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WO2009131148A1 - 溶融金属の製造方法 - Google Patents

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WO2009131148A1
WO2009131148A1 PCT/JP2009/058000 JP2009058000W WO2009131148A1 WO 2009131148 A1 WO2009131148 A1 WO 2009131148A1 JP 2009058000 W JP2009058000 W JP 2009058000W WO 2009131148 A1 WO2009131148 A1 WO 2009131148A1
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WO
WIPO (PCT)
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furnace
raw material
layer
molten metal
agglomerated
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2009/058000
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English (en)
French (fr)
Inventor
理彦 鉄本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US12/989,347 priority patent/US8425650B2/en
Priority to EP09735934.3A priority patent/EP2270239B1/en
Priority to CN2009801141466A priority patent/CN102016079B/zh
Priority to AU2009239012A priority patent/AU2009239012B2/en
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    • C21C5/5211—Manufacture of steel in electric furnaces in an alternating current [AC] electric arc furnace
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a molten metal by directly reducing and melting an agglomerated carbonaceous material agglomerate in an electric heating and melting furnace without preliminary reduction.
  • the carbonized metal agglomerated material is preliminarily reduced to a solid reduced metal in a rotary hearth furnace, and this solid reduced metal is converted into an arc furnace or submerged arc furnace.
  • Various molten metal production processes have been proposed in which molten metal is obtained by melting with (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
  • the solid reduced metal forms a deposition layer in the furnace, so there are fewer problems of refractory damage and slag forming compared to the process using the arc furnace.
  • the restrictions on the metalization rate and powder rate of the solid reduced metal are small, and the rotary hearth furnace can be made relatively small.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and is a method for producing a molten metal using an agglomerated carbonaceous material agglomerated material, and greatly reduces equipment costs and energy intensity compared to conventional processes. It aims at providing the manufacturing method of the molten metal which can be performed.
  • One aspect of the present invention is a method for producing a molten metal using a stationary non-tilting electric furnace, wherein the electric furnace is connected to one end portion in the furnace width direction from above into the furnace.
  • An entrance chute, a heater that electrically heats the other end in the furnace width direction and the lower part in the furnace height direction, and the one end and the other end in the upper part of the furnace A secondary combustion burner provided in between, and a predetermined amount of carbonaceous material-containing agglomerated material containing a non-volatile metal element that becomes carbonaceous material and / or molten metal from the raw material charging chute Charging, forming a raw material packed bed having a slope with a downward slope from the one end portion in the furnace upper portion toward the other end portion in the furnace lower portion, and then the carbon material from the raw material charging chute A predetermined amount of the inner agglomerated material is charged into the furnace, and the agglomerated material layer is formed on the slope of the raw material packed layer.
  • Another aspect of the present invention is a method for producing a molten metal using a stationary non-tilting electric furnace, wherein the electric furnace is provided at one end and the other end in the furnace width direction.
  • a furnace between a plurality of raw material charging chutes connected to the inside of the furnace from above, a raw material charging chute connected to the one end in the furnace width direction, and a raw material charging chute connected to the other end A heater that electrically heats a position that is a lower portion in the inner height direction, and a space between the raw material charging chute connected to the one end portion in the furnace upper direction and the furnace width direction in the height direction and the heater.
  • a secondary combustion burner provided at a position between the raw material charging chute connected to the other end in the furnace width direction and the other end in the furnace width direction and the heater in the position and height direction.
  • a predetermined amount of carbonaceous material-containing agglomerated material containing a non-volatile metal element to be metal is charged into the furnace, and the heater at the lower part of the furnace is heated from the one end part at the upper part of the furnace.
  • a raw material packed bed having a downward slope facing toward the bottom and a downward slope facing toward a position where the heater below the furnace heats from the other upper end in the furnace, and then charging the raw material
  • a predetermined amount of the carbonized material agglomerated material is charged into the furnace from the chute to form an agglomerated material layer on each slope of the raw material packed layer, and then the lower end of the agglomerated material layer is heated.
  • the raw material agglomerated material is melted by heating with a vessel to form a molten metal layer and a molten slag layer in the furnace, and the agglomerated material layer is moved toward the lower end by the melting.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a stationary non-tilting arc furnace according to an embodiment, where (a) is a longitudinal sectional view and (b) is a plan view.
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing the movement of the raw material charging port of the raw material charging chute having the outer chute provided in the stationary non-tilting arc furnace.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a stationary non-tilting electric furnace according to an embodiment of the present invention.
  • the stationary non-tilting electric furnace according to the present embodiment (hereinafter, also simply referred to as “furnace”) is an arc furnace having a substantially rectangular horizontal cross section, and the upper part of the furnace (in this embodiment, the furnace ceiling portion 1). ) Are connected to the exhaust gas duct 3 and a plurality of raw material charging chutes 4, and a plurality of electrodes 5 are inserted into the furnace via the furnace ceiling 1 as a heater.
  • the raw material charging chute 4 is installed at both ends (one end and the other end) 2 and 2 in the furnace width direction, while the electrode 5 is installed at the center in the furnace width direction. Furthermore, a plurality of secondary combustion burners 6 are provided in the furnace upper part (furnace ceiling part 1).
  • the exhaust gas duct 3 is preferably installed closer to the raw material charging chute 4 than the electrode 5. This is to prevent the oxidative exhaust gas after the secondary combustion from flowing in the direction of the electrode 5 and damaging the electrode 5.
  • the reason for providing the partition wall 9 between the electrode 5 and the secondary combustion burner 6 is to prevent the oxidized exhaust gas after the secondary combustion from coming into contact with the electrode 5 as described above. *
  • the partition wall 10 be provided between the secondary combustion burner 6 and the exhaust gas duct 3 to prevent the exhaust gas after the secondary combustion from being short-circuited to the exhaust gas duct 3, This is to ensure a sufficient amount of radiant heat transfer to 13.
  • the partition walls 9, 10, 11 may be installed entirely or a part of them may be installed by comprehensively considering the degree of each effect described above, installation cost, maintenance labor, etc. It may be.
  • the raw material charging chute 4 is not provided on the furnace side wall in the furnace longitudinal direction perpendicular to the furnace width direction (that is, the raw material packed layer 12 is not formed in the furnace). It is preferable to provide the tap hole 7 and the drain hole 8 at the center in the longitudinal direction. This is for facilitating the hole opening operation at the time of tapping.
  • a well-known heat exchanger (not shown) may be installed on the downstream side of the exhaust gas duct 3 to collect sensible heat of the high-temperature exhaust gas discharged from the furnace, It can be effectively used as energy for drying the pellet B or the like.
  • the electrode 5 for example, a three-phase AC type that is excellent in thermal efficiency and is commonly used in an arc electric furnace for steelmaking is recommended.
  • a three-phase AC type that is excellent in thermal efficiency and is commonly used in an arc electric furnace for steelmaking is recommended.
  • the electrode 5 is preferably subjected to a melting operation while the tip portion thereof is positioned (immersed) in the agglomerated material layer 13 or the molten slag layer 15 described later.
  • the effects of radiant heating and resistance heating by the arc can coexist, melting can be further promoted, and damage to the inner surface of the furnace wall not protected by the raw material packed bed 12 can be suppressed. .
  • coal as a packed bed forming raw material for forming a raw material packed bed in the furnace, as a carbonaceous material agglomerated material laminated on the raw material packed bed
  • carbonaceous material agglomerated material laminated on the raw material packed bed A case where molten iron is produced as a molten metal by using each of the carbonaceous material-containing iron oxide pellets, which are agglomerated carbonaceous material-containing metal oxides, will be described as an example.
  • a carbon material packed bed 12 is formed as a raw material packed bed having a slope 12a having a downward slope from both ends 2 and 2 in the furnace width direction to the lower side of the lower end of the electrode 5.
  • the particle size of the coal A may be adjusted according to the particle size of the carbon material-containing iron oxide pellets B so that the carbon material-containing iron oxide pellets B described later do not sink into the voids of the carbon material packed layer 12. .
  • a carbonaceous material-containing iron oxide pellet (hereinafter also simply referred to as “pellet”) B as a carbonaceous material-containing agglomerated material from raw material charging chutes 4, 4 installed at both ends 2, 2 in the furnace width direction.
  • the pellet layer 13 as an agglomerate layer is formed on the slope 12a of the carbonaceous material packed layer 12 continuously or intermittently.
  • the blending amount of the interior carbon material in the pellet B may be determined by adding the target C concentration of molten iron to the theoretical C amount necessary for reducing iron oxide to metallic iron.
  • the pellet B is preferably dried in advance so as not to burst (bursting) when entering the furnace interior.
  • the height of the electrode 5 is preferably adjusted in advance so that the lower end of the electrode 5 is immersed in the pellet layer 13.
  • the electrode is energized and subjected to arc heating, whereby the pellet B in the vicinity of the lower end of the pellet layer 13 is rapidly heated and sequentially reduced and melted, and separated into molten iron and molten slag as molten metal,
  • the molten iron layer 14 and the molten slag layer 15 are formed in the lower part.
  • a CaO source such as limestone or dolomite or an MgO source in advance to the pellet B.
  • the pellet layer 13 itself moves toward the lower end portion of the electrode 5 along the slope of the carbonaceous material packed layer by its own weight. It will descend in the furnace sequentially. Even if a part of the pellets in the pellet layer 13 sinks into the voids of the carbonaceous material packed layer 12, a part of the pellets stays in the furnace for a long time and is reduced by heating and eventually melts. There is no problem because it is separated into molten iron and molten slag and dropped into the molten iron layer 14 and molten slag layer 15 at the bottom of the furnace through the voids of the carbonaceous material packed layer 12.
  • the pellet in the pellet layer 13 approaches the electrode 5, it is efficiently heated by the radiant heat and resistance heat from the arc from the electrode 5, and the iron oxide in the pellet is preliminarily reduced to solid metallic iron by the interior carbon material.
  • a CO-containing gas combustionible gas
  • the volatile components devolatilized from the interior carbon material by heating are also added to the CO-containing gas.
  • This CO-containing gas is combusted by, for example, oxygen gas (secondary combustion) as an oxygen-containing gas blown from the secondary combustion burner 6 provided in the furnace ceiling 1, and the pellet layer 13 is also heated by the radiant heat. Is done.
  • oxygen gas secondary combustion
  • the iron oxide in the pellet layer 13 is preliminarily reduced to solid metallic iron, as in the case of radiant heating and resistance heating by the arc from the electrode 5. Since the CO-containing gas is generated, the radiant heating by the secondary combustion is further promoted.
  • the pellet B charged into the furnace from the raw material supply chute 4 descends on the slope 12a of the carbon material packed bed 12 while being radiated by the secondary combustion (hereinafter referred to as “secondary”). It is also referred to as “combustion heat”.) Is preliminarily reduced to a high metalization rate in a solid state, and then melted by arc heating and resistance heating in the vicinity of the lower end portion of the electrode 5 to be separated into molten iron and molten slag.
  • the iron oxide concentration in the molten slag generated in the vicinity of the lower end of the electrode 5 becomes sufficiently low, and wear of the electrode 5 can be suppressed.
  • the molten iron separated from the molten slag dissolves the carbonaceous material remaining in the pellets and becomes a molten iron having a target C concentration.
  • the molten iron and molten slag generated in this way can be intermittently discharged from the tap hole 7 and the tap hole 8 provided in the lower part of the furnace, for example, in the same manner as in the blast furnace.
  • the charcoal packed bed 12 formed by initially charging the coal A into the furnace is gradually heated in the furnace to remove the volatile components, and eventually char or coke.
  • the removed volatile matter is burned with the oxygen-containing gas blown from the secondary combustion burner 6 together with the carbon monoxide (CO) -containing gas generated from the pellet layer 13, and is effectively used as radiant heating energy of the pellet layer 13. Is done.
  • carbon (C) of the interior carbon material in the pellet B covers the reduction of the internal iron oxide and the carburization to the molten iron, so the charred or coked carbon material packed bed 13 is theoretically Although it is not consumed, in actual operation, it is gradually consumed during long-term operation due to direct reduction reaction with pellets embedded in the carbon material packed bed 12, carburization reaction to molten iron, and the like. Therefore, for example, in a state where the supply of the pellets B from the raw material charging chute 4 is stopped every certain operation period, at least arc heating is continued for a certain time, and the pellet layer 13 in the furnace is almost completely melted.
  • a predetermined amount of coal (carbonaceous material) A is charged from the raw material charging chute 4 in a state where arc heating and secondary combustion are interrupted.
  • the filling amount in the furnace of the material packed layer 12 can be maintained.
  • the raw material charging chute 4 is installed at both ends 2 and 2 in the furnace width direction, while the electrode 5 is installed at the center of the furnace ceiling 1.
  • the raw material charging chute 4 is installed at one end (one end) 2 in the furnace width direction, while the electrode 5 is installed at the other end (the other end) 2 in the furnace width direction. You may make it do. If this modification is adopted, since the slope of the carbonaceous material packed bed 12 formed in the furnace is only on one side, it is disadvantageous from the viewpoint of refractory protection compared to the above embodiment, but the furnace width is reduced. There is an advantage that the equipment can be made compact.
  • the example which used the arc furnace as an electric furnace was shown in the said embodiment, it is not limited to this, What is necessary is just a furnace heated by electric energy, such as a submerged arc furnace and an electromagnetic induction heating furnace.
  • a furnace heated by electric energy such as a submerged arc furnace and an electromagnetic induction heating furnace.
  • an electrode can be used as a heater
  • an electromagnetic induction heating furnace a solenoid heating coil can be used as a heater.
  • the exhaust gas duct 3 and the raw material charging chute 4 are both connected to the furnace ceiling portion 1.
  • the present invention is not limited to this, and either or both of them are connected to the furnace side wall. You may make it connect to the upper part of.
  • the raw material charging chute 4 is automatically installed at the end in the furnace width direction.
  • the substantially rectangular thing was illustrated as a horizontal cross-sectional shape of a stationary non-tilting type arc furnace, it is not limited to this,
  • the thing of a substantially ellipse or a perfect circle is used. May be.
  • scale-up can be easily performed by extending the furnace longitudinal direction (direction perpendicular to the furnace width direction) while keeping the furnace width constant.
  • carbon material interior iron oxide pellet which is a carbon material interior metal oxide agglomerate
  • carbon material interior agglomerate B Carbonaceous material-containing metal chloride agglomerates containing metal chloride may be used instead of metal oxide, or carbonaceous material-incorporated metal compound agglomerates containing multiple metal compounds such as metal oxides and metal chlorides may be used. Good.
  • a volatile metal element in addition to a non-volatile metal element, a volatile metal element, for example, it may contain Zn and Pb. That is, as the agglomerate B, steel mill dust containing a volatile metal element can be used as the metal oxide raw material.
  • the volatile metal element is heated in the furnace and volatilized from the carbonaceous material agglomerate B.
  • the oxygen-containing gas supplied from the secondary combustion burner 6 provided in the upper part of the furnace is used in the furnace.
  • the temperature of the upper part of the furnace can be kept sufficiently high, so that volatile metal elements volatilized from the carbonaceous material agglomerate B are reliably prevented from recondensing in the upper part of the furnace,
  • the volatile metal element can be efficiently recovered from the exhaust gas discharged from the furnace.
  • the volatile metal element refers to a metal element having a melting point at 1 atm of a metal simple substance or a salt thereof or the like at 1 atm or less.
  • the metal simple substance include zinc and lead.
  • the volatile metal element compound include sodium chloride and potassium chloride.
  • the volatile metal in the compound of the volatile metal element is reduced to metal in an electric furnace (for example, an arc furnace or a submerged arc furnace), and a part or all of the volatile metal exists in a gaseous state in the furnace. Further, the volatile metal element chloride is heated in an electric furnace, and a part or all of the chloride exists in a gas state in the furnace.
  • the non-volatile metal element means a metal element having a melting point at 1 atm of a metal simple substance or a compound such as an oxide thereof exceeding 1100 ° C.
  • the metal simple substance include iron, nickel, cobalt, chromium, and titanium.
  • the non-volatile metal oxide include CaO, SiO 2 , and Al 2 O 3 .
  • the pellet was illustrated as a form of the carbon material interior agglomerate B, you may employ
  • the briquette has a repose angle larger than that of a spherical pellet. Therefore, in order to ensure the residence time on the slope 12a of the carbonaceous material packed layer 12, the furnace height needs to be higher than when pellets are used. The furnace width can be reduced.
  • iron Fe
  • nonferrous metals such as Ni, Mn, Cr other than Fe, are illustrated. It may contain.
  • coal was illustrated as a carbonaceous material which forms the carbonaceous material filled layer 12 as a raw material filled layer, you may use coke.
  • coke When coke is used, it is already dry-distilled, and no volatile matter is generated in the furnace, so the contribution to secondary combustion is reduced, but it is less pulverized than coal, so there is an advantage that the amount of scattering loss can be reduced. .
  • a carbonaceous material agglomerated material B may be used as a packed bed forming raw material for forming the raw material packed bed 12 instead of or in addition to a carbonaceous material such as coal or coke. Even when the carbonaceous material agglomerated material B is used as a raw material for forming the raw material packed layer 12, although reduction and melting proceed at the contact portion with the molten iron, heat is generated at a portion away from the contact portion with the molten iron. Since the agglomerate B is not easily transmitted and is maintained in a solid state, the raw material packed layer 12 once formed is maintained in a packed layer state for a long time. Moreover, since the temperature in the raw material packed bed 12 decreases as the distance from the contact portion with the molten iron increases and approaches the furnace wall, damage to the refractory due to the formation of molten FeO is not a problem.
  • the secondary combustion burner 6 showed the example installed only in a furnace ceiling part, in addition to this, you may provide in the side wall upper part of a longitudinal direction further, for example, when furnace length is short May be provided only on the upper part of the side wall in the longitudinal direction.
  • the example in which the tap hole 7 and the drain hole 8 are separately installed on the opposite side walls has been described, but both may be installed on the same side wall, or the exhaust holes 7 and the drain holes 8 may be installed. It is also possible to omit the dredging hole 8 and install only the dredging hole 7 and discharge the molten iron and molten slag from the dredging hole 7.
  • the raw material charging chute 4 which fixed the in-furnace height of the raw material charging port as the raw material charging chute was shown, the raw material is placed at a different position in the height direction in the furnace.
  • a raw material charging chute that can be charged can be used.
  • a raw material charging chute 41 having an outer chute 42 that can move the raw material charging port 40 in the vertical direction as the raw material charging chute.
  • the raw material charging chute 41 includes a hopper 44 that stores raw materials, an inner chute 43 connected to the hopper 44, and an outer chute 42 that is slidable on the inner chute 43 and movable in the vertical direction.
  • the lower end part of the agglomerated material layer 13 can be adjusted to an appropriate position by moving the outer chute 42 up and down according to the angle of repose of the carbonaceous material and the agglomerated material agglomerated material.
  • the raw material charging chute 41 capable of charging raw materials at different positions in the furnace height direction
  • the charging raw material is changed to one having a different angle of repose during melting. Even so, the distance between the heating portion of the heater (the lower end when the electrode 5 is used as a heater) and the lower end of the agglomerate layer 13 is adjusted to be constant by moving the raw material inlet up and down. Therefore, the melting characteristics and the thermal efficiency can be further optimized as compared with the case of using the raw material charging chute 4 in which the height of the raw material charging port in the furnace is fixed.
  • the outer chute 42 (raw material input port 40) Is raised so that the lower end portion of the agglomerated material layer 13 and the heating portion of the heater are not separated too much, so that an increase in the slag temperature and an increase in the exhaust gas temperature due to the radiant heat can be prevented. Further, even when the ceiling of the electric furnace is water-cooled, it is possible to prevent the temperature of the cooling water discharge side from rising.
  • the current is monitored, and when the current value rises, the outer chute 42 is lowered, and the lower end of the agglomerate layer 13 and the heating part of the heater The distance can be increased to prevent an increase in current value and abnormal wear of the electrodes.
  • the distance between the lower end portion of the agglomerate layer 13 and the heating portion of the heater can be monitored with an exhaust gas temperature, a ceiling temperature, a cooling water temperature, a slag temperature, a camera, and the like.
  • an electrode is used as a heater, the amount of electrode consumption and interelectrode resistance can be monitored.
  • one aspect of the present invention is a method of manufacturing a molten metal using a stationary non-tilting electric furnace, and the electric furnace is located above one end in the furnace width direction.
  • a raw material charging chute connected to the inside of the furnace, a heater that electrically heats the other end in the furnace width direction and the lower part in the furnace height direction, and the one end in the upper part of the furnace And a secondary combustion burner provided between the other end and a carbonaceous material-containing mass containing a non-volatile metal element that becomes a carbonaceous material and / or a molten metal from the raw material charging chute
  • a predetermined amount of the chemical is charged into the furnace to form a raw material packed bed having a slope with a downward slope from the one end portion above the furnace toward the other end portion below the furnace,
  • a predetermined amount of the carbon material agglomerated material is charged into the furnace from the raw material charging chute, and the raw material is charged.
  • An agglomerated layer is formed on the slope of the material, and then the lower end of the agglomerated layer is heated with the heater to melt the carbonized material agglomerated material.
  • a molten slag layer is formed and oxygen-containing gas is blown into the furnace from the secondary combustion burner while lowering the agglomerate layer along the slope of the raw material packed layer toward the lower end by the melting.
  • the CO-containing gas generated from the agglomerate layer is combusted, and the agglomerate layer is heated and reduced by the radiant heat.
  • Another aspect of the present invention is a method for producing a molten metal using a stationary non-tilting electric furnace, wherein the electric furnace is provided at one end and the other end in the furnace width direction.
  • a furnace between a plurality of raw material charging chutes connected to the inside of the furnace from above, a raw material charging chute connected to the one end in the furnace width direction, and a raw material charging chute connected to the other end A heater that electrically heats a position that is a lower portion in the inner height direction, and a space between the raw material charging chute connected to the one end portion in the furnace upper direction and the furnace width direction in the height direction and the heater.
  • a secondary combustion burner provided at a position between the raw material charging chute connected to the other end in the furnace width direction and the other end in the furnace width direction and the heater in the position and height direction.
  • a predetermined amount of carbonaceous material-containing agglomerated material containing a non-volatile metal element to be metal is charged into the furnace, and the heater at the lower part of the furnace is heated from the one end part at the upper part of the furnace.
  • a raw material packed bed having a downward slope facing toward the bottom and a downward slope facing toward a position where the heater below the furnace heats from the other upper end in the furnace, and then charging the raw material
  • a predetermined amount of the carbonized material agglomerated material is charged into the furnace from the chute to form an agglomerated material layer on each slope of the raw material packed layer, and then the lower end of the agglomerated material layer is heated.
  • the raw material agglomerated material is melted by heating with a vessel to form a molten metal layer and a molten slag layer in the furnace, and the agglomerated material layer is moved toward the lower end by the melting.
  • the lower end portion of the agglomerate layer is heated and melted by the heater, so that the agglomerate layer that has not yet melted, along the slope of the raw material packed layer, that is, the lower end portion of the agglomerate layer, While moving toward the vicinity of the heating part of the heater, the CO-containing gas generated from the agglomerate layer is burned with the oxygen-containing gas blown from the secondary combustion burner, and the agglomerate layer itself is radiated heat. Is preliminarily reduced by heating.
  • the carbonaceous material-containing agglomerated material when heating with the heater, the carbonaceous material-containing agglomerated material is continuously or intermittently charged into the furnace from the raw material charging chute, and among the agglomerated material layer, It is preferable to sequentially melt the carbonaceous material-incorporated agglomerated material located at the lower end of the agglomerated material layer.
  • the molten metal can be continuously produced.
  • the electric furnace includes an exhaust gas duct, and when the carbonaceous material agglomerated material further contains a volatile metal element, the volatile metal is separated from the exhaust gas discharged by the exhaust gas duct and It is preferable to collect. Thereby, the volatile metal element volatilized and removed from the exhaust gas discharged from the furnace through the exhaust gas duct can be efficiently recovered.
  • the heater is an electrode inserted into the furnace from above, and an arc furnace in which the lower end of the heater is arc-heated by energization can be used. And it is preferable to perform arc heating by immersing the lower end of the electrode in the agglomerated material layer or the molten slag layer.
  • arc heating by immersing the lower end of the electrode in the agglomerated material layer or the molten slag layer.
  • a distance between the exhaust gas duct and the raw material charging chute is shorter than a distance between the exhaust gas duct and the electrode in the upper part of the electric furnace. Since the distance between the exhaust gas duct and the raw material charging chute is shorter than the distance between the exhaust gas duct and the electrode, the area where the combustible gas generated by being heated by the electrode can be sequentially subjected to secondary combustion becomes wider, It can be suppressed that the oxidizing exhaust gas after the secondary combustion flows in the direction of the exhaust gas duct, and the exhaust gas flows to the electrode and damages the electrode.
  • the electric furnace further includes a partition wall that hangs down in the furnace between the exhaust gas duct and the raw material charging chute.
  • a partition wall that hangs down in the furnace between the exhaust gas duct and the raw material charging chute.
  • the electric furnace further includes a partition wall that hangs down in the furnace between the electrode and the secondary combustion burner. This partition wall can prevent the oxidized exhaust gas after secondary combustion from coming into contact with the electrode.
  • the electric furnace further includes a partition wall that hangs down in the furnace between the secondary combustion burner and the exhaust gas duct.
  • a partition wall that hangs down in the furnace between the secondary combustion burner and the exhaust gas duct.
  • the raw material charging chute may include an outer chute that can move the raw material charging port in the vertical direction.
  • the manufacturing method of the molten metal of this invention is used, an installation cost and an energy basic unit can be reduced significantly compared with the manufacturing method of the conventional molten metal, and a molten metal can be manufactured.

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Abstract

　炉幅方向の一方の端部に上方から炉内に接続する原料装入シュートと、炉幅方向の他方の端部であって炉内高さ方向の下部である位置を電気で加熱する加熱器と、炉上部において前記一方の端部と前記他方の端部との間に設けられた二次燃焼バーナとを備えた定置式非傾動型電気炉を用いて溶融金属を製造する方法であって、前記原料装入シュートから炭材および／または溶融金属となる非揮発性金属元素を含有する炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、炉内上方の前記一方の端部から炉内下方の前記他方の端部に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成し、次いで、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊成化物層を形成し、その後、前記塊成化物層の下端部を前記加熱器で加熱して前記炭材内装塊成化物を溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記溶融により前記塊成化物層をその下端部に向かって前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから炉内に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊成化物層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊成化物層を加熱して還元する溶融金属の製造方法。

Description

溶融金属の製造方法
　本発明は、炭材内装塊成化物を、予備還元することなく、直接、電気式加熱溶解炉で還元溶融して溶融金属を製造する方法に関する。
　従来の高炉法や溶融還元法に代わる新しい製鉄法として、炭材内装酸化金属塊成化物を回転炉床炉で予備還元して固体還元金属とし、この固体還元金属をアーク炉またはサブマージドアーク炉で溶解して溶融金属を得る溶融金属製造プロセスが種々提案されている（例えば、特許文献１～４参照）。
　しかしながら、溶解炉としてアーク炉を用いるプロセスでは、その溶解効率の確保、耐火物の保護、スラグフォーミングの抑制等の観点から、固体還元金属は金属化率を高く維持するとともに、粉率を低く維持する必要がある。このため、このプロセスでは、回転炉床炉の生産性を高めることが難しく、設備が大型化する問題が残されていた。
　一方、溶解炉としてサブマージドアーク炉を用いるプロセスでは、炉内に固体還元金属が堆積層を形成するため、上記アーク炉を用いたプロセスと比べて、耐火物の損傷やスラグフォーミングの問題は少なく、固体還元金属の金属化率や粉率の制約が小さく、回転炉床炉を比較的小型化することができる。しかしながら、このプロセスでは、固体還元金属中に残留する酸化金属の還元に伴って発生するＣＯガスの化学エネルギを有効に利用することが困難なため、その生産性を十分に高めて操業コストを十分に低減させることができないという問題が残されていた。
　なお、サブマージドアーク炉を用いた溶融金属の製造方法として、回転炉床炉による予備還元を省略して、未還元の炭材内装酸化金属塊成化物を直接、サブマージドアーク炉に装入し、予備還元工程と溶融工程とを一つの炉内で行うことも考えられる。しかしながら、該炭材内装酸化金属塊成化物が、溶融金属となる非揮発性金属元素の他に揮発性金属元素をも含有する場合（すなわち、製鉄所ダストなどを酸化金属原料として用いた場合）には、該揮発金属元素は、せっかく炉下部で固体還元金属から揮発除去されても、炉上部の低温領域で再度凝縮し、固体還元金属に付着して炉内を循環したり、炉壁に付着物を形成したりする。このため、排ガスから該揮発性金属元素を効率的に回収できなくなるだけでなく、固体還元金属の降下不良等の操業トラブルを引き起こすことが想定される。
　したがって、従来のプロセスでは、溶解炉としてアーク炉、サブマージドアーク炉のいずれを採用する場合も、回転炉床炉による予備還元工程と溶解炉による溶解工程との２工程からなる構成を必須としている。これに伴い、回転炉床炉から溶解炉への固体還元金属の移送手段が必要となるとともに、排ガス処理系統も回転炉床炉と溶解炉の２系統が必要となり、トータルプロセスとして、設備コストが高くなることに加え、熱ロスも大きく、エネルギ原単位も十分に低減できないという問題があった。
特表２０００－５１３４１１号公報 特表２００１－５１５１３８号公報 特表２００１－５２５４８７号公報 特開２００３－１０５４１５号公報
　本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、炭材内装塊成化物を用いて溶融金属を製造する方法であって、設備コストおよびエネルギ原単位を従来プロセスよりも大幅に低減しうる溶融金属の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の一局面は、定置式非傾動型電気炉を用いて溶融金属を製造する方法であって、前記電気炉は、炉幅方向の一方の端部に上方から炉内に接続する原料装入シュートと、炉幅方向の他方の端部であって炉内高さ方向の下部である位置を電気で加熱する加熱器と、炉上部において前記一方の端部と前記他方の端部との間に設けられた二次燃焼バーナとを備えており、前記原料装入シュートから炭材および／または溶融金属となる非揮発性金属元素を含有する炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、炉内上方の前記一方の端部から炉内下方の前記他方の端部に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成し、次いで、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊成化物層を形成し、その後、前記塊成化物層の下端部を前記加熱器で加熱して前記炭材内装塊成化物を溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記溶融により前記塊成化物層をその下端部に向かって前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから炉内に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊成化物層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊成化物層を加熱して還元する溶融金属の製造方法である。
　また、本発明の他の一局面は、定置式非傾動型電気炉を用いて溶融金属を製造する方法であって、前記電気炉は、炉幅方向の一方の端部と他方の端部に上方から炉内にそれぞれ接続する複数の原料装入シュートと、炉幅方向において前記一方の端部に接続する原料装入シュートと他方の端部に接続する原料装入シュートの間であって炉内高さ方向の下部である位置を電気で加熱する加熱器と、高さ方向では炉上部であって炉幅方向では前記一方の端部に接続する原料装入シュートと前記加熱器との間である位置および高さ方向では炉上部であって炉幅方向では前記他方の端部に接続する原料装入シュートと当該加熱器との間である位置にそれぞれ設けられた二次燃焼バーナとを備えており、前記原料装入シュートから炭材および／または溶融金属となる非揮発性金属元素を含有する炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、炉内上方の前記一方の端部から炉内下方の前記加熱器が加熱する位置に向かう下り勾配の斜面と、炉内上方の前記他方の端部から炉内下方の当該加熱器が加熱する位置に向かう下り勾配の斜面とを有する原料充填層を形成し、次いで、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、前記原料充填層の各斜面上に塊成化物層を形成し、その後、前記塊成化物層の下端部を前記加熱器で加熱して前記炭材内装塊成化物を溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記溶融により前記塊成化物層をその下端部に向かって前記原料充填層の各斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから炉内に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊成化物層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊成化物層を加熱して還元する溶融金属の製造方法である。
　本発明の目的、特徴、局面および利点は、以下の詳細な説明および図面によって、より明白となる。
図１は、実施形態に係る定置式非傾動型アーク炉の概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。 図２は、定置式非傾動型アーク炉に備えられたアウターシュートを有する原料装入シュートの原料投入口の動きを示す模式縦断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。　
［実施形態］
〔定置式非傾動型電気炉の構成〕
　図１に、本発明の一実施形態に係る定置式非傾動型電気炉の概略構成を示す。本実施形態に係る定置式非傾動型電気炉（以下、単に「炉」ということもある。）は、水平断面形状が略矩形のアーク炉であり、炉上部（本実施形態では炉天井部１）には、排ガスダクト３および複数の原料装入シュート４が接続されるとともに、炉内には、加熱器として、炉天井部１を介して複数本の電極５が挿入されている。原料装入シュート４は、炉幅方向の両端部（一方の端部と他方の端部）２，２にそれぞれ設置される一方、電極５は、炉幅方向の中央部に設置されている。さらに、炉上部（炉天井部１）には、複数本の二次燃焼バーナ６が設けられている。
　排ガスダクト３は、電極５より原料装入シュート４に近い側に設置するのが好ましい。二次燃焼後の酸化性の排ガスが電極５の方向に流れて電極５を損傷するのを抑制するためである。
　電極５と二次燃焼バーナ６との間、二次燃焼バーナ６と排ガスダクト３との間、排ガスダクト３と原料装入シュート４との間には、炉天井部１から炉内に垂下する隔壁９，１０，１１を設けるのが好ましい。
電極５と二次燃焼バーナ６との間に隔壁９を設けるのが推奨されるのは、上記と同様、二次燃焼後の酸化性排ガスが電極５に接触するのを防止するためである。　
また、二次燃焼バーナ６と排ガスダクト３との間に隔壁１０を設けるのが推奨されるのは、二次燃焼後の排ガスが排ガスダクト３へショートカットするのを防止して、塊成化物層１３への放射伝熱量を十分に確保するためである。
また、排ガスダクト３と原料装入シュート４との間に隔壁１１を設けるのが推奨されるのは、原料装入シュート４が高温の排ガスで過熱されて損傷するのを防止するためである。
　隔壁９，１０，１１は、設置による上記各効果の度合い、設置コスト、メンテナンスの手間等を総合的に勘案して、その全部を設置するようにしてもよいし、その一部を設置するようにしてもよい。
　そして、炉下部には、炉幅方向と垂直な炉長手方向の炉側壁に、例えば、原料装入シュート４が設けられていない（すなわち、炉内に原料充填層１２が形成されていない）炉長手方向の中央部に、出銑孔７と排滓孔８とを設けるのが好ましい。出銑滓の際における開孔作業を容易にするためである。
　また、排ガスダクト３の下流側には、周知の熱交換器（図示せず）を設置すればよく、これにより炉から排出された高温排ガスの顕熱を回収して、アーク用電力の発電やペレットＢの乾燥等のエネルギとして有効利用することができる。
　電極５としては、例えば、熱効率に優れた、製鋼用アーク電気炉で常用される三相交流型のものが推奨される。例えば、三相電極の各２相の組合せでできる３組の単相電極から電極６本を作るという構成を採用することができる。
　また、電極５は、その先端部を後記塊成化物層１３または溶融スラグ層１５中に位置させ（浸漬させ）つつ、溶解操作を行うのが好ましい。これにより、アークによる放射加熱と抵抗加熱の効果を並存させることができ、溶解をより促進することができるとともに、後記原料充填層１２で保護されていない炉壁内面の損傷を抑制することができる。
　以下、この定置式非傾動型アーク炉を使用して、炉内に原料充填層を形成するための充填層形成用原料として石炭を、該原料充填層上に積層する炭材内装塊成化物として炭材内装酸化金属塊成化物である炭材内装酸化鉄ペレットをそれぞれ用い、溶融金属として溶鉄を製造する場合を例に挙げて説明する。
〔溶融金属の製造方法〕
　予め、上記炉幅方向の両端部２，２に設置された原料装入シュート４，４から所定量の充填層形成用原料としての炭材である石炭Ａを炉内に装入して、該炉幅方向の両端部２，２から電極５の下端部の下方に向かう下り勾配の斜面１２ａを有する原料充填層としての炭材充填層１２を形成しておく。ここで、石炭Ａの粒度は、後記炭材内装酸化鉄ペレットＢが炭材充填層１２の空隙内に潜り込まない程度に、炭材内装酸化鉄ペレットＢの粒度に応じて調整しておくとよい。
　次いで、上記炉幅方向の両端部２，２に設置された原料装入シュート４，４から炭材内装塊成化物としての炭材内装酸化鉄ペレット（以下、単に「ペレット」ともいう。）Ｂを連続的または間欠的に装入して、炭材充填層１２の斜面１２ａ上に塊成化物層としてのペレット層１３を形成する。ペレットＢ中の内装炭材の配合量は、酸化鉄が金属鉄まで還元されるに必要な理論Ｃ量に、溶鉄の目標Ｃ濃度を加味して決定するとよい。なお、ペレットＢは、炉内装入時に爆裂（バースティング）しないように、事前に乾燥しておくのが好ましい。
　電極５は、上述のごとく、その下端部がペレット層１３中に浸漬された状態となるように、予め高さを調節しておくとよい。
　その後、前記電極に通電してアーク加熱を行うことにより、ペレット層１３の下端部近傍のペレットＢが急速に加熱されて順次還元溶融し、溶融金属としての溶鉄と溶融スラグとに分離され、炉下部に溶鉄層１４と溶融スラグ層１５を形成する。なお、溶融スラグ層１５の塩基度等を調整するため、ペレットＢ中には、予め石灰石やドロマイトなどのＣａＯ源やＭｇＯ源を添加しておくのが好ましい。
　上記のようにして、ペレット層１３の下端部近傍からペレットＢが順次溶融されていくと、ペレット層１３自体はその自重により前記炭材充填層の斜面に沿って電極５の下端部に向かって炉内を順次降下していくこととなる。なお、万一ペレット層１３中のペレットの一部が炭材充填層１２の空隙内に潜り込んだとしても、該ペレットの一部は炉内に長時間滞留するため加熱還元されてやがて溶融し、溶鉄と溶融スラグに分離して炭材充填層１２の空隙を介して炉下部の溶鉄層１４および溶融スラグ層１５に滴下するので問題ない。
　そして、ペレット層１３中のペレットが電極５に近づくと、電極５からのアークによる放射熱と抵抗熱により効率的に加熱され、ペレット中の酸化鉄が内装炭材により固体金属鉄に予備還元されるとともに、ＣＯ含有ガス（可燃性ガス）を生成する。内装炭材として石炭など揮発分を含有する炭材を用いた場合は、加熱により内装炭材から脱揮された揮発分も該ＣＯ含有ガスに加わる。
　このＣＯ含有ガスは、炉天井部１に設けられた二次燃焼バーナ６から吹込まれた酸素含有ガスとしての例えば酸素ガスにより燃焼（二次燃焼）され、その放射熱によってもペレット層１３は加熱される。このように放射熱にて加熱されたペレット層１３では、上記電極５からのアークによる放射加熱と抵抗加熱による場合と同様、当該ペレット層１３中の酸化鉄が固体金属鉄に予備還元されるとともにＣＯ含有ガスが生成するので、上記二次燃焼による放射加熱がさらに促進されることとなる。
　上記のようにして、原料供給シュート４から炉内に装入されたペレットＢは、炭材充填層１２の斜面１２ａ上を降下する間に、上記二次燃焼による放射加熱（以下、「二次燃焼熱」ともいう。）により固体状態で高金属化率まで予備還元された後、電極５下端部近傍でアーク加熱および抵抗加熱により溶融し、溶鉄と溶融スラグとに分離されることとなる。
　したがって、電極５下端部近傍に生成する溶融スラグ中の酸化鉄濃度は十分に低くなり、電極５の損耗を抑制することができる。
　溶融スラグと分離された溶鉄は、ペレット中に残存する炭材を溶解して目標Ｃ濃度の溶鉄となる。
　このようにして生成した、溶鉄と溶融スラグは、炉下部に設けた出銑孔７と出滓孔８から、例えば高炉の出銑滓方法と同様にして、間欠的に排出することができる。
　一方、初期に炉内に石炭Ａを装入して形成した炭材充填層１２は、炉内で徐々に加熱されて、その揮発分が除去され、やがてチャー化ないしコークス化する。除去された揮発分は、ペレット層１３から発生する一酸化炭素（ＣＯ）含有ガスとともに、二次燃焼バーナ６から吹込まれた酸素含有ガスで燃焼され、ペレット層１３の放射加熱エネルギとして有効に利用される。上述したように、ペレットＢ中の内装炭材の炭素（Ｃ）にて内装酸化鉄の還元および溶鉄への浸炭が賄われるので、チャー化ないしコークス化した炭材充填層１３は、理論上は消費されないが、実操業では、炭材充填層１２中に潜り込んだペレットとの直接還元反応や、溶鉄への浸炭反応等により長期間の操業中に徐々に消費されていく。したがって、例えば一定の操業期間ごとに、原料装入シュート４からのペレットＢの供給を停止した状態にて、少なくともアーク加熱を一定時間継続して、炉内のペレット層１３をほぼ完全に溶融し切って炭材充填層１２の斜面１２ａを露出させたのち、アーク加熱および二次燃焼を中断した状態で、原料装入シュート４から石炭（炭材）Ａを所定量装入することで、炭材充填層１２の炉内充填量を維持することができる。
　炉幅方向の両側壁の内面は、炭材充填層で覆われているので、これらの部分の耐火物の損耗は大幅に抑制される。したがって、炭材充填層で覆われていない、炉長手方向の両側壁にのみ、耐腐食性に優れた高品質の耐火物や水冷構造を採用すればよく、大幅に設備コストを低減できることとなる。
（変形例）
　上記実施形態では、原料装入シュート４および電極５の配置に関し、原料装入シュート４を炉幅方向の両端部２，２にそれぞれ設置する一方、電極５を炉天井部１の中央部に設置する例を示したが、原料装入シュート４を炉幅方向の片端部（一方の端部）２に設置する一方、電極５を炉幅方向の他端部（他方の端部）２に設置するようにしてもよい。本変形例を採用すると、炉内に形成される炭材充填層１２の斜面が片側だけになるので、上記実施形態に比べて、耐火物保護の観点からは不利になるが、炉幅が縮小され、設備のコンパクト化が図れるメリットがある。
　また、上記実施形態では、電気炉としてアーク炉を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、サブマージドアーク炉、電磁誘導加熱炉など電気エネルギによって加熱する炉であればよい。アーク炉では、加熱器として電極を用いることができ、電磁誘導加熱炉では、加熱器としてソレノイド型加熱コイルを用いることができる。
　また、上記実施形態では、排ガスダクト３と原料装入シュート４は、いずれも炉天井部１に接続する例を示したが、これに限定されるものではなく、いずれか一方または双方を炉側壁の上部に接続するようにしてもよい。なお、原料装入シュート４を炉側壁の上部に接続した場合は、原料装入シュート４は自動的に炉幅方向の端部に設置されることになる。
　また、上記実施形態では、定置式非傾動型アーク炉の水平断面形状として、略矩形のものを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば略楕円のものや真円のものを用いてもよい。この場合単相電極でなく、三相電源の各相を用いて３本の電極を作るように構成してもよい。ただし、略矩形のものを用いた場合、炉幅は一定にしておいて、炉長手方向（炉幅方向に垂直な方向）を延長することで、スケールアップを容易に行えるメリットがある。
　また、上記実施形態では、炭材内装塊成化物Ｂとして、炭材内装酸化金属塊成化物である炭材内装酸化鉄ペレットを用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、酸化金属に代えて塩化金属を含有する炭材内装塩化金属塊成化物を用いてもよいし、酸化金属、塩化金属等の金属化合物を複数含有する炭材内装金属化合物塊成化物を用いてもよい。
　また、上記実施形態では、炭材内装塊成化物Ｂとして、非揮発性の金属元素である鉄のみを含有するものを例示したが、非揮発性の金属元素の他、揮発性の金属元素、例えば、Ｚｎ、Ｐｂを含有するものであってもよい。すなわち、塊成化物Ｂとして、揮発性の金属元素を含有する製鉄所ダストなどを酸化金属原料として用いることができる。揮発性の金属元素は、炉内で加熱されて炭材内装塊成化物Ｂから揮発するが、本発明では、炉上部に設けられた二次燃焼バーナ６から供給される酸素含有ガスが炉内のＣＯガスを燃焼することによって、炉上部の温度を十分に高く保持できるので、炭材内装塊成化物Ｂから揮発した揮発性金属元素が、炉上部で再凝縮することが確実に防止され、炉から排出された排ガスから該揮発性金属元素を効率的に回収することができる。
　なお、本明細書において、揮発性金属元素とは金属単体またはその塩等の化合物の１気圧での融点が１１００℃以下の金属元素をいう。金属単体として例えば、亜鉛、鉛等を挙げることができる。揮発性金属元素の化合物として例えば塩化ナトリウム、塩化カリウム等を挙げることができる。揮発性金属元素の化合物中の揮発性金属は、電気炉（例えば、アーク炉、サブマージドアーク炉）で金属に還元されることで、その一部またはすべてが炉内で気体状態で存在する。また、揮発性金属元素の塩化物は、電気炉内で加熱されて、その一部またはすべてが炉内で気体状態で存在する。一方、非揮発性金属元素とは金属単体またはその酸化物等の化合物の１気圧での融点が１１００℃を超える金属元素をいう。金属単体として例えば、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、チタン等を挙げることができる。非揮発性金属の酸化物として、例えば、ＣａＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等を挙げることができる。非揮発性金属元素の化合物は、電気炉としてアーク炉やサブマージドアーク炉を用いたときには、炉内での加熱や還元反応によって、還元された金属単体としてまたは還元されない化合物として、炉内アーク近傍（アーク温度領域）では気体状態で存在できるものの、アークから離れたところでは液体または固体状態で存在する。
　また、上記実施形態では、炭材内装塊成化物Ｂの形態として、ペレットを例示したが、ブリケットを採用してもよい。ブリケットは、球状のペレットより安息角が大きいので、炭材充填層１２の斜面１２ａ上における滞留時間を確保するためには、ペレットを用いた場合に比べて、炉高は高くする必要があるものの、炉幅は縮小できるメリットがある。
　また、上記実施形態では、炭材内装塊成化物Ｂおよび溶融金属１４を構成する非揮発性金属元素として鉄（Ｆｅ）のみを例示したが、Ｆｅの他、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の非鉄金属を含有してもよい。
　また、上記実施形態では、溶融スラグの塩基度調整手段として、炭材内装塊成化物Ｂに予めＣａＯ源やＭｇＯ源を添加しておく手段を例示したが、この手段に代えてまたは加えて、原料装入シュート４から炭材内装塊成化物Ｂとともに石灰石やドロマイトを装入するようにしてもよい。
　また、上記実施形態では、原料充填層としての炭材充填層１２を形成する炭材として、石炭を例示したが、コークスを用いてもよい。コークスを用いた場合、すでに乾留されており、炉内で揮発分が発生しないため、二次燃焼への寄与は低下するものの、石炭より粉化されにくいので、飛散ロス量を低減できるメリットがある。
　さらには、原料充填層１２を形成する充填層形成用原料として、石炭やコークスなどの炭材に代えてまたは加えて炭材内装塊成化物Ｂを用いてもよい。原料充填層１２を形成する原料として炭材内装塊成化物Ｂを用いても、溶鉄との接触部分においては還元・溶融が進行するものの、該溶鉄との接触部分から離れた部分には熱が伝わりにくく、塊成化物Ｂは固体状態に維持されるため、一旦形成された原料充填層１２は長期間充填層状態に保たれる。また、原料充填層１２内の温度は上記溶鉄との接触部分から離れて炉壁に近づくほど低下するので、溶融ＦｅＯの形成による耐火物の損傷も問題とならない。
　また、上記実施形態では、二次燃焼バーナ６は炉天井部にのみ設置する例を示したが、これに加えてさらに長手方向の側壁上部に設けてもよく、また、例えば炉長が短い場合は、長手方向の側壁上部にのみ設けてもよい。
　また、上記実施形態では、出銑孔７と排滓孔８とを、対向する側壁にそれぞれ分けて設置する例を示したが、同じ側壁側に両者とも設置してもよいし、あるいは、排滓孔８を省略して出銑孔７のみを設置し、該出銑孔７から溶鉄と溶融スラグを排出するようにしてもよい。
　また、上記実施形態では、原料装入シュートとして、原料投入口の炉内高さを固定した原料装入シュート４を用いた例を示したが、炉内の高さ方向の異なる位置に原料を装入することができる原料装入シュートを用いることができる。
　具体的には、図２に示すように、原料装入シュートとして、原料投入口４０を上下方向に移動可能なアウターシュート４２を備えた原料装入シュート４１を用いることが好ましい。原料装入シュート４１は、原料を蓄えるホッパー４４と、ホッパー４４に連結したインナーシュート４３と、インナーシュート４３に摺動可能に上下方向に移動可能なアウターシュート４２からなる。炭材および炭材内装塊成化物の安息角に応じてアウターシュート４２を上下させることで、塊成化物層１３の下端部を適正な位置に調整することができる。
　原料装入シュートとして、炉内の高さ方向の異なる位置に原料を装入可能な原料装入シュート４１を用いた場合には、例えば、溶解中に装入原料を安息角の異なるものに変更しても原料投入口を上下させることで、加熱器の加熱部（加熱器として電極５を用いた場合には、下端部）と塊成化物層１３の下端部との距離を一定に調整することができ、原料投入口の炉内高さを固定した原料装入シュート４を用いた場合と比べて、溶解特性および熱効率をより一層適正化することができる。
　具体的には、原料を安息角のより大きなものに変更して、塊成化物層１３の下端部と加熱器の加熱部との距離が離れ始めたときには、アウターシュート４２（原料投入口４０）を上昇させて塊成化物層１３の下端部と加熱器の加熱部とを離れすぎないようにすることで、スラグ温度の上昇およびその輻射熱による排ガス温度の上昇を防止することができる。また、電気炉の天井を水冷している場合でもその冷却水出側温度の上昇を防止することができる。一方、原料を安息角のより小さなものに変更したときには、塊成化物層１３の下端部と加熱器の加熱部との距離が接近するので、アウターシュート４２（原料投入口４０）を下降させることによって、塊成化物層１３の下端部と加熱器の加熱部との接触を防止することができる。その結果、原料の金属化率が低い場合であっても、そのＦｅＯ中の酸素と電極材料であるグラファイトとの反応による電極の消耗を防止することができる。
　また、一定電圧の条件下で操業する場合には、電流をモニターし、電流値が上昇した場合にはアウターシュート４２を下降させて、塊成化物層１３の下端部と加熱器の加熱部との距離を離して、電流値の上昇と電極の異常損耗を防ぐことができる。
　なお、塊成化物層１３の下端部と加熱器の加熱部との距離は、排ガス温度、天井温度、冷却水温度、スラグ温度、およびカメラ等でモニターできる。加熱器として電極を用いた場合には、電極消耗量や電極間抵抗でもモニターできる。
　以上、詳述したように、本発明の一局面は、定置式非傾動型電気炉を用いて溶融金属を製造する方法であって、前記電気炉は、炉幅方向の一方の端部に上方から炉内に接続する原料装入シュートと、炉幅方向の他方の端部であって炉内高さ方向の下部である位置を電気で加熱する加熱器と、炉上部において前記一方の端部と前記他方の端部との間に設けられた二次燃焼バーナとを備えており、前記原料装入シュートから炭材および／または溶融金属となる非揮発性金属元素を含有する炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、炉内上方の前記一方の端部から炉内下方の前記他方の端部に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成し、次いで、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊成化物層を形成し、その後、前記塊成化物層の下端部を前記加熱器で加熱して前記炭材内装塊成化物を溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記溶融により前記塊成化物層をその下端部に向かって前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから炉内に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊成化物層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊成化物層を加熱して還元する溶融金属の製造方法である。
　また、本発明の他の一局面は、定置式非傾動型電気炉を用いて溶融金属を製造する方法であって、前記電気炉は、炉幅方向の一方の端部と他方の端部に上方から炉内にそれぞれ接続する複数の原料装入シュートと、炉幅方向において前記一方の端部に接続する原料装入シュートと他方の端部に接続する原料装入シュートの間であって炉内高さ方向の下部である位置を電気で加熱する加熱器と、高さ方向では炉上部であって炉幅方向では前記一方の端部に接続する原料装入シュートと前記加熱器との間である位置および高さ方向では炉上部であって炉幅方向では前記他方の端部に接続する原料装入シュートと当該加熱器との間である位置にそれぞれ設けられた二次燃焼バーナとを備えており、前記原料装入シュートから炭材および／または溶融金属となる非揮発性金属元素を含有する炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、炉内上方の前記一方の端部から炉内下方の前記加熱器が加熱する位置に向かう下り勾配の斜面と、炉内上方の前記他方の端部から炉内下方の当該加熱器が加熱する位置に向かう下り勾配の斜面とを有する原料充填層を形成し、次いで、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、前記原料充填層の各斜面上に塊成化物層を形成し、その後、前記塊成化物層の下端部を前記加熱器で加熱して前記炭材内装塊成化物を溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記溶融により前記塊成化物層をその下端部に向かって前記原料充填層の各斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから炉内に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊成化物層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊成化物層を加熱して還元する溶融金属の製造方法である。
　本発明では、塊成化物層の下端部が加熱器に加熱されて溶融することで、まだ溶融していない塊成化物層を原料充填層の斜面に沿って塊成化物層の下端部、すなわち加熱器の加熱部近傍に向かって移動させつつ、該塊成化物層から発生したＣＯ含有ガスを二次燃焼バーナから吹き込んだ酸素含有ガスで燃焼させて、その放射熱で該塊成化物層自身を加熱して予備還元する。そして、この予備還元された塊成化物層を上記加熱器の加熱部近傍で還元溶融して溶融金属とするので、未還元の炭材内装塊成化物から直接溶融金属を得ることができる。このため、従来法に比べて設備コストおよびエネルギ原単位がともに大幅に低減できる。また、上記二次燃焼バーナによる燃焼熱が炉上部の温度を十分に高く保持するので、炭材内装塊成化物が揮発性金属元素を含有する場合には、揮発した該揮発性金属元素の再凝縮を防止することができる。
　これら製造方法において、前記加熱器で加熱するときに、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を連続的または間欠的に炉内に装入し、前記塊成化物層のうち、前記塊成化物層の下端部に位置する前記炭材内装塊成化物を順次溶融させることが好ましい。炭材内装塊成化物を連続的または間欠的に装入することにより、溶融金属を継続して製造することができる。
　これら製造方法において、前記電気炉が排ガスダクトを備えており、前記炭材内装塊成化物が揮発性金属元素をさらに含有するときには、前記排ガスダクトによって排出された排ガスから前記揮発性金属を分離および回収することが好ましい。これにより、排ガスダクトを介して炉から排出された排ガス中から、揮発除去された揮発性金属元素を効率的に回収することができる。
　これら製造方法において、前記電気炉として、前記加熱器は上方から炉内に挿入される電極であり、通電によって当該加熱器の下端がアーク加熱されるアーク炉を用いることでできる。そして、前記電極の下端部を前記塊成化物層中または前記溶融スラグ層中に浸漬してアーク加熱を行うことが好ましい。これにより、アークによる放射加熱と抵抗加熱の効果を並存させることができ、炭材内装塊成化物の溶解をより促進することができるとともに、原料充填層で保護されていない炉壁内面の損傷を抑制することができる。
　これら製造方法において、前記電気炉の炉上部において、前記排ガスダクトと前記原料装入シュートとの距離が、当該排ガスダクトと前記電極との距離より短いことが好ましい。排ガスダクトと原料装入シュートの距離が、排ガスダクトと電極の距離より短いので、電極で加熱されることにより発生した可燃性ガスを順次二次燃焼させることが可能となる領域が広くなるとともに、二次燃焼後の酸化性の排ガスが排ガスダクトの方向に流れて、この排ガスが電極に流れて電極を損傷するのを抑制することができる。
　これら製造方法において、前記電気炉は、前記排ガスダクトと前記原料装入シュートの間に、炉内に垂下する隔壁をさらに備えていることが好ましい。この隔壁によって、原料装入シュートが高温の排ガスで過熱されて損傷するのを防止することができる。
　これら製造方法において、前記電気炉は、前記電極と前記二次燃焼バーナとの間に、炉内に垂下する隔壁をさらに備えていることが好ましい。この隔壁によって、二次燃焼後の酸化性排ガスが電極に接触するのを防止することができる。
　これら製造方法において、前記電気炉は、前記二次燃焼バーナと前記排ガスダクトとの間に、炉内に垂下する隔壁をさらに備えていることが好ましい。この隔壁によって、二次燃焼後の排ガスが排ガスダクトへショートカットするのを防止して、塊成化物層への放射伝熱量を十分に確保することができる。
　これら製造方法において、原料に応じた位置から原料を装入することが好ましく、原料の安息角に応じて前記原料装入シュートの原料投入口の高さを変更することが好ましい。例えば、前記原料装入シュートが原料投入口を上下方向に移動可能なアウターシュートを備えていればよい。これにより、原料の安息角に応じて原料装入シュートのアウターシュートを上下方向に移動させて原料投入口の高さを変更することで、塊成化物層の下端部と加熱器の加熱部との距離を適正に保つことができるので、溶解特性または熱効率を適正化できる。例えば、加熱器としてアーク炉（電気炉）の上方から炉内に挿入される電極を用いた場合において、炭材内装塊成化物をブリケットから安息角がより小さなペレットに切り替えたときに、ペレットの溶解が最も効果的に進行するようにアウターシュートを下方に移動させて、電極とペレット層（塊成化物層）の下端部との距離を調整することで、エネルギ原単位を上昇させずに、また電極を異常に消耗させること無く、ペレットを溶解することが適正化できる。
　本発明の溶融金属の製造方法を用いれば、設備コストおよびエネルギ原単位を従来の溶融金属の製造方法よりも大幅に低減して溶融金属を製造することができる。
 

Claims (13)

  1. 　定置式非傾動型電気炉を用いて溶融金属を製造する方法であって、
    　前記電気炉は、炉幅方向の一方の端部に上方から炉内に接続する原料装入シュートと、炉幅方向の他方の端部であって炉内高さ方向の下部である位置を電気で加熱する加熱器と、炉上部において前記一方の端部と前記他方の端部との間に設けられた二次燃焼バーナとを備えており、
    　前記原料装入シュートから炭材および／または溶融金属となる非揮発性金属元素を含有する炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、炉内上方の前記一方の端部から炉内下方の前記他方の端部に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成し、
    　次いで、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊成化物層を形成し、
    　その後、前記塊成化物層の下端部を前記加熱器で加熱して前記炭材内装塊成化物を溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記溶融により前記塊成化物層をその下端部に向かって前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから炉内に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊成化物層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊成化物層を加熱して還元する溶融金属の製造方法。
  2. 　定置式非傾動型電気炉を用いて溶融金属を製造する方法であって、
    　前記電気炉は、炉幅方向の一方の端部と他方の端部に上方から炉内にそれぞれ接続する複数の原料装入シュートと、炉幅方向において前記一方の端部に接続する原料装入シュートと他方の端部に接続する原料装入シュートの間であって炉内高さ方向の下部である位置を電気で加熱する加熱器と、高さ方向では炉上部であって炉幅方向では前記一方の端部に接続する原料装入シュートと前記加熱器との間である位置および高さ方向では炉上部であって炉幅方向では前記他方の端部に接続する原料装入シュートと当該加熱器との間である位置にそれぞれ設けられた二次燃焼バーナとを備えており、
    　前記原料装入シュートから炭材および／または溶融金属となる非揮発性金属元素を含有する炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、炉内上方の前記一方の端部から炉内下方の前記加熱器が加熱する位置に向かう下り勾配の斜面と、炉内上方の前記他方の端部から炉内下方の当該加熱器が加熱する位置に向かう下り勾配の斜面とを有する原料充填層を形成し、
    　次いで、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を所定量炉内に装入して、前記原料充填層の各斜面上に塊成化物層を形成し、
    　その後、前記塊成化物層の下端部を前記加熱器で加熱して前記炭材内装塊成化物を溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記溶融により前記塊成化物層をその下端部に向かって前記原料充填層の各斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから炉内に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊成化物層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊成化物層を加熱して還元する溶融金属の製造方法。
  3. 　前記加熱器で加熱するときに、前記原料装入シュートから前記炭材内装塊成化物を連続的または間欠的に炉内に装入し、前記塊成化物層のうち、前記塊成化物層の下端部に位置する前記炭材内装塊成化物を順次溶融する請求項１または２に記載の溶融金属の製造方法。
  4. 　前記電気炉は炉上部に接続して炉内に生成した排ガスを排出する排ガスダクトをさらに備えている請求項１～３のいずれか１項に記載の溶融金属の製造方法。
  5. 　前記炭材内装塊成化物は揮発性金属元素をさらに含有し、前記排ガスダクトによって排出された排ガスから前記揮発性金属を分離および回収する請求項４に記載の溶融金属の製造方法。
  6. 　前記加熱器は上方から炉内に挿入される電極であり、通電によって当該加熱器の下端がアーク加熱される請求項１～５のいずれか１項に記載の溶融金属の製造方法。
  7. 　前記電極の下端部を前記塊成化物層中または前記溶融スラグ層中に浸漬してアーク加熱を行う請求項６に記載の溶融金属の製造方法。
  8. 　前記電気炉の炉上部において、前記排ガスダクトと前記原料装入シュートとの距離が、当該排ガスダクトと前記電極との距離より短い請求項６または７に記載の溶融金属の製造方法。
  9. 　前記電気炉は、前記排ガスダクトと前記原料装入シュートの間に、炉内に垂下する隔壁をさらに備えている請求項４、５または８に記載の溶融金属の製造方法。
  10. 　前記電気炉は、前記電極と前記二次燃焼バーナとの間に、炉内に垂下する隔壁をさらに備えている請求項６～８のいずれか１項に記載の溶融金属の製造方法。
  11. 　前記電気炉は、前記二次燃焼バーナと前記排ガスダクトとの間に、炉内に垂下する隔壁をさらに備えている請求項４、５、８または９に記載の溶融金属の製造方法。
  12. 　前記原料装入シュートは炉内の高さ方向の異なる位置に原料を装入する請求項１～１１のいずれか１項に記載の溶融金属の製造方法。
  13. 　前記原料装入シュートは原料投入口を上下方向に移動可能なアウターシュートを備えている請求項１２に記載の溶融金属の製造方法。
    　
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