JP7094259B2 - 溶鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶鋼の製造方法に関する。

鉄鉱石等の酸化鉄源を炭材や還元性ガスによって固体状態のまま還元し、還元鉄（Ｄｉｒｅｃｔ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｒｏｎ）を得る直接製鉄法が行われている。非特許文献１には、天然ガスを用いて鉄鉱石を還元し、得られた還元鉄を電気炉で溶解し、溶鋼を得る方法が開示されている。

厚雅章、上村宏、坂口尚志、「ＭＩＤＲＥＸ（登録商標）プロセス」、Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．１、２０１０年４月、ｐ．５～１１

近年、脈石等の不純物含有量が少ない、いわゆる高品位の鉄鉱石の生産量が減少していることから、低品位の鉄鉱石の重要性が高まりつつある。

しかし、低品位の鉄鉱石を原料として得られた還元鉄は、比較的多量の脈石を含有するため、電気炉で溶解すると溶鋼とともに多量のスラグが発生する。

溶鋼とともに発生するスラグの鉄含有量は約２５質量％と高いため、スラグ量が多いほど、スラグに含まれる鉄も増加し、溶鋼の歩留まりが大幅に低下する。そのため、低品位の鉄鉱石は高品位の鉄鉱石に比べて単位重量当たりの価格が低いものの、単位量の溶鋼の製造に必要な鉄鉱石の量は低品位の鉄鉱石の方が高品位の鉄鉱石よりも大幅に多くなり、単位量の溶鋼の製造コストは高品位の鉄鉱石と大きく変わらない。

このように、現在、還元鉄の原料としての低品位の鉄鉱石の利用は、歩留まりの低さに起因して、コスト面での大きなメリットがないため限定的となっている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、固体還元鉄の原料として低品位の鉄鉱石を利用しても高い歩留まりで溶鋼を得ることができる溶鋼の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、種々検討した結果、上記目的は、以下の発明により達成されることを見出した。

本発明の一局面に係る溶鋼の製造方法は、固体還元鉄を原料とする溶鋼の製造方法であって、前記固体還元鉄は、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を合計で３．０質量％以上、炭素を１．０質量％以上含有し、前記固体還元鉄に含有される全鉄分に占める金属鉄の割合が９０質量％以上であり、前記固体還元鉄に含有される前記炭素のうち、下記式（１）で規定する余剰炭素量Ｃｘが０．２質量％以上であり、第１の炉において、前記固体還元鉄のうち４０～１００質量％を溶融させて、炭素含有量が２．０～５．０質量％でありかつ温度が１３５０～１５５０℃の溶銑と、塩基度が１．０～１．４であるスラグと、に分離する工程と、第２の炉において、前記固体還元鉄の残部を、前記第１の炉において分離された前記溶銑とともに溶融させ、当該溶融物に酸素を吹き付けて脱炭し、溶鋼とする工程と、を含む。

Ｃｘ＝［Ｃ］－［ＦｅＯ］×１２÷（５５．８５＋１６）÷０．９４７…（１）
式中、Ｃｘ：余剰炭素量（質量％）、［Ｃ］：固体還元鉄の炭素含有量（質量％）、［ＦｅＯ］：固体還元鉄のＦｅＯ含有量（質量％）である。

本発明によれば、固体還元鉄の原料として低品位の鉄鉱石を利用しても高い歩留まりで溶鋼を得ることができる溶鋼の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る溶鋼の製造方法のフローチャートである。 図２は、溶融した鉄に含有される炭素量と、溶融した鉄と共存するスラグに含有可能な全鉄分の量との関係の一例を示すグラフである。 図３は、本発明の一実施形態に係る溶鋼の製造方法に使用可能な製銑電気炉の縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る溶鋼の製造方法について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［溶鋼の製造方法］
本実施形態に係る溶鋼の製造方法は、固体還元鉄を原料として溶鋼を製造する方法であり、固体還元鉄は、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を合計で３．０質量％以上、炭素を１．０質量％以上含有し、固体還元鉄に含有される全鉄分に占める金属鉄の割合が９０質量％以上であり、固体還元鉄に含有される前記炭素のうち、下記式（１）で規定する余剰炭素量Ｃｘが０．２質量％以上である。

Ｃｘ＝［Ｃ］－［ＦｅＯ］×１２÷（５５．８５＋１６）÷０．９４７…（１）
式中、Ｃｘ：余剰炭素量（質量％）、［Ｃ］：固体還元鉄の炭素含有量（質量％）、［ＦｅＯ］：固体還元鉄のＦｅＯ含有量（質量％）である。

また、本実施形態に係る溶鋼の製造方法は、図１のフローチャートに示すように、第１の炉において、原料である固体還元鉄のうち４０～１００質量％を溶融させて、炭素含有量が２．０～５．０質量％でありかつ温度が１３５０～１５５０℃の溶銑と、塩基度が１．０～１．４であるスラグと、に分離する工程（以下、「第１の炉における工程」ともいう。）と、第２の炉において、固体還元鉄の残部を、第１の炉において分離された溶銑とともに溶融させ、当該溶融物に酸素を吹き付けて脱炭し、溶鋼とする工程（以下、「第２の炉における工程」ともいう。）と、を含む。

以下では、本実施形態に係る溶鋼の製造方法の上記各要件について説明する。

（固体還元鉄）
本実施形態に係る溶鋼の製造方法では、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が３．０質量％以上である固体還元鉄を使用する。固体還元鉄は、例えば鉄鉱石等の酸化鉄源を、炭材または還元性ガスによって固体状態のまま還元したものを使用することができる。固体還元鉄の製造方法については特に制限はなく、回転炉床炉、ストレートグレート等の移動床型還元炉、シャフト炉等の竪型炉、ロータリーキルン等の回転炉等、公知の還元鉄製造プラントを用いた製造方法を適用することができる。

固体還元鉄のＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が３．０質量％未満である場合には、当該固体還元鉄の製造に用いた鉄鉱石等の酸化鉄源の品位が高い。このような固体還元鉄は、直接第２の炉において溶解させても副次的に発生するスラグ量が少ないため、高い歩留まりで溶鋼を得ることができる。これにより、固体還元鉄のＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が３．０質量％未満である場合には、第２の炉に先だって第１の炉で固体還元鉄を溶銑とする本実施形態に係る溶鋼の製造方法を適用する必要がない。そのため、本実施形態に係る溶鋼の製造方法では、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が３．０質量％以上である固体還元鉄を使用する。

固体還元鉄の炭素含有量は、１．０質量％以上とする。第１の炉において固体還元鉄を溶融させた際に、固体還元鉄が含有する炭素によって、固体還元鉄中のＦｅＯが還元され、それに伴ってＣＯガスが発生する。固体還元鉄の炭素含有量を１．０質量％以上とすることにより、十分な量のＣＯガスを発生させることができ、スラグを十分にフォーミングさせることができる。このフォーミングしたスラグ中でアーク加熱を行うことにより、効率的な加熱が可能となる。この観点から、固体還元鉄の炭素含有量は、１．５質量％以上が好ましい。

また、固体還元鉄の炭素含有量が過剰であると、溶銑の炭素濃度が飽和炭素濃度を超えることがある。溶銑の炭素濃度が飽和炭素濃度を超えた場合、ＦｅＯの還元反応に寄与しなかった炭素はスラグまたは排ガスとともに炉外に排出され、無駄となる。そのため、固体還元鉄の炭素含有量は、７．０質量％以下が好ましく、６．０質量％以下がより好ましい。

固体還元鉄に含有される全鉄分に占める金属鉄の割合（以下、「固体還元鉄の金属化率」、または単に「金属化率」ともいう。）は、９０質量％以上とする。固体還元鉄の金属化率を９０質量％以上とすることにより、本実施形態に係る溶鋼の製造方法で高い歩留まりで溶鋼を製造することができる。

固体還元鉄の金属化率が９０質量％未満である場合、固体還元鉄中のＦｅＯ含有量が多くなる。固体還元鉄の炭素含有量は、固体還元鉄の製造時に行われる浸炭プロセスにおいて増加させることができるものの、工業的に実現可能な固体還元鉄の炭素含有量には上限がある。そのため、固体還元鉄中のＦｅＯの含有量が多い場合には、第１の炉において固体還元鉄に含有される炭素によって還元されないＦｅＯが発生する。還元されなかったＦｅＯはそのままスラグへ溶出し、スラグとともに第１の炉から排出される。このように、固体還元鉄の金属化率が９０質量％未満である場合、本実施形態に係る第１の炉における工程および第２の炉における工程を適用しても、高い歩留まりで溶鋼を製造することが困難である。そのため、本実施形態に係る溶鋼の製造方法では、固体還元鉄の金属化率は９０質量％以上とする。また、固体還元鉄中のＦｅＯ含有量が多いと、第１の炉における工程および第２の炉における工程で、ＦｅＯの還元に必要なエネルギーも多くなる。そのため、固体還元鉄の金属化率は９２質量％以上がより好ましい。金属化率は高いほど好ましいため、特に上限はないが、過度に高い金属化率は固体還元鉄の製造プロセスにおける固体還元鉄の生産性を大きく低下させるため、９８質量％以下が好ましく、９７質量％以下がより好ましい。

固体還元鉄に含有される前記炭素のうち、上記式（１）で規定する余剰炭素量Ｃｘは、０．２質量％以上とする。余剰炭素量Ｃｘは、固体還元鉄に含有されるＦｅＯを全て固体還元鉄に含有される炭素で還元した場合に残存する炭素（以下「余剰炭素」ともいう。）の量である。余剰炭素量Ｃｘを０．２質量％以上とすることにより、第１の炉において固体還元鉄を溶融させた際に、固体還元鉄に含まれるＦｅＯが全て固体還元鉄に含有される炭素によって還元され、固体還元鉄に含まれるＦｅＯのスラグへの溶出を抑制することができる。

さらに、溶融した鉄中の炭素含有量を余剰炭素によって増加させることができるため、炭素含有量が２．０～５．０質量％の溶銑を得るために必要な外装加炭の割合を減らすことができる。ここで、「外装加炭」とは、炉に固体還元鉄とともに炭素を投入することをいう。これに対して、「内装加炭」とは、固体還元鉄に炭素を含有させることをいい、例えば固体還元鉄の製造時に行われる。外装加炭は、内装加炭に比べて加炭効率が劣るため、余剰炭素量Ｃｘを０．２質量％以上とすることにより、全体として加炭効率を向上させることができる。ここで、「加炭効率」とは、外装加炭または内装加炭により炉に投入された炭素のうち、溶銑に溶解した炭素の割合を意味する。

余剰炭素量Ｃｘは、０．２質量％以上が好ましく、０．５質量％以上がより好ましい。また、余剰炭素量Ｃｘが過剰であると、溶銑の炭素濃度が飽和炭素濃度を超えるおそれがある。溶銑の炭素濃度が飽和炭素濃度を超えた場合、上述のように、ＦｅＯの還元反応に寄与しなかった炭素はスラグまたは排ガスとともに炉外に排出され、無駄となるため、余剰炭素量Ｃｘは、６．０質量％以下が好ましく、５．０質量％以下がより好ましい。

次に、本実施形態に係る溶鋼の製造方法の各工程について説明する。

（第１の炉における工程）
第１の炉では、溶鋼の原料である固体還元鉄のうち４０～１００質量％を溶融させる。第１の炉で溶融させる固体還元鉄の割合は、例えば、固体還元鉄に含まれるＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量、ならびに第２の炉において固体還元鉄の残部から生成させる目標スラグ量等に応じて決めることができる。固体還元鉄は、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が高いほど、第１の炉で溶融させる割合を高くすることが好ましい。これは、第１の炉で溶融させる固体還元鉄の割合が高いほど、第２の炉において発生するスラグ量を低減し、溶鋼の歩留まりを高くすることができるからである。一方、必要以上に第１の炉で溶融させる固体還元鉄の割合を高くすると、第１の炉における工程および第２の炉における工程を合わせた溶鋼１ｔ当たりの電力使用量が多くなる。そのため、第１の炉で溶融させる固体還元鉄の割合は、４５質量％以上が好ましく、５０質量％以上がより好ましい。また、９５質量％以下が好ましく、９０質量％以下がより好ましい。

第１の炉には、例えば後述する製銑電気炉を使用することができる。

第１の炉に上述の固体還元鉄を投入して加熱し、固体還元鉄のＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量に応じて適宜生石灰、ドロマイト等の造滓材を加え、また固体還元鉄の炭素含有量に応じて適宜外装加炭を行って溶融させることによって、炭素含有量が２．０～５．０質量％でありかつ温度が１３５０～１５５０℃の溶銑と、塩基度が１．０～１．４であるスラグと、に分離する。第１の炉に投入する固体還元鉄は、加熱に必要なエネルギーを低減するため、製造後、温度が低下する前の状態であることが好ましい。

図２は、溶融した鉄に含有される炭素量と、溶融した鉄と共存するスラグに含有可能な全鉄分の量との関係の一例を示すグラフである。同図に示すように、一般に、溶融した鉄に含有される炭素量が多いほど、スラグに含有可能な全鉄分の量が少ない。すなわち、比較的炭素含有量の多い溶銑は、比較的炭素含有量の少ない溶鋼に比べてスラグに含有される量が少ない。なお、本実施形態において、溶銑とは、炭素含有量が２．０質量％以上の溶融した鉄をいい、溶鋼とは炭素含有量が２．０質量％未満の溶融した鉄をいう。

本実施形態に係る第１の炉における工程では、溶銑の炭素含有量を２．０～５．０質量％とする。これにより、スラグに含有可能な全鉄分の量を低減し、スラグに移行する鉄分量を低減できる。そのため、スラグとともに排出される全鉄分の量を低減することができ、溶銑の歩留まりの低下を抑制することができる。また、その結果、第２の炉で得られる溶鋼の歩留まりの低下をも抑制することができる。溶銑の炭素含有量は、３．０質量％以上が好ましい。

第１の炉では、溶銑の温度を１３５０～１５５０℃とする。これにより、溶融した鉄に含有される炭素を溶解させて溶銑の炭素含有量を２．０～５．０質量％とすることができる。溶銑の温度を１３５０℃以上とすることにより、スラグの粘度が低下するため、溶銑とスラグとを容易に分離すること、および溶銑とスラグのそれぞれを第１の炉から容易に排出することが可能となる。一方、溶銑の温度を１５５０℃以下とすることにより、第１の炉の内張り耐火物の溶損を抑制することができる。溶銑の温度は、１４００℃以上が好ましい。また、溶銑の温度は、１５３０℃以下が好ましい。

スラグの塩基度は、１．０～１．４とする。スラグの塩基度を１．４以下とすることにより、スラグの流動性を確保することができ、スラグを容易に第１の炉から排出することができる。また、スラグの塩基度を１．０以上とすることにより、第１の炉の内張り耐火物として塩基性耐火物を使用した場合に、スラグによる耐火物の溶損を抑制することができる。ここで、スラグの塩基度とは、スラグに含有されるＣａＯおよびＳｉＯ_２について、ＣａＯのＳｉＯ_２に対する質量比（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）を意味する。スラグの塩基度は、固体還元鉄とともに第１の炉に投入する造滓材の量を調整することによって調整することができる。

（第２の炉における工程）
第２の炉では、上記の固体還元鉄の残部を、第１の炉において分離された溶銑とともに溶融させ、当該溶融物に酸素を吹き付けて脱炭し、溶鋼とする。第１の炉で固体還元鉄のうち４０～１００質量％を溶融させるため、第２の炉で溶融させる固体還元鉄の残部は０～６０質量％である。すなわち、第１の炉で固体還元鉄の全量（１００質量％）を溶融させた場合、第２の炉で溶融させる固体還元鉄はない。

第２の炉は、アークプラズマを発生させて加熱を行う一般的な製鋼電気炉（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ；ＥＡＦ）を使用することができる。第２の炉には、第１の炉で得られた溶銑を注ぐとともに、固体還元鉄の残部を投入し、溶銑および固体還元鉄を加熱して溶融させる。このとき、固体還元鉄の組成等に基づき、必要に応じて溶融物に適宜生石灰、ドロマイト等の造滓材を加えてもよい。

第２の炉に収容される溶融物は、固体還元鉄が溶融して増加した溶銑と、固体還元鉄に含まれるＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３等から生成したスラグとを含む。当該溶融物の上面または炉の下方から酸素を吹き付け、溶銑に含まれる炭素を酸化させて一酸化炭素として除去する。これにより溶鋼を得ることができる。また、必要に応じて造滓材によってスラグの組成を調整することにより、溶銑に含まれる不純物をスラグに移行させ、溶鋼の不純物含有量を所望の値に調整してもよい。

第２の炉におけるスラグの塩基度は特に限定されないが、第２の炉のスラグに接する部分に塩基性耐火物が用いられている場合には、当該塩基性耐火物の溶損を抑制するため、スラグの塩基度は高いこと、例えば１．８であることが好ましい。

また、脱炭後の溶鋼に含有される炭素量は、溶鋼を凝固させて得られる鋼の用途に応じて所望の値に調整してもよい。

なお、第２の炉には、第１の炉で得られた溶銑および固体還元鉄の残部に加えて鉄スクラップを投入してもよい。また、第１の炉で得られた溶銑の全量をそのまま第２の炉に注いでもよく、第１の炉で得られた溶銑の一部を、冷却、鋳造して銑鉄とし、当該銑鉄を第１の炉で得られた溶銑および固体還元鉄の残部に加えて第２の炉に投入してもよく、また、当該銑鉄を製鋼炉用の原料として外販してもよい。

本実施形態に係る溶鋼の製造方法によれば、上述のように第１の炉において溶銑の歩留まりの低下を抑制することができ、第２の炉で溶銑から溶鋼を得ることができるため、固体還元鉄の原料として低品位の鉄鉱石を利用しても高い歩留まりで溶鋼を得ることができる。

（第１の炉において固体還元鉄の全量を溶融させる場合）
上述のように、第１の炉において固体還元鉄の全量（１００質量％）を溶融させる場合、第１の炉を介さず直接第２の炉において溶融させる固体還元鉄はない。そのため、第２の炉では、第１の炉において分離された溶銑のみを脱炭することとなる。溶銑は、固体還元鉄で冷却されず、溶銑を加熱する必要がないため、第２の炉として転炉を使用してもよい。これにより、第２の炉において溶鋼を製造するのに必要なエネルギーを低減することができる。転炉を使用する場合、溶銑とともに必要に応じて造滓材を転炉に投入し、上方および下方の少なくとも一方から溶銑に酸素を吹き付け、脱炭する。

［製銑電気炉］
次に、本実施形態の溶鋼の製造方法において第１の炉として用いることができる製銑電気炉（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｒｏｎｍａｋｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ；ＥＩＦ）について説明する。

図３は、製銑電気炉の縦断面図である。製銑電気炉１０は、輻射熱を主体とするアーク加熱によって固定還元鉄を溶解する静置式非傾動型溶解炉である。

製銑電気炉１０は、固体還元鉄１、溶銑２およびスラグ３を収容する本体１１と、本体１１の上部に設けられ、アーク５ａにより本体１１に収容された固体還元鉄１、溶銑２およびスラグ３を加熱する電極５と、本体１１に固体還元鉄１を投入する投入部６と、固体還元鉄１、溶銑２およびスラグ３を加熱することによって発生したガスおよび粉塵を排出する排気部７と、本体１１を上方から覆う蓋部８と、本体１１を冷却する冷却部９と、を備える。蓋部８には、電極５、投入部６および排気部７が貫通する貫通孔が設けられている。また、本体１１には、それぞれ壁面を貫通するように、スラグ３を排出する出滓孔１１ａと、出滓孔１１ａよりも下に設けられ溶銑２を排出する出銑孔１１ｂと、が設けられている。出滓孔１１ａおよび出銑孔１１ｂは、マッドガンにより閉鎖し、ドリルによって開口することができる。

冷却部９は、本体１１の外周を囲むように設けられた第１の冷却部材９ａと、蓋部８の上方に設けられた第２の冷却部材９ｂと、を有する。第１の冷却部材９ａおよび第２の冷却部材９ｂは、それぞれ水冷構造を有し、本体１１および蓋部８を冷却する。第１の冷却部材９ａおよび第２の冷却部材９ｂは、空冷構造を有してしてもよい。冷却部９を設けることによって、本体１１を冷却することができ、本体１１を構成する耐火物の溶損を抑制することができる。

製銑電気炉１０は、炉内を所定の雰囲気に維持可能な密閉構造とする。そのため、蓋部８と本体１１の上端との接続部分、蓋部８の電極５および排気部７と接触する部分等、炉内の密閉性を低下させるおそれがある部分は、窒素シールやセラミックシールリング等、公知の技術によってシールされている。また、投入部６と蓋部８との間には、ホッパーによるマテリアルシールとホッパーから固体還元鉄１を排出するフィーダとを組み合わせたシール部６ａが設けられている。なお、シール部６ａの構造はこれに限定されない。

次に、製銑電気炉１０を用いた溶銑２の製造方法について説明する。本体１１に、投入部６を介して固体還元鉄１ならびに必要に応じて生石灰、ドロマイト等の造滓材および外装加炭材を投入する。その後、電極５に通電し、電極５の先端部から発生するアーク５ａによって、固体還元鉄１が加熱される。固体還元鉄１の温度上昇に伴い、まず、固体還元鉄１に含有される酸化鉄（ＦｅＯ）が固体還元鉄１に含有される炭素によって還元される。このとき、一酸化炭素が発生し、本体１１内の雰囲気は、一酸化炭素主体の還元性雰囲気となる。次に、固体還元鉄に含有される金属鉄が溶融し、固体還元鉄１に含有される炭素が溶融した金属鉄に溶解して金属鉄中の炭素含有量が上昇し、溶銑２が生成する。また、固体還元鉄に含有されるＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３が溶融してスラグ３が副次的に生成し、溶銑２の上に浮上する。スラグ３が生成した後は、電極５の先端部をスラグ３の内部に配置し、スラグ３の内部でアーク５ａを発生させる。

電極５に通電している間も本体１１への固体還元鉄１、造滓材および外装加炭材の投入は継続して行われ、次第に溶銑２およびスラグ３の量が増加して液面が上昇する。溶銑２の液面が出滓孔１１ａより下の所定の高さに達した時点、またはスラグ３の液面が出滓孔１１ａより上の所定の高さに達した時点で、出滓孔１１ａを開口してスラグ３の排出を開始し、スラグ３の液面の高さを調整する。スラグ３の液面は、本体１１内の雰囲気を維持するため、出滓孔１１ａの上端よりも上に維持する。また、スラグ３内でアーク５ａを発生させることができるように、スラグ３の厚さを所定の厚さ以上に維持する。これにより、固体還元鉄１を連続的に本体１１に投入しながら連続的に本体１１からスラグ３を排出することができる。

スラグ３の液面が出滓孔１１ａの上端まで下がり、またはスラグ３の厚さが上記所定の厚さとなった場合には、出滓孔１１ａを閉鎖し、溶銑２の液面が出滓孔１１ａより下の所定の高さに達した時点、またはスラグ３の液面が出滓孔１１ａより上の所定の高さに達した時点で、再び開口する。なお、溶銑２の液面の高さおよびスラグ３の厚さは、本体１１に投入した固体還元鉄１の量から推定する。

また、溶銑２の液面が出銑孔１１ｂより上の所定の高さに達した時点で、溶銑２の排出を開始し、溶銑２の液面の高さを調整する。溶銑２の液面は、溶銑２とともにスラグ３が排出されないように、出銑孔１１ｂよりも上に維持する。これにより、固体還元鉄１を連続的に本体１１に投入しながら連続的に本体１１から溶銑２を排出することができる。

なお、溶銑２の液面が出銑孔１１ｂの上端まで下がった場合には、出銑孔１１ｂを閉鎖し、溶銑２の液面が所定の高さに達した時点、またはスラグ３の液面が出滓孔１１ａより上の所定の高さに達した時点で、再び開口する。

以上のように、本実施形態に係る溶鋼の製造方法において第１の炉として上記の製銑電気炉を用いることにより、連続的に固体還元鉄から銑鉄を製造することができ、効率よく銑鉄を製造できるため、全体として効率よく溶鋼を製造することができる。

本明細書は、上述したように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下にまとめる。

上述したように、本発明の一局面に係る溶鋼の製造方法は、固体還元鉄を原料とする溶鋼の製造方法であって、前記固体還元鉄は、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を合計で３．０質量％以上、炭素を１．０質量％以上含有し、前記固体還元鉄に含有される全鉄分に占める金属鉄の割合が９０質量％以上であり、前記固体還元鉄に含有される前記炭素のうち、下記式（１）で規定する余剰炭素量Ｃｘが０．２質量％以上であり、第１の炉において、前記固体還元鉄のうち４０～１００質量％を溶融させて、炭素含有量が２．０～５．０質量％でありかつ温度が１３５０～１５５０℃の溶銑と、塩基度が１．０～１．４であるスラグと、に分離する工程と、第２の炉において、前記固体還元鉄の残部を、前記第１の炉において分離された前記溶銑とともに溶融させ、当該溶融物に酸素を吹き付けて脱炭し、溶鋼とする工程と、を含む。

Ｃｘ＝［Ｃ］－［ＦｅＯ］×１２÷（５５．８５＋１６）÷０．９４７…（１）
式中、Ｃｘ：余剰炭素量（質量％）、［Ｃ］：固体還元鉄の炭素含有量（質量％）、［ＦｅＯ］：固体還元鉄のＦｅＯ含有量（質量％）である。

この構成によれば、第１の炉において、分離されるスラグに含有可能な全鉄分の量を低減することができ、スラグとともに排出される全鉄分の量を低減することができる。そのため、第１の炉において溶銑の歩留まりの低下を抑制することができ、第２の炉で溶銑から溶鋼を得ることができるため、固体還元鉄の原料として低品位の鉄鉱石を利用しても高い歩留まりで溶鋼を得ることができる。

上記構成の第１の炉において、アークにより前記固体還元鉄を溶融させ、前記溶銑およびスラグをそれぞれ連続的に前記第１の炉から排出してもよい。

これにより、第１の炉において効率よく溶銑を製造することができるため、溶鋼の製造方法全体として効率よく溶鋼を製造することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（試験条件）
表１に示す成分組成の固体還元鉄を原料として、上述の製銑電気炉（第１の炉）および製鋼電気炉（第２の炉）を用いて下記試験番号１～３の溶鋼の製造についての計算機シミュレーションを行った。固体還元鉄Ａ１は、低品位の鉄鉱石を原料として製造したものであり、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が７．６３質量％であった。固体還元鉄Ａ２は、高品位の鉄鉱石を原料として製造したものであり、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が２．４７質量％であった。金属化率はいずれも９４．０％であった。表１に示す「Ｔ．Ｆｅ」は固体還元鉄に含有される全鉄分を意味する。

（試験１）
試験１は、本発明例である。試験１では、固体還元鉄Ａ１を用いて試験を行った。第１の炉では、固体還元鉄のうち７０質量％を溶銑とした。第２の炉では、固体還元鉄の残部を第１の炉で得られた溶銑とともに溶融させ、脱炭して溶鋼を得た。

第１の炉では、製銑電気炉に５００℃の固体還元鉄を投入し、溶銑の炭素含有量は３．０質量％とした。第２の炉では、製鋼電気炉に２５℃の固体還元鉄を投入し、溶鋼の炭素含有量は０．０５質量％とした。

また、第１の炉および第２の炉のいずれにおいても、造滓材として生石灰とドロマイトを使用し、表２および表３に示すように、スラグの塩基度を第１の炉では１．３、第２の炉では１．８とした。

（試験２および試験３）
試験２および試験３は、比較例である。試験２では固体還元鉄Ａ１、試験３では固体還元鉄Ａ２を用いて試験を行った。試験２および試験３のいずれも、固体還元鉄の全量（１００質量％）を第２の炉で溶融し、を脱炭して溶鋼を得た。

試験２および試験３のいずれも、製鋼電気炉に５００℃の固体還元鉄を投入し、溶鋼の炭素含有量は０．０５質量％とした。また、造滓材として生石灰とドロマイトを使用し、表３に示すようにスラグの塩基度を１．８とした。第１の炉の溶銑温度は、第２の炉の溶鋼温度より低く、またスラグＦｅＯ含有量も低くなって、塩基性耐火物への負荷が下がるため、第１の炉のスラグ塩基度を低く設定することができる。

（試験結果）
表２には、溶銑１ｔあたりの製造に使用した原料および電力の量、生成したスラグの量、ならびに溶銑の歩留まりを示した。表３には、溶鋼１ｔあたりの製造に使用した原料および電力の量、生成したスラグの量、ならびに溶鋼の歩留まりを示した。また、表４には、第１の炉における工程および第２の炉における工程を合わせた溶鋼１ｔあたりの製造に使用した原料および電力の量、ならびに溶鋼の歩留まりを示した。ここで、溶銑について歩留まりは、固体還元鉄として第１の炉に投入された鉄分のうち、溶銑として回収された鉄分の割合（質量％）である。また溶鋼について歩留まりは、試験１については固体還元鉄および溶銑として、試験２および試験３については固体還元鉄として第２の炉に投入された鉄分のうち、溶鋼として回収された鉄分の割合（質量％）である。試験１について表４の「全体での溶鋼歩留まり」は、固体還元鉄として第１の炉と第２の炉に投入された合計の鉄分のうち、溶鋼として第２の炉で回収された鉄分の割合（質量％）として算出した。

（試験１）
試験１では、第１の炉において溶銑の炭素含有量を３．０％と高くしたため、スラグのＦｅＯ含有量は１．０質量％と低い値であった。これにより、スラグとともに排出される鉄分を抑制することができ、９９．８％という高い歩留まりで溶銑を製造することができた。また、第１の炉で発生したスラグ量は２３７ｋｇ／ｔと操業上問題のない量であった。

また、第２の炉では、溶鋼の炭素含有量を０．０５質量％まで低下させたため、スラグのＦｅＯ含有量は２５．０質量％と高かった。しかし、スラグの生成量は１６９ｋｇ／ｔと、同じ固体還元鉄Ａ１の全量を第２の炉で溶融した試験２のスラグ生成量４５６ｋｇ／ｔと比べて大幅に少なく、スラグとともに排出される鉄分を抑制することができた。また、スラグ量は、操業上問題のない量であった。

第１の炉における工程および第２の炉における工程の全体での溶鋼の歩留まりは９６．７％と高い値であり、固体還元鉄の原料として低品位の鉄鉱石を利用しても高い歩留まりで溶鋼を得ることができた。

（試験２）
試験２では、第２の炉において溶鋼の炭素含有量を０．０５質量％まで低下させたため、スラグのＦｅＯ含有量は２５．０質量％と高かった。また、第１の炉を使用しなかったため、スラグの全量が第２の炉において発生した。これにより、スラグとともに排出される鉄分が多く、溶鋼の歩留まりは９１．９％と低い値であった。

また、スラグ生成量は４５６ｋｇ／ｔと多かった。このように大量に生成したスラグは、造滓材の溶融に時間がかかるのに加えて、溶融スラグの第２の炉からの排出に長時間を要する等、溶鋼の生産性を著しく低下させる。また、大量のスラグを炉内で保持して溶融させるため、炉殻を高くする等、設備の改造も必要であり、操業上対応が困難となる量であった。

（試験３）
試験３では、固体還元鉄の原料として高品位の鉄鉱石を利用したため、スラグの生成量は１０４ｋｇ／ｔと少なかった。そのため、スラグとともに排出される鉄分が少なく、溶鋼の歩留まりは９８．０％と試験１と比べても高い値であった。また、スラグの生成量は操業上問題のない量であった。

（まとめ）
以上のように、本発明に係る溶鋼の製造方法によれば、低品位の鉄鉱石を利用しても、高品位の鉄鉱石を使用した場合と同等の高い歩留まりで溶鋼を得ることができることが確認できた。

１ 固体還元鉄
２ 溶銑
３ スラグ
５ａ アーク

Claims (2)

1. 固体還元鉄を原料とする溶鋼の製造方法であって、
   前記固体還元鉄は、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を合計で３．０質量％以上、炭素を１．０質量％以上含有し、
   前記固体還元鉄に含有される全鉄分に占める金属鉄の割合が９０質量％以上であり、
   前記固体還元鉄に含有される前記炭素のうち、下記式（１）で規定する余剰炭素量Ｃｘが０．２質量％以上であり、
   第１の炉において、前記固体還元鉄のうち４０～１００質量％を溶融させて、炭素含有量が２．０～５．０質量％でありかつ温度が１３５０～１５５０℃の溶銑と、塩基度が１．０～１．４であるスラグと、に分離する工程と、
   第２の炉において、前記固体還元鉄の残部を、前記第１の炉において分離された前記溶銑とともに溶融させ、当該溶融物に酸素を吹き付けて脱炭し、溶鋼とする工程と、を含む、溶鋼の製造方法。
   Ｃｘ＝［Ｃ］－［ＦｅＯ］×１２÷（５５．８５＋１６）÷０．９４７…（１）
   式中、Ｃｘ：余剰炭素量（質量％）、［Ｃ］：固体還元鉄の炭素含有量（質量％）、［ＦｅＯ］：固体還元鉄のＦｅＯ含有量（質量％）である。
2. 前記第１の炉において、アークにより前記固体還元鉄を溶融させ、
   前記溶銑およびスラグをそれぞれ連続的に前記第１の炉から排出させる、請求項１に記載の溶鋼の製造方法。

Images