(57)【要約】【課題】予備還元で製造した酸化鉄含有鉄原料を直流アーク炉へ投入して還元・溶解するに際し、鉄歩留まりが高い酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法を提供する。【解決手段】酸化鉄含有鉄原料を、炉上から種湯溶銑の存在する直流アーク炉１へ投入して還元および溶解する方法において、前記酸化鉄含有鉄原料は、鉄の金属化率が４５％以上９５％以下であり、酸化鉄以外の酸化物を４〜２０質量％含有し、直流アーク炉１は底吹き羽口６を３本以上具備し、かつ溶解炉内の半径をＲ、炉底電極中心１４から底吹き羽口６の中心までの距離をｒとして、下記（１）式を満たす位置に底吹き羽口６を設置し、底吹き羽口６から吹き込むガスによって溶銑の底吹き攪拌をおこないながら、酸化鉄含有鉄原料を投入する。粒径が５ｍｍ以下の小径酸化鉄含有鉄原料は中空の上部電極を経由して投入すると好ましい。０．２≦ｒ／Ｒ≦０．８  （１）【選択図】図１
2018003075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄含有鉄原料を、炉上から種湯溶銑の存在する直流アーク炉へ投入し、アーク熱と種湯溶銑との接触により還元および溶解する方法において、
前記酸化鉄含有鉄原料は、鉄の金属化率が４５％以上９５％以下であって、酸化鉄以外の酸化物を４〜２０質量％含有するものであり、
前記直流アーク炉は、上部電極を１本と炉底電極を１本具備すると共に底吹き羽口を３本以上具備し、かつ溶解炉内の半径をＲ、炉底電極中心から底吹き羽口の中心までの距離をｒとして、下記の（１）式を満たす位置に底吹き羽口が設置されたものであって、
前記酸化鉄含有鉄原料を、前記底吹き羽口から吹き込むガスによって溶銑の底吹き攪拌をおこないながら、前記上部電極の直下へ投入することを特徴とする酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法。
０．２≦ｒ／Ｒ≦０．８  （１）
【請求項２】
底吹き羽口の本数をＮとし、炉底電極中心から各底吹き羽口の中心までの距離ｒは、距離ｒの平均値の０．８〜１．２倍の範囲内にあり、隣接する底吹き羽口が炉底電極の中心となす角度は、３００°／Ｎ〜４３０°／Ｎの範囲になることを特徴とする請求項１に記載の酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法。
【請求項３】
前記上部電極を中空にし、直流アーク炉に投入する酸化鉄含有鉄原料の一部又は全部は、最大粒径が５ｍｍ以下の小径酸化鉄含有鉄原料であり、当該小径酸化鉄含有鉄原料を、前記中空にした上部電極を経由して直流アーク炉へ投入することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法に関する。具体的には、鉄鉱石やダストなどの酸化鉄原料をシャフト炉や回転炉床炉などの予備還元炉により加熱・予備還元処理して酸化鉄含有鉄原料とした後、当該酸化鉄含有鉄原料を直流アーク炉へ投入して還元・溶解する酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鉱石や製鉄所から発生したダストから還元鉄を製造する直接還元製鉄法は、還元炉形式についてはシャフト炉、ロータリーキルン、回転炉床炉、流動床炉等が用いられ、還元剤については天然ガス、石炭等が用いられている。これらの組み合わせによる各種の製鉄プロセスが提案され、工業化されている。
【０００３】
また、これらの直接還元製鉄法のうち、還元炉形式がシャフト炉で還元剤として天然ガスを用いる方法や、還元炉形式が回転炉床炉で還元剤として石炭を用いる方法により製造された酸化鉄含有鉄原料を使用して溶銑を製造する方法として、還元率の高い酸化鉄含有鉄原料をアーク炉を用いて溶解し、溶銑を製造する方法が現在最も主流となっている。
【０００４】
しかしながら、還元率の高い酸化鉄含有鉄原料を製造するためには多量の還元剤を使用し、酸化鉄の還元反応がほぼ完遂するまでの滞留時間が必要となるため、天然ガス非産出国においてはコストと生産性の点から難しい。そこで、これら直接還元炉で還元率の高い酸化鉄含有鉄原料を製造するのではなく、直接還元炉は予備還元炉とし、予備還元炉で予備還元を行って製造した還元率が比較的低い酸化鉄含有鉄原料を、アーク炉や溶解転炉を用いて還元・溶解し、溶銑を製造する方法が採用されている。特許文献１の第６６頁には、回転炉床炉（ＲＨＦ）で予備還元された半還元鉄を含む混合物原料（ペレット又は粉粒状混合物原料）はサブマージドアーク炉（ＳＲＦ）に装入され、最終還元と溶解を目的とした仕上げ精錬が行われると記載されている。ＳＲＦでは酸素ガスと石炭が供給され、溶銑と回収ガスが得られる。なお、ＳＲＦでは炉の立ち上げ時には溶銑等の種湯の装入を必要とするが、定常操業状態では炉内鉄浴の存在によりその必要はない。特許文献２には、転炉で発生するダストに炭材を内装させて塊成化し、予備還元炉で高温加熱して内装炭材を還元材として予備還元後、高温状態で含鉄冷材の一部として種湯の存在する溶解専用転炉に供給し、再使用する方法が開示されている。
【０００５】
予備還元して製造した酸化鉄含有鉄原料を、種湯が存在するアーク炉内に投入して還元・溶解し、溶銑を製造するための方法において、投入した酸化鉄含有鉄原料は、何らかの工夫を施さない限り比重が小さいため溶銑面に浮いた状態で還元・溶解される。また、酸化鉄含有鉄原料はＣａＯ、ＳｉＯ2などのスラグ成分を含有するため、溶解が進むと溶銑面にスラグが浮かび、炉上から投入された原料がスラグに捕捉されて溶銑との接触を阻害するため溶解せず、鉄歩留まりの低下を招く。投入した酸化鉄含有鉄原料の溶解と還元を促進するためには、投入した酸化鉄含有鉄原料を、なるべく高温部を利用すると共に底吹き攪拌の制御により溶銑へ巻き込ませて、原料を還元・溶解する方法が挙げられる。
【０００６】
酸化物原料を、直流アーク炉または交流電気炉のアークによる高温領域へ投入し、底吹き攪拌を付与して還元および／または溶解する方法については従来から種々の提案がなされている。
【０００７】
例えば、特許文献３には、３相交流電気炉における金属酸化物の溶融還元方法の発明が記載されている。その発明は、３相交流電気炉において、粉末状の金属原料鉱石、例としてクロム鉱石をアークの形成領域へ供給し、アーク熱により金属原料鉱石を溶解し、さらに、電気炉の炉底部にガス吹き込みノズルを配置して電気炉内の溶湯にガスを吹き込むことを特徴とする電気炉精錬法に関するものであるが、クロム鉱石の還元に係る方法であって、スラグ中還元剤と原料鉱石の接触による還元反応向上効果と溶湯と原料鉱石の接触による還元反応向上効果との切り分けが不明瞭である。また、本発明のように酸化鉄含有鉄原料を対象に、直流アーク炉を用いて溶解還元する条件は具体的に記載されていない。
【０００８】
特許文献４には、製鋼用アーク炉において、炭素含有燃料及び酸素含有ガスを吹き込むとともに、アーク炉底部に配置されたノズルにより酸素を供給する方法が開示されている。３本の電極を有するアーク炉を用い、鉱石、予備還元鉱石などを、中空電極を介して吹き込み、金属溶融物を生成する際に底吹き攪拌を付与するとの記載があるが、炉底における底吹きノズルの位置関係や投入原料の歩留まりについては言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第０１／０１８２５６号
【特許文献２】特開２０００−４５０１２号公報
【特許文献３】特開平１−２９４８１５号公報
【特許文献４】特開昭６３−１２５６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
予備還元して製造した酸化鉄含有鉄原料を、種湯が存在するアーク炉内に投入して還元・溶解し、溶銑を製造するための方法において、従来知られていた方法で炉底部から溶鉄中にガスを吹き込んで攪拌しつつ酸化鉄含有鉄原料を投入する方法を採用しても、比重が小さい酸化鉄含有鉄原料を上部電極の下の高温湯面部に留まらせることはできず、また、溶銑に巻き込ませて十分に溶銑と混合させることもできず、鉄歩留まりの向上効果が十分ではなかった。
【００１１】
本発明は、鉱石やダストなどを回転炉床炉などの予備還元炉により加熱・還元処理して酸化鉄含有鉄原料とした後、直流アーク炉へ投入して還元・溶解する酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法において、鉄歩留まりが高い酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法を提供することを目的とする。
【００１２】
予備還元においては、低還元率の酸化鉄含有鉄原料を造粒して製造することが考えられるが、一方、低還元率の酸化鉄含有鉄原料は圧潰強度が低く、造粒物が一部粉化してしまうという問題がある。酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解し、溶銑を製造する際、なるべく安価な原料を用いて鉄歩留まりを良くするのが望ましいが、そのためには粉状の酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解することが必要となる。しかし、アーク炉頂から粉状の酸化鉄含有鉄原料を重力投入した場合、その一部は排気ダクトへと吸収されてしまうため、鉄歩留まりが低下してしまう。
【００１３】
本発明は、予備還元で製造した粉状又は粒状の酸化鉄含有鉄原料を用いて直流アーク炉で還元・溶解するに際し、鉄歩留まりが高い酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）酸化鉄含有鉄原料を、炉上から種湯溶銑の存在する直流アーク炉へ投入し、アーク熱と種湯溶銑との接触により還元および溶解する方法において、
前記酸化鉄含有鉄原料は、鉄の金属化率が４５％以上９５％以下であって、酸化鉄以外の酸化物を４〜２０質量％含有するものであり、
前記直流アーク炉は、上部電極を１本と炉底電極を１本具備すると共に底吹き羽口を３本以上具備し、かつ溶解炉内の半径をＲ、炉底電極中心から底吹き羽口の中心までの距離をｒとして、下記の（１）式を満たす位置に底吹き羽口が設置されたものであって、
前記酸化鉄含有鉄原料を、前記底吹き羽口から吹き込むガスによって溶銑の底吹き攪拌をおこないながら、前記上部電極の直下へ投入することを特徴とする酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法。
０．２≦ｒ／Ｒ≦０．８  （１）
（２）底吹き羽口の本数をＮとし、炉底電極中心から各底吹き羽口の中心までの距離ｒは、距離ｒの平均値の０．８〜１．２倍の範囲内にあり、隣接する底吹き羽口が炉底電極の中心となす角度は、３００°／Ｎ〜４３０°／Ｎの範囲になることを特徴とする上記（１）に記載の酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法。
（３）前記上部電極を中空にし、直流アーク炉に投入する酸化鉄含有鉄原料の一部又は全部は、最大粒径が５ｍｍ以下の小径酸化鉄含有鉄原料であり、当該小径酸化鉄含有鉄原料を、前記中空にした上部電極を経由して直流アーク炉へ投入することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガスを底吹きする底吹き羽口を有する直流アーク炉において、底吹き羽口の本数と、炉底電極の中心と底吹き羽口の中心間の距離とから決まる特定の条件範囲で底吹き攪拌を行いつつ酸化鉄含有鉄原料を上部電極直下へ投入することで、炉上から投入される酸化鉄含有鉄原料が高温の湯面中心部から側壁側へと移動してしまうことを抑止し、かつ、湯面中心部で溶銑中に巻き込まれ、原料中酸化鉄の還元反応と金属鉄の溶解を促進して、高い鉄歩留まりで酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解が可能となる。
【００１６】
また本発明によれば、粒径５ｍｍ以下の小径酸化鉄含有鉄原料を、中空の上部電極を経由して直流アーク炉へ投入することにより、小径酸化鉄含有鉄原料であっても排気ダクトへの吸引ロス増加を来すことなく電極直下の高温湯面部への投入が可能となり、高い鉄歩留まりで酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明における酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法の一例を示す図である。
【図２】底吹き羽口本数が２本のときの炉底電極と底吹き羽口との位置関係の一例を示す図である。
【図３】底吹き羽口本数が３本のときの炉底電極と底吹き羽口との位置関係の一例を示す図である。
【図４】底吹き羽口本数が２本、３本、４本それぞれのときの、底吹き羽口配置の指標（ｒ／Ｒ）とスラグ中％Ｔ．Ｆｅとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
酸化鉄含有鉄原料を、炉上から種湯溶銑の存在するアーク炉へ投入し、アーク熱と種湯溶銑との接触により還元および溶解する方法を対象とする。酸化鉄の還元反応に必要な熱および還元剤である炭素が十分供給され得る溶銑上であって、特に高温である上部電極直下の溶銑湯面部に原料を投入することで、鉄歩留まりが高い酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法を提供する。
【００１９】
本発明は、アーク炉として直流アーク炉を適用する。発明を実施するための形態について、図１を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の酸化鉄含有鉄原料を用いた溶銑製造方法の一例を示す図である。図１において、１は直流アーク炉、２は上部電極、３は炉上原料投入孔、４はアーク、５は炉底電極、６は底吹き羽口、１２は耐火物を示す。図１には、上部電極２として中空の電極を用いているが、上部電極２として中実の電極を用いても良い。
【００２０】
酸化鉄含有鉄原料は炉上原料投入孔３（投入シュート）を用いて直流アーク炉内へ添加されるか、或いは図１に示すように中空の上部電極２を用いた場合には、前記投入シュートからと併せて、中空の上部電極２の内部通路を経由して直流アーク炉内へ添加される。酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解には上部電極２の直下の高温湯面部を利用することが有利であるため、投入シュートから添加する場合にも高温湯面部へ目掛けて添加するが、その際に添加位置の調整がやや難しいほか、原料の粉状部分の一部は排気ダクト１５へと吸引されてしまい、溶銑湯面への添加歩留まりが低くなる難点がある。この点、中空の上部電極２の内部通路を経由して粉状の原料を投入すると、粉状物が排気ダクトへと吸引されずに溶銑１１の高温部に容易に投入することができるので好ましい。
【００２１】
さらに、高温湯面部に添加された酸化鉄含有鉄原料は比重が溶銑よりも小さいために湯面上に浮遊し、炉壁面側へと移動してそこに堆積してしまいがちであるが、後述のように底吹き羽口６を適切に配置して適量の底吹きガスを溶銑１１に吹き込むことによって、炉壁面側への移動を抑止できるように工夫する。高温湯面部になるべく長い時間留まることによって、高温の溶銑と酸化鉄含有鉄原料との接触時間が長くなり、酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解が促進されるからである。
また、底吹きガスを適切に利用することによって、溶銑と酸化鉄含有鉄原料とが混合攪拌されて溶銑中の炭素と酸化鉄含有鉄原料中の酸化鉄とが反応する界面積が増やされると共に、溶銑浴面中心部に下降流が形成され、酸化鉄含有鉄原料が溶銑中へと巻込まれることを助長できるようにする。
【００２２】
本発明において溶融・還元する酸化鉄含有鉄原料は、鉄の金属化率が４５％以上９５％以下のものを対象とする。鉄の金属化率（％）とは、酸化鉄含有鉄原料中の「金属鉄／全鉄含有量（質量％）×１００」を意味する。
【００２３】
本発明は前述のとおり、鉄鉱石やダストなどの酸化鉄原料をシャフト炉や回転炉床炉などの予備還元炉により加熱・予備還元処理して酸化鉄含有鉄原料とした後、当該酸化鉄含有鉄原料を種湯溶銑の存在する直流アーク炉へ投入して還元・溶解する酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解方法に関するものである。直流アーク炉で炭素を還元剤として原料を還元する際に発生するＣＯガスを、予備還元炉での予備還元剤として用いることが、天然ガスの使用量を大幅に削減もしくは不使用とすることができ、かつ、ガス生成炉等の溶鋼製造プロセスとは直接関係ない新たなプロセスを不要とすることができるために好ましい。
【００２４】
予備還元して製造した酸化鉄含有鉄原料の鉄の金属化率が４５％以上であれば、直流アーク炉で発生するＣＯガスの全量を予備還元炉での還元用のＣＯガスとして使用することができるとともに、全体の還元効率低下を来すことなく、炭材原単位の増加を抑制し、直流アーク炉での必要還元熱の増加を抑制して電力原単位増加を防止することができる。一方、シャフト炉などの予備還元炉で天然ガスを用いずにＣＯガスを主体にして還元を行う場合、還元率９５％超の還元鉄を製造することは困難であるため、酸化鉄含有鉄原料の鉄の金属化率上限を９５％とした。
【００２５】
酸化鉄含有鉄原料中の酸化鉄は、種湯溶銑中に含有する炭素を還元剤として還元される。その結果、種湯溶銑中の炭素濃度が低減するので、炭素源を供給する必要がある。酸化鉄含有鉄原料は、アーク炉での還元に寄与する還元剤として、炭素含有物質を含有しても良い。また、追加の炭素源は、酸化鉄含有鉄原料とは別に、炭素含有物質を直流アーク炉中に投入することで供給しても良い。
【００２６】
酸化鉄含有鉄原料は、酸化鉄以外の酸化物を４〜２４質量％含有する。酸化物は具体的にはＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯが挙げられる。これら酸化物はスラグ成分である。原料中のスラグ成分は、溶解が進むと溶銑面にスラグ１３が浮かび、炉上から投入された原料がスラグ１３に捕捉されて溶銑１１との接触を阻害するため溶解せず、鉄歩留まりの低下を招く。そのため、原料中に占めるスラグ成分の上限を２４質量％とした。一方、酸化鉄含有鉄原料は鉄鉱石やダスト等の酸化鉄含有鉄原料を予備還元炉により加熱・予備還元処理するために、焼結鉱やペレットにして用いる。そのためには、上記した酸化物を少なくとも４質量％含有させるのが通常であるため、原料中に占めるスラグ成分の下限を４質量％とした。
【００２７】
直流アーク炉の溶銑に投入する酸化鉄含有鉄原料は、上述のように酸化鉄と酸化鉄以外の酸化物を含有するため、比重が溶銑よりも小さいので、投入すると溶銑の表面に浮く。そのため、投入した酸化鉄含有鉄原料は溶銑表面上に浮いたまま漂って、次々に投入される新たな原料に押しやられて炉壁側に寄りがちである。
【００２８】
そこで、炉壁側へ寄りにくくするように、図１に示すように、上部電極直下の高温湯面部を取り囲むように底吹き羽口６を複数配置して、それらの底吹き羽口６から底吹きガスを適切に流すことを着想した。これらの底吹きガスは、湯面で中心部へ向かう流れを形成するとともに湯面中心部で下降流形成を助長し、さらに溶銑と溶銑上の酸化鉄含有鉄原料とを攪拌して原料中の酸化鉄と溶銑中の炭素の反応界面積を大きくし、還元・溶解を促進する効果も期待される。
【００２９】
そこで、酸化鉄含有鉄原料を炉上から種湯溶銑の存在する直流アーク炉（図１参照）へ投入し、上部電極直下の高温部で種湯溶銑との接触により還元および溶解する方法において、直流アーク炉１の炉底に底吹き羽口６を設けるとともに、底吹き羽口６の本数と設置箇所を種々変更して、底吹き状況が還元・溶解の鉄歩留まりに及ぼす影響を調査した。底吹き羽口６は、その本数を２、３、４本とし、炉底電極中心１４を中心として回転対称に配置した（図２、３参照）。そして、溶解炉内の半径をＲ、炉底電極中心１４から底吹き羽口６の中心までの距離をｒとして、ｒ／Ｒを変化させて、鉄歩留まりに及ぼす影響を調査した。ただし、鉄歩留まりを表す指標として、還元・溶解終了時のスラグ中％Ｔ．Ｆｅを採用した。
【００３０】
本調査においては、シャフト炉にて予備還元した酸化鉄含有鉄原料を使用した。酸化鉄含有鉄原料の組成は表１に示す通りとした。鉄の金属化率は９１．５％、酸化鉄以外の酸化物含有量は６．１質量％である。直流アーク炉１の設備仕様および操業条件は表２に示す通りであり、底吹き羽口６を具備している。直流アーク炉内は温度１３８０〜１４１５℃、Ｃ濃度４．２〜４．３質量％の種湯溶銑５０ｔｏｎが装入されており、中空の上部電極２から５００ｋｇ／ｍｉｎで最大粒径５ｍｍ以下の小径酸化鉄含有鉄原料を３０ｔ分、また、粒径が５ｍｍより大きい塊状の酸化鉄含有鉄原料を炉上原料投入孔３より２０ｔ分、計５０ｔの酸化鉄含有原料を炉内の上部電極直下の高温部へ目掛けて重力落下で６０分間供給しながら、還元・溶解を行った。種湯溶銑中の炭素は還元の進行とともに消費され、炭素濃度が低減するので、消費された炭素分を補給するため、炭素含有物質として土壌黒鉛を逐次炉内に投入した。溶解終了後、溶解量５０ｔｏｎを鍋に出湯し、繰り返し上記作業を行うことで、酸化鉄含有鉄原料の還元・溶解を行った。また、溶銑を出湯した後、還元・溶解により生じたスラグは、鉄歩留まりの指標とする％Ｔ．Ｆｅを調査するためサンプルを採取した後スラグ排出用鍋に排出した。
【００３１】
本調査においては、炉底電極中心１４から底吹き羽口６の中心までの距離を、羽口本数２本の時はｒ＝１．０、２．５、４．０  ｍの３水準で、羽口本数３本の時はｒ＝０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５ｍの９水準で、羽口本数４本のときはｒ＝３．５ｍの１水準で変化させ、溶解炉内の半径Ｒと炉底電極中心１４から底吹き羽口６の中心までの距離ｒの比ｒ／Ｒが鉄歩留まりに及ぼす影響を調査した。なお、本発明に係る調査において、鉄歩留まりの指標としてスラグ中％Ｔ．Ｆｅを採用した。その結果を、指標ｒ／Ｒと併せて表３、図４に纏めて示す。
【００３２】
底吹き羽口本数が２本の場合、図４の黒四角に示した通り、ｒ／Ｒ＝０．２、０．５、０．８の３水準いずれにおいても、ｒ／Ｒの変化に対してスラグ中％Ｔ．Ｆｅの変化は認められず、％Ｔ．Ｆｅが１３％以上と高い状態であった。すなわち、原料中酸化鉄の還元反応が十分に進行せず、鉄歩留まりが低位な状態であった。
【００３３】
底吹き羽口本数が３本の場合、図４の黒丸に示した通り、ｒ／Ｒ＝０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９の９水準の中で、ｒ／Ｒ＝０．５を最小値として下に凸の傾向が見られ、特に下記（１）式の範囲ではスラグ中％Ｔ．Ｆｅが９％以下という高い鉄歩留まりを実現した。底吹き羽口本数が４本で（１）式を満たす場合も、図４の○に示した通り、％Ｔ．Ｆｅが５％と高いＦｅ歩留まりを実現している。
０．２≦ｒ／Ｒ≦０．８  −（１）
【００３４】
上記した底吹き羽口本数とｒ／Ｒがそれぞれスラグ中％Ｔ．Ｆｅに及ぼした影響から、底吹きが鉄歩留まり向上に及ぼす効果は、溶銑面に浮かぶ酸化鉄含有鉄原料が攪拌によって上吹き電極直下の高温湯面部になるべく留まると共に、溶銑内に巻き込まれ、スラグに捕捉されることなく溶銑と接触するため、高効率で還元・溶解が起こることによるものと考えられる。そうであれば、酸化鉄含有鉄原料が投入された高温の溶銑面中心部に向けて周辺部から流れが生じるように、かつ、その周辺部から集まった溶銑の流れが中心部において下向きの流れが生じるように底吹き攪拌を行うことが、鉄歩留まりを向上させるために有利な筈である。
【００３５】
上述のように、底吹き羽口本数が２本の場合には、ｒ／Ｒによらず鉄歩留まりが低いままであった。このことは、２本の底吹き羽口６のみでは溶銑面中心部への流れだけではなく、溶銑面中心部から離れた炉壁側への流れも生じやすいため、溶銑面中心部へ投入された酸化鉄含有鉄原料は炉壁側へと流れてゆき、溶銑内へ巻き込まれないものと推定される。これに対し、底吹き羽口本数が３本以上の場合には、ｒ／Ｒに好適範囲が存在し、好適範囲内では高い鉄歩留まりを実現することができた。３本以上の底吹き羽口による攪拌では各々の羽口からの流れの干渉により溶銑面中心部への表面流れが生じ、かつ溶銑面に浮かぶ原料が中心部で溶鉄へ巻き込まれるため、スラグ中％Ｔ．Ｆｅが低位であったことと整合する。また、底吹き羽口からのガスの流れが溶銑面中心部に近過ぎる場合、ガスの下からの流れで原料を押し上げ、結果として原料を溶銑中へ巻き込ませることなく散逸させてしまう。一方、底吹き羽口からのガスの流れが溶銑面中心部に遠過ぎる場合、ガスの流れが溶銑面中心部にある原料まで届くことなく減衰し、結果原料を溶銑中へ巻き込ませることなく投入した位置に滞留させてしまう。ｒ／Ｒが（１）式の好適範囲にある場合は上記に示す通り、３本以上の底吹き羽口による攪拌で各々の羽口からの流れの干渉により溶銑面中心部への表面流れが生じ、かつ溶銑面に浮かぶ原料が中心部で溶鉄へ巻き込まれる。このことは、ｒ／Ｒに対するスラグ中％Ｔ．Ｆｅが下に凸の関係にあり、また底吹き羽口からのガスの流れが溶銑面中心部に近いｒ／Ｒ＝０．１の場合と遠いｒ／Ｒ＝０．９の場合を除いてスラグ中％Ｔ．Ｆｅが低位であったこと、すなわち鉄歩留まりが良かったことと整合する。底吹き羽口が４本でも好適な効果が得られており、さらに５本以上でも上記と同等もしくはそれ以上の効果が期待される。一方、底吹き羽口の本数増加に伴う攪拌力の増大により、炉底電極損耗が懸念されるので、底吹き羽口本数は３本または４本で好適である。また、上記した本発明の効果は、ｒ／Ｒ＝が０．３〜０．７において一層享受することができる。
【００３６】
【表１】
2018003075.tif 000003
【００３７】
【表２】
2018003075.tif 000004
【００３８】
【表３】
2018003075.tif 000005
【００３９】
本発明において、底吹き羽口６から吹き込むガス種として、窒素ガス、アルゴンガス、酸素含有ガスなどを用いることができる。窒素ガス、アルゴンガスの場合は底吹き羽口６を単管羽口とすることができる。酸素含有ガス、例えば純酸素を吹き込む場合には、二重管羽口とし、内管の内部から酸素含有ガスを流し、内管と外管の間の空間から冷却用のガスを流すと良い。また、底吹き羽口から吹き込むガス量としては、羽口１本から吹き込む溶銑１ｔ当たりの流量で３〜１５Ｎｍ3／ｈ程度とすればよい。この流量が少な過ぎると底吹きによる還元・溶解促進効果が明確に表れない一方、多くし過ぎても効果が飽和してしまうばかりか、底吹き羽口の損耗が激しくなって総合的に操業改善にならなくなるからである。
【００４０】
本発明の底吹き羽口６としては、底吹き羽口６を最低３本以上具備し、かつ溶解炉内の半径をＲ、炉底電極中心１４から底吹き羽口６の中心までの距離をｒとして、前記（１）式を満たす位置に底吹き羽口６を設置すれば良い。さらに好ましくは、底吹き羽口６の本数をＮとし、炉底電極中心１４からそれぞれの底吹き羽口６の中心までの距離ｒは、距離ｒの平均値の０．８〜１．２倍の範囲内にあり、隣接する底吹き羽口６が炉底電極中心１４となす角度は、３００°／Ｎ〜４３０°／Ｎの範囲になるように配置すると良い。底吹き羽口６の配置を上記範囲内とすることにより、底吹き羽口６の偏在を防いで、良好な攪拌流を形成することができる。最も好ましくは、底吹き羽口６を、炉底電極中心１４に対して回転対称に配置すると良い。
【００４１】
直流アーク炉に投入する酸化鉄含有鉄原料を予備還元炉で製造するに際し、低還元率の酸化鉄含有鉄原料を造粒して製造することが考えられるが、一方、低還元率の酸化鉄含有鉄原料は圧潰強度が低く、造粒物が一部粉化してしまうという問題がある。酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解し、溶銑を製造する際、なるべく安価な原料を用いて鉄歩留まりを良くするのが望ましいが、そのためには粉状の酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解することが必要となる。しかし、アーク炉頂から粉状の酸化鉄含有鉄原料を重力投入した場合、その一部は排気ダクトに吸収されるため、鉄歩留まりが低下してしまう。
【００４２】
本発明において好ましくは、図１に示すように、粉状酸化鉄含有鉄原料を、中空の上部電極２および炉上原料投入孔３から直流アーク炉１へ投入し、アーク熱による還元・溶解する溶銑製造方法において、直流アーク炉の中空の上部電極２から最大粒径５ｍｍ以下の小径酸化鉄含有鉄原料を供給し、上部電極直下の高温部で溶銑中の炭素と熱で粉状酸化鉄含有鉄原料を還元・溶解する。小径の酸化鉄含有鉄原料を炉上原料投入孔３から投入すると、溶銑面に到達する前に少なくとも一部が排気ダクト１５に吸収されてしまうが、中空の上部電極２を通して投入することにより、中空の上部電極２の出口から出た原料は高温のアークを通過して直ちに溶銑１１に到達するため、排気ダクト１５への吸収ロスがない。また、上部電極２からその直下の高温湯面部へ原料が添加されるので、必然的に最高温度部へ添加されることになって好都合である。なお、粒径が５ｍｍを超える塊状の酸化鉄含有鉄原料については、炉上原料投入孔３から上部電極直下の高温部へ目掛けて投入しても良い。
【００４３】
酸化鉄含有鉄原料は、シャフト炉、回転炉床炉などの予備還元炉にて製造される。予備還元のための原料は、その種類は特には限定されず、種々のものが使用できる。その中でも、例えば、塊状鉄鉱石（塊鉱石）や粉状鉄鉱石（製鋼ダスト等の鉄含有ダスト類を含む）を塊成化した焼結鉱、及び、粉状鉄鉱石（鉄含有ダスト類を含む）を塊成化したペレットが好ましい。
【符号の説明】
【００４４】
１  直流アーク炉
２  上部電極
３  炉上原料投入孔
４  アーク
５  炉底電極
６  底吹き羽口
１１  溶銑
１２  耐火物
１３  スラグ
１４  炉底電極中心
１５  排気ダクト
【図１】
2018003075.tif 000006
【図２】
2018003075.tif 000007
【図３】
2018003075.tif 000008
【図４】
2018003075.tif 000009