(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電極（１８）を備えたサブマージドアークタイプの電気炉（１０）内で原材料を還元及び溶解することによって溶融金属を製造するための方法であって、該方法は実質的にスラグを発生させるものであって、それによって単位面積当たり少なくとも１ｔ／ｍ２の質量を有する厚い層の溶融スラグで被覆された溶融金属（１２）浴を含むようにされる方法において、前記厚い層の溶融スラグ層が、前記少なくとも１つの電極（１８）の周囲にスラグの密度が前記電気炉（１０）の残りの部分より少なくとも５０％低い局部的な発泡スラグ（２０）の層を作るように、局部的に発泡させられることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記電気炉（１０）が、０．４〜１．５ｍの厚さを有する厚い層の溶融スラグ（１６）で被覆された溶融金属（１２）の浴を収容することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記局部的な発泡スラグ（２０）の層が、少なくとも５０％のガス、好ましくは少なくとも８０％のガスを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記局部的な発泡スラグ（２０）の層が、少なくとも１つの炭素含有燃料、又は、少なくとも１つの炭素含有燃料及び少なくとも１つの酸化体を前記スラグ層及び／又は前記溶融金属の浴内又は表面に添加することによって形成されることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の方法。
【請求項５】
固形炭素含有微粉砕材料が前記スラグの下部内に注入されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
酸素含有ガスが前記スラグの上部内に注入されることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記電気炉（１０）がその中央に少なくとも３つの電極（１８）を備え、前記局部的な発泡スラグ（２０）の層が、３つの電極（１８）間に作られることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
原料が主に前記電気炉（１０）の中央に添加されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
原料が、前記スラグ層の下部内に及び／又は前記溶融金属の浴内に注入される微細物の形態で添加されることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
原料がペレット（３２）又はレンガの形態で添加されることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属を製造するためのサブマ−ジドアーク炉の機能を最適化するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既に一部が予め還元された鉄鉱石の装入物の還元及び溶融により、特にコークスを還元剤として使用することによりフェロアロイ（Ｆｅ‐Ｍｎ、Ｆｅ‐Ｃｒ等）及び銑鉄の製造のためのサブマージドアーク炉（ＳＡＦ）の使用方法が公知である。金属副産物、特に微細物、粒体又はペレットの形態で装入される金属粉末の還元及び溶融のためのこれらのＳＡＦの使用方法も公知である。これらのＳＡＦで使用される還元及び溶融方法は、かなりの生成量のスラグを特徴とするものであり、例えばスラグの量が金属の量に匹敵するか、それよりも多くなることが多い。従って、金属の浴は、浴の単位平方メートル当たり約１ないし３．７５トンのスラグの装入量を示す、かなりの深さ（約０．４ｍないし１．５ｍ）の溶融スラグ層で覆われる。ＳＡＦの電極は炉の中央ゾーンに配置され、一方、装入物は周辺ゾーン、すなわち、電極を備えた中央ゾーンと炉壁との間に装填される。
【０００３】
このＳＡＦでは、金属製品を溶融するために必要な熱エネルギーが、溶融スラグを通して電流が伝導することにより発生する。その結果、電極と金属の浴との間に作られる実際のプラズマアーク（又はフリーアーク）はない。従ってＳＡＦで生じる電力は、るつぼ表面積当り０．２ないし０．５ＭＷ／ｍ２に過ぎず、この電力はフリーアーク炉におけるるつぼ表面積当り約２ＭＷ／ｍ２と比べて非常に低電力である。しかしながら、フェロアロイ又は金属副産物の還元及び溶融のエネルギー条件が非常に高いため、結果としてＳＡＦの生産性は現在かなり改善の余地がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の根底の課題はＳＡＦの生産性を上げることにある。本発明によれば、この課題は請求項１に係る方法で解決される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方法は、溶融金属製造用サブマージドアーク炉の機能の最適化を可能にする。この電気炉は少なくとも１つの電極を使用し、単位面積当たり少なくとも１ｔ／ｍ２の質量を有する厚い層の溶融スラグで被覆された溶融金属浴で構成されている。本発明の重要な態様によれば、スラグの密度が電極の周囲で残りの炉内より少なくとも５０％低い局部的な発泡スラグ層を作るように電極周囲で局部的に発泡するためにスラグが作られる。この電気炉が幾つかの電極を備えていれば、炉内電極全ての周囲で局部的に発泡するためにスラグが作られることが好ましい。
本発明に係る方法は、多量の溶融スラグを収容する電気ＳＡＦの機能を最適化する可能性、特に、その生産性を上げる可能性を提供する。実際、局部的な発泡スラグ層の形成により電気エネルギーが浴内に入る方法が変わる。抵抗溶融スラグに電流を流すと、例えガス媒体がある割合の溶融スラグを含有していてもガス媒体に形成される「プラズマ」アークで少なくとも一部が代えられる。このようにしてアークの特性、すなわちアーク電圧及びアークの長さを改善することが可能である。発泡スラグに浸漬されたプラズマモードでの電界は、抵抗モード（溶融スラグ内の伝導）の場合より少なくとも２〜４倍大きい。その結果、ＳＡＦの電力にかなりの増大が見られる。電力が高くなるため、溶融時間を短縮することができ、それにより生産性を上げることができる。その上、発泡スラグ内での溶融金属の製造条件が、溶融スラグの場合より厳しくない。これが発泡スラグの局部層で電極の消耗が少ない理由である。
【０００６】
電気炉は、０．４〜１．５ｍの厚さの厚い溶融スラグ層で被覆された溶融金属浴が入っていてもよい。電極を囲む発泡スラグの局部層は、少なくとも５０％のガスを含むのが好ましく、少なくとも８０％のガスが最適である。
発泡スラグの局部層は、前記スラグ層及び／又は前記溶融金属浴内あるいは表面に少なくとも１種の炭素含有燃料及び／又は少なくとも１種の酸化体を添加することにより形成される。この炭素含有燃料と溶融金属浴内に含有された酸素との反応によりＣＯが生成され、このＣＯがスラグを発泡させる。さらに、この炭素含有燃料が燃焼するとエネルギーが導入され、このエネルギーが還元や溶融の電気源の熱エネルギーに付加される。酸素を含有するガスをスラグ層の上部第３層内に注入することにより、ＣＯの後燃焼、すなわち、熱エネルギーの入力をもたらす反応が達成される。
好ましい実施形態によれば、上記電気炉は炉の中央に配置される少なくとも３つの電極を備えている。そして発泡スラグの局部層がこの３つの電極間に作られる。言い換えれば、発泡スラグの局部層が各々電極を囲むと共に、炉の中央で電極間に延在している。
原料は電気炉の主に中央に添加されるのが好ましい。
【０００７】
第１の実施形態によれば、原料がスラグ層の下部及び／又は溶融金属浴内に注入される微細物の形態で添加される。例えば、この方法を予備還元鉄鉱石の微細物を注入するために使用することが可能である。
第２の実施形態によれば、原料がペレット又はレンガの形態で添加される。これにより注入不可能な原料を、スラグ層を突き抜けるのに十分高い密度を備えた例えばペレット又はレンガに凝集させることにより電気炉内に導入することが可能となる。
本発明の他の特徴及び特性が、添付図面を参照して例示実施例として以下示された有利な実施形態の詳細な説明から明らかになるだろう。
【０００８】
【発明の実施形態】
図１はサブマージドアーク型式の電気炉（ＳＡＦ）１０の断面図を示している。溶融金属１２の浴がその電気炉の炉床１４上に収容されている。溶融スラグ１６の厚い層が金属浴の上方に位置している。この溶融スラグ層は１．５ｍを超える高さに達することがある。それは、金属浴の１平方メートル当たり約１〜３．７５トンの装入量を示している。幾つかの電極１８が炉の中央に配置されており、その電極の内の２つが図１に示されている。これらの電極の底端部が、炉床１４内の通常のスラグ高さの十分下方に配置されている。
電極１８周囲の溶融スラグ１６の層は、スラグの密度が電気炉の残りの部分よりも少なくとも５０％低い発泡スラグ２０の局部層を作るように発泡させられていることが分かる。この電気炉が３つの電極を備えている場合、それらの電極は概略炉の中央で三角形に配置される。そして発泡スラグの局部層が、３つの電極間に延在しつつ電極の各々を囲むように形成される。発泡スラグの局部層は電流が浴とスラグに流れる通路を変える。なお、この場合電極は三角形に配置されるが、直線配置でもよい。さらに、炉は３つより多くの電極を有することができる。
【０００９】
電極が溶融スラグで囲まれていると、電気エネルギーの入力が伝導によって達成される。電極周囲に発泡スラグの局部層を作ることにより、準ガス媒体中に「プラズマ」アークを形成することが可能であり、これがアークの特性を改善する。抵抗モード（溶融スラグを通した伝導）で０．１Ｖ／ｍｍである電界を発泡スラグの局部層内でのプラズマアークモードで０．５Ｖ／ｍｍまで上げることができる。
本発明の方法は、多量のスラグを発生する原料、例えばある程度まで予備還元された鉄鉱石及び金属副産物から溶融記属を製造するのに十分適していることを指摘する必要がある。１．５ｍまでの厚さを有する溶融スラグの層であっても、電極の領域に局部的にスラグを発泡させることが可能である。このように、オーバーフローの危険も何らなく発泡スラグを製造する条件の利用が可能である。
【００１０】
発泡スラグの局部層を作るために、例えば炭素及び酸素をスラグの底部層及び／又は溶融金属の浴に添加することができる。図１は例えば、固形炭素含有微粉細材料をスラグ１６の底部第３層に噴射しているランス２２を示している。ランス２２による固形炭素含有微粉細材料の単位時間当たりの流量は１０〜３０ｋｇ／分であり、単位面積当たり０．５〜５ｋｇ／分・ｍ２、好ましくは１ｋｇ／分・ｍ２に保持されている。ランス２４を使用して一次噴射酸素をスラグ１６の底部第３層に注入することも可能である。酸素の流量は炭素の流量に好ましく比例し、１〜２ｍ3／ｋｇの流量である。この酸素の一次噴射は以下の反応によって、ＣＯを生成するように意図されている。
Ｃ(金属浴)＋１／２Ｏ２→ＣＯ及び
Ｆｅ(金属浴)＋１／２Ｏ２→ＦｅＯ、その後、
ＦｅＯ＋Ｃ(注入)→Ｆｅ＋ＣＯ
【００１１】
上記ＣＯを燃焼させるために二次噴射酸素をスラグ１６の上部第３層（図示せず）内に注入することができる。すなわち、
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２
このＣＯの後燃焼はＣのＣＯへの燃焼より多量のエネルギーを放出する。
なお、注入される酸素量は、原料（還元及び溶融予定の金属製品）に含まれる還元可能な酸化物の量により調整される。その原料が多量の酸化物、例えばＦｅＯ又はＮｉＯを含有していれば、発泡スラグを作るために注入される酸素の量を低減し、あるいはそれをゼロにすることができる。
発泡スラグを作るために添加される炭素を、装入物の還元や金属の脱炭に必要な炭素に加えて注入しなければならないことは明らかである。
そのため、浴１２内に導入され、また含有する酸素及び炭素の量により、発泡スラグ２０の層内のガスの比率を変えることが可能である。少なくとも５０％のガス、好ましくは８０％より多くのガスを含有する発泡スラグ２０の層を確実に形成するように注意する必要がある。
【００１２】
参照番号２５及び２６は、原料の導入のための炉１０の屋根２８の周辺開口及び中央開口をそれぞれ示している。
微細物又は粒体の形態の原料は、スラグの底部層及び／又は浴とスラグとの間の界面（図示せず）に好ましく注入される。
注入可能な原料は、レンガ又はペレットの形態に凝集され、好ましくは中央開口２６を通して導入される。このレンガ又はペレットは、その大きさによりスラグ層を突き抜けることができるように、そしてまた容易に壊せるように作製される。
図１で、矢印３０は周辺開口２５と中央開口２６を介する炉１０内へのペレット３２の導入を示している。
【００１３】
定量的理論実施例
３．５ｍのるつぼ径（るつぼの表面積、約１０ｍ2）を有する既存のＳＡＦは３ＭＷの電力が生じる。１トンの装入物の還元と溶融のために、１５００ｋＷｈのエネルギーが必要である。従来的にＳＡＦを操業すると（すなわち、電極を囲む溶融スラグで）、電気から熱へのエネルギー効率が約０．７であり、「生の」生産性（注入時間及び停止時間を含む）は、
３０００（ｋＷ）×０．７／１５００（ｋＷｈ／ｔ）≒１．４ｔ／ｈ
９ｋＷ／ｋｇのエネルギー含有量を有する炭素を１０ｋｇ／分で電極近くへ注入することにより下記の入力になる。
１０×９×６０＝５４００ｋＷ
４０％の効率でエネルギーを炭素から移すことによって、生産性が下記のように上昇する。
（（３０００×０．７）＋（５４００×０．４））／１５００≒２．８ｔ／ｈ
【００１４】
さらに、電極近傍でのＣＯの放出により、電極を囲む発泡スラグの局部層が形成され、それによりプラズマアークの形成が促進される。電極への給電を増大させることによって（同じ最大電流で変圧器の交換）アーク電圧を２倍にすることができる。それにより発生した電力が６ＭＷに変化する。最初の近似に対して電気エネルギーから熱エネルギーへの効率が変化されないことを前提とすることにより、炉の生産性が以下のように向上する可能性がある。
（（６０００×０．７）＋（５４００×０．４））／１５００≒４．２ｔ／ｈ
種々の消耗量の計算によって、この方法の収益性の幾つかの考え方を得ることが可能となる。酸素要件としては、炭素１ｋｇ当たり１．５ｍ3のＯ2量が見込まれる。
従来の機能では、消耗量が、
３０００／１．４＝２１４３ｋＷｈ／ｔである。
【００１５】
固形炭素含有微粉砕材料からエネルギーの入力を考慮することにより、消耗量が、
‐  電気エネルギー：３０００／２．８＝１０７１ｋＷｈ
‐  炭素：（１０×６０）／２．８＝２１４ｋｇ／ｔ
‐  酸素：２１４×１．５＝３２１ｍ３／ｔである。
固形炭素含有微粉砕材料及びプラズマアークからのエネルギーの入力を伴って機能する場合、その消耗量が、
‐  電気エネルギー：６０００／４．２＝１４２８ｋＷｈ
‐  炭素：（１０×６０）／４．２＝１４３ｋｇ／ｔ
‐  酸素：１４３×１．５＝２１４ｍ３／ｔである。
これらの計算では、１ｋｇの炭素と１．５ｍ３のＯ２が５ｋＷｈ電気エネルギーに代えられることを示している。この変換は何ら他のランニングコストを生じさせない。しかし、生産性の増大（１．４〜４．２ｔ／ｈ）によりこの方法が非常に収益性があることが示されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る方法が実施されるサブマージドアーク炉の断面図である。
【図１】
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