を減らした。４本まで減らすに及んで、棚吊りの完全な解消にはいたらなかったが、継続した操業が可能な状態に達した。さらに、上段羽口を２本まで減らしたが、大きな変化はなかった。かかる操業経緯から、過大な本数の羽口は、羽口間の距離が短く、容易に地金がブリッジングして棚吊りを招くと考えられる。

棚吊りを回避する羽口間の距離は、炉内径との相対的な関係と考えるのが妥当であるから、以上の結果より、適正な上段羽口の本数は、下段羽口の本数の１／２以下１／４以上とした。ここに、下段羽口が６本の堅型溶解炉にあっては、上段羽口は、３本又は２本となる。下段羽口が４本の堅型溶解炉にあっては、上段羽口は、２本又は１本となる。

さらに操業を安定させるために、上段羽口そのものの形状を改善した。図２に、本発明者らが設計した上段羽口の基本構造を示す。

羽口は、接続部材２４で送風管２５に接続されている。羽口の胴部２１は、羽口先端２０で連続する羽口外筒１８と羽口内筒１９から構成され、羽口外筒１８と羽口内筒１９の間には、隔壁２２で区画した冷却水路２３が形成されている。

下部炉壁１４を貫通する胴部２１は、固定部材１６で鉄皮１５に固定されている。鉄皮１５と接続部材２４の間は、保護部材１７で覆われている。

本発明の羽口形状の改善においては、鉄源の降下をできるだけ妨げないように、
（ｉ）羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）＜従来の羽口先端の外径Ｒ（ｍｍ）
であり、かつ、ＣＯの燃焼を促進し、地金の付着を抑制するため、
（ii）炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）＞従来の炉内挿入胴部の長さＬ（ｍｍ）、
であることを基本思想とした。

ただし、炉内挿入胴部の長さｌ、Ｌは、羽口中心線の鉄皮内側から羽口先端までの長さである。

本発明者らは、上記基本思想に基づいて、棚吊り発生を適確に抑制し得る羽口を設計するため、表１に示す竪型溶融炉において上段羽口本数４本とした条件で、炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）と羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）を変え、棚吊り発生頻度を調査した。その結果を、図３に示す。

なお、羽口先端の内径ｒ_I（ｍｍ）は、羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）に応じ、炉内挿入胴部における冷却水路の確保と、炉内挿入胴部の強度の維持を考慮して、適宜、設定した。

先端の外径Ｒ_O：２１０ｍｍ、内径Ｒ_I：１００ｍｍの上段羽口を用い、炉内挿入胴部の長さＬを、４００ｍｍ、４５０ｍｍ、及び、５００ｍｍとして操業（従来操業）を行なった場合、棚吊りが発生する（図中、「△」参照）。

先端の外径ｒ₀：２００ｍｍ（従来の羽口先端の外径Ｒ₀：２１０ｍｍ−１０ｍｍ）、内径ｒ_I：９０ｍｍ（従来の羽口先端の内径Ｒ_I：１００ｍｍ−１０ｍｍ）の上段羽口を用い、炉内挿入胴部の長さｌを、４００ｍｍ、４５０ｍｍ、及び、５００ｍｍとして炉操業を行なった場合、ｌ：４００ｍｍ、及び、４５０ｍｍでは、棚吊りを発生することなく、長期間操業することができた（図中、「○」参照）が、：Ｌ：５００ｍｍでは、操業開始後に棚吊りが発生した（図中、「△」参照）。

そこで、先端の外径ｒ₀：１７０ｍｍ（従来の羽口先端の外径Ｒ₀：２１０ｍｍ−４０ｍｍ）、内径ｒ_I：７０ｍｍ（従来の羽口先端の内径Ｒ_I：１００ｍｍ−３０ｍｍ）の上段羽口を作製し、炉内挿入胴部の長さｌを、４５０ｍｍ、５００ｍｍ、５５０ｍｍ、及び、６００ｍｍとして炉操業を行なった。

この場合、いずれの炉内挿入胴部の長さＬでも、長期間棚吊りを発生することなく操業することができたが、特に、ｌ：５００ｍｍ、及び、５５０ｍｍのとき、棚吊りは発生しない（図中、「○、◎」参照）。

先端の外径ｒ₀：１６０ｍｍ（従来の羽口先端の外径Ｒ₀：２１０ｍｍ−４０ｍｍ）、内径ｒ_I：７０ｍｍ（従来の羽口先端の内径Ｒ_I：１００ｍｍ−３０ｍｍ）の上段羽口を作製し、炉内挿入胴部の長さｌを、４５０ｍｍ、及び、５５０ｍｍとして炉操業を行なったが、棚吊りは発生しなかった。

図３に示す結果から、冷却水路を備える羽口において、羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）が、炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）との関係で、下記式（１）及び（２）を満たす範囲にあれば、棚吊りを発生しないことが解る。
５２０−０．８０×ｌ≦ｒ₀（ｍｍ）≦２９０−０．２０×ｌ ・・・（１）
１６０（ｍｍ）≦ｒ₀（ｍｍ）≦２００（ｍｍ） ・・・（２）

なお、上記（１）式の左辺は、（ｒ₀：２００ｍｍ、ｌ：４００ｍｍ）と（ｒ₀：１６０ｍｍ、ｌ：４５０ｍｍ）を結ぶ直線であり、同右辺は、（ｒ₀：２００ｍｍ、ｌ：４５０ｍｍ）と（ｒ₀：１７０ｍｍ、ｌ：６００ｍｍ）を結ぶ直線である。

炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）は、ＣＯの燃焼を促進する点で、４５０ｍｍ以上が好ましいが、強度上の制約を受けるので、５５０ｍｍ以下が好ましい。

羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）は、炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）を広い範囲で調整することが可能となる点で、１６５〜１７５ｍｍが好ましい。

羽口先端の内径ｒ_I（ｍｍ）は、羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）に応じ、炉内挿入胴部における冷却水路の確保と、炉内挿入胴部の強度の維持を考慮して、適宜、設定すればよいので、特に規定しない。なお、先端の外径ｒ₀が１７０ｍｍの場合、内径ｒ_Iは、７０ｍｍが好ましい。

本発明の上段羽口の炉内挿入胴部は、従来羽口の炉内挿入胴部より過酷な熱的環境に置かれるので、炉内挿入胴部の冷却水路を流れる冷却水の流速を従来以上に速くして、炉内挿入胴部の冷却を促進する必要がある。

従来の冷却水の流速は、３．６ｍ／秒（羽口先端外径Ｒ_o：２１０ｍｍ、内径Ｒ_I：１００ｍｍの場合）程度であるので、本発明の上段羽口では、３．６ｍ／秒を超える流速とする必要があるが、炉内挿入胴部の冷却を確実に促進する点で、４ｍ／秒以上が好ましい。

次に、本発明の実施例を示し、本発明の効果について具体的に説明するが、実施例で採用する条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

使用した竪型溶融炉及び原料は、既に、表１に示した。竪型溶融炉は、下段羽口を８本、上段羽口を４本、有するものである。

（比較例）
上段羽口として、先端の外径Ｒ₀：２１０ｍｍ、羽口先端の内径Ｒ_I：１００ｍｍ、羽口外筒の厚さ：１０ｍｍ、羽口内筒の厚さ：１０ｍｍ、羽口先端部の厚さ：２０ｍｍで、炉内挿入胴部の長さｌ：４００ｍｍのものを、炉内挿入胴部を冷却する冷却水の流速：３．６ｍ／秒で操業した。

しかし、頻繁に棚吊りを発生し、操業が安定しなかった。また、棚吊りによる効率低下で平均生産速度は４２ｔ／ｈに留まり、燃料比は２２０ｋｇ／ｔであった。

（実施例）
そこで、上段羽口を本発明の仕様に改めた。即ち、羽口先端の外径ｒ₀：１７０ｍｍ、羽口先端の内径ｒ_I：７０ｍｍ、羽口外筒の厚さ：２０ｍｍ、羽口内筒の厚さ：１５ｍｍ、羽口先端部の厚さ：２５ｍｍで、炉内挿入胴部の長さｌ：５５０ｍｍのものとし、炉内挿入胴部を冷却する冷却水の流速：５．２ｍ／秒で操業した。

それ以降、棚吊りを発生することなく、操業を継続することができた。さらに、生産速度は、ほぼ５５ｔ／ｈで安定し、燃料比は２０５ｋｇ／ｔと改善された。操業結果を表２に示す。

前述したように、本発明によれば、２段羽口を備える竪型溶融炉の操業において、棚吊りの発生を抑制して、安定操業を長期に継続することができる。したがって、本発明は、銑鉄製造産業において利用可能性が大きいものである。

１ 炉本体
２ 炉底部
３ 出銑口
４ ガス吸引部
５ ガス吸引口
６ 炉頂部
７ 装入部
８ 鉄源
９ コークスベッド
１０ 下段羽口
１１ 上段羽口
１２ 溶銑
１３ 湯溜部
１４ 下部炉壁
１５ 鉄皮
１６ 固定部材
１７ 保護部材
１８ 羽口外筒
１９ 羽口内筒
２０ 羽口先端
２１ 胴部
２２ 隔壁
２３ 冷却水路
２４ 接続部材
２５ 送風管

Claims (4)

1. 羽口を上下２段に備える竪型溶融炉であって、上段羽口の本数を下段羽口の本数の１／２以下１／４以上とし、かつ、上記上段羽口の、冷却水路を備える炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）と羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）が下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする竪型溶融炉。
   ５２０−０．８０×ｌ≦ｒ₀（ｍｍ）≦２９０−０．２０×ｌ ・・・（１）
   １６０（ｍｍ）≦ｒ₀（ｍｍ）≦２００（ｍｍ） ・・・（２）
2. 前記炉内挿入胴部の長さｌ（ｍｍ）が４５０ｍｍ以上５５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の竪型溶融炉。
3. 前記羽口先端の外径ｒ₀（ｍｍ）が１６５〜１７５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型溶融炉。
4. 前記冷却水路を流れる冷却水の流速が４ｍ／秒以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の竪型溶融炉。

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