JP2018119693A - 電気炉用中空電極及び電気炉 - Google Patents

Abstract

【課題】予備還元した還元鉄を、電気炉にて仕上げ還元・溶解するに際し、還元鉄を中空電極の中空部から投入することができ、中空部に還元鉄の詰まりが発生することのない電気炉用電極、及びその電極を用いた電気炉を提供する。
【解決手段】電気炉１の黒鉛製中空電極３であって、中空部１０の表面にセラミックスコーティング層を有するものを用いる。セラミックスコーティング層が、ジルコン層又はＡｌＮ層又はムライト層であると好ましい。中空部１０を還元鉄の供給経路として用いるときに、還元鉄が中空部１０の表面に付着することなく用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気炉用中空電極及びその中空電極を用いた電気炉に関するものであり、特に、電気炉にて還元鉄を仕上げ還元・溶解するに際し、還元鉄を供給するための中空電極に関するものである。

鉄鉱石や製鉄所から発生したダストから還元鉄を製造する直接還元製鉄法は、還元炉形式についてはシャフト炉、ロータリーキルン、回転炉床炉、流動層炉等が用いられ、還元剤については天然ガス、石炭等が用いられている。これらの組み合わせによる各種の製鉄プロセスが提案され、工業化されている。

また、これらの直接還元製鉄法のうち、還元炉形式がシャフト炉で還元剤として天然ガスを用いる方法や、還元炉形式が回転炉床炉で還元剤として石炭を用いる方法により製造された還元鉄を使用して溶銑あるいは溶鋼を製造する方法として、還元率の高い還元鉄をアーク炉を用いて溶解し、溶銑あるいは溶鋼を製造する方法が現在最も主流となっている。

しかしながら、直接還元炉で還元率の高い還元鉄を製造するためには、多量の還元剤を使用し、酸化鉄の還元反応がほぼ完遂するまでの滞留時間が必要となるため、コストと生産性の点から難しい。そこで、これら直接還元炉で還元率の高い還元鉄を製造するのではなく、直接還元炉は予備還元炉とし、予備還元炉で予備還元を行って製造した還元率が比較的低い還元鉄を、アーク炉や溶解転炉を用いて仕上げ還元・溶解し、溶銑を製造する方法が採用されている。特許文献１には、シャフト炉方式で直接還元を行うに当たり、シャフト炉に溶融還元炉を付設し、シャフト炉から得られた還元鉄を溶融還元炉に導入して還元並びに溶融する方法が開示されている。特許文献２の第６６頁には、回転炉床炉（ＲＨＦ）で予備還元された半還元鉄を含む混合物原料（ペレット又は粉粒状混合物原料）がサブマージドアーク炉（ＳＲＦ）に装入され、最終還元と溶解を目的とした仕上げ精錬が行われると記載されている。

特許文献３は、製鋼工程で発生する溶融製鋼スラグを電気炉に流入させ、還元材によってＦｅ、Ｍｎ、Ｐなどの金属分を還元する製鋼スラグ還元処理方法に関するものである。当該文献には、電気炉の電極を中空電極とし、中空部を副原料供給管として使用し、副原料（還元材、改質粉体等）を直接アークスポットに吹き込むことが開示されている。

特開昭６３−２１３６１３号公報 国際公開第０１／０１８２５６号 特許第５５２２３２０号公報

直接還元炉で予備還元した還元鉄を電気炉に投入し、電気炉にて仕上げ還元と溶解を行うに際し、電気炉に投入する還元鉄を、中空電極の中空部を経由して投入することができれば、還元鉄を直接高温のアークスポットに投入することができるので好ましい。しかし、直接還元炉で予備還元した還元鉄を中空電極から投入したところ、中空電極の中空部に還元鉄が付着し、中空電極の詰まりが発生することが明らかとなった。

本発明は、電気炉にて還元鉄を仕上げ還元・溶解するに際し、還元鉄を中空電極の中空部から投入することができ、中空部に還元鉄の詰まりが発生することのない電気炉用中空電極、及びその電極を用いた電気炉を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）黒鉛製中空電極であって、中空部の表面にセラミックスコーティング層を有することを特徴とする電気炉用中空電極。
（２）前記セラミックスコーティング層が、ジルコン層又はＡｌＮ層又はムライト層であることを特徴とする上記（１）に記載の電気炉用中空電極。
（３）前記中空部を還元鉄の供給経路として用いることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の電気炉用中空電極。
（４）上記（１）から（３）までのいずれか１つに記載の電気炉用中空電極を設けてなることを特徴とする電気炉。

本発明は、電気炉にて還元鉄を仕上げ還元・溶解するに際し、黒鉛製中空電極として、中空部の表面にセラミックスコーティング層を有するものを用いることにより、還元鉄を中空電極の中空部から投入することができ、中空部に還元鉄の詰まりが発生することがなく、鉄歩留りの高い還元と溶解を行うことができる。

電気炉の一例を示す断面図である。 本発明の電気炉の中空電極を示す断面図であり、（Ａ）は１本の中空電極、（Ｂ）は複数の中空電極の接合状況を示す。

まず、直接還元炉で予備還元した還元鉄を、還元材とともに電気炉に投入して仕上げ還元及び溶解を行う方法について説明する。

予備還元した還元鉄を、種湯溶銑の存在する電気炉へ投入し、アーク熱と種湯溶銑との接触により仕上げ還元および溶解を行う。酸化鉄の還元反応に必要な熱および還元剤である炭素が十分供給され得る溶銑上であって、特に高温である上部電極直下の溶銑湯面部に原料を投入することで、予備還元鉄を高い鉄歩留まりで仕上げ還元し、溶解することができる。

電気炉として直流アーク炉又は交流アーク炉を適用する。直流アーク炉を用いると好ましい。また、電気炉として、炉体が傾動する傾動型を用いることもでき、また炉体が傾動しない据え置き型を用いることもできる。図１は、電気炉として据え置き型の直流アーク炉を用いた溶銑製造方法の一例を示す図である。以下、直流アーク炉を例に挙げて説明を行う。図１において、１は直流アーク炉、２は上部電極、４は炉上原料投入孔、５は炉底電極、６は底吹き羽口、２０はアークを示す。図１において、上部電極２は、内部に中空部１０を有する中空電極３である。

従来、還元鉄は炉上原料投入孔４（投入シュート）を用いて電気炉１（直流アーク炉）内へ添加されていた。また、底吹き羽口６から吹き込む底吹きガスを利用することによって、溶銑と還元鉄とが混合攪拌されるので、電気炉での還元反応を十分に行うことができ、仕上げ還元を完了することができる。還元鉄中の酸化鉄は、種湯溶銑中に含有する炭素を還元剤として還元される。その結果、種湯溶銑中の炭素濃度が低減するので、追加の還元剤として炭素源を供給する。

上述のように、従来、還元鉄は炉上原料投入孔４（投入シュート）を用いて直流アーク炉内へ添加されていた。その際に添加位置の調整がやや難しいほか、原料の粉状部分の一部は排気ダクト１５へと吸引されてしまい、溶銑湯面への添加歩留まりが低くなる難点がある。これに対し、上部電極２として中空電極３を用い（図１参照）、中空電極３の中空部１０（内部通路）を経由して還元鉄を投入することができれば、粉状物が排気ダクト１５へと吸引されずに溶銑２１の高温部に容易に投入することができるので好ましい。しかし、前述のように、直接還元炉で予備還元した還元鉄を中空電極３から投入したところ、中空電極３の中空部１０内面に還元鉄が付着し、中空電極３の詰まりが発生した。そのため、還元鉄を中空電極３の中空部１０を経由して投入することができなかった。

還元鉄を中空電極３から投入したときに発生する、黒鉛製の中空電極３の中空部１０に付着した還元鉄付着物について調査を行った。その結果、電極表面である黒鉛と付着還元鉄との境界付近に、Ｆｅ₃Ｃの析出が観察された。これより、中空電極３の中空部１０への還元鉄の付着は、以下のような機構であると推定できる。即ち、中空部１０を通過する還元鉄が電極表面の黒鉛部と接触すると、還元鉄中の金属鉄と黒鉛とが反応し、結果として黒鉛と接触する還元鉄部分にＦｅ₃Ｃが生成し、中空部表面の黒鉛上に還元鉄の付着が生じる。一旦付着が生じると、付着した還元鉄に次から次に還元鉄が付着し、最終的に中空部１０の詰まりにまで至ることが明らかになった。

これに対して本発明の電気炉用中空電極は、黒鉛製中空電極であって、中空部１０の表面にセラミックスコーティング層９を有することを特徴とする。中空部１０の表面に黒鉛が露出していないので、中空部１０に供給した還元鉄が中空部表面に接触してもＦｅ₃Ｃが生成する反応が起こらず、結果として中空部１０表面への還元鉄の付着を防止できることがわかった。これにより、電気炉にて還元鉄を仕上げ還元・溶解するに際し、還元鉄を中空電極３の中空部１０から投入することができ、中空部１０に還元鉄の詰まりが発生することのない電気炉用電極とすることができる。コーティング層の材質がセラミックスであるため、中空部を通過する還元鉄と反応することがない。

電気炉の電極は昇温と降温を繰り返すので、中空電極３の中空部表面に形成するセラミックスコーティング層９は、電極を形成する黒鉛の熱膨張率と近い熱膨張率を有すると好ましい。これにより、電極が昇温と降温を繰り返しても、熱膨張差に起因する割れの発生を防止することができる。黒鉛の熱膨張率は４．５〜５．５×１０^-6／℃（１０００℃）である。従って、セラミックスの熱膨張率が４．０〜６．０×１０^-6／℃（１０００℃）であれば、黒鉛の熱膨張率に近いので、本発明のセラミックスコーティング層９の材料として用いると、電極が昇温と降温を繰り返しても、黒鉛電極本体とセラミックスコーティング層９との間の熱応力に起因する割れ発生を回避することができる。そして、ジルコン(ＺｒＳｉＯ₄)の熱膨張率は４．３×１０^-6／℃、ＡｌＮの熱膨張率は４．６×１０^-6／℃、ムライトの熱膨張率は５．０×１０^-6／℃であり、いずれもセラミックスの熱膨張率の上記好適範囲内に入るので、これらを本発明のセラミックスコーティング層９の材料として用いると、熱応力に起因する割れ発生を回避することができる。なお、セラミックスとして多用されるＡｌ₂Ｏ₃は、熱膨張率が７．２×１０^-6／℃であって黒鉛の熱膨張率から乖離しているため、Ａｌ₂Ｏ₃をセラミックスコーティング層の材料として用いると、割れの発生が増大する可能性がある。即ち本発明の電気炉用中空電極において、中空部の表面に形成するセラミックスコーティング層９が、ジルコン層又はＡｌＮ層又はムライト層であると好ましい。

セラミックスコーティング層９の厚さは、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍであると好ましい。０．０５ｍｍ以上であれば還元鉄の衝突によるコーティング層摩耗による黒鉛の露出を防止することができる。一方、厚さが１．０ｍｍを超えるとコーティング層に温度勾配が生じ、割れが発生する懸念がある。

中空電極３の中空部表面にセラミックスコーティング層９を形成する方法としては、プラズマ溶射法を用いると好ましい。セラミックが溶融状態で黒鉛にコーティングされるので、緻密なコーティング層を形成させることができる。セラミックスコーティング層９の形成方法としては、上記プラズマ溶射法の他、水にセラミックパウダーとバインダーを分散させた溶液を塗布する方法を用いることができる。

本発明の電気炉用中空電極を用い、中空電極３の中空部１０を還元鉄の供給経路として用いることにより、予備還元した還元鉄を電気炉１のアークスポットに直接供給することができるので、還元鉄が火点の高温部分に直接供給され、電気炉１での仕上げ還元と溶融を良好に行うことが可能となる。

また、本発明の電気炉用中空電極を設けてなる電気炉は、予備還元した還元鉄を仕上げ還元及び溶融する電気炉として用いるに際し、予備還元した還元鉄を電気炉のアークスポットに直接供給することができるので、還元鉄が火点の高温部分に直接供給され、電気炉での仕上げ還元と溶融を良好に行うことが可能となる。

中空電極３の中空部１０から供給する材料としては、予備還元した還元鉄に加え、還元剤としての炭化剤、その他の副原料の供給路として用いることができる。また、予備還元した還元鉄の供給経路としては、中空電極３の中空部１０からの供給と併せて、炉上原料投入孔４から投入することとしても良い。

直流アーク炉や交流アーク炉などの電気炉に用いる電極は、電極の炉内側先端にアークを形成するため、電極の炉内側先端は高温にさらされ、炉内側先端から電極の消耗が進行する。電極先端の消耗進行に伴って、電極を下降させ、電極先端と炉内溶融物表面との距離を一定に保持する。従って、電気炉に装着している電極の長さが消耗によって短縮した際には、電極の上端側において新たに電極を継ぎ足して長さを保持することが行われている。電極継ぎ足しを行うため、電極の上端と下端は、図２（Ａ）に示すようにねじ部１１を形成している。図２（Ｂ）に示すように、ニップル１２を介して、下側の中空電極３ａの上端ねじ部１１ａと、上側の中空電極３ｂの下端ねじ部１１ｂとを接合することができる。

電気炉に用いる電極は、上記のように継ぎ足しを可能にした構造となっている。中空電極の中空部表面に還元鉄が付着する事態を防止するため、中空部の内部にさらに別の構造物として、付着防止機能を有する構造物を挿入する構造を採用しようとすると、電極の継ぎ足しに支障を来すこととなる。それに対して本発明は、中空電極３の中空部表面自体にセラミックスコーティング層９を形成しているので、同じようにセラミックスコーティング層９を形成した新たな中空電極３を継ぎ足しに用いることができ、電極の継ぎ足しに何ら支障なく、還元鉄が付着しない中空電極として用いることが可能となる。

本発明の電気炉用中空電極及び電気炉を用いて溶融・還元する予備還元された還元鉄は、鉄の金属化率が４５％以上９５％以下のものを用いると好ましい。鉄の金属化率（％）とは、還元鉄中の「金属鉄／全鉄含有量（質量％）×１００」を意味する。

本発明の電気炉用中空電極及び電気炉は前述のとおり、鉄鉱石やダストなどの酸化鉄原料をシャフト炉や回転炉床炉などの直接還元炉により加熱・予備還元処理して還元鉄とした後、当該還元鉄を種湯溶銑の存在する直流アーク炉などの電気炉へ投入して仕上げ還元・溶解する還元鉄の還元・溶解方法に好適に用いることができる。直流アーク炉で炭素を還元剤として原料を還元する際に発生するＣＯガスを、予備還元炉での予備還元剤として用いることが、天然ガスの使用量を大幅に削減もしくは不使用とすることができ、かつ、ガス生成炉等の溶鋼製造プロセスとは直接関係ない新たなプロセスを不要とすることができるために好ましい。

予備還元して製造した還元鉄の金属化率が４５％以上であれば、直流アーク炉で発生するＣＯガスの全量を予備還元炉での還元用のＣＯガスとして使用することができるとともに、全体の還元効率低下を来すことなく、炭材原単位の増加を抑制し、直流アーク炉での必要還元熱の増加を抑制して電力原単位増加を防止することができる。一方、シャフト炉などの直接還元炉で天然ガスを用いずにＣＯガスを主体にして還元を行う場合、還元率９５％超の還元鉄を製造することは困難であるため、還元鉄の好ましい金属化率上限は９５％となる。

電気炉１として図１に示すような据え置き型の直流アーク炉を用い、予備還元した還元鉄の仕上げ還元と溶解とを行った。上部電極２は黒鉛製の中空電極３である。電気炉の容量は７０ＭＷである。

電気炉１は、炉上原料投入孔４、炉底電極５、排気ダクト１５を備えている。炉底部には２本の底吹き羽口６を有し、窒素ガスにより底吹き攪拌を行う。また、溶融スラグを排出するための出滓口７、溶銑を出銑するための出銑口８を有している。

電気炉１の中には５０トンの種湯溶銑と、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が質量比で１．３のスラグが存在している。この電気炉１に、予備還元した還元鉄を１トン／分の速度で供給する。併せて還元剤として表１に示した石炭を使用し、還元剤は中空電極３の中空部１０から供給する。１時間の還元・溶解処理で、Ｃ含有量が３．５質量％、温度が１４５０℃の溶銑を４０トン製造した。電気炉に投入する還元鉄（予備還元した還元鉄）は、鉄の金属化率が９０％、粒径は５ｍｍ以下である。還元・溶解開始１時間後、排滓口から生成したスラグを排出する。その後、生成した溶銑４０トンを出銑口８から出銑した後、再び還元鉄を供給して還元・溶解を行う操業を繰り返し行う。

（本発明例）
中空電極３として、図２に示すように中空部１０の表面にセラミックスコーティング層９を有する電極を用いた。セラミックスコーティング層９は、プラズマ溶射で形成したＡｌＮ層であり、層の厚みは０．３ｍｍである。

還元鉄の供給と溶銑の出銑の繰り返しを１０回行った後、中空電極３の内面を調査したが、還元鉄の付着の生成・成長は認められなかった。またセラミックスコーティング層９には亀裂等は見られず、剥離もなく健全な状態を維持していた。また、供給した還元鉄から溶銑を製造するに際しての鉄歩留りは９７％であった。

（比較例）
中空電極として、中空部の表面にセラミックスコーティング層を有しない黒鉛製の中空電極を用いた。

還元鉄の供給と溶銑の出銑の繰り返しを行ったが、途中、中空電極内部で還元鉄の詰まりが発生し、還元・溶解処理が中断した。中空電極の内部を調査したところ、中空電極の内面で黒鉛と還元鉄が反応しており、付着物が成長しているのが観察された。

（従来例）
中空電極として、中空部の表面にセラミックスコーティング層を有しない黒鉛製の電極を用いた。

還元鉄を電気炉内に供給する方法として、上記本発明例と比較例のように中空電極の中空部から供給するのではなく、還元鉄は炉上原料投入孔４を用いて電気炉１内へ添加した。還元剤は中空電極から供給した。

還元・溶解開始１時間後、排滓、出銑を行った。この時の鉄歩留りは９５％であった。

１ 電気炉
２ 上部電極
３ 中空電極
４ 炉上原料投入孔
５ 炉底電極
６ 底吹き羽口
７ 出滓口
８ 出銑口
９ セラミックスコーティング層
１０ 中空部
１１ ねじ部
１２ ニップル
１５ 排気ダクト
２０ アーク
２１ 溶銑
２３ スラグ

Claims (4)

1. 黒鉛製中空電極であって、中空部の表面にセラミックスコーティング層を有することを特徴とする電気炉用中空電極。
2. 前記セラミックスコーティング層が、ジルコン層又はＡｌＮ層又はムライト層であることを特徴とする請求項１に記載の電気炉用中空電極。
3. 前記中空部を還元鉄の供給経路として用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気炉用中空電極。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電気炉用中空電極を設けてなることを特徴とする電気炉。

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