JP5581901B2 - 竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、竪型スクラップ溶解炉を用い、鉄系スクラップを主体とする鉄源をコークスの燃焼熱により溶解して溶銑を製造する方法に関する。

従来、竪型スクラップ溶解炉を用いて鉄系スクラップ（以下、単に「スクラップ」という場合がある）を溶解するプロセスが知られており（例えば、特許文献１）、このプロセスでは、竪型スクラップ溶解炉の炉頂部から鉄系スクラップとコークスを装入し、炉下部に設けられた複数の羽口（送風羽口）から熱風を吹き込み、コークスの燃焼熱で鉄系スクラップを溶解することにより溶銑が得られる。
最近ではスクラップ市場の国際化が進行し、スクラップ価格の時間変動が大きくなっており、安価なスクラップを効率的に使用することが望まれている。従来は、鋳物を製造する際に発生する自所スクラップ屑、いわゆる故銑も多く使用されていたが、市場のスクラップ価格の変動が大きいため、コストの観点から市場スクラップを大量に使用した方がコストダウンに繋がるような状況も生じてきた。

特開昭５６−１５６７０９号公報

スクラップのなかでも、（社）日本鉄源協会・鉄スクラップ検収統一規格のヘビー屑（特にＨ２屑）は市場で入手が容易なスクラップの一つであるが、従来の竪型スクラップ溶解炉の操業では、このヘビー屑を主体とするスクラップ溶解は殆ど行われていない。
上述したようなプロセスで溶銑を製造する場合、市場に出回っているヘビー屑を加工せずにそのままの状態で竪型スクラップ溶解炉に装入することが望ましい。事前に切断、破砕等の処理を施すと加工費が高く、折角安価なスクラップを使用してもコスト増加が問題となる。しかし、本発明者らが検討した結果、ヘビー屑を加工せずにそのままの状態で使用した場合、操業中にコークス原単位やダスト発生量が大きく変動し、操業の安定性が損なわれる場合があることが判った。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、竪型スクラップ溶解炉を用いて鉄系スクラップを溶解し溶銑を製造する方法において、鉄源にヘビー屑を多く含むスクラップを使用した場合でも、効率的且つ安定した操業を行うことができる溶銑製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、鉄源にヘビー屑を多く含むスクラップを使用して効率的且つ安定した操業を行うには、ヘビー屑を多く含み見かけ嵩密度が小さい鉄源を用いる場合に、吹き込みガス量を低減させ、炉断面積当りのガス流速を低下させることが有効であることが判った。
すなわち、竪型スクラップ溶解炉では、炉下部から吹き込まれたガス（熱風）中の酸素がコークスと反応して高温ガスが生成し、この高温ガスが炉内を上昇する過程で、ガス顕熱が鉄源に伝わり、鉄源が加熱される。一方、鉄系スクラップは種類により厚みや大きさ等が異なり、どのような種類のスクラップがどのような割合で配合されるかにより、炉に装入される鉄源の見かけ嵩密度が異なってくるが、この鉄源の見かけ嵩密度により、竪型スクラップ溶解炉内での高温ガスによる鉄源への伝熱効率が大きく変化することが判った。具体的には、鉄源の見かけ嵩密度が小さい場合には、ガスの顕熱が効率良く鉄源に伝わらないため、炉頂でのガスの温度が高くなることが判った。これは、鉄源の見かけ嵩密度が小さい場合には、空間中に占める鉄源の割合が小さくなるため、ガスが持っている顕熱が固体の鉄源に十分に伝熱される前に、ガスが上昇して高温のまま炉頂まで到達するためであると考えられる。炉頂ガス温度が高いと、ガス顕熱のロスが生じることになり、コークス原単位が増加するだけでなく、ガス流速が高くなることによる生成ダスト量の増加や、次工程での排ガス処理設備の配管、フィルター等に甚大な負荷をかけ、操業不能になる場合もある。このような問題に対して、吹き込みガス量を低減させて炉断面積当りのガス流速を低下させれば、ガスと鉄源との接触時間が長くなり、伝熱効率を高くすることができる。また、単純に吹き込みガス量（熱風量）を低減すると供給される酸素量が少なくなるため、出銑量が低下することになるが、これに対しては、熱風の一部を酸素に置換すればよく、これにより出銑量も確保することができる。

本発明は、以上のような知見に基づきなされたものであり、竪型スクラップ溶解炉において、（社）日本鉄源協会・鉄スクラップ検収統一規格で規格化された鉄系スクラップのうちのヘビー屑を７０mass％以上含む鉄源とコークスを炉内に装入し、炉下部に設けられた複数の羽口から、酸素を添加した熱風を吹き込んで溶銑を製造する方法であって、下記（1）式を満足するように操業を行うことを特徴とする竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑の製造方法である。
０．７５≦Ｂ／Ａ …（1）
但し Ａ＝［羽口から吹き込む合計ガス量（Ｎｍ^３／sec）］／［羽口位置での炉内水平断面積（ｍ^２）］
Ｂ：炉に装入する鉄源の見かけ嵩密度（ｔ／ｍ^３）

本発明によれば、竪型スクラップ溶解炉を用いて鉄系スクラップを主体とする鉄源を溶解して溶銑を製造する方法において、鉄源にヘビー屑を多く含むスクラップを使用した場合でも、コークス原単位の増加やダスト発生量の増加などの問題を生じることなく、効率的且つ安定した操業を行うことができる。

竪型スクラップ溶解炉の一例を模式的に示す説明図 図１に示す竪型スクラップ溶解炉の羽口の拡大断面図 実施例において、Ｂ／Ａの値とコークス原単位との関係を示すグラフ

以下の説明において、ヘビー屑（Ｈ１〜Ｈ４，ＨＳ）、シュレッダー、プレス、故銑という場合は、（社）日本鉄源協会・鉄スクラップ検収統一規格で規格化されたものを指す。
本発明は、竪型スクラップ溶解炉において、鉄系スクラップを主体とする鉄源とコークスを炉内に装入し、炉下部に設けられた複数の羽口から酸素を含有するガスを吹き込み、コークスの燃焼熱で鉄源を溶解することにより溶銑を製造する方法である。羽口から吹き込まれるガスは、通常、熱風または熱風＋酸素または酸素含有ガスである。

図１は、竪型スクラップ溶解炉の一例を模式的に示すもので、１炉体、２は炉頂に設けられる原料装入用のホッパー、３は炉下部の周方向において適当な間隔で設けられる複数の羽口（送風羽口）、４はこの羽口３に熱風を供給する熱風管、５は炉体上部の排ガス出口に接続された排気ダクト、７はこの排気ダクト５の途中に設けられる集塵装置である。
また、この実施形態では、熱風に酸素または酸素含有ガスを添加するために、羽口３内に噴射ノズル６が設置されている。図２は、噴射ノズル６が配置された羽口３の拡大断面図であり、噴射ノズル６は、通常、羽口管３０内に同心状に配置される。この噴射ノズル６は、複数ある羽口３の全部に配置してもよいし、一部の羽口３にのみ配置してもよい。噴射ノズル６としては、入口径が小さく出口径が大きい所謂ラバールノズル（通常、このノズルは超音速の出口流速（初期流速）で酸素ジェットを噴射できる）、入口径・出口径が同じであるストレートノズルなどを用いることができる。
溶解炉の大きさ等に本質的な制限はないが、実質的に操業可能若しくは操業上有利なサイズとして、通常は、羽口位置での炉内径が２〜４ｍ程度、炉高が６〜１０ｍ程度である。また、羽口数にも制限はなく、炉径に応じた本数にすればよいが、通常は４〜１２本程度である。

このような竪型スクラップ溶解炉では、鉄系スクラップを主体とする鉄源、コークスなどの原料は、炉頂の原料装入用のホッパー２から炉内に装入される。複数の羽口３からは熱風が吹き込まれ、コークスの燃焼ガスの熱で鉄源が溶解する。また、必要に応じて、噴射ノズル６から供給される酸素または酸素含有ガスが熱風に添加される。生成した溶銑は炉底部の出銑口（図示せず）から炉外に取り出される。また、ダストを随伴した排ガスは、炉体上部の排ガス出口から排気ダクト５に流れ、集塵装置７でダストが捕集される。
鉄系スクラップなどの鉄源とコークスは、炉内に同時に装入してもよいし、交互に装入してもよい。
鉄源としては、鉄系スクラップに加えて、例えば、銑鉄、還元鉄、鉄鉱石、ダスト塊など装入してもよい。また、鉄源、コークス以外に、例えば、石灰石、他のダストやスラッジ類の塊成物、木炭や無煙炭等の炭材などを適宜装入してもよい。

図１に示す竪型スクラップ溶解炉（炉床径２ｍ、羽口数６本、羽口からの有効高さ７ｍ）を用い、ヘビー屑を含む鉄系スクラップを主体とする鉄源を溶解して溶銑を製造する、以下のような試験を行った。
この試験では、鉄系スクラップとしてヘビー屑のＨ２、シュレッダー、プレスおよび故銑を用い、スクラップ以外の鉄源としてダスト塊を用いた。ダスト塊は、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｃを主成分とするダストを塊成化したものであり、製鉄所内で発生した高炉系ダストと転炉系ダストを５０mass％ずつ配合し、これを１００ｍｍφ×１００ｍの円柱形状に成型して塊成化したものを使用した。

各試験例は、いずれも炉に装入する鉄源がＨ２屑（ヘビー屑）を５０mass％以上含むようにし、且つ上記の各種鉄源の配合割合を変えることで、炉に装入する鉄源の見かけ嵩密度を変化させ、さらに、羽口から吹き込む熱風に噴射ノズルを通じて適宜酸素を添加し、吹き込みガスの炉内断面積当りのガス流速を変化させて操業を行った。
なお、事前に鉄源毎の嵩密度を測定して、その総和平均を見かけ嵩密度と定義した。つまり、見かけ嵩密度（ｔ/ｍ^３）＝Σρx・Yx/100（但し、ρx：鉄源Xの嵩密度（ｔ/ｍ^３）、Yx ：鉄源Xの質量比率（％））であり、本発明ではこの値を見かけ嵩密度と定義した。各鉄源の嵩密度は、Ｈ２：０．６ｔ／ｍ^３、シュレッダー：１．３ｔ／ｍ^３、プレス：０．９ｔ／ｍ^３、故銑：３ｔ／ｍ^３、ダスト塊：１．５ｔ／ｍ^３であった。

一方、コークスは鋳物コークスを用い、溶銑の出銑量がほぼ２０ｔ／ｈ、出銑温度が１５１０〜１５３０℃となるように、送風量、酸素量、コークス原単位を調整した。また、送風温度は６００℃とし、炉頂ガス温度は２００〜７００℃となった。
試験条件を表１に示す。表１において、“Ｂ”は炉に装入する鉄源の見かけ嵩密度（ｔ／ｍ^３）である。また、“Ａ”は吹き込みガスの炉内断面積当りのガス流速（Ｎｍ／sec）に相当するものであり、下式で求められる。なお、下式において、「羽口から吹き込む合計ガス量」とは、表１の熱風量と酸素量の合計（酸素を添加しない場合には熱風量）である。
Ａ＝羽口から吹き込む合計ガス量（Ｎｍ^３／sec）／羽口位置での炉内水平断面積（ｍ^２）
Ｂ／Ａの値とコークス原単位の関係を図３に示す。これによれば、Ｂ／Ａが０．７５未満ではコークス原単位が高いが、０．７５以上であればコークス原単位も低く、効率的な操業を行うことができることが判る。なお、Ｂ／Ａが０．７５未満の試験では、炉頂ガス温度も高くなり、設備の許容する範囲で操業を実施した。この試験では、ヘビー屑のなかでも特に入手が容易なＨ２を使用したが、Ｈ２以外のヘビー屑（ＨＳ，Ｈ１，Ｈ３，Ｈ４）を用いた場合でも、同様の結果が得られた。

図３の結果は、次のような理由によるものと考えられる。すなわち、炉に装入する鉄源の見かけ嵩密度が小さいと、空間中に占める鉄源の割合が少なく、ガス−鉄源間の有効反応面積が小さいため、炉内を上昇するガスの顕熱が鉄源に十分に着熱する前に、ガスが炉頂に到達してしまう。この結果、ガス顕熱の大きなロスが生じることになり、コークス原単位が増加する。これに対して、同じく見かけ嵩密度が小さい鉄源を用いた場合であっても、吹き込みガス量を低減させて炉断面積当りのガス流速を低下させれば（すなわち、Ｂ／Ａを大きくすれば）、ガスと鉄源との接触時間が長くなり、伝熱効率を高くすることができる。この結果、ガス顕熱が十分に鉄源に伝わり、ガス顕熱のロスが少なくなるため、コークス原単位が低くなる。
このように、ヘビー屑を多く含む見かけ嵩密度が小さい鉄源を用いる場合、Ｂ／Ａを０．７５以上に制御することが重要であることが判った。

したがって、本発明の製造方法では、下記（1）式を満足するように操業を行うものとする。
０．７５≦Ｂ／Ａ …（1）
但し Ａ＝［羽口から吹き込む合計ガス量（Ｎｍ^３／sec）］／［羽口位置での炉内水平断面積（ｍ^２）］
Ｂ：炉に装入する鉄源の見かけ嵩密度（ｔ／ｍ^３）
また、羽口から吹き込むガスが熱風である場合、単純に吹き込みガス量（熱風量）を低減すると供給される酸素量が少なくなるため、出銑量が低下することになるが、これに対しては、熱風の一部を酸素に置換すればよい。すなわち、羽口から吹き込む熱風に酸素または酸素含有ガスを添加すればよい。
また、本発明の製造方法は、特に、鉄源としてヘビー屑を主体としたものを用いる場合に有用である。
上記（1）式を満足するように操業を行う場合、当該操業で装入予定の各種鉄源の嵩密度を事前に測定しておき、この測定値に基づき、各種鉄源の配合割合から炉に装入する鉄源の見かけ嵩密度を求める。

１ 炉体
２ ホッパー
３ 羽口
４ 熱風管
５ 排気ダクト
６ 噴射ノズル
７ 集塵装置
３０ 羽口管

Claims (1)

1. 竪型スクラップ溶解炉において、（社）日本鉄源協会・鉄スクラップ検収統一規格で規格化された鉄系スクラップのうちのヘビー屑を７０mass％以上含む鉄源とコークスを炉内に装入し、炉下部に設けられた複数の羽口から、酸素を添加した熱風を吹き込んで溶銑を製造する方法であって、
   下記（1）式を満足するように操業を行うことを特徴とする竪型スクラップ溶解炉を用いた溶銑の製造方法。
   ０．７５≦Ｂ／Ａ …（1）
   但し Ａ＝［羽口から吹き込む合計ガス量（Ｎｍ^３／sec）］／［羽口位置での炉内水平断面積（ｍ^２）］
   Ｂ：炉に装入する鉄源の見かけ嵩密度（ｔ／ｍ^３）

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