JP6740779B2

JP6740779B2 - 含鉄材の溶解方法

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Publication number: JP6740779B2
Application number: JP2016148489A
Authority: JP
Inventors: 昭英開澤; 務川　進; 進務川; 拓也内山; 裕平伊青; 啓太笠本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2036-07-28
Also published as: JP2018016853A

Description

本発明は、含鉄材の溶解方法に関する。

近年、高炉や電気炉を用いずに溶融鉄を製造する技術の開発が多数試みられており、このような技術の一つに、炭材の燃焼による含鉄冷材の溶解技術がある。この技術では、転炉型の溶解炉を用い、石炭、コークス等の炭材の燃焼エネルギーにより、スクラップ、海綿鉄、ペレット、固形銑鉄、鉄鉱石等といった含鉄冷材を溶解して、高炭素の溶融鉄が製造される。

このような含鉄冷材の溶解方法の例として、以下の特許文献１に開示されているように、上吹きランスと底吹き羽口とを有する転炉を用い、一定量以上の高炭素の溶融鉄（以下、「種湯」ともいう。）の存在する転炉内に含鉄冷材を供給し、底吹き羽口から粉状炭材（微粉炭）、酸素、冷却用ガス等を吹き込みつつ、上吹きランスから酸素を吹き付けて、含鉄冷材の溶解を行う方法がある。

特許第３７６４５４３号

ここで、上記特許文献１に開示されているような含鉄冷材の溶解方法では、底吹き羽口から種湯に対して炭材を吹き込んでいるが、吹き込まれた炭材の一部が炉外へと吹き抜けてしまい、炭素ダストとなる。このような炭素ダストが多く発生すると、炭材原単位の増加を招いてしまうため、操業性を維持しつつ炭素ダストを低減することが可能な技術が希求される。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、操業性を維持しつつ炭素ダストをより低減することが可能な、含鉄材の溶解方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
［１］上吹きランスと底吹き羽口とを有し、ＭｇＯ−Ｃレンガが内張りされた溶解炉を用い、溶融鉄の存在する前記溶解炉内に含鉄材を供給し、前記底吹き羽口から前記溶融鉄中に炭材を吹き込むと共に、前記上吹きランス、又は、前記上吹きランスと前記底吹き羽口とから酸素を供給して、前記含鉄材の溶解を行う含鉄材の溶解方法において、溶解過程の前記溶融鉄の温度を１２５０℃以上１４００℃以下に維持し、溶解終了時点での前記溶解炉内のスラグの成分が塩基度：１．４以上２．０以下、ＭｇＯ：５質量％以上３０質量％以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、前記溶融鉄に対してＭｎ含有原料を添加して、溶解中の前記スラグの液相率を５０％以上８０％未満とする、含鉄材の溶解方法。
［２］前記スラグ中のＭｎＯ含有量が０質量％超過２０質量％以下となるように、前記Ｍｎ含有原料を添加する、［１］に記載の含鉄材の溶解方法。
［３］前記スラグ中のＭｎＯ含有量が０質量％超過１０質量％以下となるように、前記Ｍｎ含有原料を添加する、［１］又は［２］に記載の含鉄材の溶解方法。
［４］前記スラグ中のＭｎＯ含有量が４質量％以上１０質量％以下となるように、前記Ｍｎ含有原料を添加する、［１］〜［３］の何れか１つに記載の含鉄材の溶解方法。
［５］前記溶解終了時点での前記スラグ中のＴ．Ｆｅは、０．５質量％以上６質量％以下であり、前記溶解終了時点での前記スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３は、５質量％以上３０質量％以下である、［１］〜［４］の何れか１つに記載の含鉄材の溶解方法。

以上説明したように本発明によれば、操業性を維持しつつ炭素ダストをより低減することが可能となる。

スラグの塩基度及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＭｇＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＭｇＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＭｇＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＭｇＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＭｇＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＭｇＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、Ａｌ_２Ｏ_３含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、Ａｌ_２Ｏ_３含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、Ａｌ_２Ｏ_３含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、Ａｌ_２Ｏ_３含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、Ａｌ_２Ｏ_３含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、Ａｌ_２Ｏ_３含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、Ａｌ_２Ｏ_３含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＦｅＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＦｅＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＦｅＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＦｅＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＦｅＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。スラグの塩基度、ＦｅＯ含有量及びＭｎＯ添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

（溶解炉における反応メカニズムについて）
本発明の実施形態に係る含鉄材の溶解方法について説明するに先立ち、まず、溶解炉における反応メカニズムについて、簡単に説明する。
含鉄材の溶解方法で用いられる転炉型の溶解炉では、溶解炉内に高炭素（例えば、４．３％程度）の溶融鉄（種湯）を一定量以上存在させておいた上で、炉上から含鉄材が装入され、炉底から炭材が吹き込まれる。また、炉上から挿入される上吹きランスから吹き込まれた酸素ジェットが溶鉄面に衝突することで、衝突位置の近傍の溶鉄面では火点が形成されるとともに、火点の周囲の溶鉄面上にはスラグ層が生成されていく。この際に、以下の表１に示したように、（１）スラグ層中では炭材の燃焼（ＣＯガス生成）、酸化鉄の還元（ＣＯガス生成）及びＣＯガスの燃焼（ＣＯ_２生成）が生じ、（２）上吹きランスの周囲の炉内空間では、火点中やスラグ層中で生成したＣＯガスが酸素ジェットに巻き込まれることによるＣＯガスの燃焼（ＣＯ_２の生成）や、炉内に飛散した炭材によるＣＯ_２ガスの還元（ソリューションロス）が生じる。

ここで、先だって言及したように、吹き込まれた炭材の一部が炉外へと吹き抜けてしまい、炭素ダストとなる。このような炭素ダストが多く発生すると、炭材原単位の増加を招いてしまうため、操業性を維持しつつ炭素ダストを低減することが重要となる。

炭素ダストを低減するためには、上記のような炭素ダストの発生過程からわかるように、溶融鉄中を吹き抜けてしまう炭材を減らせばよい。炭材が溶融鉄の表面から炉内空間へと吹き抜けないようにするためには、溶融鉄の上層に形成されるスラグ層を溶融させて、溶融したスラグが溶融鉄（溶銑）を覆うようにすればよい。かかる観点から、本発明者は、炉内で形成されるスラグの融点を下げることで、炭素ダストの低減が可能であることを知見した。

ここで、本発明者は、スラグの融点を下げる方法について鋭意検討を行って、以下のような知見を得ることができた。

スラグの融点を下げるための方法としては、まず、スラグの塩基度（ＳｉＯ_２の含有量に対するＣａＯの含有量の比）を低下させる方法と、副原料として添加されるＭｇＯの添加量を低減する方法と、が考えられる。

しかしながら、スラグの塩基度を低下させると、溶融鉄の脱硫効率が大きく低下してしまう。ここで、ダストや炭材等の原燃料に硫黄（Ｓ）が含有されている場合に脱硫効率が低下してしまうと、Ｓが溶銑に濃縮されてしまう。表面吸着元素であるＳが濃縮すると、炭材に含まれる炭素（Ｃ）の溶銑への溶解（着炭）を阻害し、溶銑のＣ濃度が低下してしまう。溶銑のＣ濃度が低下すると、上吹きランス等への地金の付着量が増加したり、溶銑が凝固したりする可能性があり、操業性の低下が懸念される。また、転炉等の溶解炉の内壁は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を主成分とする塩基性耐火物が内張りされていることが多いが、塩基度の低下はＭｇＯの飽和溶解度を大きくするために、耐火物中のＭｇＯが溶銑に溶け出してしまい、耐火物損耗が促進されてしまう。このような観点から、スラグの塩基度を低下させることは、好ましくないとの結論に達した。

また、炉の内壁に内張りされている耐火物の損耗を抑制するために、一般的に、ＭｇＯを副原料として添加し、スラグ中のＭｇＯ濃度を適正な値とすることが行われている。そのため、副原料として添加されるＭｇＯの添加量を低減してしまうと、耐火物の損耗を促進することとなってしまい、好ましくない。

以上のような知見から、スラグの融点を操業性の低下を招くことなく実現可能な方法について、更なる検討を行った結果、以下で詳述するように、スラグに対して酸化マンガン（ＭｎＯ）を添加することに想到したのである。

（ＭｎＯ添加に関する検討）
上記のような検討により、本発明者は、スラグに対してＭｎＯを添加することで、スラグの融点を低下させることに着想した。スラグに対してＭｎＯを添加することで、主に、高融点鉱物相であるメルウィナイト（Ｃａ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８）の生成を抑制することが可能となり、その結果、融点を大きく低下させることが可能となって、スラグの液相率を増加させることができる。

溶融したスラグが溶銑を覆うことで、底吹き羽口から供給される微粉炭等の炭材の炉外への吹き抜けを抑制することが可能となる結果、Ｃダストを低減させて、炭材原単位を削減することが可能となる。また、炭材の吹き抜けが抑制されることで、炉内気相中の余分な炭材（微粉炭）の浮遊が減少する。先だって説明したように、炉内空間では、浮遊した炭材がソリューションロス反応を引き起こしていたが、浮遊する炭材が減少することでソリューションロス反応が起こりにくくなり、着熱効率を増加させることも可能となる。その結果、酸素原単位を削減することも可能となる。

また、ＭｎＯは、スラグの光学的塩基度を上げるように作用する物質であるため、ＭｎＯを添加することで、スラグの脱硫効率の指標であるサルファイドキャパシティを増加することができ、スラグの低融点化と脱硫効率の両立を図ることが可能となる。

次に、本発明者は、スラグをどの程度溶融させればよいのか、実際に検証を行って、溶解中のスラグの液相率（スラグの全体積に占める液相状態のスラグの体積の割合）に関する知見を得た。その結果、溶解中のスラグの液相率を、５０％以上８０％未満とすればよいことに想到した。溶解中のスラグの液相率を５０％以上８０％未満とすることで、炭材の炉外への吹き抜けを抑制しつつ、スロッピングの発生による歩留まり悪化や操業性の低下を抑制することが可能となる。スラグの液相率が５０％未満である場合には、炭材の炉外への吹き抜けを抑制することが困難となり、Ｃダストの低減を図ることが困難となるため、好ましくない。一方、スラグの液相率が８０％を超える場合には、スロッピングの発生による歩留まり悪化や操業性の低下が懸念されるため、好ましくない。

ここで、本実施形態で着目する含鉄材の溶解処理において、転炉型の溶解炉に内張りされた、ＭｇＯを主成分とする塩基性耐火物の損耗を抑制する観点から、溶融鉄の温度は、操業が可能な程度でなるべく低い値に制御することが一般的である。炭素を４質量％含有する溶銑の融点（液相線温度）は、約１２００℃であるため、含鉄材の溶解過程では、溶融鉄の温度を１２５０℃以上１４００℃以下に維持することが好ましい。溶融鉄の温度を１２５０℃以上１４００℃以下とすることで、耐火物の損耗を抑制しつつ、含鉄材を溶融させることが可能となる。

以上のような知見を踏まえ、本発明者は、市販の熱力学計算アプリケーションであるＦａｃｔＳａｇｅを利用して、以下で述べるような組成のスラグが平衡に達した場合の液相組成及び固相組成を計算し、スラグの液相率についてのシミュレーションを行った。

かかるシミュレーションでは、上記の知見から、溶解処理中の溶融鉄の平均温度として１３００℃を設定し、ＭｇＯ：１２質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１２質量％、ＦｅＯ：２質量％、塩基度（ＣａＯ質量％／ＳｉＯ_２質量％、以下「Ｃ／Ｓ」と略記する。）：０．８〜２．４の組成を有するスラグを基準として、ＭｎＯの添加量を０質量％〜３０質量％の範囲で変化させて、スラグの液相率を計算した。

得られた結果を、図１に示した。図１において、横軸は、塩基度（Ｃ／Ｓ）であり、縦軸は、得られた液相率である。図１から明らかなように、ＭｎＯの添加量が０質量％から２０質量％へと増加していくに従って、スラグの液相率は増加していき、ＭｎＯの添加量が２０質量％を超えると、液相率が低下することがわかる。ＭｎＯの添加量が２０質量％を超えると液相率が低下する理由については、以下のように考えている。すなわち、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−ＭｎＯの三元系状態図を参照すると、塩基度が一定であれば、ＭｎＯを増加させていくことで融点は低下していき、融点の極小値が存在することがわかる。融点の極小値に到達するまでは、ＭｎＯを添加するほど融点が下がっていくため、液相率は高くなっていく。その後、極小値を超えてＭｎＯを添加すると、ＣａＯやＭｇＯとの固相が析出しやすくなって融点が上がるため、再び液相率が低くなってしまう。

ここで、図１から、塩基度（Ｃ／Ｓ）が１．４未満である場合には、ＭｎＯを添加しなくとも液相率は十分に高く、ＭｎＯを添加する重要性が低くなる。また、実際の操業において、塩基度（Ｃ／Ｓ）が２．０以上である場合には、滓化が悪いために平衡に近づくことができず、液相率は非常に低い。このような状態では、ＭｎＯ添加による融点低下は、効率が悪いと考えられる。そのため、ＭｎＯを添加することに意味がある塩基度（Ｃ／Ｓ）の範囲は、１．４以上２．０以下であると判断した。

図１から、塩基度（Ｃ／Ｓ）を１．４以上２．０以下に維持しつつ、溶解終了時点におけるスラグ中のＭｎＯの含有量が０質量％超過２０質量％以下となるようにＭｎＯを添加すれば、５０％以上の液相率を実現可能であることがわかる。ここで、ＭｎＯを添加し過ぎると、スラグの液相化が促進され過ぎて、スラグの流動による炉内耐火物の損耗が顕著となる可能性がある。また、ＭｎＯ添加のコストを考えると、ＭｎＯの添加量は、少ない方が好ましい。そこで、以下では、ＭｎＯの添加量が１０質量％以下である場合に着目して、更なるシミュレーションを行った。

まず、本発明者は、耐火物の損耗を抑制するために添加されるＭｇＯの含有量を変化させた場合に、スラグの液相率がＭｎＯの添加によってどのように変化するかについて、上記と同様のアプリケーションを利用して検証を行った。かかる検証では、溶解処理中の溶融鉄の平均温度として１３００℃を設定し、ＭｇＯ：５質量％〜３０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１２質量％、ＦｅＯ：２質量％、塩基度（Ｃ／Ｓ）：０．８〜２．４の組成を有するスラグを想定し、ＭｎＯの添加量を０質量％〜１０質量％の範囲で変化させて、スラグの液相率を計算した。

得られた結果を、図２Ａ〜図２Ｆに示した。図２Ａ〜図２Ｆから明らかなように、ＭｇＯの含有量が５質量〜３０質量％の範囲では、塩基度（Ｃ／Ｓ）が１．４以上２．０以下の範囲において、液相率５０％以上を実現可能なＭｎＯの添加量が存在することがわかる。このような液相率の増加は、ＭｎＯが高融点鉱物相であるメルウィナイトの生成を抑制してスラグの融点を大きく低下させたためだと考えられる。一方、ＭｇＯの含有量を多くすると、液相率は低下する傾向がある。かかる液相率の傾向は、飽和溶解度以上にＭｇＯの含有量が増加するために生じる。前述の通り、耐火物保護の観点からは、ＭｇＯの含有量は増加させたいものの、液相率増加の観点からは、ＭｇＯの含有量は低い方が望ましい。また実際の操業においてＭｇＯの含有量が３０質量％を超えると、滓化が悪いために平衡に近づくことができず、ＭｎＯを１０質量％添加した場合であっても、必要以上にＭｇＯを添加することで未溶解のＭｇＯが多く存在してしまい、液相率５０％を実現できないことがわかった。このような結果から、溶解終了時点でのスラグ中にＭｇＯが５質量％以上３０質量％以下含有されるように、副原料を添加することが好ましいとの知見を得た。

次に、本発明者は、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量を変化させた場合に、スラグの液相率がＭｎＯの添加によってどのように変化するかについて、上記と同様のアプリケーションを利用して検証を行った。かかる検証では、溶解処理中の溶融鉄の平均温度として１３００℃を設定し、ＭｇＯ：１２質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０質量％〜３０質量％、ＦｅＯ：２質量％、塩基度（Ｃ／Ｓ）：０．８〜２．４の組成を有するスラグを想定し、ＭｎＯの添加量を０質量％〜１０質量％の範囲で変化させて、スラグの液相率を計算した。

得られた結果を、図３Ａ〜図３Ｇに示した。まず、図３Ａから明らかなように、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が０質量％である場合には、スラグの液相率は極めて小さく、ＭｎＯを添加した場合であっても、液相率を十分に増加させることは困難であることがわかる。また、図３Ｂ〜図３Ｇから明らかなように、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が５質量〜３０質量％の範囲では、塩基度（Ｃ／Ｓ）が１．４以上２．０以下の範囲において、液相率５０％以上を実現可能なＭｎＯの添加量が存在することがわかる。塩基度にもよるが、液相率を最大化するＡｌ_２Ｏ_３の含有量には、最適値が存在する。例えば塩基度が１．６の場合には、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１５質量％で、液相率を最大化する最適値が存在する。また実際の操業においてＡｌ_２Ｏ_３の含有量が３０質量％を超えると、滓化が悪いために平衡に近づくことができず、ＭｎＯを１０質量％添加した場合であっても、液相率５０％を実現できない。このような結果から、溶解終了時点でのスラグ中にＡｌ_２Ｏ_３が５質量％以上３０質量％以下含有されるように、副原料を添加することが好ましいとの知見を得た。

続いて、本発明者は、ＦｅＯの含有量を変化させた場合に、スラグの液相率がＭｎＯの添加によってどのように変化するかについて、上記と同様のアプリケーションを利用して検証を行った。かかる検証では、溶解処理中の溶融鉄の平均温度として１３００℃を設定し、ＭｇＯ：１２質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１２質量％、ＦｅＯ：０質量％〜１０質量％、塩基度（Ｃ／Ｓ）：０．８〜２．４の組成を有するスラグを想定し、ＭｎＯの添加量を０質量％〜１０質量％の範囲で変化させて、スラグの液相率を計算した。

得られた結果を、図４Ａ〜図４Ｆに示した。図４Ａ〜図４Ｆから明らかなように、一般的な含鉄材の溶解処理で実際に設定される、ＦｅＯの含有量が０質量〜１０質量％の範囲では、塩基度（Ｃ／Ｓ）が１．４以上２．０以下の範囲において、液相率５０％以上を実現可能なＭｎＯの添加量が存在することがわかる。従って、ＦｅＯの含有量については、一般的な含鉄材の溶解処理の操業で設定される範囲であれば、特に限定されるものではなく、ＭｎＯを添加することで、液相率５０％以上を実現可能であることがわかった。

図２Ａ〜図４Ｆに示したシミュレーション結果は、スラグ組成のうちのある成分（ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯ）の含有量のみを変化させ、残りの成分の含有量を固定した上で、ＭｎＯの添加による液相率の増加について検証したものである。かかる知見をもとに、塩基度（Ｃ／Ｓ）と、ＭｇＯの含有量と、を総合的に制御する（より好ましくは、塩基度（Ｃ／Ｓ）と、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３の含有量と、を総合的に制御する）ことで、より確実に、スラグの液相率が５０％以上となる状態を実現することが可能となる。

（含鉄材の溶解方法について）
次に、以上説明したような知見をもとに想到した本実施形態に係る含鉄材の溶解方法について、詳細に説明する。
本実施形態に係る含鉄材の溶解方法は、上吹きランスと底吹き羽口とを有し、酸化マグネシウムを主成分とする塩基性耐火物が内張りされた転炉型の溶解炉を用い、溶融鉄（種湯）の存在する溶解炉内に含鉄材を供給し、底吹き羽口から溶融鉄中に炭材を吹き込むと共に、上吹きランス、又は、上吹きランスと底吹き羽口とから酸素を供給して、含鉄材の溶解を行うものである。

ここで、本実施形態に係る含鉄材の溶解方法が適用される転炉型の溶解炉については、特に限定されるものではなく、ＭｇＯを主成分とする塩基性耐火物（例えば、ＭｇＯ−Ｃレンガ等）が内張りされたものであれば、公知の溶解炉を利用することが可能である。

種湯中に供給される含鉄材については、特に限定されるものではなく、スクラップ、海綿鉄、ペレット、還元鉄、固形銑鉄、鉄鉱石等といった公知の含鉄冷材を、適宜利用することが可能である。

また、種湯中に吹き込む炭材についても、特に限定されるものではなく、石炭、コークス、黒鉛等といった炭素を含有する素材を粉状にしたものや微粉炭等を適宜利用することが可能である。

更に、上吹きランスや底吹き羽口から吹き込まれる酸素量についても、特に限定されるものではなく、製造する溶銑の容量に応じて、適宜設定すればよい。

本実施形態に係る含鉄材の溶解方法では、溶解過程の溶融鉄の温度を１２５０℃以上１４００℃以下に維持する。溶解過程の溶融鉄の温度を１２５０℃以上１４００℃以下とすることで、前述のように、耐火物の損耗を抑制しつつ、含鉄材を溶融させることが可能となる。溶融鉄の温度が１２５０℃未満である場合には、供給された含鉄材を溶融させることが困難となるため、好ましくない。一方、溶融鉄の温度が１４００℃を超えると、溶解炉に内張りされた耐火物の損耗が促進されるため、好ましくない。溶融鉄の温度は、好ましくは、１２５０℃以上１３５０℃以下であり、より好ましくは、１２８０℃以上１３２０℃以下である。

また、本実施形態に係る含鉄材の溶解方法では、溶解終了時点での転炉内のスラグの成分が塩基度（Ｃ／Ｓ）：１．４以上２．０以下、ＭｇＯ：５質量％以上３０質量％以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、溶融鉄に対してＭｎ含有原料を添加して、溶解中のスラグの液相率が５０％以上８０％未満となるようにする。

塩基度（Ｃ／Ｓ）：１．４以上２．０以下、ＭｇＯ：５質量％以上３０質量％以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、溶融鉄に対してＭｎ含有原料を添加して、溶解中のスラグの液相率が５０％以上８０％未満となるようにすることで、先だって説明したように、操業性及び脱硫効率を維持しつつ、炭素ダストの低減を図ることが可能となる。

ここで、溶融中のスラグの液相率は、好ましくは、５５％以上７５％以下であり、より好ましくは、６０％以上７０％以下である。

また、塩基度（Ｃ／Ｓ）、及び、ＭｇＯの含有量が、上記の範囲外となる場合には、先だって説明したように、ＭｎＯを添加したとしても溶解中のスラグの液相率を５０％以上８０％未満とすることが困難となるため、好ましくない。塩基度（Ｃ／Ｓ）は、好ましくは、１．４以上１．８以下であり、より好ましくは、１．４以上１．６以下である。ＭｇＯの含有量は、好ましくは、５質量％以上２０質量％以下であり、より好ましくは、１０質量％以上１５質量％以下である。

更に、本実施形態に係る含鉄材の溶解方法では、溶解終了時点での転炉内のスラグの成分として、Ａｌ_２Ｏ_３が５質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。溶解終了時点でのＡｌ_２Ｏ_３の含有量が上記範囲となるように副原料使用量を制御することで、操業性及び脱硫効率を維持しつつ、より確実に炭素ダストの低減を図ることが可能となる。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは、５質量％以上２０質量％以下であり、より好ましくは、１０質量％以上１５質量％以下である。

また、本実施形態に係る含鉄材の溶解方法では、溶解終了時点での転炉内のスラグの成分として、Ｔ．Ｆｅが０．５質量％以上６質量％以下含有されていてもよい。

なお、上記のようなスラグ組成を実現するために添加される副原料は、特に限定されるものではなく、生石灰、石灰石、ドロマイト、蛍石等といった、公知の副原料を利用することが可能である。公知の副原料を利用して、上記のようなスラグ組成が実現されるように、各副原料の使用量を決定すればよい。

また、溶融鉄に対して添加されるＭｎ含有原料は、Ｍｎを含有するものであれば、任意の原料を使用することが可能であり、Ｍｎ鉱石のようにＭｎが酸化物（ＭｎＯ_２）の形態で含有されているもの（酸化マンガン含有物）を使用してもよく、Ｍｎが酸化物以外の形態で含有されているものを使用してもよい。Ｍｎが酸化物以外の形態で含有されているＭｎ含有原料を使用した場合であっても、Ｍｎ含有原料中のＭｎが処理中に酸化されて、ＭｎＯとして機能するようになる。

ここで、上記のようなＭｎ含有原料は、溶解終了時点での転炉内のスラグ中のＭｎＯ含有量が０質量％超過２０質量％以下となるように添加することが好ましく、溶解終了時点でのＭｎＯ含有量が０質量％超過１０質量％以下となるように添加することがより好ましく、溶解終了時点でのＭｎＯ含有量が４質量％以上１０質量％以下となるように添加することが更に好ましい。Ｍｎ含有原料の添加量を上記のような値とすることで、スラグの融点を低下させることが可能となり、操業性及び脱硫効率を維持しつつ、炭素ダストの低減を図ることが可能となる。

次に、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係る含鉄材の溶解方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本発明に係る含鉄材の溶解方法の一例であって、本発明に係る含鉄材の溶解方法が下記の例に限定されるものではない。

以下の実験例では、１６０トン規模の転炉型溶解炉を用いて、溶解試験を実施した。炭素含有量が４．０質量％〜４．３質量％程度である種湯に対して、炉の上方から鉄含有原料を投入して溶解を行った。この際、主たる鉄含有原料として、還元鉄を使用した。還元鉄は、主原料として、溶解炉、転炉、高炉等から発生するダストを利用し、かかる主原料に対して、還元剤としてＣを含有する炭材を配合した上で、混錬及び造粒したものを還元炉にて溶解・還元処理することにより得た。また、造粒は、双ロール型のブリケットマシーンを使用して行ったが、転動法によるペレット造粒を利用してもよい。還元炉は、炉直径２０ｍの回転床炉型の炉を使用し、ＬＮＧバーナーで還元温度を１３００〜１４００℃に制御して還元を行った。還元鉄中の鉄分の金属化率は、８８〜９３％であった。

転炉型溶解炉での溶解試験では、上吹きランスから２５０００Ｎｍ^３／ｈで酸素を供給した。また、溶解後の温度を１３９０℃〜１４１０℃、溶銑のＣ濃度を４．０質量％〜４．３質量％に維持できるように、底吹き羽口からＮ_２ガスをキャリアガスとして炭材供給を行った。炭材としては、微粉炭を利用した。かかる溶解試験において、溶解中期の溶銑温度は、約１３００℃であった。

スラグは、溶解終了後のスラグ排出量を調整するとともに炭材や還元鉄から発生するスラグの成分調整を行うために、石灰を添加し、スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）を調整した。以下に示す各水準では、ほぼ同量の還元鉄、炭材、及び、ドロマイトを添加して、ＭｇＯ含有量及びＡｌ_２Ｏ_３含有量を調整した。その結果、ＭｇＯ含有量は、５質量％〜３０質量％の範囲となり、Ａｌ_２Ｏ_３含有量は、１０質量％〜１４質量％の範囲となった。また、Ｍｎ含有原料としてＭｎ鉱石を使用し、所定の濃度になるように添加した。

以下の実験例では、処理中に５分間隔で集塵水トラフの水を採取し、水分を蒸発させて残渣を取りだすことにより、各水準について含有ダスト量を求めた。その上で、燃焼法による分析によりダスト中のＣ濃度を測定し、Ｃダスト発生量を評価した。より詳細には、以下に示す比較例１におけるＣダスト発生量を１として、各水準のＣダスト発生量を指数化した。脱硫効率は、溶解終了時点での溶銑のＳ濃度を比較例１の溶銑Ｓ濃度で除することで指標化して、評価した。また、スロッピングにより送酸速度を停止させたものを「スロッピング発生」として定義し、発生頻度として評価した。スラグの液相率は、熱力学計算ソフトＦａｃｔＳａｇｅによって評価した。

得られた結果を、以下の表２にまとめて示した。

塩基度（Ｃ／Ｓ）が１．４である場合に、実施例１及び実施例２では、ＭｎＯ濃度を高めて液相率を５０％以上８０％未満に制御した結果、Ｃダスト発生量は低下し、また、脱硫の促進によってＳ濃度も低下した。一方、比較例１〜比較例３では、液相率が低く、Ｃダスト発生量が十分に低減していないことがわかる。また、比較例４では、Ｃダスト発生量、Ｓ濃度ともに良好な結果を得られているものの、液相率が８０％と高いため、スロッピングが発生し、操業を継続することができなかった。

実施例１〜実施例５では、塩基度（Ｃ／Ｓ）を１．４〜２．０に制御するとともに、液相率を５０％以上８０％未満に制御した結果、Ｃダスト発生量は低下し、また、脱硫の促進によってＳ濃度が低下した。一方、比較例５及び比較例６では、塩基度（Ｃ／Ｓ）を１．０と低くしたために、ＭｎＯ濃度に関わらず脱硫指数が増加することがわかる。また、比較例７のように塩基度（Ｃ／Ｓ）を２．１とした場合には、計算液相率が高いにも関わらず、Ｃダスト発生量の低下が認められなかった。これは、滓化が悪いために平衡に近づくことができず、液相率が低いスラグが生成したためと推定される。

実施例６〜実施例１０では、ＭｇＯ濃度を５〜２０％に制御した結果、Ｃダスト発生量は低下し、また、脱硫の促進によってＳ濃度が低下した。これは、ＭｎＯ濃度を高めることで、メルウィナイト（Ｃａ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８）の生成が抑制されたためである。一方、比較例８では、ＭｇＯ濃度が３０％を超えるように制御した結果、Ｃダスト発生量が十分に低減していないことがわかる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims

上吹きランスと底吹き羽口とを有し、ＭｇＯ−Ｃレンガが内張りされた溶解炉を用い、溶融鉄の存在する前記溶解炉内に含鉄材を供給し、前記底吹き羽口から前記溶融鉄中に炭材を吹き込むと共に、前記上吹きランス、又は、前記上吹きランスと前記底吹き羽口とから酸素を供給して、前記含鉄材の溶解を行う含鉄材の溶解方法において、
溶解過程の前記溶融鉄の温度を１２５０℃以上１４００℃以下に維持し、溶解終了時点での前記溶解炉内のスラグの成分が塩基度：１．４以上２．０以下、ＭｇＯ：５質量％以上３０質量％以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、前記溶融鉄に対してＭｎ含有原料を添加して、溶解中の前記スラグの液相率を５０％以上８０％未満とする、含鉄材の溶解方法。
前記スラグ中のＭｎＯ含有量が０質量％超過２０質量％以下となるように、前記Ｍｎ含有原料を添加する、請求項１に記載の含鉄材の溶解方法。
前記スラグ中のＭｎＯ含有量が０質量％超過１０質量％以下となるように、前記Ｍｎ含有原料を添加する、請求項１又は２に記載の含鉄材の溶解方法。
前記スラグ中のＭｎＯ含有量が４質量％以上１０質量％以下となるように、前記Ｍｎ含有原料を添加する、請求項１〜３の何れか１項に記載の含鉄材の溶解方法。
前記溶解終了時点での前記スラグ中のＴ．Ｆｅは、０．５質量％以上６質量％以下であり、前記溶解終了時点での前記スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３は、５質量％以上３０質量％以下である、請求項１〜４の何れか１項に記載の含鉄材の溶解方法。