JPH11507721A - 電弧炉内装入物の溶融プロセス - Google Patents

電弧炉内装入物の溶融プロセス

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JPH11507721A JP9502736A JP50273697A JPH11507721A JP H11507721 A JPH11507721 A JP H11507721A JP 9502736 A JP9502736 A JP 9502736A JP 50273697 A JP50273697 A JP 50273697A JP H11507721 A JPH11507721 A JP H11507721A
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ペリン、ニコラ
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Abstract

(57)【要約】 本プロセスは、炉、特に、スクラップを溶融して鋼を生産するための電気炉内の装入物を、これに溶融のエネルギーを供給することによって溶融し、酸素含有ガスを装入物の上の炉内空間に注入することによってフュームを後燃焼させることを意図している。酸素含有ガスは、複数のジェットの形態で注入され、各ジェットの流量は約50と1、200Sm3/hの間であり、注入機(11、12)の吐出速度は約10と150m/sの間である。

Description

【発明の詳細な説明】 電弧炉内装入物の溶融プロセス 本発明は、炉内、特に電弧炉内の装入物を、装入物に溶融のためのエネルギー を供給することによって行う溶融プロセスであって、装入物中のガス、特に、少 なくとも一種の可燃ガス、とりわけ一酸化炭素が溶融の最中に発生し、この可燃 ガスの後燃焼を行うために、体積換算で25%を超える酸素を含む酸化ガスが少 なくとも一部期間にわたって注入されるプロセスに関する。 「体積換算で25%を超える酸素を含む酸化ガス」なる用語は、標準的な温度 および圧力条件下において体積換算で少なくとも25%の酸素を含むガス、特に 、好ましくは体積換算で50%を超える酸素富化空気を意味するが、より好まし くは工業的に純粋な酸素、すなわち、体積換算で少なくとも88%の酸素を含む 酸素、特に、VSA(真空スイッチ吸着)タイプの吸着装置、あるいは、他の工 業的に純粋な酸素生成装置によって生成された酸素を用いるのが良く、ここには 薄膜を用いた装置も含まれる。 電弧炉、特にスクラップ溶融用の電弧炉について鋼の生産という観点から見る と、スクラップは、炉の黒鉛電極を介して装入物に供給される溶融エネルギーに よって溶融され、この時、前記炉内に存在するスクラップを溶融するための充分 な量のエネルギーが解放されるように、黒鉛電極からは非常に大きな電流が流さ れる。 現在では、これらの炉の生産性を高めるために、化石燃料がより多く使用され ている。すなわち、石炭をバスケット内に装入する、または、ランスで注入する ことによって、化石燃料の使用が可能となる。しかし、このエネルギーは、石炭 の燃焼が不完全であるために、一部分としてしか使用されない。すなわち、炭素 の酸化によって大量の一酸化炭素COが解放されてしまう。この一酸化炭素は、 電弧炉の後燃焼と呼ばれ、例えばUS−5,166,950、US−5,373 ,530およびEP−A−127,492といった特許公報に記されているプロ セスに従って炉内の酸素と燃焼される。 本出願人名義の特許US−5,166,950号公報には、スクラップを溶融 して鋼を生産するための電弧炉内において、溶融のためのエネルギーを装入物に 供給することによって、装入物を溶融するプロセスと装置について記載されてお り、炉内の装入物の上方空間に酸素を含有するガスを注入することによって、フ ュームの後燃焼が行われる。記載されたプロセスでは、炉内の装入物の上方空間 において互いに対向する向きの複数の回転ガス流を形成するために、酸素注入機 が使用される。この働きによって、酸素含有ガスと、装入物によって生成された 一酸化炭素および/または水素といった存在可燃ガスとが効果的に混合されるの で、炉内でこれらのガスの均一な後燃焼が行われ、この後燃焼は、炉の垂直軸芯 の近傍周囲に配置された垂直電極と協働して装入物の溶融に貢献する。 US−5,373,530号(EP−A−127,492号も同様であるが) 特許公報は、炉の軸芯に対して径方向でない酸素含有ガスジェットを提供するた めに、炉のケーシングを貫通して設けられた酸素含有ガス注入機について記載し ている、 電弧炉用の後燃焼プロセスは、P.MathurとG.Daughtridg eによる『電弧炉内での効果的な後燃焼のための酸素注入』なる名称の文献から も知られている。ここに記載されたプロセスでは、溶鋼溜まりに対して、超音速 (概して300m/sを超える速度)の酸素注入が行われ、酸素は溶鋼溜まりの 表面(スラグ)に衝突し、これによって、鉄が酸化鉄FeOの形に酸化し、鉄が 存在する二酸化炭素と酸化して、酸化鉄FeOと一酸化炭素とが生成され、さら に、炭素と二酸化炭素の反応によって一酸化炭素が生成される。これらの反応の 結果、この超音速酸素注入は、相当量の二酸化炭素と相当量の一酸化炭素とを含 む混合ガスを生成する。すなわち、上記のプロセスの欠点は、炉内に生成される 一酸化炭素を用いてエネルギーを生産するという可能性を充分に適用していない 点にある。 本発明によるプロセスの目的は、後燃焼によって解放されるエネルギーとこれ に応じたエネルギーの溶鋼溜まりへの転移との双方を最大にすることによって、 後燃焼のエネルギー効率を改善すること、および、炉の耐火ライニングの耐用性 を高め、電極の過剰な酸化を起こさせないことにある。そのために、本発明によ るプロセスでは、二酸化炭素を形成することによって、他の望ましくない反応、 特に、鉄の酸素との酸化反応(Fe+1/2 O2⇒FeO)および二酸化炭素の鉄 と の反応(CO2+Fe⇒FeO+CO)を阻害するべく、一酸化炭素と酸素の反 応を可能な限り促進させる。 本発明による炉内装入物の溶融プロセスは、後燃焼が行われる期間中に、酸化 ガスが、少なくとも1基の酸化ガスジェットの形態で装入物の上に低速で注入さ れ、各ジェットの流量は約50と1200Sm3/hの間で、その炉内への注入 速度は約5m/sと150m/sの間、好ましくは50m/sと125m/sの 間であることを特徴としている。 電弧炉を炉として用いた、本発明の好適な実施形態では、本発明のプロセスは 、各可燃性ガスジェットの注入方向がアークフレームによって生じる主なガス流 とほぼ一致しており、好ましくは互いに対向流となっていることを特徴としてい る。 本発明の他の実施形態では、本発明のプロセスは、炉内で後燃焼が起こらない 少なくとも一部期間は、酸化ガス注入機の閉塞を防止または抑制するために、酸 化ガスの炉内への流速は、約5m/sと20m/sの間で牽制されることを特徴 としている。 本発明の他の実施形態では、本発明のプロセスは、少なくとも1基の酸化ガス ジェットは、炉壁に対して接線方向に、25°と40°の間の角度、好ましくは 約30°程度で注入されることを特徴としている。 本発明の他の実施形態では、本発明のプロセスは、少なくとも1基の酸化ガス ジェットは、水平に対して10°と20°の間の角度、好ましくは約15°程度 の角度で、炉壁から下向きに注入されることを特徴としている。 また、酸化ガスは、好ましくは炉の側壁にわたって均一に配された少なくとも 3基の、好ましくは4基の注入機を用いて注入されるのが好ましい。しかし、必 要な空間が炉内に獲得できる場合には、可能な限り多くの注入機を設けることが 好ましく、それは例えば6基、あるいは、8基でも良い。 各酸化ガスジェットは、約80と850Sm3/hの間の流量と、約50と1 25m/sの間の、好ましくは100m/sの注入機出口速度を持つのが好まし い。 炉から発生するフュームを連続的に分析し、この分析の結果に応じて酸化ガス の流量を調節することが好ましい。これは、もしも可燃性ガスが多く存在すれば 、 それに見合っただけ多くの酸素を注入することを意味するが、注入機周辺温度を 、炉の側部パネル(炉の全周に配された水冷パネル)の熱安定性と相反しない値 に制限するために、酸素注入は段階的に行う。すなわち、酸化ガスの流量は、キ ャスティングを行っている間一般に変動することとなる。 フューム分析はフューム中の一酸化炭素濃度(例:体積換算で4%のCO)の 測定からなるのが好ましい。 出口部分に炉の垂直軸芯に対して接線方向の成分を持つような注入機の複数の グループを用いることも好ましく、この時、注入機の互いに連続するグループど うしは同じ高さに配置しても、異なる高さに配置しても良い。 本発明の他の実施形態によると、炉内の保持流量を空気で形成しても良い。 また、炉内に注入前の酸化ガスを予熱することもまた可能であり、時として好 ましい場合がある。この場合、体積換算で25%を超える酸素を含む酸化ガスを 、例えば炉との間接熱交換によって、予熱することもまた可能である。また、炉 から放出されるフュームの少なくとも一部を酸化ガスと混合した上で、両者を炉 内に注入することも可能である。この場合、酸化ガス(フューム+酸化ガスの混 合物)は、体積換算で25%を下回る、或いは体積換算で21%を下回る酸素を 含んでいても良い。 注入機の数については、一般則として注入機の数が多いほど結果が良いため、 少なくとも6基使用することが好ましい。これらの注入機は全て炉の上半分に配 置されることが好ましく、また、メタルのレベルに関して云っても炉の上半分に 位置することが好ましい。 本発明は、限定の意図を全く含まず、下記の解説的な実施形態を次の参考図と 共に参照することによって更に理解されるであろう。参考図とはすなわち: 図1は、本発明を実施している電気炉の垂直断面の概略図を示し、 図2は、図1の線分II−IIに沿った水平断面の概略図を示し、 図3は、炉の酸素注入機の長手方向断面の詳細図を示し、 図4は、炉の概略平面図を示し、 図5は、従来技術の燃焼と本発明のものとの概略比較図を示し、 図6は、使用される注入機の数毎に見た、比酸素消費量に対する比電力消費量 のカーブを示し、 図7は、一酸化炭素量に基づいて調節される二つの段階的レベルの間にわたっ て行われる酸素注入の実施形態を示す。 図1および図2に示された電弧炉は、スクラップを溶融して鉄を生産するため のものである。同電弧炉は、底部2、いわゆるスラグドア4を備えた側壁3、お よび、溶かされた製品のための出湯口5を含み、この他に、垂直軸芯X−Xに関 して同様に分配された3本の電極7、8、9の支持部をも形成する天井部6を含 む,天井部はフューム用の排出導管10を含む。 炉1には、少なくとも2本、典型的には少なくとも3本の酸素含有ガス注入機 が、各々11と12で示される少なくとも2段階からなるシリーズをなすように 設けられている。最初のシリーズの注入機11は、底部2の最下部2’から天井 部6の最上部6’までの高さHの半分の高さ近くのレベルN1に位置するが、二 番目のシリーズの注入機12は、この高さHの約3/4にあるレベルN2に位置 する、したがって、一方の注入機11と他方の注入機12とは、最高天井高さH の1/4程度垂直方向に離間した2段階の水平面上に位置する。各注入機は、接 線方向の主成分と、求心径方向の成分とを持つように配置されている。N1=H /2のレベルにある下側のシリーズの注入機11の出口は全て上から見ると反時 計回り方向で循環する下方ガス流を形成するように反時計方向に配向されている (図2)。N2=3H/4のレベルにある上側のシリーズの注入機12の出口は 全て上から見ると時計回り方向で循環する上方ガス流を形成するように時計方向 に配向されている。 注入機には、少なくとも90%の純度を持つ酸素が、各々調節部品15を伴う 各導管14を介してガス源13(図2)から供給される。 炉には、導管10から排出されるフューム中の一酸化炭素(CO)含有量を分 析する分析器16が設けられており、この分析器は、注入機11、12への供給 量を、分析器がリアルタイムで連続的に入手する測定結果に基づいて調節するた めに、調節部品15を制御するための手段を備えている。 図3は、注入機11、12の内の任意の一つ、例えば注入機11を示している 。注入機11が有するヘッド17は、炉の壁面3の厚さ方向に沿って配置されて お り、ほぼ筒状のガス通路を備えている。このガス通路は、図1に示された垂直軸 芯X−Xの径方向に延びる軸芯19に対して角度αだけ傾斜した軸芯18方向に 沿って延びている。 ヘッド17は、筒状の本体20の先端に形成されており、注入機が炉に設置さ れている状態では、この本体20の軸芯は軸芯19と一致する。この本体20に は、ヘッド17を通る軸芯18に沿うガス通路が貫通している。このように、本 体20は、図2に炉の概略的に示された在来の支持構造22によって支持された 側壁3の外表面21から突出している。 注入機の本体20は、図中にやはり概略的に示された支持ベアリング23内で 軸芯19周りに回転可能に支持されている。この炉の特有な特徴にしたがった回 転角の調節がなされると、注入機の姿勢は、ヘッド17と、注入機を受け入れる 炉壁3の筒状開口部25との間に配置される耐火充填材24によって固定される 。前記調節と無関係に、ヘッド17の前面26は側壁3の内面27とほぼ面一と なっている。 図3には、例えば冷却水のような冷却流体を循環させるための回路28も示さ れている、このような注入機の他の特徴と利点については、出願人名義のEP− A−127、492に記載されている。 本体20の後端に設けられた皿孔31には、較正された固定オリフィス30を 含んだダイヤフラム29が嵌入されており、ここに供給用の導管14が接続され ている。注入機の出口径は固定されていて、オリフィス30の径よりもずっと大 きく、約3cmと6cmの間、好ましくは5cm前後である。 さらに、前述した欧州特許にもあるように、導管14の前端には保護のための 回転不能バルブ(図示されず)を設けても良い。 操業中は、装入/キャスティングおよび溶融の各ステップが交互に実施される 。各ステップで、分析器16がフューム中のCO濃度を低い側の設定点値と比較 し、これに従って注入機への供給量を調節する。 操業している間はずっと、注入機1基当たりの酸素流量は約50と1、200 Sm3/h(1Sm3/hは、標準の温度および圧力条件下で1m3である)の間 に保持されており、注入機の寸法および、略大気圧に等しい出口圧力とを考慮に 入れた酸素ガス出口速度は、約5と150m/sの間に保持されている。より好 適な値の範囲は、注入機1基当たりの流量については100から900Sm3/ hであり、出口速度については、15から125m/sである。 注入機1基当たりの流量が約1,200Sm3/hを超えると、炉の側壁3を 構成している耐火パネルの急速な破損、および/または、電極の少なくとも一基 および/または金属のプールが酸化が起きるおそれが高い。 これらのパラメータの組み合わせにおいては、与えられた比酸素消費量に対す る比電力消費量が特に低くなることが観察された。 このことは、図1から3に示されたタイプの、出口径が50mmの注入機を6 基備えた85トン炉で、調節部品16に表示される16注入機1基当たりの最大 流量を700Sm3/hとし、また、ストリームが流れていない時の注入機保護 用の小流量を約50から70Sm3/hとして実施された試験によって確認され た。 すべての注入機が供給されている時の炉の電力消費量は、実質的に同じ酸素の 消費量において、4がら6の注入機が供給されている時にくらべてずっと少ない ことが確認された。これは、酸素の注入機出口速度が減少している時に後燃焼効 率の改善を証明する。 図4は、電弧炉の概略平面図を示し、炉内のガスの流れが概略的に示されてい る。炉40は、炉の天井を貫通する3基の電極41、42、43を含み、この天 井からはガスも逃がすことができる。空気は主に開口部44またはスラグドアか ら進入し、フュームと共に主に“第4”孔51から逃げる。溶融金属は出湯孔5 6から排出される。6基の酸素注入機45、46、47、48、49、50は、 炉の周辺に沿って均一に、全て略同一の水平面内に配分されている。炉内でのガ スとフュームの動きは矢印52、53、54、55によって示されている。 操業中は、電極によって発生するアーク発生がガスを周辺に追い出す。矢印5 3によって示される流れが中心(電極)から始まり、側壁40に向かって移動し 、側壁40に沿い、“第4孔”51まで移動する。同様に、矢印54によって示 される流れは炉の側壁に沿って移動して、第4孔51から逃げる。スラグドアか ら進入した空気55は、“第4孔”51に向かい、流れ52は電極から離れて、 ド ア44と孔51の方向に側壁に向かう。 本発明によれば、酸素注入機は、フュームに対してほぼ対向流で酸素を注入で きるように配置されている。注入機50はガス流れ52の対向流、注入機48と 49はガス流れ53の対向流、注入機46と47はガス流れ54の対向流、注入 機45はガス流れ55の対向流となっている。 図5は、従来技術(図の右手側)と本発明(図の左手側)の比較対照する解説 である,従来技術によれば、金属プール60の上のスラグ61の表面に向けられ た酸素ランス73は、酸素を炉62内のガス/フュームを介して高速(超音速) で注入する。 その高速性のために酸素は溶鋼と接触するに到り、下記の反応が起こる: Fe+1/2 O2→FeO この反応は鉄と酸素を消費してスラグを形成するので有害である。 鉄は、一酸化炭素と酸素の反応によって生成された二酸化炭素とも反応する。 この二酸化炭素は高速の酸素によって金属プールと接触して、下記の反応によっ て、さらなろFeOと若干の一酸化炭素を生成する: Fe+CO2→FeO+CO 生成されたCOは不幸にして酸素と反応しない。それは酸素が、相当量の酸素 を注入しない限り、他所(前述の箇所を見よ)で消費され、一部は消失するから である。 二酸化炭素は溶鋼中で炭素とも反応して、脱炭反応(すなわち有害反応)を引 き起こし、COを発生し、このCO自身は燃焼されない。 出願人の会社が本発明を開発したのは、以上に挙げた種々の技術的間題の存在 が明らかとなり、これらを解析した後である。この発明では、酸素が注入機63 から低速度で注入され、ガス状の雲64が形成されて、金属のプール60の上に 残留し、プールから領域64に進入してくるCOと下記の式に基づいて反応(C Oとのみ排他的に反応)する: CO+1/2 O2→CO2 金属のプールによって生成された全ての一酸化炭素はかくして酸素と燃え、C Oの真の(発熱の)後燃焼が、エネルギー的に最適化された量の酸素と共に生み 出される。 図6は、注入機4基の場合(白丸)と、注入機6基の場合(黒丸)における比 酸素消費量に対する比電力消費量(kWh/t)を示す(他の条件は全て共通) 。一つの丸印は一回のキャスティングを示す。注入機6基では、4基に比して比 電力消費量(kWh/t)が著しく改善されていることが明白にわかる。 多数のキャスティング回数を平均すると、下記の結果が得られた: 図7は、段階的に制御された酸素注入の例を示す。フューム中の一酸化炭素含 有量が4体積%以上であれば、装入後の溶融時間の最初の60%では最高800 Sm3/hの酸素が炉内に注入される。4体積%を下回っていれば、100Sm3 /hの酸素が注入される。溶融時間の60%と75%の間では、注入量は400 Sm3/hと100Sm3/hの間で同様に調節され、溶融時間の75%と100 %の間では、注入量は200Sm3/hと100Sm3/hの間で同様に調節され る。たどられたカーブ100は実線で示されている。第1変形例では、800S m3/hと100Sm3/hの間の(カーブ102に沿った)段階を維持しても良 い。また、溶融時間の60から100%の間、400と100Sm3/hの間( カーブ101に沿った)を維持しても良い。 全ての注入機を同じ設定点値、例えば4体積%などに基づいて調整することも 、また、異なる設定点値(注入機毎に一つの値、あるいは、一つまたは複数のグ ループの注入機に対して同じ値)に基づいて調節することも可能である。 比較例: 下記に示した例は、従来技術による設備稼働(以下“バーナーPC”と称す) と本発明による同様の設備稼働(以下“発明PC”と称す)の比較である。この 例は、生産金属量1トン当たり18kW/hのエネルギー節約を示しており、こ れは、1時間より若干多めの間に行われる約100トンのキャスティングの間に 1,800kW/hが節約されることを意味する。従来技術による設備は4基の 高速酸素注入機(250m/s)を有するのに引き替え、本発明による設備は4 基の本発明による低速酸素注入機(110m/s)を有する。下記に記載したも の以外の条件は、両設備間で実質的に同一である。得られた結果は下記のように まとめられる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペリン、ニコラ シンガポール国、シンガポール 598831、 ハイゲート・クレッセント 50 (72)発明者 ビレゼ、フレデリック フランス国、92330 ソー、リュ・ドゥ・ フォントネ 12

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.炉内の装入物に溶融のエネルギーを供給することによってこれを溶融する プロセスであり、このプロセス中には、ガス、特に少なくとも一種の可燃ガス、 とりわけ一酸化炭素がこの装入物の溶融中に発生し、前記可燃ガス、とりわけ一 酸化炭素の後燃焼を行うために、体積換算で25%を超える酸素を含む酸化ガス が少なくとも一部期間に注入されるプロセスにおいて、 後燃焼が行われる期間中に、酸化ガスが、少なくとも1基の酸化ガスジェット の形態で装入物の上に低速で注入され、各ジェットの流量は約50と1,200 Sm3/hの間で、その炉内への注入速度は約5m/sと150m/sの間であ ることを特徴とするプロセス。 2.炉が電弧炉であり、その特徴として、各可燃ガスの注入方向はアークの火 炎によって発生する主なガス流と実質的に一致している請求項1によるプロセス 。 3.酸化ガス注入機の閉塞を防止または抑制するために、炉内への酸化ガス注 入の保持流量が、少なくとも炉内で後燃焼が起こらない一部期間中は、約5m/ sと20m/sの間の速度で提供されることを特徴とする請求項1または2に記 載のプロセス。 4.少なくとも一つの酸化ガスジェットは、炉の壁に対して接線向きに、25 °と40°の間、好ましくは約30°付近の角度で注入されることを特徴とする 請求項1から3のいずれか1項に記載のプロセス。 5.少なくとも一つの酸化ガスジェットは、炉の側壁から下向きに、水平に対 して約10°と20°の間、好ましくは約15°のオーダーの角度で注入される ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のプロセス。 6.酸化ガスは、炉の横向き面にわたって均一に配分された少なくとも3基、 好ましくは4基の注入機によって注入されることを特徴とする請求項1から5の いずれか1項に記載のプロセス。 7.各酸化ガスジェットは約80と850Sm3/hの間の流量を有し、注入 機からのガス吐出速度は50m/sと125m/sの間、好ましくは約100m /sであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のプロセス。 8.炉から出るフュームは連続的に分析されること、および、前記酸化ガス流 量はこの分析結果に応じて調節されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれ か1項に記載のプロセス。 9.スクラップを溶融して鋼を生産する電弧炉において、フュームの分析はフ ューム中の一酸化炭素濃度の測定からなることを特徴とする請求項1乃至8のい ずれか1項に記載のプロセス。 10.炉の垂直軸芯(XX)に対して接線方向の成分を出口部分に持つ注入機 の複数のグループが用いられ、注入機の互いに連続するグループは、異なる高さ (N1、N2)に配置され、互い違いの周方向を向いていることを特徴とする請求 項1乃至9のいずれか1項に記載のプロセス。 11.同じ高さに配置された一つのシリーズの注入機が用いられ、これらの注 入機の一部は、第1方向の周成分と水平に対して第1角度の下向き成分を有し、 他の注入機は、逆方向の周成分と好ましくは前記第1角度と異なる、第2角度の 下向き成分を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の プロセス。 12.酸素含有ガスは少なくとも88%の純度の酸素であることを特徴とする 請求項1乃至11のいずれか1項に記載のプロセス。 13.キャスティングの間、酸化ガスの流量は、段階的な酸素注入によって可 変であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載のプロセス。 14.炉内で後燃焼が起こらない少なくとも一部期間は、炉内へ注入される酸 化ガスの牽制流量が提供され、このガスが空気であることを特徴とする請求項1 乃至13のいずれか1項に記載のプロセス。 15.少なくとも6基の酸化ガス注入機が使用されることを特徴とする請求項 1乃至14のいずれか1項に記載のプロセス。 16.酸化ガス注入機は全て炉の上半分に配置されることを特徴とする請求項 1乃至15のいずれか1項に記載のプロセス。 17.酸化ガス注入機は全て、金属の高さに対して炉の上半分に配置されるこ とを特徴とする請求項16に記載のプロセス。 18.酸化ガスは、前記炉内への注入前に予熱されるように、炉によって産出 されるフュームの少なくとも一部と混合されることを特徴とする請求項1乃至1 7のいずれか1項に記載のプロセス。 19.酸化ガスは炉内へ導入される前に予熱されることを特徴とする請求項1 乃至18のいずれか1項に記載のプロセス。
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