(57)【要約】      （修正有）【課題】アーク炉によって鋼スクラップを溶解・酸化精錬する過程で発泡スラグを形成する方法において脱燐性能の低下を防ぎ炭材消費を削減する。【解決手段】熔落前に生成した酸化性（ＦｅＯを多量に含有）の塩基性スラグに少量の炭材を投入してＣＯガスを生成し、該スラグの発泡を誘発し、次いで石灰石を間欠装入して石灰石の熱分解によりＣＯ2ガスを発生させ、発泡を成長・持続させ、アークの包囲によって着熱効率を高く保持する。また以後の炭材投入を削減する。従来の炭材のみによる発泡と比較してスラグ中のＦｅＯやＰ2Ｏ5の還元反応が抑制され、脱燐性能の低下を防止することができる。石灰分の原単位の増加は無い。消費熱量は小差である。炭材消費の削減は２酸化炭素の削減につながる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク炉によって鋼スクラップを溶解・酸化精錬する過程で発泡スラグを形成する方法において、溶解中に自然発生するスラグと装入した造滓材である生石灰とが溶融混合して生成した酸化性（ＦｅＯを質量比で１０％以上含有）の塩基性スラグに対して炭材を投入して該塩基性スラグの発泡を誘発し、次いで石灰石を間欠投入して発泡を成長・持続させることにより以後の炭材投入量を削減することを特徴とする発泡スラグの形成方法。
【請求項２】
石灰石装入量に対して生石灰装入量を予め同一モル数だけ削減し、炭材の削減量を石灰石装入量の１／１０以上で１／６以下とすることを特徴とする請求項１に記載の発泡スラグの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は製鋼用アーク炉においてスクラップを熔解する際、アークの着熱効率に影響する発泡スラグの生成方法に関している。
【背景技術】
【０００２】
スクラップを主原料とするアーク炉製鋼法の過去５０年を概観すると、生産能力の増強、コスト低減、品質の強化のそれぞれに着実な進歩の積み上げがあった。
コスト面での最良操業指標を見ると出鋼サイクル（Tap to tap と称される）は１８０分／チャージから今日では３０分／チャージ、電力原単位は６５０ｋＷｈ／ｔから３００ｋＷｈ／ｔ、電極棒原単位は７ｋｇ／ｔから１ｋｇ／ｔに飛躍している。
アーク炉の最大の特徴は高温熱源によって極めて効率的且つ正確に原料溶解が可能なこと、他方原料熔解のため大量の電力が消費されコストの主要因となっていることである。
【０００３】
電力節減のため種々の新技術が開発されてきた。１）純酸素吹錬による溶解・精錬の高速化、２）大出力電源変圧器（例：５０ＭＶＡ以上）による能率・効率強化、３）ＬＦ炉の後続による還元精錬工程の分離、４）熱排ガスによるスクラップ予熱、５）酸素燃料バーナーによる熱源代替、６）大出力アークによる炉壁損傷とアーク着熱効率低下の両方を防止する発泡スラグ処理等々が挙げられる。
【０００４】
発泡スラグ処理には３効果がある。まず通常スラグ厚は１００ｍｍ弱であるが、数１００ｍｍ高さまで発泡させることによりアークを包囲し、アークが直接炉壁に放射し損傷させる作用を軽減する。今日の炉壁は水冷構造で耐火物量が少なくなっているものの炉壁の耐久と熱損に対して効果が大きい。
【０００５】
第２にアーク電流は電極先端から導電性であるスラグを通過して溶鋼中を経て他の電極に回帰するが発泡スラグの状態ではアーク熱の大部分を包囲吸収し且つスラグを抵抗加熱し、溶鋼とスラグの沸騰を通して溶鋼に効率的に着熱する。即ち電力節減になる。
【０００６】
第３にアークは煮沸している溶鋼面に直接衝突せずスラグ層に安定的に導通するのでアーク電圧とアーク電流の瞬間変動が小さくなる。これは衝撃的アーク音の緩和から容易に知覚される。電力量は電力計によって必ずしも正確に計量することができない場合がある。電圧・電流の瞬間大変動は過大に計量される。発泡スラグは電力節減に寄与している。
【０００７】
発泡スラグ処理は溶解・酸化過程でなされる。該スラグを形成するにはスラグ中に炭材を適切に投入し、スラグ中のＦｅＯと反応させてＣＯガスを発生させスラグ層を発泡状に膨張させる。
投入タイミングや投入量はアーク音を聞いていると解る。非発泡状態ではアーク音は近雷のように耳に突き刺すが発泡状態ではプロペラ機音のような炉体内に籠もった比較的穏やかな音になる。
特許文献１にも通常の形成方法とその利用方法が説明されている。発泡材として炭材を使用し、ＣＯガスの発生による発泡によりアークの着熱効率が向上すると記されている。また発生したＣＯガスは原料予熱室へ誘導し熱源として再利用すると記されている。
【０００８】
特許文献２には、発泡スラグを形成することが炭素鋼よりも困難であるステンレス鋼に対して発泡スラグを形成する方法が開示されている。ステンレス鋼では溶解中にスクラップの酸化によって通常発生するスラグ中のＦｅＯ分が少ないので発泡現象が弱い。発泡させるためＦｅＯ分の装入と蒸発性金属の酸化物（ＺｎＯ）の装入が開示されている。両酸化物はそれぞれ炭素により還元されＣＯガスを発生するが後者の場合金属蒸気も発生し発泡に寄与する。当該方法の経済的な実施方法として電炉操業において発生する粉塵の集塵灰（製鋼ダストと称され、ＦｅＯ，ＺｎＯを多量に含み、Ｚｎ原料になるか産業廃棄物になる）の装入が有利と記されている。
【０００９】
問題点を挙げる。スラグ（金属酸化物の複合）と炭材（Ｃ）との反応によって生ずるＣＯガス起因のスラグ発泡現象のアーク炉への適用は効果が著しく大きいので問題であると意識されていないが、当該反応は金属の還元であって吸熱反応であり熱損が生ずること、還元用炭材のコストがかかること、亜鉛酸化物を使用する場合は、還元熱だけではなく蒸発熱をも消費することである。
【００１０】
もう一つの問題として、大出力のアークではアーク周辺スラグ温度は溶鋼温度よりも高温になりその状態で炭材が投入されると還元反応が強く、酸化精錬によってなされた脱燐反応が停止し復燐に向かう。塩基性アーク炉製鋼法の脱燐性能が低下する。
脱燐に関して、今日の国内スクラップは転炉鋼の精錬水準が向上（Ｐ，Ｓ含有量の低下）した１９７０年以後の鋼材の回帰が主体であり、不純物含有量は少ない。脱燐の必要水準が低下している。しかしＰが多量に含まれる銑鉄の使用率が多い場合や低Ｐ鋼を製造する場合は脱燐は軽視できるものではない。
【００１１】
塩基性製鋼法では主造滓材は焼成石灰（ＣａＯ）である。発泡スラグ処理が確立されるずっと以前では一部で石灰石（ＣａＣＯ3）が使用され、熱分解による２酸化炭素ガスの発生によって擬似的な軽度の発泡処理（Lime boiling と称されていた）がなされていた。しかるに当時はアーク出力が大きくなかったので効果が小さく、また電力によって石灰石を熱分解するのは非経済的であってそのため焼成石灰に代替され、当該方法は廃れた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】公開特許公報平１１−１４２６３
【特許文献２】公開特許公報平１０−８８２２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
大出力の製鋼用アーク炉の操業において溶解・酸化過程での発泡スラグ処理はアークの着熱効率を上げ、電力節減だけでなく炉壁の耐久にも欠かせない作業方法である。しかるに該処理はスラグ中に炭材を添加することによりスラグ中のＦｅＯとＣとが反応してＣＯガスを発生させ発泡に至らしめるものであって、還元吸熱反応のため大きくないとは言え熱損があること、炭材コストがかかること、ＦｅＯの他にＺｎＯを使用して発泡を強化する場合には蒸発熱も負荷され熱と資材のコスト問題は看過されない。さらに還元反応は酸化過程で進行した脱燐の効果を減殺するという問題もある。
本願発明はアーク炉特に大出力のアーク炉によるスクラップの溶解と酸化精錬において効果的に適用されている発泡スラグ処理をスラグの脱燐能を低下させず且つ低コストで行うことを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
課題解決のため石灰石の発泡効果を再検討し、現行の炭材による発泡ガス量と同一のガス量を得る場合、熱損はほぼ等しいこと、還元反応を誘発せず脱燐反応を低下させないこと、実質的にＣａＯ使用量を増加させないこと、炭材量を削減ないし不要とする可能性に気づき以下の発明をなした。
【００１５】
第１の発明は、アーク炉によって鋼スクラップを溶解・酸化精錬する過程で発泡スラグを形成する方法において、溶解中に自然発生するスラグと装入した造滓材である生石灰とが溶融混合して生成した酸化性（ＦｅＯを質量比で１０％以上含有）の塩基性スラグに対して炭材を投入して該塩基性スラグの発泡を誘発し、次いで石灰石を間欠投入して発泡を成長・持続させることにより以後の炭材投入量を削減することを特徴とする発泡スラグの形成方法である。
【００１６】
第２の発明は、石灰石装入量に対して生石灰装入量を予め同一モル数だけ削減し、炭材の削減量を石灰石装入量の１／１０以上で１／６以下とすることを特徴とする第１発明に記載の発泡スラグの形成方法である。
【００１７】
ここで述語の定義として、前記生石灰とは石灰石を焼成した製鋼用の石灰であって大部分が生石灰（ＣａＯ）であり一部にＣＯ2 が残存している。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると造滓材として装入される生石灰の一部が石灰石に替えられ、該石灰石の熱分解によってＣＯ2  ガスが発生するので現行の酸化性スラグ（ＦｅＯを多量に含有する）に炭材を添加してＣＯガスを発生させる方法と同様にスラグを発泡させることができる。その際、現行と同一ガス量を得る場合、石灰石の分解に消費される熱量は現行の炭材添加による酸化鉄還元に消費される熱量とほぼ同等である。新たな熱損は生じない。
【００１９】
第２に発生ガスはＣＯ2 であって現行方法（炭材と酸化鉄の反応によるＣＯガス発生）のようにスラグの脱燐能を低下させることがない。
【００２０】
第３にコスト面で、石灰分使用量の増加は無い。石灰石への代替分の正味価格は半減以下になる。発泡用炭材の消費が削減ないし無くなり経済効果は小さくない。
さらに環境に放出される２酸化炭素の量は炭材削減分が減少する。石灰石分解炭酸ガスは石灰焼成炉か溶解炉のどちらかで発生し、総量は従来と変らない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の発泡スラグを生成する際の作業の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下実施の形態について図面を参照しつつ本願発明の作業方法を説明する。
図１に本発明を実施する製鋼用アーク炉における熔落直前の炉内の状態を示す。アーク炉は主に炉体１と電極棒２とから成る。炉体１内に原料スクラップ３を装入し、電極棒２に通電して該原料スクラップ３へアーク４を発する。該原料スクラップは熔解して溶鋼プール５ができスラグが浮遊する。該プール５がある程度成長すると酸素ガス吹錬により酸化精錬と溶解の促進を行い、且つ造滓材として生石灰（主成分ＣａＯ）を石灰装入装置８によって装入し適性組成の塩基性スラグを生成する。
適切な時期に炭材投入装置７から炭材を少量投入し、スラグ中のＦｅＯと反応させてＣＯガスを生成し、スラグの発泡を誘発する。
次いで石灰石（主成分ＣａＣＯ3 ）を石灰石装入装置９から添加する。石灰石は約９００℃で熱分解してＣＯ2 ガスを発生し、約１００〜２００ｍｍ厚のスラグはさらに発泡してから数１００ｍｍへと盛り上がり発泡スラグ６となる。アーク４は発泡スラグ６に包囲され、アーク音は近雷のような炸裂音からプロペラ機音のような安定した状態になる。アークの着熱効率は約５０％から６０〜７０％に向上する。間欠的に石灰石を投入し発泡状態を維持する。炭材の投入は削減する。溶鋼プール５は順調に昇温・成長し周辺の原料の溶解を促進する。酸素吹錬と塩基性スラグにより脱炭反応と脱燐反応が併行し、熔落時には酸化精錬は概ね終了する。
その後昇温を待たずにレードルに出鋼しＬＦ炉と称される２次精錬装置によりレードル内溶鋼の昇温と仕上げ精錬を行う。
【００２３】
スラグの発泡現象について説明する。通常、発泡には酸化性（ＦｅＯを多量に含有）の塩基性スラグ（ＣａＯが主成分）に炭材を添加してなされる。（１）式の反応によってＣＯガスが生成する。
（ＦｅＯ）＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ↑＋Ｑa     −−−−−（１）
Ｑa＝−３８０００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ（Ｃ）
＝−３２０ｋｃａｌ／ｋｇ（Ｃ）
上記は吸熱反応であって電力損になるが着熱効率の大きいのでほとんど意識されていない。発生したＣＯガスは熱源にはなるが主に煙道で燃焼して原料への着熱効率は小さい。
【００２４】
本願発明では（２）式の反応が適用され発泡源はＣＯ2 ガスである。
ＣａＣＯ3 ＝ＣａＯ＋ＣＯ2↑           −−−−−（２）
Ｑb＝−４３０００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ（ＣａＣＯ3）
＝−４３０ｋｃａｌ／ｋｇ（ＣａＣＯ3）
当該反応は約９００℃から１０００℃にかけて進行する。
両反応を比較すると、１モルのガス発生に対して前者では１モルのＣ，後者では１モルのＣａＣＯ3 が必要になり、吸熱量はそれぞれ約４００００ｋｃａｌ／ｍｏｌで大差ない。従って同一ガス量を得るに際して、１モル１２ｋｇの炭材は１モル１００ｋｇの石灰石に代替可能となる。質量比は約８になる。
Ｑａ，Ｑｂ：反応熱
【００２５】
炭材添加による通常の発泡反応では下記反応も発生する。
（ＦｅＯ）＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ2         −−−−−（３）
（Ｐ2Ｏ5）＋５ＣＯ＝２Ｐ＋５ＣＯ2     −−−−−（４）
（Ｐ2Ｏ5）＋５Ｃ＝２Ｐ＋５ＣＯ        −−−−−（５）
Ｆｅの還元は費用と価値が見合わない。Ｐの還元は折角溶解中に得られた脱燐作用を減殺し、復燐が発生して不都合である。Ｐ含有量が問題となる場合は、事前にＰ酸化物を含有する熔落前後のスラグを炉外へ排出し、２次スラグによって発泡させなければならない。
石灰石による発泡では生成ガスが酸化性であるから脱燐能を低下させない。
【００２６】
単に炭材や石灰石を投入するだけで充分な高さの発泡スラグが容易に形成される訳ではない。スラグ内でのガス発生と気泡の延命による発泡の安定化には種々の要因が関係する。炭材方式の場合既に作業ノウハウは確立されている。一例として炭材投入によりスラグ中ＦｅＯ濃度は減少して発泡性に不利になるが、酸素ランスや酸素燃料バーナーの適切な使用条件により該濃度は適正範囲に維持されている。石灰石方式の場合の最適化は未完成であるが現行作業条件から少しずつ移行するのが賢明な策であろう。
【００２７】
石灰石の必要投入量は、一方でガス発生量が従来の炭材投入の場合と同一となるよう、炭材削減量に対して化学量論的に決められ、他方でスラグ塩基度が従来と同水準が維持されるよう生石灰の一部が代替される。
石灰石への代替による炭材の削減量を１／１０以上１／６以下とした理由は、既述の適性質量比８を挟んで、削減量が１／１０未満では炭材量が過剰となって無駄が生ずる。１／６を超えると発泡ガス量が不足になる。
【００２８】
通常、生石灰原単位は１５〜３０ｋｇ／ｔ（石灰石では２７〜５４ｋｇ／ｔに相当）、発泡用炭材吹込み量は２〜４ｋｇ／ｔである。他に熱源として酸素ガスと炭材を併行吹き込みする場合もある。
本発明の場合の一例として、石灰石を２４ｋｇ／ｔ投入し、石灰投入分を１３ｋｇ／ｔ削減すればスラグ塩基度は従来と同一であり、炭材３ｋｇ／ｔを削減することになる。
経済効果として石灰石代替による単価の低下、炭材消費量の削減があり、特に増加するコスト要因は無い。
【００２９】
石灰石と投入開始の直前に少量の炭材と投入して発泡を誘発する理由は、未発泡のスラグ上に石灰石を投入すると浮遊状態のものが生じ発生ガスがスラグ上方に逃げる分が生ずる。発泡状態では石灰石は直ちに埋没し発生ガスが有効に利用されるためである。
【実施例】
【００３０】
変圧器容量２０ＭＶＡ，溶解量３０トンのアーク炉において高炭素鋼の溶解と酸化精錬に発泡スラグ処理の適用試験を行った。原料が約７０％溶解した段階で溶鋼中に酸素を吹き込み始め、生石灰を３００ｋｇ投入し、１分当たり０．０２％Ｃの能率で脱炭反応を作用させつつ昇温を継続した。通電から約５５分で全量溶解し、炉体を傾動し一部排滓して脱燐処理を完了させた。その後通常の炭材方式によりスラグを発泡（通常の１／３量の２０ｋｇ投入）させ、次いで２０〜３０ｍｍ径の石灰石を２４０ｋｇ（石灰分１３０ｋｇ）数回に分けて投入した。酸素吹錬による沸騰と炭材による発泡開始に石灰石の沸騰が重なってスラグは膨張し、発泡状６００ｍｍ以上の盛り上がりを確認した。アーク音も通常の炭材添加方式と同様安定し、５分で順調に１６５０℃まで昇温し、その後出鋼した。脱燐は低燐鋼に近い０．０１０％まで進行した。
以上のように本発明の作業方法により発泡スラグを容易に形成することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本願発明の製鋼用アーク炉の操業における発泡スラグ処理は現行操業に容易に適用することができ、資源を節約し、排出２酸化炭素を削減する。
【符号の説明】
【００３２】
１：炉体    ２：電極棒    ３：原料スクラップ    ４：アーク    ５：溶鋼プール    ６：発泡スラグ    ７：炭材吹込みノズル    ８：石灰装入装置    ９：石灰石装入装置
【図１】
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