JPH01205013A - 溶融還元法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は炭材を燃料および還元材として用い、鉄鉱石
を転炉型製錬炉内において溶融状態で還元する溶融還元
法に関する。

［従来の技術］ 溶融還元法は高炉製銑法に代わるものであり、高炉製銑
法においては高炉の建設費が高く広大な敷地が必要であ
るという欠点を解消すべく、近年に至り開発されたもの
である。

この還元法においては、鉄鉱石は製錬炉からの排ガスで
予備還元され、炭材、造滓材とともに製錬炉内に装入さ
れ、また酸素ガスまたは攪拌用ガスが前記製錬炉内に吹
き込まれる。こうして炭材が、予め装入されである溶銑
に溶解されるとともに、炭材のＣが酸素ガスによって酸
化される。このときの酸化熱によって鉱石が溶融される
とともに、鉄鉱石が炭材または溶銑中のＣによって還元
される。溶銑から発生するＣｏガスは過剰に吹き込まれ
る酸素ガスにより２次燃焼されてＣＯ２ガスになる。こ
のＣ０２ガスの顕熱は、溶銑上を覆っているスラグまた
はフォーミングスラグ中の粒鉄に伝達され、次いで溶銑
に伝達される。

こうして、鉄鉱石が還元されて溶銑が製造されるが、製
錬炉における還元工程を軽減するため、製錬炉に装入さ
れる前の鉄鉱石の予備還元率を６０％乃至７５％ととし
、従って製錬炉の排出ガスは還元性の高い低酸化度のガ
スを多量に使用している。（例えば特公昭６ｌ−４３４
０６）［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、製錬炉における還元工程を軽減するため
、製錬炉に装入される前の鉄鉱石の予備還元率を３０％
以上にする場合には、製錬炉の排出ガスノ酸化度［（ｈ
ｏ＋ｃＯ２）／（ＨｚｆｌｈＯ＋ＣＯ十Ｃｏ２）］以下
、これを単にＯ’Ｄと略記する］を下げる必要がある。

こうすると前記排ガス量は必然的に増加することになり
（例えば特公昭６ｌ−４３４０６）　、前記製錬炉の発
生エネルギーはＩ　Ｇｃａｌ／Ｔ　（溶銑）を大きく超
えることになり、−数的な一貫製鉄所内のエネルギーバ
ランス上発生エネルギーが過剰になる。このことは当然
製造コストの増大につながる。

また、高い予備還元率を得るためには上記の通り○Ｄの
低い排出ガスを必要とし、がっ鉄鉱石の予備還元炉内の
滞留時間を長くすることになって、予備還元された鉄鉱
石の製錬炉内への装入と製造される溶銑の出湯サイクル
とのバランスをとることが難しい、このことは必然的に
製錬炉の自由度を大きく制限する。

また、鉄鉱石のスラグ中での溶解速度を上げ鉄鉱石の還
元処理速度を向上させるため、炉内のＣｏガスを２次燃
焼させ、その熱を利用するという方法が考えられ、従来
でも炉上部壁がら２次燃焼用０２ガスを吹き込む方法が
とられている。しかし従来では２次燃焼比をあげると排
ガス温度は上昇するものの、排ガス顕熱を溶湯へ伝達す
る技術がなく、この結果、着熱効率が低下し、高温排ガ
スを排出せざるをえない、そしてこのような高温排ガス
は炉内壁耐火物を激しく損耗させるという大きな問題が
あり、このため２次燃焼比はあまりあげられないという
のが一般的な考え方であった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
であって、溶銑またはスラグへの着熱効率を高めて前記
製錬炉からの発生エネルギーを抑え、製鉄所全体のエネ
ルギー効率を向上させる操業性の良好な溶融還元法を提
供しようするものである。

［課題を解決するための手段及び作用コ以上のような問
題点について、本発明者等は溶融還元のメカニズム及び
これに対応した具体的な手段について検討を重ねたもの
であり、この結果、次のような事実を見出した。

■上述したように、従来では着熱効率向上に対る技術的
限界や耐火物の損耗の面で２次燃焼比を大きく上げられ
ないというのが基本的な考え方であるが、２次燃焼を主
としてスラグ中で生じさせるよう酸素を吹き込み、がっ
スラグを強攪拌することにより、高２次燃焼を確保しつ
つ着熱効率を効果的に高めることが出来る。このような
高２次燃焼、高着熱効率により、スラグ及びスラグ中の
鉄鉱石の温度が高くなり、 Ｆ　ｅ　２Ｏ３　＋　３　Ｃ→２　Ｆ　ｅ　＋３　ＣＯ
で表される違−（溶湯中のＣ）による鉄鉱石の還元速度
を効果的に高めることが出来る。

■従来法では、還元処理の一時期または全期間、酸素の
底吹きを行っている例があるが、このような酸素の底吹
きは２次燃焼に有害である。即ち、酸素を底吹きすると
溶湯中で大量のＣｏガスを生じさせて溶湯を強攪拌し、
この結果、溶湯スプラッシュが２次燃焼域に達し、この
溶湯スプラッシュに含まれるＣが酸素と反応することに
より２次燃焼が阻害される。したがって還元期間の一部
または全部を問わず、酸素を底吹きすることは避ける必
要がある。

本発明は、このような知見にもとづき、次のような条件
を規定し、これにより高い処理速度での還元処理を可能
ならしめたものである。

（イ）攪拌ガスの底吹きと横吹きの組み合わせにより、
溶湯をスラグ中の鉄鉱石の存在する領域に積極的に拡散
させ、溶湯中のＣによる鉄鉱石の還元作用を促進させる
。

（ロ）所定レベル以上の２次燃焼比が得られるよう、脱
炭用酸素とは別に２次燃焼用酸素の吹き込みを行う。そ
して、この２次燃焼用、酸素を上吹きランスからスラグ
中に吹き込んで２次燃焼領域をスラグ中に形成させ、且
つ横吹きガスによりスラグを強攪拌し、２次燃焼により
生じた熱を鉄鉱石に着熱させる。

（ハ）溶湯中Ｃによる還元作用及び上吹き酸素による２
次燃焼が阻害されないようにするため、横吹きガス及び
底吹きガスは不活性ガス、ＣＯまたはプロセスガスとし
、酸素は使わない。

これに加えて本発明による溶融還元法は製錬炉に装入さ
れる鉄鉱石は予熱予備還元炉により予熱、予備還元され
、さらに、前記予熱予備還元炉からキャリオーバーされ
た鉄鉱石を回収することにより、熱効率または生産効率
を高めることが出来る。

また、こうすることにより前記製錬炉からの発生エネル
ギーは製造される溶銑トン当たり１Ｇｃａｌ程度に抑え
られ、製鉄所のプロセス全体のエネルギー効率が向上す
る。

即ち、この発明による溶融還元法は、鉄鉱石を炭材、造
滓剤とともに、製錬炉に装入し、底吹き羽口及び横吹き
羽口から不活性ガス、ＣＯまたはプロセスガスを吹き込
む溶融還元法であって、（１）先端がスラグ層の上面付
近乃至下面付近のレベルにある上吹き酸素ランスより脱
炭用酸素および二次燃焼用酸素を吹き込む、 （２）前記横吹き羽口からのガス流の少なくとも一部が
前記底吹き羽口から吹き込まれたガスにより盛り上がっ
た溶湯部分に当たるようにし、（３）前記製錬炉で発生
するガスの酸化度［（Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２）／（Ｈ２＋Ｈ２
Ｏ＋ＣＯ＋ＣＯ２）］　を０．５乃至１．０とすること
を特徴とする。

［実施例］ 本発明の実施例を添付の図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の溶融還元法に用いられるプロセスの説
明図である。製錬炉１０内には鉄浴１１及びスラグ層１
２が形成され、副原料である炭材及び造滓剤が装入され
る第１のシュート１３が前記製錬炉の上部に設けられて
おり、上吹き酸素ランス２１が炉内に鉛直に挿入される
。

前記ランスには脱炭用酸素（ＰＣＯ２）、２次燃焼用（
ＤＣ○２）の酸素をそれぞれ噴出するノズル２２．２３
が設けられ、さらにランス先端の中心部には主に炭材ま
たは石灰等の副原料を吹き込むノズル２４が設けられて
いる。また、製錬炉の側壁または炉底にはそれぞれ不活
性ガス、ｃｏまたはプロセスガスを攪拌用ガスとして吹
き込む横吹き羽口２５、底吹き羽口２６が設けられてい
る。

製錬炉１０の上方には原料である鉄鉱石、副原料である
炭材及び造滓剤等がよく知られた通常の原料供給装置（
Ｉ明のため特に図示せず）もしくは後に説明する予熱炉
３ｏがら自然落下により製錬炉に装入される第２のシュ
ート１４及び製錬炉からの排ガスが排出される排ガス用
導管１５が設けられている。前記排ガス及び鉱石が導入
されてこれを予熱する予熱炉３ｏと、前記予熱炉３ｏが
らの排ガスを受けてこれに含まれる鉄鉱石の微粒を除去
する分離装置３５とが設けられている。

前記分離装置３５から分離された鉄鉱石の細粒または粉
体を、Ａｒ、Ｎ２等のキャリアガスとともに混合し、か
つ加圧して横吹き羽口２５、底吹き羽口２６から吹き込
むため、混合、圧送の手段として加圧装置２７が設けら
れている。

なお、前記予熱炉に代えて予熱予備還元炉とすることは
容易である　この場合、予熱予備還元炉に導入される製
錬炉の発生ガスの温度は３００℃乃至１３００℃とされ
、予備還元率は３０％以下とされる０本プロセスにおい
ては予備還元率は３０％を超えると酸化度ＯＤは０．５
に達しない。また、前記温度が３００℃未満では予熱の
効果を期待することが出来ず、１３００°Ｃを超えると
設備の耐火性および予熱予備還元炉内で還元された鉄鉱
石のスティッキングによる問題が生じる。

以上のように構成された溶融還元装置を用いる溶融還元
法について説明する。原料である鉄鉱石は上記供給装置
から予熱炉３５に入り、ここで予熱された後、第２のシ
ュート１４から重力落下により製錬炉１０に装入される
。炭材及び造滓剤は第１のシュートから重力落下により
製錬炉１０に装入される。

炉内への装入物と吹き込みガスとの反応は後に詳述する
が、炉内では溶湯による鉄浴１１とスラグ層１２が形成
される。製錬炉１０で発生した排ガスは排ガス用導管１
５を通って予熱炉３０に導入されて、前述の通り予熱炉
３０に装入された鉄鉱石が予熱される。予熱炉がらの排
ガスは分離装置３５に入りここで細粒もしくは粉状の鉱
石が分離された後、通常の排ガス処理装置を経て排出さ
れるか、もしくはプロセスガスとして羽口２５゜２６か
ら吹き込まれる攪拌用ガスとして、または粉体吹き込み
のキャリアーガスとして用いられる。さらにこの排ガス
はガス導管１５に導入されて製錬炉からの排ガスに混合
され、予熱予備還元炉に導入されるガスの温度調節に使
用することも可能である。

また、前記予熱炉３０に代えて予熱予備還元炉とするこ
とも可能で、ＯＤ　＝　０．５〜０．６で炭材原単位を
低減し、予熱温度１００℃増で炭材原単位１２ｋｇ／Ｔ
の減、予備還元率１％増で炭材原単位８ｋｇ／Ｔの減と
なる。

前記分離装置で分離された細粒もしくは粉状の鉄鉱石は
一部は予熱炉に戻されその残余は単味もしくは粉炭材と
混合されて加圧装置２７．２８に送られ、ここでキャリ
アガスと混合された後、加圧されて羽口２５．２−６ま
たは上吹き酸素ランス２１の専用ノズル２４に送られ、
ここから製錬炉に吹き込まれる。上記鉄鉱石の吹き込み
は歩留まりの向上になるが、粉炭の羽口からの吹き込み
は還元材としての歩留まり向上に著しい効果が認められ
る。

次いで、製錬炉内へのガス吹き込みと炉内反応との関係
について、第２図乃至第７図を参照しながら詳しく説明
する。第２図は第１図における吹き込みガスの挙動を模
式的に示したものである。

還元処理中は、その初期から終期に至るまで上吹きラン
ス２１、横吹き羽口２５及び底吹き羽口２６からガスの
吹き込みが行われる。羽口２５．２６からのガス吹き込
みは、両者の協働作用により溶湯をスラグ中に拡散させ
、還元速度を飛躍的に高める効果をもたらす。

前述したように、本発明者等はスラグＡ！！１２の鉄鉱
石の還元は、大部分溶湯中のＣを還元物質として進行す
るという事実を解明し、これに基づき溶湯を強攪拌して
スラグ層（鉄鉱石が浮遊する領域）中に積極的に拡散さ
せて還元速度を高めようというものである。このため本
発明は、底吹き羽口２６から攪拌ガスを供給して溶湯面
に隆起部（Ａ）を形成し、同時に、横吹き羽口２５から
ガス流の少なくとも一部が上記溶湯隆起部（Ａ）に当た
るようにして攪拌ガスを供給するものであり、この横吹
きガスにより溶湯隆起部（Ａ＞の溶湯がスラグ中に飛散
することになる。スラグの見掛は比重は通常０．１〜０
．５であり、一方鉄鉱石の嵩比重は１〜３前後であり、
従ってスラグ中の鉄鉱石は、スラグ下部領域に集中して
浮遊している。上記のように溶湯隆起部を横吹きガスで
飛散させると、この飛散溶湯は、鉄鉱石が存在するスラ
グ層１２の下部領域に拡散し、この拡散溶湯中のＣが鉄
鉱石を還元し、高い還元速度が得られる。このような効
果を得るためには横吹きガスが製錬炉の上下方向及び水
平方向において成るべく正確に上記溶湯隆起部（Ａ）に
当たるようにすることが好ましく、水平方向においては
、第３図（ａ）、及び（ｂ）に示すような位置関係で羽
口２５．２６を設けることが好ましい、また、底吹き及
び横吹きとも比較的多量のガスを吹き込み、強攪拌を行
う必要があることは言うまでもないが、その吹き込みガ
ス量は溶湯量、溶湯深さ等に応じて決定される。横吹き
ガスは、上述したような溶湯の拡散作用に加え、２次燃
焼領域が形成されるスラグの攪拌作用をも行うものであ
り、これについては後述する。

本発明で使用される横吹きガス及び底吹きガスは、不活
性ガス（Ｎ２　、Ａｒ等）、ｃｏまたはプロセスガスに
限定され、０２は使用されない。

これは次のような理由による。

先ず、横吹きガスに酸素を用いると、鉄鉱石還元のため
に飛散させた溶湯中のＣによる還元作用を阻害してしま
うという基本的な問題がある。加えて酸素を使用した場
合、耐火物の温度が上昇し、耐火物の損耗という問題を
生じる。また、底吹きガスに酸素を用いると、上述した
ように溶湯中で大量のＣＯガスを生じさせて溶湯を強攪
拌し過ぎ、この結果、溶湯のスプラッシュが２次燃焼領
域（第２図参照）に達し、溶湯中Ｃが後述する２次燃焼
用酸素と反応して２次燃焼が阻害されてしまう。加えて
、酸素を使用すると底吹き羽口なと耐火物の温度が上が
り過ぎるため冷却ガス＜Ｃｓ　Ｈａ　）を添加する必要
があり、これも底吹きガス量を増大させ、強攪拌による
溶湯スプラッシュの発生を過大に助長することになる。

第４図は、Ｎ２底吹きを行う本発明と、Ｎ２に代え０２
吹き込みを行った比較例について、設定した Ｏ　Ｄ　［ＰＣＯ２／　（ＤＣＯ２＋鉱石中０２＋炭材
中０２＋原料付着水（１／２）十炭材中水素（１／２）
　）　］に対する実際のＯＤ（実測）を調べた結果を示
すもので、０２底吹により２次燃焼が阻害されているこ
とが示されている。

なお、攪拌ガスであるＮ２．Ａｒ等の不活性ガス、ＣＯ
または不活性ガスは、単独または混合して使用すること
が出来る。

本発明では、２次燃焼領域を主としてスラグ内に形成さ
せつつ高２次燃焼を実現させるものであり、このように
２次燃焼領域をスラグ内に形成しかつ槽吹きガスによっ
てスラグを強攪拌することにより、高２次燃焼を確保し
つつ高い着熱効率を得ることが出来る。したがって、上
記２次燃焼用酸素は、主としてスラグ内に２次燃焼領域
が形成されるようスラグ中に吹き込まれることが必要で
ある。

具体的には上吹きランスの高さがスラグや溶湯レベルに
対し適度なレベルに設定されることが必要である。すな
わち、上吹きランス２１はそのノズル孔高さをスラグ面
上方あるいはスラグ面下とすることができるが、その高
さが高過ぎると２次燃焼領域がスラグ内に形成されなく
なって、着熱効率が低下するという問題があり、またラ
ンス高さが低過ぎると２次燃焼領域が適正に形成されな
い虞がある他、ランス２１への地金付着、ランス２１の
損傷による水漏れの虞がある。上記ランス２１の高さの
適正なレベル設定には、前記スラグが５０〜５００ｋｇ
／Ｔ程度、スラグレベルで１ｍ以上必要で、スラグが少
ない場合はスラグレベルに合わせて前記ランスを下げた
場合、ランスがらの酸素ジェットが鉄浴面に衝突して、
飛散された粒鉄中のＣの影響で炉内ガスのＯＤが低下す
るという問題が生じる。

第５図はランス先端のスラグ面（）オーミングレベル）
からの高さと着熱効率との関係を示すもので、ランス高
さがスラグ面にたいして高過ぎると良好な熱効率が得ら
れなくなることが示されている。また、第６図は横吹き
ガス量と着熱効率との関、係を示すもので、横吹きガス
を大量に吹き込み、スラグ層を強攪拌することにより良
好な着熱効率が得られることが解る。第５図及び第６図
を得たときの操業条件は容１５０ｔの製錬炉で、溶銑の
生成速度は２８ｔ／ｈｒである。

本発明では高着熱効率が得られるため、ＯＤを上記のよ
うに高くすることにより高い還元速度が得られるが、こ
れに加え、ＯＤを上げることにょり炭材（主としてコー
クス）の添加量を低く抑えることが出来、この結果、炭
材の原単位を低減を図ることができるとともに、溶湯中
のＰ成分の殆どが炭材により持ち込まれることから、溶
湯中のＰの低減を図ることができる。また、ＯＤが高く
なると、気化脱硫現象が活発になり、溶湯中のＳも低下
する。このような観点からも本発明ではＯＤは０．５以
上とする。ＯＤの上限は１．０であるが、ＯＤは大きい
程望ましい。

第７図は第１表に示す炭材Ａを用いた場合の酸化度ＯＤ
と第１図の溶融還元装置から発生する余剰エネルギーと
の関係を示なグラフ図である。図中斜線で示した範囲が
製鉄所全体のエネルギーバランスを考えたときの適正な
余剰エネルギーの範囲である。この図は前記溶融還元装
置について検討した結果えられたもので、これによれば
、ＯＤが０．５より小さい場合は余剰エネルギーは多過
ぎて無駄なエネルギーが発生することになる。このこと
は第７図に示されているように予熱予備還元率を３０％
以下にしたときに達成されるのであって、３０％より多
くすることは前述の通り鉄鉱石の予熱予備還元炉の滞留
時間が長くなり、溶融還元装置の繰業の自由度が大きく
制限されることになる。

第８図は第１表に示す炭材Ｂを用いた場合の、第７図と
同様の酸化度ＯＤと余剰エネルギーとの関係を示すグラ
フ図である。炭材Ｂは炭材Ａよりも発熱量が大きいため
、ＯＤが小さい値でも上記エネルギーバランスに見合う
適正な余剰エネルギーとなっている０本発明の溶融還元
法では、反応の性質上、炭材の粘結性、固定炭素、灰分
含有量等の物性は問わない、したがって、炭材の選択範
囲が広いことから考えて、ＯＤの最適範囲は０．５乃至
１，０である。

第　　１　　表 次に本実施例に基づく具体的数値を挙げる。炭材として
石炭を１１２４ｋｇ／ＴＨＭ　（製造される溶銑トン当
たり、以下同じ）、酸素を７９８／ＴＨＭを使用してＯ
Ｄが０．５着熱効率は７０％であった。

［発明の効果〕 本発明によれば、上吹き酸素ランスの脱炭用、２次燃焼
用の酸素ノズルから、直接、スラグ層に酸素を吹きこみ
、また、製錬炉の炉壁及び炉底に設けた羽口からガス吹
き込みを行って強攪拌し、製錬炉の発生ガスの酸化度を
０．５乃至１．０に調整して前記ガスの温度を３００℃
乃至１３００°Ｃとすることが出来るので、製錬炉の熱
効率を向上させ同時に溶融還元装置の余剰エネルギーを
製鉄所のエネルギーバランスに見合った適正なものとす
ることができる。また、予熱炉の排ガスから細粒もしく
は粉状の鉄鉱石を分離して前記鉱石をキャリアーガスと
ともに前記羽口もしくは酸素ランスの専用ノズルから吹
き込むので熱効率または鉄鉱石の歩留まりが向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶融還元法に用いられる溶融還元装置
のプロセスの説明図、第２図は第１図における製錬炉内
のガス流れを示す模式図、第３図は横吹き羽口と底吹き
羽口との位置関係を示す説明図、第４図は設定○Ｄに対
する実測ＯＤを示すグラフ図、第５図はランス高さと着
熱効率の関係を示すグラフ図、第６図は横吹きガス量と
着熱効率との関係を示すグラフ図、第７図及び第８図は
第１表に示す炭材を用いた場合の第１図の溶融還元装置
から発生する余剰エエルギーとＯＤとの関係を示すグラ
フ図である。 １０・・・製錬炉、１１・・・鉄浴、１２・・・スラグ
層、１３・・・第１のシュート、１４・・・第２のシュ
ート、１５・・・ガス導管、２１・・・酸素ランス、２
２．２３．２４・・・ノズル、２５．２６・・・羽口、
２７・・・加圧装置、３ｏ・・・予熱装置、３５・・・
分離装置、４１・・・切り替え弁、４２・・・閉止弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）鉄鉱石を炭材、造滓剤とともに、製錬炉に装入し、
   底吹き羽口及び横吹き羽口から不活性ガス、ＣＯまたは
   プロセスガスを吹き込む溶融還元法であって、 （１）先端がスラグ層の上面付近乃至下面付近のレベル
   にある上吹き酸素ランスより脱炭用酸素および二次燃焼
   用酸素を吹き込み、 （２）前記横吹き羽口からのガス流の少なくとも一部が
   前記底吹き羽口から吹き込まれたガスにより盛り上がっ
   た溶湯部分に当たるようにし、（３）前記製錬炉で発生
   するガスの酸化度 ［（Ｈ＿２Ｏ＋ＣＯ＿３）／（Ｈ＿２＋Ｈ＿２Ｏ＋ＣＯ
   ＋ＣＯ＿２）］ を０．５乃至１．０とすることを特徴とする溶融還元法
   。 ２）予熱予備還元炉を設けて、これに前記製錬炉の発生
   ガスを導入し、この発生ガスの温度を３００℃乃至１３
   ００℃、予備還元率を３０％以下として鉄鉱石を予熱予
   備還元した後、前記製錬炉に装入することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の溶融還元法。 ３）塊状の炭材を前記製錬炉にその炉口または専用の投
   入口から重力落下により装入することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項乃至第２項のいずれかに記載の溶融還
   元法。 ４）粉状の炭材を前記上吹き酸素ランスに設けた専用の
   ノズルから製錬炉に吹き込むことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の溶融還元法
   。