JP5606320B2

JP5606320B2 - 溶鉄の製造方法

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Inventors: 照祥平岡
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Description

本発明は、溶鉄の製造方法に関する。

鉄鋼製品を製造するにあたり、鉄鋼製品の化学組成を調整するための最終精錬の前段階において鉄鋼製品の原料となる溶鉄を製造し、この溶鉄に対して、目的に応じた精錬を加えることによって最終の鋼材を得ることが通常行われている。

この溶鉄製造の原料としては、鉄鉱石をはじめ、各種精錬で生じるダスト酸化鉄類、鉄鉱石を原料として製造された還元鉄、屑鉄等の種々の含鉄材料が使用されている。基本的には、鉄分を含んでいる物質は、すべて溶鉄の原料となり得るが、どのような原料を用いてどのような製造プロセスを採用するかについては経済性の点に左右されることが多い。

この溶鉄の製造方法は種々あるが、主原料面から概観すると、鉄鉱石を主原料とする高炉−転炉法が世界の主流を占めており、鉄屑を主原料とするアーク式電気炉法がこれに続いている。

高炉法では、鉄鉱石を主原料とし、コークスを還元剤として、加熱された高温度の空気を吹き込むことで鉄鉱石を還元し、炭素飽和状態の溶鉄が製造される。しかし高炉法では、主原料である鉄鉱石や還元剤として使用されるコークスの原料である石炭を前処理するための焼結設備やコークス炉が必要であり、設備投資費が嵩む。このような高炉法は、経済合理性の観点から一般的に年産３００万トン以上の大規模製鉄所にしか適用できないと言われている。従って、大規模生産を必要としない場合には高炉法は適さない。

鉄鉱石を原料とした製鉄法で高炉法ほど大規模生産を必要としない場合は、古くは流動層還元法や天然ガスを使用した各種の還元鉄製造法が知られている。しかしながら、これらの方法はいずれも固体鉄を得る方法であり、得られた固体鉄を溶解する工程が必須である。そのために通常これらの固体鉄は、電気炉や転炉の副次的原料として利用され、これらの炉により溶解が行われている。

こうした欠点を解消する目的で、石炭直接利用溶融還元製鉄技術（ＤＩＯＳ）あるいはＦＩＮＥＸと呼ばれる、鉄鉱石を原料としつつ直接溶鉄を製造する新しい溶鉄製造プロセスが開発された。これらのプロセスは、鉄鉱石や精錬ダストなどの酸化鉄を主原料とし、該酸化鉄の還元に必要な量の炭素源を混ぜたものを形成する、あるいは還元と発熱に必要な量の炭素源をあらかじめ用意された溶鉄に添加しながら、それに音速以上の純酸素ガスを吹き付けることによって溶鉄中の炭素を燃焼させ、その時に発生する燃焼熱で該溶鉄を加熱する方法を採用している。酸化鉄の還元反応は吸熱反応であり、外部から熱を供給しなければ温度が低下して還元反応が停止し、なおかつ溶鉄が凝固するために溶鉄製造という目的が達成できない。従って、該溶鉄に多量の炭素を添加して常にほぼ炭素飽和状態を維持しつつ、該溶鉄に純酸素ガスを吹き付けて該溶鉄中の炭素元素を燃焼し、常に還元反応に必要な熱量を供給して液体状態を維持し続ける必要がある。

しかしこの方法の欠点は、多量の溶鉄飛沫が酸化鉄ダストとして排ガスと共に系外へ飛散してしまうことにある。このダスト発生により、ダストの顕熱ロス、ダストによる鉄分歩留りロス、ダスト処理費用ロスなど、多大な損失を生じる。この純酸素ガスによる溶鉄中の炭素の燃焼反応によって発生するＣＯ気泡の破裂現象を通常バブルバーストと呼称している。そしてバブルバーストによって発生するダストをバブルバーストダストと呼んでいる。このバブルバースト現象は、溶鉄中の炭素を酸素ガスで燃焼させる場合には必ず起こる現象であり、解決すべき重要な課題であるが困難な課題であると言える。

また、アーク式電気炉法は、黒鉛電極を使用した電気アーク加熱で屑鉄を溶解し溶鉄を得る方法である。一般に、このアーク式電気炉法では、得られる溶鉄中の窒素含有量が１００ｐｐｍを超える程度の高濃度となるため得られた鋼材が硬くなるものであり、鋼材特性から低窒素が必要とされる場合は利用することができない。さらに、アーク式電気炉法では、消費電力量が多いためコストがかかる点や、アークの不安定性等の点から熱損失が発生する、等の問題があった。

このような問題点を解消する目的で、冷鉄源溶解法が考案され実施されている。これは、従来のＬＤ転炉設備を利用し、種湯と称するあらかじめ準備された炭素飽和溶鉄に屑鉄を添加し、炉底から微粉炭を添加しつつ上部から超音速の純酸素ガスを吹き込むことによって、溶鉄中の炭素の燃焼反応熱で加熱し屑鉄を溶解する方法である。しかしながら、冷鉄源溶解法においても、バブルバーストダストの発生を十分に抑制できるものではなかった。

また、溶鉄を加熱する手段としては、電気炉で一般的に行われているように黒鉛電極を使用した電気アーク加熱か、高炉法で得られた溶鉄に含まれる炭素元素や珪素元素を酸素ガスで燃焼させる方法が現在の主流である。ごく限られたプロセスでの加熱方法としては、真空脱ガス処理装置において脱炭反応が起こる場合においてのみ有効という限定された条件下ではあるが、脱炭反応で発生するＣＯガスを酸素ガス吹き込みよって燃焼させて加熱する方法（ＲＨ−ＫＴＢ法）や、真空槽内に燃料ガスと助燃ガスを吹き込んで加熱する方法（ＲＨ−ＭＦＢ法）が行われている。またプラズマ加熱や電気誘導加熱などの特殊な加熱方法もあるが、これらは鋳造工程におけるタンディッシュという溶鋼分配装置において、溶鉄温度が目標温度よりも低い場合に限り所望の温度を維持する目的で使用されているのみで、一般の精錬用の加熱法としては利用されていない（例えば、特許文献１、２参照）。

これらの特殊な加熱方法は、あくまで対象とする精錬容器を加熱するとか溶鉄温度が目標温度より低い場合に目標温度まで上昇させる小規模加熱の目的に限られて使用されている。従って、ＲＨ−ＫＴＢ法とＲＨ−ＭＦＢ法は、精錬の最終段階である真空脱ガス処理工程において小規模な加熱に使用されているのみである。このように、溶鉄の精錬において熱を供給する方法は、必要とする熱量が大容量であるために、極めて限られた手段しか実用化されていないのが現状である。

高炉法によって得られた溶銑は、炭素や珪素やリンやマンガンなど、酸素ガスによって燃焼する発熱元素を含んでいると同時に、溶鉄自身が約１５００℃という高温であるために大量の顕熱を保有している。高炉−転炉法における転炉精錬の熱源は上記の二つである。従って、高炉−転炉法における熱的な限界は、得られる溶銑の量、溶銑の温度、溶銑に含まれる炭素や珪素やリンやマンガンなど酸素ガスと反応して発熱する元素の含有量によって決まる。

加熱方法という観点からすると、現在行われている冷鉄源溶解法や前述のＤＩＯＳやＦＩＮＥＸは、高炉−転炉法における加熱の技術思想の延長線上にある。即ち、溶鉄中に炭素源を供給して飽和状態近傍まで溶解させ、それに純酸素ガスを吹きつけて溶鉄中の炭素を燃焼させ、その燃焼熱で屑鉄を溶解する、あるいは酸化鉄の還元・溶解に必要な熱量を供給することによって、溶鉄を得る方法である（例えば、特許文献３参照）。しかしこの技術思想に基づく限り、前述したバブルバーストダストが発生するという課題は解消されない。

本特許技術は、新たな大容量の熱を効率よく供給する手段を開発して、従来の溶鉄製造プロセスにおける未解決の課題を解消するものである。

特開平６−７３４３１号公報特開平６−７３４３３号公報特開平１−２８３３１２号公報

本発明は、一設備集団単位（例えば、製鉄所や製造所）当たりの必要生産量が高炉法ほど大量でない場合、あるいは高炉法の生産設備集団単位において補助的に生産量補充をする場合を対象として、色々な種類の化学組成や形状の酸化鉄を効率よく還元して、又は、色々な形状や化学組成の屑鉄や還元鉄を効率よく溶融して、溶鉄を製造する方法を提供することを目的とする。特に、溶鉄中の炭素を酸素ガスによって燃焼させることによって必要な熱量を得る従来のプロセスにおいて未解決の鉄ダストの大量発生に起因する熱損失、鉄分損失、ダスト処理コストなどの費用損失の課題を根本的に解消し、更に鋼材１トン当たりの発生ＣＯ_２ガス量を削減することを目的とする。さらに、本発明は、廃タイヤや廃プラスチックやオイルサンド等の炭素元素や水素元素を基本的な化学成分として含む物質を熱分解して、ＣＯガス、水素ガス及び／又は炭化水素ガスとして回収する方法を提供することを目的とする。また、溶鉄の温度の制御方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により蓄熱物質としての該溶鉄を加熱し蓄熱することで、効率よく溶鉄を製造できることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて、更に検討を重ねることによって完成したものである。

即ち、本発明は、下記態様の発明を提供する。
項１．炭素を含有する溶鉄を保持容器に供給する工程、
燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により該溶鉄を加熱し蓄熱する工程、及び
該加熱し蓄熱された溶鉄に、酸化鉄及び／又は屑鉄を含む含鉄材料並びに炭素源を添加して、該含鉄材料を溶鉄にする工程を含む溶鉄の製造方法。
項２．燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により溶鉄を加熱し蓄熱する工程において、
該加熱の際に発生する排ガスの温度によって燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの供給量を制御して溶鉄の温度を制御することを特徴とする上記項１に記載の溶鉄の製造方法。
項３．燃料ガス及び助燃ガスを、外部を水冷した金属管の先端に設置されたラバルノズルの内部で混合し、該水冷金属管の出口において音速以上の該混合ガス噴流を形成して、溶鉄の上部から吹き付ける上記項１又は２に記載の製造方法。
項４．溶鉄中に吹き込まれた燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応から発生する排ガスの気泡浮上位置が、溶鉄に添加され、溶鉄上面に浮遊する含鉄材料の下部に位置するように制御することを特徴とする上記項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
項５．保持容器が、仕切り壁で区切られた複数の空間を有し、前記複数の空間が前記仕切り壁の下方部分で互いに連通している容器である上記項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
項６．保持容器が、燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの導入孔を容器底部及び／又は側壁部に有する容器である上記項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
項７．保持容器が、溶鉄を取り出すための排出口及び溶鉄の上部に浮遊する鉱滓分を取り出すための排出口を容器の側壁及び／又は底部に有する容器であり、かつ、傾動機構を有する容器である上記項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
項８．炭素を含有する溶鉄を燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により加熱し蓄熱する工程、
該加熱し蓄熱された溶鉄に、廃タイヤ、廃プラスチック及び／又はオイルサンドを添加し、これらを分解してＣＯガス、水素ガス及び／又は炭化水素ガスを回収する工程
を含むガス回収方法。

本発明は、色々な種類の化学組成や形状の酸化鉄を効率よく還元して、又は、屑鉄を効率よく溶融して、一設備集団単位当たりの必要鉄量が高炉法ほど大量でない場合にも効率よく所望する量の溶鉄を得ることができる。また、本発明は、溶鉄中の炭素を酸素ガスによって燃焼させることによって必要な熱量を得る従来のプロセスにおける鉄ダストの大量発生に起因する熱損失、鉄分損失、ダスト処理コストなどの費用損失の課題を根本的に解消し、省エネルギー、省資源、生産効率の改善に資することと併せてＣＯ_２ガスの発生量を削減するものである。さらに、本発明は、発生する排ガスの温度により燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの供給量を制御することで、炭素を含有する溶鉄の温度を制御することができる。さらに、本発明は、廃タイヤや廃プラスチックやオイルサンド等の炭素元素や水素元素を基本的な化学成分として含む物質を熱分解してＣＯガス、水素ガス及び／又は炭化水素ガスを回収することができる。

本発明で用いる保持容器の一例を示す。本発明で用いる保持容器の一例を示す。本発明で用いる保持容器の一例を示す。

溶鉄の製造方法
本発明の溶鉄の製造方法は、炭素を含有する溶鉄を保持容器に供給する工程（工程１）、燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により該溶鉄を加熱し蓄熱する工程（工程２）、及び該加熱し蓄熱された溶鉄に酸化鉄及び／又は屑鉄を含む含鉄材料並びに炭素源を添加して、該含鉄材料を溶鉄にする工程（工程３）を含むものである。

以下、本発明の製造方法の各工程について詳細に説明する。

１．工程１
工程１では、炭素を含有する溶鉄を保持容器に供給する。

炭素を含有する溶鉄は、「熱エネルギーの貯蔵物質」及び「鉄分回収用溶媒」として使用するものである。ここで、「熱エネルギーの貯蔵物質として」とは、本発明で用いる溶鉄が含鉄材料を溶鉄にする際の均一で大容量の熱源として使用されることを示す。

また、「鉄分回収用溶媒」とは、含鉄材料から得られた溶鉄と、保持容器に最初に供給した溶鉄が一体となって最終生成物である溶鉄が得られる、つまり、保持容器に最初に供給した溶鉄は、含鉄材料から得られた鉄分を回収するための溶媒として使用されるもの、ということを示す。さらに具体的に説明する。屑鉄や還元鉄を溶解する場合、あるいは酸化鉄に対して、主として炭素元素、珪素元素、アルミニウム元素などの還元剤を混合したペレットやブリケットを形成してそれを還元して溶鉄を得る場合、あらかじめ後述する条件の最適炭素含有量の溶鉄を準備しておいて、該溶鉄に回収すべき鉄源（上述の屑鉄、還元鉄、酸化鉄ペレット、酸化鉄ブリケットなど）を添加し、上に述べた音速以上の高速度の該混合ガスを溶鉄へ噴射しつつ、一方で得られる新たな溶鉄の炭素含有量が常に最適炭素含有量近傍の値になるように炭素元素を添加することによって、該溶鉄は強攪拌されるために全体が温度と炭素含有量において高い均一性を有することになる。こうして該溶鉄は、常に同一条件を維持しながら、屑鉄や還元鉄などの溶解、酸化鉄の還元反応の進行と生成した鉄分の回収を行うことになる。

本発明のプロセスで得られる溶鉄の炭素含有量としては、溶鉄温度に依存するが、０〜４.５重量％であることが可能であるが、０〜４．３重量％であることが好ましく、３〜４．３重量％であることがより好ましく、３〜４重量％であることがさらに好ましく、３．２〜３．８重量％であることが特に好ましい。

鉄−炭素系状態図から、炭素を含まない純鉄の溶融温度は約１５３６℃であるが、鉄中の炭素含有量が増えるに従って鉄の溶融温度は低下することが知られている。最も低い鉄の溶融温度は、溶鉄中約４．３重量％の炭素飽和鉄状態の場合で、１１５３℃であることが知られている。溶鉄を熱エネルギーの貯蔵物質および鉄分回収のための溶媒として使用するために、該溶鉄温度はその炭素含有量に応じた溶融温度以上の温度に維持して液体状態を維持することが必要である。従って、炭素含有量が前記範囲未満であると、溶鉄の溶融温度が高くなることから、液体状態を維持するために溶鉄を加熱し蓄熱するために必要な熱量が多くなる傾向がある。また、逆に炭素含有量が前記範囲を超えると、溶融温度は低下して液体状態を維持するために溶鉄を加熱し蓄熱するために必要な熱量が減少するものの、溶鉄中の炭素は活性度が高いために、燃焼反応によって発生したＣＯ_２ガスとＨ_２Ｏガスが溶鉄中の炭素元素と反応してＣＯガスやＨ_２ガスになる、いわゆるカーボンソリューション反応を起こして熱効率を低下させ易くなるため好ましくない。つまり、溶鉄中の炭素含有量が多すぎると、燃焼反応で生じたＣＯ_２ガス、Ｈ_２Ｏガスと溶鉄中の炭素が反応して、一部ＣＯ_２＋Ｃ→２ＣＯあるいはＨ_２Ｏ＋Ｃ→ＣＯ＋Ｈ_２の吸熱反応が発生し熱効率を低下させる傾向がある。このような理由から、本発明においては、溶鉄中の炭素含有量を前述の範囲に制御することが好ましい。

溶鉄の供給量は、用いる保持容器の容量、後述する工程３で添加する含鉄材料及び炭素源の量により適宜決定すればよいものであり、特に限定されるものではない。

また、溶鉄を添加する保持容器としては、特に限定されるものではなく、鉄鋼業界において通常用いられる炉等を用いることができる。また、保持容器において、燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの導入孔は、容器底部及び／又は側壁部に設けることもできる。また、溶鉄を取り出すための排出口及び溶鉄の上部に浮遊する鉱滓分を取り出すための排出口は、容器の側壁及び／又は底部に有することが好ましい。

保持容器の形状は、上部を絞った縦型円筒形、横型円筒形、盥（タライ）形など種々可能であるが、溶鉄を保持する容器から溶鉄や溶鉄上に浮遊する精錬滓を取り出すために、いずれの形状においても傾動機構を有する事が好ましい。

また、保持容器としては、例えば、図１〜３に示す容器を好適に用いることができる。具体的には、容器（１）の内部を仕切り壁（２）で区切ることによって、含鉄材料及び炭素源を添加する複数の空間を形成し、前記複数の空間が前記仕切り壁の下方部分で互いに連通している容器である。つまり、前記仕切り壁（２）の下端部分が容器底に接触しないように仕切り壁（２）が形成されている。このような容器とすることで、該仕切り壁の下部において「熱エネルギーの貯蔵物質」としての溶鉄、および含鉄材料から得られた「鉄分を回収するための溶媒」としての溶鉄（３）が移動可能となる。通常、図２に示すように溶鉄（３）に含鉄材料及び炭素（４）を添加して、燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により溶鉄を加熱し蓄熱することで溶鉄を製造する。しかし、酸化鉄は耐火物侵食作用が強いため、容器（１）の側面や仕切り壁（２）の酸化鉄接触面が溶損されてしまうことがある。その場合に、図３に示すように、溶鉄（３）を一部排出して通常の操業の溶鉄面を下げて、溶損された部分（５）を露出して耐火物粉末を吹き付けて補修をすることが可能である。また、それ以外の空間では通常の操業を継続することが可能である。

本発明の溶鉄製造方法における設備の基本構成は、前述の保持容器、燃料ガスと助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱を主たる加熱手段として溶鉄を加熱し蓄熱する装置等を有するものであればよく特に限定されないが、例えば、保持容器中へ含鉄材料と必要な炭素源および必要に応じて廃タイヤや廃プラスチックやオイルサンド等を添加する装置、必要な副原料を添加する装置、排ガスを回収する装置、排ガスを回収する装置の極力溶鉄を保持する容器に近い領域に設置された排ガス温度計、排ガス中の粉塵を除去する装置、排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）や窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を除去する装置、溶鉄を保持する容器から溶鉄を取り出す装置、溶鉄を保持する容器から溶鉄上に浮遊する精錬滓を取り出す装置、溶鉄を保持する容器を傾動する装置等を必要に応じて適宜備えることが好ましい。

２．工程２
工程２では、燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により該溶鉄を加熱し蓄熱する。該混合ガスは、音速以上で蓄熱物質としての溶鉄中に吹き込まれ、燃焼反応によって発生する排ガス気泡が溶鉄中から浮上・分離する過程で熱交換を完全に終えることを理想としている。

溶鉄を加熱し蓄熱する温度は、溶鉄の炭素含有量に応じて決定される溶融温度よりも高い温度に設定することが必要であり、通常、溶融温度より約１００℃高い温度に設定する。これは、操業中の溶鉄中の炭素濃度は計算によるものであるところ、この溶鉄中の炭素量の推定を誤った場合は溶鉄が凝固して甚大な操業困難を来す危険性があること、又、工業的な温度バラツキを考慮して、溶融温度より約１００℃高い温度に設定するものである。具体的には、約１００℃の余裕をもたせるとすれば、該溶鉄温度は１２５３〜１６３６℃の範囲において、経済的に最も望ましい炭素含有量を適宜選択することになる。また、約５０℃の余裕をもたせるとすれば、該溶鉄温度は１２０３〜１５８６℃の範囲において経済的に最も望ましい炭素含有量を適宜選択することになる。

溶鉄の加熱と蓄熱は、燃料ガスと助燃ガスによって形成される混合ガスの燃焼反応熱を加熱手段として用いるものである。燃料ガスとしては、助燃ガスにより燃焼してＣＯ_２やＨ_２Ｏを発生するガスであり、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ＣＯガス、重油や軽油を噴霧状態にしたもの等を挙げることができる。

助燃ガスとしては、純酸素、空気等を挙げることができるが、純酸素ガスの製造コストと排ガスが持ち出す顕熱の費用損失との比較で選択すれば良い。つまり、助燃ガスとして空気を使用する場合は、純酸素ガスのように製造コストは掛からないが、空気の約８０％を占める窒素が排ガスとして多量の顕熱を持ち出す。この熱損失に相当するエネルギー費用が必要である。一般的に、助燃ガスとしては高濃度の酸素ガスを使用することで省エネルギー効果が得られる。

燃料ガスと助燃ガスの混合比としては、完全燃焼する混合比を挙げることができる。完全燃焼混合比は、用いるガスの種類によって変動するため、用いる燃料ガスと助燃ガスの種類によって適宜決定することができる。具体的には、例えば、燃料ガスがＬＮＧであり、助燃ガスが純酸素ガスである場合、完全燃焼比率（体積比）は、燃料ガス：助燃ガス＝１：２．３０であり、燃料ガスがＬＰＧであり、助燃ガスが純酸素ガスである場合、燃料ガス：助燃ガス＝１：５．１２である。

前述したように、バブルバーストダストは、酸素ガスによる溶鉄中の炭素の燃焼量に比例して増大する。この知見に基づき、前記完全燃焼混合比よりも燃料ガスを過剰に加えることで、該混合ガス中の酸素ガスが溶鉄中の炭素と反応する確率を低下することができるのでバブルバーストダストを極力抑制することができる。

主原料が酸化鉄の場合は、不完全燃焼の燃料ガスは酸化鉄の還元剤として有効利用することができる。また、鉄屑を主原料とする場合も同様に、完全燃焼混合比よりも燃料ガスを過剰に加えることで、上記と同じ理由でバブルバーストダストを極力抑制することができ、この場合は不完全燃焼の燃料ガスは、排ガスとして回収され、再利用することができる。

前述のような理由により、燃料ガスと助燃ガスの混合比は一概に決定できるものではないが、例えば、体積比で、燃料ガス：助燃ガス＝１：１〜１０程度を挙げることができる。

本発明においては、前記混合ガスの燃焼反応熱により溶鉄を加熱し蓄熱することができるが、それと同時に、高温の混合ガス噴流の機械エネルギーによって溶鉄を強力に攪拌することができる。

また、溶鉄の攪拌をさらに強化するために、溶鉄保持容器の底部又は側壁部の溶鉄上面より下部の位置から、酸素ガス、窒素ガス、空気、炭酸ガス、アルゴンガス、燃料ガス等のガスを吹き込むことができる。ただし、攪拌強化のために吹き込むガスが酸素ガス又は空気である場合は、該酸素ガス又は空気と反応するに足りる燃料ガスを、上記の燃焼反応熱を得るための混合ガスを形成する燃料ガスとは別に供給する必要がある。また、攪拌強化のために吹き込むガスが燃料ガスである場合は、該燃料ガスと反応するに足りる助燃ガスを、上記の燃焼反応熱を得るための混合ガスを形成する助燃ガスとは別に余分に添加することが好ましい。

本発明においては、燃料ガス及び助燃ガスを、外部を水冷した金属管の内部で所望の比率で混合し、該水冷金属管の出口以降で音速以上の混合ガス噴流を形成して、溶鉄の上部から吹き付けることが好ましい。音速以上の該混合ガスは、該水冷金属管の出口近傍では燃焼火炎を形成しないと考えられるが、該混合ガス速度が低下し、かつ該混合ガス温度が燃焼可能な温度に加熱される溶鉄上面近傍あるいは溶鉄内部においては燃焼反応が起こって燃焼熱を発生する。

上部から吹き付ける場合、吹き付ける金属管（ランス）先端が損耗された場合に交換が容易であるため好ましい。例えば、容器底や側面に設けられた吹き込み口であると、吹き込み口周辺の耐火物が損耗し易い傾向があり、かつ、その補修が難しいという問題もある。

また、金属管の該混合ガス噴流の吹き出し口は、溶鉄上面に近い方が好ましく、該混合ガス噴流の溶鉄面への衝突エネルギーによって発生する溶鉄の飛沫によるランス先端の損耗が激しくない範囲であることが好ましい。この範囲にすることで、該混合ガス噴流を極力溶鉄中に深く吹き込むことができるため、好ましい。また、具体的数値としては、炉の形状や寸法等に依存するため一概に決定できないが、例えば、溶鉄上面から０.５〜２．５ｍ程度を挙げることができ、特に好ましくは、１〜２ｍ程度である。

金属管としては、先端にラバルノズルを設置し、該ラバルノズル内部において該混合ガスを形成することが、ノズル出口において音速以上を得られる点から好ましい。このような音速以上のガスジェットの形成方法は、ラバルノズルの技法によって広く知られており、例えば、特開平６−７３４３１号公報、特開平６−７３４３３号公報に記載されている。ラバルノズルを使用して得られる燃料ガスと助燃ガスからなる混合ガスを音速以上のガス流速で１１５０℃以上に維持されている溶鉄保持容器中に吹き込んだ場合、溶鉄上面近傍に達すると速やかに燃焼反応を起こしながら、その保有する強い機械的エネルギーによって溶鉄中へ侵入する。溶鉄温度は、その炭素含有量に対応する融点よりも約１００℃高めに制御されているために、溶鉄中に突入した燃料ガスと助燃ガスからなる該混合ガスは約１２５３℃以上の高温反応室に閉じ込められた状態になって、未反応部分が存在していても速やかに燃焼反応が起こり完全燃焼する。こうして形成された燃焼ガス気泡（ＣＯ_２やＨ_２Ｏ）は、溶鉄中を熱交換しながら浮上する。この過程で該燃焼ガス気泡の一部が溶鉄中の炭素と結合して吸熱反応を起こし、その結果、総合的な熱効率は約８０％程度となる。このような観点から、溶鉄中に吹き込まれた該混合ガスの燃焼反応で発生する該燃焼ガス気泡の浮上位置は、溶鉄に添加され、溶鉄上面に浮遊している含鉄材料の下部に位置するように制御することが攪拌を助長することから好ましい。制御方法としては、例えば、燃料ガスと助燃ガスからなる該混合ガスの供給場所（例えば、炉底から供給する等）や、吹き込み圧力等で制御する方法が挙げられる。

また、該音速以上の混合ガスの噴出孔は、垂直方向のみならず、垂直に対して４５度以内の傾斜角度を有する複数個（好ましくは３〜６個）で構成される事も可能である。

さらに、溶鉄を鉄分回収のための溶媒として使用するために、還元反応の終了した鉄分と溶媒としての溶鉄を激しく攪拌・混合する必要があるが、前述の音速以上に加速された該混合ガス噴流を溶鉄中に吹き込むことにより達成できる。つまり、音速以上に加速された該混合ガス噴流を溶鉄中へ吹き込むことができれば、蓄熱物質としての溶鉄を加熱蓄熱し、音速以上に加速された該混合ガス噴流による衝突エネルギーと燃焼反応によって発生するＣＯ_２やＨ_２Ｏ気泡の浮力とによって、溶鉄とその上部に浮遊状態で存在している還元反応が終了して得られる固体鉄とを強攪拌することができ、該固体鉄を速やかに溶鉄中へ回収することができる。

燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの供給量は、加熱温度、供給した溶鉄の量、使用する含鉄材料の種類とその量等に応じて適宜決定することができるものであり、特に限定されるものではない。

また、本発明において、溶鉄に対する熱交換を終えた燃焼排ガス温度を測定することにより、燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの供給量を制御して溶鉄の温度を一定に保つことが好ましい。溶鉄の温度は、前述の通りである。排ガスの温度は、該燃焼ガス気泡の熱交換が理想的に行えば、溶鉄温度とほぼ同じ温度になると考えられる。しかしながら、排ガス温度測定位置は、溶鉄面から離れているため、通常、溶鉄温度よりも低くなる。

また、該燃焼ガス気泡と溶鉄の熱交換が十分に行われない場合は、高温の燃焼ガスが排ガスと共に排出されるため、排ガスの温度は高くなる。従って、このような温度変化を加味して、排ガスの目標温度は、使用する炉の種類や含鉄材料の使用量や該混合ガス吹き込み条件等にもよるが、溶鉄目標温度＋１０〜１００℃程度（好ましくは、溶鉄目標温度＋１０〜５０℃）とすることが挙げられる。

排ガス温度が該排ガス目標温度よりも低下した場合、排ガス処理能力の最大まで、あるいは、燃料ガスと助燃ガスからなる該混合ガスを供給する設備能力の最大まで供給することが生産効率を高める観点から好ましい。その後、排ガス温度が排ガス目標温度になればガス供給を止める。このように排ガス温度を指標にして燃料ガスと助燃ガスからなる該混合ガス量を制御することで溶鉄の温度を一定に保つことができる。

３．工程３
工程３では、加熱し蓄熱された溶鉄に含鉄材料及び炭素源を添加して、該含鉄材料を溶鉄にする。

含鉄材料としては、鉄鉱石等の色々な種類の化学組成や形状の酸化鉄や、屑鉄や還元鉄などの鉄分を含むものを挙げることができる。

酸化鉄の形状としては、塊状や粉状、粉を固めたペレットやブリケット等を挙げることができる。酸化鉄の純度も発生源によって差があり種類が多いが、本発明においては全ての酸化鉄を効率よく還元して鉄分回収できることを特徴としている。屑鉄に関しても同様で、形状や大きさに関わらず、効率よく溶解して溶鉄を製造することを目的としている。つまり、市場価格に応じて最適原料の選択を可能とし、いかなる主原料に対しても経済合理性の高い溶鉄製造方法を提供するものである。

炭素源は、酸化鉄の還元剤として、又は、製造する溶鉄中の炭素含有量を調整する目的で用いられるものである。具体的には、コークス、黒鉛、石炭等を挙げることができる。

含鉄材料が、鉄鉱石等の酸化鉄である場合、保持容器中では酸化鉄が前記炭素源により効率よく還元され溶鉄となる。得られた溶鉄は、保持容器中に存在する溶鉄中に溶解する。酸化鉄と炭素を共存させて１０００℃以上に加熱すると還元反応は極めて速やかに進行することが知られているが、本発明においては燃料ガスと助燃ガスからなる該混合ガスの燃焼反応熱により溶鉄を１０００℃以上に加熱し蓄熱するものであり、該溶鉄に蓄積された熱により酸化鉄が炉内の各位置で均一に効率よく還元されるものである。

含鉄材料として鉄鉱石を用いた場合、得られる溶鉄中のリン含有量が比較的多くなる傾向がある。従って、リン含有量が低い溶鉄を所望する場合には、石灰を添加して該リン分を除去することができる。石灰の添加量は、特に限定されるものではなく、所望のリン含有量となるように、適宜決定することができる。

添加される炭素の量は、鉄分の溶融温度を決めれば理論的には決定可能ではあるが、酸化鉄の形状や化学組成や加熱用の該混合ガスの吹き込み状態による飛散などの条件でその利用効率が変化するため、単純に理論だけでは決定できないが、例えば、重量比で、酸化鉄：炭素源＝１：０．１〜１程度であることが好ましく、酸化鉄：炭素源＝１：０．１〜０．５程度であることがより好ましく、酸化鉄：炭素源＝１：０．２８〜０．３３程度であることがさらに好ましい。

また本発明において、酸化鉄の還元剤として炭素源を主体としているが、前述のように燃料ガス量を助燃ガスに対して過剰に加えることにより燃料ガスを酸化鉄の還元剤として使用することも可能である。本発明において使用する還元材の選択は、それぞれの還元材のその時の市場価格によって左右されるもので、本特許の基本概念に含まれるものである。

もともと存在する溶鉄と添加する酸化鉄の重量比は、必要な熱エネルギーを該混合ガスの燃焼反応熱で供給するために特に制限されるものではないが、酸化鉄の還元反応速度を勘案して重量比で、溶鉄：酸化鉄＝１：０．１〜３（好ましくは１：０.１〜０.５）程度であることが好ましい。

また、含鉄材料が、スクラップ等の屑鉄である場合は、保持容器中で該屑鉄が効率よく溶解し、溶鉄となる。また、この場合、もともと保持容器中に存在する溶鉄と同等の炭素含有量になるように、添加する炭素源の添加量を調整する必要がある。

この場合の、炭素源の添加量は、必要とする溶鉄中の炭素含有量による。前述したように、溶鉄中の炭素含有量は、４．３重量％以下であることが好ましく、３〜４．３重量％であることがより好ましく、３〜４重量％であることがさらに好ましく、３．２〜３．８重量％であることが特に好ましい。このような濃度になるように、炭素源の添加量を決定することができる。例えば、５５トンの屑鉄を用いて、炭素含有量約４重量％の溶鉄を製造する場合は、２．２トンの炭素源が必要であり、さらに、工業的ロス等を考慮して、２．４〜２．６トン程度であることが好ましい。

炭素源の添加方法は特に限定されるものではないが、例えば、溶鉄保持容器の底部又は側壁部の溶鉄上面より下部の位置から炭素源を供給する方法や、溶鉄上面から炭素源を吹き付け添加する方法を挙げることができる。該混合ガスを形成する際の燃料ガスをキャリヤーガスとして微粉末の炭素源を混ぜて供給する方法も含まれる。

もともと存在する溶鉄と添加する屑鉄の重量比は、特に限定されるものではないが、一回当たりの屑鉄投入量は、溶鉄の約６０重量％程度以下、好ましくは５５％以下が挙げられる。６０重量％を超えると、溶鉄の温度が下がりすぎて凝固してしまう可能性がある。

ガス回収方法
また、本発明は、
炭素を含有する溶鉄を、燃料ガス及び助燃ガスからなる該混合ガスの燃焼反応熱により加熱する工程、
該溶鉄に、廃タイヤ、廃プラスチック及び／又はオイルサンドを添加して、これらを分解してＣＯガス、水素ガス及び／又は炭化水素ガスを回収する工程
を含むガス回収方法に関するものである。

本発明の製造方法においては、特に主原料として酸化鉄を使用する場合は大量のＣＯガスが発生するため、集塵を兼ねた排ガス回収設備を保有している。この設備を利用して、該溶鉄上に廃タイヤ、廃プラスチック及び／又はオイルサンド等の炭素元素や水素元素を基本的な化学成分として含む物質を添加し、これを熱分解してＣＯガスや水素ガスや炭化水素ガスとして回収することが可能である。

廃タイヤ、廃プラスチック及び／又はオイルサンド等の炭素元素や水素元素を基本的な化学成分として含む物質の添加量は、排ガス処理能力に依存するものである。つまり、発生する排ガスを処理できる範囲であれば、添加量は特に限定されない。

該混合ガスの燃焼反応熱により加熱する工程、用いる設備等については、本明細書中のいかなるものも採用できるものである。

溶鉄の温度の制御方法
さらに、本発明は、
炭素を含有する溶鉄の温度を制御する方法であって、
該溶鉄を燃料ガス及び助燃ガスからなる該混合ガスの燃焼反応熱により加熱する工程において、該加熱の際に発生する排ガスの温度によって燃料ガス及び助燃ガスからなる該混合ガスの供給量を制御することを特徴とする溶鉄の温度の制御方法に関するものである。

該混合ガスの燃焼反応熱により加熱する工程、該加熱の際に発生する排ガスの温度によって燃料ガス及び助燃ガスからなる該混合ガスの供給量を制御する方法等については、本明細書中のいかなる方法も採用できるものである。

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１
２３０トンの溶鋼を処理可能なＬＤ転炉の炉口上部に設置された排ガス回収設備の下部領域に温度計が設置されており、該温度計によりＬＤ転炉から排出されるガスの温度を測定することができる。該ＬＤ転炉に１００トンの溶鉄を供給した。

溶鉄を加熱するための燃料ガスと助燃ガスからなる該混合ガスは、先端にラバルノズルを設置したガス吹き込み経路を有する水冷されたランスによって、溶鉄の上部から吹き付けた。燃料ガスとしてＬＰＧ、助燃ガスとして高純度酸素ガスを使用し、ガスの混合比（体積比）として（ＬＰＧ：純酸素ガス＝１：５．１２）を選択した。

該ラバルノズルの初期膨張部終点より上流側は、必要量の多い純酸素ガスを供給するための条件で寸法が決められており、該ラバルノズルのスロート部より下流域の相殺部始点より下流側は該混合ガスを適正膨張させる条件で設定され、該初期膨張部と該相殺部の間は直線で結び、この領域においてラバルノズルの管壁に円周状に設けられたスリット状の隙間から所望する量のＬＰＧを供給することによって、ＬＰＧと純酸素ガスが該ラバルノズル内で混合されるように工夫されている。該ランスの出口では、ＬＰＧと純酸素ガスで形成される混合ガスは音速以上となり溶鉄に吹き付けられる。

このラバルノズルは、ＬＰＧを約１１，０００Ｎｍ^３／時間、純酸素ガスを約５６，３００Ｎｍ^３／時間、ＬＰＧと純酸素ガスの混合ガスとして約６７，３００Ｎｍ^３／時間、の速度で供給することができる。

溶鉄中の炭素含有量は約４％、溶鉄温度は約１４００℃に制御されているため、ＬＰＧと酸素ガスからなる該混合ガスは、溶鉄上面近傍で速やかに燃焼反応を起こしながら高温の火炎を生じながら溶鉄中へ侵入した。この溶鉄加熱システムによって、該ＬＰＧ・純酸素ガスからなる混合ガスの供給量を増やすと排ガス温度が上がり、それに比例して溶鉄温度が上がることが確認された。

実施例２
実施例１の設備を使用した、鉄鉱石を主原料として溶鉄を製造する実施例を示す。この場合は、燃料ガスがＬＰＧで助燃ガスが純酸素ガスである。

予めＬＤ転炉中に、炭素含有量が約４％、溶鉄温度が約１４００℃に制御された約１００トンの溶鉄を準備した。これに対して鉄分含有量が約６３％の鉄鉱石を約１６２トンに微粉炭約４１トンを混合して固めたブリケット約２０３トンを用意した。

該ブリケットの一回当たりの添加量は、溶鉄重量の約６０％を目途としてブリケットの屑鉄に対する冷却能力係数２.４７で割った量を目安とした。屑鉄の添加量は溶鉄の重量に対して５５％を上限としたが、ブリケットは溶鉄より比重が小さいために溶鉄上面に浮いており、添加されたブリケットの全量が直ちに溶鉄を冷却する訳ではないので、その添加量は上記を上限の目安とすれば良い。また、ブリケットの屑鉄に対する冷却能力係数２.４７とは、同じ重量の屑鉄に対して該ブリケットの冷却能力が２.４７倍あることを意味する。

最初に該水冷ランスの先端と溶鉄上面の距離を１.５ｍに設定して、ＬＰＧを約１１，０００Ｎｍ^３／時間、純酸素ガスを約５６，３００Ｎｍ^３／時間、ＬＰＧと純酸素ガスの混合ガスとして約６７，３００Ｎｍ^３／時間、の速度で供給開始した。その直後に炉上の原料バンカーから該ブリケットを炉内へ添加開始した。また、ブリケット添加開始と同時に、炉底から微粉炭の吹き込みを開始した。微粉炭の吹き込み速度は、ブリケット１トン当たり約２７ｋｇを目安に行った。最初は３トン／分の添加速度でブリケットを添加した。排ガス温度が１４００℃前後に維持できるようにブリケットの添加速度を制御した。排ガス温度が１５００℃を超えると、還元反応が終了し、溶鉄が加熱されていることを意味するので、排ガス温度は１４５０℃よりも上がらないようにブリケットの添加量を制御することが好ましい。

こうして用意された２０３トンのブリケットを全て添加した後に、排ガス温度が１５００℃以上に上昇した時点で該水冷ランスからの混合ガスと炉底からの微粉炭の供給を止め、直ちに該水冷ランスを炉外へ引き上げた。

炉内に約１００トンの溶鉄を残し、取り鍋に約１００トンの溶鉄を取り出した。その後、溶鉄上面に浮かんでいるスラグをスラグ受け鍋に排出し、次の操業に入った。この操業中に炉外へ噴出した溶鉄が約１トン、スラグ排出時に約０.８トンの溶鉄がスラグと共に排出された。また、この操業におけるダスト発生量は０.２トンと極めて少なかった。この操業で使用された炉底から吹き込まれた微粉炭の量は約５.４トンであり、ＬＰＧ量は約１０,７５５Ｎｍ^３、純酸素ガスは約５５，４７０Ｎｍ^３であり、所要時間は約６０分であった。また、排ガス回収設備によって回収されたガス量は１３３，９００Ｎｍ^３であり、排ガス中のＣＯガスは約７０％、Ｈ_２ガスは約１０％、ＣＯ_２ガスは約２０％であった。この操業を二回繰り返して約２００トンの溶鉄を得た後に脱硫処理工程を経由した後に、通常の転炉精錬を加えて溶鋼を得た。

なお、上記の操業パターンが標準化されれば、排ガス温度の測定は不要であり、標準作業に従ってブリケットの添加速度と炉底からの微粉炭吹き込み速度を制御し、混合ガスの総量を目安に操業すればほぼ同じ結果が得られる。

実施例３
実施例１の設備を使用した、鉄鉱石を主原料として溶鉄を製造する実施例を示す。この場合は、燃料ガスがＬＰＧで助燃ガスが純酸素ガスである。
予めＬＤ転炉中に、炭素含有量が約４％、溶鉄温度が約１４００℃に制御された約１００トンの溶鉄を準備した。これに対して鉄分含有量が約６３％の塊状の鉄鉱石を約１６２トン用意した。

該鉄鉱石の一回当たりの添加量は、溶鉄重量の約６０％を目途として鉄鉱石の屑鉄に対する冷却能力係数３.１で割った量を目安とした。屑鉄の添加量は溶鉄の重量に対して５５％を上限としたが、鉄鉱石は溶鉄より比重が小さいために溶鉄上面に浮いており、添加された鉄鉱石の全量が直ちに溶鉄を冷却する訳ではないので、その添加量は上記を上限の目安とすれば良い。また、鉄鉱石の屑鉄に対する冷却能力係数３.１とは、同じ重量の屑鉄に対して鉄鉱石の冷却能力が３.１倍あることを意味する。

最初に該水冷ランスの先端と溶鉄上面の距離を１.５ｍに設定して、ＬＰＧを約１１，０００Ｎｍ^３／時間、純酸素ガスを約５６，３００Ｎｍ^３／時間、ＬＰＧと純酸素ガスの混合ガスとして約６７，３００Ｎｍ^３／時間、の速度で供給開始した。その直後に炉上の原料バンカーから該鉄鉱石を炉内へ添加開始した。また、該鉄鉱石の添加開始と同時に、炉底から微粉炭の吹き込みを開始した。微粉炭の吹き込み速度は、鉄鉱石１トン当たり約４５４ｋｇを目安に行った。最初は２.３トン／分の添加速度で鉄鉱石を添加した。排ガス温度が１４００℃前後に維持できるように鉄鉱石の添加速度を制御した。排ガス温度が１５００℃を超えると、還元反応が終了し、溶鉄が加熱されていることを意味するので、排ガス温度は１４５０℃よりも上がらないように鉄鉱石の添加量を制御することが好ましい。

こうして用意された１６２トンの鉄鉱石を全て添加した後に、排ガス温度が１５００℃以上に上昇した時点で該水冷ランスからの混合ガスと炉底からの微粉炭の供給を止め、直ちに該水冷ランスを炉外へ引き上げた。

炉内に約１００トンの溶鉄を残し、取り鍋に約１００トンの溶鉄を取り出した。その後、溶鉄上面に浮かんでいるスラグをスラグ受け鍋に排出し、次の操業に入った。この操業中に炉外へ噴出した溶鉄が約１トン、スラグ排出時に約０.８トンの溶鉄がスラグと共に排出された。また、この操業におけるダスト発生量は０.２トンと極めて少なかった。この操業で使用された炉底から吹き込まれた微粉炭の量は約４６.４トンであり、ＬＰＧ量は約１０,７５５Ｎｍ^３、純酸素ガスは約５５，４７０Ｎｍ^３であり、所要時間は約６０分であった。

また、排ガス回収設備によって回収されたガス量は１３３，９００Ｎｍ^３であり、排ガス中のＣＯガスは約７０％、Ｈ_２ガスは約１０％、ＣＯ_２ガスは約２０％であった。この操業を二回繰り返して約２００トンの溶鉄を得た後に脱硫処理工程を経由した後に、通常の転炉精錬を加えて溶鋼を得た。

実施例４
実施例１の炉設備を使用した、燃料ガスがＬＮＧで助燃ガスが純酸素ガスである場合の実施例を示す。燃料ガスとしてＬＮＧ、助燃ガスとして高純度酸素ガスを使用し、ガスの混合比（体積比）として（ＬＮＧ：純酸素ガス＝１：２．３）を選択した。

本実施例で用いる水冷ランスは二重構造になっており、外側が純酸素ガスの流路でその内側に銅管製のＬＮＧの流路が設置されている。所望する量のＬＮＧは、該ラバルノズルのスロート部より上流域において管内壁がスロート部に向かって縮小し始めるいわゆるよどみ部と呼ばれる位置に供給される。こうしてＬＮＧと純酸素ガスが該ラバルノズル内で混合されるように工夫されている。該ランスの出口では、該ＬＮＧ・純酸素混合ガスは音速以上となり溶鉄に吹き付けられる。

このラバルノズルは、ＬＮＧを１８３００Ｎｍ^３／時間、純酸素ガスを４２１００Ｎｍ^３／時間、ＬＮＧと純酸素ガスの混合ガスとして約６０４００Ｎｍ^３／時間、の速度で供給することができる。

溶鉄中の炭素含有量は約４％、溶鉄温度は約１４００℃に制御されているため、ＬＮＧと純酸素ガスからなる該混合ガスは溶鉄上面近傍で速やかに燃焼して高温の火炎を生じながら溶鉄中へ侵入した。この溶鉄加熱システムによって、該ＬＮＧ・酸素混合ガスの供給量を増やすと排ガス温度が上がり、それに比例して溶鉄温度が上がることが確認された。

実施例５
実施例４の設備を使用した、屑鉄を主原料として溶鉄を製造する実施例を示す。この場合は、燃料ガスがＬＮＧで助燃ガスが純酸素ガスである。

予めＬＤ転炉中に、炭素含有量が約４％、溶鉄温度が約１４００℃に制御された約１００トンの溶鉄を準備した。これに対して屑鉄約１１０トンを用意した。最初に、溶鉄に対して屑鉄の重量比率約５０％である約５０トンを添加した。屑鉄添加が終了すると、該水冷ランスの先端と溶鉄上面の距離を約１.５ｍに設定した。その後直ちに、ＬＮＧを１８，３００Ｎｍ^３／時間、純酸素ガスを３９，４７０Ｎｍ^３／時間、ＬＮＧと純酸素ガスの混合ガスとして約５７，７７０Ｎｍ^３／時間、の速度で供給を開始した。混合ガス噴出開始後、直ちに炉底の微粉炭吹き込み口から微粉炭を吹き込み開始した。微粉炭吹き込み速度は３０６ｋｇ／分であった。

約９.４分経過した時点で、排ガス温度が１５００℃を超えたので、混合ガスと炉底からの微粉炭吹き込みを停止し、ここで屑鉄を６０トン追加装入した。この時点での混合ガス量は約９，０１２Ｎｍ^３、微粉炭吹き込み量は２８７７ｋｇであった。

屑鉄６０トンの追加装入完了後、直ちに該水冷ランスを炉内へ挿入し、上とまったく同じ条件で操業を開始した。約１１.２分経過した時点で、排ガス温度が１５００℃を超えたので、混合ガスと炉底からの微粉炭吹き込みを停止し、炉内に約１００トンの溶鉄を残し、取り鍋に約１０７トンの溶鉄を取り出した。精錬中に炉外へ飛散した溶鉄が約１トン、スラグと共に排出された溶鉄が約０.８トン、ダストが約０．５トンであった。合計約２１分の混合ガス噴射時間で約１１０トンの屑鉄溶解が完了し、この間にＬＮＧを約６，１００Ｎｍ^３、純酸素ガスを約１３，７３０Ｎｍ^３，炉底からの微粉炭吹き込み量約６３００ｋｇを消費した。また、排ガス回収設備により約１１，７００Ｎｍ^３の排ガスが回収された。排ガス中のＣＯガスは約７０％、Ｈ_２ガスは約１０％、ＣＯ_２ガスは約２０％であった。

こうして得られた溶鉄は炭素含有量が約４％、温度が約１４００℃、と最初の溶鉄とほぼ同じ溶鉄が得られた。

この操業を二回繰り返して約２１４トンの溶鉄を得た。これを脱硫処理した後に、通常の転炉精錬を加えて溶鋼を得た。

実施例６
実施例１の炉設備を使用した、燃料ガスがＬＮＧで助燃ガスが純酸素ガスである場合の実施例を示す。燃料ガスとしてＬＮＧ、助燃ガスとして高純度酸素ガスを使用し、ガスの混合比（体積比）として（ＬＮＧ：純酸素ガス＝１：２．３）を選択した。

本実施例で用いる水冷ランスは二重構造になっており、外側が純酸素ガスの流路でその内側に銅管製のＬＮＧの流路が設置されている。該ラバルノズルは消費量の多い純酸素ガスの流量を条件にスロート部断面積が決められている。所望する量のＬＮＧは、該ラバルノズルのスロート部において純酸素ガス流に添加される。該ラバルノズルは、スロート部より下流側は上記の混合ガスが適正膨張するように設計されており、ＬＮＧと純酸素ガスは、該ラバルノズル内で均一に混合し、ノズル出口で音速以上の高速度が得られるように工夫されている。

溶鉄中の炭素含有量は約４％、溶鉄温度は約１４００℃に制御されているため、ＬＮＧと純酸素ガスからなる該混合ガスは、溶鉄上面近傍で速やかに燃焼して高温の火炎を生じながら溶鉄中へ侵入した。この溶鉄加熱システムによって、該ＬＮＧ・酸素混合ガスの供給量を増やすと排ガス温度が上がり、それに比例して溶鉄温度が上がることが確認された。

実施例７
実施例６の設備を使用した、屑鉄を主原料として溶鉄を製造する実施例を示す。この場合は、燃料ガスがＬＮＧで助燃ガスが純酸素ガスである。

屑鉄６０トンの追加装入完了後、直ちに該水冷ランスを炉内へ挿入し、上とまったく同じ条件で操業を開始した。約１１.２分経過した時点で、排ガス温度が１５００℃を超えたので、混合ガスと炉底からの微粉炭吹き込みを停止し、炉内に約１００トンの溶鉄を残し、取り鍋に約１０７トンの溶鉄を取り出した。精錬中に炉外へ飛散した溶鉄が約１トン、スラグと共に排出された溶鉄が約０.８トン、ダストが約０.５トンであった。

合計約２１分の混合ガス噴射時間で約１１０トンの屑鉄溶解が完了し、この間にＬＮＧを約６，１００Ｎｍ^３、純酸素ガスを約１３，７３０Ｎｍ^３，炉底からの微粉炭吹き込み量約６３００ｋｇを消費した。また、排ガス回収設備により約１１，７００Ｎｍ^３の排ガスが回収された。排ガス中のＣＯガスは約７０％、Ｈ_２ガスは約１０％、ＣＯ_２ガスは約２０％であった。

実施例８
実施例７を操業基準としたガス回収操業の実施例を示す。実施例７の操業を行いつつ、廃タイヤ合計１０トンを二回に分けて添加した。この時に得られた回収ガス増分は、約７，６００Ｎｍ³であった。この時得られた回収ガス中のＳＯ_ｘ増分は、約１２０ｐｐｍであった。また溶鉄中の硫黄分が０．０４％増加していた。溶鉄量は約１.２トン増加していた。これは廃タイヤ中に含まれる鉄分が回収されたものである。その他の操業結果は実施例７と大差なかった。これにより、廃タイヤがガス化され、燃料ガスとして回収されたことが分かる。

比較例１
実施例１の設備において、先端にラバルノズルを設置したガス吹き込み経路を有する水冷されたランスを、純酸素ガスのみを流す従来操業のランスに交換した。該ランスは純酸素ガスを５２，５００Ｎｍ^３／時間の供給速度、マッハ２のガスジェット速度で噴射することができる。

予めＬＤ転炉中に、炭素含有量が約４％、溶鉄温度が約１４００℃に制御された約１００トンの溶鉄を準備した。これに対して屑鉄約１１０トンを用意した。

最初に、溶鉄に対して屑鉄の重量比率約５０％である約５０トンを添加した。屑鉄添加が終了すると、該水冷ランスの先端と溶鉄上面の距離を約２.０ｍに設定した。その後直ちに、純酸素ガスを５２，５００Ｎｍ^３／時間の供給速度で噴射し、併せて炉底から微粉炭を１０１５ｋｇ／分の速度で吹き込んだ。約９分経過後、初回の屑鉄が溶解したので、純酸素ガスと炉底からの微粉炭吹き込みを停止し、残りの６０トンの屑鉄を装入して、上とまったく同じ条件で操業を再開した。その後約１１分経過した後に、追加の屑鉄が溶解したので、純酸素ガスと炉底からの微粉炭吹き込みを停止した。こうして得られた溶鉄は、炭素含有量が約４％、温度が約１４００℃の初期条件と程同じであった。

炉内に約１００トンの溶鉄を残し、約９８トンの溶鉄を取り鍋に取り出した。この操業においてはダスト発生量が約１０.１トン、操業中に炉外へ飛散した溶鉄が約１トン、スラグを排出中にスラグと共に排出された溶鉄が約０.８トンであった。また、排ガス回収設備で回収されたガス量は３５，９２０Ｎｍ^３であった。

実施例５、実施例７と比較例１により、燃料ガスと純酸素ガスによって形成される混合ガスの燃焼反応熱による溶鉄加熱法の優位性が確認された。

１容器
２仕切り壁
３溶鉄
４含鉄材料
５溶損された部分

Claims

炭素を含有する溶鉄を保持容器に供給する工程、
燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により該溶鉄を加熱し蓄熱する工程、及び
該加熱し蓄熱された溶鉄に、酸化鉄及び／又は屑鉄を含む含鉄材料並びに炭素源を添加して、該含鉄材料を溶鉄にする工程を含む溶鉄の製造方法であって
混合ガス中の燃料ガスの量が完全燃焼混合比よりも過剰であり、得られる溶鉄の炭素含有量が３〜４．５重量％である、製造方法。
燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応熱により溶鉄を加熱し蓄熱する工程において、
該加熱の際に発生する排ガスの温度によって燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの供給量を制御して溶鉄の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の溶鉄の製造方法。
燃料ガス及び助燃ガスを、外部を水冷した金属管の先端に設置されたラバルノズルの内部で混合し、該水冷金属管の出口において音速以上の該混合ガス噴流を形成して、溶鉄の上部から吹き付ける請求項１又は２に記載の製造方法。
溶鉄中に吹き込まれた燃料ガス及び助燃ガスからなる混合ガスの燃焼反応から発生する排ガスの気泡浮上位置が、溶鉄に添加され、溶鉄上面に浮遊する含鉄材料の下部に位置するように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。