JP2021172860A - 冷鉄源の溶解・精錬炉、及び溶解・精錬炉の操業方法 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、特許文献1によれば、温度計によって測定された炉内温度、並びに、排ガス分析装置によって測定されたガス成分濃度及び排ガス流量を解析し、温度計及び排ガス分析装置に電気的に接続された流量制御ユニットにより、炉内に供給する支燃性ガス、燃料ガス及び炭素源の供給量を制御することが提案されている。
即ち、請求項1に係る発明は、炉内の冷鉄源に向けて、酸素を含む支燃性ガスと燃料ガスとを噴出させる酸素バーナ・ランスを備える溶解・精錬炉であって、炉壁を貫通するように設けられた貫通孔と、前記貫通孔に設けられた1以上の酸素バーナ・ランスと、を備え、前記酸素バーナ・ランスが、前記炉内に連通する開口を有する、支燃性ガス供給管、及び、燃料ガス供給管を各々1以上で有し、前記支燃性ガス供給管の何れか1以上に高温ガス発生装置が設けられた、溶解・精錬炉である。
従って、原料の酸化防止と、原料の加熱効率を高めることとを両立できるので、原料溶解に必要な電力使用量を低減しながら、溶解・精錬時間を短縮でき、生産性向上や省コスト化を図ることが可能になる。
また、炉内の温度の測定値に基づいて、支燃性ガス及び燃料ガスの供給量の制御や、燃焼の開始又は停止を行うことで、炉内の状況に応じて、より効率的に冷鉄源を溶解・精錬できる。
従って、上記同様、原料の酸化防止と、原料の加熱効率を高めることとを両立できるので、原料溶解に必要な電力使用量を低減しながら、溶解・精錬時間を短縮でき、生産性向上や省コスト化を図ることが可能になる。
以下に、本実施形態の溶解・精錬炉の構成について詳細に説明する。
図1は、本実施形態の溶解・精錬炉1の構成を示す概略図であり、各ガス流路を示す系統図である。図2は、本実施形態の溶解・精錬炉1に備えられる高温ガス発生装置10の構造を示す断面図である。図3は、溶解・精錬炉1におけるガス流路の他の例を示す系統図である。
そして、本実施形態の溶解・精錬炉1は、酸素バーナ・ランス3が、電気炉2内に連通する開口を有する支燃性ガス供給管31、及び、燃料ガス供給管32を有し、支燃性ガス供給管31の経路に高温ガス発生装置10が設けられ、概略構成される。
また、図示例においては、電気炉2内に炭素源Cを供給するための炭素源供給孔23が設けられている。
また、図示例においては、さらに、貫通孔21よりも上方における炉壁2Aを貫通するように設けられ、電気炉2内に二次燃焼用の酸素を含む支燃性ガスG2を供給するための支燃性ガス供給孔22を備えている。
また、酸素バーナ・ランス3に供給する支燃性ガスG2としては、例えば、酸素富化空気、又は、酸素が挙げられる。
また、炭素ランス8から電気炉2内に供給される炭素源Cは、上記のような副熱源として用いるか、あるいは、溶鋼に炭素を導入するための成分調整用として用いることもできる。
バーナ11は、燃料ガスG1と支燃性ガスG2とで火炎を形成する燃焼室15と、燃焼室15に燃料ガスG1を供給する燃料流路12と、燃焼室15に支燃性ガスG2を供給する第1支燃性ガス流路13(支燃性ガス流路)及び第2支燃性ガス流路14(支燃性ガス流路)と、予熱室17に連通し、この予熱室17に向けて被加熱用ガス(支燃性ガス)G4を供給する被加熱用ガス流路16とを有する。
また、図示例の高温ガス発生装置10は、さらに、バーナ11及び予熱室17の何れか一方あるいは両方を冷却するための冷却ジャケット18を備える。
また、被加熱用ガス流路16は、予熱室17に連通するとともに、第2支燃性ガス流路14の周囲に配置され、図示例においては、予熱室17の内部に開口しており、火炎の周囲から被加熱用ガスG4を噴出することで、予熱室17に向けて被加熱用ガスG4を供給する。
より詳細に説明すると、燃料流路12は、燃料流路管51を介して流量制御ユニット5に接続される。また、第1支燃性ガス流路13及び第2支燃性ガス流路14は、それぞれ、支燃性ガス流路管53を介して流量制御ユニット5に接続される。また、被加熱用ガス流路16は、支燃性ガス供給管31を介して流量制御ユニット5に接続される。即ち、被加熱用ガス流路16は、被加熱用ガスG4として、支燃性ガスG2と同じガスを予熱室17に向けて供給する。
高温ガス発生装置10に供給する支燃性ガスG2としても、酸素バーナ・ランス3の場合と同様、例えば、酸素富化空気、又は、酸素が挙げられる。
また、高温ガス発生装置10に供給する被加熱用ガスG4としても、支燃性ガスG2の場合と同様、例えば、酸素富化空気、又は、酸素が挙げられる。ここで、被加熱用ガスG4として酸素ガス(酸素)を用いる場合、本実施形態のような、電気炉2に支燃性ガス(酸素ガス)を供給する用途においては、例えば、酸素純度が90%である酸素ガスを用いることが好ましい。
燃料流路12の開口部は、燃焼室15の底部15aに開口するように配置され、燃料流路12から供給される燃料ガスG1を燃焼室15内に向けて噴出するように設けられる。
燃料流路12は、詳細な図示は省略するが、例えば、中心軸Jを中心とした円周上において、中心軸J上に設けられた第1支燃性ガス流路13を取り囲むように、複数で平行且つ均等間隔で配置される。
なお、複数の燃料流路12の開口部は、燃焼室15内に開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
第1支燃性ガス流路13の開口部も、燃料流路12と同様、燃焼室15の底部15aに開口するように配置され、第1支燃性ガス流路13から供給される支燃性ガスG2を燃焼室15内に向けて噴出するように設けられる。
なお、第1支燃性ガス流路13の開口部は、燃焼室15内に開口していれば、その形状等は特に限定されず、任意に設計することが可能である。
被加熱用ガス流路16は、詳細な図示は省略するが、例えば、中心軸Jを中心とした円周上において、第2支燃性ガス流路14を取り囲むように、複数で平行且つ均等間隔で配置される。
被加熱用ガス流路16は、バーナ11の先端11aの端面に開口することで、火炎の周囲から被加熱用ガスG4を噴出し、予熱室17に向けて被加熱用ガスG4を供給する。即ち、被加熱用ガス流路16は、第1支燃性ガス流路13や第2支燃性ガス流路14とは異なり、燃焼に供される燃料ガスG1が流通する流路ではなく、被加熱用ガスG4が流通する流路なので、燃焼室15に開口することなく、予熱室17に開口している。
なお、複数の第2支燃性ガス流路14の開口部も、上記のように、燃焼室15の側壁15bに開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
なお、図1に示す例の高温ガス発生装置10においては、予熱室17の下流側は、支燃性ガス供給管31を介して酸素バーナ・ランス3に接続された条件なので、バーナ11に備えられる各流路出口は、酸素バーナ・ランス3側の仕様・設定に依存した圧力条件となる。
冷却ジャケット18は、火炎による高温雰囲気や輻射熱からバーナ11の各構成部品を保護するとともに、燃焼室15内における過渡な加熱を抑制する。
本実施形態の溶解・精錬炉1に備えられる高温ガス発生装置10のような、高温ガスG3と被加熱用ガスG4とを混合して高温支燃性ガスG5を生成させるための構造を有する装置の場合、装置内における圧力変動が大きくなる傾向がある。このように、装置内における圧力が変化した場合、同じ流量であってもガス密度が変化するため、噴出する各ガスの速度も変化する(上記特許文献2等も参照)。
これにより、被加熱用ガス流路16からの被加熱用ガスG4の流れの影響によって、燃料ガスG1と支燃性ガスG2とから形成される火炎が失火するのを防止することが可能になる。さらに、燃焼に供されない被加熱用ガスG4が流通する被加熱用ガス流路16がバーナ11の中心軸Jに沿って設けられることで、バーナ11全体に対する冷却効果が得られるとともに、円筒管17Aの内壁を冷却・保護する効果も得られる。
このように、燃料ガスG1を、第1支燃性ガス流路13及び第2支燃性ガス流路14から噴出される支燃性ガスG2で挟み込むことで、燃焼状態が安定して維持されるとともに、燃焼室15における側壁15bや底部15aの温度が上昇し過ぎないよう、第2支燃性ガス流路14から噴出される支燃性ガスG2による酸素流で保護できる。
但し、本実施形態においては、上記構成には限定されず、例えば、第1支燃性ガス流路13、第2支燃性ガス流路14及び被加熱用ガス流路16が共通のガス流路管を介して流量制御ユニット5に接続され、バーナ11及び予熱室17の上流側で分岐するように構成してもよい。
即ち、冷却ジャケット18を備えることにより、例えば、バーナ11と冷却水Wとが直に接触するか、あるいは、バーナ11と冷却水Wとが、他の構造物(図示例では円筒管17A)を介して接することで、バーナ11を十分に冷却でき、溶損するのを防止できる。また、熱応力によってバーナ11あるいは高温ガス発生装置10全体の変形や破損が生じるのを防止できるとともに、熱応力が繰り返し印加されることによって疲労破壊が生じるのを最小限に抑制でき、高寿命化を図ることが可能になる。
図1中に示すように、温度計4は、電気炉2の炉壁2Aにおいて、酸素バーナ・ランス3が挿通設置される貫通孔21、及び、二次燃焼ランス30が挿通設置される支燃性ガス供給孔22よりも上方に貫通して設けられる温度測定用孔24に挿通設置される。
また、温度計4から外部に向けて測定値のデータを送信する方式についても特に限定されず、制御盤6に測定値を送信可能な方式であれば、何れの方法を用いたものであっても構わない。
さらに、流量制御ユニット5は、必要に応じて、酸素バーナ・ランス3の後端側に設けられる図視略の放射温度計によって得られる、電気炉2内に収容された冷鉄源の温度の測定値に基づき、上記の燃料ガスG1、支燃性ガスG2、被加熱用ガスG4、並びに炭素源Cの供給量を制御することも可能である。
制御盤6としては、従来からこの分野で用いられている制御装置を何ら制限無く採用できる。
また、図3に示す溶解・精錬炉1Aにおいては、排ガス排出経路90に排ガス温度計92が設けられていることに伴い、電気炉2の炉壁2Aには温度計が設けられておらず、排ガス温度計92が制御盤6を介して流量制御ユニット5と電気的に接続されている点で、図1に示す溶解・精錬炉1とは異なる。
具体的には、例えば、排ガスG6中にH2等の可燃性ガスが多く含まれている場合には、高温ガス発生装置10に供給する、酸素を含む支燃性ガスからなる被加熱用酸素ガスG3を増量し、電気炉2内に供給する高温支燃性ガスG5を増量することで、上記の可燃性ガスを最適に燃焼させることができ、冷鉄源の加熱効率の向上に寄与する。
一方、排ガスG6中におけるH2等の可燃性ガスが少ない場合には、酸素が多すぎると過酸化状態となり、溶鋼の成分調整に時間を要するおそれがあるので、例えば、高温ガス発生装置10に供給する被加熱用酸素ガスG3の流量を制限することで電気炉2内に供給する高温支燃性ガスG5の流量を制限する。
また、排ガスG6中におけるH2等の可燃性ガスが少ない場合において、冷鉄源の加熱溶解をさらに促進したい場合は、高温ガス発生装置10で生成させる高温支燃性ガスG5の温度をさらに上昇させて酸素バーナ・ランス3に供給することで、酸素量を増やすことなく冷鉄源の加熱溶解を促進できる。
以下に、本実施形態の溶解・精錬炉の操業方法について詳細に説明する。
本実施形態の溶解・精錬炉の操業方法(以下、単に「操業方法」と称する場合がある。)は、例えば、上記構成とされた本実施形態の溶解・精錬炉1,1Aを用いることが可能な方法であり、酸素バーナ・ランス3を用いて、酸素を含む支燃性ガスG2と燃料ガスG1とを電気炉2内の冷鉄源に向けて噴出させ、冷鉄源を溶解・精錬する方法である。
なお、電気炉2内に導入する支燃性ガスG2の流量は、未燃焼ガスの発生量に対応するように制御することで、燃焼に必要な量に対して過不足なく供給することが可能になる。
この際、特に、排ガスG6中におけるH2等の可燃性ガスが少ない場合には、高温ガス発生装置10に供給する燃料ガスG1及び支燃性ガスG2を増量させ、高温ガス発生装置10で生成させる高温支燃性ガスG5の温度をさらに上昇させて酸素バーナ・ランス3に供給することで、酸素量を増やすことなく冷鉄源の加熱溶解を促進できる。
(1)常温の支燃性ガスと燃料ガスG1によって火炎を形成し、火炎により電気炉2内を加熱するパターン。
(2)常温の支燃性ガスを電気炉2内に噴出するパターン。
(3)高温支燃性ガスG5を噴出させることで常温時よりも高速で噴出するパターン。
(4)高温支燃性ガスG5と燃料ガスG1によって火炎を形成し、冷鉄源に対して最大限にエネルギーを供給するパターン。
さらに、冷鉄源が未溶解である場合に、加熱・溶解能力を高めたい場合には、上記の(4)に示したパターンのように、酸素バーナ・ランス3を高速の高温酸素バーナとして用い、より強力な火炎を電気炉2内に導入する。
このような作用が得られるメカニズムは明らかではないが、酸素を含む支燃性ガス(被加熱用ガス)を高温に加熱して高温支燃性ガスとすることで、この高温支燃性ガスの酸素バーナ・ランス3からの噴出速度が高められることにより、冷鉄源に対するガスの貫通力が高まるためと考えられる。
また、高温支燃性ガスに含まれる酸素の顕熱分のエネルギーを冷鉄源に投入することになるので、この点も冷鉄源の加熱効率向上に寄与しているものと考えられる。
以上説明したように、本実施形態の溶解・精錬炉1,1Aによれば、酸素バーナ・ランス3に備えられる支燃性ガス流路管53に高温ガス発生装置10が設けられた構成を採用することで、電気炉2内に供給される支燃性ガス(被加熱用ガスG4)が、高温ガスG3によって加熱された高温支燃性ガスG5となる。このように、高温ガス発生装置10によって加熱された高温支燃性ガスG5を電気炉2内に供給することで、支燃性ガス(酸素)の供給量を増加させることなく、冷鉄源を効率的に加熱して溶解・精錬することができる。
従って、原料の酸化防止と、原料の加熱効率を高めることとを両立できるので、原料溶解に必要な電力使用量を低減しながら、溶解・精錬時間を短縮でき、生産性向上や省コスト化を図ることが可能になる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は上記のような特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
この際、支燃性ガスとして純酸素を用い、ノズルAに対しては支燃性ガスを常温のままで供給し、ノズルBに対しては、高温ガス発生装置により、支燃性ガスを500℃に加熱した高温支燃性ガスとして供給した。
また、支燃性ガスの流量は、何れも200Nm3/hとし、噴出速度はマッハ2.0とした。
また、各ノズル(酸素バーナ・ランス)に供給する燃料ガスとして天然ガスを用い、流量は何れも45Nm3/hとした。
また、加熱溶解させる鉄板として、厚さが3.2mmのSS400を用いた。
図4のグラフ中に示すように、高温に加熱した支燃性ガスを用いることで、鉄板の溶解時間が大幅に短縮されることがわかる。
2…電気炉
2A…炉壁
21…貫通孔
22…支燃性ガス供給孔
23…炭素源供給孔
24…温度測定用孔
3…酸素バーナ・ランス
31…支燃性ガス供給管
32…燃料ガス供給管
30…酸素ランス
4…温度計
5…流量制御ユニット
5A…酸素供給源
5B…燃料供給源
5C…炭素供給源
51…燃料流路管
53…支燃性ガス流路管
6…制御盤
7…電極
8…炭素ランス
90…排ガス排出経路
91…排ガス分析装置
91A…プローブ91A
92…排ガス温度計
10…高温ガス発生装置
11…バーナ
11a…先端
12…燃料流路
13…第1支燃性ガス流路
14…第2支燃性ガス流路
15…燃焼室
15a…底部
15b…側壁
16…被加熱用ガス流路
17…予熱室
17A…円筒管
17a…先端
18…冷却ジャケット
18a…冷却水流路
18b…入口管
18c…出口管
J…中心軸
W…冷却水
G1…燃料ガス
G2…支燃性ガス
G3…高温ガス
G4…被加熱用ガス
G5…高温支燃性ガス
G6…排ガス
Claims (9)
- 炉内の冷鉄源に向けて、酸素を含む支燃性ガスと燃料ガスとを噴出させる酸素バーナ・ランスを備える溶解・精錬炉であって、
炉壁を貫通するように設けられた貫通孔と、
前記貫通孔に設けられた1以上の酸素バーナ・ランスと、を備え、
前記酸素バーナ・ランスが、前記炉内に連通する開口を有する、支燃性ガス供給管、及び、燃料ガス供給管を各々1以上で有し、
前記支燃性ガス供給管の何れか1以上に高温ガス発生装置が設けられた、熔解・精錬炉。 - 前記高温ガス発生装置は、高温ガスと被加熱用ガスとを混合して高温支燃性ガスを生成し、該高温支燃性ガスを前記酸素バーナ・ランスに支燃性ガスとして供給する装置であり、前記高温ガスを発生させるバーナと、該バーナの下流側に設けられ、前記高温ガスと前記被加熱用ガスとを混合する予熱室とを備え、
前記バーナは、
燃料ガスと支燃性ガスとで火炎を形成する燃焼室と、
前記燃焼室に前記燃料ガスを供給する燃料流路と、
前記燃焼室に前記支燃性ガスを供給する支燃性ガス流路と、
前記予熱室に連通し、該予熱室に向けて被加熱用ガスを供給する被加熱用ガス流路と、を有してなる、請求項1に記載の溶解・精錬炉。 - 前記高温ガス発生装置は、さらに、前記バーナ、あるいは、前記バーナ及び前記予熱室の両方を冷却する冷却ジャケットを備える、請求項1又は請求項2に記載の溶解・精錬炉。
- さらに、前記炉内の温度を測定する温度計と、
前記温度計と電気的に接続され、前記温度計によって測定された炉内温度に基づき、前記酸素バーナ・ランスへの前記支燃性ガス及び前記燃料ガスの供給量を制御するとともに、前記高温ガス発生装置への前記燃料ガス、前記支燃性ガス及び前記被加熱用ガスの供給量を制御する流量制御ユニットを備える、請求項2又は請求項3に記載の溶解・精錬炉。 - さらに、前記炉内から排ガスを排出する排ガス排出経路と、
前記排ガス排出経路に設けられ、前記排ガス中に含まれる成分の濃度及び前記排ガスの流量の何れか一方又は両方を測定する排ガス分析装置と、
前記排ガス排出経路における前記排ガス分析装置よりも下流側に設けられ、前記排ガスの温度を測定する排ガス温度計と、
前記排ガス温度計から排ガス温度の測定値を受信するとともに、前記排ガス分析装置から前記排ガスの成分濃度及び流量の測定値を受信し、これらを解析して、前記酸素バーナ・ランスへの前記支燃性ガス及び前記燃料ガスの供給量、前記高温ガス発生装置への前記燃料ガス、前記支燃性ガス及び前記被加熱用ガスの供給量を制御する流量制御ユニットを備える、請求項2又は請求項3に記載の溶解・精錬炉。 - 前記支燃性ガスが酸素ガス又は酸素富加空気である、請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の溶解・精錬炉。
- 前記高温ガス発生装置に供給される前記被加熱用ガスが酸素ガスである、請求項2〜請求項6の何れか一項に記載の溶解・精錬炉。
- 酸素バーナ・ランスを用いて、酸素を含む支燃性ガスと燃料ガスとを炉内の冷鉄源に向けて噴出させ、前記冷鉄源を溶解・精錬する炉の操業方法であって、
前記支燃性ガスを、前記酸素バーナ・ランスにおける支燃性ガス供給管に設けられた高温ガス発生装置によって高温に加熱して高温支燃性ガスとし、該高温支燃性ガスを支燃性ガスとして前記炉内の冷鉄源に向けて噴出させ、
前記炉内の温度の測定値に基づいて、前記酸素バーナ・ランスへの前記支燃性ガス及び前記燃料ガスの供給量を制御するとともに、前記酸素バーナ・ランスの燃焼を開始又は停止する、溶解・精錬炉の操業方法。 - 酸素バーナ・ランスを用いて、酸素を含む支燃性ガスと燃料ガスとを炉内の冷鉄源に向けて噴出させ、前記冷鉄源を溶解・精錬する炉の操業方法であって、
前記支燃性ガスを、前記酸素バーナ・ランスにおける支燃性ガス供給管に設けられた高温ガス発生装置によって高温に加熱して高温支燃性ガスとし、該高温支燃性ガスを支燃性ガスとして前記炉内の冷鉄源に向けて噴出させ、
前記炉内から排出される排ガスの温度の測定値、前記排ガス中に含まれる成分濃度、及び前記排ガスの流量に基づいて、前記酸素バーナ・ランスへの前記支燃性ガス及び前記燃料ガスの供給量、前記高温ガス発生装置への前記燃料ガス、前記支燃性ガス及び前記被加熱用ガスの供給量を制御するとともに、前記酸素バーナ・ランスの燃焼を開始又は停止する、溶解・精錬炉の操業方法。
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