JP6393291B2 - 溶解・精錬炉の操業方法及び溶解・精錬炉 - Google Patents

Description

本発明は、酸素バーナとランスとを用いた冷鉄源の溶解・精錬炉の操業方法と溶解・精錬炉に関する。

酸素を含む支燃性流体（酸素、空気、酸素富化空気等）と燃料とを燃焼させて被加熱物を加熱するバーナは、様々な生産プロセスで用いられている。例えば、電気炉における製鋼プロセスでは、鉄屑等の原料を電気炉内で加熱し、溶融させる際に、原料にコールドスポットといわれる低温部位が生じ、この部分において原料が溶融しにくくなる事がある。そのような場合に、特許文献１に開示されているようなバーナを併用することによって、原料の加熱効率を高め、原料溶融の為の電力使用量を低減し、溶融コストを削減することが出来る。

また、支燃性流体によって原料の一部を酸化、溶融させ、切断を促し、原料に対する加熱効率をさらに高める事が出来る。さらには、支燃性流体の供給によって、未燃焼流体（一酸化炭素等）の燃焼を促進する事も可能である。

例えば、特許文献２には、支燃性流体による二次燃焼時の加熱効率を高めるために、予め高温に予熱した酸素ガスを利用する発明が開示されている。

特許４０５０１９５号公報 特開２０００-３３７７７６号公報

このような操業においては、バーナによる原料の補助溶融が溶融コストの削減を目的としていることから、電気炉内に吹き込む支燃性流体の消費量をできる限り少なくし、且つ、歩留まり向上のための原料の過酸化抑制も要望されている。 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バーナとランスを用いた冷鉄源の溶解・精錬炉の操業あるいは精錬の際に、その効率を向上させることにある。

上記課題を解決するための本発明の溶解・精錬方法は、溶解・製錬炉を用いて冷鉄源を溶解精錬する方法であって、前記溶解・製錬炉の上部から冷鉄源を投入する第１工程と、前記溶解・製錬炉の中心部に設けた電極に通電して冷鉄源を主溶解させる第２工程と、前記溶解・製錬炉の炉壁の周方向に設けた１以上のバーナによって冷鉄源を補助溶解する第３工程と、前記炉壁の水平断面を平面視した際に前記バーナと重なる位置に、前記炉壁の同じ垂直断面において前記バーナより上側にそれぞれ設けるとともに、前記炉壁の同じ垂直断面において前記バーナに対する取付け位置が所定の条件を満たす、１以上のランスを用い、前記溶解・製錬炉内に支燃性流体を噴出させ、当該支燃性流体と前記冷鉄源の溶解時に発生する一酸化炭素及びもしくは水素とを反応させる第４工程とからなる溶解工程、及び前記冷鉄源の溶解により生じた溶鉱中に酸素を導入することで不純物を取り除く精錬工程とからなる。
前記第４工程は、前記第３工程の開始と同時もしくはその直後から開始され、精錬工程の開始とともに終了することを特徴とする冷鉄源の溶解精錬方法である。
また、前記炉の炉体容積がＶ（ｍ^３）であった場合に、前記第４工程における支燃性流体が酸素であったときの酸素導入量Ｑ（Ｎｍ^３／ｈ）をＶ／Ｑ＝０．１〜０．８の範囲とする。

また、本発明の溶解・精錬炉は、上記溶解製錬方法を実施するための炉であって、前記炉は上部に冷鉄源を導入するための開口部を有した電気炉であり、前記電気炉は、当該電気炉の中心部に設けられ、前記冷鉄源を溶解する電極と、当該電気炉の炉壁の周方向に設けられ、前記冷鉄源を補助溶解する１以上のバーナと、前記炉壁の水平断面を平面視した際、前記バーナと重なる位置に、前記炉壁の同じ垂直断面において前記バーナより上側にそれぞれ設けられ、前記電気炉内に酸素を導入する１以上のランスと、前記ランスに一定量の酸素を供給する酸素流量調整機構とを有し、前記炉壁の同じ垂直断面において、前記バーナ及び前記ランスの前記炉壁への取付け位置が以下の範囲にあることを特徴とする冷鉄源の溶解・製錬炉である。
溶湯面からバーナ先端部までの距離Ｌ_１＜溶湯面からランス先端部までの距離Ｌ_２
バーナの中心軸と水平面とが成す角度α≧ランスの中心軸と水平面とが成す角度β
バーナの中心軸と水平面とが成す角度α＞０°
ランスの中心軸と水平面とが成す角度β≧０°

前記酸素流量調整機構は、流量調節弁、流量指示器、圧力計、圧力調節弁からなることを特徴とする冷鉄源の溶解・製錬炉である。

本発明によると、バーナとランスとを用いた冷鉄源の溶解・精錬炉の操業あるいは精錬の際に、炉内に支燃性流体を適正な位置から適正量吹き込むことが可能となり、支燃性流体の消費量を必要最低限とすることができるため、溶解効率も向上できる。

本発明に用いられる溶解・製錬炉の模式図である。 本発明に用いられる溶解・製錬炉の上蓋を取り外し、冷鉄源を導入する際の模式図である。 電気炉側面からのバーナとランスの配置を示した模式図である。 電気炉上部からのバーナの配置を示した模式図である。 実施形態におけるランス機能を有するバーナ（バーナ・ランス）の模式図である。 ランスから炉内に供給する酸素の流量制御機構の模式図である。 溶解・精錬炉からの排ガス中の一酸化炭素及び水素の発生量と、炉容積Ｖ_１／導入酸素量Ｑの関係を表した図である。 溶解・精錬炉からの排ガス中の一酸化炭素と水素の発生量と、炉容積Ｖ_２／導入酸素量Ｑの関係を表した図である。

本発明の一実施形態を説明する。本発明に用いられる冷鉄源の溶解・製錬炉を図１に示す。図１に示した溶解・製錬炉１は、その中心部に電極４を有する電気炉である。電気炉１は上部が開口可能な円筒形であり、炉の開口部を塞ぐ炉蓋３を有している。電極４は、各炉によって１本の場合と３本の場合があるが、本実施形態においては電極が１本の場合を示している。

電気炉１内に冷鉄源を投入する際には、例えば、図２に示すように電極を抜き、炉蓋を外してから、炉体２上部の開口部より冷鉄源を投入する。

電気炉１には、炉壁２Aを貫通するように設けられた貫通孔５Aがあり、貫通孔５Aにはバーナ３が設置されている。炉壁２Aには、貫通孔５Aより上部に、炉壁２Aを貫通するように支燃性流体貫通孔６Aが設けられている。支燃性流体貫通孔６Aには、炉内に支燃性流体（酸素）を導入するためにランス６が設置されている。バーナ５は貫通孔５Aから、ランス６は支燃性流体貫通孔６Aから、炉底２Bに向けて挿入し、固定する。

図３は電気炉側面からのバーナとランスの配置を示した図である。ランス６の炉壁２Aへの設置位置は、バーナ５より上部とする。すなわち、バーナ５の高さ位置（バーナ先端部と溶湯面との距離）をL_１、ランス６の高さ位置（ランス先端部と溶湯面との距離）をL₂としたとき、L₁＜L₂となるように、バーナ５とランス６を設置する（図３左図）。ここで溶湯面とは、冷鉄源を溶解したのち、溶鋼で形成される溶湯の上面を意味する。

バーナ５の設置方向が、バーナ５の中心軸と水平方向とでなす角度をαとしたとき、９０°＞α＞０°となるように固定する（図３右図）。より好ましくは６０°＜α＜４５°とする。また、ランスの設置方向は、ランス６の中心軸と水平方向とでなす角度をβとしたとき、α≧β≧０°となるように固定する（図３右図）。すなわち、ランス６からの支燃性流体の噴出方向は、バーナ５による火炎が形成される方向と同一の角度以上とする。ランス６の向きをこのように設定することで、バーナ５を燃焼させた際の未燃ガス（主に一酸化炭素、水素）を、ランス６からの支燃性ガスにより、効率よく燃焼させることができる。

図４は電気炉上部からのバーナ５の配置を示した図である。図４には３本のバーナを設置した例を示している。バーナ５の火炎形成方向は、炉内において電極４による冷鉄源の加熱が不十分な場所を加熱できる方向に向ける。また、電極４に損傷を与えないように、バーナ５は、火炎が電極に直接当たらない方向となるように設置することが望ましい。

本実施形態におけるバーナの構成を示す断面模式図を図５に示す。図５に記載のバーナは、ランス機能を有するバーナ（バーナ・ランス）である。本実施形態における酸素バーナ・ランス６の中央には、酸素を含んだ支燃性流体を供給する支燃性流体供給管１８が設けられており、その外周には、燃料流体を供給する燃料流体供給管１９が設けられ、さらに、その外周に支燃性流体供給管２０が、同心円状に設けられている。支燃性流体供給管２０の外周には、還流式水冷ジャケット２１が設けられている。

なお、支燃性流体供給管２０を設けず、燃料流体供給管１９の外周に還流式水冷ジャケット２１を設けても良いが、支燃性流体供給管２０を設けた場合には、支燃性流体供給管１８と２０の酸素流量比を調整することにより、火炎長の調整が可能となる。

支燃性流体供給管１８は、基端側１８Ａから先端側１８Ｂにかけて、一定の内径を有する太径部１８ａと、太径部１８ａよりも内径が小さいスロート部１８ｂと、スロート部１８ｂから先端側１８Ｂに向けて内径が徐々に大きくなる広がり部１８ｃと、ほぼ一定の内径を有する直動部１８ｄを有する。

本実施形態におけるバーナ・ランス（バーナ５）を設置した炉壁２Aの上部には、二次燃焼用の酸素を含んだ支燃性流体を炉内に導入するランス６を設置するための支燃性流体供給孔６Aを設けている。
ランス６は、酸素を含む支燃性流体を供給する支燃性流体供給管の外周に、還流式水冷ジャケットを設けておくことが望ましい。水冷ジャケットを有するランスであれば、炉壁が耐火物壁であっても、水冷壁であっても設置が可能である。

図６には、ランス６に酸素を供給するための酸素流量調整機構の構成を示している。酸素流量調整機構は、酸素供給側から圧力調節弁１０、圧力計１１、流量指示器１２、流量調節弁１３からなる。

上記のような溶解・製錬炉１を用いて冷鉄源を溶解精錬する方法を示す。まず、図２に示すように、電極４と炉蓋３を取り外した炉体２の上部開口部から冷鉄源を投入する（第１工程）。次に、溶解・製錬炉１の中心部の所定の位置まで電極４を下げ、炉蓋３で炉体２の上部を覆う。そして電極４に通電して、冷鉄源を溶解する（第２工程）。
冷鉄源の溶解が始まり、溶湯が炉底２Ｂに溜まり始めたら、溶解・製錬炉１の炉壁２Ａに設けた複数のバーナ５によって冷鉄源を補助溶解する（第３工程）。
そして、第３工程の開始と同時、もしくはその直後より、炉壁２Ａに設けた支燃性流体供給孔６Ａに設置したランス６から酸素を噴出させ、冷鉄源の溶解時に発生する一酸化炭素及びもしくは水素とを反応させる（第４工程）。
この第１工程から第４工程までが溶解工程となる。

ここで、第４工程におけるランス６からの酸素供給量は、溶解・製錬炉１の容積から決定できる。すなわち、溶解・製錬炉１の容積がＶ（m³）であった場合、第４工程における酸素の導入量Ｑ（Nm³/h）を、V/Ｑ=０．１〜０．８の範囲となるようにする。ここで、炉容積Ｖとは、冷鉄源が投入される前の炉体２の内容積である。

溶解工程において冷鉄源がほぼ溶解し、炉底に溶解した溶鋼が溶湯として溜まったら、バーナ・ランス（バーナ５）への燃料供給を停止してランスモードに切り替え、溶湯中に酸素を導入して不純物を取り除く。これが精錬工程となる。

炉体の内容積がＶ_１（ｍ^３）である溶解・精錬炉において、上記の溶解工程（第１工程〜第４工程）を実施した。溶解・製錬炉の排ガス出口には、排ガス分析装置と排ガス流量測定装置（図示せず）を設け、第３工程において、ランスから炉内に酸素ガスを導入する際に、排ガス中の一酸化炭素と水素（ＣＯ、Ｈ_２）の含有量を測定できるようにした。

第３工程において、ランス６から炉内に導入する酸素量Ｑ（Ｎｍ^３／ｈ）を、酸素流量調整機構を用いて変化させ、溶解・精錬炉からの排ガス中の一酸化炭素と水素の含有量を測定した。その結果を図７に示す。
図７の横軸はＶ_１/Ｑである。縦軸は、冷鉄源を溶解して得られた鉄１ｔあたりの一酸化炭素と水素（ＣＯ、Ｈ_２）の発生量（Ｎｍ^３／ｔ）である。
Ｖ_１/Ｑが０．１〜０．８のとき、導入する酸素量が多くなるにつれてＣＯとＨ_２の発生量が減じているのが確認された。しかしながら、Ｖ_１/Ｑが０．８以上になってしまうと、ＣＯとＨ_２の濃度がほとんど変わらない。すなわち、導入する酸素量が不足していることを示しており、十分に二次燃焼が行われていないことが判る。また、０．１以下では酸素の導入量を増加させても、ＣＯとＨ_２の発生量に大きな変化が無いことが確認された。

上記とは異なる溶解・精錬炉（炉体の内容積Ｖ_２）において、同様の試験を実施した。結果を図８に示す。Ｖ_２/Ｑが０．１〜０．８のとき、ランス６からの酸素導入量に応じた一酸化炭素と水素の減少効果が見られた。すなわち、無駄のない酸素の適切な導入量はＶ_２/Ｑが０．１〜０．８の範囲にあるときである。

本発明の溶解・精錬炉の操業方法及び溶解・精錬炉は、電気炉における冷鉄源の溶解への利用可能性がある。

１・・・溶解・精錬炉（電気炉）、２・・・炉体、２Ａ・・・炉壁、２B・・・炉底、３・・・炉蓋、４・・・電極、５・・・バーナ（バーナ・ランス）、５Ａ・・・貫通孔、６・・・ランス、６Ａ・・・支燃性流体供給孔、１０・・・圧力調節弁、１１・・・圧力計、１２・・・流量指示器、１３・・・流量調節弁、１８・・・支燃性流体供給管、１９・・・燃料流体供給管、２０・・・支燃性流体供給管、２１・・・還流式水冷ジャケット

Claims (4)

1. 溶解・製錬炉を用いて冷鉄源を溶解精錬する方法であって、
   前記溶解・製錬炉の上部から冷鉄源を投入する第１工程と、
   前記溶解・製錬炉の中心部に設けた電極に通電して冷鉄源を主溶解させる第２工程と、
   前記溶解・製錬炉の炉壁の周方向に設けた１以上のバーナによって冷鉄源を補助溶解する第３工程と、
   前記炉壁の水平断面を平面視した際に前記バーナと重なる位置に、前記炉壁の同じ垂直断面において前記バーナより上側にそれぞれ設けるとともに、前記炉壁の同じ垂直断面において前記バーナに対する取付け位置が以下の式（１）〜（４）を満たす、１以上のランスを用い、前記溶解・製錬炉内に支燃性流体を噴出させ、当該支燃性流体と前記冷鉄源の溶解時に発生する一酸化炭素及びもしくは水素とを反応させる第４工程とからなる溶解工程、及び前記冷鉄源の溶解により生じた溶鉱中に酸素を導入することで不純物を取り除く精錬工程とからなり、
   前記第４工程は、前記第３工程の開始と同時もしくはその直後から開始され、精錬工程の開始とともに終了することを特徴とする冷鉄源の溶解精錬方法。
   （１）溶湯面からバーナ先端部までの距離Ｌ _１ ＜溶湯面からランス先端部までの距離Ｌ _２
   （２）バーナの中心軸と水平面とが成す角度α≧ランスの中心軸と水平面とが成す角度β
   （３）バーナの中心軸と水平面とが成す角度９０°＞α＞０°
   （４）ランスの中心軸と水平面とが成す角度β≧０°
2. 前記炉の炉体容積がＶ（ｍ^３）であった場合に、前記第４工程における支燃性流体が酸素であったときの酸素導入量Ｑ（Ｎｍ^３／ｈ）をＶ／Ｑ＝０．１〜０．８の範囲とする請求項１記載の冷鉄源の溶解精錬方法。
3. 冷鉄源の溶解・製錬を行うための炉であって、
   前記炉は上部に冷鉄源を導入するための開口部を有した電気炉であり、
   前記電気炉は、当該電気炉の中心部に設けられ、前記冷鉄源を溶解する電極と、
   当該電気炉の炉壁の周方向に設けられ、前記冷鉄源を補助溶解する１以上のバーナと、
   前記炉壁の水平断面を平面視した際、前記バーナと重なる位置に、前記炉壁の同じ垂直断面において前記バーナより上側にそれぞれ設けられ、前記電気炉内に酸素を導入する１以上のランスと、
   前記ランスに一定量の酸素を供給する酸素流量調整機構とを有し、
   前記炉壁の同じ垂直断面において、前記バーナ及び前記ランスの前記炉壁への取付け位置が以下の範囲にあることを特徴とする冷鉄源の溶解・製錬炉。
   溶湯面からバーナ先端部までの距離Ｌ_１＜溶湯面からランス先端部までの距離Ｌ_２
   バーナの中心軸と水平面とが成す角度α≧ランスの中心軸と水平面とが成す角度β
   バーナの中心軸と水平面とが成す角度９０°＞α＞０°
   ランスの中心軸と水平面とが成す角度β≧０°
4. 前記酸素流量調整機構は、流量調節弁、流量指示器、圧力計、圧力調節弁からなることを特徴とする請求項３記載の冷鉄源の溶解・製錬炉。