JP5087955B2 - 溶融還元方法 - Google Patents

Description

本発明は、転炉等の鉄浴型溶融還元炉にて金属酸化物や酸化物系鉱石の粉体または粒体を還元して金属溶湯を得る溶融還元方法に関するものである。

高価な合金鉄の代わりに安価な鉱石（たとえばクロム鉱石）を、炭材（たとえばコークス等）とともに転炉等の鉄浴型溶融還元炉に装入して、鉱石を炉内で溶融還元することによって有価金属（たとえばクロム等）を含有する溶湯を溶製する技術は、溶融還元法と呼ばれている。溶融還元法では粒径の小さい粉粒状の鉱石が使用されるが、その鉱石中の有価金属を溶湯として回収するためには、大規模な還元反応を生起させる大量の熱エネルギーを必要とする。

溶融還元法の熱源は、炉内に酸素（Ｏ₂）を供給することによって、炉内に装入された炭材を燃焼（いわゆる一次燃焼）させて得られる熱エネルギーと、一次燃焼によって発生する一酸化炭素（ＣＯ）をさらに燃焼（いわゆる二次燃焼）させて二酸化炭素（ＣＯ₂）を生成することによって得られる熱エネルギーと、が使用される。有価金属を含有する溶湯の溶製コストを削減するために安価な鉱石の装入量を増加すると、大量の熱エネルギーが消費されるので、一次燃焼と二次燃焼を促進する必要がある。

一次燃焼と二次燃焼を促進するためには、炉内に供給するＯ₂量を増加することが有効である。しかしＯ₂の供給量を増加することは上吹きランスから供給される酸化性ガスの流量を増加させることを意味しており、ダストの発生量の増加による有価金属の歩留りの低下等の問題を引き起こす。また、ＣＯやＣＯ₂の発生量が増加するので炉内の上昇気流の風量も増大し、粉粒状の鉱石を炉内に装入することが困難になる。

このような問題点を解決するために、鉄浴型溶融還元炉の軸心上に設置された上吹きランスとは別に、粉粒状の鉱石を炉内に装入する鉱石装入ランスを設置する溶融還元法が提案されている。この技術は、鉱石の添加歩留りの向上を可能にしたものである。
特開平2-104608号公報 特開平5-171235号公報 特開平1-96314号公報 特開昭60-208409号公報 特開2002-139212号公報 特開2003-172584号公報

上記のような上吹きランスと鉱石装入ランスを個別に設置する技術は、鉱石の安定供給、歩留り向上を可能にしたが、鉱石装入量の増加に対応するためには下記のような問題点が残されていた。
溶融還元法にて安価な鉱石を大量に使用するにあたって、大規模な還元反応のため大量の熱エネルギーが必要であることは既に説明した。

まず、一次燃焼を促進して発熱量を増加するためには、Ｏ₂の供給量を増加することが有効である。ところがＯ₂は酸化性ガスとして大部分が上吹きランスから炉内に供給されるので、Ｏ₂の供給量を増加（すなわち酸化性ガスの供給量を増加）すると、ダストの発生量が増加する。ダストには粉粒状の鉱石が含まれており、ダスト発生量の増加は、炉内に装入された鉱石が炉外に放出されることを意味している。

したがってＯ₂供給量を増加すると、鉱石から回収される有価金属の歩留りが低下し、しかも環境汚染の防止やダストの処理に多大な費用を要する。また、Ｏ₂供給量を増加するためには酸化性ガスの流速を増速しなければならないので、二次燃焼の効率が低下し、熱エネルギーの大幅な増加は期待できない。
次に、二次燃焼を促進するためには、上吹きランスの先端位置（以下、ランス高さという）を上昇させる、あるいは上吹きランスの先端部から噴射される酸化性ガスの流速を低下させる等の方法がある。しかし二次燃焼の燃料となるＣＯは比較的燃焼しにくいので、これらの方法を採用しても、二次燃焼の大幅な促進は期待できない。

そこで特許文献１には、水素原子（Ｈ）を含む物質を炉内に吹き込んでＨを燃焼させ、Ｈの燃焼熱を加えて総発熱量を増加する技術が開示されている。この技術では、炉内の総発熱量を増加させて、鉱石使用量の増加に対応することが可能となる。しかし、Ｈは全て炉内の溶湯近傍で燃焼するとは限らず、Ｈの一部が未燃焼のまま炉外へ排出されたり、あるいは炉内の上部空間で燃焼する。その結果、溶湯への着熱が減少し、しかも耐火物の溶損を助長する惧れがある。

また特許文献２、３、４には、燃料となる石炭粉とともに鉱石を炉内に装入する技術が開示されている。特許文献２、３は、単に石炭の歩留りを高めるための技術である。特許文献４は、上吹きランスから酸化性ガスとともに鉱石と石炭粉を吹き込むものである。この特許文献４に開示された技術は、炉内に吹き込んだ石炭の一部を燃料として上吹きランスから火炎を発生させ、その火炎の中を鉱石が通過するように装入する。しかし石炭は、他の固体燃料（たとえばプラスチック等）、気体燃料（たとえばプロパン、Ｃガス等）、液体燃料（たとえば重油等）と比べて着火しにくいので、火炎が不安定になるという問題が生じる。なおＣガスとは、コークス炉から発生するガスを指す。

また、鉱石等の粉体、粒体をバーナー火炎を介して溶融金属やスラグ等に供給する粉体吹込み装置（以下、バーナーランスという）として特許文献５や特許文献６に記載されたものが存在する。特許文献５に開示されたバーナーランスは、中心部から外周部に向かい、気体燃料用ノズル、一次酸素ガスノズルおよび粉体噴出用ノズルが同心円状に配置されている。また特許文献６に開示されたバーナーランスは、粉体を供給する粉体供給管の外周側に支燃性流体を供給する支燃性流体供給管が設けられた多重管構造を有し、これら供給管の隙間が支燃性流体流路となり、粉体供給管と支燃性流体供給管の先端部には支燃性流体流路が先端方向に向けて徐々に広くなるように形成されたテーパー部が設けられ、これらテーパー部より基端側に比較的狭いスロート部が形成されている。

特許文献５のバーナーランスの構造では、粉体噴出用ノズルが円環状になっており、均一に微細な粉体等を供給したり粉体供給量が少ない場合は、そのバーナーランスでも粉体の加熱あるいは溶融することは可能である。しかしながら特許文献５のバーナーランスは、鉱石等稀に粗大な粒子が存在する場合や、それら粒子を大量に供給する場合は、粉体噴出用ノズルの間隙が狭いので、ノズル詰り等の操業トラブルが懸念される。また、このように粉体噴出用ノズルの間隙が狭い場合において、粉体を大量に供給するためには粉体をガス輸送によって高速で供給せねばならず、粉体が通過する間隙の部材やノズル先端が粉体によって磨耗する惧れがある。

特許文献６のバーナーランスの構造は、円形状の粉体供給ノズルがバーナーランスの中心に配置されている。これは特許文献５の粉体噴出用ノズルと比較すると、粉体供給ノズルの断面積が大きくなるので、ノズル詰り等のトラブルは殆どなくなると推定される。しかしながら特許文献６の粉体供給ノズルの外周部に配置されている支燃性流体ノズルの形状がいわゆるラバールノズルとなっており、支燃性流体が超音速で噴出される。これは供給する粉体の流速を高め、粉体を効率良く吹込むためである。ところが粉体の流速が増加すると、バーナー火炎内の滞留時間が短くなるので、供給される粉体が十分に加熱されない。また、バーナーの燃料や支燃性ガスの流速が大きくなると、燃料と支燃性ガスの混合が促進されるので、火炎が短くなり、バーナー火炎内の粉体の滞留時間が短くなることが懸念される。

本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、耐火物の溶損を助長することなく、炉内での総発熱量を増加させることによって、安価な鉱石の使用量を増加できる溶融還元方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、小型試験転炉を用いて種々の観点から溶融還元法の研究を重ねた。その結果、燃料の燃焼位置に応じて、炉内の総発熱量や溶湯への着熱効率が変化することを見出した。つまり、燃料が燃焼する火炎の中を鉱石が通過するように装入することによって、燃料の発熱量を効率良く鉱石に伝達すれば、溶融還元法における鉱石の使用量を増加できる。

本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、鉄浴型溶融還元炉の軸心上に設置された酸化性ガスを供給する上吹きランスとは別に、粉粒状の鉱石又は金属酸化物を鉄浴型溶融還元炉内に装入する鉱石装入ランスを設置し、鉱石装入ランスの先端部に中心部から外周部に向かい、鉱石又は金属酸化物の粉体を噴出する粉体用ノズル、気体燃料用ノズルおよび酸素ガスノズルを同心円状に配置し、粉体用ノズルの形状を円形とし、かつ気体燃料用ノズルおよび酸素ガスノズルの形状を円環状としたバーナーを設け、そのバーナーから発生する火炎の中を通過するように鉱石又は金属酸化物を鉄浴型溶融還元炉内に装入する溶融還元方法である。

本発明の溶融還元方法においては、燃料としてプロパンガスやＣガス等の気体燃料、重油等の液体燃料およびプラスチック等の固体燃料のうちの１種または２種以上を使用することが好ましい。また、粉粒状の鉱石がクロム鉱石であることが好ましい。

さらに本発明の溶融還元方法においては、使用する燃料の発熱量をＱとし、粉粒状の鉱石又は金属酸化物の装入速度をＳとし、粉粒状の鉱石又は金属酸化物の粒径をＲ（μｍ）として、Ｓ／Ｑ値（kg／MJ）が下記の式を満足することが好ましい。
Ｓ／Ｑ≧0.1×Ｒ^0.2

また本発明の溶融還元方法においては、使用する燃料の発熱量をＱとし、粉粒状の鉱石又は金属酸化物の装入速度をＳとして、Ｓ／Ｑ値が0.3kg／MJ以上であることが好ましい。

本発明によれば、溶融還元法において、ダストの発生や耐火物の溶損を助長することなく、炉内に装入される鉱石に燃料の燃焼熱を効率良く伝達することによって溶湯への着熱効率を向上することができるので、安価な鉱石を大量に使用することが可能となる。

以下に本発明を具体的に説明する。
二次燃焼は炉内の上部空間で生じるので、溶湯の内部や表面近傍で生じる一次燃焼と比べて、溶湯への着熱効率（＝溶湯着熱量／総発熱量）が低い。しかしながら二次燃焼が促進されると、炉内の総発熱量が増加するので、溶融還元法における鉱石の装入量を増加するために二次燃焼は不可欠である。一方で、二次燃焼が促進されてその発熱量が増加すると、溶湯への着熱効率が低下するので、耐火物に吸収される熱量が増大して、耐火物の溶損が助長される。

また、二次燃焼を促進するためには、ランス高さを上昇させる、あるいは上吹きランスから噴射される酸化性ガスの流速を低下させる等の方法があるが、いずれも十分な効果は得られないという状況は既に説明した通りである。
そこで本発明者らは、特許文献１に着目し、炉内の総発熱量を増加するとともに溶湯への着熱効率を高める技術について詳細に検討した。その結果、特許文献１に開示された技術は、
(a)燃料を炉内で燃焼させるので、二次燃焼の促進による発熱量の増加と同様の効果しか得られない、
(b)燃料が全て炉内で燃焼するとは限らず、未燃焼の燃料が炉外へ放出される
等の問題点を有することが分かった。

これらの問題点を解決するためには燃料を効率良く燃焼させる必要があるので、本発明者らは図２に示す装置を用いて燃焼実験を行なった。図２は、上吹きランス５、鉱石装入ランス６、燃料噴射ランス13を各々個別に設置して、酸化性ガス10に含まれるＯ₂で燃料12を燃焼させながら鉱石又は金属酸化物（以下、鉱石11という)を装入する装置を模式的に示す断面図である。なお、上吹きランス５は炉体１の軸心上に設置した。

図２に示す装置を用いて燃焼実験を行なった結果、燃料の燃焼効率が高められて発熱量が増加する一方、溶湯３への着熱効率は低下した。そのため、炉体１の耐火物の熱負荷が増大し、耐火物の溶損が著しくなった。
そこで本発明者らは、炉内に装入される粉粒状の鉱石11への着熱効率を高めるために、鉱石11が火炎の中を通過して炉内へ装入されるように改造した図１に示す装置を用いて燃焼実験を行なった。これが本発明の溶融還元方法の実証テストである。図１に断面図として示す装置では、鉱石装入ランス６の先端部に鉱石11が炉内に装入される流通孔を設ける。さらに鉱石装入ランス６の先端部には、燃料12とＯ₂を炉内に吹込む噴射孔（以下、バーナーという）が設けられる。そして、そのバーナーからＯ₂と燃料を炉内に吹込み、バーナーから発生する火炎の中を鉱石11が通過して炉内へ装入される。なお、上吹きランス５は炉体１の軸心上に設置した。

図１に示す装置を用いて燃焼実験を行なった結果、鉱石11への着熱効率を高められて、溶湯３への着熱効率も向上した。そのため、鉱石11の装入量を大幅に増加することができた。
つまり本発明によれば、安価な鉱石11を大量に使用するにあたって、上吹きランス５から供給される酸化性ガス10の流量（すなわちＯ₂の供給量）を増加することなく、溶湯への着熱効率を向上することができる。したがって、ダストの発生や耐火物の溶損を抑制できる。

図３は、実施例に係る鉱石装入ランス６の例を示す断面図である。図３に示すように、中心部から外周部に向かい、粉体を噴出する粉体用ノズル14、気体燃料ノズル15、酸素ガスノズル16が同心円状に配置されている。また、粉体噴出ノズル2aの形状を円形とし、かつ気体燃料ノズル15および酸素ガスノズル16の形状が円環状になっている。なお、バーナーの溶損等を防止するために、冷却水が循環供給される冷却水循環路17が設けられる。

本発明では、気体燃料ノズル15の外周部に酸素ガスノズル16が設置されており、燃料と酸素ガスの接触面積が大きいので、バーナー火炎が安定し、かつ火炎の長さが長くなる。また、粉体用ノズル14の内径を大きくすることによって、粉体流速を低速にし、大量の粉体を供給することが可能となる。

＜実施例１＞
図１に示す上底吹き転炉（容量５ton）の炉体１に溶湯２（すなわち溶銑４ton）を収容して、下記の手順でクロム鉱石の溶融還元を行なった。炉体１の他は、上吹きランス５を炉体１の軸心上に設置し、さらに鉱石装入ランス６を個別に設置した。鉱石装入ランス６の先端部に鉱石11が炉内に装入される流通孔を設ける。さらに鉱石装入ランス６の先端部には、燃料12とＯ₂を炉内に吹込むために図３に示すバーナーが設けられる。燃料12はＯ₂によって燃焼し、バーナーから火炎が発生する。鉱石11は、その火炎の中を通過して炉内に装入される。

上吹きランス５から供給される酸化性ガスの流量をＯ₂量に換算して15Ｎｍ³／min、底吹きプラグ４から供給される酸化性ガスの流量をＯ₂量に換算して５Ｎｍ³／minとして吹錬を開始した。その後、コークスを適宜添加しながら、溶湯２を1600℃まで昇温して、鉱石装入ランス６から粉粒状の鉱石11（すなわちクロム鉱石）の装入を開始するとともに、鉱石装入ランス６の先端部に設けたバーナーから燃料12（すなわちＣガス）とＯ₂とを炉内に吹込んで、溶融還元を行なった。

このようにして溶融還元を行ないながら溶湯２の温度を測定し、溶融還元に好適な1600℃を維持するように、鉱石11の装入速度を調整した。所定の時間（＝60分）が経過した後、鉱石11、燃料12、Ｏ₂の供給を停止し、鉱石装入ランス６を上昇させた。このようにして上吹きランス５および底吹き羽口４から供給される酸化性ガス10のみで吹錬を３分間継続した。これを発明例とする。

一方、比較例１として、図２に示すような上吹きランス５、鉱石装入ランス６、燃料噴射ランス13を各々個別に設置した装置を用いて溶融還元を行なった。その他の条件は発明例と同じであるから説明を省略する。
比較例２として、図２に示す装置の燃料噴射ランス13を使用せず、燃料12の供給を停止して溶融還元を行なった。

発明例および比較例１、２の方法で溶融還元を行なったときの総発熱量、溶湯２への着熱効率、鉱石12（すなわちクロム鉱石）の総装入量は表１に示す通りである。なお表１では、比較例２のデータを100とする指数を用いて示す。

表１から明らかなように、クロム鉱石の総装入量が多く、かつ溶湯２への着熱効率も向上している。したがって本発明によれば、炉内に装入される鉱石12への着熱効率を高めることによって、溶湯２への着熱効率も向上できる。その結果、安価な鉱石を大量に使用するが可能となり、しかもダストの発生や耐火物の溶損を抑制できる。

＜実施例２＞
実施例１と同様に、図１に示す上底吹き転炉（容量５ton）の炉体１に溶湯２（すなわち溶銑４ton）を収容して、クロム鉱石の溶融還元を行なった。溶融還元の操業は実施例１と同じであるから説明を省略する。ただし溶融還元の操業は、燃料12の発熱量Ｑと鉱石11の添加速度Ｓから算出されるＳ／Ｑ値を表２に示すように変化させて10回（記号Ａ〜Ｊ）行なった。

それぞれの操業における燃料12の燃焼熱の溶湯２への着熱効率は表２に示す通りである。着熱効率は、Ｓ＝０の操業（記号Ｂ）における着熱効率を１とする指数を用いて示す。また表２には、排ガス温度指数を併せて示す。排ガス温度指数は、実施例１で行なった比較例２の操業（すなわち燃料吹き込みのない操業）における排ガス温度との差である。

表２に示すＳ／Ｑ値と着熱効率指数、排ガス温度指数との関係を、それぞれ図４、５に示す。図４から、Ｓ／Ｑ値が増加するに連れて着熱効率指数が増加することが分かる。また図５から、Ｓ／Ｑ値が0.3kg／MJ以上で排ガス温度指数がほぼ一定となり、燃料吹き込みのない操業と同等の排ガス温度を維持できることが分かる。排ガス温度の上昇は耐火物の溶損を助長することが知られており、燃料吹き込みのない操業と同等の排ガス温度を維持すれば、耐火物の溶損を抑制できる。

つまり、Ｓ／Ｑ値が0.3kg／MJ以上であれば、耐火物の溶損を抑制し、かつ燃料の燃焼熱を効率良く溶湯へ着熱させることが可能である。
＜実施例３＞
実施例１および実施例２と同様に、図１に示す上底吹き転炉（容量５ton）を用いてクロム鉱石の溶融還元を行なった。溶融還元の操業は実施例１および実施例２と同じであるから説明を省略する。ただし実施例１および実施例２で使用した鉱石の平均粒径は一般的に用いられる200μｍであるのに対して、実施例３では平均粒径を150μｍ、50μｍ、５μｍの３種類とした。

それぞれの操業における結果は表３に示す通りである。表３中のＡ〜Ｊは実施例２と同一のものである。

ここで図７から、排ガス温度指数が燃料吹き込みのない操業と同等の排ガス温度指数（すなわち15以下）になるＳ／Ｑ値を、各鉱石粒子径ごとに推算した。鉱石の粒子径と排ガス温度指数が15以下になるＳ／Ｑ値との関係を図８に示す。図８から明らかなように、Ｓ／Ｑ値が0.1×Ｒ^0.2 以上であれば、排ガス温度指数が15以下（すなわち燃料吹き込みのない操業と同等の排ガス温度指数）になり、耐火物の溶損を抑制し、かつ燃料の燃焼熱を効率良く溶湯へ着熱させることが可能である。

本発明を適用する装置を模式的に示す断面図である。 比較のために使用した実験装置を模式的に示す断面図である。 実施例に係る粉体供給バーナーの例を示す断面図である。 Ｓ／Ｑ値と着熱効率指数との関係を示すグラフである。 Ｓ／Ｑ値と排ガス温度指数との関係を示すグラフである。 Ｓ／Ｑ値と着熱効率指数との関係に及ぼす鉱石粒径の影響を示すグラフである。 Ｓ／Ｑ値と排ガス温度指数との関係に及ぼす鉱石粒径の影響を示すグラフである。 鉱石粒径と排ガス温度指数が15以下になるＳ／Ｑ値との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 炉体
２ 溶湯
３ スラグ
４ 底吹き羽口
５ 上吹きランス
６ 鉱石装入ランス
７ Ｏ₂配管
８ 鉱石配管
９ 燃料配管
10 酸化性ガス
11 鉱石
12 燃料
13 燃料噴射ランス
14 粉体用ノズル
15 気体燃料用ノズル
16 酸素ガスノズル
17 冷却水循環路

Claims (5)

1. 鉄浴型溶融還元炉の軸心上に設置された酸化性ガスを供給する上吹きランスとは別に、粉粒状の鉱石又は金属酸化物を前記鉄浴型溶融還元炉内に装入する鉱石装入ランスを設置し、前記鉱石装入ランスの先端部に中心部から外周部に向かい、鉱石又は金属酸化物の粉体を噴出する粉体用ノズル、気体燃料用ノズルおよび酸素ガスノズルを同心円状に配置し、前記粉体用ノズルの形状を円形とし、かつ前記気体燃料用ノズルおよび前記酸素ガスノズルの形状を円環状としたバーナーを設け、当該バーナーから発生する火炎の中を通過するように前記鉱石又は金属酸化物を前記鉄浴型溶融還元炉内に装入することを特徴とする溶融還元方法。
2. 請求項１において、燃料としてプロパンガスやＣガス等の気体燃料、重油等の液体燃料およびプラスチック等の固体燃料のうちの１種または２種以上を使用することを特徴とする溶融還元方法。
3. 請求項１または２において、粉粒状の鉱石がクロム鉱石であることを特徴とする溶融還元方法。
4. 請求項１〜３のいずれかで使用する燃料の発熱量をＱとし、粉粒状の鉱石又は金属酸化物の装入速度をＳとして、Ｓ／Ｑ値が0.3kg／MJ以上であることを特徴とする溶融還元方法。
5. 請求項１〜４のいずれかで使用する燃料の発熱量をＱとし、粉粒状の鉱石又は金属酸化物の装入速度をＳとし、粉粒状の鉱石又は金属酸化物の粒径をＲ（μｍ）として、Ｓ／Ｑ値（kg／MJ）が下記の式を満足することを特徴とする溶融還元方法。
   Ｓ／Ｑ≧0.1×Ｒ^0.2

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