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【発明の名称】 冷鉄源の溶解方法
【発明者】 【氏名】水上 秀昭
【要約】 【課題】溶解室に直結した予熱室を有するアーク溶解設備にて、５０％以上の高い配合率で直接還元鉄を配合して溶湯を製造する際に、予熱室内のガス抜けが確保され、溶解室等からの排ガスの吹き出しがなく安定した操業を可能とする。

【解決手段】溶解室３と、その上部に直結するシャフト型の予熱室４とを有するアーク溶解設備１を用い、溶解室から発生する排ガスにより予熱室内で予熱した冷鉄源１６を溶解室内で溶解する溶解方法において、直接還元鉄が質量比率で５０％〜８０％配合された冷鉄源を溶解用原料として用い、この冷鉄源が溶解室及び予熱室に存在する状態を保つように冷鉄源を予熱室へ供給しながら、溶解室内の冷鉄源をアーク１９並びに炭材と酸素とを溶解室に供給することによって溶解し、溶解室に所定量の溶湯１７が溜まった時点で溶解室及び予熱室に冷鉄源が存在する状態で溶湯を出湯する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 溶解室と、その上部に直結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、溶解室から発生する排ガスにより予熱室内で予熱した冷鉄源を溶解室内で溶解する溶解方法において、直接還元鉄が質量比率で５０％〜８０％配合された冷鉄源を溶解用原料として用い、この冷鉄源が溶解室及び予熱室に存在する状態を保つように冷鉄源を予熱室へ供給しながら、溶解室内の冷鉄源をアーク並びに炭材と酸素とを溶解室に供給することによって溶解し、溶解室に所定量の溶湯が溜まった時点で溶解室及び予熱室に冷鉄源が存在する状態で溶湯を出湯することを特徴とする冷鉄源の溶解方法。
【請求項２】 溶解室に所定量の溶湯が溜まった時点で溶解室を傾動して溶湯と冷鉄源との接触面積を減少させ、アークにて溶湯を加熱して昇温した後、溶解室及び予熱室に冷鉄源が存在する状態で溶湯を出湯することを特徴とする請求項１に記載の冷鉄源の溶解方法。
【請求項３】 溶解室と、その一方側の上部に直結するシャフト型の予熱室と、溶解室に突設され、出湯口を有する出湯部とを有し、予熱室内の冷鉄源は溶解中に溶解室の予熱室が設けられている一方側から他方側へ向けて供給され、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たアーク溶解設備を用い、溶解室から発生する排ガスにより予熱室内で予熱した冷鉄源を溶解室内で溶解する溶解方法において、直接還元鉄が質量比率で５０％〜８０％配合された冷鉄源を溶解用原料として用い、この冷鉄源が溶解室及び予熱室に存在する状態を保つように冷鉄源を予熱室へ供給しながら、溶解室内の冷鉄源をアーク並びに炭材と酸素とを溶解室に供給することによって溶解し、溶解室に所定量の溶湯が溜まった時点で溶解室を出湯部側が低くなるように傾動して溶湯と冷鉄源との接触面積を減少させ、アークにて溶湯を加熱して昇温した後、溶解室及び予熱室に冷鉄源が存在する状態で溶湯を出湯することを特徴とする冷鉄源の溶解方法。
【請求項４】 前記アーク溶解設備は、溶解室の予熱室が設けられた部分と出湯部が設けられた部分との間に、溶解室を出湯部側に傾動した際に冷鉄源が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請求項３に記載の冷鉄源の溶解方法。
【請求項５】 前記離間部の離間距離が、予熱室から溶解室に亘って安息角で拡がる冷鉄源の距離よりも長いことを特徴とする請求項４に記載の冷鉄源の溶解方法。
【請求項６】 前記アーク溶解設備は、出湯部が冷鉄源の供給方向に対して直交する方向に向けて設けられていることを特徴とする請求項３ないし請求項５の何れか１つに記載の冷鉄源の溶解方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、直接還元鉄を５０％以上配合した冷鉄源をアーク熱により効率良く溶解する溶解方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】製鋼用アーク溶解設備では、電極から発生するアーク熱により冷鉄源を加熱溶解し、精錬して溶鋼を製造する。通常、冷鉄源としては鉄スクラップを用いるが、世界的なアーク溶解設備の新設による鉄スクラップ価格の上昇や鉄スクラップ調達の困難化に伴い、冷鉄源として鉄スクラップの替わりに大量の直接還元鉄を配合する操業が実施されるようになった。又、アーク溶解設備による製造品種も高級鋼の範囲に拡大されるに至り、高級鋼ではＣｕ、Ｓｎ、Ｃｒ等の鉄スクラップに起因する不純物元素の混入が嫌われるために、これらの不純物を含まない直接還元鉄が大量に配合される要因の１つとなっている。
【０００３】この直接還元鉄は大きく２種類に分類され、１つは直径が１０〜３０ｍｍ程度の直接還元鉄、所謂ＤＲＩと呼ばれるものと、１つは高温状態のＤＲＩをブリケット化した、長辺が１００〜２００ｍｍ程度の直方体形状の直接還元鉄、所謂ＨＢＩ（ホット−ブリケット−アイアン）と呼ばれるものがあり、以下、それぞれＤＲＩ及びＨＢＩと記す。
【０００４】直接還元鉄を大量に配合した操業として、例えば、H.Mulyatma等は、SEAISI Quartely 「October,1994,p.44 」（以下「先行技術１」と記す）において、１３０トン交流式アーク溶解設備を用い、鉄スクラップと２０トンのＤＲＩとを初装入して通電し、通電２０分後からＨＢＩ及びＤＲＩを連続装入し、ＨＢＩ＋ＤＲＩの配合率を（１５＋６０）％から（５＋８５）％とした操業を報告している。又、I.S.Alvarez 等は、Ironmaking Conference Proceedings 「1994,p.467」（以下「先行技術２」と記す）において、鉄スクラップを初装入して通電・溶解後、ＤＲＩ製造プラントから４００〜６００℃の高温のＤＲＩを直接アーク溶解設備に連続的に装入し、ＤＲＩの配合率を６０％とした操業を報告している。
【０００５】ＤＲＩ及びＨＢＩは、鉄分が９０mass％程度であることと、７mass％程度のＦｅＯを含み、ＦｅＯの還元に熱が必要であることから、鉄スクラップを使用した場合に比較して、アーク溶解設備での電力原単位が悪化する。例えば、先行技術１で報告されるように、ＨＢＩ＋ＤＲＩの配合率が（１５＋６０）％で電力原単位が溶鋼トン当たり７４３ｋＷｈ（以下「ｋＷｈ／ｔ」と記す）、（５＋８５）％で８１３ｋＷｈ／ｔとなり、鉄スクラップを使用した際の電力原単位４００〜５００ｋＷｈ／ｔに比べて非常に多い。又、先行技術２では、高温のＤＲＩをアーク溶解設備に直接装入するので、電力原単位は５００ｋＷｈ／ｔ程度に低減されるが、この方法ではアーク溶解設備と同時にＤＲＩ製造プラントを配置しなければならないという欠点がある。
【０００６】一方、本発明者等は冷鉄源を効率良く溶解する方法として、特開平１０−２９２９９０号公報（以下「先行技術３」と記す）を提案している。先行技術３による溶解方法は、溶解室と、その上方に直結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冷鉄源を溶解する際に、冷鉄源が溶解室と予熱室に連続して存在する状態を保つように予熱室へ冷鉄源を連続的又は断続的に供給しながら溶解室内の冷鉄源をアークにより溶解し、溶解室に所定量の溶鋼が溜まった時点で溶解室及び予熱室に冷鉄源が存在する状態で溶鋼を出湯する方法である。この方法では、予熱室内及び溶解室内には常に冷鉄源が存在して、２ヒート目以降では溶解される全ての冷鉄源が溶解室で発生する高温の排ガスにより予熱されるので、電力使用量の大幅な削減が達成できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、予熱室に大量のＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄を装入して先行技術３に開示された方法により溶解操業を行うと、ＤＲＩやＨＢＩは充填され易いために嵩密度が高くなり、予熱室内の通気抵抗が上昇して予熱室内のガス抜けが悪くなり、大量のＤＲＩやＨＢＩが溶解室内の溶湯中に一度に溶落した場合のように、溶解室内で大量のガスが急激に発生した際には、予熱室からの排気が間に合わず、溶解室等から大量の排ガスが漏洩して操業の中断を余儀なくされることが発生する。
【０００８】本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、溶解室に直結したシャフト型の予熱室を有するアーク溶解設備を用い、５０％以上の高い配合率でＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄を配合した冷鉄源を溶解して溶湯を製造する際に、予熱室内のガス抜けが確保され、溶解室等からの排ガスの異常吹き出しがなく、安定した操業が可能になると同時に、電力原単位を低減して効率良く溶解する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】第１の発明による冷鉄源の溶解方法は、溶解室と、その上部に直結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、溶解室から発生する排ガスにより予熱室内で予熱した冷鉄源を溶解室内で溶解する溶解方法において、直接還元鉄が質量比率で５０％〜８０％配合された冷鉄源を溶解用原料として用い、この冷鉄源が溶解室及び予熱室に存在する状態を保つように冷鉄源を予熱室へ供給しながら、溶解室内の冷鉄源をアーク並びに炭材と酸素とを溶解室に供給することによって溶解し、溶解室に所定量の溶湯が溜まった時点で溶解室及び予熱室に冷鉄源が存在する状態で溶湯を出湯することを特徴とするものである。
【００１０】第２の発明による冷鉄源の溶解方法は、第１の発明において、溶解室に所定量の溶湯が溜まった時点で溶解室を傾動して溶湯と冷鉄源との接触面積を減少させ、アークにて溶湯を加熱して昇温した後、溶解室及び予熱室に冷鉄源が存在する状態で溶湯を出湯することを特徴とするものである。
【００１１】第３の発明による冷鉄源の溶解方法は、溶解室と、その一方側の上部に直結するシャフト型の予熱室と、溶解室に突設され、出湯口を有する出湯部とを有し、予熱室内の冷鉄源は溶解中に溶解室の予熱室が設けられている一方側から他方側へ向けて供給され、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たアーク溶解設備を用い、溶解室から発生する排ガスにより予熱室内で予熱した冷鉄源を溶解室内で溶解する溶解方法において、直接還元鉄が質量比率で５０％〜８０％配合された冷鉄源を溶解用原料として用い、この冷鉄源が溶解室及び予熱室に存在する状態を保つように冷鉄源を予熱室へ供給しながら、溶解室内の冷鉄源をアーク並びに炭材と酸素とを溶解室に供給することによって溶解し、溶解室に所定量の溶湯が溜まった時点で溶解室を出湯部側が低くなるように傾動して溶湯と冷鉄源との接触面積を減少させ、アークにて溶湯を加熱して昇温した後、溶解室及び予熱室に冷鉄源が存在する状態で溶湯を出湯することを特徴とするものである。
【００１２】第４の発明による冷鉄源の溶解方法は、第３の発明において、前記アーク溶解設備は、溶解室の予熱室が設けられた部分と出湯部が設けられた部分との間に、溶解室を出湯部側に傾動した際に冷鉄源が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ものである。
【００１３】第５の発明による冷鉄源の溶解方法は、第４の発明において、前記離間部の離間距離が、予熱室から溶解室に亘って安息角で拡がる冷鉄源の距離よりも長いことを特徴とするものである。
【００１４】第６の発明による冷鉄源の溶解方法は、第３の発明ないし第５の発明の何れかにおいて、前記アーク溶解設備は、出湯部が冷鉄源の供給方向に対して直交する方向に向けて設けられていることを特徴とするものである。
【００１５】本発明者等は、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄を５０％以上の配合率とした冷鉄源を溶解する際に、予熱室内のガス抜けに支障を来さず、且つ電力原単位を低減する方法について鋭意研究を重ねた。その結果、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄を予熱室内に装入する際に、質量比率で少なくとも２０％以上の一般の市中鉄スクラップ（単に「市中鉄スクラップ」とも記す）をＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄に混ぜて装入すれば、予熱室内のガス抜けが十分となり、突発的に起こる大量のガス発生時も溶解室からのガス吹き出しが生じないことを見出した。即ち、一般の市中鉄スクラップの嵩密度は０．７程度であり、ＤＲＩ及びＨＢＩの嵩密度が２以上であっても、一般の市中鉄スクラップを質量比率で２０％以上配合すれば、通気性が確保され、溶解室で発生する排ガスを問題なく予熱室から排気できることを確認した。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。先ず、第１の実施の形態について、図１及び図２に基づき説明する。図１は、本発明による溶解方法を実施する際に用いたアーク溶解設備の１例を示す縦断面概略図であり、図２は、図１に示すアーク溶解設備を傾動させた状態を示す縦断面概略図である。
【００１７】図１及び図２において、内部を耐火物で構築され、底部に下部電極８を備えた溶解室３の上部には、シャフト型の予熱室４と水冷構造の側壁６とが配置され、この予熱室４で覆われない側壁６の上部開口部は開閉自在な水冷構造の上蓋７で覆われている。この上蓋７を貫通して、溶解室３内へ上下移動可能な黒鉛製の上部電極９が設けられている。下部電極８と上部電極９とは直流電源（図示せず）に連結し、下部電極８と上部電極９との間でアーク１９を発生させる。
【００１８】予熱室４の上方には、走行台車２８に吊り下げられた底開き型の供給用バケット１５が設けられ、この供給用バケット１５から、予熱室４の上部に設けた開閉自在な供給口２０を介して、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄を質量比率で５０％〜８０％配合した冷鉄源１６が予熱室４内に装入される。
【００１９】予熱室４の上端にはダクト２１が設けられ、ダクト２１の他端は集塵機（図示せず）に連結されており、溶解室３で発生する排ガスの排出流路を構成している。即ち、溶解室３で発生する高温の排ガスは予熱室４及びダクト２１を経由して排出され、予熱室４を通過する排ガスにより予熱室４内に装入された冷鉄源１６は予熱され、予熱された冷鉄源１６は、溶解室３内で溶解される冷鉄源１６の量に見合って溶解室３内に自由落下し、溶解室３へ装入される。
【００２０】上蓋７を貫通して、溶解室３内を上下移動可能な酸素吹き込みランス１０と炭材吹き込みランス１１とが設けられ、酸素吹き込みランス１０からは酸素が溶解室３内に吹き込まれ、そして、炭材吹き込みランス１１からは空気や窒素等を搬送用ガスとしてコークス、チャー、石炭、木炭、黒鉛等の炭材が溶解室３内に吹き込まれる。又、溶解室３の予熱室４を設置した部位の反対側には、その底部に、扉２６で出口側を押さえ付けられて内部に詰め砂又はマッド剤が充填された出湯口１３と、その側壁に、扉２７で出口側を押さえ付けられて内部に詰め砂又はマッド剤が充填された出滓口１４とが設けられている。そして、出湯口１３の鉛直上方に対応する部位の上蓋７には、バーナー１２が取り付けられている。バーナー１２は、重油、灯油、微粉炭、プロパンガス、天然ガス等の化石燃料を、空気又は酸素若しくは酸素富化空気により溶解室３内で燃焼させる。このようにして直流式アーク溶解設備１が構成されている。
【００２１】この直流式アーク溶解設備１において冷鉄源１６を溶解するに際しては、先ず、図１に示すように溶解室３を水平状態とし、供給用バケット１５から予熱室４内に溶解用原料として冷鉄源１６を装入する。溶解用原料として用いる冷鉄源１６は、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄を質量比率で５０％〜８０％の範囲内に配合したものを使用する。冷鉄源１６の直接還元鉄以外の配合物としては、一般の市中鉄スクラップとする。予熱室４内に装入された冷鉄源１６は、溶解室３内にも装入され、やがて予熱室４内を充填する。尚、溶解室３内へ冷鉄源１６を均一に装入するため、上蓋７を開けて予熱室４と反対側の溶解室３内に冷鉄源１６を予め装入しておくこともできる。又、市中鉄スクラップ以外に冷銑等を溶解用原料として使用することもできる。但し、冷銑はその嵩密度がＤＲＩやＨＢＩに近いので、冷銑を配合する場合には、質量比率で少なくとも２０％以上の市中鉄スクラップが確保されるように直接還元鉄の配合率を調整することとする。
【００２２】次いで、下部電極８と上部電極９との間に直流電流を給電しつつ上部電極９を昇降させ、下部電極８と上部電極９との間、又は、装入された冷鉄源１６と上部電極９との間でアーク１９を発生させる。そして、発生するアーク熱により冷鉄源１６を溶解して溶湯１７を生成させる。溶湯１７の生成に伴い、生石灰、蛍石等のフラックスを溶解室３内に装入して溶融スラグ１８を溶湯１７上に形成させ、溶湯１７の酸化を防止すると共に溶湯１７の保温を図る。溶融スラグ１８の量が多すぎる場合には、操業中でも出滓口１４から排滓することができる。
【００２３】溶湯１７の生成する頃から、酸素吹き込みランス１０から酸素を、又、炭材吹き込みランス１１から炭材を、溶解室３内の溶湯１７又は溶融スラグ１８中に吹き込む。吹き込まれて溶湯１７中に溶解した炭材又は溶融スラグ１８中に懸濁した炭材は、吹き込まれる酸素と反応して燃焼熱を発生し、補助熱源として作用して電力使用量を節約する。同時に、反応生成物のＣＯガスが溶融スラグ１８をフォーミングさせ、アーク１９が溶融スラグ１８に包まれた、所謂スラグフォーミング操業となるので、アーク１９の着熱効率が上昇する。又、大量に発生する高温のＣＯガスと、このＣＯガスが燃焼して生成するＣＯ2 ガスは予熱室４を通って排出され、その際に予熱室４内の冷鉄源１６は効率良く予熱される。
【００２４】酸素吹き込み量は、溶解して生成する溶湯１７の１トン当たり、直接還元鉄としてＨＢＩを冷鉄源１６に配合した場合には３３Ｎｍ3 以下、望ましくは２８Ｎｍ3 以下とし、又、ＤＲＩを冷鉄源１６に配合した場合には２５Ｎｍ3 以下、望ましくは２０Ｎｍ3 以下とする。排ガスによる予熱温度が高くなり過ぎると直接還元鉄が酸化し、直接還元鉄中のＣ分が燃焼してしまい、又、酸化が激しい場合にはＦｅＯが増加することがあり、歩留まりの低下や生成したＦｅＯを還元するためにコークス等還元剤が必要になり、溶解効率を劣化させる。本発明者等は、直接還元鉄の酸化が少ない予熱条件として、ＤＲＩでは４００℃以下、ＨＢＩでは８００℃以下であることを確認している。酸素吹き込み量を上記の範囲とすることで、ＨＢＩの予熱温度を８００℃以下、ＤＲＩの予熱温度を４００℃以下に制御することができ、これら直接還元鉄の酸化を防止して効率良く溶解することが可能となる。尚、ＤＲＩとＨＢＩとを同時に配合した場合には４００℃以下に制御する。
【００２５】又、炭材の吹き込み量は酸素吹き込み量に対応して決める。即ち、吹き込まれる酸素の化学当量に等しい程度の炭材を供給することとする。吹き込まれる炭材が酸素吹き込み量に比べて化学当量的に少ないと、溶湯１７が過剰に酸化するので好ましくない。
【００２６】溶湯１７の生成に伴い、予熱室４内の冷鉄源１６は溶解室３内で溶解された量に見合って溶解室３内に自由落下して減少するので、この減少分を補うために供給用バケット１５から予熱室４へ冷鉄源１６を装入する。この冷鉄源１６の予熱室４内への装入は、冷鉄源１６が予熱室４と溶解室３とに連続して存在する状態を保つように、連続的又は断続的に行う。この際の冷鉄源１６の装入は、操業実績に基づいて予め設定されたレシピに基づいて行っても良いし、予熱室４内の冷鉄源１６の量を検出可能なセンサーを設け、このセンサーからの信号に基づいて供給用バケット１５による冷鉄源１６の投入を制御するようにしても良い。その際に、予熱室４と溶解室３とに連続して存在する冷鉄源１６の量を、１ヒート分の冷鉄源１６の５０％以上とすることが好ましい。
【００２７】冷鉄源１６の溶解が進行して所定量、例えば１ヒート分の溶湯１７が溶解室３内に溜まったら、必要に応じて溶湯１７の成分を調整した後、溶解室３を出湯口１３側に傾動させつつ、溶解室３及び予熱室４に冷鉄源１６が連続して存在する状態を保ったまま、出湯口１３を塞いでいた扉２６を開き、出湯口１３から１ヒート分の溶湯１７を溶湯保持容器（図示せず）へ出湯する。出湯に際しては、溶湯１７の凝固による出湯口１３の閉塞を防止するために、バーナー１２で溶湯１７を加熱しても良い。尚、本発明における所定量の溶湯量とは、例えば１ヒート分の溶湯量や、出湯後に溶解室３内に溶湯１７を残留させる場合には、１ヒート分の溶湯量と溶解室３内の残留溶湯量とを合わせた量であり、操業状況により適宜決定される溶湯量である。
【００２８】又、この場合、溶湯１７中に冷鉄源１６が埋没して共存しているので、溶湯温度は凝固温度近傍になり、十分な過熱度を得ることが困難である。そのため、出湯時の溶湯温度を上昇させる場合には、所定量、例えば１ヒート分の溶湯１７が溶解室３内に溜まったら、図２に示すように、溶解室３を出湯口１３側に傾動して溶湯１７中に埋没する冷鉄源１６を減少させて、溶湯１７と冷鉄源１６との接触面積を低減させ、溶湯１７をアーク加熱又はアーク加熱とバーナー１２との併用により加熱し、昇温した後、上記に従い溶湯１７を出湯する。この場合には、大きな過熱度を有する溶湯１７を得ることができる。
【００２９】そして出湯後、必要に応じて溶湯１７を取鍋精錬炉等にて昇温して精錬した後、連続鋳造機等で鋳造する。溶湯１７を出湯し、更に必要に応じて溶融スラグ１８を排滓した後、溶解室３を水平に戻し、出湯口１３及び出滓口１４内に詰め砂又はマッド材を充填した後、次回ヒートの溶解を開始する。
【００３０】このようにして溶解することで、次回のヒートは予熱された冷鉄源１６で溶解を開始することができると共に、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄の酸化を抑制し且つ予熱室４内のガス抜けが確保された状態で、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄が５０％以上の大量に配合された冷鉄源１６を予熱効率の極めて高い状態で溶解することができ、電力原単位を大幅に低減することが可能となる。
【００３１】次いで、第２の実施の形態について、図３から図７に基づき説明する。図３は、本発明による溶解方法を実施する際に用いたアーク溶解設備の他の例を示す斜視図、図４はその平面図、図５は、図３のＸ−Ｘ’矢視による縦断面概略図、図６は、図３のＹ−Ｙ’矢視による縦断面概略図、図７は、溶解室を出湯部側に傾動させた状態を示す縦断面概略図である。
【００３２】この直流式アーク溶解設備２は、冷鉄源１６をアーク溶解するための溶解室３と、その一方側３ａの上部に直結し、上方に向かって延在するシャフト型の予熱室４と、溶解室３に設けられた出湯部５とを備えている。この溶解室３及び予熱室４にはＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄を質量比率で５０％〜８０％の範囲内で配合した冷鉄源１６が装入される。
【００３３】予熱室４の上方には供給用バケット１５が設けられており、この供給用バケット１５から予熱室４内に冷鉄源１６が装入される。供給用バケット１５からの冷鉄源１６の装入は、操業中に、冷鉄源１６が溶解室３と予熱室４に連続して存在する状態を保つように予熱室４へ冷鉄源１６を連続的又は断続的に供給する。
【００３４】溶解室３の上部には開閉可能な上蓋７が設けられており、その上蓋７を貫通して溶解室３の上方からその中にほぼ垂直に上部電極９が挿入されている。又、溶解室３の底部には、上部電極９と対向する位置に下部電極８が設けられている。そしてこれらの電極によって形成されるアーク１９により、冷鉄源１６が溶解され、溶湯１７となる。溶湯１７の上には溶融スラグ１８が形成されており、アーク１９はこの溶融スラグ１８内に形成されることとなる。又、溶解室３には酸素吹き込みランス１０、炭材吹き込みランス１１がその先端を溶湯湯面に向けて挿入されており、前述したように、酸素吹き込みランス１０からは酸素が供給され、炭材吹き込みランス１１からは炭材が吹き込まれる。
【００３５】予熱室４の上端にはダクト２１が設けられ、ダクト２１の他端は集塵機（図示せず）に連結されており、溶解室３で発生する排ガスの排出流路を構成している。即ち、溶解室３で発生する高温の排ガスは予熱室４及びダクト２１を経由して排出され、予熱室４を通過する排ガスにより予熱室４内に装入された冷鉄源１６は予熱され、予熱された冷鉄源１６は、溶解室３内で溶解される冷鉄源１６の量に見合って溶解室３内に自由落下し、溶解室３へ装入される。
【００３６】予熱室４内の冷鉄源１６は、溶解室３の予熱室側３ａからその反対側３ｂに向かう方向へ供給されるが、出湯部５は、この冷鉄源１６の供給方向に対して直交する方向に向くように溶解室３に突設されている。そして、溶解室３は、図７に示すように傾動装置（図示せず）により出湯部５側が低くなるように傾動可能となっている。
【００３７】溶解室３の予熱室４が設けられた部分と出湯部５が設けられた部分とは距離ａだけ離間しており、溶解室３が出湯部５側に傾動された際に、その部分の壁部により冷鉄源１６が出湯部５に流出することが阻止される。この場合に、図５に示すように、距離ａが予熱室４から溶解室３に亘って安息角で拡がる冷鉄源１６の距離よりも長いことが好ましい。このようにすることにより、溶解室３を出湯部５側に傾動した際の冷鉄源１６の出湯部５への流出を完全に阻止することができる。
【００３８】出湯部５の先端近傍の底部には出湯口１３が形成されており（図６参照）、この出湯口１３を開閉するための扉２６が設けられている。更に、出湯部５の先端部側面には、その出口側を扉２７で塞がれた出滓口１４が設けられている。その他、直流式アーク溶解設備１と同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。
【００３９】このように構成される直流式アーク溶解設備２において冷鉄源１６を溶解するに際しては、前述の第１の実施の形態と同様に、先ず、供給用バケット１５から予熱室４内に溶解用原料として冷鉄源１６を装入する。溶解用原料として用いる冷鉄源１６は、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄を質量比率で５０％〜８０％の範囲内に配合したものを使用する。冷鉄源１６の直接還元鉄以外の配合物としては、一般の市中鉄スクラップとする。そして、冷鉄源１６が溶解室３と予熱室４に連続して存在する状態とし、そして、この状態でアーク１９を形成して冷鉄源１６を溶解する。
【００４０】冷鉄源１６を前述の第１の実施の形態と同様にして溶解し、溶解室３内に所定量の溶湯１７を溜める。所定量、例えば１ヒート分の溶湯１７が溶解室３内に溜まったら、図７に示すように溶解室３を出湯部５側に傾動させてアーク加熱を続ける。この場合、出湯部５は溶解室３への冷鉄源１６の供給方向に対して直交する方向に向くように溶解室３に突設されており、しかも溶解室３の予熱室４が設けられた部分と出湯部５が設けられた部分とは距離ａだけ離間しており、その部分の壁部により冷鉄源１６が出湯部５に流出することが阻止されるため、出湯部５へ流れ込んだ溶湯１７と冷鉄源１６との接触面積を小さくすることができる。従って、溶湯１７の過熱度を高くすることができ、出湯される溶湯１７の温度が低いという問題を回避することができる。この離間距離ａを予熱室４から溶解室３に亘って安息角で拡がる冷鉄源１６の距離よりも長くすることにより、冷鉄源１６の出湯部５への流入をほぼ完全に阻止することができ、より一層溶湯温度を高くすることができる。
【００４１】又、溶解室３を出湯部５側に傾動させると上部電極９が図７の波線の位置になり、アーク１９が有効に供給されなくなるが、電極傾動装置（図示せず）により上部電極９を傾動させることにより、図７の実線位置となり、アーク１９を溶湯１７に対して有効に供給することができる。
【００４２】そして、一定時間アーク加熱して溶湯１７の過熱度を適切な範囲（約３０〜８０℃程度）にし、必要に応じて溶湯１７の成分を調整した後、溶解室３を出湯部５側に更に傾動させつつ、溶解室３及び予熱室４内に冷鉄源１６が連続して存在する状態を保ったまま、出湯口１３を塞いでいた扉２６を開き、出湯口１３から１ヒート分の溶湯１７を溶湯保持容器（図示せず）へ出湯する。
【００４３】出湯後、必要に応じて溶湯１７を取鍋精錬炉等にて昇温して精錬した後、連続鋳造機等で鋳造する。溶湯１７を出湯し、更に必要に応じて溶融スラグ１８を排滓した後、溶解室３を水平に戻し、出湯口１３及び出滓口１４内に詰め砂又はマッド材を充填した後、次回ヒートの溶解を開始する。
【００４４】酸素吹き込み量は、前述したように、溶解して生成する溶湯１７の１トン当たり、直接還元鉄としてＨＢＩを冷鉄源１６に配合した場合には３３Ｎｍ3 以下、望ましくは２８Ｎｍ3 以下とし、又、ＤＲＩを冷鉄源１６に配合した場合には２５Ｎｍ3 以下、望ましくは２０Ｎｍ3 以下とする。これにより、ＨＢＩの予熱温度を８００℃以下、ＤＲＩの予熱温度を４００℃以下に制御することができ、これら直接還元鉄の酸化を防止して効率良く溶解することができる。
【００４５】このようにして溶解することで、次回のヒートは予熱された冷鉄源１６で溶解を開始することができると共に、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄の酸化を抑制し且つ予熱室４内のガス抜けが確保された状態で、ＤＲＩやＨＢＩ等の直接還元鉄が５０％以上の大量に配合された冷鉄源１６を予熱効率の極めて高い状態で溶解することができ、電力原単位を大幅に低減することが可能となる。更に、本実施の形態では出湯時の溶湯過熱度を適正値に制御することができるので、溶湯温度の低下に起因して起こる出湯口１３の閉塞等の操業トラブルを防止することができる。
【００４６】尚、上記説明では直流式アーク溶解設備の場合について説明したが、交流式アーク溶解設備でも全く支障なく本発明を適用することができる。又、出湯時に、数トン〜数十トンの溶湯１７を溶解室３内に残留させて、次回ヒートの溶解を再開しても良い。こうすることで初期の溶解が促進され、溶解効率が向上する。
【００４７】
【実施例】［実施例１］図１に示す直流式アーク溶解設備における実施例を以下に説明する。アーク溶解設備は、溶解室が直径７．２ｍ、高さ４ｍ、予熱室が幅３ｍ、長さ５ｍ、高さ７ｍで、溶解室の容量が１８０トンである。
【００４８】先ず、溶解室に５０トンの市中鉄スクラップを装入し、次いで、ＤＲＩを６５％、市中鉄スクラップを３５％配合した、ＤＲＩと市中鉄スクラップとの混合物７６トンを予熱室に装入して、直径２８インチの黒鉛製上部電極を用い、最大６００Ｖ、１００ｋＡの電源容量により溶解を開始した。そして、溶鋼の生成に伴い、生石灰と蛍石とを添加して溶融スラグを形成し、次いで、酸素吹き込みランスから生成する溶鋼１トン当たり２０Ｎｍ3 （以下「Ｎｍ3 ／ｔ」と記す）の酸素を吹き込み、又、炭材吹き込みランスからコークスを溶融スラグ中に吹き込んだ。酸素とコークスの吹き込みにより、溶融スラグはフォーミングして上部電極の先端は溶融スラグ中に埋没した。この時の電圧を４００Ｖに設定した。
【００４９】この後、溶解室内の市中鉄スクラップが溶解するにつれて、予熱室内のＤＲＩと市中鉄スクラップとの混合物が下降したら、供給用バケットにてＤＲＩを６５％、市中鉄スクラップを３５％配合した、ＤＲＩと市中鉄スクラップとの混合物を予熱室に装入し、予熱室内におけるＤＲＩと市中鉄スクラップとの混合物の高さを一定の高さに保持しながら溶解を続けた。そして、溶解室内に約１８０トンの溶鋼が生成した時点で、溶解室を出湯口側に１５度傾動し、この状態で更に４００Ｖの電圧によるアークと重油バーナーにより加熱し、溶鋼を１５８０℃まで昇温した後、約６０トンの溶鋼を溶解室に残し、１ヒート分の１２０トンの溶鋼を取鍋に出湯した。出湯時の溶鋼の炭素濃度は０．１mass％であった。
【００５０】出湯後、溶解室を水平に戻して出湯口に詰め砂を充填した後に溶解を再開し、再び溶鋼量が約１８０トンになったら溶解室を傾動させ、溶鋼を１５８０℃まで昇温して１２０トン出湯することを繰り返し実施した。
【００５１】その結果、酸素吹き込み量が２０Ｎｍ3 ／ｔの条件で、出湯から出湯までの時間は平均して５５分となり、溶解室からの排ガスの吹き出しもなく、５７０ｋＷｈ／ｔの電力原単位で溶解することができた。
【００５２】［実施例２］図３から図７に示す直流式アーク溶解設備における実施例を以下に説明する。アーク溶解設備は、溶解室が長さ８．５ｍ、幅３ｍ、高さ４ｍ、予熱室が幅３ｍ、長さ３ｍ、高さ７ｍで、溶解室容量が１８０トンである。
【００５３】先ず、溶解室内に市中鉄スクラップを４６トン装入し、次いで、ＨＢＩを７５％、市中鉄スクラップを２５％配合した、ＨＢＩと市中鉄スクラップとの混合物７６トンを予熱室に装入し、直径２８インチの黒鉛製電極により、最大６００Ｖ、１００ｋＡの電源容量でアークを形成し、これら冷鉄源を溶解した。又、酸素吹き込みランスから最大６０００Ｎｍ3 ／ｈｒの流量で、酸素吹き込み量が２８Ｎｍ3 ／ｔの条件で送酸した。溶解室内に溶鋼が溜まってきた時点で、炭材吹き込みランスから最大８０ｋｇ／ｍｉｎでコークスをスラグ中に吹き込み、スラグフォーミング操業に移行し、黒鉛製電極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。
【００５４】予熱室内のＨＢＩと市中鉄スクラップとの混合物が溶解室内での市中鉄スクラップの溶解に伴って下降したら、ＨＢＩを７５％、市中鉄スクラップを２５％配合した、ＨＢＩと市中鉄スクラップとの混合物を供給用バケットを介して予熱室内に装入し、予熱室内におけるＨＢＩと市中鉄スクラップとの混合物の高さを一定の高さに保持しながら溶解を続けた。
【００５５】このように、ＨＢＩと市中鉄スクラップとの混合物が溶解室内及び予熱室内に連続して存在する状態で溶解を進行させ、十分に溶鋼が生成した段階で、溶解室を出湯部側に１５度傾動させ、溶鋼とこれら冷鉄源との接触面積を低減させて溶鋼を加熱して過熱度を持たせ、溶解室内に１８０トンの溶鋼が生成した段階で、更に溶解室を傾動させ、６０トンを溶解室内に残し、１ヒート分の１２０トンの溶鋼を出湯口から取鍋に出湯した。出湯時の溶鋼の温度は１５７５℃、溶鋼中のＣ濃度は０．１mass％であった。
【００５６】１２０トン出湯後、溶解室を元に戻し、送酸とコークス吹き込み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、十分に溶鋼が生成したら溶解室を再び傾動させて溶鋼を加熱して過熱度を持たせ、再度溶解室内の溶鋼量が１８０トンになったら１２０トン出湯することを繰り返し実施した。
【００５７】その結果、酸素吹き込み量が２８Ｎｍ3 ／ｔの条件で、出湯から出湯までの時間は平均して５５分となり、溶解室からの排ガスの吹き出しもなく、４５０ｋＷｈ／ｔの電力原単位で溶解することができた。
【００５８】
【発明の効果】本発明によれば、溶解室に直結したシャフト型の予熱室を有するアーク溶解設備を用いて５０％以上の高い配合率でＤＲＩ又はＨＢＩ等の直接還元鉄を配合した冷鉄源を予熱・溶解して溶湯を製造する際に、予熱室内でのガス抜けを十分確保した状態で直接還元鉄を予熱しながら溶解するので、電力原単位を大幅に低減することが可能となり、工業上有益な効果がもたらされる。
【出願人】 【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
【出願日】 平成１３年４月２６日（２００１．４．２６）
【代理人】 【識別番号】１００１１６２３０
【弁理士】
【氏名又は名称】中濱 泰光
【公開番号】 特開２００２−３２７２１１（Ｐ２００２−３２７２１１Ａ）
【公開日】 平成１４年１１月１５日（２００２．１１．１５）
【出願番号】 特願２００１−１２９３１４（Ｐ２００１−１２９３１４）