JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）p. 53-57

転炉を用いた省エネルギー型ステンレス鋼製造技術
Development of Energy-Saving Stainless Steelmaking Technology
using Converter
奥山悟郎

OKUYAMA GoroJFE スチール

経営企画部

岸本康夫

KISHIMOTO Yasuo

JFE スチール

スチール研究所

海外事業統括室研究技監・博士（工学）主任部員（部長）・博士（工学）三木祐司

MIKI Yuji

JFE スチール

スチール研究所

主席研究員・博士（工学）要旨
JFE スチール東日本製鉄所千葉地区ではステンレス鋼溶製プロセスとして，転炉型のクロム鉱石溶融還元法を採用している。本プロセスはフェロクロム合金の代替としてクロム鉱石を利用しており，当社の主原料戦略に合わせた合理的な溶製を可能としている。溶融還元炉でのクロム鉱石原単位の増加によるクロム原料の選択自由度のさらなる向上や熱源として利用している炭材の削減を目的に，炭化水素ガスを燃料としたクロム鉱石加熱添加バーナー
ランスを開発した。バーナーランスはバーナー火炎を介して鉱石粒子を添加することで，鉱石自体がバーナー燃焼熱の伝熱媒体として機能し，着熱効率を飛躍的に向上することが可能である。本技術の導入により，主原料選択の自由度を向上するだけでなく，従来よりも供給するエネルギーの原単位が 17％低減し，溶融還元プロセスにおいて省エネルギー化を実現した。

Abstract:
The converter-type chromium ore smelting reduction method has been adopted for the stainless steel refining
process at JFE Steel. Since chromium ore is used in this process as a substitute for ferrochromium alloys, this process
is consistent with JFEʼs strategy of main raw materials for reasonable refining of stainless steel. To increase thefeeding rate of chromium ore and decrease the amount of carbonaceous material used as a heat source, a burnerlance for heating and feeding chromium ore was developed. The particle heated by the flame functions as a mediumof heat transfer from the flame. As a result, it is possible not only to improve the flexibility of the main raw material(chromium source), but also to achieve an energy saving due to the reduction by 17% in supplied energy.

1． 緒言

Fe や Cr の歩留まりが低下するといった問題がある。また，
高二次燃焼技術として，ランス高さの上昇や酸素ジェットをJFE スチールではステンレス鋼溶製プロセスとして，クロム鉱石の溶融還元法

1-3）を採用している。本プロセスはフェソフトブロー化するランスノズルの開発

4-6）がおこなわれている。しかしながら，高二次燃焼操業では炉内での熱発生ロクロム合金の代替としてクロム鉱石を利用しており，クロ量は増加するものの，二次燃焼は炉内空間で起こっている

ム原料の選択自由度を向上するためにはクロム鉱石原単位ため，クロム鉱石の還元反応領域への着熱効率が低いといっの増加が重要である。クロム鉱石溶融還元プロセスは炭材た課題があった。そのため，高二次燃焼操業は耐火物へのを還元剤として，クロム鉱石中の酸化クロムを還元している。

熱負荷が増大し，耐火物寿命が低下するといった問題があ

この反応は大きな吸熱反応であるため，クロム鉱石の還元る。

量を増加するためには炉内への熱供給量の増加が必須であ

そこで，一次燃焼や二次燃焼に替わる熱源としてバーナーる。そのため，熱源として多量の炭材が利用されており，上燃焼熱を新たな熱源として利用し，さらにバーナー火炎を介底吹き酸素との燃焼により熱供給している。転炉の熱供給

して粉粒状原料であるクロム鉱石を炉内に加熱添加するこ増加策としては酸素供給速度の増大や高二次燃焼技術の開とでバーナーの燃焼熱を還元反応領域へ効率的に着熱させ発が行われてきた。しかしながら，酸素供給速度の増大はることで，熱源として利用される炭材を削減し，省エネルギー主に溶銑中の C と酸素の反応による，いわゆる一次燃焼が化するための研究開発をおこなった。また，その結果を基に増加するものの，炉内からのダスト発生量が増加するため，実機溶融還元炉へクロム鉱石加熱添加バーナーランスを導入したので，その操業結果について報告する。

2016 年 2 月 13 日受付－ 53 －Copyright © 2016 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

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2． クロム鉱石のバーナー加熱添加による7）着熱向上メカニズム

平均粒子径 d50 が約 200 mm のクロム鉱石を用いた。
実験では溶銑温度の初期温度を 1 380℃～1 430℃として，バーナー加熱による昇温挙動を調査するため，適宜溶銑温

4 t 溶解炉によりバーナーによる溶銑の加熱実験を実施し，度を測定した。

クロム鉱石の添加条件によるバーナー燃焼熱の溶銑への着図 2 にクロム鉱石供給速度と溶銑温度上昇速度 DT/Dt の熱挙動を調査した。また，数値解析により高温ガスから粉関係を示す。バーナー火炎を介してクロム鉱石を添加した「鉱粒状原料への伝熱挙動を調査し実験結果と比較することで，石加熱添加」の場合では，溶銑温度上昇速度 DT/Dt は 2.5～

粉粒状原料のバーナー加熱添加による，溶銑への着熱効率

2.7℃/min となり，同一鉱石添加量で比較すると，「鉱石非向上効果について定量的に検討した。

加熱添加」の場合よりも溶銑温度上昇速度が大きくなった。

図 1 に 4 t 溶解炉の実験設備の模式図を示す。溶銑上方に

図 3 にクロム鉱石供給速度と溶銑，スラグの顕熱増加量

バーナーを設置し，バーナーによる溶銑加熱実験を実施しの関係を示す。ここで，スラグとは炉内に添加したクロム鉱た。また，実験に用いたバーナーは中心孔よりクロム鉱石を石である。バーナー燃焼熱から溶銑，スラグへの伝熱量と添加し，その外周からプロパンおよび酸素を供給する 3 重して，実験中の溶銑温度変化より溶銑およびスラグの顕熱管構造となっている。実験条件を表 1 に示す．バーナーの増加量を算出した。
「鉱石加熱添加」条件の場合，クロム鉱

3プロパンガス流量を 0.50 m -norm./min として，プロパン流石量が増加するにしたがい，溶銑およびスラグの顕熱増加量に対して 6 倍の酸素流量とした。

量が増加する。それに対し，「鉱石非加熱添加」
条件の場合は，実験ではクロム鉱石の添加方法によりバーナー燃焼熱の「鉱石加熱添加」条件と比較して，同一鉱石添加量でも溶銑溶銑への着熱挙動を調査するために，1）バーナーのみ（鉱およびスラグの顕熱増加量が小さく，鉱石添加無しのバー石添加なし），2）バーナー火炎を介してクロム鉱石を添加ナーのみと同等であった。以上からバーナー火炎を介してクする，「クロム鉱石加熱添加」および 3）火炎外からクロム鉱石を添加する，「クロム鉱石非加熱添加」の 3 条件で実験をおこなった。また，実験では実機で利用する鉱石と同様の

図 2 クロム鉱石供給速度と溶銑温度上昇速度の関係
Fig. 2

Relationship between feeding rate of Cr-ore andtemperature variation DT/Dt

図 1 実験装置の模式図
Fig. 1

Experimental apparatus
表 1 実験条件

Table 1

Experimental condition

Propane

Oxygen Cr ore

33m -norm./ m -norm./
kg/minminminAddition method of Cr ore

No. 1

0.50

3.00

Without addition of ore

No. 20.50

3.0

3.9

With addition of heated ore byburner

No. 30.50

3.08.1

With addition of heated ore byburner

No. 40.50

3.04.5

With addition of unheated ore

JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

図 3 クロム鉱石供給速度と溶銑，スラグの顕熱増加量の関係
Fig. 3－ 54 －Relationship between feeding rate of Cr-ore andsensible heat increment of metal

転炉を用いた省エネルギー型ステンレス鋼製造技術

ロム鉱石を加熱しながら添加することで，バーナー燃焼熱のとにより，火炎温度の低下により火炎からの伝熱量が低下溶銑およびスラグへの伝熱量が増大することが確認された。

するものの，加熱された粒子の粒子顕熱量による伝熱量が次に，鉱石加熱添加法によるバーナー燃焼熱の溶銑およ支配的になり，トータルの伝熱量が増大した。以上から，加びスラグへの伝熱メカニズムを解明するため，数値計算に熱された鉱石粒子は伝熱媒体として機能し，鉱石加熱添加よる解析をした。数値計算では，粒子の運動方程式による法によりバーナー燃焼熱が溶銑へ効率的に伝熱することが粒子加熱時間，平衡計算による燃焼ガス温度および燃焼ガ可能であることを確認した。

スー粒子間伝熱による粒子温度のそれぞれを連成して算出
7）

3． 5 t 転炉実験によるプロセス設計した 。

9）

図 4 に鉱石供給速度と鉱石粒子温度および全鉱石粒子顕8）熱量の関係を示す 。粒子供給速度の増加にともない粒子

図 6 に 5 t 上底吹き転炉とクロム鉱石加熱添加バーナーラ

温度，ガス温度は低下するものの，加熱される鉱石供給量

ンスの概要を示す。上吹きメインランスは 4 孔ストレートラの増大により全粒子の顕熱量は増加する。

ンスを用い，本実験ではランス先端から溶銑までのランス以上の計算結果をもとに，実験結果のバーナー燃焼熱か高さを 1.5 m とした。また，クロム鉱石加熱添加バーナーラ

ら溶銑およびスラグへの伝熱量の内訳を算出した。ここで，ンスは中心孔からクロム鉱石を供給し，その外周ノズルから加熱粒子による溶銑およびスラグへの伝熱量は数値計算で燃料としてプロパンガス，および助燃剤として酸素を供給算出した粒子顕熱量とした。また，バーナー燃焼熱からのできる構造となっている。また，クロム鉱石加熱添加バーナー

溶銑およびスラグへの伝熱量（実験結果）と粒子顕熱によランスのランス高さは上吹きメインランスと同じ 1.5 m とした。

る伝熱量の差を火炎からの伝熱量とした。図 5 に溶銑およ

実験条件を表 2 に示す。上底吹き酸素およびバーナー助8）3

びスラグへの伝熱量の内訳と伝熱メカニズムを示す 。クロ

燃剤酸素の総送酸速度を 20～23 m -norm./min とし，バーム鉱石供給速度が 0 kg/min（火炎のみ）の場合では，火炎ナー使用時の燃料プロパン流量を 0.5 m -norm./min，助燃からの輻射または対流による伝熱のみで，溶銑およびスラグ

33剤酸素流量を 3 m -norm./min とした。また，本実験では底への伝熱量は小さい。それに対し，鉱石を加熱添加するこ

図 4 鉱石供給速度と粒子温度，全粒子顕熱量の関係
Fig. 4

Calculated temperature (particle, gas) and sensible heatof ore

図 6 5 t 上底吹き転炉とバーナーランスの概要
Fig. 6

Schematic diagram of experimental apparatus of 5 tconverter
表 2 実験条件
Table 2Burner C3H8No.

図 5 溶銑およびスラグへの伝熱量の内訳
Fig. 5Heat transfer balance and heat transfer mechanism byheated ore addition using burner－ 55 －3

Experimental conditions

Burner O2
3Total Heated
Cr ore Cr ore

m -norm./minm -norm./min100160Without burner

20.5

3150

With burner
Unheated ore

30.5

3167With burner

40.5

31515

With burner

50.532323With burner

kg/min kg/min

JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

転炉を用いた省エネルギー型ステンレス鋼製造技術

吹き酸素流量を一定の条件とし，酸素流量の変更は上吹きメインランスからの酸素量を調整して行った。
実験ではクロム鉱石の添加方法によるバーナー燃焼熱の溶銑への着熱挙動の差異を調査するために，1）クロム鉱石
加熱添加バーナーランスのバーナーは燃焼させず（プロパ
33ン 流 量 0 m -norm./min， 助 燃 酸 素 流 量 0 m -norm./min），クロム鉱石を添加する
「従来法」
，2）
クロム鉱石加熱添加バーナーランスからバーナー火炎を介してクロム鉱石を添加する，「クロム鉱石加熱添加法」および 3）クロム鉱石加熱添
加バーナーランスはバーナー点火させ，クロム鉱石はクロム鉱石加熱添加バーナーランスを介さず，火炎外からを添加する「クロム鉱石非加熱添加法」の 3 条件で実験をおこなっ

図 8 加熱鉱石添加量/バーナー発熱量とスーパーヒートの関係た。また，クロム鉱石添加速度は 15～23 kg/min とした。

Fig. 8

実験では溶銑を転炉装入後，上底吹き酸素のみで所定のRelationship between feeding rate of heated ore/burnercalorific power and super heat

溶銑温度（1 550～1 580℃）まで昇熱した後にクロム鉱石を溶融還元する溶融還元吹錬を実施した。クロム鉱石加熱添

図 8 に加熱鉱石添加量/バーナー発熱量とスーパーヒート

加バーナーランスは溶融還元吹錬のみに使用した。昇熱吹の関係を示す。この図より，バーナー発熱量あたりの鉱石添

錬では昇熱に必要なコークスと造滓剤を添加し，溶融還元加量を 0.4 kg/MJ 以上とすることで，バーナー無しの場合よ吹錬ではクロム鉱石およびクロム鉱石の還元剤と熱源としりもスーパーヒートが小さくなり，バーナーによる耐火物へて必要なコークスを添加した。また，吹錬中に適宜溶銑温の熱負負荷を低下することが可能であることがわかる。この度を測定し，上記所定温度になるようクロム鉱石の添加速結果をもとに，実機適用時のバーナー燃料やクロム鉱石の度を調整した。

供給速度の適正化を実施した。

図 7 に加熱鉱石添加速度と有効着熱量およびスーパーヒートの関係を示す。有効着熱量は溶銑およびスラグの顕熱増加量とクロム鉱石の還元熱の和とした。また，有効着

4． 実機クロム鉱石溶融還元炉への鉱石加熱添
9）加バーナーランスの適用熱量と排ガス顕熱量（溶銑温度）を考慮し，両者の和と入熱との熱バランスから求められる不明熱量を排ガスのスー以上の結果を踏まえ，JFE スチール東日本製鉄所千葉地区の上底吹き転炉型（ヒートサイズ 185 t）のクロム鉱石溶パーヒートと定義とした。
バーナーによるクロム鉱石加熱添加法では，加熱鉱石添融還元炉において，クロム鉱石投入ランスにバーナー機能加速度の増加にともない有効着熱量が増加し，加熱鉱石添を付与したクロム鉱石加熱添加バーナーランスを導入した。

加速度 22 kg/min の条件では有効着熱量は 18％増加した。

5 t 転炉と同様にバーナーはクロム鉱石が添加される溶融

しかしながら，スーパーヒートは加熱鉱石添加速度の増加に還元期で使用する。底吹き酸素量は従来と同一とし，上吹ともない低下するものの，バーナー無しのスーパーヒートよき酸素量はバーナーの助燃剤としての酸素量分を低減し，りも大きくなる条件では，耐火物溶損を助長する懸念がある。

上底吹き酸素量およびバーナー助燃酸素量の総量は従来の上底吹き酸素量と同一とした。また，バーナー使用時は上吹き酸素量の低減に応じて，炭材の添加量を低下することが可能である。バーナーの燃料はプロパンガスを用いた。
また，クロム鉱石は全量クロム鉱石加熱添加バーナーランスから炉内に供給することができる。
図 9 に 5 t 転炉および実機におけるクロム鉱石加熱添加速度/バーナー発熱量比とバーナー燃焼熱の着熱効率の関係を示す。実機では 5 t 転炉の知見から，耐火物への熱負荷を増加させないために，図 8 で示したようにクロム鉱石加熱添加速度/バーナー発熱量比を 0.5 kg/MJ 以上とした。その結果，実機での操業においても，5 t 転炉と同様にバーナー燃焼熱の着熱効率は 80～90％と高位になり，バーナーによる耐火図 7 加熱鉱石添加速度と有効着熱量，スーパーヒートの関係
Fig. 7

Amount of effective heat transfer and super heat

JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

物への熱負荷は無く，安定的に操業可能であることが確認された。
－ 56 －

転炉を用いた省エネルギー型ステンレス鋼製造技術

図9 5
 t 転炉，実機におけるクロム鉱石加熱添加速度 / バーナー
発熱量比とバーナー燃焼熱の着熱効率の関係

図 11 溶 融還元炉でのクロム鉱石量当たりの供給エネルギーの比較

Fig. 9Fig. 11

Relationship between feeding rate of heated ore/burnercalorific power and heat efficiency of burner calorificpower

図 10 にクロム鉱石加熱添加バーナーランス導入前後のクロム鉱石原単位と供給熱量原単位の関係を示す。供給熱量

Comparison of index of supplied energy per amount ofchromium ore

来よりも供給するエネルギーの原単位が削減し，省エネルギー化が可能になった。

は上底吹き酸素による一次燃焼熱，二次燃焼熱およびバーナー利用時はバーナー燃焼熱の総和である。供給酸素量一5． 結言

定の条件でクロム鉱石加熱添加バーナーランス使用時では同一のクロム鉱石原単位において供給熱量が導入前と比較

JFE スチール東日本製鉄所千葉地区の溶融還元炉においして 17％低減し，効率的に熱供給することができ，大きなて，炭化水素ガスを燃料としたクロム鉱石加熱添加バーナー省エネルギー効果を確認できる。

ランスを開発した。クロム鉱石加熱添加バーナーランスは

図 11 に溶融還元炉でのクロム鉱石量当たりの供給エネル鉱石がバーナー燃焼熱の伝熱媒体として機能するため，着ギーの比較を示す。従来法ではエネルギー源が炭材のみで熱効率が飛躍的に向上する。本技術の導入により，クロムあるのに対し，本技術ではバーナーによりエネルギー源の一源などの主原料選択の自由度を向上するだけでなく，従来部を水素系燃料で代替し，かつ鉱石加熱添加技術により効よりも供給するエネルギーの原単位が 17％低減し，溶融還率的にバーナー燃焼熱を炉内の溶銑およびスラグに効率的元プロセスにおいて省エネルギー化を達成した。に伝熱することが可能となった。その結果，同一鉱石量あたりの供給エネルギー量は 17％低減し，炭素燃焼由来のエネルギー量は従来法と比較して 26％減少した。

参考文献
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Tetsu-to-Hagané. 1990, vol. 76, p. 1863.

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9）Okuyama, G.; Ogasawara, F.; Uchida, Y.; Kishimoto, Y.; Miki, Y.; Ogawa,H.; Kaneko, Y. Tetsu-to-Hagané. 2014, vol. 100, p. 98.

図 10 ク ロム鉱石加熱添加バーナーランス導入前後のクロム鉱石原単位と供給熱量原単位の関係
Fig. 10

Relationship between amount of chromium ore andsupplied energy into furnace

奥山悟郎－ 57 －

岸本康夫三木祐司
JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

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