(57)【要約】【課　題】Ｐ含有量の低い粉粒状原料や炭素系固体還元剤を選別せず、従来と同等のＰ含有量を有する粉粒状原料や炭素系固体還元剤を溶融還元炉で使用して、Ｐ含有量をさらに低減した低燐溶融金属を製造する方法を提供する。【解決手段】炭素系固体還元剤を充填した溶融還元炉の上段羽口から酸素富化空気とともに金属酸化物原料を含有する粉粒状原料を吹込み、かつ下段羽口から酸素富化空気を吹込んで溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法において、上段羽口から吹込まれる酸素富化空気の理論燃焼温度を２７００℃以上にする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系固体還元剤を充填した溶融還元炉の上段羽口から酸素富化空気とともに金属酸化物原料を含有する粉粒状原料を吹込み、かつ下段羽口から酸素富化空気を吹込んで溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法において、前記上段羽口前炉内側の領域での理論燃焼温度を２７００℃以上にすることを特徴とする溶融還元炉の操業方法。
【請求項２】
前記上段羽口から吹込む酸素富化空気の富化酸素量を調整することにより、前記上段羽口前炉内側の領域での理論燃焼温度を２７５０℃以上にすることを特徴とする請求項１に記載の溶融還元炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉頂から炭素系固体還元剤を装入して溶融還元炉内に充填し、羽口から金属酸化物を含有する粉粒状原料と酸素富化空気とを吹込んで、Ｐ含有量の低い溶融金属（以下、低燐溶融金属という）を製造する溶融還元炉の操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、金属材料に混入するＰは不純物と考えられており、Ｐ含有量が上昇すると金属材料の特性が劣化する。そのため、金属材料中のＰを低濃度に維持する必要がある。たとえば鉄鋼材料の場合は、Ｐ含有量が増加すると、結晶粒界での強度を弱め、靭性を低下させることが知られている。したがって各種の規格にて、その鉄鋼材料の用途に応じてＰ含有量が規定されており、いずれも許容されるＰ含有量は低く抑えられている。
【０００３】
しかしながら銑鉄の製造方法として広く採用されている高炉法においては、原料として高炉に装入される焼結鉱や鉱石にＰが含まれているので、銑鉄のＰ含有量を低く抑えるのは困難である。つまり、焼結鉱や鉱石に含有されるＰは主として酸化物として存在しており、その酸化物が高炉内の還元雰囲気に曝されて容易に還元され、Ｐが銑鉄に溶解するのである。
【０００４】
しかも高炉内に装入される炭素系固体還元剤（たとえばコークス等）の灰分にもＰは含まれており、炭素系固体還元剤が高炉内を降下する間に羽口前の高温領域でＰが気化し、炉内ガスとともに炉内を上昇していく。一方、炉頂から装入された焼結鉱や鉱石が高炉内を降下するにつれて、炉内ガスとの熱交換によって昇温される。こうして溶融した焼結鉱や鉱石が融着帯と呼ばれる融着層を形成し、この融着帯の下側で銑鉄やスラグの液滴が落下する。この液滴が気化したＰと接触して、Ｐが銑鉄やスラグに溶解するのである。
【０００５】
このように高炉法では、Ｐが原料から銑鉄に混入するのは避けられない。したがって銑鉄のＰ含有量を低減するためには、Ｐ含有量の低い原料を選別して使用せざるを得ない。このようなＰ含有量の低い原料は高価であるから、高炉法による低燐銑鉄の製造は、製造コストの上昇を招く。
これに対して、シャフト部でのＰの溶銑やスラグへの溶解を防ぐことのできる溶融還元法では、通常の原料から低燐溶融金属を製造することが期待される。
【０００６】
たとえば特開昭５７−１９８２０５　号公報（特許文献１）には、溶融還元炉の上段羽口から粉粒状の金属酸化物を高温の空気とともに炉内に吹込み、かつ下段羽口から高温の空気を吹込んで、炉内に充填した炭素系固体還元剤を燃焼させて金属酸化物を還元し、溶融金属を製造する技術が開示されている。この技術では、炉頂から装入されるのは炭素系固体還元剤のみであり、上段羽口の上方には溶融金属や溶融スラグが存在しない。したがって炭素系固体還元剤の灰分に含まれるＰが気化して溶融還元炉内を上昇しても、溶融金属や溶融スラグに接触することはなく、Ｐ濃度の上昇を抑制できると考えられる。
【０００７】
しかしながら特開昭５７−１９８２０５　号公報に開示された技術では、高炉法に比べると消費する炭素系固体還元剤の量が多くなるという欠点があった。下段羽口前で燃焼した炭素系固体還元剤の灰分に含まれていたＰは気化した後に溶融金属や溶融スラグに接触するため、下段羽口前で燃焼した炭素系固体還元剤中のＰについては溶融金属へ移行するのを防ぐことは困難であるが、高炉法に比べて炭素系固体還元剤の使用量が多いために、結果として溶銑中のＰの濃度が上昇してしまうという問題があった。
【０００８】
また特許第２５５８９８９　号公報（特許文献２）には、溶融還元炉内でＰを気化させることによって、低燐溶融金属を製造する技術が開示されている。これは、上記溶融還元法において、シャフトにおける炭素系固体還元剤の充填層の温度を制御して、炭素系固体還元剤が吹込み羽口へ降下するまでに１５００℃以上に１時間以上保持されるようにすることにより、炭素系固体還元剤の灰分に含まれるＰの酸化物がシャフト中で還元気化することを利用した技術である。これにより、吹込み羽口へ降下するまでに、炭素系固体還元剤中のＰ量が低減し、その結果、吹込み羽口前に到達するＰ量が低減できるため、溶融金属中のＰ濃度を低減できる。
【０００９】
そこで発明者は、特許第２５５８９８９　号公報に開示された操業方法に準じて溶融還元炉を稼動して溶融金属を製造し、溶融金属へ移行するＰについて調査した。
すなわち、表１に示す仕様の溶融還元炉（生産量２００ｔｏｎ／日）を用いて、製鋼ダストの溶融還元を行なった。この製鋼ダストは、銑鉄を脱炭処理する製鋼工場から発生するダストを回収したものであり、成分は表２に示す通りである。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
【表２】
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【００１２】
製鋼ダスト中のＰは、溶融還元炉内へ吹込まれたときに、生成する溶融メタル中へそのままほぼ全量移行すると考えられる。また、スラグ中へはほとんど移行しないと考えて良い。したがって単位時間あたりに溶融還元炉で使用した炭素系固体還元剤（たとえばコークス等）中のＰ含有量をＰＣ　（ｋｇ／Ｈ），単位時間あたりに溶融還元炉で使用した製鋼ダスト中のＰ含有量をＰＤ　（ｋｇ／Ｈ），単位時間あたりに溶融還元炉で製造した溶融メタル中のＰ含有量をＰＭ　（ｋｇ／Ｈ），炭素系固体還元剤中のＰのうち、溶融メタルへ移行した比率Ｒ（％）（以下、　移行率という）の関係は、
Ｒ（％）＝　１００×（ＰＭ　−ＰＤ　）／ＰＣ　　　　　　　　・・・　（１）
となる。
【００１３】
上記した溶融還元炉での操業結果から、この移行率Ｒを求めたところ、Ｒ＝５５％程度であることが判明した。これは、特許第２５５８９８９　号公報の技術では、炭素系固体還元剤中のＰの約５５％は依然として溶融金属中に溶解していることを意味する。
つまり特許第２５５８９８９　号公報に開示された技術では、低燐溶融金属の製造は可能であるが、さらなる改善の余地が残されていた。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭５７−１９８２０５　号公報
【特許文献２】
特許第２５５８９８９　号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような問題を解消し、Ｐ含有量の低い炭素系固体還元剤を選別せず、従来と同等のＰ含有量を有する炭素系固体還元剤を使用して、従来の方法で製造した低燐溶融金属に比べてＰ含有量をさらに低減した低燐溶融金属を製造する方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
特許第２５５８９８９　号公報に開示された技術において、Ｐの移行率を低減するための操業条件について、種々検討を加えたところ、シャフト部の炭素系固体還元剤の温度が必ずしも水平方向で均一とはならないためと考えられた。すなわち、溶融還元炉のシャフト部では上下段羽口から吹込まれた酸素富化空気が炭素系固体還元剤を燃焼したときの熱が、その燃焼ガスが炉内ガスとしてシャフト内を上昇する際に、炭素系固体還元剤を昇温する。
【００１７】
したがって炉内ガスがシャフトを均等に流れればシャフト部での炭素系固体還元剤の温度は水平方向でほぼ均一になると考えられるが、溶融還元炉では羽口前で発生する炉内ガスがシャフト部で抵抗のないところを選択的に流れることになるため、流れの強いところでは還元剤の温度が高くなるが、流れの少ないところでは還元剤の温度は必ずしも上昇しない。
【００１８】
このために、炉内で炭素系固体還元剤を１５００℃以上で１時間以上保持するのは、簡単なことではないことが判明した。そこで、シャフト部で炭素系固体還元剤の温度を十分高温に保持してＰの還元気化を効果的に行なうための操業条件を鋭意求めた結果、　本発明に至った。
本発明は、炭素系固体還元剤を充填した溶融還元炉の上段羽口から酸素富化空気とともに金属酸化物原料を含有する粉粒状原料を吹込み、かつ下段羽口から酸素富化空気を吹込んで溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法において、上段羽口前炉内側の領域での理論燃焼温度を２７００℃以上にする溶融還元炉の操業方法である。
【００１９】
前記した発明においては、好適態様として、上段羽口から吹込む酸素富化空気の富化酸素量を調整することにより、上段羽口前炉内側の領域での理論燃焼温度を２７５０℃以上にすることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する溶融還元炉の例を模式的に示す配置図である。図１に示すように、コークス等の炭素系固体還元剤２は、溶融還元炉１の炉頂から装入され、炉内に充填される。一方、　金属酸化物を含有する粉粒状原料１０は、上段羽口３から酸素富化空気とともに炉内に吹込まれる。
【００２１】
溶融還元炉１内の炭素系固体還元剤２の温度が高いほど、炭素系固体還元剤２中のＰが短時間で気化する。溶融還元炉１の炉頂から装入されるのは炭素系固体還元剤２のみであり、上段羽口３の上方には溶融金属１４や溶融スラグ１５が存在しない。したがって炭素系固体還元剤２の灰分に含まれるＰが気化して溶融還元炉１内を上昇しても、溶融金属１４や溶融スラグ１５に接触することはない。つまり上段羽口３より上方の炉内温度を上昇させることによって、Ｐの気化を促進し、溶融金属１４へのＰの移行を抑制することができる。
【００２２】
このとき、前記したように上段羽口３より上方の炉内温度は必ずしも均一に昇温している訳ではないため、上段羽口３あるいは下段羽口４の前に炭素系固体還元剤が降下して燃焼するまでに、Ｐが気化する程度に昇温するためには、上段羽口前における燃焼ガスの温度を高くしておくことが効果的である。すなわち、羽口前での燃焼ガスの温度を高くしておくことで、上段羽口３より上方における炉内温度が不均一であっても、全体として温度を上昇させることができ、このため比較的低温部においてもＰの気化を促進することができる。
【００２３】
上段羽口３の羽口前での燃焼ガス温度は極めて高温であるため、直接温度を計測することは困難である。しかし、羽口前領域における熱バランスを考慮すれば、合理的な仮定の下に推定することができる。通常は上段羽口前領域へ単位時間あたりに入って来る送風量，富化酸素量，送風中の湿分，上段羽口前領域から出て行く燃焼ガス量，および送風温度，燃焼ガス温度の間で炭素系固体還元剤の燃焼熱を考慮して熱バランスを求めることで、上段羽口前における温度、すなわち理論燃焼温度（以下、　ＴＦＴという）が　（２）式が求められる。
【００２４】
ＴＦＴ＝Ａ／Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　（２）
Ａ＝〔ＢＶ×（　０．３８７ＢＴ＋６０５．３　）＋ＥＯ２　×（　０．４９３ＢＴ＋２７１９）＋ＢＶ×ＢＭ／１８０００　×（１０．７５１ＢＴ−２７２４１　）〕
Ｂ＝〔　０．４１１ＢＶ＋１３．８９３ＢＶ×ＢＭ／１８０００　＋　０．４９２ＥＯ２　〕
ＢＶ　：送風量（ｍ３　／ｍｉｎ　）
ＢＴ　：送風温度（℃）
ＥＯ２　：富化酸素量（ｍ３　／ｍｉｎ　）
ＢＭ　：送風湿分（ｇ／ｍ３　）
なお、ＢＶ，ＥＯ２　，ＢＭの体積は標準状態を示す。
【００２５】
溶融還元炉１を操業するにあたって、これらのＢＶ，ＢＴ，ＥＯ２　，ＢＭを変化させ、上段羽口３前の領域での理論燃焼温度ＴＦＴを算出し、移行率Ｒとの関係を調査した。その結果は図２に示す通りである。なお、ここで使用した溶融還元炉１の仕様は表１に示す通りであり、粉粒状原料１０として使用した製鋼ダストの成分は表２に示す通りである。
【００２６】
図２から明らかなように、上段羽口３の前の領域でのＴＦＴが２７５０℃以上であれば、移行率Ｒが十分に低下することが分かる。したがって上段羽口３の前の領域でのＴＦＴを２７５０℃以上とすることによって、炭素系固体還元剤２から溶融金属１４へのＰの移行を抑制し、低燐溶融金属を製造できる。
上段羽口３の前の領域でのＴＦＴを２７５０℃以上にするためには、上段羽口３から吹込まれる酸素富化空気の酸素含有量を増加することが好ましい。
【００２７】
また、下段羽口４から吹込まれる酸素富化空気の送風量を相対的に減少して、上段羽口３と下段羽口４から吹込まれる酸素富化空気中の総酸素量を従来の操業と同じ設定にすると、従来の方法で製造した低燐溶融金属に比べて、Ｐ含有量を一層低減した低燐溶融金属が得られる。
この場合は、下段羽口４から吹込まれる酸素富化空気中の酸素含有量を相対的に減少して、上段羽口３と下段羽口４から吹込まれる酸素富化空気中の総酸素量を従来の操業と同じ設定にすると、従来の方法で製造した低燐溶融金属に比べて、Ｐ含有量を一層低減した低燐溶融金属が得られる。このような酸素含有量の調整は、図１中の１次酸素１１と２次酸素１２の添加量を調整することによって可能である。ここで１次酸素とは、熱風発生機６に入る前に空気へ富化された酸素であり、２次酸素とは各上段羽口３へそれぞれ別個に供給される富化酸素である。
【００２８】
【実施例】
図１に示す溶融還元炉１を用いて低燐溶融金属（すなわち低燐溶銑）を製造した。粉粒状原料１０として使用した製鋼ダストの成分は表２に示す通りであり、溶融還元炉１の操業条件は表３に示す通りである。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
表３中の発明例１〜６は、いずれも上段羽口３から吹込まれる酸素富化空気の理論燃焼温度ＴＦＴが２７５０℃以上であった例である。一方、比較例１，２は、上段羽口３から吹込まれる酸素富化空気の理論燃焼温度ＴＦＴが２７５０℃未満であった例である。これらの発明例１〜６と比較例１，２について移行率Ｒを比べると、比較例１，２では４７．５〜５４．８％であったのに対して、発明例１〜６では２８．４〜４１．７％であった。つまり本発明によって、移行率Ｒが低く抑えることができた。
【００３１】
なお発明例１〜３は、２次酸素１２を添加せず、１次酸素１１のみ添加した酸素富化空気を上段羽口３と下段羽口４から各々０．５　の配分比率で吹込んだ例である。また発明例４，５は、酸素富化空気を上段羽口３と下段羽口４から各々０．５　の配分比率で吹込みながら、１次酸素１１に加えて２次酸素１２を添加し、上段羽口３から吹込まれる酸素富化空気の酸素含有量を増加した例である。発明例１〜３と発明例４，５について移行率Ｒを比べると、発明例１〜３では３８．４〜４１．７％であったのに対して、発明例４，５では３３．６〜３５．７％であり、移行率Ｒが一層低く抑えることができた。
【００３２】
発明例６は、１次酸素１１に加えて２次酸素１２を添加し、上段羽口３から吹込まれる酸素富化空気の酸素含有量を増加するとともに、上段羽口３から吹込む酸素富化空気の配分比率を０．５５とした例であり、その移行率Ｒは２８．４％であった。これにより、移行率Ｒをより一層低く抑えることができた。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、溶融還元炉で従来と同様の粉粒状原料や炭素系固体原料を使用して移行率Ｒを低く抑えることが可能であり、従来の方法で製造した低燐溶融金属に比べてＰ含有量を一層低減した低燐溶融金属を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する溶融還元炉の例を模式的に示す配置図である。
【図２】移行率Ｒと上段羽口前の領域での理論燃焼温度ＴＦＴとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　溶融還元炉
２　炭素系固体還元剤
３　上段羽口
４　下段羽口
５　送風機
６　熱風発生機
７　粉粒状原料吹込み装置
８　炉頂装入装置
９　排出口
１０　粉粒状原料
１１　１次酸素
１２　２次酸素
１３　フラックス
１４　溶融金属
１５　溶融スラグ
１６　排ガス
１７　ダスト
【図１】
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【図２】
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