JP5928095B2 - 溶融鉄の精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、バーナー機能を有する上吹きランスを用いてこの上吹きランスの先端下方に火炎を形成し、形成された火炎で粉状精錬剤を加熱しつつ加熱された該粉状精錬剤を反応容器内の溶融鉄に吹き付けて、上吹きランスから供給する精錬用酸化性ガスによって酸化精錬処理を溶融鉄に施す溶融鉄の精錬方法に関する。

環境保護の観点から、鉄鋼製造工程におけるＣＯ_２排出量の抑制が急務となってきている。ＣＯ_２排出量を削減するために、製鋼工程においては、鉄源として鉄スクラップなどの冷鉄源の使用量を増加させて溶銑の配合率を低下させるなどの対応が検討されかつ実施されている。冷鉄源の使用量を増加させる理由としては、鉄鋼製品の製造に際して、高炉での溶銑（溶融鉄）の製造では、鉄鉱石を還元し且つ溶融するための多大なエネルギーを要すると同時に多量のＣＯ_２を排出するのに対し、冷鉄源は溶解熱のみを必要とするに過ぎず、この冷鉄源を製鋼工程で多く利用すればするほど、エネルギー使用量及びＣＯ_２発生量をより抑えることができる点にある。溶融鉄とは、鉄源を溶解したものを意味し、例えば、高炉で製造された溶銑、電気炉で鉄スクラップを溶かした溶鋼、溶銑から脱炭精錬処理がなされた溶鋼をも幅広く意味する。

高炉と転炉との組み合わせからなる鉄鋼製造工程では、冷鉄源の溶解用熱源は、溶銑の有する顕熱、溶銑中の炭素及び珪素の燃焼熱が主体である。このため、この鉄鋼製造工程では、本来、多量の冷鉄源を溶解することはできない。しかも、溶銑に対して予備脱燐処理が実施されるようになり、この処理工程の追加に伴って溶銑の温度が低下する。更には、溶銑中の炭素及び珪素が予備脱燐処理で酸化して、それらの濃度が減少することは、冷鉄源を溶解させることに対して不利な要因となる。なお、溶銑の予備脱燐処理とは、転炉で脱炭精錬処理を行う前に、溶銑段階で予め脱燐処理を実施し、溶銑中の燐を或る程度除去する工程である。また、製鉄所における鉄鋼製造工程では、溶銑に限らず、例えば、溶銑に対して脱炭処理された後の溶鋼に対しても、脱燐処理などの酸化精錬処理が行われる。

そこで、予備脱燐処理や転炉での脱炭精錬処理、反応容器における酸化精錬処理において、溶融鉄の熱余裕を高める多数の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、予備脱燐処理中の生成スラグ中に炭素源を添加するとともに、スラグ中に酸素源を吹き込んで、この炭素源を燃焼させ、この燃焼による燃焼熱を溶銑に着熱させる方法が提案されている。

特許文献２には、脱燐などの冶金反応特性を改善するために、フラックスの滓化性を高める方法が開示されている。この方法は、酸素ガスの他に天然ガスなどの燃料ガスと生石灰などのフラックスを上吹きランスから供給し、フラックスを燃料ガスの燃焼火炎中を経由させることによって、溶融状態で溶銑に供給することを可能としている。

特開平９−０２０９１３号公報 特開平１１−０８０８２５号公報

ところで、溶銑などの溶融鉄は、転炉への搬送などのために、トピードカーや取鍋などの、転炉と比べてフリーボードが小さい反応容器に収容され得る。一般に、転炉では、脱炭処理が行われることを前提として、脱炭処理により発生するスプラッシュなどの影響を考慮してフリーボードが比較的大きく、２．０〜５．０ｍであり、前述の反応容器は、フリーボードが０．８〜２．２ｍである。実際の製鉄所における操業では、溶融鉄に対して、フリーボードが比較的に小さい反応容器でも脱燐処理などの酸化精錬処理が行われる。

上記従来技術には次の問題点がある。特許文献１では、生成スラグ中に炭素源を添加することで、溶銑温度は上昇するが、炭素源に含有される硫黄の混入を招き、鋼中の硫黄濃度が高くなる。また、炭素源の燃焼時間を確保するために精錬時間が長くなり、製造コストが上昇するという問題がある。また更に、炭素源を燃焼させることから、ＣＯ_２の発生量が自ずと増加するという問題もある。加えて、反応容器と上吹きランスとの位置的な関係については特に考慮されていない。

特許文献２では、上吹きランスを用いた、転炉での吹錬に関しており、フリーボードが比較的に小さい反応容器での吹錬に関していない。溶融鉄の酸化精錬処理、例えば、脱燐処理において、反応容器は、転炉と比べてフリーボードが小さいことにより、特許文献２では、粉状精錬剤にバーナー火炎による熱が効果的に着熱しないことが考えられる。また、ランス高さ内で燃焼が完了せず、未燃の燃料ガスが溶融鉄の浴面に到達し、燃焼ガスの分解反応が起こることが予測される。この分解反応は吸熱反応であり、粉状精錬剤への着熱の観点から考えると、通常、脱燐処理などの酸化精錬処理には非常に不利な要因となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バーナー機能を有する上吹きランスを用い、この上吹きランスの下端にバーナー火炎を形成させて、上吹きランスを介して粉状精錬剤をこの火炎で加熱しつつ、フリーボードが比較的に小さい反応容器内の溶融鉄に吹き付けて、脱燐処理などの酸化精錬処理を溶融鉄に施すにあたり、粉状精錬剤を効率良く加熱し、反応容器内の溶融鉄の熱余裕を高めることができる溶融鉄の精錬方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）粉状精錬剤供給流路と、燃料ガス供給流路と、燃料ガスの燃焼用酸化性ガス供給流路と、精錬用酸化性ガス供給流路とを別々に有する上吹きランスを用いて、前記燃料ガス供給流路から燃料ガスを供給し、かつ、前記燃焼用酸化性ガス供給流路から燃焼用酸化性ガスを供給して、反応容器に収容される溶融鉄の浴面に向けて前記上吹きランスのノズル前面に火炎を形成し、酸化鉄と石灰系媒溶剤と可燃性物質とのうちの少なくとも１種類を含む粉状精錬剤を、不活性ガスとともに前記粉状精錬剤供給流路から溶融鉄の浴面に向けて供給して、該粉状精錬剤を、前記火炎で加熱しながら、溶融鉄の浴面に向けて吹き付けつつ、前記精錬用酸化性ガス供給流路から溶融鉄の浴面に向けて精錬用酸化性ガスを供給する溶融鉄の精錬方法であって、燃料ガスと燃焼用酸化性ガスとの流量比を下記の（１）式を満足するように、調整しつつ前記火炎を形成することを特徴とする溶融鉄の精錬方法。
１．０≦（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ≦５．０ ・・・（１）
但し、（１）式において、Ｇ：燃焼用酸化性ガス供給速度（Ｎｍ^３／分）、
Ｆ：燃料ガス供給速度（Ｎｍ^３／分）、
（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ：燃料ガスと、該燃料ガスを完全燃焼するために必要となる燃焼用酸化性ガスとの化学量論係数との比、である。
（２）燃焼用酸化性ガス吐出流速が下記の（２）式を満足するように、前記燃焼用酸化性ガス供給速度Ｇを調整することを特徴とする上記（１）に記載の溶融鉄の精錬方法。
１．０≦Ｖ_Ｇ／Ｃ≦３．０ ・・・（２）
但し、（２）式において、Ｖ_Ｇ：燃焼用酸化性ガスの吐出流速（Ｎｍ／秒）、
Ｃ：音速（Ｎｍ／秒）、である。
（３）前記溶融鉄が溶銑であり、前記精錬用酸化性ガスを供給して行う溶融鉄の精錬は、溶銑の脱燐処理であることを特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の溶融鉄の精錬方法。

本発明によれば、その先端下方にバーナー火炎を形成するための上吹きランスの燃料ガス供給流路から供給される燃料ガスと、燃焼用酸化性ガス供給流路から供給される燃焼用酸化性ガスとの流量比を、燃料ガスと、該燃料ガスを完全燃焼するために必要となる燃焼用酸化性ガスとの化学量論係数との比に対して、所定の範囲となるように制御する。これにより、上吹きランス高さｄ（ｍ）と火炎長さｌ（ｍ）との比（ｌ／ｄ）が０．８以上１．２以下となるように設定することが可能となる。その結果、この火炎の熱を、上吹きランスから供給される粉状精錬剤に効果的に伝達させることができるため、加熱された粉状精錬剤によって、反応容器における溶融鉄の酸化精錬処理において、溶融鉄の熱余裕を向上させることが可能となる。また、溶融鉄への着熱効率が安定して高く維持するための加炭用の炭材などを削減でき、ＣＯ_２の排出量の低減という効果もある。

本発明を実施する際に用いる精錬設備を示す概略断面図である。 本発明を実施する際に用いる上吹きランスの概略拡大縦断面図である。 プロパンガスと燃焼用酸素ガスとの流量比と、火炎長さ指数との関係を示すグラフである。 ランス高さｄに対する火炎長さｌの値（ｌ／ｄ）と、火炎長さｌとランス高さｄとが等しい場合（ｌ／ｄ＝１）を基準とした着熱量に対する、各値（ｌ／ｄ）における着熱量の値（着熱指数）との関係を示すグラフである。

本発明は、トピードカーや溶銑鍋、電気炉などのフリーボードが小さい反応容器に収容された溶融鉄に対して上吹きランスから精錬用酸化性ガスを供給して行う酸化精錬処理を対象としている。この酸化精錬処理としては、現在、溶銑及び溶鋼の脱燐処理及び溶銑の脱炭精錬処理などが行われており、本発明は、いずれの酸化精錬処理にも適用することができる。本発明を溶銑の脱炭精錬に適用する場合に、脱燐処理が施された溶銑に対して本発明を実施しても、脱燐処理が施されていない溶銑に対して本発明を実施してもどちらでも構わない。本発明を溶銑の脱燐処理に適用し、この脱燐処理によって精錬された溶銑を反応容器で脱炭精錬する際にも本発明を適用することができる。

本発明は、反応容器で、酸化精錬処理を溶融鉄に施す溶融鉄の精錬方法に関しているが、以下の実施形態では、溶融鉄の例として、高炉で製造された溶銑を代表とし、この溶銑の反応容器内での脱燐処理を例として、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

図１は、本発明を実施する際に用いる精錬設備を示す概略断面図である。図１に示すように、精錬設備１は、反応容器２と、この反応容器２の内部に挿入され、上下方向に移動可能な上吹きランス３と有している。この反応容器２の内側には、耐火物が設けられている。上吹きランス３には、粉状精錬剤供給管４と、燃料ガス供給管５と、燃焼用酸化性ガス供給管６と、精錬用酸化性ガス供給管７と、上吹きランス３を冷却するための冷却水を供給及び排出するための冷却水給水管及び排水管（図示せず）とが接続されている。粉状精錬剤供給管４には、窒素ガス、Ａｒガスなどの不活性ガスとともに、酸化鉄、石灰系媒溶剤、可燃性物質のうちの少なくとも１種を含む粉状精錬剤２８が供給される。燃料ガス供給管５には、プロパンガス、液化天然ガス、コークス炉ガスなどのガス燃料が供給される。燃焼用酸化性ガス供給管６には、供給される燃料ガスを燃焼するための、酸素ガスや空気などの燃焼用酸化性ガスが供給される。燃焼用酸化性ガスとしては、一般的に酸素ガスが用いられる。精錬用酸化性ガス供給管７には、酸素ガスなどの精錬用酸化性ガスが供給される。精錬用酸化性ガスとしては、酸素ガス（工業用純酸素）、酸素富化空気、酸素ガスと希ガスとの混合ガスが用いられるが、一般的には、酸素ガスが使用される。図１では、燃焼用酸化性ガス及び精錬用酸化性ガスとして酸素ガスを供給している。

燃料ガスに代えて、重油、灯油などの炭化水素系の液体燃料を使用することも可能であるが、上吹きランス３の流路出口のノズルなどで目詰まりを起こす恐れがあるので、本実施形態では燃料ガス（気体燃料）を使用することが好ましい。気体燃料を使用すれば、ノズルなどの目詰まりを防止できるだけでなく、供給速度の調整が容易である、着火しやすいので失火を防止できるなどの利点がある。

上吹きランス３に接続されていない側の、粉状精錬剤供給管４の他端は、粉状精錬剤２８を収容したディスペンサー１３に接続されている。また、ディスペンサー１３は、粉状精錬剤搬送用ガス供給管４Ａに接続されている。粉状精錬剤搬送用ガス供給管４Ａを通ってディスペンサー１３に供給された不活性ガスが、ディスペンサー１３に収容された粉状精錬剤２８の搬送用ガスとして機能し、ディスペンサー１３に収容された粉状精錬剤２８は粉状精錬剤供給管４を通って上吹きランス３に供給され、上吹きランス３の先端から溶銑２６に向けて吹き付けることができるようになっている。図１では、粉状精錬剤２８の搬送用ガスとして窒素ガスが上吹きランス３に供給されている。

図２は、本発明に係る上吹きランスの概略断面図である。図２に示すように、上吹きランス３は、円筒状のランス本体１４と、このランス本体１４の下端に溶接などにより接続された銅鋳物製のランスチップ１５とを有している。このランス本体１４は、最内管２０、仕切り管２１、内管２２、中管２３、外管２４、最外管２５の同心円形状の６種の鋼管、即ち６重管で構成されている。

粉状精錬剤供給管４は最内管２０に連通し、粉状精錬剤２８が搬送用ガスとともに最内管２０の内部を通過する。燃料ガス供給管５は仕切り管２１に連通し、プロパンガスなどの燃料ガスが最内管２０と仕切り管２１との間隙を通過する。燃焼用酸化性ガス供給管６は内管２２に連通し、燃料燃焼用酸化性ガスが仕切り管２１と内管２２との間隙を通過する。精錬用酸化性ガス供給管７は中管２３に連通し、精錬用酸化性ガスが内管２２と中管２３との間隙を通過する。冷却水給水管及び排水管はそれぞれ外管２４または最外管２５の何れか一方に連通しており、冷却水が中管２３と外管２４との間隙及び外管２４と最外管２５との間隙を通過する。冷却水が中管２３と外管２４との間隙及び外管２４と最外管２５との間隙を通過するとしたが、どちらを給水流路としても構わない。冷却水は、ランスチップ１５の位置で反転するように構成されている。

最内管２０の内部は、ランスチップ１５のほぼ軸心位置に配置された中心孔１６と連通し、最内管２０と仕切り管２１との間隙は、中心孔１６の周囲に円環状のノズルまたは同心円上の複数個のノズル孔として開口する燃料ガス噴射孔１７と連通し、仕切り管２１と内管２２との間隙は、燃料ガス噴射孔１７の周囲に円環状のノズルまたは同心円上の複数個のノズル孔として開口する燃焼用酸化性ガス噴射孔１８と連通し、そして、内管２２と中管２３との間隙は、燃焼用酸化性ガス噴射孔１８の周辺に複数個設置された周囲孔１９と連通している。中心孔１６は、粉状精錬剤２８を搬送用ガスとともに吹き付けるためのノズル、燃料ガス噴射孔１７は、燃料ガスを噴射するためのノズル、燃焼用酸化性ガス噴射孔１８は、燃料ガスを燃焼する酸化性ガスを噴射するためのノズル、周囲孔１９は、精錬用酸化性ガスを吹き付けるためのノズルである。すなわち、最内管２０の内部が粉状精錬剤供給流路３１となり、最内管２０と仕切り管２１との間隙が燃料ガス供給流路３２となり、仕切り管２１と内管２２との間隙が燃焼用酸化性ガス供給流路３３となり、内管２２と中管２３との間隙が精錬用酸化性ガス供給流路３４となっている。中管２３と外管２４との間隙及び外管２４と最外管２５との間隙は、冷却水の給水流路または排水流路となっている。言い換えると、上吹きランス３は、粉状精錬剤供給流路３１と、燃料ガス供給流路３２と、燃焼用酸化性ガス供給流路３３と、精錬用酸化性ガス供給流路３４とを別々に有しており、更に、冷却水の給水流路及び排水流路を有している。

中心孔１６はストレート形状のノズルで、周囲孔１９は、その断面が縮小する部分と拡大する部分の２つの円錐体で構成されるラバールノズルの形状を採っているが、中心孔１６も、ラバールノズル形状としても構わない。燃料ガス噴射孔１７及び燃焼用酸化性ガス噴射孔１８は円環のスリット状に開口するストレート型のノズル、または断面が円形のストレート形状のノズルである。ラバールノズルにおいて、縮小する部分と拡大する部分の２つの円錐体の境界である最も断面が狭い位置をスロートと呼んでいる。

この構成の精錬設備１を用い、溶銑の配合比率を下げ、冷鉄源の配合比率を高めるため、すなわち、溶銑（溶融鉄）の熱余裕を上げるために、本発明に係る脱燐処理を、以下に示すようにして溶銑２６に対して実施する。

まず、反応容器２の内部へ冷鉄源を装入する。使用する冷鉄源としては、製鉄所で発生する鋳片及び鋼板のクロップ屑や市中屑などの鉄スクラップ、磁力選別によってスラグから回収した地金、更には、冷銑、還元鉄などを使用することができる。冷鉄源の配合比率は、装入する全鉄源に対して５質量％以上とすることが好ましい（冷鉄源の配合比率(質量％)＝冷鉄源配合量×１００／(溶銑配合量＋冷鉄源配合量)）。冷鉄源の配合比率が５質量％未満では、生産性向上の効果が少ないのみならず、ＣＯ_２発生量の削減効果が少ないからである。冷鉄源の配合比率の上限は特に決める必要はなく、脱燐処理後の溶銑温度が目標範囲を維持できる上限まで添加することができる。

冷鉄源を反応容器２への装入後、溶銑２６を反応容器２へ装入する。用いる溶銑２６としてはどのような組成であっても処理することができる。予備脱燐処理の前に脱硫処理や脱珪処理が施されていてもよい。因みに、予備脱燐処理前の溶銑２６の主な化学成分は、炭素：３．８〜５．０質量％、珪素：０．３質量％以下、燐：０．０８〜０．２質量％、硫黄：０．０５質量％以下程度である。但し、予備脱燐処理時に反応容器２内で生成されるスラグ２７の量が多くなると脱燐効率が低下するので、炉内でのスラグ発生量を少なくして脱燐効率を高めるために、転炉で脱炭精錬する前の予備脱燐処理前に溶銑中の珪素を予め除去（「溶銑の脱珪処理」という）して、溶銑中の珪素濃度を０．２０質量％以下、望ましくは０．１０質量％以下まで予め低減しておくことが好ましい。また、溶銑温度は１２００〜１４００℃の範囲であれば問題なく脱燐処理することができる。脱珪処理を実施した場合には、脱珪処理時に生成したスラグを脱燐処理の前までに排滓する。

次いで、ディスペンサー１３に不活性ガスを供給し、粉状精錬剤２８を、上吹きランス３の中心孔１６から不活性ガスとともに溶銑２６の浴面に向けて吹き付ける。この粉状精錬剤２８の吹き付けに前後して、上吹きランス３の燃料ガス噴射孔１７から燃料ガスを噴射させるとともに燃焼用酸化性ガス噴射孔１８から酸素ガスなどの酸化性ガスを噴射させ、溶銑２６の浴面に向けて、上吹きランス３のノズル前面の下方に火炎を形成する。

上吹きランス３の先端に火炎を発生させるにあたり、上吹きランス高さｄと火炎長さｌとの比（ｌ／ｄ）が０．８以上１．２以下となるように、下記の（１）式を満足する範囲で、上吹きランス３に供給する燃料ガス供給量と燃焼用酸化性ガス供給量とを調整して、すなわち、燃料ガスと燃焼用酸化性ガスとの流量比と、音速に対する燃焼用酸化性ガス吐出流速とを所定の範囲となるように調整して火炎を発生させて、燃料ガスを反応容器のフリーボード内で完全燃焼させる。

１．０≦（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ≦５．０ ・・・（１）
Ｇ：上吹きランスの燃焼用酸化性ガス供給速度（Ｎｍ^３／分）
Ｆ：上吹きランスの燃料ガス供給速度（Ｎｍ^３／分）
（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ：燃料ガスと、該燃料ガスを完全燃焼するために必要となる燃焼用酸化性ガスとの化学量論係数との比。

ここで、上吹きランス高さｄとは、静止時の溶銑２６の浴面から、鉛直方向に沿った上吹きランスのノズル前面の先端までの距離である。本発明における上吹きランス高さｄの想定値は、０．５〜２．０ｍの範囲である。溶銑２６が装入される精練容器におけるフリーボードの値が概ね０．５〜２．０ｍの範囲となるからである。尚、フリーボードとは、静止時の溶銑２６の浴面から反応容器の装入口までの高さ（距離）である。

（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔの値が１．０を下回るまたは５．０を超えると、反応容器２内の溶銑２６の浴面に到達する前に燃料ガスが燃え尽きてしまう、または未燃の燃料が残存してしまい、粉状精錬剤２８への着熱効率が悪くなる。（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔの値が１．０以上５．０以下であれば、粉状精錬剤２８が上吹きランス３の先端から溶銑２６の浴面に到着するまでの距離である上吹きランス高さｄに対する、その間で形成される火炎長さｌの値（ｌ／ｄ）が０．８以上１．２以下となるように設定することが可能となる。上吹きランス高さｄと火炎長さｌとの比（ｌ／ｄ）が１に近く、火炎長さｌが上吹きランス高さｄに対して０．８以上１．２以下の範囲であれば、上吹きランスからの炎によって、火炎に消費される燃料が、粉状精錬剤２８を着熱させる目的に照らして効率良く消費されたといえ、かつ、後述する実験２によっても確認されるが、上吹きランスからの炎によって粉状精錬剤２８が効果的に着熱され、着熱効率が良好であるといえる。

上記の（１）式に加えて、燃焼用酸化性ガス吐出流速が下記の（２）式を満足する範囲で、燃焼用酸化性ガス供給速度Ｇを調整して火炎を発生させることが好ましい。

１．０≦Ｖ_Ｇ／Ｃ≦３．０ ・・・（２）
Ｖ_Ｇ：燃焼用酸化性ガスの吐出流速（Ｎｍ／秒）
Ｃ：音速（Ｎｍ／秒）
Ｖ_Ｇ／Ｃの値が１．０を下回ると、燃料ガスと燃焼用酸化性ガスとの混合状態が悪くなり、フリーボードの小さい反応容器であっても、溶銑（溶融鉄）２６の浴面と上吹きランス３の先端との間の空間内で燃料ガスが完全燃焼しにくい。また、Ｖ_Ｇ／Ｃの値が３．０を超えると、燃料ガスが溶銑２６の浴面に到達する前に、燃え尽きやすく、粉状精錬剤２８への着熱効率が悪くなる。その結果、溶銑（溶融鉄）への着熱効率も悪くなり、熱余裕を向上させることが難しい。ひいては、溶銑２６（溶融鉄）に鉄スクラップなどの冷鉄源を加える場合には、その冷鉄源の配合比率を高めにくくなる。

上記の（１）式及び（２）式を満足する条件で、燃料ガス及び燃焼用酸化性ガスを供給することで、燃料ガス噴射孔１７から供給される燃料と、燃焼用酸化性ガス噴射孔１８から供給される燃焼用酸化性ガスとは、上吹きランス３の半径方向の全方位で近接しているので、各々干渉し合い、雰囲気温度が高いこともあって、点火装置がなくても燃焼限界範囲内にガス濃度が達した時点で燃焼し、上吹きランス３の下方に火炎が形成され、更には、溶鉄（溶融鉄）への更なる着熱効率の向上も期待できる。

次に、上記の（１）式及び（２）式を満たすように、燃料ガス及び燃焼用酸化性ガスを供給し、かつ、燃焼用酸化性ガスの供給量を調整することで、ランス高さｄに合わせた火炎長さｌを形成することが可能であることを次の実験によって確認した。

＜実験１＞
図１に示す精錬設備１と同様の反応容器設備を用いて、燃焼用酸化性ガス供給量（Ｎｍ^３／分）及び燃焼用酸化性ガスの噴出速度（吐出速度（Ｎｍ／秒））を変化させた場合の火炎長さを調査した。精錬設備１の反応容器２は、２００トンの溶融鉄を収容することができる。上吹きランス高さｄが０．５〜２．０ｍの範囲となる位置に上吹きランス３を配置した。同じ寸法を有するランス本体１４を複数用意し、それぞれ設計変更がなされた複数のランスチップ１５を用意した。

複数のランスチップ１５は、中心孔が内径１１．５ｍｍであり、燃料ガス噴射孔が円環状スリットの隙間が１ｍｍであり、周囲孔はスロート径が４．３ｍｍの３孔ラバールノズルでランス中心軸に対して１５°の角度、つまりランス中心軸と同等の角度で配置されているという点でそれぞれ共通している。一方で、燃焼用酸化性ガス噴射孔１８について、複数のランスチップ１５の各々は、設計変更がなされている。この燃焼用酸化性ガス噴射孔１８は円環状スリットの隙間であり、複数のランスチップ１５は、この隙間の幅が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲のうちで、それぞれ異なる任意の寸法を有する。

この複数のランスチップ１５と、複数のランス本体１４とをそれぞれ溶接して、燃焼用酸化性ガス噴射孔１８の隙間が相異なる複数の上吹きランス３を準備した。このようにして、火炎の形成に際して、燃焼用酸化性ガスの同一流量（Ｎｍ^３／秒）においても、燃焼用酸化性ガスの噴出速度（吐出速度（Ｎｍ／秒））を変更させることが可能となった。

複数の上吹きランス３のうち、適宜１つの上吹きランス３を選択し、選択した上吹きランス３から、燃料ガスや燃料ガス燃焼用酸化性ガスの気体を供給して上吹きランス３の下端部に火炎を形成した。粉状精錬剤は、上吹きランス３の中心の円形ストレート型の中心孔から、燃料ガスは円環状（リング状）の燃料ガス噴射孔から、燃料ガスの燃焼用酸化性ガスは円環状（リング状）の燃焼用酸化性ガス噴射孔から、精錬用酸化性ガスは同心円上に配置した複数個のラバールノズル型の周囲孔から反応容器２内に供給した。このようにして、複数回、火炎を形成した。

燃料ガスとしてはプロパンガス（発熱量：１００．５ＭＪ／Ｎｍ^３）を用い、プロパンガスの供給流量（供給速度）Ｆは、１．０Ｎｍ^３／分とした。燃料ガス燃焼用酸化性ガス及び精錬用酸化性ガスとしては、酸素ガスを用いた。燃料ガス燃焼用酸化性ガスの供給流量（供給速度）Ｇは５Ｎｍ^３／分〜８．８Ｎｍ^３／分、精錬用酸化性ガスの供給流量は４６．２ｍ^３／分〜５０Ｎｍ^３／分とし、反応容器２に吹き込んだ全酸素の供給流量は５５Ｎｍ^３／分と一定にした。プロパンガスと、このプロパンガスを完全燃焼するために必要となる燃焼用酸化性ガスとの化学量論値との比の値（Ｇ／Ｆ）_ｓｔは、５．０となった。また、燃焼用酸化性ガスの吐出流速を音速以上とした。

上吹きランス３から燃料ガスと燃焼用酸化性ガスとを吹き込み、安定的な火炎を形成させた後、各条件における火炎長さを目視にて測定した。測定結果を図３に示す。図３中の横軸の「（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ」は、（Ｇ／Ｆ）_ｓｔに対する、プロパンガスと、燃焼用酸化性ガスとの流量比である。図３中の縦軸の「火炎長さ指数」は、ｌと、化学量論比での火炎長さｌ_ｓｔとの比「ｌ／ｌ_ｓｔ」を意味する。（Ｇ／Ｆ）_ｓｔにおける、プロパンガスの供給流量（供給速度）Ｆは、１．０Ｎｍ^３／分であり、燃料ガス燃焼用酸化性ガスの供給流量（供給速度）Ｇは、５．０Ｎｍ^３／分であった。この場合の火炎長さは１．２ｍであった。

図３に示すように、燃焼用酸化性ガスの供給量を変化させ、かつ燃焼用酸化性ガスの吐出流速を音速以上とすることによって、燃料ガスと燃焼用酸化性ガスとが完全燃焼する理論燃焼時の火炎の長さに対する、火炎長さの値が変化することが分かった。結果的に、（Ｇ／Ｆ）_ｓｔのときの火炎長さｌが０．９ｍであり、上吹きランス高さｄが０．８ｍであるため、燃焼用酸化性ガスの供給量を調整することによって、ランス高さに合わせた適正な火炎長さを形成することが可能であると言える。

次に、上記の実験１における理論燃焼比「（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ＝１」の条件において、上吹きランス高さｄを変更し、溶銑への着熱挙動を調査した（実験２）。

＜実験２＞
理論燃焼比が１である場合には、理論燃焼比「（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ＝１」とした以外は実験１と同様の条件で、燃料ガスや燃料ガス燃焼用酸化性ガスの気体を供給して上吹きランス３の下端部に火炎を形成した。（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ＝１の場合には、ｌ＝０．９ｍとなる。粉状精錬剤に着熱させた。上吹きランス高さｄが変更されている各条件における、溶銑への着熱量は、溶鉄の温度上昇から算出した。ランス高さｄに対する火炎長さｌの値（ｌ／ｄ）と、火炎長さｌとランス高さｄとが等しい場合（ｌ／ｄ＝１）を基準とした着熱量に対する、各値（ｌ／ｄ）における着熱量の値（着熱指数）との関係を図４に示す。火炎による着熱された粉状精錬剤による溶銑への着熱が、着熱指数０．８を超えると一応、効率のよい着熱が達成されたと想定するが、図４によれば、そのような（ｌ／ｄ）の値は、０．８〜１．２の範囲となったことが確認される。

中心孔１６から不活性ガスとともに噴射される粉状精錬剤２８は、形成される火炎の熱を受けて加熱または加熱・溶融し、加熱されまたは溶融した状態で溶銑２６の浴面に吹き付けられる。これにより、溶銑２６に粉状精錬剤２８の熱が着熱し、溶銑２６の温度が上昇して、添加した冷鉄源の溶解が促進される。

また、その際に、上吹きランス３の周囲孔１９から、酸素ガスなどの精錬用酸化性ガスを溶銑２６の浴面に向けて吹き付ける。溶銑２６の脱燐反応は、溶銑中の燐が酸化性ガスまたは酸化鉄と反応して燐酸化物（Ｐ_２Ｏ_５）を形成し、この燐酸化物が石灰系媒溶剤の滓化によって形成されるスラグ２７に吸収されることで進行する。しかも、石灰系媒溶剤の滓化が促進されるほど脱燐速度が速くなる。従って、粉状精錬剤２８としては、生石灰（ＣａＯ）、石灰石（ＣａＣＯ_３）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）_２）などの石灰系媒溶剤を使用することが好ましい。生石灰に蛍石（ＣａＦ_２）またはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を滓化促進剤として混合したものを石灰系媒溶剤として使用することもできる。また、溶銑２６の脱炭吹錬工程で生成する転炉スラグ（ＣａＯ−ＳｉＯ_２系スラグ）を石灰系媒溶剤の全部または一部として使用することもできる。

粉状精錬剤２８として溶銑２６の浴面に吹き付けられた石灰系媒溶剤は直ちに滓化してスラグ２７を形成し、また、供給された精錬用酸化性ガスと溶銑中の燐とが反応して燐酸化物が形成される。形成した燐酸化物が滓化したスラグ２７に迅速に吸収されて、溶銑２６の脱燐反応が速やかに進行する。石灰系媒溶剤を粉状精錬剤２８として使用しない場合には、石灰系媒溶剤をホッパーなどから別途上置き投入する。

粉状精錬剤２８として、鉄鉱石やミルスケールなどの酸化鉄を使用した場合には、酸化鉄は酸素源として機能し、溶鋼中の燐と反応して脱燐反応が進行する。また、酸化鉄が石灰系媒溶剤と反応して石灰系媒溶剤の表面にＦｅＯ−ＣａＯの化合物が形成され、石灰系媒溶剤の滓化が促進され、脱燐反応が促進される。酸化鉄として高炉ダストや転炉ダストなどの可燃性物質を含有するものを使用した場合には、可燃性物質が火炎により燃焼し、上記に加えて可燃性物質の燃焼熱が溶銑２６の加熱に寄与する。

また、粉状精錬剤２８として、アルミ灰（Ａｌの地金やスクラップを溶解炉で溶かした時に、Ａｌと空気中の酸素とが反応して生成した、金属Ａｌを３０〜５０質量％含有するＡｌ酸化物）やコークスなどの可燃性物質を使用した場合には、可燃性物質が火炎により燃焼し、燃料の燃焼熱に加えて可燃性物質の燃焼熱が溶銑２６の加熱に寄与する。粉状精錬剤２８として、石灰系媒溶剤、酸化鉄及び可燃性物質を混合したものを使用する場合には、それぞれの効果を並行して得ることができる。

上吹ランス３からの火炎によって加熱されているまたは加熱されることによって溶融している粉状精錬剤２８の熱が溶銑２６に伝達する。更には、溶銑２６の上方に存在する、上吹きランス先端の火炎の燃焼熱が溶銑２６に伝達する。これらの溶銑２６に伝達する熱に加えて溶銑２６が激しく攪拌されることも相まって、溶銑中の冷鉄源の溶解が促進される。装入した冷鉄源の溶解が脱燐処理を行っている間に終了する。

その後、溶銑２６の燐濃度が目的とする値かそれ以下になったなら、上吹きランス３から溶銑２６への全ての供給を停止して脱燐処理を終了する。

以上説明したように、本発明によれば、上吹きランス先端下方にバーナー火炎を形成するための燃料ガスの、燃料ガス噴射孔１２における単位断面積あたりの投入熱量を制御し、かつ、酸素ガスの供給量を適正に制御することで、様々なランス高さに応じて、ランス高さ以下の火炎長さに制御することが可能となる。その結果、上吹きランス３を介して反応容器２内に供給される粉状精錬剤２８を溶銑２６の浴面に到達するまでの間、連続的に安定して加熱することが実現され、粉状精錬剤２８の熱は溶銑２６に確実に着熱するので、溶銑２６の熱余裕が向上する。精錬設備１における溶融鉄として溶銑２６を用い、この溶銑２６に対する酸化精錬処理において、鉄スクラップなどの冷鉄源の配合比率を大幅に増大することが実現される。

本発明は、反応容器における溶融鉄の酸化精錬に関するものであり、例えば、溶銑２６を転炉で脱炭処理して溶鋼を得て、その溶鋼を別の反応容器に移し、その別の反応容器で溶鋼を酸化精錬することにも適用することが可能である。本発明によって、溶銑及び溶鋼などの溶融鉄の熱余裕が向上する。

前述の実験１，２と同様の寸法を有する精錬設備１及び、前述の実験と同様に複数の上吹きランス３を用いて、精錬設備１に溶銑２６と鉄スクラップを装入し、ランス高さを調整して、上吹きランス３を反応容器２に挿入し、複数回の脱燐吹錬（溶銑の予備脱燐処理）を行った。

上吹きランス３には、前述の実験と同様の条件で、燃料としてはプロパンガスを供給し、かつ、燃焼用酸化性ガス及び精錬用酸化性ガスとして酸素ガスを供給した。脱燐吹錬の際、上吹きランス高さｄと火炎長さｌとの比（ｌ／ｄ）が０．８以上１．２以下となるように、燃焼用酸化性ガスの供給量を調整した。（１）燃料ガス供給流路から供給されるプロパンガスとの供給速度（Ｎｍ^３／分）と、燃焼用酸化性ガス供給流路から供給される燃焼用酸化性ガスとの供給速度（Ｎｍ^３／分）との流量比（Ｇ／Ｆ）を、燃料ガスと、該燃料ガスを完全燃焼するために必要となる燃焼用酸化性ガスとの化学量論係数の比（Ｇ／Ｆ）_ｓｔに対して、１．０〜５．０の範囲内となるように燃焼用酸化性ガスを供給し、かつ（２）音速に対する、燃焼用酸化性ガスの吐出流速（ｍ／秒）（Ｖ_Ｇ／Ｃ）の値を１．０〜３．０の範囲内となるように、燃料ガス噴射孔のスリットの隙間が相異なる複数の上吹きランス３のうち、燃焼用酸化性ガス噴射孔１８の隙間について所望寸法を有する上吹きランス３を適宜用いて、燃焼用酸化性ガスの吐出速度（Ｎｍ／秒）を調整した。（本発明例１〜５）。また、（Ｖ_Ｇ／Ｃ）の値を１．０〜３．０の範囲外となるような上吹きランス３を適宜用いて、燃焼用酸化性ガスの吐出速度（Ｎｍ／秒）を調整することを除いて、本発明例１の条件と同様に操業を行った（本発明例６，７）。

本発明例１〜７との比較のために、（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔの値を、１．０〜５．０の範囲外となるように、燃焼用酸化性ガスの供給量を完全燃焼に要する量とした条件での操業も行った（比較例１，２）。ここで、Ｃは、音速（Ｎｍ／秒）であり、１３５０℃の溶銑の周りでは、概ね１１５０ｍ／秒となる。

鉄スクラップを脱燐処理後に溶け残りが無いよう反応容器２に装入した後、温度が１３５０℃である２００トンの溶銑を装入する。次いで、上吹きランス３から生石灰と鉄鉱石と製鋼ダストとの混合粉、燃料ガス、燃焼用酸化性ガス、精錬用酸化性ガスを溶銑面に向けて吹き付けた。

鉄スクラップの装入量は、予備脱燐処理終了温度が１４００℃となるように調整した。生石灰は、炉内スラグの塩基度（質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ_２）が２．５となるように添加量を調整した。

脱燐処理で使用した溶銑の組成を表１に示す。

使用した製鋼ダストの組成を表２に示す。

脱燐処理における粉状精錬剤吹き込み量、上吹きランスへの各種ガス流量、上吹きランス高さ、火炎長さｌは、表３に示すように設定した。燃料ガス燃焼用酸化性ガスの供給量を調整して、（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔの値及びは、Ｖ_Ｇ／Ｃの値は、表３に示す値となった。

以上に示した操業条件と操業方法による脱燐処理結果を表４に示す。鉄スクラップ配合率を様々に変化させ、装入した鉄スクラップが脱燐処理後に溶け残らない上限の鉄スクラップ配合比率を示している。

表４から明らかなように、本発明例１〜７と比較例１、２とで吹錬時間と鉄スクラップの配合比を比較すると、本発明の方法に従えば溶銑の予備脱燐処理に要する吹錬時間が８分と同じ場合でも、溶銑中の鉄スクラップ配合比を高めた操業が可能となっていることがわかる。また、Ｖ_Ｇ／Ｃの値が、１．０以上３．０以下を満たす本発明例１〜５では、満たさない本発明例６，７に比べて、鉄スクラップの配合比を高めた操業が可能となっていることがわかる。このことから、Ｖ_Ｇ／Ｃの値が、１．０以上３．０以下である方が、高能率で溶銑の予備脱燐処理を行うことが可能であることが予測される。

１ 精錬設備
２ 反応容器
３ 上吹きランス
４ 粉状精錬剤供給管
４Ａ 精錬剤搬送用ガス供給管
５ 燃料ガス供給管
６ 燃焼用酸化性ガス供給管
７ 精錬用酸化性ガス供給管
１３ ディスペンサー
１４ ランス本体
１５ ランスチップ
１６ 中心孔
１７ 燃料ガス噴射孔
１８ 燃焼用酸化性ガス噴射孔
１９ 周囲孔
２０ 最内管
２１ 仕切り管
２２ 内管
２３ 中管
２４ 外管
２５ 最外管
２６ 溶銑
２７ スラグ
２８ 粉状精錬剤
３１ 粉状精錬剤供給流路
３２ 燃料ガス供給流路
３３ 燃焼用酸化性ガス供給流路
３４ 精錬用酸化性ガス供給流路

Claims (5)

1. 粉状精錬剤供給流路と、燃料ガス供給流路と、燃料ガスの燃焼用酸化性ガス供給流路と、精錬用酸化性ガス供給流路とを別々に有する上吹きランスを用いて、前記燃料ガス供給流路から燃料ガスを供給し、かつ、前記燃焼用酸化性ガス供給流路から燃焼用酸化性ガスを供給して、反応容器に収容される溶融鉄の浴面に向けて前記上吹きランスのノズル前面に火炎を形成し、
   酸化鉄と石灰系媒溶剤と可燃性物質とのうちの少なくとも１種類を含む粉状精錬剤を、不活性ガスとともに前記粉状精錬剤供給流路から溶融鉄の浴面に向けて供給して、該粉状精錬剤を、前記火炎で加熱しながら、溶融鉄の浴面に向けて吹き付けつつ、前記精錬用酸化性ガス供給流路から溶融鉄の浴面に向けて精錬用酸化性ガスを供給する溶融鉄の精錬方法であって、
   燃料ガスと燃焼用酸化性ガスとの流量比を下記の（１）式を満足するように、調整しつつ前記火炎を形成することを特徴とする溶融鉄の精錬方法。
   １．０≦（Ｇ／Ｆ）／（Ｇ／Ｆ）_ｓｔ≦５．０ ・・・（１）
   但し、（１）式において、Ｇ：燃焼用酸化性ガス供給速度（Ｎｍ^３／分）、
   Ｆ：燃料ガス供給速度（Ｎｍ^３／分）、
   （Ｇ／Ｆ）_ｓｔ：燃料ガスと、該燃料ガスを完全燃焼するために必要となる燃焼用酸化
   性ガスとの化学量論係数との比、である。
2. 前記上吹きランスの高さが０．５〜２．０ｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の溶融鉄の精錬方法。
3. 前記反応容器のフリーボードの値が０．５〜２．０ｍの範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の溶融鉄の精錬方法。
4. 燃焼用酸化性ガス吐出流速が下記の（２）式を満足するように、前記燃焼用酸化性ガス供給速度Ｇを調整することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の溶融鉄の精錬方法。
   １．０≦Ｖ_Ｇ／Ｃ≦３．０ ・・・（２）
   但し、（２）式において、Ｖ_Ｇ：燃焼用酸化性ガスの吐出流速（Ｎｍ／秒）、
   Ｃ：音速（Ｎｍ／秒）、である。
5. 前記溶融鉄が溶銑であり、前記精錬用酸化性ガスを供給して行う溶融鉄の精錬は、溶銑の脱燐処理であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の溶融鉄の精錬方法。

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