粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法
【課題】還元溶融炉で製造された粒状金属鉄を製鋼用電弧炉に連続装入し溶解して溶鋼を製造するに際し、より効率的に溶解しうる溶鋼製造方法を提供する。
【解決手段】炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融炉としての回転炉床炉１内で加熱し、この原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに加熱して溶融させるとともに、スラグ成分Ｂと分離させながら凝集させて製造した粒状金属鉄Ａと、他の鉄原料であるスクラップＤとからなる全装入鉄原料を電弧炉２で溶解して溶鋼Ｇを製造する方法であって、粒状金属鉄Ａ中の炭素の含有量を１．０〜４．５質量％とし酸素吹錬と併用することにより前記粒状金属鉄Ａ中の炭素を燃焼させるとともに、前記全装入鉄原料に対する粒状金属鉄Ａの使用割合を４０〜８０質量％とし、スクラップＤを電弧炉２に初期装入して溶鉄Ｆを作った後、この溶鉄Ｆ中に粒状金属鉄Ａを連続的に装入する。
【解決手段】炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融炉としての回転炉床炉１内で加熱し、この原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに加熱して溶融させるとともに、スラグ成分Ｂと分離させながら凝集させて製造した粒状金属鉄Ａと、他の鉄原料であるスクラップＤとからなる全装入鉄原料を電弧炉２で溶解して溶鋼Ｇを製造する方法であって、粒状金属鉄Ａ中の炭素の含有量を１．０〜４．５質量％とし酸素吹錬と併用することにより前記粒状金属鉄Ａ中の炭素を燃焼させるとともに、前記全装入鉄原料に対する粒状金属鉄Ａの使用割合を４０〜８０質量％とし、スクラップＤを電弧炉２に初期装入して溶鉄Ｆを作った後、この溶鉄Ｆ中に粒状金属鉄Ａを連続的に装入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転炉床炉などの還元溶融炉で製造された粒状金属鉄を電弧炉で溶解して溶鋼を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鋼用電弧炉では、従来はスクラップ、銑鉄（冷銑）、還元鉄などの鉄原料を炉上からスクラップバケットで炉内にバッチ装入し、溶解後、炉蓋を開放して前記鉄原料をバッチで追加装入し、溶解する方法を取っていた。このために、炉蓋開放および鉄原料装入の間に、熱ロスおよび時間ロス、ならびに多量の粉塵が炉外に飛散するという作業環境悪化の問題が生じていた。
【０００３】
この対応として、成分とサイズ゛が比較的均一な還元鉄の連続投入は行われて来た（例えば、特許文献１〜３参照）が、還元鉄は脈石分や未還元の酸化鉄を含むため、スクラップや銑鉄（冷銑）より溶解エネルギーを多く必要とする問題がある。
【０００４】
一方、銑鉄（冷銑）については、製造上の問題からサイズを小さくできない制約があり、連続投入による多量投入、溶解は実現できていない。
【０００５】
また、製鋼用電弧炉の生産性向上を目的に、酸素付加操業が定着し、酸素使用量も増加しており、投入酸素量に見合う炭素源の使用量も増加している。
【０００６】
この炭素源として、溶銑や冷銑中の炭素分、塊状コークス、粉コークスなどが使用されている。
【０００７】
しかしながら、溶銑を使用する場合は、製鋼用電弧炉の上流側に溶銑の専用製造設備と電弧炉への専用装入設備が必要となる問題がある。
【０００８】
一方、冷銑を使用する場合は、上述したように、そのサイズが大きいため、バッチでの装入に限られ、また溶解に時間がかかることから使用量が制約される問題がある。
【０００９】
また、塊状コークス、粉コークスを使用する場合は、全硫黄分および灰分組成によっては使用量が制約される、電弧炉への装入時にスラグに捕捉されたり、排ガスとともに炉外に排出されたりするため添加歩留が低下する、などの問題があった。
【００１０】
ここで、炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料を回転炉床炉などの還元溶融炉内で加熱し、この原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに加熱して溶融させるとともに、スラグ成分と分離させながら凝集させることにより、高純度の粒状金属鉄を製造する方法が開発されている（例えば、特許文献４、５参照）。
【００１１】
この粒状金属鉄は、還元鉄と比較すると、スラグ成分があらかじめ除去されているとともに、炭素含有量を高くできるので、還元鉄の替わりに電弧炉に連続装入することで、酸素吹錬と併用して電弧炉での溶解エネルギーを大幅に低減するとともに、溶鋼の生産性を大幅に向上できると期待されている。
【００１２】
しかしながら、製鋼用電弧炉において、このような粒状金属鉄を連続装入してより効率的に溶解する技術についてはいまだ確立していなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５０−６４１１１号公報
【特許文献２】特開昭５１−６５００７号公報
【特許文献３】特開昭５８−１４１３１４号公報
【特許文献４】特開２００２−３３９００９号公報
【特許文献５】特開２００３−７３７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、回転炉床炉などの還元溶融炉で製造された粒状金属鉄を製鋼用電弧炉に連続装入し溶解して溶鋼を製造するに際し、より効率的に溶解しうる溶鋼製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載の発明は、炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融炉内で加熱し、この原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに加熱して溶融させるとともに、スラグ成分と分離させながら凝集させて製造した粒状金属鉄と、他の鉄原料とからなる全装入鉄原料を電弧炉で溶解して溶鋼を製造する方法であって、前記粒状金属鉄中の炭素の含有量を１．０〜４．５質量％とし酸素吹錬と併用することにより前記粒状金属鉄中の炭素を燃焼させるとともに、前記全装入鉄原料に対する前記粒状金属鉄の使用割合を４０〜８０質量％とし、前記他の鉄原料を前記電弧炉に初期装入して溶鉄を作った後、この溶鉄中に前記粒状金属鉄を連続的に装入することを特徴とする、粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、投入電力１ＭＷ当たりの前記粒状鉄の装入速度を４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷとする、請求項１に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、前記粒状金属鉄の溶鉄表面における装入位置を電極ピッチサークル内とする、請求項１または２に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記粒状金属鉄の平均粒径を１〜５０ｍｍとする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、前記溶鉄上に形成された溶融スラグ層をフォーミングさせて電極の下端を常に被覆しつつ、前記溶鉄中に前記粒状金属鉄を連続的に装入する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、前記還元溶融炉で製造した粒状金属鉄を、常温まで冷却することなく、４００〜７００℃で前記電弧炉の溶鉄中に連続的に装入する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、還元溶融炉で製造した、炭素含有量１．０〜４．５質量％の粒状金属鉄を酸素吹錬と併用することにより前記粒状金属鉄中の炭素を燃焼させるとともに、全装入鉄原料に対して４０〜８０質量％使用し、これを、他の鉄原料を電弧炉に初期装入して作った溶鉄中に連続的に装入するようにしたことで、溶解エネルギーを大幅に低減して電弧炉のエネルギー効率を上昇させるとともに、溶鋼の生産性を大幅に向上させることが実現できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る溶鋼製造設備の概略構成を示すフロー図である。
【図２】電弧炉における、全装入鉄原料に対する粒状金属鉄の使用割合と溶解エネルギーとの関係を示すグラフ図である。
【図３】電弧炉における、全装入鉄原料に対する粒状金属鉄の使用割合と溶鋼生産速度との関係を示すグラフ図である。
【図４】溶解試験装置の概略構成を示す部分縦断面図である。
【図５】溶解試験装置における、粒状金属鉄および還元鉄の装入速度と投入電力との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
[実施形態１]
図１に、本発明の一実施形態に係る溶鋼製造設備の概略構成を示す。本実施形態に係る設備は、還元溶融炉としての回転炉床炉１と電弧炉２とが近接して設置されている場合の例である。
【００２５】
そして、本発明で用いられる粒状金属鉄Ｍは、例えば以下のようにして製造される。
【００２６】
まず、石炭などの炭素質還元材と鉄鉱石などの酸化鉄含有物質を含む原料をペレットまたはブリケットに塊成化する。そして、この塊成化物を、炭材Ｃを床敷した図示しない炉床上に載置し、回転炉床炉１内で、例えば１３５０〜１４００℃程度に加熱し、原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに１４００〜１５５０℃程度に加熱して溶融させるとともに、スラグ成分と分離させながら凝集させる。その後、炉内のチル部で１０００〜１１００℃程度まで冷却することで、固化した粒状金属鉄ＡとスラグＢの混合物が得られる。そして、この混合物を床敷炭材Ｃとともに回転炉床炉１から排出した後、スクリーン３と磁選機４を用いてスラグＢと床敷炭材Ｃを分離除去することで、粒状金属鉄Ａが得られる（例えば、上記特許文献１〜３参照）。
【００２７】
この粒状金属鉄Ａ中の炭素含有量は１．０〜４．５質量％とする。炭素含有量の下限を１．０質量％としたのは、製造する鋼の種類に応じた必要Ｃ量を確保し、鉄原料としての汎用性を高めるためである。一方、炭素含有量の上限を４．５質量％としたのは、脱炭処理などの付加的処理の負荷を加重することなく使用するためである。粒状金属鉄Ａ中の炭素含有量の好ましい範囲は１．５〜３．５質量％である。粒状金属鉄Ａ中の炭素含有量は、上記塊成化物中の炭素質還元材の配合量や回転炉床炉１内の雰囲気を調節することで、容易に調整できる。
【００２８】
ここで、回転炉床炉１内において粒状金属鉄Ａが溶融状態にあるときには、該粒状金属鉄Ａ中の炭素は、該粒状金属鉄Ａの表面近傍に集まりやすいため、固化後の粒状金属鉄Ａも、その表面近傍ほど炭素濃度が高くなっている。このため、電弧炉２の溶鉄Ｆ中に装入された粒状金属鉄Ａは炭素濃度の高い低融点の表面近傍から容易に溶解され始める。この溶解した高炭素濃度溶鉄中の炭素は、酸素吹錬と併用することにより、すなわち、電弧炉２内に酸素を吹き込むことにより、その酸素で燃焼され、その燃焼熱で粒状金属鉄Ａ内部の炭素濃度の低い高融点の部分も容易に溶解されることとなる。
【００２９】
この粒状金属鉄Ａと、他の鉄原料としてのスクラップＤとを合わせて全装入鉄原料とし、この全装入鉄原料に対する粒状金属鉄Ａの使用割合を４０〜８０質量％とする。
【００３０】
そして、まず、スクラップＤを電弧炉２に初期装入（バッチ装入）して電極７にてアーク加熱して溶解し溶鉄Ｆを作る。
【００３１】
その後、アーク加熱を継続しながら、酸素を吹き込みつつ（必要によりさらに粉炭を吹き込みつつ）、この溶鉄Ｆ中に粒状金属鉄Ａを連続的に装入して溶解することで、電弧炉２のエネルギー効率を上昇させつつ溶鋼Ｇの生産性を向上させることができ、より効率良く溶鋼Ｇが得られる。
【００３２】
ここで、全装入鉄原料に対する粒状金属鉄Ａの使用割合を４０〜８０質量％としたのは、以下の理由によるものである。
【００３３】
すなわち、実稼動の電弧炉（内容量：９０ｔ、トランス容量：７４ＭＶＡ）を例に採り、粒状金属鉄の使用割合、装入方法の相違による、全装入鉄原料を溶解するのに要する溶解エネルギー、および、溶鋼の生産速度に及ぼす影響を試算した。
【００３４】
ここに、粒状金属鉄の炭素含有量は２．５質量％とした。また、粒状金属鉄を「バッチ装入」および「連続装入」する際における粒状金属鉄の温度は常温（２５℃）とし、「高温連続装入」する際の粒状金属鉄の温度は４００℃とした。また、粒状金属鉄を「バッチ装入」から「連続装入」に変更することで、炉のヒートロスは、追加装入１回当たり８７０Ｍｃａｌ（ここに、１Ｍｃａｌ＝４．１８６０５ＭＪである。以下同じ。）減少し、止電時間は２ｍｉｎ、ボーリング期の時間も２ｍｉｎ、それぞれ短縮されるとした。
【００３５】
試算の結果を図２および図３に示す。図２は、粒状金属鉄の使用割合、装入方法の相違による、全装入鉄原料を溶解するのに要する溶解エネルギーの変化を示したものである。また、図３は、粒状金属鉄の使用割合、装入方法の相違による、溶鋼生産速度の変化を示したものである。
【００３６】
粒状金属鉄Ａの使用割合が４０質量％未満、つまり、他の鉄原料であるスクラップＤの使用割合が６０質量％を超えると、バッチ装入のための図示しないスクラップバケットの容量制約から、スクラップＤの初期装入を２回に分けて行う必要が生じてしまい、図３に示すように、粒状金属鉄Ａを連続装入したとしても溶鋼生産速度が大幅に低下してしまう。
【００３７】
一方、粒状金属鉄Ａの使用割合が８０質量％を超えると、粒状金属鉄Ａを「高温連続装入」した場合には、脱炭時間が、電弧炉２の投入電力容量で決定される溶解時間よりも長くなり、この脱炭時間が溶鋼の生産性を律速するようになるので、図３に示すように、溶鋼生産速度の上昇は頭打ちになる。
【００３８】
以上の結果より、全装入鉄原料に対する粒状金属鉄Ａの使用割合は４０〜８０質量％とした。
【００３９】
また、投入電力１ＭＷ当たりの粒状金属鉄Ａの装入速度は、以下の理由により、４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷとするのが好ましい。
【００４０】
すなわち、連続装入の際における粒状金属鉄の溶解特性を把握するため、溶解鉄原料として下記表１に示す物理・化学性状を有する粒状金属鉄および比較材としての還元鉄を用いて溶解試験を実施した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
溶解試験装置としては、図４に概略構成を示すように、５００ｋｇ高周波誘導炉（定格：３５０ｋＷ、１０００Ｈｚ）と、原料供給装置（ホッパー容量：２００ｋｇ、原料投入速度：０〜１５ｋｇ／ｍｉｎ）と、溶解状況を観察するためのモニター用カメラと、溶湯温度および原料投入速度を記録するためのデータ収録装置とで構成されたものを用いた。
【００４３】
溶解条件としては、Ｃ：０．２〜０．３質量％、Ｓｉ＜０．０３質量％、Ｍｎ：０．０５質量％、温度：１５５０℃の初期溶湯２５０ｋｇを作製し、溶湯温度を１５５０〜１６００℃に維持しつつ原料投入速度を順次変更し、連続装入された鉄原料が順調に溶解するのをモニター用カメラで確認しながら投入電力を調整するようにした。
【００４４】
溶解試験の結果を図５および下記表２に示す。
【００４５】
【表２】
【００４６】
これらの図表に示すように、粒状金属鉄は還元鉄に比べて、投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度が２．５〜３．０倍になった。
【００４７】
なお、このように粒状金属鉄の最大溶解速度が還元鉄の最大溶解速度の２．５〜３．０倍になったことは、還元鉄中に含まれるスラグ成分の量が粒状金属鉄に比べて多いことだけでは説明がつかず、溶解試験の加熱源としてアーク加熱ではなく、高周波誘導加熱を用いたことが原因と考えられる。
【００４８】
すなわち、粒状金属鉄は溶鉄と見掛け密度がほぼ同等のため溶鉄中に浮遊した状態で溶解し、溶鉄は高周波誘導加熱により十分に加熱されるため粒状金属鉄の溶解速度は十分大きくなる。一方、還元鉄は溶融スラグと見掛け密度がほぼ同等のため溶融スラグ中に浮遊した状態で溶解し、溶融スラグはアーク加熱とは異なり、高周波誘導加熱では十分に加熱できない。このことに起因して、還元鉄の溶解速度が粒状金属鉄に比べて大幅に低下したためと考えられる。
【００４９】
ここで、本溶解試験装置は５００ｋｇと小型であることから、実稼動の９０ｔ電弧炉に比べて著しくヒートロスが大きいため、本溶解試験で得られた、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度は、実稼動の電弧炉に使用した場合には、さらに大きくなると想定される。そこで、以下のようにして、実稼動の９０ｔ電弧炉に粒状金属鉄を連続装入した場合における、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの溶解速度の推定を行った。
【００５０】
下記表３に示すように、本溶解試験装置における粒状金属鉄の溶解電力原単位を求めると、装入速度が４ｋｇ／ｍｉｎの場合は７１４ｋＷｈ／ｔ、装入速度が７ｋｇ／ｍｉｎの場合は５８４ｋＷｈ／ｔが得られた。一方、上記実稼動の９０ｔ電弧炉においては、還元鉄を連続装入した場合における溶解電力原単位の実績値が存在するので、この還元鉄の溶解電力原単位の実績値に、還元鉄と粒状鉄との成分の相違を考慮して粒状金属鉄の溶解電力原単位を試算すると、３６６ｋＷｈが得られた。したがって、上記実稼動の９０ｔ電弧炉に対する本溶解試験装置の投入電力効率は、同表に示すように、投入速度が４ｋｇ／ｍｉｎの場合は３６６／７１４＝５１．３％となり、投入速度が７ｋｇ／ｍｉｎの場合は３６６／５８４＝６２．７％となった。
【００５１】
【表３】
【００５２】
そこで、上記表２に示す本溶解試験装置における、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度［Ｒ］を上記投入電力効率［Ｃ］／１００で割ることによって補正し、上記実稼動の９０ｔ電弧炉における、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度を推定した（上記表２の「補正後の最大溶解速度」の欄参照）。
【００５３】
上記推定結果を集約して下記表４の「連続装入」の欄に示す。また、同表には、粒状金属鉄の炭素含有量を２．５質量％として、この含有炭素を酸素吹込みにより燃焼してエネルギー付与した場合、さらに、粒状金属鉄を６００℃で高温装入した場合のそれぞれについて上記実稼動の９０ｔ電弧炉における電力原単位を試算し、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度を推定した結果を併記した。
【００５４】
【表４】
【００５５】
上記 表４に示す推定結果より、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度は、該粒状金属鉄の炭素含有量や装入温度により変動するものの、４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷの範囲にあることがわかる。よって、投入電力１ＭＷ当たりの粒状金属鉄Ａの装入速度は、４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷとするのが推奨される。
【００５６】
また、粒状金属鉄Ａの溶鉄Ｆ面における装入位置は電極ピッチサークル内とするのが好ましい。
【００５７】
すなわち、従来の還元鉄は、上述したように、その見掛け密度が溶融スラグとほぼ同等であるので、電弧炉の溶湯中に投入された還元鉄は、溶融スラグ層中に比較的長い時間滞留し、溶融スラグ層を介してアーク加熱により溶解が進行する。このため、還元鉄の装入位置には特に制約はなかった。
【００５８】
これに対して、本発明に係る粒状金属鉄Ａは、その見掛け密度が溶鉄Ｆとほぼ同等であるので、電弧炉２の溶湯中に投入された粒状金属鉄Ａは、溶融スラグ層Ｅを突き抜けて溶鉄層Ｆ中に潜り込み、溶融スラグ層Ｅと溶鉄層Ｆを介してアーク加熱により溶解が進行する。このため、粒状金属鉄Ａを電極７から離れた位置に装入すると、粒状金属鉄Ａへの伝熱が不足して、溶鉄層Ｆ中に粒状金属鉄Ａの溶け残りが蓄積されるおそれが生じる。したがって、粒状金属鉄Ａの溶鉄Ｆ面における装入位置は、電極ピッチサークル内とすることが特に推奨され、これによってアーク熱がより直接的、効率的に粒状金属鉄Ａに伝えられ、溶け残りが防止されて、溶鋼Ｇの生産性がさらに向上する。
【００５９】
また、粒状金属鉄Ａの平均粒径は１〜５０ｍｍとするのが好ましい。
【００６０】
粒状金属鉄Ａの粒度が小さすぎると、回転炉床炉１から排出された後の分別回収時に微細なスラグ成分が混入しやすくなって鉄分純度が低下したり、電弧炉２への装入時に飛散しやすくなって添加歩留が低下する。一方、粒状金属鉄Ａの粒度が大きすぎると、回転炉床炉１での製造時に上記塊成化物の内部まで伝熱するのに時間がかかって生産性が低下したり、炉上ホッパー６内や同ホッパー６からの切り出し部での詰まりが発生したり、あるいは電弧炉２での溶解時に溶解速度が低下したりするためである。粒状金属鉄Ａのより好ましい平均粒径は２〜２５ｍｍである。
【００６１】
本発明において、平均粒径とは、篩い分け法で分級後、各篩目間の代表径とその篩目間の質量から算出される質量平均粒径である。例えば、篩目がＤ１、Ｄ２・・・、Ｄｎ、Ｄｎ＋１（Ｄ１＜Ｄ２＜・・・＜Ｄｎ＜Ｄｎ＋１）の篩を用いて分級したとき、篩目ＤｋとＤｋ＋１間の質量がＷｋである場合、質量平均粒径ｄｍは、ｄｍ＝Σｋ＝１，ｎ（Ｗｋ×ｄｋ）／Σｋ＝１，ｎ（Ｗｋ）で定義される。ここに、ｄｋは篩目ＤｋとＤｋ＋１間の代表径であり、ｄｋ＝（Ｄｋ＋Ｄｋ＋１）／２である。
【００６２】
また、電弧炉２の溶鉄Ｆ中に粒状金属鉄Ａを連続的に装入するに際して、溶鉄層Ｆ上に形成された溶融スラグ層Ｅをフォーミングさせて電極７の下端を常に被覆しつつ溶解を行うことが好ましい。これにより、アークの熱を上部空間に逃がすことなく、より効率的に溶鉄層Ｆに伝えることができ、粒状金属鉄Ａの溶解速度がさらに向上する。溶融スラグ層Ｅのフォーミングの高さは、例えば溶鉄層Ｆ中に酸素を吹き込み、溶鉄層Ｆ中の炭素の脱炭反応によってＣＯガスを生成させることで調整できる。
【００６３】
また、回転炉床炉１で製造された粒状金属鉄Ａを、常温まで冷却することなく、４００〜７００℃の高温状態で電弧炉２の溶鉄Ｆ中に連続的に装入するのが好ましい。
【００６４】
これにより、粒状金属鉄Ａの顕熱を有効に利用して、さらに、電弧炉２における溶解エネルギー原単位を低減するとともに、溶鋼Ｇの生産性（溶鋼生産速度）を向上させることができる（後述の実施例参照）。
【００６５】
粒状金属鉄Ａの装入温度の好適範囲を４００〜７００℃としたのは、以下の理由による。すなわち、粒状金属鉄Ａの顕熱の有効利用の観点からある程度の温度が必要なことから下限温度を４００℃とし、磁選により粒状金属鉄Ａとスラグ成分Ｂおよび床敷炭材Ｃとを分離するに際して、粒状金属鉄Ａを磁化する必要があるため、上限温度を、鉄のキュリー温度（７７０℃）より低い７００℃とした。
【００６６】
粒状金属鉄Ａを高温状態で電弧炉２に装入するため、回転炉床炉１から排出した１０００〜１１００℃程度の粒状金属鉄ＡとスラグＢおよび床敷炭材Ｃの混合物を、後段のスクリーン３、磁選機４、コンベヤ５などの設備保護のため少し冷却した後、ともに高温仕様のスクリーン３と磁選機４で粒状金属鉄Ａを分離回収し、この粒状金属鉄Ａを、高温仕様のコンベア５によって、電弧炉２の炉上ホッパー６まで搬送していったん貯蔵し、この炉上ホッパー６から切り出すときの温度が４００〜７００℃になるようにすればよい。なお、回転炉床炉１から上記混合物を排出するための排出ダクトから電弧炉２の炉上ホッパー６までは、粒状金属鉄Ａが大気と直接接触して再酸化することを防止するため、Ｎ２などを吹き込んで不活性ガス雰囲気としておくのがよい。
【００６７】
（変形例）
上記実施形態では、還元溶融炉の炉形式として回転炉床炉を例示したが、直線炉を用いてもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では、炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料として、炭素質還元材と酸化鉄含有物質を塊成化してなる塊成化物を例示したが、塊成化せずに、これらを粉状のまま用いてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、高温状態の粒状金属鉄の搬送装置として高温仕様のコンベアを例示したが、保温された容器を、搬送台車およびクレーンなど用いて移送するようにしてもよい。
【００７０】
また、上記実施形態では、回転炉床炉と電弧炉が近接して設置されている場合を例示したが、回転炉床炉と電弧炉が離れて設置されている場合には、回転炉床炉で製造された粒状金属鉄を常温まで冷却すれば、粒状金属鉄はいったん溶融した後固化しているので、還元鉄に比べて緻密化していることから、特別な再酸化防止手段を講じることなく、通常の輸送手段を用いて電弧炉まで輸送することができる。
【００７１】
また、上記実施形態では、電弧炉へ初期装入する他の鉄原料として、スクラップを例示したが、還元鉄あるいは粒状金属鉄を用いてもよいし、これらの２種以上を併用してもよい。
【００７２】
なお、電弧炉へ初期装入する他の鉄原料の全部または一部として粒状金属鉄を用いる場合でも、この初期装入された他の鉄原料で作った溶鉄中に連続的に装入する粒状金属鉄の、全装入鉄原料に対する使用割合は４０〜８０質量％にする必要がある。換言すれば、電弧炉へ初期装入する他の鉄原料の全部または一部として粒状金属鉄を用いる場合には、全装入鉄原料に対する全粒状金属鉄の使用割合は、初期装入分と連続装入分とを合計した割合となるので、４０〜８０質量％より高い使用割合になる。
【符号の説明】
【００７３】
１…溶融還元炉（回転炉床炉）
２…電弧炉
３…スクリーン
４…磁選機
５…コンベア
６…炉上ホッパー
７…電極
Ａ…粒状金属鉄
Ｂ…スラグ
Ｃ…床敷炭材
Ｄ…他の鉄原料（スクラップ）
Ｅ…溶融スラグ、溶融スラグ層
Ｆ…溶鉄、溶鉄層
Ｇ…溶鋼
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転炉床炉などの還元溶融炉で製造された粒状金属鉄を電弧炉で溶解して溶鋼を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鋼用電弧炉では、従来はスクラップ、銑鉄（冷銑）、還元鉄などの鉄原料を炉上からスクラップバケットで炉内にバッチ装入し、溶解後、炉蓋を開放して前記鉄原料をバッチで追加装入し、溶解する方法を取っていた。このために、炉蓋開放および鉄原料装入の間に、熱ロスおよび時間ロス、ならびに多量の粉塵が炉外に飛散するという作業環境悪化の問題が生じていた。
【０００３】
この対応として、成分とサイズ゛が比較的均一な還元鉄の連続投入は行われて来た（例えば、特許文献１〜３参照）が、還元鉄は脈石分や未還元の酸化鉄を含むため、スクラップや銑鉄（冷銑）より溶解エネルギーを多く必要とする問題がある。
【０００４】
一方、銑鉄（冷銑）については、製造上の問題からサイズを小さくできない制約があり、連続投入による多量投入、溶解は実現できていない。
【０００５】
また、製鋼用電弧炉の生産性向上を目的に、酸素付加操業が定着し、酸素使用量も増加しており、投入酸素量に見合う炭素源の使用量も増加している。
【０００６】
この炭素源として、溶銑や冷銑中の炭素分、塊状コークス、粉コークスなどが使用されている。
【０００７】
しかしながら、溶銑を使用する場合は、製鋼用電弧炉の上流側に溶銑の専用製造設備と電弧炉への専用装入設備が必要となる問題がある。
【０００８】
一方、冷銑を使用する場合は、上述したように、そのサイズが大きいため、バッチでの装入に限られ、また溶解に時間がかかることから使用量が制約される問題がある。
【０００９】
また、塊状コークス、粉コークスを使用する場合は、全硫黄分および灰分組成によっては使用量が制約される、電弧炉への装入時にスラグに捕捉されたり、排ガスとともに炉外に排出されたりするため添加歩留が低下する、などの問題があった。
【００１０】
ここで、炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料を回転炉床炉などの還元溶融炉内で加熱し、この原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに加熱して溶融させるとともに、スラグ成分と分離させながら凝集させることにより、高純度の粒状金属鉄を製造する方法が開発されている（例えば、特許文献４、５参照）。
【００１１】
この粒状金属鉄は、還元鉄と比較すると、スラグ成分があらかじめ除去されているとともに、炭素含有量を高くできるので、還元鉄の替わりに電弧炉に連続装入することで、酸素吹錬と併用して電弧炉での溶解エネルギーを大幅に低減するとともに、溶鋼の生産性を大幅に向上できると期待されている。
【００１２】
しかしながら、製鋼用電弧炉において、このような粒状金属鉄を連続装入してより効率的に溶解する技術についてはいまだ確立していなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５０−６４１１１号公報
【特許文献２】特開昭５１−６５００７号公報
【特許文献３】特開昭５８−１４１３１４号公報
【特許文献４】特開２００２−３３９００９号公報
【特許文献５】特開２００３−７３７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、回転炉床炉などの還元溶融炉で製造された粒状金属鉄を製鋼用電弧炉に連続装入し溶解して溶鋼を製造するに際し、より効率的に溶解しうる溶鋼製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載の発明は、炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融炉内で加熱し、この原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに加熱して溶融させるとともに、スラグ成分と分離させながら凝集させて製造した粒状金属鉄と、他の鉄原料とからなる全装入鉄原料を電弧炉で溶解して溶鋼を製造する方法であって、前記粒状金属鉄中の炭素の含有量を１．０〜４．５質量％とし酸素吹錬と併用することにより前記粒状金属鉄中の炭素を燃焼させるとともに、前記全装入鉄原料に対する前記粒状金属鉄の使用割合を４０〜８０質量％とし、前記他の鉄原料を前記電弧炉に初期装入して溶鉄を作った後、この溶鉄中に前記粒状金属鉄を連続的に装入することを特徴とする、粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、投入電力１ＭＷ当たりの前記粒状鉄の装入速度を４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷとする、請求項１に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、前記粒状金属鉄の溶鉄表面における装入位置を電極ピッチサークル内とする、請求項１または２に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記粒状金属鉄の平均粒径を１〜５０ｍｍとする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、前記溶鉄上に形成された溶融スラグ層をフォーミングさせて電極の下端を常に被覆しつつ、前記溶鉄中に前記粒状金属鉄を連続的に装入する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、前記還元溶融炉で製造した粒状金属鉄を、常温まで冷却することなく、４００〜７００℃で前記電弧炉の溶鉄中に連続的に装入する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、還元溶融炉で製造した、炭素含有量１．０〜４．５質量％の粒状金属鉄を酸素吹錬と併用することにより前記粒状金属鉄中の炭素を燃焼させるとともに、全装入鉄原料に対して４０〜８０質量％使用し、これを、他の鉄原料を電弧炉に初期装入して作った溶鉄中に連続的に装入するようにしたことで、溶解エネルギーを大幅に低減して電弧炉のエネルギー効率を上昇させるとともに、溶鋼の生産性を大幅に向上させることが実現できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る溶鋼製造設備の概略構成を示すフロー図である。
【図２】電弧炉における、全装入鉄原料に対する粒状金属鉄の使用割合と溶解エネルギーとの関係を示すグラフ図である。
【図３】電弧炉における、全装入鉄原料に対する粒状金属鉄の使用割合と溶鋼生産速度との関係を示すグラフ図である。
【図４】溶解試験装置の概略構成を示す部分縦断面図である。
【図５】溶解試験装置における、粒状金属鉄および還元鉄の装入速度と投入電力との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
[実施形態１]
図１に、本発明の一実施形態に係る溶鋼製造設備の概略構成を示す。本実施形態に係る設備は、還元溶融炉としての回転炉床炉１と電弧炉２とが近接して設置されている場合の例である。
【００２５】
そして、本発明で用いられる粒状金属鉄Ｍは、例えば以下のようにして製造される。
【００２６】
まず、石炭などの炭素質還元材と鉄鉱石などの酸化鉄含有物質を含む原料をペレットまたはブリケットに塊成化する。そして、この塊成化物を、炭材Ｃを床敷した図示しない炉床上に載置し、回転炉床炉１内で、例えば１３５０〜１４００℃程度に加熱し、原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに１４００〜１５５０℃程度に加熱して溶融させるとともに、スラグ成分と分離させながら凝集させる。その後、炉内のチル部で１０００〜１１００℃程度まで冷却することで、固化した粒状金属鉄ＡとスラグＢの混合物が得られる。そして、この混合物を床敷炭材Ｃとともに回転炉床炉１から排出した後、スクリーン３と磁選機４を用いてスラグＢと床敷炭材Ｃを分離除去することで、粒状金属鉄Ａが得られる（例えば、上記特許文献１〜３参照）。
【００２７】
この粒状金属鉄Ａ中の炭素含有量は１．０〜４．５質量％とする。炭素含有量の下限を１．０質量％としたのは、製造する鋼の種類に応じた必要Ｃ量を確保し、鉄原料としての汎用性を高めるためである。一方、炭素含有量の上限を４．５質量％としたのは、脱炭処理などの付加的処理の負荷を加重することなく使用するためである。粒状金属鉄Ａ中の炭素含有量の好ましい範囲は１．５〜３．５質量％である。粒状金属鉄Ａ中の炭素含有量は、上記塊成化物中の炭素質還元材の配合量や回転炉床炉１内の雰囲気を調節することで、容易に調整できる。
【００２８】
ここで、回転炉床炉１内において粒状金属鉄Ａが溶融状態にあるときには、該粒状金属鉄Ａ中の炭素は、該粒状金属鉄Ａの表面近傍に集まりやすいため、固化後の粒状金属鉄Ａも、その表面近傍ほど炭素濃度が高くなっている。このため、電弧炉２の溶鉄Ｆ中に装入された粒状金属鉄Ａは炭素濃度の高い低融点の表面近傍から容易に溶解され始める。この溶解した高炭素濃度溶鉄中の炭素は、酸素吹錬と併用することにより、すなわち、電弧炉２内に酸素を吹き込むことにより、その酸素で燃焼され、その燃焼熱で粒状金属鉄Ａ内部の炭素濃度の低い高融点の部分も容易に溶解されることとなる。
【００２９】
この粒状金属鉄Ａと、他の鉄原料としてのスクラップＤとを合わせて全装入鉄原料とし、この全装入鉄原料に対する粒状金属鉄Ａの使用割合を４０〜８０質量％とする。
【００３０】
そして、まず、スクラップＤを電弧炉２に初期装入（バッチ装入）して電極７にてアーク加熱して溶解し溶鉄Ｆを作る。
【００３１】
その後、アーク加熱を継続しながら、酸素を吹き込みつつ（必要によりさらに粉炭を吹き込みつつ）、この溶鉄Ｆ中に粒状金属鉄Ａを連続的に装入して溶解することで、電弧炉２のエネルギー効率を上昇させつつ溶鋼Ｇの生産性を向上させることができ、より効率良く溶鋼Ｇが得られる。
【００３２】
ここで、全装入鉄原料に対する粒状金属鉄Ａの使用割合を４０〜８０質量％としたのは、以下の理由によるものである。
【００３３】
すなわち、実稼動の電弧炉（内容量：９０ｔ、トランス容量：７４ＭＶＡ）を例に採り、粒状金属鉄の使用割合、装入方法の相違による、全装入鉄原料を溶解するのに要する溶解エネルギー、および、溶鋼の生産速度に及ぼす影響を試算した。
【００３４】
ここに、粒状金属鉄の炭素含有量は２．５質量％とした。また、粒状金属鉄を「バッチ装入」および「連続装入」する際における粒状金属鉄の温度は常温（２５℃）とし、「高温連続装入」する際の粒状金属鉄の温度は４００℃とした。また、粒状金属鉄を「バッチ装入」から「連続装入」に変更することで、炉のヒートロスは、追加装入１回当たり８７０Ｍｃａｌ（ここに、１Ｍｃａｌ＝４．１８６０５ＭＪである。以下同じ。）減少し、止電時間は２ｍｉｎ、ボーリング期の時間も２ｍｉｎ、それぞれ短縮されるとした。
【００３５】
試算の結果を図２および図３に示す。図２は、粒状金属鉄の使用割合、装入方法の相違による、全装入鉄原料を溶解するのに要する溶解エネルギーの変化を示したものである。また、図３は、粒状金属鉄の使用割合、装入方法の相違による、溶鋼生産速度の変化を示したものである。
【００３６】
粒状金属鉄Ａの使用割合が４０質量％未満、つまり、他の鉄原料であるスクラップＤの使用割合が６０質量％を超えると、バッチ装入のための図示しないスクラップバケットの容量制約から、スクラップＤの初期装入を２回に分けて行う必要が生じてしまい、図３に示すように、粒状金属鉄Ａを連続装入したとしても溶鋼生産速度が大幅に低下してしまう。
【００３７】
一方、粒状金属鉄Ａの使用割合が８０質量％を超えると、粒状金属鉄Ａを「高温連続装入」した場合には、脱炭時間が、電弧炉２の投入電力容量で決定される溶解時間よりも長くなり、この脱炭時間が溶鋼の生産性を律速するようになるので、図３に示すように、溶鋼生産速度の上昇は頭打ちになる。
【００３８】
以上の結果より、全装入鉄原料に対する粒状金属鉄Ａの使用割合は４０〜８０質量％とした。
【００３９】
また、投入電力１ＭＷ当たりの粒状金属鉄Ａの装入速度は、以下の理由により、４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷとするのが好ましい。
【００４０】
すなわち、連続装入の際における粒状金属鉄の溶解特性を把握するため、溶解鉄原料として下記表１に示す物理・化学性状を有する粒状金属鉄および比較材としての還元鉄を用いて溶解試験を実施した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
溶解試験装置としては、図４に概略構成を示すように、５００ｋｇ高周波誘導炉（定格：３５０ｋＷ、１０００Ｈｚ）と、原料供給装置（ホッパー容量：２００ｋｇ、原料投入速度：０〜１５ｋｇ／ｍｉｎ）と、溶解状況を観察するためのモニター用カメラと、溶湯温度および原料投入速度を記録するためのデータ収録装置とで構成されたものを用いた。
【００４３】
溶解条件としては、Ｃ：０．２〜０．３質量％、Ｓｉ＜０．０３質量％、Ｍｎ：０．０５質量％、温度：１５５０℃の初期溶湯２５０ｋｇを作製し、溶湯温度を１５５０〜１６００℃に維持しつつ原料投入速度を順次変更し、連続装入された鉄原料が順調に溶解するのをモニター用カメラで確認しながら投入電力を調整するようにした。
【００４４】
溶解試験の結果を図５および下記表２に示す。
【００４５】
【表２】
【００４６】
これらの図表に示すように、粒状金属鉄は還元鉄に比べて、投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度が２．５〜３．０倍になった。
【００４７】
なお、このように粒状金属鉄の最大溶解速度が還元鉄の最大溶解速度の２．５〜３．０倍になったことは、還元鉄中に含まれるスラグ成分の量が粒状金属鉄に比べて多いことだけでは説明がつかず、溶解試験の加熱源としてアーク加熱ではなく、高周波誘導加熱を用いたことが原因と考えられる。
【００４８】
すなわち、粒状金属鉄は溶鉄と見掛け密度がほぼ同等のため溶鉄中に浮遊した状態で溶解し、溶鉄は高周波誘導加熱により十分に加熱されるため粒状金属鉄の溶解速度は十分大きくなる。一方、還元鉄は溶融スラグと見掛け密度がほぼ同等のため溶融スラグ中に浮遊した状態で溶解し、溶融スラグはアーク加熱とは異なり、高周波誘導加熱では十分に加熱できない。このことに起因して、還元鉄の溶解速度が粒状金属鉄に比べて大幅に低下したためと考えられる。
【００４９】
ここで、本溶解試験装置は５００ｋｇと小型であることから、実稼動の９０ｔ電弧炉に比べて著しくヒートロスが大きいため、本溶解試験で得られた、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度は、実稼動の電弧炉に使用した場合には、さらに大きくなると想定される。そこで、以下のようにして、実稼動の９０ｔ電弧炉に粒状金属鉄を連続装入した場合における、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの溶解速度の推定を行った。
【００５０】
下記表３に示すように、本溶解試験装置における粒状金属鉄の溶解電力原単位を求めると、装入速度が４ｋｇ／ｍｉｎの場合は７１４ｋＷｈ／ｔ、装入速度が７ｋｇ／ｍｉｎの場合は５８４ｋＷｈ／ｔが得られた。一方、上記実稼動の９０ｔ電弧炉においては、還元鉄を連続装入した場合における溶解電力原単位の実績値が存在するので、この還元鉄の溶解電力原単位の実績値に、還元鉄と粒状鉄との成分の相違を考慮して粒状金属鉄の溶解電力原単位を試算すると、３６６ｋＷｈが得られた。したがって、上記実稼動の９０ｔ電弧炉に対する本溶解試験装置の投入電力効率は、同表に示すように、投入速度が４ｋｇ／ｍｉｎの場合は３６６／７１４＝５１．３％となり、投入速度が７ｋｇ／ｍｉｎの場合は３６６／５８４＝６２．７％となった。
【００５１】
【表３】
【００５２】
そこで、上記表２に示す本溶解試験装置における、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度［Ｒ］を上記投入電力効率［Ｃ］／１００で割ることによって補正し、上記実稼動の９０ｔ電弧炉における、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度を推定した（上記表２の「補正後の最大溶解速度」の欄参照）。
【００５３】
上記推定結果を集約して下記表４の「連続装入」の欄に示す。また、同表には、粒状金属鉄の炭素含有量を２．５質量％として、この含有炭素を酸素吹込みにより燃焼してエネルギー付与した場合、さらに、粒状金属鉄を６００℃で高温装入した場合のそれぞれについて上記実稼動の９０ｔ電弧炉における電力原単位を試算し、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度を推定した結果を併記した。
【００５４】
【表４】
【００５５】
上記 表４に示す推定結果より、粒状金属鉄の投入電力１ＭＷ当たりの最大溶解速度は、該粒状金属鉄の炭素含有量や装入温度により変動するものの、４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷの範囲にあることがわかる。よって、投入電力１ＭＷ当たりの粒状金属鉄Ａの装入速度は、４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷとするのが推奨される。
【００５６】
また、粒状金属鉄Ａの溶鉄Ｆ面における装入位置は電極ピッチサークル内とするのが好ましい。
【００５７】
すなわち、従来の還元鉄は、上述したように、その見掛け密度が溶融スラグとほぼ同等であるので、電弧炉の溶湯中に投入された還元鉄は、溶融スラグ層中に比較的長い時間滞留し、溶融スラグ層を介してアーク加熱により溶解が進行する。このため、還元鉄の装入位置には特に制約はなかった。
【００５８】
これに対して、本発明に係る粒状金属鉄Ａは、その見掛け密度が溶鉄Ｆとほぼ同等であるので、電弧炉２の溶湯中に投入された粒状金属鉄Ａは、溶融スラグ層Ｅを突き抜けて溶鉄層Ｆ中に潜り込み、溶融スラグ層Ｅと溶鉄層Ｆを介してアーク加熱により溶解が進行する。このため、粒状金属鉄Ａを電極７から離れた位置に装入すると、粒状金属鉄Ａへの伝熱が不足して、溶鉄層Ｆ中に粒状金属鉄Ａの溶け残りが蓄積されるおそれが生じる。したがって、粒状金属鉄Ａの溶鉄Ｆ面における装入位置は、電極ピッチサークル内とすることが特に推奨され、これによってアーク熱がより直接的、効率的に粒状金属鉄Ａに伝えられ、溶け残りが防止されて、溶鋼Ｇの生産性がさらに向上する。
【００５９】
また、粒状金属鉄Ａの平均粒径は１〜５０ｍｍとするのが好ましい。
【００６０】
粒状金属鉄Ａの粒度が小さすぎると、回転炉床炉１から排出された後の分別回収時に微細なスラグ成分が混入しやすくなって鉄分純度が低下したり、電弧炉２への装入時に飛散しやすくなって添加歩留が低下する。一方、粒状金属鉄Ａの粒度が大きすぎると、回転炉床炉１での製造時に上記塊成化物の内部まで伝熱するのに時間がかかって生産性が低下したり、炉上ホッパー６内や同ホッパー６からの切り出し部での詰まりが発生したり、あるいは電弧炉２での溶解時に溶解速度が低下したりするためである。粒状金属鉄Ａのより好ましい平均粒径は２〜２５ｍｍである。
【００６１】
本発明において、平均粒径とは、篩い分け法で分級後、各篩目間の代表径とその篩目間の質量から算出される質量平均粒径である。例えば、篩目がＤ１、Ｄ２・・・、Ｄｎ、Ｄｎ＋１（Ｄ１＜Ｄ２＜・・・＜Ｄｎ＜Ｄｎ＋１）の篩を用いて分級したとき、篩目ＤｋとＤｋ＋１間の質量がＷｋである場合、質量平均粒径ｄｍは、ｄｍ＝Σｋ＝１，ｎ（Ｗｋ×ｄｋ）／Σｋ＝１，ｎ（Ｗｋ）で定義される。ここに、ｄｋは篩目ＤｋとＤｋ＋１間の代表径であり、ｄｋ＝（Ｄｋ＋Ｄｋ＋１）／２である。
【００６２】
また、電弧炉２の溶鉄Ｆ中に粒状金属鉄Ａを連続的に装入するに際して、溶鉄層Ｆ上に形成された溶融スラグ層Ｅをフォーミングさせて電極７の下端を常に被覆しつつ溶解を行うことが好ましい。これにより、アークの熱を上部空間に逃がすことなく、より効率的に溶鉄層Ｆに伝えることができ、粒状金属鉄Ａの溶解速度がさらに向上する。溶融スラグ層Ｅのフォーミングの高さは、例えば溶鉄層Ｆ中に酸素を吹き込み、溶鉄層Ｆ中の炭素の脱炭反応によってＣＯガスを生成させることで調整できる。
【００６３】
また、回転炉床炉１で製造された粒状金属鉄Ａを、常温まで冷却することなく、４００〜７００℃の高温状態で電弧炉２の溶鉄Ｆ中に連続的に装入するのが好ましい。
【００６４】
これにより、粒状金属鉄Ａの顕熱を有効に利用して、さらに、電弧炉２における溶解エネルギー原単位を低減するとともに、溶鋼Ｇの生産性（溶鋼生産速度）を向上させることができる（後述の実施例参照）。
【００６５】
粒状金属鉄Ａの装入温度の好適範囲を４００〜７００℃としたのは、以下の理由による。すなわち、粒状金属鉄Ａの顕熱の有効利用の観点からある程度の温度が必要なことから下限温度を４００℃とし、磁選により粒状金属鉄Ａとスラグ成分Ｂおよび床敷炭材Ｃとを分離するに際して、粒状金属鉄Ａを磁化する必要があるため、上限温度を、鉄のキュリー温度（７７０℃）より低い７００℃とした。
【００６６】
粒状金属鉄Ａを高温状態で電弧炉２に装入するため、回転炉床炉１から排出した１０００〜１１００℃程度の粒状金属鉄ＡとスラグＢおよび床敷炭材Ｃの混合物を、後段のスクリーン３、磁選機４、コンベヤ５などの設備保護のため少し冷却した後、ともに高温仕様のスクリーン３と磁選機４で粒状金属鉄Ａを分離回収し、この粒状金属鉄Ａを、高温仕様のコンベア５によって、電弧炉２の炉上ホッパー６まで搬送していったん貯蔵し、この炉上ホッパー６から切り出すときの温度が４００〜７００℃になるようにすればよい。なお、回転炉床炉１から上記混合物を排出するための排出ダクトから電弧炉２の炉上ホッパー６までは、粒状金属鉄Ａが大気と直接接触して再酸化することを防止するため、Ｎ２などを吹き込んで不活性ガス雰囲気としておくのがよい。
【００６７】
（変形例）
上記実施形態では、還元溶融炉の炉形式として回転炉床炉を例示したが、直線炉を用いてもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では、炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料として、炭素質還元材と酸化鉄含有物質を塊成化してなる塊成化物を例示したが、塊成化せずに、これらを粉状のまま用いてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、高温状態の粒状金属鉄の搬送装置として高温仕様のコンベアを例示したが、保温された容器を、搬送台車およびクレーンなど用いて移送するようにしてもよい。
【００７０】
また、上記実施形態では、回転炉床炉と電弧炉が近接して設置されている場合を例示したが、回転炉床炉と電弧炉が離れて設置されている場合には、回転炉床炉で製造された粒状金属鉄を常温まで冷却すれば、粒状金属鉄はいったん溶融した後固化しているので、還元鉄に比べて緻密化していることから、特別な再酸化防止手段を講じることなく、通常の輸送手段を用いて電弧炉まで輸送することができる。
【００７１】
また、上記実施形態では、電弧炉へ初期装入する他の鉄原料として、スクラップを例示したが、還元鉄あるいは粒状金属鉄を用いてもよいし、これらの２種以上を併用してもよい。
【００７２】
なお、電弧炉へ初期装入する他の鉄原料の全部または一部として粒状金属鉄を用いる場合でも、この初期装入された他の鉄原料で作った溶鉄中に連続的に装入する粒状金属鉄の、全装入鉄原料に対する使用割合は４０〜８０質量％にする必要がある。換言すれば、電弧炉へ初期装入する他の鉄原料の全部または一部として粒状金属鉄を用いる場合には、全装入鉄原料に対する全粒状金属鉄の使用割合は、初期装入分と連続装入分とを合計した割合となるので、４０〜８０質量％より高い使用割合になる。
【符号の説明】
【００７３】
１…溶融還元炉（回転炉床炉）
２…電弧炉
３…スクリーン
４…磁選機
５…コンベア
６…炉上ホッパー
７…電極
Ａ…粒状金属鉄
Ｂ…スラグ
Ｃ…床敷炭材
Ｄ…他の鉄原料（スクラップ）
Ｅ…溶融スラグ、溶融スラグ層
Ｆ…溶鉄、溶鉄層
Ｇ…溶鋼
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融炉内で加熱し、この原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに加熱して溶融させるとともに、スラグ成分と分離させながら凝集させて製造した粒状金属鉄と、他の鉄原料とからなる全装入鉄原料を電弧炉で溶解して溶鋼を製造する方法であって、
前記粒状金属鉄中の炭素の含有量を１．０〜４．５質量％とし酸素吹錬と併用することにより前記粒状金属鉄中の炭素を燃焼させるとともに、
前記全装入鉄原料に対する前記粒状金属鉄の使用割合を４０〜８０質量％とし、
前記他の鉄原料を前記電弧炉に初期装入して溶鉄を作った後、この溶鉄中に前記粒状金属鉄を連続的に装入することを特徴とする、粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項２】
投入電力１ＭＷ当たりの前記粒状金属鉄の装入速度を４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷとする、請求項１に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項３】
前記粒状金属鉄の溶鉄表面における装入位置を電極ピッチサークル内とする、請求項１または２に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項４】
前記粒状金属鉄の平均粒径を１〜５０ｍｍとする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項５】
前記溶鉄上に形成された溶融スラグ層をフォーミングさせて電極の下端を常に被覆しつつ、前記溶鉄中に前記粒状金属鉄を連続的に装入する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項６】
前記還元溶融炉で製造した粒状金属鉄を、常温まで冷却することなく、４００〜７００℃で前記電弧炉の溶鉄中に連続的に装入する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項１】
炭素質還元材と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融炉内で加熱し、この原料中の酸化鉄を固体還元した後、生成する金属鉄をさらに加熱して溶融させるとともに、スラグ成分と分離させながら凝集させて製造した粒状金属鉄と、他の鉄原料とからなる全装入鉄原料を電弧炉で溶解して溶鋼を製造する方法であって、
前記粒状金属鉄中の炭素の含有量を１．０〜４．５質量％とし酸素吹錬と併用することにより前記粒状金属鉄中の炭素を燃焼させるとともに、
前記全装入鉄原料に対する前記粒状金属鉄の使用割合を４０〜８０質量％とし、
前記他の鉄原料を前記電弧炉に初期装入して溶鉄を作った後、この溶鉄中に前記粒状金属鉄を連続的に装入することを特徴とする、粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項２】
投入電力１ＭＷ当たりの前記粒状金属鉄の装入速度を４０〜１００ｋｇ／ｍｉｎ／ＭＷとする、請求項１に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項３】
前記粒状金属鉄の溶鉄表面における装入位置を電極ピッチサークル内とする、請求項１または２に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項４】
前記粒状金属鉄の平均粒径を１〜５０ｍｍとする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項５】
前記溶鉄上に形成された溶融スラグ層をフォーミングさせて電極の下端を常に被覆しつつ、前記溶鉄中に前記粒状金属鉄を連続的に装入する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【請求項６】
前記還元溶融炉で製造した粒状金属鉄を、常温まで冷却することなく、４００〜７００℃で前記電弧炉の溶鉄中に連続的に装入する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒状金属鉄を用いた溶鋼製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−７２２５（Ｐ２０１２−７２２５Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４６１１４（Ｐ２０１０−１４６１１４）
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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