JPH0394009A - 金属の鉄浴式溶融還元法 - 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） 本発明は鉄浴式の溶融還元法に関する。

（従来の技術） 鉄浴式の溶融還元法（以下、溶融還元と称する）では、
鉱石を溶融し、還元する媒体として炉内に多量に存在す
るスラグを活用している。まず、鉱石は上方もしくは、
炉底から供給され、鉄浴内もしくはスラグ内で溶解して
、酸化鉄としてスラグ中に溶解する。この酸化鉄は、撹
拌力により、溶銑中に溶存している炭素およびスラグ中
に混在しているコークスもしくはチャーの形態をしてい
る炭材により、還元されて溶銑が生戊する。

鉱石を還元する際には多量の還元熱が必要であり、溶融
還元法では、炉内に酸素もしくは、酸素を含むガスを供
給して、燃料として供給される石炭・コークス・石油乾
留残渣等の炭素もしくは炭化水素を燃焼させてこの熱を
補う。

溶融還元におけるスラグの主な役割は、酸素を溶銑浴か
ら遮断して、メタルの再酸化を防止するとともにスラグ
内の還元反応を促進すること、スラグの循環により燃焼
熱を効率的に炉全体に供給することがある。

一方、スラグ中に懸濁する炭材は、表面でのスラグに溶
解している酸化鉄の還元、燃焼熱の伝熱媒体の役割を持
っている。さらに、懸濁する炭利は、スラグ中の微小気
泡を合体する働きがあるため、スラグが発生するガスに
よる過剰な泡立ちを抑制して、炉口からスラグが突沸す
ることにより、操業が続行できない現象（以下、スロッ
ピングと称する）の抑制の役割も果たしている。

例えば、特開昭８２　−　２２４８１９号公報に示され
るように、特定比率で塊と粉が混合している炭材をスラ
グ内に供給して高温かつ強還元性雰囲気を作り効率的に
溶融還元を行うこともなされている。

このようにスラグ内の炭材量は溶融還元の安定操業にと
って重要であり、この炭材量を測定するためにいくつか
の方法が提案されている。

一例として供給する炭材等のＣと排ガスのＣの総量の差
を連続的に計算することにより、炉内の残留Ｃ量からス
ラグ中に混在する炭月の量を推定する方法もある。しか
しながら、この方法においては、通常の計測機器では、
供給物の計量値の誤差は通常０．１〜１％あり、また、
排ガスの流量の計算誤差も同程度は存在するとともに成
分の分析値の誤差もあり、長時間操業するとこの誤差が
蓄積してスラグ内の炭材量の実績値と推定値の差が大き
くなる。

また、炉内の炭材は、石炭の押発分が抜けたいわゆるチ
ャーとなり、比較的小さく粉化するものも多く、この発
生ガスへの飛散率も少ない場合でも３％、多い場合では
１５％程度あり、この飛散率は特々刻々計測できないこ
とから、炭材飛散もスラグ内に混在する炭材の測定に対
する大きな誤差要因となっている。

このような理由から、スラグと炭材の混合比率を理想的
な状態に絶えず保つことは非常に困難であり、しばしば
、多すぎたり、少なすぎたりすることがあり、次のよう
な操業上の問題点を生ずる。

即ち炉内の炭材量が不足した場合はスラグの膨れが過剰
となり、スロッピングをおこし、スラグが炉口からあふ
れて操業の続行が不可能となる。

また、炭材量が過剰となる場合には、炭材を含んでいる
スラグの流動が阻害されるとともに、過剰の炭月が燃焼
したガスと再反応してガスを還元し３ ４ て二次燃焼率を低下させることにより、石炭の単位重量
あたりの発生熱量が減少して石炭および酸素の原単位が
悪化することが認められている。

このように、スラグ中の炭材量を適正な比率に保つこと
ができない場合は、溶融還元の操業を続行できないか、
もしくは石炭や酸素の原単位の良い経済的な溶銑の製造
ができない問題点があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は鉄浴式の溶融還元を効率的かつ経済的に実施す
るためスラグ中に懸濁している炭材の量を正確に測定し
て、（１）溶融還元炉の浴面積あたり、もしくは、体積
あたりの生産性を向上するとともに、高生産性操業にお
いても、スラグの酸化鉄濃度を低いままで保つ。（２）
二次燃焼率および二次燃焼の着熱効率を高くして、石炭
および酸素のｆｌｉ位量あたりの発熱量を増加させて、
石炭と酸素の原単位を低減する。（８）操業中に発生す
るスロッピングを防止して、操業を連続して長時間実施
する溶融還元法を提起するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は溶融還元炉内のスラグ高さを測定してスラグの
見掛け密度を算出し、この見掛け密度が予め設定された
範囲になるように石炭等の炭材の供給速度、酸素供給速
度、鉱石供給速度のいずれか、もしくは各々を組み合わ
せて制御することを特徴とする金属の鉄浴式溶融還元法
であり、鉄浴式溶融還元炉内のスラグの見掛け密度が予
め設定した値よりも小さくなった場合に、含有する揮発
分が１０％以下の炭材を供給する方法を含む。

鉄塔式の溶融還元法においては、先に述べたように、ス
ラグ中の炭材が操業および反応において重要な役割を果
たしている。

本発明者らは、スラグ中の炭材の役割のうち、スラグの
膨れ状態を抑制する効果に注目して、次のようなスラグ
中炭材比率とスラグの膨れ状態（スラグ見掛け密度）と
の関係を調査、研究した。

つまり、鉄浴式溶融還元法においては、炭材のスラグ中
の混在比率によりスラグの膨れ状態が決まることに注１
］シて、逆にスラグの膨れ状態つま５ ６ り、スラグの高さをｌＩｌ］定することにより、スラグ
中に混在する炭材量を把握する。

又本発明者らは、溶融還元におけるスラグと炭材の関係
の研究を行い、次の事実を突き止めた。

つまり、スラグの膨れ状態は、酸化金属の還元により発
生するＣＯガスのスラグ浴面積あたりの通過流量（　Ｎ
ｍ３／　Ｈ　／　ｒｆ）とスラグ中の混在炭材比率によ
り決まる。したがって、スラグの厚みを測定して、この
時のスラグ層の平均密度を求め、この平均密度と酸化金
属の還元ガス流量とからスラグに混在している炭材量を
判定することができる。

スラグの泡立ち状態を支配する要因を明らかにするため
、小型炉でのスラグの密度測定を実施した。この結果、
鉱石の還元によって発生するＣＯガスのスラグ部の炉の
断面積あたりの流量とスラグ中に混在している炭伺の比
率により、スラグの泡立ち状態が決まっていることが判
明した。

つまり、鉱石の還元によって発ノ１：．するＣＯガスが
多いほど、また、スラグ中にＩＺ’ｉ’ＥＬているＩＡ
）ｒ４の比串が少ないほど、スラグの泡立ち高さは高く
、スラグの平均密度が小さい。この測定結果をスラグの
平均密度とガス流ｆｆｉ　（Ａ）、炭材混往比率（Ｂ）
で整理したものが昂２図である。

この実験結果に基づいたスラグの混在炭材比率の測定の
原理を次のように示す。

まず、スラグの密度を測定する。方法としては、例えば
、いわゆるサブランスの先端に導電式のスラグセンサー
を使用する方法で溶融還元の操業中のスラグ高さを測定
して、この高さと炉の形状から計算されるスラグ層の体
積とその時点で炉内に存在しているスラグの重量から、
スラグの見掛け密度を判定する。

次に、その時点の溶融還元炉に供給される鉱石の供給速
度とこの鉱石の酸素含有率から、スラグ部の炉の断面積
あたりの鉱石還元により発生するＣＯガスの流量を算疋
する。この両者の測定値と予め尖験で求めておいたスラ
グ膨れ状態と、スラグ中炭材比率および面積あたりのＣ
Ｏ流量の関係からその時点のスラグ中の炭材比率を求め
ること７ ８ ができる。

本発明では、溶融還元の操業において、適正なスラグ中
炭材の比串は、次の方法で求めた。

まず、炭材が不足した場合の問題点として、戻材の少な
い側の限界を求めるため、溶融還元の操業中に炭材の併
給を停止して、スラグ中の炭利を消費する操業を実施し
た。この結果、スラグ中の炭材重量がスラグの重量の０
．１倍もしくは、炭材の総表面積が２０ｄ／Ｔ−スラグ
以下になった時点でスロッピングが発生した。つまり、
溶融還元操業でのスラグ中の炭材の下限の比率としては
、０．１もしくは炭材の総表面積が２５ｒｆ／Ｔ−スラ
グであることが求まった。

また、炭材の多い側の限界を求めるため、物質バランス
で決まる量よりも多い供給速度で炉内に石炭を供給する
実験を実施した。この粘果、スラグ中の炭伺重量がスラ
グの重量の２．０倍になった特点から、二次燃焼の着熱
効串の悪化が認められた。

以上の７１Ｉｌ１定結果から、スラグ中の炭材比率は、
０．Ｌ〜２．０の範囲に制御することが望ましいことが
判明した。ここで、スラブ中の炭材の比率の判定の方法
については、先に述べたスラグの見掛け密度を測定する
方法が最も効果的である。

つまり、スラグの膨れ状態を測定することにより、その
ＩＩ．７点で、炭利が不足状態か、過剰状態かを判定し
て、炭材が過剰の場合は石炭の供給速度を低下させて炭
材の存在量を適正な瓜まで低減する。また、不足してい
る場合は揮発分を多く含まない炭材、例えば、コークス
、チャーもしくは無煙炭等を炉内に供給して炉内の炭材
量を適正比率まで１曽カロさせる。

溶融還元炉の操業においては、第１図の炉体１に耐火煉
瓦の内張り８をされた炉の下部に溶銑１２とスラグ１１
がそれぞれ浴を形成している。この溶銑およびスラグは
、１４００〜１７００℃程度の高温であり、この中に鉱
石を供給して、酸化鉄を溶融した後に、スラグ内の混在
しているコークスもしくはチャーの形態をしている炭材
および溶銑中の溶存炭索により、その溶融酸化鉄は還元
され、溶銑が９ １　０ 製遣される。

鉱石の供給方法としては、炉の上部のホッパーから落下
投入する方法、炉の側壁から吹きつける方法、およびス
ラグもしくは溶銑中に吹き込む方法等があるが、第１図
には、代表例として炉上方のホッパ−５から鉱石を供給
する方法を記連した。

還元熱および生成物の顕熱を補うために炉内の溶銑およ
びスラグ内の炭利に上吹ランス２から酸素（また、これ
は酸素富化空気、もしくは加熱空気でも良い）が供給さ
れる。供給された酸素は、石炭および溶銑内の溶存炭素
を燃焼して熱を発生する。また、発生してこれらのガス
とも燃焼反応を起こし、さらに熱を発生する。前者の燃
焼を一次燃焼、後者の燃焼を二次燃焼と称する。

また、鉱石の溶解、還元反応および熱移動の促進を目的
として、炉の底から羽口３を通して撹拌のためにガスを
供給する。このガスは撹拌を目的としていることから、
ガス種は特に限定されるものでなく、一般には、窒素、
アルゴン、酸素、プロパン等の炭化水素が用いられる。

１１ 石炭の供給は、溶融還元炉内の炭素バランスをほぼ一定
に保つように供給される。供給方法としては、鉱石と同
様の方法があり、第１図には、代表例として炉上方のホ
ッパ−４から石炭を供給する方法を記述した。

溶融還元の操業中には、鉱石はホッパ−５から、また、
石炭は、ホッパ−４から連続的に｛』（給され、酸素も
上吹きのランス２からスラグおよび溶銑の方向に吹きつ
けられ、供給された鉱石は溶解、還元され、溶銑として
炉下部の溶銑浴に沈降する。

また、石炭が燃焼したガスは、排ガスダクト１０を経由
して回収されて、ガス中のダストは集塵機９で除塵され
、予備還元炉での鉱石の予備還元の還元ガス、もしくは
、燃料として使用される。この時、ガスは多量の顕熱を
持っていることから、この顕熱を蒸気発生等の熱として
有効利用しても良い。

次に、溶融還元の操業が進行していくと炉内に溶銑とス
ラグが蓄積していくことから、定期的に溶銑およびスラ
グは排出される。

１　２ 本発明では、定期的な溶銑とスラグを排出する時点で、
炉内に残留する溶銑とスラグの重量を正確に把握する。

この方法としては、炉体にロードセル等の秤量機を設置
する方法と出銑・排滓後に溶銑およびスラグを鎮静して
この１１．ｉの溶銑面およびスラグ面の高さを測定して
、炉の形状から各々の体積を計算することにより、各々
の重量を求める方法等がある。

その後の溶銑・スラグのｆｆｉｆｆｉは、この値とその
後の操業に伴い増加する溶銑およびスラグの重量を、供
給される物質のバランスから逐次計算する。

操業中のスラグの高さの測定方法としては、サブランス
に電極を有し、この電極がスラグ面に接する時に電気が
通じることにより、スラグの高さを測定できるプローブ
を用いる方法、マイクロ波の反射によりスラグの高さを
測定する方法および音響測定によりスラグの高さを測定
する方法等がある。

測定は、例えば５分毎にサブランスを炉内に挿入してス
ラグの高さを測定し、この高さから、炉形状とあわせて
スラグ浴の容積を計算して、スラグの密度を計算すると
ともに、鉱石の供給速度から還元により、発生するＣＯ
ガス流量を求め、予め求めておいたスラグ中の災材比率
とこれらの関係から、炭月比率を求める。

この結果から、その、時点でのスラグ中炭材比率とその
時間変化率を求め、その時点および将来のスラグ中炭材
比率が、適正な範囲にあるか判定する。

この判定結果で、炭材が不足と判定した場合は、チャー
供給タンク６からチャーを０（給する。ここで、供給す
る炭材は、チャーに限らずコークス、無煙炭等の揮発分
の少ないものであれば良い。

また、炭材が過剰と判定した場合は、石炭のホッパ−４
からの石炭の供給速度を低下させ、スラグ中の炭材を減
少させる。

また、制御する目的量はスラグ中の炭材であることから
、例えば、石炭の供給速度だけでなく、酸素の供給速度
を変化させることにより、炭材の消費速度を変えること
も効果がある。

１　３ １４ 本発明では短時間に多量に炭利が必要な場合、補充に用
いる炭利に揮発分を含まないものを用いるが、これは鉄
浴式溶励還元のか内ではＩＡ　４４中の押発分は燃焼し
ずらく二次燃焼串を代減ずることから、もし、揮発分を
含んだ災＋４を投入した場合は、二次燃焼率が低下して
溶融還元炉の熱収支が変化して溶銑温度を大幅に低下さ
せたり、鉱石の還元に必要な熱量の供給が不足して生産
性が低下するといった問題が生ずるためである。

本発明名らは、スラグ中のＩａ　４４が不足した１１、
シに、スラグ中の炭材比率を調整する炭月はどのような
種類のものが良いか実験を行った。

実験に使用した炭材は、チャー、無煙炭、半無煙炭およ
び一般炭であり、戊分は次の表−１に示されるものを使
用した。

表 １ （％） 実験では、これら４種類の炭材を断続的に炉内に投入し
て、二次燃焼率の変化を調査した。この結果を第３図（
ａ）〜（ｄ）に示す。

この時の溶融還元の操業は、炭材としてＶＭが３０％の
一般炭を使用して、生産性は約４０Ｔ／Ｈ，石炭の供給
速度は約４５Ｔ／Ｈの条件で、操業中は添加炭材を供給
するか、しないか以外の条件はすべて一定とした。

これらの実験の結果、チャーと無煙炭を添加した実験結
果では、二次燃焼率の変化は小さく止まっているものの
、半無煙炭と一般炭を添加した場合には、添加中の二次
燃焼率の低下が暮しかり１５ １６ た。また、半無煙炭と一般炭の添加試験の操業では、添
加中に溶銑温度が降下することが見られ、この時の生産
性も低下していた。

従って本発明において、補充に用いる炭月の含有する揮
発分を１０％以下とすることが望ましい。

（実　施　例） 操業に用いた設備と原料の概要は次のものである。

炉　　容：最大１２０Ｔ鉄浴炉 溶銑量：初期６０Ｔ以上 スラグｆｆｉ＝初期３０Ｔ 溶銑温度：　１５００°Ｃ 原　料鉱石：塊状鉱石 石炭：塊状燃料炭 調整用炭材：同石炭のチャー 従来法および本発明法による操業はいずれも、２５　，
　０００Ｎ＋ｎ３／　Ｈの酸素流量を基準として、また
、スラグ内の炭Ｉｔ　ｆｆｉは、スラグ重量の３３％と
することを目標として、各々の操業法の比較を行った。

撮業時間は２時間としてこのＩＩ．＋７のスロッピング
の発生、原単位、生産性を比較した。

まず、従来法では、操業前に予想される生産性、二次燃
焼率等の操業条件から、酸素と石炭の供給速度の比率を
決めておき、その比率を操業終了まで変えない操業法に
よるものと、石炭および石灰等の副材中の供給炭素量と
排ガス流量と戊分から計算される俳出炭素量を連続的に
計測、演算してスラグ内の炭材量を求めた操業法の２例
を従来法による比較例として第２，第３表に示す。

また、本発明法に基づく操業法においては、この時の炉
内のＣＯガスの発生量の予測値：約２０，０００Ｎｍ３
／Ｈの場合のスラグの膨れ状態として、スラグの見掛け
密度０．４〜０．７を制御範囲とした。

これは、事前の調査により、この範囲の見掛け密度でス
ラグ内の炭材量がスラグの重量の０．１〜２．０となる
ことが判明したことによる。

実施例として、この操業結果を示す。

なお、スラグ見掛け密度の測定方法としては、サブラン
スに電極付のプローブを装着して、電極の通電率の変化
によりスラグ高さを求め、この値１　７ １８ とスラグ重量、炉内プロフィールから計算して求める方
法を採用した。

測定は５分おきに実施し、この結果から、その時点での
スラグ密度およびスラグ密度の変化率を計算した。この
計算値とその時刻でのＣＯガス発生量からスラグ内の炭
材星を推定した。

これらの操業の基準条件を次に示す。

送酸流量：　２５．０００Ｎｆｆｌ３／　Ｈを基準とし
て±５．００Ｏｎ？／Ｈの範囲で制御し た。

鉱石供給速度：４０〜４５Ｔ／Ｈを中心としてスラグ内
炭材量と溶銑温度に基づき 制御した。

石炭供給速度：約３５Ｔ／Ｈであり、スラグ内炭材量に
基づき制御した。

調整用炭利：スラグ内炭利量の推定値がスラグ重量の０
，２以下になった場合 に、この値が０．３３になる量だけ 供給する。

表 ２ １９ ２０ これらの操業結果から、従来法ではスラグと炭材の混合
比率を適正条件内に保つことができずに、スロツビング
を多発して操業の続行が不可能になる比率が高かったこ
とと、スラグ内の炭材を溶融還元の反応・二次燃焼に効
率的に利用できないことから生産性・石炭原単位等の操
業諸元も高い水準になかったといった問題点があった。

しかし、本発明による操業を実施することにより、スラ
グ内の炭材比率を精度良く制御することが可能となり、
２時間の連続操業においてもスロッピングによる操業の
中断が全くなくなり、また、長時間の連続操業も安定し
て行えることが確認された。また、スラグ内の炭材を還
元反応と二次燃焼に有効に活用できたことから、従来法
に比べて、生産性高くかつ二次燃焼率が高いことから石
炭原単位も低減されて経済性も優れていることが判明し
た。

（発明の効果） 本発明の方法を用いて溶融還元の操業を行うと、スラグ
内炭材比率が正確に把握できるので、スラ２２ グの膨れ状態、つまりスラグ面の高さか精度良く制御で
きて、安定してかつ生産性・経済性も優れた撮業ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶融還元設備の説明図、第２図（ａ）
　，（ｂ）及び（ｅ）はスラグ厚み及び二次燃焼率と操
業時間との関係の図表、第３図（ａ），（ｂ），（ｅ）
及び（ｄ）は炭材の二次燃焼率と操業時間との図表であ
る。 代　理　人　　弁理士　　茶野木　立　夫２３ （％） 庫諮請′４： （％） 車薊凝℃：

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融還元炉内のスラグ高さを測定してスラグの見掛
   け密度を算出し、この見掛け密度が予め設定された範囲
   になるように石炭等の炭材の供給速度、酸素供給速度、
   鉱石供給速度のいずれか、もしくは各々を組み合わせて
   制御することを特徴とする金属の鉄浴式溶融還元法。 ２、鉄浴式溶融還元炉内のスラグの見掛け密度が予め設
   定した値よりも小さくなった場合に、含有する揮発分が
   １０％以下の炭材を供給することを特徴とする請求項１
   記載の金属の鉄浴式溶融還元法。