(57)【要約】  炭材吹込み装置を備えた電気炉において冷鉄源を溶解して溶鉄を製造する方法において、安全性を損なうことなく、炭材を効率良く溶鉄中に吹き込むことができる方法を提供する。  炭材吹込み装置では、中心部から搬送ガスで炭材ａを噴射するとともに、その外周部から燃料ｂと支燃性ガスｃとをそれぞれ噴射し、中心部から噴射された炭材ａが、燃料ｂと支燃性ガスｃとの燃焼反応で形成される筒状の燃焼火炎の中を通過して溶融スラグ中及び溶鉄中に吹き込まれるようにする。筒状の燃焼火炎の中を流れる炭材ａは、周囲のガス流れの影響を受けないため流速が減衰せず、高い流速を維持することができるため、炭材ａが高い慣性力を保ったまま搬送ガスから分離し、溶融スラグ及び溶鉄に到達・進入することができる。
2021090654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭材吹込み装置を備えた電気炉において、冷鉄源を溶解して溶鉄を製造する方法であって、
前記炭材吹込み装置では、中心部から搬送ガスで炭材（ａ）を噴射するとともに、その外周部から燃料（ｂ）と支燃性ガス（ｃ）とをそれぞれ噴射し、
中心部から噴射された炭材（ａ）が、燃料（ｂ）と支燃性ガス（ｃ）との燃焼反応で形成される筒状の燃焼火炎の中を通過して溶融スラグ中及び溶鉄中に吹き込まれる、電気炉による溶鉄の製造方法。
【請求項２】
前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）及び支燃性ガス（ｃ）の吐出流速を、前記炭材吹込み装置における炭材（ａ）の搬送ガスの吐出流速よりも大きくする、請求項１に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
【請求項３】
前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）の供給量に対する酸素比が１．０〜１．１となるように、支燃性ガス（ｃ）を供給する、請求項１または請求項２に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
【請求項４】
前記炭材吹込み装置は、中心側から順に、炭材噴射管（１）、燃料噴射管（２）、支燃性ガス噴射管（３）が同心状に配された構造を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
【請求項５】
前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）及び支燃性ガス（ｃ）の吐出流速が１００〜５００ｍ／ｓである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
【請求項６】
前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）の燃焼量が、前記炭材吹込み装置１基当たり４００Ｍｃａｌ／ｈ以上である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
【請求項７】
前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）の燃焼量と炭材（ａ）の吹込み速度との比が０．１Ｍｃａｌ／ｋｇ以上である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気炉において冷鉄源を溶解して溶鉄を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気炉では、鉄スクラップなどの冷鉄源をアーク熱で溶解して溶鉄（溶銑、溶鋼）が製造されており、冷鉄源の溶解促進のために、酸素吹込みと炭材吹込みとが一般的に行われている。溶鉄中及び溶融スラグ中への炭材吹込みは、酸素吹込みにより生成された酸化鉄（ＦｅＯ）を還元すること、及び、炭材の燃焼熱により冷鉄源の溶解を促進することを目的として行われる。また、炭材吹込みよる酸化鉄の還元及び炭材の燃焼によってＣＯガスが発生し、このＣＯガスによって溶融スラグが泡立つ、いわゆる「スラグフォーミング」が促進される。このスラグフォーミングにより、アークの輻射熱が軽減し、冷鉄源の溶解効率が向上する。【０００３】
従来、炭材吹込み方法としては、消耗式のパイプ（鋼管）を作業者が保持し、このパイプを通じて炭材を炉内に吹込む作業が行われていたが、近年では、例えば、特許文献１及び特許文献２に示されるような可動式の非消耗型水冷ランスを用いる方法が採られている。この方法では、作業者によるパイプの交換作業（パイプの消耗に伴う新しいパイプの接続作業）が不要となるので、作業者の負担を軽減することができる
また、その他の炭材吹込み方法としては、例えば、特許文献３に示されるような、炉体に固定されたカーボンインジェクタによって炭材を炉内に噴射する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４５４２２号公報
【特許文献２】特開平１１−３０４３７２号公報
【特許文献３】特表２０１６−５０９６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２に記載された方法は、可動式の非消耗型水冷ランスを用いているので、炭材を溶鉄中や溶融スラグ中に効率良く吹込むことができる。しかしながら、水冷ランスを溶鉄や溶融スラグに近接させる必要があるため、ランス高さを精度良く制御できる制御系が必要である。また、水冷ランスを溶鉄や溶融スラグに近接させるため、水冷ランスのノズル先端に溶融スラグや溶鉄のスプラッシュが付着し、ノズル詰まりが生じるおそれがある。更に、スプラッシュによってノズル先端やランス本体が損傷を受け、ランス冷却水の水漏れによる水蒸気爆発の懸念もある。また更に、炉体に水冷ランスの挿入孔を設ける必要があるため、挿入孔として設けた開口部からの侵入空気量が増え、電気炉内の温度が低下し、電力原単位の悪化につながるという問題もある。【０００６】
一方、特許文献３に示されるような炉体に固定された炭材吹込み装置を使用した場合、スプラッシュによるノズル詰まりや開口部からの侵入空気量の増加などの問題はない。しかしながら、（ｉ）ノズル先端から溶鉄浴面まで比較的大きな距離があること、（ｉｉ）吹込まれた炭材と搬送ガスとが、周囲のガス流れ（酸素ランスからの吹込み酸素ガス、溶融スラグ及び溶鉄から発生するガス、炉外からの侵入空気などによるガス流れ）に影響されることで流速が減衰されること、などの問題がある。これにより、炭材を溶鉄中や溶融スラグ中に効率良く吹込むことができない。また、比較的粒径が小さい炭材は、搬送ガス流れに追従する傾向があるため、吹込み条件によっては炭材が搬送ガスから分離されず、搬送ガスの流跡に沿って溶鉄や溶融スラグの浴面上を浮遊し、最終的には炉外に放散されてしまう。これらの結果、溶鉄中や溶融スラグ中に吹込まれる炭材の歩留りが悪くなる問題がある。【０００７】
また、単純に炭材吹込みノズルの流路径を小さくする（例えば、ラバール構造などにする）ことにより、炭材及び搬送ガスを高い吐出流速で吹込むことが考えられるが、炭材吹込みノズルの流路径を小さくすると、ノズル内で炭材の詰まりが生じるおそれがある。このような炭材のノズル詰まりが生じると、炭材吹込みを停止せざるを得ず、生産性が悪化する。また、状況によっては、操業停止を招くおそれがある。【０００８】
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、炭材吹込み装置を備えた電気炉で冷鉄源を溶解して溶鉄を製造する方法において、安全性を損なうことなく、炭材を溶融スラグ中及び溶鉄中に効率良く吹込むことができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために検討を重ねた。その結果、以下のことが判った。【００１０】
炭材吹込み装置の中心部から搬送ガスで炭材を噴射するとともに、その外周部から燃料と支燃性ガスとをそれぞれ噴射し、中心部から噴射された炭材が、燃料と支燃性ガスとの燃焼反応で形成される筒状の燃焼火炎の中を通過して吹込まれるようにする。これにより、噴射された炭材及び搬送ガスの流速が減衰せず、炭材が高い慣性力を保ったまま搬送ガスから分離し、溶融スラグ及び溶鉄に到達し、溶融スラグ中及び溶鉄中に進入できることを見出した。【００１１】
また、燃料及び支燃性ガスの吐出流速を、炭材の搬送ガスの吐出流速よりも大きくすることにより、筒状の燃焼火炎の中を通過する過程で炭材及び搬送ガスの流速が加速されるため、上記のような効果がより高められることも判った。【００１２】
本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。【００１３】
［１］炭材吹込み装置を備えた電気炉において、冷鉄源を溶解して溶鉄を製造する方法であって、
前記炭材吹込み装置では、中心部から搬送ガスで炭材（ａ）を噴射するとともに、その外周部から燃料（ｂ）と支燃性ガス（ｃ）とをそれぞれ噴射し、
中心部から噴射された炭材（ａ）が、燃料（ｂ）と支燃性ガス（ｃ）との燃焼反応で形成される筒状の燃焼火炎の中を通過して溶融スラグ中及び溶鉄中に吹き込まれる、電気炉による溶鉄の製造方法。【００１４】
［２］前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）及び支燃性ガス（ｃ）の吐出流速を、前記炭材吹込み装置における炭材（ａ）の搬送ガスの吐出流速よりも大きくする、上記［１］に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。【００１５】
［３］前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）の供給量に対する酸素比が１．０〜１．１となるように、支燃性ガス（ｃ）を供給する、上記［１］または上記［２］に記載の電気炉による溶鉄の製造方法。【００１６】
［４］前記炭材吹込み装置は、中心側から順に、炭材噴射管（１）、燃料噴射管（２）、支燃性ガス噴射管（３）が同心状に配された構造を有する、上記［１］から上記［３］のいずれかに記載の電気炉による溶鉄の製造方法。【００１７】
［５］前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）及び支燃性ガス（ｃ）の吐出流速が１００〜５００ｍ／ｓである、上記［１］から上記［４］のいずれかに記載の電気炉による溶鉄の製造方法。【００１８】
［６］前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）の燃焼量が、前記炭材吹込み装置１基当たり４００Ｍｃａｌ／ｈ以上である、上記［１］から上記［５］のいずれかに記載の電気炉による溶鉄の製造方法。【００１９】
［７］前記炭材吹込み装置における燃料（ｂ）の燃焼量と炭材（ａ）の吹込み速度との比が０．１Ｍｃａｌ／ｋｇ以上である、上記［１］から上記［６］のいずれかに記載の電気炉による溶鉄の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、炭材吹込み装置を備えた電気炉において、冷鉄源を溶解して溶鉄を製造する際に、炭材を効率良く溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込むことができる。これにより、（１）溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込まれる炭材の歩留りが向上するため、冷鉄源の溶解効率の向上により電力原単位を削減することができる、（２）炭材により酸化鉄が効率良く還元されるため、出鋼歩留りが向上する、という効果が得られる。【００２１】
更に、（３）燃料と支燃性ガスとの燃焼反応で形成される燃焼火炎が溶鉄及び溶融スラグに着熱されるため、この面でも冷鉄源の溶解効率が向上し、電力原単位を削減することができる、（４）炭材吹込みノズルの流路径を小さくする必要がないため、ノズル詰まりのおそれがない、（５）炭材吹込み装置を電気炉の炉体に固定することができ、これにより炭材吹込み装置の取り付け部から空気が浸入することがないので操業性が向上する、（６）ノズル先端を溶融スラグや溶鉄に近接させる必要がなく、溶鉄や溶融スラグのスプラッシュによる影響も少ないため、安全性に優れる、（７）炉外へ放散される炭材量が少ないので、電気炉周辺の浮遊ダストが減少し、作業環境も改善される、などの効果も得られる。【００２２】
また、燃料及び支燃性ガスの吐出流速を、炭材の搬送ガスの吐出流速よりも大きくすることにより、筒状の燃焼火炎の中を通過する過程で炭材及び搬送ガスの流速が加速されるため、炭材をより効率良く溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明法における炭材吹込み装置による炭材吹込み原理を、従来法と比較して示したものであり、図１（Ａ）は本発明法、図１（Ｂ）は従来法をそれぞれ示す説明図である。
【図２】図２は、本発明法で使用する炭材吹込み装置の実施形態の一例を模式的に示す縦断面図である。
【図３】図３は、図２のIII−III断面図である。
【図４】図４は、本発明法の実施状況の一例（電気炉半径方向での縦断面）を模式的に示す説明図である。
【図５】図５は、実施例で使用した電気炉における炭材吹込み装置の設置位置の概略を示す説明図である。
【図６】図６は、実施例における炭材吹込み原単位と電力原単位との関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係る電気炉による溶鉄の製造方法は、炭材吹込み装置を備えた電気炉において、冷鉄源を溶解して溶鉄を製造する方法であり、炭材吹込み装置では、中心部から搬送ガスで炭材ａ（粉粒状の炭材）を噴射するとともに、その外周部から燃料ｂと支燃性ガスｃとをそれぞれ噴射する。これにより、中心部から噴射された炭材ａが、燃料ｂと支燃性ガスｃとの燃焼反応で形成される筒状の燃焼火炎の中を通過して溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込まれるようにするものである。ここで、溶鉄とは溶銑または溶鋼であり、溶銑及び溶鋼は、クロムやニッケルなどの合金元素を含む場合もある。
【００２５】
図１は、本発明法における炭材吹込み装置による炭材吹込み原理を、従来法と比較して示したものであり、図１（Ａ）は本発明法、図１（Ｂ）は従来法をそれぞれ示している。
【００２６】
図１（Ｂ）に示す従来法では、炭材吹込み装置は単管ノズルであり、炭材は搬送ガスによって送られ、炉内の溶融スラグ及び溶鉄に向けて吹込まれる。このとき、単管ノズルから吹込まれた炭材及び搬送ガスの流速は周囲のガス流れの影響で直ちに減衰し、炭材及び搬送ガスは自由拡散するので、ポテンシャルコア（初速を維持するエリア）は短くなる。また、比較的粒径が細かい炭材は、搬送ガスの流れに追従する傾向があるため、条件によっては搬送ガスから分離することができず、搬送ガスの流跡に沿って溶鉄や溶融スラグの浴面上を浮遊し、炉外へ放散されてしまう。
【００２７】
一方、図１（Ａ）に示す本発明法では、燃料ｂ（気体燃料または／及び液体燃料）と支燃性ガスｃとの燃焼反応によって筒状の燃焼火炎が形成され、その中を炭材ａ及び搬送ガスが通過し、溶融スラグ及び溶鉄に向けて吹込まれる。このとき、筒状の燃焼火炎の中を流れる炭材ａ及び搬送ガスは、周囲のガス流れの影響を受けないために流速が減衰せず、高い流速を維持することができる。すなわち、ポテンシャルコアが長くなる。このため、炭材ａが高い慣性力を保ったまま搬送ガスから分離し、溶融スラグ及び溶鉄に到達し、溶融スラグ中及び溶鉄中に進入することができる。これにより、炭材ａが効率良く溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込まれることになる。
【００２８】
また、燃料ｂ及び支燃性ガスｃの吐出流速を、炭材ａの搬送ガスの吐出流速よりも大きくすることにより、筒状の燃焼火炎の中を通過する過程で、炭材ａ及び搬送ガスの流速が加速される。これにより、上記のような作用効果がより高められ、炭材ａをより効率良く溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込むことができる。
【００２９】
炭材ａは粉粒状のものである。炭材ａとしては、コークス製造時の副産物であるコークス粉、石炭（微粉炭）、プラスチック（粒状または粉状のもの。廃プラスチックを含む）などが挙げられ、これらの１種以上を用いることができる。
【００３０】
燃料ｂとしては、気体燃料または／及び液体燃料を使用できる。気体燃料としては、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ＬＮＧ（液化天然ガス）、水素、製鉄所副生ガス（Ｃガス、Ｂガスなど）、これらの２種類以上の混合ガスなどが挙げられ、これらの１種類以上を用いることができる。液体燃料としては、例えば、重油（Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油）、軽油、灯油、廃油などが挙げられ、これらの１種類以上を用いることができる。また、上記のような気体燃料と液体燃料とを併用してもよい。ただし、燃焼の容易さ（燃料着火温度は一般的には固体燃料＞液体燃料＞気体燃料である）などの理由から、燃料ｂとしては気体燃料が好ましく、このため以下の説明では、燃料ｂとして気体燃料を用いる場合について述べる。
【００３１】
支燃性ガスｃとしては、純酸素（工業用純酸素）、酸素富化空気、空気のいずれかを用いることができる。
【００３２】
炭材ａの搬送ガスとしては、例えば、窒素、アルゴンなどの不活性ガスや空気などの１種以上用いることができるが、搬送ガスとして空気を用いる場合には、逆火防止弁などを設置して、炭材の発火・爆発などのリスクを抑えることが好ましい。また、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを用いることで炭材の自己発火防止リスクを抑えられる。
【００３３】
本発明で使用する炭材吹込み装置は、炭材ａ、燃料ｂ、支燃性ガスｃをそれぞれ噴射するための噴射管を有する。この炭材吹込み装置では、炭材粉噴射管が中心部に配され、その外周部に燃料噴射管及び支燃性ガス噴射管が配される。
【００３４】
図２及び図３は本発明で使用する炭材吹込み装置の一例を示すもので、図２は縦断面図、図３は図２中のIII−IIIに沿う断面図である。この炭材吹込み装置において、燃料ｂ（本実施形態では気体燃料）、支燃性ガスｃ、炭材ａの供給用の本体部分は、３つの管体が同心状に配された三重管構造となっている。すなわち、この三重管構造は、中心側の炭材噴射管１と、その外側に配された燃料噴射管２と、更にその外側に配された支燃性ガス噴射管３で構成されている。なお、通常、三重管構造の各噴射管にはスペーサが配置され、各噴射管間の間隔が保持される。
【００３５】
炭材噴射管１は、その内部が炭材流路１０を構成し、燃料噴射管２は、炭材噴射管１との間の空間部が燃料流路２０を構成し、支燃性ガス噴射管３は、燃料噴射管２との間の空間部が支燃性ガス流路３０を構成している。炭材噴射管１、燃料噴射管２及び支燃性ガス噴射管３は、それぞれ先端が開放され、それらの開放端がそれぞれ炭材吐出口１１（噴射口）、リング状の燃料吐出口２１（噴射口）、リング状の支燃性ガス吐出口３１（噴射口）を構成している。
【００３６】
また、炭材吹込み装置の後端側において、支燃性ガス噴射管３には、支燃性ガス流路３０に支燃性ガスを供給するための支燃性ガス供給口３２が設けられている。同じく燃料噴射管２には燃料流路２０に燃料を供給するための燃料供給口２２が設けられている。同じく炭材噴射管１には炭材流路１０に搬送ガスを介して炭材を供給するための炭材供給口１２が設けられている。
【００３７】
また、図示はしないが、支燃性ガス噴射管３の外側には、更に内側管体と外側管体が同心状に配され、それら外側管体と内側管体との間と、内側管体と支燃性ガス噴射管３との間に、相互に連通した冷却流体用流路（冷却流体の往路及び復路）を形成している。
【００３８】
本実施形態では、燃料吐出口２１と支燃性ガス吐出口３１はリング状吐出口であるが、例えば、それぞれの吐出口を、噴射管端部の周方向で所定の間隔で形成された複数のガス孔で構成してもよい。
【００３９】
このような炭材吹込み装置では、炭材吹込み時には炭材噴射管１からコークス粉などの炭材ａ及び搬送ガスが、燃料噴射管２からはＬＮＧなどの燃料ｂ（気体燃料）が、支燃性ガス噴射管３からは酸素などの支燃性ガスｃがそれぞれ噴射される。燃料ｂ（気体燃料）と支燃性ガスｃとによって筒状の燃焼火炎が形成され、その中を炭材ａ及び搬送ガスが通過し、溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込まれる。
【００４０】
なお、本実施形態の炭材吹込み装置と類似した構造を有するものとして電気炉用助燃バーナーがあるが、この助燃バーナーでは、炭材を固体燃料として使用する。すなわち、炭材（固体燃料）をＬＮＧのような気体燃料とともに燃焼（完全燃焼）させ、その燃焼火炎による冷鉄源への着熱やコールドスポット（電極から離れた不均一溶解が生じる箇所）の解消を図るものである。したがって、本発明で使用する炭材吹込み装置とは、使用目的、機能、炭材の使用方法が全く異なる装置である。
【００４１】
本発明では、炭材吹込み装置の中心部から噴射された炭材ａが、燃料ｂと支燃性ガスｃとの燃焼反応で形成される筒状の燃焼火炎の中を通過して溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込まれる。すなわち、主たる炭材ａは燃焼することなく、筒状の燃焼火炎の中を通過して溶融スラグ及び溶鉄に到達して進入する。
【００４２】
燃焼に必要な要素として、可燃性物質、酸素、温度（火源）の３要素が挙げられる。また、可燃性物質の燃焼しやすい状態は、気体、液体、固体の順である。これは、気体状態であれば可燃性物質と酸素との混合が容易であり、燃焼の継続（連鎖反応）が生じやすいからである。また、最も燃焼しにくい固体は、着火温度まで昇温した後に燃焼が始まる。
【００４３】
以上の点からして、炭材ａを燃焼しにくくする要素としては、（１）支燃性ガスｃを燃料ｂのみが燃焼するような供給量で供給すること、（２）炭材ａを着火温度まで昇温させないようにするために炭材ａ（搬送ガス）の流速を大きくすること、（３）炭材ａは粒径が小さいほど着火温度まで昇温する時間が短く、燃焼しやすいので、炭材ａの粒径を余り小さくしないこと、などが考えられる。
【００４４】
上記（１）の点に関しては、本発明では、燃料ｂはノズルから噴射された直後に支燃性ガスｃと接触して即座に燃焼するので、支燃性ガス流量は、燃料ｂのみが燃焼するような酸素比または、それに近い酸素比にすることが好ましい。具体的には、燃料ｂの供給量に対する酸素比が１．０〜１．１となるような支燃性ガスｃの供給量とすることが好ましい。ここで酸素比とは、「（支燃性ガスにより実際に供給される酸素量）／（燃料を完全燃焼させるのに必要な理論酸素量）」である。
【００４５】
上記（２）の点に関しては、例えば、炭材ａとして石炭を用いる場合、炭材が着火する温度は数百度（コークスの場合は１０００℃以上）であるので、炭材ａを着火温度まで昇温させないようにするために、炭材ａ（搬送ガス）の流速を大きくすることが好ましい。燃焼場における炭材の粒子昇温速度は一般的に１０℃／ｍｓ程度であると考えられる。炭材吹込み装置の噴射口から溶融スラグや溶鉄までの距離が１〜２ｍ程度とすると、例えば、炭材ａ（搬送ガス）の流速を２０〜１００ｍ／ｓ程度にした場合、噴射口から噴射された炭材ａが溶融スラグや溶鉄に到達するまでの時間はわずか１０〜１００ｍｓである。このような短い時間では、炭材ａは着火温度まで昇温されることはなく、つまり、炭材ａは燃焼することなく、溶融スラグ及び溶鉄に到達すると考えられる。したがって、炭材ａ（搬送ガス）の流速は２０〜１００ｍ／ｓ程度とするのが好ましい。
【００４６】
炭材ａの粒径が小さすぎると、上記（３）の点に加えて、炭材ａが搬送ガスの流れに追従し、搬送ガスから分離しにくくなるおそれがある。このため、炭材ａのメジアン径（Ｄ５０）は２０μｍ以上とすることが好ましい。ここで、メジアン径（Ｄ５０）は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定器で測定される炭材ａの粒度分布に基づき求めることができる。
【００４７】
上記の（１）〜（３）などの点を考慮して、炭材吹込み装置から、炭材ａ、燃料ｂ及び支燃性ガスｃの供給を行うことが好ましい。
【００４８】
燃料ｂ及び支燃性ガスｃの吐出ガス流速は、炭材ａを効率良く吹込むという観点からはできるだけ大きい方が好ましいが、吐出ガス流速が大きすぎると火炎が失火し、筒状の燃焼火炎を安定的に形成できなくなるおそれがある。一方、燃料ｂ及び支燃性ガスｃの吐出ガス流速が小さすぎると、燃焼火炎長が比較的短くなるため、ポテンシャルコアも短くなり、本発明の効果が低下する。また、燃焼火炎長が短いと、炉内の外乱によって火炎が吹き飛ぶことで失火し、この場合も燃焼火炎を安定的に形成できなくなるおそれがある。以上の観点から、燃料ｂ及び支燃性ガスｃの吐出ガス流速は１００〜５００ｍ／ｓ程度が好ましい。
【００４９】
また、燃料ｂの燃焼量が少なすぎると、燃焼火炎が炉内の外乱によって不安定になりやすいので、燃料ｂの燃焼量は、炭材吹込み装置１基当たり４００Ｍｃａｌ／ｈ以上であることが好ましい。
【００５０】
炭材ａの搬送ガスのガス流量にも好ましい条件があり、炭材吹込み量と搬送ガス流量との比は０．５〜１５ｋｇ／Ｎｍ３程度が好ましい。炭材吹込み量と搬送ガス流量との比が１５ｋｇ／Ｎｍ３を超えると、炭材ａの搬送性が低下し、炭材ａが流路内で詰まるなどの操業トラブルが生じやすくなる。一方、０．５ｋｇ／Ｎｍ３未満では、搬送ガスによって炉内温度が冷却され、操業性が低下するおそれがある。
【００５１】
支燃性ガスｃの流量は、燃料ｂ（気体燃料）の流量、燃料理論酸素量（燃料を完全燃焼させるのに必要な理論酸素量）、及び、酸素比に基づき、下記（１）式によって求めることができる。
【００５２】
支燃性ガス流量＝支燃性ガス酸素濃度比×酸素比（係数）×［燃料流量×燃料理論酸素量］    ……（１）
したがって、例えば、支燃性ガスｃを純酸素（酸素濃度１００％）とし、燃料ｂをＬＮＧとし、ＬＮＧの流量を１００Ｎｍ３／ｈとした場合、支燃性ガス流量は以下のようになる。燃料理論酸素量は燃料中の炭素分や水素分などから算出され、ＬＮＧの理論酸素量は２．２Ｎｍ３−酸素／Ｎｍ３−ＬＮＧ程度とされており、酸素比を１．１とした場合、上記（１）式により、支燃性ガス流量は２４２Ｎｍ３／ｈ（＝１×１．１×［１００×２．２］）と計算される。
【００５３】
また、炭材吹込み装置における燃料ｂの燃焼量と炭材ａの吹込み速度との比（Ｍｃａｌ／ｋｇ）にも好ましい条件があり、燃料ｂの燃焼量と炭材ａの吹込み速度との比は０．１Ｍｃａｌ／ｋｇ以上が望ましい。これは、炭材吹込み速度に対して燃料ｂの燃焼量が少ないと、吹込まれた炭材自身によってバーナー先端の火炎が吹き消されてしまい、燃焼火炎が不安定となり、本発明の効果が十分に得られなくなるためである。
【００５４】
図４は本発明法の実施状況の一例（電気炉の半径方向での縦断面）を模式的に示すものであり、符号４は炉体、符号５は電極、符号６は炭材吹込み装置、符号７は溶鉄、符号はは溶融スラグである。この炭材吹込み装置６は、適当な伏角をもって炉体４に設置される。炭材吹込み装置６は、通常、炉体４に対して１基または２基以上設置される。
【００５５】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る電気炉による溶鉄の製造方法によれば、炭材吹込み装置６を備えた電気炉において冷鉄源を溶解して溶鉄７を製造する際に、炭材ａを溶融スラグ中及び溶鉄中に効率良く吹込むことができる。これにより、下記（１）、（２）の効果が得られる。
（１）溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込まれる炭材ａの歩留りが向上するため、冷鉄源の溶解効率の向上により電力原単位を削減することができる。
（２）炭材ａにより酸化鉄が効率良く還元されるため、出鋼歩留りが向上する。
【００５６】
更に、本発明に係る電気炉による溶鉄の製造方法によれば、以下のような効果も得られる。
（３）燃料ｂと支燃性ガスｃとの燃焼反応で形成される燃焼火炎が溶鉄及び溶融スラグに着熱されるため、この面でも冷鉄源の溶解効率が向上し、電力原単位を削減することができる。
（４）炭材吹込みノズルの流路径を小さくする必要がないためノズル詰まりのおそれがない。
（５）炭材吹込み装置を電気炉の炉体に固定することができ、これにより炭材吹込み装置の取り付け部から空気が浸入することがないので操業性が向上する。
（６）ノズル先端を溶融スラグや溶鉄に近接させる必要がなく、溶鉄や溶融スラグのスプラッシュによる影響も少ないため安全性に優れる。
（７）炉外へ放散される炭材量が少ないので、電気炉周辺の浮遊ダストが減少し、作業環境も改善される。
【００５７】
また、燃料ｂ及び支燃性ガスｃの吐出流速を、炭材ａの搬送ガスの吐出流速よりも大きくすることにより、筒状の燃焼火炎の中を通過する過程で炭材ａ及び搬送ガスの流速が加速されるため、上記のような作用効果がより高められる。その結果、炭材ａをより効率良く溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込むことができる。
【実施例】
【００５８】
図２及び図３に示す構造の炭材吹込み装置を設置した電気炉で試験（発明例１〜９）を行った。また、比較のために、従来型の単管ノズル式の炭材吹込み装置（図１（Ｂ）を参照）を設置した電気炉で試験（比較例）を行った。図５に、試験を行った電気炉の水平断面を模式的に示す。この電気炉は炉径が約６．３ｍ、炉高が約４．１ｍ、出鋼量が約１２０トンであり、また水冷式の酸素ランスが設置され、中心に１本の電極を有する直流タイプである。発明例１〜９では、炭材吹込み装置を、図５に示すように、炉体周方向において、計３箇所に設置した。また、比較例では、炉体周方向の３箇所に従来型の単管ノズル式の炭材吹込み装置を設置した。【００５９】
表１に、本実施例における電気炉の操業条件を示す。【００６０】
【表１】
2021090654.tif 000003
【００６１】
使用した鉄スクラップの種類はヘビーＨ２（日本鉄源協会の「鉄系スクラップ検収統一規格」に規定されているもの）である。鉄スクラップをバケットに装入し、操業開始前と操業中期の２回に分けて、合計約１３０トンの鉄スクラップを電気炉内に装入した。また、操業開始前に、副原料として、補助燃料であるコークス塊（１０００ｋｇ）、及び、造滓剤である生石灰（５００ｋｇ）を、副原料投入シュート（図示せず）を介して電気炉内へ装入した。炭材吹込みは、溶鉄及び溶融スラグが或る程度生成されている操業中期から操業末期の期間に実施した。【００６２】
発明例１〜９における炭材吹込み装置の使用条件を表２に示す。【００６３】
【表２】
2021090654.tif 000004
【００６４】
炭材の搬送ガスには空気を用い、気体燃料にはＬＮＧを用い、支燃性ガスには純酸素（工業用純酸素）を用いた。発明例１〜８においては、炭材の吹込み速度は６０ｋｇ／ｍｉｎとし、且つ、炭材の搬送ガスである空気の流量は３６０Ｎｍ３／ｈとした。また、発明例９においては、炭材の吹込み速度は８０ｋｇ／ｍｉｎとし、炭材の搬送ガスである空気の流量は３６０Ｎｍ３／ｈとした。ＬＮＧの流量は、発明例１〜９で、２０〜２２０Ｎｍ３／ｈの範囲で変更し、支燃性ガスである純酸素の流量は、酸素比が１．１の一定になるように、ＬＮＧの流量に応じて４８〜５３２Ｎｍ３／ｈの範囲で変更した。また、比較例では、炭材の吹込み速度を６０ｋｇ／ｍｉｎとし、炭材の搬送ガスには空気（空気の流量は３６０Ｎｍ３／ｈ）を用いた。炭材は、表３に示すコークス粉Ａ、コークス粉Ｂ及びコークス粉Ｃのいずれかを用いた。【００６５】
【表３】
2021090654.tif 000005
【００６６】
本実施例では、発明例１〜９の各々で、１チャージ当たりの炭材吹込み原単位が、１ｋｇ／ｔ、２ｋｇ／ｔ、３ｋｇ／ｔ、４ｋｇ／ｔ、５ｋｇ／ｔ、６ｋｇ／ｔ、７ｋｇ／ｔ、８ｋｇ／ｔ、９ｋｇ／ｔ、１０ｋｇ／ｔとなるように、炭材吹込み時間を調整しながら計１０チャージ実施した。１０チャージのそれぞれの炭材吹込み原単位及び電力原単位から、各発明例における１０チャージ平均の炭材吹込み原単位及び各発明例における１０チャージ平均の電力原単位を算出した。【００６７】
また、各発明例における１０チャージの炭材吹込み原単位と電力原単位とを用いて単回帰式を作成し、そのときの傾きａ（単回帰式：ｙ＝−ａｘ＋ｂ）を炭材効率（ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ））として評価した。例えば、発明例２の炭材吹込み原単位と電力原単位との関係を図６に示す。このときの炭材効率は４．３ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）である。【００６８】
炭材効率は値が高いほど効率が良いことを示す。評価としては、炭材効率が１．０未満を“×”、炭材効率が１．０以上２．０未満を“△”、炭材効率が２．０以上４．０未満を“〇”、炭材効率が４．０以上を“◎”とした。【００６９】
また、溶鉄への炭材の歩留まりを評価するために、鉄スクラップの溶解終了後に炉内の溶鉄から分析用試料を採取し、溶鉄中の炭素濃度を分析した。溶鉄中の炭素濃度が高いほど効率が良いことを示す。評価としては、溶鉄中の炭素濃度が０．０５０％未満を“×”、０．０５０％以上０．０５５％未満を“△”、０．０５５％以上０．０６０％未満を“〇”、０．０６０％以上を“◎”とした。【００７０】
また、チャージ間にて電気炉の炉蓋を開け、炭材吹込み装置における燃焼火炎の生成状況を目視で確認した。このとき、燃焼火炎が安定して生成していれば“〇”、燃焼火炎が揺動・脈動しているなど燃焼火炎が不安定であると認められれば“△”、完全に失火していれば“×”とした。【００７１】
また、電気炉の炉体開口部からの火炎・ダスト（炭材を含む）の吹き上げ状況を目視で確認した。このとき、比較例に対して炉体開口部からのダストや火炎の吹き上げが低減されていると認められれば“〇”、変化なしと認められれば“△”、悪化していると認められれば“×”とした。【００７２】
更に、総合評価として、上記の炭材効率、溶鉄中の炭素濃度、燃焼火炎の生成状況、炉体開口部からの火炎・ダストの吹き上げ状況のうちの評価が一つでも“×”があれば“×”、一つでも“△”があれば“△”、それ以外は“〇”とした。【００７３】
以上の結果を、炭材吹込み装置の吹込み条件とともに表４に示す。【００７４】
【表４】
2021090654.tif 000006
【００７５】
表４において、比較例は、単管ノズル式の炭材吹込み装置から炭材を搬送ガスで吹込んだだけであるため、吹込まれた炭材及び搬送ガスの流速が減衰し、炭材の多くが溶融スラグや溶鉄まで到達せず、炉外に放散された可能性がある。炭材吹込み時には、電極孔などの開口部から火炎が吹き上げており、これが炭材吹込みのロス分と考えられる。電力原単位は３９５．８ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は０．９ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）と非常に低く、炭材効率の評価は“×”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０４９ｍａｓｓ％であり、その評価も“×”である。このため比較例の総合評価は“×”である。【００７６】
これに対して、発明例では、ＬＮＧと酸素との燃焼反応により形成された筒状の燃焼火炎を通して炭材が効率良く溶融スラグ中及び溶鉄中に吹込まれ、その結果、電力原単位及び炭材効率が改善し、溶鉄中の炭素濃度も高くなっている。【００７７】
発明例１では、電力原単位は３９０．０ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は２．２ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）まで改善されており、評価は“〇”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０５３ｍａｓｓ％であるため、評価は“△”である。また、発明例２では電力原単位は３７７．７ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は４．３ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）まで改善されており、評価は“◎”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０５９ｍａｓｓ％であるため、評価は“〇”である。更に、本発明例３では電力原単位は３７１．４ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は４．８ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）まで改善されており、評価は“◎”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０６１ｍａｓｓ％であるため、評価は“◎”である。【００７８】
また、発明例１〜３では、燃焼火炎の生成状況は、安定した燃焼火炎が生成されていることを目視で確認できたため、評価は“〇”である。同じく、炭材吹込み時の電極孔などの開口部からのダストや火炎の吹き上げは比較例よりも大幅に低減されたため、評価は“〇”である。【００７９】
以上により、発明例１の総合評価は“△”、発明例２、３の総合評価は“〇”である。【００８０】
発明例４は、ＬＮＧの流量が３０Ｎｍ３／ｈであるため、発明例１〜３に比べてＬＮＧ吐出流速が７２ｍ／ｓと低く、燃焼火炎の安定性が低下した。また、炭材及び搬送ガスの加速も発明例１〜３に比べて低くなったものと考えられる。更に、ＬＮＧの燃焼量と炭材の吹込み速度との比は０．０８Ｍｃａｌ／ｋｇであり、燃焼量が過少であったことから、本発明の効果が十分に得られなかったものと考えられる。このため、電力原単位は３９１．０ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は１．３ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）であり、評価は“△”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０５３ｍａｓｓ％であり、評価は“△”である。また、燃焼火炎の生成状況は、炉内の状況によっては燃焼火炎が揺動して不安定な時があったため、評価は“△”である。また、炭材吹込み時の電極孔などの炉体開口部からのダストや火炎の吹き上げは比較例と較べて変化がなかったため、評価は“△”である。以上により、発明例４の総合評価は“△”である。【００８１】
発明例５は、炭材としてコークス粉Ｂを用いた以外は発明例２と同じ条件で実施したものである。この発明例５では、電力原単位は３８５．５ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は２．４ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）であり、評価は“○”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０５５ｍａｓｓ％であるため、評価は“〇”である。また、燃焼火炎の生成状況は、安定した燃焼火炎が形成されていることが目視で確認できたため、評価は“〇”である。また、炭材吹込み時の電極孔などの開口部からのダストや火炎の吹き上げは、比較例と較べて変化がなかったため、評価は“△”である。以上により、発明例５の総合評価は“△”である。【００８２】
この発明例５は、発明例２と比較すると炭材効率が低下したが、これはコークス粉の粒径差によるものと考えられる。すなわち、使用したコークス粉Ｂは、発明例２で使用したコークス粉Ａに比べて粒径が小さく、搬送ガスから分離しにくいために、炭材効率が低下したものと考えられる。【００８３】
発明例６は、ＬＮＧの流量が２２０Ｎｍ３／ｈであるため、発明例１〜３に比べてＬＮＧ吐出流速が５２７ｍ／ｓと高く、燃焼火炎の安定性が低下したため、炭材の歩留まり向上効果が低下した。このため、電力原単位は３８１．０ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は３．２ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）であり、評価は“〇”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０５７ｍａｓｓ％であるため、評価は“〇”である。また、燃焼火炎の生成状況は、火炎が脈動している時があったため、評価は“△”である。また、炭材吹込み時の電極孔などの開口部からのダストや火炎の吹き上げは比較例よりも大幅に低減されたため、評価は“〇”である。以上により、発明例６の総合評価は“△”である。【００８４】
発明例７は、ＬＮＧの流量が２０Ｎｍ３／ｈであるため、ＬＮＧ吐出流速が４８ｍ／ｓと低く、且つ搬送ガス吐出流速よりも低いため、燃焼火炎の安定性が低下するとともに、燃焼火炎による炭材及び搬送ガスの加速作用が得られなかったものと考えられる。また、ＬＮＧの燃焼量と炭材の吹込み速度との比は０．０５Ｍｃａｌ／ｋｇであり、燃焼量が過少であったことから、本発明の効果が十分に得られなかったものと考えられる。このため、電力原単位は３９２．５ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は１．１ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）であり、評価は“△”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０５２ｍａｓｓ％であり、評価は“△”である。また、燃焼火炎の生成状況は、炉内の状況によっては燃焼火炎が揺動して不安定な時があったため、評価は“△”である。また、炭材吹込み時の電極孔などの開口部からのダストや火炎の吹き上げは比較例と較べて変化がなかったため、評価は“△”である。以上により、発明例７の総合評価は“△”である。【００８５】
発明例８は、炭材としてコークス粉Ｃを用いた以外は発明例２及び発明例５と同じ条件で実施したものである。この発明例８では電力原単位は３８１．０ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は３．１ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）であり、評価は“○”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０５６ｍａｓｓ％であるため、評価は“〇”である。また、燃焼火炎の生成状況は、安定した燃焼火炎が形成されていることを目視で確認できたため、評価は“〇”である。また、炭材吹込み時の電極孔などの開口部からのダストや火炎の吹き上げは比較例よりも大幅に低減されたため、評価は“〇”である。以上により、発明例８の総合評価は“〇”である。【００８６】
この発明例８の結果が発明例５よりも良好であるのは、使用したコークス粉の粒径が発明例８の方が大きく、搬送ガスからの分離性が高くなったためであると考えられる。【００８７】
発明例９は、炭材吹込み速度を８０ｋｇ／ｍｉｎとし、それ以外は発明例１と同様な試験条件で実施したものである。ＬＮＧの燃焼量と炭材の吹込み速度との比は０．０９Ｍｃａｌ／ｋｇであり、燃焼量が過少であったことから、本発明の効果が十分に得られなかったものと考えられる。このため、電力原単位は３９１．８ｋＷｈ／ｔ、炭材効率は１．７ｋＷｈ／ｔ／（ｋｇ／ｔ）であり、評価は“△”である。また、溶鉄中の炭素濃度は０．０５３ｍａｓｓ％であり、評価は“△”である。また、燃焼火炎の生成状況は、炭材吹込み時によっては燃焼火炎が揺動して不安定な時があったため、評価は“△”である。また、炭材吹込み時の電極孔などの開口部からのダストや火炎の吹き上げは比較例と較べて変化がなかったため、評価は“△”である。以上により、発明例９の総合評価は“△”である。
【符号の説明】
【００８８】
１  炭材噴射管
２  燃料噴射管
３  支燃性ガス噴射管
４  炉体
５  電極
６  炭材吹込み装置
７  溶鉄
８  溶融スラグ
１０  炭材流路
１１  炭材吐出口
１２  炭材供給口
２０  燃料流路
２１  燃料吐出口
２２  燃料供給口
３０  支燃性ガス流路
３１  支燃性ガス吐出口
３２  支燃性ガス供給口
ａ  炭材
ｂ  燃料
ｃ  支燃性ガス
【図１】
2021090654.tif 000007
【図２】
2021090654.tif 000008
【図３】
2021090654.tif 000009
【図４】
2021090654.tif 000010
【図５】
2021090654.tif 000011
【図６】
2021090654.tif 000012
【国際調査報告】
2021090654.tif 000013
2021090654.tif 000014
2021090654.tif 000015
2021090654.tif 000016