溶融還元炉の操業方法
【課題】炭素系固体還元材の充填層を有し、上段羽口と下段羽口とからなる上下２段の羽口を備えた竪型溶融還元炉を用いて粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元するために、竪型溶融還元炉での発生ガスを用いて加熱した酸素を富化した空気を羽口から吹き込み、上段羽口から金属酸化物含有原料を吹き込む溶融還元炉の操業方法で、再立ち上げ開始から通常操業に戻るまでの、再立ち上げに要する時間を従来以上に短縮できる、溶融還元炉の操業方法を提供すること。
【解決手段】溶融還元炉への空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後の、羽口からの空気の吹き込みを再開以降、金属酸化物含有原料の吹込みを再開するまでの期間において、下段羽口から吹き込む空気よりも高酸素濃度で、上段羽口から酸素富化した空気を吹き込み、且つ、上段羽口からの送風の酸素富化の開始が下段羽口からの送風の酸素富化の開始よりも早期とする溶融還元炉の操業方法を用いる。
【解決手段】溶融還元炉への空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後の、羽口からの空気の吹き込みを再開以降、金属酸化物含有原料の吹込みを再開するまでの期間において、下段羽口から吹き込む空気よりも高酸素濃度で、上段羽口から酸素富化した空気を吹き込み、且つ、上段羽口からの送風の酸素富化の開始が下段羽口からの送風の酸素富化の開始よりも早期とする溶融還元炉の操業方法を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉の排ガス中から回収される製鋼ダストや鋼の圧延後の酸洗工程から回収される酸洗スケール等の金属酸化物を含有する粉粒状原料を溶融還元して溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元して金属を回収する手段として、炭素系固体還元材の充填層に高温の酸素富化空気を吹き込む羽口を少なくとも上下２段に設けた竪型炉タイプの溶融還元炉を用い、羽口の少なくとも上段から粉粒状の金属酸化物含有原料を吹き込み、溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
一方で、転炉の排ガス中から回収される製鋼ダストや、鋼の圧延後の酸洗工程から回収される酸洗スケール等は、非常に微細粒度を有し不整形な粒子であり、またスラリー状態で回収されるので、このような原料を溶融還元する場合は、適切な前処理が必要となる。特に、ステンレス鋼等を転炉で精練するときに生じるガス中の微細粉末は、非常に微細な粒子であるため、スラリー状態で湿式回収せざるを得ない。このような転炉の廃ガス中から回収される製鋼ダストや、鋼の圧延後の酸洗工程から生じる酸洗スケール等を効率よく溶融還元する方法として、ダストスラリーを濃縮し、噴霧乾燥し、物理凝集球状微粉を製造して、コークス充填層を有し、２段羽口を備えた竪型溶融還元炉の上段羽口から、成粒した製鋼ダスト等を吹き込み、これを溶融還元する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
特に、Ｃｒ、Ｎｉを含有するステンレス系ダストを溶融還元し、再度ステンレスの材料としてリサイクルする場合としては、例えば、まずスラリー状のダストを粗細粒分離して、粒径を０．５ｍｍ以下とした後、スラリー濃度５０ｍａｓｓ％程度まで濃縮してから乾燥成粒工程を経て、炉内吹き込み用高圧容器にて加圧し、炉体との圧力差により上、下段ある羽口の上段から炉内に吹き込む。上下２段の羽口からは、高温の空気又は酸素富化空気が炉内に吹き込まれ、炉内にコークス燃焼によるレースウエイを形成する。
【０００５】
上段羽口では、７００℃程度に加熱された空気（エアー）を吹き込む。炉内でのステンレス系ダストはコークスの燃焼熱により溶融し、炉内を滴下する。一方、下段羽口でも上段羽口と同様にしてコークスを燃焼させるが、上段と異なるのは炉内を滴下してくる酸化鉄や酸化Ｃｒを還元する役割があることである。すなわち、上段羽口ではステンレスダストの溶融、下段羽口では溶融した滴下物の還元が主な役割となっている。
【０００６】
特に高Ｃｒのステンレスダストの還元には、より高温が必要なため、通常は下段羽口の酸素濃度を高くした操業を行なうが、一方で、ダスト吹き込みランス先端や羽口先端のダスト粉付着を防止するために、上段羽口の酸素濃度を高くした操業を行なう場合も有る。また一方で、コークス比の削減のために上段羽口の酸素富化量を少なくする操業が行われる場合もある。
【０００７】
上記のような通常操業の際には、炉内で発生したガスは高カロリーの炉頂発生ガスとして回収し、羽口からの吹き込み空気の昇温に使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２４７０３２号公報
【特許文献２】特開平５−３３１５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように羽口を少なくとも上下２段に設けた竪型溶融還元炉で、炉頂発生ガスを羽口からの吹き込み空気の昇温に使用する場合、メンテナンス等のために竪型溶融還元炉の羽口からの空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを一時的に停止して、その後羽口からの空気の吹き込みを再開し、さらに、金属酸化物含有原料の吹込みを再開する（以下、「再立ち上げ」と記載する。）までに、長時間を要するという問題がある。すなわち、羽口からの空気の吹き込みの停止により、羽口からの空気の吹き込み再開時の炉頂発生ガスの熱量（総カロリー）が低下するため、羽口からの吹き込みガスの昇温に通常以上の時間を要するためである。上記のようなステンレス系ダストの溶融還元の場合の一例として、メンテナンスのために５０時間程度操業を停止する必要があると、再立ち上げに少なくとも６時間は必要であった。
【００１０】
このような再立ち上げに要する時間を短縮することができれば、炉内の熱損失を減少させることが可能であり、炉冷事故の防止にも効果的である。一方で、省エネルギーの観点から、他の熱源等を用いて加熱ガスを直接加熱するような方法は適当でなく、設備改造は最低限としたいという要請がある。
【００１１】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、炭素系固体還元材の充填層を有し、羽口を上下２段に設けた竪型溶融還元炉を用い、炉頂発生ガスを用いて加熱したガスを羽口から吹き込むとともに、金属酸化物含有原料粉を羽口から吹き込み、溶融還元処理する溶融還元炉の操業方法であって、再立ち上げに要する時間を従来以上に短縮できる、溶融還元炉の操業方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）炭素系固体還元材の充填層を有し、上段羽口と下段羽口とからなる上下２段の羽口を備えた竪型溶融還元炉を用いて粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元するために、前記竪型溶融還元炉での発生ガスを用いて加熱した酸素を富化した空気を前記羽口から吹き込み、前記上段羽口から前記金属酸化物含有原料を吹き込む溶融還元炉の操業方法であって、
前記溶融還元炉への空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後の、前記羽口からの空気の吹き込みを再開以降、前記金属酸化物含有原料の吹込みを再開するまでの期間において、
前記下段羽口から吹き込む空気よりも高酸素濃度で、前記上段羽口から酸素富化した空気を吹き込み、且つ、前記上段羽口からの送風の酸素富化の開始が前記下段羽口からの送風の酸素富化の開始よりも早期とすることを特徴とする溶融還元炉の操業方法。
（２）炉頂からも金属酸化物含有原料を装入する溶融還元炉の操業方法であって、
炉頂からの金属酸化物含有原料の装入を中断後に、前記溶融還元炉の空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後、空気の吹き込みを再開することを特徴とする（１）に記載の溶融還元炉の操業方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、再立ち上げに要する時間を従来以上に短縮することができるので、竪型溶融還元炉による溶融金属の生産性が向上する。
【００１４】
これにより炉内の熱損失を減少させて、溶融金属製造のコストを低減できる。また、炉冷事故を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】竪型溶融還元炉の操業の一実施形態を示す概略図
【図２】竪型溶融還元炉の溶融物最大レベルを示す説明図。
【図３】再立上げ後経過時間と上段羽口酸素濃度の関係を示すグラフ。
【図４】再立上げ後経過時間と下段羽口酸素濃度の関係を示すグラフ。
【図５】再立上げ後経過時間と熱風温度の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明で用いる竪型溶融還元炉は、炭素系固体還元材の充填層を有し、羽口が上下２段に設けられたものであり、炉頂発生ガスを用いて加熱した空気を羽口から吹き込むとともに、金属酸化物含有原料粉を羽口から吹き込み、溶融還元処理するものであるが、通常の操業状態（定常状態）としては、上下段羽口からの吹き込み空気は、酸素を富化した酸素富化空気を用いる。再立ち上げ開始時は、吹き込み空気を加熱するための炉頂発生ガスの熱量が低いため、吹き込み空気は常温となる。空気の吹き込みを開始し、炉内の炭素系固体還元材の充填層との燃焼反応により炉頂ガスの熱量が増加する。炉内の炭素系固体還元材との燃焼反応により、炉内温度が上昇すると、さらに吹き込み空気と炉内の炭素系固体還元材の燃焼反応は活発化する。また、吹き込み空気中の酸素濃度が高いほど炉内の炭素系固体還元材との燃焼反応は活発となる。
【００１７】
そして従来の再立ち上げ時には、まず酸素富化を行わない空気のみを上下段羽口から吹き込み、炉頂発生ガスを用いて吹き込み空気を加熱しつつ、炉頂発生ガスの熱量の上昇に伴い、吹き込み空気の温度が所定の温度となった後に、上下段羽口からの吹き込み空気に酸素を富化し、金属酸化物含有原料粉を上段羽口から吹き込んで、通常操業を開始する。その後さらに炉頂発生ガスの熱量が上昇すると共に吹き込み空気の温度は上昇し、吹き込み空気の温度が飽和した時点が定常状態となる。再立ち上げの開始から、吹き込み空気が金属酸化物含有原料粉吹き込み開始温度に到達するまでの時間を、再立ち上げに要する時間と定義する。
【００１８】
再立ち上げに要する時間を短縮する方法として、まず、再立ち上げの最初から吹き込み空気に酸素富化を行うことを検討した。なお、再立ち上げの最初から吹き込み空気に酸素富化を行わないことを前提としていたのは、炉内温度が上昇し定常状態になるまでに高価な酸素を使用することは無駄と考えられていたためである。溶銑１ｔあたりの製造に使用されるコークスの使用量であるコークス比を下げることは、コストの削減となり、ＣＯ2排出量削減の観点からも、推進すべき重要な課題であるため、羽口からの吹き込み空気への酸素富化量は必要最低限とする必要がある。また従来は、上段羽口から金属酸化物含有原料を吹き込む段階で上段羽口からの吹き込み空気に酸素を富化する操業形態を前提としていたため、上段羽口における吹き込み空気への酸素富化は、下段羽口における酸素富化の開始よりも後に行われる傾向にあった。
【００１９】
しかし、再立ち上げの開始時から上下段羽口両方からの吹き込み空気に酸素富化を多量に行うと、コークス比が上昇するだけでなく、羽口が破損するという問題が発生することが分かった。
【００２０】
次に、下段羽口からの送風のみに、酸素富化を早期に行うことを検討した。下段羽口は炉下部の溶融金属に近い部分であり、上段羽口に比較して高温部に位置している。このような下段羽口からの送風開始直後から酸素を富化して羽口前の温度を急激に高めると、空気の吹き込み停止時に残留した金属酸化物含有原料が急激に溶融開始し、粘性の高い溶融物が生成してしまい、羽口が破損することが分かった。
【００２１】
そこで、上段羽口からの送風のみに、酸素富化を早期に行うことを検討した。この場合は羽口が破損することなく、発生ガスの温度を高めることが可能となることを見出した。
【００２２】
したがって、再立ち上げの際には、下段羽口部分の温度は比較的低く保ち、上段羽口からの吹き込み空気に酸素富化を行うことで、羽口を破損することなく、吹き込み空気の温度を短時間で高めることができることが分かった。
【００２３】
上記に加えて、金属酸化物含有原料を炉頂からも装入する操業を行っている場合には、操業の停止前から炉頂から装入する金属酸化物含有原料の装入を中断することが好ましい。羽口からの吹き込みに加えて、炉頂からも金属酸化物含有原料を炉内に装入する場合、炉頂に装入した金属酸化物含有原料が羽口レベルまで降下するには２４時間程度の時間がかかる。再立ち上げの際に炉内に金属酸化物含有原料が多量に存在していると、還元反応により炉頂ガスカロリーが低下してしまう。さらに、粘性の高い溶融物による羽口の破損を助長する問題もある。そこで、操業の停止前に炉頂からの金属酸化物含有原料の装入を中断することで、再立ち上げの際に炉内で発生するＣＯガスは還元に消費されず高カロリーのまま炉頂ガスとして回収されることとなり、羽口からの吹き込みガスの昇温に有効に利用することができる。炉頂からの金属酸化物含有原料の投入は、操業停止の少しでも前に中断すれば効果があるが、炉内に未還元の金属酸化物含有原料がほとんど存在しない状態とするためには操業停止の２４時間以上前に中断することが好ましい。なお、炉頂から装入する金属酸化物含有原料は、粉粒状に限定されない。
【００２４】
本発明の一実施形態を、図１を用いて説明する。図１はダストを精錬する竪型溶融還元炉の操業の一実施形態を示す概略図であり、竪型溶融還元炉１には炭素系固体還元材装入設備２により炉頂部から炭素系固体還元材（主にコークス）が装入されて炉内に炭素系固体還元材充填層３が形成され、炭素系固体還元材充填層３に高温のガスを吹き込む羽口４が炉下部に上下２段に設けられている。５は金属酸化物含有原料の吹き込み設備、６は竪型溶融還元炉１で発生するガスのガス清浄設備、７は羽口４から吹き込む空気の加熱設備、８は出銑口である。竪型溶融還元炉１で発生したガスは炉頂ガスとして回収されて、上段羽口４ａ、下段羽口４ｂから吹き込まれる高温の吹き込み空気（熱風）の加熱設備７で使用される。粉粒状の金属酸化物含有原料を含有するダストは、所定の前処理を経た後に、少なくとも上段羽口４ａから熱風とともに竪型溶融還元炉１内に吹き込まれ、炉内に充填した炭素系固体還元材の燃焼により溶融還元される。
【００２５】
上下２段の羽口を用いることで、上段羽口４ａ、下段羽口４ｂの間に充填した炭素系固体還元材が燃焼して高温領域を形成できるため、例えばダストがクロムを含有する場合であっても容易に溶融され、その後炭素系固体還元材充填層３を滴下する間に直接還元され、溶融状態の含クロム溶銑として容易に回収することが可能である。さらに溶銑中のクロム等の濃度を増加させる手段として、羽口からクロム含有ダストを吹き込むのと同時に、炉上部からクロム源等を装入することもできる。炉上部から装入されたクロム源等は上段羽口４ａ近傍に形成されるレースウェイで容易に溶解し、さらに羽口から吹き込まれた粉状のクロム鉱石等の粉粒状の金属酸化物含有原料は上下羽口間に形成された高温領域において還元されるため、クロム等が高濃度の溶銑を容易に製造することができる。
【００２６】
このような竪型溶融還元炉１の空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを一時的に停止して、その後上段羽口４ａ、下段羽口４ｂからの空気の吹き込みを再開する再立ち上げ直後には吹き込みガスの温度は室温程度であり、炉頂ガスの発生に連れて送風設備７での加熱により徐々に温度が上昇する。そして吹き込みガスに酸素を富化する際に、下段羽口４ｂから吹き込む空気よりも高酸素濃度で、上段羽口４ａから酸素富化した空気を吹き込み、且つ、上段羽口４ａからの送風の酸素富化の開始が下段羽口４ｂからの送風の酸素富化の開始よりも早期とする。このような酸素富化方法とすることで、下段羽口を破損させることなく、早期に吹き込みガスの温度を上昇させて、早期に操業を定常状態とすることができる。上段羽口４ａからの吹き込みガスの酸素濃度は１時間以内に増加させることが好ましく、再立ち上げ後すぐに増加させることがより好ましい。下段羽口４ｂからの吹き込みガスの酸素濃度は、再立ち上げ後１時間以上経過後に増加させることが好ましい。尚、吹き込み空気の酸素濃度を増加させて、吹き込み空気の温度が主原料吹き込み開始温度に到達した後に、所定の操業条件に合わせて吹き込みガスの酸素濃度を減少させて、定常状態の操業を行うことも可能である。定常状態においては、上段羽口４ａからの吹き込み空気の酸素濃度や、下段羽口４ｂからの吹き込み空気の酸素濃度が０に近いような操業とすることもできる。
【００２７】
図２は竪型溶融還元炉１の炉内の溶融物１０が最大レベルになった状態を示している。このような状態で下段羽口４ｂからの酸素吹き込み量を増加させると、粘性の高い溶融物が生成して、溶融物１０の下段羽口４ｂへの接触により羽口溶損が引き起こされる。
【００２８】
吹き込みガスの温度が所定の温度となった後に、上段羽口４ａからの金属酸化物含有原料粉の吹き込みを開始する。その後炉内は定常状態となり、炉頂ガスの温度も安定して、吹き込み空気の温度も安定する。
【００２９】
上記において、竪型溶融還元炉１の炉頂からも金属酸化物含有原料を装入する操業を行うことができる。この場合には、炉頂からの金属酸化物含有原料の投入を中止して、投入した金属酸化物含有原料の溶融還元がある程度進行した後に、操業を停止することが好ましい。
【実施例１】
【００３０】
ステンレス鋼の精錬を行なう転炉の排ガス中から湿式回収される製鋼ダストのスラリーをスプレードライヤで遠心噴霧乾燥により処理して、平均粒径約６０μｍに成粒し、図１に示したものと同様の２段羽口を有する竪型溶融還元炉の設備を用いて溶融還元を行なう操業試験を行った。製鋼ダストの成粒物は上段羽口からランスを介して８ｔ／ｈ（乾燥状態）で吹き込み、Ｃｒ、Ｎｉを含有する酸化物を溶融還元して溶銑を製造した。竪型溶融還元炉は、炉頂から供給されたコークスにより炉内にコークス充填層が形成されており、熱風炉から送られた高温の吹き込みガス（熱風）が上下２段の羽口から炉内に吹き込まれた。さらに炉頂から酸化鉄原料として製鋼ダスト塊を５０ｔ／日装入した。
【００３１】
上下段羽口から吹き込む熱風には酸素を富化した。上段羽口から吹き込む熱風の酸素濃度は３０．２体積％、下段羽口から吹き込む熱風の酸素濃度は２５．９体積％として操業を継続した。成粒物は炉内で溶融還元されて、炉内を下降し、炉底の出銑口から排出された。この時の炉頂回収ガスの温度は７００℃、ＣＯガスの割合は５０体積％、出銑量は１５５ｔ／日、溶銑温度は１４７５℃であり、コークス比は１３８３ｋｇ／ｔ−ｐであった。
【００３２】
上記の操業を継続後に、製鋼ダストの成粒物の吹き込み、炉頂からの酸化鉄原料の装入、加熱設備7からの送風を停止して、羽口からの空気の吹き込みを一時的に中断した。５０時間停止した後、羽口からの空気の吹き込みを再開した。再立ち上げにおいて、上段羽口から吹き込む熱風は空気のみ（酸素濃度２１．０体積％）として吹き込みを開始し、再立ち上げ後経過時間６時間に酸素富化を開始して、酸素濃度３０．２体積％となるようにした（図３の比較例参照）。下段羽口から吹き込む熱風も最初は空気のみ（酸素濃度２１．０体積％）として吹き込みを開始し、再立ち上げ後経過時間１時間から酸素富化を開始して、再立ち上げ後経過時間３時間半に酸素濃度２５．９体積％となるようにした（図４の比較例参照。）。この際の羽口から吹き込む熱風の温度変化を比較例として図５に示す。図５において、熱風温度が主原料吹込開始温度ｃ（６００℃）に到達した時間ｅに製鋼ダストの成粒物の吹き込み、炉頂から酸化鉄原料の装入を開始した。再立ち上げ後経過約８時間で熱風温度は定常状態ｄ（７００℃）に安定した。
【００３３】
次に、本発明例の操業試験を行った。上記の比較例と同様の操業を継続後、同様に操業を５０時間停止した後、再立ち上げを行った。この際に、上段羽口から吹き込む熱風は空気のみ（酸素濃度２１．０体積％）として吹き込みを開始し、直ちに酸素富化を開始して、再立ち上げ後経過時間１時間に酸素濃度３０．２体積％となるようにした（図３の本発明例参照）。下段羽口から吹き込む熱風の酸素ガス富化量は比較例と同様であり、最初は空気のみ（酸素濃度２１．０体積％）として吹き込みを開始し、再立ち上げ後経過時間１時間から酸素富化を開始して、再立ち上げ後経過時間３時間半に酸素濃度２５．９体積％となるようにした（図４の本発明例参照。）。この際の羽口から吹き込む熱風の温度変化を本発明例として図５に示す。図５において、熱風温度が主原料吹込開始温度ｃ（６００℃）に到達した時間ｆに製鋼ダストの成粒物の吹き込みを開始した。本発明方法を用いることにより、主原料吹込開始温度までの昇温時間を２時間半短縮（ｅ→ｆ）することができた。また、再立ち上げ後経過時間５時間で羽口から吹き込む熱風の温度（熱風温度）が定常状態となり、再立ち上げに要する時間を従来以上に短縮できた。再立ち上げの早期化により、再立ち上げの当日においては、出銑量が２５ｔ／ｄ増加し、コークス比を１５０ｋｇ／ｔ削減することができた。
【実施例２】
【００３４】
実施例１の本発明例において、操業を中断する２４時間前に炉頂から酸化鉄原料の装入を停止した。それ以外は実施例１と同様にして操業を再開した。再立ち上げにおいて、熱風温度が主原料吹込開始温度ｃ（６００℃）に到達した時間は再立ち上げ後経過時間３時間であり、再立ち上げ後経過時間４．５時間で熱風温度が定常状態となった。再立ち上げに要する時間を実施例１以上に短縮できた。再立ち上げの早期化により、再立ち上げの当日においては、出銑量が３０ｔ／ｄ増加し、コークス比を１８０ｋｇ／ｔ削減することができた。
【符号の説明】
【００３５】
１ 竪型溶融還元炉
２ 炭素系固体還元材装入設備
３ 炭素系固体還元材充填層
４ 羽口
４ａ 上段羽口
４ｂ 下段羽口
５ 金属酸化物含有原料の吹き込み設備
６ ガス清浄設備
７ 加熱設備
８ 出銑口
１０ 溶融物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉の排ガス中から回収される製鋼ダストや鋼の圧延後の酸洗工程から回収される酸洗スケール等の金属酸化物を含有する粉粒状原料を溶融還元して溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元して金属を回収する手段として、炭素系固体還元材の充填層に高温の酸素富化空気を吹き込む羽口を少なくとも上下２段に設けた竪型炉タイプの溶融還元炉を用い、羽口の少なくとも上段から粉粒状の金属酸化物含有原料を吹き込み、溶融金属を製造する溶融還元炉の操業方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
一方で、転炉の排ガス中から回収される製鋼ダストや、鋼の圧延後の酸洗工程から回収される酸洗スケール等は、非常に微細粒度を有し不整形な粒子であり、またスラリー状態で回収されるので、このような原料を溶融還元する場合は、適切な前処理が必要となる。特に、ステンレス鋼等を転炉で精練するときに生じるガス中の微細粉末は、非常に微細な粒子であるため、スラリー状態で湿式回収せざるを得ない。このような転炉の廃ガス中から回収される製鋼ダストや、鋼の圧延後の酸洗工程から生じる酸洗スケール等を効率よく溶融還元する方法として、ダストスラリーを濃縮し、噴霧乾燥し、物理凝集球状微粉を製造して、コークス充填層を有し、２段羽口を備えた竪型溶融還元炉の上段羽口から、成粒した製鋼ダスト等を吹き込み、これを溶融還元する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
特に、Ｃｒ、Ｎｉを含有するステンレス系ダストを溶融還元し、再度ステンレスの材料としてリサイクルする場合としては、例えば、まずスラリー状のダストを粗細粒分離して、粒径を０．５ｍｍ以下とした後、スラリー濃度５０ｍａｓｓ％程度まで濃縮してから乾燥成粒工程を経て、炉内吹き込み用高圧容器にて加圧し、炉体との圧力差により上、下段ある羽口の上段から炉内に吹き込む。上下２段の羽口からは、高温の空気又は酸素富化空気が炉内に吹き込まれ、炉内にコークス燃焼によるレースウエイを形成する。
【０００５】
上段羽口では、７００℃程度に加熱された空気（エアー）を吹き込む。炉内でのステンレス系ダストはコークスの燃焼熱により溶融し、炉内を滴下する。一方、下段羽口でも上段羽口と同様にしてコークスを燃焼させるが、上段と異なるのは炉内を滴下してくる酸化鉄や酸化Ｃｒを還元する役割があることである。すなわち、上段羽口ではステンレスダストの溶融、下段羽口では溶融した滴下物の還元が主な役割となっている。
【０００６】
特に高Ｃｒのステンレスダストの還元には、より高温が必要なため、通常は下段羽口の酸素濃度を高くした操業を行なうが、一方で、ダスト吹き込みランス先端や羽口先端のダスト粉付着を防止するために、上段羽口の酸素濃度を高くした操業を行なう場合も有る。また一方で、コークス比の削減のために上段羽口の酸素富化量を少なくする操業が行われる場合もある。
【０００７】
上記のような通常操業の際には、炉内で発生したガスは高カロリーの炉頂発生ガスとして回収し、羽口からの吹き込み空気の昇温に使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２４７０３２号公報
【特許文献２】特開平５−３３１５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように羽口を少なくとも上下２段に設けた竪型溶融還元炉で、炉頂発生ガスを羽口からの吹き込み空気の昇温に使用する場合、メンテナンス等のために竪型溶融還元炉の羽口からの空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを一時的に停止して、その後羽口からの空気の吹き込みを再開し、さらに、金属酸化物含有原料の吹込みを再開する（以下、「再立ち上げ」と記載する。）までに、長時間を要するという問題がある。すなわち、羽口からの空気の吹き込みの停止により、羽口からの空気の吹き込み再開時の炉頂発生ガスの熱量（総カロリー）が低下するため、羽口からの吹き込みガスの昇温に通常以上の時間を要するためである。上記のようなステンレス系ダストの溶融還元の場合の一例として、メンテナンスのために５０時間程度操業を停止する必要があると、再立ち上げに少なくとも６時間は必要であった。
【００１０】
このような再立ち上げに要する時間を短縮することができれば、炉内の熱損失を減少させることが可能であり、炉冷事故の防止にも効果的である。一方で、省エネルギーの観点から、他の熱源等を用いて加熱ガスを直接加熱するような方法は適当でなく、設備改造は最低限としたいという要請がある。
【００１１】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、炭素系固体還元材の充填層を有し、羽口を上下２段に設けた竪型溶融還元炉を用い、炉頂発生ガスを用いて加熱したガスを羽口から吹き込むとともに、金属酸化物含有原料粉を羽口から吹き込み、溶融還元処理する溶融還元炉の操業方法であって、再立ち上げに要する時間を従来以上に短縮できる、溶融還元炉の操業方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）炭素系固体還元材の充填層を有し、上段羽口と下段羽口とからなる上下２段の羽口を備えた竪型溶融還元炉を用いて粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元するために、前記竪型溶融還元炉での発生ガスを用いて加熱した酸素を富化した空気を前記羽口から吹き込み、前記上段羽口から前記金属酸化物含有原料を吹き込む溶融還元炉の操業方法であって、
前記溶融還元炉への空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後の、前記羽口からの空気の吹き込みを再開以降、前記金属酸化物含有原料の吹込みを再開するまでの期間において、
前記下段羽口から吹き込む空気よりも高酸素濃度で、前記上段羽口から酸素富化した空気を吹き込み、且つ、前記上段羽口からの送風の酸素富化の開始が前記下段羽口からの送風の酸素富化の開始よりも早期とすることを特徴とする溶融還元炉の操業方法。
（２）炉頂からも金属酸化物含有原料を装入する溶融還元炉の操業方法であって、
炉頂からの金属酸化物含有原料の装入を中断後に、前記溶融還元炉の空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後、空気の吹き込みを再開することを特徴とする（１）に記載の溶融還元炉の操業方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、再立ち上げに要する時間を従来以上に短縮することができるので、竪型溶融還元炉による溶融金属の生産性が向上する。
【００１４】
これにより炉内の熱損失を減少させて、溶融金属製造のコストを低減できる。また、炉冷事故を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】竪型溶融還元炉の操業の一実施形態を示す概略図
【図２】竪型溶融還元炉の溶融物最大レベルを示す説明図。
【図３】再立上げ後経過時間と上段羽口酸素濃度の関係を示すグラフ。
【図４】再立上げ後経過時間と下段羽口酸素濃度の関係を示すグラフ。
【図５】再立上げ後経過時間と熱風温度の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明で用いる竪型溶融還元炉は、炭素系固体還元材の充填層を有し、羽口が上下２段に設けられたものであり、炉頂発生ガスを用いて加熱した空気を羽口から吹き込むとともに、金属酸化物含有原料粉を羽口から吹き込み、溶融還元処理するものであるが、通常の操業状態（定常状態）としては、上下段羽口からの吹き込み空気は、酸素を富化した酸素富化空気を用いる。再立ち上げ開始時は、吹き込み空気を加熱するための炉頂発生ガスの熱量が低いため、吹き込み空気は常温となる。空気の吹き込みを開始し、炉内の炭素系固体還元材の充填層との燃焼反応により炉頂ガスの熱量が増加する。炉内の炭素系固体還元材との燃焼反応により、炉内温度が上昇すると、さらに吹き込み空気と炉内の炭素系固体還元材の燃焼反応は活発化する。また、吹き込み空気中の酸素濃度が高いほど炉内の炭素系固体還元材との燃焼反応は活発となる。
【００１７】
そして従来の再立ち上げ時には、まず酸素富化を行わない空気のみを上下段羽口から吹き込み、炉頂発生ガスを用いて吹き込み空気を加熱しつつ、炉頂発生ガスの熱量の上昇に伴い、吹き込み空気の温度が所定の温度となった後に、上下段羽口からの吹き込み空気に酸素を富化し、金属酸化物含有原料粉を上段羽口から吹き込んで、通常操業を開始する。その後さらに炉頂発生ガスの熱量が上昇すると共に吹き込み空気の温度は上昇し、吹き込み空気の温度が飽和した時点が定常状態となる。再立ち上げの開始から、吹き込み空気が金属酸化物含有原料粉吹き込み開始温度に到達するまでの時間を、再立ち上げに要する時間と定義する。
【００１８】
再立ち上げに要する時間を短縮する方法として、まず、再立ち上げの最初から吹き込み空気に酸素富化を行うことを検討した。なお、再立ち上げの最初から吹き込み空気に酸素富化を行わないことを前提としていたのは、炉内温度が上昇し定常状態になるまでに高価な酸素を使用することは無駄と考えられていたためである。溶銑１ｔあたりの製造に使用されるコークスの使用量であるコークス比を下げることは、コストの削減となり、ＣＯ2排出量削減の観点からも、推進すべき重要な課題であるため、羽口からの吹き込み空気への酸素富化量は必要最低限とする必要がある。また従来は、上段羽口から金属酸化物含有原料を吹き込む段階で上段羽口からの吹き込み空気に酸素を富化する操業形態を前提としていたため、上段羽口における吹き込み空気への酸素富化は、下段羽口における酸素富化の開始よりも後に行われる傾向にあった。
【００１９】
しかし、再立ち上げの開始時から上下段羽口両方からの吹き込み空気に酸素富化を多量に行うと、コークス比が上昇するだけでなく、羽口が破損するという問題が発生することが分かった。
【００２０】
次に、下段羽口からの送風のみに、酸素富化を早期に行うことを検討した。下段羽口は炉下部の溶融金属に近い部分であり、上段羽口に比較して高温部に位置している。このような下段羽口からの送風開始直後から酸素を富化して羽口前の温度を急激に高めると、空気の吹き込み停止時に残留した金属酸化物含有原料が急激に溶融開始し、粘性の高い溶融物が生成してしまい、羽口が破損することが分かった。
【００２１】
そこで、上段羽口からの送風のみに、酸素富化を早期に行うことを検討した。この場合は羽口が破損することなく、発生ガスの温度を高めることが可能となることを見出した。
【００２２】
したがって、再立ち上げの際には、下段羽口部分の温度は比較的低く保ち、上段羽口からの吹き込み空気に酸素富化を行うことで、羽口を破損することなく、吹き込み空気の温度を短時間で高めることができることが分かった。
【００２３】
上記に加えて、金属酸化物含有原料を炉頂からも装入する操業を行っている場合には、操業の停止前から炉頂から装入する金属酸化物含有原料の装入を中断することが好ましい。羽口からの吹き込みに加えて、炉頂からも金属酸化物含有原料を炉内に装入する場合、炉頂に装入した金属酸化物含有原料が羽口レベルまで降下するには２４時間程度の時間がかかる。再立ち上げの際に炉内に金属酸化物含有原料が多量に存在していると、還元反応により炉頂ガスカロリーが低下してしまう。さらに、粘性の高い溶融物による羽口の破損を助長する問題もある。そこで、操業の停止前に炉頂からの金属酸化物含有原料の装入を中断することで、再立ち上げの際に炉内で発生するＣＯガスは還元に消費されず高カロリーのまま炉頂ガスとして回収されることとなり、羽口からの吹き込みガスの昇温に有効に利用することができる。炉頂からの金属酸化物含有原料の投入は、操業停止の少しでも前に中断すれば効果があるが、炉内に未還元の金属酸化物含有原料がほとんど存在しない状態とするためには操業停止の２４時間以上前に中断することが好ましい。なお、炉頂から装入する金属酸化物含有原料は、粉粒状に限定されない。
【００２４】
本発明の一実施形態を、図１を用いて説明する。図１はダストを精錬する竪型溶融還元炉の操業の一実施形態を示す概略図であり、竪型溶融還元炉１には炭素系固体還元材装入設備２により炉頂部から炭素系固体還元材（主にコークス）が装入されて炉内に炭素系固体還元材充填層３が形成され、炭素系固体還元材充填層３に高温のガスを吹き込む羽口４が炉下部に上下２段に設けられている。５は金属酸化物含有原料の吹き込み設備、６は竪型溶融還元炉１で発生するガスのガス清浄設備、７は羽口４から吹き込む空気の加熱設備、８は出銑口である。竪型溶融還元炉１で発生したガスは炉頂ガスとして回収されて、上段羽口４ａ、下段羽口４ｂから吹き込まれる高温の吹き込み空気（熱風）の加熱設備７で使用される。粉粒状の金属酸化物含有原料を含有するダストは、所定の前処理を経た後に、少なくとも上段羽口４ａから熱風とともに竪型溶融還元炉１内に吹き込まれ、炉内に充填した炭素系固体還元材の燃焼により溶融還元される。
【００２５】
上下２段の羽口を用いることで、上段羽口４ａ、下段羽口４ｂの間に充填した炭素系固体還元材が燃焼して高温領域を形成できるため、例えばダストがクロムを含有する場合であっても容易に溶融され、その後炭素系固体還元材充填層３を滴下する間に直接還元され、溶融状態の含クロム溶銑として容易に回収することが可能である。さらに溶銑中のクロム等の濃度を増加させる手段として、羽口からクロム含有ダストを吹き込むのと同時に、炉上部からクロム源等を装入することもできる。炉上部から装入されたクロム源等は上段羽口４ａ近傍に形成されるレースウェイで容易に溶解し、さらに羽口から吹き込まれた粉状のクロム鉱石等の粉粒状の金属酸化物含有原料は上下羽口間に形成された高温領域において還元されるため、クロム等が高濃度の溶銑を容易に製造することができる。
【００２６】
このような竪型溶融還元炉１の空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを一時的に停止して、その後上段羽口４ａ、下段羽口４ｂからの空気の吹き込みを再開する再立ち上げ直後には吹き込みガスの温度は室温程度であり、炉頂ガスの発生に連れて送風設備７での加熱により徐々に温度が上昇する。そして吹き込みガスに酸素を富化する際に、下段羽口４ｂから吹き込む空気よりも高酸素濃度で、上段羽口４ａから酸素富化した空気を吹き込み、且つ、上段羽口４ａからの送風の酸素富化の開始が下段羽口４ｂからの送風の酸素富化の開始よりも早期とする。このような酸素富化方法とすることで、下段羽口を破損させることなく、早期に吹き込みガスの温度を上昇させて、早期に操業を定常状態とすることができる。上段羽口４ａからの吹き込みガスの酸素濃度は１時間以内に増加させることが好ましく、再立ち上げ後すぐに増加させることがより好ましい。下段羽口４ｂからの吹き込みガスの酸素濃度は、再立ち上げ後１時間以上経過後に増加させることが好ましい。尚、吹き込み空気の酸素濃度を増加させて、吹き込み空気の温度が主原料吹き込み開始温度に到達した後に、所定の操業条件に合わせて吹き込みガスの酸素濃度を減少させて、定常状態の操業を行うことも可能である。定常状態においては、上段羽口４ａからの吹き込み空気の酸素濃度や、下段羽口４ｂからの吹き込み空気の酸素濃度が０に近いような操業とすることもできる。
【００２７】
図２は竪型溶融還元炉１の炉内の溶融物１０が最大レベルになった状態を示している。このような状態で下段羽口４ｂからの酸素吹き込み量を増加させると、粘性の高い溶融物が生成して、溶融物１０の下段羽口４ｂへの接触により羽口溶損が引き起こされる。
【００２８】
吹き込みガスの温度が所定の温度となった後に、上段羽口４ａからの金属酸化物含有原料粉の吹き込みを開始する。その後炉内は定常状態となり、炉頂ガスの温度も安定して、吹き込み空気の温度も安定する。
【００２９】
上記において、竪型溶融還元炉１の炉頂からも金属酸化物含有原料を装入する操業を行うことができる。この場合には、炉頂からの金属酸化物含有原料の投入を中止して、投入した金属酸化物含有原料の溶融還元がある程度進行した後に、操業を停止することが好ましい。
【実施例１】
【００３０】
ステンレス鋼の精錬を行なう転炉の排ガス中から湿式回収される製鋼ダストのスラリーをスプレードライヤで遠心噴霧乾燥により処理して、平均粒径約６０μｍに成粒し、図１に示したものと同様の２段羽口を有する竪型溶融還元炉の設備を用いて溶融還元を行なう操業試験を行った。製鋼ダストの成粒物は上段羽口からランスを介して８ｔ／ｈ（乾燥状態）で吹き込み、Ｃｒ、Ｎｉを含有する酸化物を溶融還元して溶銑を製造した。竪型溶融還元炉は、炉頂から供給されたコークスにより炉内にコークス充填層が形成されており、熱風炉から送られた高温の吹き込みガス（熱風）が上下２段の羽口から炉内に吹き込まれた。さらに炉頂から酸化鉄原料として製鋼ダスト塊を５０ｔ／日装入した。
【００３１】
上下段羽口から吹き込む熱風には酸素を富化した。上段羽口から吹き込む熱風の酸素濃度は３０．２体積％、下段羽口から吹き込む熱風の酸素濃度は２５．９体積％として操業を継続した。成粒物は炉内で溶融還元されて、炉内を下降し、炉底の出銑口から排出された。この時の炉頂回収ガスの温度は７００℃、ＣＯガスの割合は５０体積％、出銑量は１５５ｔ／日、溶銑温度は１４７５℃であり、コークス比は１３８３ｋｇ／ｔ−ｐであった。
【００３２】
上記の操業を継続後に、製鋼ダストの成粒物の吹き込み、炉頂からの酸化鉄原料の装入、加熱設備7からの送風を停止して、羽口からの空気の吹き込みを一時的に中断した。５０時間停止した後、羽口からの空気の吹き込みを再開した。再立ち上げにおいて、上段羽口から吹き込む熱風は空気のみ（酸素濃度２１．０体積％）として吹き込みを開始し、再立ち上げ後経過時間６時間に酸素富化を開始して、酸素濃度３０．２体積％となるようにした（図３の比較例参照）。下段羽口から吹き込む熱風も最初は空気のみ（酸素濃度２１．０体積％）として吹き込みを開始し、再立ち上げ後経過時間１時間から酸素富化を開始して、再立ち上げ後経過時間３時間半に酸素濃度２５．９体積％となるようにした（図４の比較例参照。）。この際の羽口から吹き込む熱風の温度変化を比較例として図５に示す。図５において、熱風温度が主原料吹込開始温度ｃ（６００℃）に到達した時間ｅに製鋼ダストの成粒物の吹き込み、炉頂から酸化鉄原料の装入を開始した。再立ち上げ後経過約８時間で熱風温度は定常状態ｄ（７００℃）に安定した。
【００３３】
次に、本発明例の操業試験を行った。上記の比較例と同様の操業を継続後、同様に操業を５０時間停止した後、再立ち上げを行った。この際に、上段羽口から吹き込む熱風は空気のみ（酸素濃度２１．０体積％）として吹き込みを開始し、直ちに酸素富化を開始して、再立ち上げ後経過時間１時間に酸素濃度３０．２体積％となるようにした（図３の本発明例参照）。下段羽口から吹き込む熱風の酸素ガス富化量は比較例と同様であり、最初は空気のみ（酸素濃度２１．０体積％）として吹き込みを開始し、再立ち上げ後経過時間１時間から酸素富化を開始して、再立ち上げ後経過時間３時間半に酸素濃度２５．９体積％となるようにした（図４の本発明例参照。）。この際の羽口から吹き込む熱風の温度変化を本発明例として図５に示す。図５において、熱風温度が主原料吹込開始温度ｃ（６００℃）に到達した時間ｆに製鋼ダストの成粒物の吹き込みを開始した。本発明方法を用いることにより、主原料吹込開始温度までの昇温時間を２時間半短縮（ｅ→ｆ）することができた。また、再立ち上げ後経過時間５時間で羽口から吹き込む熱風の温度（熱風温度）が定常状態となり、再立ち上げに要する時間を従来以上に短縮できた。再立ち上げの早期化により、再立ち上げの当日においては、出銑量が２５ｔ／ｄ増加し、コークス比を１５０ｋｇ／ｔ削減することができた。
【実施例２】
【００３４】
実施例１の本発明例において、操業を中断する２４時間前に炉頂から酸化鉄原料の装入を停止した。それ以外は実施例１と同様にして操業を再開した。再立ち上げにおいて、熱風温度が主原料吹込開始温度ｃ（６００℃）に到達した時間は再立ち上げ後経過時間３時間であり、再立ち上げ後経過時間４．５時間で熱風温度が定常状態となった。再立ち上げに要する時間を実施例１以上に短縮できた。再立ち上げの早期化により、再立ち上げの当日においては、出銑量が３０ｔ／ｄ増加し、コークス比を１８０ｋｇ／ｔ削減することができた。
【符号の説明】
【００３５】
１ 竪型溶融還元炉
２ 炭素系固体還元材装入設備
３ 炭素系固体還元材充填層
４ 羽口
４ａ 上段羽口
４ｂ 下段羽口
５ 金属酸化物含有原料の吹き込み設備
６ ガス清浄設備
７ 加熱設備
８ 出銑口
１０ 溶融物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系固体還元材の充填層を有し、上段羽口と下段羽口とからなる上下２段の羽口を備えた竪型溶融還元炉を用いて粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元するために、前記竪型溶融還元炉での発生ガスを用いて加熱した、酸素を富化した空気を前記羽口から吹き込み、前記上段羽口から前記金属酸化物含有原料を吹き込む溶融還元炉の操業方法であって、
前記溶融還元炉への空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後の、前記羽口からの空気の吹き込みを再開以降、前記金属酸化物含有原料の吹込みを再開するまでの期間において、
前記下段羽口から吹き込む空気よりも高酸素濃度で、前記上段羽口から酸素富化した空気を吹き込み、且つ、前記上段羽口からの送風の酸素富化の開始が前記下段羽口からの送風の酸素富化の開始よりも早期とすることを特徴とする溶融還元炉の操業方法。
【請求項２】
炉頂からも金属酸化物含有原料を装入する溶融還元炉の操業方法であって、
炉頂からの金属酸化物含有原料の装入を中断後に、前記溶融還元炉の空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後、空気の吹き込みを再開することを特徴とする請求項１に記載の溶融還元炉の操業方法。
【請求項１】
炭素系固体還元材の充填層を有し、上段羽口と下段羽口とからなる上下２段の羽口を備えた竪型溶融還元炉を用いて粉粒状の金属酸化物含有原料を溶融還元するために、前記竪型溶融還元炉での発生ガスを用いて加熱した、酸素を富化した空気を前記羽口から吹き込み、前記上段羽口から前記金属酸化物含有原料を吹き込む溶融還元炉の操業方法であって、
前記溶融還元炉への空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後の、前記羽口からの空気の吹き込みを再開以降、前記金属酸化物含有原料の吹込みを再開するまでの期間において、
前記下段羽口から吹き込む空気よりも高酸素濃度で、前記上段羽口から酸素富化した空気を吹き込み、且つ、前記上段羽口からの送風の酸素富化の開始が前記下段羽口からの送風の酸素富化の開始よりも早期とすることを特徴とする溶融還元炉の操業方法。
【請求項２】
炉頂からも金属酸化物含有原料を装入する溶融還元炉の操業方法であって、
炉頂からの金属酸化物含有原料の装入を中断後に、前記溶融還元炉の空気及び金属酸化物含有原料の吹き込みを中断後、空気の吹き込みを再開することを特徴とする請求項１に記載の溶融還元炉の操業方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１９３４０５（Ｐ２０１２−１９３４０５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５７５９４（Ｐ２０１１−５７５９４）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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