JP5368243B2

JP5368243B2 - 溶融金属製造装置

Info

Publication number: JP5368243B2
Application number: JP2009234363A
Authority: JP
Inventors: 理彦鉄本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-10-08
Also published as: JP2011080713A

Description

本発明は、炭材内装酸化金属塊成化物などの塊状金属原料を、予備還元することなく、直接、アーク加熱などの電気加熱溶解炉で還元溶融して溶融金属を製造する溶融金属製造装置に関する。

従来の高炉法や溶融還元法に代わる新しい製鉄法として、炭材内装酸化金属塊成化物を回転炉床炉で予備還元して固体還元金属とし、この固体還元金属をアーク炉またはサブマージドアーク炉で溶解して溶融金属を得る溶融金属製造プロセスが種々提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

しかしながら、これらのプロセスは、回転炉床炉による予備還元工程と溶解炉による溶解工程の２工程からなる構成を必須としており、回転炉床炉から溶解炉への固体還元金属の移送手段を必要とすることや、排ガス処理系統を２系統必要とすることなどにより、トータルプロセスとして、設備コストが高くなることに加え、熱ロスも大きく、エネルギ原単位も十分に低減できない問題があった。

そこで、本発明者は、回転炉床炉を用いることなく、電気式加熱炉だけで、炭材内装酸化金属塊成化物を還元するとともに溶解して溶融金属を製造する具体的方法について種々検討を実施した結果、以下の発明を完成させるに至り、既に特許出願を行った（特願２００９−１０５３９７；以下、本特許出願に係る発明を「先願発明」という。）。

上記先願発明に係る溶融金属製造装置は、図３に示すように、原料装入シュート４，４を炉幅両端部２，２に、電極５を炉幅の中央部に、平面状の炉天井部１に二次燃焼バーナ６をそれぞれ設置した定置式非傾動型電気式加熱炉ただしここではアーク炉を用い、予めシュート４，４から炭材Ａを装入して電極５下方に向かう下り斜面を有する炭材充填層（本願発明の「原料充填層」に相当）１２を形成しておき、次いで炭材内装酸化金属塊成化物Ｂを装入して炭材充填層１２斜面上に塊成化物層（本願発明の「塊状金属原料層」に相当）１３を形成し、その後電極５にてアーク加熱を行い塊成化物層１３下端部を順次溶融して、炉内に溶融金属層１４と溶融スラグ層１５を形成するとともに、塊成化物層１３を炭材充填層１２斜面に沿って降下させつつ、二次燃焼バーナ６から吹込んだ酸素含有ガスＣで、塊成化物層１３から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により塊成化物層１３を加熱することを特徴とするものである。

上記先願発明によれば、炉内に形成した原料充填層の斜面に沿って塊成化物層を電極に向かって移動させつつ、該塊成化物層から発生したＣＯ含有ガスを二次燃焼バーナから吹き込んだ酸素含有ガスで燃焼し、その放射熱で該塊成化物層自身を加熱して予備還元し、この予備還元された塊成化物層を上記電極近傍でアーク加熱により還元溶融して溶融金属とするので、単一の工程にて、炭材内装酸化金属塊成化物から直接溶融金属が得られ、従来法に比べて設備コストおよびエネルギ原単位がともに大幅に低減できるようになった。

しかしながら、上記先願発明に係る溶融金属製造装置では、炉に装入する塊成化物に粉が多く含まれている場合や、炉内で塊成化物どうしが焼結したり融着したりした場合には、塊成化物層の棚吊りが生じてその円滑な降下が阻害され、塊成化物を適切に加熱し還元し溶解することができなくなり装置の性能が低下する懸念が残されていた。そして、上記のような塊成化物層の棚吊りが生じた際に、上記先願発明に係る溶融金属製造装置では、これを強制的に解消する機械的手段を講じることが困難であった。

特表２０００−５１３４１１号公報特表２００１−５１５１３８号公報特表２００１−５２５４８７号公報特開２００３−１０５４１５号公報

そこで、本発明は、炉内で塊状金属原料層の棚吊りが生じた際にこれを確実に解消しうる機械的手段を容易に講じうる溶融金属製造装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、電気加熱手段を有する定置式非傾動型電気炉の炉上部に排ガスダクトと原料装入シュートとが接続されるとともに、前記原料装入シュートは炉幅の片端部に設置される一方、前記電気加熱手段は、該電気加熱手段で加熱される電気加熱領域が炉幅の他端部に存在するように設置されるとともに、炉上部に二次燃焼バーナが設置され、予め、前記原料装入シュートから炭材および／または塊状金属原料を所定量炉内に装入して、前記炉幅の片端部から前記電気加熱領域に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成しておき、次いで、前記原料装入シュートから塊状金属原料を連続的または間欠的に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊状金属原料層を形成し、その後、前記電気加熱手段にて電気加熱を行って、前記塊状金属原料層の下端部近傍の塊状金属原料を順次溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記塊状金属原料層を前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから前記塊状金属原料層より上方の炉内空間部に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊状金属原料層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊状金属原料層を加熱し還元することにより溶融金属を製造する溶融金属製造装置であって、前記定置式非傾動型電気炉の炉底部が、前記炉幅の片端部から前記炉幅の他端部に向かって全体として下り勾配となる部分（以下、該「全体として下り勾配となる部分」を「傾斜炉底部」という。）を有するように形成されたことを特徴とする溶融金属製造装置である。
ここに、「全体として下り勾配となる部分」とは、当該部分に、局所的に見れば水平部や垂直部などの下り勾配でない部位の存在を許容しつつ、これらの部位を均して全体的に見れば下り勾配となることを意味する（以下、同じ。）。

請求項２に記載の発明は、電気加熱手段を有する定置式非傾動型電気炉の炉上部に排ガスダクトと原料装入シュートとを接続するとともに、原料装入シュートは、炉幅の両端部にそれぞれ設置される一方、前記電気加熱手段は、該電気加熱手段で加熱される電気加熱領域が炉幅の中央部に存在するように設置されるとともに、炉上部に二次燃焼バーナが設置され、予め、前記炉幅の両端部に設置した原料装入シュートから炭材および／または塊状金属原料を所定量炉内に装入して、該炉幅の両端部から前記電気加熱領域に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成しておき、次いで、前記炉幅の両端部に設置した原料装入シュートから塊状金属原料を連続的または間欠的に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊状金属原料層を形成し、その後、前記電気加熱手段にて電気加熱を行って、前記塊状金属原料層の下端部近傍の塊状金属原料を順次溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記塊状金属原料層を前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから前記塊状金属原料層より上方の炉内空間部に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊状金属原料層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊状金属原料層を加熱することにより溶融金属を製造する溶融金属製造装置であって、前記定置式非傾動型電気炉の炉底部が、前記炉幅の両端部から前記炉幅の中央部に向かって全体として下り勾配となる部分（以下、該「全体として下り勾配となる部分」を「傾斜炉底部」という。）を有するように形成されたことを特徴とする溶融金属製造装置である。

請求項３に記載の発明は、前記傾斜炉底部が、斜面状である請求項１または２に記載の溶融金属製造装置である。

請求項４に記載の発明は、前記傾斜炉底部が、階段状である請求項１または２に記載の溶融金属製造装置である。

請求項５に記載の発明は、前記傾斜炉底部の傾斜角度を、［前記塊状金属原料の崩潰角−２５°］以上［前記塊状金属原料の静止安息角＋５°］以下の範囲内とする請求項１〜４に記載の溶融金属製造装置である。

請求項６に記載の発明は、前記傾斜炉底部と前記塊状金属原料層の表面との間の炉内に、該塊状金属原料層の棚吊りを機械的に解消するためのショック発生装置を設けた請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶融金属製造装置である。

請求項７に記載の発明は、前記ショック発生装置は、炉長手方向に沿う回転軸を有するシャフト部と、その表面に突設された解砕部材からなるものである請求項６に記載の溶融金属製造装置である。

請求項８に記載の発明は、前記ショック発生装置は、前記回転軸回りに、前記塊状金属原料層を降下させる方向にのみ回転するもの、または、前記塊状金属原料層を降下させる方向とその逆方向に交互に回転するものである請求項７に記載の溶融金属製造装置である。

請求項９に記載の発明は、前記傾斜炉底部が、炉長手方向に向かって斜面状の部分と階段状の部分とが交互に存在するように形成され、かつ、該傾斜炉底部と前記塊状金属原料層の表面との間の炉内に、該塊状金属原料層の棚吊りを機械的に解消するためのショック発生装置を、少なくとも炉長手方向に複数台設け、該ショック発生装置は、炉長手方向に沿う回転軸を有するシャフト部と、その表面に突設された解砕部材からなり、前記シャフト部は、少なくともその片端部が前記傾斜炉底部の斜面状の部分の下方炉外側に配置された軸受けで支持されるとともに、前記解砕部材を突設した部位が前記傾斜炉底部の階段状の部分の上方炉内側に配置されている請求項１または２に記載の溶融金属製造装置である。

本発明によれば、炉幅端部から電気加熱手段が存在する炉幅他端部または炉幅の中央部に向かって全体として下り勾配となる部分を有するように炉底部を形成したことで、炉底部と塊状金属原料層との距離を近づけることが可能となるので、塊状金属原料層の棚吊りが発生した場合でも、この全体として下り勾配となる部分の炉外側を開口し、この開口部から機械的手段を用いて物理的外力を加えることにより、塊状金属原料層の棚吊りを容易かつ確実に解消できるようになった。

また、上記のように炉底部を全体として下り勾配となる部分を有するように形成したことで、炉全体の内容積が削減され、炉内に保持される装入物量が低減された結果、その重量による原料充填層中に蓄積した粉の圧密の度合いが軽減され、原料充填層全体が固着してしまうことが防止されるとともに、炉体強度の観点からも経済的設計が可能となった。

本発明の実施形態に係る溶融金属製造装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は部分水平断面図である。本発明の別の実施形態に係る溶融金属製造装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は部分斜視図、（ｂ）は平面図である。先願発明に係る溶融金属製造装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

[実施形態]
〔装置の構成〕
図１に、本発明の一実施形態に係る溶融金属製造装置の概略構成を示す。本実施形態に係る装置は、定置式非傾動型電気炉の電気炉の形式としてアーク炉（以下、単に「炉」ということもある。）を用いており、この炉は水平断面形状が略矩形に構成されたものである。そして、炉上部（本例では炉天井部１）には、排ガスダクト３、複数の原料装入シュート４が接続されるとともに、炉天井部１を介して炉内に電気加熱手段としての複数本の電極５が挿入されている。原料装入シュート４は、炉幅の両端部２，２にそれぞれ設置される一方、電極５は、炉幅の中央部に設置されている。さらに、炉上部（本例では炉天井部１）には、複数本の二次燃焼バーナ６が設けられている。

炉底部１６は、炉幅の両端部２，２から炉幅の中央部（すなわち、電極５の位置）に向かって全体として下り勾配となる部分（傾斜炉底部）１６’を有している。本実施形態では、この傾斜炉底部１６’を階段状（本例では点ＰＱＲＳを結ぶ折れ線部分）に形成した炉について説明する。

そして、この階段状の部分の立ち上がり部、例えば１６ａに点検口１７を設けておくとよい。

上記のように、炉底部１６が炉幅端部から電気加熱手段としての電極５が存在する炉幅の中央部に向かって全体として下り勾配になる部分（傾斜炉底部）１６’を有するように形成したことで、傾斜炉底部１６’と塊状金属原料層１３との距離を近づけることが可能となるので、塊状金属原料層１３の棚吊りが発生した場合でも、安全のため炉の操業を一時停止する必要はあるものの、この階段状の部分の立ち上がり部１６ａに設けられた点検口１７を開口し、この開口部から例えばブレーカなどの機械的手段を用いて物理的外力を加えることにより、塊状金属原料層１３の棚吊りを容易かつ確実に解消できる。

上記塊状金属原料層１３の棚吊りの解消作業をできるだけ容易にするため、傾斜炉底部１６’と塊状金属原料層１３との距離を可能な限り近づけておくのが望ましい。これを実現するため、傾斜炉底部１６’の傾斜角度は、塊状金属原料層１３の表面の傾斜角度にできるだけ近づけるのが好ましい。塊状金属原料層１３の表面の傾斜角度は、塊状金属原料Ｂの崩潰角と静止安息角の間の角度となるので、傾斜炉底部１６’の傾斜角度は、［塊状金属原料Ｂの崩潰角−２５°（さらには崩潰角−２０°、特に崩潰角−１５°）］以上［塊状金属原料Ｂの静止安息角＋５°（さらには静止安息角、特に崩潰角）］以下の範囲内とするのがよい。ここに、傾斜炉底部１６’の傾斜角度は、階段状の部分の各ステップの炉内側突端部（図１においては１６ｂ、１６ｂ）を結ぶ直線の傾斜角度（図１においてはθ）で定義されるものとする。

また、傾斜炉底部１６’と塊状金属原料層１３の表面との間の炉内に、該塊状金属原料層１３の棚吊りを機械的に解消するためのショック発生装置１８を設けておくのが好ましい。ここに、「ショック発生装置」とは、塊状金属原料層１３に連続的または間欠的に外力を加える装置をいう。

このショック発生装置１８としては、例えば、炉長手方向に沿う回転軸を有するシャフト部１８ａと、その表面に突設された複数の解砕部材１８ｂからなるもの（Ｍｉｄｒｅｘ法直接還元用シャフト炉の炉内に設置され、還元鉄の棚吊り防止のために用いられるバーデンフィーダ［ｂｕｒｄｅｎｆｅｅｄｅｒ］に近似したもの）を用いることができる。そして、ショック発生装置１８のシャフト部１８ａを連続的または一定時間ごとに間欠的に回転させることにより、塊状金属原料層１３に棚吊りが発生するのを防止することができる。万一塊状金属原料層１３に棚吊りが発生してしまった場合でも、シャフト部１８ａに突設された複数の解砕部材１８ｂで塊状金属原料Ｂどうしの焼結物や融着物を解砕したり、解砕が十分でない場合でも上記焼結物や融着物が巨大化する前に強制的に電極５の下方に向かって移送（降下）させることができるので、円滑な操業を長期にわたって継続することができる。

このような作用を棚吊りの発生状況等に応じて有効に発揮させるため、上記バーデンフィーダに近似したショック発生装置１８としては、その回転軸回りに、塊状金属原料層１３を降下させる方向（正方向）にのみ回転するもの、または、塊状金属原料層１３を降下させる方向（正方向）とその逆方向に交互に回転するものを適宜選択すればよい。なお、前者は移送を重視し、後者は解砕を重視するものである。

電極５と二次燃焼バーナ６との間、二次燃焼バーナ６と排ガスダクト３との間、排ガスダクト３と原料装入シュート４との間には、炉内に垂下する隔壁９，１０，１１を設けるのが好ましい。

電極５と二次燃焼バーナ６との間に隔壁９を設けるのが推奨されるのは、二次燃焼後の酸化性排ガスが電極５に接触するのを防止するためである。

また、二次燃焼バーナ６と排ガスダクト３との間に隔壁１０を設けるのが推奨されるのは、二次燃焼後の排ガスが排ガスダクト３へショートカットするのを防止して、塊状金属原料層１３への放射伝熱量を十分に確保するためである。

また、排ガスダクト３と原料装入シュート４との間に隔壁１１を設けるのが推奨されるのは、原料装入シュート４が高温の排ガスで過熱されて損傷するのを防止するためである。

隔壁９，１０，１１は、設置による上記各効果の度合い、設置コスト、メンテナンスの手間等を総合的に勘案して、その全部を設置するようにしてもよいし、その一部を設置するようにしてもよい。

また、排ガスダクト３は、電極５より原料装入シュート４に近い側に設置するのが好ましい。二次燃焼後の酸化性の排ガスが電極５の方に流れて電極５を損傷するのを抑制するためである。

そして、炉下部には、原料装入シュート４が設けられていない（すなわち、炉内に原料充填層１２が形成されていない）炉長手側の炉側壁に、出銑孔７と排滓孔８とを設けるのが好ましい。出銑滓の際における開孔作業を容易にするためである。

また、排ガスダクト３の下流側には、周知の熱交換器（図示せず）を設置すればよく、これにより炉から排出された高温排ガスの顕熱を回収して、アーク用電力の発電やペレットＢの乾燥等のエネルギとして有効利用することができる。

電極５としては、例えば、熱効率に優れた、製鋼用アーク電気炉で常用される三相交流型のものが推奨される。そして例えば、三相電極の各２相の組合せでできる３組の単相電極から電極６本を作るという構成を採用するのが推奨される。

また、電極５は、その先端部を塊状金属原料層１３または溶融スラグ層１５中に位置させ（浸漬させ）つつ、溶解操作を行うのが好ましい。これにより、アークによる放射加熱と抵抗加熱の効果を並存させることができ、溶解をより促進することができるとともに、原料充填層１２で保護されていない炉壁内面の損傷を抑制することができる。

以下、この定置式非傾動型アーク炉を使用して、炉内に原料充填層を形成するための充填層形成用原料として炭材内装酸化鉄ペレットを、該原料充填層上に積層する塊状金属原料として同じく炭材内装酸化鉄ペレットをそれぞれ用い、溶融金属として溶鉄を製造する場合を例に挙げて説明する。

〔溶融金属の製造方法〕
予め、上記炉幅の両端部２，２に設置された原料装入シュート４，４から充填層形成用原料として塊状金属原料である炭材内装酸化鉄ペレットＡを所定量炉内に装入して、該炉幅の両端部２，２から電極５の下端部の下方に向かう下り勾配の斜面１２ａを有する原料充填層１２を形成しておく。原料充填層１２を形成する原料として炭材に代えて炭材内装酸化鉄ペレットなどの塊状金属原料を用いても、溶鉄との接触部分においては還元・溶融ないしは浸炭・溶解が進行するものの、該溶鉄との接触部分から離れた部分には熱が伝わりにくく、塊状金属原料は固体状態に維持されるため、一旦形成された原料充填層１２は長期間充填層状態に保たれる。また、原料充填層１２内の温度は上記溶鉄との接触部分から離れて炉壁に近づくほど低下するので、溶融ＦｅＯの形成による耐火物の損傷も問題とならない。

次いで、上記炉幅の両端部２，２に設置された原料装入シュート４，４から塊状金属原料としての炭材内装酸化金属塊成化物である炭材内装酸化鉄ペレット（以下、単に「ペレット」ともいう。）Ｂを連続的または間欠的に装入して、原料充填層１２の斜面１２ａ上に塊状金属原料層としてのペレット層１３を形成する。ペレットＢ中の内装炭材の配合量は、酸化鉄が金属鉄まで還元されるに必要な理論Ｃ量に、溶鉄の目標Ｃ濃度を加味して決定するとよい。なお、ペレットＢは、炉内装入時に爆裂（バースティング）しないように、事前に乾燥しておくのが好ましい。

電極５は、上述のごとく、その下端部がペレット層１３中に浸漬された状態となるように、予め高さを調節しておくとよい。

その後、前記電極に通電してアーク加熱を行うことにより、ペレット層１３の下端部近傍のペレットＢが急速に加熱されて順次還元溶融し、溶融金属としての溶鉄と溶融スラグとに分離され、炉下部に溶鉄層１４と溶融スラグ層１５を形成する。なお、溶融スラグ層１５の塩基度等を調整するため、ペレットＢ中には、予め石灰石やドロマイトなどのＣａＯ源やＭｇＯ源を添加しておくのが好ましい。

上記のようにして、ペレット層１３の下端部近傍からペレットＢが順次溶融されていくと、ペレット層１３自体はその自重により前記原料充填層の斜面に沿って電極５の下端部に向かって炉内を順次降下していくこととなる。

そして、ペレット層１３中のペレットＢが電極５に近づくと、電極５からのアークによる放射熱と抵抗加熱により効率的に加熱され、ペレットＢ中の酸化鉄が内装炭材により固体金属鉄に予備還元されるとともに、ＣＯ含有ガス（可燃性ガス）を生成する。内装炭材として石炭など揮発分を含有する炭材を用いた場合は、加熱により内装炭材から脱揮された揮発分も該ＣＯ含有ガスに加わる。

このＣＯ含有ガスは、炉天井部１に設けられた二次燃焼バーナ６から吹込まれた酸素含有ガスとしての例えば酸素ガスにより燃焼（二次燃焼）され、その放射熱にてもペレット層１３は加熱される。このように放射熱にて加熱されたペレット層１３は、上記電極５からのアークによる放射加熱と抵抗加熱による場合と同様、ペレット中の酸化鉄を固体金属鉄に予備還元するとともにＣＯ含有ガスを生成するので、上記二次燃焼による放射加熱がさらに促進されることとなる。

上記のようにして、原料供給シュート４から炉内に装入されたペレットＢは、原料充填層１２の斜面１２ａ上を降下する間に、上記二次燃焼による放射加熱（以下、「二次燃焼熱」ともいう。）により固体状態で高金属化率まで予備還元された後、電極５下端部近傍でアーク加熱および抵抗加熱により溶融し、溶鉄と溶融スラグとに分離されることとなる。

したがって、電極５下端部近傍に生成する溶融スラグ中の酸化鉄濃度は十分に低くなり、電極５の損耗を抑制することができる。

溶融スラグと分離された溶鉄は、ペレットＢ中に残存する炭材を溶解して目標Ｃ濃度の溶鉄となる。

このようにして生成した、溶鉄と溶融スラグは、炉下部に設けた出銑孔７と出滓孔８から、例えば高炉の出銑滓方法と同様にして、間欠的に排出することができる。

（変形例）
上記実施形態では、傾斜炉底部１６’を階段状に形成する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、斜面状に形成してもよい。

また、上記実施形態では、上記バーデンフィーダに近似したショック発生装置１８を炉長手方向には１台だけ設置する例を示したが、このバーデンフィーダに近似したショック発生装置１８は、その構造上、自重および装入物荷重による変形のためシャフト部１８ａの長さに制約があることから、炉の長さがこのショック発生装置１８のシャフト部１８ａの長さで制約され、炉の長手方向へのスケールアップが制限される問題が残っていた。この問題を解決する手段として、以下のような構成を採用するのがさらに好ましい。

すなわち、図２に示すように、傾斜炉底部１６’を、炉長手方向に向かって斜面状の部分１９と階段状の部分２０とが交互に存在するように形成する（なお、同図においては構造の理解を容易にするため、斜面状の部分１９を半透明のものとして描いた。）そして、該傾斜炉底部１６と前記塊状金属原料層１３の表面との間の炉内に、上記バーデンフィーダに近似したショック発生装置１８を複数台（本例では２台）、それらの回転軸が炉長手方向に沿うように直列に連ねて設置する。該ショック発生装置１８は、上述したように、炉長手方向に沿う回転軸を有するシャフト部１８ａと、その表面に突設された解砕部材８ｂからなるものである（なお、同図（ａ）では解砕部材８ｂの図示を省略した。）。そして、傾斜炉底部１６’の斜面状の部分１９の下方炉外側に、ショック発生装置１８のシャフト部１８ａの少なくとも片端部（本例では片端部のみ）を支持する軸受け２１を配置する（本例では、シャフト部１８ａの他端部を支持する軸受け２１’は、同図（ｂ）に示すように、側壁の炉外側に配置した。）。そして、ショック発生装置１８のシャフト部１８ａのうち解砕部材１８ｂを突設した部位は傾斜炉底部１６の階段状の部分２０の上方炉内側に配置する。

上記構造を採用することで、炉長手方向にバーデンフィーダに近似したショック発生装置１８を直列に連ねて何台でも設置することが可能となり、塊状金属原料層１３の棚吊りの解消（ないし発生防止）作用を有効に発揮させつつ、炉の長手方向へのスケールアップを容易に実現できる。

また、上記実施形態では、ショック発生装置１８として、回転軸回りの回転運動により塊状金属原料層１３に外力を加える形式の装置である、バーデンフィーダに近似したもの（シャフト部１８ａと、その表面に突設された複数の解砕部材１８ｂからなるもの）のみを例示したが、これに限定されるものではなく、塊状金属原料層１３に連続的または間欠的に外力を加えることができるものであればいずれの形式の装置でも採用することができる。例えば、回転軸回りの回転運動により外力を加える別形式の装置としてスクリュを用いてもよいし、シリンダ等の往復運動により外力を加える形式の装置としてプッシャを用いてもよいし、ガス圧により外力を加える形式の装置として、ガスを炉内に直接吹き込む装置やガス圧によりダイヤフラムを変形させる装置を用いてもよい。

また、上記実施形態では、原料装入シュート４および電極５の配置に関し、原料装入シュート４を炉幅の両端部２，２にそれぞれ設置する一方、電極５を炉天井部１の炉幅中央部に設置する例を示したが、原料装入シュート４を炉幅の片端部２に設置する一方、電極５を炉幅の他端部２に設置するようにしてもよい。本変形例を採用すると、炉内に形成される原料充填層１２の斜面が片側だけになるので、上記実施例に比べて、耐火物保護の観点からは不利になるが、炉幅が縮小され、設備のコンパクト化が図れるメリットがある。
なお、上記実施形態では、電極５を炉幅の中央部に設置する一例として、電極５を炉幅の中心線上に設置する例を示したが、必ずしも厳密に炉幅の中心線上に設置することに限定されるものではなく、炉幅の中心線上から炉幅のいずれかの端部の方へずらして設置することも許容される。

また、上記実施形態では、排ガスダクト３と原料装入シュート４は、いずれも炉天井部１に接続する例を示したが、これに限定されるものではなく、いずれか一方または双方を炉側壁の上部に接続するようにしてもよい。なお、原料装入シュート４を炉側壁の上部に接続した場合は、原料装入シュート４は自動的に炉幅の端部に設置されることになる。

また、上記実施形態では、定置式非傾動型アーク炉の水平断面形状として、略矩形のものを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば略楕円のものや真円のものを用いてもよい。この場合単相電極でなく、三相電源の各相を用いて３本の電極を作るように構成してもよい。ただし、略矩形のものを用いた場合、炉幅は一定にしておいて、炉長手方向（炉幅方向に垂直な方向）を延長することで、スケールアップを容易に行えるメリットがある。

また、上記実施形態では、炭材内装酸化金属塊成化物Ｂの形態として、ペレットを例示したが、ブリケットを採用してもよい。ブリケットは、球状のペレットより安息角が大きいので、原料充填層１２の斜面１２ａ上における滞留時間を確保するためには、ペレットを用いた場合に比べて、炉高は高くする必要があるものの、炉幅は縮小できるメリットがある。

また、上記実施形態では、塊状金属原料として炭材内装酸化金属塊成化物（炭材内装酸化鉄ペレット）のみを用いる例を示したが、炭材内装酸化金属塊成化物（炭材内装酸化鉄ペレット、炭材内装酸化鉄ブリケット）に代えて、金属スクラップ（鉄スクラップ）、還元金属（還元鉄［ＤＲＩ、ＨＢＩ］）、塊状酸化金属鉱石（塊状鉄鉱石）、塩化金属を含有する炭材内装塩化金属塊成化物および酸化金属塊成鉱（焼成酸化鉄ペレット、コールドボンド酸化鉄ペレット、酸化鉄焼結鉱）を用いてもよいし、炭材内装酸化金属塊成化物、金属スクラップ、還元金属、塊状酸化金属鉱石、炭材内装塩化金属塊成化物および酸化金属塊成鉱よりなる群から選択される１種以上を用いてもよい。

また、上記実施形態では、炭材内装酸化金属塊成化物Ｂとして、非揮発性の金属元素である鉄のみを含有するものを例示したが、非揮発性の金属元素の他、揮発性の金属元素、例えば、Ｚｎ、Ｐｂを含有するものであってもよい。すなわち、炭材内装酸化金属塊成化物Ｂとして、揮発性の金属元素を含有する製鉄所ダストなどを酸化金属原料として用いることができる。揮発性の金属元素は、炉内で加熱されて炭材内装酸化金属塊成化物Ｂから揮発除去されるが、本発明方法の採用により、二次燃焼バーナ６による燃焼熱によって炉上部の温度を十分に高く保持できるので、揮発除去された該揮発性金属元素が、炉上部で再凝縮することが確実に防止され、炉から排出された排ガスから該揮発性金属元素を効率的に回収することができる。

なお、本明細書において、揮発性金属元素とは金属単体またはその塩等の化合物の１気圧での融点が１１００℃以下の金属元素をいう。金属単体として例えば、亜鉛、鉛等を挙げることができる。揮発性金属元素の化合物として例えば塩化ナトリウム、塩化カリウム等を挙げることができる。揮発性金属元素の化合物中の揮発性金属は、電気炉（例えば、アーク炉、サブマージドアーク炉）で金属に還元されることで、その一部またはすべてが炉内で気体状態で存在する。また、揮発性金属元素の塩化物は、電気炉内で加熱されて、その一部またはすべてが炉内で気体状態で存在する。一方、非揮発性金属元素とは金属単体またはその酸化物等の化合物の１気圧での融点が１１００℃を超える金属元素をいう。金属単体として例えば、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、チタン等を挙げることができる。非揮発性金属の酸化物として、例えば、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等を挙げることができる。非揮発性金属元素の化合物は、電気炉としてアーク炉やサブマージドアーク炉を用いたときには、炉内での加熱や還元反応によって、還元された金属単体としてまたは還元されない化合物として、炉内アーク近傍（アーク温度領域）では気体状態で存在できるものの、アークから離れたところでは液体または固体状態で存在する。

また、上記実施形態では、塊状金属原料としての炭材内装酸化金属塊成化物Ｂおよび溶融金属１４を構成する金属元素として鉄（Ｆｅ）のみを例示したが、Ｆｅの他、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の非鉄金属を含有してもよい。

また、上記実施形態では、溶融スラグの塩基度調整手段として、炭材内装酸化金属塊成化物Ｂに予めＣａＯ源やＭｇＯ源を添加しておく手段を例示したが、この手段に代えてまたは加えて、原料装入シュート４から炭材内装酸化金属塊成化物Ｂとともに石灰石やドロマイトを装入するようにしてもよいし、別途設けたシュートから炭材内装酸化金属塊成化物Ｂとは別に装入するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、原料充填層１２を形成する充填層形成用原料として、炭材内装酸化鉄ペレットを例示したが、他の塊状金属原料を用いてもよいし、それらを２種類以上併用してもよい。

さらには、原料充填層１２を形成する充填層形成用原料として、塊状金属原料に代えてまたは加えて石炭やコークスなどの炭材を用いてもよい。だだし、炭材を用いる場合には、その粒度は、炭材内装酸化鉄ペレットＢが原料充填層１２の空隙内に潜り込まない程度に、炭材内装酸化鉄ペレットＢの粒度に応じて調整しておくとよい。

また、上記実施形態では、出銑孔７と排滓孔８とを、対向する側壁にそれぞれ分けて設置する例を示したが、同じ側壁側に両者とも設置してもよいし、あるいは、排滓孔８を省略して出銑孔７のみを設置し、該出銑孔７から溶鉄と溶融スラグを排出するようにしてもよい。

１…炉天井部
２…炉幅の端部
３…排ガスダクト
４…原料装入シュート
５…電極
６…二次燃焼バーナ
７…出銑孔
８…出滓孔
９、１０、１１…隔壁
１２…原料充填層
１２ａ…斜面
１３…塊状金属原料層（ペレット層）
１４…溶融金属層（溶鉄層）
１５…溶融スラグ層
１６…炉底部
１６’…傾斜炉底部
１６ａ…立ち上がり部
１７…点検口
１８…ショック発生装置
１８ａ…シャフト部
１８ｂ…解砕部材
１９…斜面状の部分
２０…階段状の部分
２１，２１’…軸受け
Ａ…充填層形成用原料（炭材内装酸化鉄ペレット）
Ｂ…塊状金属原料（炭材内装酸化金属塊成化物、炭材内装酸化鉄ペレット）
Ｃ…酸素含有ガス（酸素）

Claims

電気加熱手段を有する定置式非傾動型電気炉の炉上部に排ガスダクトと原料装入シュートとが接続されるとともに、
前記原料装入シュートは炉幅の片端部に設置される一方、前記電気加熱手段は、該電気加熱手段で加熱される電気加熱領域が炉幅の他端部に存在するように設置されるとともに、炉上部に二次燃焼バーナが設置され、
予め、前記原料装入シュートから炭材および／または塊状金属原料を所定量炉内に装入して、前記炉幅の片端部から前記電気加熱領域に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成しておき、
次いで、前記原料装入シュートから塊状金属原料を連続的または間欠的に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊状金属原料層を形成し、
その後、前記電気加熱手段にて電気加熱を行って、前記塊状金属原料層の下端部近傍の塊状金属原料を順次溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記塊状金属原料層を前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから前記塊状金属原料層より上方の炉内空間部に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊状金属原料層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊状金属原料層を加熱し還元することにより溶融金属を製造する溶融金属製造装置であって、
前記定置式非傾動型電気炉の炉底部が、前記炉幅の片端部から前記炉幅の他端部に向かって全体として下り勾配となる部分（以下、該「全体として下り勾配となる部分」を「傾斜炉底部」という。）を有するように形成されたことを特徴とする溶融金属製造装置。
電気加熱手段を有する定置式非傾動型電気炉の炉上部に排ガスダクトと原料装入シュートとを接続するとともに、
原料装入シュートは、炉幅の両端部にそれぞれ設置される一方、前記電気加熱手段は、該電気加熱手段で加熱される電気加熱領域が炉幅の中央部に存在するように設置されるとともに、炉上部に二次燃焼バーナが設置され、
予め、前記炉幅の両端部に設置した原料装入シュートから炭材および／または塊状金属原料を所定量炉内に装入して、該炉幅の両端部から前記電気加熱領域に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成しておき、
次いで、前記炉幅の両端部に設置した原料装入シュートから塊状金属原料を連続的または間欠的に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊状金属原料層を形成し、
その後、前記電気加熱手段にて電気加熱を行って、前記塊状金属原料層の下端部近傍の塊状金属原料を順次溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記塊状金属原料層を前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから前記塊状金属原料層より上方の炉内空間部に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊状金属原料層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊状金属原料層を加熱することにより溶融金属を製造する溶融金属製造装置であって、
前記定置式非傾動型電気炉の炉底部が、前記炉幅の両端部から前記炉幅の中央部に向かって全体として下り勾配となる部分（以下、該「全体として下り勾配となる部分」を「傾斜炉底部」という。）を有するように形成されたことを特徴とする溶融金属製造装置。
前記傾斜炉底部が、斜面状である請求項１または２に記載の溶融金属製造装置。
前記傾斜炉底部が、階段状である請求項１または２に記載の溶融金属製造装置。
前記傾斜炉底部の傾斜角度を、［前記塊状金属原料の崩潰角−２５°］以上［前記塊状金属原料の静止安息角＋５°］以下の範囲内とする請求項１〜４に記載の溶融金属製造装置。
前記傾斜炉底部と前記塊状金属原料層の表面との間の炉内に、該塊状金属原料層の棚吊りを機械的に解消するためのショック発生装置を設けた請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶融金属製造装置。
前記ショック発生装置は、炉長手方向に沿う回転軸を有するシャフト部と、その表面に突設された解砕部材からなるものである請求項６に記載の溶融金属製造装置。
前記ショック発生装置は、前記回転軸回りに、前記塊状金属原料層を降下させる方向にのみ回転するもの、または、前記塊状金属原料層を降下させる方向とその逆方向に交互に回転するものである請求項７に記載の溶融金属製造装置。
前記傾斜炉底部が、炉長手方向に向かって斜面状の部分と階段状の部分とが交互に存在するように形成され、
かつ、該炉底部の全体として下り勾配となる部分と前記塊状金属原料層の表面との間の炉内に、該塊状金属原料層の棚吊りを機械的に解消するためのショック発生装置を、少なくとも炉長手方向に複数台設け、
該ショック発生装置は、炉長手方向に沿う回転軸を有するシャフト部と、その表面に突設された解砕部材からなり、前記シャフト部は、少なくともその片端部が前記傾斜炉底部の斜面状の部分の下方炉外側に配置された軸受けで支持されるとともに、前記解砕部材を突設した部位が前記傾斜炉底部の階段状の部分の上方炉内側に配置されている請求項１または２に記載の溶融金属製造装置。