(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個または複数個のガス噴射ノズルを有するガス吹きランスにおいて、前記ガス噴射ノズルの入口部にオリフィスを配設し、前記オリフィスの下流に位置する前記ガス噴射ノズルの壁面に作動ガス供給ノズルを配設し、前記オリフィスの中心が、前記ガス噴射ノズルの中心軸に対して偏心して設けられ、作動ガス供給ノズルが、前記オリフィスとは反対側の前記ガス噴射ノズル壁面に設けられていることを特徴とするガス吹きランス。
【請求項２】
前記作動ガス供給ノズルの中心軸のガス噴出方向が、前記オリフィスの中心軸のガス噴出方向に対して20〜90°傾けて設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス吹きランス。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガス吹きランスを用いて、前記ガス吹きランスから溶鉄上面へ酸化性ガスを噴射し、前記ガス吹きランスの高さに応じて前記作動ガスの流量を制御して前記ガス噴射ノズルから噴射される前記酸化性ガスの噴射角度を適正範囲に維持することを特徴とする上底吹き転炉の操業方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載のガス吹きランスを用いて、前記ガス吹きランスから溶鉄上面へ酸化性ガスを噴射し、前記作動ガスの流量を周期的に変化させて前記ガス噴射ノズルから噴射される前記酸化性ガスの噴射角度を周期的に変更することを特徴とする上底吹き転炉の操業方法。
【請求項５】
上底吹き転炉内の溶鉄に鉱石原料と炭材とを添加し、前記酸化性ガスを用いて前記鉱石原料の溶融還元を行なうことを特徴とする請求項３または４に記載の上底吹き転炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上底吹き転炉等の精錬装置に用いられるガス吹きランスおよびそのガス吹きランスを用いた転炉の操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上底吹き転炉を用いてクロム鉱石あるいは鉄鉱石等の鉱石原料の溶融還元を行ない鉱石中の有価金属を回収するにあたって、転炉内の溶銑にクロム鉱石あるいは鉄鉱石等の鉱石原料とコークスあるいは石炭等の炭材とを装入して溶融還元を行なう。このような溶融還元を行なう場合は、生産性向上の観点から鉱石原料を高速で、しかも大量に投入するため、大量の熱エネルギーの供給が必要となる。この熱エネルギー源としてコークスや石炭等の炭材を使用し、炭材の酸化反応熱（すなわち燃焼熱）によって熱エネルギーを得る方法が知られている。
【０００３】
コークスや石炭等の炭材の燃焼は下記の (1)式で表わされる。以下、 (1)式で表わされる燃焼を１次燃焼という。上底吹き転炉を用いた溶融還元においては大量の熱エネルギーが必要となるので、１次燃焼で得られる熱エネルギーのみで溶融還元を行なうと大量の炭材が必要となり、経済的に不利である。
Ｃ＋１／２Ｏ2 →ＣＯ          ・・・ (1)
そこで、１次燃焼で生じるＣＯガスをさらに燃焼させてＣＯ2 を発生させる技術の開発が重要である。この燃焼は下記の (2)式で表わされる。以下、 (2)式で表わされる燃焼を２次燃焼という。１次燃焼のみならず２次燃焼によって得られる熱エネルギーを利用すると、１次燃焼のみの場合と比べて、同じ炭材原単位であっても数倍の熱エネルギーを得ることが可能である。
【０００４】
ＣＯ＋１／２Ｏ2 →ＣＯ2       ・・・ (2)
最近では生産性の向上を目的とした２次燃焼の促進技術の開発が進み、高い２次燃焼効率が達成されている。さらに２次燃焼の副次的効果として、ダスト発生が減少することが知られている。
従来から２次燃焼の効率を示す指標として２次燃焼率が用いられている。２次燃焼率は下記の (3)式で表わされる。
【０００５】
２次燃焼率＝ＣＯ2 ／（ＣＯ＋ＣＯ2 ）      ・・・ (3)
２次燃焼率を向上させるには、以下のような技術が知られている。
(1) ガス吹きランスの高さ（以下、ランス高さという）の上昇
(2) ガス吹きランスあるいは炉壁羽口からの２次燃焼用酸素ガスの供給
例えば、特開平1-219116号公報にはランス高さを３ｍ以上にするとともに、副孔のノズル傾角、および主孔と副孔との酸素ガスの流量分配比を適正化する方法が開示されている。また特開昭64-39311号公報には炉壁に設けた横吹き羽口から炉内に酸素ガスを吹き込む方法が開示されている。
【０００６】
しかしながら本発明者らの知見によれば、単にランス高さを上昇させて溶融還元を行なった場合は、溶鉄と２次燃焼帯の距離が増加するため、２次燃焼熱の溶鉄への着熱が不十分（すなわち着熱効率の低下）となる。その結果、排ガス温度が上昇するため転炉上部の耐火物の溶損が無視できなくなる。
また炉壁に設けた横吹き羽口から酸素ガスを吹き込む方法も、横吹き羽口近傍の耐火物の溶損が増大するという問題がある。
【０００７】
【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するべく、２次燃焼率の向上と着熱効率の向上とを達成するガス吹きランスおよびそれを用いた上底吹き転炉の操業方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上底吹き転炉の操業においてランス高さの調整や２次燃焼用酸素の導入を行なうことなく２次燃焼率を向上させる技術について、５トン規模の上底吹き転炉を用いて検討を進めた。すなわちランス高さを一定にして、ガス吹きランスの中心軸線に対するガス噴射ノズルの傾角（以下、ノズル傾角という）を15〜40°に変更して操業を行なった。ここで使用したガス吹きランスは従来から一般的に使用されているガス吹きランスであり、その断面図を図６に示す。なお酸化性ガスとして酸素ガスを使用した。
【０００９】
その結果、ノズル傾角の増加に比例して２次燃焼率が増加し、ダスト発生量が減少することが分かった。このことは、ノズル傾角の変更によって、隣合うガス噴射ノズルからの酸素ジェットが相互に干渉して、ＣＯガスを多量に含む雰囲気ガスとの接触面積が変化することに起因する。すなわち、ノズル傾角が大きい場合は雰囲気ガスとの接触面積が増大して２次燃焼率が向上するが、ノズル傾角が小さい場合はその逆となる。
【００１０】
一方、転炉操業において過度にノズル傾角を増加させると、酸素ジェットが炉壁耐火物を直撃する危険があるため、ランス高さの調整範囲内で酸素ジェットが炉壁耐火物に接触しない最大のノズル傾角を選択せざるを得ない。一般にノズル傾角の値は、転炉の形状や操業方法の違いによって異なるが、10〜15°程度の値が選択される。したがって、ランス高さの調整範囲の下限近傍で操業する場合は、上述の２次燃焼率の増加やダスト発生量の減少等の効果を得られない。
【００１１】
そこでノズル傾角の変更が可能なガス吹きランスの開発が望まれる。これを実現する１つの方法として、ノズル傾角の異なるガス吹きランスを数種類用意して、操業に応じて使い分ける方法が考えられる。しかし、この方法は、ガス吹きランスを交換する際には操業を停止せざるを得ないので生産性が低下するばかりでなく、ガス吹きランスの管理が煩雑になり、またガス吹きランスの製作費用が増加するという問題がある。
【００１２】
また炉壁耐火物が局部的に損耗するという問題に対しては、各ガス噴射ノズル毎にノズル傾角を変更する方法が考えられる。すなわち炉壁耐火物の損耗が進行している部位に配置されたガス噴射ノズルのノズル傾角を小さくする方法である。これについてもノズル傾角の異なるガス吹きランスを数種類用意して操業に応じて使い分ける方法が採用されてよいが、上述と同様に生産性の低下、ガス吹きランスの製作費用の増加等の問題が生じる。
【００１３】
２次燃焼率や着熱効率を向上させるためには、操業条件に応じてノズル傾角を変更しなければならない。さらに生産性の向上やガス吹きランスの製作費用の低減を達成するために、ガス吹きランスを交換せずにノズル傾角の変更と同等以上の効果を発揮する技術を開発する必要がある。
本発明は、１個または複数個のガス噴射ノズルを有するガス吹きランスにおいて、ガス噴射ノズルの入口部にオリフィスを配設し、オリフィスの下流に位置するガス噴射ノズルの壁面に作動ガス供給ノズルを配設し、オリフィスの中心がガス噴射ノズルの中心軸に対して偏心して設けられ、作動ガス供給ノズルがオリフィスとは反対側の前記ガス噴射ノズル壁面に設けられているガス吹きランスである。
【００１４】
前記した発明においては、前記した作動ガス供給ノズルの中心軸のガス噴出方向がオリフィスの中心軸のガス噴出方向に対して20〜90°傾けて設けらることが望ましい。
【００１５】
さらに本発明は、上述のガス吹きランスを用いて、ガス吹きランスから溶鉄上面へ酸化性ガスを噴射し、ガス吹きランスの高さに応じて作動ガスの流量を制御してガス噴射ノズルから噴射される酸化性ガスの噴射角度を適正範囲に維持する上底吹き転炉の操業方法である。
さらに本発明は、上述のガス吹きランスを用いて、ガス吹きランスから溶鉄上面へ酸化性ガスを噴射し、作動ガスの流量を周期的に変化させてガス噴射ノズルから噴射される酸化性ガスの噴射角度を周期的に変更する上底吹き転炉の操業方法である。
【００１６】
前記した発明においては、上底吹き転炉内の溶鉄に鉱石原料と炭材とを添加し、酸化性ガスを用いて鉱石原料の溶融還元を行なうことが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のガス吹きランスの例を示す断面図であり、(a) は縦断面図、(b) はＡ−Ａ部の部分断面図である。
ガス吹きランス１には１個または複数個のガス噴射ノズル３が配設され、各ガス噴射ノズル３の入口にはオリフィス２が設けられる。オリフィス２の中心は、好ましくは図１に示すようにガス噴射ノズル３の中心に対して偏心する位置に配設される。このように偏心配置することにより、ガスの噴射角度を調整できる範囲が広くなる。
【００１８】
ガス噴射ノズル３の壁面に作動ガス供給ノズル４が配設され、作動ガス供給ノズル４からガス噴射ノズル３内へ作動ガスが吹き込まれる。ここに、作動ガス供給ノズル４は図１に示すように、偏心して設けられたオリフィス２に対して反対側の壁面に設けるのが良い。このように配置することによって、より少量の作動ガスでガスの噴射角度を調整することが可能となる。
【００１９】
作動ガスは、オリフィス２からガス噴射ノズル３内へ供給されるガスの流れ方向に対して20〜90°の角度で供給される。作動ガスを20〜90°で供給することによって、ガスの噴射角度の制御性が向上し、容易に所望の角度に調整することが可能になる。
図１に示したガス吹きランス１を用いて、オリフィス２を介して噴射するガスジェットの噴射角度と作動ガスの流量との関係を調査した。その結果を図２に示す。図中のＱm はガスの流量（Ｎｍ3 ／分）、Ｑs は作動ガスの流量（Ｎｍ3 ／分）、Ｄはガス噴射ノズル３の開口部の直径（mm）、ｄはオリフィス２の開口部の直径（mm）である。図２においては、ランス高さ 620mm、Ｑm ＝５Ｎｍ3 ／分、Ｄ＝24.0mm、ｄ＝13.0mmとし、Ｑs を変化させて、ガス噴射ノズル３の中心から所定の距離の位置におけるガスジェットの流速（ｍ／秒）を測定した。
【００２０】
図２から明らかなように、作動ガスの流量Ｑs を変化させると、ガス噴射ノズル３から噴射されるガスジェットが到達する距離（すなわちガス噴射ノズル３の中心からの距離）が変化することが分かる。つまり作動ガスの流量を変化させることによって、ガス噴射ノズル３のノズル傾角を変更せずにガスジェットの噴射角度を調整することができる。
【００２１】
図３はオリフィス２を介して噴射するガスの流量に対する作動ガスの流量の比Ｑs ／Ｑm （％）とガス噴射ノズル３からのガスジェットの噴射角度（度）の関係を示すグラフである。ガス噴射ノズル３のノズル傾角を変更せずに、作動ガスの流量Ｑs を変化させてガスジェットの噴射角度を調整できることが分かる。
すなわち噴射されるガスを酸化性ガスとして、作動ガスの流量Ｑs を変化させて酸化性ガスジェットの噴射角度を適正範囲に維持しながら操業すると、２次燃焼率や着熱効率を向上できる。作動ガスが供給される角度は、オリフィス２からガス噴射ノズル３内へ供給される酸化性ガスの流れ方向に対して、20〜90°の範囲であれば同等の効果が得られる。
【００２２】
また本発明によれば、ガス噴射ノズル３毎に作動ガスの流量を調整するようにすれば、炉壁耐火物が局部的に損耗するのを防止できる。つまり耐火物が局部的に損耗している部位に配置されたガス噴射ノズル３からの酸化性ガスの噴射角度を減少させ、損耗した耐火物への２次燃焼による熱負荷を軽減することが可能である。
【００２３】
さらに図４はオリフィス２を介して噴射するガスの流量に対する作動ガスの流量の比Ｑs ／Ｑm （％）を０〜４％の範囲で、かつ１秒周期で変化させた場合の中心部のガスジェットの流速（ｍ／秒）の変動を示すグラフである。図４においては、偏心オリフィスを使用し、ランス高さ 620mm、Ｑm ＝５Ｎｍ3 ／分、Ｄ＝24.0mm、ｄ＝13.0mmとし、Ｑs ／Ｑm を一定にして連続的にガスジェットを噴射した場合と、Ｑs ／Ｑm を０〜４％の範囲で周期的に変化させて断続的にガスジェットを噴射した場合のガスジェットの流速（ｍ／秒）を測定した。
【００２４】
ガスジェットの流速の変動幅は、作動ガスの流量Ｑs を一定とした場合と比較して、周期的に変化させることにより約６倍に増加することがわかる。すなわち噴射されるガスを酸化性ガスとして、作動ガスの流量Ｑs を周期的に変化させて酸化性ガスジェットの噴射角度を周期的に変更して操業すると、酸化性ガスジェットとＣＯガスを多量に含む雰囲気ガスとの乱流混合が促進されるので２次燃焼率や着熱効率を向上できる。
【００２５】
作動ガスは、オリフィス２を介して噴射されるガスと同種のガスであっても、異なるガスであっても良い。作動ガスの供給系統は独立のものにしておくのが望ましい。そうすることによってランス高さ等の諸条件に応じてガスの噴射角度を自由に制御することが可能である。
上底吹き転炉を用いて、鉱石原料を溶融還元して有価金属を溶鉄中に回収する技術は、底吹きガスによるメタル，スラグの攪拌によってスラグ中の有価金属を含む酸化物の還元反応速度を高め、効率的に溶鉄中に回収できる。このような溶融還元を行なう場合は、２次燃焼率と着熱効率の向上が特に重要である。
【００２６】
本発明では、ランス高さやノズル傾角を変更することなく、ガス吹きランス１のガス噴射ノズル３から噴射される酸化性ガスジェットの噴射角度を、作動ガスの流量を変化させることによって調整できるので、隣合うガス噴射ノズル３からの酸化性ガスジェットの相互干渉と、これによるＣＯガスを多量に含む雰囲気ガスとの接触面積や混合割合を操業中に制御することが可能である。このようにして酸化性ガスジェットの噴射角度を、適正範囲に維持あるいは周期的に変更することによって２次燃焼率と着熱効率の向上が達成できる。
【００２７】
【実施例】
容量５トンの上底吹き転炉を用いて溶融還元を行なった。装置の模式図を図５に示す。図中の１はガス吹きランス、８は上底吹き転炉、９は底吹き羽口、10は溶鉄、11はスラグ、12はコークス、13はクロム鉱石，コークス，生石灰等の主原料や副原料を炉内に投入するためのホッパーである。
【００２８】
ガス吹きランス１の概要は図１に示す通りであり、ガス噴射ノズル３を６個配設して、各ガス噴射ノズル３の開口部の直径24.0mm、オリフィス２の開口部の直径 9.0mm、作動ガス供給ノズル４の開口部の直径 3.0mm、ノズル傾角15°とした。オリフィス２はガス噴射ノズル３の中心に対して偏心する位置に配設し、作動ガスの流量を独立に制御するためにガス吹きランス１は４重管構造とした。
【００２９】
あらかじめ脱りん処理を施し、温度が1255〜1284℃の表１に示す組成の溶鉄を上底吹き転炉８に装入した後、底吹き羽口９とガス吹きランス１から酸素ガスを上底吹きしつつ、ホッパー13から生石灰およびコークスを炉内に投入し、溶鉄10の温度が1550℃になるまで吹錬した。生石灰の添加はスラグ塩基度が 1.5となるように投入量を調節した。コークスの添加速度は24kg／分である。
【００３０】
【表１】
0004206573.tif 000002
【００３１】
次いで塊成化したクロム鉱石を、溶鉄温度が1550±20℃の範囲を満足するように添加速度を調整しながら投入した。クロム鉱石の添加時間は約60分間であり、その後、クロム鉱石の添加を停止し、スラグ中に残留したクロム酸化物を還元回収するための吹錬を行なった。使用したコークスの組成を表２、クロム鉱石の組成を表３に示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
【表３】
0004206573.tif 000004
【００３４】
上吹き送酸速度は17.5Ｎｍ3 ／分、底吹き送酸速度は 5.0Ｎｍ3 ／分とした。作動ガスは窒素ガスを使用し、連続的あるいは断続的に供給した。作動ガスの流量を周期的に変化させて断続的に供給する条件では、作動ガス流量の変更周期は１秒とした。
なお比較例として、図６に示すような、オリフィス２の中心がガス噴射ノズル３の中心と同じ位置にある従来のガス吹きランス１を用いて、同様の溶融還元を行なった。
【００３５】
その結果を表４に示す。
【００３６】
【表４】
0004206573.tif 000005
【００３７】
発明例１〜５と比較例１〜２を比較すると、炉口での２次燃焼率およびクロム鉱石の添加速度は発明例１〜５の方が高い。
発明例１〜３から明らかなように、同一のランス高さでは、作動ガスの流量が増加するにつれて炉口での２次燃焼率が向上することが分かる。つまり酸素ガスの噴射角度が大きくなると、雰囲気ガスとの接触面積が増加して２次燃焼率が向上する。また炉口での２次燃焼率が増加するにつれて、クロム鉱石の添加速度が増加しており、２次燃焼による発熱がクロム鉱石の還元反応に費やされていることも分かる。
【００３８】
発明例３と発明例５を比較すると明らかなように、作動ガス流量を周期的に変化させた場合には炉口での２次燃焼率をさらに向上できることがわかる。つまり酸素ガスの噴射角度を周期的に変化させることにより、雰囲気ガスとの乱流混合が促進され、２次燃焼率が向上する。
発明例１〜５のクロム歩留りは、比較例１〜２より高い。したがって本発明によれば、ダストやスピッティングによる炉外への散逸量を低減できることが分かる。
【００３９】
ここではクロム鉱石の溶融還元について説明したが、本発明はマンガン鉱石、ニッケル鉱石、その他の炭素還元が可能な鉱石、塊成化鉱石、予備還元鉱石等についても適用できる。また溶銑の精錬等の通常の転炉精錬にも適用できる。
また酸化性ガスとして酸素ガスを使用する例について説明したが、その他の酸化性ガスを使用しても同様の効果が得られる。作動ガスは窒素ガスを用いる例について説明したが、酸素ガスを使用しても良い。
【００４０】
【発明の効果】
本発明では、２次燃焼率や着熱効率を向上できることに加え、２次燃焼による発熱を鉱石の還元反応に利用できるため、生産性の向上が可能である。また２次燃焼率の向上によりダストやスピッティングによる炉外への逸散量の低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス吹きランスの例を示す断面図であり、(a) は縦断面図、(b) はＡ−Ａ視の部分断面図である。
【図２】ガス噴射ノズルの中心からの距離とガスジェットの流速との関係を示すグラフである。
【図３】ガスの流量に対する作動ガスの流量の比とガスジェットの噴射角度との関係を示すグラフである。
【図４】作動ガスの供給方法とガスジェットの流速との関係を示すグラフである。
【図５】上底吹き転炉の操業の例を示す模式図である。
【図６】従来のガス吹きランスの例を示す断面図であり、(a) は縦断面図、(b) はＢ−Ｂ視の部分断面図である。
【符号の説明】
１  ガス吹きランス
２  オリフィス
３  ガス噴射ノズル
４  作動ガス供給ノズル
５  ガス
６  冷却水
７  作動ガス
８  上底吹き転炉
９  底吹き羽口
10  溶鉄
11  スラグ
12  コークス
13  ホッパー
【図１】
0004206573.tif 000006
【図２】
0004206573.tif 000007
【図３】
0004206573.tif 000008
【図４】
0004206573.tif 000009
【図５】
0004206573.tif 000010
【図６】
0004206573.tif 000011