(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素バーナーの燃焼火炎で金属原料を溶解する溶解部の上方に、金属原料を予熱する予熱部を着脱可能に連設するとともに、溶解部と予熱部との間に、溶解部及び予熱部の内径よりも小さな内径の絞り部を設けた溶解炉で金属原料を溶解するにあたり、金属原料の溶解処理時に、前記溶解炉の予熱部から排出される燃焼排ガスを、溶解炉に連設した予熱部と同形状の予熱槽に導入して該予熱槽内に装入されている次回の溶解処理原料を予熱し、前記溶解部から溶湯を出湯した溶解処理終了後に、前記予熱部を溶解炉から取り外し、内部に次次回の溶解処理原料を装入して予熱槽として用いるとともに、予熱した次回の溶解処理原料と共に前記予熱槽を溶解炉に装着して予熱部として用いることを特徴とする金属原料の溶解方法。
【請求項２】
前記予熱部及び予熱槽は、底部に開閉可能なスクリーンを備えていることを特徴とする請求項１記載の金属原料の溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属原料の溶解方法に関し、詳しくは、金属原料、例えば、スクラップや製造時のリターン材等の鉄原料（鋼を含む）を酸素を支燃性ガスとした酸素バーナーの燃焼火炎で効率よく連続的に溶解する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スクラップやリターン材等の鉄（鋼を含む）原料を溶解する方式として、主たるエネルギー源が電気であるアーク式電気炉が多く用いられている。このような電気を利用した溶解法は、昇温が容易で温度管理も容易であるなどの利点を有するものの、別途に発生させた電気を使用するため、総合的な燃料の利用効率やエネルギーコストの面で問題があった。
【０００３】
一方、電気に代えて酸素あるいは酸素富化空気を支燃性ガスとする酸素バーナーで化石燃料を燃焼させ、その燃焼熱でスクラップやリターン材等の鉄原料を溶解させることが行われている。このような酸素バーナーを利用した溶解炉は、エネルギーを、アークではなくバーナーで導入するため、安定した溶解が可能であり、炉開口部からの作業等を極力減らすことが可能で、さらに、アーク式電気炉に比べて総合的な燃料の利用効率を向上させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記酸素バーナーを用いた各種金属原料の溶解方法においても、燃料の利用効率やエネルギーコストをより低減させるため、溶解部で直接的に着熱しなかった酸素バーナーからの入熱分を、溶解部に連設した予熱部で回収するようにしてはいるが、その回収効率は、未だ十分ではなかった。
【０００５】
そこで本発明は、酸素バーナーの燃焼排ガスが有する熱エネルギーを効率的に回収することができ、熱効率を大幅に向上させることが可能な金属原料の溶解方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の金属原料の溶解方法は、酸素バーナーの燃焼火炎で金属原料を溶解する溶解部の上方に、金属原料を予熱する予熱部を着脱可能に連設するとともに、溶解部と予熱部との間に、溶解部及び予熱部の内径よりも小さな内径の絞り部を設けた溶解炉で金属原料を溶解するにあたり、金属原料の溶解処理時に、前記溶解炉の予熱部から排出される燃焼排ガスを、溶解炉に連設した予熱部と同形状の予熱槽に導入して該予熱槽内に装入されている次回の溶解処理原料を予熱し、前記溶解部から溶湯を出湯した溶解処理終了後に、前記予熱部を溶解炉から取り外し、内部に次次回の溶解処理原料を装入して予熱槽として用いるとともに、予熱した次回の溶解処理原料と共に前記予熱槽を溶解炉に装着して予熱部として用いることを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明方法は、上記方法において、前記予熱部及び予熱槽は、底部に開閉可能なスクリーンを備えていることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。まず、図１は、溶解炉の参考例を示すものである。この溶解炉１は、酸素を支燃性ガスとした酸素バーナー２の燃焼熱のみで、鉄（鋼を含む）のスクラップやリターン材等の鉄原料を溶解再生するためのものであって、下部に溶解部３を、上部に予熱部４を一体的に連設するとともに、溶解部３と予熱部４との間に絞り部５を設けたものである。
【００１０】
上記溶解部３は、通常の金属溶解炉、例えば電気炉等と略同様の内部形状を有しており、その一側底部には、出湯口６及び該出湯口６を開閉する栓体６ａが設けられている。また、前記予熱部４は略円筒状に形成されており、予熱部４の上部開口には、ダクト７に接続される排気口８ａを有する蓋体８が着脱可能に装着されている。
【００１１】
上記絞り部５は、予熱部４から溶解部３に落下する鉄原料の落下速度を制御するために設けられるもので、溶解部３及び予熱部４の各内径よりも小さな内径で形成されている。この絞り部５と大径の溶解部３あるいは予熱部４との間は、図に示すように斜辺３ａ，４ａで接続してコーン状にすることが好ましい。この部分を曲面で接続することも可能であるが、耐火物を内張りして形成する炉の場合は、耐火物の内張り作業が面倒になる。このとき斜辺３ａ，４ａが垂直に近くなると炉の高さが高くなり、水平に近くなるとデッドスペースを生じて熱効率や操業性に悪影響を及ぼすことがある。このため、通常は、水平線に対して溶解部２の天井部は２０〜６０度程度、予熱部３の底部は２０〜７０度程度に設定することが好ましい。
【００１２】
前記酸素バーナー２は、必要な溶解能力に応じて１本乃至複数本が溶解部３の周壁に設けられた挿入孔３ｂに挿入されて設置されるもので、その取付け位置は、溶解部３の大きさなどに応じて炉壁の垂直部あるいは前記天井部（斜辺３ａ部分）の適当な位置に設定することができる。また、酸素バーナー２は、溶解部３内に投入された鉄原料を溶解部３の底部側から溶解させることができるように、火炎噴出方向が溶解部３の底部に向くように設けられており、図示しない経路から重油や微粉炭等の燃料と支燃性ガスとがそれぞれ導入される。また、溶解部３の底部あるいは周壁の下部には、溶湯を撹拌するためのノズル（図示せず）を必要に応じて設けることができる。
【００１３】
このように、溶解部３の上方に絞り部５を介して予熱部４を連設した溶解炉１で溶解処理を行うことにより、予熱部４から溶解部３に落下する原料の量を最適な速度に制御することができるので、従来の鉄格子のような原料投入量を制御する機器を設ける必要がなく、簡単な構造の溶解炉でスクラップ等を効率よく溶解処理することができ、炉の構造の簡略化により製造コストや保守コストの低減が図れるとともに、熱効率の向上や溶解時間の短縮も図れる。
【００１４】
さらに、前記溶解炉１には、次回の溶解処理に供する鉄原料を装入する予熱槽９が連設されている。この予熱槽９は、中空円筒状に形成されたもので、上部には前記ダクト７に着脱可能に接続される排ガス導入口１０が設けられるとともに、下部には排ガス通路１１に着脱可能に接続される排ガス導出口１２が設けられている。
【００１５】
また、排ガス導出口１２部分には、予熱槽９内に装入される鉄原料を保持可能なスクリーン１３が開閉可能に設けられている。このスクリーン１３には、網目構造等の、必要に応じて水冷構造に形成された鉄格子を用いることができ、例えば、従来の溶解炉に設けられていた原料投入量制御用の鉄格子と同様の構造，機構のものを用いることができる。
【００１６】
前記ダクト７は、溶解炉１からの高温で含熱量の高い燃焼排ガスを予熱槽９に導入するためのものであり、その熱量をできるだけ逃がさない構造にすることが好ましい。そのためには、ダクト７は断熱構造とし、キャスタブルやボード形状の耐熱性の高い断熱材などを内張することが望ましい。
【００１７】
また、燃焼排ガスに未燃成分が含まれていると、予熱槽９での熱回収効率が低下することがあるため、例えば、予熱部４の排気口８ａ近傍に排ガスの成分及び流量を連続的に測定する分析器を設けるとともに、ダクト７に支燃性ガス供給用のノズル１４を設け、計測した未燃成分量に応じて最適な支燃性ガス量を吹き込み２次燃焼させることが望ましい。
【００１８】
さらに、予熱槽９内の原料の過熱防止や炭酸ガスや水蒸気等の酸化性ガスの割合を低減するため、ノズル１４から窒素ガス等の希釈ガスの添加も同時に行うことができる。この燃焼排ガスの希釈には、支燃性ガスの一部あるいは全部に空気を用いることで行うこともできる。
【００１９】
予熱槽９は、燃焼排ガスと鉄原料とを効率的に熱交換させるため、排ガスを一端部から導入して他端部に排出する構造とすることが好ましい。また、予熱する鉄原料中に燃焼排ガスを偏流無く通過させるためには、図に示すような縦型槽か途中に排ガス導入口を設けた横型槽等が有効である。また、支燃性ガス供給用のノズルを適当な箇所に設け、燃焼排ガスの２次燃焼を槽の中間部で行うことにより、燃焼排ガスを段階的に燃焼させて昇温と組成変化とを徐々に行うこともできる。
【００２０】
また、予熱槽９の排ガス導出口１２のスクリーン１３は、排ガスが槽内での熱交換で低温になっているため、比較的容易に水冷化できる。このスクリーン１３の機能は、予熱期間中及び予熱後に予熱槽９を溶解炉１の上部に移動して鉄原料を溶解炉１内に投入するまでの間、鉄原料を支持することと、その開閉操作によって予熱されている原料を溶解炉１内に投入することにある。なお、スクリーン１３が排ガス導出口１２に設けられている場合は、予熱中の排ガスを槽外に安定して排出することも一つの要件ではあるが、排ガス導出口１２をスクリーン１３の直上の予熱槽側壁部等に設けた場合は、排ガス排出機能を考慮する必要はなくなる。
【００２１】
上記スクリーン１３は、例えば、予熱槽９の底部の相対向する部分に、水冷構造を有する複数の櫛歯状のフィンガーを引き出し入れが可能に設置したものであって、鉄原料の装入及び予熱時には、対向するフィンガーが互いのフィンガー間に入り込むように、中央部より更に奥まで予熱槽９内に挿入される。このフィンガーは、例えば、予熱槽９と一体的に設けたシリンダー等のフィンガー駆動部材により開閉駆動することができる。
【００２２】
このように酸素バーナー２の燃焼火炎で鉄原料を溶解するにあたり、溶解炉１と予熱槽９とを組み合わせ、溶解炉１の燃焼排ガスを予熱槽９に導入して熱回収を行うことにより、総合的な熱効率を大幅に高めることができる。また、本構造の溶解炉１では、基本的に鉄原料の炉内への装入から溶解終了まで、特別の操作が不要で、炉の開口部が最小限で良く、燃焼排ガスの利用が簡単に行えるという利点もある。
【００２３】
一方、溶解炉１内で溶解した溶湯を排出するには、当初装入した絞り部５及び予熱部４内の鉄原料を溶解部３に全て落下させ、完全に溶解させる工程が必須である。このとき、溶解初期には、高温の燃焼排ガスは、絞り部５及び予熱部４内の鉄原料を予熱することで有効に利用することができ、鉄原料が溶解部３に全て落下し、絞り部５及び予熱部４が空間となった溶解後期には、燃焼排ガスを予熱槽９に導入して次回の溶解処理に供する鉄原料を予熱するために用いることにより、燃焼排ガスの熱エネルギーを効率的に回収することができ、排ガスが炉外に持ち去る熱エネルギーを大幅に少なくすることができる。
【００２４】
そして、溶解炉１で溶解処理を終えた溶湯を出湯した後、ダクト７や蓋体８を適宜に取り外すとともに、予熱槽９をクレーン等で予熱部４の上部開口直上に搬送し、スクリーン１３を開いて予熱槽９内で予熱した鉄原料を溶解炉１内に投入する。次いで、予熱槽９を戻して次次回の溶解処理原料を装入し、ダクト７や蓋体８を装着した後、溶解炉１での溶解処理を開始する。これにより、溶解炉１では、予熱槽９で予熱された鉄原料を溶解処理すればよいため、溶解時間の短縮や重油原単位の低減が図れる。
【００２５】
なお、予熱槽９の容量や装入する鉄原料の量は、必ずしも溶解炉１の１チャージ分の処理量と同一にする必要はない。例えば、１チャージ分より少ない場合は、熱交換の効率が低下する傾向となり、予熱槽９から排出される排ガスの温度は上昇する傾向となるが、次の溶解処理原料の一部は確実に予熱することができ、溶解時間の短縮や重油原単位の低減の効果は、ある程度期待できる。また、１チャージ分より多い場合は、熱回収の効果は大きくなる方向となるが、設備が大きくなることや分割装入等、操業が複雑になるなどの欠点もあるので、各生産現場の状況に応じて採用すればよい。
【００２６】
図２は、本発明を実施するための溶解炉の一例を示すもので、溶解炉１の予熱部４１を溶解部３等に対して着脱可能に形成するとともに、該予熱部４１と予熱槽９１とを同形状に形成した例を示すものである。なお、前記参考例と実質的に同一な構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００２７】
本形態例は、溶解炉１で溶湯を出湯した後、予熱部４１を溶解炉１の本体部から取り外すとともに予熱槽９１を溶解炉１の本体部に装着することにより、予熱部４１と予熱槽９１とを交換し、予熱部４１内に次次回の溶解処理の原料を装入して予熱槽として用い、予熱槽９１を予熱部として用いるようにしたものである。
【００２８】
この場合、予熱部４１と予熱槽９１との交換には、両者の底部に設けた開閉可能なスクリーン１３を予熱部として用いるときに全開状態にできるとともに、溶解部３あるいは絞り部５にできるだけ密着させることができるような設備的な配慮が若干必要とはなるが、予熱槽内で原料が融着等により棚吊りして装入が不安定な状態になっても、引き続いて予熱部として用いられる際の溶解処理による燃焼熱で、なんら特別な作業をすることなく落下させることができるという利点がある。
【００２９】
なお、予熱部の着脱位置は、予熱部の下部だけでなく、絞り部を含んで着脱可能に形成してもよく、場合によっては、溶解部の天井部に分離部を設定することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属原料の溶解方法によれば、溶解時の高温の燃焼排ガスを次回の溶解処理原料の予熱に効率的に利用でき、溶解に必要な燃料及び酸素の使用量を大幅に削減することができる。また、生産性の向上により、炉の耐火物の消耗や冷却水、ガス等の使用原単位の削減も図れる。さらには、最終的な排ガスの温度が低下するため、排気装置の容量も小さくできるなどの効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  溶解炉の参考例を示す概略図である。
【図２】  本発明を実施するための溶解炉の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１…溶解炉、２…酸素バーナー、３…溶解部、５…絞り部、６…出湯口、７…ダクト、８…蓋体、１０…排ガス導入口、１１…排ガス通路、１２…排ガス導出口、１３…スクリーン、１４…ノズル、４１…予熱部、９１…予熱槽
【図１】
0003650193.tif 000002
【図２】
0003650193.tif 000003