JP2023093078A

JP2023093078A - 電気炉における原料溶解方法

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Publication number: JP2023093078A
Application number: JP2021208484A
Authority: JP
Inventors: 崇杉谷; Takashi Sugitani; 康平櫻井; Kohei Sakurai; 俊輔堀; Toshisuke Hori
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2041-12-22
Also published as: JP7551261B2

Abstract

【課題】炭素を含有する還元鉄を原料として用いて、アーク式の電気炉で溶解して溶鋼を製造するに際して、溶鋼中炭素濃度が低濃度領域では、サブマージドアーク加熱を行ってスラグを生成して溶鋼を覆うことで、溶鋼の窒素吸収を防止することができる電気炉における原料溶解方法を提供する。【解決手段】本発明の電気炉１における原料溶解方法は、アーク式の電気炉１で溶鋼Ｍを製造するに際して、炭素を含有する還元鉄Ｒを原料として用いて、加熱によって溶解させる電気炉１における原料溶解方法において、加熱によって生成される溶鋼Ｍの炭素濃度が0.80mass%以下の状態で、サブマージドアーク加熱を行って原料Ｒを溶解する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気炉の操業に関する技術であって、還元鉄を溶解するにあたって溶鋼の窒素吸収を防止する技術に関する。

従来、電気炉で鋼を製造するに際しては、スクラップや還元鉄などの鉄源をフラックスと一緒に炉内に装入し、アークにより鉄源を加熱し溶解している。その鉄源が十分に溶解した後、ランスより酸素ガスを溶鋼に吹き込みながら脱りんを行っている。
近年では、省エネルギーやリサイクルの観点から電気炉による製鋼法の重要性が再認識されつつある。ところが、電気炉鋼は、窒素含有量が高いため用途範囲が限られている。このようなことから、鋼中に窒素が吸収されることを抑制する技術が存在する。

特許文献１には、アーク炉でスクラップ、還元鉄及び銑鉄等の鉄源を原料とした時の低窒素鋼の溶製方法が開示されている。
具体的には、スクラップ等の原料溶け落ち後、溶鉄にO₂及びCを供給する。また、O₂の純度を99.5vol.%以上、送酸速度Q_o2及び送酸時間t^*を下記に限定することとされている。
0.55≦Q_o2≦1.35(Nm³/min/ton)、
t^*≧－7.2Q_o2+15(min)。

且つ、次式：C_add≧(12/11.2)Q_o2t^*W-C_MD(kg)の右辺の値が正の値の場合には、上記式を満たすC添加量C_addを溶鉄に供給する。その際、Cのキャリアーガス中N濃度を3vol.%以下とすることとされている。ただし、W：原料溶解終了時の溶鉄量(ton)、C_MD：原料溶解終了時の溶鉄に含まれる炭素重量(kg) である。
特許文献２には、電気炉内でスラグフォーミングの状態を排ガス中のNOx量測定で判定し、またスラグフォーミング状態を調整して、溶鋼と大気との接触を完全に断つことによる低窒素溶鋼の製造方法が開示されている。具体的には、NOxはアークスポットで発生し、NOxが発生していなければスラグがフォーミングしているとの考えに基づき、排ガス中NOx濃度からフォーミング状態を判定する。またこの判定結果に基づき、精錬期および昇温期にスラグをフォーミングさせるような操業を行うこととされている。

特許文献３には、アーク炉でスクラップ、還元鉄及び銑鉄等の鉄源を原料とした時の低窒素鋼の溶製方法が開示されている。具体的には、原料溶解後、溶鉄に純度99.0vol.%以上の純酸素を、送酸速度Q_o2で送酸時間t^*の間吹錬することとされている。
ここで、Q_o2=0.55～1.35の範囲内、
t^*≧-7.2Q_o2+15(min)
この吹錬中、式：C_add≧(12/11.2)Q_o2t^*W-C_MD
但し、W：原料溶解終了時の溶鉄量(ton)、C_MD：原料溶解終了時の溶鉄に含まれる炭素重量(kg)、で算出される炭素添加量C_addを添加することとされている。

特許文献４には、アーク炉で鉄鉱石や還元鉄、スクラップを溶解し、窒素・硫黄濃度の低い高純度溶鋼を製造する方法が開示されている。
具体的には、電気炉の電極を中空とし、そこから20Nm/秒以上の炭化水素ガスを供給しながら溶解させ、その後、酸素ガスを前記溶鉄に吹き付けて脱炭処理する。前記溶け落ち時の溶鉄中の炭素濃度が1質量%以上とすることとされている。
特許文献５は、電気炉の排ガスを、併設されるシャフト炉の還元ガスに利用することを目的としている。

具体的には、アーク式還元溶解炉に炭材を添加しながら電気アークにより還元鉄を還元溶解し、その後、必要に応じて酸素ガスを溶鉄に吹き付けて脱炭処理を行って溶鋼を製造するとともに、前記アーク式還元溶解炉で発生した排ガスを前記シャフト炉における還元ガスに利用し、前記シャフト炉で製造する還元鉄の還元率を50%以上とし、電気アークによる還元鉄の溶け落ち時の溶鉄中の炭素濃度を1質量%以上とすることとされている。

特許文献６は、溶け落ち後の昇温効率向上のために、炭素粉をインジェクションしてスラグを形成させることを目的としている。具体的には、溶鋼表面のスラグ層または溶鋼内
に炭素粉をキャリアーガスにより吹き込むことで、炭素粉による気泡をスラグ面上に形成させて溶鋼を覆い、効率よく溶鋼を昇温することとされている。

特開平１１－０１２６３４号公報特許３７４３０９５号公報特開平１０－１２１１２３号公報特許６４１３７１０号公報特許６４７６９４０号公報特開昭５５－０８９４１４号公報

しかしながら、特許文献１～６には、アーク式の電気炉において鋼を製造する技術が開示されているが、原料を溶解するときに溶鋼への窒素吸収を抑制するには技術的懸念があると考えられる。
特許文献１は、溶鋼の炭素濃度に応じたアーク加熱方法に関する記載や示唆が無いため、状況によっては吸窒したり、不要な酸素や炭材を使用して原料コストが高くなったり、あるいはCO₂発生量が多くなる虞がある。また、同文献では、酸素が照射されることによる溶鋼の飛散や酸化により、歩留が低下する虞がある。

特許文献２は、還元鉄を溶解原料に配合する場合、溶鋼の炭素濃度が高くなる虞があり、この炭素が高い状態では吸窒しないので、スラグフォーミング状態に関わらずNOxも発生しない。従って、NOxだけ見てもスラグフォーミング状態を判定することはできない。また、同文献では、COガスによるフォーミングを判定することもできない。従って、過剰にCOガスを発生させても検知できず、過剰フォーミングにより鉄歩留が低下する虞がある。

特許文献３は、溶鋼の炭素濃度に応じたアーク加熱方法に関する記載や示唆が無いため、状況によっては吸窒したり、不要な酸素や炭材を使用して原料コストが高くなったり、あるいはCO₂発生量が多くなる虞がある。また、同文献では、酸素が照射されることによる溶鋼の飛散や酸化により、歩留が低下する虞がある。
特許文献４は、電極を中空にする必要があり、電極の製造および管理が困難である。また、同文献は、COガスによる脱窒に必要な溶落時の炭素濃度が規定されているが、脱炭が進行した後のスラグ制御に関する記載や示唆が無いため、状況によっては吸窒する虞がある。

特許文献５は、アーク炉での還元鉄溶落時の炭素濃度を、COガスによる脱窒のために1質量%以上としているが、吸窒が生じてしまう1質量%以下の領域でのスラグ制御方法等の記載や示唆が無いため、状況によっては窒素濃度が高まってしまう虞がある。また、同文献は、シャフト炉と電気炉を近傍に設置しなければならないため、技術的に非常に困難である。

特許文献６は、そもそも低N化に関する記載が無いため、状況によってはN濃度が高くなる虞がある。つまり、溶鋼の窒素吸収を防止するには適さない。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、炭素を含有する還元鉄を原料として用いて、アーク式の電気炉で溶解して溶鋼を製造するに際して、溶鋼中炭素濃度が低濃度領域では、サブマージドアーク加熱を行ってスラグを生成して溶鋼を覆うことで、溶鋼の窒素吸収を防止することができる電気炉における原料溶解方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかる電気炉における原料溶解方法は、アーク式の電気炉で溶鋼を製造するに際して、炭素を含有する還元鉄を原料として用いて、加熱によって溶解させる電気炉における原料溶解方法において、加熱によって生成される前記溶鋼の炭素濃度が0.80mass%以下の状態で、サブマージドアーク加熱を行って前記原料を溶解することを特徴とする。

本発明によれば、炭素を含有する還元鉄を原料として用いて、アーク式の電気炉で溶解して溶鋼を製造するに際して、溶鋼中炭素濃度が低濃度領域では、サブマージドアーク加熱を行ってスラグを生成して溶鋼を覆うことで、溶鋼の窒素吸収を防止することができる。

本発明の電気炉における原料溶解方法の概略を模式的に示した図である。窒素上吹き終了時の溶鋼中[C]濃度(mass%)と、転炉吹錬後～次工程開始時の溶鋼中[N]濃度との変化量(ppm)の関係を示した図である。取鍋精錬中の吸窒量を示した図である。電気炉におけるサブマージ加熱の切り替え時の溶鋼中[C]濃度(mass%)と、電炉出鋼時の溶鋼中[N]濃度(mass%)との関係を示した図である。

以下、本発明にかかる電気炉における原料溶解方法の実施形態を、図を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。
まず、本発明にかかる原料の溶解方法が行われる電気炉１について説明する。ただし、本発明の原料の溶解方法は、以下に例示する電気炉１以外の型式のものであってもよい。

図１に、本発明の電気炉１における原料（還元鉄Ｒ）の溶解方法の概略の模式図を示す。
図１に示すように、電気炉１は、上下に分割可能となっている。つまり、電気炉１は、上部が開口され且つ還元鉄Ｒ（冷鉄源）などが装入可能な本体２と、その本体２の開口を覆う蓋体３と、を有している。本体２と蓋体３の内部は、耐火レンガなどが施工されている。
電気炉１の側面には、排滓口４が形成されている。また、電気炉１には、排滓口４と反対側の側面に溶鋼Ｍを出鋼する出鋼口５が形成されている。電気炉１は、開蓋状態で装入された還元鉄Ｒ等の原料及びフラックスなどを本体２内部で溶解して溶湯Ｍ（溶鋼Ｍ）として収容可能となっている。

電気炉１には、上方から内部に向かって挿し込まれる複数の電極６が設けられている。本実施形態では、電極６が３本挿入されている。この電極６は、黒鉛電極であって三相交流が供給されており、電極６と内部に装入された還元鉄Ｒとの間にアークを発生して還元鉄Ｒが溶解して溶湯Ｍを形成可能となっている。
電気炉１の排滓口４からは、酸素ランス７が挿し込み可能となっている。酸素ランス７から溶湯Ｍに対して酸素ガスを吹き込むことで、滓化を促進して脱りん処理や脱炭処理ができるようになっている。

なお、電気炉１には姿勢を傾動させる炉傾動装置（図示略）が設けられている。この炉傾動装置を作動させて排滓口４が低くなるように電気炉１を傾動させることで、スラグＳが排滓口４から排滓がされる。また、炉傾動装置を作動させて出鋼口５が低くなるように電気炉１を傾動させることで、溶鋼Ｍが出鋼口５から出鋼される。
図１に、本発明の電気炉１における原料の溶解方法の概略の模式図を示す。
図１に示すように、本発明の電気炉１における原料の溶解方法は、アーク式の電気炉１で溶鋼Ｍを製造するに際して、炭素を含有する還元鉄Ｒを原料（溶解原料）として用いて、加熱によって溶解させる電気炉１における原料溶解方法において、加熱によって生成される溶鋼Ｍの炭素濃度が0.80mass%以下の状態で、溶鋼Ｍに対してサブマージドアーク加熱を行って還元鉄Ｒを溶解することを特徴とする。

次いで、本発明の電気炉１における原料（還元鉄Ｒ）の溶解方法を具体的に説明する。
アーク式の電気炉１にて、溶解原料を用いて溶鋼Ｍを製造するに際しては、その電気炉１の操業では、一般的にスクラップが溶解原料として用いられている。なお、電気炉１を電炉１とも呼称することもある。
スクラップの炭素濃度は、基本的に1mass%以下であることから（例えば、参考文献（冨
浦梓,鉄鋼界11(1996)p25.）などを参照）、スクラップのみを溶解原料とした場合については溶鋼Ｍの炭素濃度が1mass%を上回ることは無い。

一方、還元鉄Ｒは1mass%を上回る炭素を含有している。その炭素を含有する還元鉄Ｒを溶解原料として用いる場合もある。
本発明は、アーク式の電気炉１で炭素を含有する還元鉄Ｒを溶解原料として用いて溶鋼Ｍを製造する場合に適用可能な技術である。
表１に、炭素を含有する還元鉄Ｒの組成の一例として、HBI(Hot Briquetted Iron)の組成を示す。なお、表１については、詳しくは(田中英年,神鋼R&D Vol.64(2014),No.1,p2-7.)や、(田中英年ら,鉄と鋼92(2006),p1022-1028.)などの参考文献を参照するとよい。また、表１は、あくまでも一例であって、還元鉄ＲとしてはHBIに限定しない。
HBIの定義は、「650 ℃以上の温度でブリケットにした、5g/cm³以上の見掛密度をもつ還元鉄（JIS M 8700：2013より）」を基にしている。

表１に示すように、HBI（還元鉄Ｒ）は、1mass%超のCを含んでいる。また、表１については、その他不可避的混入成分を含むものとしている。
なお例えば、スクラップと、炭素を含有する還元鉄Ｒと、を組み合わせて溶解原料としても良く、その溶解原料の組み合わせについては特に限定しない。例えば、炭素を含有する材料と還元鉄Ｒとスクラップを併用したとしても、本発明の対象とする。

さて、電気炉１の操業では、アーク加熱などにより鉄源を溶解する工程と、フラックスの添加および酸素ガスを供給することにより酸化精錬（脱りんと脱炭）を行う工程と、に大別される。
酸化精錬工程では、溶落後の溶湯Ｍに対して電炉１内下部にあるガスパイプ、若しくは、電炉１内に挿入されるランス７から酸素などの所定のガスを吹き込んで溶鋼Ｍを攪拌しつつ酸素ガスによる脱炭を行うとともに、フラックスの添加によって形成させたスラグＳとメタル（溶鋼Ｍ）との反応による脱りんを行う。

なお、上記の２つの工程については、明確に分かれているものではなく、溶解しながら酸素の吹き込み(injection)を行ったりもする。
すなわち、上記工程の区別に関し一概には言えない上に、溶解工程と酸化精錬工程の両工程の境目を明確に切り分けることは難しいが、一例としては、電気炉１の操業の全工程に要する時間は１～２時間程度である。その内訳としては、前半の鉄源溶解工程に要する時間が全体のおおよそ６～８割の時間であり、残り（４割～２割）の時間が酸化精錬工程の時間である。

さて、炭素を含有する溶鋼Ｍは、溶鋼Ｍに対してインジェクションされる酸素との反応により脱炭する。この酸素インジェクション量により、溶鋼Ｍ中の炭素濃度を制御することができる。
逆に言えば、酸素インジェクション量から、任意のタイミングでの溶鋼中炭素濃度を推算（予測）することができる。あるいは、測定用の治具等を用いて採取した溶鋼Ｍのサンプルを分析して実測することでも、溶鋼中炭素濃度を把握することができる。

アーク式の電気炉１で溶鋼Ｍを得る操業においては、サブマージドアーク加熱を行う方が、着熱効率が高いことが知られている。サブマージドアーク加熱とは、原料（還元鉄Ｒ）が全て溶落して溶湯Ｍがフラットバスとなった後に、スラグフォーミングして溶鋼Ｍ表面をスラグＳで覆い、そのスラグＳに電極６を浸漬させて加熱する方法である。なお、サブマージ加熱やサブマージド加熱と記載することもある。

一方で、原料の一部が固体の状態で残存している間に、スラグフォーミングを開始させると、そのスラグＳが固体の原料を覆ってしまい、原料を覆うスラグＳが原料の溶解を阻害する。
そのため、固体原料（還元鉄Ｒ）を溶落させて早期に溶湯Ｍをフラットバス化するためには、スラグＳを生成させずに、固体原料（還元鉄Ｒ）に直接アークを照射して溶解するオープンアーク加熱を行う方が良い。

特に、還元鉄Ｒを原料として用いる場合では、還元鉄Ｒは脈石成分や空隙がスクラップと比較して多く溶解効率が低いことから、積極的にオープンアーク加熱を行って効率よく溶解することが有効である。なお、未溶解の原料Ｒが存在する状態でスラグフォーミングさせると、原料の溶解が難しくなるという記述が（参考文献：森井簾,電気炉製鋼法,2000,P155.）にある。

ただし、オープンアーク加熱を行う場合は、溶鋼Ｍと大気が接触するため、溶鋼Ｍが大気からNを吸収（吸窒）する可能性がある。その鋼材中の[N]濃度は、低濃度の方が望ましい。
溶鋼Ｍ中に固溶する窒素は、後工程における圧延工程または鍛造工程のときにおいて、鋼材表面に皺（しわ）や割れなどの欠陥をもたらすことが一般的に課題として知られている。そのため、電気炉１の操業中における溶鋼Ｍの吸窒を抑制し、電気炉１での処理後の窒素濃度を50ppm未満にすることが、欠陥の抑制（鋼材品質の向上）には必要となってくる。

従って、効率よく原料（還元鉄Ｒ）の溶解を行うためには、可能な限りオープンアーク加熱を志向しながらも、溶鋼Ｍの吸窒を起こさないことが重要となってくる。
ところで、溶鋼中炭素濃度は、溶鋼Ｍの吸窒（窒素吸収）挙動に影響する。その理由を以下に述べる。
先ず、溶鋼Ｍの平衡窒素濃度[%N]_eは、以下の式（１）で算出することが可能である（参考文献：(鍋島ら,鉄と鋼101(2015),p627-635.)などを参照）。

ただし、[N]_e：溶鋼の平衡窒素濃度(mass%)
P_N2：溶鋼と接触する気体の窒素分圧
T：絶対温度（K）
R：気体定数
式（１）のf_Nは、窒素の活量係数であり、以下の式（２）で算出することが可能である。

ただし、[%J]：溶鋼中の溶質成分(mass%)
式（２）のe^j _Nは、同じメタル中の各成分の窒素に対する相互作用助係数であり、e^C _N=0.13である（参考文献：(製鋼反応の推奨値日本学術振興会19委員会編,(1984).)などを参照）。
また、e^C _Nがゼロ(0)より大きい数値であるため、溶鋼中[C]濃度の増加に伴いf_Nは大きくなる。

従って、溶鋼中[C]濃度の増加でf_Nが大きくなることで、平衡窒素濃度[N]_eが小さくなる、すなわち溶鋼Ｍ中に溶解可能な窒素濃度が低くなる。
また、溶鋼Ｍ側の物質移動が律速する場合の溶鋼Ｍの脱窒・吸窒速度は、以下の式（３
）で算出することが可能である（参考文献：(鍋島ら,鉄と鋼101(2015),p627-635.)などを参照）。

ただし、[N]：溶鋼中窒素濃度(mass%)
[N]_e：溶鋼の平衡窒素濃度(mass%)
A：気体と接触する溶鋼の面積(m²)
V：溶鋼体積(m³)
k_Nm：物質移動係数(m/min)

上記の通り、溶鋼中[C]濃度の増加に伴って、平衡窒素濃度[N]_eが小さくなる。
また、平衡窒素濃度[N]_eが低くなるということは、到達する溶鋼中[N]濃度が低くなることに加え、溶鋼Ｍの吸窒速度も遅くなることである。
以上述べたことが、溶鋼中[C]濃度が高い場合においては、溶鋼Ｍの吸窒が生じにくくなる理由である。
従って、溶鋼中[C]濃度が高いときは、溶鋼Ｍは大気と触れても吸窒しないことから、積極的にオープンアーク加熱を実施しても良い。

一方で、低炭素濃度領域では溶鋼Ｍの吸窒（窒素吸収）が進行することから、所定の炭素濃度以下の領域では、溶鋼Ｍの窒素吸収を抑制するため、スラグＳで覆うサブマージ加熱を行わなければならない。
溶鋼Ｍの吸窒が生じるか否かの溶鋼中[C]濃度の閾値については、転炉にて行ったテストにより導出した。

［実施例１］
以下に、転炉にて行ったテストの実施例及び比較例について、説明する。なお、本実施例に記載した内容は本発明の例示であって、これに限定されるものではない。
［実施条件（転炉）］
本実施例における転炉の実施条件については、以下の通りである。
表２に、転炉の実施条件について示す。

なお、その他の実施条件については、当業者常法にて実施した。
本実施例は、250t転炉において、溶鋼Ｍが吸窒することで及ぼす溶鋼中[C]濃度の影響を研究するテストを行った。
ただし、250t転炉の操業は当業者常法であり、上吹きで酸素を照射することで溶鉄Ｍ（溶銑Ｍや溶鋼Ｍ）中の[C]濃度が漸減する。さらに、本テストでは、酸素に加え溶鉄Ｍに吸窒を生じさせるため、窒素も20Nm³/minで上吹きした。

本テストでは、吹錬初期から窒素の上吹きを開始し、窒素の上吹きを停止するときの溶鋼中[C]濃度を変化させる実験を複数ch（チャージ）行った。
なお、窒素上吹きテストの吸窒挙動は、以下のように評価した。
先ず、窒素を上吹していない通常操業ch (非テストch）の吹錬後の溶鋼中[N]濃度については、操業条件の因子を変数とした予測式を用いて算出することが可能である。

また、転炉の次工程においては、処理開始前に溶鋼Ｍのサンプルを採取して、溶鋼中[N]濃度を実測する。
これらから、通常操業chにおける転炉吹錬後の溶鋼中[N]濃度と、次工程開始前における溶鋼中[N]濃度の変化量を算出することができる。また、通常操業chにおける溶鋼中[N]濃度の変化量の平均および標準偏差σも算出することができる。

ところで、吹錬後の溶鋼中[N]濃度の予測式には、窒素上吹きに関する項は含まれていない。従って、窒素上吹きにおいて溶鋼中[N]濃度が高まったとしても、吹錬後の溶鋼中の予測[N]濃度は通常操業chにおける溶鋼中[N]濃度と同じ程度となる。その一方で、実測する次工程開始時の溶鋼中[N]濃度については、溶鋼Ｍの吸窒量に応じて高くなる。
このことから、窒素上吹きを行うことにより溶鋼中[N]濃度が高まった場合、転炉吹錬後の溶鋼中[N]濃度と、次工程開始時の溶鋼中[N]濃度との変化量は大きくなる。

以上より、窒素上吹きテストchにおいて、上吹きによる窒素の供給を停止したときの溶鋼中[C]濃度と、溶鋼中[N]濃度との変化量の関係を示すグラフを描いた上で、窒素変化量が通常の範囲を逸脱しているchがあった場合、そのchについては溶鋼Ｍの吸窒が進行したと判断することができる。
なお、本実施例では、窒素変化量が通常操業chにおける溶鋼中[N]濃度の変化量の平均+3σを外れた場合、溶鋼Ｍの吸窒（窒素吸収）が進行したと判断した。
上記の窒素上吹きテストchについては、10ch分のデータを用いた。また、通常操業ch（非テスト）については、187ch分のデータを用いた。
表３に、窒素吹きテストch（チャージ）のデータを示す。

表４～７に、通常操業ch（チャージ）のデータを示す。

窒素吹き終了時の溶鋼中炭素濃度については、転炉へのインプット炭素量から排ガスとして系外へ排出されたC分を考慮した物質収支から算出した。
［実施例、比較例（転炉）］
図２に、窒素上吹き終了時の溶鋼中[C]濃度(mass%)と、転炉吹錬後～次工程開始時の溶鋼中[N]濃度の変化量(ppm)との関係を示す。

図２を参照すると、溶鋼中[C]濃度が0.80mass%以下であると、溶鋼中[N]濃度が高くなることがわかる。すなわち、溶鋼中[N]濃度の変化量(ppm)が高くなると、溶鋼Ｍの吸窒が行われるようになる。
図２に示す関係や、表３の実験番号N-9など、上記に基づいて考察した結果、溶鋼中[C]濃度＞0.80mass%の範囲において、溶鋼Ｍの吸窒が抑制されることが分かったため、溶鋼中[C]濃度＞0.80mass%と規定した。つまり、溶鋼中[C]濃度＞0.80mass%が、溶鋼Ｍの窒素吸収の抑制に必要となる。

このように、溶鋼中[C]濃度＞0.80mass%では、必ずサブマージドアーク加熱を行うこととする。
なお、溶鋼中[C]濃度:0.80mass%については、予測値でもよいし実測値でもよい。本実施形態では、溶鋼中[C]濃度:0.80mass%について予測値を用いた。
さらに鋭意研究した結果、図２に示すように、通常操業時における溶鋼中[N]濃度の変化量の平均+3σ=18.1ppmと、窒素吹き終了時の溶鋼中炭素濃度が低い４点の一次近似式との交点が0.83mass%である。このことから、溶鋼中[C]濃度＞0.83mass%が好ましいと知見した。
［実施例２］
次に、電気炉１にて行ったテストの実施例及び比較例について、説明する。なお、本実施例に記載した内容は本発明の例示であって、これに限定されるものではない。
［実施条件（電気炉）］
本実施例における電気炉１の実施条件については、以下の通りである。

なお、その他の実施条件については、当業者常法にて実施した。
表９に、使用したスクラップおよび銑鉄の組成の一例について示す。なお、表９については、主成分はFeである。またいずれも、その他不可避的混入成分を含むものとしている。また、表９は、あくまでも一例であって、スクラップおよび銑鉄の組成はこれに限定しない。

なお、HBIの組成の一例については、表１に示す通りである。また、表１については、その他不可避的混入成分を含むものとしている。
表１０に、フラックスの組成(mass%)の一例について示す。なお、表１０については、空欄は分析値無しであり、またいずれも、その他不可避的混入成分を含むものとしている
。また、表１０は、あくまでも一例であって、フラックスの組成はこれに限定しない。

本実施例及び比較例については、20tと100tの電気炉１で行った。
電気炉１での本実施例及び比較例の操業としては、初期はオープンアーク加熱を行い、処理の途中から電極６を浸漬させるサブマージドアーク加熱を行った。そのサブマージ加熱に切り替えるまでに、酸素をinjectionした。このinjection酸素は、溶鋼Ｍ中のCと反応するものである。

すなわち、サブマージ加熱に切り替える前の溶鋼中炭素濃度については、酸素injection量で制御が可能である。この切り替え時の溶鋼中炭素濃度は、injectionした酸素が化学両論的に溶鋼Ｍ中のCと反応するものとして算出することが可能である。
なお本実施例では、上記のような電炉１での操業で効果を確認したが、溶鋼中炭素濃度は酸素injectionで制御しなくてもよく、溶鋼中炭素濃度を適宜測定しながら、オープンアーク加熱とサブマージドアーク加熱を適切に切り替えても良い。

溶鋼中[C]濃度が0.80mass%以下となると、上記した図２のように、溶鋼Ｍの吸窒量が増加することとなる。その吸窒量を抑制するためには、サブマージ加熱して溶鋼ＭをスラグＳで覆うことで、溶鋼Ｍと大気との接触を遮断すると好ましい。
なお、電気炉１の操業において、オープンアーク加熱とサブマージドアーク加熱を切り替える方法については、例えば電極６の高さを変更する方法が良く、各工場の設備を鑑みて最適な方法を採用すると良い。

図３に、取鍋精錬中の吸窒量を示す。なお、図３については、詳しくは(阿部ら,鉄と鋼68(1982),1955.)などの参考文献を参照するとよい。
図３に示すように、スラグＳが溶鋼Ｍの表面を覆うことで、溶鋼Ｍへの吸窒が抑えられることは、参考文献でも示されているように、これまでに確認された事象である。
［実施例、比較例（電気炉）］
表１１に、電気炉１にて行ったテストの実施例及び比較例を示す。

ただし、表１１のサブマージドアーク加熱に切り替えたときの溶鋼中[C]濃度について、溶鋼中[C]濃度とinjection酸素が化学両論的に反応するとして算出した。
図４に、電炉１において、サブマージドアーク加熱に切り替えたときの溶鋼中[C]濃度(mass%)と、電炉１出鋼時の溶鋼中[N]濃度(mass%)との関係を示す。
図４、表１１などに示すように、本実施例の実験番号E-1は、溶鋼中[C]濃度が1.59mass%のときにサブマージドアーク加熱に切り替え、溶鋼Ｍの吸窒抑制に必要な溶鋼中[C]濃度：0.80mass%以下の状態にてサブマージドアーク加熱を行った結果、電気炉１から出鋼したときの溶鋼中[N]濃度が36ppmとなり、50ppm未満となり、良好な結果を得た。

本実施例の実験番号E-2は、溶鋼中[C]濃度が1.68mass%のときにサブマージドアーク加熱に切り替え、溶鋼Ｍの吸窒抑制に必要な溶鋼中[C]濃度：0.80mass%以下の状態にてサブマージドアーク加熱を行った結果、電気炉１から出鋼したときの溶鋼中[N]濃度が40ppmとなり、50ppm未満となり、良好な結果を得た。
一方、比較例の実験番号E-3,4のように、溶鋼中[C]濃度が0.80mass%より下(0.61mass%,0,78mass%)でサブマージドアーク加熱に切り替えると、電気炉１から出鋼したときの溶鋼中[N]濃度が50ppmを超える(57ppm,50ppm)こととなってしまい、求める結果から外れることとなった。

つまり、溶鋼Ｍの炭素濃度が0.80mass%以下の状態にあるとき、その溶鋼Ｍに対してサブマージドアーク加熱を行って原料Ｒ（還元鉄Ｒ）を溶解すると、出鋼時の溶鋼中[N]濃度が50ppm未満となる。
なお、電気炉１での溶鋼中窒素濃度を50ppm未満にする理由については、以下の通りである。

溶鋼Ｍ中に固溶する窒素は、後工程における圧延工程または鍛造工程のときにおいて、鋼材の表面に皺（しわ）や割れなどの欠陥をもたらすことが、一般的に課題として知られている。そのため、吸窒による欠陥を抑制し鋼材の品質を高めるには、電気炉１での処理後の溶鋼中窒素濃度を50ppm未満にする必要がある。
上で詳説したように実施すれば、電気炉１での操業において、溶鋼中[C]濃度≦0.80mass%となる前に、サブマージドアーク加熱へ切り替えることで、電気炉１での処理後の溶鋼中窒素濃度を50ppm未満にすることが可能となる。

すなわち、還元鉄Ｒを原料とする原料溶解工程においては、C＞0.80mass%の領域では着熱効率の優れるオープンアーク加熱を選択して実施しても良いが、低炭素濃度領域(C≦0.80mass%)では溶鋼Ｍの窒素吸収を抑制するサブマージドアーク加熱を行うことで、出鋼時の溶鋼中窒素濃度を低位にすることが可能となる。
以上、本発明の電気炉１における原料（還元鉄Ｒ）の溶解方法によれば、炭素を含有する還元鉄Ｒを原料として用いて、アーク式の電気炉１で溶解して溶鋼Ｍを製造するに際して、溶鋼中炭素濃度が低濃度領域(C≦0.80mass%)では、サブマージドアーク加熱を行ってスラグＳを生成して溶鋼Ｍを覆うことで、溶鋼Ｍの窒素吸収を防止することができる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
特に、今回開示された実施形態において、明示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範
囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１電気炉（電炉）
２本体
３蓋体
４排滓口
５出鋼口
６電極
７酸素ランス
Ｍ溶鋼（溶湯、溶鉄）
Ｓスラグ
Ｒ還元鉄

Claims

アーク式の電気炉で溶鋼を製造するに際して、炭素を含有する還元鉄を原料として用いて、加熱によって溶解させる電気炉における原料溶解方法において、
加熱によって生成される前記溶鋼の炭素濃度が0.80mass%以下の状態で、サブマージドアーク加熱を行って前記原料を溶解する
ことを特徴とする電気炉における原料溶解方法。