JP2011111625A - 鉄スクラップを利用した製鋼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄スクラップを鉄源として溶鋼を製造するにあたり、鉄スクラップを省エネルギーで効率良く溶解するとともに、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても不純物の少ない鋼を製造する。
【解決手段】鉄スクラップ及び高炉にて製造された溶銑を鉄源としてアーク炉に装入し、該アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有する溶銑を製造し、製造した溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後の溶銑に更に高炉にて製造された溶銑を混合し、混合した後の溶銑を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを有効に活用して不純物の少ない鋼を製造する方法に関し、詳しくは、鉄スクラップと高炉にて製造された溶銑（以下、「高炉溶銑」と記す）とを鉄源としてアーク炉にて溶銑を製造し、製造された前記溶銑に更に高炉溶銑を混合して希釈し、この希釈された溶銑を用いて転炉にて溶鋼を製造する方法に関する。

製鋼過程で使用する鉄源は、鉄鉱石を高炉で還元して得られる高炉溶銑が主体であるが、鉄鋼材料の加工工程で発生する鉄スクラップや、建築物及び機械製品などの老朽化に伴って発生する鉄スクラップも、かなりの量が使用されている。鉄鋼製品の製造にあたり、高炉溶銑の製造には、鉄鉱石を還元し且つ溶融するために多大なエネルギーを要するのに対し、鉄スクラップは溶解熱のみを必要としており、製鋼過程で鉄スクラップを利用した場合には、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。従って、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、鉄スクラップ利用の促進が望まれている。

現在、鉄スクラップは、大部分がアーク炉で消費され、棒鋼や形鋼といったいわゆる汎用鋼の製造に使用されている。一方、銑鋼一貫製鉄所では、鉄スクラップを転炉などの製鋼炉へ直接投入して使用するが、転炉では、鉄スクラップの溶解熱として高炉溶銑に含有される炭素の燃焼熱を利用しているため、鉄スクラップの配合比率を極端に高めることができない。また、アーク炉及び転炉ともに、鉄源として低級な鉄スクラップを使用すると、製造される溶鋼の成分調整が難しいという問題もある。

鉄源として鉄スクラップが主体のアーク炉においても、更なる生産性の向上及び省エネルギーを図るべく多数の提案がなされており、その中の１つの技術として、鉄源として高炉溶銑を利用し、溶解時間を短縮する或いは電力原単位を下げる方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、鉄スクラップなどの固体原料をアーク炉に装入するに先立って、アーク炉の排滓口上に仮設溶湯ガイドを設けて湯道を確保し、その後、アーク炉に固体原料を装入して通電を行い、この通電中に前記湯道を介して高炉溶銑をアーク炉内に装入する技術が開示されている。特許文献１によれば、高炉溶銑の配合比率を３０質量％程度とすることで、アーク炉の生産性が向上し、消費電力を低減できるとしている。

また、特許文献２には、アーク炉に、鉄スクラップなどの原料とともに、高炉溶銑を全装入物の３０〜８５質量％の割合で、その装入時期を鉄スクラップ溶解率３０〜４０％の段階として、炉頂から炉の中心部の鉄スクラップなどの固形原料に囲まれた部分に装入する技術が開示されている。特許文献２によれば、アーク炉の生産性が向上するのみならず、高炉溶銑による希釈効果により鋼中不純物の低下が図られ、低級鉄スクラップでも有効に再利用することが可能になるとしている。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２は、溶解した溶銑をアーク炉にて溶鋼（通常炭素濃度は１質量％未満）の段階まで精錬（「脱炭精錬」という）し、精錬後にアーク炉から溶鋼を出湯する技術であり、アーク炉において、炉内の溶銑に多量の酸素ガスを供給して、脱炭精錬を行わねばならず、鉄スクラップの溶解時間以外に、脱炭時間が更に必要になり、一回の溶解・精錬処理に費やす時間は長くなる。また、鉄源として高炉溶銑を併用することから、１回の溶解・精錬処理あたりに溶解される鉄スクラップの量は炉容量に比較して少なく、脱炭精錬により精錬時間が長くなることを考えると、必ずしも単位時間あたりの鉄スクラップの溶解量が増加するわけではない。これらから判断すれば、鉄スクラップを鉄源として大量に消費することは困難であるといわざるを得ない。

また更に、アーク炉は、本来、炭素を高濃度に含有する溶銑を精錬対象としていないことから、一般的に、転炉のような大規模な排ガス回収設備を備えておらず、従って、アーク炉での脱炭精錬の場合には、転炉での脱炭精錬に比較して、脱炭反応により生成される、溶銑中炭素と酸素ガスとの反応生成物であるＣＯガス及びＣＯ₂ガスなどからなる排ガスの潜熱・顕熱が有効に回収されているとはいいがたい。

特開平６−４１６２７号公報 特開平８−１０９４０８号公報

鉄スクラップを省エネルギーで効率的に溶解する手段として、上記のように、アーク炉に高炉溶銑を配合して鉄スクラップを溶解する技術があるが、上記従来技術では、アーク炉で脱炭精錬を行っており、この脱炭精錬のための処理時間に起因して、鉄スクラップの溶解能が低下することによる生産性の悪化や、脱炭精錬時の排ガス中の潜熱・顕熱を有効に回収することができないという問題点がある。

更に、近年、鋼の品質特性に対する要求が厳しくなり、銅、錫などのトランプエレメントの濃度低減の要求も高くなっているが、逆に、鉄スクラップ市場では、国内での鉄スクラップ備蓄量の増加に伴い、老廃屑中のトランプエレメントの濃度が高く推移してきており、鉄スクラップを鉄源とする場合には、鉄鋼製品の品質を確保するのが非常に厳しい状況下にある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鉄スクラップを鉄源として溶鋼を製造するにあたり、鉄スクラップを省エネルギーで効率良く溶解するとともに、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても不純物の少ない鋼を製造することのできる、鉄スクラップを利用した製鋼方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、鉄スクラップ及び高炉にて製造された溶銑を鉄源としてアーク炉に装入し、該アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有する溶銑を製造し、製造した溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後の溶銑に更に高炉にて製造された溶銑を混合し、混合した後の溶銑を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造することを特徴とする。

第２の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、第１の発明において、アーク炉に装入する高炉溶銑の配合比率Ｈ（Ｈ（％）＝高炉溶銑配合量×１００／（高炉溶銑配合量＋鉄スクラップ配合量））を７５％以下とすることを特徴とする。

第３の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、第２の発明において、前記高炉溶銑の配合比率Ｈを３０％以上６５％以下とすることを特徴とする。

第４の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、アーク炉内に炭材を供給することによって製造される溶銑の炭素濃度を４．０質量％以上に加炭し、その後の転炉での酸素吹錬では、製造される溶鋼トンあたり１００ｋｇ以上の鉄スクラップを鉄源として併用することを特徴とする。

第５の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、アーク炉から出湯した後の溶銑、または、アーク炉から出湯した後に高炉にて製造された溶銑が混合された溶銑を脱硫処理することを特徴とする。

本発明によれば、アーク炉では、鉄源として高炉溶銑を併用して鉄スクラップを溶解し、そして、この溶解によって生成した溶銑を脱炭精錬することなく出湯するので、単位時間当たりの鉄スクラップ溶解量が増大し、省エネルギー且つ効率的に鉄スクラップを溶解することが実現され、また、出湯した溶銑を高炉溶銑と混合し、混合した後に転炉での酸素吹錬つまり脱炭精錬を実施するので、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても、高炉溶銑で希釈され、不純物の少ない鋼を製造することが実現されると同時に、高炉溶銑を精錬対象とする転炉には排ガス回収設備が備えられていることから、脱炭精錬時の排ガス中の潜熱・顕熱を有効に回収することが可能となる。

アーク炉において、高炉溶銑を利用して鉄スクラップを溶解する例を示す概略図である。 高炉溶銑の配合比率Ｈと鉄スクラップ溶解能力との関係を示す図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明者らは、大量の鉄スクラップを省エネルギーで効率良く溶解するとともに、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても不純物の少ない鋼を製造する方法について検討を重ねた。以下に検討結果を説明する。

鉄スクラップを溶解する手段としては、アーク炉を用いる方法が一般的であるが、アーク炉においては、鉄スクラップが溶け始めて液体になるまでの投入エネルギーの着熱効率は低い。そこで、これを改善するために、鉄スクラップを溶解して製造した、前チャージの溶鋼の一部をアーク炉内に残し、次回装入の鉄スクラップの熱効率を高める方法も行われている。従って、近接して高炉を有するアーク炉においては、高炉溶銑をアーク炉に装入して、鉄スクラップ溶解用の電力を削減する方法も実用化されている。但し、従来、アーク炉にて炭素濃度の低い溶鋼の段階まで精錬しており、つまり、アーク炉内の溶湯に酸素ガスを供給して脱炭精錬を実施しており、この脱炭精錬に時間を費やし、鉄スクラップ溶解の生産性は、高炉溶銑と鉄スクラップとの配合比で最適値が決まることになる。

一方、鉄スクラップ中に混入する銅、錫などのトランプエレメントは、アーク炉や転炉などの現在の製鋼工程ではほとんど除去されず、鉄スクラップに混入している濃度で溶鋼中の成分が決定される。高炉溶銑はこれらのトランプエレメントの含有量が少なく、従って、高炉溶銑を併用することにより、これらトランプエレメントの濃度を希釈することができるので、高炉溶銑を併用するメリットは大きい。但し、アーク炉での高炉溶銑の配合比率Ｈが大きい場合には、トランプエレメントの希釈効果は大きいが、生成する溶湯の炭素濃度が高くなり、これに伴って、その後の脱炭精錬時間が延長されることから、高炉溶銑の配合比率Ｈは自ずと制限されることになる。

これらの検討結果から、上記課題を解決するためには、高炉溶銑をアーク炉に装入し、高炉溶銑の熱を利用して鉄スクラップを溶解し、この溶解によって生成される溶銑（以下、「アーク炉溶銑」と記す）に脱炭精錬を施すことなく、炭素濃度の高い溶銑状態のままアーク炉から出湯し、出湯後のアーク炉溶銑に更に高炉溶銑を混合し、混合したものを転炉で酸素吹錬して溶鋼とすることが有効であることが分かった。

即ち、アーク炉で高炉溶銑を使用することにより鉄スクラップを溶解する際の高い熱効率を享受でき、また、アーク炉内では脱炭精錬を行わないので１回の処理時間が短縮でき、更に、出湯した後にアーク炉で溶製したアーク炉溶銑に新たな高炉溶銑を混合することで、トランプエレメントの濃度を更に希釈することが可能となる。尚、アーク炉から出湯されるアーク炉溶銑は炭素濃度の高い溶銑であり、溶鋼とは異なり、新たな高炉溶銑と混合する際に発生する発塵の量は少なく、ＣＯボイリングによる溶湯の突沸が防止できる。

本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、鉄スクラップ及び高炉溶銑を鉄源としてアーク炉に装入し、アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有するアーク炉溶銑を製造し、製造したアーク炉溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後のアーク炉溶銑に更に高炉溶銑を混合し、混合した後の溶銑（アーク炉溶銑＋高炉溶銑）を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造することを特徴とする。

以下に、工程に沿って本発明を説明する。

図１は、アーク炉において、高炉溶銑を利用して鉄スクラップを溶解する１例を示す概略図であり、図１において、符号１は直流式アーク炉、２は溶解室、３は炉蓋、４は上部電極、５は炉底電極、６は溶銑装入樋、７は高炉溶銑を収容する装入鍋、８はクレーン、９は高炉溶銑、１０は出湯口、１１は酸素ガス供給ランス、１２は炭材供給ランス、１３は鉄スクラップである。

炉蓋３を外して溶解室２の内部に鉄スクラップ１３を装入し、鉄スクラップ１３の装入後、直流式アーク炉１の側壁を貫通して設置される溶銑装入樋６を介して、クレーン８で吊り上げられた装入鍋７から高炉溶銑９を溶解室２に装入する。所定量の高炉溶銑９が装入されたら、装入鍋７からの高炉溶銑９の供給を終え、上部電極４と炉底電極５との間に直流電流を給電し、上部電極４と炉底電極５との間、または、装入された鉄スクラップ１３と上部電極４との間でアークを発生させる。そして、発生するアーク熱により鉄スクラップ１３を溶解してアーク炉溶銑（図示せず）を生成させる。１回の装入では所定量の鉄スクラップ１３を装入できない場合には、鉄スクラップ１３の溶解が或る程度進行した後に、溶解室内に鉄スクラップ１３を追装することもできる。

アーク炉溶銑を製造する際に、鉄スクラップ１３を効率的に溶解するために、高炉溶銑９の配合比率Ｈを７５％以下、望ましくは３０％以上６５％以下とすることが好ましい。尚、高炉溶銑９の配合比率Ｈは、「Ｈ（％）＝高炉溶銑配合量×１００／（高炉溶銑配合量＋鉄スクラップ配合量）」で定義される値である。

この場合、アーク炉溶銑の生成に伴って、生石灰などのフラックスを溶解室２に装入して溶融スラグをアーク炉溶銑の上に形成させ、アーク炉溶銑の酸化を防止するとともに保温を図ることが好ましい。また、通電後、酸素ガス供給ランス１１及び炭材供給ランス１２の溶解室内への挿入が可能となったなら、酸素ガス供給ランス１１から酸素ガスを、また、炭材供給ランス１２から、コークス、石炭、黒鉛などの炭材を、溶解室内の溶融鉄または溶融スラグに向けて吹き付けることが好ましい。吹き付けられた炭材は、吹き付けられた酸素ガス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。尚、炭材は、アーク炉溶銑の炭素濃度を高める役割を担うので、供給される酸素ガスの化学当量よりも多い量の炭材を供給することが好ましい。

溶解室内に所定量のアーク炉溶銑が溜まったなら、傾動装置（図示せず）により溶解室２を出湯口１０の側へ傾動させ、出湯口１０からアーク炉溶銑を取鍋などの保持容器（図示せず）へ出湯する。出湯後、新たに鉄スクラップ１３及び高炉溶銑９を溶解室２に装入し、次回ヒートの溶解を開始する。

アーク炉から出湯されるアーク炉溶銑の炭素濃度が高いほど、後工程の転炉精錬工程での熱余裕が高くなる、つまり、後工程の転炉での酸素吹錬工程において、鉄スクラップの配合比率を高くすることが可能となる。上記のように、高炉溶銑の存在する条件下で鉄スクラップを溶解すると、溶解により生成した溶融鉄は高炉溶銑と混合して高炉溶銑の炭素濃度を希釈する。従って、この希釈分を補うように、生成されるアーク炉溶銑に、炭材供給ランス１２からコークス、石炭、黒鉛などの炭材を吹き付け添加しながら、鉄スクラップの溶解を行うことが好ましい。この場合、炭材添加によるアーク炉溶銑の加炭は、鉄スクラップの溶解期間のみで十分であり、加炭のために処理時間を延長する必要はない。前述したように、酸素ガスを供給する場合には、加炭のためには、供給される酸素ガスの化学当量よりも多い量の炭材を供給することが必要となる。

本発明においては、アーク炉からの出湯後、鉄スクラップにより持ち来たされる、アーク炉溶銑のトランプエレメントの濃度を希釈するために、出湯されたアーク炉溶銑に高炉溶銑を混合する。

ところで、コークスや石炭は、硫黄を０．１質量％以上（コークスの例でいえば０．５〜０．７質量％）含有しており、アーク炉でこれらの炭材を使用することによってアーク炉溶銑の硫黄濃度が上昇する。従って、アーク炉から出湯した後のアーク炉溶銑、或いは、アーク炉溶銑に高炉溶銑を混合した後の溶銑（アーク炉溶銑＋高炉溶銑：以下「混合溶銑」と記す）に脱硫処理を施すことが好ましい。

この脱硫処理は、ＣａＯ−Ｍｇ系フラックスを主体とした脱硫剤を、ランスを介してインジェクションする方法など、各種の脱硫処理が適用可能であるが、特に、脱硫剤として生石灰を使用し、回転するインペラで、脱硫剤と、アーク炉溶銑或いは混合溶銑とを機械撹拌する、いわゆる機械撹拌式脱硫装置で脱硫処理することが好適である。脱硫処理後のこれら溶銑中の硫黄濃度は、０．００２〜０．０１０質量％程度を目標とすれば十分である。

尚、高炉溶銑と混合する前のアーク炉溶銑に対して脱硫処理を行う場合には、脱硫処理後に混合する高炉溶銑は脱硫処理が施されたものを使用する。また、脱硫処理後のアーク炉溶銑に高炉溶銑が混合された混合溶銑、或いはアーク炉溶銑と高炉溶銑との混合後に脱硫処理が施された混合溶銑に対して、更に、必要に応じて脱燐処理を行うことも可能である。

脱硫処理、好ましくは更に脱燐処理の施された混合溶銑を転炉に装入し、該転炉にて上吹きランス或いは底吹きノズルからの酸素吹錬を実施し、混合溶銑中の炭素及び燐を酸化除去して混合溶銑から溶鋼を製造する。

転炉での酸素吹錬では、混合溶銑中の炭素は酸素と結びつきＣＯガスとして除去されるが、転炉の排ガス回収設備により、ＣＯガスの潜熱をエネルギーとして回収することができる。従来のアーク炉で脱炭精錬して溶鋼を製造する場合には、アーク炉には、転炉のような排ガス回収設備は、設備費が莫大なために一般的には設置されておらず、可能な場合でもＣＯガスの潜熱・顕熱を蒸気エネルギーとして回収する程度であり、回収するエネルギー効率は低い。

更に、転炉で脱炭精錬する際には、主に脱炭反応による発熱で溶湯の温度を上昇させるが、発熱量は混合溶銑中の炭素濃度に比例するため、混合溶銑の炭素濃度が高い場合には、鉄スクラップなどの冷鉄源を溶解することが可能となる。例えば、排ガスからのＣＯガス回収を前提とする通常の転炉精錬法においては、装入時の混合溶銑の炭素濃度が４．５質量％の場合には、１３００℃の混合溶銑を１６００℃以上の溶鋼になるまでの温度上昇分の熱量と、更に混合溶銑の質量に対して１０質量％程度の質量の常温の鉄スクラップを溶解できる熱余裕があるが、装入時の混合溶銑の炭素濃度が３．０質量％程度では、混合溶銑を昇熱する熱量分しかなく、鉄スクラップをほとんど溶解することはできない。

因みに、加炭してアーク炉溶銑の炭素濃度を４．０質量％以上に確保することで、その後に該アーク炉溶銑に混合する高炉溶銑の炭素濃度を４．５質量％程度とすれば、転炉での酸素吹錬では、製造される溶鋼トンあたり１００ｋｇ以上の鉄スクラップを併用可能なことを本発明者らは確認している。

本発明では、鉄スクラップをアーク炉で溶解する際に、高炉溶銑を鉄源として併用するので、高炉溶銑中の炭素によって生成されるアーク炉溶銑の炭素濃度が高くなり、また、溶解中に炭材を添加することでアーク炉溶銑の炭素濃度を高めることが可能であるため、混合溶銑の炭素濃度が高く、転炉において更に鉄スクラップを溶解できる能力がある。

以上説明したように、本発明によれば、アーク炉では、鉄源として高炉溶銑を併用して鉄スクラップを溶解し、そして、この溶解によって生成した溶銑を脱炭精錬することなく出湯するので、単位時間当たりの鉄スクラップ溶解量が増大し、省エネルギー且つ効率的に鉄スクラップを溶解することが実現され、また、出湯した溶銑を高炉溶銑と混合し、混合した後に転炉での酸素吹錬つまり脱炭精錬を実施するので、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても、高炉溶銑で希釈され、不純物の少ない鋼を製造することが実現されると同時に、高炉溶銑を精錬対象とする転炉には排ガス回収設備が備えられていることから、脱炭精錬時の排ガス中の潜熱・顕熱を有効に回収することが可能となる。

尚、図１に示すアーク炉は、直流式アーク炉であるが、交流式アーク炉を用いても全く支障なく本発明を適用することができる。また、加炭材にバイオマス原料を用いる方法は、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でき、地球温暖化の観点からは炭材としてバイオマス原料を用いることが好ましい。また更に、加炭の方法は、ランスからの上吹き投射で実施しているが、上方からの浴中へのインジェクションでも構わず、また、炉底に専用のノズルを埋設して、底吹きインジェクションでも構わない。設備投資及び効率のバランスにより、最適な設備で実施すればよい。更にまた、アーク炉自体も図１に示す型式に限ることはなく、鉄スクラップを予熱するための予熱室を有する型式のアーク炉であっても何ら支障がない。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

［本発明例１］
図１に示す、炉径６ｍ、高さ４ｍ、炉容量１４０トン、トランス容量１００ＭＶＡのアーク炉に、装入鍋を介して約７０トンの高炉溶銑を装入し、その後、鉄スクラップを同じく約７０トン装入した。黒鉛製の上部電極に通電して溶解を開始するとともに、酸素ガス供給ランスから酸素ガスを５０００Ｎｍ³／ｈ、炭材供給ランスからコークスを９０ｋｇ／ｍｉｎの供給速度でアーク炉内に上吹き添加した。鉄スクラップが全量溶解するまでに、約３０分間を費やし、生成されたアーク炉溶銑（高炉溶銑と鉄スクラップとの合計の質量）における炭材原単位、酸素ガス原単位、電力原単位は、それぞれ、２０ｋｇ／ｔ、１９Ｎｍ³／ｔ、１７０ｋＷｈ／ｔであった。

生成した約１４０トンのアーク炉溶銑を、事前に約７０トンの高炉溶銑を受銑していた高炉鍋に、アーク炉の出湯口から出湯して高炉溶銑と混合した。尚、アーク炉からの出湯時のアーク炉溶銑の炭素濃度は、２．３質量％、温度は１３９８℃であり、混合用の高炉溶銑の炭素濃度は４．５質量％、温度は１４００℃であった。その後、この混合した溶銑を溶銑鍋に装入し、この溶銑鍋に更に新しい約１４０トンの高炉溶銑（炭素濃度：４．５質量％、温度：１４００℃）を装入して約３５０トンの混合溶銑を得た。

この混合溶銑を脱硫するために、溶銑鍋の上方から溶湯攪拌用のインペラを混合溶銑に浸漬させ、石灰を主体とした脱硫剤を装入（装入量＝８ｋｇ／溶銑−ｔ）し、１０分間、インペラで混合溶銑及び脱硫剤を攪拌して脱硫処理した。脱硫処理後の混合溶銑の硫黄濃度は０．００２質量％であった。

脱硫処理後の混合溶銑を転炉に装入し、底吹きノズルを介して０．１Ｎｍ³／(ｍｉｎ・溶銑−ｔ)の流量の窒素ガス、Ａｒガスを流しながら、上吹きランスより流量６００００Ｎｍ³／ｈで酸素ガスを１３分間供給して脱炭精錬を行った。脱炭精錬終了時の溶鋼の炭素濃度は０．０４質量％、温度は１６３０℃であり、銅濃度は０．０５質量％であった。その後、溶鋼を取鍋に出湯し、連続鋳造機でスラブ鋳片に鋳造した。

［本発明例２］
本発明例１で使用したアーク炉と同一のアーク炉を使用して、本発明を実施した。本発明例２は、上記の本発明例１に比較してアーク炉溶銑の炭素濃度を高めるために、アーク炉での溶解時の炭材の供給量を増加させた試験である。

アーク炉に、装入鍋を介して約７０トンの高炉溶銑を装入し、その後、約７０トンの鉄スクラップを装入した。上部電極に通電して溶解を開始するとともに、酸素ガス供給ランスから酸素ガスを５０００Ｎｍ³／ｈ、炭材供給ランスからコークスを１１０ｋｇ／ｍｉｎの供給速度でアーク炉内に上吹き添加した。鉄スクラップが全量溶解するまでに、約３０分間を費やし、生成されたアーク炉溶銑（高炉溶銑と鉄スクラップとの合計の質量）における炭材原単位、酸素ガス原単位、電力原単位は、それぞれ、２５ｋｇ／ｔ、１９Ｎｍ³／ｔ、１７１ｋＷｈ／ｔであった。

生成した約１４０トンのアーク炉溶銑を、事前に約７０トンの高炉溶銑を受銑していた高炉鍋に、アーク炉の出湯口から出湯して高炉溶銑と混合した。尚、アーク炉からの出湯時のアーク炉溶銑の炭素濃度は、３．１質量％、温度は１４０２℃であり、混合用の高炉溶銑の炭素濃度は４．５質量％、温度は１４００℃であった。その後、この混合した溶銑を溶銑鍋に装入し、この溶銑鍋に更に新しい約１４０トンの高炉溶銑（炭素濃度：４．５質量％、温度：１４００℃）を装入して約３５０トンの混合溶銑を得た。この混合溶銑に対して、本発明例１と同一の方法で脱硫処理を実施した。

転炉では、この脱硫処理後の混合溶銑を用いて脱炭精錬を行うにあたり、転炉内に、製造される溶鋼トンあたり４０ｋｇの鉄スクラップを予め装入した後、脱硫後の混合溶銑を装入し、本発明例１に準じて脱炭精錬を実施した。脱炭精錬終了時の溶鋼の炭素濃度は０．０４質量％、温度は１６３０℃であり、銅濃度は０．０５質量％であった。その後、溶鋼を取鍋に出湯し、連続鋳造機でスラブ鋳片に鋳造した。

［本発明例３］
本発明例１で使用したアーク炉と同一のアーク炉を使用して、本発明を実施した。本発明例３は、上記の本発明例２に比較してアーク炉溶銑の炭素濃度を更に高めるために、アーク炉での溶解時の炭材の供給量を増加させた試験である。

アーク炉に、装入鍋を介して約７０トンの高炉溶銑を装入し、その後、約７０トンの鉄スクラップを装入した。上部電極に通電して溶解を開始するとともに、酸素ガス供給ランスから酸素ガスを５０００Ｎｍ³／ｈ、炭材供給ランスからコークスを１４０ｋｇ／ｍｉｎの供給速度でアーク炉内に上吹き添加した。鉄スクラップが全量溶解するまでに、約３０分間を費やし、生成されたアーク炉溶銑（高炉溶銑と鉄スクラップとの合計の質量）における炭材原単位、酸素ガス原単位、電力原単位は、それぞれ、３０ｋｇ／ｔ、１９Ｎｍ³／ｔ、１７２ｋＷｈ／ｔであった。

生成した約１４０トンのアーク炉溶銑を、事前に約７０トンの高炉溶銑を受銑していた高炉鍋に、アーク炉の出湯口から出湯して高炉溶銑と混合した。尚、アーク炉からの出湯時のアーク炉溶銑の炭素濃度は、４．５質量％、温度は１４０１℃であり、混合用の高炉溶銑の炭素濃度は４．５質量％、温度は１４００℃であった。その後、この混合した溶銑を溶銑鍋に装入し、この溶銑鍋に更に新しい約１４０トンの高炉溶銑（炭素濃度：４．５質量％、温度：１４００℃）を装入して約３５０トンの混合溶銑を得た。この混合溶銑に対して、本発明例１と同一の方法で脱硫処理を実施した。

転炉では、この脱硫処理後の混合溶銑を用いて脱炭精錬を行うにあたり、転炉内に製造される溶鋼トンあたり１２０ｋｇの鉄スクラップを予め装入した後、脱硫後の混合溶銑を装入し、本発明例１に準じて脱炭精錬を実施した。脱炭精錬終了時の溶鋼の炭素濃度は０．０４質量％、温度は１６３０℃であり、銅濃度は０．０４質量％であった。その後、溶鋼を取鍋に出湯し、連続鋳造機でスラブ鋳片に鋳造した。

このようにアーク炉でアーク炉溶銑の炭素含有量を高めることにより、転炉での熱余裕が拡大し、転炉内で更に鉄スクラップを溶解することができるようになり、アーク炉での出湯時の炭素濃度を４．０質量％以上とすることで、転炉脱炭精錬では鉄スクラップを製造される溶鋼トンあたり１００ｋｇ以上溶解できることが確認された。

［比較例］
本発明例１で使用したアーク炉に約１４０トンの鉄スクラップを装入し、上部電極に通電して溶解を開始するとともに、酸素ガス供給ランスから酸素ガスを３５００Ｎｍ³／ｈ、炭材供給ランスからコークスを６０ｋｇ／ｍｉｎの供給速度でアーク炉内に上吹き添加した。鉄スクラップが全量溶解するまでに、約４５分間を費やし、生成された溶融鉄における炭材原単位、酸素ガス原単位、電力原単位は、それぞれ、２０ｋｇ／ｔ、１９Ｎｍ³／ｔ、３７０ｋＷｈ／ｔであった。

生成した約１４０トンの溶融鉄を取鍋に出湯した。アーク炉からの出湯時の溶融鉄の炭素濃度は、０．１質量％、温度は１６１０℃、銅濃度は０．２２質量％であった。その後、この溶融鉄（溶鋼）をＬＦ設備（取鍋精錬設備）で脱硫処理を実施し、脱硫処理後の溶鋼を連続鋳造機でブルーム鋳片に鋳造した。

表１に、本発明例１〜３及び比較例の操業結果を示す。

表１に示すように、本発明により、短時間で且つ少ない電力原単位で鉄スクラップを溶解することが可能となり、しかも、製造される溶鋼は銅濃度が低く、鉄スクラップを高級鋼の鉄源として利用することが実現された。また、アーク炉にて加炭することで、転炉においても鉄スクラップを配合することが可能となり、省エネルギーのみならずＣＯ₂削減による地球温暖化防止も達成されることが確認できた。

尚、本発明は上記発明例の範囲に限定されることはなく、種々の変更が可能である。例えば、上記発明例では、アーク炉に装入する高炉溶銑と鉄スクラップとの配合比が１：１であったが、この比は使用する鉄スクラップの純度や目標とする生産性に基づいて最適な値を選択すればよい。また、鉄スクラップの溶解時にアーク炉内に酸素ガスを供給しているが、酸素ガスを添加しない場合には、炭材の燃焼による電力量の低減化を得ることはできず、出湯から出湯までの時間が長くなるものの、生産性と処理コストとの兼ね合いに基づいて酸素ガスの使用を決定すればよい。

実施例１で使用したアーク炉と同一のアーク炉を使用して、本発明を実施した。本実施例は、上記の実施例１に比較してアーク炉溶銑製造時の高炉溶銑の配合比率Ｈを変更させた試験である。

装入鍋を介してアーク炉に装入する高炉溶銑の装入量を変更し、その後に装入する鉄スクラップを併せて、合計１４０トンとなるように行った。溶銑を使用しない場合は、実施例１の比較例の場合であり、この場合には、鉄スクラップが全量溶解するまでに４５分間を費やした。溶銑配合比率Ｈを変更させて、アーク炉の鉄スクラップ溶解能力を比較した。溶解能力は、溶銑の装入時間、鉄スクラップの溶解時間並びに出湯・排滓時間の合計で決まり、合計時間が短いほど溶解能力が大きい。溶銑を装入する時間は、溶銑装入樋の断面積が大きいために溶銑量に余り依存しないが、鉄スクラップの装入量が多くなるほど電力原単位が多くなるので、鉄スクラップを溶解する時間は長くなる。また、出湯・排滓時間は、出湯量が一定であるために、溶銑配合比率Ｈには依存しない。

高炉溶銑の配合比率Ｈと鉄スクラップ溶解能力との関係を図２に示す。図２では、高炉溶銑を配合しない、鉄スクラップ１００％の場合の溶解能力を１．０として指数化している。図２に示すように、高炉溶銑を７５％まで配合することで、鉄スクラップの溶解能力が向上し、特に配合比率Ｈが、３０％から６５％までの範囲で溶解能力指数が１．１倍を超えており、その効果が大きいことが分かった。

高炉溶銑を使用することで、電力原単位の低下による通電時間の短縮と高炉溶銑からの着熱効率が向上することによるためである。しかし、配合比率Ｈが５０％を超えたあたりから効果が減少し、７５％を超えると溶解能力が１．０未満となった。これは、配合比率Ｈが多くなり過ぎると、１回の溶解時に溶解する鉄スクラップ量が減少し、溶解時間は短縮するものの、装入時間や出湯・排滓時間は変わらないため、鉄スクラップトンあたりの時間は増加するためである。

１ 直流式アーク炉
２ 溶解室
３ 炉蓋
４ 上部電極
５ 炉底電極
６ 溶銑装入樋
７ 装入鍋
８ クレーン
９ 高炉溶銑
１０ 出湯口
１１ 酸素ガス供給ランス
１２ 炭材供給ランス
１３ 鉄スクラップ

Claims (5)

1. 鉄スクラップ及び高炉にて製造された溶銑を鉄源としてアーク炉に装入し、該アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有する溶銑を製造し、製造した溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後の溶銑に更に高炉にて製造された溶銑を混合し、混合した後の溶銑を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造することを特徴とする、鉄スクラップを利用した製鋼方法。
2. アーク炉に装入する高炉溶銑の配合比率Ｈ（Ｈ（％）＝高炉溶銑配合量×１００／（高炉溶銑配合量＋鉄スクラップ配合量））を７５％以下とすることを特徴とする、請求項１に記載の鉄スクラップを利用した製鋼方法。
3. 前記高炉溶銑の配合比率Ｈを３０％以上６５％以下とすることを特徴とする、請求項２に記載の鉄スクラップを利用した製鋼方法。
4. アーク炉内に炭材を供給することによって製造される溶銑の炭素濃度を４．０質量％以上に加炭し、その後の転炉での酸素吹錬では、製造される溶鋼トンあたり１００ｋｇ以上の鉄スクラップを鉄源として併用することを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の鉄スクラップを利用した製鋼方法。
5. アーク炉から出湯した後の溶銑、または、アーク炉から出湯した後に高炉にて製造された溶銑が混合された溶銑を脱硫処理することを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の鉄スクラップを利用した製鋼方法。

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