アーク炉の操業方法
【課題】冷鉄源を使用して溶湯を製造する際に、効率良く冷鉄源を溶解して電力使用量の削減と操業時間の短縮を可能とするアーク炉の操業方法を提供すること。
【解決手段】溶解室２と、溶解室２の上部に直結するシャフト型の予熱室３とを具備し、溶解室２で発生する排ガスを予熱室３に導入して予熱室３内の冷鉄源１５を予熱するアーク炉１を用い、冷鉄源１５が予熱室３と溶解室２とに存在する状態を保つように冷鉄源１５を予熱室３へ供給しながら、溶解室２でアーク加熱にて冷鉄源１５を溶解する際に、アーク炉１から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とするアーク炉の操業方法を用いる。溶解室２内に炭材を添加すること、溶解室２内に添加する炭材がバイオマス由来であることが好ましい。
【解決手段】溶解室２と、溶解室２の上部に直結するシャフト型の予熱室３とを具備し、溶解室２で発生する排ガスを予熱室３に導入して予熱室３内の冷鉄源１５を予熱するアーク炉１を用い、冷鉄源１５が予熱室３と溶解室２とに存在する状態を保つように冷鉄源１５を予熱室３へ供給しながら、溶解室２でアーク加熱にて冷鉄源１５を溶解する際に、アーク炉１から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とするアーク炉の操業方法を用いる。溶解室２内に炭材を添加すること、溶解室２内に添加する炭材がバイオマス由来であることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄スクラップ、直接還元鉄、冷銑等の冷鉄源をアーク炉により溶解するアーク炉の操業方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鋼用アーク炉では、アーク熱にて鉄スクラップ等の鉄源を加熱・溶解し、その後炉内で精錬して溶鋼を製造するが、多くの電力を消費するため、溶解中にアーク炉の溶解室から発生する高温の排ガスを利用して鉄スクラップを予熱し、予熱した鉄スクラップを溶解することで電力使用量を削減する方法が多数提案されている。
【０００３】
その代表的なものが、特許文献１に開示されるように、溶解室と、溶解室に直結し、溶解室で発生する排ガスが導入されるシャフト型の予熱室と、を具備したアーク炉を用い、鉄スクラップが予熱室と溶解室とに連続して存在する状態を保つように、鉄スクラップを連続的又は断続的に予熱室へ装入しながら、溶解室の鉄スクラップをアークにて加熱して鉄スクラップを溶解し、溶解室に少なくとも１ヒート分の溶湯が溜まった時点で、鉄スクラップが予熱室と溶解室とに連続して存在する状態で溶湯を出湯するアーク炉でのスクラップ溶解方法である。尚、「１ヒート分の溶鋼」とは、連続鋳造等の鋳造作業に用いる取鍋等の溶鋼保持搬送容器の１つの容器に収容される溶鋼量であり、これは鋳造作業を実施する建物のクレーン等の吊り上げ荷重から決まる量である。
【０００４】
一方、電力使用量を削減することを目的として溶銑を鉄スクラップと共に鉄源として使用する操業が知られている。
【０００５】
例えば、特許文献２に開示されるように、溶解室と、溶解室に直結し、溶解室で発生する排ガスが導入されるシャフト型の予熱室と、を具備したアーク炉での操業方法であって、高炉溶銑を溶解室に直接装入すると共に、鉄スクラップが予熱室と溶解室とに連続して存在する状態を保つように、鉄スクラップを連続的又は断続的に予熱室へ装入しながら、溶解室の鉄スクラップ及び高炉溶銑をアークにて加熱して鉄スクラップを溶解し、溶解室に少なくとも１ヒート分の溶鋼が溜まった時点で、鉄スクラップが予熱室と溶解室とに連続して存在する状態で溶鋼を出鋼することを特徴とするアーク炉操業方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２９２９９０号公報
【特許文献２】特開２０００−１７３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献２に記載の技術を用いることで、スクラップを予熱して効率よくアーク溶解すると同時に、５０％程度の高炉溶銑を混合して用いることにより、電力使用量を削減することが出来るが、スクラップの溶解量は半分になるために、スクラップの処理効率が低下し、生産性が悪くなるという問題がある。
【０００８】
また、鉄鋼プロセスでのアーク炉の位置付けは、溶鋼製造プロセスであり、後工程のプロセス制約の関係上、一般的に出湯時の炭素濃度は１ｍａｓｓ％未満で操業されている。例えば、特許文献２では出鋼時の炭素濃度は０．１ｍａｓｓ％であり、溶銑を使用して溶解を行った場合、炭素を下げるための吹練時間が長くなるという問題も発生する。更に、炭素濃度が低くなると共に鉄の液相線温度（融点）は高くなり、出湯温度を高くする必要があることから、電力使用量の増大と操業時間の延長、という問題も発生する。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、冷鉄源を使用して溶湯を製造する際に、効率良く冷鉄源を溶解して電力使用量の削減と操業時間の短縮を可能とするアーク炉の操業方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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）、溶解室と、該溶解室の上部に直結するシャフト型の予熱室とを具備し、前記溶解室で発生する排ガスを前記予熱室に導入して該予熱室内の冷鉄源を予熱するアーク炉を用い、前記冷鉄源が前記予熱室と前記溶解室とに存在する状態を保つように前記冷鉄源を前記予熱室へ供給しながら、前記溶解室でアーク加熱にて前記冷鉄源を溶解する際に、前記アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とするアーク炉の操業方法。
（２）、溶解室内に炭材を添加することを特徴とする（１）に記載のアーク炉の操業方法。
（３）、溶解室内に添加する炭材がバイオマス由来であることを特徴とする（２）に記載のアーク炉の操業方法。
（４）、溶解室内に酸素を吹き込むことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のアーク炉の操業方法。
（５）、（１）乃至（４）のいずれかに記載のアーク炉の操業方法によって製造された溶湯を、転炉で精錬して溶鋼を得ることを特徴とする溶鋼の製造方法。
（６）、（１）乃至（４）のいずれかに記載のアーク炉の操業方法によって製造された溶湯の少なくとも一部を高炉溶銑と混合して、転炉で精錬して溶鋼を得ることを特徴とする溶鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷鉄源を使用して溶湯を製造する際に、効率良く冷鉄源を溶解して電力使用量の削減と操業時間の短縮が出来る。
【００１２】
また、バイオマス由来の炭材を使用することで、硫黄混入の防止と二酸化炭素の排出量を低減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施に用いるアーク炉の一実施形態であり、アーク炉設備の縦断面概略図である。
【図２】本発明の実施に用いるアーク炉の一実施形態であり、アーク炉設備の縦断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明においては、溶解室と、溶解室の上部に直結するシャフト型の予熱室とを具備し、溶解室で発生する排ガスを予熱室に導入して予熱室内の冷鉄源を予熱するアーク炉を用い、冷鉄源が予熱室と溶解室とに存在する状態を保つように冷鉄源を予熱室へ供給しながら、溶解室でアーク加熱にて冷鉄源を溶解する際に、アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上としてアーク炉を操業する。アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とし、出湯温度を低くすることで、冷鉄源を少ない電力使用量で迅速に溶解することが可能となる。
【００１５】
アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上に保つことにより、高炉溶銑と混ぜる時の発塵、スプラッシュの問題がなくなるという効果もある。炭素濃度が１ｍａｓｓ％未満であると高炉溶銑鉄と混ぜる際に、高炉溶銑中のＣとアーク炉からの溶湯中の酸素の反応によりＣ−Ｏ反応がおこり、これにより、発塵し、環境上の問題になる。また、スプラッシュが発生した場合、安全上の問題になる。
【００１６】
一方、省エネルギー及びＣＯ2削減による地球温暖化防止の観点からも、スクラップ利用の促進が望まれている。高炉での溶銑の製造には、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のに対し、スクラップは溶解熱のみを必要としており、鉄鉱石の還元熱分のエネルギー使用量を少なくすることができるという利点がある。
【００１７】
従来は、高炉―転炉法によるプロセスフローのスクラップ利用では、スクラップを転炉へ直接投入して使用されることが多い。しかし、転炉は、スクラップの溶解熱として溶銑中炭素の燃焼熱を利用していることから、一定量以上のスクラップの配合比率を高めることができないという欠点があった。また、転炉において、スクラップの配合率を高めるために溶解熱源として炭材を添加すること、吹練時間が長くなり生産性が低下する問題があった。さらに、転炉においてスクラップを多量に使用すると、製造される溶鋼の成分調整が難しいという問題があった。
【００１８】
溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とすることで、アーク炉を用いて製造した溶銑を高炉―転炉法によるプロセスフローの一部に組み込むことができる。例えば、高炉から転炉までに行われる溶銑予備処理（脱珪、脱硫、脱燐）の温度は、１２５０℃から１４５０℃で行われるため、アーク炉からの出湯炭素濃度を４ｍａｓｓ％以上にすれば、各種の溶銑予備処理を行うことができる。
【００１９】
アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とするためには、溶解室内に加炭および補助熱源として炭材を添加することが好ましい。下記に述べるように溶解室内に酸素吹込みを行う場合は、アーク炉内に添加する炭材と酸素の量を酸素１Ｎｍ3に対し炭材（炭素分として）１ｋｇ以上とすることが好ましい。これにより、酸素を吹き込んでも、溶湯中の炭素の低減を防止することができる。
【００２０】
溶解室内に酸素を吹き込むことが好ましい。酸素を吹き込むことで溶銑中炭素を酸素で燃焼させることができる。また、溶解室内に添加された炭材が溶鉄中に浸炭し、酸素を吹き込むことで溶銑中炭素を酸素で燃焼させると、炭素の燃焼熱が電力エネルギーの代替になると同時に、発生する高温のＣＯガスがシャフト内の鉄スクラップを予熱するので、電力原単位の低減と溶解の迅速性とが一層促進される。また、炭材を酸素により燃焼させることで、炭材は溶銑中炭素と同一の作用効果を発揮して電力原単位の低減に寄与する。
【００２１】
溶解室内に添加する炭材は、バイオマス由来であることが好ましい。炭材として一般的に使用されているコークスは硫黄（Ｓ）を含有しているが、バイオマス由来とすることで炭材からのＳ混入を防止できる。更に、バイオマスはカーボンニュートラルであることから地球温暖化の原因の一つである二酸化炭素の排出量を低減することが出来る。
【００２２】
冷鉄源として、高炭素含有冷鉄源を用いることが好ましい。冷鉄源とは上記したように、鉄スクラップ、鉄屑、直接還元鉄、冷銑等の鉄を主成分とするものであればよいが、特に高炭素含有冷鉄源を用いた場合、少ない電力使用量で迅速に溶解することが出来る。炭材の添加も不要となる場合がある。尚、本発明の高炭素含有冷鉄源とは、炭素濃度が１．０ｍａｓｓ％以上の冷鉄源であり、例えば、直接還元鉄（炭素濃度；１〜２ｍａｓｓ％）や冷銑（炭素濃度；３〜５ｍａｓｓ％）等であり、炭素濃度の低い鋼を主体とした鉄スクラップに比べて格段に炭素含有量が多い冷鉄源である。又、冷銑とは高炉や溶融還元炉、又はキュポラ等で製造された溶銑を凝固させたものである。更に、これらの高炭素含有冷鉄源は不純元素の少ないことから、鉄スクラップに起因するＣｕ、Ｓｎ、Ｃｒ等の不純物元素を希釈することもでき、高炉―転炉法で製造する高級鋼に匹敵する鋼が製造できる。
【００２３】
上記の発明において、アーク炉からの溶湯の出湯は、冷鉄源が予熱室と溶解室とに連続して存在する状態で行うことが好ましい。
【００２４】
次に、本発明を図面に基づき説明する。図１及び図２は、本発明の実施に用いるアーク炉の一実施形態である。図１及び図２は、アーク炉設備の縦断面概略図であり、図１は溶解室への炭材の吹き込みがランスからの場合を示す図であり、図２は溶解室への炭材をランスと炭材供給装置の併用、もしくは炭材供給装置のみから行う場合を示す図である。
【００２５】
図１及び図２において、アーク炉１は溶解室２と予熱室３とを具備し、内部を耐火物で構築され、底部に炉底電極６を備えた溶解室２の上部には、シャフト型の予熱室３と水冷構造の炉壁４とが配置され、この予熱室３で覆われない炉壁４の上部開口部は、開閉自在な水冷構造の炉蓋５で覆われている。この炉蓋５を貫通して、溶解室２内へ上下移動可能な黒鉛製の上部電極７が設けられ、直流式のアーク炉１の基部が構成されている。炉底電極６と上部電極７とは直流電源（図示せず）に連結し、炉底電極６と上部電極７との間でアーク１９を発生させる。
【００２６】
予熱室３の上方には、走行台車２４に吊り下げられた底開き型の供給用バケット１３が設けられ、この供給用バケット１３から、予熱室３の上部に設けた開閉自在な供給口２０を介して冷鉄源（例えば鉄スクラップ）１５が予熱室３内に装入される。そして、予熱室３の上端に設けられたダクト２１は集塵機（図示せず）に連結し、溶解室２で発生する高温の排ガスは、予熱室３及びダクト２１を順に通って吸引され、予熱室３内の冷鉄源１５は予熱される。そして、予熱された冷鉄源１５は、溶解室２内で溶解される冷鉄源１５の量に見合って、溶解室２内に自由落下し、溶解室２へ装入される。
【００２７】
炉蓋５を貫通して、溶解室２内を上下移動可能な酸素吹き込みランス８と炭材吹き込みランス９とが設けられ、酸素吹き込みランス８からは酸素が溶解室２内に吹き込まれ、炭材吹き込みランス９からは空気や窒素等を搬送用ガスとしてコークス、チャー、石炭、木炭、黒鉛、バイオマス炭等、もしくはこれらの混合物の炭材が溶解室２内に吹き込まれる。又、溶解室２の予熱室３を設置した部位の反対側には、その炉底に、扉２２で出口側を押さえ付けられて内部に詰め砂又はマッド剤が充填された出鋼口１１と、その側壁に、扉２３で出口側を押さえ付けられて内部に詰め砂又はマッド剤が充填された出滓口１２とが設けられている。この出鋼口１１の鉛直上方に対応する部位の炉蓋５には、バーナー１０が取り付けられている。バーナー１０は、重油、灯油、微粉炭、プロパンガス、天然ガス等の化石燃料やバイオマス燃料を、空気又は酸素若しくは酸素富化空気により溶解室２内で燃焼させる。バーナー１０は必要に応じて取り付けることができる。
【００２８】
図２の場合では、溶解室２の上方には、ホッパー２６と、ホッパー２６の下部に設けた切り出し装置２８と、その上端が切り出し装置２８に連結し、その下端が炉蓋５を貫通する供給シュート２９とで構成される炭材供給装置２５が設置されている。そしてホッパー２６には、コークス、チャー、石炭、木炭、黒鉛、バイオマス炭等、もしくはこれらの混合物の炭材２７が収納されており、炭材２７は、切り出し装置２８にて装入量を制御され、供給シュート２９を介して溶解室２に直接装入することもできる。
【００２９】
溶解室２の上方にはクレーン（図示せず）が設置されており、上部電極７、酸素吹き込みランス８、炭材吹き込みランス９、バーナー１０、及び炭材供給装置２５が予め取り外された炉蓋５を開放して、溶解室２内に冷鉄源１５を装入することができる構造になっている。
【００３０】
この直流式のアーク炉１における操業は、先ず、供給用バケット１３より予熱室３内に冷鉄源１５を装入する。予熱室３内に装入された冷鉄源１５は、溶解室２内にも装入され、やがて予熱室３内を充填する。尚、溶解室２内へ冷鉄源１５を均一に装入するため、炉蓋５を開けた状態で、予熱室３と反対側の溶解室２内に冷鉄源１５や炭材を装入することもできる。又、冷鉄源１５の装入の際に、溶銑を溶解室２に装入しても良い。溶銑を使用することで、溶銑の有する熱により、電力使用量を大幅に削減することができる。溶銑は供給用取鍋（図示せず）や溶解室２に連結する溶銑樋（図示せず）にて溶解室２に装入することができる。
【００３１】
次いで、炉底電極６と上部電極７との間に直流電流を給電しつつ上部電極７を昇降させ、炉底電極６と上部電極７との間、又は、装入された冷鉄源１５と上部電極７との間でアーク１９を発生させ、アーク熱により冷鉄源１５を溶解する。同時に、フラックスを溶解して溶融スラグ１８を生成させる。溶融スラグ１８は、生成される溶湯１７を保温する。溶融スラグ１８の量が多すぎる場合には、操業中でも出滓口１２から、排滓することができる。
【００３２】
通電後、酸素吹き込みランス８及び炭材吹き込みランス９の溶解室２内への挿入が可能となったら、図１、２に示すように、酸素吹き込みランス８及び炭材吹き込みランス９から、酸素及び炭材を溶解室２内の溶湯１７又は溶融スラグ１８中に吹き込むことが好ましい。炭材の添加はランス８と炭材供給装置２５から行うことができる。
【００３３】
溶湯１７中の炭素は酸素と反応して脱炭され、反応生成物のＣＯガスが溶融スラグ１８をフォーミングさせ、アーク１９が溶融スラグ１８に包まれるので、アーク１９の着熱効率が上昇する。又、大量に発生する高温のＣＯガスと、このＣＯガスが燃焼して生成するＣＯ2ガスとが、予熱室３内の鉄スクラップ１５を効率良く予熱する。酸素吹き込み量は、溶解開始から出湯までの間に溶解室２内で滞留する溶湯１７のトン当たり１５Ｎｍ3（以下、「Ｎｍ3／ｔ」と記載する。）以上とすることが好ましい。
【００３４】
溶解室２内に添加された、溶湯１７中に溶解した炭材又は溶融スラグ１８中に懸濁した炭材は、酸素と反応して燃焼熱を発生し、補助熱源として作用して電力使用量を節約すると同時に、アーク１９の着熱効率を上昇させると共に、冷鉄源１５の予熱効率を向上させる。この炭材の添加量は、酸素吹き込み量に対応して決められる。即ち、炭材の炭素量が、吹き込まれる酸素の化学等量に等しいまたはそれ以上の炭材を吹き込むこととすることが好ましい。炭素量が吹き込まれる酸素ガスに比べて少ないと、溶湯１７の過剰な酸化と炭素濃度が低下するので好ましくない。
【００３５】
又、溶解室２内の冷鉄源１５の溶解に伴い、予熱室３内の冷鉄源１５は溶解室２内で溶解された量に見合って溶解室２内に自由落下して減少するので、この減少分を補うために供給用バケット１３から予熱室３へ冷鉄源１５を装入する。この冷鉄源１５の予熱室３内への装入は、冷鉄源１５が予熱室３と溶解室２とに連続して存在する状態を保つように、連続的又は断続的に行う。その際に、予熱室３と溶解室２とに連続して存在する冷鉄源１５の量を、１回の出湯量の冷鉄源１５の５０ｍａｓｓ％以上とすることが好ましい。
【００３６】
このようにして冷鉄源１５及び溶湯１７を加熱して冷鉄源１５を溶解し、溶解室２内に溶湯１７を溜めると共に、溶湯１７の炭素濃度を測定し、必要により炭材吹き込みランス９や炭材供給装置２５からの炭材の添加量を調整して溶湯１７の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上に調整する。次いで、傾動装置（図示せず）により溶解室２を傾動して出湯口１１から溶湯１７を出湯する。この場合、溶湯１７中に冷鉄源１５が埋没して共存しているので、大きな溶湯過熱度を得ることができない。そのため、溶湯温度の低下に出湯口１１の閉塞等の伴うトラブルを防止するため、出湯時にバーナー１０で溶湯１７を加熱することが好ましい。
【００３７】
出湯後、脱硫を行う脱硫工程を経て、転炉で脱炭処理を行い、溶鋼を得る。また、アーク炉からの溶湯の少なくとも一部を高炉溶銑と混合して、脱硫を行う脱硫工程を経て、転炉で脱炭処理を行い、溶鋼を得ることもできる。
【００３８】
溶湯１７を出湯し、更に溶融スラグ１８を排滓した後、溶解室２を傾動装置にて水平に戻し、出湯口１１及び出滓口１２内に詰め砂又はマッド材を充填した後、次回ヒートの溶解を開始する。
【００３９】
このようにして、冷鉄源１５を加熱・溶解することで、その後のヒートで溶解される冷鉄源１５は全て予熱されて予熱効率の極めて高い状態で操業可能となることにより、生産性の向上と電力原単位の低減とが可能になる。
【００４０】
また、アーク炉出湯後の溶湯を高炉溶銑と混合すれば、希釈効果により高級鋼の製造にも用いることができる。この際に、アーク炉から出湯される溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上に保つことで、上記したようにアーク炉から出湯される溶湯と高炉溶銑とを混ぜる場合の発塵の問題も避けることができる。
【００４１】
上記説明では、アーク炉１が直流式の場合について説明したが、交流式アーク炉を用いる場合であっても全く支障なく本発明を適用することができる。
【実施例１】
【００４２】
図１に示す直流式アーク炉を用いた場合の本発明の実施例を以下に説明する。アーク炉は、溶解室が炉径７．２ｍ、高さ４ｍ、予熱室が幅３ｍ、長さ５ｍ、高さ７ｍ、炉容量が１８０トンである。
【００４３】
先ず、予熱室に約７０トンの常温の冷鉄源を装入し、次いで、溶解室に５０トンの常温の冷鉄源と１トンのコークスを装入して直径３０インチの黒鉛製上部電極を用い、最大７５０Ｖ、１３０ＫＡの電源容量により溶解を開始した。又、通電直後、生石灰と蛍石とを吹き込むと共に、２本の酸素吹き込みランスから酸素を１８００Ｎｍ3／ｈｒ、炭材吹き込みランスからコークスを２００ｋｇ／ｍｉｎとして溶解室内に吹き込んだ。生石灰及び蛍石は加熱されて溶融スラグとなり、そして、酸素とコークスの吹き込みにより、溶融スラグはフォーミングして上部電極の先端は溶融スラグ中に埋没した。この時の電圧を５５０Ｖに設定した。なお、スクラップの溶解に対しては酸素吹き込み量は１５Ｎｍ3／ｔ、及びコークス吹き込み量は５６ｋｇ／ｔの条件で、電力の使用量は２７０ｋＷｈ／ｔであった。
【００４４】
その後、予熱室内の鉄スクラップが溶解につれて下降したら、供給用バケットにて鉄スクラップを予熱室に装入し、予熱室内の鉄スクラップ高さを一定の高さに保持しながら溶解を続け、そして、溶解室内に１４０トン以上の溶湯が生成した時点で、１４０トンの溶湯を取鍋に出湯した。出湯時、重油バーナーにより溶湯を加熱した。出湯時の溶湯の炭素濃度は３．９ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１３９０℃であった。１４０トン出湯後、送酸とコークス吹き込みを行いながらスラグフォーミング操業を行って溶解を継続し、再び溶湯量が１４０トン以上になったら１４０トン出湯することを繰り返し実施した。
【００４５】
出湯後の溶湯は、約３５トンを２６５トンの高炉溶銑に混ぜ、トータル３００トンにしにて脱硫し、その後転炉で脱炭し、１６２０℃に昇温した後、溶鋼を出鋼して連続鋳造機により鋳造した。アーク炉から取鍋に出湯した残りの溶湯も同様に処理して鋳造した。
【００４６】
次に比較例として、図１に示す直流式アーク炉において、予熱室に約７０トンの常温の冷鉄源を装入し、次いで、溶解室に５０トンの常温の冷鉄源と１トンのコークスを装入して直径３０インチの黒鉛製上部電極を用い、最大７５０Ｖ、１３０ＫＡの電源容量により溶解を開始した。又、通電直後、生石灰と蛍石とを吹き込むと共に、酸素吹き込みランスから酸素を１８００Ｎｍ3／ｈｒ、炭材吹き込みランスからコークスを４８ｋｇ／ｍｉｎとして溶解室内に吹き込んだ。生石灰及び蛍石は加熱されて溶融スラグとなり、そして、酸素とコークスの吹き込みにより、溶融スラグはフォーミングして上部電極の先端は溶融スラグ中に埋没した。この時の電圧を５５０Ｖに設定した。なお、スクラップの溶解に対しては酸素吹き込み量は１５Ｎｍ3／ｔ、及びコークス吹き込み量は１５ｋｇ／ｔの条件で、電力の使用量は３６０ｋＷｈ／ｔであった。
【００４７】
その後、予熱室内の鉄スクラップが溶解につれて下降したら、供給用バケットにて鉄スクラップを予熱室に装入し、予熱室内の鉄スクラップ高さを一定の高さに保持しながら溶解を続け、そして、溶解室内に１４０トン以上の溶湯が生成した時点で、１４０トンの溶湯を取鍋に出湯した。出湯時、重油バーナーにより溶湯を加熱した。出湯時の溶湯の炭素濃度は０．２ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１６００℃であった。１４０トン出湯後、送酸とコークス吹き込みを行いながらスラグフォーミング操業を行って溶解を継続し、再び溶湯量が１４０トン以上になったら１４０トン出湯することを繰り返し実施した。
【００４８】
表１に、上記の出湯時の溶湯の炭素濃度が３．９ｍａｓｓ％の場合を実施例１とし、出湯時の溶湯の炭素濃度が０．２ｍａｓｓ％の場合を比較例として、操業条件及び操業結果を示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
溶湯の炭素濃度が０．２ｍａｓｓ％の場合に比較して、炭素濃度が３．９ｍａｓｓ％の場合は出湯温度を低下させた操業を行なうことができた。また、電力原単位が低下し、ｔａｐ−ｔａｐ時間も短縮することができた。尚、ｔａｐ−ｔａｐ時間とは、出湯開始時刻から次の出湯開始時刻までの時間である。
【実施例２】
【００５１】
図２に示す直流式アーク炉を用いた場合の本発明の実施例を以下に説明する。図２に示す直流式アーク炉は図１に示す直流式アーク炉に炭材供給装置を設置したものである。
【００５２】
先ず、予熱室に約７０トンの常温の冷鉄源を装入し、次いで、溶解室に５０トンの常温の冷鉄源と１トンのコークスを装入して直径３０インチの黒鉛製上部電極を用い、最大７５０Ｖ、１３０ＫＡの電源容量により溶解を開始した。又、通電直後、生石灰と蛍石とを吹き込むと共に、酸素吹き込みランスから酸素を１８００Ｎｍ3／ｈｒ、炭材吹き込みランスからコークスを９６ｋｇ／ｍｉｎとして溶解室内に吹き込んだ。生石灰及び蛍石は加熱されて溶融スラグとなり、そして、酸素とコークスの吹き込みにより、溶融スラグはフォーミングして上部電極の先端は溶融スラグ中に埋没した。この時の電圧を５５０Ｖに設定した。この後、溶解室の上方にある炭材供給装置からコークスを５００ｋｇ／ｍｉｎで溶解室内に連続投入して溶解を継続した。スクラップの溶解に対しては酸素吹き込み量は１５Ｎｍ3／ｔ、及びランスからのコークス吹き込み量は２０ｋｇ／ｔ、炭材供給装置からのコークスの添加量は３６ｋｇ／ｔの条件で、電力の使用量は２８０ｋＷｈ／ｔであった。
【００５３】
その後、予熱室内の鉄スクラップが溶解につれて下降したら、供給用バケットにて鉄スクラップを予熱室に装入し、予熱室内の鉄スクラップ高さを一定の高さに保持しながら溶解を続け、そして、溶解室内に１４０トン以上の溶湯が生成した時点で、１４０トンの溶湯を取鍋に出湯した。出湯時、重油バーナーにより溶湯を加熱した。出湯時の溶湯の炭素濃度は４．１ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１３９０℃であった。１４０トン出湯後、送酸とコークス吹き込みを行いながらスラグフォーミング操業を行って溶解を継続し、再び溶湯量が１４０トン以上になったら１４０トン出湯することを繰り返し実施した。
【００５４】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００５５】
図２に示す直流式アーク炉を用いた場合は、炭材の添加量は同じでも、出湯時の溶湯の炭素濃度を高めることができた。また、ランスからの炭材の吹き込み量が低減することで吹き込み時間が短くなり、ｔａｐ−ｔａｐ時間を短縮することができた。
【実施例３】
【００５６】
実施例１の条件にて、コークスの替わりにバイオコークスとしてヤシガラ（ＰＫＳ）炭を用いた。
【００５７】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００５８】
ヤシガラ炭を用いても問題無く操業ができ、溶湯の硫黄濃度は０．０１ｍａｓｓ％以下であり、バイオマス由来の炭材であるバイオコークスを用いることで溶湯中の硫黄濃度を低減することができた。
【実施例４】
【００５９】
実施例２の条件にて、コークスの替わりにバイオコークスとしてヤシガラ（ＰＫＳ）炭を用いた。
【００６０】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００６１】
ヤシガラ炭を用いても問題無く操業ができ、溶湯の硫黄濃度は０．０１ｍａｓｓ％以下であり、バイオマス由来の炭材であるバイオコークスを用いることで溶湯中の硫黄濃度を低減することができた。
【実施例５】
【００６２】
実施例２の条件にて、コークスの添加量をスクラップの溶解に対して、ランスからは１５ｋｇ／ｔ、炭材供給装置からは２０ｋｇ／ｔに変更して行った。出湯時の溶湯の炭素濃度は１．９ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１５００℃であった。
【００６３】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００６４】
溶湯の炭素濃度が０．２ｍａｓｓ％の場合に比較して、炭素濃度が１．９ｍａｓｓ％の場合は出湯温度を低下させた操業を行うことができた。また、電力原単位が低下し、ｔａｐ−ｔａｐ時間も短縮することができた。
【実施例６】
【００６５】
実施例２の条件にて、コークスの添加量をスクラップの溶解に対して、ランスからは１８ｋｇ／ｔ、炭材供給装置からは２０ｋｇ／ｔに変更して行った。出湯時の溶湯の炭素濃度は２．２ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１５００℃であった。
【００６６】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００６７】
溶湯の炭素濃度が０．２ｍａｓｓ％の場合に比較して、炭素濃度が２．２ｍａｓｓ％の場合は出湯温度を低下させた操業を行うことができた。また、電力原単位が低下し、ｔａｐ−ｔａｐ時間も短縮することができた。
【実施例７】
【００６８】
アーク炉から出湯する溶湯と高炉溶銑と混ぜる時の発塵やスプラッシュの影響を明確にするために調査試験を行った。実験方法は、まず、溶解炉にて炭素濃度４．６ｍａｓｓ％の溶銑を２１２ｋｇ溶解し（溶湯Ａ）、鍋状の容器に移した。この溶銑の入った容器に炭素濃度を０．２〜４．２ｍａｓｓ％まで０．４ｍａｓｓ％間隔で変更した溶湯（溶湯Ｂ）を２８ｋｇ注いで発塵とスプラッシュの量を目視にて調査した。結果を表２に示す。
【００６９】
【表２】
【００７０】
溶湯Ｂの炭素濃度が１．０ｍａｓｓ％以下である試験Ｎｏ．１およびＮｏ．２では、Ｃ−Ｏ反応に伴う発塵およびスプラッシュが多量であり、環境上問題があった。また、鍋の溶湯で発泡（フォーミング）が起き、溶湯が溢れ出した。したがって危険なため操業の継続は困難であった。
【００７１】
発塵とスプラッシュは溶湯Ｂの炭素濃度が上昇すると少なくなる傾向であり、試験Ｎｏ．３〜６では、Ｃ−Ｏ反応に伴う発塵およびスプラッシュが少量であり、また、フォーミングが少量で鍋から溶湯が溢れ出すこともなく安全に操業ができた。
【００７２】
試験Ｎｏ．７およびＮｏ．８では、発塵、スプラッシュおよびフォーミングが認められず、さらに環境上好ましい状態で操業を行うことができた。
【符号の説明】
【００７３】
１ アーク炉
２ 溶解室
３ 予熱室
４ 炉壁
５ 炉蓋
６ 炉底電極
７ 上部電極
８ 酸素吹き込みランス
９ 炭材吹き込みランス
１０ バーナー
１１ 出鋼口
１２ 出滓口
１３ 供給用バケット
１５ 冷鉄源
１７ 溶湯
１８ 溶融スラグ
１９ アーク
２０ 供給口
２１ ダクト
２２ 扉
２３ 扉
２４ 走行台車
２５ 炭材供給装置
２６ ホッパー
２７ 炭材
２８ 切り出し装置
２９ 供給シュート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄スクラップ、直接還元鉄、冷銑等の冷鉄源をアーク炉により溶解するアーク炉の操業方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鋼用アーク炉では、アーク熱にて鉄スクラップ等の鉄源を加熱・溶解し、その後炉内で精錬して溶鋼を製造するが、多くの電力を消費するため、溶解中にアーク炉の溶解室から発生する高温の排ガスを利用して鉄スクラップを予熱し、予熱した鉄スクラップを溶解することで電力使用量を削減する方法が多数提案されている。
【０００３】
その代表的なものが、特許文献１に開示されるように、溶解室と、溶解室に直結し、溶解室で発生する排ガスが導入されるシャフト型の予熱室と、を具備したアーク炉を用い、鉄スクラップが予熱室と溶解室とに連続して存在する状態を保つように、鉄スクラップを連続的又は断続的に予熱室へ装入しながら、溶解室の鉄スクラップをアークにて加熱して鉄スクラップを溶解し、溶解室に少なくとも１ヒート分の溶湯が溜まった時点で、鉄スクラップが予熱室と溶解室とに連続して存在する状態で溶湯を出湯するアーク炉でのスクラップ溶解方法である。尚、「１ヒート分の溶鋼」とは、連続鋳造等の鋳造作業に用いる取鍋等の溶鋼保持搬送容器の１つの容器に収容される溶鋼量であり、これは鋳造作業を実施する建物のクレーン等の吊り上げ荷重から決まる量である。
【０００４】
一方、電力使用量を削減することを目的として溶銑を鉄スクラップと共に鉄源として使用する操業が知られている。
【０００５】
例えば、特許文献２に開示されるように、溶解室と、溶解室に直結し、溶解室で発生する排ガスが導入されるシャフト型の予熱室と、を具備したアーク炉での操業方法であって、高炉溶銑を溶解室に直接装入すると共に、鉄スクラップが予熱室と溶解室とに連続して存在する状態を保つように、鉄スクラップを連続的又は断続的に予熱室へ装入しながら、溶解室の鉄スクラップ及び高炉溶銑をアークにて加熱して鉄スクラップを溶解し、溶解室に少なくとも１ヒート分の溶鋼が溜まった時点で、鉄スクラップが予熱室と溶解室とに連続して存在する状態で溶鋼を出鋼することを特徴とするアーク炉操業方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２９２９９０号公報
【特許文献２】特開２０００−１７３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献２に記載の技術を用いることで、スクラップを予熱して効率よくアーク溶解すると同時に、５０％程度の高炉溶銑を混合して用いることにより、電力使用量を削減することが出来るが、スクラップの溶解量は半分になるために、スクラップの処理効率が低下し、生産性が悪くなるという問題がある。
【０００８】
また、鉄鋼プロセスでのアーク炉の位置付けは、溶鋼製造プロセスであり、後工程のプロセス制約の関係上、一般的に出湯時の炭素濃度は１ｍａｓｓ％未満で操業されている。例えば、特許文献２では出鋼時の炭素濃度は０．１ｍａｓｓ％であり、溶銑を使用して溶解を行った場合、炭素を下げるための吹練時間が長くなるという問題も発生する。更に、炭素濃度が低くなると共に鉄の液相線温度（融点）は高くなり、出湯温度を高くする必要があることから、電力使用量の増大と操業時間の延長、という問題も発生する。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、冷鉄源を使用して溶湯を製造する際に、効率良く冷鉄源を溶解して電力使用量の削減と操業時間の短縮を可能とするアーク炉の操業方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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）、溶解室と、該溶解室の上部に直結するシャフト型の予熱室とを具備し、前記溶解室で発生する排ガスを前記予熱室に導入して該予熱室内の冷鉄源を予熱するアーク炉を用い、前記冷鉄源が前記予熱室と前記溶解室とに存在する状態を保つように前記冷鉄源を前記予熱室へ供給しながら、前記溶解室でアーク加熱にて前記冷鉄源を溶解する際に、前記アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とするアーク炉の操業方法。
（２）、溶解室内に炭材を添加することを特徴とする（１）に記載のアーク炉の操業方法。
（３）、溶解室内に添加する炭材がバイオマス由来であることを特徴とする（２）に記載のアーク炉の操業方法。
（４）、溶解室内に酸素を吹き込むことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のアーク炉の操業方法。
（５）、（１）乃至（４）のいずれかに記載のアーク炉の操業方法によって製造された溶湯を、転炉で精錬して溶鋼を得ることを特徴とする溶鋼の製造方法。
（６）、（１）乃至（４）のいずれかに記載のアーク炉の操業方法によって製造された溶湯の少なくとも一部を高炉溶銑と混合して、転炉で精錬して溶鋼を得ることを特徴とする溶鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷鉄源を使用して溶湯を製造する際に、効率良く冷鉄源を溶解して電力使用量の削減と操業時間の短縮が出来る。
【００１２】
また、バイオマス由来の炭材を使用することで、硫黄混入の防止と二酸化炭素の排出量を低減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施に用いるアーク炉の一実施形態であり、アーク炉設備の縦断面概略図である。
【図２】本発明の実施に用いるアーク炉の一実施形態であり、アーク炉設備の縦断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明においては、溶解室と、溶解室の上部に直結するシャフト型の予熱室とを具備し、溶解室で発生する排ガスを予熱室に導入して予熱室内の冷鉄源を予熱するアーク炉を用い、冷鉄源が予熱室と溶解室とに存在する状態を保つように冷鉄源を予熱室へ供給しながら、溶解室でアーク加熱にて冷鉄源を溶解する際に、アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上としてアーク炉を操業する。アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とし、出湯温度を低くすることで、冷鉄源を少ない電力使用量で迅速に溶解することが可能となる。
【００１５】
アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上に保つことにより、高炉溶銑と混ぜる時の発塵、スプラッシュの問題がなくなるという効果もある。炭素濃度が１ｍａｓｓ％未満であると高炉溶銑鉄と混ぜる際に、高炉溶銑中のＣとアーク炉からの溶湯中の酸素の反応によりＣ−Ｏ反応がおこり、これにより、発塵し、環境上の問題になる。また、スプラッシュが発生した場合、安全上の問題になる。
【００１６】
一方、省エネルギー及びＣＯ2削減による地球温暖化防止の観点からも、スクラップ利用の促進が望まれている。高炉での溶銑の製造には、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のに対し、スクラップは溶解熱のみを必要としており、鉄鉱石の還元熱分のエネルギー使用量を少なくすることができるという利点がある。
【００１７】
従来は、高炉―転炉法によるプロセスフローのスクラップ利用では、スクラップを転炉へ直接投入して使用されることが多い。しかし、転炉は、スクラップの溶解熱として溶銑中炭素の燃焼熱を利用していることから、一定量以上のスクラップの配合比率を高めることができないという欠点があった。また、転炉において、スクラップの配合率を高めるために溶解熱源として炭材を添加すること、吹練時間が長くなり生産性が低下する問題があった。さらに、転炉においてスクラップを多量に使用すると、製造される溶鋼の成分調整が難しいという問題があった。
【００１８】
溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とすることで、アーク炉を用いて製造した溶銑を高炉―転炉法によるプロセスフローの一部に組み込むことができる。例えば、高炉から転炉までに行われる溶銑予備処理（脱珪、脱硫、脱燐）の温度は、１２５０℃から１４５０℃で行われるため、アーク炉からの出湯炭素濃度を４ｍａｓｓ％以上にすれば、各種の溶銑予備処理を行うことができる。
【００１９】
アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とするためには、溶解室内に加炭および補助熱源として炭材を添加することが好ましい。下記に述べるように溶解室内に酸素吹込みを行う場合は、アーク炉内に添加する炭材と酸素の量を酸素１Ｎｍ3に対し炭材（炭素分として）１ｋｇ以上とすることが好ましい。これにより、酸素を吹き込んでも、溶湯中の炭素の低減を防止することができる。
【００２０】
溶解室内に酸素を吹き込むことが好ましい。酸素を吹き込むことで溶銑中炭素を酸素で燃焼させることができる。また、溶解室内に添加された炭材が溶鉄中に浸炭し、酸素を吹き込むことで溶銑中炭素を酸素で燃焼させると、炭素の燃焼熱が電力エネルギーの代替になると同時に、発生する高温のＣＯガスがシャフト内の鉄スクラップを予熱するので、電力原単位の低減と溶解の迅速性とが一層促進される。また、炭材を酸素により燃焼させることで、炭材は溶銑中炭素と同一の作用効果を発揮して電力原単位の低減に寄与する。
【００２１】
溶解室内に添加する炭材は、バイオマス由来であることが好ましい。炭材として一般的に使用されているコークスは硫黄（Ｓ）を含有しているが、バイオマス由来とすることで炭材からのＳ混入を防止できる。更に、バイオマスはカーボンニュートラルであることから地球温暖化の原因の一つである二酸化炭素の排出量を低減することが出来る。
【００２２】
冷鉄源として、高炭素含有冷鉄源を用いることが好ましい。冷鉄源とは上記したように、鉄スクラップ、鉄屑、直接還元鉄、冷銑等の鉄を主成分とするものであればよいが、特に高炭素含有冷鉄源を用いた場合、少ない電力使用量で迅速に溶解することが出来る。炭材の添加も不要となる場合がある。尚、本発明の高炭素含有冷鉄源とは、炭素濃度が１．０ｍａｓｓ％以上の冷鉄源であり、例えば、直接還元鉄（炭素濃度；１〜２ｍａｓｓ％）や冷銑（炭素濃度；３〜５ｍａｓｓ％）等であり、炭素濃度の低い鋼を主体とした鉄スクラップに比べて格段に炭素含有量が多い冷鉄源である。又、冷銑とは高炉や溶融還元炉、又はキュポラ等で製造された溶銑を凝固させたものである。更に、これらの高炭素含有冷鉄源は不純元素の少ないことから、鉄スクラップに起因するＣｕ、Ｓｎ、Ｃｒ等の不純物元素を希釈することもでき、高炉―転炉法で製造する高級鋼に匹敵する鋼が製造できる。
【００２３】
上記の発明において、アーク炉からの溶湯の出湯は、冷鉄源が予熱室と溶解室とに連続して存在する状態で行うことが好ましい。
【００２４】
次に、本発明を図面に基づき説明する。図１及び図２は、本発明の実施に用いるアーク炉の一実施形態である。図１及び図２は、アーク炉設備の縦断面概略図であり、図１は溶解室への炭材の吹き込みがランスからの場合を示す図であり、図２は溶解室への炭材をランスと炭材供給装置の併用、もしくは炭材供給装置のみから行う場合を示す図である。
【００２５】
図１及び図２において、アーク炉１は溶解室２と予熱室３とを具備し、内部を耐火物で構築され、底部に炉底電極６を備えた溶解室２の上部には、シャフト型の予熱室３と水冷構造の炉壁４とが配置され、この予熱室３で覆われない炉壁４の上部開口部は、開閉自在な水冷構造の炉蓋５で覆われている。この炉蓋５を貫通して、溶解室２内へ上下移動可能な黒鉛製の上部電極７が設けられ、直流式のアーク炉１の基部が構成されている。炉底電極６と上部電極７とは直流電源（図示せず）に連結し、炉底電極６と上部電極７との間でアーク１９を発生させる。
【００２６】
予熱室３の上方には、走行台車２４に吊り下げられた底開き型の供給用バケット１３が設けられ、この供給用バケット１３から、予熱室３の上部に設けた開閉自在な供給口２０を介して冷鉄源（例えば鉄スクラップ）１５が予熱室３内に装入される。そして、予熱室３の上端に設けられたダクト２１は集塵機（図示せず）に連結し、溶解室２で発生する高温の排ガスは、予熱室３及びダクト２１を順に通って吸引され、予熱室３内の冷鉄源１５は予熱される。そして、予熱された冷鉄源１５は、溶解室２内で溶解される冷鉄源１５の量に見合って、溶解室２内に自由落下し、溶解室２へ装入される。
【００２７】
炉蓋５を貫通して、溶解室２内を上下移動可能な酸素吹き込みランス８と炭材吹き込みランス９とが設けられ、酸素吹き込みランス８からは酸素が溶解室２内に吹き込まれ、炭材吹き込みランス９からは空気や窒素等を搬送用ガスとしてコークス、チャー、石炭、木炭、黒鉛、バイオマス炭等、もしくはこれらの混合物の炭材が溶解室２内に吹き込まれる。又、溶解室２の予熱室３を設置した部位の反対側には、その炉底に、扉２２で出口側を押さえ付けられて内部に詰め砂又はマッド剤が充填された出鋼口１１と、その側壁に、扉２３で出口側を押さえ付けられて内部に詰め砂又はマッド剤が充填された出滓口１２とが設けられている。この出鋼口１１の鉛直上方に対応する部位の炉蓋５には、バーナー１０が取り付けられている。バーナー１０は、重油、灯油、微粉炭、プロパンガス、天然ガス等の化石燃料やバイオマス燃料を、空気又は酸素若しくは酸素富化空気により溶解室２内で燃焼させる。バーナー１０は必要に応じて取り付けることができる。
【００２８】
図２の場合では、溶解室２の上方には、ホッパー２６と、ホッパー２６の下部に設けた切り出し装置２８と、その上端が切り出し装置２８に連結し、その下端が炉蓋５を貫通する供給シュート２９とで構成される炭材供給装置２５が設置されている。そしてホッパー２６には、コークス、チャー、石炭、木炭、黒鉛、バイオマス炭等、もしくはこれらの混合物の炭材２７が収納されており、炭材２７は、切り出し装置２８にて装入量を制御され、供給シュート２９を介して溶解室２に直接装入することもできる。
【００２９】
溶解室２の上方にはクレーン（図示せず）が設置されており、上部電極７、酸素吹き込みランス８、炭材吹き込みランス９、バーナー１０、及び炭材供給装置２５が予め取り外された炉蓋５を開放して、溶解室２内に冷鉄源１５を装入することができる構造になっている。
【００３０】
この直流式のアーク炉１における操業は、先ず、供給用バケット１３より予熱室３内に冷鉄源１５を装入する。予熱室３内に装入された冷鉄源１５は、溶解室２内にも装入され、やがて予熱室３内を充填する。尚、溶解室２内へ冷鉄源１５を均一に装入するため、炉蓋５を開けた状態で、予熱室３と反対側の溶解室２内に冷鉄源１５や炭材を装入することもできる。又、冷鉄源１５の装入の際に、溶銑を溶解室２に装入しても良い。溶銑を使用することで、溶銑の有する熱により、電力使用量を大幅に削減することができる。溶銑は供給用取鍋（図示せず）や溶解室２に連結する溶銑樋（図示せず）にて溶解室２に装入することができる。
【００３１】
次いで、炉底電極６と上部電極７との間に直流電流を給電しつつ上部電極７を昇降させ、炉底電極６と上部電極７との間、又は、装入された冷鉄源１５と上部電極７との間でアーク１９を発生させ、アーク熱により冷鉄源１５を溶解する。同時に、フラックスを溶解して溶融スラグ１８を生成させる。溶融スラグ１８は、生成される溶湯１７を保温する。溶融スラグ１８の量が多すぎる場合には、操業中でも出滓口１２から、排滓することができる。
【００３２】
通電後、酸素吹き込みランス８及び炭材吹き込みランス９の溶解室２内への挿入が可能となったら、図１、２に示すように、酸素吹き込みランス８及び炭材吹き込みランス９から、酸素及び炭材を溶解室２内の溶湯１７又は溶融スラグ１８中に吹き込むことが好ましい。炭材の添加はランス８と炭材供給装置２５から行うことができる。
【００３３】
溶湯１７中の炭素は酸素と反応して脱炭され、反応生成物のＣＯガスが溶融スラグ１８をフォーミングさせ、アーク１９が溶融スラグ１８に包まれるので、アーク１９の着熱効率が上昇する。又、大量に発生する高温のＣＯガスと、このＣＯガスが燃焼して生成するＣＯ2ガスとが、予熱室３内の鉄スクラップ１５を効率良く予熱する。酸素吹き込み量は、溶解開始から出湯までの間に溶解室２内で滞留する溶湯１７のトン当たり１５Ｎｍ3（以下、「Ｎｍ3／ｔ」と記載する。）以上とすることが好ましい。
【００３４】
溶解室２内に添加された、溶湯１７中に溶解した炭材又は溶融スラグ１８中に懸濁した炭材は、酸素と反応して燃焼熱を発生し、補助熱源として作用して電力使用量を節約すると同時に、アーク１９の着熱効率を上昇させると共に、冷鉄源１５の予熱効率を向上させる。この炭材の添加量は、酸素吹き込み量に対応して決められる。即ち、炭材の炭素量が、吹き込まれる酸素の化学等量に等しいまたはそれ以上の炭材を吹き込むこととすることが好ましい。炭素量が吹き込まれる酸素ガスに比べて少ないと、溶湯１７の過剰な酸化と炭素濃度が低下するので好ましくない。
【００３５】
又、溶解室２内の冷鉄源１５の溶解に伴い、予熱室３内の冷鉄源１５は溶解室２内で溶解された量に見合って溶解室２内に自由落下して減少するので、この減少分を補うために供給用バケット１３から予熱室３へ冷鉄源１５を装入する。この冷鉄源１５の予熱室３内への装入は、冷鉄源１５が予熱室３と溶解室２とに連続して存在する状態を保つように、連続的又は断続的に行う。その際に、予熱室３と溶解室２とに連続して存在する冷鉄源１５の量を、１回の出湯量の冷鉄源１５の５０ｍａｓｓ％以上とすることが好ましい。
【００３６】
このようにして冷鉄源１５及び溶湯１７を加熱して冷鉄源１５を溶解し、溶解室２内に溶湯１７を溜めると共に、溶湯１７の炭素濃度を測定し、必要により炭材吹き込みランス９や炭材供給装置２５からの炭材の添加量を調整して溶湯１７の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上に調整する。次いで、傾動装置（図示せず）により溶解室２を傾動して出湯口１１から溶湯１７を出湯する。この場合、溶湯１７中に冷鉄源１５が埋没して共存しているので、大きな溶湯過熱度を得ることができない。そのため、溶湯温度の低下に出湯口１１の閉塞等の伴うトラブルを防止するため、出湯時にバーナー１０で溶湯１７を加熱することが好ましい。
【００３７】
出湯後、脱硫を行う脱硫工程を経て、転炉で脱炭処理を行い、溶鋼を得る。また、アーク炉からの溶湯の少なくとも一部を高炉溶銑と混合して、脱硫を行う脱硫工程を経て、転炉で脱炭処理を行い、溶鋼を得ることもできる。
【００３８】
溶湯１７を出湯し、更に溶融スラグ１８を排滓した後、溶解室２を傾動装置にて水平に戻し、出湯口１１及び出滓口１２内に詰め砂又はマッド材を充填した後、次回ヒートの溶解を開始する。
【００３９】
このようにして、冷鉄源１５を加熱・溶解することで、その後のヒートで溶解される冷鉄源１５は全て予熱されて予熱効率の極めて高い状態で操業可能となることにより、生産性の向上と電力原単位の低減とが可能になる。
【００４０】
また、アーク炉出湯後の溶湯を高炉溶銑と混合すれば、希釈効果により高級鋼の製造にも用いることができる。この際に、アーク炉から出湯される溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上に保つことで、上記したようにアーク炉から出湯される溶湯と高炉溶銑とを混ぜる場合の発塵の問題も避けることができる。
【００４１】
上記説明では、アーク炉１が直流式の場合について説明したが、交流式アーク炉を用いる場合であっても全く支障なく本発明を適用することができる。
【実施例１】
【００４２】
図１に示す直流式アーク炉を用いた場合の本発明の実施例を以下に説明する。アーク炉は、溶解室が炉径７．２ｍ、高さ４ｍ、予熱室が幅３ｍ、長さ５ｍ、高さ７ｍ、炉容量が１８０トンである。
【００４３】
先ず、予熱室に約７０トンの常温の冷鉄源を装入し、次いで、溶解室に５０トンの常温の冷鉄源と１トンのコークスを装入して直径３０インチの黒鉛製上部電極を用い、最大７５０Ｖ、１３０ＫＡの電源容量により溶解を開始した。又、通電直後、生石灰と蛍石とを吹き込むと共に、２本の酸素吹き込みランスから酸素を１８００Ｎｍ3／ｈｒ、炭材吹き込みランスからコークスを２００ｋｇ／ｍｉｎとして溶解室内に吹き込んだ。生石灰及び蛍石は加熱されて溶融スラグとなり、そして、酸素とコークスの吹き込みにより、溶融スラグはフォーミングして上部電極の先端は溶融スラグ中に埋没した。この時の電圧を５５０Ｖに設定した。なお、スクラップの溶解に対しては酸素吹き込み量は１５Ｎｍ3／ｔ、及びコークス吹き込み量は５６ｋｇ／ｔの条件で、電力の使用量は２７０ｋＷｈ／ｔであった。
【００４４】
その後、予熱室内の鉄スクラップが溶解につれて下降したら、供給用バケットにて鉄スクラップを予熱室に装入し、予熱室内の鉄スクラップ高さを一定の高さに保持しながら溶解を続け、そして、溶解室内に１４０トン以上の溶湯が生成した時点で、１４０トンの溶湯を取鍋に出湯した。出湯時、重油バーナーにより溶湯を加熱した。出湯時の溶湯の炭素濃度は３．９ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１３９０℃であった。１４０トン出湯後、送酸とコークス吹き込みを行いながらスラグフォーミング操業を行って溶解を継続し、再び溶湯量が１４０トン以上になったら１４０トン出湯することを繰り返し実施した。
【００４５】
出湯後の溶湯は、約３５トンを２６５トンの高炉溶銑に混ぜ、トータル３００トンにしにて脱硫し、その後転炉で脱炭し、１６２０℃に昇温した後、溶鋼を出鋼して連続鋳造機により鋳造した。アーク炉から取鍋に出湯した残りの溶湯も同様に処理して鋳造した。
【００４６】
次に比較例として、図１に示す直流式アーク炉において、予熱室に約７０トンの常温の冷鉄源を装入し、次いで、溶解室に５０トンの常温の冷鉄源と１トンのコークスを装入して直径３０インチの黒鉛製上部電極を用い、最大７５０Ｖ、１３０ＫＡの電源容量により溶解を開始した。又、通電直後、生石灰と蛍石とを吹き込むと共に、酸素吹き込みランスから酸素を１８００Ｎｍ3／ｈｒ、炭材吹き込みランスからコークスを４８ｋｇ／ｍｉｎとして溶解室内に吹き込んだ。生石灰及び蛍石は加熱されて溶融スラグとなり、そして、酸素とコークスの吹き込みにより、溶融スラグはフォーミングして上部電極の先端は溶融スラグ中に埋没した。この時の電圧を５５０Ｖに設定した。なお、スクラップの溶解に対しては酸素吹き込み量は１５Ｎｍ3／ｔ、及びコークス吹き込み量は１５ｋｇ／ｔの条件で、電力の使用量は３６０ｋＷｈ／ｔであった。
【００４７】
その後、予熱室内の鉄スクラップが溶解につれて下降したら、供給用バケットにて鉄スクラップを予熱室に装入し、予熱室内の鉄スクラップ高さを一定の高さに保持しながら溶解を続け、そして、溶解室内に１４０トン以上の溶湯が生成した時点で、１４０トンの溶湯を取鍋に出湯した。出湯時、重油バーナーにより溶湯を加熱した。出湯時の溶湯の炭素濃度は０．２ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１６００℃であった。１４０トン出湯後、送酸とコークス吹き込みを行いながらスラグフォーミング操業を行って溶解を継続し、再び溶湯量が１４０トン以上になったら１４０トン出湯することを繰り返し実施した。
【００４８】
表１に、上記の出湯時の溶湯の炭素濃度が３．９ｍａｓｓ％の場合を実施例１とし、出湯時の溶湯の炭素濃度が０．２ｍａｓｓ％の場合を比較例として、操業条件及び操業結果を示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
溶湯の炭素濃度が０．２ｍａｓｓ％の場合に比較して、炭素濃度が３．９ｍａｓｓ％の場合は出湯温度を低下させた操業を行なうことができた。また、電力原単位が低下し、ｔａｐ−ｔａｐ時間も短縮することができた。尚、ｔａｐ−ｔａｐ時間とは、出湯開始時刻から次の出湯開始時刻までの時間である。
【実施例２】
【００５１】
図２に示す直流式アーク炉を用いた場合の本発明の実施例を以下に説明する。図２に示す直流式アーク炉は図１に示す直流式アーク炉に炭材供給装置を設置したものである。
【００５２】
先ず、予熱室に約７０トンの常温の冷鉄源を装入し、次いで、溶解室に５０トンの常温の冷鉄源と１トンのコークスを装入して直径３０インチの黒鉛製上部電極を用い、最大７５０Ｖ、１３０ＫＡの電源容量により溶解を開始した。又、通電直後、生石灰と蛍石とを吹き込むと共に、酸素吹き込みランスから酸素を１８００Ｎｍ3／ｈｒ、炭材吹き込みランスからコークスを９６ｋｇ／ｍｉｎとして溶解室内に吹き込んだ。生石灰及び蛍石は加熱されて溶融スラグとなり、そして、酸素とコークスの吹き込みにより、溶融スラグはフォーミングして上部電極の先端は溶融スラグ中に埋没した。この時の電圧を５５０Ｖに設定した。この後、溶解室の上方にある炭材供給装置からコークスを５００ｋｇ／ｍｉｎで溶解室内に連続投入して溶解を継続した。スクラップの溶解に対しては酸素吹き込み量は１５Ｎｍ3／ｔ、及びランスからのコークス吹き込み量は２０ｋｇ／ｔ、炭材供給装置からのコークスの添加量は３６ｋｇ／ｔの条件で、電力の使用量は２８０ｋＷｈ／ｔであった。
【００５３】
その後、予熱室内の鉄スクラップが溶解につれて下降したら、供給用バケットにて鉄スクラップを予熱室に装入し、予熱室内の鉄スクラップ高さを一定の高さに保持しながら溶解を続け、そして、溶解室内に１４０トン以上の溶湯が生成した時点で、１４０トンの溶湯を取鍋に出湯した。出湯時、重油バーナーにより溶湯を加熱した。出湯時の溶湯の炭素濃度は４．１ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１３９０℃であった。１４０トン出湯後、送酸とコークス吹き込みを行いながらスラグフォーミング操業を行って溶解を継続し、再び溶湯量が１４０トン以上になったら１４０トン出湯することを繰り返し実施した。
【００５４】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００５５】
図２に示す直流式アーク炉を用いた場合は、炭材の添加量は同じでも、出湯時の溶湯の炭素濃度を高めることができた。また、ランスからの炭材の吹き込み量が低減することで吹き込み時間が短くなり、ｔａｐ−ｔａｐ時間を短縮することができた。
【実施例３】
【００５６】
実施例１の条件にて、コークスの替わりにバイオコークスとしてヤシガラ（ＰＫＳ）炭を用いた。
【００５７】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００５８】
ヤシガラ炭を用いても問題無く操業ができ、溶湯の硫黄濃度は０．０１ｍａｓｓ％以下であり、バイオマス由来の炭材であるバイオコークスを用いることで溶湯中の硫黄濃度を低減することができた。
【実施例４】
【００５９】
実施例２の条件にて、コークスの替わりにバイオコークスとしてヤシガラ（ＰＫＳ）炭を用いた。
【００６０】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００６１】
ヤシガラ炭を用いても問題無く操業ができ、溶湯の硫黄濃度は０．０１ｍａｓｓ％以下であり、バイオマス由来の炭材であるバイオコークスを用いることで溶湯中の硫黄濃度を低減することができた。
【実施例５】
【００６２】
実施例２の条件にて、コークスの添加量をスクラップの溶解に対して、ランスからは１５ｋｇ／ｔ、炭材供給装置からは２０ｋｇ／ｔに変更して行った。出湯時の溶湯の炭素濃度は１．９ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１５００℃であった。
【００６３】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００６４】
溶湯の炭素濃度が０．２ｍａｓｓ％の場合に比較して、炭素濃度が１．９ｍａｓｓ％の場合は出湯温度を低下させた操業を行うことができた。また、電力原単位が低下し、ｔａｐ−ｔａｐ時間も短縮することができた。
【実施例６】
【００６５】
実施例２の条件にて、コークスの添加量をスクラップの溶解に対して、ランスからは１８ｋｇ／ｔ、炭材供給装置からは２０ｋｇ／ｔに変更して行った。出湯時の溶湯の炭素濃度は２．２ｍａｓｓ％、硫黄濃度は０．０４ｍａｓｓ％、溶湯温度は１５００℃であった。
【００６６】
操業条件及び操業結果を表１に併せて示す。
【００６７】
溶湯の炭素濃度が０．２ｍａｓｓ％の場合に比較して、炭素濃度が２．２ｍａｓｓ％の場合は出湯温度を低下させた操業を行うことができた。また、電力原単位が低下し、ｔａｐ−ｔａｐ時間も短縮することができた。
【実施例７】
【００６８】
アーク炉から出湯する溶湯と高炉溶銑と混ぜる時の発塵やスプラッシュの影響を明確にするために調査試験を行った。実験方法は、まず、溶解炉にて炭素濃度４．６ｍａｓｓ％の溶銑を２１２ｋｇ溶解し（溶湯Ａ）、鍋状の容器に移した。この溶銑の入った容器に炭素濃度を０．２〜４．２ｍａｓｓ％まで０．４ｍａｓｓ％間隔で変更した溶湯（溶湯Ｂ）を２８ｋｇ注いで発塵とスプラッシュの量を目視にて調査した。結果を表２に示す。
【００６９】
【表２】
【００７０】
溶湯Ｂの炭素濃度が１．０ｍａｓｓ％以下である試験Ｎｏ．１およびＮｏ．２では、Ｃ−Ｏ反応に伴う発塵およびスプラッシュが多量であり、環境上問題があった。また、鍋の溶湯で発泡（フォーミング）が起き、溶湯が溢れ出した。したがって危険なため操業の継続は困難であった。
【００７１】
発塵とスプラッシュは溶湯Ｂの炭素濃度が上昇すると少なくなる傾向であり、試験Ｎｏ．３〜６では、Ｃ−Ｏ反応に伴う発塵およびスプラッシュが少量であり、また、フォーミングが少量で鍋から溶湯が溢れ出すこともなく安全に操業ができた。
【００７２】
試験Ｎｏ．７およびＮｏ．８では、発塵、スプラッシュおよびフォーミングが認められず、さらに環境上好ましい状態で操業を行うことができた。
【符号の説明】
【００７３】
１ アーク炉
２ 溶解室
３ 予熱室
４ 炉壁
５ 炉蓋
６ 炉底電極
７ 上部電極
８ 酸素吹き込みランス
９ 炭材吹き込みランス
１０ バーナー
１１ 出鋼口
１２ 出滓口
１３ 供給用バケット
１５ 冷鉄源
１７ 溶湯
１８ 溶融スラグ
１９ アーク
２０ 供給口
２１ ダクト
２２ 扉
２３ 扉
２４ 走行台車
２５ 炭材供給装置
２６ ホッパー
２７ 炭材
２８ 切り出し装置
２９ 供給シュート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解室と、該溶解室の上部に直結するシャフト型の予熱室とを具備し、前記溶解室で発生する排ガスを前記予熱室に導入して該予熱室内の冷鉄源を予熱するアーク炉を用い、前記冷鉄源が前記予熱室と前記溶解室とに存在する状態を保つように前記冷鉄源を前記予熱室へ供給しながら、前記溶解室でアーク加熱にて前記冷鉄源を溶解する際に、前記アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とするアーク炉の操業方法。
【請求項２】
溶解室内に炭材を添加することを特徴とする請求項１に記載のアーク炉の操業方法。
【請求項３】
溶解室内に添加する炭材がバイオマス由来であることを特徴とする請求項２に記載のアーク炉の操業方法。
【請求項４】
溶解室内に酸素を吹き込むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアーク炉の操業方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアーク炉の操業方法によって製造された溶湯を、転炉で精錬して溶鋼を得ることを特徴とする溶鋼の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアーク炉の操業方法によって製造された溶湯の少なくとも一部を高炉溶銑と混合して、転炉で精錬して溶鋼を得ることを特徴とする溶鋼の製造方法。
【請求項１】
溶解室と、該溶解室の上部に直結するシャフト型の予熱室とを具備し、前記溶解室で発生する排ガスを前記予熱室に導入して該予熱室内の冷鉄源を予熱するアーク炉を用い、前記冷鉄源が前記予熱室と前記溶解室とに存在する状態を保つように前記冷鉄源を前記予熱室へ供給しながら、前記溶解室でアーク加熱にて前記冷鉄源を溶解する際に、前記アーク炉から出湯する溶湯の炭素濃度を１ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とするアーク炉の操業方法。
【請求項２】
溶解室内に炭材を添加することを特徴とする請求項１に記載のアーク炉の操業方法。
【請求項３】
溶解室内に添加する炭材がバイオマス由来であることを特徴とする請求項２に記載のアーク炉の操業方法。
【請求項４】
溶解室内に酸素を吹き込むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアーク炉の操業方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアーク炉の操業方法によって製造された溶湯を、転炉で精錬して溶鋼を得ることを特徴とする溶鋼の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアーク炉の操業方法によって製造された溶湯の少なくとも一部を高炉溶銑と混合して、転炉で精錬して溶鋼を得ることを特徴とする溶鋼の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−２６５４８５（Ｐ２０１０−２６５４８５Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１５０６９（Ｐ２００９−１１５０６９）
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【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２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【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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