(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系固体還元剤の充填層に高温空気を吹き込む上下少なくとも２段に設けられた羽口を有する竪型炉を用い、粉粒状の金属酸化物含有原料を少なくとも上段羽口から吹き込み、溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法において、
下記式で求められる下段羽口レベルでの融体温度Ｔが管理目標値以上になるように、送風温度、送風量、送風中酸素濃度、金属酸化物含有原料の吹き込み量から選択したいずれか１種あるいは２種以上を調整することを特徴とする溶融還元炉の操業方法。
Ｔ＝ＨＭＴ＋Ｑloss／（Ｗm ・Ｃp ）
Ｔ：下段羽口レベルでの融体温度（℃）
ＨＭＴ：出銑時の溶融金属の温度（℃）
Ｑloss：下段羽口より下部での炉体損失熱（ｋｃａｌ／ｈ）
Ｗm ：融体生成速度（ｋｇ／ｈ）
Ｃp ：融体の平均比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ℃）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酸化物を含有する粉粒状原料を溶融還元して溶融金属を製造する竪型溶融還元炉の操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在地下資源として採掘される鉄鉱石、クロム鉱石等金属酸化物は、塊状よりも粉状のものが大半であり、将来は、さらに粉状鉱石が増大すると予想される。従って、このような鉱石から金属を製造するには、粉状のままで直接使用することが省エネルギー、製造コスト等の面で有利である。また、製鉄所等で発生するダストやスラジの多くは有価金属を含有しているが、該有価金属の回収方法がなくて廃棄されたり、回収されていても処理コストが高いとか、回収歩留りが低い等の問題を有している。これらダストやスラジの固形分は、大部分が粉粒状であり、有価金属の回収に際しそのままの形態で直接処理できれば、省エネルギー、製造コスト、環境保護上有利となる。
【０００３】
このような粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元し、金属を回収する手段として、竪型炉タイプの溶融還元炉が特公昭５９−１８４５２号公報に開示されている。それは、炉下部に設置された高温空気を吹き込む上下２段の羽口のうち、少なくとも上下の羽口から粉状原料を高温空気とともに竪型炉内に吹き込み、炉内に充填した炭材を燃焼させて溶融還元するものである。つまり、上段及び下段羽口を有する竪型炉では、上下羽口間に充填層を形成している炭材が燃焼して高温が発生する。したがって、上下羽口から吹き込まれる粉状原料は、加熱されて溶融し、充填層を滴下する間に固体炭材で直接還元され、溶融状態の金属及びスラグとなって、炉底部に溜る。
【０００４】
上記方法では、上下羽口間で還元する際の還元吸熱量が大きく、融体が滴下不良を起こして操業トラブルの原因となるので、前記還元吸熱の補償に下段羽口から高温空気や酸素富化空気を吹き込んでいる。また、炉内で生成した融体を炉床に一旦溜めてから炉外へ排出するが、羽口破損や冷え込みを起こさずに操業を安定して継続するには、高炉の場合と同様、適正な融体温度やスラグ組成を確保しなければならない。この安定操業の方法としては、特開昭６４−２１３号公報、や特公平３−５９９６６号公報に開示されたものがある。特開昭６４−２１３号公報記載の方法は、装置条件に応じて上下羽口間の熱的条件を決めるものであり、一方特公平３−５９９６６号公報記載の方法は、羽口冷却水の温度差により送風条件を制御するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、炭材を充填した竪型溶融還元炉における操業トラブルのうちで最大のものは、炉床の冷え込みである。これを防止するためには、炉床での融体温度を十分確保し、さらに、スラグ組成を適正範囲に調整して、スラグ流動性を確保しなければならない。
【０００６】
しかしながら、上記した２通りの安定操業方法は、上下羽口間での熱的条件を与えているが、炉床での熱損失による融体温度の低下を考慮しておらず、炉床での融体温度の確保にとって、必ずしも、十分な条件であるとは言えない。
本発明は、かかる事情に鑑み、炭材の充填した上下羽口間で金属酸化物の還元反応を完了させ、炉床での冷え込みがなく安定した操業が可能な竪型溶融還元炉の操業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】
発明者は、上記目的を達成するため、従来の操業を見直し、炉下部での着熱状態が、溶銑温度だけで判断されていたことを確認した。そして、溶銑温度以外の管理項目の発見に鋭意努力し、炉下部の温度を数学モデルで推定することを着想し、本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、本発明は、炭素系固体還元剤の充填層に高温空気を吹き込む上下少なくとも２段に設けられた羽口を有する竪型炉を用い、粉粒状の金属酸化物含有原料を少なくとも上段羽口から吹き込み、溶融金属を製造する方法において、下記式で求められる下段羽口レベルでの融体温度Ｔが管理目標値以上になるように、送風温度、送風量、送風中酸素濃度、金属酸化物含有原料の吹き込み量から選択したいずれか１種あるいは２種以上を調整することを特徴とする溶融還元炉の操業方法である。
【０００９】
Ｔ＝ＨＭＴ＋Ｑloss／（Ｗm ・Ｃp ）
Ｔ：下段羽口レベルでの融体温度（℃）
ＨＭＴ：出銑時の溶融金属の温度（℃）
Ｑloss：下段羽口より下部での炉体損失熱（ｋｃａｌ／ｈ）
Ｗm ：融体生成速度（ｋｇ／ｈ）
Ｃp ：融体の平均比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ℃）
本発明では、竪型溶融還元炉の下部、つまり下段羽口以下の熱状態を、従来の溶銑温度に代え、下段羽口レベルでの融体温度（℃）の推定モデルを新規に開発し、その値を常時監視し、管理目標値を保持するようにしたので、炉床での冷え込みがなく安定した操業ができるようになる。
【００１０】
以下に、本発明をなすに至った理論と実施形態を説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上段及び下段羽口を有し、その間に炭材を充填した竪型溶融還元炉において、粉状の金属酸化物を含有する原料を少なくとも上段の羽口から吹き込むと、炭材が８００から１０００℃に加熱された空気により燃焼して高温ガスが発生する。そして、上段羽口から吹き込まれた前記原料は、加熱されて溶融し、充填層を滴下する間に固体炭材により直接還元され、溶融状態の金属及びスラグが生成する。この固体炭材による酸化物の直接還元反応は、大きな吸熱を伴う反応であるが、吸熱分は下段羽口からの送風により補償される。上下羽口間に投入される熱量が不足すると、該酸化物の還元反応が遅くなり、酸化物は、還元反応が完了しないうちに下段羽口より下方に滴下してしまう。その結果、残りの還元反応が熱補償の無い下段羽口より下方で生じることになる。還元反応は、大きな吸熱を伴うので、下段羽口より下方で還元反応が生じると、炉床で融体やコークスから熱が奪われ、これが冷え込みの原因となる。その対策としては、上下羽口間に投入される熱量を大きくし、この領域の温度を上げ、還元反応を十分進行させてしまうことである。しかしながら、下段羽口より下方の熱状態を判断する指標が溶銑温度しかなく、該溶銑温度だけで監視することに操業管理上の不安があった。
【００１２】
そこで、発明者は、前記したように鋭意研究し、以下に示す炉下部の新しい管理項目を開発したのである。
すなわち、下段羽口レベルの融体温度を、下段羽口から下部での炉体損失熱（Ｑloss）、出銑時の金属温度（ＨＭＴ）、生成速度（Ｗm ）、融体の平均比熱（Ｃp ）を用いて次式で表わした。
【００１３】
下段羽口レベルでの融体温度Ｔ＝ＨＭＴ＋Ｑloss（Ｗm ・Ｃp ）  …（１）
そして、この（１）式により求められる温度Ｔを高めれば、前記した理論から上下羽口間で還元反応を完了させることができると考えた。
ここで、（１）式のＨＭＴは、出湯時の金属温度であり、通常出湯した金属を輸送容器へ導入する樋内を流通する間に熱電対、光高温計等で測定できる。Ｑlossは、下段羽口レベルより下方での炉体熱損失であり、通常行われるような炉体レンガに設置した温度計による温度データなどを利用して計算で求めることができる。すなわち、炉底側壁の散水温度と炉底レンガ温度とを用いて、各測定位置の間の熱流速を伝熱計算で求める方法や、炉底レンガに半径方向２段以上の熱電対を設置して、その間の熱流速を伝熱計算で求める方法などが利用できる。Ｗm は、融体生成速度であり、炉内へ吹き込む金属酸化物含有原料の時間当りの吹き込み量と炉内での炭素系固体還元剤の時間当りの燃焼量とを用いて計算で求めることができる。Ｃp は、融体の平均比熱であり、本発明の対象となる溶融還元炉から生産される金属のような炭素含有量の多い溶融金属では、通常０．１５〜０．２５程度の値となる。また、スラグの平均比熱は、０．２５〜０．３０程度の値である。従って、操業条件に応じて生産される溶融金属とスラグの比熱を調べ、これを荷重平均することで、Ｃp は計算できる。すなわち、生産される溶融金属、スラグの比熱がそれぞれ０．２０ｋｃａｌ／ｋｇ℃、００．２７ｋｃａｌ／ｋｇ℃であり、スラグ比が３５０ｋｇ／ｔであるとき、平均比熱は、
Ｃp ＝（０．２０＋０．２７＊３５０／１０００）／（１＋３５０／１０００）＝０．２１８ｋｃａｌ／ｋｇ℃
と求められる。
【００１４】
本発明は、かかる下段羽口レベルでの融体温度Ｔを管理項目に利用し、その値をある値以上になるよう、操業条件から選択した熱的因子の値を調整するようにしたものである。以下、実施例において、本発明の内容をさらに詳細に説明する。
【００１５】
【実施例】
金属生産量が１４０トン／日規模の竪型溶融還元炉の操業に本発明を適用した。使用した酸化物原料は、製鋼工場の転炉から発生する製鋼ダストであり、酸化鉄、酸化クロム等の金属酸化物を含む。その際の操業条件は、表１に示すように、送風量１５０〜２５０Ｎｍ3 ／ｍｉｎ、酸素富化量２０〜４０Ｎｍ3 ／ｍｉｎ、送風温度８００〜８５０℃、スラグ比３００〜４５０ｋｇ／ｔ、メタル生成速度７５〜１７０ｔ／ｄである。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
操業にあたり、本発明に係る（１）式を用いて、下段羽口レベルの融体温度に相当するＴを求めた。その際、下段羽口より下部での炉体損失熱は、下部レンガの温度測定より１００〜１６０Ｍｃａｌ／ｈｒと見積もった。そして、操業を続けた結果、ＴとＭｎ分配比（ＭｎＯ）／［Ｍｎ］との関係、Ｔとスラグ中全Ｃｒ濃度（Ｔ．Ｃｒ）との関係が得られた。それらを図１、図２に示す。図１及び図２により、（ＭｎＯ）／［Ｍｎ］、（Ｔ．Ｃｒ）ともに酸化物の還元状況を表わすものであるが、いずれもＴと強い相関があり、Ｔが還元の進行状況をも表わすよい指標であることが判った。また、Ｔが１５００℃より低下すると（ＭｎＯ）／［Ｍｎ］、（Ｔ．Ｃｒ）が急激に大きくなり、下段羽口までで還元が完了していないことが判る。従って、下段羽口レベルで融体温度に相当するＴは、１５００℃以上に管理する必要があると考えた。
【００１８】
次に、酸化物原料としてＣｒ鉱石を使用した場合の操業結果を、図３、図４に示す。この場合、Ｔが１５５０℃より低くなると、（ＭｎＯ）／［Ｍｎ］、（Ｔ．Ｃｒ）が急激に高くなり、還元が完了していないことが判る。したがって、下段羽口レベルの融体温度に相当するＴを、１５５０℃以上に管理しなければならない。Ｃｒ鉱石は、製鋼ダストに比べて難還元性物質であるため、還元の完了に高い温度が必要だから高めの温度になったのである。このように原料の還元性によって、確保すべき下段羽口の融体温度Ｔは変わってくる。原料の還元性の他にも、Ｔの確保すべき値は上下羽口間隔、コークス粒径等の還元反応速度、還元反応時間に関係する要因によって変わる。以上の例では、下段羽口レベルでの融体Ｔの管理目標値は、原料として製鋼ダストを利用する場合が１５００℃、Ｃｒ鉱石を利用する場合が１５５０℃である。それぞれこの温度以上にＴを保持するべく操業する必要がある。
【００１９】
そこで、上記２つの操業とも、この管理目標値を得た以後は、Ｔが１５００℃あるいは１５５０℃以上になるようにして継続した。その際、この下段羽口レベルでの融体温度Ｔを、具体的に上記数値以上にするため、溶融還元炉への入熱量、出熱量を調整する方法を採用した。すなわち、送風温度の上昇、送風量の増加、送風中酸素濃度の上昇、吹き込み金属酸化物の吹き込み速度の低減といった操業因子のうちから一種あるいは２種以上を選択し、それらの値を変更したのである。その結果、２つの場合とも、炉床での冷え込みの恐れを示すこと無く、円滑に安定操業が長期にわたって実施できた。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、竪型溶融還元炉で金属酸化物原料から金属を生産する操業が、炉床での冷え込みを恐れることなく円滑に実施できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】原料を製鋼ダストとした時の本発明に係る下段羽口レベルでの炉内温度Ｔとマンガン分配比（％ＭｎＯ）／［％Ｍｎ］との関係を示す図である。
【図２】原料を製鋼ダストとした時の本発明に係る下段羽口レベルでの炉内温度Ｔとスラグ中の（％Ｔ．Ｃｒ）との関係を示す図である。
【図３】原料をＣｒ鉱石とした時の本発明に係る下段羽口レベルでの炉内温度Ｔとマンガン分配比（％ＭｎＯ）／［％Ｍｎ］との関係を示す図である。
【図４】原料をＣｒ鉱石とした時の本発明に係る下段羽口レベルでの炉内温度Ｔとスラグ中の（％Ｔ．Ｃｒ）との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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