JP5541423B1 - 製鋼スラグ還元処理装置及び製鋼スラグ還元処理システム - Google Patents

Abstract

この製鋼スラグ還元処理装置は、電気炉を用いて熱間製鋼スラグを連続還元処理する製鋼スラグ還元処理装置であって、前記電気炉内に熱間製鋼スラグを流し込むスラグ供給容器と、前記電気炉に設けられるとともに、前記熱間製鋼スラグの還元によって生成された溶鉄上の溶融スラグ層を加熱する電極と、前記溶融スラグ層に、還元材を含む副原料を供給する副原料供給部と、前記スラグ供給容器を傾動させて前記熱間製鋼スラグの前記電気炉への流入量を調整する傾動装置と、を備える。

Description

本発明は、製鋼工程で発生するスラグ（製鋼スラグ）を工業的規模で還元して有価成分を回収するとともに、製鋼スラグの性状を各種用途に適合するように改質する製鋼スラグ還元処理装置と製鋼スラグ還元処理システムに関する。 本願は、２０１２年６月２７日に、日本に出願された特願２０１２−１４４４７３号と、２０１２年６月２７日に、日本に出願された特願２０１２−１４４５５７号と、２０１２年１０月２５日に、日本に出願された特願２０１２−２３５６９２号とに基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

製鋼工程では、大量の製鋼スラグが発生する。製鋼スラグは、Ｆｅ、Ｍｎ等の金属成分、及び、Ｐ等を含むが、ＣａＯを多量に含むことに起因する膨張・崩壊性のため、路盤材、骨材等への利用が制限されていた。しかし、近年、資源のリサイクルが積極的に推進されており、製鋼スラグから有価物を回収する方法が、これまで数多く開示されている。

特許文献１には、溶解炉に収納した鉄鋼溶湯に対し、鉄鋼溶製時に発生する鉄鋼スラグを加え、さらに、熱及び還元材を加えて、鉄鋼スラグを変成しつつ、Ｆｅ、Ｍｎ、及び、Ｐを溶湯に移行させて変成スラグを取得し、次に、溶湯中のＭｎ及びＰをスラグに移行させる鉄鋼スラグの処理方法が開示されている。しかし、該処理方法は、所要の成分組成のスラグを得るまで、数回のバッチ処理を連続的に行う必要があるので、作業効率が悪い。

特許文献２には、炭素含有率１．５ｗｔ％未満の鋼鉄浴に、酸化鉄含有率５ｗｔ％超の鋼鉄スラグを供給し、その後、炭素又は炭素キャリアを導入して、鋼鉄浴を炭化し、炭素含有率２．０ｗｔ％超の鋼鉄浴を得た後に、還元処理を行う方法が開示されている。

しかし、特許文献２の方法は、溶融スラグ装入時には溶鉄中のＣ濃度（炭素濃度）を１．５ｗｔ％未満として、多量のガス発生を抑制し、溶融還元実施時にはＣ濃度を２．０ｗｔ％超に上昇させることで、所望の還元を行う。従って、脱炭昇熱と加炭還元を繰り返すため、バッチ処理となり、作業効率が悪い。なお、還元処理の実施時に、Ｃ濃度を２．０ｗｔ％超に上昇させていることから、特許文献２の方法は、主にスラグ−メタル間の反応により、還元反応を促進させているものと考えられる。

また、特許文献２の方法においては、炭材を、還元材として使用する他、熱源としても使用するので、排ガス量が増加する。その結果、熱効率の低下や、ダスト発生量の増加が想定される。

非特許文献１には、電気炉内に、製鋼スラグ粉、炭材粉、及び、スラグ改質材粉を中空電極から装入し、還元試験を行った結果が開示されている。しかし、非特許文献１の還元試験は、固化して粉砕した冷間の製鋼スラグを電気炉で処理する試験であるので、エネルギー原単位が大きい。

また、特許文献３には、開放型直流電気炉中で、非鉄精錬で発生した溶融スラグを炭素質還元材で還元して、金属相とスラグ相に分離し、有価金属を回収する技術が開示されている。しかし、特許文献３の方法は、同様に、冷間スラグを処理対象物とする電気炉のバッチ処理であるので、エネルギー原単位が大きい。

このように、スラグから有価成分を回収する方法は、いずれも、作業効率が悪いか、又は、エネルギー原単位が大きいという難点を抱えている。

日本国特開昭５２−０３３８９７号公報 日本国特表２００３−５２０８９９号公報 オーストラリア特許ＡＵ−Ｂ−２０５５３／９５号明細書

Ｓｃａｎｄｉｎａｖｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ２００３；３２：ｐ．７−１４

前述したように、熱間製鋼スラグをバッチ処理でリサイクルする従来法は、作業効率が悪く、また、冷間製鋼スラグを溶融して資源としてリサイクルする従来法は、エネルギー原単位が高いという難点を抱えている。

そこで、本発明は、作業効率が良好で、かつ、エネルギー原単位が低い手法として、製鋼スラグの還元処理を行い、有価成分を回収するとともに、製鋼スラグの性状を、各種用途に適合するように改質することを可能とする製鋼スラグ還元処理装置と製鋼スラグ還元処理システムを提供することを目的とする。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）本発明の第一の態様は、電気炉を用いて熱間製鋼スラグを連続還元処理する製鋼スラグ還元処理装置であって、前記電気炉内に前記熱間製鋼スラグを流し込むスラグ供給容器と、前記電気炉に設けられるとともに、前記熱間製鋼スラグの還元によって生成された溶鉄上の溶融スラグ層を前記溶鉄と共に加熱する電極と、前記溶融スラグ層に、還元材を含む副原料を供給する副原料供給部と、前記スラグ供給容器を傾動させて前記熱間製鋼スラグの前記電気炉への流入量を調整する傾動装置と、を備え、かつ前記電気炉が固定式の密閉型電気炉である製鋼スラグ還元処理装置である。
（２）上記（１）に記載の製鋼スラグ還元処理装置では、前記密閉型電気炉が直流電気炉であってもよい。
（３）上記（１）、（２）のいずれか一項に記載の製鋼スラグ還元処理装置では、前記副原料供給部が、前記電極の内部に設けられた副原料供給管であってもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の製鋼スラグ還元処理装置では、前記スラグ供給容器に前記電気炉からの排ガスを排出する排気部が設けられていてもよい。
（５）本発明の第二の態様は、上記（１）に記載の還元処理装置を用いた製鋼スラグ還元処理システムであって、前記電極に供給された電力量を測定する測定部と；測定された前記電力量に基づいて還元し得る熱間製鋼スラグ量を算出するとともに、算出された前記還元し得る熱間製鋼スラグ量に基づいて所定の還元材量を算出する演算部と；前記還元し得る熱間製鋼スラグ量に対して、前記熱間製鋼スラグの前記電気炉への流入量が追従するように、前記傾動装置を駆動して、前記スラグ供給容器の傾斜角を調整するとともに、前記所定の還元材量が供給されるように前記副原料供給部からの前記副原料の供給量を調整する制御部と；を備える製鋼スラグ還元処理システムである。

上述の態様によれば、製鋼スラグを、低いエネルギー原単位で、セメント原料、土工材料、セラミック製品等の種々の用途に使用可能な材料に改質することができるとともに、Ｆｅ、Ｍｎ、及び、Ｐ等の有価元素を、溶鉄中に回収することができる。そして、Ｆｅ及びＭｎは、製鉄プロセスへリサイクルし、Ｐは、酸化処理を施すことによって燐酸肥料や燐酸原料として利用することができる。

本発明の第一実施形態に係る製鋼スラグ還元処理装置１００を示す模式図である。 電気炉１に開口部がある場合とない場合における溶融スラグの（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）の推移を比較して示す図である。 本発明の第二実施形態に係る製鋼スラグ還元処理装置２００を示す模式図である。 本発明の第三実施形態に係る製鋼スラグ還元処理装置３００を示す模式図である。 本発明の第四実施形態に係る製鋼スラグ還元処理システムを説明するための製鋼スラグ還元処理装置４００を示す模式図である。

本発明の目的である、作業効率が良好で、かつ、エネルギー原単位が低い手法を考えると、熱間製鋼スラグ（以下、単に製鋼スラグと呼ぶ場合がある）を用いることが、エネルギー原単位の低減の観点から有効である。しかし、熱間製鋼スラグを電気炉内に収容した溶鉄上に流入させる際、熱間製鋼スラグが溶鉄と急激に反応して突沸する現象（スラグフォーミング）が起き、これが激しくなるとスラグが電気炉から溢れ出る場合（オーバーフロー）がある。
前述したように、特許文献２の方法においては、突沸現象の防止策を、「溶鉄のＣ濃度の低減による反応速度の緩和」に求めているが、この方法では作業効率が悪い。

即ち、本発明においても、解決すべき課題として、同様の課題を抱えることになり、スラグ−メタル間の反応により、還元反応を促進させる還元炉（転炉等）では、溶鉄中のＣが、スラグ中のＦｅＯを還元する。このため、還元力を向上させるには、脱炭・加炭を繰り返し行う必要があり、その結果、作業効率は悪くなる。それ故、Ｃ濃度の低減策だけでは、充分な対策とは言えない。

そこで、本発明者らは、鋭意検討したところ、電気炉では、還元反応は、スラグ−メタル間の反応よりも、スラグ中のＦｅＯとＣとの反応が支配的であることを実験により新たに知見した。それ故、若干の還元力の低下はあるが、１．５質量％程度の低いＣ濃度であっても、加炭なしで、スラグの還元処理を行うことが可能であり、作業効率を良好にできることが判明した。

したがって、電気炉を用いることにより、熱間製鋼スラグの流入時に突発的に起きるスラグフォーミングを抑制でき、スラグのオーバーフローを防止する対策の一つとなり得る。

しかし、溶鉄中のＣ濃度が高い場合もあり得るため、溶鉄中のＣ濃度が高くても、作業効率が良好で、かつ、エネルギー原単位が低い方法を検討した。そこで、本発明者らは、電気炉を用いて、上記課題を解決する製鋼スラグ還元処理装置と製鋼スラグ還元処理システムを構築することを試みた。

その結果、熱間で流動性のある熱間製鋼スラグを、直接、電気炉に流入させる際、オーバーフローの発生を防止する具体的な手法として、
（ａ）熱間で流動性のある熱間製鋼スラグを、電気炉への流入量を調整できる装置に一旦収容してから、熱間製鋼スラグが電気炉内でオーバーフローしないように、電気炉への流入量を調整して流入させること、及び、
（ｂ）溶鉄上に溶融スラグ層、好ましくは不活性な溶融スラグ層（還元スラグ層）を緩衝帯として予め形成し、その上に熱間製鋼スラグを流入させること、
の二点が溶融スラグの突沸現象を抑制し、オーバーフローを回避する点で好適であることが、実験的に見出された。

また、
（ｃ）溶融スラグに、予め、炭材を過剰に懸濁させて供給すること、及び、
（ｄ）溶鉄のＣ濃度を３質量％以下に低減する（ただし、強還元を必要としない場合）こと、
も上記の（ａ）、（ｂ）の方法と併用すると、オーバーフローを抑制する上で、より好適であることが見出された。

本発明は、製鋼スラグを熱間で流動性のある間に還元処理を行えば、エネルギー原単位を低く抑制することができるとの技術思想に立脚するものである。
具体的には、本発明者らは、製鋼工程で発生する製鋼スラグを、熱間で流動性のある間に、電気炉に流入させて還元し、有価成分を回収するとともに、スラグを改質して、製鋼スラグを低いエネルギー原単位で資源化できると発想した。

以下、本発明の第１実施形態に係る製鋼スラグ還元処理装置１００について説明する。

本実施形態に係る製鋼スラグ還元処理装置１００の還元処理対象の製鋼スラグ（熱間製鋼スラグ６’）は、製鋼工程で発生したスラグであればよく、特定の製鋼スラグに限定されない。

また、熱間製鋼スラグ６’は、連続的又は間歇的に電気炉１内に流入させ得るに足る流動性を有していればよく、完全に溶融状態にある必要はない。熱間製鋼スラグ６’の固相率は、特に限定されないが、例えば、１４００℃位で３０％以下程度であれば、スラグは電気炉１に流入させ得る流動性を備えている。なお、固相率は、市販のソフトを用いて算出することができる。

以下、図面に基づいて説明する。図１に、電気炉１と、傾動装置３ａが設けられたスラグ供給容器９とを備える本発明の第１実施形態に係る製鋼スラグ還元処理装置１００を示す。

電気炉１は、固定式の密閉型直流電気炉であり、上部電極２ａと炉底電極２ｂとが鉛直方向に対をなす電極２を備えている。電気炉１の底部には、溶鉄５が収容され、溶鉄５の上には、スラグ供給容器９から供給された熱間製鋼スラグ６’を含む溶融スラグ６の層（溶融スラグ層）が形成されている。溶融スラグ層は、溶鉄５と共に電極２で加熱される。
本実施形態においては、溶融スラグ層に還元材を含む副原料を供給する副原料供給部１４が、副原料供給管１４ａとして上部電極２ａの内部に設けられている。

電気炉１の炉天井１ｃの左部には、熱間で流動性のある熱間製鋼スラグ６’をスラグ供給容器９から供給するスラグ供給部４が設けられている。電気炉１に外気（酸素又は酸素含有ガス）が侵入すると、溶融スラグ層の表面で酸化反応が起きて、溶融スラグ層の（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）が上昇し、還元力が低下する。

ここで、図２に、電気炉１の炉壁に開口がある場合とない場合における溶融スラグ６の（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）（質量％）の経時推移を比較して示す。

還元材（炭材）を電気炉１内に吹き込み、溶融スラグ６を還元処理することにより、溶融スラグ６の（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）は減少するが（図中、炭材吹き込み期間、参照）、電気炉１の炉壁に開口部があると、空気が吸引されて電気炉１内が酸化性雰囲気となり、溶融スラグ６の表面で再酸化が起きる。このため、還元材（炭材）の吹込みが終了した後、再酸化の影響で、溶融スラグ６の（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）が増加する。

一方、電気炉１の炉壁に開口部がないと、電気炉１内は還元雰囲気に維持されるので、溶融スラグ６の表面で再酸化は起きず、溶融スラグ６及び溶鉄５中のＣによるＦｅＯの還元反応が進行して、溶融スラグ６の（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）は減少し、所定の低水準に維持される。それ故、電気炉１は、外気が侵入しない密閉型とすることが好ましい。
また、スラグ供給容器９は、電気炉排ガスの排気経路となるように、スラグ供給容器９に排気部１３が設けられている。

電気炉１内は、還元反応によって生じるＣＯガスと、供給される還元材（炭材）から生じるＨ_２を主成分とする還元雰囲気となる。しかし、スラグ供給容器９を、電気炉排ガスの排気経路とする場合には、還元性雰囲気に維持されるため、溶融スラグ層の表面での酸化反応を防止できる。

電気炉１の炉側壁１ａには、出滓樋（図示なし）に溶融スラグ６を出滓する出滓孔７が設けられる。電気炉１の炉側壁１ａとは反対側の炉側壁１ｂには、出銑樋（図示なし）に溶鉄５を出銑する出銑孔８が、出滓孔７のレベル（高さ）よりも下方に設けられている。なお、炉側壁１ａと炉側壁１ｂの溶損を防止するために、出滓孔７と出銑孔８は同じ炉側壁近傍に設けないことが好ましく、炉側壁１ａと炉側壁１ｂの溶損を防止可能な距離だけ離間していればよい。

なお、炉側壁１ａ、炉側壁１ｂ、及び、炉天井１ｃは、ジャケット冷却又は散水冷却（図示なし）で冷却されている。

電気炉１は、電気炉１内に小塊鉄屑、ＤＲＩ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｒｏｎ）等の鉄原料を供給する原料供給装置（図示なし）を備えていてもよい。電気炉１で、小塊鉄屑、還元鉄、粉状ダスト等を溶解・還元して、溶鉄５を製造することができる。

電気炉１には、還元に必要な還元材、及び、溶融スラグ６の特性を改質する改質粉体等の副原料を供給する副原料供給部１４が設けられている。この副原料供給部１４は、図３に示す本発明の第２実施形態に係る製鋼スラグ還元処理装置２００のように、電気炉１の炉天井１ｃに、炉天井１ｃを貫通するように設けられる副原料供給管１４ａであってもよい。副原料供給管１４ａから副原料（還元材、改質粉体等）を電気炉１内に供給すると、電気炉１内で発生するガス量が少ないので、副原料は、重力で溶融スラグ６の表面に落下して、溶融スラグ６と混合する。

また、図１に示すように、電極２の上部電極２ａを中空電極とし、中空部を副原料供給管１４ａとして使用してもよい。中空電極を用いれば、副原料（還元材、改質粉体等）を、直接、アークスポットに吹き込むことができる。

また、図４に示す本発明の第３実施形態に係る製鋼スラグ還元処理装置３００のように、電気炉１に副原料吹込ランス１４ｂを設け、中空電極の中空部や副原料供給管１４ａを使わずに、飛散し易い粉体（副原料）を電気炉１内に供給しても良い。図４に示す態様では、電気炉１の炉天井１ｃに、炉天井１ｃを貫通するように副原料吹込ランス１４ｂが設けられている。

図３に示す製鋼スラグ還元処理装置２００においては、副原料供給管１４ａを電極２の近くに配置しているが、副原料供給管１４ａは、電極２から離れた位置に配置してもよい。
また、電気炉１の炉天井１ｃに、副原料吹込ランス１４ｂと副原料供給管１４ａとを併設してもよい。

＜スラグ供給容器＞
スラグ供給容器９（図１、３、及び、４、参照）は、上壁１１と下壁１０から構成され、スラグ鍋（図示なし）から熱間製鋼スラグ６’の供給を受けるための開口部１３ａと、開口部１３ａを閉塞する蓋１３ｂとを備える。スラグ供給容器９の上部には、排気部１３が設けられてもよい。スラグ供給容器９の下壁１０は、耐火物内張壁で構成され、上壁１１は、水冷耐火物内張壁で構成されていることが好ましい。

スラグ供給容器９は、傾動軸ｚを中心に任意の角度に傾動可能である。したがって、電気炉１と連結されているスラグ供給部４から、熱間製鋼スラグ６’の電気炉１への流入量を調整することができる。

スラグ供給容器９が排気部１３を備え、且つ、排気部１３が集塵機（図示なし）に接続されている場合、スラグ供給容器９の雰囲気は、常に負圧状態になるため好ましい。このように負圧状態とすることで、電気炉１で発生したＣＯ及びＨ_２を含む高温排ガスは、スラグ供給部４からスラグ供給容器９内に浸入し、スラグ供給容器９の内部を排出径路として、排気部１３から、排ガスダクト（図示なし）を経由して集塵機（図示なし）へ流出する。

この場合、スラグ供給容器９と電気炉１の連結部の隙間から外気が侵入しても、侵入した外気はスラグ供給容器９の内部へ流れるので、電気炉１内の雰囲気は、常に、高温の還元性雰囲気に維持される。一方、スラグ供給容器９の内部は、電気炉１の内部と同じように、高温の還元性雰囲気に維持されて、熱間製鋼スラグ６’は保温され、かつ、酸化されない。

スラグ供給容器９には、ＣＯ及びＨ_２を含む電気炉排ガスに、酸素又は酸素含有ガスを吹き込むノズル１２を設けてもよい。スラグ供給容器９内で、電気炉排ガスを燃焼させる場合、スラグ供給容器９内を高温に維持することができるため好ましい。これにより、熱間製鋼スラグ６’の凝固や、スラグ供給容器９の炉壁への付着を防止することができる。また、電気炉１へ流入させるために必要な流動性を熱間製鋼スラグ６’に付与することができる。

排ガスの顕熱及び燃焼熱を利用しても、スラグ供給容器９内の温度が、熱間製鋼スラグがスラグ供給容器９の炉壁に付着しない温度まで上昇しない場合がある。この場合に備え、スラグ供給容器９に、燃焼バーナー１２ａを設けて、火炎を、スラグ供給容器９内に照射してもよい。

また、スラグ供給容器９には、熱間製鋼スラグ６’をスラグ供給容器９内で改質するスラグ改質材を、熱間製鋼スラグ６’に添加するためのスラグ改質剤添加装置（図示なし）を配置してもよい。さらに、スラグ改質材を、燃焼バーナー１２ａを介してスラグ供給容器９内に溶融照射してもよい。

スラグ供給容器９には、スラグ供給容器９を、傾動軸ｚを中心として傾動し、熱間製鋼スラグの電気炉１への流入量を制御する傾動装置３ａが配備されている。
次に、スラグ供給容器９による熱間製鋼スラグ６’の電気炉１への流入について説明する。

＜熱間製鋼スラグの流入＞
まず、手段（ａ）について、以下に詳述する。
（ａ）熱間で流動性のある熱間製鋼スラグを、電気炉１への流入量を調整できる装置に一旦収容してから、熱間で流動性のある熱間製鋼スラグが電気炉１内でオーバーフローしないように、電気炉１への流入量を調整して流入させる。

電気炉１内に、予め、相当量（例えば、１００〜１５０トン程度）の溶鉄５を種湯として収容する。次に、電気炉１への電力供給速度に対して、還元し得る量の熱間製鋼スラグ６’を、スラグ供給容器９から、溶鉄５上の溶融スラグ６に供給し、溶融スラグ層を継続的に維持する。

製鋼スラグ還元処理装置１００，２００，３００において、熱間製鋼スラグ６’の電気炉１への流入態様は、傾動装置３ａの駆動で、傾動軸ｚを中心としてスラグ供給容器９の傾動角を調整して、自在に選択することができる。

即ち、傾動装置３ａで、スラグ供給容器９を、傾動軸ｚを中心として傾動させて、スラグ鍋（図示なし）から供給される熱間製鋼スラグ６’を貯留・保持し、また、貯留した熱間製鋼スラグ６’を、電気炉１内の溶鉄５上の溶融スラグ６の層に向けて、溶融スラグ６がフォーミングによって電気炉１からオーバーフローしないように、流入量を調整しつつ、連続的又は間歇的に流入させる。

尚、熱間製鋼スラグ６’は、スラグ供給容器９で、一旦、貯留・保持するが、スラグ鍋からの供給量が少なく、スラグ供給容器９で、一旦、貯留・保持する必要がない場合は、スラグ供給容器９を一定の角度で固定して、スラグ樋として使用することもできる。

スラグ供給容器９を傾動させて、熱間製鋼スラグ６’を電気炉１内に流入させることにより、スラグ供給容器９内の熱間製鋼スラグ６’の高温表面層が更新されて、スラグ供給容器９内に残留する熱間製鋼スラグ６’への着熱効率が向上する。

熱間製鋼スラグ６’を間歇的に電気炉１内に流入させる場合、
（ｉ）熱間製鋼スラグ６’の流入と中断を適宜繰り返しながら流入させる態様、又は、
（ｉｉ）所要量の熱間製鋼スラグ６’を、所定の時間間隔で、一括して流入させる態様
を採用し得る。

熱間製鋼スラグ６’を電気炉１へ流入させているとき、流入速度が速すぎると、発生ガス量が一時的に増加してスラグフォーミング状態になり、スラグが電気炉１から溢れ出る（オーバーフロー）等の異常事態になりそうな場合がある。その場合は、スラグ供給容器９の傾動角を小さくして、熱間製鋼スラグ６’の電気炉１内への流入を一時停止するか、又は、還元材供給速度を増加させることが好ましい。

なお、熱間製鋼スラグ６’を電気炉１内へ流入させる際、溶融スラグ層の泡立ち状態（スラグフォーミング）が過激になりオーバーフロー等の異常事態に至るか否かは、常時、（１）監視カメラによる炉内状況及び炉外状況の監視、（２）サウンドメーターによる熱間製鋼スラグの挙動の監視、（３）マイクロ波照射による溶融スラグ表面レベルの監視、等で検知し、閾値を超えそうな場合、熱間製鋼スラグの電気炉１への流入量を調整することが好ましい。

溶融スラグ６がフォーミング状態になり、電気炉１から溢れ出る（オーバーフロー）のを予防する手段として、スラグ供給容器９からの熱間製鋼スラグ６’の流入量の調整（前記手段（ａ）、参照）の他に、以下の手段（ｂ）があるため、（ａ）と（ｂ）を併用してもよい。

（ｂ）溶鉄５の上のスラグとして、還元されたスラグを存在させることで緩衝帯としての機能を持たせ、これにより流入させる熱間製鋼スラグ６’のＦｅＯ濃度を希釈低減するとともに、熱間製鋼スラグ６’と溶鉄５との接触機会を低減する。

即ち、溶鉄５の上面に緩衝帯として還元処理後の溶融スラグ６を存在させることにより、この溶融スラグ６の（ＦｅＯ）濃度が低減されているとともに、溶融スラグ６と溶鉄５との接触機会も低減できる。このため、溶融スラグ６のフォーミングを抑制し、結果的に、溶融スラグ６の電気炉１からのオーバーフローを防止することができる。

熱間製鋼スラグ６’の電気炉１への流入量は、基本的には、電極２への供給電力量で決定される。即ち、製鋼スラグの還元処理に必要な電力原単位と、供給実績電力量に基づいて、連続的又は間歇的に流入させる熱間製鋼スラグ６’の流入量が計算される。

熱間製鋼スラグ６’の流入速度は、長期的には、電極２への電力供給速度に合致させる必要があるが、短期的には、電極２への電力供給速度に合致させる必要はない。なぜなら、所定量の熱間製鋼スラグ６’を間歇的に電気炉１に流入させる場合、流入量は、短期的には、電極２への電力供給速度に合致していないからである。この場合、長期的には、電力供給速度に合致させることで問題はない。

なお、熱間製鋼スラグの還元処理に必要な電力原単位は、反応熱および放熱を考慮した熱バランス計算により、求めることができる。但し、上記の電力原単位は、熱バランス計算による推定値であるため、その誤差は、電気炉１内の溶融スラグ６の温度変化となって現れる。

溶融スラグ温度の変動は、供給電力、熱間製鋼スラグ６’の流入量、還元材供給量を調整することで制御できる。通常、電気炉１内の温度は、溶鉄温度：１４００〜１５５０℃、溶融スラグ温度：１５００〜１６５０℃となるように制御されることが例示できる。

熱間製鋼スラグ６’の流入は、溶融スラグ６がオーバーフローしないように行う限り、熱間製鋼スラグ６’の電気炉１への流入は、連続的でもよく、間歇的でもよい。なお、熱間製鋼スラグ６’を間歇的に流入させる場合、１回に流入させる熱間製鋼スラグ６’の量は、スラグフォーミングによりオーバーフローが起こらない量であることを、事前に実験等で確認した上で設定することが重要である。

＜溶融スラグの処理＞
熱間製鋼スラグ６’が流入された溶鉄５上の溶融スラグ６を還元処理するためには、電気炉１に流入された熱間製鋼スラグ量に対応する量の還元材を、電気炉１内に流入させる必要がある。

還元材（副原料）は、図３に示すように、炉蓋に設けた副原料供給管１４ａから、連続的又は間歇的に供給してもよいが、中空電極の中空部又は副原料吹込ランス１４ｂから、連続的又は間歇的に供給することもできる（図１及び図４、参照）。このとき、還元材に、スラグ改質材と含鉄原料の少なくとも一方を混合してもよい。

還元材として、通常、炭材を用いる。炭材としては、コークス粉、無煙炭粉、グラファイト粉、炭素を含むダスト粉、飛灰（フライアッシュ）などを用いることができる。

スラグ改質材は、主として、（ＳｉＯ_２）や（Ａｌ_２Ｏ_３）の調整に用いるので、適切な材料を選択する必要がある。スラグ改質材は、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及び、ＭｇＯの１種又は２種以上を含むものが好ましい。また、スラグ改質剤として、石炭灰、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を多く含むスラグ粉、レンガ屑、アルミドロスなども利用できる。含鉄原料は、鉄屑、還元鉄、及び、粉状ダストの１種又は２種以上が好ましい。

また、溶融スラグ６がフォーミング状態になり、電気炉１から溢れ出るのを予防する手段として、
（ｃ）溶融スラグ層中に、炭材を還元処理に必要な量に対して過剰に懸濁させる手法、
を併用してもよい。

製鋼スラグの還元のため、溶融スラグ層に供給する還元材（副原料）の量は、製鋼スラグと還元材との還元反応において化学量論的の当量は必要である。但し、溶融スラグ６がフォーミング状態になり、電気炉１から溢れ出るのを予防するために、溶融スラグ６との還元反応に必要な化学量論量の１．１〜１．６倍を、所定の還元材量とし、溶融スラグ層に懸濁させて、スラグフォーミングを抑制することが好ましい。

還元材（粉炭）が化学量論量の１．１倍未満であると、還元材の添加によるフォーミング抑制効果が発現しにくく、化学量論量の１．６倍を超えると、フォーミング抑制効果が飽和する。

また、溶融スラグ６がフォーミング状態になり、電気炉１から溢れ出るのを予防する手段として、
（ｄ）溶鉄５のＣ濃度を３質量％以下に低減する手法、
を併用しても良い。これは、溶鉄５のＣ濃度を３質量％以下に低減することにより、溶融スラグ６がフォーミング状態になり、電気炉１から溢れ出ることを抑制し易くなることを、実験にて知見していることに基いている。

製鋼スラグ還元処理装置１００，２００，３００においては、熱間製鋼スラグ６’を、スラグ供給容器９から電気炉１内の溶融スラグ層に連続的又は間歇的に流し込み、一方、溶融スラグ層のスラグを、炉底側壁に設けた出滓孔７から間歇的に出滓する。このため、電気炉１内では、熱間製鋼スラグ６’の還元処理を継続的に行うことができるので、製鋼スラグの処理効率が極めて高い。

電気炉１内の溶融スラグ層の厚みが、所定のレベルに上昇したときは、出滓孔７を開孔して、溶融スラグ６を炉外に排出する。また、溶融スラグ６の層と溶鉄５との界面が出滓孔７の近傍に近づいたときは、出滓孔７より下方にある出銑孔８を開孔して、溶鉄５を排出する。溶融スラグ６の層と溶鉄５との界面が出滓孔７に近いと、溶融スラグ６と溶鉄５の分離性能が低下する。

＜排出後の溶融スラグと溶鉄の処理＞
出滓孔７から排出された溶融スラグ６は、直ちに、水砕急冷処理するか、又は、容器に受けて徐冷処理をして、製品とする。出銑孔８から排出された溶鉄５は、溶鉄鍋に受け、該溶鉄５に、酸素又は酸化鉄と脱燐材を混合供給して、脱燐処理を施す。脱燐後の目標燐濃度は、高炉の出銑燐濃度とほぼ同等とし、製鋼プロセス内での利用を可能にする。

脱燐後の溶鉄５は型銑にするか、又は、混銑車か溶鉄鍋に移し替えて、製鋼プロセスに移送する。一方、脱燐処理で生成したスラグは、高濃度でＰ_２Ｏ_５を含有するので、そのまま、燐酸肥料として用いるか、又は、工業用燐酸原料として利用する。

２）次に、本発明の第４実施形態に係る製鋼スラグ還元処理システムについて説明する。

図５に、本実施形態に係る製鋼スラグ還元処理システムで用いられる製鋼スラグ還元処理装置４００を示す。

まず、電気炉１の電極２に供給する電力を設定し、設定電力に基づいて、還元し得る熱間製鋼スラグの供給速度が算出される。そして、算出された熱間製鋼スラグ供給速度に基づいて所定の還元材供給速度が算出される。但し、「実績電力」が「設定電力」から乖離してきた場合には、実績累計供給電力量に基づいて熱間製鋼スラグの累計投入量を修正する。

尚、所定の還元材量は、前述の通り、溶融スラグ６がフォーミング状態になり、電気炉１から溢れ出るのを予防するために、溶融スラグ６との還元反応に必要な化学量論量の１．１〜１．６倍の範囲で設定することが好ましい。
次に、算出された還元し得る熱間製鋼スラグ量Ｘを目標値として、電気炉１への熱間製鋼スラグの流入量Ｙが追従するように制御される。

具体的には、電気炉１への熱間製鋼スラグの流入量Ｙは、スラグ供給容器９内の熱間製鋼スラグの量の変化が秤量器３ｂで測定され、測定値が演算部１５ｂに入力されて算出される。

算出された熱間製鋼スラグの流入量Ｙと、実績供給電力量に基づいて算出された還元し得る熱間製鋼スラグ量Ｘとを演算部１５ｃで対比する。そして、制御装置により、上記還元し得る熱間製鋼スラグ量Ｘを目標値として、上記熱間製鋼スラグの流入量Ｙが追従するように、傾動装置３ａを駆動して、傾動軸Ｚを中心にして、スラグ供給容器９の傾斜角を調整する。ちなみに、上記熱間製鋼スラグの流入は、連続的又は間歇的に行うことができる。

まず、熱間製鋼スラグを連続的に流入させる場合は、上記還元し得る熱間製鋼スラグ量Ｘを目標値として、熱間製鋼スラグの流入量Ｙがこの目標値に追従するように制御すればよい。制御方法については、特に限定されないが、例えば、広く知られたＰＩＤ制御等を用いることができる。

一方、熱間製鋼スラグを間歇的に流入させる場合は、上記還元し得る熱間製鋼スラグ量Ｘを目標値として、熱間製鋼スラグの流入量Ｙがこの目標値に追従するように制御することは、連続的に流入させる場合と同様である。但し、熱間製鋼スラグの流入量Ｙとしては、例えば、所要量の熱間製鋼スラグを、所定の時間間隔で、一括して供給する場合は、時間当たりの流入速度に換算した値を採用することができる。

この場合は、一括して供給する熱間製鋼スラグの量と、所定の時間間隔を、あらかじめ設定しておき、シーケンス制御を行うことで、実施することができる。その際には、熱間製鋼スラグを一括して供給しても、オーバーフローしない熱間製鋼スラグ量を、事前に確認しておくことが重要である。

さらに、上記の還元し得る熱間製鋼スラグの流入量Ｘに基づいて、演算部で算出された所定の還元材量を目標値として、副原料供給管１４ａからの供給量が調整される。ここでは、副原料供給管１４ａの供給量を制御する装置（図示なし）で供給量が制御される。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
図５に示す製鋼スラグ還元処理装置４００において、転炉から排出された熱間製鋼スラグ６’を溶融状態（固相率２５％以下）で、スラグ供給容器９に流入させて、一旦貯留し、次いで、スラグ供給容器９を、１０分に１回の頻度で傾動して、１回約８トンの熱間製鋼スラグを直流電気炉１に流入させた。

この電気炉１には、銑鉄が約１３０トンと、その上に還元処理された溶融スラグ層が約２００ｍｍの厚みで存在している条件で、熱間製鋼スラグ６’を電気炉１に流入させた。なお、熱間製鋼スラグ６’の流入量を１回：約８トンと設定したのは、事前の実機試験により、今回の条件で、フォーミングが激しく起こらないことを確認していたためである。

また、熱間製鋼スラグ６’の流入速度は平均して、８００ｋｇ／ｍｉｎと設定した。これは、後述の通り、約３０ＭＷの電力を連続して供給するため、前述の方法により求めておいた熱間製鋼スラグの還元処理に必要な電力原単位から、算出したものである。

電力を供給しながら、副原料供給管１４ａからコークス粉を電気炉１内に供給した。その供給速度は、化学量論的な供給速度の１．５倍に相当する８５ｋｇ／ｍｉｎとした。また、スラグ改質剤は、目標塩基度：１．２、目標（Ａｌ_２Ｏ_３）：１２質量％を達成するために、フライアッシュ：３７８ｋｇ／ｔ−ｓｌａｇ、ボーキサイト粉：４７ｋｇ／ｔ−ｓｌａｇを、副原料供給管１４ａから溶融スラグ層に連続的に供給した。

電気炉１内の温度は、溶鉄温度：１４５０±５℃、スラグ温度：１５５０±５℃となるように制御した。電気炉１に、大気に通じる開口部はないので、電気炉１内は還元雰囲気に維持された。溶融スラグ６の組成及び温度を表１に示す。

電気炉１内には、表２に示す成分組成の溶鉄５（Ｃ；３．０質量％）を、常時、１００〜１５０トン存在させ、溶融スラグ層は約１００〜３００ｍｍの厚みで存在させた。電気炉１には、電極２から、約３０ＭＷの電力を連続して供給して、溶融スラグ層に流し込む熱間製鋼スラグの還元処理を、スラグフォーミングを起こすことなく行うことができた。

溶融スラグ層のスラグは、１時間に１回、約４６トンを、出滓孔７から排出し、溶鉄５は、５時間に１回、約４４トンを、出銑孔８から排出した。排出した溶融スラグ６の組成及び溶鉄５の組成を、表３及び表４に示す通り、スラグは還元されており、溶鉄５中にはＰやＭｎが濃化されていることが判った。

溶融スラグ６の還元処理に必要な電力原単位は、１４５０℃の脱炭スラグの場合、６０７ｋＷｈ／ｔ−ｓｌａｇであった。一方、比較のために、同じ脱炭スラグを冷間で粉状にして流入させたところ、電力原単位は１３１４ｋＷｈ／ｔ−ｓｌａｇであった。

（実施例２）
電極２（上部電極２ａ）を中空電極とし、その中空部を副原料供給管１４ａとして用いてスラグ改質材と還元材を供給したこと以外は、実施例１と同様の条件で、還元改質処理を行った。

電気炉１内の温度は、溶鉄温度：１４５０±５℃、スラグ温度：１４５０±５℃となるように制御した。熱間製鋼スラグの還元処理は、途中、溶融スラグ６のオーバーフローを起こすことなく連続的に行うことができた。

還元処理中、溶融スラグ層のスラグは、１時間に１回、約４６トンを、出滓孔７から排出し、溶鉄５は、５時間に１回、約４４トンを、出銑孔８から排出した。排出した溶融スラグ６の組成及び溶鉄５の組成は、表３及び表４に示す組成とほぼ同じであった。

実施例１〜２においては、１０分間隔で、１回当り、約８トンの熱間製鋼スラグを一括で流入させるという流入条件下でも、溶融スラグ６のオーバーフローを起こさず、溶融スラグ６の還元処理を継続することができた。そして、熱間製鋼スラグの流入速度は、平均すると、８００ｋｇ／ｍｉｎであった。

このことは、本発明装置においては、熱間製鋼スラグを、流入速度：８００ｋｇ／ｍｉｎ、又は、流入速度：８００ｋｇ／ｍｉｎ以下で連続的に流入させた場合には、フォーミングがより起こりにくい条件となるため、溶融スラグ６のオーバーフローを起こさず、溶融スラグ６の還元処理を継続することができることを意味している。即ち、間歇流入の実施例１〜２は、本発明装置における熱間製鋼スラグの連続流入の実施可能性を実証する実施例でもある。

（比較例）
表１に示す成分組成の製鋼スラグを還元するため、表２に示す成分組成と温度の溶鉄５を収容した電気炉１内に、上記製鋼スラグ２０トンを熱間状態で一括供給した。溶鉄５は、熱間製鋼スラグを電気炉１内に供給した直後、スラグフォーミングが急激に生じ、操業を中止せざるを得なかった。

本発明によれば、熱間製鋼スラグの還元処理を、間歇的に出滓しつつ、中断することなく連続的におこなうことができるので、低いエネルギー原単位で、効率良く製鋼スラグを、セメント原料、土工材料、セラミック製品等の種々の用途に使用可能な材料に改質すると同時に、Ｆｅ、Ｍｎ、及び、Ｐ等の有価元素を、溶鉄中に回収することができる。Ｆｅ及びＭｎは、製鉄プロセスへリサイクルし、Ｐは、燐酸肥料や燐酸原料として利用することができる。更には、本発明によれば、同一電気炉で、小塊鉄屑、還元鉄、粉状ダスト等を溶解・還元して、溶鉄を製造することができる。よって、本発明は、鉄鋼産業において利用可能性が極めて高いものである。

１００、２００、３００、４００ 製鋼スラグ還元処理装置
１ 電気炉
１ａ、１ｂ 炉側壁
１ｃ 炉天井
２ 電極
２ａ 上部電極
２ｂ 炉底電極
３ａ 傾動装置
３ｂ 秤量器
４ スラグ供給部
５ 溶鉄
６ 溶融スラグ
６’ 熱間製鋼スラグ
７ 出滓孔
８ 出銑孔
９ スラグ供給容器
１０ 下壁
１１ 上壁
１２ ノズル
１２ａ 燃焼バーナー
１３ 排気部
１３ａ 開口部
１３ｂ 蓋
１４ 副原料供給部
１４ａ 副原料供給管
１４ｂ 副原料吹込ランス
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 演算部
Ｘ 設定電力量で還元し得る熱間製鋼スラグ量
Ｙ 電気炉への熱間製鋼スラグの流入量
Ｚ 傾動軸

Claims (5)

1. 電気炉を用いて熱間製鋼スラグを連続還元処理する製鋼スラグ還元処理装置であって、
   前記電気炉内に前記熱間製鋼スラグを流し込むスラグ供給容器と、
   前記電気炉に設けられるとともに、前記熱間製鋼スラグの還元によって生成された溶鉄上の溶融スラグ層を前記溶鉄と共に加熱する電極と、
   前記溶融スラグ層に、還元材を含む副原料を供給する副原料供給部と、
   前記スラグ供給容器を傾動させて前記熱間製鋼スラグの前記電気炉への流入量を調整する傾動装置と、
   を備え、
   かつ前記電気炉が固定式の密閉型電気炉である
   ことを特徴とする製鋼スラグ還元処理装置。
2. 前記密閉型電気炉が直流電気炉である
   ことを特徴とする請求項１に記載の製鋼スラグ還元処理装置。
3. 前記副原料供給部が、前記電極の内部に設けられた副原料供給管である
   ことを特徴とする請求項１に記載の製鋼スラグ還元処理装置。
4. 前記スラグ供給容器に前記電気炉からの排ガスを排出する排気部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の製鋼スラグ還元処理装置。
5. 請求項１に記載の還元処理装置を用いた製鋼スラグ還元処理システムであって、
   前記電極に供給された電力量を測定する測定部と；
   測定された前記電力量に基づいて還元し得る熱間製鋼スラグ量を算出するとともに、算出された前記還元し得る熱間製鋼スラグ量に基づいて所定の還元材量を算出する演算部と；
   前記還元し得る熱間製鋼スラグ量に対して、前記熱間製鋼スラグの前記電気炉への流入量が追従するように、前記傾動装置を駆動して、前記スラグ供給容器の傾斜角を調整するとともに、前記所定の還元材量が供給されるように前記副原料供給部からの前記副原料の供給量を調整する制御部と；
   を備えることを特徴とする製鋼スラグ還元処理システム。

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