JP2012180560A - 複合アーク溶解炉による鉄系スクラップの溶解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー利用効率が高くかつ製造コストの低減にも資することができる溶鋼の製造技術を提案することにある。
【解決手段】アーク溶解室と、その上部に立設されていて該アーク溶解室と連通するシャフト形予熱室とからなるアーク溶解炉によって、その予熱室内に装入充填された鉄系スクラップが該予熱室内を順次に降下する間に前記溶解室内で発生した高温排ガスを使って予熱すると共に、引き続き溶解室に導いてアーク溶解する際に、予熱室内に装入される鉄系スクラップの充填状態を、見掛け嵩密度（Ｐ）値で０．７ｔ／ｍ^３以上となるように装入して溶解する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合アーク溶解炉による鉄系スクラップの溶解方法に関し、特に該溶解炉のシャフト形予熱室内への鉄系スクラップの装入充填方法を工夫することによって、効率的な溶鋼の溶解を行なう方法について提案するものである。

近年、電気炉（アーク炉）を用いて鉄系スクラップ（以下、単に「鉄スクラップ」という場合がある）を溶解して溶鋼を製造する新しいプロセスが開発されている。このプロセスでは、電気エネルギーの一部を炭材等の安価な燃料に代替させると共に、溶解室内（炉内）で発生する高温の排ガスにて上記鉄系スクラップを予熱することにより、電力原単位の低減を図ることができる。

その代表的なものとして、特許文献１、２に開示されているような複合形の電気炉（以下、これを「複合アーク溶解炉」という）を挙げることができる。その複合アーク溶解炉とは、主に溶解室と、この溶解室内で発生する高温の排ガスを誘引できるシャフト形予熱室とからなる点に特徴がある。即ち、この複合アーク溶解炉は、前記予熱室内に装入する鉄系スクラップを、予熱室と溶解室とに跨って内在させると共に、その鉄系スクラップを予熱室から溶解室内に移動させる間に該溶解室にて発生する高温の排ガスを使って予熱し、さらに該溶解室に到達したものについては、アーク熱によって加熱して溶解し、該溶解室に少なくとも１ヒート分の溶湯が溜まった時点で、溶鋼として出湯する形式の炉である。

特開平３−５０５６２５号公報 特開平１０−２９２９９０号公報

前記複合アーク溶解炉の操業においては、上述したように、溶解室で発生する高温排ガスを利用して予熱室内の装入原料（鉄系スクラップ）を予熱し昇温するところに特徴がある。しかし、原料である鉄系スクラップの種類やその配合率に支配される充填状態が悪いと、鉄系スクラップと排ガスとの伝熱効率が低下し、時として排ガスエネルギーを有効に利用できない（予熱室から排出される排ガスの温度が低下していない）場合がある。即ち、本来は発生排ガスの温度を低くしてエネルギー効率の高い炉操業を行なうことが望ましいが、実際にはこのことを実現するのは難しいのが実情である。

このように、従来の複合アーク溶解炉の操業に当たっては、地球環境問題の面からもエネルギー効率の向上ならびにより一層の省力化が求められている。特に、もともとエネルギーを多量に消費する鉄鋼業の分野においては、これらの課題の解決が強く求められている。

そこで、本発明の目的は、従来の複合アーク溶解炉が抱えている上述した課題を克服できる技術の確立を目指すこと、特に、エネルギー利用効率が高くかつ製造コストの低減にも資することができる溶鋼の製造技術を提案することにある。

発明者らは、前記技術的課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、複合アーク溶解炉の場合、この炉の予熱室内に装入され充填された鉄系スクラップを効率的に予熱をするには、鉄系スクラップの充填状態を適正に保つことが重要であり、特に、予熱室内における鉄系スクラップの見掛け嵩密度を適正範囲に調整することがとりわけ有効であることを突き止めた。

即ち、複合アーク溶解炉内に装入される鉄系スクラップは、形状や厚み、大きさ等がそれぞれ異なるため、どのようなスクラップをどのような配合で装入し充填するかによって、予熱室内に装入された鉄系スクラップの見掛け嵩密度が大きく異なることがわかった。そして、その鉄系スクラップの見掛け嵩密度によっては、該複合アーク溶解炉内での高温ガスによる鉄系スクラップ（鉄源）への伝熱効率が大きく変動することを知見した。
なお、本発明において、見掛け嵩密度（Ｐ）とは、（Ｐ）=Σ（重量i）／Σ（容積i）
＝Σ（重量i）／Σ(重量i／密度i)のことである。

例えば、予熱室内に装入し充填された鉄系スクラップの見掛け嵩密度が小さいと、予熱室の排ガス出口における排ガスの温度が高くなる。即ち、ガスの顕熱が効率良く鉄系スクラップに伝達されることなく、不充分な熱交換を起こすことがわかった。これは、見掛け嵩密度が小さいと、予熱室の空間中に占める鉄系スクラップの割合が小さくなるため、発生排ガスがもっている顕熱を、鉄系スクラップに対して十分に伝達することなく、排ガスが高温のまま吹き抜けて排ガス出口にまで到達するためと考えられる。

また、予熱室上部における排ガス出口での排ガス温度が高いということは、ガス顕熱のロスが生じていることを意味しており、電力原単位が増加するばかりでなく、ガス流速が高くなることによる生成ダスト量の増加や、次工程での排ガス処理設備に大きな負荷をかけることにもなり、溶解炉の安定操業を阻害する要因となる。

一方、見掛け嵩密度が大きい場合には、排ガス−鉄系スクラップ間の有効反応界面積が大きくなるため、ガス顕熱が鉄系スクラップに十分に伝達され、出口（排ガスダスト）での排ガス温度も低温になる。

本発明は、このような知見に基づいて開発されたものであり、以下のような要旨構成を有するものである。即ち、本発明は、アーク溶解室と、その上部に立設されていて該アーク溶解室と連通するシャフト形予熱室とからなるアーク溶解炉によって、その予熱室内に装入充填された鉄系スクラップが該予熱室内を順次に降下する間に前記溶解室内で発生した高温排ガスを使って予熱すると共に、引き続き溶解室に導いてアーク溶解する方法において、
予熱室内に装入される鉄系スクラップを、これの充填状態が、見掛け嵩密度（Ｐ）値で０．７ｔ／ｍ^３以上となるように装入して溶解することを特徴とする複合アーク溶解炉による鉄系スクラップの溶解方法である。

本発明においては、具体的には、
（１）鉄系スクラップの装入に際し、見掛け嵩密度Ｐを０．７ｔ／ｍ^３以上となるように、スクラップの種類や配合量を変えることにより調整すること、
（２）配合する鉄系スクラップは、日本鉄源協会の「鉄スクラップ検収統一規格にあるヘビー、プレス、シュレッダー、新断、鋼ダライ粉、故鉄から選ばれるいずれか２種以上の小型、大型のスクラップを組み合わせて用いること、
が、より好ましい解決手段となる。

このような構成を有する本発明によれば、鉄系スクラップの配合種・量を調整して予熱室における鉄系スクラップの充填状態を、見掛け嵩密度（Ｐ）値が０．７ｔ／ｍ^３以上となるようにすることで、エネルギーの利用効率が高くコストの低減にも効果的な複合アーク溶解炉による溶鋼の溶解を行なうことができる。

本発明方法の実施態様を説明する複合アーク溶解炉の概略を示す図である。

上述したように本発明は、予熱室内に装入される鉄系スクラップを予熱室内における充填状態を示す前記見掛け嵩密度（Ｐ）が０．７ｔ／ｍ^３以上となるように、各種の形状、大きさを有する各種の鉄系スクラップ（日本鉄源協会の「鉄スクラップ検収統一規格」に規定されているもの）を組み合わせ配合するところに特徴がある。

上記の見掛け嵩密度が、０．７ｔ／ｍ^３未満になると、溶解室発生排ガスと予熱室内に充填された鉄系スクラップとの間の伝熱効率が悪くなり、シャフト型予熱室上部の出口に熱交換しない高温のままの排ガスが排出されるようになり、本発明の目的が達成できない。

図１は、本発明方法の実施に際して用いられる複合アーク溶解炉の一例を示す図である。この図に示すように、本発明で用いる複合アーク溶解炉１は、溶解室２とその上部の一部から上方に立設したシャフト形予熱室３とからなり、その内部は、耐火物でライニングされている。溶解室２は、底部に炉底電極６を備え、上部には、該溶解室２内に連通する前記のシャフト形予熱室３および水冷構造の炉壁４とを有し、この炉壁４上部の開口部を覆うように炉蓋５が設けられている。その炉蓋５は、開閉可能な水冷構造を有し、溶解室２内に向けて上下動する黒鉛製上部電極７が配設されている。そして、この上部電極７と前記炉底電極６とが、炉内の鉄系スクラップを介して直流・交流の電源（図示せず）により通電されることで、その間にアークを発生させることができるようになっている。

前記炉蓋５にはさらに、酸素吹き込みランス８と炭材吹き込みランス９とが取付けられており、酸素吹き込みランス８からは、鉄系スクラップ１３の溶解を補助するための酸素が供給され、炭材吹き込みランス９からは、空気や窒素等を介してコークスやチャー、石炭、木炭、黒鉛、バイオマス炭等の粉、もしくはこれらの混合物からなる炭材などの補助熱源が吹き込まれるようになっている。このことによって、発生排ガス中には、常に未燃焼成分（ＣＯガス）ならびに二酸化炭素（ＣＯ_２）その他が含まれることになる。

前記予熱室３の上方には、底開き型の供給用バケット１１が設けられており、この供給用バケット１１からは、予熱室３の上部に設けた開閉可能な供給口を介して、鉄系スクラップ等１３を予熱室３内に装入できる。

上記のように構成されている複合アーク溶解炉において、予熱室３内に装入された鉄系スクラップ１３は、時間とともに順次に降下する間に予熱され、やがて溶解室２に達した後、上部電極７から発生したアーク熱によって溶解される。その鉄系スクラップ１３の溶解に際し、該溶解室２内には、高温の排ガスが発生する。この排ガスは、予熱室３上方に設けられたダクト１２の上流に設けられたブロアーや集塵機によって、予熱室３を経てダクト１２に吸引されるが、その過程で、予熱室３内の鉄系スクラップ１３が高温排ガスのもつ熱によって予熱されることになる。なお、予熱室３内の予熱された鉄系スクラップ１３は、溶解室２内で溶解される速度に応じて、溶解室２内に順次に連続的または間欠的に移動する。

本発明では、溶解室２内において鉄系スクラップ１３をアークの熱によって上記のように溶解する際に、前記溶解室２内に炭材吹き込みランス９を通して炭材を供給してこれを燃焼させることにより、溶解室２内での鉄系スクラップ１３の溶解を図るとともに、溶解室２で発生した高温の排ガスが予熱室３を通ってダクト１２に吸引されていく過程において、該予熱室３内を上昇する高温の排ガス（４００〜１０００℃程度）によって、該鉄系スクラップ１３を予熱する。

以下、直流式のアーク溶解炉１における鉄系スクラップ１３の溶解手順について説明する。
先ず、供給用バケット１１より予熱室３内に鉄系スクラップ１３を装入する。装入された鉄系スクラップ１３は、予熱室３を経由して、溶解室２内に達するまで装入し、その後、次第に予熱室３内に充填する。なお、溶解室２内へ鉄系スクラップ１３を均一に装入するため、炉蓋５を開けた状態で、予熱室３が直結した側とは反対側の溶解室２内に鉄系スクラップ１３を装入することもできる。また、その鉄系スクラップ１３の装入の際に、溶銑を溶解室２に装入してもよい。これによれば、溶銑の有する熱により電力使用量を大幅に削減することができるようになる。

次いで、溶解室２の炉底電極６と上部電極７との間に直流電流を給電しつつ、上部電極７を昇降させ、炉底電極６と上部電極７との間、または、装入された鉄系スクラップ１３と上部電極７との間でアークを発生させ、そのアークの熱によって鉄系スクラップ１３を溶解する。このとき、フラックスを溶解して溶融スラグを生成させてもよい。これは、溶融スラグによって生成される溶湯を保温することができるからである。

炉底電極６と上部電極７との通電後、溶解室２内に酸素吹き込みランス８および炭材吹き込みランス９の挿入が可能となったら、酸素吹き込みランス８から酸素を供給して鉄系スクラップ１３の溶解を補助する。一方、炭材吹き込みランス９からは、電力原単位の削減のために、溶融スラグ中に炭材を補助熱源として吹き込む。

上記複合アーク溶解炉の操業においては、鉄系スクラップの溶解量に応じて、バケット１１からは鉄系スクラップ１３を間欠的に予熱室３内に装入するため、前記排ガスの顕熱を鉄系スクラップの予熱に連続的に利用することができる。なお、所定の量の鉄系スクラップが溶解し、前記溶解室２に留まると、炉を傾動させて炉底に埋設されているノズルを介して溶鋼を取鍋１０に出鋼する。

図１に示す直流式複合アーク溶解炉を用いて鉄系スクラップを溶解した例を以下に説明する。使用した複合アーク溶解炉は、溶解室が炉径６ｍ、高さ３ｍ、予熱室が幅３ｍ、奥行き４ｍ、高さ５ｍ、炉容量１５０ｔ／ｃｈ、トランス容量１００ＭＶＡのものである。溶解室内および予室内に、下記の鉄系スクラップ１５０トンを装入し、上部黒鉛電極によりアークを発生させて、該鉄系スクラップを溶解した。また、酸素吹き込みランスからは酸素を５０００Ｎｍ^３／ｈで送酸し、炭材吹き込みランスからは７０ｋｇ／ｍｉｎのコークスを吹き込んだ。溶解室内での鉄系スクラップの溶解に伴って、予熱室内に装入充填して鉄系スクラップが順次に降下したら、予熱室上部のスクラップ装入バケットから追加の鉄系スクラップを供給し、予熱室内の鉄系スクラップの高さを一定に保持した。

このように、溶解室内および予熱室内に鉄系スクラップが連続して存在する状態の下に溶解を進行させ、溶解室内に１５０トンの溶鋼が生成した段階で、５０トンを炉内に残し、１チャージ分の１００トンの溶鋼を出鋼口から取鍋に出鋼した。出鋼時の溶鋼の温度は１６００℃、溶鋼中のＣ濃度は０．１ｍａｓｓ％となるように操業した。

１００トン出鋼後も送酸とコークス吹込みを行いながら鉄系スクラップの溶解を継続し、再度、溶解室内の溶鋼量が１５０トンになったら１００トン出鋼することを繰り返し、平均して約３０分間、酸素量２５Ｎｍ^３／ｔ、コークス量２１ｋｇ／ｔで１００トンの溶鋼が得られた。

このような操業の中でバケットから予熱室へ装入する鉄系スクラップの配合を変えて、排ガス出側の温度を測定し、スクラップ配合が排ガス出口温度に及ぼす影響を調査した。なお、スクラップの配合は予熱室の容量にあわせて、予熱室内が所定の配合に置換されるのに充分な時間、配合を一定に保って投入した。

この溶解実験の結果を表１に示す。この表に示すとおり本発明方法に適合する溶解方法の場合、見掛け嵩密度（Ｐ）が０．７ｔ／ｍ^３以上で出口の排ガス温度が５００℃より低くなるとともに、電気炉の電力原単位が目標の３００ｋＷｈ／ｔより小さくなり、排ガスの持つ顕熱のエネルギーを効率良く回収できることがわかった。
なお、複数の原料を配合装入したときの見掛け嵩密度（Ｐ）は、（Ｐ）=Σ（重量i）／Σ（容積i）＝Σ（重量i）／Σ(重量i／密度i)から計算した。

上記の実施例において、表１に示す配合例で用いた鉄系スクラップについては、以下に示すものを用いた。
（イ）「ヘビー」はギロチンシャー、ガス溶断、重機などでサイジングしたもので、厚み、寸法、単重により区分されるものであって、ＨＳ：厚さ６ｍｍ以上、幅または高さ５００ｍｍ以下×長さ７００ｍｍ以下、Ｈ４：厚さ１ｍｍ未満、幅または高さ５００ｍｍ以下×長さ１２００ｍｍ以下のものを組み合わせて使用した。
（ロ）「プレス」は、主として鋼板加工製品を母材にしてプレス機により圧縮成形した直方体状のもので、母材により区分されるものであって、Ａ：３辺の総和１８００ｍｍ以下、最大辺８００ｍｍ以下、Ｃ：上限寸法は同上、下限は３辺総和６００ｍｍ以下のものを組み合わせて使用した。
（ハ）「シュレッダー」は、主として鋼板加工製品を母材にしてシュレッダー機により破砕したあと磁気選別機で選別された鉄系スクラップである。「ダライ粉」は、ネジ、機械部品などを製作する際に発生する切削くずおよび切り粉で、形状、酸化の程度により区分（プレス３辺の総和１８００ｍｍ以下、最大辺８００ｍｍ以下）されるものを用いた。
（ニ）「故鉄」は、使用済み鋳物製品を細かく打ち砕いたブロック状のもので、母材により区分された、Ａ１辺１２００ｍｍ以下のものを用いた。

なお、上述した実施例では、アーク溶解炉として直流式のものを例示したが、交流式アーク炉であっても適用することができる。また、炭材吹き込みランスから吹き込む炭材としては、例示したコークス粉の他、バイオマス原料を用いることができる。この場合、バイオマスはカーボンニュートラルであることから、地球温暖化の原因の一つである二酸化炭素の排出量を低減することができる点で効果がある。

また、炭材の添加方法としては、上述した例のように、ランス吹き込み法でもよいが、溶解室の上から浴中へインジェクションする方法でもかまわないし、炉底に専用のノズルを埋設して、底吹きインジェクションをしても構わない。設備投資と効率のバランスにより、最適な設備で実施すればよい。

また、鉄系スクラップとしては、上述した日本鉄源協会の「鉄スクラップ検収統一規格」に規定されているスクラップの他、直接還元鉄、冷鉄等の鉄を主成分とするものでもよい。なお、酸化鉄分を多く含むものは、酸化鉄を還元する分のエネルギーが余分にかかるが、操業コストとの兼ね合いで使用してもよい。

本発明に係る技術は、例示した複合アーク溶解炉だけに限らず溶解室発生排ガスを利用して、鉄系スクラップを予熱する方法として、その他の溶解炉などへの応用も可能である。

１ アーク溶解炉
２ 溶解室
３ 予熱室
４ 炉壁
５ 炉蓋
６ 炉底電極
７ 上部電極
８ 酸素吹き込みランス
９ 炭材吹き込みランス
１０ 取鍋
１１ バケット
１２ ダクト
１３ 鉄系スクラップ

Claims (3)

1. アーク溶解室と、その上部に立設されていて該アーク溶解室と連通するシャフト形予熱室とからなるアーク溶解炉によって、その予熱室内に装入充填された鉄系スクラップが該予熱室内を順次に降下する間に前記溶解室内で発生した高温排ガスを使って予熱すると共に、引き続き溶解室に導いてアーク溶解する方法において、
   予熱室内に装入される鉄系スクラップを、これの充填状態が、見掛け嵩密度（Ｐ）値で０．７ｔ／ｍ^３以上となるように装入して溶解することを特徴とする複合アーク溶解炉による鉄系スクラップの溶解方法。
2. 鉄系スクラップの装入に際し、見掛け嵩密度Ｐを０．７ｔ／ｍ^３以上となるように、スクラップの種類や配合量を変えることにより調整することを特徴とする請求項１に記載の複合アーク溶解炉による鉄系スクラップの溶解方法。
3. 配合する鉄系スクラップは、日本鉄源協会の「鉄スクラップ検収統一規格にあるヘビー、プレス、シュレッダー、新断、鋼ダライ粉、故鉄から選ばれるいずれか２種以上の小型、大型のスクラップを組み合わせて用いることを特徴とする請求項１または２に記載の複合アーク溶解炉による鉄系スクラップの溶解方法。

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