JP4630031B2 - 酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法 - Google Patents
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具体的には、粒および/または粉状の酸化鉄含有鉄原料を回転炉床炉などの予備還元炉により加熱・還元処理した後、溶解精錬炉における溶融鉄浴に投入して溶解する酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法に関する。
例えば、特開平4-285107号公報には、鉄浴溶融還元炉への原料装入方法であって、重力落下により鉄原料と炭材が供給され、スラグ面に到達する前に炭材と鉄系原料の落下流が合流するように炉内に装入し、各装入孔を接触あるいは多重管にすることにより細粒炭材の飛散を防止する方法が開示されている。
しかし、特開平4-285107号公報に開示された方法は、投入中の空間、または、投入直前での混合のため炭材と鉄系原料の混合性が低いという問題があった。
また、特許第3357360号公報には、浴上部の空間に旋回流を酸素ガス吹き込みによって形成させることによりサイクロン効果により鉄歩留りを向上させる方法が開示されている。
しかし、特許第3357360号公報の方法により旋回流を作るには多量のガスが必要であり、酸素ガスが炉壁に当るため、耐火物に対する負荷が高いという問題点があった。
しかし、特許第3058039号公報に開示された方法は、キャリアガスが必要であり、ガスコストが高いうえ、排ガスによる持ち去り熱が増大するという問題点があった。
さらに、特開平11-21607号公報には、排ガス利用し予熱した還元鉄を電気炉に投入し熱の有効利用により還元鉄の50%以上の溶解を高効率で実施する方法が開示されている。
しかし、特開平11-21607号公報に開示された方法は、温度・雰囲気制御が難しく、還元鉄溶着や再酸化の抑制が困難であるという問題点があった。
(1)鉄を主成分とし、酸化鉄、C a O 、S i O 2 などの酸化物、および、炭素含有物質を含有した粒および/ または粉状の酸化鉄含有鉄原料であって、
該原料中のCaO、SiO2、Al2O3、MgOの合計含有比率が7〜12%である原料を、予備還元炉により加熱し平均金属化率が7 0 % 以上、100%未満に還元処理した後、該鉄原料を溶解精錬炉における溶融鉄浴に投入し、炭素含有燃料を添加しつつ酸素の吹き込みを行うことにより還元および溶解する方法において、底吹きガス流量Q ( N m 3 / h )、溶融鉄浴の浴深さh ( m )、溶融鉄浴の重量W ( t o n )として、下記( A ) 式により計算される底吹きガスによる溶融鉄浴の攪拌力ε を0 . 2 ≦ ε ≦ 2 に制御することを特徴とする酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法。
本発明に用いる鉄原料は、鉄を主成分とし、酸化鉄、CaO、SiO2などの酸化物、および、炭素含有物質を含有した粒および/または粉状の酸化鉄含有鉄原料であり、これを予備還元炉により加熱・還元処理した場合、以下のような性質を有する。
1)酸化鉄を含有している。
2)CaO、SiO2といった酸化物(スラグ分)を含有し、主要酸化物であるCaO、SiO2、Al2O3、MgOの合計含有比率が7〜12のスラグ含有比率が高い原料である
3)比重が小さい(溶銑に浮く)
酸化鉄含有原料は、攪拌が無い場合、比重が小さいため溶融鉄浴上に浮いた状態で溶解・還元される。
そこで、本発明においては、前述の酸化鉄含有鉄原料を予備還元炉により加熱・還元処理した後、該鉄原料を溶解精錬炉における溶融鉄浴に投入し、炭素含有燃料を添加しつつ酸素の吹き込みを行うことにより還元および溶解する方法において、底吹きガス流量Q(Nm3/h)、溶融鉄浴の浴深さh(m)、溶融鉄浴の重量W(ton)として、下記(A)式により計算される底吹きガスによる溶融銑鉄浴の攪拌力εを0.2≦ε≦2に制御することを特徴とする。
溶融鉄浴の攪拌状態を記述する指標として一般的に攪拌動力密度が使用されるが、本発明では、攪拌動力密度の算出において、主要なパラメータとしてガス流量、溶融鉄浴の深さ、溶融鉄浴の量を使用した。酸化鉄含有原料の溶解・還元では、溶融鉄浴との接触性、即ち、混合攪拌性の確保が重要である。浴の深さが深い方がガスの浮上エネルギーを有効に利用でき、浴深さを考慮しつつ必要なガスを吹込むことが必要である。
本発明においては、攪拌力εを0.2以上に制御する方法は問わないが、制御の容易性の観点から、底吹きガス流量Q(Nm3/h)を調整する方法が好ましい。通常、攪拌のガス種としてはN2ガスを使用するが、CO2やO2ガスを使用しても良い。CO2ガスの場合、溶融鉄浴内でCと反応しCO2+C→2COとなるため、ガス流量をCO2ガス流量の2倍として攪拌動力の計算を行えば良い。また、O2については、CO2と同様に溶融鉄浴内のCと反応し、O2+2C→2COとなるため、ガス流量をO2ガス流量の2倍として攪拌動力の計算を行えば良い。なお、本発明において、前述の酸化鉄含有鉄原料を予備還元炉により加熱・還元処理する際、平均金属化率が70%以上とすることが好ましい。ここで金属化率とは、(酸化鉄含有鉄原料に含有される金属鉄分)/(酸化鉄含有鉄原料に含有される全鉄分)×100(%)である。平均金属化率が70%以上とするのは、70%未満では十分な鉄歩留りが得られないからである。
まず、溶解精錬炉内に装入された温度1380〜1415℃、C濃度4.2〜4.3mass%の溶融鉄浴50tonに平均金属化率72〜83%の鉄含有原料を供給し、溶解および酸化鉄分の還元を行った結果を表1に示す。ここでいう鉄歩留りとは、酸化鉄含有鉄原料中の全鉄分の内、製造した溶銑鉄浴に含まれる鉄分の比率をいい、(鉄歩留り)=(製造溶融鉄浴中鉄分)/(酸化鉄含有鉄原料中の全鉄分)×100(%)である。
上吹きランスから酸素を7200Nm3/hの速度で吹き込みを行い、炭素含有燃料を上方から投入、あるいは、底吹きから供給し、投入した鉄含有原料を溶解・還元することにより溶融鉄量が50tonから80tonになるまで溶解を行い、溶解終了後、溶解量30tonを鍋に排出し、繰り返し上記作業を行うことで溶融鉄を製造した。また、溶融鉄を排出した後、溶解・還元により生成したスラグをスラグ排出用鍋に排出した。
溶解に伴い溶融鉄浴の深さは1.0〜1.6mの範囲で推移した。上記溶解作業において溶融銑浴に吹き込まれるN2ガスの量を変えて、攪拌条件を変更し鉄の歩留りを評価した。また、撹拌力2kW/tを超えたNo.1&2については、歩留り効果が飽和する一方で、攪拌力が強いため、炉内壁や底吹きノズル近傍の補修材の剥離が研著になった。従って、操業安定の確保より必要以上の攪拌力の付与は回避すべきである。
攪拌力を0.2kW/t〜2.0kW/t確保した発明例であるNo.3〜No.10では溶解・還元を効率良く行え、鉄歩留りが94%以上と高い操業が行えることがわかった。
また、上記攪拌力を0.3kW/t以上とすることによって、さらに鉄歩留りを向上させることができる。
図1において、1はスラグ改質用副材および炭素含有燃料、2はスキップコンベア、3は原料装入口、4は上吹きノズル、5は溶解精錬炉を示す。
本実施形態は、図1に示すように、前述の酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法において、該原料の投入に際し、CaO、SiO2、Al2O3、MgO等を含有するスラグ改質用副材と炭素含有燃料1を溶解精錬炉内5へ投入する前に加えることにより、還元・溶解時に生成するスラグ成分の組成を均一に保持することを特徴とする。
操業条件は実施例1と同様、底吹きガス流量は520Nm3/hとし、炉内へ装入する前に鉄含有原料にスラグ改質材として炉内へ投入するCaOやMgOを含有した改質用原料を加えた。
改質用原料は投入する鉄含有原料1tonに対し、最大40kg加えた。
図2および図3に示すように、スラグ改質用副材と炭素含有燃料1を投入前に加える本発明例によれば、改質用原料に含有される微粒分の歩留りが高位安定化するとともに、連続、あるいは、半連続的に鉄含有原料と投入されることで、スラグ成分のバラツキが小さくなるため、スラグ中での改質用原料の溶解が円滑に進みスラグ組成が安定し、鉄歩留りを向上させることができる。また、鉄歩留りのバラツキも低減される。
一方、比較例では、投入前に混合せず、炉内へ直接、改質用原料を投入するため、スラグ組成が平均組成に比べ、高融点側にバラツク時があることで、スラグの流動性が悪化し、鉄含有原料の溶解阻害が発生し、スラグへの鉄残留分が増大するため鉄歩留りの低下が生じた。
図4において、4は上吹きノズル、5は溶解精錬炉を示す。
本発明に用いる酸化鉄含有鉄原料は、比重が軽いため、攪拌が無い条件では、溶融鉄浴上に浮いてしまう。そのため、反応サイトは主に溶融鉄浴表面であり、浴の表面積が大きい程、溶解量を増大させることができる。
一方で、攪拌力を付与することで、溶融鉄浴上に浮遊する鉄含有原料を溶融鉄浴内へ巻込ませることができるため、見かけの反応界面積を増大させることができる。攪拌にあたっては、浴深が小さいと攪拌力が低下(実施例1の式(A)で示したように)する上、水平方向での攪拌均一性が低下する。従って、溶融鉄浴の量が同じならば、浴内を均一に攪拌できる深さを保ちつつ、できるだけ炉内径を大きくとることが鉄含有原料を溶解・還元する上で重要である。
このように溶解精錬炉内の溶融鉄浴上端位置の炉内径Dと溶融鉄浴の最大深さhの比が特定範囲にすることによって、鉄含有原料を効率良く、溶解・還元できる。
本実施形態においては、平均金属化率72〜83%の鉄含有原料を供給し、溶解および酸化鉄分の還元を行った。
操業条件は実施例1と同様、底吹きガス流量は520Nm3/hとし、溶融溶銑浴の初期装入量を変化させ、最適なD/hの範囲を評価した結果、図5に示すように1.5≦D/h≦10が最適な条件であることを見出した。
図6において、4は上吹きノズル、5は溶解精錬炉を示す。
本発明に用いる酸化鉄含有鉄原料は、微粒・微粉を含有するため、溶解精錬炉内へ投入する際、投入位置によっては、投入歩留りが大きく変動する。溶解精錬炉では上吹きランスより吹き込まれたガスによる噴流が炉内中心部では下向きの流れを形成し、炉の壁近傍では上向きの流れを形成している。従って、この上方の流れへ向かって微粉・微粒を含有した原料を投入することは、投入原料の歩留り低下を招いてしまう。
そこで、本実施形態では、微粒・微粉原料をこの下向きの流れに向かって投入することで、歩留りが高い操業が可能であることを見出した。
本実施形態においては、平均金属化率72〜83%の鉄含有原料を供給し、溶解および酸化鉄分の還元を行った。操業条件は実施例1と同様、底吹きガス流量は520Nm3/hとし、投入位置は、上吹きランス下端部と静止浴状態での溶融鉄浴表面間の距離をH、上吹きランスから供給されるガス噴流の広がり角をθとしてH・tan(θ/2)を半径とした範囲内に投入することで、図7に示すように高い歩留りが得られることが判明した。
2 スキップコンベア
3 原料装入口
4 上吹きノズル
5 溶解精錬炉
Claims (1)
- 鉄を主成分とし、酸化鉄、C a O 、S i O 2 などの酸化物、および、炭素含有物質を含有した粒および/ または粉状の酸化鉄含有鉄原料であって、
該原料中のCaO、SiO2、Al2O3、MgOの合計含有比率が7〜12%である原料を、予備還元炉により加熱し平均金属化率が7 0 % 以上、100%未満に還元処理した後、該鉄原料を溶解精錬炉における溶融鉄浴に投入し、炭素含有燃料を添加しつつ酸素の吹き込みを行うことにより還元および溶解する方法において、
底吹きガス流量Q ( N m 3 / h )、溶融鉄浴の浴深さh ( m )、溶融鉄浴の重量W ( t o n )として、下記( A ) 式により計算される底吹きガスによる溶融鉄浴の攪拌力ε を0 . 2 ≦ ε ≦ 2 に制御することを特徴とする酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法。
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