JP2009007618A - 溶銑の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キュポラにおいて鉄スクラップや銑鉄を溶解する際に、資源リサイクルの観点から鋳物用コークスに代わるキュポラ用燃料を用いた溶銑の製造方法を提供する。
【解決手段】キュポラによる溶銑の製造方法において、そのキュポラ用燃料として、黒鉛電極の使用済みスクラップ、あるいは黒鉛電極製造時に発生した不良品の破砕品である黒鉛電極屑を用いた。前記黒鉛電極屑はベッドコークス層１０として用いてもよいし、追込コークス１１として用いてもよい。黒鉛電極屑は、前記キュポラの炉径に合わせてその粒径が調整されたものであることが望ましく、また、その成分が、固定炭素の成分比率８５．０重量％以上、灰分１０．０重量％以下、揮発分１．５重量％以下、全硫黄分０．８重量％以下、気孔率４０％以下、落下強度９３％以上を満たすものであることが望ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、キュポラにおいて鉄スクラップや銑鉄などの鉄源を溶解することを目的として使用されるキュポラ用燃料に関するものである。

キュポラの主燃料としては一般的に鋳物用コークスが知られている。キュポラにおいて鉄スクラップや銑鉄などの鉄源を溶解する際には、例えば、図１に示すように、キュポラ１の炉底から一定の高さまで鋳物用コークスを詰めてベッドコークス層１０を形成する。
そのベッドコークス層１０の部位に対向する炉壁の下部に羽口４を設け、羽口４から吹き込まれる熱風（通常の空気の他に酸素富化したものも含む。以下、まとめて「熱風」という。）により鋳物用コークスを燃焼させ、この燃焼熱でベッドコークス層１０上部に装入した鉄スクラップ、銑鉄などの鉄源Ｓを溶解して、炉底に設けた出湯口３から溶銑（溶湯）を取り出すものである（例えば、特許文献１参照）。

その溶銑は、ベッドコークス層１０内のコークスの間隙を滴下する際に、そのコークスから炭素が供給されている。
また、そのベッドコークス層１０は燃焼により徐々に消耗していくため、これを補う目的で「追込コークス１１」として鋳物用コークスと新たな鉄源Ｓとをキュポラ１内に装入する。追込コークス１１と追加の鉄源Ｓとは、一定の比率で交互に層状に重ねられる。この追込コークス１１と追加の鉄源Ｓとの装入比率を、一般にコークス比という。

このように、鋳物用コークスの役割は、熱源として鉄源Ｓを溶解させる熱源機能と、溶銑に炭素を供給する吸炭源（加炭）機能とが主体であり、その他にも、キュポラ１の炉内において鉄源Ｓを所定高さに支える機能なども考えられる。

このため、鋳物用コークスには固定炭素分が高く灰分が低いことはもちろんのこと、鉄源投入の際の衝撃や荷重に耐え得る高い強度が要求される。
また、使用するキュポラ１の炉径に応じた適切な粒度、さらには低い反応性（一般にコークスの気孔率が大きいと反応性が高くベッドコークス層１０の消耗が激しくなるため、気孔率の低いものが用いられる。）など、他の条件も要求される。

特開２００２−９００６５号公報

近年、排出ガスなど環境規制の強化や鋳物用コークスを製造するコークス炉の老朽化等により、国内のコークス生産量が減少している。また、コークスの輸入先である諸外国においても、今後、環境規制等により生産量が減少していく懸念がある。
そこで、現在、鋳物用コークスに代わるキュポラ用燃料の開発が求められている。この発明は、鋳物用コークスに代わるキュポラ用燃料の開発を課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、キュポラの炉内に鉄スクラップや銑鉄などの鉄源とキュポラ用燃料とを装入し、そのキュポラ用燃料を燃焼させることによりその燃焼熱で前記鉄源を溶解させて溶銑とするとともに、その溶銑を前記キュポラの炉底部に設けた出湯口から取り出す溶銑の製造方法において、前記キュポラの炉内に装入する全てのキュポラ用燃料のうち少なくとも一部を黒鉛電極屑とする手段を採用した。

黒鉛電極屑とは、アーク炉に用いられる黒鉛電極として製造された黒鉛であれば、使用済みであるか使用前であるかは問わないが、例えば、その黒鉛電極の使用済みスクラップ、あるいは黒鉛電極製造時に発生した不良品の破砕品を用いれば、今日の資源リサイクルの要請に寄与し得る。

また、一般に黒鉛電極は、黒鉛とタールを混練してプレス成形、焼成により製造されるので、固定炭素の成分比率が高く、灰分、揮発分、全硫黄分の成分比率が低く、且つ落下強度も高い。このため、キュポラ用燃料に要求される上述の厳しい条件、すなわち、熱源として鉄源を溶解させる熱源機能、溶銑に炭素を供給する吸炭源（加炭）機能、キュポラの炉内において鉄源を所定高さに支える機能を発揮することができ、鋳物用コークスに代わるキュポラ用燃料となり得る。

この黒鉛電極屑は、キュポラの炉底部に形成するベッドコークス層として用いてもよいし、そのベッドコークス層が燃焼により消耗した際に前記キュポラの炉内に追加される追込コークスとして用いてもよい。また、ベッドコークス層と追込コークスとに併用してもよい。

また、前記黒鉛電極屑として、前記キュポラの炉径に合わせてその粒径が調整されたものを採用することができる。
一般に、キュポラ用燃料として使用される鋳物用コークスは、そのキュポラの炉径に合致した適切な粒径のものを使用することが求められる。そこで、キュポラ用燃料として前記黒鉛電極屑を採用すれば、黒鉛電極を破砕する際に粒度の調整が可能であるので、使用するキュポラの炉径に応じて適宜粒径を調整することができる。

さらに、その黒鉛電極屑は、固定炭素の成分比率８５．０重量％以上、灰分１０．０重量％以下、揮発分１．５重量％以下、全硫黄分０．８重量％以下、気孔率４０％以下、落下強度９３％以上を満たすものを採用することができる。
なお、黒鉛素材の成分等の測定・分析はＪＩＳ Ｒ ２２２２，ＪＩＳ Ｒ２２２３による。落下強度の測定はＪＩＳ Ｋ ２１５１による。

この成分で構成される黒鉛電極屑によれば、熱源及び吸炭源としての能力向上によりコークス比の低減を図ることができる。
また、例えば、前記キュポラの炉内に装入する全てのキュポラ用燃料のうち、２０重量％以上５０重量％以下を前記黒鉛電極屑とし、残りを鋳物用コークスとした構成を採用すれば、得られた溶銑に含まれる炭素（Ｃ）の含有割合（出銑Ｃ％）を、黒鉛電極屑を用いない同条件によって得られた溶銑の出銑Ｃ％以上とすることができる。
なお、黒鉛電極屑は、キュポラ用燃料として求められる各項目の規定値を満たしているので、前記キュポラの炉内に装入する全てのキュポラ用燃料を黒鉛電極屑とすることも可能である。

また、前記キュポラの炉内に装入するキュポラ用燃料の一部を高炉用コークスとすることもできる。高炉用コークスは、それ単独ではキュポラ用燃料としての上記各条件を満たさないが、前記黒鉛電極屑との併用であれば使用上問題ないことが確認できた。
高炉用コークスは市場に比較的安定的に供給されており、鋳物用コークスのような生産量が減少の危惧が少なく、また安価であるので、前記キュポラ用燃料の一部として使用できれば鋳物用コークスの使用量を低減し、コスト削減にも寄与し得る。

また、例えば、前記キュポラの炉内に装入する全てのキュポラ用燃料のうち、４０重量％を前記黒鉛電極屑とし、４０重量％を鋳物用コークスとし、２０重量％を高炉用コークスとした構成を採用すれば、得られた溶銑の出銑Ｃ％を、高炉用コークス及び黒鉛電極屑を用いない同条件によって得られた溶銑の出銑Ｃ％以上とすることができる。

以上のように、黒鉛電極屑は、キュポラ用燃料としての諸条件を満たすことができるので、従来の鋳物用コークスに代わるキュポラ用燃料として採用することができる。
また、キュポラ用燃料として黒鉛電極屑を採用することにより、熱源及び吸炭源としての能力向上によりコークス比の低減を図ることができる。

この発明の実施形態として、黒鉛電極屑は、例えば、下記の表１に示すものを採用することができる。表中上段に示す黒鉛電極屑は、キュポラ用燃料としての熱源、吸炭源としての機能を果たすために、固定炭素の成分比率８５．０％以上、灰分１０．０％以下、揮発分１．５％以下、全硫黄分０．８％以下を全て満たしている。

さらに、一般的な鋳物用コークスと比較して固定炭素の成分比率が高く、且つ灰分の成分比率が低いので、従来と比較して、熱源、吸炭源としてより好ましいキュポラ燃料となり得ることがわかる。

また、鉄源投入の際の衝撃や荷重に耐え得る高い強度を有しているか否かについては、一般的な鋳物用コークスの落下強度は９３％以上とされているのに対し、黒鉛電極屑の落下強度は一般に９５％以上であるので、強度に関する条件を満たす。
反応性の条件については、一般的な鋳物用コークスが気孔率４０％以下を満たす必要があるといわれているのに対し、黒鉛電極屑は、その黒鉛電極を製造する際にプレス成形を行っているため、気孔率は低い数値となっており、十分に条件を満たすものとなっている。

なお、表１中の黒鉛電極屑、鋳物用コークスの数値は、一般的に使用されている黒鉛電極、鋳物用コークスとして求められている各成分比率である。成分（％）の数値は、いずれも重量％を示す。また、黒鉛素材の成分等の測定・分析はＪＩＳ Ｒ ２２２２，ＪＩＳ Ｒ２２２３による。落下強度の測定はＪＩＳ Ｋ ２１５１による。

以下に実施例１を示す。この実施例１は、キュポラ用燃料として、鋳物用コークスと上記表１の上段に示す黒鉛電極屑を採用して溶銑を製造する実験を行ったものである。
この実施例で用いる黒鉛電極屑の具体的な成分比率は、固定炭素９８．０重量％、灰分１．２重量％、揮発分０．６重量％、全硫黄分０．５重量％である。

表２に溶解材料の配合比を示す。予め鋳物用コークスと黒鉛電極屑を所定の割合で混合して、それを、コークスホッパから図１に示すキュポラ１の投入口２を通じて炉内に投入する。キュポラ操業条件に関しては、黒鉛電極屑を使用する以外は、特記する部分を除いてすべて同じ条件とする。

鋳物用コークスと黒鉛電極屑との混合比は、表中に示す実験Ａで８０：２０、実験Ｂで５０：５０となっている。実験Ｃ，Ｄ，Ｅは、鋳物用コークスのみを使用している。なお、コークス比は、全ての実験で１２．３としている。

なお、実験の際に黒鉛電極屑による吸炭量を算出し、操業に与える影響、特に、出銑Ｃ％等について以下に検証する。

吸炭素算出時は、コークス、黒鉛電極屑以外の鉄源材料から供給される炭素（Ｃ）を考慮する必要があるため、それらを算出した。
鉄源材料から供給されるＣ％（炭素の含有割合／重量％）の算出では、スクラップのＣの含有量を０．２０重量％、銑鉄のＣの含有量を４．２重量％、リターン材のＣの含有量を３．５５％とした。また、全ての材料のＣ歩留まりを８０％と仮定した。鉄源材料から供給されるＣ％の算出結果を表３に示す。

出銑Ｃ％に関しては、各実験Ａ〜Ｅにおいて同一の時間帯（９：００〜１１：３０，１３：３０〜１５：３０／図４，図５参照）で５分毎に出銑サンプルを採取し、カントバック分析を実施することにより調査した。表４及び図２に、出銑Ｃ％の平均値、並びに表３の結果を加味した鋳物用コークスと黒鉛電極屑からの吸炭量算出結果を示す。

実験Ａ〜Ｂの出銑Ｃ％、吸炭量に関しては、いずれも高い値を示している。

吸炭量に関しては、黒鉛電極屑を用いない実験Ｃ〜Ｅではほぼ２．６０％前後であった。実験Ｅの出銑Ｃ％が実験Ｃ，Ｄと比較して若干高い値を示しているのは、配合の関係で材料から供給されるＣ％が上昇したためで、吸炭量には大きな違いはなかったと考えられる。

黒鉛電極屑の吸炭量算出のため、まずは、鋳物用コークスの吸炭量を算出する。鋳物用コークスの吸炭量は、実験Ｃ〜Ｅにおける黒鉛電極屑を用いない通常時の値を用いる。通常時の吸炭量は、実験Ｃ〜Ｅを平均すると、
（２．５８９＋２．５９７＋２．６０４）／３＝２．５９７（鋳物用コークスの吸炭量）

この実験例１ではコークス比を１２．３％としているので、上記鋳物用コークスの吸炭量を用いると、鋳物用コークス１％当たりの吸炭量は、
２．５９４／１２．３＝０．２１１（鋳物用コークス１％当たりの吸炭量）

この算出した鋳物用コークス１％当たりの吸炭量を用いて、実験Ａ〜Ｂにおける黒鉛電極屑を除いた鋳物用コークスのみからの吸炭量を算出すると、
実験Ａ； ９．８４×０．２１１＝２．０７６（鋳物用コークスのみからの吸炭量）
実験Ｂ； ６．１５×０．２１１＝１．３００（同上）

上記表４並びに上記算出した数値から、黒鉛電極屑からの吸炭量を算出する。
実験Ａ； ２．８０９−２．０７６＝０．７３３（黒鉛電極屑からの吸炭量）
実験Ｂ； ２．８３３−１．３００＝１．５３３（同上）

黒鉛電極屑からの吸炭量を用いて黒鉛電極屑１％当たりの吸炭量を算出すると、
実験Ａ； ０．７３３／２．４６＝０．２９８（黒鉛電極屑１％当たりの吸炭量）
実験Ｂ； １．５３３／６．１５＝０．２４９（同上）

以上の結果をまとめると、表５の通りとなる。

黒鉛電極屑１％当たりの吸炭量は、コークス１％当たりの吸炭量よりも高い数値を示しており、黒鉛電極屑の固定炭素分が高いことが吸炭量増加に寄与したものと考えられる。

出銑温度の測定結果（平均値）と低周波誘導炉（以下「ＬＦ」という）を用いた場合の電力使用量との関係を図３に示す。
実験Ａ，Ｂは、実験Ｃ〜Ｅよりも出銑温度が高い値を示し、結果的にＬＦ電力量が低減できている。また、実験Ａ，Ｂは出銑Ｃ％が相対的に高いため、加炭材の投入量が減り、その加炭材投入による溶銑の温度低下を防げたことも、ＬＦ電力量低減に寄与していると考えられる。さらに、ＬＦでは、加炭材投入時に電力をかけて溶銑を撹拌することにしているが、加炭材の投入量が減ったために、撹拌に要するＬＦ電力量も低減したことも考えられる。

なお、図４及び図５に、各実験Ａ〜Ｅにおける出銑Ｃ％の推移を示す。

以下に実施例２を示す。この実施例２は、キュポラ用燃料として、実施例１と同様、鋳物用コークスと上記表１の上段に示す黒鉛電極屑を採用して溶銑を製造する実験を行ったものであり、黒鉛電極屑の具体的な成分比率は、固定炭素９８．５重量％、灰分０．７重量％、揮発分０．８重量％、全硫黄分０．５重量％である。

表６に溶解材料の配合比を示す。予め鋳物用コークスと黒鉛電極屑を所定の割合で混合して、それを、図１に示すキュポラ１の投入口２より炉内に投入する。キュポラ操業条件に関して、黒鉛電極屑を使用する以外は、特記する部分を除いてすべて同じ条件とする点は、実施例１の場合と同様である。

鋳物用コークスと黒鉛電極屑との混合比は、実験Ｆ，Ｇで５０：５０、実験Ｈは、鋳物用コークスのみを使用している。

実施例１の場合と同様、実験の際に黒鉛電極屑による吸炭量を算出し、操業に与える影響、出銑Ｃ％について以下に検証する。

吸炭素算出時は、実施例１と同じく、コークス、黒鉛電極屑以外の鉄源材料から供給される炭素（Ｃ）を考慮する必要があるため、それらを算出した。
鉄源材料から供給されるＣ％の算出では、スクラップのＣの含有量を０．２０重量％、銑鉄のＣの含有量を４．２０重量％、リターン材のＣの含有量を３．６５％とした。また、全ての材料のＣ歩留まりを８０％と仮定した。鉄源材料から供給されるＣ％の算出結果を表７に示す。

出銑Ｃ％に関しては、各実験Ｆ〜Ｈにおいて同一の時間帯（９：００〜１１：３０，１４：００〜１６：３０／図８参照）で５分毎に出銑サンプルを採取し、カントバック分析を実施することにより調査した。表８及び図６に、出銑Ｃ％の平均値、並びに表７の結果を加味した鋳物用コークスと黒鉛電極屑からの吸炭量算出結果を示す。

実験Ｆ，Ｇの出銑Ｃ％、吸炭量に関しては、実験Ｈよりも高い値を示している。
なお、実験Ｆ，Ｇとの比較では、コークス比の若干低い実験Ｇの方が高い値を示している。これは、図８に示す出銑Ｃ％の推移からも確認できる通り、操業初期に出銑Ｃ％が上昇した影響で、平均値が高くなったためと考えられる。仮に、操業初期を除いた状態で考えるなら、出銑Ｃ％の平均値は３．５１０、吸炭量は２．５７２となり、実験Ｇよりも若干低い数値となり、コークス比を下げた影響がわずかに現れていると考えられる。

つぎに、黒鉛電極屑１％当たりの吸炭量を算出する。算出方法は、実施例１の場合と同様であるので説明を省略し、結果を表９に示す。

黒鉛電極屑１％当たりの吸炭量は、実施例１と同様、鋳物用コークス１％当たりの吸炭量よりも高くなる結果が得られた。固定炭素上昇に見合う効果であると考えられる。
また、実施例１における実験Ｂにおいて、鋳物用コークスと黒鉛電極屑との比率を５０：５０とした場合の黒鉛電極屑１％当たりの吸炭量は０．２４９％であった。実施例２における実験Ｆ，Ｇの吸炭量の数値は、これを若干上回るものである。

実施例３を以下に示す。この実施例３は、キュポラ用燃料として、鋳物用コークスと下記表１０に示す高炉用コークス、黒鉛電極屑を採用して溶銑を製造する実験を行ったものである。

高炉用コークスの特徴としては、鋳物用コークスと比較して固定炭素が若干低く灰分が高い。また、粒度が細かいという点があげられる。固定炭素、灰分に関しては、吸炭量に影響を及ぼす因子である。このため、単に、鋳物用コークスと高炉用コークスとを併用するだけでは、吸炭量減少の可能性が高い。
そこで、この実施例３では、黒鉛電極屑を用いることにより、キュポラ用燃料として高炉用コークスを利用できるようにしたところに特徴点がある。

一般に、コークスの粒度に関しては、キュポラの炉内における適度な空隙を維持し、溶銑の滴下や送風の通路を助けるために一定の粒度が必要であるといわれているため、粒度の小さい高炉用コークスの使用に際しては、粒度の管理が重要である。また、炉内の空隙が少なければ、出銑速度に変化が生じる可能性もある。

また、一般に、高炉用コークスの気孔率は４５〜５０％程度であるといわれており、鋳物用コークスの気孔率（３０〜４０％）よりも大きいと考えられている。気孔率が大きい場合、燃焼性が早く、羽口面において酸化・還元反応が急速に進行し、一酸化炭素の生成量が増大し減耗率も大きくなることが考えられる。

表１１に溶解材料の配合比を示す。予め鋳物用コークスと高炉用コークス、黒鉛電極屑を所定の割合で混合して、それを、図１に示すキュポラ１の投入口２より炉内に投入する。キュポラ操業条件に関して、黒鉛電極屑を使用する以外は、特記する部分を除いてすべて同じ条件とする点は、実施例１、実施例２の場合と同様である。

鉄源材料配合比に関しては、黒鉛電極屑有りとした実験Ｉ、黒鉛電極無しとした実験Ｊ共にスクラップ７５％、銑鉄２０％、リターン材５％とした。

鋳物用コークスと高炉用コークス、黒鉛電極屑の混合比は、実験Ｉで４０：４０：２０、実験Ｊは、鋳物用コークスのみを使用している。

鉄源材料から供給されるＣ％の算出では、スクラップのＣの含有量を０．２０重量％、銑鉄のＣの含有量を４．２０重量％、リターン材のＣの含有量を３．６５％とした。また、全ての材料のＣ歩留まりを８０％と仮定した。鉄源材料から供給されるＣ％の算出結果を表１２に示す。

出銑Ｃ％の算出に関しては、実験Ｉ、実験Ｊともに実施例２と同一の時間帯で５分毎に出銑サンプルを採取し、カントバック分析を実施することにより調査した。表１３及び図９に、出銑Ｃ％の平均値、並びに表１２の結果を加味した吸炭量算出結果を示す。

つぎに、高炉用コークス１％当たりの吸炭量を算出する。吸炭量算出にあたっては、鋳物用コークス、黒鉛電極屑１％当たりの吸炭量が必要である。鋳物用コークス１％当たりの吸炭量は実験Ｊにおいて
吸炭量／コークス比＝２．４８７／１０．５＝０．２３７
と算出でき、黒鉛電極屑１％当たりの吸炭量は、実施例２の数値を用いる。それらの結果を表１４に示す。

高炉用コークス１％当たりの吸炭量は０．１８８であり、当初の予想通り鋳物用コークスの８割程度という低い値であった。
しかし、黒鉛電極屑を併用することにより、高炉用コークスを用いた場合にも、従来の鋳物用コークスのみを使用した場合と同様の吸炭量を得ることができることが確認できた。

キュポラの全体図 実施例１における出銑Ｃ％の平均値、吸炭量を示すグラフ 実施例１における出銑温度とＬＦ電力量を示すグラフ 実施例１の出銑Ｃ％の推移を示し、（ａ）は実験Ａ、（ｂ）は実験Ｂの結果を示すグラフ 実施例１の出銑Ｃ％の推移を示し、（ａ）は実験Ｃ、（ｂ）は実験Ｄ、（ｃ）は実験Ｅの結果を示すグラフ 実施例２における出銑Ｃ％の平均値、吸炭量を示すグラフ 実施例２における加炭材添加率 実施例２の出銑Ｃ％の推移を示し、（ａ）は実験Ｆ、（ｂ）は実験Ｇ、（ｃ）は実験Ｈの結果を示すグラフ 実施例３における出銑Ｃ％の平均値、吸炭量を示すグラフ

符号の説明

１ キュポラ
２ 投入口
３ 出湯口
４ 羽口
５ 冷却装置
１０ ベッドコークス層
１１ 追込コークス
Ｓ 鉄源

Claims (7)

1. キュポラの炉内に鉄スクラップや銑鉄などの鉄源とキュポラ用燃料とを装入し、そのキュポラ用燃料を燃焼させることによりその燃焼熱で前記鉄源を溶解させて溶銑とするとともに、その溶銑を前記キュポラの炉底部に設けた出湯口から取り出す溶銑の製造方法において、
   前記キュポラの炉内に装入する全てのキュポラ用燃料のうち少なくとも一部を黒鉛電極屑としたことを特徴とする溶銑の製造方法。
2. 前記黒鉛電極屑は、アーク炉などに用いられる黒鉛電極の使用済みスクラップ、あるいは黒鉛電極製造時に発生した不良品の破砕品であることを特徴とする請求項１に記載の溶銑の製造方法。
3. 前記黒鉛電極屑は、キュポラの炉底部に形成するベッドコークス層として用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶銑の製造方法。
4. 前記黒鉛電極屑は、キュポラの炉底部に形成するベッドコークス層が燃焼により消耗した際に前記キュポラの炉内に追加される追込コークスとして用いられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶銑の製造方法。
5. 前記黒鉛電極屑は、前記キュポラの炉径に合わせてその粒径が調整されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の溶銑の製造方法。
6. 前記黒鉛電極屑は、固定炭素の成分比率８５．０重量％以上、灰分１０．０重量％以下、揮発分１．５重量％以下、全硫黄分０．８重量％以下、気孔率４０％以下、落下強度９３％以上を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の溶銑の製造方法。
7. 前記キュポラの炉内に装入する前記キュポラ用燃料の一部を高炉用コークスとしたことを特徴とする請求項６に記載の溶銑の製造方法。

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