JP5042308B2 - ヤシガラ炭使用のアーク炉製鋼方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄スクラップを溶解して溶鋼を製造するアーク炉製鋼方法に関する。特に、補助燃料または加炭材を使用して溶鋼を製造するアーク炉製鋼方法に関する。

製鋼用アーク炉は、原料の鉄スクラップを溶解精錬して、建材などに使われる鋼材を生産する。 このアーク炉の主なエネルギー源は電熱（アーク熱）であるが、溶解精錬の促進と高価な電気エネルギー節減のために、酸素ガス（鉄の酸化溶解用）、気体燃料または液体燃料、粉コークスなどの補助熱源が使用されている。近代的な製鋼用アーク炉では、電熱と補助燃料とのエネルギー入力量の比は５０：５０に達している。補助熱源の中でも最も重要なものは、コークスやその代替物としての無煙炭、オイルコークスなどの固形炭素分を多く含む固体燃料である。
この固体燃料は熱源としてだけでなく、還元剤としても機能し、精錬プロセスそのものにおいても重要な役割を果たしている。 鉄１トン当りのコークスの使用量は、20〜30 kg に達している。

しかしながら、コークスや無煙炭などの炭材を大量に使用することで、大量の化石燃料由来のＣＯ₂ ガス、つまり温室効果ガスが大気中に排出されることになる。例えば、年産百万トンの標準的な規模の製鋼工場で、炭素分が８５質量％の粉コークスを溶鋼１トン当たり２５ｋｇ使用すると、この製鋼工場１基のみで年間当たり７７，９１６トンのＣＯ₂
ガスが排出されることになる。

このように、アーク炉製鋼プロセスにおいては、化石燃料であるコークス、無煙炭などの炭材が使用され、その結果、地球温暖化ガス（温室効果ガス）であるＣＯ2 ガスが大量に大気に排出されている。この化石燃料からなる炭材に替えて木炭などのバイオマス炭化物を使用すれば、計算上、温室効果ガスの排出はなくなる。尚、バイオマス燃料から発生するＣＯ2 ガスは、カーボン・ニュートラル（carbon neutral）と呼ばれ、温室効果ガス（地球温暖化ガス）には計上されない。

特開2001-26810号公報

本発明の目的は、アーク炉で鉄スクラップなどの冷鉄源を溶解精錬して溶鋼を製造する際に、コークスの物性に近いバイオマス炭化物をコークスの代替として使用することで、大量の温室効果ガスの発生を削減することのできるアーク炉製鋼方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラ(Coconut shell charcoal or PKS charcoal)を乾留して得られ、12%以上の残留揮発分を有する炭化物を鉄スクラップに混入してアーク炉に装入する工程と、前記鉄スクラップを溶解して溶鋼を製造する工程と、を有するアーク炉製鋼方法を提供する。

炭化物を鉄スクラップに混入してアーク炉に装入する工程は、ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラ(Coconut shell charcoal or PKS charcoal) を乾留して得られ、12%以上の残留揮発分を有する炭化物と化石燃料由来の炭材とを、鉄スクラップに混入してアーク炉に装入してもよい。

本発明のアーク炉製鋼方法は、さらに、ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラ (Coconut shell charcoal or PKS charcoal) を乾留して得られ、残留揮発分が12 %未満の炭化物をランスからアーク炉内に吹き込む工程を有するのが好ましい。

また、本発明のアーク炉製鋼方法は、ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラを、３５％以上の収率で乾留して１２％以上の残留揮発分を有する炭化物としたものを鉄スクラップに混入してアーク炉に装入するものである。

本発明においては、ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラを乾留して得られ、１２％以上の残留揮発分を有する炭化物を鉄スクラップに混入してアーク炉に装入する工程と、前記鉄スクラップを溶解して溶鋼を製造する工程と、を有するので、製鋼用電炉で使用可能なレベルにまでヤシガラ炭中の揮発分を残し、収率(Yield)を上げることができ、よって代替ヤシガラ炭の経済性を上げることができる。

図１は、ヤシガラ炭の処理温度および処理時間と収率の関係を示す図である。 図２は、収率と残留揮発分の関係を示す図である。 図３は、アーク炉において本発明を実施している様子を示す概略図であり、スクラップの溶解初期の状態を示す概略図である。 図４は、アーク炉において本発明を実施している様子を示す概略図であり、スクラップの溶け落ち直後の状態を示す概略図である。 図５は、アーク炉において本発明を実施している様子を示す概略図であり、昇温完了後の溶鋼の精錬期を示す概略図である。

アーク炉製鋼プロセスにおいては、炭素分を含む固体燃料が使用され、大量の化石燃料由来の二酸化炭素が大気中に排出されている。排出された二酸化炭素は温室効果ガスとなる。このコークスに替えてバイオマス炭化物を使用すれば、計算上温室効果ガスの排出はなくなる。しかし、多くのバイオマス炭化物は、コークスに比べて固形炭素分が少ないことや、かさ密度 (bulk density ) が極めて小さく飛散しやすい等の問題がある。したがって、アーク炉製鋼プロセスにおいては、バイオマス炭化物は固体燃料としては使用されていない。

マレイシアやインドネシアではココナツヤシやアブラヤシの産業が盛んである。ここで大量に発生するヤシガラは乾留されて、炭化物(Cahrcoal)となる。以下、ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラを乾溜して得られる炭化物を「ヤシガラ炭」と記す。このヤシガラ炭は、かさ密度が若干コークスよりも小さい程度であり、固形炭素分も高いことから、十分にコークスなど化石燃料の代替物として製鋼用アーク炉で使用することは可能である。表１にアブラヤシヤシガラ炭とコークスとの物性の比較を示す。

表１に示すようにヤシガラ炭はコークスと比べると、発熱量が高く灰分や硫黄分含有量は少ないため、優良な燃料である。
しかしヤシガラ炭の用途は、現状ではほぼ活性炭原料に限られていて生産規模が小さく、また、昨今の化石燃料価格の高騰にともない、ヤシガラが石炭よりも高額の燃料として取引されだしたことから、電炉企業が継続的に使用する状況にはない。
インドネシアとマレイシアのコークスおよび代替化石燃料の価格は180-200 US$/ton、ヤシガラ価格は 40 US$/ton、ヤシガラ炭価格は 250-270 US$/ton であり、継続的にヤシガラ炭を電炉企業が継続的に使用することはない。

現在、製鋼用アーク炉プロセスで広く使用されているコークスや無煙炭、オイルコークスなどの固形炭素分は 85 % 以上で、揮発分は 8 % 以下である。 ヤシガラ炭の固形炭素を85 % 以上まで上げて揮発分を8 % 以下まで下げようとすると、ヤシガラ炭製造時の処理温度を上げて処理時間を延ばす必要があり、収率が小さくなる。
この収率とは得られたヤシガラ炭重量を必要としたヤシガラ重量で除したものであり、現在活性炭原料用に製造されているヤシガラ炭製造の場合は、22 % 〜 25 % 程度である。 このヤシガラ炭の現在の価格は前述のように250-270US$/tonであり、ヤシガラ価格に大きく左右される。表２にヤシガラ炭１トン製造と出荷の価格構成の例を示す。

このように、現在商品として流通しているヤシガラ炭のレベルまで揮発分を下げて収率を小さくすると、原料費の比率が 61.5 % と大きくなって化石燃料に対して経済的な競争力がなくなる。化石燃料価格は前述のように現在 180-200 US$/ton である。
本発明は、製鋼用電炉で使用可能なレベルにまでヤシガラ炭中の揮発分を残し、収率(Yield) を上げることによって代替ヤシガラ炭の経済性を上げるものである。
例えば収率を 35 % とすると原料費は 114 US$ でヤシガラ炭価格は 214 US$/ton、45 % とすると原料費は 89 US$ でヤシガラ炭価格は 189 US$/ton となり、化石燃料に対して十分な競争力を確保できる。

収率を上げるためにはヤシガラ炭製造時に、乾留処理温度を下げて処理時間 (Carbonizing time) を短くすることとなる。
図１にヤシガラ炭の処理温度および処理時間と収率の関係を示す。 また図２に収率と残留揮発分の関係を示す。
本発明においては、ヤシガラ炭製造時に、収率を上げて揮発分を多く(12 % 以上)残したヤシガラ炭を製造する。 このヤシガラ炭を電炉で使用する際には、粗粒を溶解前のスクラップに混入して炉に装入する。揮発分はスクラップ溶解時に燃焼して熱源となり、残った固形炭素分は加炭材として働く。
スクラップ混入炭材の全量がこのヤシガラ炭でも良く、またこの炭材を一部として残りは従来のように低揮発分・高固形炭素のものでもよい。高揮発分の炭材を溶鋼やスラグ中に吹き込むと、スラグフォーミングやスラグ中の酸化鉄の還元に悪影響があるとの情報があるため（「電気製鋼」第56巻第１号(1985年1月号)「固体炭素による溶滓中 FeO の還元について」）、吹込み炭材は従来のように低揮発分・高固形炭素のものが望ましい。

次に、鉄スクラップを溶解精錬して溶鋼を製造するアーク炉製鋼方法におけるコークス代替ヤシガラ炭の具体的な使用方法について説明する。図３〜図５は、アーク炉において冷鉄源を溶解する際に本発明を実施している様子を示す概略図であり、図３は、冷鉄源の溶解初期の状態を示し、図４は、冷鉄源の溶け落ち直後の状態を示し、図５は、アーク炉製鋼プロセス末期の昇温完了後の溶鋼精錬期を示している。

図３〜図５において、外殻を鉄皮として内部を耐火物で施工された炉本体２の周辺上部には、水冷構造で金属製の炉側壁３が配置され、この炉側壁３の上部開口部は、開閉自在で且つ水冷構造の金属製の炉蓋４で覆われている。そして、この炉蓋４を貫通して、炉本体２の内部まで上下移動が可能な３本の黒鉛製の電極５が設けられている。それぞれの電極５は３相交流電源（図示せず）に連結しており、電極５と電極５との間及び電極５と冷鉄源９や溶鋼１０などの炉内装入物との間でアーク１２を発生させるようになっている。

また、炉側壁３を貫通して、炉本体２の内部まで上下移動が可能な、酸素ガス吹き込みランス６及び炭材吹き込みランス７が設けられ、酸素ガス吹き込みランス６からは酸素ガスが炉本体２の内部に吹き込まれ、そして、炭材吹き込みランス７からは空気や窒素ガスなどを搬送用ガスとして炭材が炉本体２の内部に吹き込まれるようになっている。炉蓋４にはダクト８が設けられ、炉内で発生する高温の排ガスはダクト８を介して集塵機（図示せず）に吸引され、また、炉本体２には出鋼口（図示せず）が設けられている。

先ず、スクラップ９とココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラ (Coconut shell charcoal or PKS charcoal ) を乾留して得られた、12 % 以上の残留揮発分を有する炭化物２０が、クレーンなどで吊られた供給バケット（図示せず）などから炉蓋４が開放されたアーク炉１の炉内に装入される（この期間を「原料装入期」と称す）。
次いで、炉蓋４を閉じて電極５を炉内に挿入し、電極５とスクラップ９との間にアーク１２を発生させて、発生するアーク熱でスクラップ９を溶解して溶鋼１０を生成させる（この期間を「スクラップ溶解期」と称す）。スクラップと共に装入された炭化物中の残留揮発分は溶解時に燃焼して熱源となり、残った固形炭素は熱源や加炭材として働く。通常、溶鋼１０が生成したなら、生石灰、蛍石などのフラックスを炉内に装入し、溶融スラグ１１を溶鋼１０の上に形成させ、溶鋼１０の酸化を防止するとともに溶鋼１０の保温を図ることが行われる。

そして、炉内に装入したスクラップ９の全量が溶け落ちたなら、生成した溶鋼１０をアーク熱によって所定の温度まで昇温し（この期間を「昇温期」と称す）、所定温度までの昇温が完了した後は、溶鋼１０の成分調整を行い（この期間を「精錬期」と称す）、その後、溶鋼１０を出鋼口から溶鋼保持容器に出鋼し、出鋼後、必要に応じて溶融スラグ１１をスラグポットなどに排出する（この期間を「出鋼・排滓期」と称す）。つまり、原料装入期、冷鉄源溶解期、昇温期、精錬期及び出鋼・排滓期を１サイクルとして、スクラップ９から溶鋼１０が製造される。

本発明においては、この製鋼プロセスのスクラップ溶解期、昇温期、精錬期に、コークス代替ヤシガラ炭を補助燃料または加炭材として使用することができる。
スクラップ溶解期には、電極５とスクラップ９との間にアーク１２を発生させて、発生するアーク熱でスクラップ９を溶解して溶鋼１０を生成させる。炭化物２０中の残留揮発分は溶解時に燃焼して熱源となり、残った固形炭素は熱源や加炭材として働く。図１に示すように、スクラップ９の円滑な溶け落ちのために、炉内に堆積するスクラップ９に向けて、酸素ガス吹き込みランス６から酸素ガスを吹き込むとともに、炭材吹き込みランス７から低揮発分・高固形炭素の炭材を吹き込む。スクラップ９の一部は吹き込まれる酸素ガスにより酸化され、生成する酸化熱で加熱されて溶解する。

昇温期には、堆積するスクラップ９が無くなることから、高温のアーク１２が露出して大きな熱損失や炉本体２の側壁耐火物の損傷が懸念される。そこで、本発明では、冷鉄源溶解期において、溶鋼１０が生成したなら、生石灰、蛍石などのフラックスを炉内に装入し、溶融スラグ１１を形成させ、溶鋼１０の酸化を防止するとともに溶鋼１０の保温を図る。
そして、昇温期には、図４に示すように、酸素ガス吹き込みランス６及び炭材吹き込みランス７の先端を溶融スラグ１１に浸漬させ、酸素ガス吹き込みランス６からは酸素ガスを、また、炭材吹き込みランス７からは炭材を溶融スラグ１１に吹き込む。吹き込まれて溶融スラグ１１に懸濁した炭材と、吹き込まれる酸素ガスとが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とともに、反応生成物のＣＯガスが溶融スラグ１１を泡立たせるので、アーク１２が泡立ちした溶融スラグ１１に包まれてアーク１２の着熱効率が上昇する。溶融スラグ１１が泡立つ現象を「スラグのフォーミング」と称している。

精錬期には、図５に示すように、炭材を炭材吹き込みランス７から溶融スラグ１１に吹き込む。これにより、溶融スラグ中の酸化鉄が還元されて、鉄分として溶鋼１０に回収される。また、溶融スラグ中の酸化鉄の還元反応で生成するＣＯガスによって溶融スラグ１１が泡立つので、前述した昇温期と同じようにアーク１２が溶融スラグ１１に包まれて、アーク１２の着熱効率が上昇する。尚、炭材を成分調整用の加炭材として使用する場合には、炭材吹き込みランス７の先端を溶鋼１０に浸漬させ、炭材を溶鋼中に吹き込み添加する。

インドネシアの電炉製鋼工場で、高揮発分ヤシガラ炭の使用試験を実施した。この試験において使用したヤシガラ炭の物性値を表３に示す。このヤシガラ炭は、揮発分が48.4%と非常に高いため、安全を見てスクラップ混入炭材の50%とし、残りの50%は無煙炭 (揮発分2 %) を使用した。このためスクラップ混入炭材の揮発分は25%と換算される。
表４に試験結果の概要を示す。

表４中の炭化物Ａ(Charcoal A )は表１のヤシガラ炭、炭化物Ｂ(Charcoal B) は表３の高揮発分ヤシガラ炭である。炭化物Ｂ(Charcoal B)をHeat No. 7, 8で無煙炭 (Anthracite) と混合して使用している。
電炉の性能の評価となるTap to Tap(１ヒート所要時間：分) と電力原単位はコークス使用時よりも良い数値を示しているが、これは高揮発分が有効な熱源として働いたものである。出鋼時の溶鋼中の炭素量 (%) は加炭効果に悪影響はない。

１ アーク炉
２ 炉本体
３ 炉側壁
４ 炉蓋
５ 電極
６ 酸素ガス吹込みランス
７ 炭材吹き込みランス
８ ダクト
９ スクラップ
１０ 溶鋼
１１ 溶融スラグ
１２ アーク
２０ 炭化物

Claims (2)

1. ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラを乾留して得られ、１２％以上の残留揮発分を有する炭化物を鉄スクラップに混入してアーク炉に装入する工程と、
   ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラを乾留して得られ、残留揮発分が１２％未満の炭化物をランスからアーク炉内に吹き込む工程と、
   前記鉄スクラップを溶解して溶鋼を製造する工程と、
   を有するヤシガラ炭使用のアーク炉製鋼方法。
2. 炭化物を鉄スクラップに混入してアーク炉に装入する工程が、ココナツヤシまたはアブラヤシのヤシガラを乾留して得られ、１２％以上の残留揮発分を有する炭化物と化石燃料由来の炭材とを、鉄スクラップに混入してアーク炉に装入することからなる請求項１に記載のヤシガラ炭使用のアーク炉製鋼方法。