特許 7502547 溶鉱炉の炉壁付着物除去方法および溶鉱炉の操業方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-10

(45)【発行日】2024-06-18

(54)【発明の名称】溶鉱炉の炉壁付着物除去方法および溶鉱炉の操業方法

(51)【国際特許分類】

   C21B 5/00 20060101AFI20240611BHJP

   F27D 25/00 20100101ALI20240611BHJP

【ＦＩ】

C21B5/00 323

F27D25/00

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023194903

(22)【出願日】2023-11-16

【審査請求日】2024-02-27

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000200301

【氏名又は名称】ＪＦＥミネラル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001542

【氏名又は名称】弁理士法人銀座マロニエ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】筒井 慶喜

(72)【発明者】

【氏名】郷原 大成

(72)【発明者】

【氏名】塩田 敏生

(72)【発明者】

【氏名】築地 秀明

(72)【発明者】

【氏名】藤井 紀文

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特公昭４２－０２６３７７（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開昭５４－０３３８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０５１９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－１１５９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－００２５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－３０１８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１１７７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３２２４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０４８５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２１９３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０２２－０８９４３４（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２１Ｂ ５／００，７／０６，７／１０

Ｆ２７Ｄ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶鉱炉への装入物の上面を付着物の下部まで下げ、前記付着物を露出させ、露出させた前記付着物に散水を行い、前記付着物を除去する、溶鉱炉の炉壁付着物除去方法。

【請求項2】

前記散水では、散水－散水間にインターバルを設け、間欠的に散水する、請求項１に記載の溶鉱炉の炉壁付着物除去方法。

【請求項3】

前記散水では、所定の炉熱水準を保持するよう１回あたりの散水時間、インターバル時間、散水流量および総散水量を調整し、前記付着物を除去する、請求項２に記載の溶鉱炉の炉壁付着物除去方法。

【請求項4】

前記散水は複数回に分けて行い、１回の散水時間を３０～１２０ｓの範囲とし、散水のインターバル時間を６０～２４０ｓの範囲とし、炉容積１ｍ^３に対する散水流量を８～２３ｋｇ／ｈの範囲とし、炉容積１ｍ^３に対する総散水量を１３～３９ｋｇの範囲とすることで、前記付着物を除去する、請求項３に記載の溶鉱炉の炉壁付着物除去方法。

【請求項5】

操業中又は休風中に、溶鉱炉への装入物を付着物の下部まで減量させ、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の溶鉱炉の炉壁付着物除去方法により、炉壁の付着物を除去する付着物除去工程を含む、溶鉱炉の操業方法。

【請求項6】

さらに、溶鉱炉の炉壁への付着物を検知する工程を有し、
前記溶鉱炉内の炉壁に前記付着物の付着を検知したら、前記付着物除去工程を実行する、請求項５に記載の溶鉱炉の操業方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶鉱炉内の炉壁に付着する付着物を除去する方法および溶鉱炉の操業方法に関する。本明細書において、質量を表す単位の「ｔ」は１０００ｋｇを表す。

【背景技術】

【0002】

溶鉱炉内の炉壁に付着する付着物の生成メカニズムは以下のように考えられる。すなわち、まず、鉱石に内包されるＺｎ（亜鉛）やＮａ（ナトリウム）などのアルカリ類が、温度の高い溶鉱炉の下部で蒸発し、シャフトや炉口近傍の炉壁などの比較的低温の部分に凝縮する。この凝縮物が結合材となって装入された鉱石やコークスを固め、強固な付着物となる。

【0003】

この付着物が炉壁で成長すると炉内形状がいびつとなり、炉内のガス流れが不安定となる。そのため、炉内物の荷下がり不調や炉内の通気性悪化を招く。そして、溶鉱炉の生産性が低下する。一方で、付着物が崩落すると、付着物の再溶解に伴う熱量不足から、炉温低下を生じる。そのため、コークス比の悪化、ひいては、生産性の低下につながる。

【0004】

このような事情から、溶鉱炉の操業にあたっては、亜鉛やアルカリなどの炉内循環量を抑制するために、原料装入物での亜鉛やアルカリ類の含有量を厳しく制限すること、または、炉壁の付着物を除去することが行われてきた。

【0005】

従来の付着物除去方法は、休風時や操業時に原料装入物を減尺し、付着物を放冷することでサーマルショックを与え、剥離・除去していた。また、特許文献１には、装入物を入れたまま、あるいは、減尺してダイナマイト等の爆薬で爆破除去することが開示されている。

【0006】

また、特許文献２には、付着物を検知し、装入物を減尺して休風し、気体を冷媒として吹き付けて冷却し、付着物の物理的性状、たとえば、熱膨張を急激に変化させて亀裂を生じさせ、付着物を脱落除去させることが開示されている。また、特許文献３には、付着物の発生を把握し、減尺休風操業を行い、操業への復帰時に装入原料を付着物に衝突させて付着物除去を行うことが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特公昭４２－０２６３７７号公報

【文献】特開昭５４－０３３８０８号公報

【文献】特開昭５５－１１５９０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上記従来技術には以下の問題があった。
まず、従来法の原料装入物での亜鉛やアルカリ類の含有量を厳しく制限することは、原料の選択幅を狭くし、製品の高騰を招くことから、経済的に採用しがたい。また、単に付着物を放冷するだけでは、剥離する量が少なく、効果が小さい問題があった。とくに、操業中の減尺は、時間も短く、付着物の除去効果が小さい。

【0009】

また、特許文献１に記載の方法は、付着物の除去という観点では有効であるものの、爆破により周辺設備、たとえば、鉄皮やレンガなどの炉体を損傷するおそれが大きい。

【0010】

また、特許文献２や３に記載の技術は、休風を前提としており、操業中に適用することを想定していない。休風は数か月に１度の作業であり、頻度が限定的で、付着物が肥大してしまうおそれがあった。また、特許文献２に記載の気体冷却では熱容量が小さく、冷却の効果を発揮するのに長時間を要する問題があった。さらに、空気を用いた冷却では、休風時に炉内の燃焼性ガスを非燃焼性ガスに置換しなければ、爆発のおそれがあり、操業中には適用できない。

【0011】

また、特許文献３に記載の装入物を付着物に衝突させる方法は、付着物の除去後、装入物がレンガに衝突して損傷するおそれがある。

【0012】

そこで、本発明は、従来技術が抱えている上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、休風時や操業時に効果的に炉壁の付着物を除去することが可能な溶鉱炉の炉壁付着物除去方法および操業方法を提案することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

発明者らは、付着物を露出させたうえで適切な条件で散水して冷却することにより付着物を効率的に除去できることを見出した。

【0014】

上記課題を有利に解決する本発明にかかる溶鉱炉の炉壁付着物除去方法は、溶鉱炉への装入物の上面を付着物の下部まで下げ、前記付着物を露出させ、露出させた前記付着物に散水を行い、前記付着物を除去することを特徴とする。

【0015】

なお、本発明にかかる溶鉱炉の炉壁付着物除去方法は、
ａ．前記散水では、散水－散水間にインターバルを設け、間欠的に散水すること、
ｂ．前記散水では、所定の炉熱水準を保持するよう１回あたりの散水時間、インターバル時間、散水流量および総散水量を調整し、前記付着物を除去すること、
ｃ．前記散水は複数回に分けて行い、１回の散水時間を３０～１２０ｓの範囲とし、散水のインターバル時間を６０～２４０ｓの範囲とし、炉容積１ｍ^３に対する散水流量を８～２３ｋｇ／ｈの範囲とし、炉容積１ｍ^３に対する総散水量を１３～３９ｋｇの範囲とすることで、前記付着物を除去すること、
がより好ましい解決手段になる。

【0016】

上記課題を有利に解決する本発明にかかる溶鉱炉の操業方法は、操業中又は休風中に、溶鉱炉への装入物を付着物の下部まで減量させ、上記いずれかの溶鉱炉の炉壁付着物除去方法により、炉壁の付着物を除去する付着物除去工程を含むことを特徴とする。

【0017】

なお、本発明にかかる溶鉱炉の操業方法は、さらに、溶鉱炉の炉壁への付着物を検知する工程を有し、溶鉱炉内の炉壁に前記付着物の付着を検知したら、前記付着物除去工程を実行することがより好ましい解決手段になる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、休風中だけでなく操業中においても付着物を除去できるので、課題に挙げた不具合が解消出来た。また、減尺することでシャフト部の付着物も除去できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】溶鉱炉の上部垂直断面を示す概略断面図である。

【図2】本発明の実施形態にかかる散水条件の一例を示す図であって、（ａ）は図１のＸ－Ｘ視模式断面図であり、（ｂ）は散水パターンを表す図である。

【図3】上記実施形態にかかる散水条件の他の例を示す図であって、（ａ）は図１のＸ－Ｘ視模式断面図であり、（ｂ）は散水パターンを表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を具体的に説明する。図１は本発明にかかる溶鉱炉の炉壁付着物除去方法を適用して好適な溶鉱炉の上部垂直断面を表す概略断面図である。
本実施形態にかかる溶鉱炉１は、鉄鉱石やマンガン鉱石を主原料として、銑鉄やフェロマンガンを製造する設備である。とくに、マンガン鉱石を原料としてフェロマンガンを製造する溶鉱炉１に適用して好適である。マンガン鉱石を原料とする溶鉱炉１の炉壁付着物６はＮａ（ナトリウム）分やＫ（カリウム）分が多く、Ｚｎ（亜鉛）分が少ない特徴がある。したがって、マンガン鉱石を原料とする溶鉱炉の付着物はＮａ_２ＯやＫ_２Ｏの水和膨張が大きい。

【0021】

本実施形態にかかる溶鉱炉の炉壁付着物除去方法では、付着物６の発生の検知を特に限定するものではないが、炉口３近傍の炉壁２に付着した付着物６の発生を以下のいずれかの方法で検知することが好ましい。
（１）溶鉱炉１の炉内装入物Ｓの減尺７を行い、つまり、減尺前の装入物レベルＳＬ０から減尺後の装入物レベルＳＬまで下げることにより、炉壁２の内面を目視や撮影画像で観察して、たとえば、水冷のシャフトステーブ５への付着物６の高さや厚みを直接把握すること。
（２）炉体外部に設置した温度計の周方向の温度差や温度の時間変化から炉壁２への付着物６の発生を検知すること。
（３）炉体を冷却する冷却水の温度変化から付着物６の発生を検知すること。

【0022】

本実施形態では、たとえば、操業中に散水ノズル４から散水４Ａによって溶鉱炉１の温度が低下するのを補償するために、事前に操業温度を通常より高めに設定したうえで、炉内装入物Ｓの上面（装入物レベルＳＬ）を炉壁２への付着物６の下部まで下げて、付着物６を露出させる。そして、露出させた付着物６に対し、所定の条件で散水する。そして、冷却による熱膨張差によって付着物６に発生する亀裂と、亀裂から浸入した水とアルカリ分との反応による水和膨張を主因とする亀裂の進展とによって、付着物６の脱落・除去８を行う。なお、減尺休風中に散水することも可能である。同様の付着物除去効果が得られる。

【0023】

本実施形態における散水方法は、所定時間ｔｓの散水４Ａと、散水－散水間に散水を行わないインターバル時間ｔｉを設け、間欠的に散水することが好ましい。インターバル時間ｔｉを置くことで、散水での冷却による収縮と復熱による膨張とで付着物６に亀裂が入りやすくなる。また、散水条件を調整し、溶鉱炉１の炉熱水準を所定の範囲とすることが好ましい。ここで、溶鉱炉１の炉熱水準は、溶鉱炉１の操業温度および製造物の成分変動を用いて評価する。溶鉱炉１の操業温度を所定の範囲に納め、製造物、たとえば、フェロマンガンの成分であるＳｉなどの濃度変動を所定の範囲に納めることができる。

【0024】

１回あたりの散水時間ｔｉは３０～１２０ｓの範囲とすることが好ましい。下限未満では、付着物６の除去効果が小さすぎるおそれがある。上限超えでは炉熱を低下させすぎ、水性ガス反応により水素ガスが発生するおそれがある。インターバル時間ｔｉは６０～２４０ｓの範囲とすることが好ましい。下限未満では、炉熱の回復が不十分となるおそれがある。上限超えでは、付着物６の完全除去が長時間となるおそれがある。インターバル時間ｔｉは散水時間ｔｓの２倍程度とすることが好ましい。炉熱の回復および付着物６へのサーマルショックが期待できる。炉容積１ｍ^３に対する散水流量は８～２３ｋｇ／ｈの範囲とすることが好ましい。下限未満では、付着物の除去効果が小さすぎるおそれがある。上限超えでは、炉熱が低下しすぎ、水性ガス反応により水素ガスが発生するおそれがある。炉容積１ｍ^３に対する総散水量を１３～３９ｋｇの範囲とすることが好ましい。下限未満では、付着物６の除去残りが懸念される。上限超えでは、炉熱が低下しすぎるおそれがある。炉熱の低下は、還元材比を上昇させ、Ｓｉ濃度が上昇するなど操業の安定性を阻害する。

【0025】

本実施形態にかかる散水ノズル４は散水４Ａの向きを付着物６に向けて調整可能な１個を配置し、または、複数を炉口３の周方向に配置することができる。炉口３の周方向に配置した複数の散水ノズル４は、予め散水する順番を決めて一本ずつ、もしくは複数本ずつ順に散水することで、付着物除去を均一にかつ効率的に行うことができる。
図１は、炉壁２の付着物６に向けて散水ノズル４を配置した様子を示した。図２（ａ）は図１のＸ－Ｘ断面で見た炉口３に等間隔に配置した８本の散水ノズル４を示す概略図である。斜体数字で散水順４Ｂを示す。図２（ｂ）は予め決めておいた場所の付着物を狙って散水ノズル４を時計回りに順にインターバル時間ｔｉを設けながら連続的に散水する様子を示したパターン図である。こうすることで偏りなく散水でき、均一かつ効率的に付着物除去を行うことができる。図２（ｂ）中のｔｓは散水時間を表し、ｔａは総散水時間を表す。パターン図の黒塗りの期間に散水している。

【0026】

また、炉壁２の一部に付着物６がある場合は、それを狙った散水ノズル４を選択し、散水４Ａに供することができる。図３（ａ）は、散水ノズルＣとＧは対向する位置に付着物６はないのでこれらは用いずに、散水ノズルＡ，Ｂ、Ｄ，Ｅ、Ｆ、Ｈを選択した様子を示す。図３（ｂ）は対向する位置の付着物６に対し、予め決めておいた場所の付着物６を狙って散水ノズル４を用いて散水時間ｔｓの２倍のインターバル時間ｔｉを設け、散水した例である。こうすることで炉壁２に偏在する付着物６を均一かつ効率的に除去を行うことができる。

【0027】

本実施形態にかかる溶鉱炉の操業方法では、操業中又は休風中に、溶鉱炉への装入物を付着物の下部まで減量させ、上記炉壁付着物除去方法により、炉壁に付着した付着物を除去する付着物除去工程を含む。除去された付着物は、原料など装入物とともに溶鉱炉を下降する。付着物中の原料成分はそのまま炉下部で溶解される。付着物中のアルカリ分など揮発成分はガス化して上昇する。ガス化した成分の一部は原料等に捕捉されて、炉内循環する。その他は、ダストなどとして系外に排出される。

【0028】

本実施形態にかかる溶鉱炉の操業方法では、溶鉱炉の炉壁への付着物を検知する工程を有し、溶鉱炉内の炉壁に付着物の付着を検知したら、上記付着物除去工程を実行することが好ましい。付着物の検知には、上記した（１）～（３）の３つの方法が例示される。

【実施例】

【0029】

＜実施例１＞
内容積４５０ｍ^３の溶鉱炉を用い、炉壁への付着物を除去するための専用散水ノズルを炉体円周上に８本設置した。散水ノズルは、付着物へ散水できるようノズル向きを調整し、散水ノズルの管径は下記散水流量を満たす管径を選定した。散水ノズルは、炉内風速によって向きが変わらないよう単管ノズルを選定し、以下の確認を行った。

【0030】

溶鉱炉内の炉壁の付着物の付着検知は、炉体に設置した炉体温度計、または炉体に設置した冷却水の水温の変化で検知することとした。また、付着物が除去出来たかの判断も炉体温度計による測定温度の変化、または冷却水の水温の変化で確認した。付着物が除去できなかったら温度変化はなく、付着物が除去できたら測定温度が上昇する。本実施例では、炉体に設置した冷却水の水温の変化で検知した。

【0031】

炉体冷却水温の変化から、炉体付着物が５．８ｔの質量と推定された。この状態で休風中に溶鉱炉内の装入物の上面を付着物の下部まで下げ、付着物を露出させた。各ノズル１本ずつ、６０ｓずつ散水を行い、散水流量を８ｔ／ｈで行った。このとき、各ノズル当たりのインターバル時間は４２０ｓであった。２時間の散水により、推定付着量が０．６ｔまで低減できた。つまり、約９割の付着物除去効果を確認した。

【0032】

＜比較例１＞
実施例１と同様の設備を用い、付着物が付着した状態で、休風時に減尺を行い、付着物を約２４時間散水せずに放冷した。サーマルショックにより４割程度の付着物除去効果を得た。

【0033】

＜比較例２＞
実施例１と同様の設備を用い、付着物が付着した状態で、操業時に減尺を行い、付着物を約５時間散水せずに放冷した。サーマルショックにより３割程度の付着物除去効果を得た。

【0034】

＜実施例２＞
実施例１と同様の設備を用い、炉体冷却水温から炉内付着物が９.７tと推定された。その状態で操業中に減尺を行い、５時間の間欠的な散水を付着物に向けて行った。散水条件は、６０ｓの散水ののち１２０ｓのインターバル時間を置いた。散水流量１０ｔ／ｈとした。総散水量は約１７ｔであった。その結果、推定付着量１．０tまで低減できた。実施例１と同様に９割の付着物除去効果を確認した。

【0035】

＜実施例３＞
実施例１と同様の設備を用い、炉体冷却水温から炉内付着物が６．８tと推定された。その状態で操業中に減尺を行い、１時間の間欠的な散水を付着物に向けて行った。散水条件は、５０ｓの散水ののち１２０ｓのインターバル時間を置いた。散水流量８ｔ／ｈとした。総散水量は約３ｔであった。その結果、推定付着量４．１tまで低減できた。約４割の付着物除去効果を確認した。

【0036】

＜実施例４＞
実施例１と同様の設備を用い、炉体冷却水温から炉内付着物が７．９tと推定された。その状態で操業中に減尺を行い、３時間の間欠的な散水を付着物に向けて行った。散水条件は、４５ｓの散水ののち１２０ｓのインターバル時間を置いた。散水流量６ｔ／ｈとした。総散水量は約５ｔであった。その結果、推定付着量４．０tまで低減できた。約５割の付着物除去効果を確認した。

【0037】

＜実施例５＞
炉内に散水する場合、炉内原料や溶融物が温度低下し、炉熱低下となるおそれがある。吸熱反応である水性ガス反応を起こさないことが必要と考えた。そこで、溶鉱炉の排ガス分析を連続的に行い、水性ガス反応に伴う水素ガスの発生のない散水条件を求めた。実施例１と同じ設備を使い、８本のうち１本の散水で好ましい条件の確認を行った。表１に結果を示す。

【0038】

【表1】

【0039】

散水時間と散水流量を徐々に増加していき、水素ガスが発生した条件で、散水流量を低下させ、水素ガスの発生有無を試験した。散水時間１２０ｓ以下および散水流量１０ｔ／ｈ以下であれば水素ガスの発生なく散水できることがわかった。炉熱低下となる散水流量は炉容積によって変化するため、炉容積１ｍ^３に対する散水流量は２３ｋｇ／ｈ以下が好ましいとわかった。

【0040】

＜実施例６＞
次に、付着物の除去を効率的に行うための散水条件、つまり、散水時間および散水流量を把握する試験を行った。実施例１と同様の設備を用い、除去用散水ノズル８本のうち６本を使用して、各ノズル計１ｈずつ散水し表２の６つの条件で除去効果を確認した。処理Ｎｏ．１を１ｈ行い、次に、処理Ｎｏ．２を１ｈ行い、・・・、最後に処理Ｎｏ．６を１ｈ行うという順で試験した。付着物が除去できたかどうかの判断は炉体に設置した熱電対により計測した炉体温度の変化を確認した。つまり、付着物が除去できなかったら温度変化「無し」、付着物が除去できたら温度「上昇」と判定した。なお、インターバル時間は、散水時間の２倍に固定した。

【0041】

【表2】

【0042】

処理Ｎｏ．１～６ではいずれも水性ガス反応による水素ガスの発生はなかった。表２の結果から、付着物を除去するためには、散水時間を３０ｓ以上および散水流量を４ｔ／ｈ以上確保する必要があることがわかった。このため、炉容積１ｍ^３に対する散水流量は８ｋｇ／ｈ以上が好ましいとわかった。

【産業上の利用可能性】

【0043】

本発明に係る溶鉱炉の炉壁付着物除去方法および操業方法は、溶鉱炉に適用して、とくに、マンガン鉱石を原料とする溶鉱炉に適用して効果が大きく、生産性が向上するので産業上有用である。

【符号の説明】

【0044】

１ 溶鉱炉
２ 炉壁
３ 炉口
４ 散水ノズル
４Ａ 散水
４Ｂ 散水順
５ （水冷）シャフトステーブ
６ （炉壁）付着物
７ 減尺
８ （付着物の）脱落・除去
Ｓ （炉内）装入物
ＳＬ （減尺後の）装入物レベル
ＳＬ０ （減尺前の）装入物レベル
ｔｓ 散水時間
ｔｉ インターバル時間
ｔａ 総散水時間

【要約】

【課題】溶鉱炉の炉壁付着物除去方法および操業方法を提案する。
【解決手段】溶鉱炉への装入物の上面を付着物の下部まで下げ、付着物を露出させ、露出させた付着物に散水して、付着物を除去する、溶鉱炉の炉壁付着物除去方法である。その方法は、散水では、散水－散水間にインターバルを設け間欠的に散水すること、所定の炉熱水準を保持するよう１回あたりの散水時間、インターバル時間、散水流量および総散水量を調整し、付着物の除去を行うことが好ましい。操業中又は休風中に、溶鉱炉への装入物を付着物の下部まで減量させ、上記溶鉱炉の炉壁付着物除去方法により、炉壁の付着物を除去する付着物除去工程を含む、溶鉱炉の操業方法である。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】