WO2022172769A1 - 映像装置を備える電気炉を用いた溶鉄の製造方法 - Google Patents
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Abstract
溶鉄の昇温効率を高めて製造コストを低減する。 予熱室と、溶解室と、前記予熱室を第１および第２予熱室に区画可能な冷鉄源支持機と、押し出し機と、前記第２予熱室内を観察可能な映像装置とを備える電気炉を用い、溶解工程と、昇温工程と、予熱工程と、出鋼工程とを有し、前記昇温工程において、前記映像装置から得られた、前記冷鉄源支持機を閉じた後の前記第２予熱室内の視覚情報に基づき、前記溶鉄の昇温を開始する、溶鉄の製造方法。
Description
本発明は、映像装置を備える電気炉を用いて、冷鉄源から溶鉄を製造する方法に関する。本発明は、特に、予熱室の冷鉄源を溶解室から切り分けて予熱室下部の様子を観察することにより、冷鉄源を溶解室へと確実に供給したうえで効率的に溶鉄を得ることのできる、溶鉄の製造方法に関する。
電気炉を用いた溶鉄の製造では、鉄系スクラップなどの冷鉄源をアーク熱で溶解して溶鉄を得るので、アーク熱を生成するために電力を多量に消費する問題がある。従来、電気炉での電力消費を抑えるために、（１）溶解する前の冷鉄源を、後段の工程で冷鉄源を溶解中に発生した高温の排ガスを利用して予熱する方法；（２）補助熱源としてコークスなどの炭材を溶解室中に吹き込む方法；などの方法が採られている。
上述の（１）の具体的な方法としては、溶解室の上部に冷鉄源を予熱する予熱室を連設し、先の工程において溶解室で発生した高温の排ガスを、冷鉄源が充填された予熱室内に通過させることにより冷鉄源を予熱させる方法が知られている。このように、予熱された冷鉄源を溶解させることで、溶解効率を向上させて電力消費を抑えることが期待される。
また、上述の（２）の具体的な方法では、炭材吹込みよる酸化鉄の還元と炭材の燃焼とによってＣＯガスが発生し、このＣＯガスによって溶融スラグが泡立つ、いわゆる「スラグフォーミング」が促進されることが知られている。このスラグフォーミングによりアークの輻射熱が軽減し、冷鉄源の溶解効率を向上させて電力消費を抑えることが期待される。
また、上述の（２）の具体的な方法では、炭材吹込みよる酸化鉄の還元と炭材の燃焼とによってＣＯガスが発生し、このＣＯガスによって溶融スラグが泡立つ、いわゆる「スラグフォーミング」が促進されることが知られている。このスラグフォーミングによりアークの輻射熱が軽減し、冷鉄源の溶解効率を向上させて電力消費を抑えることが期待される。
上述の（１）および（２）の方法を利用した電気炉として、例えば、特許文献１に開示される複合アーク溶解炉、特許文献２に開示されるアーク溶解設備が挙げられる。
特許文献１によれば、複合アーク溶解炉は、溶解室と、この溶解室内で発生する高温の排ガスを誘引できるシャフト形予熱室とからなる点に特徴がある。そして、特許文献１の複合アーク溶解炉では、予熱室内に充填された鉄系スクラップを効率的に予熱するために、予熱室内における鉄系スクラップの見掛け嵩密度を適正範囲に調整している。特許文献１の図には、予熱室の上部に設けた開閉可能な供給口が開示されており、該供給口を通じて供給され、予熱室で予熱された鉄系スクラップは、溶解室で溶解される速度に応じて、溶解室内に順次に連続的または間欠的に移動している。
特許文献１によれば、複合アーク溶解炉は、溶解室と、この溶解室内で発生する高温の排ガスを誘引できるシャフト形予熱室とからなる点に特徴がある。そして、特許文献１の複合アーク溶解炉では、予熱室内に充填された鉄系スクラップを効率的に予熱するために、予熱室内における鉄系スクラップの見掛け嵩密度を適正範囲に調整している。特許文献１の図には、予熱室の上部に設けた開閉可能な供給口が開示されており、該供給口を通じて供給され、予熱室で予熱された鉄系スクラップは、溶解室で溶解される速度に応じて、溶解室内に順次に連続的または間欠的に移動している。
また、特許文献２は、従来技術として、スクラップをプッシャー（押し出し機）によりアーク炉に連続的に供給する技術；フィンガー（冷鉄源支持機）と呼ばれるストッパーを開放することによりスクラップをアーク炉に供給する技術；をそれぞれ紹介しながらも、特許文献２の技術では、むしろプッシャーやフィンガー等のスクラップ搬送供給設備を備えないことにより、排ガス温度を高めてスクラップを予熱している。そして、特許文献２でも、溶解炉内でスクラップが溶解することにより、予熱シャフトのスクラップが溶解炉に供給されている。
ここで、溶鉄の製造においては、冷鉄源を溶解して溶解室内に設計上所定の溶鉄量が溜まった段階で、溶鉄を予め設定された温度まで更に昇温してから出鋼することが通常である。この昇温は、得られた溶鉄を電気炉の外部に搬送した後の、例えば成分調整、鋳造といった次工程で必要な溶鉄の温度を確保するための工程であり、昇温温度は、該次工程までの溶鉄の搬送時の温度低下を考慮して設定される。しかしながら、本発明者らが検討したところ、特許文献１，２の技術はいずれも、予熱室の次チャージの鉄系スクラップを溶解室から完全に切り分けることについて何ら検討していないため、この昇温中に比較的低温の鉄系スクラップが溶鉄内に入り込んで昇温効率を低下させてしまう問題が明らかとなった。このように、次チャージの鉄系スクラップの一部が溶鉄に浸った状態では、溶鉄の温度が低下し、昇温期の延長を招いて無駄なエネルギー損失が生じるため、電力消費を良好に低減できない。
また、溶鉄と接触した鉄系スクラップの一部に熱が伝わり、予熱室内下部の鉄系スクラップが局所的に溶解することにより、予熱室内の鉄系スクラップが崩落して溶解室内になだれ込む問題も生じた。このとき、鉄系スクラップが電極までなだれ込み、電極折損を引き起すという深刻な事態も確認された。
また、溶鉄と接触した鉄系スクラップの一部に熱が伝わり、予熱室内下部の鉄系スクラップが局所的に溶解することにより、予熱室内の鉄系スクラップが崩落して溶解室内になだれ込む問題も生じた。このとき、鉄系スクラップが電極までなだれ込み、電極折損を引き起すという深刻な事態も確認された。
一方、電気炉操業では、鋼種によって要求される溶鉄の成分組成（例えば、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐの量など）が様々であるため、冷鉄源を複数種組み合わせて配合を調整している。しかし、特許文献１，２の技術では、供給する冷鉄源の種類を次チャージで変更させる場合、現在溶解しているチャージ用と次チャージ用とで鉄系スクラップを良好に切り分けることができず、したがって、次チャージ用の鉄系スクラップまで一部溶解して、溶鉄の成分や製造量を厳密に制御することが困難であった。
以上の検討から、本発明者らは、溶鉄製造において昇温効率を高めて電力消費を低減するため、更に好適には、製造する溶鉄の成分を厳密に制御するために、溶鉄の昇温時において予熱室内の冷鉄源と溶解室内の溶鉄とを正確に切り分ける操業が必要であるとの知見に至った。
上記知見に基づき、本発明者らはまず、予熱室の一区画内に冷鉄源を保持することが可能な冷鉄源支持機を設け、溶鉄の昇温中は、予熱室内の冷鉄源を溶解室から切り離しておくことに着目した。
しかしながら、上記手法によっても、依然として昇温効率が顕著に改善されない場合があった。この点について本発明者らが更に検討したところ、冷鉄源支持機によって予熱室内の冷鉄源を溶解室から切り離した場合であっても、冷鉄源支持機の下方（予熱室の下部）に溶解室へと供給されなかった冷鉄源が残存する場合があり、この残存する冷鉄源が昇温中の溶鉄の中に意図せずに混入する事態が確認された。したがって、溶鉄の昇温効率を確実に高めるには、溶鉄の昇温中に、冷鉄源支持機により冷鉄源を溶解室から切り離したうえで、冷鉄源支持機の下方にも冷鉄源が残存しないことを確実にすることが更に必要であるとの知見に至った。
しかしながら、上記手法によっても、依然として昇温効率が顕著に改善されない場合があった。この点について本発明者らが更に検討したところ、冷鉄源支持機によって予熱室内の冷鉄源を溶解室から切り離した場合であっても、冷鉄源支持機の下方（予熱室の下部）に溶解室へと供給されなかった冷鉄源が残存する場合があり、この残存する冷鉄源が昇温中の溶鉄の中に意図せずに混入する事態が確認された。したがって、溶鉄の昇温効率を確実に高めるには、溶鉄の昇温中に、冷鉄源支持機により冷鉄源を溶解室から切り離したうえで、冷鉄源支持機の下方にも冷鉄源が残存しないことを確実にすることが更に必要であるとの知見に至った。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、溶鉄の昇温効率を高めて製造コストを低減することのできる、電気炉による溶鉄の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、好適には更に、得られる溶鉄の成分を良好に制御することも目的とする。
本発明者らが上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、（１）予熱室を冷鉄源の導入側（通常は鉛直方向上方）および溶解室側（通常は鉛直方向下方）の２つに区画可能な冷鉄源支持機を、予熱室に設けることにより、予熱室内の冷鉄源を昇温中の溶解室から良好に切り離せること；（２）予熱室に押し出し機を設けることにより、予熱室の下方に位置する冷鉄源を溶解室へと良好に供給できること；（３）予熱室の下方を観察可能な映像装置を更に設けることにより、昇温中の溶鉄内に意図せずに混入し得る冷鉄源の存在の有無を確認でき、仮にこのような冷鉄源の存在が確認された場合は、溶鉄の昇温に先立って対処し得るので、予熱室内の冷鉄源を昇温中の溶解室から正確に切り離せること；を新規に見出した。そして、このように、冷鉄源の意図せぬ混入を防止して溶鉄を昇温することにより、昇温効率を高め、製造上の電力原単位を効果的に低減できることも見出した。
本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、以下を要旨とする。
１．冷鉄源を予熱する予熱室と該予熱された冷鉄源を溶解して溶鉄とする溶解室とを備える電気炉を用いる、溶鉄の製造方法であって、
前記電気炉は、前記冷鉄源の導入側の第１予熱室および前記溶解室側の第２予熱室に前記予熱室を区画して開閉可能な冷鉄源支持機と、前記第２予熱室から前記溶解室側へ進退可能な押し出し機と、前記第２予熱室内を観察可能な映像装置と、を更に備え、
前記冷鉄源支持機を開けた状態にて、前記予熱室に供給されて予熱された冷鉄源を前記押し出し機によって前記溶解室に供給し、前記溶解室に供給された冷鉄源をアーク熱によって溶解して溶鉄を得る溶解工程と、
前記冷鉄源支持機を閉じて（つまり、前記第１予熱室を前記溶解室から遮断した状態で）、前記第１予熱室に新たな冷鉄源（次チャージ用冷鉄源）を導入するとともに、前記溶解室内の前記溶鉄を昇温させる溶鉄の昇温工程と、
前記第１予熱室内の前記新たな冷鉄源を、前記昇温工程の余熱により予熱する予熱工程と、
前記昇温された溶鉄を前記電気炉の外部に導出する出鋼工程と、を有し、
前記昇温工程において、前記映像装置から得られた、前記冷鉄源支持機を閉じた後の前記第２予熱室内の視覚情報に基づき、前記溶鉄の昇温を開始する、溶鉄の製造方法。
１．冷鉄源を予熱する予熱室と該予熱された冷鉄源を溶解して溶鉄とする溶解室とを備える電気炉を用いる、溶鉄の製造方法であって、
前記電気炉は、前記冷鉄源の導入側の第１予熱室および前記溶解室側の第２予熱室に前記予熱室を区画して開閉可能な冷鉄源支持機と、前記第２予熱室から前記溶解室側へ進退可能な押し出し機と、前記第２予熱室内を観察可能な映像装置と、を更に備え、
前記冷鉄源支持機を開けた状態にて、前記予熱室に供給されて予熱された冷鉄源を前記押し出し機によって前記溶解室に供給し、前記溶解室に供給された冷鉄源をアーク熱によって溶解して溶鉄を得る溶解工程と、
前記冷鉄源支持機を閉じて（つまり、前記第１予熱室を前記溶解室から遮断した状態で）、前記第１予熱室に新たな冷鉄源（次チャージ用冷鉄源）を導入するとともに、前記溶解室内の前記溶鉄を昇温させる溶鉄の昇温工程と、
前記第１予熱室内の前記新たな冷鉄源を、前記昇温工程の余熱により予熱する予熱工程と、
前記昇温された溶鉄を前記電気炉の外部に導出する出鋼工程と、を有し、
前記昇温工程において、前記映像装置から得られた、前記冷鉄源支持機を閉じた後の前記第２予熱室内の視覚情報に基づき、前記溶鉄の昇温を開始する、溶鉄の製造方法。
２．さらに、前記出鋼工程の終了後に、前記冷鉄源支持機を開けて前記予熱された新たな冷鉄源を前記第１予熱室から前記第２予熱室へと供給する準備工程を有し、
前記準備工程の後に、前記溶解工程、昇温工程、予熱工程および出鋼工程を順に行う、前記１に記載の溶鉄の製造方法。
前記準備工程の後に、前記溶解工程、昇温工程、予熱工程および出鋼工程を順に行う、前記１に記載の溶鉄の製造方法。
３．前記準備工程において、前記押し出し機の前記溶解室側先端を前記第２予熱室と前記溶解室との境界に位置させた状態で、前記冷鉄源支持機を開ける、前記２に記載の溶鉄の製造方法。
４．前記昇温工程において、前記映像装置により、前記冷鉄源支持機を閉じた後の前記第２予熱室内に前記冷鉄源が残存していないことを確認した後に、前記溶鉄の昇温を開始する、前記１～３のいずれかに記載の溶鉄の製造方法。
５．前記昇温工程において、前記映像装置により、前記冷鉄源支持機を閉じた後の前記第２予熱室内に前記冷鉄源が残存していることを確認した場合に、
前記押し出し機によって前記残存する冷鉄源を前記溶解室に供給し、前記第２予熱室内に前記冷鉄源が残存していないことを確認した後に、前記溶鉄の昇温を開始する、前記１～３のいずれかに記載の溶鉄の製造方法。
前記押し出し機によって前記残存する冷鉄源を前記溶解室に供給し、前記第２予熱室内に前記冷鉄源が残存していないことを確認した後に、前記溶鉄の昇温を開始する、前記１～３のいずれかに記載の溶鉄の製造方法。
６．前記溶解工程において、前記映像装置により、所定量の前記冷鉄源が前記溶解室へ供給されたことを確認した後に、前記昇温工程を行う、前記１～５のいずれかに記載の溶鉄の製造方法。
本発明によれば、溶鉄の昇温効率を向上させ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、製造コストの低減が可能となる。また、本発明によれば、好適には更に、得られる溶鉄成分の正確な制御も可能となる。
次に、本発明の実施形態について、具体的に説明する。
以下の実施形態は、本発明の好適な一例を示すものであり、これらの例によって何ら限定されるものではない。
以下の実施形態は、本発明の好適な一例を示すものであり、これらの例によって何ら限定されるものではない。
（溶鉄の製造方法）
本発明の溶鉄の製造方法は、所定の構造を有する電気炉を用いる方法であって、予熱室において予熱された冷鉄源を押し出し機で溶解室に供給し、溶解室においてアーク熱で溶解して溶鉄を得る溶解工程と、冷鉄源支持機を閉じた状態で溶鉄を昇温させる昇温工程と、昇温工程の余熱により冷鉄源を予熱する予熱工程と、昇温された溶鉄を電気炉外部に導出する出鋼工程と、を有し、連続操業が可能である。また、本発明の溶鉄の製造方法は、任意に、出鋼後に冷鉄源支持機を開けて、予熱された冷鉄源を第１予熱室から前記第２予熱室へと供給する準備工程を更に有し、任意にその他の工程を更に有し得る。そして、本発明の昇温工程では、第２予熱室内を観察するための映像装置から得られた視覚情報に基づき、溶鉄の昇温を開始する。
第２予熱室内の視覚情報に基づいて、溶鉄の昇温環境を適切かつ適時に制御することにより、溶鉄の昇温中に意図しない冷鉄源の混入を防ぐことができ、溶鉄の昇温効率を効果的に高めることができる。
本発明の溶鉄の製造方法は、所定の構造を有する電気炉を用いる方法であって、予熱室において予熱された冷鉄源を押し出し機で溶解室に供給し、溶解室においてアーク熱で溶解して溶鉄を得る溶解工程と、冷鉄源支持機を閉じた状態で溶鉄を昇温させる昇温工程と、昇温工程の余熱により冷鉄源を予熱する予熱工程と、昇温された溶鉄を電気炉外部に導出する出鋼工程と、を有し、連続操業が可能である。また、本発明の溶鉄の製造方法は、任意に、出鋼後に冷鉄源支持機を開けて、予熱された冷鉄源を第１予熱室から前記第２予熱室へと供給する準備工程を更に有し、任意にその他の工程を更に有し得る。そして、本発明の昇温工程では、第２予熱室内を観察するための映像装置から得られた視覚情報に基づき、溶鉄の昇温を開始する。
第２予熱室内の視覚情報に基づいて、溶鉄の昇温環境を適切かつ適時に制御することにより、溶鉄の昇温中に意図しない冷鉄源の混入を防ぐことができ、溶鉄の昇温効率を効果的に高めることができる。
［電気炉］
以下、本発明が好適に用い得る電気炉について、図を参照して詳述する。
電気炉１は、冷鉄源１５をアーク１８からの熱によって溶解して溶鉄１６を得る溶解室２と、冷鉄源１５を予熱し、予熱された冷鉄源１５を押し出し機１０で溶解室２に供給するために、溶解室２に連通されたシャフト型の予熱室３と、任意の位置に設置された映像装置３０とを備える。予熱室３の鉛直方向任意の位置には、開閉可能な冷鉄源支持機１１が設けられている。冷鉄源支持機１１は、例えば電気炉１の断面方向または水平方向に開閉可能である。この冷鉄源支持機１１を開くことにより予熱室３が一つの空間を有することができ、反対に、この冷鉄源支持機１１を閉じることにより予熱室３が冷鉄源の導入側（鉛直方向上部）に区画された第１予熱室３ａと、溶解室側（鉛直方向下部）に区画された第２予熱室３ｂとの２つの空間を有することができる。押し出し機１０は通常、この第２予熱室３ｂに設けられ、一方の先端が該第２予熱室３ｂとこれに隣接する溶解室２との間の任意の位置まで進退して移動可能である。映像装置３０によって、第２予熱室３ｂ内の様子を適時、必要によっては常時確認することができる。
以下、本発明が好適に用い得る電気炉について、図を参照して詳述する。
電気炉１は、冷鉄源１５をアーク１８からの熱によって溶解して溶鉄１６を得る溶解室２と、冷鉄源１５を予熱し、予熱された冷鉄源１５を押し出し機１０で溶解室２に供給するために、溶解室２に連通されたシャフト型の予熱室３と、任意の位置に設置された映像装置３０とを備える。予熱室３の鉛直方向任意の位置には、開閉可能な冷鉄源支持機１１が設けられている。冷鉄源支持機１１は、例えば電気炉１の断面方向または水平方向に開閉可能である。この冷鉄源支持機１１を開くことにより予熱室３が一つの空間を有することができ、反対に、この冷鉄源支持機１１を閉じることにより予熱室３が冷鉄源の導入側（鉛直方向上部）に区画された第１予熱室３ａと、溶解室側（鉛直方向下部）に区画された第２予熱室３ｂとの２つの空間を有することができる。押し出し機１０は通常、この第２予熱室３ｂに設けられ、一方の先端が該第２予熱室３ｂとこれに隣接する溶解室２との間の任意の位置まで進退して移動可能である。映像装置３０によって、第２予熱室３ｂ内の様子を適時、必要によっては常時確認することができる。
原料となる冷鉄源１５は、例えばスクラップ置き場に種類別に仮置きされ、そのなかから製造すべき溶鉄の鋼種に応じた適切な種類と質量割合とで配合される。配合された冷鉄源１５は、底開き型の供給用バケット１４に装入され、走行台車２３を介して冷鉄源供給口１９の上方の所望の位置まで運ばれる。次に、冷鉄源供給口１９を開けて、冷鉄源１５を上方から予熱室３へと供給する。このとき、予熱室３の略中段に備えられた開閉可能な冷鉄源支持機（フィンガー）１１は開いた状態であるので、供給された冷鉄源１５は、冷鉄源支持機１１の上部を占め得る第１予熱室３ａ、および、冷鉄源支持機１１の下部を占め得る第２予熱室３ｂにわたって充填される。
冷鉄源１５の供給は、１チャージ用の量の冷鉄源１５を複数回に分けて供給用バケット１４に装入して行うことができる。例えば、冷鉄源１５の１チャージ用の量が設計上１３０トンであり、これを１３回に分けて供給用バケット１４から供給する場合、１０トン×１３回＝計１３０トンと、１回あたり１０トンずつ供給することになる。
冷鉄源１５としては、通常、製鉄所で発生する自所屑、市中から発生するスクラップ、溶銑を固めた銑鉄などが挙げられるが、これらに限定されない。冷鉄源１５には、有機物質（例えば、プラスチック、ゴム、バイオマス）が混入していてもよい。
一方、溶融スラグ１７を生成させるための造滓材としては生石灰や石灰石が挙げられるが、これらに限定されない。造滓材として、軽焼ドロマイト、または、製鋼などで発生するリサイクルスラグを使用してもよい。溶解室２上部に設けられた副原料シュート（図示せず）から造滓材を供給することができる。
一方、溶融スラグ１７を生成させるための造滓材としては生石灰や石灰石が挙げられるが、これらに限定されない。造滓材として、軽焼ドロマイト、または、製鋼などで発生するリサイクルスラグを使用してもよい。溶解室２上部に設けられた副原料シュート（図示せず）から造滓材を供給することができる。
予熱室３（第１予熱室３ａおよび第２予熱室３ｂ）において、充填された冷鉄源１５が任意の方法で予熱される。例えば、先に溶解室２で発生した高熱の排ガスを第１予熱室３ａおよび第２予熱室３ｂへと通過させることにより冷鉄源１５を予熱すれば、製造効率を高めることができるので好適である。この場合、予熱室３の上側部に排気ダクト２０を設け、このダクト２０を吸引ブロワ（図示せず）に接続してもよい。この吸引ブロワによる吸引により、溶解室２で発生した高温の排ガスを予熱室３に流入して通過させ、予熱室３内を上昇した後にダクト２０から排気することができる。ダクト２０の途中には集塵機（図示せず）を設けてもよい。
予熱に好適に利用し得る高温の排ガスは、後述する、主たる熱源としてのアーク加熱部、補助熱源としての炭材、バーナー９などによる溶解・昇温によって発生し、ＣＯ、ＣＯ２、未反応のＯ２、および開口部などから流入する外気などを含み得る。
予熱に好適に利用し得る高温の排ガスは、後述する、主たる熱源としてのアーク加熱部、補助熱源としての炭材、バーナー９などによる溶解・昇温によって発生し、ＣＯ、ＣＯ２、未反応のＯ２、および開口部などから流入する外気などを含み得る。
第２予熱室３ｂには、該第２予熱室３ｂ内に存在する予熱された冷鉄源１５を、予熱室３に連結された溶解室２内へと押し出し供給するための押し出し機１０（プッシャー）が設けられている。この押し出し機１０は、溶解室２の側壁を貫通して、アーク１８により生じるアーク加熱部（本実施形態では溶解室の略中心）へと向かう方向に沿って進退可能に設けることができ、これにより予熱された冷鉄源１５を第２予熱室３ｂから溶解室２のアーク加熱部へと押し出すことができる。押し出し機１０は駆動装置（図示せず）により駆動させてもよい。
なお、溶解室２と予熱室３（第２予熱室３ｂ）との境界は、予熱室３の側壁のうち、溶解室２を構成する炉蓋５と接続される部分を出発して鉛直方向下方に延びる想像上の面とする。
なお、溶解室２と予熱室３（第２予熱室３ｂ）との境界は、予熱室３の側壁のうち、溶解室２を構成する炉蓋５と接続される部分を出発して鉛直方向下方に延びる想像上の面とする。
溶解室２は、炉壁４および炉蓋５で区画されており、炉壁４は水冷構造とすることが好ましく、炉蓋５は開閉可能な水冷構造とすることが好ましい。溶解室２の水平方向略中央部に、炉蓋５を貫通して上方から複数本の電極６を挿入し、これらの電極６間でアーク１８を発生させることにより、冷鉄源１５を溶解する主たる熱源としてのアーク加熱部を構成することができる。通常、電極６は黒鉛を主体として構成され、上下移動可能である。
電気炉１のタイプとしては直流式と交流式とがあるが、本実施形態に例示する電気炉１は交流式であり、上述した電極６を有する。一方、電気炉１が直流式の場合は、炉底と溶解室上部のそれぞれに電極を設け、その電極間でアークを飛ばして冷鉄源を溶解させてもよい。本発明は直流式の電気炉による溶鉄の製造にも適用可能である。
電気炉１のタイプとしては直流式と交流式とがあるが、本実施形態に例示する電気炉１は交流式であり、上述した電極６を有する。一方、電気炉１が直流式の場合は、炉底と溶解室上部のそれぞれに電極を設け、その電極間でアークを飛ばして冷鉄源を溶解させてもよい。本発明は直流式の電気炉による溶鉄の製造にも適用可能である。
溶解室２には、炉蓋５を貫通して上方から酸素吹き込みランス７および炭材吹き込みランス８を挿入してもよい。炭材吹き込みランス８は、空気や窒素などの搬送用ガスを通じて、補助熱源としての、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を溶融スラグ１７に吹き込むことができる。また、酸素吹き込みランス７は、酸素（純酸素や、例えば純酸素と空気とが混合された酸素含有ガス）を噴射供給して、この酸素により溶融スラグ１７を押しのけて溶鉄１６に酸素を直接吹き込むことができる。酸素を吹き込まれた溶鉄１６は、所望の炭素量にまで脱炭される。
酸素および炭材の添加方法としては、ランスによる吹き込み以外に、溶解室２の上方から浴（溶鉄１６または溶融スラグ１７）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、酸素および炭材の吹き込みランス７，８は、溶鉄１６および溶融スラグ１７にそれぞれ浸漬させてもよいが、図２に示す実施形態のように溶鉄１６および溶融スラグ１７に浸漬させることなく、溶鉄１６および溶融スラグ１７の湯面（界面）レベルの変動に応じて界面上方で追従する方式としてもよい。また、炉壁４に酸素吹き込みランス７を設置し、炉壁４から酸素を吹き込む方式でもよい。
溶解室２にはまた、炉蓋５を貫通して上方から、および／または、炉壁４を貫通して斜め上方からバーナー９を挿入してもよい。このバーナー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）によって燃焼させる助燃バーナーの役割を果たす。溶鉄１６を出鋼する際には、未溶解の冷鉄源１５が溶鉄１６内に残っていない状態とする必要がある。ここで、電極周辺の冷鉄源は比較的早く溶解するが、電極から離れた場所、いわゆるコールドスポットにある冷鉄源は溶解が比較的遅く、溶解室内での冷鉄源の溶解速度が不均一となることがある。このような場合に、例えば昇温工程において、バーナー９を用いて未溶解の冷鉄源１５の溶解を効率的に助けることができる。バーナー９は、後述する出湯口１２の真上近傍の位置、換言すれば、コールドスポットが生じ易い位置に配置することが好ましい。
溶解室２には更に、予熱室３とは反対側の炉底に出湯口１２を、該出湯口１２の上方の炉壁４に出滓口１３を、それぞれ設けてもよい。出鋼工程以外の工程中は、出滓口１３は出滓用扉２２により閉塞されている。また、出鋼工程以外の工程中は、出湯口１２は、内部に充填される詰め砂やマッド剤と、これらを炉外側で押さえる出湯用扉２１とで閉塞されている。得られた溶鉄１６は、出湯用扉２１を開けて出湯口１２から出鋼することができる。また、溶鉄１６の製造とともに生じた溶融スラグ１７は、出滓用扉２２を開けて出滓口１３から排滓することができる。
映像装置３０により、第２予熱室内を観察可能である。映像装置３０は、特に限定されず、観察対象を撮像可能な装置であればよく、通常はレンズおよびカメラを備える。映像装置３０の先端に設置したレンズ（図示せず）の周囲に、任意の流速の冷却用気体を流すことが好ましい。映像装置３０を適切に冷却することにより、電気炉内の高温にも耐え得るようにすること、スラグや溶鋼が飛散してきた場合に視野が狭まるのを防ぐことができる。冷却用気体としては、空気、並びに、窒素などの不活性ガスが挙げられる。
映像装置３０は、第２予熱室３ｂ内の様子を良好に把握する観点から、第２予熱室３ｂを構成する側壁に設置することが好ましい。この場合、予熱室３の側壁に対しても、水冷または空冷などの冷却を行うことが好ましい。設置方法は特に限定されないが、映像装置３０を第２予熱室３ｂの側壁に設置する場合、映像装置３０を、該側壁に空けた孔（図示せず）に通して取り付ければ、レンズを第２予熱室３ｂ内に位置させつつカメラを電気炉１の外部に位置させることができ、鮮明な映像視野と簡便な作業性とを両立できるので好適である。映像装置３０で取り込んだ映像は、一般的にはケーブル（図示せず）を介して、オペレーターが操作する操作室のモニターや記録装置（いずれも、図示せず）へ繋ぐ。
映像装置３０は、第２予熱室３ｂ内の様子を良好に把握する観点から、第２予熱室３ｂを構成する側壁に設置することが好ましい。この場合、予熱室３の側壁に対しても、水冷または空冷などの冷却を行うことが好ましい。設置方法は特に限定されないが、映像装置３０を第２予熱室３ｂの側壁に設置する場合、映像装置３０を、該側壁に空けた孔（図示せず）に通して取り付ければ、レンズを第２予熱室３ｂ内に位置させつつカメラを電気炉１の外部に位置させることができ、鮮明な映像視野と簡便な作業性とを両立できるので好適である。映像装置３０で取り込んだ映像は、一般的にはケーブル（図示せず）を介して、オペレーターが操作する操作室のモニターや記録装置（いずれも、図示せず）へ繋ぐ。
更には、図示しないが、映像装置を利用して、第１予熱室３ａ内の様子をも把握することが好ましい。第１予熱室３ａ内の様子をも視覚的に確認できれば、例えば、予熱室に充填された冷鉄源１５の高さを確認しながら、該高さを一定範囲に保つように冷鉄源を供給することができるので、冷鉄源の予熱を更に効率的に行うことができる。第１予熱室３ａ内の様子を観察するには、例えば、追加の映像装置を、第１予熱室３ａを構成する側壁に設置することができる。
［溶解工程］
本発明の溶解工程では、図２Ｂを参照して、冷鉄源支持機１１を開けた状態で、予熱室３で予熱された冷鉄源１５を押し出し機１０によって溶解室２に供給し、溶解室２に供給された冷鉄源１５をアーク熱によって溶解して溶鉄１６を得る。押し出し機１０を図２の矢印方向に繰り返し進退させることにより、第２予熱室３ｂ内に充填された冷鉄源１５を順次押し出す。これに伴って予熱室３内に充填されている冷鉄源１５が順次降下するので、それに応じて、供給用バケット１４から予熱室３内に新たな冷鉄源１５を供給することを繰り返し行う。これにより、１チャージ用の量の冷鉄源を溶解することができる。
ここで、溶解により溶解室で発生した高温の排ガスを、例えば電気炉について上述した手法により予熱室３に流入させ、予熱室３に充填されている冷鉄源１５を効率的に予熱しておくことが、製造効率の観点から好ましい。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。
本発明の溶解工程では、図２Ｂを参照して、冷鉄源支持機１１を開けた状態で、予熱室３で予熱された冷鉄源１５を押し出し機１０によって溶解室２に供給し、溶解室２に供給された冷鉄源１５をアーク熱によって溶解して溶鉄１６を得る。押し出し機１０を図２の矢印方向に繰り返し進退させることにより、第２予熱室３ｂ内に充填された冷鉄源１５を順次押し出す。これに伴って予熱室３内に充填されている冷鉄源１５が順次降下するので、それに応じて、供給用バケット１４から予熱室３内に新たな冷鉄源１５を供給することを繰り返し行う。これにより、１チャージ用の量の冷鉄源を溶解することができる。
ここで、溶解により溶解室で発生した高温の排ガスを、例えば電気炉について上述した手法により予熱室３に流入させ、予熱室３に充填されている冷鉄源１５を効率的に予熱しておくことが、製造効率の観点から好ましい。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。
溶解工程における溶融スラグ１７には、酸素の吹込みに起因して生成された酸化鉄（ＦｅＯ）が含まれることがある。したがって、上述した手法に従って、溶融スラグ１７に炭材を吹込んでＦｅＯを還元することが好ましい。また、吹き込んだ炭材の燃焼によってＣＯガスが発生して溶融スラグ１７が泡立つ、いわゆる「スラグフォーミング」状態とすることが好ましい。スラグフォーミングによりアーク１８の輻射熱が軽減し、冷鉄源１５の溶解効率をより向上させることができる。より高い溶解効率で溶解時間が短縮されることで、スラグフォーミング状態を安定に維持できる時間を延長でき、エネルギー効率を更に向上させることができる。
溶解工程では、映像装置３０により、１チャージ用の所定量の冷鉄源１５が溶解室２へ供給されたことを視覚で確認した後に、次の昇温工程へと移行すると同時に冷鉄源支持機１１を閉じることが好ましい。このように、１チャージ用の所定量の冷鉄源１５が溶解室２へ供給されたことを映像装置３０で確認することにより、続く溶鉄１６の昇温中に意図しない冷鉄源１５の溶鉄への混入をより防ぎ、次の昇温工程をより高効率で行うことができる。
なお、電気炉１における、あるチャージ用の操業開始時（つまり冷鉄源１５の初回供給時）には、溶解室２内に冷鉄源１５を均一に供給するために、炉蓋５を開けた状態で、予熱室３とは反対側の溶解室２の空間内（図２における電極６よりも紙面右側）に冷鉄源１５および必要に応じて炭材を予め供給してもよい。或いは、冷鉄源１５の供給の際に、溶銑も溶解室２に供給してもよい。溶銑は、供給用取鍋（図示せず）または溶解室２に通じる溶銑樋（図示せず）により溶解室２に供給することができる。
［昇温工程］
本発明の昇温工程では、図２Ｃを参照して、冷鉄源支持機１１を閉じて第１予熱室３ａを溶解室２から遮断した状態で、前の溶解工程で得られた溶鉄１６を所望の温度まで更に昇温させる。昇温工程後に出鋼され、成分調整および鋳造などの電気炉外での次工程まで搬送された溶鉄１６は、該次工程で必要とされる所望の高温状態を保っている必要がある。したがって、昇温工程において、出鋼工程後の電気炉外での次工程への移行の際の温度低下を加味した設計上定められた温度まで溶鉄１６を昇温しておく必要がある。所定の温度まで溶鉄１６を昇温しなければ、出鋼することができない。また、昇温工程では、冷鉄源支持機１１を閉じて第１予熱室３ａを溶解室２から遮断した状態で、第１予熱室３ａに内の次チャージ用の新たな冷鉄源１５を導入する。この昇温工程においては、映像装置３０から得られた、冷鉄源支持機１１を閉じた後の第２予熱室３ｂ内の視覚情報に基づき、溶鉄１６の昇温を開始することが肝要である。例えば、冷鉄源支持機１１を閉じた後の第２予熱室３ｂ内に、溶解室２内に供給されずに残された冷鉄源１５が存在している場合、この状態で昇温を行ってしまうと、昇温中の比較的高温の溶鉄１６の中に、比較的低温の冷鉄源１５が望まずに混入して溶鉄１６の温度を低下させてしまう。これは、電力消費の大きい昇温工程の効率を低下させ、製造コストの増大に繋がる。したがって、第２予熱室３ｂ内の様子を視覚的に確認してから、昇温工程を開始する必要がある。
従来技術では、第２予熱室３ｂの様子を視覚的に確認することができなかったため、昇温のタイミングはオペレーターの経験によってなされていた。しかし、本発明では、昇温効率を妨げる要因が存在しないことを視覚情報で確認してから昇温のタイミングを決定することができるので、昇温効率、ひいては製造効率を格段に向上させることができる。
本発明の昇温工程では、図２Ｃを参照して、冷鉄源支持機１１を閉じて第１予熱室３ａを溶解室２から遮断した状態で、前の溶解工程で得られた溶鉄１６を所望の温度まで更に昇温させる。昇温工程後に出鋼され、成分調整および鋳造などの電気炉外での次工程まで搬送された溶鉄１６は、該次工程で必要とされる所望の高温状態を保っている必要がある。したがって、昇温工程において、出鋼工程後の電気炉外での次工程への移行の際の温度低下を加味した設計上定められた温度まで溶鉄１６を昇温しておく必要がある。所定の温度まで溶鉄１６を昇温しなければ、出鋼することができない。また、昇温工程では、冷鉄源支持機１１を閉じて第１予熱室３ａを溶解室２から遮断した状態で、第１予熱室３ａに内の次チャージ用の新たな冷鉄源１５を導入する。この昇温工程においては、映像装置３０から得られた、冷鉄源支持機１１を閉じた後の第２予熱室３ｂ内の視覚情報に基づき、溶鉄１６の昇温を開始することが肝要である。例えば、冷鉄源支持機１１を閉じた後の第２予熱室３ｂ内に、溶解室２内に供給されずに残された冷鉄源１５が存在している場合、この状態で昇温を行ってしまうと、昇温中の比較的高温の溶鉄１６の中に、比較的低温の冷鉄源１５が望まずに混入して溶鉄１６の温度を低下させてしまう。これは、電力消費の大きい昇温工程の効率を低下させ、製造コストの増大に繋がる。したがって、第２予熱室３ｂ内の様子を視覚的に確認してから、昇温工程を開始する必要がある。
従来技術では、第２予熱室３ｂの様子を視覚的に確認することができなかったため、昇温のタイミングはオペレーターの経験によってなされていた。しかし、本発明では、昇温効率を妨げる要因が存在しないことを視覚情報で確認してから昇温のタイミングを決定することができるので、昇温効率、ひいては製造効率を格段に向上させることができる。
上述の観点から、昇温工程においては、映像装置３０により、冷鉄源支持機１１を閉じた後の第２予熱室３ｂ内に冷鉄源１５が残存していないことを視覚的に確認した後に、溶鉄１６の昇温を開始することが好ましい。映像装置３０により冷鉄源１５が残存していないことを確認できた場合は、そのまま昇温を開始すればよい。
一方、映像装置３０により、冷鉄源支持機１１を閉じた後の第２予熱室３ｂ内に冷鉄源１５が残存していることを確認した場合には、押し出し機１０によってこの残存する冷鉄源１５溶解室２に強制的に供給したうえで、第２予熱室３ｂ内に冷鉄源１５が残存していないことを確認した後に、溶鉄１６の昇温を開始することが好ましい。
このように、第２予熱室３ｂ内に冷鉄源１５が確実に存在しない状態で溶鉄１６の昇温を行うことにより、昇温中の溶鉄１６の温度を低めることなく昇温効率をより高めることができる。
一方、映像装置３０により、冷鉄源支持機１１を閉じた後の第２予熱室３ｂ内に冷鉄源１５が残存していることを確認した場合には、押し出し機１０によってこの残存する冷鉄源１５溶解室２に強制的に供給したうえで、第２予熱室３ｂ内に冷鉄源１５が残存していないことを確認した後に、溶鉄１６の昇温を開始することが好ましい。
このように、第２予熱室３ｂ内に冷鉄源１５が確実に存在しない状態で溶鉄１６の昇温を行うことにより、昇温中の溶鉄１６の温度を低めることなく昇温効率をより高めることができる。
溶解工程と同様に、昇温工程においても、スラグフォーミング状態を安定的に維持して、エネルギー効率を更に向上させることが好ましい。従来技術では、昇温工程中の溶解室２内に予熱室３内から冷鉄源１５がなだれ込んでしまい、スラグフォーミングが沈静化する事態、また、これによりアーク１８が不安定になって昇温効率が低下する事態があった。一方、本実施形態では、昇温工程中の第１予熱室３ａ内の冷鉄源１５は、冷鉄源支持機１１によって溶解室２から物理的に完全に遮断されており、かつ、第２予熱室３ｂ内が昇温を開始するのに適した状態であることを視覚的に確認できるため、昇温工程中の冷鉄源１５のなだれ込みを確実に抑止し、スラグフォーミングおよびアーク１８を安定的に維持すること、ひいては、昇温効率を高めることができる。
ここで、昇温工程では、次チャージ用の冷鉄源１５を第１予熱室３aに供給する。昇温工程では、冷鉄源支持機１１を閉じて第１予熱室３ａを溶解室２から遮断した状態であり、かつ、第２予熱室内の様子を視覚的に確認できるため、例え、現チャージ用の冷鉄源１５が第２予熱室３ｂに残存していても、これと第１予熱室３ａ内の次チャージ用冷鉄源１５とを正確に切り分けることができる。従来技術では、冷鉄源支持機１１を備えない、または、第２予熱室３ｂの様子を視覚的に確認できなかったため、現チャージ用と次チャージ用との冷鉄源１５の切り分けはオペレーターの経験によってなされていた。しかし、本発明では、冷鉄源支持機１１と、映像措置３０と、更には残存する冷鉄源１５を溶解室２に強制的に供給し得る押し出し機１０とを備えているので、現チャージ用の冷鉄源１５を次チャージ用の冷鉄源１５に混入させることなく、正確に分けて扱うことができる。これは、特には、次チャージにおいて現チャージとは異なる成分または特性の溶鉄１６を製造する場面で、非常に有用である。
［予熱工程］
本発明の予熱工程では、第１予熱室３a内の新たな冷鉄源（次チャージ用冷鉄源）１５を、昇温工程からの余熱により予熱する。したがって、予熱工程は、昇温工程とほぼ同時に進行する。予熱は、昇温中に発生した高温の排ガス等の余熱を、例えば電気炉について上述した手法により第１予熱室３ａに流入させて行うことができる。昇温工程では、溶解室２を、例えば１６００℃程度もの高温状態にするため、第１予熱室３ａ内に充填されている次チャージ用の冷鉄源１５を効率的に予熱し、次チャージにおける溶解効率を高めることができる。予熱工程において、第１予熱室３ａに流入する排ガスの温度は１０００～１６００℃程度である。
設定された温度まで溶鉄１６が昇温されたら、次の出鋼工程に移る。
本発明の予熱工程では、第１予熱室３a内の新たな冷鉄源（次チャージ用冷鉄源）１５を、昇温工程からの余熱により予熱する。したがって、予熱工程は、昇温工程とほぼ同時に進行する。予熱は、昇温中に発生した高温の排ガス等の余熱を、例えば電気炉について上述した手法により第１予熱室３ａに流入させて行うことができる。昇温工程では、溶解室２を、例えば１６００℃程度もの高温状態にするため、第１予熱室３ａ内に充填されている次チャージ用の冷鉄源１５を効率的に予熱し、次チャージにおける溶解効率を高めることができる。予熱工程において、第１予熱室３ａに流入する排ガスの温度は１０００～１６００℃程度である。
設定された温度まで溶鉄１６が昇温されたら、次の出鋼工程に移る。
［出鋼工程］
本発明の出鋼工程では、図２Ｄを参照して、冷鉄源支持機１１を閉じた状態で、昇温された溶鉄１６を電気炉１の外部に導出する。このようにして、１チャージ分の溶鉄１６を得ることができる。具体的な出鋼の手法は、電気炉について上述した手法に従えばよい。
また、出鋼工程では、第１予熱室３ａ内の次チャージ用の冷鉄源１５を引き続き予熱することが好ましい。出鋼工程で、第１予熱室３ａ内の次チャージ用の冷鉄源１５を予熱する際も、昇温工程から残存する高温の排ガス等の余熱を、例えば電気炉について上述した手法により第１予熱室３ａに引き続き流入させて行うことができる。第１予熱室３ａに流入する排ガスの温度は１１００～１６００℃程度である。
本発明の出鋼工程では、図２Ｄを参照して、冷鉄源支持機１１を閉じた状態で、昇温された溶鉄１６を電気炉１の外部に導出する。このようにして、１チャージ分の溶鉄１６を得ることができる。具体的な出鋼の手法は、電気炉について上述した手法に従えばよい。
また、出鋼工程では、第１予熱室３ａ内の次チャージ用の冷鉄源１５を引き続き予熱することが好ましい。出鋼工程で、第１予熱室３ａ内の次チャージ用の冷鉄源１５を予熱する際も、昇温工程から残存する高温の排ガス等の余熱を、例えば電気炉について上述した手法により第１予熱室３ａに引き続き流入させて行うことができる。第１予熱室３ａに流入する排ガスの温度は１１００～１６００℃程度である。
［準備工程］
本発明の製造方法が任意に有し得る準備工程では、図２Ａを参照して、出鋼工程の終了後に冷鉄源支持機１１を開けて、上述の昇温工程および場合によっては出鋼工程において予熱された新たな冷鉄源（次チャージ用冷鉄源）１５を第１予熱室３ａから第２予熱室３ｂへと供給する。これにより、次チャージ用の製造準備が整う。そして、次チャージ用の冷鉄源１５に対して、上述した溶解工程、昇温工程、予熱工程および出鋼工程を順に繰り返すことにより、複数チャージ用を連続操業することができる。準備工程で第２予熱室３ｂに供給される冷鉄源１５は、既に十分に予熱されているため、続く溶解工程以降を効率的に行うことができる。
本発明の製造方法が任意に有し得る準備工程では、図２Ａを参照して、出鋼工程の終了後に冷鉄源支持機１１を開けて、上述の昇温工程および場合によっては出鋼工程において予熱された新たな冷鉄源（次チャージ用冷鉄源）１５を第１予熱室３ａから第２予熱室３ｂへと供給する。これにより、次チャージ用の製造準備が整う。そして、次チャージ用の冷鉄源１５に対して、上述した溶解工程、昇温工程、予熱工程および出鋼工程を順に繰り返すことにより、複数チャージ用を連続操業することができる。準備工程で第２予熱室３ｂに供給される冷鉄源１５は、既に十分に予熱されているため、続く溶解工程以降を効率的に行うことができる。
準備工程では、押し出し機１０の溶解室２側先端を第２予熱室３ｂと溶解室２との境界に位置させた状態（図２Ａを参照）で、冷鉄源支持機１１を開けることが好ましい。これにより、次の溶解工程に際して冷鉄源１５が溶解室２へとなだれ込むことを防止し、溶解効率の低下を防ぐこと、電極等の破損を防ぐことができる。
［その他の工程］
その他の工程としては、特に限定されることなく、例えば、生成した溶融スラグ１７を電気炉の外に出す排滓工程が挙げられる。排滓工程は、例えば電気炉について上述した手法に従って行うことができる。
その他の工程としては、特に限定されることなく、例えば、生成した溶融スラグ１７を電気炉の外に出す排滓工程が挙げられる。排滓工程は、例えば電気炉について上述した手法に従って行うことができる。
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明する。なお、以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明を何ら限定するものではない。また、以下の実施例は、本発明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、そのような態様も本発明の技術的範囲に含まれる。
発明例
図１に示す溶解室２と、予熱室３と、冷鉄源支持機１１と、押し出し機１０と、第２予熱室３ｂに設置された映像装置３０とを備えた電気炉において、冷鉄源を溶解して溶鉄を製造した。この電気炉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８ｍ
炉容量：２１０トン
電力：交流５０Ｈｚ
トランス容量：７５ＭＶＡ
電極数：３
図１に示す溶解室２と、予熱室３と、冷鉄源支持機１１と、押し出し機１０と、第２予熱室３ｂに設置された映像装置３０とを備えた電気炉において、冷鉄源を溶解して溶鉄を製造した。この電気炉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８ｍ
炉容量：２１０トン
電力：交流５０Ｈｚ
トランス容量：７５ＭＶＡ
電極数：３
また、電気炉の基本的な操業条件を以下に示す。
冷鉄源の１チャージ当たりの供給量：約１３０トン
冷鉄源の１回当たりの供給量：約１０トン
冷鉄源の１チャージ当たりの供給回数：１３回
１チャージ分の出鋼量：約１２０出鋼トン
酸素吹込みランスでの酸素原単位：約２０Ｎｍ３／出鋼トン
炭材吹込みランスでの炭材原単位：約２０ｋｇ／出鋼トン
造滓材としての石灰原単位：約１８．８ｋｇ／出鋼トン
ただし、「出鋼トン」とは、出鋼された溶鉄の容量（単位：トン）を意味し、「／出鋼トン」とは、出鋼された溶鉄１トン当たりを意味する。
冷鉄源の１チャージ当たりの供給量：約１３０トン
冷鉄源の１回当たりの供給量：約１０トン
冷鉄源の１チャージ当たりの供給回数：１３回
１チャージ分の出鋼量：約１２０出鋼トン
酸素吹込みランスでの酸素原単位：約２０Ｎｍ３／出鋼トン
炭材吹込みランスでの炭材原単位：約２０ｋｇ／出鋼トン
造滓材としての石灰原単位：約１８．８ｋｇ／出鋼トン
ただし、「出鋼トン」とは、出鋼された溶鉄の容量（単位：トン）を意味し、「／出鋼トン」とは、出鋼された溶鉄１トン当たりを意味する。
冷鉄源は、日本鉄源協会の「鉄系スクラップ検収統一規格」に規定されている原料から、以下に示す配合（配合比率の合計：１００％）で使用した。
ヘビー（等級：Ｈ２）、配合比率６０％
新断（等級：バラＡ）、配合比率２０％
シュレッダー（等級：Ａ）、配合比率１０％
故銑（等級：Ａ）、配合比率５％
鋼ダライ粉（等級：Ａ）、配合比率５％
ヘビー（等級：Ｈ２）、配合比率６０％
新断（等級：バラＡ）、配合比率２０％
シュレッダー（等級：Ａ）、配合比率１０％
故銑（等級：Ａ）、配合比率５％
鋼ダライ粉（等級：Ａ）、配合比率５％
同じ成分の溶鉄を２０チャージ分連続で製造するにあたり、まず、溶解室２内および予熱室３内に、冷鉄源１５を２１０トン供給し、溶解室２内および予熱室３内に冷鉄源１５が連続して存在する状態の下に溶解を進行させた。溶解室２内に約２００トンの溶鉄１６が生成した段階で昇温を行った。その後、８０トンを溶解室２内に残し、１チャージ分の１２０トンの溶鉄１６を出湯口１２から炉外の取鍋に出湯した。
上記昇温中に、冷鉄源支持機１１を閉じた状態で、１回分である約１０トン（または、複数回分の容量）の冷鉄源１５を第１予熱室３ａに供給した。このとき、前チャージにおける昇温工程の最中であり、溶解室２からの排ガスを利用して第１予熱室３ａ内の冷鉄源１５を予熱した。続く前チャージにおける出鋼工程においても、溶解室２からの排ガスを利用して第１予熱室３ａ内の冷鉄源１５を引き続き予熱した。
上記昇温中に、冷鉄源支持機１１を閉じた状態で、１回分である約１０トン（または、複数回分の容量）の冷鉄源１５を第１予熱室３ａに供給した。このとき、前チャージにおける昇温工程の最中であり、溶解室２からの排ガスを利用して第１予熱室３ａ内の冷鉄源１５を予熱した。続く前チャージにおける出鋼工程においても、溶解室２からの排ガスを利用して第１予熱室３ａ内の冷鉄源１５を引き続き予熱した。
＜準備工程＞
前チャージにおける出鋼工程終了後に、冷鉄源支持機１１を開けて、予熱された冷鉄源１５を第１予熱室３ａから第２予熱室３ｂへと供給した。このとき、押し出し機１０の溶解室２側先端は第２予熱室３ｂと溶解室２との境界に位置させた。
前チャージにおける出鋼工程終了後に、冷鉄源支持機１１を開けて、予熱された冷鉄源１５を第１予熱室３ａから第２予熱室３ｂへと供給した。このとき、押し出し機１０の溶解室２側先端は第２予熱室３ｂと溶解室２との境界に位置させた。
＜溶解工程＞
冷鉄源支持機１１を開けた状態で、第２予熱室３ｂ内の冷鉄源１５を押し出し機１０によって溶解室２に供給し、電極６（黒鉛電極）によって発生させたアーク１８の熱によって冷鉄源１５を溶解して溶鉄１６とした。酸素吹き込みランス７からは純酸素を３０００～５０００Ｎｍ３／ｈｒで送り、炭材吹き込みランス８からはコークス粉を４０～８０ｋｇ／ｍｉｎで吹き込んだ。コークス粉は、固定炭素分８５質量％以上、水分１．０質量％以下、揮発分１．５質量％以下、平均粒径５ｍｍ以下であった。造滓材として使用した生石灰は、炉蓋５に設けられた副原料投入シュート（図示せず）から供給した。
溶解工程中は映像装置３０で第２予熱室３ｂ内を監視した。溶解室２内での冷鉄源１５の溶解および押し出し機１０による押し出しに伴って予熱室３内に充填された冷鉄源１５が順次降下した際に、供給用バケット１４で搬送された約１０トンの新たな冷鉄源１５を冷鉄源供給口１９から予熱室３内へと補充し、予熱室３内の冷鉄源１５の充填高さを一定範囲に保持した。この作業を計１３回分繰り返すことにより、溶解室２および予熱室３内に冷鉄源１５が連続して存在する状態で溶解を進行させ、１チャージ分である合計約１３０トンの冷鉄源１５を溶解室２内で溶解した。
実際には、前チャージで溶解室２内に残存させていた８０トンの溶鉄１６を含み、溶解室２には約２００トンの溶鉄１６が溜まった。チャージ前後で得られる溶鉄の成分等を変更させたい場合には、前チャージ分の溶鉄１６を溶解室２に残すことなく、次チャージの溶解を行えばよい。
冷鉄源支持機１１を開けた状態で、第２予熱室３ｂ内の冷鉄源１５を押し出し機１０によって溶解室２に供給し、電極６（黒鉛電極）によって発生させたアーク１８の熱によって冷鉄源１５を溶解して溶鉄１６とした。酸素吹き込みランス７からは純酸素を３０００～５０００Ｎｍ３／ｈｒで送り、炭材吹き込みランス８からはコークス粉を４０～８０ｋｇ／ｍｉｎで吹き込んだ。コークス粉は、固定炭素分８５質量％以上、水分１．０質量％以下、揮発分１．５質量％以下、平均粒径５ｍｍ以下であった。造滓材として使用した生石灰は、炉蓋５に設けられた副原料投入シュート（図示せず）から供給した。
溶解工程中は映像装置３０で第２予熱室３ｂ内を監視した。溶解室２内での冷鉄源１５の溶解および押し出し機１０による押し出しに伴って予熱室３内に充填された冷鉄源１５が順次降下した際に、供給用バケット１４で搬送された約１０トンの新たな冷鉄源１５を冷鉄源供給口１９から予熱室３内へと補充し、予熱室３内の冷鉄源１５の充填高さを一定範囲に保持した。この作業を計１３回分繰り返すことにより、溶解室２および予熱室３内に冷鉄源１５が連続して存在する状態で溶解を進行させ、１チャージ分である合計約１３０トンの冷鉄源１５を溶解室２内で溶解した。
実際には、前チャージで溶解室２内に残存させていた８０トンの溶鉄１６を含み、溶解室２には約２００トンの溶鉄１６が溜まった。チャージ前後で得られる溶鉄の成分等を変更させたい場合には、前チャージ分の溶鉄１６を溶解室２に残すことなく、次チャージの溶解を行えばよい。
＜昇温工程＞
約２００トンの溶鉄１６が溶解室２内に溜まった段階で、冷鉄源支持機１１を閉じ、映像装置３０によって第２予熱室３ｂの様子を確認した。映像装置３０から得られた視覚情報の結果、第２予熱室３ｂに冷鉄源１５が残存している様子が確認された。したがって、直ちに昇温を開始することなく、残存した冷鉄源１５が溶解室２に供給されて第２予熱室３ｂ内に確認されなくなるまで押し出し機１０を繰り返し進退させた。そして、第２予熱室３ｂに冷鉄源１５が存在しないことを確認したうえで、昇温を開始した。昇温から約３～４分後に測温用プローブを溶鉄１６中に挿入し、溶鉄温度を測定した。このとき、溶鉄温度が設計上の昇温温度である１６００℃に達していれば、出鋼工程へ移行した。また、昇温温度に達していなければ、更に約１分間昇温後、溶鉄温度を再び測定し、出鋼可否を繰り返し行った。
また、上記昇温工程中に、冷鉄源支持機１１を閉じた状態で、次チャージの１回分である約１０トンの冷鉄源１５を第１予熱室３ａに供給した。
約２００トンの溶鉄１６が溶解室２内に溜まった段階で、冷鉄源支持機１１を閉じ、映像装置３０によって第２予熱室３ｂの様子を確認した。映像装置３０から得られた視覚情報の結果、第２予熱室３ｂに冷鉄源１５が残存している様子が確認された。したがって、直ちに昇温を開始することなく、残存した冷鉄源１５が溶解室２に供給されて第２予熱室３ｂ内に確認されなくなるまで押し出し機１０を繰り返し進退させた。そして、第２予熱室３ｂに冷鉄源１５が存在しないことを確認したうえで、昇温を開始した。昇温から約３～４分後に測温用プローブを溶鉄１６中に挿入し、溶鉄温度を測定した。このとき、溶鉄温度が設計上の昇温温度である１６００℃に達していれば、出鋼工程へ移行した。また、昇温温度に達していなければ、更に約１分間昇温後、溶鉄温度を再び測定し、出鋼可否を繰り返し行った。
また、上記昇温工程中に、冷鉄源支持機１１を閉じた状態で、次チャージの１回分である約１０トンの冷鉄源１５を第１予熱室３ａに供給した。
＜予熱工程＞
第１予熱室３ａに供給された次チャージ用冷鉄源１５は、昇温工程と同時進行で、昇温による溶解室２からの予熱（排ガス）を利用して予熱した。
第１予熱室３ａに供給された次チャージ用冷鉄源１５は、昇温工程と同時進行で、昇温による溶解室２からの予熱（排ガス）を利用して予熱した。
＜出鋼工程＞
昇温後、約２００トンのうち８０トンの溶鉄１６を溶解室２内に残し、１チャージ分に相当する１２０トンの溶鉄１６を出湯口１２から炉外の取鍋に出鋼した。出鋼工程中も、溶解室２からの排ガスを利用して第１予熱室３ａ内の冷鉄源１５を引き続き予熱した。出鋼時の溶鉄１６の温度は約１６００℃であった。溶鉄中の炭素濃度は０．０６０質量％を目標として操業した。出鋼工程後も酸素およびコークスの吹込みを行いながら溶鉄１６の状態を維持し、再度、上述の＜準備工程＞以降を計２０チャージ繰り返した。
昇温後、約２００トンのうち８０トンの溶鉄１６を溶解室２内に残し、１チャージ分に相当する１２０トンの溶鉄１６を出湯口１２から炉外の取鍋に出鋼した。出鋼工程中も、溶解室２からの排ガスを利用して第１予熱室３ａ内の冷鉄源１５を引き続き予熱した。出鋼時の溶鉄１６の温度は約１６００℃であった。溶鉄中の炭素濃度は０．０６０質量％を目標として操業した。出鋼工程後も酸素およびコークスの吹込みを行いながら溶鉄１６の状態を維持し、再度、上述の＜準備工程＞以降を計２０チャージ繰り返した。
比較例１
昇温工程において、冷鉄源支持機１１および映像装置３０を使用せず（つまり、全工程にわたって冷鉄源支持機１１を開けたまま、かつ、炉内の様子を視覚的に確認することなく）、オペレーターの経験上の判断で押し出し機１０を操作し、昇温を行った。それ以外は発明例と同様にして２０チャージ繰り返した。
昇温工程において、冷鉄源支持機１１および映像装置３０を使用せず（つまり、全工程にわたって冷鉄源支持機１１を開けたまま、かつ、炉内の様子を視覚的に確認することなく）、オペレーターの経験上の判断で押し出し機１０を操作し、昇温を行った。それ以外は発明例と同様にして２０チャージ繰り返した。
比較例２
昇温工程において、映像装置３０を使用せず（つまり、炉内の様子を視覚的に確認することなく）、オペレーターの経験上の判断で冷鉄源支持機１１および押し出し機１０を操作し、昇温を行った。それ以外は発明例と同様にして２０チャージ繰り返した。
昇温工程において、映像装置３０を使用せず（つまり、炉内の様子を視覚的に確認することなく）、オペレーターの経験上の判断で冷鉄源支持機１１および押し出し機１０を操作し、昇温を行った。それ以外は発明例と同様にして２０チャージ繰り返した。
発明例および比較例について、２０チャージにおける各工程に要した平均時間（分）、製造工程全体に要した平均の電力原単位（ｋＷｈ／ｔ）、昇温工程における冷鉄源の溶鉄への混入頻度（回／チャージ）、操業中の電気炉における平均の騒音レベル（ｄＢ）、溶鉄中の平均炭素濃度（質量％）を評価した。結果を表１に示す。
ここで、平均電力原単位は、２０チャージ分の出鋼された溶鉄の容量１トン当たりに対する電力使用量として算出した。
また、冷鉄源の混入頻度は、冷鉄源が崩落する際に発生する大きな音を耳で確認した回数をチャージ数で除することにより算出した。
また、電気炉の騒音レベルは、電気炉から５ｍ離れた位置にデシベル計を設置して計測した。電気炉の騒音レベルは、スラグフォーミングの良否を判定する指標であり、騒音レベルが低いほど、アークが安定していることを示す。計測は溶解工程および昇温工程中に行い、その平均値を算出した。
そして、溶鉄中の炭素濃度は、上記測温用プローブと一緒に、炭素濃度測定用プローブを溶鉄中に挿入して測定し、全チャージの平均値を算出した。
また、冷鉄源の混入頻度は、冷鉄源が崩落する際に発生する大きな音を耳で確認した回数をチャージ数で除することにより算出した。
また、電気炉の騒音レベルは、電気炉から５ｍ離れた位置にデシベル計を設置して計測した。電気炉の騒音レベルは、スラグフォーミングの良否を判定する指標であり、騒音レベルが低いほど、アークが安定していることを示す。計測は溶解工程および昇温工程中に行い、その平均値を算出した。
そして、溶鉄中の炭素濃度は、上記測温用プローブと一緒に、炭素濃度測定用プローブを溶鉄中に挿入して測定し、全チャージの平均値を算出した。
表１からわかるとおり、比較例１および２と比較して発明例では、溶解工程および昇温工程に要する時間を大幅に短縮することができ、全製造工程に要する時間の短縮および電力原単位の低減につながった。電力原単位は、比較例１では３８５ｋＷｈ／ｔ、比較例２では３８０ｋＷｈ／ｔであったのに対し、発明例では３６５ｋＷｈ／ｔにまで省電力で操業できた（ここで、ｔとは出鋼された溶鉄の容量であるトンを意味する）。
発明例におけるこの電力原単位の低減は、映像装置の利用により、冷鉄源支持機を適切に制御して昇温工程中の冷鉄源の崩落・なだれ込みを確実に抑止し、昇温中の溶鉄への冷鉄源の意図しない混入を完全に抑止できたこと、これにより昇温工程を大きく短縮できたことに主に起因する。また、発明例では、騒音レベルも低下していることから、スラグフォーミングが良好に安定し、溶解効率が向上したことにも起因したものと推察される。更には、溶解工程において、第１予熱室３ａの側壁に設置された追加の映像装置の利用により、予熱室３内の冷鉄源の充填高さを確認し、適時、一定範囲内に保つことができたため、排ガスによる冷鉄源の着熱効率も高まり、溶解効率も高まったことにも起因したものと推察される。
そして、溶鉄中の炭素濃度は、目標である０．０６０質量％に対して、比較例１では０．０５５質量％、比較例２では０．０５７質量％であったのに対し、発明例では０．０５９質量％と比較例よりも近い値であり、溶鉄中の炭素濃度をより容易かつ正確に制御可能となった。なお、比較例において炭素濃度が低下したのは、冷鉄源１５が昇温中の溶鉄１６の中に混入して昇温効率が低下したことに起因したものと推察される。
発明例におけるこの電力原単位の低減は、映像装置の利用により、冷鉄源支持機を適切に制御して昇温工程中の冷鉄源の崩落・なだれ込みを確実に抑止し、昇温中の溶鉄への冷鉄源の意図しない混入を完全に抑止できたこと、これにより昇温工程を大きく短縮できたことに主に起因する。また、発明例では、騒音レベルも低下していることから、スラグフォーミングが良好に安定し、溶解効率が向上したことにも起因したものと推察される。更には、溶解工程において、第１予熱室３ａの側壁に設置された追加の映像装置の利用により、予熱室３内の冷鉄源の充填高さを確認し、適時、一定範囲内に保つことができたため、排ガスによる冷鉄源の着熱効率も高まり、溶解効率も高まったことにも起因したものと推察される。
そして、溶鉄中の炭素濃度は、目標である０．０６０質量％に対して、比較例１では０．０５５質量％、比較例２では０．０５７質量％であったのに対し、発明例では０．０５９質量％と比較例よりも近い値であり、溶鉄中の炭素濃度をより容易かつ正確に制御可能となった。なお、比較例において炭素濃度が低下したのは、冷鉄源１５が昇温中の溶鉄１６の中に混入して昇温効率が低下したことに起因したものと推察される。
本発明によれば、溶鉄の昇温効率を向上させ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きる。
１ 電気炉
２ 溶解室
３ 予熱室
３ａ 第１予熱室
３ｂ 第２予熱室
４ 炉壁
５ 炉蓋
６ 電極
７ 酸素吹き込みランス
８ 炭材吹き込みランス
９ バーナー
１０ 押し出し機（プッシャー）
１１ 冷鉄源支持機（フィンガー）
１２ 出湯口
１３ 出滓口
１４ 供給用バケット
１５ 冷鉄源
１６ 溶鉄
１７ 溶融スラグ
１８ アーク
１９ 冷鉄源供給口
２０ ダクト
２１ 出湯用扉
２２ 出滓用扉
２３ 走行台車
３０ 映像装置
２ 溶解室
３ 予熱室
３ａ 第１予熱室
３ｂ 第２予熱室
４ 炉壁
５ 炉蓋
６ 電極
７ 酸素吹き込みランス
８ 炭材吹き込みランス
９ バーナー
１０ 押し出し機（プッシャー）
１１ 冷鉄源支持機（フィンガー）
１２ 出湯口
１３ 出滓口
１４ 供給用バケット
１５ 冷鉄源
１６ 溶鉄
１７ 溶融スラグ
１８ アーク
１９ 冷鉄源供給口
２０ ダクト
２１ 出湯用扉
２２ 出滓用扉
２３ 走行台車
３０ 映像装置
Claims (6)
- 冷鉄源を予熱する予熱室と該予熱された冷鉄源を溶解して溶鉄とする溶解室とを備える電気炉を用いる、溶鉄の製造方法であって、
前記電気炉は、前記冷鉄源の導入側の第１予熱室および前記溶解室側の第２予熱室に前記予熱室を区画して開閉可能な冷鉄源支持機と、前記第２予熱室から前記溶解室側へ進退可能な押し出し機と、前記第２予熱室内を観察可能な映像装置と、を更に備え、
前記冷鉄源支持機を開けた状態にて、前記予熱室に供給されて予熱された冷鉄源を前記押し出し機によって前記溶解室に供給し、前記溶解室に供給された冷鉄源をアーク熱によって溶解して溶鉄を得る溶解工程と、
前記冷鉄源支持機を閉じて前記第１予熱室に新たな冷鉄源を導入するとともに、前記溶解室内の前記溶鉄を昇温させる溶鉄の昇温工程と、
前記第１予熱室内の前記新たな冷鉄源を、前記昇温工程の余熱により予熱する予熱工程と、
前記昇温された溶鉄を前記電気炉の外部に導出する出鋼工程と、を有し、
前記昇温工程において、前記映像装置から得られた、前記冷鉄源支持機を閉じた後の前記第２予熱室内の視覚情報に基づき、前記溶鉄の昇温を開始する、溶鉄の製造方法。 - さらに、前記出鋼工程の終了後に、前記冷鉄源支持機を開けて前記予熱された新たな冷鉄源を前記第１予熱室から前記第２予熱室へと供給する準備工程を有し、
前記準備工程の後に、前記溶解工程、昇温工程、予熱工程および出鋼工程を順に行う、請求項１に記載の溶鉄の製造方法。 - 前記準備工程において、前記押し出し機の前記溶解室側先端を前記第２予熱室と前記溶解室との境界に位置させた状態で、前記冷鉄源支持機を開ける、請求項２に記載の溶鉄の製造方法。
- 前記昇温工程において、前記映像装置により、前記冷鉄源支持機を閉じた後の前記第２予熱室内に前記冷鉄源が残存していないことを確認した後に、前記溶鉄の昇温を開始する、請求項１～３のいずれか一項に記載の溶鉄の製造方法。
- 前記昇温工程において、前記映像装置により、前記冷鉄源支持機を閉じた後の前記第２予熱室内に前記冷鉄源が残存していることを確認した場合に、
前記押し出し機によって前記残存する冷鉄源を前記溶解室に供給し、前記第２予熱室内に前記冷鉄源が残存していないことを確認した後に、前記溶鉄の昇温を開始する、請求項１～３のいずれか一項に記載の溶鉄の製造方法。 - 前記溶解工程において、前記映像装置により、所定量の前記冷鉄源が前記溶解室へ供給されたことを確認した後に、前記昇温工程を行う、請求項１～５のいずれか一項に記載の溶鉄の製造方法。
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