(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製鋼工程で生成された溶融スラグを溶融状態のままスラグ保持炉に投入し、前記スラグ保持炉から、溶鉄層と前記溶鉄層上に形成された溶融スラグ層とを収容する電気炉内に、間欠的に前記溶融スラグを注入し、前記電気炉にて前記溶融スラグを連続的に還元して、前記溶融スラグ中の有価物を前記溶鉄層中に回収するスラグ処理方法であって、
前記電気炉で発生した排ガスを前記スラグ保持炉内に導気するとともに、前記スラグ保持炉内に酸素含有ガスを所定の流量で供給することによって前記排ガス中の可燃性成分を燃焼させるに際し、
前記溶融スラグの注入直後の前記酸素含有ガスの流量を、前記溶融スラグの注入量ΔＷと、注入前に前記溶融スラグ層に含まれる前記溶融スラグの量Ｓｗおよび注入前に前記溶融スラグ層に含まれる前記溶融スラグの温度Ｔと、操業時の実績値に基づく定数αとβとに基づいて下記式で算出した流量に設定した後、
前記酸素含有ガスの流量を、前記スラグ保持炉のガス排出口付近における前記排ガス中のＣＯ濃度および酸素濃度に基づいてフィードバック制御する、スラグ処理方法。
【数１】
0006560868.tif 000011
ここで、
ＦＯ２：前記溶融スラグの注入直後の前記酸素含有ガスの流量
ＦＯ２’：注入前の前記酸素含有ガスの流量
ΔＷ：前記溶融スラグの注入量
Ｓｗ：注入前に前記溶融スラグ層に含まれる前記溶融スラグの量
Ｔ：注入前に前記溶融スラグ層に含まれる前記溶融スラグの温度
α，β：定数
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鋼工程で生成される溶融スラグを溶融状態のままでスラグ保持炉にて一時的に保持してから、電気炉に注入して還元するスラグ処理方法およびスラグ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鋼工程において転炉等を用いて脱硫、脱燐または脱炭精錬により生成されるスラグ（製鋼スラグ）は、ＣａＯを大量に含んでいる。このため、製鋼スラグは、膨張性が高く体積安定性が悪いので、従来では、セメント原料、骨材等への再利用が制限されてきた。しかし、近年、資源のリサイクルの要請が高まる中、製鋼スラグからＦｅやＰなどの有価物を分離回収するとともに、製鋼スラグを高品質のスラグに改質して再利用することが希求されており、これまでにも各種のスラグ処理方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、溶解炉内の鉄鋼溶湯に鉄鋼スラグを加え、熱および還元材を加えて鉄鋼スラグを変成しつつ、スラグ中のＦｅ、ＭｎおよびＰを溶湯に移行させて変成スラグを得る第１工程と、溶湯中のＭｎおよびＰを酸化させて順次変成スラグに移行させ、高Ｍｎスラグ、高Ｐスラグを順次取り出す第２、第３工程とを含むスラグ処理方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、炭素含有率１．５ｗｔ％未満の鋼鉄浴に、酸化鉄含有率５ｗｔ％超の鋼鉄スラグを投入してから、炭素または炭素キャリアの導入により鋼鉄浴を炭化して炭素含有率２．０ｗｔ％超の鋼鉄浴を得て、その後に、鋼鉄スラグ中の酸化物を還元する方法が開示されている。当該方法では、スラグ投入時に鉄鋼浴との激しい反応に伴うスラグの発泡（スラグフォーミング）や炉からの噴出（オーバーフロー）を抑制するために、スラグ投入前に鋼鉄浴の炭素含有率を低下させておくことでスラグ投入時の反応速度を緩和させ、その後に当該炭素含有率を上昇させてスラグの還元処理を行っている。
【０００５】
また、非特許文献１には、電気炉内に製鋼スラグ粉、炭材粉およびスラグ改質材粉を装入し、スラグの還元試験を行った結果が開示されている。さらに、特許文献３には、開放型直流電気炉内で、非鉄精錬で発生した溶融スラグを炭素質還元材で還元して、金属層とスラグ層に分離し、有価金属を回収する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、低温で流動性の低い製鋼スラグを溶融改質するために、容器内に収容した低流動性の製鋼スラグに改質材を添加または溶射する前後に、スラグ表層を機械的に撹拌してから、加熱バーナーを用いてスラグと改質材の混合層を加熱して溶融させ、得られた溶融スラグを容器から排出して凝固させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５２−０３３８９７号公報
【特許文献２】特表２００３−５２０８９９号公報
【特許文献３】オーストラリア特許ＡＵ−Ｂ−２０５５３／９５号明細書
【特許文献４】特開２００５−１４６３５７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓｃａｎｄｉｎａｖｉａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  ２００３；３２：ｐ．７−１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１記載のスラグ処理方法では、転炉を用いて還元処理を行っているため、溶湯とスラグが強く撹拌されている。このため、スラグ投入時に溶湯の炭素濃度が高いと、スラグが溶湯と接触することにより、反応が促進されてフォーミングが起こる。これを回避するために、炭素濃度が低い溶湯にスラグを投入後、還元反応の促進のために、炭素を投入して溶湯の炭素濃度を増加させるため、バッチ処理を繰り返す必要がある。すなわち、所要の成分組成のスラグを得るために、複数回のバッチ処理（多数回のスラグ還元処理と、Ｍｎ、Ｐの酸化および取り出し処理）を繰り返し行う必要があるので、作業効率および生産性が低下する。
【００１０】
同様に、特許文献２記載のスラグ還元方法でも、転炉を用いて還元処理を行っているため、溶鉄中の炭素濃度を増減させてスラグの還元処理を行うために、脱炭昇熱と加炭還元というバッチ処理を繰り返すことになり、作業効率および生産性が低下する。
【００１１】
一方、非特許文献１記載の還元試験では、凝固した冷間の製鋼スラグの粉砕物を処理対象としており、特許文献３記載の方法も、凝固した冷間スラグを処理対象としている。この場合、スラグの還元処理を行うためには、冷間スラグを加熱溶融させる必要があり、その分だけエネルギー原単位が高くなってしまう。
【００１２】
以上のように、熱間の製鋼スラグをバッチ処理でリサイクルする従来方法（特許文献１、２）では、スラグ処理の作業効率および生産性が低いという問題があった。一方、冷間の製鋼スラグを加熱溶融させてリサイクルする従来方法（非特許文献１および特許文献３）では、スラグ処理に要するエネルギー原単位が高くなるという問題があった。
【００１３】
そこで、本願発明者らは、エネルギー原単位を低減するために、製鋼工程で生成された溶融状態の製鋼スラグ（以下、溶融スラグという。）を凝固させることなく溶融状態のままで処理でき、かつ、作業効率および生産性を向上するために、当該溶融スラグの還元処理を連続的に実行できる方法について鋭意検討した。
【００１４】
溶融スラグを溶融状態のままで電気炉内の溶鉄上に投入すれば、冷間スラグを加熱溶融させる場合よりもエネルギー原単位を抑制できる。しかし、溶融スラグを電気炉内の溶鉄上に投入する際、スラグが溶鉄と急激に反応して突沸する現象（スラグフォーミング）が発生し、これが激しくなるとスラグが電気炉から溢れ出す現象（オーバーフロー）が発生する場合もある。従って、かかるスラグフォーミング等を抑制し、オーバーフローを防止する対策を採用する必要がある。
【００１５】
還元炉（転炉等）では、スラグと溶鉄間の反応により還元反応が促進され、溶鉄中のＣがスラグ中のＦｅＯを還元するので、還元力を向上させるためには、脱炭・加炭を繰り返し行う必要があり、作業効率が低下する。これに対し、電気炉での還元反応は、スラグ−溶鉄間の反応よりも、スラグ中の鉄分（ＦｅＯ）と炭素分（Ｃ）との反応が支配的であることが分かった。それ故、電気炉を用いた場合、溶鉄中のＣ濃度が１．５質量％程度と低い場合であっても、加炭なしで、スラグの還元処理を行うことが可能であり、作業効率を向上できることが判明した。従って、還元炉に代えて、電気炉を用いることは、溶融スラグの投入時におけるスラグフォーミングを抑制する対策の一つと成り得る。
【００１６】
しかし、電気炉内の溶鉄中のＣ濃度が高い場合もあり得る。そこで、本願発明者らは、かかる場合であっても、スラグ投入時のスラグフォーミング等を抑制可能であり、かつ、脱炭・加炭処理を行わなくとも、高い作業効率で溶融スラグを適切に還元処理できる方法について鋭意検討し、実験を重ねた。
【００１７】
その結果、（ａ）流動性を有する高温の溶融スラグを、電気炉に直接投入するのではなく、電気炉に隣接配置されたスラグ保持炉に一旦保持した上で、上記オーバーフローが発生しないように注入量を調整しながら、スラグ保持炉から電気炉内に溶融スラグを徐々に注入すること、および、（ｂ）電気炉内の溶鉄層上に溶融スラグ層（好ましくは、不活性な還元スラグ層）を緩衝帯として形成しておき、当該溶融スラグ層にスラグ保持炉から溶融スラグを注入することが、スラグ投入時のスラグフォーミングを抑制して、オーバーフローを回避する観点から好適であることが判明した。
【００１８】
このようにスラグ保持炉を用いて、溶融スラグの注入量を調整しながら電気炉内の溶融スラグ層上に注入することで、スラグ注入中に急激なスラグフォーミングの発生を抑制できるとともに、脱炭・加炭を行うことなく、電気炉において連続的にスラグの還元処理を実行することが可能となる。
【００１９】
ところで、上記の電気炉では、スラグの還元処理に伴って、ＣＯガスを含む排ガスが発生する。ＣＯガスは有毒であるため、電気炉からの排気経路上で除去する必要がある。例えば、排ガスを電気炉からスラグ保持炉内に導気した上でスラグ保持炉内に酸素を供給すれば、ＣＯガスを燃焼によってＣＯ２として無害化することでＣＯを除去することができる。これによって、スラグ保持炉以降の排気経路に設置する除去設備を簡略化することができる。さらに、この場合、ＣＯガスの燃焼によって発生する熱を利用して、スラグ保持炉内の雰囲気温度を高温に維持することができる。スラグ保持炉内の雰囲気温度が低下すると溶融スラグが凝固しやすくなるため、雰囲気温度を高温に維持することは重要である。
【００２０】
このようにスラグ保持炉内でＣＯガスを燃焼させる場合、スラグ保持炉内への酸素供給量を適切に保つことが、ＣＯガスの十分な除去、およびスラグ保持炉内の雰囲気温度維持のために重要である。つまり、スラグ保持炉内への酸素供給量が排ガス中のＣＯガスの量の量に比べて少なすぎれば、ＣＯガスを完全には燃焼させられず、スラグ保持炉以降の排気経路に未燃焼のＣＯガスが流出してしまうのに加えて、雰囲気温度維持の効果が小さくなってしまう。また、スラグ保持炉内への酸素供給量が排ガス中のＣＯガスの量に比べて多すぎれば、ＣＯガスは完全に燃焼するものの、余剰な酸素ガス（多くの場合、供給時には常温である）がスラグ保持炉内に残ることによって、雰囲気温度が低下してしまう。
【００２１】
上記の点を考慮して、スラグ保持炉内への酸素供給量を適切に保つためには、フィードバック制御を導入することが考えられる。例えば、スラグ保持炉を出た排ガスに含まれる酸素およびＣＯの濃度を測定し、ＣＯが検出された場合には酸素が不足していると判断して酸素供給量を増加させ、酸素が検出された場合には酸素が過剰であると判断して酸素供給量を減少させることが考えられる。例えば、溶融スラグが、スラグ保持炉から電気炉に連続的に注入されるような場合であれば、フィードバック制御は有効である。
【００２２】
しかしながら、実際の操業では、溶融スラグの時間あたりの注入量が少ないとスラグ保持炉の注ぎ口などで溶融スラグが凝固しやすくなることが懸念されるため、ある程度まとまった量の溶融スラグを間欠的に注入することが多い。この場合、溶融スラグの注入に伴って、電気炉でのＣＯガスの発生量が急激に変化する。より具体的には、溶融スラグの注入前には還元反応の収束によって少なくなっていたＣＯガスの発生量が、溶融スラグの注入直後から還元反応が再び活発になることによって急激に増加する。
【００２３】
上記のような場合に、溶融スラグの注入前のＣＯガスの発生量に基づいたフィードバック制御を実施していたのでは、溶融スラグの注入後のＣＯガスの発生量の急激な増加に酸素供給量を追随させるのに時間がかかり、適切な酸素供給量に到達するまでに大量のＣＯガスがスラグ保持炉以降の排気経路に流出してしまう。そこで、溶融スラグの注入時の酸素供給量を別途設定することが考えられるが、上記の通り酸素供給量が多すぎればスラグ保持炉内の雰囲気温度の低下につながるため、過不足のない酸素供給量を適切に決定するための方法が必要である。そのような方法については、いまだ提案されていない。
【００２４】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、溶融スラグの注入直後のスラグ保持炉への酸素供給量を適切に決定することが可能な、新規かつ改良されたスラグ処理方法およびスラグ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、製鋼工程で生成された溶融スラグを溶融状態のままスラグ保持炉に投入し、スラグ保持炉から、溶鉄層と溶鉄層上に形成された溶融スラグ層とを収容する電気炉内に、間欠的に溶融スラグを注入し、電気炉にて溶融スラグを連続的に還元して、溶融スラグ中の有価物を溶鉄層中に回収するスラグ処理方法であって、電気炉で発生した排ガスをスラグ保持炉内に導気するとともに、スラグ保持炉内に酸素含有ガスを所定の流量で供給することによって排ガス中の可燃性成分を燃焼させるに際し、溶融スラグの注入直後の酸素含有ガスの流量を、溶融スラグの注入量ΔＷと、注入前に溶融スラグ層に含まれる溶融スラグの量Ｓｗおよび注入前に溶融スラグ層に含まれる溶融スラグの温度Ｔと、操業時の実績値に基づく定数αとβとに基づいて下記式で算出した流量に設定した後、酸素含有ガスの流量を、スラグ保持炉のガス排出口付近における排ガス中のＣＯ濃度および酸素濃度に基づいてフィードバック制御する、スラグ処理方法が提供される。
【数１】
0006560868.tif 000002
ここで、
ＦＯ２：溶融スラグの注入直後の酸素含有ガスの流量
ＦＯ２’：注入前の酸素含有ガスの流量
ΔＷ：溶融スラグの注入量
Ｓｗ：注入前に溶融スラグ層に含まれる溶融スラグの量
Ｔ：注入前に溶融スラグ層に含まれる溶融スラグの温度
α，β：定数
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように本発明によれば、溶融スラグの注入直後のスラグ保持炉への酸素供給量を適切に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスラグ処理プロセスを示す工程図である。
【図２】同実施形態に係るスラグ処理設備の全体構成を示す模式図である。
【図３】同実施形態に係るスラグ保持炉（保持姿勢）および電気炉を示す縦断面図である。
【図４】同実施形態に係るスラグ保持炉（注入姿勢）および電気炉を示す縦断面図である。
【図５】本発明の実施例において酸素ガス流量の算出式に用いる定数の決定過程を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例における操業の経過を示すグラフである。
【図７】図６の実施例に対する比較例における操業の経過を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３２】
（１．スラグ処理プロセスの概要）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係るスラグ処理プロセスの概要を説明する。図１は、本実施形態に係るスラグ処理プロセスを示す工程図である。
【００３３】
図１に示すように、製銑工程（Ｓ１）で高炉を用いて溶銑が製造され、製鋼工程（Ｓ２）で転炉等を用いて銑鉄が鋼に精錬される。この製鋼工程（Ｓ２）は、溶銑中の硫黄、燐、炭素等を除去する脱硫、脱燐、脱炭の各工程と、溶鋼中に残った水素等の気体や硫黄等を除去して成分調整を行う二次精錬工程（Ｓ６）と、連続鋳造機で溶鋼を鋳造する鋳造工程（Ｓ７）とを含む。
【００３４】
上記製鋼工程（Ｓ２）では、転炉内で、酸化カルシウムを主成分とするフラックスを用いて溶銑が精錬される。この際、転炉内に吹き込まれた酸素により溶銑中のＣ、Ｓｉ、Ｐ、Ｍｎ等が酸化され、当該酸化物は酸化カルシウムと結び付きスラグとして生成される。また、脱硫、脱燐、脱炭の各工程（Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）では、それぞれ成分の異なるスラグ（脱硫スラグ、脱燐スラグ、脱炭スラグ）が生成される。
【００３５】
本明細書では、上記製鋼工程で生成されるスラグを製鋼スラグと総称し、当該製鋼スラグは、脱硫スラグ、脱燐スラグ、脱炭スラグを含む概念である。また、高温の溶融状態にある製鋼スラグを溶融スラグと称し、同様に、溶融状態にある脱硫スラグ、脱炭スラグ、脱燐スラグをそれぞれ、溶融脱硫スラグ、溶融脱燐スラグ、溶融脱炭スラグと称する。
【００３６】
スラグ処理工程（Ｓ１０）では、上記製鋼工程（Ｓ２）で生成された溶融スラグを、溶融状態のままで転炉から電気炉に搬送し、電気炉内で連続的に還元溶融改質することで、溶融スラグ中の有価物（Ｆｅ、Ｐ等の有価元素）を溶融スラグ層の下層である溶鉄層に回収する。この際、電気炉内では、溶融スラグ中のＦｅ、Ｐ等の酸化物の還元処理や、スラグから粒鉄（鉄分）を分離する処理、スラグの塩基度の調整処理などが行われる。
【００３７】
この結果、溶融スラグから分離された燐分等を含む高燐溶鉄が回収されるとともに、製鋼スラグである溶融スラグが還元・改質されて、高炉スラグ相当の高品質の還元スラグが回収される。この還元スラグは、製鋼スラグと比べて低膨張性であるため、セメント原料、細骨材、セラミック製品等に有効にリサイクルすることができる。
【００３８】
さらに、上記回収された高燐溶鉄に対して脱燐処理（Ｓ１１）を施して、溶鉄中のＰを酸化させてスラグ中に移行させることで、高燐溶鉄が高燐酸スラグと溶鉄とに分離される。高燐酸スラグは、燐酸肥料や燐酸原料等としてリサイクルすることができる。また、溶鉄は、製鋼工程（Ｓ２）にリサイクルされ、転炉等に投入される。
【００３９】
なお、上記電気炉に収容する溶鉄として、高炉から出銑された溶銑を脱Ｓｉ処理したものを用いると、高燐溶銑に対して脱燐処理（Ｓ１１）を施すことで、低シリコン溶銑が得られるため、そのまま転炉へリサイクル可能である。
【００４０】
以上、本実施形態に係るスラグ処理プロセスの概要について説明した。本プロセスは、上記製鋼工程（Ｓ２）で生成される種々の溶融スラグのうち、溶融脱燐スラグを処理対象とすることが好ましい。溶融脱燐スラグは、溶融脱炭スラグよりも低温であるが、粒鉄や燐酸を多く含有している。このため、溶融脱燐スラグを、酸化処理ではなく、還元処理によって溶融改質することで、本プロセスによる有価元素（Ｆｅ、Ｐ等）の回収効率が高くなる。そこで、以下の説明では、処理対象の溶融スラグとして、主に溶融脱燐スラグを用いる例について説明する。しかし、本発明の溶融スラグとしては、溶融脱燐スラグに限定されず、溶融脱硫スラグ、溶融脱炭スラグ等、製鋼工程で発生する任意の製鋼スラグを使用することが可能である。
【００４１】
（２．スラグ処理設備の構成）
続いて、図２を参照して、上記スラグ処理プロセスを実現するためのスラグ処理設備について説明する。図２は、本実施形態に係るスラグ処理設備の全体構成を示す模式図である。
【００４２】
図２に示すように、スラグ処理設備は、電気炉１と、電気炉１の上方に連結して配置されるスラグ保持炉２とからなる。また、スラグ保持炉２へ溶融スラグ４を投入するために、スラグ鍋３を用いており、このスラグ鍋３は製鋼工程で使用される転炉（図示せず。）とスラグ保持炉２との間を往復移動することができる。転炉から排出された溶融スラグ４はスラグ鍋３に投入される。スラグ鍋３は、転炉からスラグ保持炉２まで溶融スラグ４を搬送した後、スラグ保持炉２内に投入する。スラグ保持炉２は、溶融スラグ４を貯留して保持することもでき、当該保持した溶融スラグ４を電気炉１に間欠的に注入する。このスラグ保持炉２の詳細は後述する。
【００４３】
なお、スラグ保持炉２内に保持される溶融スラグ４は、完全に溶融状態にある必要はなく、スラグ保持炉２から電気炉１に注入可能な流動性を有していればよい。即ち、溶融スラグ４の一部が溶融し、残部が凝固している場合であっても、全体として流動性を有していればよい。
【００４４】
電気炉１は、炭材等の還元材および改質材などの副原料を用いて、溶融スラグ４を還元・改質する。電気炉１は、このように溶融スラグ４を溶融・還元するための還元型の電気炉であり、例えば、固定式の直流電気炉から構成される。電気炉１の外殻は、炉底１１と炉壁１２と炉蓋１３からなり、炉蓋１３の一側には、スラグ注入口１４が形成されている。このように、電気炉１は、スラグ注入口１４を除いては密閉された構造となっており、炉内空間を保温できるようになっている。
【００４５】
電気炉１の中央には、上部電極１５と炉底電極１６が上下に対向配置されている。この上部電極１５と炉底電極１６に直流電源を印加し、両電極１５、１６間でアーク放電を発生させることで、溶融スラグ４を加熱し、還元反応を促進する。なお、図示のように上部電極１５を中空電極とすれば、別途の原料投入装置を設置しなくても、当該中空電極の内部を通じて副原料をアークスポットに投入可能となる。
【００４６】
電気炉１の炉壁１２には、還元スラグを排出するための出滓口１７と、溶鉄を排出するための出湯口１８とが設けられている。出滓口１７は、溶鉄層６上の溶融スラグ層５に対応する高さ位置に配置され、出湯口１８は、炉底側の溶鉄層６に対応する高さ位置に配置される。
【００４７】
また、図２では、電気炉１に原料供給装置３１、３２、３３がすべて設けられる場合を例示している。原料供給装置３１は、鉄スクラップ、直接還元鉄（ＤＲＩ）等の含鉄材料を電気炉１内に供給する場合に設けられる。また、原料供給装置３３は、鉄分を含有するダスト粉等の微粉状の含鉄材料（例えばＦｅＯ粉）を、中空電極（上部電極１５）を通じて電気炉１内に供給する場合に設けられる。これにより、電気炉１内でこれらの含鉄材料を溶融させてリサイクルできる。また、原料供給装置３２は、溶融スラグ４の還元処理に必要な還元材および改質材等の副原料を供給するために必要であり、ここでは中空電極（上部電極１５）を通じて電気炉１内に供給する場合について例示している。還元材としては、例えば、コークス粉、無煙炭粉、グラファイト粉などの微粉状の炭材が用いられる。また、改質材は、主にスラグ中のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯ濃度を調整するためのものであり、例えば、珪砂、フライアッシュ、ＭｇＯ粉、廃耐火物粉などを使用できる。
【００４８】
引き続き図２を参照して、上記構成の電気炉１を用いた溶融スラグ４の還元処理について説明する。
【００４９】
まず、電気炉１内に、種湯として、相当量の溶鉄（例えば、高炉から搬送された溶銑）を溶鉄層６として予め収容しておく。溶鉄のＣ濃度は通常１．５〜４．５質量％である。電気炉１において、溶鉄のＣ濃度（質量％）と、還元処理後の溶融スラグ４（還元スラグ）のトータルＦｅ濃度（Ｔ．Ｆｅ）（質量％）とは相関することが本発明者らの実験により確認されている。例えば、溶鉄のＣ濃度が３質量％を超えると、溶融スラグ４中の酸化物の還元が促進され、還元スラグの（Ｔ．Ｆｅ）を１質量％以下に低減できることができる。従って、還元スラグの所望の（Ｔ．Ｆｅ）に応じて、溶鉄層６の溶鉄のＣ濃度を調整しておくことが好ましい。
【００５０】
次いで、電気炉１に電力を供給して連続稼働させた上で、電気炉１の還元処理能力（例えば、電気炉１に対する単位時間当り電力供給量）に応じた量の溶融スラグ４を、スラグ保持炉２から電気炉１内に注入する。電気炉１内に注入された溶融スラグ４は、溶鉄層６上に溶融スラグ層５を形成する。さらに、上記還元材（炭材）や改質材等の副原料も、例えば、上部電極１５を通じて電気炉１内の溶融スラグ層５に連続的に投入する。また、電気炉１内では、溶鉄層６の温度が例えば１４００〜１５５０℃、溶融スラグ層５の温度が例えば１５００〜１６５０℃となるように制御される。この温度制御は、溶融スラグ４の供給量を調整することや、単位時間当りの電力供給量が一定となる範囲内で電力供給量を調整することで実施できる。
【００５１】
この結果、電気炉１内で、上部電極１５、炉底電極１６間のアーク熱により、溶融スラグ層５中の溶融スラグ４の還元反応が進行する。この還元処理では、溶融スラグ４に含まれる酸化物（ＦｅＯ、Ｐ２Ｏ５等）が、溶融スラグ層５中の炭材のＣにより還元されて、Ｆｅ、Ｐが生成され、当該Ｆｅ、Ｐは、溶融スラグ層５から炉底側の溶鉄層６（溶鉄）に移行する。一方、余剰炭材のＣは溶鉄層６に移行せず、溶融スラグ層５中に懸濁する。また、上記還元処理では、溶融スラグ４中のスラグ成分が改質材により改質される。
【００５２】
上記の還元処理においては、注入された溶融スラグ４に含まれるＦｅＯは、溶鉄層６中の溶鉄に含まれるＣよりも、溶融スラグ層５中の炭材のＣと優先的に反応する（ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ↑）。つまり、投入された炭材のＣは、溶鉄層６に移行せず溶融スラグ層５に懸濁するので、溶鉄層６と溶融スラグ層５の界面で、ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ↑の還元反応は起きにくい。このため、溶融スラグ層５の内部で当該還元反応が優先的に進行し、生成された還元鉄（Ｆｅ）は溶鉄層６に移行する。
【００５３】
このように、電気炉１による還元処理では、溶融スラグ層５中のＦｅＯと溶鉄層６中のＣとの反応よりも、溶融スラグ層５中のＦｅＯとＣとの反応の方が支配的である。従って、電気炉１内に溶融スラグ４を注入したときに、溶鉄層６上の溶融スラグ層５が、注入された溶融スラグ４と溶鉄層６の溶鉄との反応に対する緩衝帯となるので、溶融スラグ４と溶鉄の急激な反応を抑制できる。
【００５４】
つまり、溶融スラグ４を、ＦｅＯ濃度の低い溶融スラグ層５に注入することにより、注入される溶融スラグ４のＦｅＯ濃度を希釈低減できるとともに、注入される溶融スラグ４と溶鉄層６の溶鉄との直接的な接触を抑制できる。よって、スラグ保持炉２から電気炉１への溶融スラグ４の注入時に、溶融スラグ４と溶鉄との急激な反応に起因する突沸現象（スラグフォーミング）を抑制でき、溶融スラグ４が電気炉１外に溢れ出す現象（オーバーフロー）を回避できる。
【００５５】
上記のようにして、電気炉１内の溶融スラグ層５に注入された溶融スラグ４に含まれる酸化物が還元処理されて、溶融スラグ４からＦｅやＰが溶鉄層６に回収されるとともに、溶融スラグ４のスラグ成分が改質される。従って、溶融スラグ４の注入後、還元処理が進行すれば、溶融スラグ層５の成分は、溶融スラグ４（製鋼スラグ）から還元スラグ（高炉スラグ相当の高品質スラグ）に徐々に改質されていく。還元スラグに改質された溶融スラグ層５は、よりＦｅＯ濃度の低い緩衝帯となるので、スラグ保持炉２から新たに溶融スラグ４を当該溶融スラグ層５に注入する際に、スラグフォーミングをより確実に抑制できるようになる。
【００５６】
また、上記還元処理が進行すれば、Ｆｅが溶鉄中に移行するため、溶鉄層６の層厚も徐々に増加していく。
なお、溶融スラグ層５の層厚は、緩衝帯としての機能を発現させるという観点から、１００〜６００ｍｍが好ましく、１００〜８００ｍｍがより好ましい。このため、溶融スラグ４を注入して溶融スラグ層５の層厚が所定の層厚に達した場合には、出滓口１７を開放して、溶融スラグ層５の還元スラグを排出する。また、溶鉄層６の界面が出滓口１７に近づいた場合には、出湯口１８を開放して、溶鉄層６の溶鉄（例えば高Ｐ溶銑）を排出する。このようにして、電気炉１の出滓口１７から還元スラグを、出湯口１８から溶鉄を、間欠的に排出、回収する。これにより、電気炉１内では、溶融スラグ４の還元処理を、中断することなく継続することができる。
【００５７】
また、上記電気炉１の稼働中（即ち、還元処理中）には、炭材中のＣを用いて溶融スラグ４の酸化物を還元することにより、ＣＯおよびＨ２等を含む高温の排ガスが発生する。例えば、酸化鉄を還元する場合、ＦｅＯ+Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ↑の反応により、ＣＯガスが生成される。この排ガスは、電気炉１のスラグ注入口１４を通じてスラグ保持炉２内に流入し、スラグ保持炉２内を排気経路として外部に排出される。このように電気炉１を密閉型とし、スラグ保持炉２を排気経路とすることで、電気炉１内の雰囲気は、還元反応により生じるＣＯガスと、炭材（還元材）の熱分解から生じるＨ２を主成分とする還元雰囲気に維持される。従って、溶融スラグ層５の表面での酸化反応を防止できる。
【００５８】
（３．スラグ保持炉の構成）
次に、図３および図４を参照して、本実施形態に係るスラグ処理プロセスで用いられるスラグ保持炉２の構成について詳述する。図３は、本実施形態に係るスラグ保持炉２（保持姿勢）を示す縦断面図であり、図４は、本実施形態に係るスラグ保持炉２（注入姿勢）を示す縦断面図である。なお、図３および図４に示された酸素ガス供給設備５０（酸素ガス供給ノズル５１、制御装置５２、和算箱５３、放射温度計５４、ガスサンプラー５５、および排ガス分析計５６を含む）の構成については、後段で詳しく説明する。
【００５９】
図３に示すように、スラグ保持炉２は、耐熱性の容器であり、高温の溶融スラグ４を保持し、電気炉１に注入する機能を有する。このスラグ保持炉２は、溶融スラグ４を保持するとともに、電気炉１への溶融スラグ４の注入量を調整可能な構造であり、かつ、電気炉１で発生した排気ガスの排気経路としても機能する。かかるスラグ保持炉２は、溶融スラグ４を貯留・保持するためのスラグ保持炉本体２０（以下、「炉本体２０」という。）と、炉本体２０内の溶融スラグ４を電気炉１に注入するための注ぎ口部２１とを備えている。
【００６０】
炉本体２０は、下部壁２２、側壁２３、上部壁２４からなる密閉型の容器であり、溶融スラグ４を貯留するための内部空間を有する。下部壁２２は、鉄皮２２ａおよびその外側の断熱材２２ｂと、鉄皮２２ａの内側の内張耐火物２２ｃとから構成され、強度および耐熱性に優れる。なお、側壁２３、上部壁２４の内面にも内張耐火物が施されている。
【００６１】
炉本体２０の炉蓋２７側の上部には、ガス排出口２５、スラグ投入口２６が設けられる。ガス排出口２５は、上記電気炉１の排ガスを排出するための排気口であり、集塵機（図示せず。）等の吸気装置に接続される。この吸気装置により、スラグ保持炉２内の雰囲気が負圧状態に維持される。スラグ投入口２６は、上方のスラグ鍋３から炉本体２０内に溶融スラグ４を投入するための開口である。このスラグ投入口２６には開閉式の炉蓋２７が設置されており、溶融スラグ４の投入時には炉蓋２７が開放される。一方、溶融スラグ４の非投入時には炉、炉蓋２７が閉められてスラグ投入口２６が閉塞されるため、炉本体２０内への外気の進入を防ぎ、炉本体２０内を保温できる。
【００６２】
注ぎ口部２１は、炉本体２０の電気炉１側に設けられる筒状部分である。注ぎ口部２１の内部空間は炉本体２０から電気炉１に溶融スラグ４を注入するためのスラグ注入路２８となり、注ぎ口部２１の先端部に形成される開口が注ぎ口２９となる。スラグ注入路２８は、炉本体２０の内部空間と比べて上下方向および炉幅方向（図３の紙面垂直方向）とも狭くなっており、注入方向前方に向かうにつれて下方に湾曲している。また、炉本体２０の内部空間も注ぎ口部２１側に向かうにつれて徐々に狭くなっている。かかる炉本体２０および注ぎ口部２１の形状とすることで、炉本体２０内の溶融スラグ４を電気炉１に注入する際に、注入量を調整するのに適している。
【００６３】
スラグ保持炉２の注ぎ口部２１は、電気炉１のスラグ注入口１４に連結されている。図示の例では、注ぎ口部２１よりも電気炉１のスラグ注入口１４を太くし、注ぎ口部２１の先端をスラグ注入口１４内に挿入するような連結構造であり、両者の間には隙間が存在する。なお、注ぎ口部２１とスラグ注入口１４の連結構造は、かかる例に限定されず、ベローズ等を用いて両者を気密に連結する、または両者の隙間に充填材を詰めて連結するなど、多様に変更可能である。
【００６４】
上記のスラグ保持炉２の構造により、炉蓋２７を閉めた状態で、集塵機（図示せず。）を稼働させてスラグ保持炉２内の雰囲気を負圧状態にしたときには、スラグ保持炉２は、電気炉１で発生した排ガスの排気経路として機能する。即ち、電気炉１内の還元処理により発生したＣＯおよびＨ２等を含む排ガスは、図３の矢印で示すように、電気炉１のスラグ注入口１４およびスラグ保持炉２の注ぎ口部２１を通じて、負圧状態のスラグ保持炉２の炉本体２０内に流入する。この際、スラグ保持炉２内は負圧に維持されているため、電気炉１とスラグ保持炉２の連結部の隙間から外気が進入することはあっても、電気炉１内の排ガスが当該隙間から外部に漏洩することはない。さらに、スラグ保持炉２内に流入した排ガスは、炉本体２０内に進みガス排出口２５から排出され、集塵機（図示せず。）に到達して処理される。
【００６５】
また、スラグ保持炉２の炉本体２０の下部側には、傾動装置４０が設けられている。傾動装置４０は、スラグ保持炉２を注ぎ口部２１側に傾動させて、炉本体２０内の溶融スラグ４を注ぎ口部２１から電気炉１内に注入する機能を有する。この傾動装置４０は、シリンダ４１と、支持部材４２、４３と、傾動軸４４と、台車４５と、ロードセル４６とを備える。
【００６６】
シリンダ４１は、例えば油圧シリンダで構成され、スラグ保持炉２を傾動させるための動力を発生させる。シリンダ４１の上端は、炉本体２０の下部壁２２においてスラグ保持炉２を電気炉１側に傾動可能に離間した位置に連結され、シリンダ４１の下端は、台車４５の上面に連結される。傾動軸４４は、スラグ保持炉２の注ぎ口部２１の下方に設けられ、スラグ保持炉２の傾動動作の中心軸となる。支持部材４２、４３は、傾動軸４４で相互に回動可能に連結されている。支持部材４２の上端は、注ぎ口部２１の下部側に連結され、支持部材４３の下端は、台車４５の上面に連結される。これらのシリンダ４１、支持部材４２、４３、傾動軸４４によって、スラグ保持炉２が傾動可能に支持される。
【００６７】
かかる構成の傾動装置４０により、傾動軸４４を中心としてスラグ保持炉２を保持姿勢（図３）と注入姿勢（図４）との間で傾動させることが可能である。ここで、保持姿勢とは、図３に示すように、スラグ保持炉２が溶融スラグ４を電気炉１に注入することなく、炉本体２０内に保持するときの姿勢である。一方、注入姿勢とは、図４に示すように、スラグ保持炉２が注ぎ口部２１側に傾動して、炉本体２０内の溶融スラグ４を電気炉１内に注入するときの姿勢である。
【００６８】
スラグ保持炉２を保持姿勢から注入姿勢に変えるときには、シリンダ４１を伸張させて、炉本体２０の後部を持ち上げ、傾動軸４４を中心としてスラグ保持炉２を電気炉１側に傾動させる。これにより、図４に示すように、炉本体２０に対して注ぎ口部２１の位置が相対的に低くなるので、炉本体２０内に保持されている溶融スラグ４が、注ぎ口部２１側に向かって流動し、スラグ注入路２８を通じて注ぎ口２９から流下し、電気炉１内に注ぎ込まれる。このとき、シリンダ４１の伸張長さを制御して、スラグ保持炉２の傾動角度を調整することで、溶融スラグ４の注入量を調整することができる。
【００６９】
一方、スラグ保持炉２を注入姿勢から保持姿勢に変えるときには、シリンダ４１を収縮させて、炉本体２０を保持姿勢に戻す。これにより、図３に示すように、炉本体２０に対して注ぎ口部２１の位置が相対的に高くなり、炉本体２０内の溶融スラグ４の液面がスラグ注入路２８よりも低くなるので、溶融スラグ４が電気炉１へ注入されずに炉本体２０内に保持される。
【００７０】
また、台車４５は、傾動装置４０を移動可能に支持する。台車４５を用いてスラグ保持炉２を後退または前進させることで、スラグ保持炉２を容易に検査、交換または補修等することが可能となる。ロードセル４６は、例えば台車４５とシリンダ４１および支持部材４３との間に設置され、保持されている溶融スラグ４を含めた炉本体２０による荷重を測定する。
【００７１】
以上のように、傾動装置４０を用いてスラグ保持炉２を傾動させることで、溶融スラグ４を電気炉１に間欠的に注入したり、その注入量を調整したりすることが可能になる。電気炉１への溶融スラグ４の注入時には、注入された溶融スラグ４が電気炉１内の溶鉄と急激に反応して電気炉１からオーバーフローしないように、傾動装置４０を用いて注入量を適切に調整（即ち、スラグ保持炉２の傾動角度を調整）しながら、溶融スラグ４を間欠的に注入することが好ましい。溶融スラグ４の注入時に、注入速度が速すぎると、電気炉１内で溶融スラグ４がフォーミング状態になり、オーバーフローが発生し得る場合がある。この場合は、傾動装置４０によりスラグ保持炉２の傾動角度を小さくして、溶融スラグ４の注入を一時停止するか、または、注入量を低下させて、電気炉１内での反応を沈静化することが好ましい。
【００７２】
なお、上記スラグ保持炉２による単位時間当りの溶融スラグ４の注入量は、電気炉１の還元処理能力に応じて決定される。当該還元処理能力は、電気炉１に対する単位時間当りの電力供給量、例えば、電気炉１の電極１５、１６に印加される電力量に依存する。そこで、溶融スラグ４の還元処理に必要な電力原単位と、電極１５、１６に対する印加実績電力量に基づいて、単位時間当りの溶融スラグ４の注入量を決定すればよい。
【００７３】
また、スラグ保持炉２から電気炉１に溶融スラグ４を間欠的に注入する方法としては、溶融スラグ４の注入と中断を適宜繰り返しながら注入する方法や、所定の時間間隔でスラグ保持炉２内に保持されている所定量の溶融スラグ４をまとめて注入する方法などがあるが、本発明の実施形態においてはどのような方法が採用されてもよい。溶融スラグ４を間欠的に注入する場合、１回にまとめて注入する溶融スラグ４の総量が、スラグフォーミングによるオーバーフローが発生しない量であることを、事前に実験等で確認しておくことが望ましい。
【００７４】
（４．酸素ガス供給設備の構成）
引き続き、図３および図４を参照して、上記のスラグ処理設備に付帯する酸素ガス供給設備について説明する。図３および図４に示されるように、酸素ガス供給設備５０は、スラグ保持炉２に設置された酸素ガス供給ノズル５１と、酸素ガス供給ノズル５１に供給される酸素ガスの流量を制御する制御装置５２と、ロードセル４６に接続され、計測値を加算して制御装置５２に出力する和算箱５３と、電気炉１内の溶融スラグ層５の湯面温度を測定する放射温度計５４と、スラグ保持炉２のガス排出口２５付近に設置されるガスサンプラー５５と、ガスサンプラー５５によってサンプリングされた排ガスの成分を分析する排ガス分析計５６とを含む。本実施形態において、排ガス分析計５６は、少なくとも排ガス中の酸素およびＣＯの濃度を測定する。
【００７５】
上記のような酸素ガス供給設備５０において、制御装置５２は、溶融スラグ４の注入直後の酸素ガス流量を、溶融スラグ４の注入量と、注入前に電気炉１で溶融スラグ層５を構成している溶融スラグの量（以下、単に注入前の溶融スラグ量ともいう）と、注入前に電気炉１で溶融スラグ層５を形成している溶融スラグの温度（以下、単に注入前の溶融スラグ温度ともいう）とに基づいて決定する。以下で詳しく説明するように、これによって、溶融スラグ４の注入直後に急激に増加するＣＯガスの発生量に対応した適切な酸素ガス流量を決定することができる。
【００７６】
ここで、溶融スラグ４の注入量は、溶融スラグ４を含めた炉本体２０による荷重の変化から算出される。より具体的には、制御装置５２は、和算箱５３を介して出力されるロードセル４６の計測値に基づいて溶融スラグ４の注入前後での荷重の差を算出する。このようにして算出される荷重の差が、溶融スラグ４の注入量に対応する。注入前の溶融スラグ温度は、放射温度計５４が測定する湯面温度から推定される。また、注入前の溶融スラグ量は、電気炉１に注入された溶融スラグ４の成分および累積量と、出滓口１７および出湯口１８からの還元スラグおよび溶鉄の排出履歴とに基づいて特定される。より具体的には、出湯口１８から溶鉄が排出された直後には、溶鉄層６の界面高さが概ね出湯口１８に一致する。以降の溶鉄層６の界面高さの変化は、溶融スラグ層５に含まれていたＦｅＯが還元されてＦｅになり、溶鉄中に移行することによって発生する。従って、溶鉄の排出以降に電気炉１に注入された溶融スラグ４の量と、溶融スラグ４中のＦｅＯ濃度とがわかれば、任意の時点での溶鉄層６の界面高さを算出することができる。また、出滓口１７から還元スラグが排出された直後には、溶融スラグ層５の湯面高さが概ね出滓口１７に一致する。従って、還元スラグの排出以降に電気炉１に注入された溶融スラグ４の量と、溶鉄層６の界面高さ（上昇分が溶融スラグ層５から移行したＦｅの量に対応する）とがわかれば、任意の時点で溶融スラグ層５に含まれる溶融スラグの量を算出することができる。
【００７７】
一方、酸素ガス供給設備５０において、制御装置５２は、上記のように溶融スラグ４の注入直後の酸素ガス流量を決定した後は、酸素ガス流量の制御をフィードバック制御に切り替える。より具体的には、制御装置５２は、排ガス分析計５６が測定したＣＯ濃度が閾値（例えば１％）を上回った場合には酸素ガス流量を所定の量だけ増加させる。また、制御装置５２は、排ガス分析計５６が測定した酸素濃度が閾値を上回った場合には酸素ガス流量を所定の量だけ減少させる。再び溶融スラグ４が注入される場合、制御装置５２は酸素ガス流量のフィードバック制御を中断し、溶融スラグ４の注入直後には、上記のように溶融スラグ４の注入量と、注入前の溶融スラグ量と、注入前の溶融スラグ温度とに基づいて決定される酸素ガス流量を設定する。
【００７８】
なお、上記のような酸素ガス供給設備５０における制御装置５２は、例えば、制御回路、またはメモリに格納されたプログラムをＣＰＵ（Central  Processing  Unit）が実行するコンピュータとして実現される。制御装置５２は、オペレータに情報を提示するモニタなどの出力装置と、オペレータの操作入力を取得するボタンなどの入力装置とを有していてもよい。
【００７９】
上記のような酸素ガス供給設備５０では、溶融スラグ４の注入直後のＣＯガス発生量の急激な増加に追随することが難しいという酸素ガス流量のフィードバック制御における問題点が、溶融スラグ４の注入直後の適切な酸素ガス流量を別途設定し、それからフィードバック制御を開始することによって解決される。ただし、このような効果を得るためには、溶融スラグ４の注入量と、注入前の溶融スラグ量と、注入前の溶融スラグ温度とに基づいて決定される注入直後の酸素ガス流量が、ＣＯガスの発生状態に適応した適切な量である必要がある。以下では、本実施形態でこのような酸素ガス流量の算出が可能である点について、さらに説明する。
【００８０】
既に説明したように、電気炉１内での溶融スラグ４の還元反応の中で主体となる反応は、ＦｅＯ+Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ↑の反応である。従って、ＣＯガスの発生速度ＦＣＯは、以下の式１によって表すことができる。なお、ｋは反応速度定数を、（ＦｅＯ）は反応サイト（溶融スラグ層５の湯面近傍）でのＦｅＯ濃度を、ＳＣは注入された溶融スラグ４と接触している炭材の表面積を示す。
【００８１】
【数２】
0006560868.tif 000003
【００８２】
ここで、反応速度定数ｋは、反応サイトの温度Ｔ、気体定数Ｒ、反応の活性化エネルギーＥａ、および定数Ａ１を用いて、以下の式２によって表すことができる（アレニウスの式）。
【００８３】
【数３】
0006560868.tif 000004
【００８４】
ここで、上記の式２における反応サイトの温度Ｔは、注入前に電気炉１で溶融スラグ層５を形成している溶融スラグの温度であり、放射温度計５４によって測定される溶融スラグ層５の湯面温度と等価なものとして扱うことができることを実験的に確認している。このため、反応サイトの温度Ｔは、放射温度計５４によって測定される溶融スラグ層５の湯面温度を用いることができる。また、反応サイトでのＦｅＯ濃度（ＦｅＯ）は、注入前の溶融スラグ量Ｓｗ、溶融スラグ４の注入量ΔＷ、および溶融スラグ４のＦｅＯ濃度（ＦｅＯ）Ｐを用いて、以下の式３によって表すことができる。
【００８５】
【数４】
0006560868.tif 000005
【００８６】
上記の通り、本実施形態において、注入前の溶融スラグ量Ｓｗは、電気炉１に注入された溶融スラグ４の成分および累積量と、出滓口１７および出湯口１８からの還元スラグおよび溶鉄の排出履歴とに基づいて特定される。また、溶融スラグ４の注入量ΔＷは、制御装置５２によって、ロードセル４６によって測定される溶融スラグ４を含めた炉本体２０による荷重の変化から算出される。
【００８７】
なお、式３は、溶融スラグ４の注入前の溶融スラグ層５では、還元反応の進行によってＦｅＯ濃度が無視できる程度に低下しているため、注入された溶融スラグ４に含まれるＦｅＯは、溶融スラグ層５に含まれる溶融スラグによって希釈されるとみなしうることを前提にして成り立っている。また、実際の操業では、溶融スラグ４のＦｅＯ濃度（ＦｅＯ）Ｐは、操業を通じてほぼ一定である。従って、以下では、溶融スラグ４のＦｅＯ濃度（ＦｅＯ）Ｐを操業ごとに固有の定数として扱う。
【００８８】
一方、注入された溶融スラグ４と接触している炭材の表面積ＳＣは、溶融スラグ層５に含まれる炭材の量と、電気炉１内の撹拌状態とに影響される。撹拌が強いほど、炭材が溶融スラグ層５の内部に巻き込まれやすくなり、従って溶融スラグ４と接触する炭材の表面積ＳＣは増加する。ただし、実際の操業では、特に溶融スラグ４の注入時には前もって十分な（場合によっては過剰な）量の炭材が投入されており、また撹拌状態も操業を通じてほぼ一定である。従って、以下では、炭材の表面積ＳＣについても、操業ごとに固有の定数として扱う。
【００８９】
以上をふまえると、ＣＯガスの発生速度ＦＣＯを表す式１は、以下の式４のように書き換えられる。なお、定数Ａ２は、式２の定数Ａ１に炭材の表面積ＳＣおよび溶融スラグ４のＦｅＯ濃度（ＦｅＯ）Ｐ（上記の通り、いずれも操業ごとに固有の定数として扱われる）を乗じたものである。
【００９０】
【数５】
0006560868.tif 000006
【００９１】
次に、上記の式４に基づいて、溶融スラグ４の注入直後の適切な酸素ガス流量ＦＯ２を算出する。ここで、ＣＯガスの燃焼反応は、２ＣＯ＋Ｏ２→ＣＯ２であるため、溶融スラグ４の注入によって発生するＣＯガスを過不足なく燃焼させるために必要な酸素ガス流量ＦＯ２は、ＣＯガスの発生速度ＦＣＯの半分（１／２ＦＣＯ）になる。
【００９２】
さらに、２回目以降の溶融スラグ４の注入などの場合で、注入前に既に酸素ガス供給ノズル５１から酸素ガスが供給されている場合、その流量ＦＯ２’は、注入前の状態で発生しているＣＯガスを過不足なく燃焼させるのに必要な酸素ガス流量と考えられる（前回の注入から十分な時間が経過している場合、フィードバック制御によって設定される酸素ガス流量は適切な値に収束するため）。従って、溶融スラグ４の注入前に発生しているＣＯガスが注入後にも継続して発生すると仮定すれば、酸素ガス流量ＦＯ２は、新たに注入された溶融スラグ４によって発生するＣＯガスを燃焼させるための酸素ガス流量（１／２ＦＣＯ）に、注入前の酸素ガス流量（ＦＯ２’）を足し合わせたものになる。
【００９３】
以上より、溶融スラグ４の注入直後の適切な酸素ガス流量ＦＯ２は、以下の式５によって算出される。
【００９４】
【数６】
0006560868.tif 000007
【００９５】
数式を簡略化するために、以下では、１／２Ａ２を新たな定数αとする。また、気体定数Ｒ、および活性化エネルギーＥａを合わせて新たな定数βとする（β＝Ｅａ／Ｒ）。式５を、定数α，βを用いて表すと、以下の式６になる。
【００９６】
【数７】
0006560868.tif 000008
【００９７】
上記の式６において、定数αは、式４における定数Ａ２と同様に、操業ごとに固有の定数である。また、定数βは、理論上は操業条件によらない定数であるが、酸素ガス供給設備５０では、放射温度計５４によって測定される溶融スラグ層５の湯面温度と、実際の反応サイトの温度Ｔと間に差分が生じる可能性がある、この差分についても操業ごとに固有の定数として評価することが適切と考えられる。従って、本実施形態において、上記の式６に基づいて適切な酸素ガス流量ＦＯ２を算出するためには、同一条件での操業時の実績値に基づいて定数α，βを特定することが必要になる。その方法について、以下でさらに説明する。
【００９８】
ＣＯガスの発生速度ＦＣＯを表す上記の式４を、定数α，βを用いて表すと、以下の式７になる（α＝１／２Ａ２，β＝Ｅａ／Ｒ）。
【００９９】
【数８】
0006560868.tif 000009
【０１００】
式７の両辺の対数をとって整理すると、以下の式８が得られる。
【０１０１】
【数９】
0006560868.tif 000010
【０１０２】
式８より、実績データにおける１／Ｔとｌｎ（１／２ＦＣＯ・Ｓｗ／ΔＷ）との関係をプロットすれば、その切片（ｌｎα）および傾き（−β）として定数α，βを特定することができる。なお、ＣＯガスの発生速度ＦＣＯは、排ガス分析計５６によって検出されるＣＯガスの濃度およびＣＯ２ガス（ＣＯガスが燃焼することによって発生する）の濃度の合計を、排ガスの流量に乗じることによって算出される。式８に含まれるその他の量、すなわち溶融スラグ４の注入量ΔＷ、注入前の溶融スラグ量Ｓｗ、および注入前の溶融スラグ温度Ｔについては、いずれも既に説明した通り、酸素ガス供給設備５０において測定可能である。
【０１０３】
以上で説明したように、本実施形態では、溶融スラグ４の注入量ΔＷと、注入前の溶融スラグ量Ｓｗと、注入前の溶融スラグ温度Ｔとに基づいて、溶融スラグ４の注入直後における酸素ガス流量ＦＯ２を算出することができる。このようにして算出された酸素ガス流量ＦＯ２が、溶融スラグ４の注入直後のＣＯガスの発生状態に適応した適切な量であることは、次に説明する本発明の実施例によって示される通りである。
【実施例】
【０１０４】
図５は、本発明の実施例において酸素ガス流量の算出式に用いる定数の決定過程を示すグラフである。本実施例では、まず、上記の式８を用いて定数α，βを決定するために、スラグ処理設備における実績値収集のための操業を実施した。操業では、溶融スラグ４の注入量ΔＷ（ｋｇ）、注入前の溶融スラグ温度Ｔ（Ｋ）、注入前の溶融スラグ量Ｓｗ（ｔｏｎ）、および注入直後のＣＯガスの発生速度ＦＣＯ（Ｎｍ３／ｈ）が測定された。なお、主な操業条件として、電気炉１は４ＭＷ密閉型直流アーク炉であり、炉内径３．０ｍであった。また、溶融スラグ４としては転炉スラグを用い、Ｔ．Ｆｅ＝２４％〜２６％であった。溶融スラグ層５の炭剤投入量は、注入された溶融スラグ４のＦｅＯ含有量の１．３倍量とした。溶鉄層６の炭素含有量は、４％〜４．５％であった。
【０１０５】
合計で２４回の溶融スラグ４の注入を実施して上記の測定値を収集した結果、１／Ｔとｌｎ（１／２ＦＣＯ・Ｓｗ／ΔＷ）との関係は図５のグラフのようになった。ここから、グラフ中にも示されているように、ｙ＝−４１１３５ｘ＋２２．７１８という近似直線が得られる。なお、ｙ＝ｌｎ（１／２ＦＣＯ・Ｓｗ／ΔＷ）、ｘ＝１／Ｔである。従って、定数α，βの値は、α＝ｅ２２．７１８＝７．７×１０９、β＝４１１３５＝４．１×１０４と決定される。
【０１０６】
上記の式６に、決定された定数α，βの値を代入することによって、溶融スラグ４の注入量ΔＷ、注入前の溶融スラグ量Ｓｗ、および注入前の溶融スラグ温度Ｔに基づいて、溶融スラグ４の注入直後の適切な酸素ガス流量ＦＯ２を算出することが可能になった。以下では、このようにして算出された酸素ガス流量ＦＯ２を、溶融スラグ４の注入直後の酸素ガス流量として適用した操業の結果について説明する。
【０１０７】
なお、上記の通り、溶融スラグ４の注入量ΔＷは、炉本体２０による荷重の変化から算出されるため、実際に注入が実行されるまで算出されない。しかしながら、他の数値、すなわち注入前の溶融スラグ量Ｓｗおよび注入前の溶融スラグ温度Ｔについては、注入が実行される前に算出または測定することが可能である。また、注入量ΔＷについても、算出過程は単純であるため、注入後すぐに結果を得ることが可能である。従って、本実施例では、溶融スラグ４の注入とほぼ同時に酸素ガス流量ＦＯ２が決定されている。
【０１０８】
また、既に説明したように、酸素ガス供給設備５０において、制御装置５２は、上記のように溶融スラグ４の注入直後の酸素ガス流量を決定した後は、酸素ガス流量ＦＯ２の制御をフィードバック制御に切り替える。本実施例において、フィードバック制御を実行中の制御装置５２は、排ガス中のＣＯ濃度が１％を超えた時点で、酸素ガス流量ＦＯ２を４０Ｎｍ３／ｈ増加させる。また、制御装置５２は、排ガス中の酸素濃度が１％を超えた時点で、酸素ガス供給量ＦＯ２をその時点での量に応じて減少させる。この場合の減少量は、酸素ガス供給量ＦＯ２が２５０Ｎｍ３／ｈ以上であれば６０Ｎｍ３／ｈ、１５０Ｎｍ３／ｈ以上２５０Ｎｍ３／ｈ未満であれば５０Ｎｍ３／ｈ、１５０Ｎｍ３／ｈ未満であれば４０Ｎｍ３／ｈである。
【０１０９】
図６は、本実施例における操業の経過を示すグラフである。本実施例では、時刻０から、電気炉１への供給電力を２．５ＭＷに設定して溶融スラグの還元処理が開始された。処理開始時点において、電気炉１内には約１０ｔｏｎの銑鉄からなる溶鉄層６と、還元処理された２ｔｏｎの溶融スラグからなる溶融スラグ層５とが形成されていた。従って、初回の注入前の溶融スラグ量Ｓｗは２ｔｏｎである。また、注入前の溶融スラグ温度Ｔは１４９０℃（１７６３Ｋ）であった。還元処理の開始前であるためＣＯガスを含む排ガスは発生しておらず、従って注入前には酸素ガス供給ノズル５１からの酸素ガスの供給は実施されていない（ＦＯ２’＝０）。
【０１１０】
このような条件下で、溶融スラグ４の初回の注入を実行した。より具体的には、シリンダ４１を伸長させてスラグ保持炉２を傾動させ、図４に示したような注入姿勢にした。これによって、スラグ保持炉２内の溶融スラグ４が、注ぎ口部２１を経由して電気炉１内に注入される。この状態を所定の時間にわたって維持した後、シリンダ４１を収縮させ、スラグ保持炉２を図３に示したような保持姿勢に戻した。なお、本実施例では、溶融スラグ４の注入に際してスラグ保持炉２の注入姿勢が維持される時間が短いため、図５のグラフでは注入が瞬時に実行されたように図示されている。初回の注入において、溶融スラグ４を含めた炉本体２０による荷重の変化から算出された溶融スラグ４の注入量ΔＷは、１１００ｋｇであった。
【０１１１】
上記のような初回の注入の直後、注入前の溶融スラグ量Ｓｗ、注入前の溶融スラグ温度Ｔ、および溶融スラグ４の注入量ΔＷに基づいて制御装置５２が酸素ガス流量ＦＯ２を算出した結果、ＦＯ２＝３４０Ｎｍ３／ｈになった。この結果に従って、制御装置５２は、酸素ガス供給ノズル５１に流量３４０Ｎｍ３／ｈで酸素ガスの供給を開始した。一方、溶融スラグ４が注入された電気炉１内では還元反応が開始され、ＣＯガスを含む排ガスが発生した。これによって、スラグ保持炉２のガス排出口２５から排出される排ガスの流量は、８００Ｎｍ３／ｈまで増加した。しかし、酸素ガス供給ノズル５１から供給された酸素ガスによってＣＯガスがスラグ保持炉２内で完全に燃焼したため、排ガス分析計５６によってＣＯが検出されることはなかった。
【０１１２】
上記のように算出された酸素ガス流量ＦＯ２＝３４０Ｎｍ３／ｈを設定した後、制御装置５２は、酸素ガス流量ＦＯ２の制御をフィードバック制御に切り替えた。その後、排ガス分析計５６によって検出された酸素濃度が１％を超えたため、制御装置５２は酸素ガス流量ＦＯ２を２８０Ｎｍ３／ｈに引き下げた。その後も、制御装置５２は、酸素濃度が１％を超える度に酸素ガス流量ＦＯ２を引き下げ、処理開始から約２０分が経過した時点で、酸素ガス流量ＦＯ２は４０Ｎｍ３／ｈで一定になった。この時点で、電気炉１における溶融スラグの還元反応はほぼ収束している。
【０１１３】
そこで、処理開始から３３分が経過した時点で、溶融スラグ４の２回目の注入を実施した。注入に先立って、制御装置５２は、酸素ガス流量ＦＯ２のフィードバック制御を中断し、その時点での流量（ＦＯ２’＝４０Ｎｍ３／ｈ）を維持しつつ、溶融スラグ４の注入直後の酸素ガス流量ＦＯ２を算出するための準備をした。２回目の注入では、注入前の溶融スラグ量Ｓｗは３．１ｔｏｎ、注入前の溶融スラグ温度Ｔは１４９５℃（１７６８Ｋ）であった。
【０１１４】
２回目の注入では、１回目と同様のスラグ保持炉２の動作によって、スラグ保持炉２から電気炉１に溶融スラグ４が注入された。溶融スラグ４を含めた炉本体２０による荷重の変化から算出された溶融スラグ４の注入量ΔＷは、１５００ｋｇであった。２回目の注入の直後、注入前の溶融スラグ量Ｓｗ、注入前の溶融スラグ温度Ｔ、および溶融スラグ４の注入量ΔＷに基づいて制御装置５２が酸素ガス流量ＦＯ２を算出した結果、ＦＯ２＝３６０Ｎｍ３／ｈになった。この結果に従って、制御装置５２は、酸素ガスノズルに供給する酸素ガスの流量を３６０Ｎｍ３／ｈに変更した。その後、制御装置５２は、酸素ガス流量ＦＯ２の制御をフィードバック制御に切り替えた。
【０１１５】
２回目の注入の直後には、電気炉１内で溶融スラグ４の還元反応によって発生したＣＯガスの量が本発明による想定値よりもやや多く、従って排ガス分析計５６によって検出されたＣＯ濃度が１％を超えた。これを受けて、制御装置５２は、酸素ガス流量ＦＯ２を４００Ｎｍ３／ｈに引き上げた。この結果、ＣＯガスはスラグ保持炉２内で完全に燃焼するようになり、しばらくすると、排ガス分析計５６によって検出される酸素濃度が１%を超えた。これ以降、初回の注入の場合と同様に、制御装置５２は、フィードバック制御によって酸素ガス流量ＦＯ２を段階的に減少させ、処理開始から約５５分、２回目の注入からは約２２分が経過した時点で、酸素ガス流量ＦＯ２は８０Ｎｍ３／ｈで一定になった。
【０１１６】
その後、処理開始から７８分および９３分が経過した時点で、それぞれ３回目および４回目の溶融スラグ４の注入が実施された。溶融スラグ４の注入量ΔＷは、３回目では５００ｋｇ、４回目では１０００ｋｇであった。このときも、制御装置５２は、注入に先立って酸素ガス流量ＦＯ２のフィードバック制御を中断し、注入直後に溶融スラグ量Ｓｗ、湯面温度Ｔ、および注入量ΔＷに基づいて算出された酸素ガス流量ＦＯ２を設定した上でフィードバック制御を再開した。この結果、３回目および４回目のいずれの注入でも、排ガス分析計５６によってＣＯが検出されることはなく、フィードバック制御によって段階的に酸素ガス流量ＦＯ２を減少させながら、安定して操業を継続することができた。
【０１１７】
図７は、上記の実施例に対する比較例における操業の経過を示すグラフである。比較例では、上記の実施例と同様のスラグ処理設備を用いて溶融スラグを還元処理したが、溶融スラグ４の注入直後の酸素ガス流量ＦＯ２を、電気炉１における還元処理の平均処理速度に基づいて推定された固定値（１００Ｎｍ３／ｈ）に設定した。固定値を設定した後、酸素ガス流量ＦＯ２の制御がフィードバック制御に切り替えられる点、およびフィードバック制御の条件については、実施例と同様である。
【０１１８】
以上のような条件で処理を開始し、スラグ保持炉２から電気炉１に１３００ｋｇの溶融スラグ４を注入したところ、排ガス分析計５６によって検出されるＣＯ濃度が急上昇し、測定可能範囲を超えた。フィードバック制御によって酸素ガス流量ＦＯ２が増加させられたが、ＣＯ濃度は低下せず、最終的に酸素ガス流量ＦＯ２は３６０Ｎｍ３／ｈまで増加した。フィードバック制御のために排ガス分析計５６による排ガス成分の分析を繰り返し（６回）実施したため、酸素ガス流量ＦＯ２が上記の値に設定されるまでには約２分を要した。この間、未燃焼のＣＯガスがスラグ保持炉２以降の排気経路に流出し続け、大量のＣＯガスを排気経路上の設備によって除去する必要が生じた。
【０１１９】
上記の比較例では、溶融スラグ４の注入直後の酸素ガス流量ＦＯ２としてある程度高い値を設定した（注入前の流量ＦＯ２’が０であるのに対して、１００Ｎｍ３／ｈを設定した）にもかかわらず、大量のＣＯガスが未燃焼のまま排気経路に流出することを防止できなかった。従って、例えば溶融スラグ４の注入直後においても通常のフィードバック制御（酸素ガス流量ＦＯ２が０から段階的に上昇する）を実施した場合には、さらに大量のＣＯガスが未燃焼のまま排気経路に流出する結果になったことが想定される。
【０１２０】
これに対して、本発明の実施例では、例えば２回目の注入時のようにＣＯガスの発生量が想定よりも多かった場合でも、注入直後の酸素ガス流量ＦＯ２が十分に高い値に設定されていることによって、１ステップのフィードバック制御で適切な量まで酸素ガス流量ＦＯ２を増加させることができ、ＣＯガスの流出を最小限に抑えることができる。また、１回目、３回目、および４回目の注入時のようにＣＯガスの発生量が想定の範囲内であった場合も、排ガス中で酸素が過剰に（例えば１％を大きく超えて）検出されることはなく、フィードバック制御によって酸素ガス流量ＦＯ２の適切な量が維持されている。
【０１２１】
以上で説明した実施例によって、本発明が、溶融スラグ４の注入直後のスラグ保持炉２への酸素供給量を適切に決定し、排ガスに含まれるＣＯガスを十分に燃焼させるとともに、スラグ保持炉２内の雰囲気温度を高温に維持するために有効であることが示されたといえる。
【０１２２】
なお、上記の本発明の実施形態および実施例の説明では、溶融スラグの注入直後に電気炉で発生した排ガス中のＣＯガスを燃焼させるための酸素ガス流量が算出されたが、本発明の実施形態はこのような例には限られない。例えば、同様の手法によって、排ガス中のＣＯガス以外の可燃性成分（例えば、水素等）を燃焼させるための酸素ガス流量が算出されてもよい。この場合、スラグ保持炉に供給される酸素ガス流量が、ＣＯガスを燃焼させるための流量とそれ以外の可燃性ガスを燃焼させるための流量との合計として算出されてもよい。また、燃焼させられる可燃性成分は、必ずしもＣＯガスのような有毒成分でなくてもよい。上述したように、スラグ保持炉内での可燃性成分の燃焼は、雰囲気温度の維持のためにも有効であるため、有毒成分でなく、排気経路で除去する必要のない成分であっても、可燃性成分であればスラグ保持炉内に供給された酸素によって燃焼させられてもよい。また、上記の説明ではスラグ保持炉内に酸素ガスを供給したが、必ずしも純粋な酸素ガスが供給されなくてもよく、例えば空気のような酸素含有ガスが供給されてもよい。
【０１２３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１２４】
１  電気炉
２  スラグ保持炉
３  スラグ鍋
４  溶融スラグ
５  溶融スラグ層
６  溶鉄層
１４  スラグ注入口
１５  上部電極
１６  炉底電極
１７  出滓口
１８  出湯口
４０  傾動装置
４６  ロードセル
５０  酸素ガス供給設備
５１  酸素ガスノズル
５２  制御装置
５３  和算箱
５４  放射温度計
５５  ガスサンプラー
５６  排ガス分析計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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