JP5491764B2

JP5491764B2 - 溶融金属製造炉の炉壁構造および炉壁耐火物の損耗抑制方法

Info

Publication number: JP5491764B2
Application number: JP2009105396A
Authority: JP
Inventors: 雅孝立石
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: JP2010255907A

Description

本発明は、鉄含有原料を溶解して鉄を主とする溶融金属を製造する溶融金属製造炉に関し、詳しくは溶融金属製造炉の炉壁構造および炉壁耐火物の損耗抑制方法に関する。

電気炉あるいは転炉型の金属溶解炉や金属精錬炉等では、炉体保護のため内張り耐火物を使用しているが、溶湯や排ガスの温度が高く、内張り耐火物が溶損するため、定期的に溶損部に補修材を吹き付けて耐火物寿命を延長して使用している。

しかしながら、補修材を吹き付けるためには、定期的に炉の稼動を停止する必要があり、炉の稼働率が低下する。特に、耐火物の溶損速度が大きい場合には、補修頻度が高くなり、また、補修材の原単位も上昇するため、結果的に溶融金属の製造コストが増加する。

そこで、近年では、炉材コストの低減、補修作業の負担軽減等を目的として、耐火物の背面に水冷パネルを設置して強制冷却することや、溶湯面より上部の溶損（以下、「損耗」ともいう。）が著しい部分の炉壁を耐火物構造でなく水冷構造とすることで、炉全体としての耐火物の溶損を抑制する試みがなされている（例えば、特許文献１、２参照）。

しかしながら、上記水冷パネルや水冷構造を用いる方法では、水冷による抜熱量の増大で炉の熱効率が低下するために、エネルギー原単位が増加する。また、初期の設備コストが高いことに加え、操業上も、漏水した場合には炉内の溶湯と反応して水蒸気爆発を引き起こす危険性があり、管理が大変である。さらに、冷却水で回収したエネルギーは温度が低いため有効に活用できず、結果として溶融金属の製造コストが増加する。

一方、本出願人は、従来の高炉や溶融還元法に代わる新しい製鉄法として、炭材内装塊成鉱を回転炉床炉で予備還元して固体還元鉄とし、この固体還元鉄を溶解炉で溶解して溶銑を得る溶銑製造プロセスを提案した（特許文献３参照）。

しかしながら、本プロセスを実用化するにあたり、銑鉄などの鉄を主とする溶融金属の製造コストをさらに低減するため、溶解炉（溶融金属製造炉）において、水冷パネルや水冷構造を用いることなく、内張り耐火物（炉壁耐火物）の損耗を抑制しうる技術の開発が強く要請されていた。

特開平８−２０８１４号公報特開平８−２９１３１６号公報特開２００７−２９１４５２号公報

そこで、本発明は、溶融金属製造炉において、水冷パネルや水冷構造を用いることなく、炉壁耐火物の損耗を抑制しうる炉壁構造および炉壁耐火物の損耗抑制方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、鉄含有原料を溶解して鉄を主とする溶融金属を製造するための溶融金属製造炉の炉壁構造であって、鉄皮の内側に耐火物層を備え、該耐火物層のさらに内側に一定の間隙を設けて保護鉄板を降下可能に備え、前記間隙に炭材内装塊成鉱および／または該炭材内装塊成鉱由来の還元鉄（以下、「炭材内装塊成鉱等」と総称する。）を供給する供給手段を備え、前記保護鉄板は、その下端部をスラグ層に浸漬させておき、溶損した分を補うために炉天井から順次供給できるように構成されたものであることを特徴とする溶融金属製造炉の炉壁構造である。

請求項２に記載の発明は、前記溶融金属製造炉が円筒状である請求項１に記載の溶融金属製造炉の炉壁構造である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の炉壁構造を有する溶融金属製造炉において、前記保護鉄板は、その下端部を炉内のスラグ層内に浸漬させておき、前記間隙に炭材内装塊成鉱等を充填し、前記保護鉄板は、溶損した分を補うために前記溶融金属製造炉の炉天井から順次供給するとともに、前記炭材内装塊成鉱等は、溶解した分を順次補給するように構成したことを特徴とする溶融金属製造炉の炉壁耐火物の損耗抑制方法である。

請求項４に記載の発明は、前記炭材内装塊成鉱等が、その内部において内装炭材の炭素で酸化金属を金属まで還元した後に残留する炭素量が前記炭材内装塊成鉱等の質量に対して５質量％以上となるものである請求項３に記載の溶融金属製造炉の炉壁耐火物の損耗抑制方法である。

本発明によれば、耐火物層の熱負荷の高い部分を保護鉄板および炭材内装塊成鉱等で覆うことで、耐火物層への熱負荷が軽減され、水冷パネルや水冷構造を用いることなく、耐火物層の溶損速度を低下させることができる。その結果として、エネルギー原単位を低減できるとともに、耐火物寿命の延長化が図れ、溶融金属コストのさらなる低減が実現できる。

本発明の実施に係る溶銑製造設備の概略を示すフロー図である。本発明の実施に係る溶銑製造炉の炉壁構造の概略を示す断面斜視図である。

（実施形態）
本発明について、鉄含有原料として炭材内装塊成鉱由来の還元鉄（ＨＢＩ）を、鉄を主とする溶融金属として溶銑を、溶融金属製造炉として溶融金属製造炉をそれぞれ例に挙げてさらに詳細に説明する。

図１に本発明の実施に係る溶銑製造設備の概略フローを示す。炭材内装塊成鉱を、図示しない回転炉床炉で加熱し還元して還元鉄Ａを製造し、この還元鉄Ａを高温のままホットブリケットマシンで熱間成形してＨＢＩ（ホットブリケットアイアン）Ａ’とする。そして、この鉄含有原料としてのＨＢＩＡ’を、溶解熱源兼加炭材としての石炭と、フラックスとしての生石灰等とともに鉄浴溶解炉（溶銑製造炉）１に装入し、酸素を上吹きしてＨＢＩＡ’を溶解して溶融金属としての溶銑Ｂを製造する。

次に、図２に溶銑製造炉の炉壁構造の概略を示す。この溶銑製造炉１は、鉄皮２の内側に耐火物層３を備え、該耐火物層３のさらに内側に一定の間隙４を設けて保護鉄板５を降下可能に備え、前記間隙４に炭材内装塊成鉱由来の還元鉄（冷却後のもの）６を供給する供給手段７を備えたことを特徴とする。

これにより、耐火物層３の表面が還元鉄６の充填層、さらには保護鉄板５で覆われているので、耐火物層３が、腐食性の高温ガスやスラグと直接接触することがなく、しかも、還元鉄６の充填層が断熱層として機能するので、耐火物３の表面温度が低く保たれ、耐火物層３の溶損が効果的に防止される。

保護鉄板５は、耐火物層３の表面を腐食性の高温ガスから完全に隔離することができるように、その下端部が炉内のスラグ層Ｄ中に浸漬した状態としておくことが好ましい。保護鉄板５は、高温の炉内雰囲気に曝されてもすぐに溶損しないように高融点の低炭素（例えばＣ：０．５質量％以下）鋼板で製作するのが好ましい。また、たとえその一部が溶損しても、保護鉄板５は降下可能に構成されているので、溶損した分だけ、保護鉄板５を順次降下させてやればよい。また、保護鉄板５は、溶銑製造炉１の炉天井より上方に突き出るように設置しておき、溶損量に応じて炉天井から順次供給できるように構成しておくことで、長期間にわたって耐火物層３を保護することが可能となる。

また、保護鉄板５は、鉄製であるので、溶解しても溶銑の一部になるだけであるので問題は生じない。

また、保護鉄板５と耐火物層３との間隙４に充填された還元鉄６は、メタル層Ｃ表面から上方に充填層を形成するが、メタル層Ｃに接した還元鉄６は、メタル層Ｃ中に順次溶解していくが、供給手段７により、溶解した分に相当する分を順次補給することで、前記間隙４内に還元鉄６の充填層を維持することができる。また、還元鉄６は、溶解しても溶銑とスラグの一部になるだけであるのでやはり問題は生じない。

保護鉄板５の厚みは、薄すぎると強度が不足し、一方厚すぎると重量が過大になり降下させるための機構が大型化してコスト増となるので、例えば、２〜１０ｍｍ、さらに３〜８ｍｍ、特に４〜６ｍｍとするのが推奨される。

また、保護鉄板５の熱による変形や歪による応力集中を避けるため、溶銑製造炉１は縦型円筒状とし、保護鉄板５も縦型円筒状に形成するのが好ましい。この場合、保護鉄板５の内径は例えば２ｍ程度であれば製作上問題はない。

耐火物３と保護鉄板５との間隙４の大きさは、還元鉄６の充填層による断熱効果を十分に発揮させるため、還元鉄６の平均直径の少なくとも２倍以上、さらには３倍以上とするのが好ましい。ただし、間隙４を大きくしすぎると、炉壁全体の厚みが過大となり、炉体全容積に対する溶解部の有効容積の割合が減少するので、還元鉄６の平均直径の６倍以下、さらには５倍以下に抑えるのが推奨される。

還元鉄６は、その内部において、上記回転炉床炉での還元で消費されずに残留した内装炭材の炭素で、同じく未還元の酸化鉄（酸化金属）を金属鉄（金属）まで還元した後に残留する炭素量が、還元鉄６の質量に対して５質量％以上となるように、炭素を含有させるのが好ましい。これにより、還元鉄６が含有炭素で浸炭されて１２００℃程度の非常に低い温度で溶融するので、還元鉄６と接する保護鉄板５の表面温度を１２００℃程度の低い温度に留めることができ、保護鉄板５の溶損をより確実に防止することができる。このような還元鉄６を得るには、上記回転炉床炉に装入する前（還元前）の炭材内装塊成鉱の内装炭材配合量を調整するとよい。

（変形例）
上記実施形態では、鉄含有原料Ａとして高温還元鉄を熱間成形したＨＢＩを例示したが、熱間成形することなくそのままの形状（ペレット状やブリケット状）で冷却した還元鉄を用いてもよい。

また、上記実施形では、鉄含有原料Ａとして炭材内装塊成鉱由来の還元鉄（ＨＢＩ）を例示したが、ガスベース還元鉄、スクラップ、冷銑等を、それぞれ単独で用いてもよく、またはこれらの２種類以上を併用することもできる。

また、上記実施形態では、鉄を主とする溶融金属Ｂとして溶銑を製造する場合を例示したが、本発明はフェロクロム、フェロマンガン、フェロニッケルなどの溶融合金鉄を製造する場合にも適用できる。この場合は、鉄含有原料ＡとしてＦｅの他Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉなどの非鉄金属をも主要成分として含有する合金鉄原料を用いればよい。

また、上記実施形態では、炭材内装塊成鉱等６として炭材内装塊成鉱由来の還元鉄（還元後のもの）のみを用いる例を示したが、炭材内装塊成鉱（未還元のもの）のみを用いてもよいし、これらを併用してもよい。

特に、未還元のもののみを用いる場合、または、未還元のものと還元後のものを併用する場合は、炉内高温部からの伝熱により加熱されて、炭材内装塊成鉱の内部で未還元の酸化鉄が内装炭材により還元され、ＣＯを主成分とするカロリーガスが多量に発生するので、例えば間隙４の上方の炉天井にガス抜き孔を設け、このカロリーガスを回収して有効利用するようにするとよい。

なお、上記未還元のもののみを用いる場合、または、未還元のものと還元後のものを併用する場合は、上記内装炭材による酸化鉄の還元が吸熱反応であることから、還元後のもののみを用いる場合よりも、断熱効果が強化されることが期待できる。

上記実施形態では、耐火物層３と保護鉄板５との間隙４に還元鉄Ａを充填する例を示したが、耐火物層３の内面に接するようにもう１枚別の保護鉄板を設置し、２枚の保護鉄板の間に還元鉄Ａを充填するようにしてもよい。これにより、設備コストは上昇するものの、耐火物層の損耗をさらに確実に抑制することが可能となる。

また、上記実施例では、溶銑製造炉として鉄浴溶解炉を例示したが、本発明は電気炉にも適用できる。

１：溶融金属製造炉（溶銑製造炉）
２：鉄皮
３：耐火物層
４：間隙
５：保護鉄板
６：炭材内装塊成鉱等（炭材内装塊成鉱由来の還元鉄）
７：供給手段
Ａ：鉄含有原料（炭材内装塊成鉱由来の還元鉄、ＨＢＩ）
Ｂ：溶融金属（溶銑）
Ｃ：メタル層
Ｄ：スラグ層

Claims

鉄含有原料を溶解して鉄を主とする溶融金属を製造するための溶融金属製造炉の炉壁構造であって、鉄皮の内側に耐火物層を備え、該耐火物層のさらに内側に一定の間隙を設けて保護鉄板を降下可能に備え、前記間隙に炭材内装塊成鉱および／または該炭材内装塊成鉱由来の還元鉄（以下、「炭材内装塊成鉱等」と総称する。）を供給する供給手段を備え、前記保護鉄板は、その下端部をスラグ層に浸漬させておき、溶損した分を補うために炉天井から順次供給できるように構成されたものであることを特徴とする溶融金属製造炉の炉壁構造。
前記溶融金属製造炉が円筒状である請求項１に記載の溶融金属製造炉の炉壁構造。
請求項１または２に記載の炉壁構造を有する溶融金属製造炉において、前記保護鉄板は、その下端部を炉内のスラグ層内に浸漬させておき、前記間隙に炭材内装塊成鉱等を充填し、前記保護鉄板は、溶損した分を補うために前記溶融金属製造炉の炉天井から順次供給するとともに、前記炭材内装塊成鉱等は、溶解した分を順次補給するように構成したことを特徴とする溶融金属製造炉の炉壁耐火物の損耗抑制方法。
前記炭材内装塊成鉱等が、その内部において内装炭材の炭素で酸化金属を金属まで還元した後に残留する炭素量が前記炭材内装塊成鉱等の質量に対して５質量％以上となるものである請求項３に記載の溶融金属製造炉の炉壁耐火物の損耗抑制方法。