JPH01205016A - 溶融還元法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は炭材を燃料および還元材として用い、鉄鉱石
を転炉型製錬炉内において溶融状態で還元する溶融還元
法及びその装置に関する。

［従来の技術］ 溶融還元法は、高炉製銑法に代わるものであり、高炉製
銑法においては高炉の建設費が高く、広大な敷地が必要
であるという欠点を解消すべく、近年に至り開発された
ものである。従来の溶融還元法においては、鉄鉱石は製
錬炉からの排ガスで予備還元され、炭材、造滓剤ととも
に製錬炉内に装入され、また酸素ガスまたは攪拌用ガス
が前記製錬炉内に吹き込まれる。こうして炭材が、予め
装入されである溶銑に溶解されるとともに、炭材のＣが
酸素ガスによって酸化される。このときの酸化熱によっ
て鉱石が溶融されるとともに、鉱石が炭材中のＣによっ
て還元される。溶銑から発生するＣＯガスは過剰に吹き
込まれる酸素ガスにより２次燃焼されてＣＯ２ガスにな
る。このＣＯ２ガスの顕熱は、溶銑上を覆っているスラ
グまたはフォーミング状の粒鉄に伝達され、次いで溶銑
に伝達される。

こうして、鉄鉱石が還元されて溶銑が製造されるが、製
錬炉における還元工程を軽減するため、製錬炉に装入さ
れる前の鉄鉱石の予備還元率を６０％乃至７５％ととし
、従って製錬炉の排出ガスは還元性の高い低酸化度のガ
スを多産に使用している。（例えば特公昭６１−４３４
０６　）［発明が解決しようとする課題］ しかしなから、製錬炉における還元工程を軽減するため
、製錬炉に装入される前の鉄鉱石の予備還元率を３０％
以上にする場合には、製錬炉の排出ガスの酸化度 ［（Ｈ２Ｏ＋ＣＯ□）／（Ｈ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ＋ＣＯ２
）以下、これを単にＯＤと略記するコを下げる必要があ
る。こうすると前記排ガス量は必然的に増加することに
なり（例えば特公昭６１−４３４０６＞　、これは当然
製造コストの増大につながる。また、高い予備還元率を
得るためには上記の通りＯＤの低い排出ガスを必要とし
、かつ鉄鉱石の予備還元炉内の滞留時間を長くすること
になって、予備還元された鉄鉱石の製錬炉内への装入と
製造される溶銑の出湯サイクルとのバランスをとること
が難しい、このことは必然的に製錬炉の自由度を大きく
制限する。また、鉄鉱石のスラグ中での溶解速度を上げ
鉄鉱石の還元処理速度を向上させるため、炉内のＣＯガ
スを２次燃焼させ、その熱を利用するという方法が考え
られ、従来でも炉上部壁から２次燃焼用ｏ２ガスを吹き
込む方法がとられている。しかし従来では２次燃焼比を
あげると排ガス温度は上昇するものの、排ガス顕熱を溶
湯へ伝達する技術がなく、この結果、着熱効率が低下し
、高温排ガスを排出せざるをえない、そしてこのような
高温排ガスは炉内壁耐火物を激しく損耗させるという大
きな問題があり、このため排ガスの酸化度はあまり上げ
られないというのが一最的な考え方であった。

本発明により、後に詳記するように、製錬炉内の鉄鉱石
の還元反応を促進することにより製造される溶銑ｔｏｎ
当たりの炭材原単位及びエネルギー原単位を下げること
に成功したが、一方、排ガスの酸化度は高くなり、低カ
ロリーガス＜　ｔｏｏｏ〜１５００ｋｃａｌ／Ｎｍ３）
が大量に発生し、コークス炉ガス（４００Ｃ１−５００
０ｋｃａｌ／Ｎｍ３）を期待出来ない製鉄所にあっては
エネルギーバランス上問題が生じる虞がある。また、積
極的に高カロリーガスを生成させ、余剰エネルギーを創
生することはエネルギー事情により望ましいことである
と考えられる。

この発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、
溶銑またはスラグへの着熱効率を高めて、予備還元工程
を省略し、かつ、高カロリーのガスが得られる、操業性
の良好な溶融還元法を提供しようするものである。

［課題を解決するための手段及び作用］製錬炉炉内の着
熱効率を高め、鉄鉱石の還元反応を促進させるという上
記の問題について、本発明者等は溶融還元のメカニズム
及びこれに対応した具体的な手段について検討を重ねた
ものであり、この結果、次のような事実を見出した。

■上述したように、従来では着熱効率向上に対る技術的
限界や耐火物の損耗の面で２次燃焼比を大きく上げられ
ないというのが基本的な考え方であるが、２次燃焼を主
としてスラグ中で生じさせるように酸素を吹き込み、か
つスラグを強攪拌することにより、高２次燃焼を確保し
つつ着熱効率を効果的に高めることが出来る。このよう
な高２次燃焼、高着熱効率により、スラグ及びスラグ中
の鉄鉱石の温度が高くなり、 Ｆｅ２Ｏｓ　＋　３　Ｃ−２Ｆ　ｅ　＋　３　ＣＯで表
されるｑユ（溶湯中のＣ）による鉄鉱石の還元速度を効
果的に高めることが出来る。

■従来法では、還元処理の一時期または全期間、酸素の
底吹きを行っている例があるが、このような酸素の底吹
きは２次燃焼に有害である。即ち、酸素を底吹きすると
溶湯中で大量のＣＯガスを生じさせて溶湯を強攪拌し、
この結果、溶湯スプラッシュが２次燃焼域に達し、この
溶湯スプラッシュに含まれるＣが酸素と反応することに
より２次燃焼が阻害される。したがって還元期間の一部
または全部を問わず、酸素を底吹きすることは避ける必
要がある。

本発明は、このような知見にもとづき、次のような条件
を規定し、これにより高い処理速度での還元処理を可能
ならしめたものである。

（イ）攪拌ガスの底吹きと横吹きの組み合わせにより、
溶湯をスラグ中の鉄鉱石の存在する領域に積極的に拡散
させ、溶湯中のＣによる鉄鉱石の還元作用を促進させる
。

（ロ）所定レベル以上の酸化度が得られるよう、脱炭用
酸素とは別に２次燃焼用酸素のの吹き込みを行う、そし
て、この２次燃焼用酸素を上吹きランスからスラグ中に
吹き込んで２次燃焼領域をスラグ中に形成させ、且つ横
吹きガスによりスラグを強攪拌し、２次燃焼により生じ
た熱を鉄鉱石に着熱させる。

（ハ）溶湯中Ｃによる還元作用及び上吹き酸素による２
次燃焼が阻害されないようにするため、横吹きガス及び
底吹きガスはｃｏまたは不活性ガスとし、酸素は使わな
い。

これに加えて本発明による溶融還元法は前記製錬炉の炉
口付近の炉内壁または排ガス用のガス導管に設けられた
羽口から粉状の炭材または水蒸気を吹き込み、炉内の発
生ガスを改質して、製錬炉の排出ガスの酸化度を低下さ
せ、大量の高カロリーガスを製鉄所内外に供給すること
が出来る。

すなわち、この発明による溶融還元法は、鉄鉱石を炭材
、造滓剤とともに、製錬炉に装入し、底吹き羽口及び横
吹き羽口から不活性ガス、ＣＯまたはプロセガスを吹き
込む溶融還元法であって、（１）先端がスラグ層の上面
付近乃至下面付近のレベルにある上吹き酸素ランスより
脱炭用酸素および二次燃焼用酸素を吹き込み、 （２，）前記横吹き羽口からのガス流れの少なくとも一
部が前記底吹き羽口から吹き込まれたガスに。

より盛上がった溶湯部分に当たるようにし、（３）前記
製錬炉内ガスの酸化度 ［＝　（ＨｚＯ＋ＣＯ２）／（Ｈｚ＋ＨｚＯ＋ＣＯ＋Ｃ
（ｈ＞］を０．５乃至１．０とし、 （４）前記製錬炉の炉口付近の炉内壁または集塵配管に
設けられた羽口から粉状の炭材または水蒸気を吹き込み
、炉内の発生ガスを改質して、製錬炉の排出ガスの前記
酸化度を０．５未満とすることを特徴とする。

また、この発明による溶融還元装置は、鉱石を炭材、造
滓剤とともに、製錬炉に装入し、上吹き酸素ランスより
酸素を吹き込む溶融還元装置であって、前記上吹き酸素
ランスは脱炭用酸素ノズルおよび二次燃焼用酸素ノズル
を有し、前記製錬炉の炉底または側壁に設けられ、不活
性ガス、ＣＯｌまたはプロセスガスを吹き込む羽口と、
前記製錬炉の炉口付近の炉内壁または排ガス用のガス導
管内壁に設けられ、粉状の炭材または水蒸気を吹き込む
羽口とを具備することを特徴とする。

［実施例］ 本発明の実施例を添付の図面を参照しなから説明する。

第１図は本発明の溶融還元法に用いられるプロセスの説
明図である。製錬炉１０内には鉄浴１１及びスラグ層１
２が形成され、副原料である炭材及び造滓剤が装入され
る第１のシュート１３が前記製錬炉の上部に設けられて
おり、上吹き酸素ランス２１が炉内に鉛直に挿入される
。前記ランスには脱炭用酸素（ｐｃｏ２）、２次燃焼用
（ＤＣＯ２）の酸素をそれぞれ噴出するノズル２２．２
３が設けられ、また、製錬炉の側壁または炉底にはそれ
ぞれ不活性ガス、ＣＯまたはプロセスガスを攪拌用ガス
として吹き込む横吹き羽口２５、底吹き羽口２６が設け
られている。また、排ガス用導管付近の炉頂部には粉状
の炭材を製錬炉１０内に向けてキャリアーガスとともに
吹き込む羽口２９が設けられている。粉状の炭材に代え
て水蒸気を吹き込むようにすることは容易である。製錬
炉１０の上方には原料である鉄鉱石、副原料である炭材
及び造滓剤等がよく知られた通常の原料供給装置（簡明
のため特に図示せず）もしくは後に説明する予熱装置３
０から自然落下により製錬炉に装入される第２のシュー
ト１４及び製錬炉からの排ガスが排出される排ガス用導
管１５が設けられている。前記排ガスが導入されて鉄鉱
石を予熱する予熱装置３０と、前記予熱装置３゜からの
排ガスを受けてこれに含まれる鉄鉱石の微粒を除去する
分離装置３５とが設けられている。

前記分離装置３５から分離された鉄鉱石の細粒または粉
体を、Ａｒ、Ｎ２等のキャリアガスとともに混合し、か
つ加圧して横吹き羽口２５、底吹き羽口２６から吹き込
むため、混合、圧送の手段として加圧装置２７が設けら
れている。なお、予熱装置に導入される改質された製錬
炉の排ガスの温度は３００℃乃至１３００℃とされるが
、前記温度が３００°Ｃ未満では予熱の効果 期待することが出来ず、１３００　’Ｃを超えると設備
の耐火性に問題が生じる。

以上のように構成された溶融還元装置を用いる溶融還元
法について説明する。原料である鉄鉱石は上記供給装置
から予熱装！３０に入り、ここで予熱された後、第２の
シュート１４から重力落下により製錬炉１０に装入され
る。炭材及び造滓剤は第１のシュート１３から重力落下
により製錬炉１０に装入される。製錬炉１０内では溶湯
による鉄浴１１とスラグ！１２が形成され、ここで発生
したガスは後に詳述する炉内反応に上りその酸化度は高
くされるが、炉頂部の羽口２９から吹き込まれる粉状の
炭材または水蒸気により再び低下される。このガスは排
ガス用導管１５を通って予熱装置３０に導入され、前述
の通り予熱装置３０に装入された鉄鉱石を予熱する。予
熱装置３０からの排ガスは分離装置３５に入りここで細
粒もしくは粉状の鉱石が分離された後、通常の排ガス処
理装置を経て排出されるか、もしくはプロセスガスとし
て羽口２５．２６から吹き込まれる攪拌用ガスとして、
または粉体吹き込みのキャリアーガスとして用いられる
。さらにこの排ガスはガス導管１５に導入されて製錬炉
からの排ガスに混合され、予熱装置に導入されるガスの
温度調節に使用することも可能である。前記分離装置３
５で分離された細粒もしくは粉状の鉄鉱石は一部は予熱
炉に戻されその残余は単味もしくは粉炭材と混合されて
加圧装置２７に送られ、ここでキャリアガスと混合され
た後、加圧されて羽口２５，２６から製錬炉に吹き込ま
れる。

次いで、製錬炉内へのガス吹き込みと炉内反応との関係
について、第２図乃至第６図を参照しなから詳しく説明
する。第２図は第１図における吹き込みガスの挙動を模
式的に示したものである。

還元処理中は、その初期から終期に至るまで上吹きラン
ス２１、横吹き羽口２５及び底吹き羽口２６からガスの
吹き込みが行われる０羽口２５゜２６からのガス吹き込
みは、両者の協働作用により溶湯をスラグ中に拡散させ
、還元速度を飛躍的に高める効果をもたらす、前述した
ように、本発明者等はスラグ層１２の鉄鉱石の還元は、
大部分溶湯中のＣを還元物質として進行するという事実
を解明し、これに基づき溶湯を強攪拌してスラグ層（鉄
鉱石が浮遊する領域）中に積極的に拡散させて還元速度
を高めようというものである。このため本発明は、底吹
き羽口２６から攪拌ガスを供給して溶湯面に隆起部（Ａ
）を形成し、同時に、横吹き羽口２５からガス流の少な
くとも一部が上記溶湯隆起部（Ａ）に当たるようにして
攪拌ガスを供給するものであり、この横吹きガスにより
溶湯隆起部＜Ａ＞の溶湯がスラグ中に飛散することにな
る、スラグの見掛は比重は通常０．１〜０．５であり、
一方鉄鉱石の嵩比重は１〜３前後であり、従ってスラグ
中の鉄鉱石は、スラグ下部領域に集中して浮遊している
。上記のように溶湯隆起部を横吹きガスで飛散させると
、この飛散溶湯は、鉄鉱石が存在するスラグ層１２の下
部領域に拡散し、この拡散溶湯中のＣが鉄鉱石を還元し
、高い還元速度が得られる。このような効果を得るため
には横吹きガスが製錬炉の一上下方向及び水平方向にお
いて成るべく正確に上記溶湯隆起部（Ａ＞に当たるよう
にすることが好ましく、水平方向においては第３図（ａ
）、及び（ｂ）に示すような位１関係で羽口２５．２６
を設けることが好ましい。また、底吹き及び横吹きとも
比較的多量のガスを吹き込み、強攪拌を行う必要がある
ことは言うまでもないが、その吹き込みガス量は溶湯量
、溶湯深さ等に応じて決定される。横吹きガスは、上述
したような溶湯の拡散作用に加え、２次燃焼領域が形成
されるスラグの攪拌作用をも行うものであり、これにつ
いては後述する。

本発明で使用される横吹きガス及び底吹きガスは、不活
性ガス（Ｎ２　、Ａｒ等）、ＣＯまたはプロセスガスに
限定され、ｏ２は使用されない。これは次のような理由
による。

先ず、横吹きガスに酸素を用いると、鉄鉱石還元のため
に飛散させた溶湯中のＣによる還元作用を阻害してしま
うという基本的な問題がある。加えて酸素を使用した場
合、耐火物の温度が上昇し、耐火物の損耗という問題を
生じる。また、底吹きガスに酸素を用いると、上述した
ように溶湯中で大量のＣＯガスを生じさせて溶湯を強攪
拌し過ぎ、この結果、溶湯のスプラッシュが２次燃焼領
域（第２図参照）に達し、溶湯中Ｃが後述する２次燃焼
用酸素と反応して２次燃焼が阻害されてしまう、加えて
、酸素を使用すると底吹き羽口など耐火物の温度が上が
り過ぎるため冷却ガス（Ｃ３Ｈ８）を添加する必要があ
り、これも底吹きガス量を増大させ、強攪拌→溶湯スプ
ラッシュの発生を過大に助長することになる。第４図は
、Ｎ２底吹きを行う本発明と、Ｎ２に代え０２吹き込み
を行った比較例について、設定したＯＤ［ＰＣＯ□／（
ＤＣＯ２＋鉱石中０２＋炭材中０２＋原料付着水＋炭材
中＋（１／２）　Ｈ２）　］に対する実際のＯＤ（実測
）を調べた結果を示すもので、０２底吹きにより２次燃
焼が阻害されていることが示されている。なお、攪拌ガ
スであるＣＯやＮ２．Ａｒ等の不活性ガスは、単独また
は混合して使用することが出来る。

本発明では、２次燃焼領域を主としてスラグ内に形成さ
せつつ高２次燃焼を実現させるものであり、このように
２次燃焼領域をスラグ内に形成しかつ横吹きガスによっ
てスラグを強攪拌することにより、高２次燃焼を確保し
つつ高い着熱効率を得ることが出来る。したがって、上
記２次燃焼用酸素は、主としてスラグ内に２次燃焼領域
が形成されるようスラグ中に吹き込まれることが必要で
ある。具体的には上吹きランスの高さがスラグや溶湯レ
ベルに対し適度なレベルに設定されることが必要である
。すなわち、上吹きランス２１はそのノズル孔高さをス
ラグ面上方あるいはスラグ面下とすることができるが、
その高さが高過ぎると２次燃焼領域がスラグ内に形成さ
れなくなって、着熱効率が低下するという問題があり、
またランス高さが低過ぎると２次燃焼領域が適正に形成
されなくなる。

第５図はランス先端のスラグ面（）オーミンクレベル）
からの高さと着熱効率との関係を示すもので、ランス高
さがスラグ面にたいして高すぎると良好な熱効率が得ら
れなくなることが示されている。また、第６図は横吹き
ガス量と着熱効率との関係との関係を示すもので、横吹
きガスを大量に吹き込み、スラグ層を強攪拌することに
より良好な着熱効率が得られることが解る。第５図及び
第６図を得たときの操業条件は容量５０ｔの製錬炉で、
溶銑の生成速度は２８ｔ／ｈｒである。

本発明では高着熱効率が得られるため、ＯＤを上記のよ
うに高くすることにより高い還元速度が得られるが、こ
れに加え、ＯＤを上げることにより炭材（主としてコー
クス）の添加量を低く抑えることが出来、この結果、炭
材の原単位を低減を図ることができるとともに、溶湯中
のＰ成分の殆どが炭材により持ち込まれることから、溶
湯中のＰの低減を図ることができる。また、ＯＤが高く
なると、気化脱硫現象が活発になり、溶湯中のＳも低下
する。このような観点からも本発明ではＯＤは０．５以
上とする。ＯＤの上限は１であるが、ＯＤは大きい程望
ましい。

上記のようにして、ＯＤが高くされた、すなわち低カロ
リーとされたガスを製錬炉の炉口付近の炉内壁に設けら
れた羽口から粉状の炭材をキャリアーガスとともに吹き
込み、炉内の発生ガスを改質すると同時に、排ガス顕熱
により吹き込まれた石炭はガス化されて、製錬炉の排出
ガスが増量され、かつ、ＯＤが０．５未満となり、大量
の高カロリーのガスを得ることができる。こうすること
により、従来のように溶融還元装置の建設費に大きな比
重を占める予熱予備還元炉を設ける必要がなく、また製
錬炉の操業は予熱予備還元炉に対する低酸化度の排ガス
供給を考えることなく、自由な操業を行うことが出来る
。次に本実施例にもとづく具体的数値を第１表に挙げる
。この表は前記第５図、第６図を得なときと同様の操業
条件で得られたもので、排ガスを改質した場合と、しな
い場合について比較したもので、いずれの場合も溶銑の
生成速度は２８ｔ／ｈｒである。この表に示されている
ように、ガス改質を実施した場合には、実施しない場合
に比べて排ガスのＯＤは低くなり、その温度は低下して
いることがわがる。

第　　１　　表 ［発明の効果］ 本発明によれば、上吹き酸素ランスの脱炭用、２次燃焼
用の酸素ノズルから、直接、スラグ層に酸素を吹きこみ
、また、製錬炉の炉壁及び炉底に設けた羽口からガス吹
き込みを行って強攪拌し、製錬炉の発生ガスの酸化度を
０．５乃至１．０に調整して前記ガスの温度を３００℃
乃至１３００’Ｃとし、さらに炉頂部付近から粉状の炭
材または水蒸気を吹き込むので、製錬炉の着熱効率を向
上させ、がっ、高カロリーの排ガスを得ることが出来る
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶融還元法に用いられる溶融還元装置
のプロセスの説明図、第２図は第１図における製錬炉内
のガス流れを示す模式図、第３図は横吹き羽口と底吹き
羽口との位置関係を示す説明図、第４図は設定ＯＤに対
する実測ＯＤを示すグラフ図、第５図はランス高さと着
熱効率の関係を示すグラフ図、第６図は横吹きガス量と
着熱効率との関係を示すグラフ図である。 １０・・・製錬炉、１１・・・鉄浴、１２・・・スラグ
層、１３・・・第１のシュート、１４・・・第２のシュ
ート、１５・・・ガス導管、２１・・・酸素ランス、２
２．２３．２４・・・ノズル、 ２５．２６．２９・・・羽口、２７・・・加圧装置、３
０・・・予熱装置、３５・・・分離装置、４１・・・切
り替え弁、４２・・・閉止弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）鉄鉱石を炭材、造滓剤とともに、製錬炉に装入し、
   底吹き羽口及び横吹き羽口から不活性ガス、ＣＯまたは
   プロセガスを吹き込む溶融還元法であって、 （１）先端がスラグ層の上面付近乃至下面付近のレベル
   にある上吹き酸素ランスより脱炭用酸素および二次燃焼
   用酸素を吹き込み、 （２）前記横吹き羽口からのガス流れの少なくとも一部
   が前記底吹き羽口から吹き込まれたガスにより盛上がっ
   た溶湯部分に当たるようにし、（３）前記製錬炉内ガス
   の酸化度 ［＝（Ｈ＿２Ｏ＋ＣＯ＿２）／（Ｈ＿２＋Ｈ＿２Ｏ＋Ｃ
   Ｏ＋ＣＯ＿２）］を０．５乃至１．０とし、 （４）前記製錬炉の炉口付近の炉内壁または集塵配管に
   設けられた羽口から粉状の炭材または水蒸気を吹き込み
   、炉内の発生ガスを改質して、製錬炉の排出ガスの前記
   酸化度を０．５未満、 とすることを特徴とする溶融還元法。 ２）前記製錬炉の排ガス温度を３００℃乃至１３００℃
   とする特許請求の範囲第１項に記載の溶融還元法。 ３）鉱石を炭材、造滓剤とともに、製錬炉に装入し、上
   吹き酸素ランスより酸素を吹き込む溶融還元装置であつ
   て、前記上吹き酸素ランスは脱炭用酸素ノズルおよび二
   次燃焼用酸素ノズルを有し、前記製錬炉の炉底または側
   壁に設けられ、不活性ガス、ＣＯ、またはプロセスガス
   を吹き込む羽口と、前記製錬炉の炉口付近の炉内壁また
   は排ガス用のガス導管内壁に設けられ、粉状の炭材また
   は水蒸気を吹き込む羽口とを具備することを特徴とする
   溶融還元装置。