(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に炉内ガスの排出と原料装入用の開口部を、下部側壁に一次羽口を、その上部側壁に二次羽口を、炉底または炉底近傍下部側壁に溶銑および溶滓の排出口を有する筒型炉を用い、その炉底から一次羽口を含むレベルまでコークスの充填層を形成させ、その上層として二次羽口を含むレベルまで鉄源原料の充填層を形成させ、一次羽口からは支燃性ガスと必要に応じて燃料を、二次羽口からは支燃性ガスを吹き込んで溶銑を製造する方法であって、鉄源原料としてスクラップおよび鉱石を用い、炉内にこれらの鉄源原料を別々に層状装入すること、ならびに二次羽口前の鉄源原料層の種別を検知し、スクラップ層が検知される時間帯には二次羽口からの支燃性ガス吹き込みを継続してスクラップの加熱溶解を加速させ、鉱石が検知される時間帯には二次羽口からの支燃性ガス吹き込みを中断して鉱石のガス還元を促進することを特徴とする溶銑の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、筒型炉を使用しスクラップおよび鉱石を鉄源原料として溶銑を製造する方法、さらに詳しくは鉄源原料の種別に適応した溶解操作を行うことにより、燃料原単位を低減し生産性を高めることが可能な溶銑の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から銑鉄はその大部分が鉄鉱石を鉄源として高炉によって製造されてきた。高炉製銑法そのものは、永年にわたる改良が積み重ねられて銑鉄の大量生産技術として極めて優れたものとなっている。しかし、高炉製銑法は鉄源として高品位の焼結鉱やペレットを、燃料及び還元剤としては高品位のコークスを使用するものであり、利用できる原燃料の制約がある。また、近年の高炉は巨大化し、しかも一旦火入れした後は、吹き止め、再火入れが簡単にできないため、鋼材需要の変動に応じる柔軟性に乏しい。さらに高炉を建設する設備費は年々高騰する状況にある。
【０００３】
そこで最近では、高炉によらない溶銑製造方法、あるいは金属溶解法が種々提案されている。本出願人も製鋼用転炉に類似した筒型炉を使用し、鉱石および／またはスクラップを鉄源として用いる溶銑の製造方法を特開平１−２９０７１１号公報で提案した。
【０００４】
上記の溶銑製造方法では図２に示すような転炉形式の筒型炉２１を用いる。同図に示すように、この筒型炉２１は、炉上部に炉内ガスの排出と原料装入用の開口部２２、炉壁下部に一次羽口２３、その上部炉壁に二次羽口２４、炉底または炉底近傍下部側壁に出銑口２７を備えている。出銑口は排滓口を兼ねてもよく、排滓口を別に設けてもよい。この炉を用いる溶銑製造工程は下記ａ〜ｃからなる。
【０００５】
ａ．操業開始に当たって装入するか、または前回の操作から引き継いだコークス充填層２５の上部に、二次羽口２４を含むレベルまで鉱石および／またはスクラップの充填層２６を形成させる装入工程（（ａ）図）。
【０００６】
ｂ．一次羽口２３から支燃性ガスと、必要に応じて微粉炭または炭化水素系燃料を吹き込み、二次羽口２４から支燃性ガスを吹き込んで鉱石および／またはスクラップを加熱・溶融させ、溶融酸化物は直接還元して溶銑を製造する溶解・還元工程。この工程で生じた炉内上部空間には、次回の操作で消費が予測される所定量のコークスと所要の副原料を装入して、鉱石および／またはスクラップの充填層２６の上部にコークス充填層２５−２を形成させる。（（ｂ）図）。
【０００７】
ｃ．コークス充填層２５−２の層高が一次羽口２３を含む所定のレベルに到達した時点においてｂの溶解操作を終了し、コークスを含む固形の内容物を炉内に残存させ、生成した溶銑とスラグ２８だけを出銑口２７から排出する出銑工程（（ｃ）図）。
【０００８】
ここでａおよびｂの操作を行うのは次のような作用効果を狙うからである。即ち、一次羽口２３から下部のコークス充填層２５内に支燃性ガスと、必要に応じて炭化水素系燃料を吹き込んで下記  （１）式に示す部分酸化燃焼を生じさせ、その燃焼発熱によってコークス充填層２５を高温に保持する。
【０００９】
Ｃ＋（１／２）０２  →  ＣＯ  ＋  ２９，４００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ・Ｃ  ・・・・  （１）
上記  （１）式で発生したＣＯは、鉱石および／またはスクラップの充填層２６内で二次羽口２４から吹き込まれる支燃性ガスにより下記  （２）式に示す二次燃焼を起こす。
【００１０】
ＣＯ＋（１／２）０２  →  ＣＯ２＋  ６７，５９０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ・ＣＯ        ・・・・  （２）
このようにすれば、上部で二次燃焼の発熱により鉱石および／またはスクラップを加熱溶融し、溶鉄とともに溶融酸化鉄（主にＦｅ２Ｏ３）を生成させ、重力で下部のコークス充填層２５に滴下させることができる。下部のコークス充填層２５は上記  （１）式の部分酸化反応により高温に保持されているため、滴下してきた溶融酸化鉄は、下記  （３）式により直接還元され溶鉄が生成する。
【００１１】
Ｆｅ２Ｏ３  ＋  ３Ｃ  →  ２Ｆｅ＋  ３ＣＯ−１０８，０９０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ・Ｆｅ２Ｏ３  ・・・・（３）
さらに、生成した溶鉄を高温のコークスにより浸炭させて溶銑とすることができる。生成した溶鉄とスラグ２８は、前記ｃの操作により炉底部に設けた出銑口２７から炉外に排出される。
【００１２】
上記溶解操作を繰り返し続ける溶銑の製造プロセスは、燃料利用効率  （熱効率）  が高く、経済性、生産性に優れたものである。なお、上記の方法において、炉の上部開口部から装入されるスクラップは、通常の普通鋼スクラップを使用する以外に低合金鋼スクラップや高合金鋼  （例えばステンレス鋼）  スクラップを使用して、その中の有用元素を再利用することが可能である。
【００１３】
炉の上部開口部から装入される鉱石は通常の鉄鉱石の外にＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉなどを多く含む鉱石またはこれらの酸化物を使用することができ、塊鉱石あるいは焼結鉱、ペレットなどの塊成化鉱の形で炉内に装入するのがよい。なお、これらの鉱石およびコークスとともに、珪石、石灰石、蛇紋岩、蛍石などの副原料を装入することができる。
【００１４】
一次羽口および二次羽口から吹き込む支燃性ガスは、Ｏ２含有ガスであるが、一次羽口からは支燃性ガスとともに、微粉炭や重油、天然ガスなどの炭化水素系液体または気体燃料を吹き込むのが望ましい。また、  ＣａＯなどの脱硫剤を炉底に設けた羽口から吹き込んで低硫黄銑を製造することもできる。
【００１５】
上述した方法の特徴は、炉内の反応帯をコークスの充填層と鉱石および／またはスクラップの充填層との二つに分け、前者では高温の強還元性雰囲気を保たせて溶融酸化鉄（主にＦｅ２Ｏ３）の直接還元を速やかに起こさせるとともに可燃性ガスを発生させ、後者では下部から供給される高温可燃性ガスを二次燃焼させて鉱石および／またはスクラップの加熱・溶融を高い熱効率で行わせるように、両者の役割を二分したところにある。
【００１６】
しかし、この方法において、鉱石および／またはスクラップの溶解が進行し、コークス充填層２５−２が二次羽口前に荷下りしてきたときに、二次羽口からの支燃性ガス吹き込みを同じように継続すると、コークス充填層温度が１１００℃以上になって下記  （４）式に示すソリューションロス反応  （吸熱反応）  が生じ、コークスを無駄に消費することになり、燃料原単位を悪化させるという問題があった。
【００１７】
Ｃ＋  ＣＯ２→  ２ＣＯ−３８，２００  ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ・Ｃ  ・・・・  （４）
このため、本出願人は、二次羽口前に荷下りしてくる原料種別  （鉱石および／またはスクラップあるいはコークス）に応じて、二次羽口からの支燃性ガス吹き込み量を制御し、ソリューションロス反応を抑制する方法を特開平４−８０３１２  号公報に開示した。この方法により、鉱石および／またはスクラップ充填層２６の上部に装入されたコークス充填層２５−２中のコークスの浪費を防止して、燃料原単位を低減させる効果はある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記本出願人の提案した筒型炉を用いる製銑方法では、鉱石は、上部で溶融されてコークス充填層２５内に滴下する。そして、前記  （３）式に示した吸熱反応により溶融酸化鉄  （主にＦｅ２Ｏ３）が直接還元されて溶鉄を生成する。このため、鉱石から溶銑を製造するまでには、スクラップと比べ、非常に大きな熱量が必要となる。従って、経済性のさらなる向上には、燃料原単位の一層の低減が必要である。
【００１９】
本発明の目的は、この燃料原単位の一層の低減が可能で、生産性の高い溶銑の製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記の溶銑の製造方法にある。
【００２１】
上部に炉内ガスの排出と原料装入用の開口部を、下部側壁に一次羽口を、その上部側壁に二次羽口を、炉底または炉底近傍下部側壁に溶銑および溶滓の排出口を有する筒型炉を用い、その炉底から一次羽口を含むレベルまでコークスの充填層を形成させ、その上層として二次羽口を含むレベルまで鉄源原料の充填層を形成させ、一次羽口からは支燃性ガスと必要に応じて燃料を、二次羽口からは支燃性ガスを吹き込んで溶銑を製造する方法であって、
▲１▼鉄源原料としてスクラップおよび鉱石を用い、炉内にこれらの鉄源原料を別々に層状装入すること、および
▲２▼二次羽口前の鉄源原料層の種別を検知し、スクラップ層が検知される時間帯には二次羽口からの支燃性ガス吹き込みを継続してスクラップの加熱溶解を加速させ、鉱石が検知される時間帯には二次羽口からの支燃性ガス吹き込みを中断して鉱石のガス還元を促進すること、
を特徴とする溶銑の製造方法。
【００２２】
なお、本発明方法におけるスクラップと鉱石の個別層状装入の順序は、特に限定されるものではないが、スクラップの層状装入後、その上に鉱石の層状装入を行う順序とするのが望ましい。その理由は、スクラップ層に二次酸素を吹き込むと、その上部に装入された次回用のコークス充填層が高温になりカーボンソリューションロスによるコークスの浪費が生ずることがあるからである。
【００２３】
二次羽口前の鉄源原料層の種別を検知する手段としては、バッチ操業では、二次羽口送風パイプに取りつけた覗き窓から青色フィルターを介して二次羽口前の炉内を肉眼観察する方法を用いてもよい。しかし、連続操業では、覗き窓からテレビモニターを介して二次羽口前の原料種別を判別検知するのがよい。また、二次羽口または二次羽口レベルに設置した光ファイバースコープを介して二次羽口前の原料種別を判別することもできる。
【００２４】
【作用】
以下、本発明方法を図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明方法を説明するための筒型炉内の原料装入および荷下り状態と送風状況を示す模式的な縦断面図である。なお、同図は、スクラップの層状装入の次に鉱石の層状装入を行うという装入順序を採った場合を例示している。
【００２６】
同図に示すように、本発明方法では前記図２に示したものと同様の転炉形式の筒型炉１１を用いる。この筒型炉１１は、炉上部に炉内ガスの排出と原料装入用の開口部１２、炉壁下部に一次羽口１３、その上部炉壁に二次羽口１４、炉底または炉底近傍下部側壁に出銑口  （排滓口を兼ねる）１８  を備えている。
【００２７】
本発明方法による溶銑製造工程は下記ａ〜ｃからなる。
【００２８】
ａ．操業開始に当たって装入するか、または前回の操作から引継いだコークス充填層１５の上部に、二次羽口１４を含むレベルまでスクラップと鉱石を別々に層状装入してスクラップ充填層１６と鉱石充填層１７を形成させる装入工程（（ａ）図）。
【００２９】
ｂ．一次羽口１３から支燃性ガスと、必要に応じて微粉炭または炭化水素系燃料を吹き込み、荷下りして来て二次羽口１４前で検知される鉄源原料層の種別がスクラップ充填層１６となっている時間域では、二次羽口１４からの支燃性ガス吹き込みを継続して、スクラップの加熱溶解を加速させ（（ｂ−１）図）、次いで、二次羽口１４前に鉱石充填層１７が検知される時間域では、二次羽口１４からの支燃性ガス吹き込みを中断して鉱石のガス還元を促進して（（ｂ−２）図）  、溶銑を製造する溶解・還元工程。
【００３０】
この工程で生じた炉内上部空間には、次回の操作で消費が予測される所定量のコークスと所要の副原料を装入して、スクラップ充填層１６と鉱石充填層１７の上部にコークス充填層１５−２を形成させる。
【００３１】
ｃ．一次羽口１３を含む所定のレベルにｂで装入したコークス充填層１５−２の層高が到達した時点においてｂの溶解操作を終了し、コークスを含む固形の内容物を炉内に残存させ、生成した溶銑とスラグ１９だけを出銑口１８から排出する出銑工程。
【００３２】
ここでａの操作を行うのは、炉内にスクラップと鉱石を別々に層状に装入すれば、その装入順序に応じて二次羽口前に荷下りしてくるので  （（ｂ−１）  図および（ｂ−２）  図参照）  、原料種別に応じた二次羽口からの支燃ガスの  ＯＮ−ＯＦＦ  制御が可能になるからである。
【００３３】
また、ｂの操作を行うのは次のような作用効果を狙うからである。即ち、二次羽口１４前にスクラップ充填層１６が検知される時間域で二次羽口１４からの支燃性ガス吹き込みを継続する（（ｂ−１）図）  と、炉下部のコークス充填層１５内での部分酸化燃焼  （前記  （１）式による）  により発生した高温のＣＯガスは、二次燃焼  （前記  （２）式による）  され、多量の熱がスクラップに供給される。これによりスクラップの加熱、溶解を促進することができ生産性が向上する。
【００３４】
次に、スクラップがほとんど溶解され、二次羽口１４前に鉱石充填層１７が検知される時間域では、二次羽口１４からの支燃性ガス吹き込みは中断される（（ｂ−２）図）  。このようにすると、鉱石充填層１７内で高燃焼発熱量の二次燃焼は起こらないので、鉱石はその昇温が抑制され、従来法のように直ちに溶融して、炉下部のコークス充填層１５内に滴下するようなことはない。従って、未溶解の固体鉱石中の酸化鉄  （主にＦｅ２Ｏ３）と、コークス充填層１５内で発生した高温のＣＯガスとが反応して、下記  （５）式に示すガス還元により、固体鉄が生成される。そして還元された固体鉄が溶融した後、コークス充填層１５内に溶鉄が滴下する。
【００３５】
Ｆｅ２Ｏ３  ＋  ３ＣＯ    →  ２Ｆｅ＋３ＣＯ２＋  ６．７１０  ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ・Ｆｅ２Ｏ３  ・・・・（５）
上記  （５）式に示す鉱石のガス還元は発熱反応であり、また、鉱石のガス還元比率の向上により、大きい吸熱を伴う前記  （３）式に示す溶融酸化鉄の直接還元を少なくすることができる。これにより鉱石の還元に必要な熱量が少なくなり、燃料原単位を低減することができる。なお、ガス還元されなかった溶融酸化鉄は、溶鉄とともに前記  （１）式の部分酸化燃焼により高温に保持されているコークス充填層１５内に滴下する。そして、溶融酸化鉄は前記  （３）式により直接還元されて溶鉄を生成し、溶鉄中に浸炭されて溶銑が製造される。
【００３６】
さらに、鉱石充填層１７内では、二次燃焼が起こらないので、その上部に装入された次回溶解で消費が予測されるコークス充填層１５−２が過熱されることはない。
【００３７】
従って、前記  （４）式に示すカーボンソリューションロス反応によるコークスの無駄な消費を抑制することができる。ただし、原料装入順序を鉱石の層状装入、その上にスクラップの層状装入の順とした場合は、スクラップ充填層内での二次燃焼により、その上部のコークス充填層が過熱されるのでこの効果は得られない。
【００３８】
上述したように、本発明の溶銑製造方法によれば、これまでの限界を超えて燃料原単位の低減を実現できる。
【００３９】
【実施例１】
以下、本発明方法の効果を実施例に基づいて説明する。
【００４０】
実施例および比較例の操業では、前記図１に示したのと同様の構造で、内径が１．５ｍ、炉底から炉口までの高さが３．６ｍ、内容積が６ｍ３の筒型炉を使用した。一次羽口は炉底から１．４ｍの高さ位置の炉側壁に円周方向に９０度間隔で４本、二次羽口は炉底から２．０ｍの高さ位置の炉側壁に円周方向に９０度間隔で４本設置した。出銑口  （出滓口を兼ねる）１８  は炉底近傍側壁に１口設けた。
【００４１】
鉄源原料としては、最大寸法０．４ｍ、嵩密度  ３５００ｋｇ／ｍ３の普通鋼スクラップ  （鉄純度９９重量％）  および表１に示す組成の塊鉱石を使用した。また、燃料としては表２に示す組成のコークスと微粉炭を使用した。
【００４２】
【表１】
0003629740.tif 000002
【００４３】
【表２】
0003629740.tif 000003
【００４４】
操業の基本条件は次のとおりである。即ち、鉄源として鉄スクラップとともに使用する鉱石の使用比率は、Ｆｅ換算で５０％に設定した。一次羽口１３から吹き込む支燃性ガスとしては酸素を使用し、送酸量は、１０００Ｎｍ３／ｈｒとした。同時に微粉炭を８００ｋｇ／ｈｒで吹き込んだ。また二次羽口１４から吹き込む支燃性ガスとしても酸素を使用し、流量は６００Ｎｍ３／ｈｒ  とした。
【００４５】
操業手順としては、まず炉底から一次羽口１３を含むレベルまでコークス充填層１５を形成させ、十分に予熱した後、溶銑８トン相当の鉄源原料をコークス充填層１５上に装入し、装入順序は実施例１ではスクラップの層状装入に次いで鉱石の層状装入、実施例２では、鉱石の層状装入に次いでスクラップの層状装入の順とした。
【００４６】
スクラップ充填層１６と鉱石充填層１７を個別に形成した後所定の送風を開始し、一次羽口１３の送風条件は上記基本条件に従い、二次羽口１４前にスクラップ充填層１６が検知される時間域では、二次羽口１４から流量  ６００Ｎｍ３／ｈ  の酸素を吹き込み、二次羽口１４前に鉱石充填層１７が検知される時間域では、二次羽口１４からの送酸を停止する送風制御を繰り返して行い、出銑量が安定した時点から８トンごとに溶銑を受銑する操業を１０チャージ行った。なお、二次羽口前の装入物の検知は、二次羽口レベルに設置した光ファイバースコープによって行った。
【００４７】
比較例では、従来法と同様、スクラップと鉱石を混合状態で炉内に装入し、スクラップと鉱石の充填層２６  （前記図２参照）を形成させて操業を行った。そして、二次羽口１４からの送酸は、実施例の平均送酸速度になるように調節して、操業中に止めることなく連続吹き込みを行った。それ以外は実施例と同じ条件で操業を行った。
【００４８】
実施例と比較例の操業結果  （１０チャージの平均値）  を表３にまとめて示す。
【００４９】
【表３】
0003629740.tif 000004
【００５０】
表３に示すとおり、燃料原単位は比較例の  ３８２ｋｇ／溶銑ｔに対し、実施例１が  ３４６ｋｇ／溶銑ｔ、実施例２が  ３５０ｋｇ／溶銑ｔであり、これまでの限界を大きく超える燃料原単位の低減が達成されている。さらに、溶銑生産速度は、比較例の  ６．５ｔ／ｈｒに対し、実施例１が  ９．９ｔ／ｈｒ、実施例２が  ９．４ｔ／ｈｒであり、実施例の生産性は明らかに向上している。
【００５１】
これは、実施例では、炉内にスクラップと鉱石を個別に層状装入し、二次羽口前の鉄源原料の種別に応じて、二次羽口からの支燃性ガス吹き込みが  ＯＮ−ＯＦＦ  制御されているので、スクラップ充填層内の二次燃焼によりスクラップの加熱溶解が促進され、鉱石充填層内のガス還元比率が向上して、溶融酸化鉄の直接還元  （吸熱）  が抑制される。その結果、排ガス平均利用率は、比較例の３８．９％に対し、実施例１が４８．２％、実施例２が４５．５％となっており、実施例の燃料利用効率が比較例に較べて向上したことに起因する。
【００５２】
なお、実施例１に較べて実施例２の排ガス平均利用率が若干低く、燃料原単位が若干高くなっている。これは、二次燃焼されるスクラップ充填層の直上に次チャージ用のコークス充填層が装入されているため、実施例１よりカーボンソリューションロスが若干多くなったことによると考えられる。しかし悪化の程度は僅かであり、本発明方法の効果を損なうものではない。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の溶銑製造方法によれば、転炉形式の筒型炉を用いスクラップと鉱石を鉄源として燃料利用効率が高い操業を行うことができる。そして、これまでの限界を超える燃料原単位の低減と生産性の向上が実現され、その経済効果はきわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を説明するための筒型炉内の原料装入とその荷下り状態および送風状況を示す模式的縦断面図である。
【図２】筒型炉を用いスクラップと鉱石を鉄源として溶銑を製造する方法を説明するための炉内の原料装入とその荷下り状態および送風状況を示す模式的縦断面図である。
【符号の説明】
１１、２１：  筒型炉        １２、２２：  開口部                    １３、２３：  一次羽口
１４、２４：  二次羽口            １５、２５：  コークス充填層  １５−２：  コークス充填層
１６：  スクラップ充填層    １７：  鉱石充填層                    ２６：  スクラップ、鉱石充填層
１８、２７：  出銑口                １９、２８：  溶銑・スラグ
【図１】
0003629740.tif 000005
【図２】
0003629740.tif 000006