以下、本発明の実施の形態に係る溶鉄製� ��方法で使用するアーク加熱式溶解炉を図面� ��基づいて詳細に説明するとともに、本発明� ��実施の形態に係る溶鉄製造方法を、固体還� ��鉄、炭材および造滓材を前記溶解炉に装入� ��てアーク加熱で固体還元鉄を溶解して溶鉄� ��、スラグ層および炭材被覆層を形成する工� ��(以下、「溶解工程」ということがある。)� �、溶解工程で生成した溶鉄およびスラグを� �記溶解炉から排出する工程(以下、「出銑滓� ��程」ということがある。)と、前記溶解炉の 補修を行う際の工程(以下、「補修工程」と� �うことがある。)に分けて詳細に説明する。

〔アーク加熱式溶解炉の構成〕
 図1に、本発明の一実施形態に係るアーク加 熱式溶解炉の概略構成を示す。本実施形態に 係るアーク加熱式溶解炉(以下、単に「炉」� �いうこともある。)1は、従来の製鋼用アーク 電気炉と同様、炉蓋2を介して排ガスダクト3� ��よび原料装入シュート4が接続され、炉蓋2� �設けられた電極孔5を介して電極6が炉内に挿 入されており、炉底7には複数の底吹き羽口8� ��設けられ、炉壁9の下部にはタップホール10� ��設けられている。原料装入シュート4は、原 料である固体還元鉄B、炭材Cおよび/または造 滓材Dの装入に用いる。タップホール10は溶鉄 の排出(すなわち、出銑)およびスラグの排出( すなわち、出滓)に用いる。アーク加熱式溶� �炉1では、電極6と溶湯の間で発生するアーク を主な加熱源としているため、炭材の燃焼熱 を得る目的で炉内に酸素ガスを供給しなくて もよい。また、使用する電極によっては、そ の材質に起因して投入電流が低く制限される サブマージドアーク炉と比べて、使用する電 極の材質による制限が緩いアーク加熱式溶解 炉1は電流値を大きくすることで、投入エネ� �ギーを増加させることができる。そのため� �溶鉄の生産性が優れる。

 電極6としては、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、特に推奨される。

 また、電極6の先端部を後記溶融スラグ層 12中に位置させ(浸漬させ)つつ、溶解操作を� �うのが好ましい。これにより、アークによ� �輻射加熱と抵抗加熱の効果を並存させるこ� �ができ、溶解をより促進することができる� �

 〔溶解工程〕
 種湯としてアーク加熱式溶解炉1内に蓄えら れた溶鉄からなる溶鉄層11中に複数の底吹き� ��口8から例えば窒素ガス等の不活性ガスAを� �き込んで溶鉄層11を攪拌しつつ、炭材内装酸 化鉄塊成化物を図示しない回転炉床炉で加熱 還元して得られた固体還元鉄Bを、例えば石� �等の炭材C、および、例えば生石灰、軽焼ド� ��マイト等のCaO含有物質や珪石等のSiO ₂ 含有物質等の造滓材Dとともに、例えば重力� �利用した落とし込み方式の原料装入シュー� �4を介して、アーク加熱式溶解炉1の上方から 炉内に装入する。そして、電極6でアーク加� �を行う。このアークを加熱源として、固体� �元鉄Bが溶解されて溶鉄11が製造される。そ� �際、スラグも生成される。なお、固体還元� �B中には未還元酸化鉄(FeO等)が残存しており� �この未還元酸化鉄は、後記溶鉄層11中の炭素 および炭材C中の炭素分を還元剤として、FeO+C →Fe+CO等の反応により、金属鉄(Fe)に還元され るとともにガスを排出する。

 固体還元鉄Bとして、例えば鉄鉱石、製鉄 所ダスト等の酸化鉄源と例えば石炭等の炭素 質還元剤とからなる粉状混合物を塊成化した 炭材内装酸化鉄塊成化物を例えば回転炉床炉 等の移動式加熱還元炉で加熱還元して得られ たものを用いることができる。

 固体還元鉄Bは、上記図示しない回転炉床 炉とアーク加熱式溶解炉1との設置場所の遠� �等に応じて、上記回転炉床炉で製造した高� �のものを実質的に冷却することなく、熱い� �まアーク加熱式溶解炉1に装入してもよいし� ��上記図示しない回転炉床炉で製造した後、� ��温まで冷却したものをアーク加熱式溶解炉1 に装入してもよい。また、固体還元鉄Bの金� �化率は、アーク加熱式溶解炉1の炭材消費量� ��低減する観点からは、できるだけ高いもの� ��好ましいが、過度に高いものを用いると、� ��元鉄の電気伝導度が高くなりすぎて還元鉄� ��溶解速度が過大となり、生成した溶鉄への� ��炭(加炭)量や溶鉄の脱硫率が低下する傾向� �みられる。したがって、固体還元鉄Bの金属� ��率は、60~95%のものを使用するのが望ましく� ��その下限は80%、さらには90%とするのがより� ��ましい。

 本発明の実施の形態に係る溶鉄製造方法� ��は、炭材Cの装入時期および装入量を調整し て、図2の模式図に示すように、溶鉄層11上に 形成された溶融スラグ層12の上層部に、炭材C の一部を懸濁させた炭材懸濁スラグ層13と、� ��らにこの炭材懸濁スラグ層13の上に炭材Cの� ��からなる炭材被覆層14とを形成させる。

 スラグ層12の上層部に炭材懸濁スラグ層13 を形成することで、炭材懸濁スラグ層13中の� ��ラグの酸化鉄濃度が低下して、フォーミン� ��の原因となる一酸化炭素ガスの気泡(以下、 「CO気泡」ということもある。)の生成速度が 低下するとともに、スラグ中に存在する炭材 によりスラグ層12から該CO気泡が抜けやすく� �り、フォーミングが起こりにくくなる。

 さらに、炭材懸濁スラグ層13の上方に炭� �被覆層14を形成することで、スラグ層12が炭� ��被覆層14によって保温されるので、出滓時� �タップホール10内でスラグが冷えて固まるこ とが防止される。そのため、炉を傾動するこ となく、円滑で迅速な出滓作業が行えるよう になり、安定性かつ生産性に優れた溶鉄製造 方法が実現できる。

 上記の作用効果をより確実に奏させるた� ��に、固体還元鉄Bおよび造滓材Dを装入する� �に、炭材Cのみを種湯としての溶鉄が炉内に� ��えられているアーク加熱式溶解炉1に装入す ることが好ましい。固体還元鉄Bの溶解初期� �階から、溶鉄層11の上に存在する炭材Cが、� �ぐに溶融スラグ層12の上層で懸濁して、炭材 懸濁スラグ層13をより確実に形成するからで� ��る。

 上記の作用効果をより確実に奏させるた� ��に、溶鉄の排出(出銑)開始時において、炭� �懸濁スラグ層13中の炭材と炭材被覆層14の炭� ��の合計量(すなわち、炉内残留炭材量)を、� �融スラグ層12中のスラグ1000kg当たり100~300kgと することも好ましい。100kg以上であれば、炭� ��懸濁スラグ層13中の炭材量が多くなるとと� �に、炭材被覆層14が厚くなるため、上記フォ ーミング防止効果および出滓作業の円滑・迅 速化の効果が大きくなり、一方、300kg以下で� ��れば、炭材被覆層14の炭材が加熱により一� �化しないので、スラグ層12の攪拌が不十分に ならず、固体還元鉄Bの溶鉄層11中への溶解速 度が低下しないからである。より好ましい上 記炭材の合計量は、溶融スラグ層12中のスラ� ��1000kg当り200~300kgである。

 ここに、炉内残留炭材量は、例えば、炉� ��へ装入された炭材量から、固体還元鉄中の� ��還元酸化鉄の還元に使用された炭材量と、� ��成した溶鉄への浸炭に使用された炭材量と� ��排ガス中へダストとして飛散した炭材量と� ��合計量を差し引くことで算出できる。また� ��溶融スラグ層12中のスラグ量は、例えば、� �内へ装入された、固体還元鉄中の脈石量と� �炭材中の灰分量と、造滓材量から生成スラ� �量を算出し、この生成スラグ量から、出滓� �れたスラグ量を差し引くことで算出できる� �

 炭材Cとして、石炭以外に、例えば、コー クス、オイルコークス、木炭、木材チップ、 廃プラスチック、古タイヤ等や、回転炉床炉 で使用した床敷炭材(チャー化したものを含� �)を装入することができる。これらは単独で� ��用してもよいし、2種以上を併用してもよい 。

 なお、造滓材Dとして、CaO含有物質だけでな く、SiO ₂ 含有物質である珪石を例示したのは、酸化鉄 源として、CaO含有量の高い電気炉ダストなど を使用する場合、スラグ塩基度の調整のため にSiO ₂ 源を添加する必要があることを考慮したもの である。

 上記炭材懸濁スラグ層および炭材被覆層� ��形成する観点から、また、溶鉄およびスラ� ��の成分や温度を調整する観点から、固体還� ��鉄Bの溶解中に各種原料を装入することが好 ましい。

 底吹き用の窒素ガス(不活性ガスA)の流量は� ��溶鉄層11を十分に攪拌して固体還元鉄Bの安� ��した溶解速度を確保するため、該溶鉄層11� �溶鉄1トン当たり0.01~0.20Nm ³ /minの範囲で調整するとよい。

 なお、スラグ層12の流動性を確保するとと� �に溶鉄からの脱硫を促進するため、スラグ� �12の塩基度CaO/SiO ₂ (質量比)は0.8~2.0、さらには1.0~1.6の範囲で調� �するのが好ましい(後記実施例、図3参照)。

 溶鉄中の炭素の含有量は3質量%以上が好� �しく、3.5~4.5質量%がより好ましい。また、ス ラグ層12中のスラグの鉄含有量は5質量%以下� �好ましく、3質量%以下がより好ましい。これ により、溶鉄層11からの脱硫が促進されると� ��もに、溶融酸化鉄による炉内張り耐火物の� ��損も抑えられるので好ましい。

〔出銑滓工程〕
 上記のようにして一定時間溶解操作を継続� ��ることで、アーク加熱式溶解炉1内で所定量 (例えば、1タップ分)の蓄銑滓が行なわれる。 そして、出銑滓を行う。出銑滓は、高炉での 出銑滓作業と同じく、炉を傾動することなく 直立させたまま、タップホール10をドリルで� ��孔し、先ず溶鉄を、その浴面がタップホー� ��10のレベルになるまで排出する。引き続い� �スラグの排出を行う。先に熱容量の大きい� �鉄を排出することで、タップホール10が温め られるので、その後にスラグを引き続いて排 出しても、タップホール10がスラグの固化で� ��塞されるのを防止することができる。なお� ��スラグの固化をより確実に防止するため、� ��銑温度(出湯温度ともいう。)は、1400℃以上� ��さらには1450℃以上とするのが好ましい(後� �実施例、図4参照)。ただし、出銑温度(出湯� �度)を上げすぎると、エネルギーの無駄であ� ��ばかりでなく、炉内張り耐火物の損耗速度� ��上昇するので、1550℃以下とするのが好まし い。

 なお、スラグフォーミングをより確実に� ��止するため、溶融スラグ層12の厚みが、フ� �ーボード15の高さの1/5以下の範囲となるよう に、フリーボード高さを設定し、これに合わ せて出銑滓のサイクル時間を決定するのが好 ましい。

 さらに、スラグは、炉内で炭材懸濁スラ� ��層13の存在によりフォーミングが防止され� �その密度が高く維持されているので、出滓� �、スラグの熱容量が高く維持されるととも� �、スラグは、炉内で炭材被覆層14の存在によ り保温されているので、出滓中、たとえアー ク加熱を中断ないし減少しても、スラグが冷 却され固化することが防止される。

 そして、スラグの排出は、タップホール1 0からスラグに混じって炭材が排出され始め� �こと、すなわち、炭材懸濁スラグ層13が排出 され始めたことをもって終了とし、タップホ ール10をマッドで閉塞すればよい。

 これにより、炉内には、炭材懸濁スラグ� ��13と炭材被覆層14が残存することとなるので 、次の溶解操作時においても、スラグのフォ ーミングを防止し、保温する効果が確実に維 持される。

 このようにして、本発明の実施の形態に� ��る溶鉄製造方法を繰り返すことで、スラグ� ��ォーミングを防止しつつ、円滑で迅速な出� ��作業が繰り返し行える。また、炉を傾動す� ��ことなく直立させたまま出銑滓作業を行え� ��ので、出銑滓作業中においても、溶解操作� ��継続することが可能である。このため、本� ��明の実施の形態に係る溶鉄製造方法では溶� ��の生産性を高くすることができる。

〔補修工程〕
 本発明の実施の形態に係る溶鉄製造方法で� ��、底吹き羽口8を用いることにより、該羽口 8の溶損や詰まり、該羽口8周りの炉底耐火物� ��損耗等が発生するため、定期的な点検・補� ��作業を必要とする。このため、従来の製鋼� ��アーク電気炉と同様、アーク加熱式溶解炉1 の炉側の最下部にエンドタップホール16を設� ��ておき、例えば数日間に1回、該アーク加熱 式溶解炉1を20°以内の角度だけ傾動して、エ� ��ドタップホール16から残銑滓を排出し、炉� �空にしてから点検・補修作業を行うことが� �ましい。

 点検・補修作業終了後の再立ち上げは、� ��えば、本作業前に炉から排出した残銑を別� ��取鍋等で保温しておき、これを種湯として� ��度炉に装入して用いればよい。なお、残銑� ��の排出時に炉内壁耐火物表面にスラグや地� ��が付着するが、その付着層表面には炭材懸� ��スラグ層13および炭材被覆層14中の炭材が被 覆するので、点検・補修中、炉を保温してお くためにバーナで加熱しても、スラグや地金 の酸化が防止され、再立ち上げの種湯装入時 における突沸や、次回の吹練時におけるスラ グフォーミングを防止することができる。

(変形例)
 上記実施形態では、タップホール10は1箇所� ��け設けた例を示したが、炉耐火物の溶損に� ��う炉内底面レベルの低下や、出銑滓サイク� ��時間の変更への対応が可能なように、高さ� ��向に複数箇所設けておくのが好ましい。ま� ��、タップホール10は、炉の水平円周方向に� �数箇所、例えば180°の方向、90°の方向、120° の方向に設けてもよい。

 上記実施形態では、固体還元鉄Bは、回転 炉床炉で製造されたものを例示したが、直線 炉やロータリキルンで製造されたものを用い てもよい。

 上記実施形態では、炭材Cおよび造滓材D� �炉への装入は、重力による落とし込み方式� �例示したが、例えばこれらを微粉砕してス� �グ層中へ直接吹き込むことも可能である。� �だし設備コストおよび操業コストを抑制す� �観点から、重力による落とし込み方式が好� �しい。

 また、上記実施形態では、底吹き用の不活� ��ガスAとして、窒素ガス(N ₂ )を例示したが、アルゴンガス(Ar)、一酸化炭� ��ガス(CO)、二酸化炭素ガス(CO ₂ )、または、これらのいずれか2種以上の混合� ��スを用いることもできる。