JPH01195225A - 製鉄原料の溶解方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スクラップ、冷銑、還元鉄等の製鉄原料を溶
解して溶鉄を製造する方法に関し、詳細には比較的安価
な炭素含有固体物質を利用して低値の溶鉄を経済的に製
造する方法に関するものであり、こうして得られる溶鉄
は製鋼原料や鋳造原料等として利用することができる。

［従来の技術］ スクラップ、冷銑、還元鉄などの製鉄原料から溶鉄特に
溶鋼を製造するに当たっては通常電気炉が用いられてい
る。しかしながら、エネルギー源としての電力は非常に
高価である為より安価で勿論安定供給が可能なエネルギ
ー源によって製鉄原料を溶解し得る様な代替方法の確立
が望まれており、そのようなエネルギー源としては、石
炭、コークスあるいはより低級な炭素含有固体物質等が
考えられる。

一方炭素含有固体物質を使用して製鉄原料を溶解する方
法として、コークスを用いるキュポラ方式が古くから実
用化されている。キュポラは設備が比較的簡単で、小規
模の銑鉄製造には適しているが、炉内の通風を確保する
ために適当なサイズの塊状コークスを必要とし、しかも
このコークスは、装入鉄源の荷重に耐え得るように強度
の高いものでなければならないという制約がある。これ
は、使用原料に対する大きな制約であると同時に生産コ
ストを高める原因となっている。

この点を解決することを狙った技術としては、例えば炉
内の溶鉄相の上方に空間を確保し、溶鉄中にスクラップ
及び炭素含有物質を装入すると共に酸素含有ガスを吹き
込んで炭素含有物質を燃焼せしめる方法（特公昭５９−
４４３６３）がある。この方法では、炭素含有物質を溶
鉄中に直接装入すること並びに溶鉄相上にＣｏガスの燃
焼の場を用意することで、炭素含有物質の形状を問わず
に使用できるようにしている。また転炉製鋼の分野にお
けるスクラップ装入量を高める方法として、溶鉄中に炭
素含有物質を供給して熱源を補給すると共に、酸素含有
ガスを供給して脱炭反応を進め、これに伴なって発生し
たガスを溶鉄相上でさらに燃焼させる方法（特公昭５６
−８０８５）等が提案されている。

一方上記方法の様に溶鉄中に炭素含有物質を直接装入す
るのではなく、バーナーを用いて炭素含有物質を燃焼さ
せる方法も考えられており、例えば転炉の上吹きランス
をバーナー構造として炭素含有物質を燃焼させ、この燃
焼熱によってスクラップを上方から加熱・溶解する方法
も提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、上記方法のうち炭素含有物質を溶鉄中に直接
装入する方法では、炭素含有物質に含まれる灰分および
硫黄分が炉内に蓄積されて行くため、種々のデメリット
が生じる。即ち炭素含有物質中の灰分は通常５ｉ０２を
主とした酸性成分からなっており塩基性成分は極くわず
かであるため、生成するスラグの塩基度調整のために生
石灰やドロマイトなどの造滓剤を大量に使用しなければ
ならない。またこの結果スラグ量が多くなり、スラグに
より持ち去られる熱量も多くなって炭素含有物質の原単
位が高くなる。さらに炭素含有物質中の硫黄分によって
溶鉄中のＳ濃度が高くなり、これの低減のために大量の
脱Ｓ剤を使用するか若しくは炉外脱硫を行なう必要が生
じている。

第８図は石炭中の灰分が変化したときの造滓剤（生石灰
及びドロマイト）使用量並びに石炭使用量の変化を示す
グラフであり、石炭中の灰分が増加するにしたがって、
これらはいずれも増加していく。第９図は、石炭中の硫
黄濃度と溶鉄中のＳ濃度の関係を示すグラフであるが、
石炭中の硫黄分が増加するにしたがって溶鉄のＳ濃度は
増加する。これらから、低灰分且つ低硫黄分の石炭を使
用することが望まれるが、その価格が高いので現実的な
解決手段とならない。

ところで炭素含有固体物質を気流中で完全に燃焼器せる
方法においては燃焼の為の充分な空間が必要であり、装
置面での対応は可能であるが、炭素含有物質を燃料とす
るバーナーを用いる方法にあっては、炉内に充填された
スクラップの存在の為完全な燃焼を行わせるに足る充分
な空間を確保することが困難であり、未燃焼のスモーク
が発生し易い。逆に燃焼を完全にする目的でバーナーを
スクラップから離すと、熱伝達効率が低下するという問
題が発生する。

このように、炭素含有固体物質を燃焼させて製鉄原料を
溶解するに当たっては、燃焼効率を上げて利用率を高め
ると同時に、灰分と硫黄分の除去を効率よく行うことが
要求されるが、未だこれに答え得るに至っていない。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであって
、スクラップ、冷銑、還元鉄等の製鉄原料を溶解炉に装
入して溶鉄を製造するに当たり、炭素含有固体物質を予
燃焼器内で理論空気比０．４〜０．９に相当する酸素を
含む酸素含有ガスを用いて一次燃焼させ、生成した高温
還元性ガスを前記溶解炉に導入し、該溶解炉においては
、前記予燃焼器内に供給した前記酸素含有ガスとの合計
が理論空気比の０，７〜１．３に相当する酸素量となる
様に酸素含有ガスを補給して二次燃焼させ上記製鉄原料
を溶解する点に要旨を有するものである。

［作用］ 第１図は本発明方法を実施する為の溶解装置の一例を示
す概略説明図であり、溶解装置は耐火物でライニングさ
れた溶解炉５と一次燃焼器１からなり、両者を耐火物あ
るいは水冷構造の高温ガス導入管しによって接続してい
る。装置の主要な構成部分を説明すると、４は灰分捕集
ボット、６は高温還元性ガス吹込０．９は出銑・出滓口
。

１０．１１は酸素吹込口、１２は粉末状炭素含有物質吹
込口を夫々示している。

上記装置を利用して本発明を実施するに当たっては、−
次燃焼器１の吹込口２から炭素含有物質を吹込むと共に
吹込口３から酸素並びに必要によりスチームを吹込んで
一次燃焼器内で炭素含有物質ケ燃焼させる。この結果−
次燃焼器内ではＣ０及びＨ２からなる発熱量の高い還元
性ガスが生成し、該高温還元性ガスを高温ガス導入管り
を経由して溶解炉５へ導入する。このとき炭素含有物質
中に含まれる灰分は一次燃焼器１内を降下してボット４
に捕集されるので溶解炉５への灰分の持ち込みは回避さ
れる。尚図示する如く酸素及びスチームを炭素含有物質
吹込流を取り囲む様に接線方向から導入すれば燃焼ガス
流に旋回力を付与することができるので、旋回に伴なう
遠心力によって炭素含有物質中の灰分の殆んどを一次燃
焼器内壁面へ分離することができ、分離した灰分は内壁
を伝って降下しボット４に捕集される。この結果高温還
元性ガスから灰分をほぼ完全に除去することができる。

また炭素含有物質と共に石灰石や生石灰等の脱硫剤を同
時に一次燃焼器１内へ導入すれば、炭素含有物質中に含
まれる硫黄分の除去を並行して行なうことができ、灰分
並びに硫黄分の少ない極めてクリーンな高温還元性ガス
を溶解炉５へ吹込むことができる。

こうして溶解炉５内へ導入された高温還元性ガスは、二
次燃焼用酸素吹込ロアや下部酸素吹き込み口１１から溶
解炉５内へ吹込まれる二次燃焼用酸素（純酸素や空気等
）の供給を受けて二次燃焼し、大量の熱を発生して製鉄
原料１３を溶解することになる。そして燃焼排ガスの保
有熱は、溶解炉内の製鉄原料層を通過上昇していく間に
それらの予熱に消費され、炉頂部から排出される時点に
おいては発熱量及び温度の低いものとなっている。尚排
ガスは低いとは言えその還元性に基く潜熱を保有してい
るので、製鉄原料層を上昇する間にさらに酸素源を補給
して燃焼させ、予熱効果を高めることもできる。又余剰
のエネルギーを持った溶解炉排ガスを熱交換器に通して
、−次燃焼用酸素や二次燃焼用酸素の予熱に使用するこ
ともできる。

以上の様にして本発明方法では安価な炭素含有物質を効
率良く燃焼させて製鉄原料を溶解することができると共
に、炭素含有物質を溶鉄中へ直接吹込んだときに問題と
なる灰分等を事前に除去することができ、これにより精
錬効果を高めることができる。即ち灰分除去の効果は第
８図に示した様に造滓剤使用量、スラグ量、炭素含有物
質使用量の各低減効果をもたらし、例えば炭素含有物質
として灰分９．１％の石炭を用いた場合、これの灰分を
９５％除去することにより造滓剤使用量を約７０％、溶
解用石炭使用量を１１％低減することができる。

かかる本発明において、−次燃焼器１への一次燃焼用酸
素の吹込み量は、生成する還元性ガスの発熱量を左右す
ると共に、炭素含有物質の燃焼効率を左右する。第２図
は一次燃焼器１における理論空気比（吹き込み酸素量）
を変化させたときの生成ガスの発熱量と、未燃のままボ
ットに捕集された炭素分の比率（未燃率）を示す。理論
空気比が０．４以下では未燃率が急激に高くなり、炭素
源の大幅なロスとなる。一方理論空気比が０．９より高
くなると未燃率は低いものの、生成ガス組成はＣｏ２と
Ｈ２Ｏが主体の発熱量の低いガスとなる。第３図には、
このガスを溶解炉内で完全に二次燃焼させたときの理論
燃焼温度を示すが、−次燃焼の理論空気比が高い場合に
は、二次燃焼時に得られる理論燃焼温度は急激に低下し
、製鉄原料の溶解を効率よく行わせるのは困難となる。

このことから、−次燃焼器における理論空気比は、０．
４〜０．９の範囲としなければならない。

上述した方法により一次燃焼器において生成した還元性
のガスを、望ましくは冷却することなく直ちに溶解炉に
導入し、溶解炉内において酸素含有ガスを供給して二次
燃焼させ、該二段燃焼により生成した熱により製鉄原料
を溶解する。二次燃焼に際して供給する酸素含有ガスと
しては、純酸素、酸素音知空気、予熱空気を用いるのが
適当であるが、その量は一次燃焼器に供給した酸素含有
ガスとの合計量によフて規定される。即ち、第４図には
一次燃焼器の理論空気比を例えば０．５とし、この時得
られたガスを溶解炉にて二次燃焼させた場合の合計の理
論空気比と炭素含有物質（この場合、石炭）の原単位の
関係を示す。理論空気比が０．７以下では石炭の原単位
は急激に増大し、また空気比が１．３を超えた場合には
、排ガス量が増加して持ち去られる熱量が増加するため
、石炭原単位は増加する。また、理論空気比が高すぎる
場合には、製鉄原料の酸化が増大して鉄歩留が低下する
という問題がある。以上のことから、溶解炉において供
給する酸素含有ガスの量（理論空気比）は、−次燃焼器
に供給した酸素含有ガス量との合計が０．７〜１．３の
範囲になるようにするのが適当である。

本発明の基本構成は上記の通りであるが、前述の如く炭
素含有物質と共に石灰石や生石灰等のＣａ成分を吹込む
ことにより炭素含有物質中の硫黄分除去効果を高めるこ
とができる。第５図はその効果を示すグラフであり、横
軸には炭素含有物質から混入する硫黄分と一次燃焼器へ
導入した脱硫剤（石灰石や生石灰）中のＣａのモル比（
Ｃａ　／　Ｓ比）を取り、脱硫率との関係を示している
。第５図から明らかな様に、Ｃａ　／　Ｓ比が１以上に
おいては８５％以上の脱硫率が得られ、石灰石または生
石灰を炭素含有物質と同時に添加することにより、炭素
含有物質中の硫黄分の除去も可能となることが分かる。

Ｃａ　／　Ｓ比が１未満になると脱硫率は急激に低下し
、またＣ　ａ　／　Ｓ比が３より大きい場合にはその効
果が飽和している。

従って、本発明における脱硫剤原単位としては、Ｃａ　
／　Ｓ比を１〜３とすることが望ましい。このような脱
硫処理の結果、第９図に示されるように、高硫黄分の炭
素含有物質を用いても溶鉄中Ｓ濃度を低下することがで
き、溶鉄の脱硫に必要なフラックスならびに脱硫黄処理
工程を省略乃至軽減することができるという効果が得ら
れる。

又前記した様に一次燃焼器内で炭素含有物質を一次燃焼
させるに当たって酸素と共にスチームの吹込みを行なう
こともあると説明したのは、燃焼熱を利用することによ
って吸熱反応である下記の水性ガス化反応を行なわせる
為であり、燃焼ガスの冷却を図って耐火物の溶損を抑制
すると共に生成する高温還元性ガスの発熱量を高めるこ
とによって溶解炉における生成熱量の増大をはかること
ができる。

Ｃ十Ｈ２０”　ＣＯ＋　Ｈ２ 尚スチームを添加して水性ガスを生成させた場合には、
これを燃焼させるのに必要な量の酸素源を二次燃焼時の
空気比に加算しなければならない。

又−次燃焼器において生成した還元性ガスを溶解炉に導
入するにあたっては、その導入口を溶解炉下部の湯溜り
部の上方に設け、同時にこの導入口より二次燃焼用の酸
素含有物質を供給することが望ましい。これにより、導
入ガスと酸素含有物質の混合・燃焼が十分に行われ、得
られた熱は製鉄原料の溶解に効率的に利用される。そし
て燃焼後のガスは、炉内上方へ移動する間に炉内に充填
された製鉄原料を予熱し、炉口から排出される時には概
ね１０００℃以下の低い温度となる。上記方法により、
炭素含有物質の持つ発熱量をより完全に製鉄原料の予熱
・溶解に利用することが可能となる。

なお、炉内の通気性を良好なものとするには、溶解炉下
部の湯溜り部からガス導入孔の上方にかけて、塊状の固
体炭素質物質、特に塊状のコークスまたは石炭を最小限
充填せしめることが有効である。このためのコークスま
たは石炭は、ガス導入孔から吹き込まれる酸素含有物質
により若干消費されていくが、その消費分は製鉄原料と
共に溶解炉上部から装入することにより補給することが
可能である。また炉内の通気性を改善する方法としては
、ガス導入孔の上方に耐熱材料で組まれた火格子を設け
る方法がある。この方法を実施した場合の態様は、第６
図に示されるように、例えば水冷された鋼管の表面を耐
火物で被覆した火格子１６により、湯溜り部と火格子の
間に空間を設け、この空間を臨んでガス導入孔を設ける
形態となる。

溶解炉へ導入する酸素含有ガスは、通常は一次燃焼器か
らのガス導入孔に近接した箇所から供給されるが、特に
塊状の石炭またはコークスを溶解炉下部に充填させる場
合には、いったん二次燃焼して生成したＣｏ２あるいは
Ｈ２０ガスがこの石炭またはコークスにより還元され、
炉上部では未燃成分が若干多い組成となるため、酸素含
有ガスの一部を第１図に示されるように溶解炉の上方の
側壁から供給して、炉内におけるガスの燃焼を促進させ
ることが望ましい。

製造する溶鉄の炭素濃度は、溶解炉下部湯溜りの溶鉄へ
の加炭を調整することにより広い範囲に制御することが
可能であるが、予熱・溶解時に酸化してスラグに移行す
る鉄分を還元して回収するためには、溶鉄中の炭素濃度
を高めに制御することが望ましい。第７図には、溶鉄中
の炭素濃度とスラグ中のＦｅＯ濃度の関係を示すが、こ
れから明らかなように溶鉄中の炭素濃度が低下するにし
たがってスラグ中のＦｅＯ濃度は増加し、スラグへの鉄
分ロスは増加する。従って、溶鉄中の炭素濃度は２％か
ら飽和殊に５％の範囲で加炭するのが望ましい。また同
時に、酸素含有ガスの一部を溶鉄中に吹き込むことによ
り溶鉄の攪拌を強化し、酸化した鉄分を還元して回収す
る機能を高めることも望ましい。

溶解炉下部湯溜りの溶鉄への加炭の方法としては、炉底
から溶鉄中に向けて粉末状の石炭またはコークスを、窒
素ガス、不活性ガスまたは空気の流れにのせて吹き込む
方法が適している。また、炉底部に塊状の石炭またはコ
ークスを充填する場合には、これらから自動的に加炭さ
れる。

本発明による方法においては、使用する炭素含有物質中
の灰分は一次燃焼器内においてほぼ完全に除去されるが
、この場合においても溶鉄の加炭のために用いる少量の
炭素含有物質並びに鉄源として還元鉄を用いた場合の還
元鉄の脈石分等に含まれる酸性酸化物があり、これらか
らスラグが生成する。このため、溶解炉上部より塊状の
石灰石または生石灰を添加して、酸性酸化物を中和する
とともに、あわせて溶鉄の精錬を行うことが可能である
。モしてスラグの塩基度（Ｃａｂ／５ｉｎ２）は、耐火
物保護、脱燐、脱硫等の点から０．８〜２゜０の範囲が
適当である。

［実施例］ 本発明の一次燃焼器と溶解炉から構成されるプロセスに
より、製鉄原料から溶鉄を製造した実施例を以下に示す
。

用いた設備は第１図に示されるものであるが、図中の１
２として示される溶鉄中への粉末状の石炭またはコーク
スの吹き込み口は省略した。

用いた原料の組成を第１表に示す。

第１表　原料組成 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） 実施結果を第２表に示す。各諸元は製造した溶鉄１ｔｏ
ｎ当りの原単位に換算して示した。−次燃焼器において
は、実施例１．２ともに６００℃まで予熱された空気を
使用しており、また脱硫のための石灰石を石炭中のＳに
対してＣａ　／　Ｓ　＝　２となるように添加した。そ
の結果、脱硫率はほぼ９０％が得られている。

第２表　　実施結果例 ＊ニー次燃焼器との合計を示す。

一次燃焼器において、生成ガス温度が１４００℃となる
ようにスチームを添加して調整された還元性ガスを、冷
却することなく直ちに溶解炉へ導入し、炉内においてさ
らに二次燃焼を行ってその熱によりスクラップを溶解し
た。実施例１．２ともに溶解炉においてはコークスを用
いているが、これは溶鉄の加炭ならびに炉内の通気性の
確保のためのものである。

実施例１は、溶解炉における酸素源として常温の純酸素
を用いた場合であり、実施例２は６００℃まで予熱した
空気を使用したときの結果である。

実施例２ではガス量が多いためガス流速が大きく、この
ため実施例１と比べて排ガス温度は若干高くなり石炭原
単位が多くなっているが、この他はほぼ同じ結果である
。いずれも、従来のキュポラと比較してコークス原単位
は大幅に減少しており、且つ安価な石炭に置き換えるこ
とが可能となっている。実施例２の場合、酸素を使用し
ないため酸素プラントが不要であり、原車価を低減でき
るなどの効果が期待される。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、製鉄原料を溶解し
て溶鉄を製造するにあたって本発明の方法を通用するこ
とにより、安価な炭素含有物質特に微粉の石炭を最大限
に利用することが可能である。またこれまで微粉石炭を
使用する場合において課題となっていた燃焼効率の改善
、灰分の除去、硫黄分の除去が可能であり、熱効率が高
く各種原単位の低い経済的操業を行うことが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する為の装置の一例を示す概
略説明図、第２図は一次燃焼器における空気比と未燃焼
率及び生成ガス発熱量の関係を示すグラフ、第３図は一
次燃焼器における空気比と生成ガスの理論燃焼温度の関
係を示すグラフ、第４図は一次燃焼器および溶解炉の合
計の空気比と炭材原単位の関係を示すグラフ、第５図は
Ｃａ　／　Ｓ比と脱硫率の関係を示すグラフ、第６図は
火格子を設けた場合の溶解炉を示す概略説明図、第７図
は溶鉄Ｃ濃度とスラグ中ＦｅＯ濃度の関係を示すグラフ
、第８図は造滓剤使用量及び石炭使用量に及ぼす石炭中
の灰分の影響を示すグラフ、第９図は溶鉄Ｓ濃度に及ぼ
す溶解用石炭中のＳ濃度の影響を示すグラフである。 １・・・−次燃焼器　　　２・・・炭素含有物質吹込口
３・・・酸素及びスチームの吹込口 ４・・・捕集ボット　　　５・・・溶解炉６・・・高温
還元性ガス吹き込みロ ア・・・二次燃焼用酸素吹込口 ８・・・製鉄原料投入口　９・・・出銑・出滓孔１０・
・・上部酸素吹込口　１１・・・下部酸素吹込口１２・
・・粉末状炭素含有物質吹込口 １３・・・製鉄原料　　　　１４・・・塊状コークス１
５・・・湯溜り　　　　　１６・・・火格子第１図 第３図 １シ（Ａ二沈暑にｈグる安Ｊ（之 第４図 ０．５　　０．６　　０．７　　０．８　　０．９　　
１．０　　１．１　　１．２　　１．３　　　１．４　
　１．５７；、ｉｃｅ吃うζ１Ａツ１ククよμ゛ジ藝４
平じｐｒｚｓ＋ブ々１イン°１し１のシＥ（＼トヒー第
５図 Ｃａ　／　Ｓ 第６図 第７図 搭複Ｃ簡（％） 第８図 逢解用ス斐丸呼のあねカ　（１）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　スクラップ、冷銑、還元鉄等の製鉄原料を溶解炉に装
   入して溶鉄を製造するに当たり、炭素含有固体物質を予
   燃焼器内で理論空気比０．４〜０．９に相当する酸素を
   含む酸素含有ガスを用いて一次燃焼させ、生成した高温
   還元性ガスを前記溶解炉に導入し、該溶解炉においては
   、前記予燃焼器内に供給した前記酸素含有ガスとの合計
   が理論空気比の０．７〜１．３に相当する酸素量となる
   様に酸素含有ガスを補給して二次燃焼させ上記製鉄原料
   を溶解することを特徴とする製鉄原料の溶解方法。