(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系固体還元剤が充填され、その充填層へ高温空気を吹き込む上下二段に設けられた羽口を有する溶融還元炉に、上段羽口から粉末状の金属酸化物含有原料を吹き込み、溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法において、
下段羽口の前方に形成されるレースウエイの温度を測定し、その測定値が目標範囲内の２０００〜２３００℃に収まるように、送風温度、送風量、送風中酸素濃度、送風中湿分、金属酸化物含有原料の吹込み量から選択した１種又は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。
【請求項２】
前記レースウエイの温度を非接触式温度計で測定することを特徴とする請求項１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、溶融還元炉の操業方法に係わり、特に、炭素系固体還元剤を充填した竪型炉に、上下少なくとも二段に設けられた羽口から粉粒状の金属酸化物含有原料及び高温空気（通常、酸素富化空気）を吹き込み、該粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元して溶融金属を製造する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元し、酸化物を形成している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開昭５７−１９８２０５号公報、特公昭５９−１８４５２号公報で提案されている。それは、炭素系固体還元剤（例えば、塊状のコークスや石炭等）が充填された縦型炉の下部に高温空気を吹き込む羽口（水冷された金属製円筒体）を上下二段に設け、そのうちの少なくとも上段の羽口から金属酸化物を含有する粉粒状原料を高温空気と共に該竪型炉内に吹き込むようにしたものである。この炉では、羽口から吹き込まれた高温空気により炉内の炭材が燃焼され高熱を発生し、同じく羽口から吹きこまれる粉粒状原料（以下、単に原料という）を、この高熱で加熱溶融し、溶融物が充填層を滴下する間にそれを固体炭素で直接還元し、溶融状態の金属及びスラグとして炉底部に溜まるように操業が行なわれる。
【０００３】
上記操業方法では、金属酸化物が上下羽口間の充填層内で直接還元される際の還元吸熱量が大きく、溶融物（以下、融体という）が滴下不良を起こして、操業トラブルの原因となることが多いので、前記還元吸熱の補償に下段羽口から高温の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、羽口溶損（炉内に生成する融体との接触により羽口を構成する金属が溶け、羽口冷却水が炉内へ浸水すること）や炉内装入物の冷え込み（炉内に生成した融体が温度降下により充填層中を滴下しなくなること）を起こさずに操業を安定して継続するには、融体の温度を適正に維持しなければならない。
【０００４】
そこで、特開平１０−２５１７２１号公報は、下段羽口レベルに生成する融体の温度（記号Ｔ）を予め定めた目標値以上に管理して操業の安定化を図る技術を提案している。この技術は、下段羽口レベルに生成する融体の温度（Ｔ）は、実際に測定することが困難なので、羽口より下方での炉体からの抜熱量を考慮した数学モデルを作成し、適宜、出銑温度及び出銑量を用いて推定するようにしたものである。そして、この推定値は、原料の還元程度及び生成する融体の温度を代表させる指標としては有効なものと考えられていた。なお、上記目標値以上に管理する具体的な操作は、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込み量から選択した１種又は２種以上を調整することであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−２５１７２１号公報記載の技術を利用して操業している時に、原料の吹込み量や送風量等の操業条件を大幅に変更すると、現状における羽口下方での融体温度を推定することが困難になるという問題があった。それは、特開平１０−２５１７２１号公報に示された数学モデルは静的な炉床部の熱バランスを表現したものであるため、上記したような操業条件の変更を行なった結果、炉床部の熱バランスが崩れている場合には、正確な融体温度を求めることができないからである。
【０００６】
下段羽口レベルでの融体温度が低下してしまうと、前記したような羽口破損や炉内装入物の冷え込みが生じる恐れがあるため、通常は操業条件の変更に伴って下段羽口レベルでの融体温度の目標値を高めにすることがある。すなわち、融体温度の推定が困難と思われる時に、送風温度変更等のアクションにより炉への入熱量を増加するのである。このようなアクションを採った時に、時として下段羽口レベルの通液性が悪化する現象が発生することがあった。この羽口下方での通液性が悪化すると、生成した融体が下段羽口の先端から前方に滞留するため、融体と羽口との接触が生じ易く、下段羽口の冷却水量と冷却水温度の変化から計算される羽口からの抜熱量が大幅に増加する。このような状態が続くと、羽口前に滞留した融体によって銅製の羽口自体が溶損するトラブルが発生することになる。下段羽口の抜熱量と羽口溶損頻度の関係を図８に示すが、抜熱量が３００ＭＪ／ｈ以上になると、羽口の溶損する機会が大幅に増加することがわかる。羽口溶損が発生すると炉内への浸水等の問題があり、羽口を交換するための休風を余儀なくされて、操業に大きな支障をきたす。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる事情に鑑み、従来は推定値であった下段羽口レベルの融体温度の利用を改め、操業を従来より安定化する管理指標を用いて、炉底での冷え込みや羽口溶損が生じる恐れのない操業が可能な溶融還元炉の操業方法を提供すること目的としている。
【０００８】
【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、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二段に設けられた羽口を有する溶融還元炉を用いて、粉粒状の金属酸化物含有原料を羽口から吹き込み溶融金属を製造する試験操業を多々行ない、その成果を本発明に具現化した。
【０００９】
すなわち、本発明は、炭素系固体還元剤が充填され、その充填層へ高温空気を吹き込む上下二段に設けられた羽口を有する溶融還元炉に、上段羽口から粉末状の金属酸化物含有原料を吹き込み、溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法において、下段羽口の前方に形成されるレースウエイの温度を測定し、その測定値が目標範囲内の２０００〜２３００℃に収まるように、送風温度、送風量、送風中酸素濃度、送風中湿分、金属酸化物含有原料の吹込み量から選択した１種又は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。
【００１０】
この場合、前記レースウエイの温度を、非接触温度計で測定するのが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、下段羽口の前方に形成されるレースウエイの温度を測定し、その測定値が目標範囲内の２０００〜２３００℃に収まるように操業するので、従来より羽口下方での通液性が良好に保たれるばかりでなく、羽口の溶損を防止できるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、発明をなすに至った経緯を交え、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
まず、発明者は、二段羽口を有する炭材充填層型溶融還元炉でのＳｉ移行反応について考察を重ね、以下に示す知見を得た。
【００１４】
溶融還元炉内に吹き込まれた原料が溶融、還元される際の炉内雰囲気温度が高いと、（１）式に示す反応が生じ、生成したスラグからＳｉＯが揮発する。その結果、スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）が上昇し，高融点のスラグになってしまう。
【００１５】
ＳｉＯ2＋Ｃ→ＳｉＯ＋ＣＯ                                    （１）
（１）式の反応速度は、炉内温度が高いほど大きくなるので、スラグ中のＳｉＯ2が減少し、より塩基度の高いスラグが生成する。そして、このスラグが充填層の空隙内に滞留すると、充填層を融体が滴下する所謂「通液性」を著しく阻害してしまう。
【００１６】
前記特開平１０−２５１７２１号公報記載の技術では、この炉内温度を数学モデルで求め、管理指標としたものである。しかしながら、前記したような問題が明らかになった。
【００１７】
そこで、発明者は、こうした問題点について検討し、出銑温度や出銑量を用いて、出銑された溶銑が下段羽口レベルにおいて生成した時の融体温度を計算するのではなく、現実の下段羽口前における融体温度を推定し、それを基に操業アクションを採ることで下段羽口前でのスラグ組成の変動を抑える必要があると考えた。そして、下段羽口レベルで生成した融体の温度は直接計測することは不可能であるが、これと関連して変動すると考えられる何かの温度を直接計測して、それを指標として操業アクションを採ることを考え、鋭意検討した。
【００１８】
融体は、下段羽口前で燃焼するコークス等の燃焼熱を受け、最終的に還元され、
昇温されるので、下段羽口レベルでの融体の温度がどの程度であるかを端的に示す指標としては、下段羽口前においてコークスが燃焼している部位での温度が適してしていると考えられる。そこで、下段羽口前に形成されるレースウェイの温度を直接測定して、それを下段羽口レベルに生成する融体の温度と想定することで、操業アクションを採ることにした。ここで、レースウェイとは、羽口から炉内へ吹き込まれた送風により、羽口前の炭素系固体還元剤の充填層中に形成される空間であり、この空間の外縁は炭素系固体還元剤で形成されると共に、その空間内には、炭素系固体還元剤が旋回しながら燃焼している。このレースウェイの温度は、送風温度と炭素系固体還元剤との燃焼熱、該レースウェイ内へ炉内から供給される炭素系固体還元剤の温度、及び流下してくる融体の温度等の影響を受けて変動するものであり、この事実が該レースウェイのレベルから下方へ流下する融体の温度と強い関係がある。
【００１９】
具体的なレースウェイ温度の測定には、種々の方法が考えられるが、その温度は通常２０００℃前後の高温であるため、羽口部に設置される覗きメガネから羽口前のレースウェイを直接覗き、ここに放射温度計や二色温度計等の非接触式温度計で温度を計測する方法が計測設備の安定性、メンテ性等において好ましい。その他の測定法としては、羽口前面に熱電対等を設置する方法や羽口横からレースウェイ内へゾンデを差し込んで、熱電対により計測する方法等が考えられる。これらの方法では、羽口やゾンデの冷却により計測される温度に影響を与える可能性があるが、冷却によるバイアスを考慮して目標値を設定することで、発明の目的を達成することができる。
【００２０】
なお、本発明を具体的に実施するには、レースウェイ温度の管理目標値が必要であるが、その値は溶融還元炉での操業内容（如何なる金属酸化物を対象にするか）によって異なるので、予め試験操業を行なって決めたり、あるいは過去の操業で得たデータの解析で定めれば良い。また、測定した温度を管理目標値に収まるようにするには、操業条件を操作する必要がある。その操業条件は、前記特開平１０−２５１７２１号公報記載の技術と同様に、送風温度、送風量、送風中酸素濃度、送風中湿分、金属酸化物含有原料の吹込み量から選択した１種又は２種以上を調整すれば良い。
【００２１】
【実施例】
レースウェイ温度に変化を与える操業因子として、下記表１に示す項目が考えられ、それぞれに効果が予想される。
【００２２】
【表１】
0004161526.tif 000002
【００２３】
すなわち、送風量、富化酸素量を増加すると、レースウェイ内での炭材の燃焼熱量が増加し、レースウェイ温度が上昇する。送風温度の上昇は、レースウェイ内へ供給される送風の顕熱を上昇することになるため、これもレースウェイ温度の上昇に繋がる。また、送風湿分を増加することは、レースウェイ内で水分が炭素と反応して水素と一酸化炭素を生成する吸熱反応量が増加するため、レースウェイ温度が低下する。さらに、原料吹込み量を増加すると、原料の溶融、還元熱量をより多く必要とするために、下段羽口レベルに降下してくる融体の顕熱が低下することが考えられ、これが下段羽口のレースウェイ温度の低下に繋がると考えられる。
【００２４】
そこで、これら操業因子の変更効果を確認するため、金属生産量が２００ｔ／日規模の溶融還元炉を用いた試験操業を行った。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。操業条件は、送風量２３０Ｎｍ3／ｍｉｎ、酸素富化量５０Ｎｍ3／ｍｉｎ、送風温度８５０℃、原料吹き込み速度１３ｔ／ｈｒをベースとした。
【００２５】
図１は、この試験操業中の羽口抜熱量の推移を、図２は、下段羽口レベルより下方に存在する融体の温度推移を示す。これは、特開平１０−２５１７２１号公報に記載される出銑温度と出銑量から推定される推定値である。図３は、試験操業中の下段羽口前方に形成されたレースウェイの温度推移を示す。ここでは、１本の下段羽口の覗きメガネに放射温度計を設置しレースウェイの温度を測定した。また、図４は、試験操業中の原料吹込み速度の推移を、図５は、送風量の推移を示す。さらに、図６は操業実験中の送風温度の推移を、図７は富化酸素量の推移を示す。
【００２６】
試験操業期間では、まず最初に、送風条件一定のまま原料吹き込み量を１１ｔ／ｈｒに減少させた状況で操業を行った（図４参照）。その結果、レースウェイ温度（図３参照）、羽口抜熱量（図１参照）がともに増加した。そこで、変更１の期間として、酸素富化量を４５Ｎｍ3／ｍｉｎまで低下させ（図６参照）、抜熱量も２７０ＭＪ程度まで低下させた（図１参照）。
【００２７】
次に、操業条件をベース条件に戻してから２４時間経過後、再び原料吹き込み速度を１１ｔ／ｈｒまで低下させた（図４参照）この変更２の期間では、送風量を２００Ｎｍ3／ｍｉｎまで低下させた（図５参照）結果、レースウェイ温度は、約３０℃低下し（図３参照）、抜熱量も２８０ＭＪ／ｈｒまで低下した（図１参照）。
【００２８】
この後、再びベース条件での操業を行った後、再度、原料吹き込み速度を１１ｔ／ｈｒまで低下させ、変更３の実験を行った。以下、参照図番を省略するが、原料吹き込み速度を低下させた直後に羽口前温度、抜熱量ともに急増し、また送風温度の低下に伴い、両者とも低下していき、８００℃の時点で、レースウェイ温度は２２７０℃、抜熱量は２８０ＭＪ／ｈｒとなった。
【００２９】
なお、本操業期間中、羽口下の融体温度は、常に目標の１５５０℃以上に保たれていたが、羽口の抜熱量は大きく変動し、特に危険と考えられる抜熱量３００ＭＪ／ｈｒ以上に増加する場合も見られ、羽口下の融体温度の管理のみでは不十分であることが確認された。
【００３０】
以上述べたように、試験操業において、レースウェイ温度を測定しながら表１に示したアクションをとることにより、羽口抜熱量を適正値に管理することが可能であることが確認された。また、その範囲としては、今回の試験操業ではレースウェイ温度２３００℃を超えると、抜熱量が３００ＭＪ／ｈｒ以上に増加することからこれが上限値と考えられる。また、これ以後の操業においてレースウェイ温度が２０００℃以下になると、下段羽口レベルの下方に存在する融体の温度が１５５０℃以下になることがわかり、以後、本設備においては２０００〜２３００℃をレースウェイ温度の適正値と考えて操業を行っている。しかしながら、この値は設備によって異なると考えられるので、各々の設備において適正な範囲を明確化することが必要である。
【００３１】
なお、上記実施例は、溶融金属として鉄を主体とするものであったが、本発明はそれに限らないことは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明により、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、羽口の溶損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】試験操業での下段羽口からの抜熱量の推移を示す図である。
【図２】試験操業での下段羽口レベル下に存在する融体の温度推移を示す図である。
【図３】試験操業での下段羽口先に存在するレースウエイの温度推移を示す図である。
【図４】試験操業での原料吹込み速度の推移を示す図である。
【図５】試験操業での送風量の推移を示す図である。
【図６】試験操業での送風温度の推移を示す図である。
【図７】試験操業での富化酸素量の推移を示す図である。
【図８】羽口冷却水の量と温度から算出した羽口抜熱量と羽口溶損の頻度との関係を示す図である。
【図１】
0004161526.tif 000003
【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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