JPH09272910A - 鉄の溶融還元炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉄鉱石、炭材、フラックス、及び酸素ガスを
供給し、鉄鉱石を溶融還元して、溶銑及び溶融スラグを
生成する鉄の溶融還元の操業において、スロッピング、
及び異常フォーミングを予知し、その発生を未然に防止
する。 【解決手段】 操業中に溶融還元炉内の溶融スラグの見
掛け比重を測定し、溶融スラグの見掛け比重が０．５ｇ
／ｃｍ³ 以上から０．８ｇ／ｃｍ³ 未満の場合には、石
炭、コークス等の炭素含有物質を、溶融スラグの見掛け
比重が０．５ｇ／ｃｍ³ 未満の場合には、酸素との親和
力の強い金属又は金属の合金を、スラグの鎮静剤として
炉内に添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スロッピングやス
ラグの異常フォーミングの発生を予知し、これらの発生
を未然に防止した鉄の溶融還元炉の操業方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】高炉法に替わる溶銑の製造方法として、
鉄鉱石、炭材、フラックス、及び酸素ガスを供給し、鉄
鉱石を溶融状態で還元し、溶銑を得る溶融還元法の開発
が進んでいる。

【０００３】通常、溶融還元炉の操業では、鉄鉱石の還
元工程又は炭材の酸化工程で生成するＣＯガス、及び、
石炭から発生する水素ガスを、酸素ガスでＣＯ₂ ガスや
Ｈ₂Ｏガスにまで燃焼（この燃焼を、「二次燃焼」とい
う）させ、二次燃焼による発生熱を炉内の溶銑及び溶融
スラグへ着熱させ、熱効率を上げている。その際、溶銑
及び溶融スラグへの着熱効率を上げることが重要となっ
ており、その１つの方法として、炉内に３００ｋｇ／溶
銑ton 以上の多量のスラグを滞留させ、このスラグをフ
ォーミング（スラグのフォーミングとは、スラグ中にガ
スが滞留し、泡状となり、スラグ体積が増大した状態を
いう）させて、二次燃焼ガスとスラグとの接触面積を増
大させ、二次燃焼熱をスラグに効率良く着熱させてい
る。

【０００４】一方、スラグをフォーミングさせると、些
細な操業条件の変動でも、スロッピングや異常フォーミ
ングが発生する。ここでいうスロッピングとはスラグや
溶銑が突沸的に溶融還元炉々口から炉外に噴出する現象
であり、又、異常フォーミングとは、スラグが炉口より
上部のフードやダクトにまで上昇する現象である。

【０００５】溶融還元炉は炉口をフードで密閉した構造
のため、スロッピングや異常フォーミングは炉外からの
監視では検知できず、スロッピングや異常フォーミング
が起こると、設備破損による操業停止や鉄歩留りの低下
等、生産面や溶銑製造コスト面に甚大な悪影響を与え
る。そのため、スロッピングや異常フォーミングは防止
する必要がある。

【０００６】鉄の溶融還元炉において、これら現象を防
止する方法として特開平２−１５６００８号公報（以
下、「先行技術１」と記す）と、特開平４−２８９１１
０号公報（以下、「先行技術２」と記す）とに開示され
た技術がある。

【０００７】先行技術１では、溶融還元炉から発生する
ガス組成により求められる二次燃焼比を連続的に監視
し、二次燃焼比の減少によりスロッピングを予知し、予
知後直ちに送酸量の絞り込み、ランス高さの上昇、
スラグフォーミング鎮静剤の添加、粉炭の浴中への
吹き込み、のうちの１以上のアクションをとり、スロッ
ピング発生を防止している。

【０００８】先行技術２では、サブランスにてスラグレ
ベルを検知しつつ溶融還元製錬し、スロッピング発生直
後に硫化鉄を炉内に添加し、溶銑中の硫黄濃度を上昇さ
せて溶銑の表面張力を低下させ、表面張力を低下させる
ことで発生する気泡径を増大させて、フォーミングを鎮
静し、スロッピングを防止している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】先行技術１は、二次燃
焼比の低下により、スロッピング発生を予知するもので
あるが、二次燃焼比はスロッピングの前兆現象以外に
も、原料の（鉱石、炭材）の投入速度を増大した際、
送酸速度を増大させた際、ランス高さを下げた際、
底吹きガス量を増大させた際、等に急激に低下する。
これらの外乱因子による変動とスロッピングの変動とが
一致した場合は、スロッピング発生を予知できず、スロ
ッピングは発生する。特に、原料投入は連続的に行うの
で、その影響が大きい。又、二次燃焼比が低下してから
スロッピングが発生するまでの時間が短く、対策を実施
しても、防止できないことが多い。

【００１０】先行技術２は、スラグのフォーミングが過
剰となり、スロッピングが発生した後の対策であり、ス
ロッピングによる噴出量を少なくすることはできても、
スロッピングを未然に防止することはできない。又、硫
黄は鉄にとって有害な不純物であり、スラグ重量の０．
１％以上の硫化鉄の添加は、溶銑の脱硫コストの増大を
招く。

【００１１】本発明はこのような問題に鑑みなされたも
ので、鉄の溶融還元炉において、スロッピング、及び異
常フォーミングを予知し、その発生を未然に防止した、
操業方法を提案するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の鉄の溶融還元炉
の操業方法は、炉内に鉄鉱石、炭材、フラックス、及び
酸素ガスを供給し、鉄鉱石を溶融還元して、溶銑及び溶
融スラグを生成する鉄の溶融還元炉の操業方法におい
て、炉内の溶融スラグの見掛け比重を測定し、溶融スラ
グの見掛け比重が０．５ｇ／ｃｍ³ 以上から０．８ｇ／
ｃｍ³ 未満の場合には、石炭、コークス等の炭素含有物
質を炉内に添加し、スラグの見掛け比重が０．５ｇ／ｃ
ｍ³ 未満の場合には、酸素との親和力の強い金属又は金
属の合金を炉内に添加することを特徴とするものであ
る。

【００１３】鉄の溶融還元におけるスラグ組成は、一般
に、ＣａＯ及びＳｉＯ₂ を主成分とし、塩基度（＝Ｃａ
Ｏ／ＳｉＯ₂ ）が１．０〜１．４、ＭｇＯ含有量；６〜
１５ｗｔ％、Ａｌ₂ Ｏ₃ 含有量；１０〜２０ｗｔ％、Ｆ
ｅＯ含有量；３〜７ｗｔ％である。このようなスラグ組
成の場合、溶融還元炉の操業温度（１５００℃前後）で
の真比重は２．５〜３．０ｇ／ｃｍ³ である。

【００１４】溶融還元炉の操業では、熱効率を上げるた
め二次燃焼させ、この二次燃焼熱を溶融スラグ及び溶銑
に効率良く着熱するために、炉内には大量のスラグを滞
留させ、且つ、スラグをフォーミングさせている。その
ため溶融還元炉内の溶融スラグの見掛け比重は、真比重
より大幅に低い値となっており、フォーミングさせたス
ラグの見掛け比重は、０．８〜１．５ｇ／ｃｍ³ 程であ
る。尚、溶融スラグの見掛け比重とは、炉内溶銑の推定
静止湯面位置から溶融スラグの上端位置までを溶融スラ
グ厚みとして、溶融スラグの重量から求めたものであ
る。

【００１５】スロッピングや異常フォーミングは、溶銑
中の炭素量が減少して鉄が酸化され、生じたＦｅＯがス
ラグ中に移行し、これが還元されて発生するガスにより
スラグの見掛け比重が低下すると共に発生する。

【００１６】図５は、溶融スラグの見掛け比重と、スロ
ッピング発生頻度とを、図１に示す溶融還元炉において
調査した結果であるが、溶融スラグの見掛け比重が０．
８ｇ／ｃｍ³ 以下となると、スロッピングの頻度が高く
なることが判る。この理由は見掛け比重が小さくなる
と、単位体積当たりの溶融スラグの重量が軽くなるの
で、炉内のガス流に乗って容易に炉外に噴出すること、
及び、見掛け比重が小さくなると、スラグ上端位置と炉
口との距離が近くなり、操業条件の変動をより受けやす
くなるためである。

【００１７】このように、溶融スラグの見掛け比重が
０．８ｇ／ｃｍ³ 以下となると、スロッピング、及び異
常フォーミングが発生しやすくなるので、溶融還元炉で
の操業中に溶融スラグの見掛け比重を測定することで、
スロッピングや異常フォーミングの発生を予知できる、
と同時に、溶融スラグの見掛け比重が０．８ｇ／ｃｍ³
以下となった場合は、スロッピングや異常フォーミング
を未然に防止するために、炉内へスラグの鎮静剤を添加
し、溶融スラグの見掛け比重を０．８ｇ／ｃｍ³以上と
することが必要になることが判る。

【００１８】溶融スラグの見掛け比重が０．５ｇ／ｃｍ
³ 以上で０．８ｇ／ｃｍ³ 未満の場合は、石炭、コーク
ス等の炭素含有物質を炉内に添加し、炭素含有物質を溶
銑中に溶解させて溶銑中の酸素量を低下しＦｅＯの生成
を防止すると共に、炭素含有物質で溶融スラグ中のＦｅ
Ｏを還元してＦｅＯ量を減少させて、ＣＯガスの発生を
抑え、スラグ見掛け比重を０．８ｇ／ｃｍ³ 以上に戻し
てスロッピングや異常なフォーミングを抑制する。

【００１９】溶融スラグの見掛け比重が０．５ｇ／ｃｍ
³ 未満の場合は、石炭やコークス等の炭素含有物質を鎮
静剤として添加すると、炭素含有物質が溶銑に溶解し、
急激に溶銑中炭素量が上昇して、かえって溶銑中でリミ
ングアクション（リミングアクションとは、酸素と炭素
が反応してＣＯガスが発生する反応をいう）が活発とな
り、溶融スラグのフォーミングを促進してしまい、溶融
スラグの見掛け比重を更に低下させ、スロッピングや異
常フォーミングを助長することになる。

【００２０】従って、スラグの見掛け比重が０．５ｇ／
ｃｍ³ 未満の場合は、酸素との親和力が強く、且つ、溶
銑中の酸素と反応してもガスの発生しない金属又は金属
の合金を添加して、スラグ見掛け比重を０．５ｇ／ｃｍ
³ 以上に戻す。酸素との親和力の強い金属又は金属の合
金としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、及びこれら元素の合金
が最適である。

【００２１】又、溶融スラグの見掛け比重が０．８ｇ／
ｃｍ³ 以上であれば、鎮静剤の投入は不要である。鎮静
剤を投入した場合は過剰投入となり、溶融スラグのフォ
ーミングが抑制され、着熱効率が低下するので好ましく
ない。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１に示す転炉型溶融還元炉に本
発明を適用した場合の実施の形態を説明する。図１にお
いて、１は溶融還元炉の外郭をなす鉄皮、２は炉体耐火
物、３はメインランス、４はサブランス、５はサブラン
ス４の先端に取り付けたプローブ、６は投入シュート、
７は底吹き羽口、８は出銑滓孔、９は溶銑、１０は溶融
スラグ、１１は吹き込まれる酸素ガスである。

【００２３】鉄鉱石と、炭材と、フラックスとを投入シ
ュート６より、炉内に装入する。炉内には、メインラン
ス３より酸素ガス１１を吹き込み、炭材を酸素ガス１１
で燃焼して、溶銑９及び溶融スラグ１０を昇熱すると共
に、鉄鉱石、フラックスを溶融する。溶融した鉄鉱石
は、炭材及び溶銑中の炭素により還元されて、溶銑９を
生成する。鉄鉱石及び炭材中の脈石はフラックスと反応
して、溶融スラグ１０となる。フラックスを添加して、
溶融スラグ量を３００ｋｇ／溶銑ton 以上確保し、且
つ、スラグ組成が、ＣａＯ及びＳｉＯ₂ を主成分とし
て、塩基度；１．０〜１．４、ＭｇＯ；６〜１５ｗｔ
％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ；１０〜２０ｗｔ％となるように調整す
る。

【００２４】スラグ高さを測定して、溶融スラグ１０の
見掛け比重を測定する。本発明の実施の形態では、サブ
ランス４の先端にとりつけたプローブ５にてスラグ高さ
を測定した。プローブ５の先端構造を図２に示す。図２
において、１２、１３は電極端子、１４は熱電対、１５
は紙製キャップである。尚、図１と同一の符号の説明は
省略する。電極端子１２、１３間に直流電源を印加し、
電極端子１２、１３間の電圧を測定して、気相から溶融
スラグ１０、溶融スラグ１０から溶銑９へとプローブ５
が浸漬される際に、電極端子１２、１３間の電気抵抗の
変化により、気相と溶融スラグ１０との境界、及び溶融
スラグ１０と溶銑９との境界を測定するものであり。本
出願人が特願平６−１８５０００号として出願した構成
のプローブである。

【００２５】溶融還元炉では、溶融還元が進行すると共
に、溶銑９及び溶融スラグ１０量は増加し、所定量の溶
銑９が生成すると、出銑滓孔８より溶銑９と溶融スラグ
１０を排出する。

【００２６】本発明を適用するには、予め操業中の炉内
溶銑９の推定静止湯面位置、及び、見掛け比重が０．５
ｋｇ／ｃｍ³ と０．８ｋｇ／ｃｍ³ の場合の溶融スラグ
１０の上端位置を推定しておくことが望ましい。図３は
溶銑９及び溶融スラグ１０が溶融還元炉内で増加するよ
うすを模式的に示したものである。

【００２７】図３において、直線ａ₁ −ａ₂ は溶銑の生
成速度により炉内の溶銑９の推定静止湯面位置の推移を
示したもので、溶銑９の比重を６．８ｇ／ｃｍ³ とし、
炉腹内径から算出することができる。溶銑９の生成速度
は、鉄鉱石の添加速度と送酸量とで決定される。尚、ａ
₁ の高さは出銑滓孔８位置と一致する。

【００２８】溶融スラグ１０の生成速度も鉄鉱石、炭
材、及びフラックスの添加速度から算出することができ
る。図３において直線ｂ₁ −ｂ₂ は、出銑滓後の炉内の
残留スラグ量とスラグ生成速度と炉腹内径とから、溶融
スラグ１０の見掛け比重を０．８ｇ／ｃｍ³ として、ス
ラグ高さの推移を算出したものである。同様に直線ｃ₁
−ｃ₂ は、溶融スラグ１０の見掛け比重を０．５ｇ／ｃ
ｍ³ とした場合のスラグ高さの推移を算出したものであ
る。

【００２９】図３において、直線ａ₁ −ａ₂ と直線ｂ₁
−ｂ₂ との範囲を「スラグ高さＩ」、直線ｂ₁ −ｂ₂ と
直線ｃ₁ −ｃ₂ との範囲を「スラグ高さII」、直線ｃ₁
−ｃ ₂ 以上の範囲を「スラグ高さIII」とすると、「ス
ラグ高さＩ」は溶融スラグ１０の見掛け比重が０．８ｇ
／ｃｍ³ 以上、「スラグ高さII」は溶融スラグ１０の見
掛け比重が０．５ｇ／ｃｍ³ 以上で０．８ｇ／ｃｍ³ 未
満、「スラグ高さIII」は溶融スラグ１０の見掛け比重
が０．５ｇ／ｃｍ³ 未満となる。

【００３０】溶融還元の操業中に、サブランス４に取り
付けたプローブ５にて、溶融スラグ高さを測定して、溶
融スラグ高さが、「スラグ高さII」の範囲となった場合
は、溶融スラグ１０の見掛け比重を０．８ｇ／ｃｍ³ 以
上とするために、炭素含有物質を添加する。炭素含有物
質は、石炭、コークス、タール等である。炭素含有物質
の投入速度を、炭素純分量で１．０〜２．５ｋｇ／溶銑
ton ・min として、総添加量を炭素純分量で３０〜７５
ｋｇ／溶銑ton とすると、スラグの鎮静効果が大きいの
で望ましい。

【００３１】溶融スラグ高さが、「スラグ高さIII」の
範囲となった場合は、溶融スラグ１０の見掛け比重を
０．５ｇ／ｃｍ³ 以上とするために、酸素との親和力の
強い金属又は金属の合金を鎮静剤として添加する。鎮静
剤としてＦｅ−Ｓｉ合金を使用する場合は、Ｆｅ−Ｓｉ
合金（Ｓｉ；７５ｗｔ％）を０．３〜５．０ｋｇ／溶銑
ton を一括投入する、又、Ａｌを使用する場合には、Ａ
ｌを０．２３〜３．８３ｋｇ／溶銑ton 一括投入するこ
とがスラグの鎮静効果が大きいので望ましい。

【００３２】以上のようにして、本発明を適用する。ス
ラグ高さの測定は本実施の形態では、サブランス４先端
のプローブ５に取り付けた電極端子間の電圧変化から測
定する方法で行ったが、本発明はこの方法に限るもので
はなく、マイクロ波を利用したスラグ高さ検出法でも、
又、その他の測定方法により行うことも本発明の適用に
何ら支障とならない。

【００３３】

【実施例】図１に示す転炉型溶融還元炉を使用した鉄の
溶融還元の操業方法における、本発明の実施例を説明す
る。この溶融還元炉における設備及び操業に関する諸元
は以下の通りである。

【００３４】 炉内高さ ； ９．３ｍ 炉腹内径 ； ３．７ｍ 炉底から出銑滓孔までの高さ ； ０．５５ｍ 製錬速度 ； 溶銑生成速度 ２１トン／ｈｒ ； スラグ生成速度 ３．７トン／ｈｒ 底吹きガス量 ； １０００Ｎｍ³ ／ｈｒ

【００３５】最初に溶融還元炉内に種湯として溶銑を４
０トン、フラックスとして高炉スラグを３０トン装入し
た。そしてメインランスから酸素を７０００Ｎｍ³ ／ｈ
ｒで炉内に吹き込みながら、昇熱材としてＦｅ−Ｓｉ合
金を添加して、スラグ温度が１５００℃前後になったこ
とを確認した後、鉄鉱石、石炭、及び焼石灰を添加し、
メインランスから酸素を１０６００Ｎｍ³ ／ｈｒとし、
溶融還元を開始した。鉄鉱石は予備還元炉にて予め予備
還元されたものである。そして２時間毎に出銑滓孔を図
示せぬ開孔機にて開孔し、溶銑４２トンと溶融スラグ
７．４トンを出銑滓孔から排出した。排出後、図示せぬ
マッドガンにて、出銑滓孔にマッド材を挿入し排出を停
止した。尚、この時のスラグの塩基度は１．２、Ｃａ
Ｏ；３２ｗｔ％、ＳｉＯ₂ ：２７ｗｔ％、ＭｇＯ：１２
ｗｔ％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：１３ｗｔ％であった。

【００３６】溶融還元炉内の溶銑の湯面上昇速度を、溶
銑の生成速度２１トン／ｈｒ、溶銑比重６．８ｇ／ｃｍ
³ 、及び炉腹内径３．７ｍから算出すると、２９ｃｍ／
ｈｒとなる。

【００３７】又、初期スラグ量３０トンと、スラグ生成
速度３．７ton ／ｈｒと、炉腹内径３．７ｍとから、溶
融スラグの見掛け比重が０．８ｇ／ｃｍ³ の場合でのス
ラグ体積からスラグ高さを求めると、出銑滓直後は３４
９ｃｍ、２時間後は４３５ｃｍとなり、炉底からの高さ
は、溶銑の推定静止湯面位置を加えた高さとなり、出銑
滓直後は４０４ｃｍ、２時間後は５４８ｃｍとなる。同
様に、スラグの見掛け比重が０．５ｇ／ｃｍ³ の場合で
の、スラグ高さを求めると、出銑滓直後は５５８ｃｍ、
２時間後は６９６ｃｍとなり、炉底からの高さは、出銑
滓直後は６１３ｃｍ、２時間後は８０９ｃｍとなる。こ
れを図示すると図４が得られる。

【００３８】溶融還元炉内のスラグ高さは、サブランス
に取り付けた測定プローブにて測定した。測定したスラ
グ高さが、図４の「スラグ高さII」の範囲の場合は石炭
を添加し、「スラグ高さIII」の範囲の場合は、Ａｌ又
はＦｅ−Ｓｉ合金を一括添加した。添加量の平均は、石
炭（固定炭素量８５ｗｔ％）の場合は、炭素純分量で
１．５ｋｇ／溶銑ton ・min として、総添加量を炭素純
分量で５０ｋｇ／溶銑ton 、Ｆｅ−Ｓｉ合金の場合は
２．５ｋｇ／溶銑ton 、Ａｌの場合は２．０ｋｇ／溶銑
ton であった。尚、ＡｌとＦｅ−Ｓｉ合金とで、スラグ
鎮静効果には差が見られなかった。

【００３９】５日間の連続操業に本発明を適用した結
果、期間中スロッピング、及び、異常フォーミングとも
全く発生することがなかった。従来の操業では、平均で
スロッピングは１．５日間に１回発生していたので、本
発明の効果は甚大である。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、溶融スラグの見掛け比
重を測定することで、スロッピング、及び異常フォーミ
ングの予知が可能となり、且つ、スラグの見掛け比重に
応じて、鎮静剤として、ガスを発生する炭素含有物質
と、ガスを発生しない金属及び合金とを分別して使用す
ることにより、時間的余裕をもって、スロッピングや異
常フォーミングの発生を防止でき、溶融還元炉の操業を
円滑にすることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した転炉型溶融還元炉の模式図で
ある。

【図２】本発明を適用するにあたり、炉内のスラグ高さ
を測定したプローブの先端構造を模式的に示した図であ
る。

【図３】溶融還元炉内で、溶銑及び溶融スラグが増加す
るようすを、溶融スラグの見掛け比重を０．５ｇ／ｃｍ
³ 、及び０．８ｇ／ｃｍ³ として、模式的に示した図で
ある。

【図４】本発明の実施例において、溶融還元炉内の溶銑
及び溶融スラグが増加するようすを、溶融スラグの見掛
け比重を０．５ｇ／ｃｍ³ 、及び０．８ｇ／ｃｍ³ とし
て、模式的に示した図である。

【図５】スロッピング発生頻度に及ぼす溶融スラグの見
掛け比重の影響を調査した結果を示す図である。

【符号の説明】

１；鉄皮 ２；炉体耐火物 ３；メインランス ４；サブランス ５；プローブ ６；投入シュート ７；底吹き羽口 ８；出銑滓孔 ９；溶銑 １０；溶融スラグ １１；酸素ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 裕法 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉内に鉄鉱石、炭材、フラックス、及び
   酸素ガスを供給し、鉄鉱石を溶融還元して、溶銑及び溶
   融スラグを生成する鉄の溶融還元炉の操業方法におい
   て、炉内の溶融スラグの見掛け比重を測定し、溶融スラ
   グの見掛け比重が０．５ｇ／ｃｍ³ 以上から０．８ｇ／
   ｃｍ³ 未満の場合には、石炭、コークス等の炭素含有物
   質を炉内に添加し、溶融スラグの見掛け比重が０．５ｇ
   ／ｃｍ³未満の場合には、酸素との親和力の強い金属又
   は金属の合金を炉内に添加することを特徴とする鉄の溶
   融還元炉の操業方法。