JPS5833291B2 - 還元鉄ア−ク炉精練方法並びにその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は還元鉄の精錬方法並びにその装置に係る。

現行製鉄法の主流である高炉法は不可欠の原料である強
粘結炭の資源問題ばかりでなく、省エネルギー或いは公
害問題に直面しており、またその設備投資額が大きいこ
ともあってそれに代る新らしい製鉄プロセスが種々検討
されるようになって来た。

一方超高出力大型アーク炉（ＵＨＰ；に型アーク炉とい
う。

以下同じ）の出現によって製鋼用アーク炉の生産性が飛
躍的に増加し、また還元鉄の製造技術の進歩によって、
直接製鉄−電気製鋼の組合せによるプロセスが注目をあ
びるようになって来た。

ここで還元鉄の物理的性状が連続装入に適していること
と合わせ、溶解期、精錬期を合併した操業法の採用が可
能になり、電力効率にも改善が見られるようになってい
る。

ところで、還元鉄は屑鉄、いわゆるスクラップと比較し
てスラグ成分は多いが、Ｃｕ、Ｐ、Ｓの如き不純物元素
は遥かに少なく、かつ連続装入に適した物理的性状を有
しており、還元鉄利用の製鋼プラントが既に稼動し、或
いは計画されつつあるが、いまだ解決すべき点が多く、
試験期を脱していない状態である。

例えば、現在普通に入手できる還元鉄の見掛は比重はＦ
（ＩＢ法によるものを除けば製鋼スラグの比重より小さ
く、またその熱伝導率はスクラップの２０％以下である
。

更に、還元鉄は溶解に際して再酸化し易いという性質を
有し、従って通例のアーク炉における全スクラップ操業
のように原料装入後に通電したのでは迅速な溶湯のプー
ルの形成が難かしいばかりでなく、再酸化による金属鉄
分の減少、棚吊りの発生、いわゆる「アイスバーブ」の
形成等が発生し、きわめて効率の悪い操業となる。

一方、連続装入について言えば、適正な装入速度（２６
〜３３ ｋｇ７ＭＫ１分）を越えて装入するとアイスバ
ーブの形成が見られるようになる。

更にまた、還元鉄の連続装入位置についても種々試行さ
れている段階である。

その他、全スクラップ操業に比べれば、還元鉄使用の場
合には湯面平滑期が長く、アークフレアによる炉壁の溶
損が著しくなり、或いはまたスラグ量が多いため電力を
余分に要する。

これらに対して迅速溶解或いはサブマージアーク等の対
策が考えられるけれども、迅速溶解は精錬末期における
スラグの急激な泡立ち現象を起し勝ちであって、スラグ
の処理或いは鉄分の損失の点で問題があり、またサマー
ジアークによる溶解法は還元鉄の比重がスラグの比重よ
り小さいので迅速溶解の点からは望ましいことではない
。

更に、電力節減手段の第一であるホットチャージについ
てはカーボンポテンシャルの高いガスを別途製造するこ
とによって可能ではあるが、８００℃以下の予熱ではス
ラグ増加分の電力消費量の増加を償なうことができず、
一方８００℃以上に予熱した場合にはシャフト憩では原
料が炉内で焼結し易く、回転炉では熱効率、生産性の点
で問題がある。

電気炉内で天然ガスその他の補助燃料を燃焼することは
電力節減に効果があるが、必然的に排ガス量を増し、か
つその温度を高めるので、ガス排出口が設けである炉天
井の寿命を短かくする欠点がある。

一方、溶解装置としてアーク炉について考えてみるに、
その進歩は近年著しく、ＵＨＰ犬型丁型アーク炉発によ
ってその生産性は飛躍的に増大したがなお解決すべき問
題点が残っている。

その二三を挙げればホットスポット、三相不平衡等であ
る。

第１〜２図はＵＦ（Ｐ大型アーク炉におけるホットスポ
ット発生の一例の見取り図並びにその展開図であって、
斜線を施した部分によって示される溶損範囲からも判る
ように三相不平衡に伴なって特に激動用であるＢ極に対
向する炉壁に溶損が著しく生じている。

また第３図はＡ極に激動用をあてた場合の溶損の一例の
見取り図である。

これに対しては煉瓦材質の変更、熱間補修法やスクラッ
プ等の装入方法の改善、相回転、傾斜電極、相互インダ
クタンスの平衡化、電極サークルの径の縮小等の種々の
対策が検討されて来たがきめ手となるものはなく、現在
では水冷ボックスや水冷壁の如き強制冷却が最も有効な
手段とされているが、水冷法には常に水漏れ、それに伴
なう爆発の危険がつきまとっている。

本発明は上記の如き問題点を解決し、或いは欠点を解消
する還元鉄のアーク炉精錬方法並びにその方法を実施す
るための装置を提供することを目的とし、アーク炉炉壁
に接して設けられた低シャフト炉に還元鉄を炭材および
石灰石と共に連続的に装入し、予熱空気による炭材の燃
焼熱とアーク炉排ガスの顕熱とによってこれらを予熱し
て排出口からアーク炉内へ連続的に排出し、該排出口に
おいてアーク炉の激動用のアークによって加熱し吸炭し
た還元鉄を半溶融状態もしくは溶融状態でアーク炉湯溜
りへ流入せしめ、該湯溜りにおいて酸素吹錬することを
特徴とする還元鉄のアーク炉精錬方法並びにアーク炉に
隣接して低シャフト炉が設けられ、該低シャフト炉の排
出口はアーク炉の炉壁の下部に設けられて低シャフト炉
とアーク炉とは連通しており、アーク炉排ガスを低シャ
フト炉を通過させて除塵器へ吸引すると共に、アーク炉
激動相によるホットスポット部を該排出口位置に生ずる
ようにし、かつアーク炉内へ酸素吹錬用吹込ランスが出
入できるように設けられた還元鉄アーク炉精錬用の装置
に係る。

本発明ではアーク炉激動相のホットスポット発生場所を
排出口とし、兼ねてアーク炉排ガスの吸引口とする低シ
ャフト炉に還元鉄と適当量の炭材及び石灰石を連続装入
し、予熱空気を低シャフト炉下部へ吹きこんで炭材を燃
焼せしめて得られる燃焼熱と、アーク炉排ガスを低シャ
フト炉の装入材中を通過させてその顕熱とによって予熱
された装入材が炉内を降下して排出口に達すると、アー
ク炉の激動用のアークフレアによってさらに加熱され、
あたかも高炉もしくはキュポラ内の羽目近労およびそれ
より上方の状況が得られるようにしたものである。

溶融しない還元鉄も吸炭し、高温に加熱されるため半溶
融状態になり、その比重が上昇し、もはやスラグ上に浮
遊することはない。

還元鉄に付随するスラグ成分は石灰石が焼成された生石
灰と化合してスラグとなってアーク炉に移行する。

アーク炉装入還元鉄の大部分がシャフト炉排出口におい
て１２００℃以上に予熱されるため電力節減は３０％を
越える。

従来アーク炉においてはホットスポットの発生をできる
だけ押えるようにし、炉壁寿命の延長の観点からのみ処
理されて来ており、ホットスポットを生ずる基となるア
ークフレアの灼熱を利用するということは考えられてい
なかったのであるが、本発明においてはこれを積極的に
利用するものであって、第４図に示すものは第１図に示
すアーク炉の電極サークル２１の中心を本発明の主旨に
基づいて炉中心から偏心させた場合であって、激動相の
Ｂ電極に対向する炉壁の部分２２に著しいホットスポッ
ト（図において斜線を施した部分）を生じさせるように
したものである。

第５図は同じく電極サークルの中心を炉中心から偏心さ
せると共に第１図に示すアーク炉の激動相のＢ電極に対
向する炉壁を本発明の主旨に基づいて激動相に近づけて
該部分２３に著しいホットスポットを生せしめるように
した場合を示している。

中央相（第１図のＣ電極）のホットスポットによる炉壁
溶損を低減する目的では第４図に示す方が望ましいが、
中央相の電極Ｃに中空電極を使用すれば本発明のように
電力投入量が少ない場合には第５図に示すようにしても
充分炉壁の溶損の低減が可能である。

また両者を組合せることも可能であることは言うまでも
ない。

ホットスポット部の面積は電極と炉壁との間の距離の自
乗に比例し、ホットスポットの灼熱は電極と炉壁との間
の距離の自乗に反比例し、アーク電圧と電力とに比例す
る。

本発明では激動相電極と炉壁即ちシャフト炉排出口との
距離を短縮し、増大された灼熱によって装入還元鉄を溶
融または半溶融状態まで加熱すると共に、炉壁寿命の著
しい延長を可能にするものである。

また本発明においては低シャフト炉を排煙ダクト兼用と
するものであって、第７図に矢印を付して炉ガスの流れ
を示したように、アーク炉排ガスの顕熱を利用できるば
かりでなく、アーク炉天井煉瓦の損傷を低減する点でも
著しい効果がある。

更に、気体酸素吹錬は通例の製鋼法においては操業の迅
速化に広く採用されているが、本発明においてもアーク
炉内の溶湯面を波立たせ、アーク熱の溶湯への伝熱の促
進、還元鉄の迅速溶解の目的で採用する。

粒状還元鉄の連続溶解では通常のスクラップ法操業とは
異なって湯面平滑期が長く、その結果炉壁煉瓦の溶損が
激しくなるので、湯面を波立たせる手段を採用して炉壁
の溶損を防止すると共にアーク熱の溶湯への伝熱を促進
する必要がある。

しかしながら酸素吹錬を行なうためには溶湯の炭素含有
量をかなりに高くしておかなければならないが、本発明
によれば還元鉄は低シャフト炉内で予熱され、吸戻し、
更に排出口において半溶融状態または溶融状態になって
容易に加炭されるので、アーク炉内の溶湯の炭素含有量
を原料還元鉄よりもかなり高くすることができ、酸素吹
錬が可能になる。

一方このような酸素吹錬による湯面の乱れは通例のアー
ク炉においてはアーク発生の不安定或いはスプラッシュ
の付着による電極折損等を起し易く、従ってアーク加熱
と酸素吹錬とを同時に平行して行なうことは難しいが、
本発明においては前述したように電極サークルが炉中心
から偏心しているので、この偏心分だけ炉内に酸素吹込
みのために使用できる子猫空間が生ずるから、これが可
能になる。

更にまた、本発明においては原料還元鉄を低シャフト炉
から供給するほかに、アーク炉天井等からもアーク炉内
へ装入することもできる。

即ちアーク炉に投入される電力の各電極当りの比率が定
まっている場合にはその比率に応じて各電極まわりに原
料を供給して各相電極の仕事量を同一とすることによっ
て入力電力を効率良く還元鉄の溶解に使用することがで
きる。

例えば電力比率が次のように予め定められているとすれ
ば各相電極への装入量は、各相電極の仕事量が同じであ
るとして次のように計算することができる。

但しＡ＝１００＋４００＋１２０ ここでＢ相（即ちシャフト炉）への装入量算出に使用し
た係数０．３５は、低シャフト炉による還元鉄の予熱温
度を１２００℃とした場合、この温度で低シャフト炉排
出口から出て来る還元鉄を１５５０℃の融体にするのに
必要な熱量と常温の還元鉄を加熱して１５５０℃の融体
にするのに必要な熱量との比である。

即ち上記の如き電力比率においては全装入還元鉄量のう
ち約６５％はシャフト炉を通過させてアーク炉へ装入し
、残余の約３５％をＡ相、Ｃ相各電極のまわりへ夫々１
６％、１９％の割合で供給してやればよい。

このように各電極の入力を最も効率良く利用するため本
発明においては全装入還元鉄の５５％以上を低シャフト
炉を通してアーク炉へ装入し、残部４５％以下の還元鉄
は激動相以外の電極、換言すれば低シャフト炉排出口と
対向する電極以外の電極まわりへ投入することができる
。

而して本発明においては電極サークルを前述のように炉
中心から偏心させているために炉天井等に装入装置を設
けることが容易になる。

次に添付図面に示す実施例について説明する。

第６〜第７図には第４図に示した電極配置をとった場合
の例が示しである。

即ちアーク炉胴体１、天井２、電極マスト３を有するア
ーク炉４に於て、電極サークル５を電極マスト３側に偏
心させて激動相電極Ｂと炉壁６との間隔をせばめである
。

該炉壁６の外側に胴体１に接して電極マスト３との間に
低シャフト炉７が設けてあり、炉壁６の下部に開口部８
があって低シャフト炉７の排出口兼アーク炉排ガスの吸
引口となっている。

該開口部８の大きさは第３〜第４図を参照してホットス
ポット発生範囲の大きさとするとよい。

低シャフト炉７の天井９に連結された排ガス管１０は図
示しない集塵装置に連結されている。

該天井９にはそのほかに原料装入管１１が設けてあって
図示しない原料切出しホッパに接続されている。

低シャフト炉の側壁には予熱空気吹込口１２があって、
図示しない予熱装置によって予熱された空気を低シャフ
ト炉内に吹きこんで炭材を燃焼させる。

アーク炉の人相、Ｃ相電極とそれに対向する炉壁との中
間に炉天井２を通して酸素吹込ランス１３を適宜の方法
で上下可能に炉内に垂下させ、図示しない酸素供給源に
接続しておく。

また、アーク炉天井２には還元鉄の追加装入装置用の孔
１４を電極サークルを炉中心から偏心させて生じた子猫
を利用してＡ相、Ｃ相電極近くにあけておく。

このような構造の装置を使用して本発明の方法により還
元鉄の精錬を行なう操業例について述べるに、前回の出
湯でアーク炉内に約Ｖ４の溶湯を残しておき、電極を下
げて通電する。

低シャフト炉７に装入された還元鉄、コークス粒等の炭
材および石灰石は予熱空気吹込口１２から吹込まれた酸
素富化予熱空気によって炭材は燃焼し、その燃焼熱と排
出口８から吸引されたアーク炉ガスの顕熱とによって予
熱され、石灰石は生石灰となって還元鉄と共に低シャフ
ト炉内を降下して次第に温度を高め、還元鉄は吸戻し次
第に半溶融状態になり、排出口８に来て激動相電極Ｂの
アークフレアによってさらに加熱され、還元鉄の一部は
半溶融状態から溶融状態になってアーク炉溶融浴の中へ
流入する。

還元鉄に含まれたＳ ｉｏ２． Ｍ ２０３其の他のス
ラグ成分および未還元の酸化鉄は生石灰と化合してスラ
グを作り、次第にアーク炉の溶融浴１５へ流れて行く。

加炭され、半溶融状態になった還元鉄は比重を増して溶
融浴のスラグの下へ沈んで行き、周囲の溶湯の熱によっ
て溶融する。

アーク炉の溶融浴は次第にその量を増し、炭素含有量も
次第に高くなって行く。

炭素含有量が大よそ１％を越えたならばアーク加熱と平
行して酸素吹錬を開始する。

激動相以外の電極まわりにアーク炉天井に設けた装入口
から所定の割合で還元鉄を追加装入する。

このようにして次第に溶融浴の量が増えて行き、温度も
上昇して行く。

溶湯が所定の量になったならば通電を止め、酸素吹錬に
よって所定の炭素含有量になるまで吹錬し、溶湯温度を
調べ、温度が低ければ通電して溶湯温度を上げ、適当な
らばそのまま出湯する。

このときの通電は重臣を下げて行なえば低シャフト炉排
出口にはホットスポットは生ぜす、排出はとまった儒で
あるからアーク炉溶湯の品質が低下するおそれはない。

出湯は炉内溶湯全量の約Ｖ４とし、残りの約１／４の溶
湯を炉内に残しておいてこれに通電してやれば低シャフ
ト炉の排出口のところに容易にホットスポットを生じさ
せることができるから次回の操業の開始が容易になる。

炉修の都合等によって全量出湯したときはスクラップを
装入して溶解して溶融浴１５を形成させてやればよい。

以上の操業プロセスを時間の経過に従って図解的に示せ
ば第８図に示すようになる。

次に７０トンＵＨＰ犬型アーク炉を例にとって操業計算
を行なった一例を示す。

Ｔ、 Ｆｅ ９２％、０．７５％Ｃの還元鉄を１７．５
トンの残湯のあるアーク炉へ、５７ｔ／ｈｒの速度で連
続的に装入する。

通例キュポラで得られる溶銑の炭素含有量は３．１〜４
．１％であるから、本発明の低シャフト炉排出口近労で
３．６％Ｃになるものと仮定し、この溶湯にアーク炉天
井から還元鉄を２０ｔ／ｈｒの速度で追加装入して希釈
し、アーク炉中心部で２．６％Ｃとし、これに酸素吹錬
を施して出鋼時に０．２％Ｃ１温度１６００°Ｃにする
ものとする。

低シャフト炉下部より４００℃に予熱された１０％酸素
富化の空気を吹きこんでやる場合のバランスシートを図
に示せば第９図のとおりである。

なお従来のアーク炉でこれと同じ生産を行なうためには
還元鉄トン当り７３９ＫＷＨの電力が必要であって、本
発明の実施によって３７％の電力節減が達成される。

電力節減分を生産増加に向けると例えば５０トン炉の電
源設備で８０トン炉、７０トン炉のそれで１１０トン炉
の稼動ができることになる。

残湯法を連続的にくり返す場合は５０トン炉電源設備で
６０トン出鋼となるが、熱サイクル、熱効率上きわめて
生産があがる。

以上説明したように本発明の方法によれば、高温に予熱
され、加炭されて融点が下がり、溶融もしくは半溶融状
態となって比重が増大した還元鉄がアーク炉に供給され
る上、造滓材料が予熱され容易にスラグが形成されるの
で精錬作業が容易になる。

アーク炉の激動相のホットスポット部を通して還元鉄を
アーク炉へ供給するので、その灼熱を還元鉄の加熱溶融
に利用できるようになり電力使用量が少なくなる。

原料還元鉄の大部分を適当量の炭材と共に低シャフト炉
を通してアーク炉へ供給するので還元鉄の中の未還元酸
化鉄の還元の大部分に直接電力を使用しなくとも済む。

従って還元鉄の金属化率が非常に高い必要がなくなるた
め還元鉄のコストの点で有利である。

炭素含有量の高い還元鉄をアーク炉へ供給できるので酸
素吹錬を併用できるようになり、操業の迅速化が可能に
なり、而もスラグの急激な泡立ち現象を防止することが
できる。

更に、低シャフト炉から原料還元鉄をアーク炉へ装入す
るほかに、激動相以外の電極まわりに還元鉄を追加装入
することによって各相電極の電力を有効に還元鉄溶解に
利用することもできる等操業上の数々の効果が得られる
。

また本発明の装置によれば、アーク炉と低シャフト炉と
を一体に設け、低シャフト炉の排出口をアーク炉側壁の
激動相ホットスポット発生部に設けであるので、ホット
スポットの灼熱を装入原料の加熱溶融に有効に利用でき
る上に、従来の激動相のホットスポットによるトラブル
はなくなる。

電極サークルをアーク炉中心から偏心させて電極を設け
であるので、酸素吹錬装置および原料還元鉄の装入装置
を炉天井等に設けるための設計が容易になる。

アーク炉の排ガスを、炉天井に排出口を設けずに側壁の
ドアシルレベル近くから吸引排出するので炉天井の損傷
が防止され、炉壁寿命の延長と相まって長期間の連続操
業が可能になる。

また、アーク炉の排ガスを低シャフト炉内を通して排出
するのでダストは低シャフト炉内の装入材料に捕捉され
、その上低シャフト炉内の生石灰によって排ガス中のＮ
Ｏｘの量が低減される。

電極配置、電らん長さともに従来の電力効率の最も良い
（三相不平衡のままで）アーク炉と同じで良く、低シャ
フト炉はアーク炉の傾動軸方向に設けであるから、アー
ク炉の傾動、排滓、出湯等の作業には差支えがない等の
工業上数々の効果を有し、上記の特定発明の方法を最も
効果的に実施できる装置である。

【図面の簡単な説明】

第１〜第３図はＵＨＰ大型アーク炉におけるホットスポ
ットによる溶損状況の見取り図、第４図は第１図の場合
について電極サークルを偏心させた場合の、第５図は同
じく激動相に炉壁を近づけた場合のホットスポットによ
る溶損状況の見取り図、第６図は本発明の装置の実施例
を図解的に示す平面図、第７図は同じく中央縦断面図、
第８図は本発明の方法の操業プロセスの一例を図解的に
示したグラフ、第９図は本発明の方法の操業計算の一例
のバランスシートを示した図面である。 １・・・・・・アーク炉胴体、２・・・・・・天井、３
・・・・・・電極マスト、４・・・・・・アーク炉、５
・・・・・・電極サークル、６・・・・・・激動相に対
向する炉壁、７・・・・・・低シャフト炉、８・・・・
・・排出口、１０・・・・・・排ガス管、１１・・・・
・・原料装入管、１２・・・・・・予熱空気吹込口、１
３・・・・・・酸素吹込みランス、１４・・・・・・原
料追加装入口、１５・・・・・・溶融浴、２１・・・・
・・電極サークル、２２゜２３・・・・・・ホットスポ
ットが生じた炉壁部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アーク炉炉壁に接して設けられた低シャフト炉に還
   元鉄を炭材および石灰石と共に連続的に装入し、予熱空
   気による炭材の燃焼熱とアーク炉排ガスの顕熱とによっ
   てこれらを予熱して排出口からアーク炉内へ連続的に排
   出し、該排出口においてアーク炉の激動相のアークによ
   って加熱し、吸戻した還元鉄を半溶融状態もしくは溶融
   状態でアーク炉湯溜りへ供給し、該湯溜りに於て酸素吹
   錬することを特徴とする還元鉄のアーク炉精錬方法。 ２ アーク炉に隣接して低シャフト炉が設けられ、該低
   シャフト炉の排出口はアーク炉の炉壁の下部に設けられ
   て低シャフト炉とアーク炉とは連通しており、アーク炉
   排ガスを低シャフト炉を通過させて除塵器へ吸引すると
   共に、アーク炉激動相によるホットスポット部を該排出
   口位置に生ずるようにし、かつアーク炉内へ酸素吹錬用
   吹込ランスが出入できるように設けられた還元鉄アーク
   炉精錬用の装置。