(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉粒体状の金属酸化物を、還元性ガス中で流動化させながら酸素含有ガスを導入して部分燃焼させる昇温装置付還元炉において、
酸素含有ガスの吹込み口は、金属酸化物を流動化させるための還元性ガス吹込みノズルが設けられる分散板に、かつ該ノズルの上部開口部付近に設けられることを特徴とする昇温装置付還元炉。
【請求項２】
酸素含有ガスの吹込み口付近で、金属酸化物の流動層の温度を検出する温度検出手段と、
温度検出手段からの出力に応答して、還元性ガスとそれを酸化したガスとの混合に対する還元性ガスの含有比率が、金属酸化物の状態図における酸化状態と還元状態との平衡点よりも大きくなる範囲で酸素含有ガスを供給する酸素供給手段とを含むことを特徴とする請求項１記載の昇温装置付還元炉。
【請求項３】
前記酸素含有ガスの吹込み口は、分散板中に設けられることを特徴とする請求項１または２記載の昇温装置付還元炉。
【請求項４】
分散板の表面を耐火物で覆い、
分散板の表面と耐火物との間かまたは耐火物中に酸素含有ガスを導入する管路を設けることを特徴とする請求項１または２記載の昇温装置付還元炉。
【請求項５】
前記酸素含有ガスの吹込み口は、分散板に形成される還元性ガス吹込みノズルのほぼ中間に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の昇温装置付還元炉。
【請求項６】
前記酸素含有ガスは、外管に冷却ガスを流通させる二重管の内管を介して吹込むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の昇温装置付還元炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、主として粉粒体状の金属酸化物を直接還元して溶融状態の金属を得ることができる溶融還元法に用いる昇温装置付還元炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図１２に示すような設備によって粉粒体状の鉄鉱石から直接銑鉄を得る溶融還元法が提案されている。予備還元炉１には、溶融還元炉２からダクト３および風箱４を介して還元性の排ガスが供給される。風箱４の上方には分散板５が設けられ、分散板５に複数形成されている吹込みノズル６を介して還元性ガスが予備還元炉１の上方空間に吹込まれる。予備還元炉１の上方の空間には鉄鉱石粉末が装入される。分散板５の上方の空間では、吹込みノズル６から吹込まれる還元性ガスによって鉄鉱石が流動化され、流動層８が形成される。予備還元炉１からの排ガスは、排気ダクト９から排気される。
【０００３】
このような溶融還元法による製鉄プラントは、現在商業化を目指して鋭意研究中であるけれども、熱効率の向上のために予備還元率を向上することが望まれている。予備還元率を向上させるために最も重要なファクタは、予備還元炉内の温度である。予備還元炉内の温度は、溶融還元炉２から供給される還元性ガスの温度によって左右される。特開平１−１５２２１０には、溶融還元炉２から予備還元炉１まで還元性ガスを導く途中の経路に酸素を吹込み、部分的な燃焼によって温度を上昇させる先行技術が開示されている。図１２ではダクト３の途中にＯ2 吹込みノズル１０を設け、部分燃焼１０ａを生じさせてこの先行技術に対応させてある。
【０００４】
還元性ガスは、溶融還元炉２内で銑鉄１１およびスラグ１２を得るために、予備還元された鉄鉱石とともに、石炭１３や生石灰（ＣａＯ）１４を投入し、かつ酸素（Ｏ2 ）ガス１５を吹込んだ場合の発生ガスとして得られる。予備還元炉１内を、たとえば８００℃にキープするためには、風箱４内の還元性ガス温度を１０００〜１２００℃にキープしなければならない。溶融還元炉２からの排ガスである還元性ガスには、ダスト成分が多く含まれ、図１３（１）に示すように分散板５の下面に付着しやすい。風箱４の温度が高いと、図１３（１）のように付着したダスト１７が図１３（２）のように溶融して成長し、融着物１８が吹込みノズル６を狭め、ひいては正常な操業継続を阻害するようになる。
【０００５】
融着ダストを取除く装置を設ける先行技術は、たとえば特開平４−４８０１３や特開平４−９９８０８などに開示されている。特開平４−４８０１３では分散板を冷却する構造を必要とし、特開平４−９９８０８では融着したダストを機械的に除去するスクレーパを設ける必要があるので、いずれも設備費が高くなり、特に特開平４−９９８０８では特殊な分散板となって流動化状態が悪化する。
【０００６】
特開平４−３０１０２１には、酸素ガスを分散板の還元性ガス吹込みノズルの入口近傍に吹込んで部分燃焼によって昇温させて付着を防ぐ先行技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特開平４−３０１０２１のような先行技術では、還元性ガスの分散板への吹込みノズルの入口付近で酸素ガスを吹込む。この先行技術の公開公報の明細書の第２欄第１６行目以下の「作用」に記載されているように、還元ガスがノズル内で冷却されると、還元ガス中に含まれている気化分がそれぞれの析出温度に達して析出して沈着したものが核となって成長する。ノズル内のガス温度をガス中のヒューム、ダストの析出温度よりも高く維持すれば、付着物の形成と成長とを防止することができる。したがって、同じく第３欄の第１８〜第１９段落に記載されているように、酸素（Ｏ2 ）吹きはある温度（本例では９００℃）よりも高くすること、すなわち１０００℃でも１２００℃でもよいことがポイントである。しかしながら、これらの点から次のような問題が生じる。
【０００８】
本件発明者らにおける実験によれば、ノズル付近へのダスト付着の主な要因はダストが高温のため軟化または溶融して水滴状となり、それがノズルに接触して付着することである。すなわちダストを含むガスの温度が低い場合は、ダスト付着が少なく、高温になれば付着が増加する。特開平４−３０１０２１の先行技術では、(1)ノズル入口近傍で燃焼させることによって、入口付近でダストが高温になり、その結果ダストが軟化してノズル入口付近およびノズル内壁に付着するようになる。
【０００９】
▲２▼ノズル入口付近にはガス温度が低くても少量のダストが埃状に付着するけれども、融点以下の温度の場合には「さらさら」の状態であるために成長しない。この状態で先行技術のようにノズル入口部でガスを燃焼させると、「さらさら」の状態の付着ダストの温度が上昇し、溶融して固着状態になり、その結果ダストが成長しやすい。
【００１０】
▲３▼入口付近に酸素供給管を設けることはそのサポート等の点で構造上複雑になり、かりに分散板から吊下げてサポートするとすれば、分散板に付設したサポートにダストが付着しやすくなる。一般にこの種の分散板ではノズルが２００〜３００ｍｍピッチで二次元的に配列されており、このノズルに酸素を供給する配管を分散板下面に配設すると、分散板下面が網目状の配管で覆われ保安上問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、還元ガス中のダストを分散板や吹込みノズル等に融着させることなく昇温させ、還元率を向上させることができる昇温装置付還元炉を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、粉粒体状の金属酸化物を、還元性ガス中で流動化させながら酸素含有ガスを導入して部分燃焼させる昇温装置付還元炉において、
酸素含有ガスの吹込み口は、金属酸化物を流動化させるための還元性ガス吹込みノズルが設けられる分散板に、かつ該ノズルの上部開口部付近に設けられることを特徴とする昇温装置付還元炉である。
また本発明は、酸素含有ガスの吹込み口付近で、金属酸化物の流動層の温度を検出する温度検出手段と、
温度検出手段からの出力に応答して、還元性ガスとそれを酸化したガスとの混合に対する還元性ガスの含有比率が、金属酸化物の状態図における酸化状態と還元状態との平衡点よりも大きくなる範囲で酸素含有ガスを供給する酸素供給手段とを含むことを特徴とする。
また本発明の前記酸素含有ガスの吹込み口は、分散板中に設けられることを特徴とする。
また本発明は、分散板の表面を耐火物で覆い、
分散板の表面と耐火物との間かまたは耐火物中に酸素含有ガスを導入する管路を設けることを特徴とする。
また本発明の前記酸素含有ガスの吹込み口は、分散板に形成される還元性ガス吹込みノズルのほぼ中間に配置されることを特徴とする。
また本発明の前記酸素含有ガスは、外管に冷却ガスを流通させる二重管の内管を介して吹込むことを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明に従えば、金属酸化物を流動化させるための還元性ガス吹込みノズルが設けられる分散板に、かつ還元性ガス吹込みノズルの上部開口部付近に、酸素含有ガスの吹込み口を設けるので、還元性ガスの酸素含有ガスによる部分燃焼は分散板上方の流動層内で発生し、流動層の温度を上昇させて予備還元率を向上させることができる。部分燃焼による温度上昇が分散板以前の還元性ガス供給系統では生じないので、還元性ガス中に含まれるダストの融着を防止することができる。
【００１４】
また本発明に従えば、酸素含有ガス供給を、流動層の示す温度の条件下で金属酸化物が還元する範囲にとどめるので、酸素含有ガスの吹込みによって予備還元率を低下させるおそれはない。
【００１５】
また本発明に従えば、酸素含有ガスの吹込み口は分散板中に設けられるので、部分的燃焼によって温度を上昇させた還元性ガスを用いて金属酸化物の流動層を形成することができる。
【００１６】
また本発明に従えば、酸素含有ガスを導入する管路を分散板と分散板の表面を覆う耐火物との間かまたは耐火物中に設けるので、管路のメンテナンスなどが耐火物を除去することによって容易に行うことができる。
【００１７】
また本発明に従えば、酸素含有ガスの吹込み口は分散板に形成される還元性ガス吹込みノズルのほぼ中間に配置されるので、分散板上面の流動層形成に酸素含有ガスも寄与させることができる。
【００１９】
また本発明に従えば、酸素含有ガスは二重管構造の内管を介して吹込み、外管には冷却ガスを流通させるので、酸素含有ガス吹込み口の耐久性を増加させることができる。
【００２０】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例による昇温装置付予備還元炉の構成を示す。予備還元炉２１には酸素ガス供給装置２２から、部分燃焼用に酸素ガスが供給される。ダクト２３からは、風箱２４に溶融還元炉の生成ガスなどの還元性ガスが供給される。分散板２５には複数の吹込みノズル２６が設けられ、風箱２４から還元性ガスが吹込まれて粉粒体状の鉄鉱石２７が流動化され、流動層２８が形成される。流動層２８の上方には排ガスを排出する排気ダクト２９が設けられる。分散板２５に設けられる吹込みノズル２６の上面には、Ｏ2 吹込みノズル３０が設けられる。このＯ2 吹込みノズル３０から、吹込みノズル２６を介して流動層２８内に吹込まれる還元性ガスに酸素ガスを吹込む。これによって良好な混合状態で、部分的な燃焼によって温度が上昇している還元性ガスを流動層２８内に供給することができる。
【００２１】
予備還元炉２１の周囲には、酸素ガス供給装置２２から供給される酸素を循環させる供給リング３１が設けられる。供給リング３１から複数の放射状に内方に向かうＯ2供給管３２がＯ2吹込みノズル３０に酸素ガスを供給する。分散板２５上方の流動層２８の温度は、温度検出器３３によって検出される。この検出温度に基づいて、鉄鉱石２７が還元可能な還元性ガスと還元性ガスおよびその酸化物ガスを含む混合ガスとの含有比率、すなわち鉄鉱石２７の酸化と還元との平衡点以上となるように、バルブ３４を介して制御装置３５が酸素供給量を制御する。
【００２２】
図２は、図１のＯ2吹込みノズル３０およびＯ2供給管３２の平面配置状態を示し、図３はその側断面の配置状態を示す。Ｏ2 供給管３２は、各吹込みノズル２６からの酸素供給量ができるだけ均一となるように、供給リング３１からＯ2 供給管３２を介して複数の系統から酸素を供給する。なお、供給する酸素は、必ずしも純粋なものである必要はなく、酸素含有ガスであればよい。
【００２３】
図４は、本発明の他の実施例として、分散板２５の表面を耐摩耗性に優れたセラミックス製の耐火物板３６で覆い、耐火物板３６と分散板２５との間にＯ2 供給管３２を配置している。このようにすることによって、分散板２５の耐摩耗性を向上し、Ｏ2 供給管３２の耐熱性を向上させ、かつ耐火物板３６を除去することによってＯ2供給管３２のメンテナンスを容易に行うことができる。
【００２４】
図５は、本発明のさらに他の実施例として、二重管構造の内管３７に酸素ガスを流通させ、外管３８に冷却用の窒素（Ｎ2 ）ガスや排ガスなどを吹込む構成を示す。外管３８を冷却するので、Ｏ2 供給管の耐久性を増加させることができる。
【００２５】
図６は、本発明のさらに他の実施例によるＯ2 吹込みノズル４０付近の構成を示す。本実施例では、分散板２５に形成される還元性ガス吹込みノズル２６の出口から離れて、しかしながら２００ｍｍ以内の近接位置で、Ｏ2 吹込みノズル４０から酸素ガスが流動層内に吹込まれる。Ｏ2 供給管３２などの形成の際の作業性は、図１の実施例よりも本実施例の方が良好である。
【００２６】
図７は、本発明に関連する予備還元炉４１の構成を示す。図１の実施例に対応する部分には同一の参照符を付して説明を省略する。本実施例では、Ｏ2 吹込みノズル４２が予備還元炉４１の耐火物による炉壁４３に設けられていることである。分散板４５には酸素供給用の管路を形成する必要がないので、分散板４５として従来と同一のものを使用することができる。図８は、図７の実施例の分散板４５の周辺の構成を示す。Ｏ2 吹込みノズル４２は、炉壁４３の周方向に沿って複数箇所に設けられ、できるだけ均一な間隔がとられて均一な燃焼が可能なように配置されている。
【００２７】
図９は本発明のさらに他の実施例の構成を示す。本実施例では、吹込みノズル４６が、分散板４７に一定の間隔をあけて配置されている中間に、Ｏ2 吹込みノズル５０が設けられている。これによって流動層２８内における酸素の分布が均一化され、部分燃焼５１を均一に起こさせて均一な反応を促進させることができる。
【００２８】
図１０および図１１は、本発明の各実施例において酸素ガスを吹込み得る範囲に対応して、還元性ガスおよびその酸化物ガスの混合物に対する還元性ガスの含有比率と金属酸化物の平衡状態との関係を示す。図１０は、還元性ガスが一酸化炭素（ＣＯ）である場合の含有比率に関連し、鉄（Ｆｅ）、酸化鉄（ＦｅＯ）や四三酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）との間の平衡状態を示す。鉄鉱石２７は、Ｆｅ3Ｏ4が主成分であり、斜線を施して示すＦｅＯの範囲にまで還元されれば、予備還元炉２１，４１の使命は達成される。図１１は、水素（Ｈ2 ）を還元性ガスとした場合の含有比率に対する平衡状態図である。同様に斜線を施して示す範囲が予備還元可能な範囲である。図１０および図１１のグラフは、ＡＩＭＥの鉄および鉄鋼（The Iron and Steel Society)学会が１９８０年に発行したDIRECT REDUCED IRON Technology AND Economics of Production and Use から引用したものである。
【００２９】
図１の実施例の装置を、銑鉄生産量が１５００Ｔｏｎ／日の溶融還元製鉄プラントに適用すると、次の表１に示すような鉱石を投入して予備還元鉱石を得ることができる。
【００３０】
【表１】
0003770938.tif 000002
【００３１】
このときの入口ガスの状態を、次の表２に示す。
【００３２】
【表２】
0003770938.tif 000003
【００３３】
予備還元率２０％と流動層内温度７００℃を保つためには、入口ガス温度９３０℃では不可能である。すなわち９３０℃をたとえば１０３２℃まで高める必要がある。このためにＯ2 を引込んで部分燃焼させる必要があり、その流量は８５０Ｎｍ3／Ｈとなる。燃焼後のガス性状を、次の表３に示す。
【００３４】
【表３】
0003770938.tif 000004
【００３５】
なお、ＣＯとＣＯ＋ＣＯ2 との比率Ａは４４．１÷（４４．１＋２１．２）＝０．６７５であり、Ｈ2 とＨ2＋Ｈ2Ｏとの比率Ｂは１６．２÷（１６．２＋１３．６）＝０．５４４である。一方図１０および図１１から７００℃におけるＦｅＯ−Ｆｅ3Ｏ4平衡点におけるガス比は、それぞれ０．３６および０．５０である。前述のＡとＢの値はいずれも平衡点ガス比よりも大きくなるので許容される。もし予備還元炉において、ＦｅＯを超えてＦｅまで還元する場合は、それぞれのガス比をＦｅ／ＦｅＯ平衡点のガス比よりも大きくする必要がある。なお、溶融還元法以外のダストを含む還元ガス中で鉱石を還元する還元炉にも、本発明を同様に適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、分散板の還元性ガス吹込みノズルの出口付近に酸素含有ガス吹込みノズルを設けるので、部分的燃焼による温度上昇は流動層内で生じ、分散板や還元性ガス吹込みノズルでのダスト融着を防止することができる。
【００３７】
また本発明によれば、酸素含有ガスの供給量を流動層の温度に対応する平衡点以上に、還元性ガスを酸化したガスとの混合ガスに対する還元性ガスの含有比率が大きくなるようにするので、還元率を低下させるおそれはない。
【００３８】
また本発明によれば、酸素含有ガスの吹込み口は分散板中に設けられるので、分散板から還元性ガスが流動層に吹出される際に充分に酸素含有ガスと混合した状態とすることができ、確実に部分燃焼させることができる。
【００３９】
また本発明によれば、分散板の表面を耐火物で覆って酸素含有ガスの管路を設けるので、分散板表面の耐久性を増大させることができる。
【００４０】
また本発明によれば、分散板の還元性ガス吹込みノズルのほぼ中間に酸素含有ガスの吹込み口を配置するので、局部的な温度上昇を防止し、成分の拡散を均一に行うことができる。
【００４２】
また本発明によれば、酸素含有ガスは、外管を冷却する二重管の内管を介して吹込むので、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による昇温装置付予備還元炉の概略的な構成を示す正面断面図である。
【図２】図１の実施例の簡略化した平面断面図である。
【図３】図１の実施例の分散板付近の断面図である。
【図４】本発明の他の実施例による分散板の表面構成を示す断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例によるＯ2 ガス供給管の構成を示す断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例によるＯ2 ガス吹込みノズル付近の構成を示す断面図である。
【図７】  本発明に関連する予備還元炉の構成を示す正面断面図である。
【図８】  図７の予備還元炉の簡略化した平面断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例の分散板の表面付近の断面図である。
【図１０】鉄およびその酸化物のＣＯとＣＯ2 との混合ガスに対する平衡状態図である。
【図１１】鉄およびその酸化物のＨ2とＨ2Ｏとの混合ガスに対する平衡状態図である。
【図１２】従来からの溶融還元プラントの概略的な構成を示す簡略化した断面図である。
【図１３】図１２のプラントでダスト融着が生じる過程を示す簡略化した断面図である。
【符号の説明】
２１，４１  予備還元炉
２２  酸素ガス供給装置
２４  風箱
２５，４５，４７  分散板
２６，４６  吹込みノズル
２７  鉄鉱石
２８  流動層
３０，４０，４２，５０  Ｏ2 吹込みノズル
３３  温度検出器
３４  バルブ
３５  制御装置
３６  耐火物板
３７  内管
３８  外管
４３  炉壁
【図１】
0003770938.tif 000005
【図２】
0003770938.tif 000006
【図３】
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【図４】
0003770938.tif 000008
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003770938.tif 000011
【図８】
0003770938.tif 000012
【図９】
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【図１０】
0003770938.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003770938.tif 000017