(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄原料の投入口と鉄溶湯の出湯口とを有するとともに、酸素バーナーを備えた鉄の溶解炉において、搬送ガスで搬送した加炭材を前記溶解炉内の溶湯の表面に向けて吹付けるノズルを、先端の中心線を溶湯面に対して４０度以上の角度にして設けたことを特徴とする鉄の溶解炉。
【請求項２】
酸素バーナーの火炎で鉄原料を溶解するとともに加炭材を添加して鋳鉄を製造するにあたり、前記加炭材を搬送ガスにより搬送し、４０度以上の角度で溶湯の表面に吹付けることを特徴とする鋳鉄の製造方法。
【請求項３】
前記加炭材は、その７０％以上の粒度が０．２〜５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項２記載の鋳鉄の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の溶解炉を使用した鋳鉄の製造方法であって、前記ノズルの先端と溶湯面との距離Ｌを、０＜Ｌ≦０．４ｍの範囲とし、ノズルからの噴出速度Ｖを、毎秒１００〜４００ｍの範囲にするとともに、α＝Ｌ×（１０3 ／Ｖ）で表されるαの値が１．５以下になるように、前記距離Ｌ及び噴出速度Ｖを設定することを特徴とする鋳鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄の溶解炉及び鋳鉄の製造方法に関し、詳しくは、鉄原料を酸素バーナーの火炎で加熱して溶解するとともに、加炭材を添加して鋳鉄を製造する溶解炉の構造及びこの溶解炉を用いた鋳鉄の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銑鉄、鋼屑、鋳物屑等の鉄原料を、溶解炉内でバーナーの火炎により加熱溶解するとともに、加炭材を添加して炭素含有量を適宜調整することにより、鋳鉄を製造する方法が行われている。前記バーナーとしては、プロパンガス等の気体燃料、重油等の液体燃料、あるいは微粉炭等の固体燃料を酸素ガスで燃焼させる酸素バーナーが用いられている。
【０００３】
前記加炭材としては、通常、コークス等の炭素材が用いられているが、加炭効率を向上させるため、コークスを粉砕して適宜小さな塊や微粒子状にして溶解炉内に投入するようにしている。
【０００４】
しかし、酸素バーナーによる溶解では、添加した炭化材の全量が原料鉄材の溶湯内に吸炭されず、一部は酸化されて二酸化炭素や一酸化炭素となって炉外へ排出されてしまう。このため、炉外へ排出される量を考慮して原料投入と同時に過剰の加炭材を投入したり、原料が溶解して溶湯になった後に不足分を再投入したりしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、原料投入時に過剰の加炭材を投入する場合は、吸炭効率が３０〜５０％程度であり、このため、投入された加炭材の半分以上が無駄となっていた。一方、原料が溶解して溶湯になった後に不足分の加炭材を投入する場合、酸素バーナーによる加熱溶解では、溶湯表面が、主として酸化物からなるスラグ層で覆われた状態になっており、再投入した加炭材が、このスラグ層に浮遊して鉄溶湯への接触が妨げられるため、５０％以上の吸炭効率を達成することは困難であった。
【０００６】
そこで本発明は、５０％を超える高い吸炭効率を得ることができ、効率よく鋳鉄を製造することができる鉄の溶解炉及び鋳鉄の製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の鉄の溶解炉は、鉄原料の投入口と鉄溶湯の出湯口とを有するとともに、酸素バーナーを備えた鉄の溶解炉において、搬送ガスで搬送した加炭材を、前記溶解炉内の溶湯の表面に向けて吹付けるノズルを、先端の中心線を溶湯面に対して４０度以上の角度にして設けたことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の鋳鉄の製造方法は、酸素バーナーの火炎で鉄原料を溶解するとともに加炭材を添加して鋳鉄を製造するにあたり、前記加炭材を搬送ガスにより搬送し、４０度以上の角度で溶湯の表面に吹付けることを特徴とし、前記加炭材の７０％以上の粒度が０．２〜５ｍｍの範囲内にあることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明の鋳鉄の製造方法は、前記構成の鉄の溶解炉を使用して鋳鉄を製造するにあたり、前記ノズルの先端と溶湯面との距離Ｌを、０＜Ｌ≦０．４ｍの範囲とし、ノズルからの噴出速度Ｖを、毎秒１００〜４００ｍの範囲にするとともに、α＝Ｌ×（１０3 ／Ｖ）で表されるαの値が１．５以下になるように、前記距離Ｌ及び噴出速度Ｖを設定することを特徴としている。
【００１０】
【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。図１は、本発明の鉄の溶解炉の一例を示すものである。この溶解炉１は、酸素又は酸素富化空気を支燃性ガスとした酸素バーナー２の燃焼熱により、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を一体的に連設し、溶解部３と予熱部４との間に絞り部５を設けるとともに、溶解部３内の溶湯に向けて加炭材を吹込むためのノズル６を設けたものである。
【００１１】
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、その一側には、鉄溶湯の出湯口７が設けられている。また、予熱部４は、略円筒状に形成されており、原料投入口となる予熱部４の上部開口には排気口８ａを有する蓋体８が着脱可能に装着されている。
【００１２】
前記絞り部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と予熱部４との間を絞った状態にして各内径よりも小さな内径で形成されている。
【００１３】
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の周壁を貫通した状態で設置されるもので、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や天井部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を必要に応じて設けることができる。
【００１４】
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を連設することにより、予熱部４から溶解部３に落下する鉄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。
【００１５】
そして、前記加炭材吹込用のノズル６は、窒素等の搬送ガスにより搬送される粉体乃至粒体の加炭材を溶湯に向けて吹付けるものであって、図２に示すように、溶湯面Ｓに対する先端の中心線の角度θが、４０度から垂直の範囲内になるように設置することが好ましい。すなわち、加炭材を伴った搬送ガスを、溶湯面Ｓに対して４０度以上の角度で吹付けることができるように、ノズル６の設置位置や挿入角度、先端形状を決定することが好ましい。
【００１６】
次に、このような溶解炉１で酸素バーナー２の燃焼火炎により銑鉄、鋼屑、鋳物屑等の鉄原料を溶解するとともに、ノズル６から所定量の加炭材を添加して鋳鉄を製造する手順を説明する。
【００１７】
まず、予熱部４の上部開口（投入口）から所定量の鉄原料を投入し、酸素バーナー２に点火して鉄原料の溶解を開始する。このとき、投入された鉄原料は、一部が溶解部３内に落下し、大部分が予熱部４内に残った状態になる。そして、酸素バーナー２の燃焼火炎により溶解部３内の鉄原料が溶解し始めるとともに、燃焼ガスが絞り部５を経て予熱部４内を上昇し、予熱部４内の鉄原料を加熱して排気口８ａから炉外へ排出される。予熱部４内の鉄原料は、溶解部３内の鉄原料の溶解の進行に伴って次々に溶解部３に落下し、燃焼火炎により溶解される。
【００１８】
鉄原料が溶解して溶湯が形成されたら、加炭材吹込み用のノズル６から加炭材を伴った搬送ガス流の吹き込みを開始する。ノズル６から溶湯の表面に吹付けられた搬送ガス流は、溶湯表面の酸化物を主体としたスラグを吹除いて表面に溶湯を露出させ、溶湯に向けて加炭材を吹付ける。これにより、溶湯中に加炭材を直接吹込むことができるので、加炭材を溶湯に効率よく吸炭させることができる。
【００１９】
鉄原料の溶解が進むのに従って予熱部４内の鉄原料が減少するので、必要量の鉄原料を排気口８ａから予熱部４内に投入し、投入した鉄原料が全て溶解して所定量の溶湯が形成されたら、酸素バーナー２を消火するとともに加炭材の吹込みも終了し、炉体を傾けて出湯口７から出湯する。これにより、所定量の加炭材の添加が行われ、所望の炭素含有量の鋳鉄を得ることができる。
【００２０】
このように搬送ガスで搬送した加炭材をノズル６から溶湯中に吹込むにあたり、前記ノズル６の溶湯面Ｓに対する角度θを４０度未満にすると、溶湯表面のスラグを吹除いて溶湯を十分に露出させることが困難となり、溶湯面が露出したとしても、加炭材を溶湯中に効果的に吹込むことが難しい。
【００２１】
また、吸炭効率を向上させるためには、加炭材の７０％以上の粒度が０．２〜５ｍｍの範囲内にあるものを用いることが好ましく、０．２〜５ｍｍのものが７０％未満だと吸炭効率が低下する。例えば、粒径が０．２ｍｍ未満の小さな粒子は、ガスの流れにより飛散してしまうために十分に溶湯中に吹込むことができず、５ｍｍを超える粒径の粒子は、その比表面積が小さいために溶解効率が低くなる。
【００２２】
さらに、前記ノズル６の先端と溶湯面との距離Ｌを、０＜Ｌ≦０．４ｍの範囲とし、ノズル６からの噴出速度Ｖを、毎秒１００〜４００ｍの範囲にするとともに、α＝Ｌ×（１０3 ／Ｖ）で表されるαの値が１．５以下になるように、前記距離Ｌ及び噴出速度Ｖを設定して加炭材を吹込むことが望ましい。
【００２３】
ノズルの先端と溶湯面とが接触すると、ノズル先端部に溶湯が付着したり、閉塞したりするため、ノズル先端は溶湯に接触させるべきではなく、また、両者の距離が０．４ｍを超えると、溶湯表面部分における加炭材の速度が低下するため、スラグを突き抜けて溶湯中に吹込む力が弱くなり、ノズル６からの噴出速度Ｖによっては、加炭材を効率よく溶湯中に吹込むことができなくなる。
【００２４】
また、噴出速度Ｖが毎秒１００ｍ未満だと、ノズル先端を溶湯に近付けても十分な加炭材吹込み力を得ることが困難であり、吸炭効率が低下する。一方、通常の吹込みノズルでは、音速を超える噴出速度Ｖを得ることができないため、噴出速度Ｖは、１２５℃での音速である毎秒４００ｍが実用的な限界といえる。
【００２５】
そして、上述のノズル６の先端と溶湯面との距離Ｌと、ノズル６からの噴出速度Ｖとは、相互に影響を与えるものであり、例えば、距離Ｌが大きい場合は噴出速度Ｖを高めればよく、噴出速度Ｖが低い場合には距離Ｌを小さくすればよい。すなわち、この両者の関係を、前記式で表されるαの値が１．５以下になるように、すなわち、距離Ｌと噴出速度Ｖとの関係が図３に斜線で示す範囲内に収まるように、これらを設定することが望ましい。
【００２６】
図４は、溶解炉の他の形態として、横型の回転炉に本発明を適用した例を示すものである。すなわち、鉄原料の投入口１１，鉄溶湯の出湯口１２及び排ガス排出口１３を備えるとともに、酸素バーナー１４及び加炭材を吹込むためのノズル１５を備えた横型回転炉１６であって、炉内に水平方向に挿入したノズル１５の先端部１５ａを、先端の中心線の角度が溶湯面に対して４０度以上になるように屈曲させたものである。
【００２７】
このように、ノズル先端部を適宜な角度に屈曲させてノズル先端の中心線の角度を溶湯面に対して４０度以上にする場合、屈曲部の内面が加炭材の通過によって摩耗するおそれがあるため、屈曲部内面は、対摩耗性の材料をコーティングするか、屈曲部を耐摩耗性の材料で形成してノズル本体に接合することが好ましい。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例及び比較例を説明する。
実施例１
図１に示す構造であって、全高７０ｃｍ，溶解部の内径９０ｃｍの溶解炉を使用し、ここに３本の酸素バーナーを水平方向の同一円上に等間隔で配置するとともに、内径１０ｍｍのステンレス製の加炭材吹込み用のノズルを設けて、１トンの鉄原料を溶解して鋳鉄を製造した。鉄原料には、鉄くずと銑鉄とを３：２の割合で混合したものを使用した。酸素バーナーへは、１本当たり、毎時３０リットルの重油と毎時６０Ｎｍ3 の酸素ガスを供給した。また、加炭材には、０．２〜５ｍｍの範囲の粒度が９０％のコークスを用い、毎分２ｋｇの割合で供給した。加炭材の搬送ガスには窒素ガスを使用し、ノズルからの噴出速度は、毎秒約２００ｍとした。
【００２９】
そして、ノズル先端と溶湯面との距離を０．１５ｍとしてノズル先端と溶湯面との角度θを変えて吸炭効率への影響を調べた。吸炭効率は、鉄が溶解し始めたときの初期溶湯を採取して分析した炭素含有量と、溶解終了後の出湯を分析して得た炭素含有量と、投入した加炭材量とから算出した。なお、加炭材投入時間は、約１５分間とした。結果を次に示す。
角度θ［度］        ３５    ４５    ５５    ６５
吸炭効率［％］      ４０    ５８    ６５    ７０
【００３０】
実施例２
溶湯面に対するノズル先端の角度θを６０度とし、加炭材として用いるコークスの最大粒径を５ｍｍにするとともに、０．２ｍｍ未満の粒径のものの混合量を調節して０．２〜５ｍｍの粒径のコークスの割合が異なる加炭材を使用した。これ以外の条件は実施例１と同様にしてそれぞれの吸炭効率を算出した。結果を次に示す。
粒径０．２〜５ｍｍの割合［％］      ６０    ７０    ８０    ９０
吸炭効率［％］                      ３５    ５２    ６０    ６８
【００３１】
実施例３
溶湯面に対するノズル先端の角度θを６０度とし、０．２〜５ｍｍの粒度が９０％のコークスを用いるとともに、ノズル先端と溶湯面との距離Ｌ［ｍ］及び噴出速度Ｖ［ｍ／秒］を変えて炭素レベル及びケイ素レベルの異なる原料鉄を、これ以外の条件は実施例１と同様にして溶解した。結果を次に示す。
【００３２】
距離Ｌ                  ０．１０    ０．１５    ０．３０    ０．４５
噴出速度Ｖ                １８０      ２００      ２００      ２３０
原料炭素レベル［％］    ２．３２    １．５３    １．７７    ２．０２
原料ケイ素レベル［％］  ０．９８    １．０８    ０．８４    １．１４
製品炭素含有量［％］    ３．５０    ３．５５    ３．４７    ３．１５
吸炭効率［％］              ６４        ６８        ５７        ３０
【００３３】
実施例４
酸素バーナーに供給する燃料を重油に代えてプロパンとして毎時６０Ｎｍ3 で供給し、溶湯面に対するノズル先端の角度θを６０度とした以外は実施例１と同様に操作を行った。その結果、６８％の吸炭効率が得られた。
【００３４】
実施例５
図４に示す構造の横型回転炉を用いて３トンの鉄原料を溶解した。加炭材の吹込み角度は６０度とし、酸素バーナーへは毎時１５０リットルの重油と毎時３００Ｎｍ3 の酸素ガスを供給した。これ以外は実施例１と同様に操作を行った結果、６６％の吸炭効率が得られた。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、吸炭効率を大幅に向上させることができ、高い吸炭効率で所定の炭素濃度の鋳鉄が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の鉄の溶解炉の一例を示す断面図である。
【図２】  溶湯面とノズルとの関係を示す説明図である。
【図３】  距離Ｌと噴出速度Ｖとの最適な範囲を示す図である。
【図４】  溶解炉の他の形態例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…溶解炉、２…酸素バーナー、３…溶解部、４…予熱部、５…絞り部、６…ノズル、７…出湯口、８…蓋体、８ａ…排気口、１１…投入口、１２…出湯口、１３…排ガス排出口、１４…酸素バーナー、１５…ノズル、１５ａ…先端部、１６…横型回転炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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