JPWO2021049125A1 - 電気炉による溶鉄の製造方法 - Google Patents

Abstract

電気炉において、高いエネルギー利用効率で低コストに溶鉄を製造する。鉄系スクラップｘを予熱するために溶解室１の上部にシャフト型の予熱室２が連設された電気炉において、溶解室１で発生した排ガスを、鉄系スクラップｘが充填された予熱室２を通過させることにより鉄系スクラップｘを予熱し、この予熱した鉄系スクラップｘを予熱室２内で順次降下させて溶解室１内に供給し、溶解室１で溶解して溶鉄ｍを得る方法であって、予熱室２内に充填された鉄系スクラップｘの見掛け嵩密度が０．５０ｔ／ｍ３以上、１．００ｔ／ｍ３未満であって、且つ予熱室２内での鉄系スクラップ充填比ＨＳＣ／ＨＳＦが０．５〜０．８となるように、予熱室２内に鉄系スクラップｘを装入するとともに、溶解室１内で鉄系スクラップｘを溶解するための補助熱源として炭材を用い、溶解室１内に、炭素・酸素比Ｃ／Ｏが０．７０以上となるように酸素と炭材を吹き込む。

Description

本発明は、電気炉において鉄系スクラップを溶解して溶鉄を製造する方法に関するものである。

電気炉では、鉄系スクラップ（冷鉄源）をアーク熱で溶解して溶鉄が製造されるが、アーク熱を生成するために電力を多量に消費する。従来、電気炉での電力消費を抑えるために、溶解中に発生する高温の排ガスで鉄系スクラップを予熱する方法、補助熱源としてコークスなどの炭材を吹き込む方法、などの方法が採られている。

溶解中に発生する高温の排ガスで鉄系スクラップを予熱しながら鉄系スクラップを溶解する方法として、次のような方法が知られている。その方法は、溶解室の上部に鉄系スクラップの予熱室を連設し、溶解室で発生した高温の排ガスを、鉄系スクラップが充填された予熱室を通過させることにより鉄系スクラップを予熱し、この予熱された鉄系スクラップが溶解室に供給されるようにしたものである。

このような鉄系スクラップの溶解方法に関して、特許文献１には、鉄系スクラップの種類や配合量を調整して、予熱室における鉄系スクラップの充填状態を、見掛け嵩密度値で０．７ｔ／ｍ^３以上となるようにする方法が開示されている。この鉄系スクラップの溶解方法によれば、エネルギーの利用効率が高く、製造コストの低減にも効果的であるとしている。また、この特許文献１の方法では、溶解室内に炭材を吹き込み、補助熱源として利用することも行われている。

特開２０１２−１８０５６０号公報

近年、電気炉の操業には、地球環境問題の面からもエネルギー効率の向上と省電力化が強く求められており、このような要求に対して、特許文献１の方法は、エネルギー効率の向上の面である程度の効果が得られる。しかし、発明者らが検討した結果、特許文献１のように予熱室における鉄系スクラップの充填密度（見掛け嵩密度）を規制するだけでは、エネルギーの利用効率の面で不十分であり、さらなる効率化が必要であることが判った。すなわち、高いエネルギー利用効率を得るには、予熱室における鉄系スクラップの充填密度（見掛け嵩密度）だけでなく、予熱室内での鉄系スクラップ充填高さ、溶解室内への炭材（補助熱源）と酸素の供給条件なども重要な要素であることが判った。そこで、これらを含めた操業条件の最適化が必要である。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、炉排ガスで鉄系スクラップを予熱する予熱室を備えた電気炉による溶鉄の製造方法において、高いエネルギー利用効率で溶鉄を製造することができ、溶鉄の製造コストも低減化することができる溶鉄の製造方法を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、予熱室における鉄系スクラップの充填密度（見掛け嵩密度）に加えて、予熱室内での鉄系スクラップ充填比（充填高さ）と、溶解室内への炭材（補助熱源）と酸素の供給比などを最適化することにより、高いエネルギー利用効率が得られることを見出した。
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。

［１］鉄系スクラップをアーク加熱によって溶解する溶解室（１）と、鉄系スクラップを予熱するために溶解室（１）の上部に連設されたシャフト型の予熱室（２）を備えた電気炉において、予熱室（２）内に鉄系スクラップを順次装入することで、予熱室（２）内に鉄系スクラップが充填された状態とし、溶解室（１）で発生した排ガスを、鉄系スクラップが充填された予熱室（２）を通過させることにより鉄系スクラップを予熱し、この予熱した鉄系スクラップを予熱室（２）内で順次降下させて溶解室（１）内に供給し、溶解室（１）で鉄系スクラップを溶解して溶鉄を得る方法であって、
予熱室（２）内に充填された鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）が０．５０ｔ／ｍ^３以上、１．００ｔ／ｍ^３未満であって、且つ予熱室（２）内での鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦ（但し、Ｈ_ＳＣ：予熱室内での鉄系スクラップの充填高さ［ｍ］、Ｈ_ＳＦ：予熱室内高さ［ｍ］）が０．５〜０．８となるように、予熱室（２）内に鉄系スクラップを装入し、
溶解室（１）内で鉄系スクラップを溶解するための補助熱源として炭材を用い、溶解室（１）内に、炭素・酸素比Ｃ／Ｏ（但し、Ｃ：炭材中の炭素量［ｋｇ］、Ｏ：酸素吹き込み量［Ｎｍ^３］）が０．７０以上となるように酸素と炭材を吹き込むことを特徴とする電気炉による溶鉄の製造方法。
［２］上記［１］の製造方法において、予熱室（２）内の酸素濃度を１５ｖｏｌ％未満とすることを特徴とする電気炉による溶鉄の製造方法。
［３］上記［１］または［２］の製造方法において、溶解室（１）内への炭材吹き込み量を０．３〜１．４（ｋｇ／ｍｉｎ）／出湯トン、酸素吹き込み量を２０〜４０（Ｎｍ^３／ｈｒ）／出湯トンとすることを特徴とする電気炉による溶鉄の製造方法。
［４］上記［１］〜［３］のいずれかの製造方法において、溶解室（１）には助燃バーナーが１本以上設置され、該助燃バーナーにより溶解室内の鉄系スクラップおよび溶鉄を加熱することを特徴とする電気炉による溶鉄の製造方法。
［５］上記［１］〜［４］のいずれかの製造方法において、電気炉は、溶解室（１）のアーク加熱部から離れた位置の上部に予熱室（２）が連設されるとともに、予熱室（２）の上部にスクラップ装入口（２０）が設けられ、
該スクラップ装入口（２０）から予熱室（２）内に装入された鉄系スクラップは、予熱室（２）およびその下方の溶解室（１）の空間部分（１ａ）に充填され、この空間部分（１ａ）の鉄系スクラップが順次アーク加熱部側に押し出されることを特徴とする電気炉による溶鉄の製造方法。
［６］上記［５］の製造方法において、空間部分（１ａ）の鉄系スクラップが、押し出し機（３）により順次アーク加熱部側に押し出されることを特徴とする電気炉による溶鉄の製造方法。

本発明によれば、炉排ガスで鉄系スクラップを予熱する予熱室を備えた電気炉による溶鉄の製造方法において、高いエネルギー利用効率で溶鉄を製造することができ、溶鉄の製造コストも低減化することができる。

本発明の一実施形態にかかる電気炉を縦断面した状態で模式的に示す説明図である。

本発明が基本とする溶鉄の製造方法は、鉄系スクラップをアーク加熱によって溶解する溶解室１と、鉄系スクラップを予熱するために溶解室１の上部に連設されたシャフト型の予熱室２を備えた電気炉において、予熱室２内に鉄系スクラップを順次装入することで、予熱室２内に鉄系スクラップが充填された状態とし、溶解室１で発生した排ガスを、鉄系スクラップが充填された予熱室２を通過させることにより鉄系スクラップを予熱し、この予熱した鉄系スクラップを予熱室２内で順次降下させて溶解室１内に供給し、溶解室１で鉄系スクラップを溶解して溶鉄を得るものである。また、この製造方法では、溶解室１内に炭材（補助熱源）と酸素を吹き込む。本発明では、このような溶鉄製造プロセスにおいて、予熱室２内に充填された鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）と鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦ（但し、Ｈ_ＳＣ：予熱室内での鉄系スクラップの充填高さ［ｍ］、Ｈ_ＳＦ：予熱室内高さ［ｍ］）、および溶解室１内に吹き込む炭材と酸素についての炭素・酸素比Ｃ／Ｏ（但し、Ｃ：炭材中の炭素量［ｋｇ］、Ｏ：酸素吹き込み量［Ｎｍ^３］）を最適化するものである。

本発明では、予熱室２内に充填された鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）が０．５０ｔ／ｍ^３以上、１．００ｔ／ｍ^３未満であって、且つ予熱室２内での鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦ（但し、Ｈ_ＳＣ：予熱室内での鉄系スクラップの充填高さ、Ｈ_ＳＦ：予熱室内高さ）が０．５〜０．８となるように、予熱室２内に鉄系スクラップを装入する。

鉄系スクラップには様々な形状、大きさのもの（例えば、日本鉄源協会の「鉄スクラップ検収統一規格」に規定されているもの）があり、これらを適宜組み合わせて配合し、予熱室２内に装入することにより、予熱室２内の鉄系スクラップ充填層の見掛け嵩密度（Ｐ）が０．５０ｔ／ｍ^３以上、１．００ｔ／ｍ^３未満となるようにする。

鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）とは、（Ｐ）＝Σ（質量ｉ）／Σ（容積ｉ）＝Σ（質量ｉ）／Σ（質量ｉ／嵩密度ｉ）のことである。ここで、質量の単位は［ｔ］、容積の単位は［ｍ^３］、嵩密度の単位は［ｔ／ｍ^３］、ｉは装入するスクラップ種を示す。例えば、装入するスクラップ種が日本鉄源協会の「鉄スクラップ検収統一規格」に規定されるヘビー、プレス、シュレッダー、新断、鋼ダライ粉、故銑のうちの２種以上である場合、それらの嵩密度を予め求めておき、この嵩密度と装入した鉄系スクラップ中の各スクラップ種の配合比率［ｍａｓｓ％］から、鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）を求めることができる。すなわち、見掛け嵩密度（Ｐ）＝（ヘビー嵩密度）×（ヘビー配合比率）＋（プレス嵩密度）×（プレス配合比率）＋（シュレッダー嵩密度）×（シュレッダー配合比率）＋（新断嵩密度）×（新断配合比率）＋（鋼ダライ粉嵩密度）×（鋼ダライ粉配合比率）＋（故銑嵩密度）×（故銑配合比率）により算出することができる。各スクラップ種の嵩密度は、例えば、一定の容量の大型容器に対象スクラップを入れて質量を測定し、その容積と質量から求めればよい。

なお、本発明において溶解する鉄系スクラップには、上述した日本鉄源協会の「鉄スクラップ検収統一規格」に規定されるスクラップ以外に、例えば、直接還元鉄、冷鉄等の鉄を主成分とするものが含まれていてもよい。同じく、連続鋳造や造塊法で鋳造される鋳片の非定常部、鋼帯などの鋼材の圧延で生じるクロップ、溶銑を固めた銑鉄などのような製鉄所から発生する自所屑が含まれていてもよい。これら「鉄スクラップ検収統一規格」に規定される以外のスクラップについては、必要に応じて、別のスクラップ種として区分し、その嵩密度を求める。なお、酸化鉄分を多く含むものは、酸化鉄を還元する分のエネルギーが余分にかかるが、操業コストなどを考慮して適宜使用すればよい。

また、スクラップ種の区分は、必ずしも「鉄スクラップ検収統一規格」に基づかなくてもよく、嵩密度に応じて任意の基準で区分してよい。要は、決められたスクラップ種の区分において、スクラップ種毎に嵩密度を求め、この嵩密度と各スクラップ種の配合比率に基づき、予熱室２に充填される鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）を求めればよい。

ここで、見掛け嵩密度（Ｐ）が０．５０ｔ／ｍ^３未満でも、また１．００ｔ／ｍ^３以上でも、排ガスと鉄系スクラップの間の伝熱効率が悪くなり、予熱室２から鉄系スクラップと十分に熱交換しない高温の排ガスが排出されてしまい、予熱効率が低下する。すなわち、見掛け嵩密度（Ｐ）が０．５０ｔ／ｍ^３未満では、予熱室２内に充填された鉄系スクラップに対する排ガスからの伝熱効率が低く、排ガスが高温のまま吹き抜けて予熱室２を通過してしまうため、予熱効率が低下する。一方、見掛け嵩密度（Ｐ）が１．００ｔ／ｍ^３以上になると、圧力損失によって予熱効率が低下する。このように見掛け嵩密度（Ｐ）が小さ過ぎても、大き過ぎても予熱効率が低下してしまう。この場合、予熱室２内での鉄系スクラップの降下速度を遅くして予熱温度を確保する必要があるが、このようにすると予熱室２内で鉄系スクラップが過剰に酸化されてしまう。そして、この酸化された鉄系スクラップを還元するためのエネルギーロスが生じてしまう。また、予熱室２内の鉄系スクラップが過剰に酸化されると酸化発熱によって一部の鉄系スクラップが溶融し、周囲の鉄系スクラップに融着することで予熱室２内の鉄系スクラップの降下が停止してしまうトラブル（棚吊り）を生じるおそれがある。このような棚吊りが起きると、棚吊りが解消されるまで鉄系スクラップが降下して来ないため、予熱室２内の鉄系スクラップが予熱され続けて鉄酸化がさらに助長され、さらなる棚吊りが引き起こされてしまう。また、棚吊りしている間も電力が投入され続けるため、無駄なエネルギーが消費されることになる。また、以上のような観点から、特に好ましい見掛け嵩密度（Ｐ）は０．６０〜０．８０ｔ／ｍ^３の範囲である。

また、予熱室２内での鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦが常に０．５〜０．８の範囲に、好ましくは０．６〜０．８の範囲に維持されるように、鉄系スクラップを予熱室２内に装入する。予熱室２内での鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦが０．５未満では、予熱室２内に充填された鉄系スクラップに対する排ガスからの伝熱効率が低く、排ガスが高温のまま吹き抜けて予熱室２を通過してしまうため、予熱効率が低下する。したがって、この場合も予熱室２内での鉄系スクラップの降下速度を遅くして予熱温度を確保する必要がある。その結果、上述したように予熱室２内で鉄系スクラップの過剰酸化が生じ、この酸化された鉄系スクラップを還元するためのエネルギーロスが生じてしまう。また、予熱室２内の鉄系スクラップが過剰に酸化されると、上述したような棚吊りを生じるおそれがある。一方、鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦが０．８を超えると、鉄系スクラップ装入後に予熱室ゲート（後述する実施形態のスクラップ装入口２０）が適切に閉まらないなどのトラブルが生じるおそれがある。予熱室ゲートが適切に閉まらないと、本来ダクトを通じて予熱室２から排気される排ガスやダストが予熱室ゲートから放散されてしまう。

操業中、予熱室２で予熱された鉄系スクラップが順次降下して溶解室１に供給される。これに伴って、予熱室２内での鉄系スクラップの充填高さが減少するので、所定のタイミングで新たな鉄系スクラップが予熱室２に装入される。そして、予熱室２内での鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦが、常に０．５〜０．８の範囲に維持されるように新たな鉄系スクラップを装入する。このために、後述するように予熱室２内での鉄系スクラップ充填層の上面レベルを監視する監視カメラなどを活用することが好ましい。

さらに、本発明では、溶解室１内で鉄系スクラップを溶解するための補助熱源として炭材を用い、溶解室１内に、炭素・酸素比Ｃ／Ｏ（但し、Ｃ：炭材中の炭素量［ｋｇ］、Ｏ：酸素吹き込み量［Ｎｍ^３］）が０．７０以上となるように酸素（純酸素）と炭材を吹き込む。なお、純酸素ではなく、酸素含有ガス（例えば、純酸素と空気の混合ガス）を用いる場合には、酸素吹き込み量Ｏは酸素含有ガス中の酸素分の吹き込み量である。

通常、炭材と酸素の吹き込みは、それぞれ吹き込みランスを用いて行うが、後述するように溶解室１の上からインジェクションする方法や底吹きノズルから底吹きインジェクションする方法などで吹き込みを行ってもよい。

ここで、炭素・酸素比Ｃ／Ｏが小さ過ぎると、未反応の酸素によって排ガス中の酸素濃度が高くなる。このため排ガスが流れる予熱室２内の酸素濃度が増加し、予熱室２内が酸化雰囲気になることで鉄系スクラップが過剰に酸化されてしまい、この酸化された鉄系スクラップを還元するためのエネルギーロスが生じてしまう。また、上述したように、予熱室２内の鉄系スクラップが過剰に酸化されると酸化発熱によって一部の鉄系スクラップが溶融し、周囲の鉄系スクラップに融着することで、予熱室２内の鉄系スクラップの降下が停止してしまうトラブル（棚吊り）を生じるおそれがある。炭素・酸素比Ｃ／Ｏが０．７０未満では、以上のような問題が生じやすくなる。また、上述した観点から炭素・酸素比Ｃ／Ｏは０．７５〜０．８０の範囲が特に好ましい。なお、炭素・酸素比Ｃ／Ｏの上限は特に限定しないが、２．０未満で操業するのが好ましい。

上述したように予熱室２内の酸素濃度が高いと、鉄系スクラップが過剰に酸化されてしまい、この酸化された鉄系スクラップを還元するためのエネルギーロスが生じてしまう。このため予熱室２内の酸素濃度は１５ｖｏｌ％未満であることが好ましい。

また、上記のように溶解室１内に炭材と酸素を吹き込むに当たり、炭材吹き込み量が少なすぎると補助熱源としての機能が十分に発揮できず、一方、多すぎると吹き込まれた炭材によって炉内が冷却され、また、還元反応が過多になり操業の能率が低下してしまう。また、酸素吹き込み量が少なすぎると、酸化反応熱によるスクラップ溶解効率が低下し、操業の能率が低下してしまう。一方、酸素吹き込み量が多すぎると溶融スラグおよび溶鉄のスプラッシュが過剰に発生してしまい、炉体の損傷、冷却設備の損傷などの設備トラブルを招くおそれがある。このため、炭材吹き込み量は０．３〜１．４（ｋｇ／ｍｉｎ）／出湯トン程度、酸素吹き込み量は２０〜４０（Ｎｍ^３／ｈｒ）／出湯トン程度とすることが好ましい。

図１は、本発明の一実施形態を電気炉を縦断面した状態で模式的に示す説明図である。
電気炉は、鉄系スクラップをアーク加熱によって溶解する溶解室１と、この溶解室１に供給する鉄系スクラップを予熱するための予熱室２を備えている。

溶解室１の上部は、開閉可能な水冷構造の炉蓋４で覆われている。溶解室１のほぼ中央部には、炉蓋４を貫通して上方から複数本の電極５が挿入され、これら電極５間でアークを飛ばすことにより鉄系スクラップを溶解するアーク加熱部Ａが構成される。通常、電極５は黒鉛などで構成され、上下移動可能である。

溶解室１のアーク加熱部Ａから離れた位置の上部にはシャフト型の予熱室２が連設され、この予熱室２は溶解室１に対して上下の関係で連通している。この予熱室２の上部には開閉可能なスクラップ装入口２０が設けられている。また、予熱室２の上側部には排気口２１が設けられ、この排気口２１に排気ダクト６が接続されている。この排気ダクト６は吸引ブロワ（図示せず）に接続され、この吸引ブロワによる吸引により、溶解室１で発生した高温の排ガスは予熱室２に流れ、この予熱室２を通過した後、排気ダクト６から排気される。なお、排気ダクト６の途中には集塵機（図示せず）が設けられている。

予熱室２の上方には、走行台車１６に吊り下げられた底開き型の供給用バケット１３が移動でき、この供給用バケット１３から、スクラップ装入口２０を通じて予熱室２内に鉄系スクラップｘが装入される。

溶解室１には、予熱室２の下方の空間部分１ａに面して、この空間部分１ａに充填された鉄系スクラップｘを電極５によるアーク加熱部Ａ側に押し出すための押し出し機３（プッシャー）が設けられている。この押し出し機３は、溶解室１の側壁を貫通してアーク加熱部Ａ（本実施形態では炉中心方向）方向へ進退可能に設けられ、駆動装置（図示せず）により駆動し、その先端で空間部分１ａ内の鉄系スクラップｘをアーク加熱部Ａ側に押し出す。

なお、例えば、押し出し機３を設けることなく、予熱室２および空間部分１ａに充填された鉄系スクラップｘの自重により空間部分１ａ内の鉄系スクラップｘが自然にアーク加熱部Ａ側に押し出されるようにしてもよい。

溶解室１には、炉蓋４を貫通して上方から酸素吹き込みランス７と炭材吹き込みランス８が挿入されている。

炭材吹き込みランス８からは、空気や窒素などを搬送用ガスとして、コークス、チャー、石炭、木炭、黒鉛などの１種以上からなる炭材が溶融スラグｓに吹き込まれる。また、酸素吹き込みランス７からは酸素が供給（噴射）され、この酸素により溶融スラグが押しのけられて、溶鉄ｍに酸素が吹き込まれる。

なお、さきに述べたように、酸素吹き込みランス７からは、純酸素ではなく、酸素含有ガス（例えば、純酸素と空気の混合ガス）を吹き込んでもよい。

溶解室１において、予熱室２を設けた側と反対側の炉底には出湯口１１が、また、その上方の側壁には出滓口１２が、それぞれ設けられている。これら出湯口１１と出滓口１２は、内部に充填される詰め砂やマッド剤と、これを外側で押さえる出湯用扉１４、出滓用扉１５により閉塞されている。

出湯口１１のほぼ真上の位置には、上方から炉蓋４を貫通して溶解室１に挿入される助燃バーナー９が設けられている。この助燃バーナー９は、重油、灯油、微粉炭、プロパンガス、天然ガスなどの化石燃料を支燃ガス（酸素、空気または酸素富化空気）により溶解室１内で燃焼させるものである。例えば、溶鉄ｍを出湯する際に、未溶解の鉄系スクラップが残っている場合があり、そのような場合に、この助燃バーナー９により鉄系スクラップの溶解を助けることができる。

電気炉１の内壁は耐火物で構成され、また、溶解室１の炉壁１０は水冷構造となっている。

助燃バーナー９は溶解室１に１本以上設置され、溶解室１内の鉄系スクラップｘおよび溶鉄ｍを加熱するために使用される。予熱室２が付帯されていない一般的な電気炉では助燃バーナー９を設置するのが一般的である。助燃バーナー９の燃焼熱の着熱効率は２０〜５０％程度であり、助燃バーナー９の燃焼熱のうち、未着熱分の大部分は排ガス顕熱として放散されてしまう。一方で本発明のような予熱室２を備えた電気炉では高温の排ガス顕熱を鉄系スクラップｘに着熱させながら溶解できる利点がある。そのため、助燃バーナー９の燃焼熱のうち、未着熱分も鉄系スクラップｘの予熱に寄与できる。これは、予熱室２内に充填される鉄系スクラップｘの見掛け嵩密度（Ｐ）が適正に保たれることで成しえる。このとき、助燃バーナー９の着熱効率はトータルで５０〜８０％まで向上することができる。

助燃バーナー９が無くても操業は可能である。しかしながら、助燃バーナー９を使用しない場合、電極５周辺の鉄系スクラップは早く溶解するが、電極５から離れた場所、すなわちコールドスポットで鉄系スクラップが溶け残る場合がある。そのため、炉内のスクラップ溶解速度に不均一が生じることで操業時間が延長し、電力原単位が悪化する場合がある。つまり、助燃バーナー９はコールドスポットの位置に設置して、助燃バーナー９を用いてコールドスポットを解消させることができる。したがって、助燃バーナー９を設置し、使用することが望ましい。また、本発明のように炭素・酸素比Ｃ／Ｏが制御され、予熱室２内の酸素濃度が１５％未満であれば、予熱室２内の排ガス温度は高い方が鉄系スクラップを十分に予熱できる。前述したように、助燃バーナー９の燃焼熱のうち、未着熱分も鉄系スクラップｘの予熱に寄与できる。しかるに、助燃バーナー９を用いない場合、操業状況によっては、予熱室２内の鉄系スクラップｘが十分に予熱されずに溶解室１へ装入されることになるので、これもまた炉内のスクラップ溶解速度に不均一が生じてしまうおそれがある。

本実施形態の電気炉の操業（溶鉄の製造）では、溶解室１において複数の電極５によりアーク加熱部Ａが構成され、これを主たる熱源として冷鉄源ｘが溶解する。また、炭材吹き込みランス８から炭材が溶融スラグｓに吹き込まれ、補助熱源として使用される。一方、酸素吹き込みランス７から酸素が溶鉄ｍに吹き込まれ、その酸素により溶鉄が所定の炭素量まで脱炭される。この際、炭素・酸素比Ｃ／Ｏが０．７０以上となるように、各ランス７、８から酸素と炭材が吹き込まれる。また、未溶解の鉄系スクラップｘを溶解させるために、適宜必要に応じて助燃バーナー９が使用される。以上のような溶解室１での鉄系スクラップｘの溶解処理により、ＣＯ、ＣＯ_２、未反応のＯ_２や開口部などから流入する外気などを含む高温の排ガスが発生する。

溶鉄の原料である鉄系スクラップｘの電気炉への装入は、供給用バケット１３を用いて行われる。鉄系スクラップｘはスクラップ置き場に種類別に仮置きされており、そのなかから、製造すべき溶鉄の鋼種に応じて所定の種類と質量割合の鉄系スクラップｘが配合される。本発明ではさらに、予熱室２内に充填される鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）が０．５０ｔ／ｍ^３以上、１．００ｔ／ｍ^３未満となるように鉄系スクラップｘが配合され、供給用バケット１３に入れられる。

鉄系スクラップｘを入れた供給用バケット１３を走行台車１６で予熱室２の真上に移動させ、この供給用バケット１３から、開放されたスクラップ装入口２０を通じて鉄系スクラップｘを予熱室２内に装入する。スクラップ装入口２０から装入された鉄系スクラップｘは、図１に示されるように、予熱室２およびその下方の溶解室１の空間部分１ａに充填された状態となる。

予熱室２内での鉄系スクラップｘの充填状態は、鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦが０．５〜０．８となるように管理される。すなわち、操業中、予熱室２で予熱された鉄系スクラップｘが順次降下して溶解室１に供給され、これに伴って、予熱室２内での鉄系スクラップの充填高さが減少する。したがって、所定のタイミングで新たな鉄系スクラップｘを予熱室２に装入し、予熱室２内での鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦが常に０．５〜０．８の範囲に維持されるように、新たな鉄系スクラップｘの装入を行う。このため、予熱室２内での鉄系スクラップの充填層の上面レベルを監視する監視カメラや上面レベルを検知できるセンサーを設け、その情報に基づき、所定量の新たな鉄系スクラップｘを所定のタイミングで装入することが好ましい。

なお、電気炉（予熱室２）に装入される鉄系スクラップｘには、有機物質（例えばプラスチック、ゴム、バイオマスなど）が混入していてもよい。

溶解室１で鉄系スクラップｘを溶解する際に発生した高温の排ガスは、上述したような排ガスの吸引により予熱室２内に流入し、予熱室２内を上昇した後、排気口２１から排気される。その過程で、予熱室２に充填された鉄系スクラップｘが予熱される。本実施形態の場合、予熱室２に流入する排ガスの温度は１０００〜１５００℃程度である。

溶解室１内のアーク加熱部Ａにおける鉄系スクラップｘの溶解の進行に応じて、溶解室１の空間部分１ａに充填されている鉄系スクラップｘを、押し出し機３により順次アーク加熱部Ａ側に押し出す。これに伴い予熱室２内に充填されている鉄系スクラップｘが順次降下するので、それに応じて、上述したように供給用バケット１３により予熱室２内に新たな鉄系スクラップｘを装入し、これを繰り返し行う。鉄系スクラップｘの溶解が進行して溶解室１内に所定量（１チャージ分）の溶鉄が溜まったら、鉄系スクラップｘが予熱室２と溶解室１の空間部分１ａに充填された状態を保ったまま、出湯口１１から溶鉄ｍを出湯し、出滓口１２から溶融スラグｓを出滓する。

なお、電気炉の操業開始時には、溶解室１内に鉄系スクラップを均一に装入するために、炉蓋４を開けた状態で、予熱室２とは反対側の溶解室２の空間内に鉄系スクラップや炭材を装入してもよいし、この鉄系スクラップの装入の際に、溶銑を溶解室１に装入してもよい。この溶銑は供給用取鍋（図示せず）や溶解室１に通じる溶銑樋（図示せず）により溶解室１に装入することができる。

炭材や酸素の添加方法としては、本実施形態のようなランス吹き込み法以外に、溶解室１の上から浴中へインジェクションする方法、炉底に専用のノズルを設けて底吹きインジェクションする方法などを採用してもよい。また、炭材および酸素の吹き込みランスは、溶融スラグや溶鉄に浸漬させてもよいが、本実施形態のように溶融スラグや溶鉄に浸漬させることなく、溶融スラグや溶鉄の湯面レベル変動に応じて追従する方式としてもよい。また、炉壁に酸素吹き込みランスを設置し、炉壁から酸素を吹き込む方式でもよい。

電気炉のタイプとしては直流式と交流式があり、本実施形態の電気炉は交流式であるため、上述したような電極５を有している。これに対して電気炉が直流式の場合は、炉底と上部のそれぞれで電極が存在し、その電極間でアークを飛ばして冷鉄源を溶解させる。本発明は、このような直流式の電気炉による溶鉄の製造にも適用できる。

また、本発明は、溶解室１で発生した排ガスを予熱室２に導いて鉄系スクラップｘを予熱する方法であれば、使用する電気炉のタイプに制限はなく、例えば、溶解室が押し出し機を有しない電気炉を用いた溶鉄の製造方法など、種々のタイプの電気炉を用いた溶鉄の製造方法に適用することができる。

図１に示すような溶解室１と予熱室２を備えた電気炉設備において、鉄系スクラップｘを溶解して溶鉄を製造した。この電気炉設備の設備諸元を以下に示す。
溶解室：炉径７ｍ、炉高５ｍ
予熱室：幅３ｍ、奥行き４ｍ、高さ５ｍ
炉容量：２１０トン
電力：交流５０Ｈｚ
トランス容量：７５ＭＶＡ
電極数：３

溶解室１内および予熱室２内に、鉄系スクラップを２１０トン装入し、電極５（上部黒鉛電極）によってアークを発生させて、鉄系スクラップを溶解した。また、酸素吹き込みランス７からは純酸素を３０００〜５０００Ｎｍ^３／ｈｒで送酸し、炭材吹き込みランス８からはコークス粉を６０〜７０ｋｇ／ｍｉｎで吹き込んだ。操業中は監視カメラで予熱室２内を監視し、溶解室１内での鉄系スクラップの溶解に伴って予熱室２内に充填された鉄系スクラップが順次降下した際に、供給用バケット１３で搬送された新たな鉄系スクラップを、予熱室上部のスクラップ装入口２０から予熱室２内に供給し、予熱室２内の鉄系スクラップの充填高さを一定範囲に保持した。

炭材吹き込みランス８から吹き込んだコークス粉としては、固定炭素分８５ｍａｓｓ％以上、水分１．０ｍａｓｓ％以下、揮発分１．５ｍａｓｓ％以下、平均粒径５ｍｍ以下のものを使用した。また、鉄系スクラップｘを溶解し、溶鉄ｍを加熱するために適宜必要に応じて助燃バーナー９を使用した。助燃バーナー９の設置本数は１本で、燃焼量は助燃バーナー１本あたり２０００Ｍｃａｌ／ｈｒで使用した。

溶解室１（空間部分１ａ）内および予熱室２内に鉄系スクラップが連続して存在する状態の下に溶解を進行させ、溶解室１内に２１０トンの溶鉄が生成した段階で、８０トンを炉内に残し、１チャージ分の１３０トンの溶鉄を出湯口１１から取鍋に出湯した。出湯時の溶鉄温度は約１６００℃、溶鉄中のＣ濃度は０．０６０ｍａｓｓ％となるように操業した。

１３０トン出湯後も送酸とコークス吹込みを行いながら、鉄系スクラップの溶解を継続し、再度、溶解室１内の溶鉄量が２１０トンになったら、１３０トン出湯することを繰り返した。

鉄系スクラップとしては、日本鉄源協会の「鉄スクラップ検収統一規格」に規定されているスクラップ種をもとに嵩密度を決め、下記（i）〜（iv）のスクラップの２種以上を配合したものを用いた。

（i）ヘビー：ギロチンシャー、ガス溶断、重機などでサイジングしたもので、厚み、寸法、単重によりＨＳ、Ｈ１〜Ｈ４に区分されるが、本実施例では、「ＨＳ：厚さ６ｍｍ以上、幅または高さ５００ｍｍ以下×長さ７００ｍｍ以下のもの」、「Ｈ４：厚さ１ｍｍ未満、幅または高さ５００ｍｍ以下×長さ１２００ｍｍ以下のもの」を組み合わせて使用した。嵩密度は０．５ｔ／ｍ^３とした。

（ii）シュレッダー：主として鋼板加工製品を母材にしてシュレッダー機により破砕したあと磁気選別機で選別された鉄スクラップである。嵩密度は１．３ｔ／ｍ^３とした。

（iii）新断：鋼板加工製品を製造する際に発生する切りくずおよび打ち抜きくずで、形状、酸化の程度によって、プレスＡ、プレスＢ、バラＡ、バラＢなどに区分されるが、本実施例では、「プレスＡ：３辺の総和が１８００ｍｍ以下で最大辺８００ｍｍ以下であって、表面処理していない薄鋼板で酸化していないもの」、「バラＡ：幅または高さ５００ｍｍ以下×長さ１２００ｍｍ以下であって、表面処理していない薄鋼板で酸化していないもの」を組み合わせて使用した。嵩密度は０．６ｔ／ｍ^３とした。

（iv）鋼ダライ粉：ネジ、機械部品などを製作する際に発生する切削くずおよび切り粉で、形状、酸化の程度によりＡ、Ｂなどに区分されるが、本実施例では、「Ａ：普通鋼切削くずで酸化の少ないもの、チップ状のもの」、「Ｂ：普通鋼切削くずで多少酸化しているもの、パーマ状のもの」を組み合わせて使用した。嵩密度は０．４ｔ／ｍ^３とした。

（v）故銑：使用済み鋳物製品を細かく打ち砕いたブロック状のもので、母材によってＡ、Ｂに区分されるが、本実施例では、「Ａ：１辺１２００ｍｍ以下のもの」を使用した。嵩密度は３．０ｔ／ｍ^３とした。

なお、「鋼ダライ粉」には切削油などの油分が付着している場合があり、油分が燃焼することで熱源となり電力原単位に影響を及ぼすため、発明例および比較例（但し、Ｎｏ．１７を除く）の配合率を一定とした。また、「故銑」は、他の鉄系スクラップに比べてカーボンが高いことから融点が低く、溶解性が良いことから電力原単位に影響を及ぼすため、発明例および比較例の配合率を一定とした。

以上のようなスクラップ種を複数配合して嵩密度を調整した上で、その鉄系スクラップを供給用バケット１３により予熱室２に装入した。なお、鉄系スクラップは、予熱室２の容量に合せて予熱室２内が所定の配合に置換されるのに十分な時間、その配合を一定に保って予熱室２に装入した。

予熱室２に装入する鉄系スクラップ（すなわち予熱室２内に充填された鉄系スクラップ）の見掛け嵩密度（Ｐ）は、見掛け嵩密度（Ｐ）＝（ヘビー嵩密度）×（ヘビー配合比率）＋（シュレッダー嵩密度）×（シュレッダー配合比率）＋（新断嵩密度）×（新断配合比率）＋（鋼ダライ粉嵩密度）×（鋼ダライ粉配合比率）＋（故銑嵩密度）×（故銑配合比率）で算出した。したがって、例えば、Ｎｏ．１の場合、見掛け嵩密度（Ｐ）＝０．５ｔ／ｍ^３（ヘビー嵩密度）×０．７０（ヘビー配合比率）＋１．３ｔ／ｍ^３（シュレッダー嵩密度）×０．１０（シュレッダー配合比率）＋０．４ｔ／ｍ^３（鋼ダライ粉嵩密度）×０．１８（鋼ダライ粉配合比率）＋３．０ｔ／ｍ^３（故銑嵩密度）×０．０２（故銑配合比率）＝０．６１ｔ／ｍ^３と算出される。

操業中、予熱室２の排気口２１の位置で排ガスの温度と酸素濃度を測定し、この酸素濃度を予熱室２内の酸素濃度とした。表１に、その結果と電力原単位指数を、他の操業条件（使用した鉄系スクラップ、予熱室での鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）と鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦ、炭素・酸素比Ｃ／Ｏ）とともに示す。なお、表１の鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦは、操業中にその数値範囲で変動したことを示している。ここで、電力原単位指数とは溶解実験の評価指標であり、Ｎｏ．１０の電力原単位［ｋＷｈ／出湯量トン］を１００とし、それに対するそれぞれの実施例の電力原単位の比を示している。評価は、電力原単位指数が１００未満であれば“○”（合格）、電力原単位指数が１００以上であれば“×”（不合格）とした。

表１によれば、発明例はいずれも電力原単位指数が１００未満であり、高いエネルギー利用効率で経済的にスクラップを溶解できることが判る。

１ 溶解室
１ａ 空間部分
２ 予熱室
３ 押し出し機
４ 炉蓋
５ 電極
６ 排気ダクト
７ 酸素吹き込みランス
８ 炭材吹き込みランス
９ 助燃バーナー
１０ 炉壁
１１ 出湯口
１２ 出滓口
１３ 供給用バケット
１４ 出湯用扉
１５ 出滓用扉
１６ 走行台車
２０ スクラップ装入口
２１ 排気口
ｘ 鉄系スクラップ
ｍ 溶鉄
ｓ 溶融スラグ
Ａ アーク加熱部

Claims (6)

1. 鉄系スクラップをアーク加熱によって溶解する溶解室（１）と、鉄系スクラップを予熱するために溶解室（１）の上部に連設されたシャフト型の予熱室（２）を備えた電気炉において、予熱室（２）内に鉄系スクラップを順次装入することで、予熱室（２）内に鉄系スクラップが充填された状態とし、溶解室（１）で発生した排ガスを、鉄系スクラップが充填された予熱室（２）を通過させることにより鉄系スクラップを予熱し、この予熱した鉄系スクラップを予熱室（２）内で順次降下させて溶解室（１）内に供給し、溶解室（１）で鉄系スクラップを溶解して溶鉄を得る方法であって、
   予熱室（２）内に充填された鉄系スクラップの見掛け嵩密度（Ｐ）が０．５０ｔ／ｍ^３以上、１．００ｔ／ｍ^３未満であって、且つ予熱室（２）内での鉄系スクラップ充填比Ｈ_ＳＣ／Ｈ_ＳＦ（但し、Ｈ_ＳＣ：予熱室内での鉄系スクラップの充填高さ［ｍ］、Ｈ_ＳＦ：予熱室内高さ［ｍ］）が０．５〜０．８となるように、予熱室（２）内に鉄系スクラップを装入し、
   溶解室（１）内で鉄系スクラップを溶解するための補助熱源として炭材を用い、溶解室（１）内に、炭素・酸素比Ｃ／Ｏ（但し、Ｃ：炭材中の炭素量［ｋｇ］、Ｏ：酸素吹き込み量［Ｎｍ^３］）が０．７０以上となるように酸素と炭材を吹き込むことを特徴とする電気炉による溶鉄の製造方法。
2. 予熱室（２）内の酸素濃度を１５ｖｏｌ％未満とすることを特徴とする請求項１に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
3. 溶解室（１）内への炭材吹き込み量を０．３〜１．４（ｋｇ／ｍｉｎ）／出湯トン、酸素吹き込み量を２０〜４０（Ｎｍ^３／ｈｒ）／出湯トンとすることを特徴とする請求項１または２に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
4. 溶解室（１）には助燃バーナーが１本以上設置され、該助燃バーナーにより溶解室内の鉄系スクラップおよび溶鉄を加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
5. 電気炉は、溶解室（１）のアーク加熱部から離れた位置の上部に予熱室（２）が連設されるとともに、予熱室（２）の上部にスクラップ装入口（２０）が設けられ、
   該スクラップ装入口（２０）から予熱室（２）内に装入された鉄系スクラップは、予熱室（２）およびその下方の溶解室（１）の空間部分（１ａ）に充填され、この空間部分（１ａ）の鉄系スクラップが順次アーク加熱部側に押し出されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
6. 空間部分（１ａ）の鉄系スクラップが、押し出し機（３）により順次アーク加熱部側に押し出されることを特徴とする請求項５に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。

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