JP7024813B2 - 装入バケット、溶解設備並びにこれを用いた溶銑の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系スクラップ及びコークス等の原料を溶解炉に装入するための装入バケット、溶解設備及びこれらを用いた溶銑の製造方法に関する。

鉄系スクラップのような鉄源を融解する手段として、筒状の炉体に熱源となるコークスと鉄源となる鉄系スクラップを上部から装入し、炉内の下方の羽口より高温の空気を送風しコークスを燃焼する竪型溶解炉（溶解炉とも称される）が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。特に、特許文献２においては、原料を収容した装入バケットが竪型溶解炉の上部まで持ち上げられた後、装入バケットから竪型溶解炉内へ原料が装入される。装入バケットは底部に両開き式の１対の底板を有し、底板が開閉することにより、原料が竪型溶解炉内へ装入される。

特開２０１０－１４３１９号公報 国際公開第２０１５／１２２０８６号

鉄系スクラップは、球状ではなく矩形形状を有しており、溶解炉に装入される原料の中では最も重い。竪型溶解炉の場合、装入バケットには、はじめに鉄系スクラップを入れ、その上にコークスを入れる。これは、装入バケットへコークスを入れた後に鉄系スクラップを入れると、溶解炉内に装入した際に、コークスの上に鉄系スクラップが落下し、コークスが鉄系スクラップによって装入直後に破壊されてしまうからである。

しかしながら、特許文献２の底板が両開きの装入バケットを用いた場合、溶解炉内においてコークスが局所的に偏った状態で装入される場合がある。すなわち、装入バケットの底板が開き始めた途端、底板間の隙間から鉄系スクラップがすぐに落下し始め、鉄系スクラップが中央部に偏ってしまい山状に積み重なる。そして、コークスが山状の鉄系スクラップの上から装入される。コークスは球形に近い形状を有しているため、山状になった鉄系スクラップの傾斜によって転がっていき、溶解炉の炉体壁付近にコークスが多く分布し、コークス燃焼が炉内の一部に偏ってしまう場合がある。すると、溶解炉において局所的に温度が上昇し、均等に鉄系スクラップが融解せず、棚吊等が発生し、安定的に操業を行うことができなくなる可能性が生じる。

そこで、本発明は、炉内において原料が偏った状態で装入されるのを抑制し、溶解炉の安定した操業を行うことができる装入バケット、溶解設備及びこれらを用いた溶銑の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、これら課題を解決するために以下の構成を有する。
［１］ 溶解炉の上部から溶銑の原料を装入する装入バケットであって、
前記原料を収容する収容部と、前記収容部の上部に形成された上部開口と、前記収容部の下部に形成された下部開口と、を備えたバケット本体と、
前記下部開口を両開きにより開閉するように前記バケット本体に設置され、互いに突き合わされた突合せ部を有する１対の底板と、
前記突合せ部の上部に設けられ、両端が前記バケット本体に取り付けられた装入制御部材と、
を有することを特徴とする装入バケット。
［２］ 前記装入制御部材は、三角柱状に形成されており、頂点が上方に向くように前記バケット本体に取り付けられていることを特徴とする［１］に記載の装入バケット。
［３］ 前記装入制御部材は、前記バケット本体に対して回転可能に取り付けられていることを特徴とする［１］または［２］に記載の装入バケット。
［４］ 溶銑の原料が充填される炉体と、前記炉体の上部に設けられ、原料を前記炉体内へ装入する装入口と、前記炉体の側壁に設けられ、内部に向けて送風する複数の羽口と、前記炉体の底部に設けられ、溶銑を排出する出銑口と、を有する溶解炉と、
［１］から［３］のいずれかに記載の装入バケットと、を有し、
原料の装入時に前記装入バケットが前記装入口に装着されることを特徴とする溶解設備。
［５］ ［１］から［３］のいずれかに記載の装入バケットから原料を溶解炉に装入して溶銑を出銑する溶銑の製造方法。

本発明によれば、１対の底板の突合せ部に沿って延びる装入制御部材を設けることにより、１対の底部が開き始めて突合せ部から隙間が生じ始めたときに、装入制御部材が隙間から原料が集中して溶解炉内へ装入されるのを規制する。すると、溶解炉内において突合せ部の下側の領域に原料が山状に積み重なるのを抑制することができ、原料が偏った状態で溶解炉内に装入されるのを抑制し、溶解炉の安定した操業を行うことができる。

本発明の溶解設備の一例を示す模式図である。 装入バケットへ原料が装入された状態を示す模式図である。 本発明の装入バケットの第１の実施形態を示す模式図である。 本発明の溶銑の製造方法の好ましい実施形態を示す模式図である。 従来の装入バケットの一例を示す模式図である。 従来の装入バケットの動作例を示す模式図である。 本発明の装入バケットの第２の実施形態を示す模式図である。 本発明の装入バケットの第３の実施形態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の溶解設備の一例を示す模式図である。図１の溶解設備は、鉄系スクラップ等の原料Ｍを溶解する溶解炉１００と、溶解炉１００に原料を装入する装入バケット１とを有する。溶解炉（竪型溶解炉）１００は、円筒形状に形成され、溶銑の原料Ｍが充填される炉体１００ｘと、炉体１００ｘの上部に設けられ、原料を装入する装入口１００ａと、炉体１００ｘの底部に設けられ、炉体１００ｘの内部で製造された溶銑を出銑する出銑口１００ｂと、炉体１００ｘの側壁に設けられ、コークスを燃焼させる酸素含有ガスを吹き込む羽口１００ｃとを有する。そして、装入口１００ａから装入バケット１を用いて原料Ｍが溶解炉１００内へ装入される。

図２は、装入バケットへ原料が装入された状態を示す模式図である。図１及び図２に示すように、装入バケット１には、溶解炉１００の外の原料ステーションにおいて、鉄系スクラップＭ１、コークスＭ２およびスラグ組成を調整するその他石灰石や硅石等の副原料Ｍ３等からなる原料Ｍが収容される。この時、コークスＭ２等を先に入れ、鉄系スクラップＭ１を後に入れると、重量のある鉄系スクラップＭ１によってコークスＭ２が砕け、コークスＭ２の粒径が小さくなってしまう。すると、溶解炉１００内の通気性が悪化し、操業が不安定になる可能性が高くなる。よって、装入バケット１内には、下から鉄系スクラップＭ１、コークスＭ２、副原料Ｍ３の順に収容される。

図１のように、原料Ｍが入れられた装入バケット１は、台車５１、滑車やクレーン５２等を利用して溶解炉１００の炉頂まで運ばれ、炉頂の装入口１００ａ上に配置される。このとき、装入バケット１の中心位置と溶解炉１００の中心位置とがほぼ一致するように、装入バケット１が位置決めされた後、装入バケット１が装入口１００ａに装着される。その後、リミットスイッチ等によって後述の底板２０が開くことで、装入バケット１内の原料Ｍが装入口１００ａから溶解炉１００内に装入される。装入バケット１内には、鉄系スクラップＭ１、コークスＭ２、副原料Ｍ３の順に収容されているため、溶解炉１００内には、鉄系スクラップＭ１、コークスＭ２、副原料Ｍ３の順に装入されていく。この装入作業が複数回行われることで、炉内において原料Ｍが積層された状態になっていく。溶解炉１００内の原料Ｍが積層された部分を、充填層と呼ぶ。

図３は、本発明の装入バケットの好ましい実施形態を示す模式図である。図３（ａ）、（ｂ）の装入バケット１は、上部開口１０ｍ及び下部開口１０ｎを有するバケット本体１０と、バケット本体１０の下部開口１０ｎに開閉可能に取り付けられた１対の底板２０を有する。

バケット本体１０は、原料Ｍを収容するための中空状の収容部１０ａと、収容部１０ａの上部に形成された上部開口１０ｍと、収容部１０ａの下部に形成された下部開口１０ｎとを有する。原料Ｍは、上部開口１０ｍから収容部１０ａ内へ収容され、下部開口１０ｎから溶解炉１００内に装入される（図１参照）。下部開口１０ｎに配置された１対の底板２０が開いたとき、下部開口１０ｎから装入口１００ａへ原料Ｍが装入される。

バケット本体１０の断面形状は、溶解炉１００の装入口１００ａの内径内に収まる寸法を有する。なお、バケット本体１０は、直方体形状である場合について例示しているが、円筒形状であってもよい。ただし、底板２０の開閉機構等を具備させることを考慮すると、直方体であることが望ましい。また、溶解炉１００が円筒形となっているため、バケット本体１０のＸ－Ｙ断面形状は略正方形に形成されている方がより望ましい。これにより、装入バケット１から落下する原料Ｍが、水平方向（Ｘ－Ｙ方向）において偏るのを最小限に抑えることができる。

１対の底板２０は、下部開口１０ｎを両開きにより開閉するようにバケット本体１０に設置されている。つまり、１対の底板２０は、いわゆる両開き式の扉であって、それぞれ同一形状の板状の部材からなっている。バケット本体１０の下部開口１０ｎの縁部には回転軸１１が矢印Ｙ方向に延びるように２つ設けられており、底板２０の一端側が各回転軸１１にそれぞれ連結される。１対の底板２０は回転軸１１を中心に回転することによって下部開口１０ｎを開閉する。ここで、１対の底板２０が閉じたときには、１対の底板２０の他端は互いに突き合わされた突合せ部２０ｘにおいて隙間なく突き合わされる。この突合せ部２０ｘはバケット本体１０の中央に位置している。

ここで、１対の底板２０を開閉させる方法としては、種々の公知の技術を用いることができる。たとえば、装入バケット１が図示しない外部電源に接続される電気的な接続装置と、接続装置にされており回転軸１１を回転させるモータ等の動力源と有していてもよいし、クレーン機構を使い外部の駆動源により開閉させてもよい。

さらに、装入バケット１は、突合せ部２０ｘの上部に設けられ、両端がバケット本体１０に取り付けられた装入制御部材３０を有する。装入制御部材３０は、１対の底板２０が開き始めたときに、底板２０同士の隙間から原料Ｍ（特に鉄系スクラップＭ１）が落下していくのを規制する役割を果たす。このため、装入制御部材３０は、１対の底板２０の突合せ部２０ｘの直上に配置される。

装入制御部材３０は、例えば断面四角形状に形成されており、所定の幅Ｗを有する。装入制御部材３０の幅Ｗは、鉄系スクラップＭ１の最大長さの１／２以下であることが望ましい。これは、装入制御部材３０の幅Ｗが鉄系スクラップＭ１の最大長さの１／２より大きい場合、鉄系スクラップＭ１が装入制御部材３０上で保持され、装入口１００ａへ落下しなくなる場合があるためである。一方、装入制御部材３０の幅Ｗは、鉄系スクラップＭ１の最小長さより大きいことが望ましい。これは、１対の底板２０が開き始めて１対の底板２０の間に隙間が生じた途端に、バケット本体１０内の鉄系スクラップＭ１が隙間から落下してしまうのを抑制するためである。

図４は、本発明の溶銑の製造方法の好ましい実施形態を示す模式図である。なお、図４（ａ）～図４（ｄ）において、装入バケット１には、鉄系スクラップＭ１、コークスＭ２、石灰石・硅石等の副原料Ｍ３が収容されており（図１参照）、装入バケット１が装入口１００ａ上に位置決めされ、原料Ｍを装入する様子を示している。まず、図４（ａ）に示すように、バケット本体１０の中央及び装入制御部材３０が溶解炉１００の中央とほぼ一致するように、装入バケット１が溶解炉１００上に位置決めされる。この状態で、１対の底板２０が回転軸１１を中心に同時に矢印Ｒ方向に開いていく。

すると、図４（ｂ）に示すように、１対の底板２０は、それぞれ下方に傾斜した状態になるとともに、１対の底板２０間には中央部から徐々に隙間が広がっていく。鉄系スクラップＭ１には、自重により底板２０の面に沿って隙間に向かって落下しようとする力が働く。しかしながら、鉄系スクラップＭ１は、突合せ部２０ｘ上に配置された装入制御部材３０に接触し、装入制御部材３０は隙間から鉄系スクラップＭ１が落下していくのを阻害する。

そして、図４（ｃ）に示すように、１対の底板２０が開き切る。すると、鉄系スクラップＭ１が下部開口１０ｎの中央部に集中することなく、下部開口１０ｎの全体からほぼ均等に落下していく。これにより、鉄系スクラップＭ１が溶解炉１００内にほぼ平坦状に配置される。その後、図４（ｄ）に示すように、鉄系スクラップＭ１の上にコークスＭ２や副原料Ｍ３が落下する。鉄系スクラップＭ１は、中央が山状に盛り上がっていないため、コークスＭ２等が溶解炉１００の炉壁に向かって転がることなく、均等に分布した状態で装入されることになる。

上記第１の実施形態によれば、溶解炉１００内の水平方向（Ｘ－Ｙ方向）に均等に原料Ｍを配置することが可能になる。このため、コークスＭ２の燃焼箇所が分散し、炉内温度を均等化できるため、安定的に操業することが可能になる。

図５は、従来の制御部材がない装入バケットの一例を示す模式図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、従来の装入バケット２００には、突合せ部２０ｘ上に装入制御部材３０が設置されていない。なお、この装入バケット２００には、図２と同様、鉄系スクラップＭ１、コークスＭ２、副原料Ｍ３の順に原料Ｍが収容される。

図６は、従来の装入バケットの動作例を示す模式図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、１対の底板２０が開き始めたとき、下方（矢印Ｒ方向）に両開きする動作に従って、底板２０が下方へ傾斜した状態になるとともに１対の底板２０の間に隙間が形成される。このため、装入バケット１の底板２０の直上に位置している重い鉄系スクラップＭ１が中心に向かって移動していく。そして、中心に移動した鉄系スクラップＭ１は隙間から落下して溶解炉１００内に装入される。鉄系スクラップＭ１は、溶解炉１００の中心付近から堆積していくため、炉内の中央に図６（ｃ）のような鉄系スクラップＭ１の山が形成される。

その後、図６（ｄ）に示すように、１対の底板２０が開き切り、鉄系スクラップＭ１に続いてコークスＭ２及び副原料Ｍ３が溶解炉１００内に落下する。コークスＭ２及び副原料Ｍ３は、球状となっているものが多いため、鉄系スクラップＭ１の山の斜面に沿って転がっていく。その結果、コークスＭ２及び副原料Ｍ３は溶解炉１００内の炉壁付近に堆積することになる。このように、溶解炉１００内にコークスＭ２が多い領域と少ない領域が生じ、温度の不均一が起こりやすく、操業を安定化できない場合がある。

一方、図３及び図４の第１の実施形態のように、突合せ部２０ｘ上に装入制御部材３０が設けられている場合、鉄系スクラップＭ１が溶解炉１００内の水平方向（Ｘ－Ｙ方向）にほぼ均等に配置されることによって、その上から装入されるコークスＭ２及び副原料Ｍ３もほぼ均等に配置されることになる。このため、コークスＭ２の燃焼箇所が分散し、炉内温度が均等化するため、安定的に操業することが可能になる。

ここで、鉄系スクラップＭ１とともに、１０ｍｍ～６０ｍｍ程度の粒度の粒状鉄を用いることがある。粒状鉄は、一般的な鉄系スクラップＭ１に比べて、安価であり操業コストを低くすることができる。しかし、従来の装入制御部材３０がない装入バケット２００では、次に述べる作用により棚吊等の問題が生じ、操業が不安定になることがある。

装入制御部材３０が設けられていない場合、粒状鉄は球に近い形状であり、鉄系スクラップＭ１の山の斜面を転がり落ち易いため、前述したコークスＭ２と同様に溶解炉１００の炉壁周辺に分布する。粒状鉄を大量に使用すると、炉壁近傍のコークスＭ２の燃焼で発生した熱が、まず粒状鉄を加熱し、粒状鉄以外の鉄系スクラップＭ１が溶け始める前に、粒状鉄が溶け始める。粒状鉄は溶けて流下し始めるが、固体のままの鉄系スクラップＭ１と接して熱を奪われるため、再凝固しやすい。再凝固すると、溶けていない鉄系スクラップＭ１間の隙間を埋めることになる。そうすると、鉄系スクラップの通気性が悪化し、鉄系スクラップＭ１の昇温、溶解が遅れる。

粒状鉄とコークスＭ２は、炉壁近傍に分布するが、炉壁近傍でもコークスＭ２が比較的多い部分と比較的少ない部分が発生することは避けられない。この場合、コークスＭ２が比較的多い部分では高温になるため、より多くの粒状鉄が溶けて流下する。コークスＭ２が比較的少ない部分では温度が低いため、粒状鉄の溶解が抑えられる。このような部分では溶銑が凝固しやすくなり、さらに炉壁や他の鉄系スクラップにも冷やされて凝固し、炉壁に付着して棚吊を形成する。棚吊が発生すると、操業が著しく困難になる。これは、充填層の下部よりも早く充填層の上部で粒状鉄が溶けると、特に顕著となる。そのため、通常の操業では安価な粒状鉄を多く利用することは難しい。

一方、図３及び図４に示すように、１対の底板２０同士の突合せ部２０ｘに装入制御部材３０を配置したことにより、粒状鉄とコークスＭ２が炉壁周辺に偏って分布することを防止して、粒状鉄とコークスＭ２との分布を平均化することができる。その結果、溶解炉１００内のコークスＭ２の不均一な燃焼と粒状鉄の溶解を防止できる。そして、操業を不安定にすることなく、より多くの粒状鉄の利用が可能となるので、操業コストを大幅に削減できる。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の装入バケットの第２の実施形態を示す模式図であり、図７を参照して装入バケット３００について説明する。なお、図７の装入バケット３００において図３の装入バケット１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図７の装入制御部材３３０は、三角柱状に形成されており、頂点が上方に向くようにバケット本体１０に取り付けられている。

すなわち、図７の装入バケット３００において、装入制御部材３３０は、断面略三角状を有しており、頂点が上方に向き、下方が底面となるように設置されている。装入制御部材３３０が断面略三角形状である場合、底面の幅は、鉄系スクラップＭ１に接触して落下を規制する必要があるため、鉄系スクラップＭ１の最小長さ以上に形成されることが好ましい。一方、原料Ｍの落下を妨げるのを抑制するために、底面の幅は、最装入バケットの落下方向と垂直方向の最大長さの１／２以下であることが好ましい。

上記第２の実施形態によれば、装入制御部材３３０の断面形状を三角状にしたとき、装入制御部材３３０が鉄系スクラップＭ１に接触したときに、鉄系スクラップＭ１が装入制御部材３３０に引っ掛かり、バケット本体１０内から落下しないことを防止することができる。そのため、鉄系スクラップＭ１が中央に偏った状態で装入されるのを防止しながら、メンテナンスコストを削減することが可能になる。

［第３の実施形態］
図８は、本発明の装入バケットの第３の実施形態を示す模式図であり、図８を参照して装入バケット４００について説明する。なお、図８の装入バケット４００において図３の装入バケット１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。

図８の装入バケット４００において、装入制御部材４３０は、バケット本体１０に対し回転可能に取り付けられている。例えば、装入バケット４００には電気的に駆動する動力源が取り付けられており、装入制御部材４３０は回転軸を制御部材の長手方向と同一にしたものである。このとき、回転軸と動力源の間には歯車を利用しても構わない。装入制御部材４３０はバケット本体１０の外部に設けられた外部の制御コントローラにより、モータへの給電を制御することにより回転と停止の指示を行う。

上記第３の実施形態によれば、鉄系スクラップＭ１は、様々な形状をしているため、装入制御部材３０に引っ掛かる場合がある。原料Ｍが溶解炉１００に装入される場合、装入制御部材３０が回転し、引っ掛かった鉄系スクラップを取り除くことが可能になる。そのため、鉄系スクラップＭ１が中央に偏った状態で装入されるのを防止しながら、鉄系スクラップＭ１が引っ掛かった場合のメンテナンスコストを削減することができる。

なお、図８において、装入制御部材４３０は、断面略四角形状を有する場合について例示しているが、回転するものであればその形状は問わず、図７に示すように断面略三角形状を有していても良い。また、回転速度等は鉄系スクラップＭ１の寸法もしくは重量等に応じて適宜設定される。

本発明の実施形態は、上記第１～第３の実施形態に限定されず、種々の変更を加えることができる。たとえば、装入制御部材３０の断面形状として、四角形状もしくは三角形状の場合について例示しているが、これに限定されない。例えば、図７の装入制御部材３３０は、製造のしやすさを考えると、三角状のものが望ましいが、多角形、半円状等であって断面の上方が下方より長さが小さい構造を有するものであってもよい。

また、上記各実施の形態において、上部開口１０ｍは開放されている場合について例示しているが、上部開口１０ｍにも上蓋が設けられていても良い。

１、２００、３００、４００ 装入バケット
１０ バケット本体
１０ａ 収容部
１０ｍ 上部開口
１０ｎ 下部開口
１１ 回転軸
２０ 底板
２０ｘ 突合せ部
３０、３３０、４３０ 装入制御部材
５１ 台車
５２ クレーン
１００ 溶解炉
１００ａ 装入口
１００ｂ 出銑口
１００ｃ 羽口
１００ｘ 炉体
Ｍ 原料
Ｍ１ 鉄系スクラップ
Ｍ２ コークス
Ｍ３ 副原料

Claims (6)

1. 溶解炉の上部から溶銑の原料を装入する装入バケットであって、
   前記原料を収容する収容部と、前記収容部の上部に形成された上部開口と、前記収容部の下部に形成された下部開口と、を備えたバケット本体と、
   前記下部開口を両開きにより開閉するように前記バケット本体に設置され、互いに突き合わされた突合せ部を有する１対の底板と、
   前記突合せ部の上部に設けられ、両端が前記バケット本体に取り付けられた装入制御部材と、
   を有することを特徴とする装入バケット。
2. 前記装入制御部材は、三角柱状に形成されており、頂点が上方に向くように前記バケット本体に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の装入バケット。
3. 前記装入制御部材は、前記バケット本体に対して回転可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の装入バケット。
4. 前記装入制御部材は、三角柱状に形成されている請求項３に記載の装入バケット。
5. 溶銑の原料が充填される炉体と、前記炉体の上部に設けられ、原料を前記炉体内へ装入する装入口と、前記炉体の側壁に設けられ、内部に向けて送風する複数の羽口と、前記炉体の底部に設けられ、溶銑を排出する出銑口と、を有する溶解炉と、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の装入バケットと、を有し、
   原料の装入時に前記装入バケットが前記装入口に装着されることを特徴とする溶解設備。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の装入バケットから原料を溶解炉に装入して溶銑を出銑する溶銑の製造方法。

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