(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルク状スクラップ内で通路を燃焼形成し、ここからバルク状スクラップの加熱溶融用の追加エネルギーを入力する、バルク状スクラップの加熱溶融におけるエネルギー入力を改善する方法であって、スクラップ内の前記通路の燃焼形成を、高温の酸素含有ガスジェットによって行うこと、前記ガスジェットの温度が少なくとも５００℃に予め加熱されていること、及び前記ガスジェットに化石燃料を添加し、前記通路の燃焼形成を、前記ガスジェットに添加された化石燃料の存在下でおこなうことを特徴とする方法。
【請求項２】
ガスジェットとして高温空気が用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ガスジェットとして、３０％まで酸素富化された高温空気ジェットを使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
ガスジェットの温度は１０００℃から１６００℃であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
ガスジェットの吐出速度が音速の５０から１００％であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
ガスジェットの吐出速度が少なくとも３００ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
ガスジェットは酸素ガスジェットであり、酸素ガスジェットの速度が少なくとも５００ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
初期段階におけるガスジェットの速度がガスジェットの温度における音速の１０から３０％であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
スクラップの加熱溶融での出力制限工程では、バルク状スクラップへのエネルギー転移が起きる。その結果、電気アーク炉を例にとれば、側壁に設置されたバーナーによって溶融相が維持される。しかし、スクラップ挿入物の間に大きな間隙が介在するので、熱伝導が低く、このために、これらのバーナーによる熱の転移は限られている。したがって、バーナーによって導入可能なエネルギーは、スクラップ溶融に必要な全エネルギーの最高で１０％にとどまる。
スクラップ溶融として知られている転炉方法は、酸素と微粉炭を用いて操業されるもので、底部ノズルによってスクラップコラムを下方から溶融するものである。これによって高温燃焼ガスからバルク状スクラップへの熱の最適な転移が達成される。この方法の一変形例として、スクラップを加える前に転炉の底にコークスを装入し、酸素を用いてコークスを燃やす方法がある。小規模の転炉では、この方法を用いて、約２２０ｋｇのコークス消費量でスクラップを溶鋼に転換可能であることが判明している。酸素ジェットを用いた反応ガスの燃焼によって、追加用のエネルギーが上方からスクラップに転移される。
他の方法では、転炉床直上の側壁部に、天然ガス−酸素バーナーまたは石油−酸素バーナーが設置されている。この方法でスクラップの溶融が可能となるが、酸化される鉄の割合が大きく、また、分離容器内で後処理を受けるためには、溶融鉄を溶融温度の直ぐ上で転炉から出湯する必要がある。
欧州特許０３５０９８２Ａ1号公報には、バルク状スクラップの加熱溶融の際にエネルギー入力を改善する方法が開示されている。この方法では、ランスの形状を持つバーナーにより、バルク状スクラップ内においてチャンネルが燃焼形成され、次にこのチャンネル内に酸素ランスが挿入される。しかし、このランス挿入は実際には実施不可能であることが判明している。
すなわち、以上の従来方法では、石炭、石油、または天然ガスのいずれであれ、化石燃料の燃焼からバルク状スクラップへの実質的なエネルギ転移を達成することは、二次反応および高い熱効率を阻害することなしには、不可能であることが理解される。
本発明の目的は、高い熱効率で、しかも二次反応を阻害することなく、バルク状スクラップにエネルギー転移を行うことにある。
前記目的は、バルク状スクラップ加熱溶融時のエネルギー入力を改善する方法において、バルク状スクラップ内においてチャンネルが燃焼形成され、このチャンネルからバルク状スクラップの加熱溶融用の追加エネルギーを入力する際に、スクラップ内での前記チャンネルの燃焼形成を、高温の酸素含有ガスジェットによって行うことを特徴とする方法によって達成される。
高温の酸素含有ガスジェットは、バルク状スクラップ内での前記チャンネルの燃焼形成を数分以内で実行可能であるという驚くべきことが判った。
すなわち、例えば２０００ｍ3／ｈで、ドラフト温度が１４００℃、高温エアノズルからの吐出速度が６００ｍ／ｓの高温エアジェットを用い、１００Ｎｍ3／ｈの天然ガスを追加することによって、中央ノズルにおいて、径が約２０ｃｍで深さ３ｍのチャンネルを３分以内に燃焼形成することができた。
バルク状スクラップ内でのチャンネルの燃焼形成は、化石燃料を追加することなく、高温の酸素含有ガスジェットのみを用いて可能である。しかし、チャンネルの燃焼形成は化石燃料の存在下で実施されることが好ましい。化石燃料をバルク状スクラップへ追加する場合と、ガスジェットに追加する場合という双方の変形例が（同時に）可能である。
化石燃料としては、主に天然ガスが使用できるが、石油、石炭、および、コークスも使用できる。
化石燃料の追加量は、ガスジェット内に自由酸素が未だ存在するように充分低めに保持することが有利である。自由酸素は、バルク状スクラップによって迅速に開口部を形成することを助ける。さらに、バルク状スクラップ内に常に可燃物質があれば、これがスクラップコラム中で燃焼し、特に好ましいエネルギー使用形態につながる。
化石燃料としては特に天然ガスが好ましい。酸素との燃焼途中、約２８００℃でラジカルへの解離が起きる。ガスはバルク状スクラップ内に拡散し、再結合エネルギーを低温でスクラップへ解放する。これによって、特に優れたエネルギー転移が約束される。炎の温度は可能な限り高くすべきで、少なくとも２５００℃が好ましい。
ガスジェット内の最後の反応を確実にさせるためには、約１から２分間の初期段階の後で化石燃料を添加するのが効果的である。すなわち、例えば、酸素含有ガスとの弱い渦が生じるように、ノズルから適切に天然ガスが添加される。石炭の場合には、ガスジェットによって形成されたチャンネル内に位置している時だけ実質的に燃えるように、微粉炭の内の最も粗い部分、すなわち、０．１から１ｍｍの範囲の石炭粒子を用いることが好ましいかも知れない。
酸素含有ガスとしては、高温空気、酸素富化された高温空気、および純酸素を用いることができる。酸素富化されたガスジェットの場合には、３０％以内の酸素富化が好ましい。しかし、これは富化に低温酸素が使用される場合には、好ましくは６０％まで高めても良い。吹き込みノズルの観点から見れば、酸素よりも高温空気を吹き込む方がずっと簡単である。高温空気はセラミック製ノズルで吹き込むことができるが、酸素は水冷式ノズルを必要とする。
可能な限り高い熱効率を得るためには、酸素含有ガスジェットの温度をできるだけ高く設定することが望まれる。高温空気の場合には、１０００℃と１６００℃の間の温度が特に有利であることが判明した。しかし、それよりも高い温度のガスジェットでも有利に使用できる。ガスジェットは少なくとも５００℃の温度を有することが好ましい。酸素を１２００℃以内の温度に予熱することは、比較的問題なく可能である。高温空気を、酸素富化された高温空気と共に使用すれば、低温の純酸素を吹き込むことに比して、次の二つの重要な利点が得られる。すなわち、ガスの高速性（これは音速の２倍以上の速度を持つ高温空気の作用である）および量の多さのために、純酸素の導入時に比して実質的に高いインパルスが存在する。このインパルスが開口部の燃焼開始を助ける。自由酸素の存在は開口部の燃焼を大いに助けるが、窒素の存在は溶融時の酸化から保護する。
高温の純酸素もまた使用可能である。音速は温度が高いほど高く、したがって、１２００℃では純酸素で約９００ｍ／ｓが得られる。すなわち、高温酸素では、より高いインパルスを獲得可能である。
チャンネルの燃焼形成開始時における実際的な問題は、最適速度を有するガスジェットは当初、スクラップ片によって反射されるかも知れない点である。したがって、１分間かそこらの短期間は、例えば音速の１０から３０％で、低ければ１００ｍ／ｓといった、実質的に抑制された速度で稼働することが適切である。初期の段階では化石燃料の添加を増やすことも推奨される。
ガス射出ノズルの直前に低温帯が形成されることに注意が必要である。これは、周辺空気の吸入に起因するかも知れない。いずれにしても、スクラップは酸化さえされない。
最適なチャンネル形成の第１段階の後は、可能な限り多くのエネルギーをチャンネルに投入することが重要である。これは可能な限り高温の火炎、例えば、天然ガスと高温空気で得られる２８００℃の火炎温度によって達成されるのが好ましい。
ガスジェットの高速性も重要な規準である。ガスジェットの速度は少なくとも３００ｍ／ｓであるべきである。酸素ガスジェットを用いる場合、速度は少なくとも５００ｍ／ｓであるべきである。ガスジェットの吐出速度は音速の５０から１００％であることが好ましい。音速は温度と共に上昇し、前述の高温での音速は室温時の音速の約３倍速い。
本発明による方法の有利な使用法は、追加エネルギーの大半を主にスクラップ溶融段階で電弧炉に加えることである。すなわち、例えば、１００トンの電弧炉の側壁上部領域に、径が８０ｍｍの高温ドラフト射出ノズルを３本設置する。溶融段階とこれに引き続く製錬段階において、これらのノズルをノズル一本当たり２０００Ｎｍ3／ｈの高温ドラフト流速と、３０％の酸素富化で操作し、一方、高温ドラフトジェットに３００Ｎｍ3／ｈの酸素を低温で付加的に加える。高温ドラフト温度は１４００℃であった。前述した要領で燃料を加え、スクラップの溶融以後は、本質的に、反応によって形成されたガスのみが高温空気によって吸入されるため、高温ドラフトジェットへ更に燃料を追加することは不要であった。ノズルは、炉の側壁と電極の間の空間に吹き込むように、約１０°の下向き角度で配置されている。ジェットが、溶鋼が最も急速に形成されそうな底部に衝突するように向けられるのが望ましい。ジェットが、スクラップコラムを燃焼した後、耐火材料に当たれば、この耐火材料は短期間のうちに溶融されてしまうだろう。この点は、電弧炉の水冷側壁についても同様である。
一般に、ガス導入ノズルはどこに設置しても良いが、溶鋼表面の少なくとも３０ｃｍ上方に設置されることが好ましく、酸素を用いる場合は溶鋼表面の少なくとも８０ｃｍ上方が好ましい。
本発明による装置を取り付けた電弧炉では、電気エネルギーの消費量が４８０ｋＷｈから２８０ｋＷｈに減少した。５８回の溶解回数も４２回に減少した。
別の適切な実施形態では、チャンネル内に、ノズル一本ではなく、逆方向を向いた２本の高温ドラフトジェットを用いており、その結果、側壁に設けた３箇所の射出サイトに全部で６本の射出ジェットが得られた。
本発明による方法が適しているのは電弧炉のみではない。他のエネルギー源を用いることなく本発明による方法を用いてスクラップ装入物を溶融することも可能である。その場合、バルク状スクラップに化石燃料を、例えばスクラップと共に、１トン当たり１００ｋｇの石炭といった適切な形態で導入することが必要である。液状の溜まり部が形成されるとすぐに、石炭の一部をノズルから吹き込むことができる。溶融後は、必要な出湯温度に到達するために、ジェットを追加エネルギー入力用の後燃焼ジェットとして公知の要領で機能させる。
高温空気は、この目的のための特別に開発された装置、すなわちＰＣＴ  ＷＯ９３／９２３５８５に記載されたいわゆるペブルヒーターを用いることによって有利に得られる。ペブルヒーターは射出ノズル近傍の容器上に直接設置しておくのが有利である。