(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
1300℃〜1500℃の間において、電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石を電気炉装入適正鉱石と判定することを特徴とするマンガン含有鉱石の評価方法。
【請求項２】
原料鉱石と炭素系還元剤とを電気炉に装入してマンガン系合金鉄を製造するに当たり、
1300〜1500℃の間において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回るものを電気炉装入適正鉱石として選択し、該電気炉装入適正鉱石を装入原料鉱石の総量に対して70%以上配合することを特徴とする電気炉におけるマンガン系合金鉄の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載のマンガン含有鉱石の評価方法によって評価されたマンガン鉱石のうち、1300℃未満の温度において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石を、1300℃以上の温度で加熱処理して電気炉装入適正鉱石に改質することを特徴とするマンガン鉱石の改質方法。
【請求項４】
請求項１記載のマンガン含有鉱石の評価方法によって評価されたマンガン鉱石のうち、1500℃において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を下回る原料鉱石を、1500℃以下の温度において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石とともに1300℃以上の温度で加熱処理して電気炉装入適正鉱石に改質することを特徴とするマンガン含有鉱石の改質方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マンガン系合金鉄の製造方法、特に電気炉によるマンガン系合金鉄の製造に供されるマンガン含有鉱石の評価方法、その評価結果を利用した電気炉におけるマンガン系合金鉄の製造方法、およびマンガン含有鉱石の改質方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マンガン系合金鉄は、原料鉱石と炭素系還元剤とを電気炉に装入し、これら装入物中に電極を挿入して装入物を通電加熱して高温状態となし、原料鉱石と炭素系還元剤とを反応させることによって製造する。原料鉱石としては塊鉱石、焼成鉱、ペレット等が使用され、一般にこれら原料の化学成分を基に配合量を決定する。
【０００３】
鉱石資源を持たない我が国では、合金鉄製造の際、電気炉の操業を安定維持して原料原単位及び電力原単位を低く押さえることが必要であり、そのために原料鉱石を評価し、必要に応じて改質することが焦眉の急になっている。かかる技術として特許第2935611号公報には、溶融開始温度が1300〜1500℃で、且つ溶融温度幅が200℃以内にある原料鉱石を選定し、該原料鉱石を溶融原料鉱石の総量に対して85%以上含有させて溶解する電気炉での合金鉄の製造方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許第2935611号公報に開示された手段は、高炉用原料の評価手段として開発された高温荷重軟化試験を転用したものであって、一定温度範囲内において鉱石が溶融状態に達したことを判定することによって原料鉱石を評価し、それに基づいて原料鉱石を選定・配合して操業を行うものであって、電気炉内における原料鉱石の導電性とは直接関係がない。そのため、本発明者の追試によれば評価結果が必ずしも電気炉の安定操業に結びついていない場合もあり、よりよい評価手段が求められていた。また、必ずしも電気炉原料として適さない鉱石を改質する方法も求められてきた。
【０００５】
本発明は電気炉による合金鉄製造技術における上記現状に鑑みてなされたものであって、原料鉱石の評価手段を電気炉操業とより良い相関をもつものとし、これにより原料鉱石を選定して配合し、さらに上記評価基準を満足しない鉱石を改質する手段を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するための手段について鋭意研究を行い、1300〜1500℃における原料鉱石の電気伝導度と還元剤である炭素系物質の電気伝導度との間に一定の関係が満たされるとき電気炉の操業が安定することを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
本発明は、まず、電気炉に装入するマンガン含有鉱石の評価方法であって、1300℃〜1500℃の間において、電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石を電気炉装入適正鉱石と判定することとするものである。
【０００８】
また、本発明は上記評価を用いる電気炉操業方法であって、電気炉におけるマンガン系合金鉄の製造方法を、原料鉱石と炭素系還元剤とを電気炉に装入してマンガン系合金鉄を製造するに当たり、1300〜1500℃の間において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回るものを電気炉装入適正鉱石として選択し、該電気炉装入適正鉱石を装入原料鉱石の総量に対して70%以上配合することとするものである。
【０００９】
さらに、本発明は上記電気炉装入適正鉱石の評価基準を外れた原料鉱石を改質する手段に係り、1300℃未満の温度において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石は、1300℃以上の温度で加熱処理して電気炉装入適正鉱石に改質するものである。
【００１０】
加えて、本発明は、1500℃において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を下回る原料鉱石は、1500℃以下の温度において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石とともに1300℃以上で加熱処理して電気炉装入適正鉱石に改質するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を具体的に説明する。本発明の基本的な適用対象は、原料鉱石と炭素系還元剤とを電気炉に装入してマンガン系合金鉄を製造する方法にある。ここに、原料鉱石とは、主としてマンガン鉱石などのマンガン含有鉱石をいうが、これらの焼成鉱を含み、またシリコマンガンを製造するために必要な珪素質を多く含有する鉱石も含む。また、フェロマンガンを製造するために必要な鉄鉱石あるいはこれらとマンガン含有鉱石との焼成鉱を含む。焼成鉱とはいわゆる焼結鉱のほか焼成ペレットを含み、さらに塊鉱石を加熱処理したものを含む。炭素系還元剤とは、主としてコークスをいうが、その一部を他の還元剤に置き換えてもよい。電気炉とは、従来公知の合金鉄を製造するために用いられているサブマージドアーク型の電気炉をいう。
【００１２】
かかる電気炉で原料鉱石を還元する際には、装入原料中に挿し込まれた電極を介して通電し、装入原料を抵抗加熱により加熱・溶融させるため、装入原料の電気伝導性の違いによって操業状況が大きく変化する。例えば、原料鉱石の電気伝導度が高い場合には、電極が浮いた状態となって電力負荷が掛かり難くなる現象が現れる。このような状態となると、炉内の熱効率が悪くなり、電力原単位やＭｎ収率などが悪化する。一方、原料鉱石の電気伝導度が低すぎる場合には、装入原料を加熱・溶融させるために、より多くの電力を必要とする。従って電気炉操業を安定化させるためには、原料鉱石の電気伝導度を適正範囲に制御することが必要である。
【００１３】
原料鉱石の電気伝導度は、原料鉱石の種類、銘柄によって異なり、過去に使用実績のある鉱石については、操業実績から電気伝導度の良否を推定でき、電気伝導度に問題のある鉱石についてはその使用量を制限する等の措置を採ることによって操業の安定化を図ることができる。しかしながら、使用する原料が頻繁に変化する焼成鉱やペレット、あるいは全く新規に使用しようとする原料鉱石については、適当な評価手段を持たない限り、安定操業を行うことが困難である。
【００１４】
そのような事情に基づき、本発明においては上記原料鉱石を1300〜1500℃における電気伝導度によって評価する。ここに電気伝導度とは、例えば、以下に示す手段によって測定される見かけ電気伝導度である。具体的には、評価しようとする原料鉱石に一定の荷重を加えた状態で加熱しながら電気抵抗(R)と試料層の厚さ(h)を測定し、式(1)によって原料鉱石の見かけ電気伝導度（κ）の推移を求め、これを炭素系還元剤の電気伝導度の推移と比較して原料鉱石を評価するのである。
κ＝h／（S・R）      ・・・(1)
ここに、κ：見かけ電気伝導度(Ω-1cm-1)
h：試料層の厚さ(cm)
S：電極面積(cm2)
R：試料層の見かけ電気抵抗(Ω)
【００１５】
上記各温度での電気抵抗(R)と試料層の厚さ(h)を測定するための電気抵抗測定装置の代表例は、図１にその概要が示されているとおり、試料である原料鉱石（以下、試料鉱石１という）を黒鉛ルツボ２内に収容されたMgO耐火物スリーブ３からなる測定容器に装入し、上方から黒鉛棒４により一定荷重を加えながら発熱体１１によって加熱して温度を熱電対１２、試料鉱石１の電気抵抗を抵抗測定器１３、試料鉱石１の層厚を差動トランスを内蔵した高さ計１４によって測定するようになっている。試料鉱石１の層厚を測定するのは、試料鉱石１が加熱によって膨張あるいは収縮するのを補償するためである。
【００１６】
上記測定装置における測定条件は電気炉の操業条件等に合わせ任意に選ぶことができるが、代表例を示すと以下のとおりである。
試料鉱石の粒度：3〜5mm
試料鉱石の層厚：50mm
試料鉱石への荷重：20kPa
電気抵抗測定周波数：１kHz
また、測定に供する試料鉱石は、評価対象である原料鉱石に粒度3〜5mmのコークスを質量比で10%混合したものを用い、電気炉内の状態に近似させる。昇温速度は1000℃までは10℃/min、それ以上では3℃/minとし、雰囲気ガスとしてN2ガスを3l/minの割合で流す。なお、電極面積(S)は、6.15cm2とする。上記条件はコークスの電気伝導度測定にも適用し比較対象とする。
【００１７】
ここに明らかなように、上記電気抵抗測定装置によって得られる測定値は原料鉱石の電気抵抗の絶対値ではなく、電気炉の操業条件下における原料鉱石の見かけ電気抵抗、ひいては見かけ電気伝導度である。このことは炭素系還元剤についても同様である。なお、これら測定装置及び測定条件は、炭素系還元剤との関係で原料鉱石の電気伝導度の温度変化を相対的に測定できる手段であればいかなるものでも良い。
【００１８】
本発明では、上記により測定された見かけ電気抵抗値（Ω）から(1)式により見かけ電気伝導度（κ）を得、その温度特性を同一条件で測定された炭素系還元剤の見かけ電気伝導度の温度特性と比較して評価基準とする。
【００１９】
一般に、原料鉱石は金属等の導電体と異なり高温になるにしたがい電気伝導度が上昇する。特に、溶融温度域ではイオン伝導体となるため電気伝導度が著しく上昇し、炭素系還元剤の電気伝導度を上回るようになる。それに対し、原料鉱石が溶融していない温度域では、原料鉱石の電気伝導度は炭素系還元剤の電気伝導度よりも大幅に低く、電気炉内の電気伝導性は炭素系還元剤によって支配される。そして、先にも述べたように、電気炉で原料鉱石を溶融・還元する際には、原料鉱石の電気伝導度の違いによって操業状況が大きく変化し、原料鉱石の電気伝導度が高過ぎる場合には操業が不安定となり、低すぎる場合には電力原単位が悪化し不利となる。
【００２０】
したがって、1300〜1500℃の還元温度域で上記評価により得た見かけ電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石を選択して使用すれば、電気炉においてマンガン系合金鉄を製造する際、電極先端位置を適正位置に保つことができ、その結果、電力負荷が掛かり難くなることが防止でき操業が安定する。本発明では原料鉱石の見かけ電気伝導度を炭素系還元剤の見かけ電気伝導度との関係で整理して、上記還元温度範囲内で原料鉱石の見かけ電気伝導度が炭素系還元剤の見かけ電気伝導度を上回るものを電気炉装入適正鉱石と評価する。
【００２１】
経験によれば、電気炉操業においては、かかる評価基準を満たした電気炉装入適正鉱石を原料鉱石総量に対して質量比で70%以上使用すると電気炉操業が安定する。逆にいえば、評価基準を満たさない鉱石を30%未満配合することができる。この範囲であれば電極の浮き上がりなどの支障を生ずることなく、円滑な電気炉操業を実現できるが、電気炉操業の一層の安定化のためには電気炉装入適正鉱石の配合割合を80%以上とするのが好ましい。
【００２２】
図２は、請求項１に記載した本発明による原料鉱石の評価結果と先に挙げた先行技術（特許第2935611号）に従う溶融温度幅との関係図である。ここに示すように、全体としては本発明による原料鉱石の評価結果と溶融温度幅とはよい相関を示しているが、グループ▲１▼に属する原料鉱石は、本発明による評価によってのみ適正鉱石とされる。これに対し、原料鉱石▲２▼は前記先行技術による評価では電気炉装入適正鉱石とされるが、本発明によるときは電気炉装入不適正鉱石である。なお、グループ▲３▼に属する原料鉱石はいずれの評価によっても電気炉装入不適正鉱石である。
【００２３】
そして、本発明に従い装入適正鉱石を主体に原料配合したときには電気炉操業が安定する。しかし、例えば原料鉱石▲２▼を主体に原料配合したときには電気炉操業は電極が浮き上がり不安定になる。このように本発明により原料鉱石を選択すると電気炉操業が安定するのは、電気炉の操業に直接関係を有する原料鉱石の電気伝導度により原料鉱石を評価し、従来に較べ電気炉装入原料の配合をより的確に行うことができたからである。
【００２４】
上記評価基準を満たさない原料鉱石は、30%、好ましくは20%までの範囲において上記評価基準を満たす原料鉱石と混じて用いることができるほか、以下のようにして評価基準を満たす鉱石に改質することができる。
【００２５】
まず、1300℃未満の温度において電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石は1300℃以上の温度で加熱処理して電気炉装入適正鉱石に改質することができる。ここに「加熱処理」とは、原料鉱石を焼結処理すること、ペレットを焼成すること、あるいは原料鉱石をロータリーキルン等に装入して加熱すること等からなるが、1300℃以上で原料鉱石等を加熱してその結果、装入適正鉱石に改質できる操作をすべて含む。なお、焼結、焼成に当たって副原料を添加すること、あるいは1300℃以上の温度で電気伝導度が炭素系還元剤の電気伝導度を上回る原料鉱石を配合することもできる。
【００２６】
また、電気伝導度が上記評価結果を満たさない原料鉱石の内、その電気伝導度が1500℃においても炭素系還元剤のそれを上回らないものは、上記評価基準を満たす原料鉱石あるいは1300℃ですでに炭素系還元剤よりも電気伝導度が高い原料鉱石と共に1300℃以上の温度で加熱処理して電気炉装入適正鉱石に改質することができる。その場合、原料鉱石の配合、加熱温度及び処理時間は、原料鉱石の電気伝導度が炭素系還元剤のそれを上回る温度の測定結果に基づき、経験を加味して定めればよい。
【００２７】
これら改質処理により、評価基準を満たさない原料鉱石を評価基準を満たす電気炉装入適正鉱石に改質することができるので、原料事情が多少悪化しても安定した操業を続けることができる。
【００２８】
【実施例】
塊鉱石Ａ、塊鉱石Ｂ、塊鉱石Ｃ、塊鉱石Ｄ、焼成鉱Ｅおよび焼成鉱Ｆについて、前記条件より見かけ熱間電気抵抗を測定し、その結果から(1)式を用いて各鉱石について見かけ電気伝導度を決定した。各鉱石についての見かけ電気伝導度の温度特性は図３のとおりである。図３には炭素系還元剤（コークス）の見かけ電気伝導度も併記してあり、これにより各鉱石について見かけ電気伝導度が炭素系還元剤であるコークスの見かけ電気伝導度を上回る温度（Ｔ）を決定した。その結果は表１に示すとおりである。
【００２９】
なお、塊鉱石Ａ、塊鉱石Ｂ及び塊鉱石Ｃ、塊鉱石Ｄはいわゆる生の塊鉱石であり、焼成鉱Ｅは塊鉱石Ａと塊鉱石Ｄの粉を質量比１：１で混合して1400℃で焼成した焼成鉱であり、焼成鉱Ｆは塊鉱石Ｄの粉を単独で1400℃で焼成した焼成鉱である。
【００３０】
【表１】
0003720225.tif 000002
【００３１】
上記Ａ〜Ｆの鉱石を用いて電気炉によりフェロマンガンの製造を行った。その結果、原料鉱石として塊鉱石Ｂ、塊鉱石Ｃおよび焼成鉱Ｅを組み合わせて用いた場合、また塊鉱石Ｂ、塊鉱石Ｃおよび焼成鉱Ｆを組み合わせて用いた場合には、電気炉操業が安定していた。しかしながら、塊鉱石Ｂ、塊鉱石Ｃおよび焼成鉱Ｅを組み合わせて用いた場合において、塊鉱石Ｂを塊鉱石Ａに置換すると、塊鉱石Ａの置換割合が原料鉱石中30%（質量比）となったとき、電力原単位が悪化するのが認められた。また、塊鉱石Ｂ、塊鉱石Ｃおよび焼成鉱Ｆを組み合わせて用いた場合において、塊鉱石Ｃを塊鉱石Ｄに置換すると、塊鉱石Ｄの置換割合が原料鉱石中20%（質量比）となったとき、電極が浮き始め、30%となったとき、Mn収率の低下、電力原単位及び鉱石原単位の悪化が顕著となった。
【００３２】
また、塊鉱石Ｃを原料としてシリコマンガンの製造を行ったときには、塊鉱石Ｃの配合率を59%まで上げても操業上支障は生じなかったが、塊鉱石Ｄの場合は、その配合率を30%未満としないと操業が安定せず、それ以上とすると、Si、Mnの収率が低下し、それに伴い電力原単位が悪化した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、電気炉によりマンガン系合金鉄を製造する際、従来に比べ原料鉱石の評価をより正確に行うことができるようになり、該評価基準を用いて原料配合することにより電気炉操業が安定し、Mn収率、電力原単位等の向上を図ることができた。また、本発明にかかる評価基準を満たさない原料鉱石を改質することができるので、原料事情が多少悪化しても安定した電気炉操業を続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明において用いる原料鉱石の見かけ熱間電気伝導度測定のための装置の１例を示す模式図である。
【図２】  本発明による原料鉱石の評価結果と特許第2935611号に従う溶融温度幅との関係図である。
【図３】  各種原料鉱石およびコークスの見かけ電気伝導度と温度との関係図である。
【符号の説明】
１：試料鉱石
２：黒鉛ルツボ
３：MgOスリーブ
４：黒鉛棒
１１：発熱体
１２：熱電対
１３：抵抗測定器
１４：高さ計
【図１】
0003720225.tif 000003
【図２】
0003720225.tif 000004
【図３】
0003720225.tif 000005