(57)【要約】  酸素バーナ・ランスを用いた冷鉄源の溶解・精錬炉の操業あるいは精錬の際に、その効率を向上させることを課題とし、炉壁を貫通するように設けられた貫通孔と、貫通孔に設けられた１以上のバーナと、前記バーナ用の貫通孔より上部に設けられた支燃性流体供給孔に設置された１以上のランスとを備えた炉において、溶解工程において酸素の導入量を炉の容積から算出した範囲で操業する溶解・精錬炉の操業方法を提供する。
2019064433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解・製錬炉を用いて冷鉄源を溶解精錬する方法であって、
前記溶解・製錬炉の上部から冷鉄源を投入する第１工程と、
前記溶解・製錬炉の中心部に設けた電極に通電して冷鉄源を主溶解させる第２工程と
前記溶解・製錬炉の炉壁に設けたバーナによって冷鉄源を補助溶解する第３工程と、
前記バーナより上部の前記炉壁に設けた支燃性流体噴出孔からランスを用い、水平方向より下方に向けて支燃性流体を噴出させ、当該支燃性流体と、前記冷鉄源の溶解時に発生する一酸化炭素、水素、または一酸化炭素と水素との混合物とを反応させる第４工程とからなる溶解工程、及び前記冷鉄源の溶解により生じた溶鉱中に酸素を導入することで不純物を取り除く精錬工程とを具備し、
前記第４工程は、前記第３工程の開始と同時またはその直後から開始され、精錬工程の開始とともに終了し、前記炉の炉体容積がＶ（ｍ３）であった場合に、前記第４工程における支燃性流体が酸素であったときの酸素導入量Ｑ（Ｎｍ３／ｈ）をＶ／Ｑ＝０．１〜０．８の範囲とすることを特徴とする冷鉄源の溶解精錬方法。
【請求項２】
冷鉄源の溶解・製錬を行うための炉であって、
前記炉は上部に冷鉄源を導入するための開口部を有した電気炉であり、
該電気炉は、その中心部に冷鉄源を溶解するための電極と、
その炉壁に冷鉄源を補助溶解するためのバーナと、
前記炉壁に前記バーナより上部の位置に酸素を導入するためのランスと、
前記ランスに一定量の酸素を供給するための酸素流量調整機構とを有し、
前記バーナ及び前記ランスの前記炉壁への取付け位置が以下の条件を満たすことを特徴とする冷鉄源の溶解・製錬炉。
溶湯面からバーナ先端部までの距離Ｌ１＜溶湯面からランス先端部までの距離Ｌ２
バーナの中心軸と水平面とが成す角度α≧ランスの中心軸と水平面とが成す角度β
バーナの中心軸と水平面とが成す角度９０°＞α＞０°
ランスの中心軸と水平面とが成す角度β≧０°
【請求項３】
前記酸素流量調整機構は、流量調節弁、流量指示器、圧力計、および圧力調節弁を具備することを特徴とする請求項２記載の冷鉄源の溶解・製錬炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素バーナとランスとを用いた冷鉄源の溶解・精錬炉の操業方法と溶解・精錬炉とに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素を含む支燃性流体（酸素、空気、酸素富化空気等）と燃料とを燃焼させて被加熱物を加熱するバーナは、様々な生産プロセスで用いられている。例えば、電気炉における製鋼プロセスでは、鉄屑等の原料を電気炉内で加熱し、溶融させる際に、原料にコールドスポットといわれる低温部位が生じ、この部分において原料が溶融しにくくなる事がある。そのような場合に、特許文献１に開示されているようなバーナを併用することによって、原料の加熱効率を高め、原料溶融の為の電力使用量を低減し、溶融コストを削減することが出来る。【０００３】
また、支燃性流体によって原料の一部を酸化、溶融させて切断を促し、原料に対する加熱効率をさらに高める事が出来る。さらには、支燃性流体の供給によって、未燃焼流体（一酸化炭素等）の燃焼を促進する事も可能である。【０００４】
例えば、特許文献２には、支燃性流体による二次燃焼時の加熱効率を高めるために、予め高温に予熱した酸素ガスを利用する発明が開示されている。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４０５０１９５号公報
【特許文献２】特開２０００-３３７７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような操業においては、バーナによる原料の補助溶融が溶融コストの削減を目的としていることから、電気炉内に吹き込む支燃性流体の消費量をできる限り少なくし、且つ、歩留まり向上のための原料の過酸化抑制も要望されている。  本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バーナとランスとを用いた冷鉄源の溶解・精錬炉の操業、または精錬の際に、その効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の溶解・精錬方法は、電気炉を用いて冷鉄源を溶解精錬する方法であって、
前記電気炉の上部から冷鉄源を投入する第１工程と、電気炉の中心部に設けた電極に通電して冷鉄源を主溶解させる第２工程と、電気炉の炉壁に設けたバーナによって冷鉄源を補助溶解する第３工程と、前記バーナより上部の前記炉壁に設けた支燃性流体噴出孔に設置したランスから、水平方向より下方に向けて支燃性流体（例えば、酸素、または少なくとも酸素を含有する支燃性流体）を噴出させ、当該支燃性流体と前記冷鉄源の溶解時に発生する一酸化炭素、水素、または一酸化炭素と水素との混合物とを反応させる第４工程とを具備する溶解工程、及び
前記冷鉄源の溶解により生じた溶鉱中に酸素を導入することで不純物を取り除く精錬工程とを具備し、
前記第４工程は、第３工程の開始と同時、またはその直後から開始され精錬工程の開始とともに終了し、前記炉の容積Ｖ（ｍ３）と導入する酸素量Ｑ（Ｎｍ３／h）との関係をＶ/Ｑ＝０．１〜０．８の範囲とすることを特徴とする冷鉄源の溶解精錬方法である。【０００８】
また、本発明の溶解・精錬炉は、上記溶解製錬方法を実施するための炉であって、前記炉は上部に冷鉄源を導入するための開口部を有した電気炉であり、該電気炉は、その中心部に冷鉄源を溶解するための電極と、その炉壁に冷鉄源を補助溶解するためのバーナと、前記炉壁に前記バーナより上部の位置に酸素を導入するためのランスと、前記ランスに一定量の酸素を供給するための酸素流量調整機構とを有し、前記バーナ及び前記ランスの前記炉壁への取付け位置が以下の条件を満たすことを特徴とする冷鉄源の溶解・製錬炉である。
溶湯面からバーナ先端部までの距離Ｌ１＜溶湯面からランス先端部までの距離Ｌ２、
バーナの中心軸と水平面とが成す角度α≧ランスの中心軸と水平面とが成す角度β、
バーナの中心軸と水平面とが成す角度α＞０°
ランスの中心軸と水平面とが成す角度β≧０°【０００９】
前記酸素流量調整機構は、流量調節弁、流量指示器、圧力計、および圧力調節弁を具備することを特徴とする冷鉄源の溶解・製錬炉である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、バーナとランスとを用いた冷鉄源の溶解・精錬炉の操業あるいは精錬の際に、炉内に支燃性流体を適正な位置から適正量吹き込むことが可能となり、支燃性流体の消費量を必要最低限とすることができるため、溶解効率も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に用いられる溶解・製錬炉の模式図である。
【図２】本発明に用いられる溶解・製錬炉の上蓋を取り外し、冷鉄源を導入する際の模式図である。
【図３】電気炉の炉壁に取り付けられたバーナとランスとの配置を示した模式図である。
【図４】電気炉上部から見たバーナの配置を示した模式図である。
【図５】実施形態におけるランス機能を有するバーナ（バーナ・ランス）の模式図である。
【図６】ランスから炉内に供給する酸素の流量制御機構の模式図である。
【図７】溶解・精錬炉からの排ガス中の一酸化炭素及び水素の発生量と、炉容積Ｖ１／導入酸素量Ｑの関係を表した図である。
【図８】溶解・精錬炉からの排ガス中の一酸化炭素と水素の発生量と、炉容積Ｖ２／導入酸素量Ｑの関係を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を説明する。本発明に用いられる冷鉄源の溶解・製錬炉を図１に示す。図１に示した溶解・製錬炉１（以下、電気炉と称することもある）は、その中心部に電極４を有する電気炉である。電気炉１は円筒形の炉体２を有し、上部には開口部が設けられ、この開口部を塞ぐ炉蓋３を有している。下部には炉底２Ｂが設けられている。電極４は、各炉によって１本の場合と３本の場合があるが、本実施形態においては電極が１本の場合を示している。
【００１３】
電気炉１内に冷鉄源を投入する際には、例えば、図２に示すように電極４を抜き、炉蓋３を外してから、炉体２上部の開口部より冷鉄源を投入する。
【００１４】
電気炉１には、炉体２をなす炉壁２Ａを貫通するように貫通孔５Ａが設けられ、貫通孔５Ａにはバーナ５が設置されている。炉壁２Ａには、貫通孔５Ａより上部に、炉壁２Ａを貫通するように支燃性流体貫通孔６Ａがさらに設けられている。支燃性流体貫通孔６Ａには、炉内に支燃性流体（酸素、または少なくとも酸素を含有する支燃性流体）を導入するためにランス６が設置されている。バーナ５は貫通孔５Ａから、ランス６は支燃性流体貫通孔６Ａから、炉底２Ｂに向けて挿入されて固定される。
【００１５】
図３は電気炉１の炉壁２Ａに設けられたバーナ５とランス６との配置を示した図である。ランス６の炉壁２Ａへの設置位置は、バーナ５より上部とする。すなわち、バーナ５の高さ位置（バーナ先端部と溶湯面との距離）をＬ１、ランス６の高さ位置（ランス先端部と溶湯面との距離）をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２となるように、バーナ５とランス６とを設置する（図３左図）。ここで溶湯面とは、冷鉄源を溶解したのち、溶鋼で形成される溶湯の上面を意味する。
【００１６】
バーナ５の中心軸と水平方向とでなす角度をαとしたとき、バーナ５の設置方向が、９０°＞α＞０°となるように固定する（図３右図）。より好ましくは６０°＜α＜４５°とする。また、ランス６の中心軸と水平方向とでなす角度をβとしたとき、ランスの設置方向は、α≧β≧０°となるように固定する（図３右図）。すなわち、ランス６からの支燃性流体の噴出方向は、バーナ５による火炎が形成される方向と同一の角度以上とする。ランス６の向きをこのように設定することで、バーナ５を燃焼させた際の未燃ガス（主に一酸化炭素、水素）を、ランス６からの支燃性ガスにより、効率よく燃焼させることができる。
【００１７】
図４は電気炉上部からのバーナ５の配置を示した図である。図４には３本のバーナ５を設置した例を示している。バーナ５の火炎形成方向は、炉内において電極４による冷鉄源の加熱が不十分な場所である炉壁２Ａと、電極４との中央部付近を加熱できる方向に向ける。また、電極４に損傷を与えないように、バーナ５は、火炎が電極４に直接当たらない方向となるように設置することが望ましい。
【００１８】
本実施形態におけるバーナ５の構成を示す断面模式図を図５に示す。図５に記載のバーナ５は、ランス機能を有するバーナ（バーナ・ランス）である。本実施形態における酸素バーナ・ランス５の中央には、酸素を含んだ支燃性流体を供給する支燃性流体供給管１８が設けられており、その外周には、燃料流体を供給する燃料流体供給管１９が設けられ、さらに、その外周に支燃性流体供給管２０が、同心円状に設けられている。支燃性流体供給管２０の外周には、還流式水冷ジャケット２１が設けられている。
【００１９】
なお、支燃性流体供給管２０を設けず、燃料流体供給管１９の外周に還流式水冷ジャケット２１を設けても良いが、支燃性流体供給管２０を設けた場合には、支燃性流体供給管１８と２０の酸素流量比を調整することにより、火炎長の調整が可能となる。
【００２０】
支燃性流体供給管１８は、基端側１８Ａから先端側１８Ｂにかけて、一定の内径を有する太径部１８ａと、太径部１８ａよりも内径が小さいスロート部１８ｂと、スロート部１８ｂから先端側１８Ｂに向けて内径が徐々に大きくなる広がり部１８ｃと、ほぼ一定の内径を有する直動部１８ｄを有する。
【００２１】
上述したように、本実施形態におけるバーナ・ランス（バーナ５）を設置した炉壁２Ａの上部には、二次燃焼用の酸素を含んだ支燃性流体を炉内に導入するランス６を設置するための支燃性流体供給孔６Ａを設けている。
酸素を含む支燃性流体を供給する支燃性流体供給管６Ａの外周に、還流式水冷ジャケットを設けておくことが望ましい。ランス６の周りに水冷ジャケットが設けられていれば、炉壁が耐火物壁であっても、水冷壁であっても設置が可能である。
【００２２】
図６には、ランス６に酸素を供給するための酸素流量調整機構の構成を示している。酸素流量調整機構は、酸素供給側から圧力調節弁１０、圧力計１１、流量指示器１２、および流量調節弁１３を具備する。
【００２３】
上記のような溶解・製錬炉１を用いて冷鉄源を溶解精錬する方法を示す。
まず、図２に示すように、電極４と炉蓋３とを取り外した炉体２の上部開口部から冷鉄源を投入する（第１工程）。次に、溶解・製錬炉１の中心部の所定の位置まで電極４を下げ、炉蓋３で炉体２の上部を覆う。そして電極４に通電して、冷鉄源を溶解する（第２工程）。
冷鉄源の溶解が始まり、溶湯が炉底２Ｂに溜まり始めたら、溶解・製錬炉１の炉壁２Ａに設けた複数のバーナ５によって冷鉄源を補助溶解する（第３工程）。
そして、第３工程の開始と同時、またはその直後より、炉壁２Ａに設けた支燃性流体供給孔６Ａに設置したランス６から酸素を噴出させ、酸素と、冷鉄源の溶解時に発生する一酸化炭素、水素、または一酸化炭素と水素との混合物とを反応させる（第４工程）。
この第１工程から第４工程までが溶解工程となる。
【００２４】
ここで、第４工程におけるランス６からの酸素供給量は、溶解・製錬炉１の容積から決定できる。すなわち、溶解・製錬炉１の容積がＶ（ｍ３）であった場合、第４工程における酸素の導入量Ｑ（Ｎｍ３／ｈ）を、Ｖ／Ｑ＝０．１〜０．８の範囲となるようにする。ここで、炉容積Ｖとは、冷鉄源が投入される前の炉体２の内容積である。
【００２５】
溶解工程において冷鉄源がほぼ溶解し、炉底に溶解した溶鋼が溶湯として溜まったら、バーナ・ランス（バーナ５）への燃料供給を停止してランスモードに切り替え、溶湯中に酸素を導入して不純物を取り除く。これが精錬工程となる。
【実施例】
【００２６】
炉体の内容積がＶ１（ｍ３）である溶解・精錬炉において、上記の溶解工程（第１工程〜第４工程）を実施した。溶解・製錬炉の排ガス出口には、排ガス分析装置と排ガス流量測定装置（図示せず）とを設け、第３工程において、ランスから炉内に酸素ガスを導入する際に、排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）との含有量を測定できるようにした。【００２７】
第３工程において、ランス６から炉内に導入する酸素量Ｑ（Ｎｍ３／ｈ）を、酸素流量調整機構を用いて変化させ、溶解・精錬炉からの排ガス中の一酸化炭素と水素との含有量を測定した。その結果を図７に示す。
図７の横軸はＶ１/Ｑである。縦軸は、冷鉄源を溶解して得られた鉄１ｔあたりの一酸化炭素と水素（ＣＯ、Ｈ２）の発生量（Ｎｍ３／ｔ）である。
Ｖ１/Ｑが０．１〜０．８のとき、導入する酸素量が多くなるにつれてＣＯとＨ２との発生量が減じているのが確認された。しかしながら、Ｖ１/Ｑが０．８以上になってしまうと、ＣＯとＨ２の濃度がほとんど変わらない。すなわち、導入する酸素量が不足していることを示しており、十分に二次燃焼が行われていないことが判る。また、０．１以下では酸素の導入量を増加させても、ＣＯとＨ２の発生量に大きな変化が無いことが確認された。【００２８】
上記とは異なる溶解・精錬炉（炉体の内容積Ｖ２）において、同様の試験を実施した。結果を図８に示す。Ｖ２/Ｑが０．１〜０．８のとき、ランス６からの酸素導入量に応じた一酸化炭素と水素の減少効果が見られた。すなわち、無駄のない酸素の適切な導入量はＶ２/Ｑが０．１〜０．８の範囲にあるときである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の溶解・精錬炉の操業方法及び溶解・精錬炉は、電気炉における冷鉄源の溶解への利用可能性がある。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・溶解・精錬炉（電気炉）、２・・・炉体、２Ａ・・・炉壁、２B・・・炉底、３・・・炉蓋、４・・・電極、５・・・バーナ（バーナ・ランス）、５Ａ・・・貫通孔、６・・・ランス、６Ａ・・・支燃性流体供給孔、１０・・・圧力調節弁、１１・・・圧力計、１２・・・流量指示器、１３・・・流量調節弁、１８・・・支燃性流体供給管、１９・・・燃料流体供給管、２０・・・支燃性流体供給管、２１・・・還流式水冷ジャケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2019064433.tif 000012
2019064433.tif 000013
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