JP2020015956A - 金属融解装置および溶融金属の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送風空気の偏流を少なくし、鉄系スクラップを均等に溶融することで、安定的に操業できる技術を提供する。【解決手段】金属スクラップを融解する金属融解装置１は、上部の装入口１８から金属スクラップと炭材とが装入され、充填される炉体１０と、炉体１０の底部の側壁面に設けられ、炉体内の半径方向中心に向けて送風する複数の第１の羽口１３と、炉体１０内の底部から上方に向けて送風する第２の羽口１４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄等の金属源を融解する金属融解装置および溶融金属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鉄融解炉（溶解炉とも称される）が知られている（例えば、特許文献１）。

竪型鉄融解炉は、炉体頂部に、鉄系スクラップおよびコークスを装入するための原料装入部が設けられ、炉体上部の側壁面に、羽口からの空気を排出するための排気口が設けられている。また、羽口は、炉体側壁面に複数設けられている。

ところで、鉄系スクラップは様々な大きさのものが存在する。装入する最大の鉄系スクラップの重量より１００分の１以下である微粒鉄が多く含まれた場合、大きいサイズのスクラップの隙間に微粒鉄が入りこみ、局所的に空隙率が小さくなることで通気性が悪くなり、圧力損失が増加する場合がある。竪型鉄溶解炉は羽口および排気口が炉体側壁面に設けられているため、通気性が悪くなった場合に、羽口から送風された空気（送風空気）が炉体側壁面に沿って流れやすくなり、送風空気の偏流が生じる。このような場合、炉体側壁面付近でスクラップが融解し、融解したスクラップが側壁面に接触して凝固し、側壁面に鉄が固着する。このようになると、送風空気の不均等となるばかりでなく、側壁面に固着した鉄が成長してスクラップやコークスが引っ掛かり、竪型鉄融解炉を正常に運転できない事態も生じてしまう。

これに対し、特許文献２には、竪型炉内で微粒子の滞留量を予測し、送風を制御する技術が提案されており、この技術を上記竪型鉄融解炉に適用することが考えられる。つまり、鉄系スクラップ中の微粒鉄の量を事前の推定式によって予測し、空隙率の減少に応じて送風を制御し、微粒鉄が多く含まれたとしても送風空気の偏流を防止できる技術である。

特開２０１０−１４３１９号公報 特開平７−１８３１３号公報

しかしながら、鉄系スクラップは様々な形状を持つため、実際には、予測式によって炉内部の状態を精度よく予測することは難しい。また、制御パラメータは、羽口からの送風量と送風温度のみであるため、予測式によって炉内部の状態を予測できたとしても、予測結果に基づいて前記２つのパラメータを制御して鉄系スクラップが溶融する領域を制御することは困難である。

本発明は、送風空気の偏流を少なくし、鉄系スクラップを均等に溶融することで、安定的に操業できる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の（１）〜（１２）を提供する。

（１）金属スクラップを融解する金属融解装置であって、
上部の装入口から金属スクラップと炭材とが装入され、充填される炉体と、
前記炉体の底部の側壁面に設けられ、前記炉体内の半径方向中心に向けて送風する複数の第１の羽口と、
前記炉体内の底部から上方に向けて送風する第２の羽口と
を有することを特徴とする金属融解装置。

（２）前記第２の羽口は、前記炉体の半径方向中心部に設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の金属融解装置。

（３）前記第２の羽口は複数有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の金属融解装置。

（４）前記第２の羽口の上端の高さ位置は、前記第１の羽口の高さ位置から、前記炉体の直径の±２０％の範囲内であることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載の金属融解装置。

（５）前記第２の羽口の上端の高さ位置は、前記第１の羽口の高さ位置から、前記炉体の直径の±５％の範囲内であることを特徴とする上記（４）に記載の金属融解装置。

（６）前記第２の羽口からの送風量が前記第１の羽口からの送風量よりも多いことを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載の金属融解装置。

（７）前記第２の羽口からの送風流速が、前記第１の羽口からの送風流速よりも大きいことを特徴とする上記（１）から（６）のいずれかに記載の金属融解装置。

（８）前記第２の羽口の周囲に設けられた、前記第２の羽口が最も高くなるような山型をなす支持台をさらに有することを特徴とする上記（１）から（７）のいずれかに記載の金属融解装置。

（９）金属スクラップを融解して溶融金属を製造する溶融金属の製造方法であって、
炉体内に金属スクラップと炭材とを装入し、充填させ、
前記炉体の底部の側壁面に設けられた複数の第１の羽口から、前記炉体内の半径方向中心に向けて送風するするとともに、
前記炉体内の底部に設けられた第２の羽口から、上方に向けて送風することにより、前記金属スクラップを融解することを特徴とする溶融金属の製造方法。

（１０）前記第２の羽口からの送風量が前記第１の羽口からの送風量よりも多いことを特徴とする上記（９）に記載の溶融金属の製造方法。

（１１）前記第２の羽口からの送風流速が、前記第１の羽口からの送風流速よりも大きいことを特徴とする上記（９）または（１０）に記載の溶融金属の製造方法。

（１２）前記第２の羽口の周囲に、前記第２の羽口が最も高くなるような山型をなす支持台を設け、前記支持台により、前記第１の羽口から前記炉体半径方向中心に送風した空気の流れを上方の流れに変向することを特徴とする上記（９）から（１１）のいずれかに記載の溶融金属の製造方法。

本発明によれば、送風空気の偏流を少なくし、鉄系スクラップを均等に溶融することで、安定的に操業できる技術が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る金属融解装置である竪型鉄融解炉を模式的に示す断面図である。 第２の羽口を複数設けた場合を示す模式図である。 従来の竪型鉄融解炉を模式的に示す断面図である。 従来の竪型鉄融解炉において羽口からの送風空気の偏流により生じた鉄の固着を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る金属融解設備である竪型鉄融解炉を模式的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る金属融解装置である竪型鉄融解炉を模式的に示す断面図である。図１に示すように、竪型鉄融解炉１は、炉体１０を有する。炉体１０には上方から貯蔵管１７が挿入され、貯蔵管１７の上部開口は、金属スクラップである鉄系スクラップ、および炭材であるコークスを装入するための装入口１８となっている。以下、鉄系スクラップとコークスをあわせて、原料と称することがある。

装入口１８から装入された鉄系スクラップおよびコークスは、貯蔵管１７に一旦貯蔵された後、炉体１０内に装入され、充填される。そして、図１のように、炉体１０内では、鉄系スクラップおよびコークスは、鉄系スクラップ層１１とコークス層１２とが交互に積層された状態とされる。なお、装入口１８からは、石灰等の副原料も装入され、副原料はコークス層１２に含まれる。

炉体１０の底部の側壁面には、高温の空気を送風する複数の第１の羽口１３が同じ高さ位置に設けられている。第１の羽口１３からは、高温の空気が炉体１０の側壁面側から炉体１０内の半径方向中心に向けて高温空気を送風する。また、炉体１０の側壁面の第１の羽口１３の下方位置には、溶銑を出銑する出銑口１５が設けられている。出銑口１５からは、溶銑とともに、副原料の成分を含むスラグも排出される。

炉体１０内の底部には、鉄系スクラップの溶融により生成した溶銑１６が貯留される。

炉体１０の上部の側壁面には、炉体１０内を排気するための排気口１９が形成されている。排気口１８には排気ダクト（図示せず）が接続されており、炉体１０内に供給された空気が炉体１０内で発生した粉末のダスト等とともに排気口１９から排気ダクト（図示せず）に導かれ、ダストが集塵装置（図示せず）で分離された後、大気中へ排出される。

本実施形態では、高温空気を送風する羽口として、上記第１の羽口１３の他に、炉体１０の底面から上方に延び、炉体１０の底部から上方に向けて送風する第２の羽口１４を有する。第２の羽口１４は炉体１０内の半径方向中心部に設けられ、第２の羽口１４から送風される空気は、炉体１０内の中心部に供給される。炉体１０内の底部に存在する溶銑１６は、温度が１５００℃程度になるため、第２の羽口１４の周囲には耐火物を設けることが望ましい。または、冷却管を第２の羽口１４に埋め込んでもよい。

第２の羽口１４は、炉体１０の中心部に送風する必要があるため、第２の羽口１４の上端は、炉体１０内の溶銑１６上面より上方に設ける必要がある。また、第２の羽口１４の上端の高さ位置は、第１の羽口１３の高さ位置から、炉体１０の直径の±２０％の範囲内であることが好ましく、±５％の範囲内であることがより好ましい。また、第２の羽口１４からの送風量は、第１の羽口１３からの送風量より多いことが望ましい。さらに、第２の羽口１４からの送風流速は、第１の羽口１３からの送風流速より大きいことが望ましい。

第２の羽口１４は、底面中央部に複数設けられていてもよい。図２には、第２の羽口１４を３つ設けた例を示している。ただし、その数は限定されない。また、第２の羽口１４を複数設けた場合、それらの大きさが異なっていてもよい。例えば、底面の中心付近に大きな羽口を設け、その周囲に小さな羽口を設ける構成とすることができる。

また、第２の羽口１４からの送風は、炉体１０内の中心部への直進性を良くするため、旋回流にしてもよい。

なお、第１の羽口１３および第２の羽口１４は、空気の他に酸素、可燃ガスや可燃材も供給できる２重管構造、３重管構造であってもよい。

次に、このように構成された竪型鉄融解炉１の処理動作について説明する。
炉体１０内に鉄系スクラップおよびコークスが装入され、炉体１０内に鉄系スクラップ層１１とコークス層１２とが交互に積層された状態とし、第１の羽口１３および第２の羽口１４から高温の空気を送風する。これにより、空気中の酸素とコークス中の炭素とが反応して一酸化炭素または二酸化炭素を生成するとともに、その際に反応熱により鉄系スクラップがその融点以上に加熱され、鉄系スクラップが溶融する。鉄系スクラップが溶融して生成された溶銑は下方に流れ落ち、炉体１０内の底部に貯留され、出銑口１５からスラグ等とともに排出される。また、スクラップの融解が進むにしたがって、装入された原料は、徐々に炉体本体の下方に移動する。

図３に示すように、従来の竪型鉄融解炉１０１は、羽口として第１の羽口１３のみが設けられており、第１の羽口１３より送風された空気は、炉体１０内の半径方向中心に向けて送風される。このとき、大きい鉄系スクラップに微粒鉄が配置された場合は、局所的に空隙率が小さくなり、大幅に圧力損失が大きくなるため、第１の羽口１３から送風された空気は、その中心部に向かうことができず、すぐさま上方に向かう流れとなる。つまり、第１の羽口１３は炉体１０の側壁面に設けられているため、第１の羽口１３から送風された空気は、主に炉体１０の側壁面に沿って流れ、炉体１０の中心部に向かう空気が少なくなる偏流となる。このため、空気中の酸素とコークス中の炭素との燃焼反応は側壁面付近で生じ、炉体１０の中心部でのコークスの燃焼が少なくなる。つまり、送風空気の偏流により、炉体１０内部のコークスの燃焼は均一にはならない。

送風空気の偏流により、温度が高くなった側壁面付近では、一部の鉄系スクラップが溶融し、溶融した鉄が固体状の鉄系スクラップの隙間を埋める。この際に発生した熱が、周囲の固体状の鉄系スクラップに伝わること、および相対的に低温である側壁面に伝わることで、図４に示すように、炉体１０の側壁面に鉄が固着する、すなわち固着鉄２０が発生してしまう。固着鉄２０が存在すると、送風空気の流れはさらに不均一となる。

これに対し、本実施形態では、第１の羽口１３の他に、第２の羽口１４を設けた。第２の羽口１４は、炉体１０の底面中央部から上方に延び、炉体１０内の底部から上方に向けて送風するので、第２の羽口１４から送風される空気は、炉体中心部により多く向かう。中心部のコークスが羽口１４から送風される空気により燃焼し、この熱により中心部の鉄系スクラップが溶融する。溶融した鉄系スクラップは下方に降下し、その空間が空き周囲の原料が流れ込む。中心部は炉体壁面の摩擦がないため、原料が下方に降下しやすく安定的に操業することが可能になる。また、送風空気が炉体１０内の中心部にも供給され、送風空気の偏流を抑制することができる。このように、中心部に送風することにより、炉体１０内の中心部でコークスの燃焼による鉄系スクラップの溶融が促進され、鉄系スクラップを安定的に溶融し操業することができる。また、送風空気の偏流も抑制することができる。

また、炉体１０の中心部の鉄系スクラップが溶融すると、その空間が空くため、原料が炉体１０内の中心部に向かうことになる。炉体１０の中心部は炉体壁面の摩擦がないため、原料が下方に降下しやすく、より安定的に操業を行うことができる。

また、第２の羽口１４からの送風量を、第１の羽口１３からの送風量より多くすることにより、炉体１０内の側壁面よりも中心部での燃焼量を多くすることができる。このため、中心部に向かう原料の流れを大きくすることが可能になり、さらなる安定操業につながる。

さらに、第２の羽口１４からの送風流速を第１の羽口１３からの送風流速より大きくすることにより、炉体１０内の中心部に流れる空気流速が大きくなるため、炉体１０内の側壁面部の空気を巻き込み、炉体１０内の中心部の流量を増やし、中心部の燃焼を促進することができる。

さらにまた、第２の羽口１４の上端の高さ位置を、第１の羽口１３の高さ位置から、炉体１０の直径の±２０％の範囲内とすることにより、第１の羽口１３および第２の羽口１４からの送風バランスを取りやすく、また、第２の羽口１４からの送風により効率良くコークスを燃焼させることができる。第２の羽口１４の上端位置が、炉体１０の直径の＋２０％の位置より上方位置になると、炉体１０内の低温部分に送風されることとなり、効率が低下する。また、第２の羽口１４の上端位置が、炉体１０の直径の−２０％の位置より下方位置になると、第２の羽口１４の上端に落下する溶銑の量が多くなり、第２の羽口１４のダメージや詰りが発生しやすくなる。

第１の羽口１３および第２の羽口１４からの送風バランスをより取りやすくする観点からは、第２の羽口１４の上端の高さ位置が、第１の羽口１３の高さ位置に近いことが好ましく、第２の羽口１４の上端の高さ位置を、第１の羽口１３の高さ位置から、炉体１０の直径の±５％の範囲内とすることが好ましい。

さらにまた、第２の羽口１４からの送風を旋回流にすることにより、流れ流速と旋回の運動量を持たせることが可能になり、鉄系スクラップやコークスが充填された領域でも送風の直進性を向上させることができる。このため、炉体１０内の中心部により深く送風することができ、中心部の燃焼をより促進することが可能になる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る金属融解装置である竪型鉄融解炉を模式的に示す断面図である。第２の実施形態の竪型鉄融解炉１′は、第２の羽口１４の周囲に、第２の羽口の先端が最も高くなるような山型の支持部材３０が設けられている。山形の支持部材３０は、第２の羽口１４を支持するとともに保護する機能を有する。また、支持部材３０は、第１の羽口１３より炉体半径方向中心に送風した空気の流れを上方の流れに変向する機能を有する。

このため、支持部材３０により、第２の羽口１４を不測の衝撃等から保護して第２の羽口の寿命を高めることができる。また、支持部材３０により、第１の羽口１３からの空気の流れを上方の流れに変向できるので、炉体１０内の中心部に送風する空気量を多くすることが可能となり、より均等に送風することができる。

支持部材４０は、保護機能が高い耐火物からなることが好ましい。また、保護部材４０は、コークスベッドにより構成されていてもよい。

＜他の適用＞
以上、本発明の２つの実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、鉄系スクラップと炭材としてのコークスを用いて溶銑を生成する鉄融解設備に本発明を適用した例を示したが、これに限らず、他の金属、例えばニッケル基合金や銅等の融解炉にも適用可能である。また、炭材としては、コークス以外のもの、例えばフェロコークス、タールやピッチを固形化したものなども使用可能なことは言うまでもない。

１、１′ 竪型融解設備
１０ 炉体
１１ 鉄系スクラップ層
１２ コークス層
１３ 第１の羽口
１４ 第２の羽口
１５ 出銑口
１６ 溶銑
１８ 装入口
１９ 排気口
２０ 固着鉄
３０ 支持部材

Claims (12)

1. 金属スクラップを融解する金属融解装置であって、
   上部の装入口から金属スクラップと炭材とが装入され、充填される炉体と、
   前記炉体の底部の側壁面に設けられ、前記炉体内の半径方向中心に向けて送風する複数の第１の羽口と、
   前記炉体内の底部から上方に向けて送風する第２の羽口と
   を有することを特徴とする金属融解装置。
2. 前記第２の羽口は、前記炉体の半径方向中心部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属融解装置。
3. 前記第２の羽口は複数有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属融解装置。
4. 前記第２の羽口の上端の高さ位置は、前記第１の羽口の高さ位置から、前記炉体の直径の±２０％の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属融解装置。
5. 前記第２の羽口の上端の高さ位置は、前記第１の羽口の高さ位置から、前記炉体の直径の±５％の範囲内であることを特徴とする請求項４に記載の金属融解装置。
6. 前記第２の羽口からの送風量が前記第１の羽口からの送風量よりも多いことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金属融解装置。
7. 前記第２の羽口からの送風流速が、前記第１の羽口からの送風流速よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の金属融解装置。
8. 前記第２の羽口の周囲に設けられた、前記第２の羽口が最も高くなるような山型をなす支持台をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の金属融解装置。
9. 金属スクラップを融解して溶融金属を製造する溶融金属の製造方法であって、
   炉体内に金属スクラップと炭材とを装入し、充填させ、
   前記炉体の底部の側壁面に設けられた複数の第１の羽口から、前記炉体内の半径方向中心に向けて送風するするとともに、
   前記炉体内の底部に設けられた第２の羽口から、上方に向けて送風することにより、前記金属スクラップを融解することを特徴とする溶融金属の製造方法。
10. 前記第２の羽口からの送風量が前記第１の羽口からの送風量よりも多いことを特徴とする請求項９に記載の溶融金属の製造方法。
11. 前記第２の羽口からの送風流速が、前記第１の羽口からの送風流速よりも大きいことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の溶融金属の製造方法。
12. 前記第２の羽口の周囲に、前記第２の羽口が最も高くなるような山型をなす支持台を設け、前記支持台により、前記第１の羽口から前記炉体半径方向中心に送風した空気の流れを上方の流れに変向することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の溶融金属の製造方法。

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