JPH0463215A - 金属精錬法 - 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〕 本発明は、金属原料と炭素含有燃料と造滓剤と０２ガス
を金属溶湯内に導入し、金属原料を溶解精錬する方法及
びその装置に関する。

〔従来の技術および背景］ 本発明は次の２つの精錬法に適用される。即ち、まず第
１は溶融還元法である。溶融還元法は高炉法に代わるも
のであって、高炉法は多数の付属設備を必要とし、強粘
結炭等高価な原料を必要とし、また、建設費が高く且つ
広大な敷地が必要であるという欠点を有するので、これ
らの欠点のない技術として、近年、開発されたものであ
る。

一般的な溶融還元プロセスは、主な設備として、溶融還
元炉と予熱・予備還元流動層炉を有している。この溶融
還元プロセスについて略述すれば、以下のようになる。

金属原料である金属酸化物は、予熱・予備還元流動層炉
内で溶融還元炉からの排出ガスにより予熱・予備還元さ
れた後、石炭等の炭素含有燃料、造滓剤とともに溶融還
元炉に装入される。

この溶融還元炉には０２ガスおよび撹拌用ガスが吹き込
まれており、炭素含有燃料は溶融還元炉内に既に生成さ
れた金属溶湯に溶解するとともに炭素含有燃料中の炭素
がＯ２ガス（以下「メインＯ２ガス」と呼称する）によ
り燃焼してＣＯガスとなると共に発熱を伴う。この燃焼
熱により金属原料が溶解するとともに金属原料は炭素に
よって最終還元される。そして、上記ＣＯガスはメイン
０２ガスとは異なる系統から吹き込まれるＯ２ガス（以
下「二次燃焼用０２ガス」と呼称する）により二次燃焼
してＣＯ２ガスとなり、この時発生する熱も金属溶湯に
回収して金属原料の溶解に利用しようというものである
。

第２は金属スクラップ溶解法である。即ち、上述の溶融
還元法と同じく、炭素含有燃料中の炭素を０２ガスによ
り燃焼させる際に発生する熱でスクラップを溶解するプ
ロセスである。

上記プロセスにおける最大の課題は、炉内で発生した熱
の内、二次燃焼による熱を如何に有効に回収するかとい
うことである。すなわち、炉内に加えた熱源（石炭の燃
焼熱）の約８０％はＣＯガスが持ち出すので、このＣＯ
ガスの有する膨大な燃焼熱を有効に利用するために、二
次燃焼法を工夫する必要がある。そして、この二次燃焼
法に関連する先行技術としては以下のような方法が公知
である。

特開昭６２−２８０３１１号公報には、「溶融還元によ
り生成したメタル浴２１のメタルを吹き込みガスにより
スプラッシュとし、二次燃焼ゾーンに飛ばすようにした
ことを特徴とする溶融還元法Ｊに関する発明が開示され
ている。（以下、従来技術Ｉという、第５図参照） また、特開昭６４−６８４１５号公報には、「底吹き羽
口３１、横吹き羽口３２および上吹きランス３３を備え
た溶融還元炉において、Ｃｒ鉱石と共に、底吹き羽口３
１からＣＯまたは／および不活性ガスを吹き込み、ガス
流の少なくとも一部が、底吹きガスによる溶湯隆起部（
Ａ）に当たるよう、横吹き羽口３２からＣＯまたは／お
よび不活性ガスを吹き込み、上吹きランス３３から溶湯
中へメインＯ２ガスを吹き込むとともに、上吹きランス
３３の横からスラグ中へ二次燃焼用Ｏ２ガスを吹き込む
ことによりＣｒ鉱石を溶融還元し、その後所定の脱炭処
理を施すことを特徴とする溶融還元によるステンレス溶
鋼の製造法」に関する発明が開示されている。（以下、
従来技術■という、第６図参照） さらに、特開平１−２０５０１６号公報には、「鉄鉱石
を炭材、造滓剤とともに、精練炉４１に装入し、底吹き
羽口４２及び横吹き羽口４３から不活性ガス、ＣＯまた
はプロセスガスを吹き込む溶融還元法であって、上吹き
酸素ランス４４よりメインＯ２ガスおよび二次燃焼用Ｏ
２ガスを吹き込み、横吹き羽口４３からのガス流れの少
なくとも一部が底吹き羽口４２から吹き込まれたガスに
より盛上がった溶湯部分（Ａ）に当たるようにし、粉状
の炭材または水蒸気を吹き込み、排出ガスの酸化度を制
御することを特徴とする溶融還元法及び装置」に関する
発明が開示されている。（以下、従来技術■という、第
７図参照） また、特開昭６１−２２１３２２号公報には、［多量の
スラグ５１を金属浴５２上に保持し、炉内で発生する可
燃性ガスの一部を酸素含有ガスにより燃焼させて発生し
た熱をスラグ５１に伝え、さらにスラグ５１をガスで撹
拌、または環流することにより、スラグ保有熱を効率よ
く金属浴５２または金属原料（Ｂ）に伝えることを特徴
とする金属原料溶解精錬方法」に関する発明が開示され
ている。（以下、従来技術■という、第８図参照）〔発
明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記従来技術Ｉ〜■には、以下のような
問題点がある。

従来技術Ｉにおいては、スプラッシュ形成用羽口２２か
ら吹き込まれたＯ２ガスによりメタル浴２１内のメタル
はスラグ２３上の二次燃焼ゾーンに飛ばされる。そして
、二次燃焼用羽口２４から吹き込まれたＯ２ガスにより
二次燃焼が行われる。この場合、二次燃焼がスラグ２３
上で行われるため、二次燃焼熱の一部はメタルに伝達さ
れても、殆どの燃焼熱は排ガスが持ち去るのでメタルに
有効に回収されない。また、二次燃焼の輻射熱により炉
側耐火物が高温となるため、損耗する可能性がある。

従来技術■は、上吹きランス３３から吹き込まれた二次
燃焼用Ｏ２ガスによりスラグ３４内で二次燃焼を行おう
とするものであるが、二次燃焼用Ｏ２ガスの吹き込み量
には制限があり、また、横吹き羽口３２から吹き込んだ
ガスによってスラグを強撹拌しても、二次燃焼用Ｏ２ガ
スと被燃焼ガス（ＣＯガス）の完全な出合いおよび混合
による燃焼は困難である。即ち、二次燃焼用０２ガスと
出会わずにスラグ層を通過して溶湯から排出されるＣＯ
ガス量がかなり多い。このような状態下で二次燃焼効率
を向上させるべく二次燃焼用０２ガス量を増加させた場
合、Ｏ２ガスの一部が未反応となり、この未反応０２ガ
スがスラグ３４上で燃焼し、従来技術Ｉと同様に、燃焼
熱は排ガスが持ち去るので有効に利用されない。また、
二次燃焼の輻射熱により炉側耐大物が損耗することがあ
る。

従来技術■も、上吹き酸素ランス４４から吹き込まれた
二次燃焼用Ｏ２ガスによりスラグ４５内で二次燃焼を行
おうとするものであり、この場合も従来技術■と同様の
欠点を有している。

従来技術■は、多量のスラグ浴５１が化学的プロセスの
バッファーとしであるいは保温層としての効果を発揮す
るため、二次燃焼が安定して行われるという利点はある
が、この従来技術■も上記従来技術■または■と同様の
欠点を有している。

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みて
なされたものであり、その目的は、装置を損耗すること
なく、安定して高い二次燃焼率を実現して、二次燃焼熱
を有効に回収することのできる金属精錬法及びその装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の要旨は、金属溶湯
内に金属原料と炭素含有燃料と造滓剤と０２ガスを導入
し、炭素含有燃料から金属溶湯内に溶解した炭素を０２
ガスにより燃焼させて熱を得ると共にＣＯガスを発生さ
せ、そのＣＯガスをさらに０２ガスにより二次燃焼させ
て熱を発生させ、それらの熱により金属原料を溶解精錬
する方法において、金属溶湯内で一部のＯ２ガスが燃焼
せずに未燃状態で金属溶湯から出て、この未燃０２ガス
がスラグ内で二次燃焼を行うように、底部付近から大径
の０２ガスを吹き込むことを特徴とする金属精錬法を第
一の発明とし、 上記第一の発明において、上部または側部からもＯ２ガ
スを吹き込むことを特徴とする金属精錬法を第二の発明
とし、 金属溶湯内に金属原料と炭素含有燃料と造滓剤とＯ２ガ
スを導入し、底部付近に設けた羽口より酸素を吹き込む
金属精錬装置において、底部付近に設けた羽口が大径で
あることを特徴とする金属精錬装置を第三の発明とし、 上記第三の発明において、上吹き０２ランスを有するこ
とを特徴とする金属精錬装置を第四の発明とする。

〔実施例および作用］ 以下、本発明の実施例を鉄鉱石溶融還元炉に適用した場
合について、図面を参照しながら説明する。

第１回において、１は内面に耐火レンガ２を張設してな
る鉄鉱石溶融還元炉で、炉内の金属溶湯３に対して炉底
部には大径の気泡状酸素（Ｇ　＋　）を吹き込むことが
可能な底吹き羽口４および撹拌用ガスの吹き込みノズル
５を設け、この近傍には出銑口６を設けている。金属溶
湯３上のスラグ浴７に対して炉側壁に排滓口８および撹
拌用ガスの横吹き羽口９を設け、さらに炉頂部開口には
排ガスダクト１０を連接し、この排ガスダク）１０近傍
に予熱・予備還元流動層炉（図示せず）で予熱された鉄
鉱石を炉内に装入するシュート１１および炭素含有燃料
と造滓剤を装入するシュート１２を設けである。１３は
炉内上部のガス温度を検知する温度計、１４はガスサン
プリング装置、１５はＣＯと００２の分析計である。

１６は変換調節計、１７はＯ２吹き込み量をコントロー
ルするコントロールバルブである。

第２図は上吹き０２ランスを有する場合を示し、炉頂部
より該上吹き０２ランス１８をスラグ浴７内に装入した
状態を示す図である。

なお、本実施例における溶融還元炉とは、金属精錬装置
を示す。

また、本発明において、底部付近に設けた羽口とは、炉
底部より出銑口６の位置する付近までに設けた羽口をい
い、本実施例においては底吹き羽口４がこれに相当する
。

次に、上記構成において、本発明の作用を金属溶湯内お
よびスラグ浴内に分けて説明する。

（金属溶湯内作用） 炉底の底吹き羽口４から吹き込まれた気泡状の酸素の径
が小さい場合、この酸素の全量は金属溶湯３内に溶解し
ている炭素と下記０式のように反応してＣＯガスとなる
。

Ｃ＋１／２Ｏ２→ＣＯ■ しかし、本発明では気泡状酸素の径が大きいため、気泡
状酸素の表面部分のみが炭素と反応してＣＯガスとなり
、それらのＣＯガスの一部は気泡中の残りの酸素と下記
０式のように反応してＣＯ，、さらにはＣと反応して再
びＣＯガスとなりながら上昇するが、気泡が大きいため
金属溶湯を通過する時間内には反応を完了しない。

ＣＯ＋１／２Ｏ２→ｃｏ２．　　ｃｏ２＋ｃ→２ＣＯ■
すなわち、金属溶湯を出るガスはＣＯと０２とＣＯ□の
共存ガスとなってスラグ浴７に浮上する。そして、この
共存ガスの金属溶湯内での上記反応■および■の結果発
生する熱は金属溶湯に与えられる。

一方、炉頂部のシュート１１から炉内に装入された鉱石
は、上記■および■の反応により発生した熱を受けて溶
融し、金属溶湯中に含まれている炭素により還元されて
溶銑となる。このようにしてできた溶銑は、炉下部にあ
る出銑口６から取り出される。

そして、金属溶湯中の炭素は上記反応により順次消費さ
れて減少するので、この炭素量を補給するため、シュー
ト１２から石炭が適宜炉内に装入される。

（スラグ浴内作用） 上記のようにして金属溶湯３からスラグ浴７内に進入し
たＣＯと０２とＣＯ２の共存ガスは気泡状でスラグ浴７
中を上昇していくが、その上昇中時間の経過と共に内部
のガスが混合されて、ガス中のＣＯとＯ２とが反応して
ＣＯ□となる。即ち、従来技術のように二次燃焼用０゜
ガスとＣＯガスが分かれているのではなく、各気泡が燃
焼すべくＯＸとＣＯを共に内包する状態でスラグ中に入
るので、スラグ中での二次燃焼効率は極めて良好である
。そして、その燃焼熱はスラグ浴に与えられる。スラグ
浴７は炉側壁の横吹き羽口９からスラグ浴７内に吹き込
まれる撹拌ガスにより激しく撹拌、あるいは環流されて
いるので、スラグ浴７内で発生した上記燃焼熱は、スラ
グ浴７と金属溶湯３との境界面を通じて金属溶湯３に伝
達される。

このようにして原料（炭素）の保有する燃焼熱を金属溶
湯に極めて効率よく伝達した後の燃焼排ガスは、スラグ
浴７から炉内上部空間を上昇して排ガスダクト１０を経
て炉外へ排出される。

また、上記の反応過程において、炉側壁に設けた排滓口
８からは、炉内のスラグ量を所定量に保つため適宜スラ
グの排出が行われ、炉頂部のシュート１２からは適宜造
滓剤が投入される。

底吹きの場合の基本的なプロセスは上記の通りであるが
、上吹きを併用した、上・底吹きを行うこともできる０
例えば、金属溶湯３への炭素の補給源である石炭中には
揮発成分がある程度合まれており、この揮発成分は金属
溶湯３中を上昇してスラグ浴７にまで達するので、上吹
き０２ランス（第２図参照）または横吹き羽口９からス
ラグ浴内に吹き込んだ酸素により上記揮発成分が燃焼し
て発熱し、このスラグ浴７内で発生した熱は、スラグ浴
７が上記のように十分に撹拌されているので、金属溶湯
に効率よく伝達される。このようにして、揮発成分の保
有熱を効果的に回収できる。

底吹きを行う場合でも、上・底吹きを行う場合でも本発
明に共通する基本的な特徴は、「金属溶湯３からスラグ
浴７へ進入するガス中に未燃Ｏ２を残したままとし、そ
の未燃Ｏ２をスラグ内で二次燃焼させること」にあるが
、そのための方法としては上記以外にも以下のような方
法を採用することができる。

（１）第３図に示したような、大径の長屋状の酸素（Ｇ
２）を吹き込む方法。

吹き込む酸素量を増すことによって長屋状となるが、こ
の径が小さい場合は、長屋状の酸素は殆どＣＯガスとな
る。そこで、酸素径を大きくすることによって、表面部
分のみがＣＯガスとなり、金属溶湯３からスラグ浴７に
進入する共存ガスの内部には未燃酸素が残存する。その
結果、上記と同様の効率的な二次燃焼を期待できる。

（２）微小気泡状酸素と大径気泡状酸素を混在させる方
法。

微小気泡状酸素は金属溶湯３中で殆どがＣＯガスとなる
が、スラグ浴７内で大径気泡状酸素中の未燃酸素により
二次燃焼をする。

この方法と類偵の方法として、上記（１）の方法におい
て、微小気泡状酸素または小径の長屋状酸素を同時に吹
き込む方法を採用することもできる。

以上が本発明に係る二次燃焼方法の基本的なプロセスで
あるが、二次燃焼の進行は以下のような要因により左右
されるので、本発明に係る方法とこれらの要因を適宜組
み合わせて二次燃焼をコントロールすれば、金属溶湯の
生産量の調整、副原料の原単位低減、溶融還元炉の設備
保護等を図ることができる。なお、第４図は、金属溶湯
を出るガス中に未燃Ｏ２ガスが残存するのに必要な最大
の金属溶湯深さに及ぼす羽口径と羽口吹込ガス流速の効
果を示す図である。

■金属溶湯３の深さ 金属溶湯の深さが浅くなれば、吹き込まれたＯ２ガスと
金属溶湯の接触時間が短くなるので、金属溶湯からスラ
グ浴内に進入する共存ガス中の未燃酸素の量が増加する
。場合によっては、スラグ浴内で未燃酸素が消費されず
、スラグ浴上でこの未燃酸素が燃焼することがある。従
って、副原料（炭材）の原単位の上昇や炉内耐火物の損
耗を招くことがある。

逆に金属溶湯の深さが深くなれば、吹き込まれた０、ガ
スと金属溶湯の接触時間が長くなるので、金属溶湯から
スラグ浴内に進入する共存ガス中の未燃酸素の量が減少
する。従って、二次燃焼率が低下し、金属溶湯の生産量
の低減につながることがある。

そこで、金属溶湯の深さとしては、上記のような理由か
ら適切な値とすることが重要である。操業上、金属溶湯
深さは３００論以下は望ましくない。しかし、第４図に
よれば、金属溶湯深さが大きければ未燃のＯ２を残存さ
せることができない。従って、１１００ＯｆｆＩ以下で
あることが望ましい。

■金属溶湯３内に炉底部から吹き込む酸素の径上記した
ように、効果的な二次燃焼を行うためには、酸素の径は
大きいほど好ましく、そのためには底吹き羽口径は適切
な値にすることが必要である。例えば、第４図によれば
、金属溶湯の深さが３００ｍｍで羽口吹込ガス流速が３
００ｍ／ｓの場合は、羽口径は３０ｍｍ以上が望ましい
。すなわち、羽口吹込ガス流速が３００ｍ／ｓで羽口径
が３０１１ａｌｌの場合、未燃０２ガスが残存するのに
必要な金属溶湯深さの上限は４００ｍであり、金属溶湯
深さがそれより大きくなれば未燃０２ガスが残存しない
。そこで、金属溶湯深さを３００■とすることによって
、未燃Ｏ２ガスが残存しやすくなる。

従って、金属溶湯深さが３００ｍで羽口吹込ガス流速が
３００ｍ／ｓの場合、羽口径を３０園以上とすることに
よって、−層未燃Ｏ２ガスが残存しやすくなる。

■金属溶湯３に炉底部から吹き込む酸素量酸素量の大小
は二次燃焼による発生熱の総量に関わる問題であり、吹
き込み酸素量をコントロールすることによって、溶融還
元炉の金属溶湯の生産量の調整ならびに設備保護を図る
ことができる。

例えば、炉内耐火物保護方法としては、温度計１３で検
知した炉内上部の温度が上限（例えば、１８００℃）に
達すれば、コントロールパルプ１７により炉内に吹き込
む酸素量を減少して燃焼熱総量を抑制し、炉内最高温度
を低下させることができる。

なお、吹込Ｏ２ガス流速は二次燃焼率と関係しており、
従って、０．ガス流量は所定の範囲内に保つことが必要
であるが、生産量を低下させ、Ｏ２ガス流量を低下させ
る場合、羽口での０２ガス流速が低くなり過ぎる場合が
ある。これを防止するため、羽口の内の数本へは０２ガ
スを流さず、他のガス、例えばＮ２ガスを送る。これに
より羽口での０２ガス流速の極端な低下を防止できる。

■金属溶湯３内に炉底部から吹き込む酸素への不活性ガ
スの添加 酸素に不活性ガスまたは空気が添加されることにより、
酸素の反応性が低下するので、その添加量によって二次
燃焼量を調整して、金属溶湯の生産量をコントロールす
ることができる。一方、酸素に不活性ガスが添加される
ことにより絶対ガス量が増加するので、金属溶湯をより
撹拌して伝熱性を向上することができる。

なお、上記の各アクションの結果としての二次燃焼効率
を知る目安としては、ＣＯとＣＯ□の分析計１５で検知
した炉内上部のＣＯ濃度およびＣＯ２濃度を利用するこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載するような効果を奏する。

■二次燃焼用Ｏ２と被燃焼ガス（ＣＯガス）との接触・
反応が極めて効率よく行われるので、高い二次燃焼効率
を得ることができる。

■二次燃焼が主としてスラグ浴中で行われ、二次燃焼に
より発生した熱はスラグ浴に吸収され、この熱がスラグ
浴に接する金属溶湯界面を通じて金属溶湯に効率よく伝
えられる。従って、炉から排出されるガスの保有反応熱
が少なく、炉内発生熱の回収効率が極めて高い。

■二次燃焼がスラグ浴内または金属溶湯内で均一に行わ
れるため、金属溶湯が局部的に加熱されることはなく、
従って、炉内耐火物の損耗が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の実施例を示す溶融還元炉の断
面図、第３図は本発明の別の実施例に係る溶融還元炉の
断面図、第４図は金属溶湯を出るガス中に未燃Ｏ２ガス
が残存するのに必要な最大金属溶湯深さに及ぼす羽口径
と羽口吹込ガス流速の効果を示す図、第５図〜第８図は
それぞれ従来技術Ｉ〜■に係る溶融還元装置の断面図で
ある。 １・・溶融還元炉、３・・金属溶湯、４・・底吹き羽口
、１８・・上吹きＯｚランス 第１図 第３図 第２図 第４図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）金属溶湯内に金属原料と炭素含有燃料と造滓剤とＯ
   ＿２ガスを導入し、炭素含有燃料から金属溶湯内に溶解
   した炭素をＯ＿２ガスにより燃焼させて熱を得ると共に
   ＣＯガスを発生させ、そのＣＯガスをさらにＯ＿２ガス
   により二次燃焼させて熱を発生させ、それらの熱により
   金属原料を溶解精錬する方法において、金属溶湯内で一
   部のＯ＿２ガスが燃焼せずに未燃状態で金属溶湯から出
   て、この未燃Ｏ＿２ガスがスラグ内で二次燃焼を行うよ
   うに、底部付近から大径のＯ＿２ガスを吹き込むことを
   特徴とする金属精錬法 ２）上部または側部からもＯ＿２ガスを吹き込むことを
   特徴とする請求項１記載の金属精錬法 ３）金属溶湯内に金属原料と炭素含有燃料と造滓剤とＯ
   ＿２ガスを導入し、底部付近に設けた羽口より酸素を吹
   き込む金属精錬装置において、底部付近に設けた羽口が
   大径であることを特徴とする金属精錬装置 ４）上吹きＯ＿２ランスを有することを特徴とする請求
   項３記載の金属精錬装置