JP4711350B2 - 製鋼ダストを用いた電気炉操業方法 - Google Patents
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Description
本発明は、転炉等の製鋼設備から発生するダスト（以下、製鋼ダストという）を鉄源として使用する電気炉の操業方法に関するものである。
一般に電気炉の操業においては、鉄源として主にスクラップ等の固体鉄源を装入して溶解する。また高炉から出銑した溶銑を使用できる立地条件であれば、溶銑を鉄源として電気炉に装入する場合もある。このようにして電気炉は、鉄源としてスクラップや溶銑等を装入して溶解し、溶鉄を溶製するものであるから、これらの鉄源のコストが溶鉄の製造コストに占める割合は大きい。
そこで、安価な鉄源として製鉄所で発生する各種ダストを鉄源として、スクラップあるいは溶銑とともに電気炉に装入して溶鉄を製造する技術が検討されている。
たとえば、スクラップ等の固体鉄源を装入して溶解する電気炉とは異なるが、鉄鉱石または製鉄所にて発生するダスト類の鉄酸化物を予め還元して用いる技術が特許文献１に開示されている。しかしながら、この技術では、ダストを還元するための設備（たとえばロータリーキルン等）が必要となる。
たとえば、スクラップ等の固体鉄源を装入して溶解する電気炉とは異なるが、鉄鉱石または製鉄所にて発生するダスト類の鉄酸化物を予め還元して用いる技術が特許文献１に開示されている。しかしながら、この技術では、ダストを還元するための設備（たとえばロータリーキルン等）が必要となる。
またスクラップ等の固体鉄源を溶解する電気炉に関連する特許文献２には、アーク式電気炉から発生するダストをカーボン微粉と混練して造粒し、他の鉄源とともに電気炉に装入する技術が提案されている。しかしながら、この技術では、ダストとカーボン微粉を混練して造粒するための設備が必要となる。
また同様にスクラップ等の固体鉄源を溶解するアーク式電気炉に関連する特許文献３には、電気炉から発生するダストと高炉から出銑した溶銑を電気炉に装入する技術が提案されている。この技術では、ダストを還元する設備やダストとカーボン微粉を混練する設備を設置する必要はない。しかしながら、ダストと溶銑を電気炉に装入するので、溶銑中の炭素によってダスト中の酸化鉄が還元される際に下記の(1)，(2)式の吸熱反応が進行し、エネルギー損失が生じる。その結果、ダストの使用量が増加すると、電気炉の電力消費量が増大する。つまり特許文献３に開示された技術では、ダストを多量に使用すると、電力コストが上昇するという問題があった。
また同様にスクラップ等の固体鉄源を溶解するアーク式電気炉に関連する特許文献３には、電気炉から発生するダストと高炉から出銑した溶銑を電気炉に装入する技術が提案されている。この技術では、ダストを還元する設備やダストとカーボン微粉を混練する設備を設置する必要はない。しかしながら、ダストと溶銑を電気炉に装入するので、溶銑中の炭素によってダスト中の酸化鉄が還元される際に下記の(1)，(2)式の吸熱反応が進行し、エネルギー損失が生じる。その結果、ダストの使用量が増加すると、電気炉の電力消費量が増大する。つまり特許文献３に開示された技術では、ダストを多量に使用すると、電力コストが上昇するという問題があった。
Fe2Ｏ3＋３Ｃ＝２Fe＋３ＣＯ−1050kcal／kg-Fe ・・・ (1)
FeＯ＋Ｃ＝Fe＋ＣＯ−680kcal／kg-Fe ・・・ (2)
特開平11-302712号公報
特開昭56-139631号公報
特開平10-158718号公報
FeＯ＋Ｃ＝Fe＋ＣＯ−680kcal／kg-Fe ・・・ (2)
本発明は、安価な製鋼ダストを電気炉で鉄源として使用するにあたって、転炉等の製鋼設備から回収した製鋼ダストに加工（たとえば還元，混練等）を加えることなく使用でき、しかも大量に使用できる電気炉操業方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、電気炉で使用する安価な鉄源として、製鉄所の製鋼工程で使用する転炉等の製鋼設備から回収した製鋼ダストに着目した。そして製鋼ダストに含まれる鉄分について調査したところ、粒径の大きい粗粒ダストは、金属鉄の含有量が増加し、酸化鉄の含有量が減少することを見出した。つまり製鋼ダストのうちの粗粒ダストは、金属鉄が多量に含有されるので、酸化鉄の還元反応（すなわち(1)，(2)式の吸熱反応）が抑制され、電力として供給されるエネルギー効率が向上する。
本発明は、スクラップを固体鉄源として溶解して溶鉄を溶製する電気炉操業方法において、転炉の脱炭精錬で発生する排ガス中の製鋼ダストを集塵水によって分離して回収ダクト内へ誘導し、回収ダクト内で粗粒ダストを沈降させ、粗粒ダストを集塵水とともに回収ダクトの粗粒排出口から回収し、得られた粒径0.1mm以上の粗粒ダストを鉄源として加工を加えることなく電気炉内の溶鉄の浴面下に装入する電気炉操業方法である。
また、溶銑率が30％以上の範囲内で溶銑を電気炉内に装入することが好ましい。なお溶銑率は、電気炉内に装入される溶銑の重量と電気炉内に装入される鉄源（スクラップ，溶銑，各種ダスト等）の総重量との比率であり、下記の(3)式で表わされる。
溶銑率（％）＝ 100×ＭP／ＭT ・・・ (3)
ＭP：電気炉内に装入される溶銑の重量（ton）
ＭT：電気炉内に装入される鉄源の総重量（ton）
溶銑率（％）＝ 100×ＭP／ＭT ・・・ (3)
ＭP：電気炉内に装入される溶銑の重量（ton）
ＭT：電気炉内に装入される鉄源の総重量（ton）
本発明によれば、安価な製鋼ダストを電気炉で鉄源として使用するにあたって、製鋼設備から回収した製鋼ダストに加工を加えることなく使用できる。しかも大量に使用できるので、大幅なコスト削減を達成できる。
製鉄所の製鋼工程で使用する転炉等の製鋼設備から回収した製鋼ダストには、Feが多量に含まれている。そのFeは、金属鉄や酸化鉄として製鋼ダスト中に存在する。たとえば転炉から回収した製鋼ダストでは、金属鉄あるいは酸化鉄として存在するFeは表１に示す通りである。なお、表１に示した粗粒ダストとは、粒径0.1mm以上の製鋼ダストを指し、細粒ダストとは、粒径0.1mm未満の製鋼ダストを指す。また、金属鉄あるいは酸化鉄として存在するFeは、製鋼ダストの質量に対する比率（すなわち質量％）で示した。Ｔ.Feは、製鋼ダスト中に存在するFeの総量であり、下記の(4)式で算出される値である。
Ｔ.Fe （質量％）＝Ｍ.Fe ＋Ｏ.Fe ・・・ (4)
Ｍ.Fe：金属鉄として存在するFe（質量％）
Ｏ.Fe：酸化鉄として存在するFe（質量％）
Ｍ.Fe：金属鉄として存在するFe（質量％）
Ｏ.Fe：酸化鉄として存在するFe（質量％）
表１から明らかなように、粗粒ダストは、細粒ダストに比べてＴ.Feが大きくなっており、Feを多量に含有していることが分かる。しかも粗粒ダストは、金属鉄として存在するFeが著しく増大している。つまり粗粒ダストは、Feを多量に含有しているばかりでなく、酸化鉄の含有量が少ないので、鉄源として電気炉に装入した場合に還元反応（すなわち(1)，(2)式の吸熱反応）が抑制され、電力として供給されるエネルギー効率が向上する。したがって粗粒ダストは、電気炉に装入する鉄源として好適な材料である。
本発明では、製鋼ダストのうちの粗粒ダストを分別して回収する方法は、特定の方法に限定しない。一例として図１に、製鋼設備として転炉を用いた場合の、粗粒ダストを回収する方法の一例を示す。
転炉１内に収容した溶鋼２の脱炭精錬を行なう際に発生する製鋼ダスト（すなわち粗粒ダスト７および細粒ダスト８）は、転炉１の上方に設けられるフード４を介して排ガス６とともにサチュレーター５へ送給される。製鋼ダストは、サチュレーター５内で集塵水13によって排ガス６から分離され、さらに回収ダクト11内へ誘導される。このとき排ガス６は排ガスダクト12を介して排ガス処理設備（図示せず）等に送給される。一方、サチュレーター５内で噴霧される集塵水13は回収ダクト11に流入する。
転炉１内に収容した溶鋼２の脱炭精錬を行なう際に発生する製鋼ダスト（すなわち粗粒ダスト７および細粒ダスト８）は、転炉１の上方に設けられるフード４を介して排ガス６とともにサチュレーター５へ送給される。製鋼ダストは、サチュレーター５内で集塵水13によって排ガス６から分離され、さらに回収ダクト11内へ誘導される。このとき排ガス６は排ガスダクト12を介して排ガス処理設備（図示せず）等に送給される。一方、サチュレーター５内で噴霧される集塵水13は回収ダクト11に流入する。
製鋼ダストのうちの粗粒ダスト７は、その質量が比較的大きいので、回収ダクト11内を通過する間に比較的早く沈降する。この粗粒ダスト７を回収するために、回収ダクト11の中間の位置に粗粒ダスト排出口９を配設する。つまり回収ダクト11内で沈降し、集塵水13とともに移動する粗粒ダスト７を粗粒ダスト排出口９から回収する。
一方、 細粒ダスト８は、その質量が比較的小さいので集塵水13中を浮遊し、細粒ダスト排出口10から回収される。
一方、 細粒ダスト８は、その質量が比較的小さいので集塵水13中を浮遊し、細粒ダスト排出口10から回収される。
このようにして製鋼ダストから粗粒ダスト７と細粒ダスト８を分別して回収できる。なお、回収ダクト11に粗粒ダスト排出口９を配設する位置は、製鋼ダストから粗粒ダスト７として回収する粒径、あるいは転炉１やサチュレーター５の設備仕様等に応じて適宜設定する。
本発明では図１に示す方法に限定せず、他の方法で製鋼ダストから粗粒ダスト７を分別することも可能である。たとえば図１において粗粒ダスト排出口９を配設せず、回収ダクト11から排出された製鋼ダストを篩い分けして、所定の粒径を有する粗粒ダスト７を分別して回収できる。
本発明では図１に示す方法に限定せず、他の方法で製鋼ダストから粗粒ダスト７を分別することも可能である。たとえば図１において粗粒ダスト排出口９を配設せず、回収ダクト11から排出された製鋼ダストを篩い分けして、所定の粒径を有する粗粒ダスト７を分別して回収できる。
このようにして回収した粗粒ダスト７は、スクラップ等の固体鉄源に比べて表面積が極めて大きいので、電気炉に装入して溶解するまでの間に、大気中の酸素によって酸化されやすい。つまり固体鉄源とともに粗粒ダスト７を鉄源として使用する場合は、粗粒ダスト７の酸化鉄含有量が少ないにも関わらず、電気炉内で粗粒ダスト７が酸化されて酸化鉄が生成するので、粗粒ダスト７を鉄源として使用する効果が十分に発揮されない。
そこで本発明では、粗粒ダスト７の装入に先立って、高炉から出銑した溶銑を予め電気炉内に装入しておく。溶銑にはＣが４〜６質量％程度含有されるので、粗粒ダスト７中の酸化鉄の還元反応が促進されるばかりでなく、生成したＣＯガスが電気炉内を還元雰囲気にするので、粗粒ダスト７の酸化を抑制することができる。
電気炉内に溶銑を装入するにあたって、下記の(3)式で表わされる溶銑率を30％以上とするのが好ましい。その理由は、溶銑率が30％未満では、溶銑中のＣによる粗粒ダスト７の酸化防止効果が十分に発揮されないからである。
電気炉内に溶銑を装入するにあたって、下記の(3)式で表わされる溶銑率を30％以上とするのが好ましい。その理由は、溶銑率が30％未満では、溶銑中のＣによる粗粒ダスト７の酸化防止効果が十分に発揮されないからである。
溶銑率（％）＝ 100×ＭP／ＭT ・・・ (3)
ＭP：電気炉内に装入される溶銑の重量（ton ）
ＭT：電気炉内に装入される鉄源の総重量（ton ）
粗粒ダスト７を装入するにあたって、溶銑と固体鉄源とを溶解した溶鉄の浴面下に装入すると、粗粒ダスト７の酸化防止の効果がさらに向上するので好ましい。本発明では、粗粒ダスト７を溶鉄の浴面下に装入する方法は、特定の方法に限定しないが、簡便な手段で行なうのが好ましい。
ＭP：電気炉内に装入される溶銑の重量（ton ）
ＭT：電気炉内に装入される鉄源の総重量（ton ）
粗粒ダスト７を装入するにあたって、溶銑と固体鉄源とを溶解した溶鉄の浴面下に装入すると、粗粒ダスト７の酸化防止の効果がさらに向上するので好ましい。本発明では、粗粒ダスト７を溶鉄の浴面下に装入する方法は、特定の方法に限定しないが、簡便な手段で行なうのが好ましい。
たとえば下記の(a)〜(c)の方法で、粗粒ダスト７を溶鉄の浴面下に装入することが可能である。
(a)スクラップバケットの下部に粗粒ダスト７を収容し、その粗粒ダスト７上にスクラップ等の固体鉄源を収容して、固体鉄源とともに粗粒ダスト７を装入することによって粗粒ダスト７を溶鉄の浴面下に沈降させる。
(b)ノズル等を介して粗粒ダスト７を溶鉄の浴面下に吹込む。
(c)粗粒ダスト７を容器内に収容して、その容器とともに電気炉内の溶鉄に装入して浴面下に沈降させる。
(a)スクラップバケットの下部に粗粒ダスト７を収容し、その粗粒ダスト７上にスクラップ等の固体鉄源を収容して、固体鉄源とともに粗粒ダスト７を装入することによって粗粒ダスト７を溶鉄の浴面下に沈降させる。
(b)ノズル等を介して粗粒ダスト７を溶鉄の浴面下に吹込む。
(c)粗粒ダスト７を容器内に収容して、その容器とともに電気炉内の溶鉄に装入して浴面下に沈降させる。
上記の(a)では、スクラップ等の固体鉄源と粗粒ダスト７を同時に装入することになる。ただし(b)，(c)では、粗粒ダスト７を固体鉄源と同時に装入しても良いし、あるいは固体鉄源が溶解した後で装入しても良い。
本発明では、このようにして粗粒ダスト７を電気炉に装入するにあたって、あらかじめ粗粒ダスト７に還元や混練等の加工を施す必要はない。しかも溶銑に含有されるＣによって粗粒ダスト７の酸化を防止できるので、粗粒ダスト７を大量に使用できる。
本発明では、このようにして粗粒ダスト７を電気炉に装入するにあたって、あらかじめ粗粒ダスト７に還元や混練等の加工を施す必要はない。しかも溶銑に含有されるＣによって粗粒ダスト７の酸化を防止できるので、粗粒ダスト７を大量に使用できる。
図１に示す方法で製鋼ダストから粗粒ダスト７を分別して回収しておき、電気炉で溶鉄を溶製する際に鉄源として使用した。すなわち、高炉から出銑した溶銑を電気炉に装入し、次いで上記した(a)の方法でスクラップと粗粒ダスト７を装入した。粗粒ダスト７の装入量は溶鉄１tonあたり90〜180kg／tonとした。この粗粒ダスト７の使用量は、従来から行なわれている電気炉ダストの使用量（10〜40kg／ton程度）の約５倍である。
このようにして電気炉を30日間連続して操業した。その間、溶鉄やスラグの突沸は発生せず、しかも１チャージの精錬時間も変動せず、操業上の問題は発生しなかった。つまり粗粒ダスト７を大量に使用しても、支障なく電気炉を操業できることが確かめられた。また得られた溶鉄の成分も、通常の操業と同程度の分布を示した。
図２は、粗粒ダスト７の使用量（kg／ton）と製出鋼歩留り（％）の変化量との関係を示すグラフである。ここで製出鋼歩留りとは、電気炉内に装入された粗粒ダスト７を除く鉄源の総量に対する溶解，出鋼された溶鉄の重量の比率を指す。図２から明らかなように、粗粒ダスト７の使用量が増加すると、製出鋼歩留りも増加した。またFeの回収率は平均90％であり、粗粒ダスト７中のFeが十分回収できたことが確かめられた。なお、Feの回収率とは、装入した粗粒ダスト７中のFe重量のうち、溶解または還元され溶鉄となった比率を指す。なおFeの回収率は、下記の(6)式で表わされる。
図２は、粗粒ダスト７の使用量（kg／ton）と製出鋼歩留り（％）の変化量との関係を示すグラフである。ここで製出鋼歩留りとは、電気炉内に装入された粗粒ダスト７を除く鉄源の総量に対する溶解，出鋼された溶鉄の重量の比率を指す。図２から明らかなように、粗粒ダスト７の使用量が増加すると、製出鋼歩留りも増加した。またFeの回収率は平均90％であり、粗粒ダスト７中のFeが十分回収できたことが確かめられた。なお、Feの回収率とは、装入した粗粒ダスト７中のFe重量のうち、溶解または還元され溶鉄となった比率を指す。なおFeの回収率は、下記の(6)式で表わされる。
回収率（％）＝（〔製出鋼歩留り変化量（％）÷100×1000〕÷
〔粗粒ダスト使用量（kg／ton）×粗粒ダスト中Ｔ.Fe（質量％）
÷100〕）×100 ・・・ (6)
図３は、溶銑率（％）と電力原単位（kWh／ton）との関係を示すグラフである。ここで電力原単位は、溶鉄１tonあたりの電力消費量である。図３から明らかなように、粗粒ダスト７を使用しない場合と粗粒ダスト７を使用する（すなわち溶鉄１tonあたり140kg／ton）場合は、いずれも溶銑率が増加すると、電力原単位が低下した。これは、溶銑率が増加することによって、初期の熱量が増大するからである。
〔粗粒ダスト使用量（kg／ton）×粗粒ダスト中Ｔ.Fe（質量％）
÷100〕）×100 ・・・ (6)
図３は、溶銑率（％）と電力原単位（kWh／ton）との関係を示すグラフである。ここで電力原単位は、溶鉄１tonあたりの電力消費量である。図３から明らかなように、粗粒ダスト７を使用しない場合と粗粒ダスト７を使用する（すなわち溶鉄１tonあたり140kg／ton）場合は、いずれも溶銑率が増加すると、電力原単位が低下した。これは、溶銑率が増加することによって、初期の熱量が増大するからである。
ただし、粗粒ダスト７を使用しない場合と粗粒ダスト７を使用する場合の電力原単位を比べると、粗粒ダスト７を使用することによって電力原単位が増加することが分かる。特に溶銑率が30％未満の範囲で、粗粒ダスト７を使用する場合の電力原単位が著しく増加した。これは、粗粒ダスト７が電気炉内で酸化されたからである。したがって、溶銑率の好適範囲は30％以上である。
ここで、粗粒ダスト７が電気炉内で全く酸化されない場合の電力原単位の増加量の理論値は、下記の(5)式で算出される。
電力原単位の増加量の理論値（kWh／ton）＝
ＤR1×Ｏ.Fe÷100×α÷β÷（１＋ＤR2） ・・・ (5)
ＤR1 ：粗粒ダストの使用量（kg／ton）
Ｏ.Fe：酸化鉄として存在するFe（質量％）
α ：定数680（kcal／kg）
β ：定数860（kWh／kcal）
ＤR2 ：粗粒ダストの使用量（ton／ton）
粗粒ダスト７の使用量が140kg／tonである場合、(5)式で算出される電力原単位の増加量の理論値は、11kWh／tonとなる。この理論値を図３中に点線で示す。図３から明らかなように、溶銑率が30％以上の範囲では、理論値と実測値がほぼ一致している。したがって、溶銑率が30％以上の範囲では、粗粒ダスト７の酸化が、ほぼ完全に抑制されていることが分かる。
電力原単位の増加量の理論値（kWh／ton）＝
ＤR1×Ｏ.Fe÷100×α÷β÷（１＋ＤR2） ・・・ (5)
ＤR1 ：粗粒ダストの使用量（kg／ton）
Ｏ.Fe：酸化鉄として存在するFe（質量％）
α ：定数680（kcal／kg）
β ：定数860（kWh／kcal）
ＤR2 ：粗粒ダストの使用量（ton／ton）
粗粒ダスト７の使用量が140kg／tonである場合、(5)式で算出される電力原単位の増加量の理論値は、11kWh／tonとなる。この理論値を図３中に点線で示す。図３から明らかなように、溶銑率が30％以上の範囲では、理論値と実測値がほぼ一致している。したがって、溶銑率が30％以上の範囲では、粗粒ダスト７の酸化が、ほぼ完全に抑制されていることが分かる。
以上のように、本発明によれば、電気炉の鉄源として安価な製鋼ダストから分別した粗粒ダスト７を使用して、電力原単位の増加を最小限に抑制しつつ、安定して電気炉を操業できる。しかも粗粒ダスト７を大量に使用できるので、原料コストを大幅に削減することによって、電力コストの上昇を補ない、溶鉄の製造コストの削減を達成できる。
１ 転炉
２ 溶鋼
３ ランス
４ フード
５ サチュレーター
６ 排ガス
７ 粗粒ダスト
８ 細粒ダスト
９ 粗粒ダスト排出口
10 細粒ダスト排出口
11 回収ダクト
12 排ガスダクト
13 集塵水
２ 溶鋼
３ ランス
４ フード
５ サチュレーター
６ 排ガス
７ 粗粒ダスト
８ 細粒ダスト
９ 粗粒ダスト排出口
10 細粒ダスト排出口
11 回収ダクト
12 排ガスダクト
13 集塵水
Claims (2)
- スクラップを固体鉄源として溶解して溶鉄を溶製する電気炉操業方法において、転炉の脱炭精錬で発生する排ガス中の製鋼ダストを集塵水によって分離して回収ダクト内へ誘導し、該回収ダクト内で粗粒ダストを沈降させ、該粗粒ダストを前記集塵水とともに前記回収ダクトの粗粒排出口から回収し、得られた粒径0.1mm以上の粗粒ダストを鉄源として加工を加えることなく電気炉内の前記溶鉄の浴面下に装入することを特徴とする電気炉操業方法。
- 前記電気炉内に溶銑率30％以上で溶銑を装入することを特徴とする請求項１に記載の電気炉操業方法。
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