(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳物用鉄を製造する方法であって、
くず鉄またはくず鋼を含む鉄供給源と、シリカと、ウッドチップ、炭、木炭、石炭、石油コークス、歴青コークスおよびこれらの混合物からなる群から選択される炭素質還元剤とを予め混合して装入材とする工程、ここで、前記鉄供給源は少なくとも５０重量％のくず鉄またはくず鋼を含み、前記鉄供給源を融解するための深さまで電極が装入材に貫入することを可能にする電気伝導度を装入材に与えるために必要な量の前記炭素質還元剤を混合し、
前記装入材をサブマージドアーク炉の電極の周囲に供給する工程、
電気エネルギーを前記電極に供給して、電極間に電気アークを生成する工程、
くず鉄またはくず鋼、シリカおよび炭素質還元剤を、炉の中で電極間のアークによって加熱して、くず鉄またはくず鋼を融解させる工程を含んで、
ケイ素含有量が０．０５重量％〜９．５重量％及び炭素含有量が少なくとも０．０１重量％の鋳物用鉄を製造する方法。
【請求項２】
装入材を連続的に供給し、前記炉から融解した鋳物用鉄を連続的に取り出す請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
くず鉄またはくず鋼を融解させ、炭素含有量が０．０１〜４．５重量％の鋳物用鉄を製造する請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】
くず鉄またはくず鋼を融解させ、スラグのない鋳物用鉄を製造する請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項５】
鉄供給源は少なくとも９０重量％のくず鉄またはくず鋼を含む請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項６】
装入材は、装入材の全重量を基準として０．０１〜２０重量％のシリカを含む請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項７】
装入材は、装入材中の鉄の重量を基準として少なくとも５．０重量％の前記炭素質還元剤を含む請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項８】
装入材としてコークスを用いない請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項９】
前記サブマージドアーク炉は、それぞれ一つの下端部を有し、間隔を開けて設けた少なくとも二本の電極を有し、
融解金属浴の上方に隔離された状態で前記電極の前記端部を前記装入材の中に浸漬させて、前記浴の上方でアークゾーンを生成する請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記電極の前記端部を前記装入材の中に少なくとも２フィート浸漬させる請求の範囲第９項に記載の方法。
【請求項１１】
前記電極端部を融解金属浴から１フィート隔離して、前記装入材の中に前記電極を浸漬させる請求の範囲第９項に記載の方法。
【請求項１２】
前記炉は少なくとも一本の電極を有し、１００ボルトの電位を少なくとも一本の電極に通電する請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１３】
シリカを炭素質還元剤の存在下において製錬してケイ素を生成させ、
ケイ素含有量が０．０５〜９．５重量％である鋳物用鉄を製造する請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記サブマージドアーク炉はプラズマサブマージドアーク炉である請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１５】
くず鉄またはくず鋼を融解して、炭素含有量が２〜４重量％の前記鋳物用鉄を製造する請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１６】
くず鉄またはくず鋼を融解して、ケイ素含有量が０．５〜４．０重量％の前記鋳物用鉄を製造する請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１７】
鉄供給源を前記炉の中において華氏２，１００度と華氏３，２００度との間の温度において融解させる請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１８】
鋳物用鉄を連続的に製造する方法であって、
くず鉄またはくず鋼、シリカ及び木炭、ウッドチップ、石炭、コークスおよびこれらの混合物からなる群より選択される炭素質還元剤を予め混合して装入材とし、ここで、前記くず鉄またはくず鋼を融解するための深さまで電極が装入材に貫入することを可能にする電気伝導度を装入材に与えるために必要な量の前記炭素質還元剤を混合し、
前記装入材をサブマージドアーク炉の電極の周囲に連続的に供給し、
電気エネルギーを電極に供給して、電極間に電気アークを生成し、および炉の中で電極間の電気アークによって炭素質還元剤の存在下においてくず鉄またはくず鋼を融解させると同時にシリカを製錬してケイ素を生成させ、かつスラグを伴うことなく、ケイ素含有量が０．０５重量％〜９．５重量％及び炭素含有量が０．０１〜４．５重量％の鋳物用鉄を製造する方法。
【請求項１９】
くず鉄またはくず鋼の粒径が６０ｃｍ以下である請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２０】
くず鉄またはくず鋼の粒径が０．５ｃｍ以下である請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２１】
前記装入材は鉄鉱石およびフェロシリコンを含まない請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２２】
前記装入材は前記装入材中の鉄の重量を基準として少なくとも５．０重量部％のウッドチップを含有する請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２３】
鋳物用鉄のケイ素含有量は、０．２５〜３．０重量％である請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２４】
鋳物用鉄のケイ素含有量は２．０重量％である、請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２５】
前記装入材はコークスの不在下で前記炉の中に供給される請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２６】
くず鉄またはくず鋼は少なくとも９８重量％の鉄を含有する請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２７】
炉を華氏２，１００度と華氏３，２００度との間の浴温度において操作運転する請求の範囲第１８項に記載の方法。
【請求項２８】
前記装入材をＤＣサブマージドアーク炉の中において加熱する請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項２９】
鋳物用鉄を連続的に製造する方法であって、
くず鉄またはくず鋼、シリカおよび木炭、ウッドチップ、石炭、コークスおよびこれらの混合物からなる群より選択される炭素質還元剤を予め混合して装入材とし、ここで、前記くず鉄またはくず鋼を融解するための深さまで電極が装入材に貫入することを可能にする電気伝導度を装入材に与えるために必要な量の前記炭素質還元剤を混合し、
前記装入材をＤＣサブマージドアーク炉の少なくとも一本の電極の周囲に連続的に供給して、装入材ベッドを形成し、
電気エネルギーを電極に供給して、電気アークを生成し、
電気アークによって前記炭素質還元剤の存在下において、前記くず鉄またはくず鋼を融解させると同時に前記シリカを製錬して、ケイ素を生成させ、かつスラグを伴うことなくケイ素含有量が０．０５重量％〜９．５重量％及び炭素含有量が０．０１重量％〜４．５重量％の鋳物用鉄を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、くず鉄および／またはくず鋼から鋳物用鉄を製造する方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、主要鉄供給源としてくず鉄またはくず鋼を用いてサブマージドアーク炉(submerged arc furnace)において鋳物用鉄を製造する方法に関する。
発明の背景
鋳物用鉄は鋳造や製鋼に使用されるのであるが、製鉄産業においては多数の異なるプロセスによって製造されている。用いられるプロセスは、典型的には鋳物用鉄の供給材料や用途によって異なる。
鋳物用鉄を製造するプロセスの１つは、標準型であるキュポラ型式炉を利用するものである。例えば、送風によるコークス燃焼を動力源とする炉の縦軸内にくず鉄，くず鋼や銑鉄等の種々の鉄原料を送りこむものである。炉に加えた装入原料は、例えば、鉄の中のケイ素含量を増加させるフェロシリコンなどの多数の添加物と、硫黄などの不純物を除去するための石灰などのスラグ形成性物質とを含有している。このプロセスにより製造された鉄は、典型的には、約１〜３％のケイ素および約２〜４％の炭素を含有している。
キュポラ型式炉は完全ケイ素酸化炉である。その結果、利用可能なケイ素の３０％が酸化によって失われ、スラグ中に排出されることになるという不利な点がある。典型的には、利用可能なケイ素の約７０％しか鉄と結合しないのである。ケイ素は、鋳物用鉄の必須元素の一つであって、典型的にはフェロシリコンの形状で添加される。その理由は、ケイ素が鉄と容易に結合するからである。フェロシリコンは、ケイ素源としては高価な材料であり、酸化によるケイ素逸失によって製造原価が大幅に増加する可能性がある。
キュポラ型式炉はエネルギー効率が高く、また資本投下額が比較的少ないため多くのプロセスにおいて望ましい。また、キュポラ型式炉は、単一装置から大規模製造用に容易にスケールアップすることが可能であり、連続式原料装入／出湯プロセスとして操業することが可能である。炭素は容易に鉄と結合し、しかも溶融・融解した鉄や鋼の湯滴が高温のコークス上を通過する際に炭素を溶解するので、当然のことながら炭素はキュポラ内で捕集される。
鋳物用鉄を製造する工業的可能性は、使用するプロセスの効率と装入する原料のコストとにより異なる。くず鉄やくず鉄のコストは、鉄含有量，含まれる合金成分の内の望ましい成分と望ましくない成分との量，粒径等のいくつかの要因に依存する。例えば、ボーリング・孔開け屑や丸削り屑などの極めて微細な軽量のくず鉄やくず鋼のコストは、重いスクラップよりも遥かに低いので、可能な限り軽量スクラップを使用することが好ましい。軽量スクラップをキュポラに使用するには、凝塊形成、即ちブリケット成型が必要である。その理由は、キュポラから大量のガスが排出されるため、凝塊形成していなければ装入材が受容できない程大量の軽量スクラップが炉から排除されるからである。極めて微細なまたは軽量のスクラップは、バグハウスまたはスクラバーで捕集されるが、鉄の回収率は低く、従って操業コストが高くなる。
また、従来から鋳物用鉄は工業的に電気誘導炉を用いて製造されている。このような電気誘導炉では、装入原料として、鉄スクラップ，鋼スクラップや銑鉄を用いることができ、このような装入原料を炉内に導入し溶解する。次いで、鉄を被覆するために、ケイ素，炭素やスラグ材料を含む添加物を導入する。鉄装入材は、装入原料を囲繞するコイル内に交流電気を流すことによって生じた渦電流で加熱される。ケイ素はフェロシリコンとして添加され、炭素は低硫黄含量のグラファイト材料の形状で添加される。生じた鉄のケイ素含有量は１〜３％であり、また、生じた鉄の炭素含有量は２〜４％である。
電気誘導炉は、バッチプロセスにのみ限定されており、各個別の装置は典型的には１時間当たり２０トン以下の鉄しか製造しない。さらに、バッチプロセスであるという非効率さのため、電気エネルギーはかなり高価になる。その他の欠点としては、耐火材のコストが高いこと、投下資本が高いこと、人件費が高いこと、フェロシリコンと炭化添加材とのコストが高いこと、スケールアップ性能に限界があることなどがある。
鋳物用鉄を製造する別のプロセスは、サブマージドアーク電気炉内で鉄鉱石を製錬するものである。サブマージドアーク炉は、鉄鉱石を直接そのまま製錬し、かつ電気アークの熱を利用するとともに、例えば、コークスや石炭などの炭素質の還元剤による金属酸化物の炭素発熱化学還元を行うことによって、鉄の炭素含有量とケイ素含有量とを望ましいレベルにできるという利点を有する。電極は、装入材や熔融・融解鉄の上面に形成されるスラグ層の中に浸漬されている。このような配列構成によって、アークと装入材との間における熱伝達を効率的にできるのである。
しかし、サブマージドアーク炉内での加熱は、その本質から、電極の加熱を引き起こす可能性がある電極内の過剰電流を回避しつつ電極を同時に装入材内に深く浸漬できるように、装入材の電気伝導度を制御する必要がある。
鉄鉱石は電気伝導度が低く、サブマージドアーク炉内での製錬に適している。従来のサブマージドアーク炉による鋳物用鉄の製造は、鉄の主要原料として微粒子状，塊状またはペレット状の鉄鉱石の使用に限定されてきた。鉄鉱石を製錬するためにサブマージドアーク炉を使用する一例が、ワイナート(Weinert)のアメリカ特許第４，６１３，３６３号に開示されている。サブマージドアーク炉を用いた従来公知の鉄製造プロセスの持つ一つの欠点は、鉱石の炭素発熱還元を行って鉄を製造する場合、大量の電気エネルギーが必要であり、製造コストが増加する点にある。一方、更に広範囲に使用されている鋳物用鉄の製造プロセス（キュポラや誘導炉）は、例えば、重量タイプの鉄または鋼スクラップなどの比較的高価な出発材料、および相対的に高価なケイ素源であるケイ素カーバイドまたはフェロシリコンなど事前に還元処理したケイ素供給源が必要である。これらすべての特徴は、鋳物用鉄の従来のプロセスに制限される。従って、製鉄産業には、経済的でかつ効率的な鋳物用鉄の製造プロセスに対する要請が絶えずある。
発明の概要
従って、本発明の一つの目的は、容易に入手可能であり、かつ安価な供給材料を使用した、鋳物用鉄を製造する効率的でかつ経済的なプロセスを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、鋳物用鉄を製造するための主要鉄供給源としてくず鉄またはくず鋼を使用するプロセスを提供することである。
本発明の別の目的は、サブマージドアーク炉で鋳物用鉄を製造するプロセスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、サブマージドアーク炉でくず鉄またはくず鋼を製錬するプロセスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、シリカと熔融・融解したくず鉄またはくず鋼を同時に製錬して、鋳物用鉄を製造するプロセスを提供することである。
本発明の別の目的は、実質的にスラグを一切生成することなく鋳物用鉄を製造するプロセスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、サブマージドアーク炉でくず鉄またはくず鋼を融解し、かつ鉄のケイ素含有量と炭素含有量とを増大させて鋳物用鉄を製造するプロセスを提供することである。
本発明のこれらの目的およびその他の目的は、基本的には、くず鉄またはくず鋼を含む鉄供給源と、ケイ素供給源と、炭素質還元剤との混合物を有する装入材をサブマージドアーク炉の電極の周囲に供給し、電気エネルギーを電極に供給して電極の間に電気アークを発生させる。そして、電極間に発生したアークによってくず鉄またはくず鋼，ケイ素供給源，炭素質還元剤を加熱し、くず鉄またはくず鋼を製錬して鋳物用鉄を製造するプロセスによって達成される。
本発明のプロセスは、サブマージドアーク炉内において、安価なくず鉄またはくず鋼を利用し、同時に炭素含有量およびケイ素含有量を制御して実質的にスラグ形成させることなく鋳物用鉄を製造することが可能である。ケイ素供給源は、炭素質還元剤の存在下においてケイ素に還元されることによって鋳物用鉄のケイ素含有量を増加、および修正する。炭素質還元剤は、鉄または鋼の中に溶解している炭素を発生させる。
本発明の他の目的、利点や傑出した特徴や、以下の詳細な説明−添付した図面と組合せて本発明の好ましい実施態様を開示するものである−から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
本発明の一部を構成する図面について述べる。
第１図は本発明の一つの好ましい実施に従ってプロセスにおいて使用されるサブマージドアーク炉の一部断面側面図である。
発明の詳細な説明
本発明のプロセスは基本的には、主な鉄供給源となるくず鉄またはくず鋼と、ケイ素供給源と、鉄の炭素供給源および還元剤の２つの機能を有する炭素質材料とを、サブマージドアーク炉内に供給して鋳物用鉄を製造することを含む。本発明の好ましい実施例においては、シリカまたはシリカ供給源は、主要なケイ素供給源である。炉内において電気アークによって生成した熱が、炭素質還元剤によってシリカをケイ素に還元させる。そして、このケイ素が、還元剤から生じた炭素とともに鉄に吸収されるのである。好ましい実施態様においては、このプロセスは、鉄供給源を融解させると同時に炭素質還元剤の存在下においてシリカ供給源を製錬する連続プロセスとして実施される。
本明細書において使用されるように、鋳物用鉄は、約０．０５重量％のケイ素と少なくとも約０．０１重量％の炭素とを有する本方法によって得られる鉄製品を定義するために使用される。
鋳物用鉄の等級としては、例えば、銑鉄，ねずみ銑，延伸可能鉄，可鍛鉄や鋳鉄等を含む種々の鉄組成物が挙げられる。本発明によって製造されるこのような鋳物用鉄は、加工することなく、鉄の用途に依存してそのまま所望の製品を製造するために使用される。さらに別の実施態様においては、得られた鋳物用鉄は、更に加工処理され、例えば、鋼を製造する目的のため鉄の本質・性質を変性・修飾することができる。
本発明のいくつかの実施態様において、得られた鋳物用鉄は、約０．５％〜９．５％のケイ素および約０．０１％〜４．５％の炭素、鉄や少量の不純物、例えば、硫黄，リン，マンガン，アルミニウム，クロム，チタンおよびその他の金属類を含む。本明細書において使用するように、百分率は、別段の定めのない限り重量に基づくものである。本発明のいくつかの実施態様において、好ましくは、鋳物用鉄は約０．０５〜９．５％のケイ素、より好ましくは、約０．５〜４．０％のケイ素、および約２．０〜４．０％の炭素とを含んでなる。典型的には、鋳物用鉄は、３．０％以下のケイ素と約２．０〜４．０％の炭素と約１．０％以下の硫黄，リン，アルミニウム，マンガン，クロムやその他の不純物とを含有している。好ましくは、鋳物用鉄は０．１０重量％またはそれ以下の硫黄を含有する。いくつかの実施態様においては、鋳物用鉄は、約０．２５〜３．０重量％のケイ素を含有する。さらに別の実施態様においては、鋳物用鉄は約２．０重量％のケイ素を含有する。
第１図では、本発明のプロセスを実施するための適当なサブマージドアーク炉が示されている。サブマージドアーク炉１０は、底部ライニング即ち炉床壁１２と側壁１４と天井部，頭頂壁封包体１６とを含み、融解および製錬ゾーン１８を形成する。そして、ダスト，ヒュームおよびガスを捕集システムで捕集し除去する。装入材，供給材料をコンベヤー即ち供給補給路２６によって炉１０内に供給するため、供給開口部２０は天井部１６内に設けられている。別の供給システムにおいては、当該技術分野において公知であるように、機械的ホッパー装入スキームを用いて既存の装入材の頭部に供給材料を直接落下堆積することによって装入材は導入されるのである。一つまたはそれ以上の湯出し出口２２が側壁１４の内部に封入されて、熔融金属２８を融解ゾーン１８から引き出す。スラグ出し口２４も、側壁１４の内部に封入されて、スラグ３０を熔融ゾーン１８から引き出すようにしてもよい。水の薄膜（図示せず）によって炉１０のシェル３４を冷却することができる。側壁天井フランジのすぐ下方に噴霧リングを取り付けることが可能であり、それによって側壁１４の底部に設けた溝の中で水を捕集するのである。本発明のいくつかの実施態様においては、天井部即ち頭頂壁は、その縦次元において分断して装入材料を炉のいかなる部位にも供給するようにできる。
三つの交流電極３６は、天井部１６を貫通して伸展して、融解ゾーン１８の中にまで達している。これらの電極は普通は三角形状に配置される。第１図の実施態様においては、二つの電極が示されており、第三番目の電極は図示した電極の背後に位置している。電極３６は独立して制御可能であり選択的に炉内部においてそれらの垂直位置を調節するとともに、また過電流を防止することができる。これらの電極３６は当該技術分野において公知であるように、アークの長さを変えるために、上方に挙げたり、または下方に下げたりすることができる。この炉は、典型的には３０〜３００ボルトの可変選択可能な電圧で駆動される三相交流炉であり、最大電流は約１００，０００Ａ／相である。これらの電流は例えば、当該技術分野で公知であるグラファイト電極，前焼きつけカーボン電極，ドーダバーグ，または自己焼きつけ炭素電極である。これらの電極は、好ましくは当該技術分野で公知である種々の形状をした炭素電極である。
排気ダクト３２は、炉の上部に位置する天井部１６を貫通して伸展して、燃焼ガス，ダストやフューム等、本プロセスの融解および製錬工程で排出される排気ガス類を捕集する。このような排気ガス類はバッグハウスに導かれて、大気に排出される前に清浄化される。バッグハウスに捕集された固形物類は、常法によって循環され、処理されるかまたは廃棄される。
適当なサブマージドアーク炉の一例は、ノルウェーのオスロのエルケムテクノロジー(Elkem Technology)社によって製作されている。また別の実施態様においては、サブマージドアーク炉は、単一電極を装入原料中に浸漬・埋没させ、かつ当該技術分野で公知である適当な帰り電極を有する直流（ＤＣ）アーク炉プラズマサブマージド炉または少なくとも二つの電極を有する交流サブマージドアーク炉であってもよい。
このようなサブマージドアーク炉では、炉内へ装入材を連続的に送り込み、かつ炉の下部領域から熔融金属の連続取り出しを可能にすることによって、鋳物用鉄の連続製造を行うことができる。このプロセスは、大量製造のため容易にスケールアップすることができ、しかも鉄の単位製造量と製造時組成とを制御することができる。適当な供給用コンベヤー，ホッパーによる装入システムまたは装入管など当該技術分野で公知であるものを、炉への装入原料を連続的に供給するために使用することができる。この炉の加工処理量即ち単位時間生産量は、炉に給電される電力および炉への原料供給速度に依存して異なる。炉は、炉の構造，電極の型式や装入材の種類に依存して約１〜１００メガワットまでの操業電力が可能であるように設計することができる。一般的に言って、交流炉は、電気エネルギー入力量が約６００キロワットである場合鋳物用鉄製品１トンを製造する。装入材、製品特性や炉の構造に依存して異なるが、交流サブマージドアーク炉は、製品１トン当たり電気エネルギー入力量を約５００〜１，４００キロワット時までとして、鋳物用鉄を製造することができるのである。
本発明のプロセスは好ましくは、電極の先端部が炉内の供給原料堆積ベッドの中に数フィートの深さで、かつ熔融金属プールの浴からは１フィート上方に埋没されるように原料供給と電力量とを制御して用いることによって、交流サブマージドアーク炉において実施される。このようにすれば、アークゾーンは金属プールまたは浴に近接した状態で形成される。炉は、炉内の熔融合金の温度を約華氏２，１００〜３，２００度までに保持するように操作運転される。好ましい実施態様においては、湯出しおよび下流での取扱い、または処理を容易に行うために熔融金属を充分な過熱状態に保持するため、炉心の温度は、充分に高く保持される。電極の先端部は、原料内部に浸漬されており、かつ熔融金属に近接してアークを生成させるのであるが、アークおよび熔融金属からの熱放射によって、また装入原料ベッドの下部領域で金属酸化物とシリカの化学的還元によって連続的に生成する高温一酸化炭素ガスからの対流によって、未処理原料への熱伝導を良好に行う。
標準型のサブマージドアーク炉は、自己保護機構、即ち電極を装入材から自動的に引き上げて、装入材の伝導度が閾値以上に増大した場合に発生し得る過剰電極電流を防止する制御システムを含む。装入材料の伝導度の増大に反応して電極を装入材料ベッドから引き上げるのに応じて、炉床近傍の温度は低下する。そして、引き上げが継続した場合、スクラップの過熱と融解とが不十分となり、またシリカの製錬が不完全となり得る。供給装入材料を一定の高さと電気伝導度に保持して、アークが金属浴から１フィート上方において生成するように電極を材料ベッド中に深く埋没させることを可能にすることが重要である。
サブマージドアーク炉の電極を炉の装入材料ベッド内部に充分に浸漬させるか、または貫入させることは、例えば、装入材料の比電気抵抗率、その物理的整粒・サイジング、混合物中におけるその分布および選択した炉の操作電圧を含むいくつかの要因に依存して異なる。操作電圧は電圧，電極電流および装入材料の抵抗との間における関係を補償して電極を装入材料内部により深く浸漬させるように選択される。一定の操作電圧に対して装入材料ベッド内部に最も深く貫入させるために、材料供給と材料の寸法・粒度とを変えることによって、装入材料ベッドの抵抗を変化させることができる。
製造鉄合金１トン当たりに必要とされる電気エネルギーの量は、装入した金属材料の酸化または還元の程度と、所望のまたは目標とする組成を達成するに必要なシリカおよびその他の酸化物の量と、電極浸漬操作の最適化および炉の運転要員の技能とに依存する。約０．５〜４％の炭素と、約０．２５％〜２．５％のケイ素を含有する合金は、典型的には製造合金１トン当たり約５００〜６５０キロワット時を必要とする。ケイ素の含有百分率をより高くし、かつそれに応じて炭素含有百分率をより低くするには、非酸化度の高い鉄供給源の場合、合金中のケイ素が約２．５％以上となるために、ケイ素を０．１％ずつ増加させるごとに約１０キロワット時増大させる必要がある。
サブマージドアーク炉に供給するべき装入剤を構成する諸原料は、好ましくは炉に供給する前に混合される。またはその代わりに、装入原料の異なる成分を、同時に別々の供給源から炉の内部に制御された速度、かつ所望の比率で供給することもできる。その結果得られる鋳物用鉄の組成は、装入原料の組成および炉内において生起する化学的還元の程度に依存して異なる。装入原料は、くず鉄またはくず鋼を含んでなる鉄供給源と、ケイ素供給源と、以下において更に詳細に検討する炭素質還元剤とからなる。一般的に、シリカは主要なケイ素供給源である。好ましい実施態様における鉄の融解およびシリカの製錬は、実質的には酸素供給なしで、または酸化材の不存在下で、かつスラグ形成材料の不存在下で行われる。
くず鉄やくず鋼は、金属産業においてすでに公知であるように一般商品として入手可能である。種々の種類のくず鉄やくず鋼の市場価格および品質等級は、定期的に例えばAmerican Metal Marketなどの種々の業界刊行物に公表されている。当該業界において公知であるくず鉄やくず鋼は、金属粒径およびその組成に従って等級づけされる。例えば、ある一種類のくず鋼は、（Foundry steel、２'max.）と定義される。本発明に用いる鉄の適当な供給源としては、ミルスケール，直接還元鉄（ＤＲＩ），ホットブリケット鉄（ＨＢＩ），炭化鉄，鉄の中ぐりくず，鋼の旋削くず，自動車の破砕鋼や鋼製カンおよびこれらの混合物が挙げられる。くず鉄またはくず鋼の組成は、得られる鋳物用鉄の組成に影響を及ぼす。いくつかの供給源またはいくつかのグレードのくず鉄を炉へ供給する前に混合して、所望の原料および製品組成を得ることができる。このような鉄供給源は、少なくとも５０％のスクラップ、好ましくは、約７５％のスクラップ、また最も好ましくは約９０重量％のくず鉄またはくず鋼である。このような鉄供給源は、１００％くず鉄またはくず鋼に基づくものであってもよい。
このようなくず鉄，くず鋼は、その他の鉄，鋼材料と混合して、得られる鋳物用鉄組成物中の種々の合金形成金属の含有百分率を上げたりまたは下げたりすることもできる。例えば、直接還元鉄（ＤＲＩ）およびホットブリケット鉄（ＨＢＩ）は、典型的には約９０％の鉄を含有する。また、銅などの望ましくない残留元素の含有量が低い。そこで、ＤＲＩ，ＨＢＩ等を添加することによって、鋳物用鉄中の鉄含有量を増加させ、かくして合金形成金属を希釈し、かつ鋳物用鉄を製造するのに使用するくず鋼などの他の装入材料中に含まれる好ましくない金属（例えば、銅，クローム，マンガン等）の百分率を低下させることができる。くず鉄やくず鋼と結合した材料の量および種類は、部分的にはこれらの成分を使用するのに用いた炉の効率および供給材料の相対的コストによって決定される。例えば、重たい鋼スクラップは、望ましくない残留元素の含有量が低いが、鋳鉄の中ぐりくずまたは旋削屑と比較して高価である。その結果、大量の重たいスクラップは、残留元素の観点からは望ましいが、経済的観点からは通常は望ましくない。比較すると、鋼の旋削くずは粒径が小さくしかも重たい鋼スクラップと較べて安価であるが、通常は高い量で望ましくない残留元素を含有している。サブマージドアーク炉を使用することによって、極めて微細粒のスクラップ材料を使用することが可能となるので、重たいスクラップよりも安価であるため、鋳物用鉄を製造する上で他の処理方法よりも経済的利点となる。
装入材料の粒径は、絶対的な限界は全くないが、スクラップを適度に加熱し、かつ熔融させるために重要である。くず鉄またはくず鋼は、一般にいずれの寸法においても６０cmまたはそれ以上の大きさである。くず鉄またはくず鋼の適当な大きさは、約２５mmまたはそれ以下である。また別の実施態様においては、くず鉄またはくず鉄の粒径は、約０．５cm以下である。供給材の粒径は、取り扱いや炉内への装入が容易であり、かつ電極間または電極と炉の側壁との間でのブリッジ形成を伴うことなく融解するように選択される。好ましい実施態様に従ったサブマージドアーク炉は、従来から凝塊化またはブリケット化などその事前処理工程なしでは処理が困難であった、最大寸法が約０．２５インチ以下である鋳鉄の中ぐり屑や鋼の旋削くずなど粒径の小さいスクラップを取り扱うことが可能である。例えば、ミルスケールやミルミル廃材は、最大寸法が通常は６インチまたはそれ以下であり、またＤＲＩ／ＨＢＩは、最大寸法が１〜１／４ないし６インチである。くず鉄およびくず鋼の粒径の寸法の上限は、通常はブリッジ形成を回避するために交流サブマージドアーク炉における電極間、または直流サブマージドアーク炉における電極と炉の耐火物壁との間の面間間隙である。
くず鉄またはくず鋼は、鉄鉱石と比較すると極めて伝導度が高い。このため、本プロセスにおいて鉄供給源としてスクラップ材料を使用した場合、供給剤の電気伝導度および抵抗率は、電極を深く浸漬させることができるように選択しかつ制御しなければならない。供給材の電気抵抗率は、供給材の粒径および材料の種類を選択することによって修正，変更することができる。供給材料の粒径を小さくすると、供給材の抵抗率が増大することになる。最も効率のよい粒径は、その固有の抵抗率および炉内装入材の排気ガス流への浸透度が装入材料の粒径にどの程度依存するかによって異なるであろう。
このような粒径を低下させるための処理コストも、装入材の粒径を選択するうえで考慮される。好ましい実施態様においては、供給材料は、実質的には鉄鉱石を一切含有しない。もっとも、少量の鉄鉱石は供給材の抵抗率を修正，変更させるために添加することはできる。高度に酸化されたミル廃材または抵抗鉄供給源も、抵抗率を修正、変更するために使用することができる。
装入原料も、例えばシリカ、シリカ供給源または還元可能な形状の二酸化ケイ素等のケイ素供給源を一定量含む。シリカは、好ましいケイ素供給源である。二酸化ケイ素の供給源は、製錬されることが可能であり、かつくず鉄やくず鋼の製錬と同時に炭素質の還元剤の存在下においてサブマージドアーク炉内でケイ素に還元されることが可能であるならば、市販のいかなる材料であってもよい。
ケイ素は、直接的に鉄と結合することができる形状で製造される。好ましい実施態様においては、このようなケイ素供給源は、高純度の珪石である。また別に実施態様においては、当該技術分野において公知であるようなその他の供給源、例えばシリカ含有鉱石，廃棄残留物や洗浄したクレイや他の不純物を除去した砂なども使用することができる。典型的には、このような装入材は、実質的にフェロシリコンまたは炭化ケイ素を含まない。好ましい実施態様においては、ケイ素供給源は少なくとも約９８重量％のシリカを含有する。好ましくは、不純物を除去して炉内でのスラグ形成を回避する。その理由は、スラグは供給材料を製錬しかつ融解させるためのエネルギー受容を増大させるからである。
好ましい実施態様において主要シリカ供給源として用いられる珪石は、実質的にクレーや好ましくないスラグ形成に、また痕跡元素で得られた鋳物用鉄を好ましくないように汚染することに寄与する酸化金属などその他の外因・異質の材料を含有していない。珪石は少なくとも９５％のシリカを含有する、分粒された、高純度の珪石小石または粉砕珪石である。シリカ供給源の粒径は、炉の具体的な寸法，電極および還元剤の存在下でのケイ素への完全な還元を確保するための炉内における供給材料の滞留時間とによって決定される。一般的に珪石は、粒径が約４インチまたはそれ以下である。もっとも、大型の炉ではより大きい粒状物を使用する。シリカ供給源は、好ましくは約０．５重量％以下のアルミニウム，マグネシウム，亜鉛やチタンの酸化物を含有する。このような金属のうちあるもの、例えば、亜鉛は、空気または酸素を炉内を貫流させることによって酸化して除去することが可能であり、バグハウス内で除去することができる。その他の金属酸化物は、炉内において鉄と結合することができる金属にまで還元される。
炉に供給材料と共に添加されるケイ素供給源の量は、得られる鋳物用鉄の所望のケイ素含有量を理論的に算出することによって求められる。添加されるケイ素供給源の量は、またクズ鉄やその他の供給金属中の算定ケイ素含有量およびシリカの元素状ケイ素への還元過程で予測される揮発に起因して算定された逸失量を考慮に入れて、化学量論的計算結果にも基づく。このようなケイ素供給源は、くず鉄またはくず鋼の重量を基準として約０．０１〜２０重量％の量だけ添加すればよい。典型的には、ケイ素供給源は、くず鉄またはくず鋼の約１０重量％以下であり、また好ましくは５重量％以下である。一般的に、利用可能なケイ素の約９０％またはそれ以上が鉄と結合し、また同時に残りのケイ素はシリカフュームとして、また生成した場合はスラグとして逸失される。典型的には９０％以上であるケイ素の回収は、ケイ素を３％またはそれ以下含有する合金が製造された場合に経験されている。
炭素質の還元剤は、炉内においてシリカを還元する能力を有する炭素源であればいかなるものであってもよい。適当な炭素質還元剤の例としては、炭，木炭，石炭，石油コークスまたは歴青コークスなどのコークス，ウッドチップおよびこれらの混合物が挙げられる。好ましい炭素質材料は、固定炭素含有量が高く、一方灰分含有量，含水量，酸化カルシウムやアルミニウム含有量または硫黄やリンの含有量が低い。好ましい実施態様における炭素質材料は、更には抵抗率が高くまた電気抵抗も高い。好ましい炭素質材料は、樹皮を含まないオークなどの硬木製の硬木ウッドチップである。ウッドチップは、シリカを元素状ケイ素に還元するための炭素供給源となり、また、炉内において供給剤の電気伝導度を減少させる手段を備えている。その結果、電極をサブマージドアーク炉内に深く浸漬させてスクラップの融解温度とシリカの製錬とを所望の状態に維持する。供給材は、鉄の重量を基準として約５〜４０重量％の炭素質還元剤を含有している。好ましくは、供給材は、鉄の重量を基準として少なくとも５％の炭素質還元剤を含有する。
供給材に添加される炭素質還元剤の量は、シリカをケイ素に還元するのに必要とされる固定炭素の化学量論的量、および得られる鋳物用鉄中の炭素含有量を所望のものとするに必要な遊離の炭素の量とを計算・算出することによって決められる。これらの理論的計算は、冶金業界において公知である標準計算方法に従って炭，木炭、コークス，ウッドチップまたはその他の炭素質還元剤中の固定炭素含有量に基づいて行われる。このような炭素質還元剤の量、種類と粒径は、供給材料の抵抗率に影響を及ぼす。例えば、木炭は、抵抗率を増加させるために大量に使用することができる。その理由は、好ましい木炭はコークスまたは石炭よりも抵抗率が高いからである。本プロセスは、コークスの完全な不存在下において実施することができる。
炭素質の還元剤の粒径は、供給材料の組成，反応性および供給組成物の電気抵抗率または伝導度に従って選択される。ウッドチップの適当な大きさは、一般的にはその最大寸法が約６インチまたはそれ以下である。冶金学的グレードのコークスの適当な大きさは、約１／２インチまたはそれ以下である。石炭は典型的には、約２インチまたはそれ以下であり、また炭および木炭は典型的には、その最大寸法が６インチまたはそれ以下である。
装入組成物は好ましくは、少量の硫黄，リン，カルシウム，アルミニウム，クローム，亜鉛およびその他の、鋳物用鉄合金において望ましくない金属を含有する。殆ど不純物を含有しない装入材料を使用することは、スラグの形成が殆どないか、または全くないことの原因となる。サブマージドアーク炉を実質的にスラグの不存在下において操作運転することには、融解した鉄から生じる熱が炉に装入される供給原料を予備加熱するという利点が付加して得られるが、その理由は、融解鉄を供給材から遮蔽するスラグが殆どまたは全く生成しないからである。スラグの生成は一般的には、その存在がエネルギー消費を増加し、かつスクラップの融解の効率とシリカのケイ素への還元の効率とを低減させるので、可能な限り回避されるものである。過大なスラグ生成はまた、供給原材料が炉の加熱ゾーンへ流入するのを阻害し、また炉内における供給材のブリッジ形成の可能性を増加させる。供給材料が大量の硫黄、またはその他の不純物を含有している実施態様においては、スラグ形成成分を必要に応じて添加することができる。適当なスラグ形成成分としては、石灰石（炭酸カルシウム），石灰（酸化カルシウム），またはマグネシア等が挙げられる。もっとも当該技術分野において公知であるその他のスラグ形成成分も使用することができる。効率的な操作運転のために必要であれば、粒径が３mm以下である石灰を使用することができる。
好ましい実施態様においては、鋳物用鉄を製造する本プロセスは、鉄鉱石およびコークスの不存在下においてサブマージドアーク炉にて実施され、通常は温度が約２１００〜３２００（°Ｆ）との間であり、しかもサブマージドアーク炉を使用した従来の鋳物用鉄製造プロセスの場合のスラグ含量が１〜１０重量％と異なり、約０．１重量％以下のスラグを含有する鋳物用鉄を製造するのである。典型的には、この鋳物用鉄は、実質的にスラグを含まない状態で製造される。
本発明のプロセスの種々の実施態様は、下記する限定的でない実施例において開示する。
実施例１〜１２
清浄な鋼の孔開けくずと表面酸化物とが殆どないいくつかのシヤリングプレートから得られたくず鋼を、コークス，珪石およびウッドチップと混合し、各実施例用として供給混合剤を製造した。このスクラップの金属分析の結果を表１に示す。この珪石は、高純度のものであり、粒径が３mm以下の洗浄済のスペイン産珪石であった。コークスは、粒径が３mm以下である製司コークス微細物であった。ウッドチップは、平均粒径が約７５mm×５０mm×１５mmであるノルウェー産オークであった。このスクラップは、平均粒径が約２５mm×５mm×４mmであった。このウッドチップの固定炭素含量は約１７重量％である。また、実施例１〜８においてコークスの固定炭素含量は約９３重量％であり、実施例９〜１２においてコークスの固定炭素含量は約８６．５重量％であった。
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実施例１〜１２における供給材料は、表２および３に示した割合で混合したものである。表３において示したウッドチップ，コークスおよび珪石の百分率の数値は、スクラップの重量を基準とした重量百分率である。
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実施例１〜１２において使用した炉は、ノルウェーのエルケムテクノロジー社(Elkem Technology)によって製造されたベンチスケールのサブマージドアーク炉である。このサブマージドアーク炉は二本電極、単相交流電気炉で、変圧器定格は３００ｋＶＡ、最大電流は３，０００Ａ、二次電圧取り出しは１．５Ｖ刻みで１５〜１５０Ｖであった。この炉の当初のスタートアップは、１６キログラムのくず鋼と５キログラムのコークスを炉に装入し、電極をこのスクラップに接触するよう下げて行った。電気のスイッチを入れてスクラップを融解した。混合した供給材料を炉内に装入して、炉を約半分だけスクラップで満たすように保持した。融解金属を湯出しして分析した。各実施例の分析結果を表４に示す。この炉の浴の湯出し温度は約１，２５０〜１，５５０℃であった。
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これらの実施例から、珪石がスクラップの融解と同時に製錬されることがわかる。得られた鉄の炭素およびケイ素含有量は、供給材中のシリカと固定炭素（の量）に比例している。
実施例１３
コンピュータシミュレーションした操作は、２，０００ポンドのくず鉄，１００ポンドのウッドチップ，８５ポンドの石炭，２０ポンドのコークスおよび７５ポンドの珪石を含む供給混合物を、１時間当たり７２，５９０トンの合金製造速度で交流サブマージドアーク炉に装入することからなるものであった。炉への電力供給予定量は５０，０００キロワットであった。シミュレーションしたくず鉄供給材は、４０％の破断処理した自動車鋼，１５％の再融解返りくず，１５％の鋼スクラップ＃１，２０％の鋳鉄孔開けくず，５％のブリキ板／カンおよび１５％の低クローム混合旋削くずとを含むものである。この供給混合物の計算合金組成は、２．５％のケイ素，３．８５％の炭素，０．４０％のマンガン，０．１０％のクローム，０．１５％のニッケル，０．１５％の銅，０．０１％の硫黄，０．０５％のリン，０．０３％のスズおよび残りが鉄（これらの百分率は重量に基づく）とからなるものであった。
この炉から湯出しして得られる予測鉄製品は鉄含有量が９２．５％，炭素含有量が３．８５重量部％，またケイ素含有量が２．５０重量％および残りが不純物からなるものであった。エネルギーの計算消費量は鉄合金１トン当たり６５０キロワット時である。
実施例１４
コンピュータシミュレーションした製造操作は、２，０００ポンドのくず鉄，１００ポンドのウッドチップ，２１０ポンドの石炭，２５ポンドのコークスおよび３９３ポンドの珪石を含む供給混合物を、１時間当たり３４．６８トンの合金製造予定速度で交流サブマージドアーク炉に装入することを含む。炉への電力供給選定量は５０，０００キロワットであった。設定したくず鉄は、４０％の破断処理した自動車鋼，１５％再融解返りくず，１０％の混合旋削くず，２０％の鋳鉄孔開けくず，５％のブリキ板／カンおよび１０％の低クローム混合旋削くずとを含む混合物であった。この供給混合物の計算合金組成は、９％のケイ素，１．５％の炭素，０．４％のマンガン，０．１８％のクローム，０．０９％のニッケル，０．１９％の銅，０．１４％の硫黄，０．０３％のリン，０．０２％のスズおよび残りが鉄（これらの百分率は重量に基づく）とからなる。
この炉から湯出しして得られる予測鉄製品は、鉄含有量が８７．８７％，炭素含有量が１．５０％重量部％，またケイ素含有量が９．０１重量％および残りが不純物からなるものであった。エネルギーの計算消費量は、鉄合金１トン当たり１，３７０キロワット時であった。
実施例１５
コンピュータシミュレーションした操作は、２，０００ポンドのくず鉄，１００ポンドのウッドチップ，３５ポンドの石炭および５５ポンドの珪石を含む供給混合物を１時間当たり８０，９２２トンの合金製造予定速度で交流サブマージドアーク炉に装入することからなるものであった。炉への電力供給選定量は５０，０００キロワットである。くず鉄供給材は、４０％の破断処理した自動車鋼，１５％再融解返りくず，１０％の混合旋削くず，２０％の鋳鉄孔開けくず，５％のブリキ板／カンおよび１０％の低クローム混合鋼旋削くずを含む。設定した供給混合物の合金組成は、２％のケイ素，２％の炭素，０．４０％のマンガン，０．１０％のクローム，０．１５％のニッケル，０．１５％の銅，０．０１％の硫黄，０．０５％のリン，０．０３％のスズおよび残りが鉄（これらの百分率は重量に基づく）とからなるものであった。
この炉から湯出しして得られる予測鉄製品は、鉄含有量が９４．５２％（鉄），２．０５％のケイ素または２．００％の炭素および残りが不純物からなるものであった。エネルギーの計算消費量は、鉄合金１トン当たり６００キロワット時であった。
いくつかの実施態様を本発明を説明するためにあげたが、ここに添付した特許請求の範囲において定義した本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更および修正を行うことができることが、当該技術分野に精通した人によって理解されるであろう。
【図１】
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