JP2011080143A - 溶銑の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多種多様な鉄スクラップを鉄源として、各種の高品位鋼の製造に使用できる銑鉄を製造する実用的なプロセスを提供する。
【解決手段】 上記課題を解決するための本発明に係る溶銑の製造方法は、鉄スクラップを鉄源として用いて炭素を含有する溶銑をアーク炉にて製造する工程と、該溶銑と高炉にて製造された溶銑とを混合する工程と、混合した後の溶銑に対して脱硫処理を行う工程と、を有することを特徴とする。この場合、脱硫処理後に、溶銑に対して更に脱燐処理を行うこと、アーク炉にて製造される溶銑の炭素濃度は１．５質量％以上であることなどが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄スクラップを主たる鉄源として、主に電気エネルギーを使用して高効率に銑鉄を製造する方法に関し、詳しくは、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを有効に活用して、高品位の転炉鋼相当鋼や特殊鋼の製造に使用できる銑鉄を製造する方法に関する。

鉄スクラップの発生量は、鋼材蓄積量の増加に伴って年々１００万トン程度の割合で増加すると予想され、２００４年時点では市中の鉄スクラップ（「市中屑」と称す）の発生量は約５０００万トン／年となり、２０１０年には６０００万トン／年に達するという予測がある。鉄鋼製品の製造にあたり、高炉での溶銑の製造では、鉄鉱石を還元し且つ溶融するために多大なエネルギーを要するのに対し、鉄スクラップは溶解熱のみを必要としており、製鋼過程で鉄スクラップを利用した場合には、鉄鉱石の還元熱分のエネルギー使用量を少なくすることができるという利点がある。従って、省エネルギー及びＣＯ₂削減による地球温暖化防止の観点からも、鉄スクラップ利用の促進が望まれている。

現在、市中屑は大部分がアーク炉（「電気炉」ともいう）で消費され、棒鋼や形鋼といったいわゆる汎用鋼の製造に使用されている。また近年では、鉄鋼製品の種類の拡大とコスト低減とを図るべく、アーク炉で鉄スクラップと直接還元鉄とを併用して溶解する方法も行われている。

一方、銑鋼一貫製鉄所では、鉄スクラップを転炉などの製鋼炉へ直接投入して使用することが主体であるが、鉄源として多様な鉄スクラップを使用すると、製造される溶鋼の成分調整が難しいという問題がある上に、転炉では、鉄スクラップの溶解熱として溶銑に含有される炭素の燃焼熱を利用していることから、鉄スクラップの配合比率を極端に高めることができず、ＣＯ₂削減の面で不利という欠点がある。

市中屑の約２／３は耐用年数経過後に回収された老廃屑であり、その割合は年々増加している。この老廃屑は、不純物の多いもの、或いは化学組成が不明なものが多い。また、消費される鋼材の高級化に伴って、例えば高合金鋼や表面処理鋼の市中屑も増加しつつある。その結果、鉄スクラップを再生利用する際に、これらの鉄スクラップに随伴する、銅、錫、ニッケル、クロムに代表されるトランプエレメントが、鉄スクラップの溶解過程で不可避的に溶鉄中に混入する。これらのトランプエレメントは、鋼の性質を損なう成分であり、一定の濃度以下に保つ必要がある。

そこで、不純物や合金元素含有量の高い鉄スクラップを鉄源とした場合であっても、所望の組成の銑鉄を製造する方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、鉄スクラップを主な鉄源として溶解熱源に電力を用いず銑鉄を製造する方法であって、工程Ａ：鉄以外の元素の含有量が高い鉄スクラップ、またはその鉄スクラップと鉱石とから溶銑を製造し、その溶銑成分を分析する工程と、工程Ｂ：鉄鉱石もしくは鉄以外の元素の含有量が低い鉄スクラップ、またはその鉄スクラップと鉄鉱石とから溶銑を製造し、その溶銑成分を分析する工程と、工程Ｃ：製造予定の鋼種に応じて許容される溶銑の化学組成範囲におさまるように、工程Ａおよび工程Ｂで得られた溶銑の混合比を決めて、それらを合わせ湯する工程と、からなる３つの工程を有する、銑鉄の製造方法が開示されている。

この方法は、キュポラや転炉形式の溶解炉を用いることで、エネルギーコストの高い電力を使用しないというものであるが、電力を使用したアーク炉に対して溶解能力が少なく、大量に発生する市中屑を処理できない恐れがある。また、近年の技術開発により、アーク炉での電力原単位は低減し、アーク炉での電力を使用した溶解方法は必ずしもエネルギーコストの高いものではなくなっている。また更に、現在の鉄スクラップの発生形態は、工程Ｂで使用可能な鉄スクラップが少ないことが問題であり、現在の多様な鉄スクラップが発生するという状況には対応できない。

特許文献２には、アーク加熱源を有する溶解室と、この溶解室に直結し、溶解室で発生する排ガスにより予熱するシャフト型の予熱室とを有するアーク溶解設備を用いて、使用済み自動車または使用済み家電機器から得られた廃車プレス屑または廃家電屑を、炭材を吹き込みながらアーク加熱して溶解し、生成される溶融鉄を出湯した後、この溶融鉄に高炉溶銑を混合して、混合後の溶銑の銅濃度を規格に適合するように希釈・調製する溶銑製造方法が開示されている。

特許文献２のように、炭材（実施例ではコークス）を吹き込みながら鉄スクラップを溶解した場合には、炭材に含有される硫黄が、生成される溶融鉄中に蓄積され、溶融鉄の硫黄濃度が増加する。つまり、コークス中には硫黄が０．５〜０．７質量％程度含有されるため、溶融鉄の硫黄濃度が０．０３〜０．０５質量％と高くなる。しかしながら、特許文献２は、生成される溶融鉄、或いは、この溶融鉄と高炉溶銑とを混合した後の溶銑に対して脱硫処理を実施しておらず、高品質の溶銑が得られるとはいいがたい。また、特許文献２ではアーク炉から出湯後の溶融鉄中の銅濃度が１質量％を超えており高級鋼の溶製は困難である。

特開平５−９６００号公報 特開２００２−１７３７１６号公報

上記のように、従来、銅や錫を含む恐れのある低級鉄スクラップを使用して高級鋼を安定して大量生産することは困難であった。しかしながら、近年の鉄スクラップ発生量の増加及びＣＯ₂発生量削減のための鉄スクラップ増使用の要請を勘案すると、低級鉄スクラップの再生利用を強力に進める必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、多種多様な鉄スクラップを鉄源として、各種の高品位鋼の製造に使用できる銑鉄を製造する実用的なプロセスを提供することであり、具体的には、エネルギーコストやＣＯ₂発生量の観点から、最適エネルギーバランスを達成しながら、鉄スクラップ中の有害元素を有害とならないレベルまで稀釈し、各種の高品位鋼の製造に使用できる銑鉄を低コストで製造する方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る溶銑の製造方法は、鉄スクラップを鉄源として用いて炭素を含有する溶銑をアーク炉にて製造する工程と、該溶銑と高炉にて製造された溶銑とを混合する工程と、混合した後の溶銑に対して脱硫処理を行う工程と、を有することを特徴とする。

第２の発明に係る溶銑の製造方法は、第１の発明において、前記脱硫処理後に、溶銑に対して更に脱燐処理を行う工程を有することを特徴とする。

第３の発明に係る溶銑の製造方法は、第１または第２の発明において、アーク炉にて製造される溶銑の炭素濃度は１．５質量％以上であることを特徴とする。

第４の発明に係る溶銑の製造方法は、第３の発明において、前記アーク炉にて溶銑を製造する工程において、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの炭素濃度を１．５質量％以上増加させるに相当する質量の加炭用炭材を、前チャージの出湯後から当該チャージの出湯までの間に炉内に添加することを特徴とする。

第５の発明に係る溶銑の製造方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記脱硫処理に施される溶銑の硫黄濃度を分析し、該分析値に基づいて前記脱硫処理における脱硫時間を設定することを特徴とする。

第６の発明に係る溶銑の製造方法は、第１ないし第５の発明の何れかにおいて、アーク炉から出湯後の溶銑の化学成分のうち、銅、ニッケル、クロム、錫、アンチモン、砒素のなかの少なくとも１種を分析し、製造予定の鋼種に応じて許容される化学成分範囲に収まるように、高炉にて製造された溶銑の混合量を設定することを特徴とするものである。

第７の発明に係る溶銑の製造方法は、第１ないし第６の発明の何れかにおいて、前記アーク炉にて溶銑を製造する工程において、前チャージで製造した溶銑の一部を炉内に残留させ、残留させた溶銑の上に、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの炭素濃度を１．５質量％以上増加させるに相当する質量の加炭用炭材のうちの少なくとも一部を装入し、該炭材の上に鉄スクラップを装入し、炭材の上に装入した鉄スクラップをアーク熱で溶解することを特徴とする。

第８の発明に係る溶銑の製造方法は、第１ないし第７の発明の何れかにおいて、前記アーク炉にて溶銑を製造する工程において、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの全量が溶け落ちて溶銑が製造されたなら、該溶銑の温度を測定し、溶銑の温度測定値と、出湯時の溶銑の予定化学成分から算出される液相線温度と、の差である過熱度が所定の範囲内にあることを出湯可能条件とすることを特徴とする。

第９の発明に係る溶銑の製造方法は、第１ないし第７の発明の何れかにおいて、前記アーク炉にて溶銑を製造する工程において、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの全量が溶け落ちて溶銑が製造されたなら、該溶銑の温度を測定するともに溶銑から分析試料を採取し、溶銑の温度測定値と、分析試料の成分分析値から算出される液相線温度と、の差である過熱度が所定の範囲内にあることを出湯可能条件とすることを特徴とする。

第１０の発明に係る溶銑の製造方法は、第８または第９の発明において、前記過熱度が所定の範囲よりも低い場合には、酸素ガス供給量１Ｎｍ³／ｍｉｎあたりの炭材吹き込み速度を１．１ｋｇ／ｍｉｎ以上として、酸素ガス吹き込みと炭材吹き込みとを同時に行いながらアーク加熱して所定温度範囲まで昇温し、一方、前記過熱度が所定の範囲内の場合には、そのまま出湯のみを行い、前記過熱度が所定の範囲よりも高い場合には、そのまま出湯を行い且つ出湯中の受銑容器に炭材を添加することを特徴とする。

第１１の発明に係る溶銑の製造方法は、第１ないし第１０の発明の何れかにおいて、前記脱硫処理を機械攪拌式脱硫装置で行うことを特徴とする。

第１２の発明に係る溶銑の製造方法は、第１ないし第１１の発明の何れかにおいて、前記混合した後の溶銑は、温度が１２００℃〜１５００℃、硫黄濃度が０．１質量％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、鉄以外の元素の含有量が多い、或いはその含有量が不明な鉄スクラップを使用しても、目標組成の銑鉄が製造でき、結果として、これらの原料を一部使用しても高級鋼を製造することが可能となる。従って、出所不明の様々な鉄スクラップも利用でき、鉄スクラップ発生量の激増に対処し、低エネルギー且つ低コストで鉄鋼製品の製造を可能にするという大きな効果を発現する。

本発明を実施する場合の工程ブロック図である。 本発明を実施する場合の他の工程ブロック図である。 図１の工程ブロック図に対応する各製造設備の概略図である。 実施例１で使用した直流式アーク溶解設備の概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１及び図２は、本発明を実施する場合の工程ブロック図であり、図３は、図１の工程ブロック図に対応する各製造設備の概略図である。尚、図１と図２とで異なる点は、図１に示す工程では、アーク炉の鉄源として市中屑などの冷鉄源のみを使用しているのに対し、図２に示す工程では、アーク炉の鉄源として、前記冷鉄源に加えて、高炉で製造された溶銑（以下「高炉溶銑」と記す）を併用する点である。その他の工程は同一である。

本発明においては、図１に示すように、市中屑を主たる鉄源としてアーク炉で溶解して溶銑を製造し、この溶銑を受銑容器である溶銑鍋に出湯する。この溶銑に高炉溶銑を混合して、高炉溶銑で化学成分を希釈し、混合した後の溶銑に、脱硫処理を施し、更に、好ましくは脱燐処理を施した後、転炉に装入し、転炉にて脱炭精錬を実施し、溶鋼を製造する。転炉で製造された溶鋼は、ＲＨ真空脱ガス装置などで二次精錬が施され、次いで、連続鋳造機で鋳造されて連続鋳造鋳片が製造される。この場合、図２に示すように、アーク炉にて高炉溶銑を鉄源として併用し、市中屑などの冷鉄源の溶解を促進させることも可能である。

本発明においては、市中屑などの鉄スクラップを溶解するための溶解炉として、溶解能に優れる、アーク熱で鉄スクラップを溶解するアーク炉（「アーク溶解設備」ともいう）を使用する。使用するアーク炉としては、どのような型式のアーク炉であっても構わないが、鉄スクラップの溶解によって生成される溶湯（溶融鉄）は、炭素を含有する溶銑である必要がある。溶融鉄の炭素濃度を高めることにより、以下の効果が発現する。

１つは、溶融鉄中の炭素濃度を高めることで、鉄スクラップの溶解速度を高めることができ、溶解時間を短縮でき、他の１つは、溶融鉄中の炭素濃度を高めると同時に溶融鉄上に存在するスラグ中或いは溶融鉄中に酸素ガスを吹き込む精錬を実施することにより、生成するＣＯガスによって溶融鉄上に存在するスラグがいわゆるフォーミング状態となり、アークがフォーミングしたスラグに覆われることで、アーク加熱の効率が飛躍的に向上する。

アーク炉で製造する溶銑の炭素濃度は、鉄スクラップの溶解速度を促進させる観点から１．５質量％以上であることが好ましい。一方、炭素濃度の上限については、鉄スクラップの溶解速度などからは特に制約する必要はないが、次工程の精錬時間が長くなってしまう或いは過剰な炭素を供給するとアーク炉での使用エネルギーが過剰となるなどの理由から、およそ４質量％以下とすることが望ましい。

アーク炉において炭素を含有する溶銑を製造する方法としては、例えば、次のような溶解方法が好適である。１つの方法は、アーク炉内に溶銑を予め装入した後に鉄スクラップを装入し、アーク加熱下で鉄スクラップを昇温・溶解して溶銑を製造する方法であり、他の１つの方法は、アーク炉内に鉄スクラップを装入し、この鉄スクラップを炭材添加により加炭しながら昇温・加熱して溶解し、溶銑を製造する方法である。溶銑を予め装入する方法の場合も、鉄スクラップの溶解に伴って炭素濃度が希釈されることから、これを防止するために、炭材添加により加炭しながら昇温・加熱することが好ましい。

また、炭材の添加によって溶融鉄を加炭する方法としては、以下の２つの方法がある。１つは、鉄スクラップの溶解によって生成される炉内の溶融鉄に炭材吹き込みランスなどのランスを浸漬させ、該ランスから溶融鉄中に炭材を吹き込んで加炭するという方法であり、他の１つは、炉内に炭材を装入し、この炭材の上面側に、溶解するための鉄スクラップを装入し、アーク熱による鉄スクラップの溶解によって生成する溶融鉄を炭材と接触させて加炭させるという方法である。

炭材をランスを介して溶融鉄に吹き込む方法では、炭材をできるだけ溶融鉄に接触しやすいように添加することを考えると、鉄スクラップの大半が溶解し、溶湯面が露出した状態となってから炭材の吹き込みを開始せざるを得ない。これに対して、炉内に炭材を予め装入して炭材と生成する溶融鉄とを接触させる方法では、鉄スクラップの溶解と、生成した溶融鉄への加炭とが同時に進行し、加炭が効率的に行われる。このように、加炭方法としては、炉内に炭材を予め装入して炭材と生成する溶融鉄とを接触させる方法が好ましい。つまり、装入した鉄スクラップ層内に炭材の層を形成しておくことである。

アーク炉においては、鉄スクラップは炉内上部のアークスポット（電極先端部）で溶解され、生成した溶融鉄は未溶解の鉄スクラップ層内を流下して炉底部に堆積するので、この流下する溶融鉄と炭材とが接触するように炭材の層を形成しておくと効率的に加炭が行われる。炭材層の配置位置は、炉内上方であると炭材にアークが直接当たって炭材の昇華や酸化ロスの可能性が高くなるので望ましくない。また、炭材が炉底耐火物と直接接触するような最下層とすると、流下してきた溶融鉄が炭材とともに凝固してしまう可能性、つまり凝固相が炭材と溶融鉄との接触を妨げる可能性が高く、これも望ましくない。好適な配置位置は、炉内の最下層を除いた、なるべく下方位置である。

具体的には、連続操業時に前チャージで製造した溶銑の一部を炉内に残留させ、残留させた溶銑の上に加炭用炭材を装入し、この炭材の上に鉄スクラップを装入し、この鉄スクラップをアーク熱で溶解するという方法や、炉内に高炉溶銑を装入し、この高炉溶銑の上に炭材を装入し、この炭材の上に鉄スクラップを装入し、この鉄スクラップをアーク熱で溶解するという方法が好適である。

また、炉内に前チャージの溶銑が無い場合や高炉溶銑を使用しない場合には、少量の鉄スクラップを炉底部に敷き置き、その上に炭材を装入し、この炭材の上に鉄スクラップを装入することで、炭材層を炉内の最下層を除いた下方位置に形成することができる。一般的なアーク炉の場合には、鉄スクラップを底開きの装入バケットを介して炉内に装入することが多く、この場合には、装入バケットの最下部に鉄スクラップを装入し、その上に炭材を装入し、更に炭材の上に鉄スクラップを装入し、このように装入した装入バケットから装入することで、炭材層を炉内の最下層を除いた下方位置に形成することができる。

予め炉内に装入する炭材の質量は、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの炭素濃度を１．５質量％以上増加させるに相当する質量とすることが好ましい。但し、炉内に装入した炭材の１００質量％が加炭に費やされるわけではなく、溶銑の炭素濃度を正確に把握するには、溶銑から分析用試料を採取し、化学分析を行うことが必要である。

アーク炉において用いる鉄スクラップは、いわゆる老廃屑である市中屑を主体とし、この老廃屑としては、産業用機械、建築用鋼材、自動車外装鋼板などが該当する。一方、所内発生屑と称する、銑鋼一貫製鉄所で発生する不純物含有量の少ない鉄スクラップについては、市中屑に混合してアーク炉で溶解してもよいが、不純物が少なく溶鋼を汚染することがないので、熱余裕度がある場合には次工程の製鋼工程で鉄源として適宜使用することが望ましい。

尚、アーク炉における鉄スクラップの溶解の際には、鉄スクラップをアーク炉の排ガスなどを用いて予熱することが望ましい。また、アーク炉の種類は特に限定する必要はないが、溶解エネルギー最小化のために、鉄スクラップの予熱効率を高めることが可能な炉である特許第３１１４７１３号に示されるアーク溶解設備が好適である。即ち、「冷鉄源を溶解するための溶解室と、その一方側の上部に直結し、冷鉄源を予熱する予熱シャフトと、溶解室内で冷鉄源を溶解するためのアーク電極と、冷鉄源が溶解室と予熱シャフトに連続して存在する状態を保つように予熱シャフトへ冷鉄源を連続的または断続的に供給する冷鉄源供給手段と、前記溶解室に突設され、出湯口を有する出湯部と、前記溶解室を前記出湯部側へ傾動させる傾動手段とを有し、溶解室内の冷鉄源をアークにより溶解する冷鉄源のアーク溶解設備であって、前記予熱シャフト内の冷鉄源は、溶解中に前記溶解室の予熱シャフトが設けられている一方側から他方側へ向けて供給され、前記出湯部は、その冷鉄源の供給方向とは異なる方向に設けられ、且つ前記溶解室の予熱シャフトが設けられた部分と出湯部が設けられた部分との間に、前記溶解室を傾動した際に冷鉄源が前記出湯部へ流出することを妨げることが可能なように離間部を有していることを特徴とするアーク溶解設備」を用いることが好ましい。

このように、アーク炉では、老廃屑に代表される、鉄以外の元素の含有量が高い鉄スクラップ、或いは化学組成が不明な鉄スクラップを主たる鉄源とする。場合により、このような鉄スクラップに、鉱石（鉄鉱石、Ｍｎ鉱石、Ｃｒ鉱石など）或いはダストなどの雑鉄源を併用することも可能である。鉄スクラップの装入後、アーク熱により溶解を図るが、同時に前述した２つの溶解方法の何れかにより、生成される溶融鉄の炭素濃度を高める。

鉄スクラップの全量が溶け落ち後、次工程とのマッチングを考慮して溶銑の温度及び炭素濃度（およそ１．５〜３．０質量％）を調整した後、アーク炉から、受銑容器である溶銑鍋に出湯する。尚、炭素含有量の低い溶銑と一般的な炭素含有量の高い溶銑とを混合（「合わせ湯」ともいう）すると、急激なＣＯ発生反応による突沸が生ずるので、危険防止の観点からも、アーク炉で製造する溶銑の炭素濃度は１．５質量％以上とするのが望ましい。一般的な製鋼用アーク炉においては、鉄スクラップを溶解した後、更に脱炭精錬する工程を有するが、本発明では生成される溶融鉄の炭素濃度が高い状態のままアーク炉から出湯する。

出湯時のアーク炉出湯口での地金凝固や出湯後の低熱による溶銑鍋への地金付着などのトラブルを防止するために、出湯にあたり、出湯可能条件として溶銑の過熱度（スーパーヒート）を把握することが好ましい。即ち、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの全量が溶け落ちて溶銑が製造されたなら、炉内の溶銑の温度を測定し、溶銑の温度測定値と、出湯時の溶銑の予定化学成分から算出される液相線温度と、の差である過熱度が所定の範囲内にあることを確認することが好ましい。この場合に、出湯時の溶銑の予定化学成分から算出される液相線温度に替わって、溶銑から採取した分析試料の成分分析値から算出される液相線温度を用いることも可能である。溶銑の液相線温度は、例えば下記の（１）式で算出することができる。
T_Ｌ=1536-(78[C]+7.6[Si]+4.9[Mn]+34.4[P]+38[S]+4.7[Cu]+3.1[Ni]+1.3[Cr]+3.6[Al])…(1)
但し、（１）式において、Ｔ_Lは液相線温度、各元素記号は溶銑中の各成分の濃度（質量％）である。

尚、上述した「溶解予定の鉄スクラップの全量が溶け落ちて溶銑が製造された」状態とは、炉内に形成された溶銑の浴面上に未溶解の鉄スクラップが認められない状態を指し、溶銑浴面より下方に未溶解の鉄スクラップが沈んでいる場合も含む。

そして、過熱度（＝測定温度−液相線温度）が目標とする温度範囲の場合は、そのまま出湯する。過熱度が目標とする温度範囲よりも高い場合にも、そのまま出湯するが、出湯中の受銑容器に炭材を添加して出湯中の溶銑を加炭することが好ましい。このようにすることにより、目標よりも過剰になった溶銑顕熱分を、受銑容器内での溶銑への浸炭熱として利用して、溶銑中の炭素濃度の増加を図る。尚、加炭材を炉内でなく受銑容器内に添加する理由は、受銑容器内の方が加炭材の歩留りが良いからである。

一方、過熱度が目標とする温度範囲よりも低い場合には、酸素ガス供給量１Ｎｍ³／ｍｉｎあたりの炭材吹き込み速度を１．１ｋｇ／ｍｉｎ以上として、酸素ガス吹き込みと炭材吹き込みとを同時に行いながら、つまり、溶銑中の炭素濃度の低下を抑えつつ、スラグフォーミングを促進させた状態でアーク加熱して所定温度範囲まで昇温し、昇温後に出湯することが好ましい。

本発明において、アーク炉では、いわゆる精錬処理は行わないので、媒溶剤としては石灰などは用いず、いわゆる製鋼スラグ（転炉スラグ、脱硫スラグ）を再利用することが可能である。製鋼スラグは塩基度（質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ₂）が３〜４程度と高いが、添加する炭材或いは雑鉄源から混入されるシリカ（％ＳｉＯ₂）によって塩基度は低下するので、炉内のスラグ設計はフォーミングも考慮して塩基度を１〜２に調整する。

特に、本発明では後述するように溶銑脱硫を行うので、いわゆる溶銑脱硫で生じる脱硫スラグを再使用するのが好適である。再使用される脱硫スラグの量は実施形態に伴い変化するが、脱硫スラグが十分に存在する場合は脱硫スラグのみを使用してもよいし、脱硫スラグの量が十分でない場合は脱硫スラグと石灰或いは脱燐スラグとを混合することも可能である。アーク炉に用いるスラグ原単位はアーク炉での脱硫量を勘案し２０〜７０ｋｇ／溶銑−ｔ程度となる。

また、アークにて炭材添加により加炭しながら昇温・加熱する場合に、炭材として高炉プロセスで用いられるコークスの篩下や粉状の石炭などを用いるのが適当である。但し、これらの炭材は、硫黄を０．１質量％以上（コークスの例でいえば０．５〜０．７質量％）含有しており、アーク炉でこれらの炭材を使用することによって０．０３〜０．０５質量％程度の溶銑のアーク炉での硫黄濃度増加を伴う。

アーク炉から出湯される溶銑は、不純物を含めて鉄以外の元素の含有量が高く、通常はそのままでは転炉などで使用する溶銑には成り得ない。特に、溶銑中硫黄濃度は、使用する炭材、雑鉄源の種類、及び炉から排出時の溶銑温度によって大きく変動する上に、転炉での脱炭工程では脱硫処理は困難となる。

そこで、本発明においては、アーク炉にて製造された溶銑と、高炉溶銑とを合わせ湯する工程を設けると同時に、溶銑の化学組成を確認するために成分分析を行う。合わせ湯後の溶銑の化学成分を分析するのが合理的であるが、物流その他の制約がある場合には、アーク炉からの溶銑及び高炉溶銑の双方の化学成分をそれぞれ分析してもよい。分析する成分は、炭素、珪素、マンガン、燐、硫黄が一般であるが、硫黄については、その分析結果に基づいて合わせ湯後の溶銑の脱硫処理時間や添加フラックス量を決定するので、特に、重要である。

また、アーク炉にて製造された溶銑については、これ以降の酸化精錬工程においては酸化除去が困難である、銅、ニッケル、クロム、錫、アンチモン、砒素の６元素についても、分析を行うことが好ましい。特に、銅或いは錫は、薄鋼板製品等々、製造する製品によっては厳しく制約する必要があるので、その場合は、アーク炉にて製造された溶銑及び高炉溶銑の成分分析値に基づいて、製造しようとする製品鋼材の不純物元素規格値、或いは合金元素含有量規格値を満足するように、合わせ湯比率を調整することが好ましい。

本発明では、鉄スクラップを鉄源として、自動車用鋼板、ブリキ材などの高級鋼を製造することが目的であるので、特に、銅濃度＜０．１０質量％、錫濃度＜０．０５質量％、砒素濃度＜０．０２質量％、アンチモン濃度＜０．０２質量％、クロム濃度＜０．１０質量％、ニッケル濃度＜０．０５質量％などの条件を満足するように合わせ湯比率を調整し制御する。尚、クロム及びニッケルに関しては、厚板材においては材料設計に使用する場合があり、その場合は必ずしも上記の制約に限定されない。

本発明においては、合わせ湯した後の溶銑に対して、脱硫処理を行う。脱硫処理は既に実用化されている各種の脱硫処理が適用可能である。特に、脱硫剤として生石灰を添加した後、回転するインペラで溶銑を機械撹拌する、いわゆる機械撹拌式脱硫装置で脱硫処理することが好適である。

脱硫処理時の溶銑温度としては１２００℃以上が必要であり、可能ならば１２５０℃以上が望ましい。溶銑温度の上限は、脱硫処理では定める必要はないが、アーク炉のエネルギー効率上から溶銑温度は高すぎないことが望まれ、且つ、次工程の脱燐処理を考えると脱燐処理では１４００℃以下となることが望ましく、従って、溶湯搬送時の温度効果を考えても合わせ湯後の溶銑温度を１２００℃以上１５００℃以下とすることが好ましい。また、脱硫処理時間が過剰に長くなることを防止するために、合わせ湯後の溶銑の硫黄濃度が０．１質量％以下となるように、合わせ湯比率を調整することが好ましい。

合わせ湯後の溶銑を所定の硫黄濃度（通常はＳ＝０．００３〜０．０１０質量％程度）まで脱硫した後、更に、必要に応じて溶銑に対して脱燐処理を行う。脱燐処理を行う処理容器は特に規定するものではないが、一般には転炉を利用するのが好適である。具体的には、転炉に装入した合わせ湯後の溶銑に、酸素ガス或いは鉄鉱石などの酸化鉄を添加して溶銑中の燐を酸化させ、酸化した燐（Ｐ₂Ｏ₅）を溶銑に添加したＣａＯ系精錬剤に吸収させるという方法で、溶銑に対して脱燐処理を行うことができる。

鉄スクラップの燐含有量は高炉溶銑に比較して低いことから、合わせ湯後の溶銑の燐濃度は高炉溶銑に比べて低くなるが、脱燐処理により溶銑中燐濃度を低下させることにより、その後の転炉での脱炭精錬ではスラグを極少化でき、精錬コストが安価になる。特に、高級鋼の一部で要求される極低燐・極低硫の成分の高級鋼を溶製する場合にはこの方法が必要となる。

以上説明したように、本発明によれば、鉄以外の元素の含有量が多い、或いはその含有量が不明な鉄スクラップを使用しても、目標組成の銑鉄が製造でき、結果として、これらの原料を一部使用しても高級鋼を製造することが可能となる。

図４に示すような、溶解室２と予熱シャフト３とが直結した直流式アーク溶解設備１の溶解炉内及び予熱シャフト内に、鉄スクラップ１５０トンを装入し、溶解室２にて直径２８インチの黒鉛電極５により、最大６００Ｖ、１００ｋＡの電源容量で炉底電極６との間でアークを形成し、鉄スクラップ９を溶解した。

炉蓋を貫通させて水冷ランス７を挿入し、水冷ランス７から９０００Ｎｍ³／ｈｒの流量で酸素ガスを供給した。炉内に溶融鉄が溜まってきた時点で、水冷ランス７から、酸素ガスとともに更に１２０〜１５０ｋｇ／ｍｉｎでコークスをスラグ中に吹き込んでスラグフォーミング操業に移行し、その後、更にコークス供給速度を２２０〜２６０ｋｇ／ｍｉｎまで増量した。このスラグフォーミング操業により、黒鉛電極５の先端をフォーミングスラグ中に埋没させた。この時の電圧は４００Ｖに設定した。

予熱シャフト３の鉄スクラップ９が、溶解室２での鉄スクラップ９の溶解に伴って下降したら、予熱シャフト３の上部に配置した装入バスケット４から鉄スクラップ９を予熱シャフト３の内部に供給し、予熱シャフト内の鉄スクラップの高さをほぼ一定の高さに保持した。溶解室内の溶銑８の炭素濃度はスラグフォーミング以降、徐々に増加し、最終的には炭素濃度＝１．５〜２．５質量％まで増加した。

溶解室内及び予熱シャフト内に連続して鉄スクラップが存在する状態で溶解を進行させ、十分に溶銑８が生成した段階で、溶解室２を出湯部側に１５度傾動させ、溶銑８と鉄スクラップ９の接触面積を低減させて溶銑８に過熱度をもたせ、溶解室内にトータルで２４０トンの溶銑が生成した段階で、更に溶解室を傾動させ、６０トンを炉内に残し、１チャージ分の１８０トンの溶銑を出湯口から溶銑鍋に出湯した。出湯時の溶銑の温度は１４７５℃であった。

１８０トンの溶銑を出湯後、溶解室を元に戻し、改めて予熱シャフト内の鉄スクラップを溶解室に供給し、上記と同様の操業を繰り返し実施した。その結果、平均して、出湯から出湯までの時間が約５５分間で１８０トンの溶銑が得られた。また、酸素ガス供給量が３３Ｎｍ³／溶銑−ｔ、コークス原単位（操業中の総量）が５３ｋｇ／溶銑−ｔで、１７５ｋＷｈ／溶銑−ｔの電力原単位が得られた。

上記とは別に、１８０トンの溶銑を出湯後、溶解室を元に戻し、炉内に残留させた溶銑上に３．５トンのコークスを装入し、このコークスの上に予熱シャフト内の鉄スクラップを供給した後、アーク溶解する操業も行った。炉内の鉄スクラップの溶解が進んだら、送酸とコークス吹き込みとを行いながらスラグフォーミング操業を行って溶解を継続し、溶銑が生成したら溶解室を再び傾動させて溶銑に過熱度をもたせ、再度溶解室内の溶銑量が２４０トンになったら測温を行い、所定の過熱温度であることを確認して１８０トン出湯することを繰り返し実施した。

その結果、平均して、出湯から出湯までの時間が約４９分間で１８０トンの溶銑が得られた。また、酸素ガス供給量が２０Ｎｍ³／溶銑−ｔ、コークス原単位（操業中の総量）が５１ｋｇ／溶銑−ｔで、１５９ｋＷｈ／溶銑−ｔの電力原単位が得られた。

表１に、上記２種類の操業におけるアーク炉から出湯された溶銑の成分実績を示す。

出銑した１８０トンの溶銑を、高炉から出銑した溶銑１８０トンと合わせ湯し、その後、溶銑からサンプルを採取し分析した。分析成分は、炭素、珪素、マンガン、燐、硫黄である。硫黄の分析結果により、その後の機械撹拌式脱硫装置における脱硫処理時間を調整した。

機械撹拌式脱硫装置では、インペラの回転数を１２０〜１４０ｒｐｍとし、溶銑の硫黄濃度＞０．０３質量％の条件では脱硫時間を１８分、溶銑の硫黄濃度≦０．０３質量％の条件では処理時間を１５分一律とし、生石灰を添加し脱硫処理を行った。２チャージ目以降では生成した脱硫スラグを一旦排出した後に、排出したノロ鍋から溶銑鍋へ戻すことにより、リサイクルを行った。

その結果、脱硫処理終了後の溶銑中硫黄濃度は０．００３〜０．００６質量％、使用した生石灰量は４．５〜６．０ｋｇ／溶銑−ｔであった。尚、機械撹拌式脱硫装置の脱硫処理において、石灰の利用効率を上げる方法として、特開２００５−１７９６９０号公報に示される上吹きランスを通して生石灰を投射する方法が有効である。

尚、銅、ニッケル、クロム、錫、アンチモン、砒素の中で、ニッケル、クロム、アンチモン、砒素については、事前に鉄スクラップ中の成分を調査しており、特に工程的に分析する必要はないので実施しなかったが、その後の製品での分析の結果からも問題は生じなかった。一方、銅、錫についてはアーク炉から出湯後の溶銑の分析を行い、銅、錫が高い場合には合わせ湯の比率を変えることにより、銅濃度＜０．１０質量％、錫濃度＜０．０５質量％の範囲に収まるようにした。

脱硫処理後、溶銑鍋内の溶銑を転炉型の脱燐炉へ装入し、所定の脱燐処理を行った。脱燐炉では上吹きランスから、酸素ガスを１．５〜３．５Ｎｍ³／（ｍｉｎ・溶銑−ｔ）、底吹き羽口から不活性ガスを０．１５〜０．３Ｎｍ³／（ｍｉｎ・溶銑−ｔ）吹き込むと同時に、上吹きランスの火点に生石灰を供給し、脱燐処理を行った。装入時の溶銑温度は１３００〜１４００℃であり、温度が高い場合は脱燐炉においても鉄スクラップを数％配合した。脱燐処理終了後の溶銑中燐濃度は０．００５〜０．０１０質量％であった。

この溶銑を転炉で脱炭精錬し、出鋼後更に、ＲＨ真空脱ガス装置で真空脱炭精錬して、薄鋼板用の極低炭素用溶鋼を製造し、その後、スラブ連続鋳造機でスラブ鋳片に鋳造した。スラブ鋳片の化学成分は、高炉溶銑のみから製造されたスラブ鋳片と何ら遜色ないことが確認できた。

溶解室を有する一般的なアーク溶解設備において、炉蓋を開口して６０トンの高炉溶銑を溶解室に装入した後に、鉄スクラップを供給し、アーク熱により鉄スクラップを溶解した。炉側壁に設けた作業口より、水冷ランスを挿入し、該水冷ランスから、酸素ガス供給速度を９０００Ｎｍ³／ｈｒの流量として、コークス吹き込み量を当初１２０〜１５０ｋｇ／ｍｉｎとし、スラグフォーミング操業後は１８０〜２００ｋｇ／ｍｉｎまで増量して溶解した。

その結果、平均して、出湯から出湯までの時間が約６０分間で１８０トンの溶銑が得られた。また、酸素ガス供給量が３５Ｎｍ³／溶銑−ｔ、コークス原単位が４６ｋｇ／溶銑−ｔで、２７５ｋＷｈ／溶銑−ｔの電力原単位が得られた。尚、実施例２においては、溶解室内の溶銑を全量排出し、高炉溶銑を新たに溶解室に装入することによって操業を継続した。また、鉄スクラップの溶け落ち後、炉内溶銑の温度を測定し、出湯時の溶銑の予定化学成分から算出される液相線温度から過熱度を求め、過熱度が所定の範囲内の場合には、そのまま出湯を行った。過熱度が所定の範囲内よりも高い場合には、そのまま出湯を行うものの、出湯中の溶銑鍋にコークスを添加した。一方、過熱度が所定の範囲よりも低い場合には、酸素ガス供給量１Ｎｍ³／ｍｉｎあたりの炭材吹き込み速度を１．１ｋｇ／ｍｉｎ以上として、酸素ガス吹き込みと炭材吹き込みとを同時に行いながらアーク加熱して所定温度範囲まで昇温し、その後出湯した。

出湯した溶銑の、炭素、珪素、マンガン、燐、硫黄、銅、錫を分析した。その結果、銅の分析値が、０．３５質量％であったので、高炉から出銑した溶銑の銅濃度が０．００１質量％以下であることを確認し、アーク炉で製造された溶銑と高炉溶銑とを、およそ３：７の配合比率で合わせ湯した。

合わせ湯後の溶銑の銅濃度は０．１質量％以下であり、その後の鋼板製品の製造上問題ないことを確認した。また、合わせ湯後の溶銑の硫黄分析結果に応じて、実施例１と同様に脱硫処理を行った。その後の脱燐処理、転炉脱炭工程についても、実施例１と同様に実施した。

１ 直流式アーク溶解設備
２ 溶解室
３ 予熱シャフト
４ 装入バスケット
５ 黒鉛電極
６ 炉底電極
７ 水冷ランス
８ 溶銑
９ 鉄スクラップ

Claims (12)

1. 鉄スクラップを鉄源として用いて炭素を含有する溶銑をアーク炉にて製造する工程と、該溶銑と高炉にて製造された溶銑とを混合する工程と、混合した後の溶銑に対して脱硫処理を行う工程と、を有することを特徴とする、溶銑の製造方法。
2. 前記脱硫処理後に、溶銑に対して更に脱燐処理を行う工程を有することを特徴とする、請求項１に記載の溶銑の製造方法。
3. アーク炉にて製造される溶銑の炭素濃度は１．５質量％以上であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の溶銑の製造方法。
4. 前記アーク炉にて溶銑を製造する工程において、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの炭素濃度を１．５質量％以上増加させるに相当する質量の加炭用炭材を、前チャージの出湯後から当該チャージの出湯までの間に炉内に添加することを特徴とする、請求項３に記載の溶銑の製造方法。
5. 前記脱硫処理に施される溶銑の硫黄濃度を分析し、該分析値に基づいて前記脱硫処理における脱硫時間を設定することを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の溶銑の製造方法。
6. アーク炉から出湯後の溶銑の化学成分のうち、銅、ニッケル、クロム、錫、アンチモン、砒素のなかの少なくとも１種を分析し、製造予定の鋼種に応じて許容される化学成分範囲に収まるように、高炉にて製造された溶銑の混合量を設定することを特徴とする、請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の溶銑の製造方法。
7. 前記アーク炉にて溶銑を製造する工程において、前チャージで製造した溶銑の一部を炉内に残留させ、残留させた溶銑の上に、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの炭素濃度を１．５質量％以上増加させるに相当する質量の加炭用炭材のうちの少なくとも一部を装入し、該炭材の上に鉄スクラップを装入し、炭材の上に装入した鉄スクラップをアーク熱で溶解することを特徴とする、請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の溶銑の製造方法。
8. 前記アーク炉にて溶銑を製造する工程において、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの全量が溶け落ちて溶銑が製造されたなら、該溶銑の温度を測定し、溶銑の温度測定値と、出湯時の溶銑の予定化学成分から算出される液相線温度と、の差である過熱度が所定の範囲内にあることを出湯可能条件とすることを特徴とする、請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の溶銑の製造方法。
9. 前記アーク炉にて溶銑を製造する工程において、当該チャージで溶解予定の鉄スクラップの全量が溶け落ちて溶銑が製造されたなら、該溶銑の温度を測定するともに溶銑から分析試料を採取し、溶銑の温度測定値と、分析試料の成分分析値から算出される液相線温度と、の差である過熱度が所定の範囲内にあることを出湯可能条件とすることを特徴とする、請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の溶銑の製造方法。
10. 前記過熱度が所定の範囲よりも低い場合には、酸素ガス供給量１Ｎｍ³／ｍｉｎあたりの炭材吹き込み速度を１．１ｋｇ／ｍｉｎ以上として、酸素ガス吹き込みと炭材吹き込みとを同時に行いながらアーク加熱して所定温度範囲まで昇温し、一方、前記過熱度が所定の範囲内の場合には、そのまま出湯のみを行い、前記過熱度が所定の範囲よりも高い場合には、そのまま出湯を行い且つ出湯中の受銑容器に炭材を添加することを特徴とする、請求項８または請求項９に記載の溶銑の製造方法。
11. 前記脱硫処理を機械攪拌式脱硫装置で行うことを特徴とする、請求項１ないし請求項１０の何れか１項に記載の溶銑の製造方法。
12. 前記混合した後の溶銑は、温度が１２００℃〜１５００℃、硫黄濃度が０．１質量％以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項１１の何れか１項に記載の溶銑の製造方法。

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