JP5522320B1 - 製鋼スラグ還元処理方法 - Google Patents

Abstract

この製鋼スラグ還元処理方法は、電気炉内に収容された溶鉄上の溶融スラグ層に向けて、スラグ供給容器から熱間製鋼スラグを、前記スラグ供給容器により流入量を調整しつつ連続的又は間歇的に流入させる熱間製鋼スラグ流入工程と；前記溶融スラグ層に還元材を供給する還元材供給工程と；前記溶鉄及び前記溶融スラグ層を通電して加熱する通電加熱工程と；前記溶融スラグ層の溶融スラグ及び前記溶鉄の少なくとも一方を間歇的に排出しながら、前記熱間製鋼スラグの還元処理を非酸化性雰囲気で継続する還元処理工程と；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方法に関する。 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得、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処理対象物とするので、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方法が開示されている。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方法として、製鋼スラグの還元処理を行い、（ｉ）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ことを目的とする。

また、本発明は、同時に、（ｉｉ）Ｆｅ、Ｍｎ、及び、Ｐ等の有価元素を、溶鉄中に還元回収し、その後、（ｉｉ−１）Ｆｅ及びＭｎは、製鉄プロセスへリサイクルし、（ｉｉ−２）Ｐは溶鉄に酸化処理を施して酸化物として回収し、燐酸肥料や燐酸原料として利用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、電気炉内に収容された溶鉄上の溶融スラグ層に向けて、スラグ供給容器から熱間製鋼スラグを、前記スラグ供給容器により流入量を調整しつつ連続的又は間歇的に流入させる熱間製鋼スラグ流入工程と；前記溶融スラグ層に還元材を供給する還元材供給工程と；前記溶鉄及び前記溶融スラグ層を通電して加熱する通電加熱工程と；前記溶融スラグ層の溶融スラグ、又は、前記溶鉄を間歇的に排出しながら、前記熱間製鋼スラグの還元処理を非酸化性雰囲気で継続する還元処理工程と；を備える製鋼スラグ還元処理方法である。
（２）上記（１）に記載の製鋼スラグ還元処理方法では、前記熱間製鋼スラグ流入工程において、前記熱間製鋼スラグの前記溶融スラグ層への流入量を、前記電気炉へ供給する電力量に基づいて調整してもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の製鋼スラグ還元処理方法では、前記還元処理工程では、前記電気炉から排出される排ガスを、前記スラグ供給容器を経て排出してもよい。
（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方法では、前記溶融スラグ層に、スラグ改質材を連続的又は間歇的に供給するスラグ改質材供給工程を更に備えてもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の製鋼スラグ還元処理方法では、前記溶融スラグ層中に、前記溶融スラグとの還元反応に必要な化学量論量の１．１倍以上１．６倍以下の炭材を加えて懸濁させる懸濁工程を更に備えてもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の製鋼スラグ還元処理方法では、前記溶鉄中のＣ濃度が３質量％以下であってもよい。

上述の態様によれば、製鋼スラグを、低コストで、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、溶鉄中に還元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、燐酸肥料や燐酸原料として利用することができる。

本発明の一実施形態に係る製鋼スラグ還元処理方法を実施するための電気炉及びスラグ供給容器の一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る製鋼スラグ還元処理方法を実施するための電気炉及びスラグ供給容器の他の例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る製鋼スラグ還元処理方法を実施するための電気炉及びスラグ供給容器の他の例を示す模式図である。 中空電極を使用した場合における溶融スラグ層内の反応態様を示す図である。 溶鉄のＣ濃度と溶融スラグの（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）の関係を示す図である。 電気炉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）の経時推移を比較して示す図である。

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方法を考えると、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向けて流入する際、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、突沸現象の解決策を、「溶鉄のＣ濃度低下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・加炭を繰り返して行う必要があり、その結果、作業効率は悪くなる。

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、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、オーバーフローを防止しつつ供給するための具体的な方法として、
（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を、実験的に知見した。

また、
（ｃ）熱間製鋼スラグに、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）の方法と併用することで、より好適であることを知見した。

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、本発明の一実施形態に係る製鋼スラグ処理方法について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る製鋼スラグ処理方法が処理の対象とする製鋼スラグは、製鋼工程で発生したスラグであればよく、特定の成分組成のスラグに限定されない。

本実施形態に係る製鋼スラグ処理方法では、電気炉内に収容された溶鉄上の溶融スラグ層、すなわち、製鋼スラグに還元処理を施して生成された溶鉄上の溶融スラグの層（以下、単に「溶融スラグ層」ということがある。）に、熱間で流動性のある熱間製鋼スラグを後述するスラグ供給容器から連続的又は間歇的に流入させて、還元処理を継続して行う。
電気炉内には、例えば、１００〜１５０ｔｏｎの溶鉄を存在させておく。溶鉄のＣ濃度は、溶融スラグ中の酸化鉄を還元する還元能力に影響するので、目標とする溶融スラグの還元レベルに応じて設定することが好適である。

溶鉄のＣ濃度は、通常、１．５〜４．５質量％である。溶鉄のＣ濃度（質量％）と還元処理後の溶融スラグの（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）（質量％）は相関することを試験的に見出した。具体的には、試験炉で、溶鉄中のＣ濃度（質量％）の濃度を変更させた条件で、還元処理後の溶融スラグ中の（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）（質量％）の関係を測定することにより見出した。

図５に、その結果を示す。溶鉄のＣ濃度が３質量％を超えると、溶融スラグ中の酸化鉄の還元がより促進されて、溶融スラグの（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）が２質量％以下に減少することが解る。尚、この試験では、還元処理前の製鋼スラグの（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）は、１８．６質量％であった。

溶鉄の成分組成は特に限定されないが、一例を表１に示す。ただし、Ｍｎ及びＰの含有量（［Ｍｎ］、［Ｐ］）は、溶融スラグの還元の進行とともに増加傾向となる。

図１に、本実施形態に係る製鋼スラグ還元処理方法を実施するための電気炉１及びスラグ供給容器９を一例として示す。

電気炉１の左上部には、熱間（例えば３００℃以上）で流動性のある熱間製鋼スラグ６’を、スラグ供給部４を介して電気炉１内に流入させるスラグ供給容器９が設けられている。このスラグ供給容器９は、例えば傾動軸ｚを中心に任意の角度に傾動可能な構成とすることで、熱間製鋼スラグ６’の電気炉１への流入量が調整できる。

この電気炉１は、炉壁に開口のない、密閉型での固定式の直流電気炉である。また、スラグ供給容器９には排気部１３が設けられ、この排気部１３から、電気炉１内で発生した排ガスがスラグ供給部４を介して排気される。

この排気部１３が外部の集塵機（図示なし）に接続される場合には、スラグ供給容器９の雰囲気を常に負圧状態とすることができるため、好ましい。この場合、スラグ供給容器９と電気炉１との接続部の隙間等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。

電気炉１を密閉型とし、スラグ供給容器９を排気経路とすることで、電気炉１内の雰囲気は、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を主成分とする非酸化性雰囲気（還元雰囲気）に維持される。このため、電気炉１内に収容された溶鉄５上の溶融スラグ６の表面での酸化反応を防止できる。

ここで、図６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）（％）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、電気炉１の炉壁に開口があると、電気炉１内が大気雰囲気となり、溶融スラグ６の表面で再酸化が起きる。還元材の吹込みが終了すると、再酸化の影響で、溶融スラグ６の（Ｔｏｔａｌ Ｆｅ）が増加し始めた。

一方、電気炉１の炉壁に開口がないと、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）は減少した。

電気炉１の底部側には、溶鉄５が収容され、溶鉄５の上には、スラグ供給容器９から流入させた熱間製鋼スラグ６’が還元処理されて得られた溶融スラグ６の層（溶融スラグ層）が形成されている。スラグ供給容器９と、熱間製鋼スラグ６’の電気炉１への流入については後述する。

電気炉１は、前述したように、密閉型で固定式の直流電気炉で、上部電極２ａと炉底電極２ｂが鉛直方向に対をなす電極２を備えている。この電極２により、溶鉄５及び溶融スラグ６の層を通電して加熱することができる。電気炉１の炉側壁１ａには、溶融スラグ６を間歇的に出滓する出滓孔７を備え、炉側壁１ｂには、溶鉄５を間歇的に出銑する出銑孔８を備えている。

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は同一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良い。なお、炉側壁１ａ、炉側壁１ｂ、及び、炉天井１ｃは、ジャケット又は散水冷却（図示なし）で冷却されている。

電気炉１は、溶鉄５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５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管１４ａが設けられていてもよい。図２に、炉天井１ｃに副原料供給管１４ａを設けた態様を示す。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、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。

電気炉１に副原料吹込ランス１４ｂを設け、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３に、電気炉１の炉天井１ｃに、炉天井１ｃを貫通して副原料吹込ランス１４ｂを設けた態様を示す。

スラグ供給容器９は、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を備え、開口部１３ａは、スラグ鍋（図示なし）から熱間製鋼スラグ６’の供給がないとき、蓋１３ｂで閉塞されていてもよい。スラグ供給容器９は、熱間製鋼スラグ６’を改質する改質材を添加する添加装置（図示なし）を備えていてもよい。

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、
（ｉ）スラグ鍋から開口部１３ａを経て流入される熱間製鋼スラグ６’を、一旦、貯留・保持し、その後、電気炉１に、流入量を調整しつつ、スラグ供給部４から、溶鉄５上の溶融スラグ６の層に向けて流入させる場合、
（ｉｉ）スラグ鍋から開口部１３ａを経て流入される熱間製鋼スラグ６’を、一旦、貯留・保持することなく、そのまま、溶鉄５上の溶融スラグ６の層に流入させる場合、
のいずれの場合にも対応可能である。スラグ鍋から供給される熱間製鋼スラグ６’の量に応じて、適宜、好適な流入方法を使い分けることができる。

スラグ供給容器９の下壁１０は、耐火物で構成され、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。また、スラグ供給容器９は、スラグ供給部４を介して、電気炉１と連結されている。

スラグ供給容器９には、ＣＯ及びＨ_２を含む排ガスに、酸素又は酸素含有ガスを吹き込むノズル１２が設けられていてもよい。スラグ供給容器９内で排ガスを燃焼させることにより、熱間製鋼スラグ６’の凝固付着を防止し、また、熱間製鋼スラグ６’の温度を充分な流動性を確保できる温度に維持する。当該温度は、例えば、一般的な製鋼スラグであれば１３００℃以上が例示できる。但し、流動性が確保できていれば、下限温度としてこの温度に限定されるものではなく、例えば８００℃以上でも良く、さらには３００℃以上であっても良い。

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６’がスラグ供給容器９に付着しない温度まで上昇しない場合があるので、スラグ供給容器９に、燃焼バーナー１２ａを設けてもよい。

スラグ供給容器９には、傾動装置（図示なし）が配備されている。傾動装置で、スラグ供給容器９を、傾動軸ｚを中心に傾動して、熱間製鋼スラグ６’の表層の製鋼スラグを、電気炉１内に、スラグ供給部４から流入させる。具体的な供給方法については、後述する。

＜電気炉への溶融スラグの流入方法＞
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６’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、熱間製鋼スラグ６’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。

本実施形態に係る方法が処理の対象とする熱間製鋼スラグ６’は、連続的又は間歇的に電気炉１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るものではないが、例えば、１４００℃位で３０％以下程度であれば、電気炉１に流入させ得る流動性を備えているため、好適である。なお、固相率は、市販のソフトを用いて算出できる。

スラグ供給容器９を傾動して、スラグ供給容器９内の熱間製鋼スラグ６’を、溶融スラグ６が電気炉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、連続的に、又は、間歇的に流入させる。熱間製鋼スラグ６’を間歇的に流入させる場合、
（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、一括して供給する態様
を採用し得る。

熱間製鋼スラグ６’の流入量は、電極２への供給電力量で決定される。即ち、製鋼スラグ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。

尚、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、熱間製鋼スラグ６’の流入量や、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。

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内に流入させる際、温度の高い表層の熱間製鋼スラグ６’から、電気炉１内に流入させる。これにより、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、このスラグ供給容器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溶融スラグ６がフォーミング状態になり、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で、沈静化を図ることが推奨される。

なお、オーバーフロー等の異常事態に至るか否かは、監視カメラによる炉内状況及び炉外状況の監視、サウンドメーターによる熱間製鋼スラグ６’の挙動の監視、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することができる。

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、スラグ供給容器９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）とを併用してもよい。

（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ることができ、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の接触機会も低減できるため、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。

次に、電気炉１内での溶融スラグ６の処理方法について説明する。

＜溶融スラグの処理＞
電気炉１内に、予め、相当量の溶鉄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見合う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に向けて流入させ、溶融スラグ６の層を継続的に維持する。

熱間製鋼スラグ６’を連続的に電気炉１に供給する場合、供給速度は、長期的には、電極２への電力供給速度に合致させなければならないが、短期的には、電極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。

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。

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６’の量に対応する量の還元材を、電気炉１内に供給する必要がある。

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。

還元材の吹込方法は、炉天井１ｃに設けた副原料供給管１４ａから、連続的又は間歇的に供給する方法（図２、参照）を用いてもよく、前述したように、中空電極の中空部又は副原料吹込ランス１４ｂから供給することもできる（図１、図３、参照）。このとき、還元材にスラグ改質材及び含鉄原料の少なくとも一方を混合して、連続的又は間歇的に吹き込んでもよい。

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、
を併用しても良い。
還元処理に必要な量に対して過剰量として、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倍の還元材（粉炭）を溶融スラグ６に吹き込んで懸濁させることが好適である。

還元材（粉炭）が化学量論量の１．１倍未満であると、還元材（粉炭）の添加によるフォーミング抑制効果が発現し難く、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、
を併用してもよい。
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って電気炉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。

本実施形態に係る方法においては、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から電気炉１内に連続的に、又は、間歇的に流入させながら、還元処理された溶融スラグ６を、炉底側壁に設けた出滓孔７から間歇的に出滓し、また、溶鉄５を出銑孔８から間歇的に出銑する。その結果、電気炉内１では、熱間で流動性のある熱間製鋼スラグ６’が流入されて形成される溶融スラグ６の還元処理を中断することなく継続することができる。

即ち、本実施形態に係る方法においては、
（ａ）熱間製鋼スラグ６’を電力供給速度に応じて電気炉１内に連続的又は間歇的に流入させることができ、かつ、電気炉１内の溶融スラグ層の温度変動が小さくでき、また、
（ｂ）溶融スラグ６と溶鉄５が急激に反応して突沸現象が生じる確率が減るので、還元処理後の溶融スラグ６を間歇的に出滓して、熱間製鋼スラグ６’が流入した電気炉１内の溶融スラグ６の還元処理を、中断することなく効率よく継続することができる。

ここで、図４に、中空電極を使用した場合における溶融スラグ層内の反応態様を示す。図４に示す反応態様においては、中空電極３から、炭材粉Ｃ（還元材）を、アークＡで加熱されている溶融スラグ６に吹き込んでいる。

炭材粉Ｃは、溶鉄５に移行せず、溶融スラグ６中に懸濁するので、溶鉄５と溶融スラグ６の界面で、ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ↑の反応は起き難く、溶融スラグ６の内部で、ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ↑の反応が優先的に進行し、生成した還元鉄（図中、Ｆｅ）は、溶鉄５に移行する。

溶融スラグ６の処理においては、溶融スラグ６の温度を常時監視することが好ましく、溶融スラグ６の温度が上昇傾向又は下降傾向にある場合には、一時的には電力供給量を調整しても良い。また、温度変動が小さい場合には、熱間製鋼スラグ流入速度、及び／又は、炭材供給速度を変更して、溶融スラグ６の温度をほぼ一定に保持することができる。

電気炉１内での溶融スラグ６の層厚は、操業条件に合わせ適宜調整するが、１００〜８００ｍｍが好ましく、１００〜６００ｍｍがさらに好ましい。溶融スラグ６の層厚が薄い場合には、アークフレームが露出して、輻射熱の損失が増加する。溶融スラグ６の層厚が厚い場合には、電極と溶融スラグ６の接触面積が増え、電極２の消耗が助長される。溶融スラグ６の層厚が厚いと、電圧を上げなければならない。但し、電圧を上げると、炉壁と放電しやすくなることがあるため、この点を考慮して、電圧の上限を設定することが重要である。

電気炉１内の溶融スラグ６の層厚が、所定のレベルに達した場合には、出滓孔７を開孔して、溶融スラグ６を電気炉１外に排出する。また、溶融スラグ６と溶鉄５との界面が出滓孔７近傍に近づいた場合には、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と溶鉄５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＞
電気炉１内で溶融スラグ６は炭素によって還元され、還元鉄は溶鉄５内に、還元されたスラグは、溶鉄５上の溶融スラグ層内に蓄積される。例えば、溶融スラグ６は、１時間に１回、約４６トン、出滓孔７から排出され、溶鉄５は、５時間に１回、約４４トン、出銑孔８から排出される。排出スラグの組成及び排出溶鉄５の組成の例を、表２及び表３に示す。

なお、熱間製鋼スラグ６’の流入、還元処理後の溶融スラグ６の排出を繰り返していくと、溶鉄組成の［Ｍｎ］（Ｍｎ濃度）及び［Ｐ］（Ｐ濃度）は増加傾向となり、還元力が衰えるので、適宜、電気炉１内の溶鉄５を入れ替える。

出滓孔７から排出された溶融スラグ６は、その場で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。即ち、排出した溶融スラグ６は、急速冷却により結晶化を阻止し、セメント原料とするか、又は、緩冷却により結晶化を促進して、土工用、天然石代替等の用途に利用する。急速冷却の方法としては、水砕処理があり、また、緩冷却方法としては、鋳型内自然冷却等がある。

出銑孔８から排出された溶鉄５は、Ｐ濃度が高いので、酸素又は酸化鉄と脱燐材を添加して、脱燐処理を施す。Ｐ：０．０８０〜０．１５０質量％まで溶鉄５を脱燐した後、溶融状態で、高炉溶鉄と混合してリサイクルするか、鋳造して型銑として利用する。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燐の蓄積を回避する。

その際、脱燐材としては、転炉スラグを主体として、生石灰、ドロマイト、ソーダ灰、鉱石粉、カルシウム−フェライト等を適宜添加する。また、温度が低い場合には、酸素吹精を実施してよい。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。脱燐処理によって生成した脱燐スラグは、例えば、Ｐ_２Ｏ_５が１０質量％以上と高いため、燐酸肥料の原料とするか、又は、工業用燐酸原料として利用することができる。

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２に示す装置において、転炉から排出された熱間製鋼スラグ６’を高温溶融状態（固相率３０％以下）で、スラグ供給容器９に流入させて、一旦、収容・保持した。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６’を、直流電気炉１に間歇的に流入させた。

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存在している条件で、熱間製鋼スラグ６’を流入させた。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、平均すると、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、外気に通じる開口はないので、電気炉１内は還元雰囲気に維持された。電気炉１に流入された溶融スラグ６の組成及び温度を表４に示す。

電気炉１内には、表１に示す成分組成の銑鉄（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の厚さで存在させた。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６の還元処理を、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。

溶融スラグ６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の成分組成及び溶鉄５の成分組成を、表２及び表３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供給したところ、電力原単位は１３１４ｋＷｈ／ｔ−ｓｌａｇであった。

（実施例２）
電極２に中空電極３を用いたこと、および、スラグ改質材と還元材の供給を、副原料供給管１４ａに替えて中空電極３の中空部を副原料供給管１４ａとして使用したこと以外は、実施例１と同様の条件で、溶融スラグ６の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：１５５０±５℃となるように制御した。溶融スラグ６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６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の成分組成及び溶鉄５の成分組成は、表２及び表３に示す成分組成とほぼ同じであった。

（実施例３）
電気炉１内には、表７に示すようにＣ濃度が実施例１〜２よりも高い成分組成の銑鉄（Ｃ；４．１質量％）を用いたこと、及び、スラグ供給容器９を５分に１回の頻度で傾動して、熱間製鋼スラグ６’の流入量を１回：約４トンと設定したこと以外は、実施例１と同じ条件で、スラグの還元処理を行った。

なお、熱間製鋼スラグ６’の流入量を１回：約４トンと設定したのは、事前の実機試験により、溶銑のＣ濃度が実施例１〜２よりも高い実施例３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。その結果、溶融スラグ６の還元処理を、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６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の成分組成及び溶鉄５の成分組成を、表５及び表６に示す通り、スラグが還元されており、溶鉄５中にはＰやＭｎが濃化されていることが判った。

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６’を一括で流入させ、実施例３においては、５分間隔で、１回当り、約４トンの熱間製鋼スラグ６’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６’の流入速度は、平均すると、８００ｋｇ／ｍｉｎであった。

このことは、熱間製鋼スラグ６’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１〜３は、熱間製鋼スラグ６’の連続流入を実証する実施例でもある。

（比較例）
表４に示す成分組成の熱間製鋼スラグ６’を還元するため、表１に示す成分組成の溶鉄５を収容した電気炉１内に、製鋼スラグ２０トンを、熱間状態で一括供給した。熱間製鋼スラグ６’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。

前述したように、本発明によれば、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、溶鉄中に還元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、燐酸肥料や燐酸原料として利用することができるので、本発明は、鉄鋼産業の精錬技術において利用可能性が極めて高いものである。

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
３ 中空電極
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
１４ａ 副原料供給管
１４ｂ 副原料吹込ランス
Ａ アーク
Ｃ 炭材粉
Ｆ ＦｅＯ粉
ｚ 傾動軸

Claims (6)

1. 電気炉内に収容された溶鉄上の溶融スラグ層に向けて、スラグ供給容器から熱間製鋼スラグを、前記スラグ供給容器により流入量を調整しつつ連続的又は間歇的に流入させる熱間製鋼スラグ流入工程と；
   前記溶融スラグ層に還元材を供給する還元材供給工程と；
   前記溶鉄及び前記溶融スラグ層を通電して加熱する通電加熱工程と；
   前記溶融スラグ層の溶融スラグ、又は、前記溶鉄を間歇的に排出しながら、前記熱間製鋼スラグの還元処理を非酸化性雰囲気で継続する還元処理工程と；
   を備えることを特徴とする製鋼スラグ還元処理方法。
2. 前記熱間製鋼スラグ流入工程では、前記熱間製鋼スラグの前記溶融スラグ層への流入量を、前記電気炉へ供給する電力量に基づいて調整する
   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方法。
3. 前記還元処理工程では、前記電気炉から排出される排ガスを、前記スラグ供給容器を経て排出する
   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方法。
4. 前記溶融スラグ層に、スラグ改質材を連続的又は間歇的に供給するスラグ改質材供給工程を更に備える
   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方法。
5. 前記溶融スラグ層中に、前記溶融スラグとの還元反応に必要な化学量論量の１．１倍以上１．６倍以下の炭材を加えて懸濁させる懸濁工程を更に備える
   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方法。
6. 前記溶鉄中のＣ濃度が３質量％以下である
   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方法。

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