JP6911935B2

JP6911935B2 - 電気炉及び酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元方法

Info

Publication number: JP6911935B2
Application number: JP2019551050A
Authority: JP
Inventors: 貴大田口; 強山▲崎▼; 秀平笠原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2038-10-17
Also published as: WO2019082762A1; TWI693288B; US11536514B2; KR20200052927A; BR112020006455B1; CN111263821A; TW201923095A; US20210190427A1; EP3705586A1; CN111263821B; KR102374981B1; EP3705586A4; JPWO2019082762A1; CA3079388A1; BR112020006455A2

Description

本発明は、酸化鉄含有鉄原料を使用して溶銑を製造する電気炉、及びその電気炉を用いた酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元方法に関する。
本願は、２０１７年１０月２３日に、日本国に出願された特願２０１７−２０４５４０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

鉄鉱石や、製鉄所から発生したダストから還元鉄を製造する直接還元製鉄法では、還元炉形式についてはシャフト炉、ロータリーキルン、回転炉床炉、流動層等が用いられ、還元剤については天然ガス、石炭等が用いられている。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。

また、これらの直接還元製鉄法のうち、還元炉形式がシャフト炉で還元剤として天然ガスを用いる方法、又は、還元炉形式が回転炉床炉で還元剤として石炭を用いる方法、により製造された酸化鉄含有鉄原料を使用して溶銑を製造する方法として、還元率の高い酸化鉄含有鉄原料をアーク炉において溶解し、溶銑を製造する方法が現在最も主流となっている。

しかしながら、還元率の高い酸化鉄含有鉄原料を製造するためには多量の還元剤を使用し、酸化鉄の還元反応がほぼ完遂するまでの滞留時間が必要となるため、天然ガス非産出国においてはコストと生産性の点からその採用が難しい。そこで、これら直接還元炉で還元率の高い酸化鉄含有鉄原料を製造するのではなく、直接還元炉は予備還元炉とし、この予備還元炉で予備還元を行って製造した還元率が比較的低い酸化鉄含有鉄原料を、アーク炉や溶解転炉を用いて溶解及び還元し、溶銑を製造する方法が採用されている。特許文献１の第６６頁には、回転炉床炉（ＲＨＦ）で予備還元された半還元鉄を含む混合物原料（ペレット又は粉粒状混合物原料）がサブマージドアーク炉（ＳＲＦ）に装入され、最終還元と溶解を目的とした仕上げ精錬が行われると記載されている。ＳＲＦでは酸素ガスと石炭が供給され、溶銑と回収ガスが得られる。なお、ＳＲＦでは炉の立ち上げ時には溶銑等の種湯の装入を必要とするが、定常操業状態では炉内鉄浴の存在によりその必要はない。特許文献２には、転炉で発生するダストに炭材を内装させて塊成化し、予備還元炉で高温加熱して内装炭材を還元材として予備還元後、高温状態で含鉄冷材の一部として種湯の存在する溶解専用転炉に供給し、再使用する方法が開示されている。

予備還元して製造した酸化鉄含有鉄原料を、種湯が存在するアーク炉内に投入して溶解及び還元し、溶銑を製造するための方法において、投入した酸化鉄含有鉄原料は、何らかの工夫を施さない限り、例えば、溶銑の攪拌がないような場合、比重が小さいため溶銑面に浮いた状態で溶解及び還元される。また、酸化鉄含有鉄原料はＣａＯ、ＳｉＯ_２などのスラグ成分を含有するため、溶解が進むと溶銑面にスラグが浮かび、炉上から投入された原料がスラグに捕捉されて溶銑との接触を阻害するため溶解せず、鉄歩留まりの低下を招く。投入した酸化鉄含有鉄原料の溶解と還元を促進するためには、投入した酸化鉄含有鉄原料を、なるべく高温部を利用すると共に、流動制御により溶銑へ巻き込ませて、原料を溶解及び還元する方法が挙げられる。

酸化物原料を、直流電気炉または交流電気炉のアークによる高温領域へ投入し、底吹き攪拌を付与して溶解および還元する方法については従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献３には、３相交流電気炉を用いた金属酸化物の溶融還元方法の発明が記載されている。その発明は、３相交流電気炉において、粉末状の金属原料鉱石、例としてクロム鉱石をアークの形成領域へ供給し、アーク熱により金属原料鉱石を溶解し、さらに、電気炉の炉底部にガス吹き込みノズルを配置して電気炉内の溶湯にガスを吹き込むことを特徴とする電気炉精錬法に関するものであるが、クロム鉱石の還元に係る方法であって、スラグ中還元剤と原料鉱石の接触による還元反応向上効果と溶湯と原料鉱石の接触による還元反応向上効果との切り分けが不明瞭である。

特許文献４には、製鋼用アーク炉において、炭素含有燃料及び酸素含有ガスを吹き込むとともに、アーク炉底部に配置されたノズルにより酸素を供給する方法が開示されている。３本の電極を有するアーク炉を用い、鉱石、予備還元鉱石などを、中空電極を介して吹き込み、金属溶融物を生成する際に底吹き攪拌を付与するとの記載があるが、アークが作る高温場における鉱石、予備還元鉱石の個数の集中度や、炉底における底吹きノズルの位置関係、投入原料の歩留まりについては言及されていない。

国際公開ＷＯ０１／０１８２５６号日本国特開２０００−４５０１２号公報日本国特開平１−２９４８１５号公報日本国特開昭６３−１２５６１１号公報

予備還元して製造した酸化鉄含有鉄原料を、種湯上に投入して溶解及び還元し、溶銑を製造する電気炉に関して、従来知られていた電気炉で炉底部から溶鉄中にガスを吹き込んで攪拌しつつ酸化鉄含有鉄原料を投入する方法を採用しても、溶銑に巻き込ませて十分に溶銑と混合させることができない。また、比重が小さい酸化鉄含有鉄原料を上部電極の下にある高温湯面部に留まらせることもできず、鉄歩留まりの向上効果が十分ではなかった。

本発明は、酸化鉄含有鉄原料を種湯溶銑上へ投入して溶解及び還元する電気炉であって、鉄歩留まりが高い、酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元を可能とする電気炉と、その電気炉を用いた酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元方法との提供を目的とする。

本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）本発明の一態様に係る電気炉は、１本以上の上部電極と、１本以上の底吹き羽口と、インペラーを具備する機械式攪拌機と、酸化鉄含有鉄原料を投入する投入装置と、を備える電気炉であって、前記底吹き羽口を３本以上有し；前記上部電極を複数本有し；平面視において、前記各上部電極の中心と前記インペラーの中心とを結ぶ各線分のうちで最も短い線分を３等分する２点のうちで、前記インペラーに近い側の点で当該線分と直交する直線を引いたとき、前記各底吹き羽口のうち、少なくとも３本以上の前記底吹き羽口の中心が、前記直交する直線よりも前記各上部電極に近い側にある。
（２）上記（１）に記載の電気炉では、前記平面視において、前記各上部電極の全ての中心と、前記投入装置の原料投入口とが、前記直交する直線よりも前記各上部電極に近い側にある３本以上の前記底吹き羽口の各中心を結ぶ多角形の内側にあってもよい。
（３）本発明の一態様に係る酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元方法は、上記（１）または（２）に記載の電気炉を用いる。この酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元方法では、溶湯が存在する前記電気炉内に、鉄の金属化率が４５％以上９５％以下の前記酸化鉄含有鉄原料を前記投入装置から投入して溶解及び還元するに際し、前記機械式攪拌機の前記インペラーを前記溶湯中に浸漬して回転させることにより、前記溶湯の表面にあるスラグ及び前記溶湯を攪拌する。

本発明の上記態様によれば、酸化鉄含有鉄原料を溶銑上に供給し、溶解および還元して溶銑を製造する際に使用する電気炉において、底吹き羽口からのガス吹き込みによりスラグ及び酸化鉄含有鉄原料と溶銑との混合を促進する底吹き攪拌と、インペラーを回転させることにより溶銑上に浮遊するスラグ及び酸化鉄含有鉄原料を溶銑中に巻き込ませる機械攪拌とを併せ持つことによって、高い鉄歩留まりで酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元が可能となる。

さらに、底吹き羽口を３本以上として、平面視で、各底吹き羽口の中心同士を結ぶ多角形の内側に上部電極と酸化鉄含有鉄原料の投入口を配置し、酸化鉄含有鉄原料をその多角形の内側に供給することで、酸化鉄含有鉄原料が上部電極直下近傍の高温部に投入され、かつ、その高温部から直ちに側壁側へと移動してしまうことを抑止することができる。このことにより、酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元が促進される。その上、上部電極直下近傍の高温部から離れた場所に設置したインペラーを回転させることにより、その高温部から移動してしまったスラグ及び溶解及び還元されなかった酸化鉄含有鉄原料を溶銑中に巻き込むことができるので、スラグ中ＦｅＯの還元や酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元が一層促進され、高い鉄歩留まりを安定して達成することができる。

本発明における電気炉の一例を示す縦断面図である。同電気炉の平断面図である。本発明における電気炉の他の例を示す平断面図である。図２Ａの電気炉を示す図であって、図２ＡのＡ−Ａ矢視図である。機械攪拌なしでの操業において、底吹きの有無が溶解及び還元処理中のスラグＦｅＯ濃度に及ぼす影響を示すグラフである。底吹きなしでの操業において、機械式攪拌が溶解及び還元処理中のスラグＦｅＯ濃度に及ぼす影響を示すグラフである。本発明に係る操業において、底吹きと機械式攪拌の両方が溶解及び還元処理中のスラグＦｅＯ濃度に及ぼす影響を示すグラフである。

本発明は、酸化鉄含有鉄原料を、炉上から種湯溶銑上へ投入し、アーク熱と種湯溶銑との接触により溶解および還元し、溶銑を製造することのできる電気炉を対象とする。また、炉上から投入した酸化鉄含有鉄原料が上部電極により生成したアークによる高温部に滞留し、かつ当該高温部の外側に設置した機械式攪拌機を回転させ、酸化鉄含有鉄原料およびその溶解に伴って生成するＦｅＯ濃度の高いスラグの溶銑内への巻き込みを可能とし、高い鉄歩留まりで溶銑を製造できる電気炉を提供する。

本発明は、アーク炉として好ましくは直流アーク炉を適用する。本発明は、交流アーク炉にも適用可能である。本発明を実施するための形態について、以下、直流アーク炉を例に取り、図１〜図３を用いて詳細に説明する。

本実施形態の電気炉１は、１本以上の上部電極２と、１本以上の底吹き羽口３と、インペラー４を具備する機械式攪拌機５と、酸化鉄含有鉄原料の投入装置６と、を有する。酸化鉄含有鉄原料の投入装置６は、その装置自体に酸化鉄含有鉄原料を保持しているものであるか、或いは、その装置自体にとは言えなくても、その装置に酸化鉄含有鉄原料を供給できるように酸化鉄含有鉄原料を保持した容器と搬送機構を介して連結されているものを言う。図１〜図３に示す例では、２本の上部電極２と、３本の底吹き羽口３と、を有している。さらに、１台の機械式攪拌機５と、１台の投入装置６と、を有している。図１〜図３は、酸化鉄含有鉄原料１３を供給し、溶解および還元して溶銑を製造する際に使用する電気炉１の一例を示す図である。図１において、投入装置６から酸化鉄含有鉄原料１３が投入されている。この電気炉１では、上部電極２が溶湯１１の表面との間にアーク１４を形成し、底吹き羽口３から溶湯１１中にガスを吹き込み、溶湯１１の攪拌を行うと共に酸化鉄含有鉄原料１３及びスラグ１２と溶湯１１との混合も行う。機械式攪拌機５のインペラー４はその下半分が溶湯１１に浸漬した状態で回転することにより、溶湯１１と、スラグ１２及び酸化鉄含有鉄原料１３とを攪拌する。
図１に示す電気炉１は直流電気炉であることから、炉底電極１０を有している。上部電極２として中実電極を用いても良い。酸化鉄含有鉄原料１３は、投入装置６の原料投入口７から溶湯１１の表面に向けて投入される。

図１に示すように、機械式攪拌機５は、鉛直方向に沿って延在するシャフト５ａと、このシャフト５ａの下端に固定されたインペラー４と、シャフト５ａの上部を保持して鉛直軸線回りに回転させる駆動部５ｂと、を備える。インペラー４は、鉛直方向に沿った中心１７を有する回転体であり、その周囲に例えば４枚の羽を有している。インペラー４は下方に向かって先細りとなる外形状を有し、自らが回転することによって周囲に浮かんでいる酸化鉄含有鉄原料１３及びスラグ１２を巻き込み、そして下方に向かって送り出す。

電気炉１において、以上の基本構成を具備することによって、底吹き羽口３からのガス吹き込みにより酸化鉄含有鉄原料１３及びスラグ１２と溶銑との混合を促進する。加えて、インペラー４を回転させることにより、溶銑上に浮遊するスラグ１２及び酸化鉄含有鉄原料１３を溶銑（溶湯１１）中に巻き込ませることができる。したがって、高い鉄歩留まりで酸化鉄含有鉄原料１３の溶解及び還元が可能となる。

但し、上部電極２と溶湯１１との間にアーク１４が形成され、アーク１４の近傍には高温領域Ｈが形成されるので、電気炉１内に投入した酸化鉄含有鉄原料１３を迅速に溶解及び還元するためには、酸化鉄含有鉄原料１３の原料投入口７をできるだけアーク１４近傍にある高温領域Ｈ近くに配置し、かつ、投入した酸化鉄含有鉄原料１３を高温領域Ｈに留めておくことが好ましい。その目的を達成するため、本発明での好ましい形態では、平面視において、図２Ａに示すように、前記各上部電極２の電極中心１６と前記機械式攪拌機５のインペラー４の中心１７とを結ぶ各線分のうちで最も短い線分２０を３等分する。そして、この線分２０を３等分する２点（２１）のうち、インペラー４に近い側の点２１ａで当該線分２０と直交する直線２２を引く。そして、前記各底吹き羽口３のうち、少なくとも３本以上の羽口３の中心１８が前記直交する直線２２よりも上部電極２に近い側にあること、並びに、上部電極２の全ての電極中心１６及び前記酸化鉄含有鉄原料の投入装置６の電気炉１内への原料投入口７が、前記直交する直線２２よりも各上部電極２に近い側にある３本以上の羽口３の各中心１８を結ぶ多角形２３（本例では三角形）の内側にある。

底吹き羽口３の配置は、平面視において、上部電極２の電極中心１６とインペラー４の中心１７とを結ぶ線分２０を３等分する２点（２１）のうちインペラー４側の点２１ａで当該線分２０と直交する直線２２を引いたとき、少なくとも３本以上の羽口の中心１８が前記直交する直線２２よりも上部電極２に近い側にあるように設置する。図２Ａに示すように、上部電極２が２本以上あるときは、各電極中心１６とインペラーの中心１７とを結ぶ水平な線分２本のうちで最も短い方の線分２０を３等分する２点（２１）のうちインペラー４に近い側の点２１ａで、当該線分２０と直交してかつ水平な直線２２を基準とすればよい。図２Ａでは、インペラー４と各上部電極２とが横一列に並んだ状態で、３本の底吹き羽口３それぞれを図示した位置に配置している。なお、この直線２２よりもインペラー４に近い側に、他の底吹き羽口があることを排除する規定ではない。

また、インペラー４と上部電極２とは横一列でなくても良い。その一例として、図２Ｂにインペラー４に対して２つの上部電極２が等距離にあるものを示す。この場合にも、３本の底吹き羽口３の位置は、インペラー４の中心１７と電極中心１６とを結ぶ線分２０を３等分した点２１で引いた前述の直線２２位置よりも上部電極２側に位置している。この例では、３本の底吹き羽口３の羽口の中心１８位置を互いに等距離としてあるが、必ずしも等距離である必要はない。

この直交する直線２２の位置は、電極中心１６とインペラーの中心１７とを結ぶ線分２０の中点で直交するように引く方が、上部電極２の直下近傍の高温領域Ｈを利用して酸化鉄含有鉄原料１３を溶解及び還元する本発明の特徴にとって、より好ましいと言える。

また平面視において、１本以上の上部電極２の全ての電極中心１６と、酸化鉄含有鉄原料１３の投入装置６の電気炉１内への原料投入口７とが、前記直交する直線２２よりも上部電極２側にある３本以上の底吹き羽口３の中心１８を結ぶ多角形２３の内側にあることを要する。底吹き羽口３の位置と電極中心１６及び原料投入口７との関係をこのように定めることにより、各底吹き羽口３から流す底吹きガスは、それらの羽口の中心１８を結ぶ多角形２３の中心部へ向かう流れ（図２Ａ及び図３の符号Ｆ１参照）を形成し、その多角形２３内に投入した酸化鉄含有鉄原料１３が高温領域Ｈの近傍に滞留することで、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解促進効果が期待されるからである。

このように各底吹き羽口３の中心１８を結ぶ多角形２３の内側に上部電極２と酸化鉄含有鉄原料１３の原料投入口７とを有するように各底吹き羽口３を配置することから、各底吹き羽口３間の水平最短距離は設備的な取り合いを考えて自ずと定まる。さらに、各底吹き羽口３間の水平最長距離も、電気炉１の側壁との関係から適宜決めれば良いことである。この多角形２３を構成する各底吹き羽口３間の相互の距離は、上記した範囲内で、溶銑上に投入された酸化鉄含有鉄原料１３を底吹きガスで取り囲み、取り囲んだ空間からなるべく逃がさないようにする観点から適宜決めればよい。この観点からは底吹き羽口３の数は多い方が効果的と言えるが、多くなり過ぎても羽口コストが嵩むほか、炉底電極１０を備える場合にはその配置との干渉も生じるので、６本程度が通常の上限になる。

このような構成をとることによって、酸化鉄含有鉄原料１３は上部電極２の直下近傍の高温領域Ｈの近傍に添加されるようになり、併せて、底吹きガスによって取り囲まれつつ溶銑と強攪拌されることになる。

なお、図１に示すように中空の上部電極２を用いた場合には、各上部電極２の相互間、および中空の上部電極２の内部通路を経由して酸化鉄含有鉄原料１３を電気炉１内へ投入することができる。電気炉１内においては上部電極２と溶湯１１との間に高温のアーク１４を形成しているので、中空の上部電極２の内部通路を通じて溶湯１１に投入した原料（酸化鉄含有鉄原料１３）は、アーク１４中を通過する際に高温に加熱され、容易に溶融するので好ましい。

ところで、電気炉１内に投入された酸化鉄含有鉄原料１３は、溶銑（溶湯１１）よりも比重が軽いために溶湯１１の表面に浮遊しつつ溶解及び還元される。酸化鉄含有鉄原料１３が溶解及び還元されると、原料中のＣａＯやＳｉＯ_２等と共に、還元されなかった酸化鉄部分もスラグとなって、それも溶銑（溶湯１１）よりも比重が軽いために溶湯１１の表面に浮遊して、ＦｅＯ濃度の高いスラグ１２の層を形成する。前述した好ましい形態をとったとしても、このＦｅＯ濃度の高いスラグ１２は、溶解及び還元されなかった酸化鉄含有鉄原料１３と一緒に、遅かれ早かれ前述した囲い（多角形２３）の外へ流出する。このままでは、溶解及び還元されなかった酸化鉄含有鉄原料１３もスラグ１２中のＦｅＯも、共に溶湯１１中のＣ（還元材）との接触が不十分であり、還元が十分には促進されない。

そこで、本発明は、インペラー４を具備する機械式攪拌機５を有し、炉内の溶湯１１と、上記した溶解及び還元されなかった酸化鉄含有鉄原料１３及びＦｅＯ濃度の高いスラグ１２とを、インペラー４を用いて攪拌する。インペラー４を配置して溶湯１１中で回転させることによって、図３中の符号Ｆ２に示すように、電気炉１内に投入された酸化鉄含有鉄原料１３が溶解及び還元されて形成したスラグと、原料中にあって還元されなかった酸化鉄部分とが一体となったスラグに加えて、酸化鉄含有鉄原料１３のまま残っているものをも、溶銑中に巻き込むことができる。電気炉１のように浴深が浅い場合には、底吹きガスによる攪拌によって浴面上にあるスラグ１２や酸化鉄含有鉄原料１３を浴中に巻き込むことは効率が悪いが、インペラー４による攪拌であれば、インペラー４の回転によって鉛直下方への浴流れＦ２を形成させることができるために、その効率が良い。

但し、インペラー４は耐火物製の旋回羽根であるために、上部電極２近くの高温部に設置すると溶損が激しくなる恐れがある。したがって、上部電極２から離れた位置に設置することが好ましい。具体的には、前述したように本発明の好ましい形態においては、平面視において、図２Ａや図２Ｂに示したように、電極中心１６とインペラーの中心１７とを結ぶ各線分のうちで最も短い線分を３等分する２点（２１）のうちインペラー側の点２１ａで当該線分２０と直交する直線２２を引いたとき、少なくとも３本以上の底吹き羽口３の各中心１８が前記直交する直線２２よりも各上部電極２側にあるように設置することが可能なように当該直線２２を引くことを規定している。よって、インペラー４の位置は上部電極２近くの高温領域Ｈから離れていることになる。このように配置することによって、図３に示すように、インペラー４は上部電極２の直下近傍の高温領域Ｈから離れ、かつ、その高温領域Ｈとインペラー４との間には底吹きガスが存在するために、インペラー４の寿命を保つことが容易になる。また、前記多角形２３の範囲から流れ出てきた浴面上の高ＦｅＯ濃度のスラグ１２や未溶解の酸化鉄含有鉄原料１３を浴中に巻き込むという、インペラー４に期待する役割を効果的に果たすことができる。

高温部で酸化鉄含有鉄原料１３が溶解することにより発生した高いＦｅＯ濃度のスラグ等と、溶銑とが混合攪拌されて、溶銑中の炭素とスラグ１２中の酸化鉄等とが反応する界面積が増やされるとともに、溶銑からの熱供給が促進されることで、スラグ１２等の還元促進が実現できる。

以上説明してきたように、本実施形態では、酸化鉄含有鉄原料１３を上方から供給して溶銑を製造する電気炉１において、各底吹き羽口３からのガス吹込みによりスラグ１２及び酸化鉄含有鉄原料１３と溶銑との混合を促進する底吹き攪拌と、インペラー４を回転させることにより溶銑上に浮遊するスラグ１２及び酸化鉄含有鉄原料１３を溶銑中に巻き込ませる機械攪拌とを併せ持つ。よって、高い歩留まりで酸化鉄含有鉄原料１３の溶解及び還元を可能としている。

本実施形態において、底吹き羽口３から吹き込むガス種として、窒素ガス、アルゴンガス、酸素含有ガスなどを用いることができる。窒素ガス、アルゴンガスの場合は底吹き羽口３を単管羽口とすることができる。酸素含有ガス、例えば純酸素を吹き込む場合には、二重管羽口とし、内管の内部から酸素含有ガスを流し、内管と外管の間の空間から冷却用のガスを流すと良い。また、１本の底吹き羽口３から吹き込むガス流量としては、溶銑１ｔｏｎ当たりで３〜１５Ｎｍ^３／ｈ程度とすればよい。この流量が少な過ぎると底吹きによる酸化鉄含有鉄原料１３の溶解及び還元促進効果が明確に表れない一方、多くし過ぎても効果が飽和してしまうばかりか、底吹き羽口３の損耗速度悪化やスロッピングの多発により、総合的に操業改善にならなくなるからである。

本実施形態において溶解及び還元する酸化鉄含有鉄原料１３は、鉄の金属化率が４５％以上９５％以下のものが好適である。鉄の金属化率（％）とは、酸化鉄含有鉄原料１３中における金属鉄の質量％（金属鉄質量／全鉄含有量鉄合計質量×１００）を意味する。

本実施形態は、前述のとおり、鉄鉱石やダストなどの酸化鉄含有原料をシャフト炉や回転炉床炉などの予備還元炉により加熱及び予備還元処理して酸化鉄含有鉄原料１３とした後、当該酸化鉄含有鉄原料１３を炉内に供給し、溶銑内で溶解および還元して溶銑を製造する際に使用する電気炉１に関するものである。直流アーク炉で炭素を還元剤として原料を還元する際に発生するＣＯガスを、予備還元炉での予備還元剤として用いることが、天然ガスの使用量を大幅に削減もしくは不使用とすることができ、かつ、ガス生成炉等の溶鋼製造プロセスとは直接関係ない新たなプロセスを不要とすることができるために好ましい。

予備還元して製造した酸化鉄含有鉄原料１３の鉄の金属化率が４５％以上であれば、直流アーク炉で発生するＣＯガスの全量を予備還元炉での還元用のＣＯガスとして使用することができるとともに、全体の還元効率低下を来すことなく、炭材原単位の増加を抑制し、直流アーク炉での必要還元熱の増加を抑制して電力原単位増加を防止することができる。一方、シャフト炉などの予備還元炉で天然ガスを用いずにＣＯガスを主体にして還元を行う場合、還元率の上限が９５％超の還元鉄を製造することは困難であるため、酸化鉄含有鉄原料１３の鉄の金属化率上限を９５％とすることが好ましい。

酸化鉄含有鉄原料１３中の酸化鉄は、種湯溶銑中に含有する炭素を還元剤として還元される。その結果、種湯溶銑中の炭素濃度が低減するので、炭素源を供給する必要がある。酸化鉄含有鉄原料１３は、アーク炉での還元に寄与する還元剤として、炭素含有物質を含有しても良い。また、追加の炭素源は、酸化鉄含有鉄原料１３とは別に、炭素含有物質を直流アーク炉中に投入することで供給しても良い。

酸化鉄含有鉄原料１３は、酸化鉄以外の酸化物を合計で４〜２４質量％含有することが好ましい。酸化物は具体的にはＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯが挙げられる。これら酸化物はスラグ成分である。原料中のスラグ成分は、溶解が進むと溶銑面にスラグが浮かび、炉上から投入された原料がスラグに捕捉されて溶銑との接触を阻害するため溶解せず、鉄歩留まりの低下を招く。そのため、原料中に占めるスラグ成分の上限を２４質量％とする。一方、酸化鉄含有鉄原料１３は、鉄鉱石やダスト等の酸化鉄含有鉄原料を予備還元炉により加熱及び予備還元処理するために、焼結鉱やペレットにして用いる。そのためには、上記した酸化物を少なくとも４質量％含有させるのが通常であるため、原料中に占めるスラグ成分の下限を４質量％とする。

以下に、本発明に係る実施例を、比較例を含めて説明する。
電気炉１としては、図１、図２Ａ、図３に示した直流電気炉を用いた。この電気炉１は、平面視において炉内半径が４ｍであり、溶湯１１として１００トンの溶銑を収容することができるもので、外径８００ｍｍ、内径２００ｍｍの中空構造である。２本の上部電極２が、２ｍの間隔をあけて図１及び図２Ａに示した位置に配置されている。

３本の底吹き羽口３はそれぞれ単管で内径１５ｍｍであり、各々からＮ_２ガスを１１０Ｎｍ^３／ｈの速度で吹き込んだ。投入装置６の原料投入口７は、羽口の中心１８間を結ぶ多角形２３の中心９付近の位置にある。さらに、機械式攪拌機５のインペラー４を、図１、図２Ａに示す位置に配置した。機械式攪拌機５は、耐火物としてアルミナキャスタブルで製作されたインペラー４を有する。インペラ−４は、攪拌羽根が４本であり、攪拌羽根の直径が１．０ｍであり、攪拌羽根の高さが０．３ｍである。このインペラー４を、炉底からインペラー４の底面までの高さが５０ｍｍとなるよう溶銑内へ浸漬させた状態で、インペラー４の中心１７が、電気炉１（炉内半径４ｍ）の中心から２．２ｍの位置になるよう設置した。

インペラー４は、平面視で各電極中心１６とインペラーの中心１７とを結ぶ各線分のうちで最も短い線分２０を３等分する２点（２１）のうち、インペラー４側の点２１ａで当該線分２０と直交する直線２２を引いたとき、少なくとも３本以上の羽口の中心１８が前記直交する直線２２よりも上部電極２側にあるように設置されている。そのため、上部電極２の近傍にある高温部分から離れた場所で、溶銑上に浮遊するスラグ１２及び未溶解の酸化鉄含有鉄原料１３を溶銑中に巻き込ませるように攪拌することが可能である。

上記説明した電気炉１を用い、種湯が存在する炉内に、酸化鉄含有鉄原料１３を投入し、溶解及び還元操業を行った。

酸化鉄含有鉄原料１３として、回転炉床炉にて予備還元した酸化鉄含有鉄原料を使用した。酸化鉄含有鉄原料１３の組成は、表１に示す通りとした。鉄の金属化率は６５．６％、酸化鉄以外の酸化物含有量は１７．８質量％である。

電気炉１内には、平均温度１４５０℃〜１５００℃、Ｃ濃度３．５質量％〜４．０質量％の種湯溶銑５０ｔｏｎが装入されており、２本の上部電極２の間に位置する原料投入口７から粒径１ｍｍ〜５０ｍｍの酸化鉄含有鉄原料１３を、溶銑量換算で２．５ｔ／ｍｉｎの速度で連続的に２０分間（溶銑にして５０ｔｏｎ分）、炉内の高温部へ目掛けて重力落下で供給し、その後、４０分間、溶解及び還元を行った。種湯溶銑中の炭素は還元の進行とともに消費され、炭素濃度が低減するので、消費された炭素分を補給するため、炭素含有物質として土壌黒鉛を上部電極２の中空部分から逐次炉内に投入した。酸化鉄含有鉄原料１３の供給開始から６０分後、溶銑量５０ｔｏｎを鍋に出湯し、繰り返し上記作業を行うことで、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解及び還元を行った。溶解及び還元操業中、５分おきにスラグサンプリングを行い、スラグ中のＦｅＯ濃度を評価した。

比較のために、攪拌条件だけ変えた例として、（ｉ）機械式攪拌を行わない条件での操業結果、（ｉｉ）底吹きを行わない条件での操業結果についても、（ｉｉｉ）機械式攪拌も底吹きも行った本発明での操業結果と併せて説明する。なお、本発明に係る効果を説明するために、鉄歩留まりの指標として、溶解及び還元中の時間経過におけるスラグ中のＦｅＯ濃度の変化の状況を採用した。その結果を、図４、図５、図６に纏めて示す。

（ｉ）の場合（比較例：機械式攪拌なし）、図４に示した通り、底吹きを付与した場合で、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解によるスラグ中のＦｅＯ濃度の上昇速度は、底吹きを付与しない場合と比較して高位であった。しかしながら、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解後のスラグの還元速度は両条件で大きな差はなかった。このことから、この例では、上部電極２の直下近傍の高温部分に酸化鉄含有鉄原料１３を投入して、その場所で底吹きを付与することにより、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解は迅速に進行させることができた。また、その溶解に伴って発生した溶融ＦｅＯの還元にも、溶解が迅速であったにも関わらず最高濃度が変わっていないことから、還元促進効果もあったと言える。この総合的効果として、溶解を早く終えることができたためにその後の還元時間が長くなり、最終的に溶解及び還元操業を開始してから６０分が経過した時点では、スラグ中のＦｅＯ濃度を相対的に低くする効果があった。

（ｉｉ）の場合（比較例：底吹きなし）、図５に示した通り、機械式攪拌を付与した場合でも、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解によるスラグ中のＦｅＯ濃度の上昇速度は、どの回転数でも機械式攪拌機５を付与しない場合と比較して大きな差はなかった。しかし、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解後のスラグの還元速度は回転速度が大きいほど上昇し、いずれも攪拌を付与しなかった場合と比較して高位であった。このことから、この例では、機械式攪拌機５による回転の付与は、その回転によるスラグ１２及び酸化鉄含有鉄原料１３の溶銑中への巻込みが上部電極２の直下近傍の高温部までは及ばないこともあって、それがない場合と比較して酸化鉄含有鉄原料１３の溶解速度に差はなかった。しかし、溶解に伴い発生したＦｅＯを含むスラグの還元は、高温部から離れた場所でも迅速に進行させることができ、最終的に６０分が経過した時点では、スラグ中のＦｅＯ濃度を回転による巻込み強度に応じて低くする効果があった。

（ｉｉｉ）の場合（本発明例：機械式攪拌も底吹きも、両方あり）、図６に示した通り、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解によるスラグ１２中のＦｅＯ濃度の上昇速度は底吹き実施によって上昇し、スラグ１２の還元速度はインペラー４の回転速度が大きいほど上昇していた。底吹きも機械式攪拌も付与しなかった場合（図中□）と比較すると、いずれも高位であったことが分かる。

上記した（ｉ）と（ｉｉ）の場合の結果も併せて考えると、本発明例において底吹きは、溶銑面に浮かぶ酸化鉄含有鉄原料１３を攪拌によって上部電極２の直下の高温湯面部になるべく長く留め、かつ、そこで溶銑と攪拌することにより、酸化鉄含有鉄原料１３を迅速に溶解させる効果を発揮した。このとき、溶解に伴って生成したＦｅＯの還元も進行させており、迅速に溶解させたにも関わらず、ＦｅＯの最高濃度は上記（ｉ）（ｉｉ）の場合と同等であった。なお、このＦｅＯ濃度が最高に達するまでの時間は、上記（ｉ）の場合とほぼ同じであったので、この間での機械式攪拌の影響は殆どなかったと言える。
但し、本発明例において機械式攪拌は、底吹きにより迅速に溶解した酸化鉄含有鉄原料由来のＦｅＯを含むスラグ１２及び未溶解の酸化鉄含有鉄原料１３を溶銑内に巻き込んで、溶銑内のカーボンとの接触、および溶銑の持つ熱供給の促進効果を、上記（ｉｉ）の場合と同等に発揮した。このＦｅＯ濃度が最高に達した時点からのＦｅＯ濃度の減少速度は、上記（ｉｉ）の場合とほぼ同じであったので、この間での底吹き有無の影響は殆ど無かったと言える。

しかし、底吹きと機械式攪拌とを併用していた効果として、酸化鉄含有鉄原料１３の溶解が速かった一方、ＦｅＯの最高濃度は底吹きなしで溶解に時間を要した場合と同等であり、そのようなＦｅＯ濃度の最高値からのＦｅＯの還元速度は速かったため、６０分間で評価すれば到達ＦｅＯ濃度の減少効果があったと言える。また、底吹き有りでインペラー４の回転速度を５０ｒｐｍにした例では、３５分間でＦｅＯ濃度が５％以下に低下しているため、能率向上効果としても評価できる。

通常の直流アーク炉による酸化鉄含有鉄原料を用いた溶銑製造操業において、原料供給開始から４０分でスラグ中のＦｅＯ濃度が１０％以下であることは、非常に鉄歩留まりが高位な操業であると言える。

本発明によれば、鉄歩留まりが高い酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元を可能とする電気炉と、その電気炉を用いた酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元方法とを提供することができる。よって、産業上の利用可能性は大である。

１電気炉
２上部電極
３底吹き羽口
４インペラー
５機械式攪拌機
６投入装置
７原料投入口
１０炉底電極
１１溶湯
１２スラグ
１３酸化鉄含有鉄原料
１４アーク
１５内周
１６電極中心（上部電極の中心）
１７インペラーの中心
１８羽口の中心
２０線分
２１点
２２直線
２３多角形

Claims

１本以上の上部電極と、
１本以上の底吹き羽口と、
インペラーを具備する機械式攪拌機と、
酸化鉄含有鉄原料を投入する投入装置と、
を備える電気炉であって、
前記底吹き羽口を３本以上有し；
前記上部電極を複数本有し；
平面視において、
前記各上部電極の中心と前記インペラーの中心とを結ぶ各線分のうちで最も短い線分を３等分する２点のうちで、前記インペラーに近い側の点で当該線分と直交する直線を引いたとき、
前記各底吹き羽口のうち、少なくとも３本以上の前記底吹き羽口の中心が、前記直交する直線よりも前記各上部電極に近い側にある；
ことを特徴とする電気炉。
前記平面視において、前記各上部電極の全ての中心と、前記投入装置の原料投入口とが、前記直交する直線よりも前記各上部電極に近い側にある３本以上の前記底吹き羽口の各中心を結ぶ多角形の内側にある
ことを特徴とする請求項１に記載の電気炉。
請求項１または２に記載の電気炉を用いた、酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元方法であって、
溶湯が存在する前記電気炉内に、鉄の金属化率が４５％以上９５％以下の前記酸化鉄含有鉄原料を前記投入装置から投入して溶解及び還元するに際し、前記機械式攪拌機の前記インペラーを前記溶湯中に浸漬して回転させることにより、前記溶湯の表面にあるスラグ及び前記溶湯を攪拌する
ことを特徴とする酸化鉄含有鉄原料の溶解及び還元方法。