(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク式底吹き電気炉に装入する、酸化物、炭酸化物、及び水酸化物のいずれか一又は二以上である副原料の溶解方法であって、
篩目２５ｍｍオーバーの前記副原料が炉内装入物の５〜３０質量％とされ、
篩目３．１５ｍｍアンダーの前記副原料が炉内装入物の３質量％以上かつ塩基度が２．５以下とされていることを特徴とするアーク式底吹き電気炉における副原料の溶解方法。
【請求項２】
請求項１記載のアーク式底吹き電気炉における副原料の溶解方法において、前記アーク式底吹き電気炉の炉底に、湯面面積１ｍ２当たり０．１２個以上の撹拌ガス吹き込みプラグを配置し、前記撹拌ガス吹き込みプラグからプラグ１個当たり１０Ｎｍ３／Ｈｒ以上の撹拌ガスを炉内に吹き込むことを特徴とするアーク式底吹き電気炉における副原料の溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク式底吹き電気炉に装入する副原料の溶解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク式電気炉でスクラップ等を溶解して溶融金属を溶製する際、副原料として例えば石灰や生石灰を装入することが一般的に行われている。上記副原料は一般に通電性が悪く、溶融金属（以下では「溶湯」とも言う。）からの受熱によって加熱溶解される。従って、アーク式電気炉に装入された副原料の溶解処理には一定の時間を要し、生産を効率化するためには、副原料の加熱溶解を迅速に行うことが必要となる。近年、副原料として、例えば転炉脱炭スラグのようにＣａＯを多く含むものを生石灰の代替品として使用したり、有価金属を含む酸化物や水酸化物をリサイクル目的で使用することが増えており、副原料の加熱溶解を迅速に行う必要性が顕在化している。
【０００３】
例えば、特許文献１の請求項１には、酸化物を電気精錬炉（アーク式電気炉）で溶解・還元してＮｉやＣｒといった有価金属を回収する技術が開示されている。特許文献１記載の技術では、通電中では電極の先端位置が０．７５×炉の深さ以下となるように電力負荷を調整し、さらに電極の先端位置が０．７５×炉の深さ以下であるとき、通電開始時と通電終了時の電極先端位置の差Ｓが０．３５×炉の深さ以下となるように電力負荷を調整することで酸化物の加熱を促進する。
また、特許文献２には、電気炉精錬において、酸化物を主要成分の一つとするスラグ調整剤や、クロム酸化物を含むクロム鉱石を用いることが記載されている（特許文献２の第４頁参照）。特許文献２記載の技術では、スラグ調整剤やクロム鉱石等の副原料を電気炉内に均一に分散させるため、炉底にガス吹き込みノズル（プラグ）を３個配置し、ガス吹き込みノズルから電気炉内の溶湯にガスを吹き込み溶湯を撹拌する。底吹き撹拌のガス流量は、ガス吹き込みノズル１個当たり７０Ｌ／分（４．２Ｎｍ３／Ｈｒ）とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２６００１４号公報
【特許文献２】特開平１−２９４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の方法では、過大な投入電力が必要となるだけでなく、３時間を超える長時間の処理を前提とするため、酸化物等の副原料の効率的な加熱溶解を実現することができない。
【０００６】
また、副原料の粒径が大きな場合（例えば２５ｍｍオーバー）、本発明者等の知見によれば、特許文献２に記載されている溶湯の成分均一化程度の撹拌では副原料の迅速な加熱が実現できず、短時間の処理では副原料の未溶解が発生するため、副原料の溶解を完了させるためには長時間の処理が必要となることがわかっている。因みに、特許文献２には、スラグ調整剤の形状（直径）は３ｍｍ以下、クロム鉱石の実質的粒径は１ｍｍ未満と記載されている。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、アーク式電気炉に装入される副原料の粒径が大きな場合（例えば２５ｍｍオーバー）であっても、迅速に副原料を加熱溶解させて精錬不足を抑制することが可能な方法を提供することを課題とする。
なお、本課題は、副原料が金属原料に比べて、通電性が低く、特に熱伝導率が低いことに起因する課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するため、本発明は、アーク式底吹き電気炉に装入する、酸化物、炭酸化物、及び水酸化物のいずれか一又は二以上である副原料の溶解方法であって、
篩目２５ｍｍオーバーの前記副原料が炉内装入物の５〜３０質量％とされ、
篩目３．１５ｍｍアンダーの前記副原料が炉内装入物の３質量％以上かつ塩基度が２．５以下とされていることを特徴としている。
【０００９】
ここで、酸化物は生石灰、珪石、マグネシアやアルミナなどの金属酸化物、廃炉材、スラグ等であり、炭酸化物は石灰岩、ドロマイト等であり、水酸化物は金属水酸化物等である。
篩目２５ｍｍオーバーの副原料はＪＩＳ  Ｚ８８０１−２：２０００の公称目開き２５ｍｍの板ふるいの篩上に残留する副原料、篩目３．１５ｍｍアンダーの副原料は同ＪＩＳの公称目開き３．１５ｍｍの板ふるいの篩下の副原料を指す。
篩目３．１５ｍｍアンダーの副原料の塩基度は、質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ２によって算出した値である。
【００１０】
篩目２５ｍｍオーバーの副原料（以下、「塊状副原料」と呼ぶことがある。）の質量比率を規定したのは、加熱しにくい、ひいては溶解しにくい副原料を規定したものである。
副原料として、生石灰の代替品である転炉脱炭スラグの塊状物等の使用を想定すると、塊状副原料は炉内装入物の５〜３０質量％となる。
【００１１】
篩目３．１５ｍｍアンダーの副原料（以下、「微粉副原料」と呼ぶことがある。）は、溶湯との接触により容易に溶解するので、加熱時間の観点で顕著な問題にはなりにくい。本発明では、溶解した微粉副原料を用いて塊状副原料の溶解を促進させる。微粉副原料が３質量％以上であれば、溶解した微粉副原料が塊状副原料の周囲に存在することとなり、後述する撹拌ガスの作用も含めて塊状副原料の加熱及び溶解の促進に寄与する。
微粉副原料の上限値は特に定めないが、塊状副原料が５〜３０質量％であれば、製造する溶湯の量を確保するうえで２５質量％程度であればよい。
【００１２】
溶解した後の微粉副原料が一定の流動性を有していると、溶湯と共に塊状副原料の加熱促進に寄与する。本発明者等は、微粉副原料の塩基度が２．５以下であれば、溶解した後の微粉副原料に一定の流動性があり塊状副原料への熱伝達に寄与することを発見した。
微粉副原料の塩基度の下限値は特に定めないが、通常のアーク式底吹き電気炉に装入する副原料を想定すると、０．６程度である。
【００１３】
また、本発明に係るアーク式底吹き電気炉における副原料の溶解方法では、前記アーク式底吹き電気炉の炉底に、湯面面積１ｍ２当たり０．１２個以上の撹拌ガス吹き込みプラグを配置し、前記撹拌ガス吹き込みプラグからプラグ１個当たり１０Ｎｍ３／Ｈｒ以上の撹拌ガスを炉内に吹き込むことを好適とする。
ここで、湯面面積は、アーク式底吹き電気炉を上方から平面視した溶湯湯面の面積である。
【００１４】
本構成は、溶湯の上層に浮かせた副原料層を、撹拌によって溶解した溶湯と接触させ、より効果的な加熱を実現する条件を規定する。具体的には、撹拌ガス吹き込みプラグから炉内に吹き込まれた撹拌ガスを、できるだけ溶湯浴面（湯面）の広範囲に作用させ、湯面上層の副原料層を効率的に撹拌させる条件を規定する。
【００１５】
上記副原料層には、加熱溶解が進行した副原料溶解層と、未溶解である副原料未溶解層がある。副原料層は、副原料溶解層の上部に副原料未溶解層が存在する場合、両者が混在している場合の双方があり得る。撹拌ガス吹き込みプラグ周辺における撹拌ガスの流量をプラグ１個当たり１０Ｎｍ３／Ｈｒ以上とすることで、副原料未溶解層、副原料溶解層、溶湯層の接触を、より促進させることができ、溶湯による未溶解副原料及び溶解副原料の加熱を促進し、併せて溶解副原料による未溶解副原料の加熱を促進することができる。
なお、撹拌ガスの流量が多くなり過ぎると、溶湯層並びに副原料層を吹き抜ける撹拌ガスが顕著となり、吹き込んだ撹拌ガスの一部が撹拌に利用できなくなる。そのため、撹拌ガス流量の上限値をプラグ１個当たり１００Ｎｍ３／Ｈｒとすると良い。
【００１６】
撹拌ガス吹き込みプラグから炉内に吹き込まれる撹拌ガスの流量を規定することにより副原料の加熱促進が相応に可能となるが、副原料の加熱促進に、さらなる改善の余地があることが判明した。
本発明者等は、上層に浮いている副原料未溶解層が湯面に平行な方向、即ち水平方向に移動しにくいことを発見した。その原因として、加熱中の固体からなる塊状副原料が溶湯浴面のほぼ全体に浮いて存在し、湯面に平行な方向への塊状副原料の流動性が確保されにくいことが考えられた。これは、撹拌ガス吹き込みプラグの直上並びにその周辺で撹拌され加熱された塊状副原料が撹拌領域の外側へ移動しにくく、撹拌領域に存在する塊状副原料と撹拌領域周辺の弱撹拌領域に存在する塊状副原料とが置換されにくいことを意味する。
また、塊状副原料の熱伝導率が一般に低い（２０％クロム溶鋼の熱伝導率が２２Ｗ／ｍＫであるのに対し、例えば酸化物の熱伝導率は０．９Ｗ／ｍＫ程度）ため、撹拌領域に存在する加熱された塊状副原料が、隣接する弱撹拌領域に存在する塊状副原料の加熱に寄与しにくいことも考えられた。
【００１７】
本発明者等は、上記知見に基づき、副原料層の加熱を促進するには、湯面面積１ｍ２当たりの撹拌ガス吹き込みプラグ個数を所定範囲とすればよいことに想到した。撹拌ガス吹き込みプラグ個数を所定範囲とすることで、撹拌ガス吹き込みによって塊状副原料の上方に溶湯が露出する撹拌領域が所定量確保される。その結果、アーク通電箇所が所定量確保され、湯面全体の塊状副原料の加熱が促進される。具体的には、撹拌ガス吹き込みプラグ個数を湯面面積１ｍ２当たり０．１２個以上としてプラグの設置個数を多くすることで、弱撹拌領域の面積が減少し、湯面全域の副原料加熱が促進できる。
なお、プラグの設置個数には物理的な上限値（設置場所）が存在し、一般には湯面面積１ｍ２当たり０．５個程度と考えられる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１及び２に係る本発明によれば、塊状副原料を多く配合しても、溶解した微粉副原料によって塊状副原料の加熱溶解を促進することができ、アーク式底吹き電気炉における塊状副原料の加熱不足や溶解残りによる精錬不足を抑制することができる。
特に、請求項２に係る本発明によれば、塊状副原料の加熱溶解を、より促進することができるので、アーク式底吹き電気炉における精錬が促進され、さらには安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る副原料の溶解方法で用いられるアーク式底吹き電気炉の縦断面図である。
【図２】同アーク式底吹き電気炉の炉底に設置した撹拌ガス吹き込みプラグの配置を示す模式図であって、（Ａ）は撹拌ガス吹き込みプラグ数が３個の場合、（Ｂ）は撹拌ガス吹き込みプラグ数が４個の場合、（Ｃ）は撹拌ガス吹き込みプラグ数が５個の場合をそれぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
本発明は、５ｔｏｎ〜１５０ｔｏｎの溶湯が溶製できるアーク式底吹き電気炉を対象とする。なお、本発明が対象とするアーク式底吹き電気炉の好ましい炉容量の下限は１０ｔｏｎ、より好ましくは３０ｔｏｎであり、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副原料の溶解方法で用いられるアーク式底吹き電気炉１０の縦断面図を図１に示す。
アーク式底吹き電気炉１０の炉体１１は有底円筒状とされ、中心軸の周りには３本の電極１５が平面視して正三角形状に配置されている（図２参照）。溶湯１６を保持する炉底１２は耐火物でお碗状に形成され、炉体側壁部には水冷パネル１４が配置されている。
【００２２】
炉底１２には、細い管を束状にした細管集合型プラグや多孔質耐火物からなるポーラスプラグなどの撹拌ガス吹き込みプラグ１３が複数埋設されている。窒素ガスやアルゴンガスなどの撹拌ガスを撹拌ガス吹き込みプラグ１３から溶湯１６に吹き込み、溶湯１６を撹拌する。
撹拌ガス吹き込みプラグ１３は、湯面面積１ｍ２当たり０．１２個以上配置する。撹拌ガス吹き込みプラグ１３の配置例を図２に示す。本例では、上方から炉底１２を見て、３本の電極１５を囲繞する正６角形を想定し、１つおきに選択した正６角形の頂点に撹拌ガス吹き込みプラグ１３を配置するケース（撹拌ガス吹き込みプラグ１３が３個）を図２（Ａ）に、正６角形から２つおきに頂点を削除し、残った頂点に撹拌ガス吹き込みプラグ１３を配置するケース（撹拌ガス吹き込みプラグ１３が４個）を図２（Ｂ）に、正６角形から頂点を１つ削除し、残った頂点に撹拌ガス吹き込みプラグ１３を配置するケース（撹拌ガス吹き込みプラグ１３が５個）を図２（Ｃ）にそれぞれ示す。
【００２３】
次に、アーク式底吹き電気炉１０を用いて副原料を溶解する方法について説明する。
スクラップ、合金鉄、鋳銑、粒鉄などの金属原料をアーク式底吹き電気炉１０内に予め装入し、通電を開始することで金属原料の溶解を開始する。なお、金属原料の一部は通電開始以降に装入しても良い。
【００２４】
副原料の炉内への装入は、金属原料への通電開始前、金属原料の溶解完了後、その中間のいずれでも良い。
副原料は、酸化物、炭酸化物、及び水酸化物のいずれか一又は二以上であり、篩目２５ｍｍオーバーの塊状副原料が炉内装入物の５〜３０質量％、篩目３．１５ｍｍアンダーの微粉副原料が炉内装入物の３質量％以上、好ましくは２５質量％以下とされている。また、微粉副原料の塩基度は２．５以下である。
なお、塊状副原料が炉内装入物の５〜３０質量％、微粉副原料が炉内装入物の３質量％〜２５質量％とすると、金属原料は炉内装入物の４５〜９２質量％となる。
【００２５】
撹拌ガス吹き込みプラグ１３による撹拌ガスの吹き込みは、金属原料や副原料の溶解開始時から行っても良いが、プラグの目詰まりを防止するため、材料装入前から撹拌ガスの炉内吹き込みを行うとなお良い。
撹拌ガスの吹き込み流量は、プラグ１個当たり１０Ｎｍ３／Ｈｒ以上とする。
【００２６】
アーク式底吹き電気炉１０に装入された金属原料は、電極１５と金属原料とのアーク通電によって加熱され溶解が進む。金属原料の溶解が進行すると、炉内には溶湯層と、その上部に、比重に従って浮いている副原料層が生成する。
【００２７】
アーク通電は、主として金属原料及び溶解後の溶湯１６との間で発生する。副原料にはアーク通電が実質的に発生せず、金属原料及び溶解後の溶湯１６からの受熱によって副原料は加熱溶解する。本実施の形態では、金属原料及び溶解後の溶湯１６からの受熱に加えて、溶解した微粉副原料が塊状副原料の周囲に存在し、塊状副原料の加熱溶解を促進させる。
【００２８】
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、電極数を３本としているが、これに限定されるものではなく、１本や２本、あるいは４本以上でもよい。
【実施例】
【００２９】
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。
アーク式底吹き電気炉には、１００ｔｏｎの溶湯が溶製できるものを使用した。電極は２４インチ径×３本、総投入電力は１ケースを除いて４０ＭＷ、各ケースの通電時間は６０分とした。
【００３０】
使用した炉内装入物は以下の通りである。
ａ）金属原料：スクラップ、合金鉄、鋳銑（高炉溶銑を凝固させたもの）を合計５５ｔｏｎ（炉内装入物の５５質量％）
ｂ）副原料
・塊状副原料：２５ｍｍオーバーの転炉脱炭スラグを３０ｔｏｎ（炉内装入物の３０質量％）
・微粉副原料：３．１５ｍｍアンダーの転炉脱炭スラグを３ｔｏｎ（炉内装入物の３質量％）
・その他の副原料：３．１５ｍｍオーバー〜２５ｍｍアンダーの転炉脱炭スラグを１０ｔｏｎ（炉内装入物の１０質量％）
なお、微粉副原料には、３．１５ｍｍアンダーの珪石や生石灰を含ませ、微粉副原料の塩基度は２．０、２．５、３．０の３水準とした。
【００３１】
撹拌ガス吹き込みプラグから溶湯に吹き込むガス流量は、プラグ１個当たり１０Ｎｍ３／Ｈｒ、４．２Ｎｍ３／Ｈｒの２条件とした。なお、４．２Ｎｍ３／Ｈｒは特許文献２に記載されているガス流量である。
また、炉底に配置した撹拌ガス吹き込みプラグの数は、３個（図２（Ａ）参照）、４個（図２（Ｂ）参照）、５個（図２（Ｃ）参照）の３条件とした。湯面面積１ｍ２当たりのプラグ数は、プラグ数が３個の場合０．１１個、プラグ数が４個の場合０．１４個、プラグ数が５個の場合０．１８個である。なお、プラグ数３個は特許文献２記載の条件である。
【００３２】
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を観察し、副原料の溶解残りが観察されず、脱硫処理結果としての硫黄濃度が安定して低位の場合を◎、溶解残りは観察されず、脱硫処理結果としての硫黄濃度のバラつきがやや見られた場合（実操業としては採用可）を○、溶解残りは観察されず、硫黄濃度がやや高めの場合（実操業としては採用可）を△、溶解残りが観察された場合や脱硫が不足して実操業としては採用できないと判断された場合を×とした。
試験結果の一覧を表１に示す。
【００３３】
【表１】
0006471526.tif 000002
【００３４】
検証試験の結果から以下のことが明らかとなった。
比較例１、２に示すように、特許文献２の条件（プラグ１個当たりのガス流量４．２Ｎｍ３／Ｈｒ、プラグ数３個）では、塊状副原料の加熱促進が不十分であったが、実施例１、５に示すように、微粉副原料を３質量％かつ塩基度を２．５以下とすることにより改善が可能である。
湯面面積１ｍ２当たりのプラグ数及び撹拌ガス吹き込み量を増加させることによって、さらなる改善が可能である（実施例１に対する実施例２、３、４、実施例５に対する実施例６参照）。
微粉副原料の塩基度を低下させることによって、さらなる改善が可能である（実施例２に対する実施例６参照）。
【００３５】
なお、実施例２に比べて実施例４の溶解結果がさらに改善されているが、実施例２及び４では、プラグ数及び撹拌ガス吹き込み量の増加によってアーク通電面積が実施例１に比べて拡大しているため、投入電力をアップした実施例４では、その効果が表れているものと考えられる。
【符号の説明】
【００３６】
１０：アーク式底吹き電気炉、１１：炉体、１２：炉底、１３：撹拌ガス吹き込みプラグ、１４：水冷パネル、１５：電極、１６：溶湯
【図１】
0006471526.tif 000003
【図２】
0006471526.tif 000004