JPS58130210A - 転炉に於ける屑鉄・合金鉄の加熱方法 - 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】 本発明は、転炉における冷材装入物即ち屑鉄合金鉄等の
加熱方法に関する。

従来、一般に広く採用されている製鋼法は、純酸素上吹
転炉、純酸素底吹転炉、あるいは最近開発実用化されつ
つある上底吹転炉（複合吹錬法）などの転炉製鋼法であ
る。これ等各種の転炉製鋼法に共通した機能上の問題は
、他の製鋼法、例えば平炉、あるいは電気炉等に比して
、屑鉄溶解能力が高々２５〜３０％と限定されており屑
鉄使用量に限界があることである。従って、この転炉製
鋼矢の機能的な基本的問題を解決しようとする種線の提
案、試みが成されて来た。例えば、転炉に７エロンリコ
ン、カーバイド、あるいは金属アルミニューム、さらに
はコークス粉などの補助熱源を装入し、これを精錬用酸
素で燃焼させて入熱量の増加を図る方法が広く採用され
て来た。あるいはまた、転炉に装入した屑鉄を精錬に先
立って、オキンフユーアル・バーナー、あるいはトロイ
ダル・バーナーを用いて屑鉄を予熱する方法なども、あ
る限定された条件下で実用化されている。

然しなからこれ等各種の屑鉄溶解能力の向上法は、使用
する熱源のコスト的負荷が大きく、かつ燃焼生成物が転
炉の精錬反応に悪影舎を与えたり、あるいは熱効率が低
く、予熱時間の為、製鋼能率低下ケ持たらすなど広く採
用される為には種々の問題を有するものである。従って
、これ等の各種屑鉄溶解能力向上法は、例えば高炉の内
張り耐火物の巻き替え時の如き、極端な溶銑不足時の生
産対策として、極く限定された適用例を見るに過きない
。

一方、転炉の炉底に設けた精錬用ガスの底吹羽口を用い
て灯油の如き燃料と燃焼用酸素を吹き込んで装入されて
いる屑鉄を予熱する方法も古くより知られており、（特
許出願公告昭５３−２８２４．１（出願；昭４９年９月
１０日））一部の底吹転炉、あるいは上底吹転炉で実用
化されている。

この方法は、通常の精錬中には転炉々底に設けた二重管
羽口の内管より精錬用酸素を吹き込み、外管からは羽口
保護用のメタン、プロパンの如き炭化水素を吹き込むが
屑鉄予熱時には、内管に燃焼用酸素を、外管に灯油の如
き燃料油を夫々吹き込んで燃焼させ、この燃焼によって
生成する両温の排ガスを装入されている充填屑鉄層の下
方より上方に逃散浮上せ范め、その過程で被加熱物の屑
鉄に高い効率で伝熱を行なうものである。

本発明者等は、上記の方法の工業化について詳細な研究
を行なったが、上記の如く公知の羽口金利用した燃焼方
法では、極めて限定された適用しか出来ず、被加熱物の
種類及び加熱温度に限界があり、汎用性のある工業化に
は問題があることを知見した。

従って、本発明の課題は、底吹転炉、あるいは上底吹転
炉の底吹用羽口を利用した屑鉄、あるいは合金鉄の加熱
方法において、被加熱物の種類、及び加熱温度の制限を
大幅に改善、かつ、熱効率が高く、同時に被加熱物の損
失の非常に少ない、汎用性の高い技術的方法を提供する
ところにある。

先に述べた公知の方法、つまシ底吹用羽口の内管より燃
焼用酸素、外管より灯油の如き燃料を吹き込み、屑鉄、
あるいは合金鉄を加熱する場合の基本的な問題は、酸素
による灯油、あるいは他の炭化水素、他の含炭物質の燃
焼火炎温度は非常に尚いこと、及び被加熱物がある温度
に達すると、内管より吹き込まれる酸素によって直接激
しい金属と酸素の酸化反応（所謂酸素によるカッティン
グ現象）が起ることであることを、発明者等の詳細な研
究で明らかとなった。これ等二つの基本的な問題は、実
操業上致命的な障害を持たらすことも知見した。底吹用
羽口より吹き込まれた、例えば灯油と酸素の火炎温度は
、本発明者等の種々の理論計算、及び実験で確認したと
ころによれば、約３０００℃の超高温灸となり、との為
羽口直上部、及びその近傍は、短時間の加熱で局部的に
加熱され、加えて被加熱物の種類によっても異るが、被
加熱物の表面温度が約１１００〜１２５０℃に至ると酸
素によるカッテング現象を開始することが確認された。

この酸素のカッテング、つまり被加熱物の金属、例えば
、鉄、珪素、クロム、マンガン等の激しい酸化発熱反応
により被加熱物は、上述の超高温の火炎下にあることも
あり、急速に溶解が進行する。この結果、底吹用羽口を
中心として、その近傍が局部的に高温に加熱され、かっ
部分的に溶融層を形成し・これが炉底に湯溜りを作るが
、内管より吹き込まれる酸素ガスの圧力がかかる湯溜り
の形成によっても、羽口内部に溶湯が差し込まないある
臨界圧力以上で吹き込まれている為に、溶融層の一部は
、この酸素ジェットでスプラツシとして吹き飛ばされる
。このスブラツ／は、未溶解の被加熱物充填層に飛散し
て、充填層の個々の被加熱物間の空隙を充たし、遂には
局部的に半溶融状の大きな塊シとなる。つまシ、例に示
した灯油と酸素の燃焼条件では、羽口を中心にして溶融
層の湯溜が形成され、羽口直上部は吹き込みガスによっ
て完全に吹き抜け、その周囲には半溶融状の塊りの層が
形成される。この現象は被加熱物が、酸化によるカッテ
ィングが比較的起りにくい型銑で、その加熱温度が低い
場合には、比較的軽微であるが被加熱物が普通鋼屑、珪
素。

あるいはクロムを多く含んだ屑鉄、あるいはフェロクロ
ム、フェロニッケルなどの合金鉄の場合には、極く短時
間の加熱時間でも必らず発生することが判明した。

このような不可避的な現象は、底吹用事ロケバーナーと
してオリ用する、屑鉄、あるいは合金鉄の加熱方法とし
ては、致命的な障害となる。

その一つは、熱効率の低下である。底吹用羽Ｌ】を利用
した加熱方法では、羽口先端で燃焼した漏温の排ガスが
、被加熱物充填層の間隙を下部より上方に通過すること
により高い伝熱効率が得られることが大きな利点である
。然しなから、上述の如く羽口直上部が溶融して空間を
形成して燃焼カスの大部分が直接吹き抜ける為に、熱効
率が渚しく低下することが避けられないと云う実際操業
」二の大きな問題点となる。

次ぎの問題は、炉底の羽口を中心として出来た湯溜りが
羽口の内管より吹き込んだ酸素ジェットによって、容易
に吹き抜ける現象である。これはスプラツシの吹き上げ
により溶湯の一部が転炉の東＋１機まで達し、これによ
って大幅な歩留の低下を来たすと云う大きな問題を生じ
る。さらに、核力ロ熱物の酸素による激しい酸化反応に
よって、鉄。

あるいは含有する有価元素１例えばクロム、マンガンな
どの酸化である。特にクロムやマンガンなどを含む合金
鉄を加熱する時は、これ等元素の酸化は、次の精錬工程
で大きな障害となり、これ等の酸化を如何に抑制するか
は、そのプロセスの経済的評価として非常に重要である
。

次ぎに発見された大きな問題は、羽口先端上部の超高温
火炎の形成により羽口周囲の耐火物が非常な高温にさら
され、耐火物の損傷が大きいことである。

このように、従来の公知の底吹羽口を利用した屑鉄、あ
るいは合金鉄の加熱方法は、熱効率の低下、被加熱物の
集ｉＬ−機への損失（歩留低下）鉄および含有するクロ
ム、マンガン等の有価元素の酸化、さらには羽目、およ
び炉底耐火物の損傷など工業化にあたっては、基本的な
問題を残し、でいる。

本発明者等は、上記の問題を解決する加熱方法について
、種々詳細な検討・研究を行ない羽［］先端での燃焼条
件の改善により、これ等の基本的問題が抜本的に解決で
きることを知見し得た。従来の羽目を利用した加熱方法
の最も基本的な問題は、灯油の如き燃料を酸素によって
、化学量論的にＣＯ２゜Ｈ２Ｏに完全に燃焼させる一部
に、羽口先端の火炎温度が３０００℃を越えるような超
高温となり、羽目近傍の被加熱物が局部的に高温に加熱
されること、および局部的に加熱された被加熱物が燃焼
用の酸素ジェットによりカッティング（急顎な酸化反応
）されることであり、これを防止することが抜本的改善
策であることを知見した。

先ずこの解決法として、羽口先端での灯油−酸素の燃焼
条件を、従来の化学量論的な完全燃焼条件より不完全燃
焼条件に変えて検討した。灯油］ｔの燃焼に必要な理論
酸素量は、１．８８　Ｎｒｒ？であるが、この理論酸素
量に対する実際の吹込み酸素量’１ｉ５０％および３０
％に減じて、不完全燃焼の加熱試験を行なったが、先に
述べた被加熱物の局部溶解、酸素のカッティング現象は
防止できなかった。

この実験を通じて行なった詳細な検討により、羽口の内
管に酸素を吹き込む限り、この酸素が羽口先端より音速
に近いジェット流として吐出し、これにより超高温の火
炎の生成、及び酸素による被加熱物のカッティング現象
は避けられないことを思い起こした。

そこで、小規模のオフライン実験を行ない羽口先端での
燃焼条件について種々の研究を行なった結果、内管より
吹き込む燃焼用酸素に窒素、アルコン、あるいは炭酸ガ
スの如き不活性ガスを混合することにより、被加熱物の
カッティング現象が大幅に抑制されることが知見された
。

この知見に基いて、実際の操業炉である１５０トン転炉
で、更に詳細な燃焼条件についての神々の実験を行なっ
た。

実験に供した転炉は第１図に示す如く、炉底に６本の羽
口を有し、その内管には酸素、窒素、アルゴンの各ガス
を独立に、あるいは任意の比率に混合して流せ、外管に
は通常の吹錬中に流すプロパンの外に窒素、アルゴン、
および加熱時に使用する灯油を流せるようになっている
。また、上吹水冷ランスからは、通常流す酸素の外に窒
素ガスが酸素に混合されて流せるようになっている。第
１図の上底吹転炉に屑鉄を約５０トン装入し、６本の底
吹羽口の外管より灯油を２０００ｔ／時から４０００１
７時、内管吹込みガス量を純酸素から酸素と窒素の混合
比率を種々゛変えて、羽口口径によっても異るが３００
ＯＮｙ７／時から１００００ｋｂ り返えし実施した。この試験操業では、屑鉄の加熱後、
所定の溶銑を追加装入して通常の脱炭精錬を行なった。

燃焼用酸素に対する窒素の混合比率と加熱中の熱効率、
および集は機へのダストロスの関係を第２図に示す。同
図の熱効率は、屑鉄加熱後の精錬中の熱バランスより屑
鉄加熱後の平均加熱温度より算出し、ダストロスは、加
熱中の集該水中の金属酸化物の濃度、および装入鉄分の
物質バランスより算出した。第２図より判るように内管
より酸素単体ガス、あるいは窒素を１０％程度混合した
時には、先に述べたような基本的な問題が発生し・特に
被加熱物の３０〜５０％は溶融しているのが観察され、
かつ表面には金属酸化物のスラグの生成が観察された。

このような状態では燃焼火炎の吹き抜けにより、伝熱効
率が悪く熱効率も４０％以下と低く、かつ被加熱物の集
ＣＬ機へのダストロスが非常に大きい。

これに対して酸素に窒素を２０％混合した場合には、被
加熱物の溶融・カッティングが大幅に防止され、熱効率
、ダストロスも可成り改善され、この効果は酸素への窒
素の混合比率が約３０％ではソ完全となる。さらに窒素
濃度を大きくして行くと、窒素の混合比率が約７０％で
熱効率の低下の傾向が見られ８０％では、この影響は無
視できなくなる。但し、この時には窒素の冷却効果によ
り火炎温度が極度に低くなり、ダストロス、および金属
酸化物の生成は皆無であった。従って熱効率、ダストロ
スおよび金属酸化鉄の生成など加熱の総合的な特性・効
率を考えると実操業の条件としては、酸素への窒素の混
合比率は、２０％から７０％の範囲が好ましいことが判
明した。また、この程度の窒素の混合比率での操業では
、従来の灯油・酸素の燃焼の時に観察された羽口周囲の
耐火物の大きな損傷も見られず、羽口寿命も大幅に延長
できることが確認された。

また、第１図に示した上吹ランスからの酸素の供給を行
ない、その分だけ底吹ガスの供給を減じて、羽口口径を
小さくする方法についても実験を行なった。この時は底
吹羽口による燃焼条件は、先に述べた酸素と窒素の混合
ガスを吹き込んで、理論酸素歓より少ない不完全燃焼と
なるが、この時の未燃焼分解ガスを上吹ランスよりの酸
素で二次燃焼させる方法となる。上吹ランスよシ燃焼用
の酸素を吹き込む場合には、その吹き込み条件によって
は燃焼が屑鉄表面の局部に集中して先きに述べた底吹羽
口の燃焼と同様の問題が起ると同時に、上吹比率が高い
時には二次燃焼による火炎の温度が高くなり、炉内雰囲
気温度が実測によれば約１８００℃もの高温に達し・炉
体耐大物の損傷を助長する現象を随伴することが知見さ
れた。従って、この上吹酸素の燃焼条件についても、こ
れまでに述べた底吹羽口の燃焼条件と同様の検討を行な
った結果、上吹酸素に窒素を２０％から７０え混合する
ことにより、熱効率、ダストロス、金属の酸化物生成、
および耐火物の損傷などについ−０、理想的な加熱条件
が得られることが確認された。特に炉体耐大物の損傷に
ついては、炉内雰囲気温度の大幅な低下によって、加熱
を行なわない場合に比して殆んど損傷の進行がないこと
が大きな経済的効果である。なお、本実験は、酸素に混
合する気体として窒素を使用したが、先に述べた小型炉
のオフライン実験でアルゴン、炭酸ガス々どの他の不活
性ガスで、燃焼火炎の冷却効果をイ〕し、かつ金属の酸
素によるカッティング特性を抑制する効果があれば、そ
の本来の目的を達するものであり、その選択範囲は広い
ことが確認された。

以上は通常の溶銑と屑鉄を主原料とした転炉吹錬に於け
る一般の普通鋼屑を予熱してｍ鉄の溶解能力を向上させ
る方法についての実施例を示したものである。この結果
を、例えば高クロム合釜鏑を溶装する時の７工ロクロム
合金鉄の予熱に適用した時の代表的な結果を第３図に示
した。加熱時の燃焼用酸素への窒素の混合比率が０％＋
１５％＋５０％の場合の転炉の集ＣＬ機へのダストロス
を、集ＣＬ水中のクロム濃度で評価すると、第３図より
判る如く酸素への窒素の混合比率が１５％までは非常に
高濃度が検出されるが、窒素の混合比率が５０％の時に
は、殆んど検出されていない。この結果、加熱後の精錬
工程を含めた総合のクロム歩留は窒素の混合比率が０％
と１５％の時は、９０％以下であったが、窒素混合比率
が５０％の場合は、９４３％と大幅な向上が図られた。

被加熱物に上記の例に示したクロム、あるいはニッケル
やマンガンなどの高価元素を含む場合には、本発明の効
果は非常に大きくなることは当然である。

以上述べた実施態様は、本発明の全ての構成技術を埃わ
すものでなく、例えば底吹羽口より吹き込む燃料として
、他の炭化水素、あるいは含炭物　　　ｊ負などの燃料
、あるいはさらに上吹方法としては上吹水冷ランスによ
らず、炉壁土部に設置した羽目を通じて吹き込む方法な
ども、本発明の実施態様に含まれるものである。

本発明は上述した如く構成し、且つ用いることにより被
加熱物の種類、及び加熱温度などの制約条件なしに被加
熱物の加熱効率の向上、さらには被加熱損失を極めて減
少させることが出来るなどＬ炉における屑鉄１合金鉄な
どの加熱に貢献するところがきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は上底吹転炉で屑鉄１合金鉄を加熱する本発明の
概念図、第２図は屑鉄加熱時の燃焼用酸素に対する窒素
の混合比率と熱効率および集じん隈へのダストロスの関
係を示す図、第３図はフェロクロム合金鉄加熱時、燃焼
用酸素に窒素をＯ″Ｘ）。 １５％、５０％混合した場合の集じん水中クロム震度を
示す図である。 １・・・・・底吹内管ガス配管 ２・・・・・底吹外管ガス配管 ３・　・・・　・上吹ランス ４・・・・・被加熱物 ５・・・・・転炉４体 ６　・・・・底吹二重管羽目 出　願　人　新日本製鐵株式会社 第２ＷＪ へ（シイ′） 第３図 ぶ 書 ／−ＩＩ）横Ｉ’ｆｌ　涜）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１炉底に底吹用多重管羽口を設けた底吹転炉。 あるいは上底吹転炉の製鋼法で、底吹羽口の一つの流路
   より炭化水素、他の含炭物質の燃料を他の流路より燃料
   燃焼用の酸素を吹き込んで燃焼させ、装入されている屑
   鉄、あるいは／および合金鉄を加熱する方法において、
   燃焼用酸素に２０％以上７０％未満の窒素、アルゴン、
   あるいは炭酸ガスなどの不活性ガスを混合することに％
   徴とする転炉に府ける屑鉄・合金鉄の加熱方法。 （２）底吹羽口に加えて燃焼用酸素の一部を、上吹水冷
   ランス、あるいは炉壁耐火物を貫通して設けた羽目より
   供給することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   転炉に於ける屑鉄・合金鉄の加熱方法。 （３）水冷ランス、あるいは炉壁耐大物を貫通して設け
   た羽口より供給する燃焼用酸素に９素、アルゴン、炭酸
   ガスなどの不活性ガスを２０％以上７０％未満混合する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の転炉に於
   ける屑鉄　合金鉄の加熱方法。