JPWO2018110171A1

JPWO2018110171A1 - 電気炉

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Publication number: JPWO2018110171A1
Application number: JP2018556263A
Authority: JP
Inventors: 俊哉原田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: US11473841B2; BR112019010786B1; EP3557171A1; CN110073161A; BR112019010786A2; WO2018110171A1; JP6881470B2; KR102186375B1; CA3044770A1; CN110073161B; KR20190082843A; EP3557171A4; US20200064071A1

Abstract

この電気炉は、筒状の炉壁と、前記炉壁の上端に設けられた炉蓋と、前記炉壁の下端に設けられ、深底部と、前記深底部の最深部に対する高さが１５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下の領域である浅底部と、を有する炉底と、を有する電気炉であって、前記電気炉には、スラグ搬送容器から直接、またはスラグ搬送容器から傾斜樋を経由して溶融スラグまたは凝固スラグ塊を投入することができるスラグ投入口が設けられ、前記スラグ投入口が前記浅底部と平面視で重なりを有し、前記炉底に対する前記浅底部の平面視における面積率が５％以上、４０％以下である。

Description

本発明は、製鋼工程で生成される溶融スラグまたは凝固スラグ塊を、スラグ搬送容器から直接、またはスラグ搬送容器から傾斜樋を経由して、電気炉に注入して還元するプロセスに用いられる電気炉に関する。
本願は、２０１６年１２月１６日に、日本に出願された特願２０１６−２４４５０２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、資源のリサイクルの要請が高まる中、製鋼工程において転炉等を用いて脱硫、脱燐または脱炭精錬により生成されるスラグ（製鋼スラグ）からＦｅやＰなどの有価物を分離回収するとともに、製鋼スラグを高品質のスラグに改質して再利用することが希求されている。

例えば、特許文献１には、溶解炉内の鉄鋼溶湯に鉄鋼スラグを加え、熱および還元材を加えて鉄鋼スラグを変成しつつ、スラグ中のＦｅ、ＭｎおよびＰを溶湯に移行させて変成スラグを得る第１工程と、溶湯中のＭｎおよびＰを酸化させて順次変成スラグに移行させ、高Ｍｎスラグ、高Ｐスラグを順次取り出す第２、第３工程とを含むスラグ処理方法が開示されている。

特許文献２には、炭素含有率１．５ｗｔ％未満の鋼鉄浴に、酸化鉄含有率５ｗｔ％超の鋼鉄スラグを投入してから、炭素または炭素キャリアの導入により鋼鉄浴を炭化して炭素含有率２．０ｗｔ％超の鋼鉄浴を得て、その後に、鋼鉄スラグ中の酸化物を還元する方法が開示されている。当該方法では、スラグ投入時に鉄鋼浴との激しい反応に伴うスラグの発泡（スラグフォーミング）や炉からの噴出（オーバーフロー）を抑制するために、スラグ投入前に鋼鉄浴の炭素含有率を低下させておくことでスラグ投入時の反応速度を緩和させ、その後に当該炭素含有率を上昇させてスラグの還元処理を行っている。

特許文献３には、溶鉄層と溶滓層を有する反応容器に搬送レードルから溶融スラグを連続的に装入して還元処理を行うプロセスが記載されている。

特許文献４には流動性を有する高温の溶融スラグを、スラグ保持炉に一旦保持し、電気炉内の溶鉄層上に溶融スラグ層を緩衝帯として形成した上で、当該溶融スラグ層にスラグ保持炉から溶融スラグを注入し、スラグ−メタル界面に還元材としての炭素を供給する旨が記載されている。

特許文献４の構造は、電気炉を用いるため、還元反応は、スラグ−溶鉄間の反応よりも、スラグ中の鉄分（ＦｅＯ）と炭素分（Ｃ）との反応が支配的になる。それ故、溶鉄中のＣ濃度が１．５質量％程度と低い場合であっても、加炭なしで、スラグの還元処理を行うことが可能であり、作業効率を向上できる点で優れている。

さらに、特許文献４の構造は、溶融スラグを電気炉に直接投入するのではなく、電気炉に隣接配置されたスラグ保持炉に一旦保持し、電気炉内の溶鉄層上に溶融スラグ層を緩衝帯として形成した上で、注入量を調整しながら、溶融スラグを徐々に注入しているため、炉内を密閉して雰囲気の制御を容易にできる点、およびスラグ投入時のスラグフォーミングを抑制できる点で優れている。

日本国特開昭５２−０３３８９７号公報日本国特表２００３−５２０８９９号公報日本国特表２００６−５２８７３２号公報日本国特許第５５２２３２０号公報

特許文献１に記載のスラグ処理方法では、転炉を用いて還元処理を行っているため、溶湯とスラグが強く撹拌されている。このため、スラグ投入時に溶湯の炭素濃度が高いと、スラグが溶湯と接触することにより、反応が促進されてフォーミングが起こる。これを回避するために、炭素濃度が低い溶湯にスラグを投入後、還元反応の促進のために、炭素を投入して溶湯の炭素濃度を増加させるため、多数回のスラグ還元処理と、Ｍｎ、Ｐの酸化および取り出し処理を繰り返し行う必要があるので、作業効率および生産性が低下すると懸念される。

特許文献２に記載のスラグ還元方法でも、転炉を用いて還元処理を行っているため、溶鉄中の炭素濃度を増減させてスラグの還元処理を行うために、脱炭昇熱と加炭還元という処理を繰り返すことになり、作業効率および生産性が低下すると懸念される。

特許文献３に記載のスラグ還元方法は反応容器の上端が開放されているため、反応容器内の雰囲気を制御することができないので、スラグ還元反応が阻害されてしまうと懸念される。

特許文献４に記載のスラグ還元方法は保持炉を用いているため、スラグ還元処理装置として電気炉に加えて保持炉を必要とし、装置が大掛かりになってしまう問題があった。また、保持炉を用いると溶融スラグと保持容器表面との接触面積が増加してしまうため、放熱ロスが増えるという問題もあった。
さらに、溶融スラグは搬送中あるいは電気炉への注入中に一部が凝固して凝固スラグとなる場合がある。この凝固スラグもリサイクルの観点からは還元処理を行うのが望ましい。
しかしながら特許文献４に記載のスラグ還元法は保持炉を用いているため、凝固スラグを投入できないという問題があった。また、仮に凝固スラグを投入したとしても、大きさと重量によっては電気炉に投入すると溶融スラグ層を突き抜けて溶鉄層と接触してスラグフォーミングを生じることがあり、溶融スラグ層が緩衝帯として機能し難いという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、炉内雰囲気を一定に維持しつつ、投入直後の溶融スラグまたは凝固スラグ塊と電気炉内の溶鉄層とが激しく混合されて大きなスラグフォーミングを生成することを防止し、還元処理効率を高くすることができる電気炉を提供することを目的とする。

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）本発明の一態様は、筒状の炉壁と、前記炉壁の上端に設けられた炉蓋と、前記炉壁の下端に設けられ、深底部と、前記深底部の最深部に対する高さが１５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下の領域である浅底部と、を有する炉底と、を有する電気炉であって、前記電気炉には、スラグ搬送容器から直接、またはスラグ搬送容器から傾斜樋を経由して溶融スラグまたは凝固スラグ塊を投入することができるスラグ投入口が設けられ、前記スラグ投入口が前記浅底部と平面視で重なりを有し、前記炉底に対する前記浅底部の平面視における面積率が５％以上、４０％以下である。
（２）上記（１）に記載された電気炉は、前記炉蓋、または前記炉蓋と前記炉壁の両方に設けられ、還元材を炉内に投入する還元材投入ノズルと、前記炉蓋に設けられた排気ダクトを有してもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載された電気炉では、前記スラグ投入口は前記炉蓋に設けられ、開閉式のスラグ投入ドアで覆われてもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載された電気炉は、前記炉壁の、前記浅底部の最高高さよりも高い位置に設けられ、溶融スラグを排出する出滓口と、前記炉壁の、前記浅底部よりも低い位置に設けられ、溶鉄を排出する出湯口と、を有してもよく、前記電気炉は据置式であってもよい。
（５）上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載された電気炉は、前記電気炉を傾動させる傾動部と、前記炉壁の、前記浅底部の最高高さよりも高い位置に設けられ、溶融スラグを排出する出滓口と、前記深底部の延長上に設けられ、溶鉄を排出する炉底出湯口と、を有してもよい。
（６）上記（５）に記載された電気炉では、前記炉蓋が、前記炉壁の上端と前記炉壁の側方の間を移動可能であってもよく、前記スラグ投入口が前記炉蓋を前記炉壁の側方に移動した状態で前記炉壁の上方に形成される開放部であってもよい。

上述の電気炉によれば、特許文献４に開示されているようなスラグ保持炉を使用せずに、製鋼工程で生成される溶融スラグまたは凝固スラグ塊をスラグ搬送容器から直接、またはスラグ搬送容器から傾斜樋を経由して電気炉に注入しても、注入された直後の溶融スラグと電気炉内の溶鉄層とが激しく混合されることを防止できる。そのため、溶融スラグと溶鉄層とが急激に反応して大きなスラグフォーミングを生成してしまうことを防止しつつ、炉内雰囲気を非酸化性に維持して還元処理効率を高くすることができる。
また高温の凝固スラグを直接電気炉に投入することにより、凝固スラグの顕熱を回収することが可能となると同時に、通常プロセスにおいて必要とされる凝固スラグの破砕・磁力選鉱・エージング等のプロセスを省略し、すべての対象スラグを溶融還元することが可能となる。更に据置式電気炉のみならず、一般に鉄源溶解用として広く普及している傾動式電気炉でも、小改造を加えることによって本発明の目的を達成できる利用が可能となるため、既存の設備の転用が容易となる利点がある。

スラグ処理プロセスを示す工程図である。第１の実施形態に係る電気炉を示す縦断面図である。図２の炉底から高さ１５０ｍｍにおける横断面図である。電気炉に溶融スラグを投入する場合を示す模式図である。電気炉に凝固スラグ塊を投入する場合を示す模式図である。第２の実施形態に係る電気炉を示す縦断面図である。第３の実施形態に係る電気炉を示す縦断面図である。電気炉への溶融スラグ投入のシミュレーション結果を示す図である。本発明の実施例１、３における操業パターンについて説明するための図である。本発明の実施例２における操業パターンについて説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明に好適な実施形態について詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る電気炉を使用したスラグ処理プロセスの概要を説明する。

図１に示すように、製銑工程（Ｓ１）で高炉を用いて溶銑が製造され、製鋼工程（Ｓ２）で転炉等を用いて銑鉄が鋼に精錬される。この製鋼工程（Ｓ２）は、溶銑中の硫黄、燐、炭素等を除去する脱硫、脱燐、脱炭の各工程と、溶鋼中に残った水素等の気体や硫黄等を除去して成分調整を行う二次精錬工程（Ｓ６）と、連続鋳造機で溶鋼を鋳造する連続鋳造工程（Ｓ７）とを含む。

製鋼工程（Ｓ２）のうち、主に脱燐（Ｓ４）、脱炭（Ｓ５）が転炉にて行われる。転炉内で、酸化カルシウムを主成分とするフラックスを用いて溶銑が精錬される。この際、転炉内に吹き込まれた酸素により溶銑中のＣ、Ｓｉ、Ｐ、Ｍｎ等が酸化され、当該酸化物は酸化カルシウムと結び付きスラグになる。また、脱硫、脱燐、脱炭の各工程（Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）では、それぞれ成分の異なるスラグ（脱硫スラグ、脱燐スラグ、脱炭スラグ）が生成される。

本明細書中の説明では、上記製鋼工程で生成されるスラグを製鋼スラグと総称し、当該製鋼スラグは、脱硫スラグ、脱燐スラグ、脱炭スラグを含む概念である。また、高温の溶融状態にある製鋼スラグを溶融スラグと称し、同様に、溶融状態にある脱硫スラグ、脱燐スラグ、脱炭スラグをそれぞれ、溶融脱硫スラグ、溶融脱燐スラグ、溶融脱炭スラグと称する。

スラグ処理工程（Ｓ１０）では、上記製鋼工程（Ｓ２）で生成された溶融スラグを、溶融状態のままで転炉から電気炉に搬送し、電気炉内で連続的に還元溶融改質することで、溶融スラグ中の有価物（Ｆｅ、Ｐ等の有価元素）を溶融スラグ層の下層である溶鉄層に回収する。この際、電気炉内では、溶融スラグ中のＦｅ、Ｐ等の酸化物の還元処理や、スラグから粒鉄（鉄分）を分離する処理、スラグの塩基度の調整処理などが行われる。

この結果、溶融スラグから分離された燐分等を含む高燐溶鉄が回収されるとともに、製鋼スラグである溶融スラグが還元・改質されて、高炉スラグ相当の高品質の還元スラグが回収される。この還元スラグは、還元前と比べてＦｅＯ、Ｐ₂Ｏ₅等の含有量が低いため、セメント原料、セラミック製品等にリサイクルできる。また、溶融スラグの塩基度が低くなるように成分を調整すれば低膨張性となるため、路盤材や骨材として使用できる。

さらに、上記回収された高燐溶鉄に対して脱燐処理（Ｓ１１）を施して、溶鉄中のＰを酸化させてスラグ中に移行させることで、高燐溶鉄が高燐酸スラグと溶鉄とに分離される。高燐酸スラグは、燐酸肥料や燐酸原料等としてリサイクルすることができる。また、溶鉄は、製鋼工程（Ｓ２）にリサイクルされ、転炉等に投入される。

以上、本実施形態に係るスラグ処理プロセスの概要について説明した。本プロセスは、上記製鋼工程（Ｓ２）で生成される種々の溶融スラグのうち、溶融脱燐スラグを処理対象とすることが好ましい。溶融脱燐スラグは、溶融脱炭スラグよりも低温であるが、粒鉄や燐酸を多く含有している。このため、溶融脱燐スラグを、酸化処理ではなく、還元処理によって溶融改質することで、本プロセスによる有価元素（Ｆｅ、Ｐ等）の回収効率が高くなる。そこで、以下の説明では、処理対象の溶融スラグとして、主に溶融脱燐スラグを用いる例について説明する。しかし、本発明の溶融スラグとしては、溶融脱燐スラグに限定されず、溶融脱硫スラグ、溶融脱炭スラグ等、製鋼工程で発生する任意の製鋼スラグを使用することが可能である。

続いて、図２〜図７を参照して、上記スラグ処理プロセスのスラグ処理工程（Ｓ１０）に用いられる電気炉１について説明する。
電気炉１はＳ１０において、内部に溶鉄層６と溶融スラグ層５を形成する炉である。
電気炉１は、炉底１１と、円筒状の炉壁１２と、炉蓋１３とを有する。炉底１１、炉壁１２、および炉蓋１３のそれぞれの内面には、耐火物が内張されている。

図２から図６に示す第１の実施形態および第２の実施形態では、炉蓋１３にスラグ投入口１４が形成されている。スラグ投入口１４は、図２のＡ方向に移動可能な開閉式のスラグ投入ドア１４ａで覆われている。電気炉１はスラグ投入口１４を除いて密閉されており、炉内を保温できる。スラグ投入口１４には、スラグ搬送容器から直接、またはスラグ搬送容器から傾斜樋を経由して溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａを投入することができる。
図７に示す第３の実施形態では、炉蓋１３が炉壁１２の側方に移動した状態では、炉壁１２の上方に開放部が形成され、この開放部がスラグ投入口１４となる。
また、図２〜図５では電気炉１として据置式の直流電流炉を、図６および図７では傾動式の直流電流炉を例示しているが、交流電流炉を用いてもよい。

まず、図２〜図５に示す、第１の実施形態に係る据置式の直流電流炉を説明する。
電気炉１の中央には、上部電極１５と炉底電極１６が上下に対向配置されている。上部電極１５と炉底電極１６に直流電圧を印加し、上部電極１５と炉底電極１６の間でアーク放電を発生させることで、溶融スラグ４を還元するのに必要なエネルギーが供給される。
炉壁１２には還元材投入ノズル３３が形成されている。還元材投入ノズル３３は、溶融スラグ４の還元処理に必要な還元材および改質材等の副原料を供給する装置である。還元材は、コークス粉、無煙炭粉、グラファイト粉などの粉状の炭材が用いられる。還元材は、スラグフォーミングが発生した場合の抑制手段でもある。改質材は、主にスラグ中のＳｉＯ₂、またはＡｌ₂Ｏ₃濃度を調整するものであり、珪砂、フライアッシュ、廃耐火物粉などを使用できる。還元材投入ノズル３３はスラグフォーミングが発生した場合の抑制手段でもある。還元材投入ノズル３３は炉壁１２と炉蓋１３の両方に形成されてもよい。
炉蓋１３には排気ダクトであるダクト３２が設けられている。

炉底１１は、深底部１１ｄと、深底部１１ｄよりも底が浅い浅底部１１ａを有する。
浅底部１１ａは、溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａを電気炉１に装入する際には、溶鉄層６の表面から露出していることを想定して、炉壁１２に寄せて設置されている。スラグ処理中においては、溶融スラグと一緒に電気炉に溶銑または溶鋼が装入されることがあるほか、スラグ還元に伴って溶銑が生成されるために、溶鉄層６の高さが上昇する。ある程度以上に溶鉄層が厚くなったら、溶鉄を排出する出湯口１８を開けて溶鉄層６の高さを低下させるので、低下した後の期間には浅底部１１ａを溶鉄層６から露出させて、その状態で次に還元処理する溶融スラグを電気炉１内へ装入することを想定している。但し、浅底部１１ａが溶鉄層６から露出していないと、溶融スラグを装入することができないわけではなく、溶鉄層の高さが浅底部１１ａの上ではある程度以上低ければ、装入された溶融スラグ４と溶鉄層６との激しい混合は抑制されるので、本発明の目的を達成することができる。

第１の実施形態では、図２〜５に示すように、電気炉１が円形断面を有する場合について説明する。浅底部１１ａは、溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａを電気炉１に装入する際には、炉底１１が溶鉄層６の層厚よりも上になることを想定して嵩上げされた部分であり、スラグ投入口１４と平面視で重なりを有する領域で、炉底１１が部分的に嵩上げされた部分である。換言すると、平面視において、浅底部１１ａの存在領域とスラグ投入口１４の存在領域は、その一部または全部が重なっている。スラグ保持炉を使用せずに、製鋼工程で生成される溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａは、スラグ搬送容器２１から直接、またはスラグ搬送容器２１から傾斜樋２３を経由して電気炉１に注入される。溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａは、スラグ投入口１４を経由して流入するので、注ぎ口から流入した溶融スラグは浅底部１１ａに向けて落下することになる。即ち、浅底部１１ａは、スラグ投入口１４から流下する、溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａの落下位置を含むことになる。
浅底部１１ａは、例えば、炉底１１が階段状に浅くなることによって形成される。浅底部１１ａは、他の部分の炉底１１の内面と同様に耐火物によって構成される。炉蓋１３にはスラグ投入口１４が形成される。

図２〜５では炉底１１が１段階浅くなることによって浅底部１１ａが形成されているが、浅底部１１ａはこの形状に限られない。例えば、炉底１１が２段階以上にわたって浅くなることによって、浅底部１１ａが形成されてもよいし、階段状ではなく、連続的なスロープを形成して浅くなることによって、浅底部１１ａが形成されてもよい。また、浅底部１１ａは必ずしも図２のように水平面を有さなくてもよい。スラグ投入口１４の下方で浅底部１１ａが、深底部１１ｄの最深部に対する高さが１５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下の領域であって、炉底１１に対する浅底部１１ａの平面視における面積率が５％以上、４０％以下であることを満たす限りにおいて、浅底部１１ａの全体が階段形状またはスロープ形状などであってもよい。ただし、浅底部１１ａが水平面を有する場合、炉内容積を必要以上に減少させることなく、炉底１１に対する浅底部１１ａの平面視における面積率を５％以上確保できる点で好ましい。

図４〜６に示されるように、基本的な想定では、溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａが、スラグ搬送容器２１またはスラグ搬送容器２１から、傾斜樋２３を経由して電気炉１内に投入された場合、溶融スラグ４は、スラグ投入口１４から投入され、溶融スラグ層５に流れ落ちる。流れ落ちた溶融スラグ４によって溶融スラグ層５はかく乱されるが、流れ落ちた場所には浅底部１１ａがあり、この場所では溶融スラグ層５の下層に溶鉄層６が存在しないので、投入直後の溶融スラグ４が溶鉄層６に接触することはない。従って、注入直後の溶融スラグ４が、溶鉄層６と急激に反応することによる、スラグフォーミングが防止される。

図２に示すように、浅底部１１ａは、深底部１１ｄの最深部に対する高さＨが１５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下の領域である。これは、高さが１５０ｍｍ以上あれば、新たに装入された溶融スラグ４が、元からある溶鉄層６と激しく混合する状況を緩和する効果が、見込めるからである。また、深底部１１ｄの最深部に対する高さが５００ｍｍ以下である理由は、５００ｍｍ超にする意味は無い一方、そのように高くすると炉内容積が減少する悪影響が懸念されるからである。

図３に示すように、深底部１１ｄの平面視における面積をＳ_１、浅底部１１ａの平面視における面積をＳ_２とすると、炉底１１に対する浅底部１１ａの平面視における面積率（（Ｓ_２／（Ｓ_１＋Ｓ_２））×１００）は５％以上、４０％以下であるのが好ましい。面積率が５％以上あることで、混合緩和効果を享受できる溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａの比率が確保されて、スラグ全体としての激しいフォーミング生成を抑制することができる。面積率が４０％超の場合、フォーミング生成の抑制効果が高まることが殆ど無い一方、溶鉄層６としての溶鉄収容量や、溶鉄層６と溶融スラグ層５との界面積が少なくなってしまうので、還元効率が低下する懸念が生じる。また、４０％を超えると浅底部１１ａが炉底１１の高電流密度領域に含まれるため、浅底部１１ａが消耗しやすくなる。
なお、本発明では浅底部１１ａを「深底部１１ｄの最深部に対する高さＨが１５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下の領域」と定義しているため、Ｓ_１とＳ_２の境界は深底部１１ｄの最深部に対する高さＨが１５０ｍｍの位置である。

また、図４および図５では、浅底部１１ａが、溶鉄層６から露出する一方で溶融スラグ層５には沈潜しているが、溶融スラグ層５から露出していてもよい。この場合、スラグ投入口１４から注入された溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａは、浅底部１１ａの表面に衝突した後、浅底部１１ａの表面を流下して溶融スラグ層５に流れ込む。溶融スラグ４が浅底部１１ａの表面に衝突することによって、運動エネルギーが減殺されるため、浅底部１１ａから、溶鉄層６に溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａが激しく混入することが無い。したがって、溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａと溶鉄とが急激に反応することも抑制されて、スラグフォーミングが抑制される。

ここで、凝固スラグ塊４ａを投入した場合、図５に示すように、まず浅底部１１ａ上に堆積することが想定されていて、その際に溶融スラグ層５の中に浸漬された状態になると、凝固スラグ塊４ａは先ず溶融スラグ層５に溶解してから溶鉄層６の上部へ移動するため、凝固スラグ塊４ａが溶鉄層６と直接混合されることはなく、凝固スラグ塊４ａ中に含有されるＦｅＯ等が、溶鉄中のＣと激しく反応することが回避されるので、スラグフォーミングを防止できる。
さらに、浅底部１１ａを有することにより、浅底部１１ａを有しない構造と比べて、溶融スラグ４または凝固スラグ塊４ａの投入速度を早くできるため、スラグ投入時に炉を開放する時間を短くできる。よって、炉内を密閉した状態で還元雰囲気に保つことができる時間も長くなり、還元率を上昇させられる効果もある。

なお、炉底１１の浅底部１１ａによって、溶融スラグ４と電気炉１内の溶鉄層６との混合が、抑制されたとしても、溶融スラグ層５内の（Ｔ．Ｆｅ）が増加することにより、溶鉄層６と溶融スラグ層５の界面でスラグが溶鉄中のＣと反応してＣＯガスを発生させ、それがスラグフォーミングを誘発する場合がある。その場合には還元材投入ノズル３３から炭材粉を投入することにより、フォーミングスラグの破泡および還元を通じて、フォーミングを鎮静化させることができる。

また、炉壁１２には、好ましくは還元スラグを排出する出滓口１７と、溶鉄を排出する出湯口１８が設けられている。出滓口１７は、溶融スラグ層５に対応する位置、具体的には浅底部１１ａの最高高さよりも高い位置に形成され、出湯口１８は、溶鉄層６に対応する位置に形成される。

次に、第２の実施形態について、図６を参照して説明する。
第２の実施形態は、第１の実施形態において、電気炉を傾動炉としたものである。
なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については、同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。

図６に示すように、第２の実施形態に係る電気炉１ａは傾動炉である。
電気炉１ａは、電気炉１ａを傾動させる図示しない傾動部と、炉壁１２の、深底部１１ｄよりも高い位置に設けられ、傾動によって溶融スラグ４を排出する出滓口１７と、出滓口１７に正対する位置にあって、深底部１１ｄの延長上に設けられ、傾動によって溶鉄層６中の溶鉄を排出する炉底出湯口１８ａを有する。
このように、電気炉１は傾動炉であってもよい。

次に、第３の実施形態について、図７を参照して説明する。
第３の実施形態は、第２の実施形態において、炉蓋１３を、炉壁１２の上端と炉壁１２の側方の間を移動可能にしたものである。
なお、第３の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。

図７に示すように、第３の実施形態に係る電気炉１ａは、炉壁１２の上端と炉壁１２の側方の間を炉蓋１３が図７のＢ方向に移動可能になっている。炉蓋１３の移動軌跡は直線であってもよいし、円弧状であってもよい。移動軌跡が円弧状の炉蓋１３はいわゆる旋回式炉蓋である。
炉蓋１３が炉壁１２の上端に位置した状態では、図２と同様に電気炉１の内部は密閉されている。
炉蓋１３が炉壁１２の側方に移動した状態では、図７に示すように炉壁１２の上方に開放部が形成され、この開放部がスラグ投入口１４となる。
このように、スラグ投入口１４は必ずしも炉蓋１３に設ける必要はなく、炉蓋１３を炉壁１２に対して移動させることにより、開放部を形成してスラグ投入口１４とすることもできる。

以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例には限定されない。

（シミュレーション）
まず汎用流体解析ソフトＦＬＵＥＮＴ（登録商標）を用いて、以下の条件の電気炉に溶融スラグ４を注入して、その挙動を炉の軸断面方向から観察した。
炉の容積：１３．８ｍ³
炉底面積（Ｓ₁＋Ｓ₂）：７．５ｍ²
炉内スラグ粘度：０．２５Ｐａ・ｓ
注入スラグ粘度：１．０Ｐａ・ｓ
溶鉄粘度：０．００６Ｐａ・ｓ
浅底部の高さ（Ｈ）：２５０ｍｍ
浅底部の面積（Ｓ₂）：１．１ｍ²
種湯量：１．４ｍ³
注入スラグ流の幅：５００ｍｍ
スラグ注入速度：１ｔ／ｍｉｎ、５ｔ／ｍｉｎ、１０ｔ／ｍｉｎ、２０ｔ／ｍｉｎ

結果を図８に示す。
図８に示すように、スラグ注入速度が１ｔ／ｍｉｎの場合は、浅底部１１ａが無い場合でも注入された溶融スラグ４がほとんど溶鉄層６に達しておらず、注入されたスラグと溶鉄層との反応は僅かしか認められなかった。
スラグ注入速度が５ｔ／ｍｉｎ、１０ｔ／ｍｉｎ、２０ｔ／ｍｉｎの場合は、浅底部１１ａが無い場合には注入された溶融スラグ４が溶鉄層６に達して、一部は溶鉄層中に突入し溶鉄中のＣと反応する様が予見された。特に１０ｔ／ｍｉｎ、２０ｔ／ｍｉｎでは、反応が激しく、溶鉄と溶融スラグとが混合して飛び散ると分かった。
一方で、浅底部１１ａがある場合は、スラグ注入速度が１０ｔ／ｍｉｎでも、注入された溶融スラグ４がほとんど溶鉄層６とは反応せず、したがって溶鉄と溶融スラグ４との混合物が飛び散ることも無いと考えられた。
この結果から、浅底部１１ａを設けることにより、注入された溶融スラグ４が溶鉄層６と混合して、激しく反応することを防止できることが分かった。

（実施例１）
次に、還元改質装置として、図２から図５に示す電気炉１を用いて、図９に示す条件で実操業を行った。具体的な手順は以下の通りである。
まず、電気炉１として、炉内径６ｍの密閉型据置式の直流電気炉で、水冷炉蓋の一部に、溶融スラグ４および凝固スラグ塊４ａの投入用の、開閉式のスラグ投入ドア１４ａを具備する、スラグ投入口１４を有しているものを用意した。
電気炉１には、スラグ投入口１４の直下に、炉底最深部からの高さが４５０ｍｍの耐火物の、浅底部１１ａを設けた。浅底部１１ａの形状は一端を炉壁１２に接し、炉内は矩形をした耐火物製ブロックである。炉底に対する浅底部１１ａの平面視における面積率は１０％とした。炉蓋１３には排ガス排出用のダクト３２を設け、ダクト３２を可燃性ガス燃焼冷却集塵装置に接続した。
出湯口１８の下端は炉底最深部から２５０ｍｍの高さに、また出滓口１７の下端は炉底最深部から４５０ｍｍの高さに設定した。
この時点（スラグ投入前）の炉内残留物は、[Ｃ]２．６％の溶鉄５４ｔと、（Ｔ．Ｆｅ）１％まで還元された溶融スラグ２５ｔであった。

次に、スラグ投入ドア１４ａを開け、転炉から搬送された２０ｔの溶融スラグ４（（Ｔ．Ｆｅ）は１８％）を、可動式スラグ樋を経由して、スラグ搬送容器２１から炉内に１０分間で、連続的に電気炉１に投入した。よって注入速度は平均で２ｔ／ｍｉｎになる。スラグ投入中は投入電力を２ＭＷまで低減し反応の抑制を図り、投入完了後に２０ＭＷに復帰させた。

溶融スラグ４の投入前、炉底１１から６３０ｍｍの高さにあった溶融スラグ層５のレベルは、投入中、１２００ｍｍを超えるレベルまで上昇したが、１０分という短時間でのスラグ投入にも関わらず、溶鉄層６との混合による突沸を引き起こすこともなく、安定して投入を完了することができた。
溶融スラグ４の投入開始から、炉蓋１３の還元材投入ノズル３３を通して６０ｋｇ／分でコークス粉を供給し、溶融スラグ４の投入開始から５０分間でコークス粉３．０ｔの供給を完了した。

溶融スラグ４の投入後、スラグ投入ドア１４ａを一旦閉じ、５分後に再び開けて凝固スラグ塊４ａを５ｔ、一度に投入した。凝固スラグ塊４ａは、溶融スラグ４の投入時にスラグ搬送容器２１に付着して凝固したスラグであり、９５０℃を維持していた。投入された凝固スラグ塊４ａは、溶鉄層６と接することなく、炉内の溶融スラグ層５内の浅底部１１ａ上に堆積し、時間の経過とともに溶融スラグ層５に溶解していった。
凝固スラグ塊４ａの投入後は速やかにスラグ投入ドア１４ａを閉め、炉内の密閉性を確保して、還元ガス雰囲気下でコークス粉投入によるスラグ還元処理を行った。

コークス粉投入完了から１０分間の鎮静時間を経て、溶融スラグ投入開始から６０分後にスラグ中（Ｔ．Ｆｅ）は１％以下まで下げることができた。これは、スラグ投入を短時間で行い、その後は炉内を密閉したため、還元時に炉内を還元雰囲気に保つことができ、還元が進行したためと考えられる。
この間、スラグの塩基度（（ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂））を、適正レベルの１．２まで低減するために、還元材投入ノズル３３から珪砂を６．５ｔ供給した。
全処理完了後、開口機を用いて出滓口を開口し、還元スラグを炉外に２３ｔ排出し、マッドガンで閉孔した。

一方、溶融スラグ４を１０分間で電気炉１に投入したあと、スラグ搬送容器２１に付着した凝固スラグ塊４ａを土間に排出し、スラグ塊投入用シュートに入れて秤量したところ、約６ｔであった。この凝固スラグ塊４ａは高温を維持したまま、次の溶融スラグ４の投入の直後にシュートを用いて電気炉１にそのまま投入した。

上記操作を５回繰り返し、溶融スラグ４と凝固スラグ塊４ａの投入量がトータル１２０ｔに達したところで、出湯口１８を開口して溶鉄を２７ｔ排出し、炉内に５４ｔの溶鉄を残した。出銑前の溶鉄層６の推定高さは炉底１１から４４０ｍｍであったが、排出後は３００ｍｍまで低下した。

以上の結果から、浅底部１１ａを有する電気炉１を用いることにより、短時間のスラグ投入でもフォーミングを起こさずに、スラグ投入完了後に炉を密閉して還元雰囲気で還元するので、溶融スラグ４および凝固スラグ塊４ａを用いた還元改質ができることが分かった。

（実施例２）
還元改質装置として、図２〜図５に示す電気炉１を用い、図１０に示すように、実施例１と異なる条件で操業を行った。具体的な手順は以下の通りである。

第１の実施形態では２０ｔの溶融スラグ４を、１０分間で連続的に電気炉１に投入したのに対し、実施例２では、２０ｔの溶融スラグ４を５分間で連続的に電気炉１に投入した。よって、投入速度は実施例１の２倍であり、投入時間は実施例１の半分である。

溶融スラグ４の投入前、炉底１１から約６３０ｍｍの高さにあった炉内スラグレベルは、投入末期、１５００ｍｍ以上のレベルまで急激に上昇したため、炉壁１２の２か所に設けた還元材投入ノズル３３から、コークス粉を溶銑流の近傍に１００ｋｇ／分で吹きこんだ。その結果、スラグレベルは下降を始め、以後、安定して投入を完了することができたため、４分後に還元材投入ノズル３３からのコークス粉吹込みを中止した。

炉蓋１３からのコークス粉の投入条件、凝固スラグ塊４ａの投入条件等は実施例１と同様である。

コークス粉投入完了から１５分間の鎮静時間を経て、溶融スラグ４の投入開始から６０分後にスラグ中（Ｔ．Ｆｅ）は１％以下まで下げることができた。この間、スラグの塩基度（（ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂））を、適正レベルの１．２まで低減するために、還元材投入ノズル３３から珪砂を６．５ｔ供給した。

全処理完了後、開口機を用いて出滓口１７を開口し、還元スラグを炉外に２３ｔ排出し、マッドガンで閉孔した。

一方、溶融スラグ４を５分間で電気炉１内に投入したあと、スラグ搬送容器２１に付着した凝固スラグ塊４ａを土間に排出し、スラグ塊投入用シュートに入れて秤量したところ、約６ｔであった。この凝固スラグ塊４ａは高温を維持したまま、次の溶融スラグ投入の直後にシュートを用いて電気炉１にそのまま投入した。

上記操作を５回繰り返し、溶融スラグ４と凝固スラグ塊４ａの投入量がトータル１２０ｔに達したところで、出湯口１８を開口して溶鉄を２７ｔ排出し、炉内に５４ｔの溶鉄を残した。出銑前のメタルレベルの推定高さは炉底１１から４４０ｍｍであったが、排出後は３００ｍｍまで低下した。

以上の結果から、浅底部１１ａおよび還元材投入ノズル３３を有する電気炉１を用いることにより、５分という短時間でのスラグ投入にも関わらず、フォーミングを抑制しつつ、溶融スラグ４および凝固スラグ塊４ａを用いた還元改質ができることが分かった。

（実施例３）
還元改質装置として、図６に示す電気炉１ａを用いて図９に示すように、実施例１と同様の条件で操業を行った。具体的な手順は以下の通りである。

まず、電気炉１ａとして、炉内径６ｍの密閉型傾動式の直流電気炉で、水冷炉蓋の一部に、溶融スラグ４および凝固スラグ塊４ａ投入用の、開閉式のスラグ投入ドア１４ａを具備しているものを用意した。
電気炉１ａには、スラグ投入口１４の直下に、炉底最深部からの高さ４５０ｍｍの耐火物の浅底部１１ａを設けた。浅底部１１ａの形状は一端を炉壁１２に接し、炉内は矩形をした耐火物製ブロックである。炉底１１に対する浅底部１１ａの平面視における面積率は１０％とした。また炉蓋１３にはスラグ投入口１４のほかに排ガス排出用のダクト３２を設け、可燃性ガス燃焼冷却集塵装置へと接続した。

炉底出湯口１８ａは偏心炉底出鋼（EBT, Eccentric Bottom Tapping）用の出湯口である。すなわち電気炉傾動時に溶鉄に浸漬する電気炉張出し部分底部の孔で、傾動後、孔底部の蓋を開けることで出銑を開始する。メタル排出に続いてスラグ流出が開始されると速やかにストッパーによって閉口する。次に孔の底部に備えた開閉蓋を閉め、充填砂を炉底出湯口１８ａに充填する。

一方、出滓口１７は炉底出湯口１８ａとは反対側にあり、密閉性を保てる図示しないスラグドアを具備している。出滓時にはスラグドアを開き、電気炉１ａを傾動することで開口部から溶融スラグ４を排出する。

出湯口１８の下端は炉底レベルから２５０ｍｍの高さに、また出滓口１７の下端は炉底から５００ｍｍの高さに設定した。
この時点（スラグ投入前）の炉内残留物は、[Ｃ]２．６％の溶鉄５４ｔと、（Ｔ．Ｆｅ）１％まで還元された溶融スラグ２５ｔであった。
次に、炉蓋１３のスラグ投入ドア１４ａを開け、転炉から搬送された２０ｔの溶融スラグ４を電気炉１ａに投入した。投入条件およびスラグの組成は実施例１と同じである。

溶融スラグ４の投入前は、炉底最深部から６３０ｍｍの高さにあった炉内スラグレベルは、投入中、１２００ｍｍを超えるレベルまで上昇したが、溶融スラグ４と溶鉄層６との混合による突沸を引き起こすこともなく、安定して投入を完了することができた。
溶融スラグ４の投入開始から、炉蓋１３の還元材投入ノズル３３を通して実施例１と同じ条件でコークスの投入、凝固スラグ塊４ａの投入、珪砂の供給を行った。
コークス粉投入完了から１０分間の鎮静時間を経て、溶融スラグ装入開始から６０分後にスラグ中（Ｔ．Ｆｅ）は１％以下まで下げることができた。
溶融スラグ４と凝固スラグ塊４ａの投入量がトータル１２０ｔに達したところで、炉底出湯口１８ａを開口して溶鉄を２７ｔ排出し、炉内に５４ｔの溶鉄を残した。出銑前のメタルレベルの推定高さは炉底１１から４５０ｍｍであったが、排出後は３００ｍｍまで低下した。

以上の結果から、浅底部１１ａを有する電気炉１ａを用いることにより、傾動炉であっても、スラグフォーミングを起こさずに、溶融スラグ４および凝固スラグ塊４ａを用いた還元改質ができることが分かった。

本発明によれば、炉内雰囲気を一定に維持しつつ、投入直後の溶融スラグまたは凝固スラグ塊と電気炉内の溶鉄層とが激しく混合されて大きなスラグフォーミングを生成することを防止し、還元処理効率を高くすることができる電気炉を提供することができる。

１：電気炉
１ａ：電気炉
４：溶融スラグ
４ａ：凝固スラグ塊
５：溶融スラグ層
６：溶鉄層
１１：炉底
１１ａ：浅底部
１１ｄ：深底部
１２：炉壁
１３：炉蓋
１４：スラグ投入口
１４ａ：スラグ投入ドア
１５：上部電極
１６：炉底電極
１７：出滓口
１８：出湯口
１８ａ：出湯口
２１：スラグ搬送容器
２３：傾斜樋
３２：ダクト
３３：還元材投入ノズル

Claims

筒状の炉壁と、
前記炉壁の上端に設けられた炉蓋と、
前記炉壁の下端に設けられ、深底部と、前記深底部の最深部に対する高さが１５０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下の領域である浅底部と、を有する炉底と、
を有する電気炉であって、
前記電気炉には、スラグ搬送容器から直接、またはスラグ搬送容器から傾斜樋を経由して溶融スラグまたは凝固スラグ塊を投入することができるスラグ投入口が設けられ、
前記スラグ投入口が前記浅底部と平面視で重なりを有し、
前記炉底に対する前記浅底部の平面視における面積率が５％以上、４０％以下であることを特徴とする、電気炉。
前記炉蓋、または前記炉蓋と前記炉壁の両方に設けられ、還元材を炉内に投入する還元材投入ノズルと、
前記炉蓋に設けられた排気ダクトを有することを特徴とする、請求項１に記載の電気炉。
前記スラグ投入口は前記炉蓋に設けられ、開閉式のスラグ投入ドアで覆われていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の電気炉。
前記炉壁の、前記浅底部の最高高さよりも高い位置に設けられ、溶融スラグを排出する出滓口と、
前記炉壁の、前記浅底部よりも低い位置に設けられ、溶鉄を排出する出湯口と、
を有し、
前記電気炉は据置式であることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気炉。
前記電気炉を傾動させる傾動部と、
前記炉壁の、前記浅底部の最高高さよりも高い位置に設けられ、溶融スラグを排出する出滓口と、
前記深底部の延長上に設けられ、溶鉄を排出する炉底出湯口と、
を有することを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気炉。
前記炉蓋は、前記炉壁の上端と前記炉壁の側方の間を移動可能であり、
前記スラグ投入口は前記炉蓋を前記炉壁の側方に移動した状態で前記炉壁の上方に形成される開放部であることを特徴とする、請求項５に記載の電気炉。