JP6476940B2 - 溶鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シャフト炉を用いて酸化鉄原料を還元ガスで直接還元して還元鉄を製造し、その還元鉄をアーク式還元溶解炉を用いて追還元および溶解して溶鋼を製造する方法に関するものである。

鉄鉱石等の酸化鉄原料から還元鉄を製造する直接還元製鉄法は、シャフト炉、ロータリーキルン、回転炉床、流動床炉等の還元炉形式による方法と、天然ガス、石炭等の還元剤による方法とに分類され、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。

このうち、最も広く利用されている方法の一つに、還元炉として連続式の移動層シャフト炉を用い、還元剤として、特に天然ガス、又は、天然ガスを改質したガス（ＣＯ及びＨ₂が主成分）といった還元ガスを用いる方法が知られている。この方法では、酸化鉄原料と還元ガスとがシャフト炉内で向流接触するので反応効率が高く、また排ガスの循環使用が可能であるためエネルギー効率も比較的高いという特長があり、しかも設計並びに操業が容易であるため、直接還元製鉄法の主力プロセスとなっている。

しかしながら、上記方法の適用は、天然ガスが安価で、安定供給が可能な天然ガス産出国にほぼ限られてしまう。そこで、ＣＯ、Ｈ₂の少なくとも一方を所要量含んでいれば直接還元製鉄法の還元ガスとして機能するので、コークス製造用の原料炭に比べて安価な一般炭をガス化炉でガス化し、該ガスを還元ガスとして使用する還元鉄の製造方法も提案されている（特許文献１および２参照）。

また、ＣＯ、Ｈ₂の少なくとも一方を所要量含む製鉄プロセスから発生するガスを酸化鉄原料の直接還元に用いる方法も提案されている。特許文献３には、高炉やコークス炉、転炉より発生した副生ガスを還元鉄製造装置に供給する方法が提案されている。また、特許文献４には、コークス炉で発生したガスを水蒸気や二酸化炭素と触媒とを用いて改質して還元鉄の製造に用いる方法が記載されている。

直接還元製鉄法により製造された還元鉄を用いて溶鉄を製造する方法としては、天然ガスを用いて、上記のシャフト炉内による還元方法で製造された還元率の高い還元鉄をアーク式電気炉を用いて溶解し、溶鋼を製造する方法が、現在最も主流となっている。したがって、特許文献３または４に記載の方法と組み合わせれば、天然ガスを用いることなく溶鋼を製造することも可能であるが、直接還元製鉄法と高炉一貫製鉄法との併用が必須となる。

特許文献５には、シャフト炉による直接還元製鉄法と溶融還元炉による溶鉄の製造方法とを組み合わせ、溶融還元炉から発生する排ガスを天然ガスの改質部における燃料ガスとして使用する方法が記載されている。この方法は、排ガスを直接還元ガスとして使用するものでないため、天然ガスの使用量を削減することは可能であるが、天然ガスの使用を無くすには至らない。また、溶融還元炉は炭材を還元剤および燃料として利用するプロセスのため、生成される溶鉄は炭素が飽和した溶鉄であり、溶融還元炉の他に脱炭用の転炉を必要とし、多額の設備費を要するという課題もあった。

また、通常ＣＯＲＥＸと呼ばれるバッチ式の固定層シャフト炉と溶融還元炉とを組み合わせたプロセスでは、天然ガスを用いることなく溶鉄を製造できるが、バッチ式であるため、シャフト炉内において還元効率を十分に向上させることができなかった。また、特許文献５と同じように、溶鋼を製造するためには脱炭用の転炉を必要とする課題もあった。

そこで、一つの溶解炉を用いて還元鉄から溶鋼を製造する方法としては、予備還元炉で製造した半還元鉄に対して溶融還元炉で追還元及び溶解を行った後、同じ炉で脱炭して溶鋼を製造する方法が提案されている（特許文献６参照）。

特許文献５及び６に記載の方法やＣＯＲＥＸ法のように、還元剤及び燃料として炭材を利用する溶融還元法の場合は、多量の排ガスが発生する。このため、予備還元炉の還元効率が高い場合には、還元に必要な排ガス量に対して発生する排ガスが過剰となり、予備還元炉の還元効率が低い場合は全体のエネルギー効率が低下する。全体のエネルギー効率を最適化するためには、二次燃焼率と着熱効率とを高めて溶融還元炉側の還元負荷と還元効率とを高めるしかないが、耐火物への負荷増大は避けられない。更に、特許文献６に記載の方法のように同一炉で脱炭まで行うと、炉寿命が極めて短くなる課題があった。

特開昭５６−１０５４１１号公報 特開２００４−１６９０７４号公報 特開２０１０−４３３１４号公報 特開２０１１−２１３５４５号公報 特開昭６３−２１３６１３号公報 特開昭５９−１０７０１３号公報

上述したように、直接還元製鉄法により還元鉄を製造するに当たり、エネルギー効率の高い連続式の移動層シャフト炉方式を用いる場合には、天然ガス、または、天然ガスを改質したガスを用いる方法が一般的であるが、天然ガスの産出がなく天然ガス価格が高い国や地域では製造コストが高いという課題があった。

特許文献１または２に記載されている方法のように、石炭をガス化して還元ガスとして利用する方法では、還元鉄を溶解して溶鋼を製造する溶解精錬炉とは別のプロセスを新たに設置する必要があり、特許文献３または４に記載されているような高炉やコークス炉、転炉の排ガスを還元ガスとして利用する方法も高炉一貫製鉄プロセスとの併用が必須であった。

特許文献５及び６に記載の方法、並びにＣＯＲＥＸ法のように予備還元炉と溶融還元炉とを組み合わせたプロセスでは、溶融還元炉から発生する排ガスが多量であるため、移動層シャフト炉方式のようにエネルギー効率の高い還元炉の還元ガスとして使用するには排ガス量が過剰であり、プロセス全体として炭材が保有する還元能を十分に活用できないという課題があった。

本発明では、還元鉄を追還元および溶解して溶鋼を製造するプロセスとは別の新たなプロセスを設置することなく、移動層シャフト炉での天然ガスの使用量を大幅に削減もしくは不使用とし、天然ガス価格が高い国や地域においても、酸化鉄原料から安価に溶鋼を製造可能な方法を提供することを第１の目的とする。

また、エネルギー効率の高い移動層シャフト炉を１段目の還元炉として用い、２段目の還元溶解炉で発生する排ガス量をシャフト炉の還元ガスとして必要十分な量となるように還元負荷を最適化して、天然ガスを使用せずに還元鉄から安価に溶鋼を製造する方法を提供することを第２の目的とする。

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）シャフト炉において還元ガスを用いて酸化鉄原料を直接還元して還元鉄を製造し、該還元鉄をアーク式還元溶解炉に装入して、追還元および溶解を行って溶鋼を製造する方法において、前記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前記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％以上とすることを特徴とする溶鋼の製造方法。
（２）前記シャフト炉において用いる還元ガスを全て前記アーク式還元溶解炉からの排ガスとし、天然ガスを使用しないようにすることを特徴とする上記（１）に記載の溶鋼の製造方法。
（３）前記シャフト炉で製造する還元鉄の還元率を５０％以上９５％以下とし、該還元率の還元鉄の製造に必要な排ガスが発生するように前記アーク式還元溶解炉で前記炭材の添加量を調整することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の溶鋼の製造方法。
（４）前記アーク式還元溶解炉および前記シャフト炉のうち少なくとも一方からの排ガスを冷却および集塵することなく、前記シャフト炉にそのまま吹き込み、前記排ガス中のダストも前記還元鉄の原料として利用することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の溶鋼の製造方法。

本発明によれば、天然ガス価格が高い国や地域においても、酸化鉄原料から安価に溶鋼を製造することが可能となる。また、天然ガスを全く使用することなく安価に還元鉄を製造し、一つの溶解精錬炉で該還元鉄から溶鋼を製造することが可能となる。

本発明の溶鋼の製造方法について、シャフト炉とアーク式還元溶解炉とを用いて酸化鉄原料から安価に溶鋼を製造するプロセスを説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明の溶鋼の製造方法について、シャフト炉とアーク式還元溶解炉とを用いて酸化鉄原料から安価に溶鋼を製造するプロセスを説明するための図である。
図１において、シャフト炉１には、上部から鉄鉱石等の酸化鉄原料が投入される。また、アーク式還元溶解炉２と連結した排ガスダクト３を通して、ＣＯガス主体の排ガスがシャフト炉１下部に吹き込まれるようになっている。シャフト炉１に投入された酸化鉄原料は、シャフト炉１下部に吹き込まれる排ガスにより、下記（１）〜（３）式の反応により還元され、シャフト炉１最下部より高温の還元鉄４として還元鉄供給路５を通してアーク式還元溶解炉２に連続的もしくはバッチ的に排出される。
Ｆｅ₂Ｏ₃＋３ＣＯ→２Ｆｅ＋３ＣＯ₂ ・・・（１）
Ｆｅ₂Ｏ₃＋ＣＯ→２ＦｅＯ＋ＣＯ₂ ・・・（２）
ＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ₂ ・・・（３）

ここで、酸化鉄原料は、その種類は特には限定されず、種々のものが使用できる。その中でも、例えば、塊状鉄鉱石（塊鉱石）や粉状鉄鉱石（製鋼ダスト等の鉄含有ダスト類を含む）を塊成化した焼結鉱、及び、粉状鉄鉱石（鉄含有ダスト類を含む）を塊成化したペレットが好ましい。

シャフト炉１内部で酸化鉄原料を還元するガスとしては、アーク式還元溶解炉２からの排ガスの他に天然ガスを併用しても良いが、シャフト炉１が加圧されていない場合には、リフォーマーを必要とし、天然ガス価格が高い場合には、できるだけアーク式還元溶解炉２からの排ガスの利用率を高めることが望ましい。リフォーマーを設置することなく、天然ガスを使用せず、アーク式還元溶解炉２からの排ガスのみを還元ガスとして使用してシャフト炉内で酸化鉄の還元を行うのが最良の実施の形態である。

シャフト炉１から排出された還元鉄４は、ホッパーを介した添加孔６および黒鉛電極７の中空部８のうち、少なくとも一方から添加される炭材中の固定炭素分により、下記（４）式の反応で追還元及び溶解される。
ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ ・・・（４）

シャフト炉１の還元に天然ガス等の水素を含む炭化水素ガスを使用せず、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を全て炭素Ｃで還元する場合は、トータルの還元反応式は下記（５）式のようになる。
Ｆｅ₂Ｏ₃＋３／２Ｃ→２Ｆｅ＋３／２ＣＯ₂ ・・・（５）

したがって、シャフト炉１とアーク式還元溶解炉２とで下記（６）式及び（７）式のように還元負荷を分担する場合に炭素原単位が最少となる。
シャフト炉：Ｆｅ₂Ｏ₃＋３／２ＣＯ→Ｆｅ₂Ｏ_1.5＋３／２ＣＯ₂ ・・・（６）
還元溶解炉：Ｆｅ₂Ｏ_1.5＋３／２Ｃ→２Ｆｅ＋３／２ＣＯ ・・・（７）

すなわち、化学量論的には、シャフト炉で還元率５０％の還元鉄を製造し、残りの追還元についてはアーク式還元溶解炉で炭素還元を行って溶鋼を製造し、その際に発生するＣＯガスを全てシャフト炉に導入してシャフト炉内の還元に利用する場合に、還元に必要なトータルの炭素量が最少となる。

しかしながら、実操業においては、シャフト炉での還元効率やアーク式還元溶解炉で添加する炭材の固定炭素量などにより、実際の炭材原単位最少点は変化する。シャフト炉内で（６）式の反応に利用されるＣＯガスの割合をシャフト炉還元効率と定義すると、シャフト炉還元効率が低下した場合はより多くのＣＯガスを必要とするため、還元負荷をよりアーク式還元溶解炉側に掛けた方に、すなわちシャフト炉で製造する還元鉄の還元率を５０％よりも低下させた方に、炭材原単位最少点は移行する。

本発明者らがシャフト炉を用いたＣＯガスによる還元試験を行った結果、シャフト炉還元効率は平均９０％程度で低くても８２％であり、溶解還元炉で固定炭素分がほぼ１００％である黒鉛を用いた場合でも炭材原単位が最少となる還元鉄の還元率は平均４７％程度で低くても４５％であった。

一方で、アーク式溶解還元炉で添加する炭材の炭素分には、固定炭素（ＦＣ）と揮発分（ＶＭ）中の炭素とがあり、揮発分は還元反応には殆ど寄与しないことが知られている。固定炭素の濃度が低い一般炭を使用する方が炭材コストは低減するが、還元率の低い還元鉄を還元するのに必要な固定炭素量を確保しようとすると、ＶＭ中のＣと合わせて、シャフト炉で必要なＣＯガス量を上回ってしまう。このため、上記炭材原単位最少点はより高還元率側に移行する。

本発明者らが行った還元試験の結果では、シャフト炉還元効率が９０％で、アーク式溶解還元炉で使用したトータルＣ分（ＦＣとＶＭ中のＣとの合計）が８０質量％であって炭材中ＦＣが７５質量％の場合は、炭材原単位が最少となる還元鉄の還元率は約５０％であったが、ＦＣが５０質量％の炭材を使用した場合は還元鉄の還元率が約６０％の時に炭材原単位は最少となった。なお、還元反応に寄与しないＶＭ中のＣはシャフト炉での還元に利用するＣＯガスとするため、アーク式還元溶解炉に設けた酸素ランスから酸素ガスを吹き付けて燃焼させる。

上述の通り、シャフト炉での還元効率やアーク式還元溶解炉で使用する炭材のＦＣ量などの実操業条件に応じて、アーク式還元溶解炉で添加する炭材量を調整して溶解炉排ガス量を調整し、シャフト炉での還元に天然ガスを使用することなく還元鉄の還元率を４５％以上の炭材原単位最少点に制御するのが本発明の望ましい実施の形態の一つである。

還元鉄の還元率が炭材原単位最少点よりも低下すると、シャフト炉での還元に必要なＣＯガス以上に排ガスが発生するため、全体の還元効率が低下して炭材原単位が増加するとともに、アーク式還元溶解炉側での必要還元熱が増加して電力原単位も増加するため、望ましくない。

一方で、還元鉄の還元率が炭材原単位最少点よりも増加した場合は、シャフト炉での還元に必要なＣＯガス量を確保するため、アーク式還元溶解炉側での追還元に必要な量以上の炭材を添加することとなり炭材原単位は増加する。ところが、過剰な炭素分は溶鉄の加炭に利用されるため、溶け落ち時点での溶鉄中Ｃ濃度が増加して融点が低下し、必要なアーク電力原単位が削減されるとともに耐火物寿命が向上する。飽和炭素濃度以上に溶鉄中Ｃ濃度は増加しないが、加炭に必要な量以上の炭材の燃焼熱を利用して、還元鉄や鉄鉱石、屑鉄等の冷鉄源を追装して溶解することも可能である。この過剰な炭素分も、酸素ランスから酸素ガスを吹き付けてシャフト炉での還元に利用可能なＣＯガスとするとともに溶鉄も脱炭して所定のＣ濃度の溶鋼を製造する。

なお、シャフト炉で天然ガスを用いずにＣＯ主体のアーク式溶解還元炉からの排ガスのみを用いて還元する場合、還元率９５％超の還元鉄を製造することは困難である。還元率をそれ以上高くしても、シャフト炉で必要なＣＯガス量を確保するために、アーク式還元溶解炉での炭材量とその燃焼熱を利用するための冷鉄源量とが増えるだけであり、その分耐火物への負荷も増大しメリットは小さい。したがって、還元鉄の還元率は９５％以下とすることが望ましい。

また、溶け落ち後の溶鉄の炭素濃度を高めた後、酸素ガスを吹き付けて脱炭処理を行うことによって、脱炭により発生するＣＯガスとともに脱窒が進行し、低窒素鋼も溶製することが可能となる。本発明者らによるアーク式還元溶解炉を用いた還元、脱炭実験では、溶け落ち時点での溶鉄中Ｃ濃度を１質量％以上とすることにより安定してＮ濃度が１５ｐｐｍ以下の低窒素鋼を製造することが可能であった。

溶鉄中のＣ濃度を１質量％以上とする際に、アーク式還元溶解炉で発生するＣＯガス量がシャフト炉での還元に必要なＣＯガス量以上とならないような還元鉄の最低必要還元率も、アーク式還元溶解炉で添加する炭材のＦＣ分に依存する。本発明者らの還元試験では、ＦＣ５０％の一般炭を使用した場合でも還元率を５０％以上とすることにより、溶け落ち時の溶鉄中において１質量％以上の炭素濃度を確保でき、低窒素鋼を溶製できることが確認できた。以上のように低窒素鋼を製造する場合には、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％以上とすることが望ましい。

本発明において、シャフト炉で製造された還元鉄は、一度冷却したＨＢＩ（Hot Briquetted Iron）等のものでも良いが、アーク式還元溶解炉との直結や高温ガスによる圧送、高温バケット等の利用などによってできるだけ高温でアーク式還元溶解炉に装入する方がアーク式還元溶解炉の電力原単位を削減することができるため望ましい。また、アーク式還元溶解炉での鉄源としては還元鉄だけでなく、スクラップや溶銑などの他の鉄源と適宜併用することができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、アーク式還元溶解炉２から排出される排ガスは、湿式等の除塵装置１１を通してガスホルダー１２に一旦貯留される。その後、ガスホルダー１２に貯留された排ガスを、ＣＯ₂除去装置１３及びガス予熱装置１４を通してシャフト炉１に還元ガスとして吹き込むことができる。また、排ガスの組成や温度に応じて、ＣＯ₂除去装置１３及びガス予熱装置１４を通さずにシャフト炉１に吹き込むこともできる。

ここで、排ガスを冷却、集塵することなく、そのままシャフト炉に吹き込むと、シャフト炉内部の還元速度が増加し、シャフト炉の生産性が向上するとともに、排ガス中のダストもシャフト炉内部で鉄源に吸着、捕捉され、還元鉄の原料として利用されるため、本発明のさらに望ましい実施の形態といえる。この場合、排ガスを貯留するガスホルダーもガス予熱装置も不要となるが、アーク式還元溶解炉で発生する排ガス量がアークでの溶解期と過剰な炭素分を脱炭する脱炭期とで大きく異なる場合がある。その場合は、シャフト炉１基に対してアーク式還元溶解炉を２基組み合わせ、溶解期にはシャフト炉から還元鉄をアーク式還元溶解炉に連続供給を行い、もう一つの還元溶解炉を脱炭期としてその排ガスをシャフト炉に連続供給するという操業を交互に行うことも発明の実施の形態の一つである。

なお、図１に示すように、シャフト炉１からの排ガスも、除塵装置１５、ＣＯ₂除去装置１３、ガス予熱装置１４を通して循環利用することでシャフト炉での還元効率をより高めることもできる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例で採用する条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
図１に示すようなシャフト炉１とアーク式還元溶解炉２とを組み合わせた溶鋼製造装置を用いて、以下のような手順により酸化鉄原料から溶鋼を製造した。ここで、シャフト式還元設備は、内径６ｍの縦型のシャフト炉１、除塵装置１１、１５、ＣＯ₂除去装置１３、ガス予熱装置１４、ガスホルダー１２等から構成されている。なお、除塵装置１１は、アーク式還元溶解炉２からの排ガスをシャフト炉での還元に利用するための装置であり、除塵装置１５は、シャフト炉１から排出される排ガスを循環利用するための装置である。また、アーク式還元溶解炉２は、電源容量８０ＭＷの直流式アーク炉であり、２本の酸素ランス１０を具備している。

シャフト炉１には、酸化鉄原料として、塊鉱石及びペレットを半々で配合したものを上部から装入した。塊鉱石及びペレットの直径は、略１０ｍｍ程度である。また、当該チャージ以前に発生したアーク式還元溶解炉２からの排ガスを、除塵装置１１で除塵した後にガスホルダー１２に貯留しておいた。そして、ガスホルダー１２に貯留された排ガスをＣＯ₂除去装置１３で脱炭酸してガス予熱装置１４で８００℃まで加熱してから流量３００００Ｎｍ³／ｈでシャフト炉１に供給した。このとき、脱炭酸前の排ガス中のＣＯ濃度は８５体積％、ＣＯ₂濃度は１０体積％であり、脱炭酸後のＣＯ濃度は９４体積％、ＣＯ₂濃度は１体積％であった。また、シャフト炉１からの排ガスも、除塵装置１５、ＣＯ₂除去装置１３、ガス予熱装置１４を通して循環利用した。この結果、シャフト炉１内部で還元されて下部から排出された還元鉄４は還元率９６％で、生産速度は５７ｔ／ｈであった。

次に、シャフト炉１で製造された還元鉄４の約３０トン分をシャフト炉１下部に貯め置き、還元鉄供給路５を通して約７００℃の高温のまま、アーク式還元溶解炉２に約２５分かけて連続添加し、直流アークで加熱して追還元及び溶解を行った。トータルの還元鉄の添加量は５７トンであった。この際、トータルＣ分が８０質量％、ＦＣ分７５質量％の炭材１７．１トン（約４３０ｋｇ／トン−溶鋼）を炭材添加孔６から添加した。還元鉄４は約３０分で全量５７トンが溶解し、そこまでの電力消費量は１２ＭＷｈ（約３００ｋＷｈ／トン−溶鋼）であった。また、溶け落ち時の溶鉄温度は１３００℃で、溶鉄中の炭素濃度は４．５質量％であった。

その後、２本の酸素ランス１０から、合わせて３２５００Ｎｍ³／ｈの酸素を約２５分吹き付けて脱炭を行い、溶鋼を製造した。生成した溶鋼は約４０トンであり、吹き止め温度は１６５０℃、溶鋼中の炭素濃度は０．０５質量％、窒素濃度は出鋼後の鍋内でも１２ｐｐｍであった。

また、アーク式還元溶解炉２から発生した排ガスはアーク溶解期も含めて、集塵後にガスホルダー１２に回収貯蔵され、回収された排ガス量は約３００００Ｎｍ³で、回収された排ガスのＣＯ濃度は８５体積％、ＣＯ₂濃度は１０体積％であった。このように、シャフト炉１で天然ガスを全く用いずに、低窒素濃度の溶鋼を製造できることを確認した。

（実施例２）
実施例１と同じシャフト式還元設備とアーク式還元溶解炉２とを用いて、以下のような手順により酸化鉄原料から溶鋼を製造した。酸化鉄原料も実施例１と同じものを使用した。
アーク式還元溶解炉２からの排ガスを、実施例１と同様に、当該チャージ以前の排ガスを除塵装置１１で除塵した後にガスホルダー１２に貯留しておいた。そして、ガスホルダー１２に貯留された排ガスを、ＣＯ₂除去装置１３を通さずにガス予熱装置１４で８００℃まで加熱してから流量２８０００Ｎｍ³／ｈでシャフト炉１に供給した。このとき、排ガス中のＣＯ濃度は８５体積％、ＣＯ₂濃度は１０体積％であった。また、シャフト炉１からの排ガスも、ＣＯ₂除去装置１３は通さずに、除塵装置１５とガス予熱装置１４とを通して循環利用した。この結果、シャフト炉１内部で還元されて下部から排出された還元鉄４は還元率９０％で、生産速度は５７ｔ／ｈであった。

次に、シャフト炉１で製造された還元鉄４の約３０トン分をシャフト炉１下部に貯め置き、還元鉄供給路５を通して約７００℃の高温のまま、アーク式還元溶解炉２に約２５分かけて連続添加し、直流アークで加熱して追還元及び溶解を行った。トータルの還元鉄の添加量は５７トンであった。この際、トータルＣ分が８０質量％、ＦＣ分７５質量％の微粉炭１６．０トン（約４００ｋｇ／トン−溶鋼）を黒鉛電極７の中空部８から添加した。還元鉄４は約３０分で全量５７トンが溶解し、そこまでの電力消費量は１６ＭＷｈ（約４００ｋＷｈ／トン−溶鋼）であった。また、溶け落ち時の溶鉄温度は１２００℃で、溶鉄中の炭素濃度は４．５質量％であった。

その後、２本の酸素ランス１０から、合わせて２８５００Ｎｍ³／ｈの酸素を約２５分吹き付けて脱炭を行い、溶鋼を製造した。生成した溶鋼は約４０トンであり、吹き止め温度は１６５０℃、溶鋼中の炭素濃度は０．０５質量％、窒素濃度は出鋼後の鍋内でも１１ｐｐｍであった。

また、アーク式還元溶解炉２から発生した排ガスはアーク溶解期も含めて、集塵後にガスホルダー１２に回収貯蔵され、回収された排ガス量は約２８０００Ｎｍ³で、回収された排ガスのＣＯ濃度は８５体積％、ＣＯ₂濃度は１０体積％であった。このように、シャフト炉１で天然ガスを全く用いずに、また、ＣＯ₂除去装置を使用することなく、低窒素濃度の溶鋼を製造できることを確認した。

（実施例３）
実施例１と同じシャフト式還元設備とアーク式還元溶解炉２とを用いて、以下のような手順により酸化鉄原料から溶鋼を製造した。酸化鉄原料も実施例１と同じものを使用した。
アーク式還元溶解炉２からの排ガスを、実施例１と同様に、当該チャージ以前の排ガスを除塵装置１１で除塵した後にガスホルダー１２に貯留しておいた。そして、ガスホルダー１２に貯留された排ガスを、ＣＯ₂除去装置１３を通さずにガス予熱装置１４で８００℃まで加熱してから流量１９０００Ｎｍ³／ｈでシャフト炉１に供給した。このとき、排ガス中のＣＯ濃度は８５体積％、ＣＯ₂濃度は１０体積％であった。また、シャフト炉１からの排ガスも、ＣＯ₂除去装置１３は通さずに、除塵装置１５とガス予熱装置１４とを通して循環利用した。この結果、シャフト炉１内部で還元されて下部から排出された還元鉄４は還元率６１％で、生産速度は５７ｔ／ｈであった。

次に、シャフト炉１で製造された還元鉄４の約２５トン分をシャフト炉１下部に貯め置き、還元鉄供給路５を通して約７００℃の高温のまま、アーク式還元溶解炉２に約３５分かけて連続添加し、直流アークで加熱して追還元及び溶解を行った。トータルの還元鉄の添加量は５７トンであった。この際、トータルＣ分が８０質量％、ＦＣ分５０質量％の微粉炭１０．８トン（約２７０ｋｇ／トン−溶鋼）を黒鉛電極７の中空部８から添加した。還元鉄４は約４０分で全量５７トンが溶解し、そこまでの電力消費量は４０ＭＷｈ（約１０００ｋＷｈ／トン−溶鋼）であった。また、溶け落ち時の溶鉄温度は１５００℃で、溶鉄中の炭素濃度は１．１質量％であった。

その後、２本の酸素ランス１０から、合わせて１５０００Ｎｍ³／ｈの酸素を約１５分吹き付けて脱炭を行い、溶鋼を製造した。生成した溶鋼は約４０トンであり、吹き止め温度は１６５０℃、溶鋼中の炭素濃度は０．０５質量％、窒素濃度は出鋼後の鍋内で１４ｐｐｍであった。

また、アーク式還元溶解炉２から発生した排ガスはアーク溶解期も含めて、集塵後にガスホルダー１２に回収貯蔵され、回収された排ガス量は約１９０００Ｎｍ³で、回収された排ガスのＣＯ濃度は８５体積％、ＣＯ₂濃度は１０体積％であった。このように、シャフト炉１で天然ガスを全く用いずに、また、ＣＯ₂除去装置を使用することなく、少ない炭材原単位で低窒素濃度の溶鋼を製造できることを確認した。

（実施例４）
実施例１と同じシャフト式還元設備とアーク式還元溶解炉２とを用いて、以下のような手順により酸化鉄原料から溶鋼を製造した。酸化鉄原料も実施例１と同じものを使用した。
アーク式還元溶解炉２からの排ガスを、実施例１と同様に、当該チャージ以前の排ガスを除塵装置１１で除塵した後にガスホルダー１２に貯留しておいた。そして、ガスホルダー１２に貯留された排ガスを、ＣＯ₂除去装置１３を通さずにガス予熱装置１４で８００℃まで加熱してから流量１５０００Ｎｍ³／ｈでシャフト炉１に供給した。このとき、排ガス中のＣＯ濃度は８５体積％、ＣＯ₂濃度は１０体積％であった。また、シャフト炉１からの排ガスも、ＣＯ₂除去装置１３は通さずに、除塵装置１５とガス予熱装置１４とを通して循環利用した。この結果、シャフト炉１内部で還元されて下部から排出された還元鉄４は還元率４７％で、生産速度は５７ｔ／ｈであった。

次に、シャフト炉１で製造された還元鉄４の約１０トン分をシャフト炉１下部に貯め置き、還元鉄供給路５を通して約７００℃の高温のまま、アーク式還元溶解炉２に約５０分かけて連続添加し、直流アークで加熱して追還元及び溶解を行った。トータルの還元鉄添加量は５７トンであった。この際、トータルＣ分が８０質量％、ＦＣ分７５質量％の微粉炭９．１トン（約２３０ｋｇ／トン−溶鋼）を黒鉛電極７の中空部８から添加した。還元鉄４は約５５分で全量５７トンが溶解し、そこまでの電力消費量は５５ＭＷｈ（約１３６０ｋＷｈ／トン−溶鋼）であった。また、溶け落ち時の溶鉄温度は１６５０℃で、溶鉄中の炭素濃度は０．０５質量％であったため、酸素ガスによる脱炭を行わずにそのまま出鋼した。生成した溶鋼は約４０トンであり、窒素濃度は出鋼後の鍋内で３０ｐｐｍであった。

また、アーク式還元溶解炉２から発生した排ガスは集塵後にガスホルダー１２に回収貯蔵され、回収された排ガス量は約１５０００Ｎｍ³で、回収された排ガスのＣＯ濃度は８５体積％、ＣＯ₂濃度は１０体積％であった。このように、シャフト炉１で天然ガスを全く用いずに、また、ＣＯ₂除去装置を使用することなく、少ない炭材原単位でかつ酸素ガスを用いることなく溶鋼を製造できることを確認した。

（実施例５）
実施例１と同じシャフト式還元設備とアーク式還元溶解炉２とを用いて、以下のような手順により酸化鉄原料から溶鋼を製造した。酸化鉄原料も実施例１と同じものを使用した。
アーク式還元溶解炉２からの排ガスは、除塵装置１１、ＣＯ₂除去装置１３、ガス予熱装置１４を通さずに、そのままシャフト炉１に直結した排ガスダクトを通じて供給した。このとき、排ガス中の平均ＣＯ濃度は８５体積％で、ＣＯ₂濃度は１０体積％であった。また、シャフト炉１からの排ガスも除塵装置１５、ＣＯ₂除去装置１３、ガス予熱装置１４を通さずに、アーク式還元溶解炉２からの排ガスに混合して循環利用した。この結果、シャフト炉１内部で還元されて下部から排出された還元鉄４は還元率４７％で、生産速度は５７ｔ／ｈであった。

次に、シャフト炉１で生産された還元鉄４の約１０トン分をシャフト炉１下部に貯め置き、還元鉄供給路５を通して約７００℃の高温のまま、アーク式還元溶解炉２に約５０分かけて連続添加し、直流アークで加熱して追還元及び溶解を行った。トータルの還元鉄添加量は５７トンであった。この際、トータルＣ分が８０質量％、ＦＣ分７５質量％の微粉炭９．１トン（約２３０ｋｇ／トン−溶鋼）を黒鉛電極７の中空部８から添加した。還元鉄４は約５５分で全量５７トンが溶解し、そこまでの電力消費量は５５ＭＷｈ（約１３６０ｋＷｈ／トン−溶鋼）であった。また、溶け落ち時の溶鉄温度は１６５０℃、溶鉄中の炭素濃度は０．０５質量％であったため、酸素ガスによる脱炭を行わずにそのまま出鋼した。この結果、生成した溶鋼は約４１トンであり、酸化鉄原料に対する溶鋼の鉄分歩留まりは、約９５％から９８％に向上した。なお、溶鋼中の窒素濃度は出鋼後の鍋内で３０ｐｐｍであった。

このように、シャフト炉１で天然ガスを全く用いずに、また、除塵装置、ＣＯ₂除去装置、ガス予熱装置を使用することなく、少ない炭材原単位でかつ酸素ガスを用いることなく溶鋼を製造できることを確認した。また、還元溶解炉やシャフト炉からの排ガスを除塵することなく、そのままシャフト炉に吹き込むことにより鉄分歩留まりが向上することが確認された。

１ シャフト炉
２ アーク式還元溶解炉
３ 還元溶解炉の排ガスダクト
４ 還元鉄
５ 還元鉄供給路
６ 添加孔
７ 黒鉛電極
８ 中空部
９ 溶鋼
１０ 酸素ランス
１１ 除塵装置（アーク式還元溶解炉排ガス用）
１２ ガスホルダー
１３ ＣＯ₂除去装置
１４ ガス予熱装置
１５ 除塵装置（シャフト炉排ガス循環用）

Claims (4)

1. シャフト炉において還元ガスを用いて酸化鉄原料を直接還元して還元鉄を製造し、該還元鉄をアーク式還元溶解炉に装入して、追還元および溶解を行って溶鋼を製造する方法において、
   前記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前記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％以上とすることを特徴とする溶鋼の製造方法。
2. 前記シャフト炉において用いる還元ガスを全て前記アーク式還元溶解炉からの排ガスとし、天然ガスを使用しないようにすることを特徴とする請求項１に記載の溶鋼の製造方法。
3. 前記シャフト炉で製造する還元鉄の還元率を５０％以上９５％以下とし、該還元率の還元鉄の製造に必要な排ガスが発生するように前記アーク式還元溶解炉で前記炭材の添加量を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の溶鋼の製造方法。
4. 前記アーク式還元溶解炉および前記シャフト炉のうち少なくとも一方からの排ガスを、冷却および集塵することなく、前記シャフト炉にそのまま吹き込み、前記排ガス中のダストも前記還元鉄の原料として利用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶鋼の製造方法。

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