(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク式電気炉を用いて金属原料を溶解する際に、過去の操業実績に基づいて定めた金属原料への通電開始から溶け落ちまでの目標通電時間の０．６倍以上０．８倍以下の時期に、炉内周辺部に残存する未溶解の金属原料を、炉壁を貫通する開口部から炉内側に５０ｍｍ以上押し込み、前記未溶解の金属原料に酸素を吹き込み加熱することを特徴とするアーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法。
【請求項２】
請求項１記載のアーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法において、前記未溶解の金属原料の加熱は、水冷ランスを介して酸素と燃料の混合ガスを吹き込んで行うことを特徴とするアーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気炉の操業では、“溶解期”と呼ばれる通電時間帯を設定して金属原料を溶解し、金属原料の大部分が溶解した時点を“溶け落ち”と呼び、溶解期の完了時点として管理している（非特許文献１の６７頁参照）。溶け落ち後は、“酸化期”と呼ばれる脱炭操業を行うなど所定の目的に沿った操業が行われることもあるが、電気炉操業を完了させるのが一般的である。
【０００３】
この溶解期操業では、通電初期に低目の電力で送電し、その後、電圧を上げ最大電力を投入する等の電力コントロールが行われる（同文献の６７頁参照）。電力のコントロールは電力投入パターンとも呼ばれ、最近では、同文献の２４９頁に記載されている以下の操業が標準となってきている。即ち、過去の操業実績に基づいて通電開始から溶け落ちまでの通電時間を実質的に定める操業が行われている。
「電力投入パターンは各種溶解状態での最適値を狙ってプログラムによりプリセットされる。その因子は電圧、電流、積算投入電力で、設定された積算電力に到達した時点で電圧、電流の組合せが次の設定値にセットされる。電力投入パターンはスクラップの性状や組合せによって変化させることが効率的な操業につながるため、あらかじめ数種類のパターンを登録しておき、操業ごとに適切なパターンが選べるようになっている。」
【０００４】
アークによって金属原料の溶解を行うアーク式電気炉では、電極からの放電に伴う熱によって電極近傍から金属原料が溶解を始め、徐々に溶解範囲が炉壁に向かって広がっていく。金属原料の未溶解分（以下、「未溶解金属原料」とも呼ぶ。）が炉内周辺部（炉壁近傍の溶湯面より上の部分や炉底の炉壁近傍）に残存するが、炉壁耐火物保護の観点から、溶解末期には通電を抑制するのが一般的である。炉壁近傍の溶湯面より上の部分に残存する未溶解金属原料の場合、溶解が進行すると炉壁耐火物が露出し始めるからである。
溶解末期における通電抑制によって未溶解金属原料の溶解が遅延し、通電時間の延長等、生産性が低下する。
【０００５】
三相交流を用いるアーク式電気炉の場合、３本の電極により金属原料を溶解する。そのため、炉内周辺部に存在する金属原料の未溶解状況はホットスポットとコールドスポットで異なる。図２に示すように、アーク式電気炉１０を平面視した際、炉芯１４から電極１５の中心に向けて延長した仮想線と炉壁１３とが交差する交差部の近傍領域がホットスポットＨＳ、炉芯１４から電極１５間の中間点に向けて延長した仮想線と炉壁１３とが交差する交差部の近傍領域がコールドスポットＣＳである。
一般に、コールドスポットＣＳには多量の未溶解金属原料１６が残存する。一方、ホットスポットＨＳに残存する未溶解金属原料１６はコールドスポットＣＳに比べて少ない。そのため、三相交流を用いるアーク式電気炉１０では、ホットスポットＨＳの炉壁耐火物を保護する必要上、溶解末期における通電抑制による生産性の低下が顕著となる。
【０００６】
炉内周辺部に残存する未溶解金属原料１６の溶解を促進するため、炉壁１３に設けた開口部１２から吹酸ランス（図示省略）を炉内に挿入して局所的な溶解促進を図る方法が採られるが、開口部１２は一般にコールドスポットＣＳに設けられているため、コールドスポットＣＳに残存する未溶解金属原料１６が障壁となり吹酸ランスを炉内に挿入するタイミングが遅れる結果となる。
予め炉壁１３にバーナーを設置し、コールドスポットＣＳに残存する未溶解金属原料１６の溶解を促進させる手段もあるが、耐火物の損耗を避ける必要から炉内周辺部に残存する未溶解金属原料１６の溶解促進には限界がある。
【０００７】
そこで、例えば特許文献１には、偏芯炉底出鋼方式の電気炉における出鋼口下部の溶解遅れ解消を目的として、出鋼口上部に吹酸ノズルを設置して未溶解金属原料の溶解促進を図る方法が記載されている。
また、特許文献２には、アーク炉の炉側壁を貫通してアーク炉内に出入り可能なプッシャーを炉周方向に複数個設け、炉内周辺部の未溶解金属原料をプッシャーで炉内側に移動させて未溶解金属原料の溶解を促進する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３４５２３０号公報
【特許文献２】特開平１１−３４４２８８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】森井廉，「叢書  鉄鋼技術の流れ  第２シリーズ  第３巻  電気炉製鋼法」，（社）日本鉄鋼協会，２０００年５月８日，ｐ．６５−６７，２４９，２５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１記載の方法、即ち、炉内周辺部の未溶解金属原料に対して、吹酸ノズルで酸素を吹き付けて溶解させる方法は、ある一定の効果はあるものの、溶け落ちまでの時間を短縮する余地がある。
また、特許文献２記載の方法の場合、炉内周辺部に残存する未溶解金属原料のうち、プッシャーに押し込まれた部分は炉体中心方向に移動して溶解が進むが、残りの部分（例えば、炉底の炉壁近傍に残存する未溶解金属原料）は炉壁近傍に残存してしまうという問題があった（例えば特許文献２の図３参照）。そのため、炉内周辺部に残存する未溶解金属原料全体を迅速に溶解することはできなかった。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、炉内周辺部に残存する未溶解金属原料全体を、炉壁耐火物を損耗させることなく、効率的かつ迅速に溶解させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係るアーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法は、アーク式電気炉を用いて金属原料を溶解する際に、過去の操業実績に基づいて定めた金属原料への通電開始から溶け落ちまでの目標通電時間の０．６倍以上０．８倍以下の時期に、炉内周辺部に残存する未溶解の金属原料を、炉壁を貫通する開口部から炉内側に５０ｍｍ以上押し込み、前記未溶解の金属原料に酸素を吹き込み加熱することを特徴としている。
【００１３】
アーク式電気炉における金属原料の溶解では、炉芯近傍の電極直下の金属原料が先行溶解（ボーリング）し、ボーリング孔を周囲に拡大させながら金属原料の溶解が進行する。そのため、炉内周辺部に存在する金属原料の溶解が最後となるが、未溶解金属原料が炉内周辺部に残存する。炉内周辺部に残存する未溶解金属原料の溶解が進むと炉壁耐火物の露出が進むため、炉壁耐火物保護の観点から、溶解末期における通電は一般に抑制される。従って、生産性を向上するためには、炉壁耐火物を損耗させることなく、炉内周辺部に残存する未溶解金属原料を効率的に溶解することが重要な課題となる。
【００１４】
本発明では、未溶解金属原料を炉内に押し込むことと加熱との併用により、炉壁近傍に残存する未溶解金属原料と炉壁との溶着を剥離させ、未溶解金属原料を溶湯へ滑落させて溶解の促進を図る。
具体的には、通電開始後、炉壁近傍に残存する未溶解金属原料を構成する個々の塊状物同士の溶着が十分なされた頃に、溶着した未溶解金属原料を炉壁近傍から炉内方向に押し出すと共に、押し出されて安定性を失った未溶解金属原料に対して酸素を用いた加熱を実施する。これにより、未溶解金属原料と炉壁との密着部分が溶融剥離し、剥離した未溶解金属原料は溶融金属中に滑り落ちる。従って、炉壁耐火物を損耗させることなく、炉壁近傍の未溶解金属原料を迅速に溶解させることができる。
さらに本発明では、未溶解金属原料を構成する個々の塊状物同士が溶着した後に未溶解金属原料を炉内側に押し込むので、押し込み棒に接触する部分の未溶解金属原料に限らず、炉壁近傍の未溶解金属原料全体を効率的に押し出すことができる。
【００１５】
［未溶解金属原料の押し込み時期について］
本発明者等は、上記した押し込み有無の条件の違いによって、通電開始から溶け落ちまでの通電時間が概ね１割短縮できることを目視観察によって発見した。また、時間短縮が可能となる、未溶解金属原料の押し込み時期は、未溶解金属原料の押し込みを行わない場合における通電開始から溶け落ちまでの通電時間Ｔ０に０．５〜０．９を乗じた経過時刻であることを発見した。
【００１６】
未溶解金属原料の押し込みを実施しない操業に関する過去の実績に基づく通電時間Ｔ０を、請求項１記載の「過去の操業実績に基づいて定めた金属原料への通電開始から溶け落ちまでの目標通電時間」とした場合、経過時刻がＴ０×０．５以上になると、未溶解金属原料の塊同士の溶着が進み、未溶解金属原料全体を一体的に押し出すことが可能となる。Ｔ０×０．５未満であれば、未溶解金属原料の塊間の溶着が不十分なため、炉壁近傍の未溶解金属原料全体を押し込むことができず未溶解金属原料の残存が発生する。一方、経過時刻がＴ０×０．９を超えると、炉壁近傍の未溶解金属原料の残存量が減少し、未溶解金属原料の押し込みや加熱の効果が減滅する。
【００１７】
なお、未溶解金属原料の押し込みと加熱を実施する操業に関する過去の実績に基づく通電時間Ｔ１（通電開始から溶け落ちまでの通電時間）を、請求項１記載の「過去の操業実績に基づいて定めた金属原料への通電開始から溶け落ちまでの目標通電時間」とした場合は以下のようになる。経過時刻がＴ１×０．５６（≒Ｔ０×０．５）以上となると、未溶解金属原料全体を一体的に炉内側に押し込むことが可能となる。一方、経過時刻がＴ１×０．９（≒Ｔ０×０．８）を超えると、未溶解金属原料の押し込みや加熱の効果が減滅する。
【００１８】
このように、「過去の操業実績に基づいて定めた金属原料への通電開始から溶け落ちまでの目標通電時間」には上述した２通りの場合があり得るが、双方の場合において効果を得るため、本発明では、未溶解金属原料の押し込み開始時期を目標通電時間の０．６倍以上０．８倍以下に規定している。
【００１９】
［未溶解金属原料の押し込み量について］
未溶解金属原料を５０ｍｍ以上炉内側に押し込めば、未溶解金属原料は炉壁から剥離可能な状態となる。この状態の未溶解金属原料を加熱することにより、未溶解金属原料と炉壁との溶着が剥がれ、未溶解金属原料は溶湯中に滑り落ちる。
押し込み量の上限値は特に定めないが、押し込み量の増加に応じて押し込み機が過大となるため、押し込み量は３００ｍｍ以下が望ましい。
【００２０】
また、本発明に係るアーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法では、前記未溶解の金属原料の加熱は、水冷ランスを介して酸素と燃料の混合ガスを吹き込んで行うようにしてもよい。
【００２１】
酸素と燃料の混合ガスを用いて未溶解金属原料を加熱することで、より大きな加熱効果が得られ、炉壁から未溶解金属原料が剥がれる時期を早めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るアーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法では、個々の塊状物同士が溶着した未溶解金属原料を炉内側に押し込んで酸素による加熱を行うので、炉壁近傍の未溶解金属原料全体が炉壁から剥離し溶融金属中に滑り落ちる。その結果、炉内周辺部に残存する未溶解金属原料全体を、炉壁耐火物を損耗させることなく、効率的かつ迅速に溶解させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施の形態に係るアーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法を説明するための模式図である。
【図２】溶解末期におけるアーク式電気炉の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
【００２５】
本発明は、１０ｔｏｎ〜１５０ｔｏｎの溶湯が溶製できるアーク式電気炉を対象とする。なお、本発明が対象とするアーク式電気炉の好ましい炉容量の下限は３０ｔｏｎ、好ましい炉容量の上限は１００ｔｏｎである。
本発明の一実施の形態に係るアーク式電気炉における金属原料の溶解促進方法を適用するアーク式電気炉１０の縦断面図を図１に、平面図を図２に示す。
アーク式電気炉１０は有底円筒状とされ、炉芯１４の周りには３本の電極１５が平面視して正三角形の頂点位置に配置されている。溶湯（溶融金属）１７を保持する炉底１１は耐火物でお碗状に形成され、撹拌ガス吹き込みプラグ１９が複数埋設されている。また、炉壁１３には水冷パネル２０が配置されている。
【００２６】
アーク式電気炉１０を平面視して、炉芯１４から電極１５の中心に向けて延長した仮想線と炉壁１３とが交差する交差部の近傍領域をホットスポットＨＳ、炉芯１４から電極１５間の中間点に向けて延長した仮想線と炉壁１３とが交差する交差部の近傍領域をコールドスポットＣＳと呼んでいる（図２参照）。
コールドスポットＣＳには多量の未溶解金属原料１６が残存する。本実施の形態では、炉内周辺部、特にコールドスポットＣＳに残存する未溶解金属原料１６を炉内側に押し込むと共に、炉内側に移動した未溶解金属原料１６に酸素を吹き込むための開口部１２が炉壁１３の各コールドスポットＣＳに設けられている。
【００２７】
本実施の形態では、過去の操業実績に基づいて定めた金属原料への通電開始から溶け落ちまでの目標通電時間の０．６倍以上０．８倍以下の時期に、押し込み機１８の前部に取り付けられている押し込み棒１８ａを、炉壁１３を貫通する開口部１２から挿入し、炉内周辺部、特にコールドスポットＣＳに残存する未溶解金属原料１６を炉内側に５０ｍｍ以上押し込む。
個々の塊状物同士が溶着した未溶解金属原料１６を炉壁１３近傍から炉内方向に押し込むことにより、溶着した未溶解金属原料１６が鉛直面内で傾斜し、炉壁１３に沿って滑り落ちやすい状態となっている（図１参照）。
【００２８】
この状態で、開口部１２から炉内に吹酸ランス（図示省略）を挿入し、未溶解金属原料１６に対して酸素を吹き込み加熱すると、未溶解金属原料１６と炉壁１３との密着部分が溶融剥離し、剥離した未溶解金属原料１６は溶湯１７中に滑り落ちて溶解する。
【００２９】
なお、本実施の形態では、未溶解金属原料１６の押し込みと同じ開口部１２から吹酸ランスを挿入して加熱したが、例えば、押し込みに用いた開口部１２と異なる位置の開口部１２から吹酸ランスを挿入して加熱してもよい。また、酸素のみではなく、例えば酸素とＬＮＧ（燃料の一例）の混合ガスを水冷ランスを介して吹き込んでもよい。
【００３０】
以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、電極を３本としているがこれに限るものではなく、例えば１本でもよい。また、上記実施の形態では、未溶解金属原料を押し込む箇所を３箇所の開口部としているがこれに限るものではなく、例えば、未溶解金属原料が最も多く残存している箇所に近接する開口部のみから押し込んでもよい。さらにまた、未溶解金属原料を押し込む箇所はコールドスポットに限るものではなく、ホットスポットから押し込んでもよい。
【実施例】
【００３１】
本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
アーク式電気炉には、１００ｔｏｎの溶湯が溶製できるものを使用した。電極数は３本、総投入電力は４０ＭＷとした。
【００３２】
以下の金属原料と副原料を炉内に装入した。
ａ）炭素源と珪素源を含む以下の金属原料を合計５５ｔｏｎ（電気炉装入物の５５質量％）使用した。
スクラップ、鋳銑（高炉溶銑を凝固させたもの）、合金鉄（Fe-Cr、Fe-Si等）
ｂ）以下の副原料を合計４５ｔｏｎ（電気炉装入物の４５質量％）使用した。
リサイクルスラグ、生石灰、アルミナ源、炭材
【００３３】
通電開始から溶け落ちまでの合計通電時間（目標通電時間）Ｔが６０分の電力投入パターンを用いた。なお、この電力投入パターンは、未溶解金属原料の押し込みと加熱を前提としている。
【００３４】
操業条件は以下の通りである。
・出湯前溶鉄温度：１５００℃
・炉壁に形成した開口部の位置：コールドスポットの３箇所
・炉壁近傍に存在する未溶解金属原料の押し込み時期（通電開始からの時間）：無し、０．４４Ｔ（２６分）、０．６Ｔ（３６分）、０．８Ｔ（４８分）、０．９５Ｔ（５７分）
・未溶解金属原料の押し込み量：０ｍｍ、５０ｍｍ、３００ｍｍ
・押し込んだ未溶解金属原料の加熱：加熱無し、吹酸ランスを用いて酸素で加熱、水冷ランスを用いて酸素とＬＮＧの混合ガスで加熱
【００３５】
通電処理後、溶湯とスラグを炉体から鍋へ排出した。排出する際に出湯口及び炉内を目視観察し、未溶解金属原料が確認されなかった場合を〇、その中でも溶解時間が短縮できた場合を◎、未溶解金属原料が残存し操業上支障がある場合を×と評価した。
試験結果の一覧を表１に示す。
【００３６】
【表１】
0006468063.tif 000002
【００３７】
検証試験より以下のことが判明した。
全ての実施例において未溶解金属原料が確認されなかった。なかでも、酸素とＬＮＧの混合ガスを使用した実施例４は、加熱効果大きく、未溶解金属原料と炉壁との溶着が早期に剥離して未溶解金属原料を溶湯へ装入できた。
一方、未溶解金属原料の押し込み時期を０．４４Ｔとして酸素加熱した比較例１は、未溶解金属原料の塊状物間の溶着が不十分なため、押し込み後も炉壁近傍に未溶解金属原料が残存した。また、大きな押し込み力を必要とした。
逆に、未溶解金属原料の押し込み時期を０．９５Ｔとして酸素加熱した比較例２は、未溶解金属原料の溶解が進みすぎたため炉壁耐火物の損傷が見られた。また、押し込み後であっても炉壁の溶湯湯面近傍に未溶解金属原料が残存した。
【００３８】
押し込んだ未溶解金属原料を加熱しなかった比較例３は、加熱が無いので、未溶解金属原料と炉壁との溶着がとれず、炉壁近傍に未溶解金属原料が残存した。
未溶解金属原料を押し込まなかった比較例４は、加熱後であっても未溶解金属原料が炉壁近傍に残存した。また、未溶解金属原料の押し込みが無い場合、未溶解金属原料の加熱溶解に、かなりの時間を要し、通電が完了したときは概ね１割程度時間が延びた。
【符号の説明】
【００３９】
１０：アーク式電気炉、１１：炉底、１２：開口部、１３：炉壁、１４：炉芯、１５：電極、１６：未溶解金属原料、１７：溶湯（溶融金属）、１８：押し込み機、１８ａ：押し込み棒、１９：撹拌ガス吹き込みプラグ、２０：水冷パネル、ＣＳ：コールドスポット、ＨＳ：ホットスポット
【図１】
0006468063.tif 000003
【図２】
0006468063.tif 000004