JP2006176860A - 部分還元鉄の製造方法及び部分還元鉄製造用竪型シャフト炉 - Google Patents

Abstract

【課題】縦型シャフト炉を用い、還元材内装塊成鉱を含む移動層を形成して、還元材内装塊成鉱を迅速に還元し、溶鉱炉装入原料として好適な部分還元鉄を製造する製造方法およびその装置を提供する。
【解決手段】縦型シャフト炉１の炉頂部から、還元材内装塊成鉱６と加熱装置２で予め加熱された金属セラミックス球８を混合して装入して、炉内を降下する移動層１４を形成し、炉内上部の還元帯域１５にて、金属セラミックス球からの伝熱により還元材内装塊成鉱を加熱還元し、部分還元鉄１８とし、炉内下部の冷却帯域１６にて、部分還元鉄を、冷却装置９で冷却するとともに、炉最下部から吹き込む冷却ガス１２で冷却し、炉底部から、部分還元鉄と金属セラミックス球を分離して排出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、縦型シャフト炉を用い、炉内に、還元材内装塊成鉱を含む移動層を形成し、該移動層の降下中に、還元材内装塊成鉱を加熱して部分的に還元し、冷却・排出して、高炉等の溶鉱炉用の装入原料としての部分還元鉄ペレットを製造する方法、及び、そのための縦型シャフト炉に関するものである。

従来から、溶鉱炉で銑鉄を製造するための主な原料として、鉄鉱石と副原料を予備処理（焼結、焼成）した焼結鉱や、焼成ペレットが用いられている。しかし、高品位鉱が枯渇しつつある現状では、これまで使用されていなかった貧鉱や、新産地の鉄鉱石を、多種の銘柄に渡り使用しなければならない。

この場合、銘柄単味で用いる場合もあるし、各種銘柄を混合して用いる場合もあるが、これら鉄鉱石の特性は、産地にもより多種多様であり、従来の焼結技術や焼成技術に従って焼結鉱や焼成ペレットを製造しても、溶鉱炉内で期待どおりの還元挙動が得られない場合がある。

こうした状況下で、高炉の生産性を高めた操業を指向する際には、高炉原料の一つとして部分還元鉄を用いた高炉操業が有効と考えられている。従来の還元鉄製造方法としては、還元ガスとして天然ガスを用いてシャフト炉内で焼成ペレット等を還元するＭＩＤＲＥＸ法やＨｙＬ法等が知られている（例えば、非特許文献１、参照）。

しかし、これらの還元鉄製造方法を用いて、好ましくは還元率８５〜９０％程度の部分還元鉄を製造するためには、多量の天然ガスを必要とし、かつ、長時間の還元時間が必要であるため、高炉等の溶鉱炉用の原料の一つとして部分還元鉄を採用する場合に、銑鉄の製造コスト増加ならびに生産性低下などの課題があった。

それ故、天然ガスを用いた上記還元鉄の製造方法に比べて、より安価で還元効率に優れた還元材を利用したプロセスにより、安価かつ高効率的で還元率８５〜９０％程度の部分還元鉄を製造する方法が望まれている。

第３版鉄鋼便覧 第II巻 製銑・製鋼 Ｐ３２９〜３４１、Ｓ５４．１０．１５発行

本発明は、上記鉄鉱石事情に鑑み、高炉等の溶鉱炉用の装入原料を安価かつ高効率で事前に部分還元する方法と、そのための縦型シャフト炉を提供することを目的とする。

具体的には、本発明は、縦型シャフト炉を用い、炉内に、還元材内装塊成鉱と加熱媒体からなる移動層を形成し、該移動層の降下中に、加熱媒体からの伝熱により還元材内装塊成鉱を部分的に迅速に加熱還元し、冷却・排出して、溶鉱炉装入原料とし好適な部分還元鉄を製造する方法、及び、そのための縦型シャフト炉を提供することを目的とする。

本発明者は、溶鉱炉装入原料として好適な部分還元鉄を製造することができないかとの発想の下で、還元材内装鉄鉱石の還元について鋭意研究調査した。図１に、その結果の一部を示す。

図１は、１２００℃の１００％Ｎ₂雰囲気中、及び、１２００℃の８０％Ｎ₂−２０％ＣＯ₂雰囲気中で、粒径９．４ｍｍの還元材内装ペレットを還元した時の該ペレットの重量変化割合（ΔＷ［ｇ］／Ｗ0［ｇ］、Ｗ0：還元材内装ペレットの重量）を示す図である。

図１から、還元材内装ペレットの加熱還元開始１０分未満において還元が急速に進行し、部分還元鉄が形成されていることが解かる。

図２に、部分還元鉄の組織を示す。還元開始後１０分以上を経過すると、再酸化する傾向が見られるが、図２に示す組織からも、還元材内塊成鉱を短時間で加熱還元して、高炉などの溶鉱炉用の装入原料として使用し得る部分還元鉄を製造できることが解かる。

本発明は、上記解明結果に基づくものであって、その要旨は以下のとおりである。

（１） 炉頂部に加熱装置を備え、かつ、炉内下部に冷却装置を備える縦型シャフト炉で、還元材内装塊成鉱を部分的に還元して部分還元鉄を製造する部分還元鉄の製造方法において、
（ａ）炉頂部から、還元材内装塊成鉱と前記加熱装置で予め加熱された金属セラミックス球を混合して装入して、炉内を降下する移動層を形成し、
（ｂ）炉内上部の還元帯域にて、前記金属セラミックス球からの伝熱により還元材内装塊成鉱を加熱還元し、部分還元鉄とし、
（ｃ）炉内下部の冷却帯域にて、部分還元鉄を、前記冷却装置で冷却するとともに、炉最下部から吹き込む冷却ガスで冷却し、
（ｄ）炉底部から、部分還元鉄と金属セラミックス球を分離して排出する、
ことを特徴とする部分還元鉄の製造方法。

（２） 前記金属セラミックス球を、前記加熱装置で１０００℃以上に加熱することを特徴とする上記（１）に記載の部分還元鉄の製造方法。

（３） 炉中間部の前記還元帯域と冷却帯域の中間域から一部抜き出した炉内ガスで予め前記還元材内装塊成鉱を７００℃以下に予熱した後、炉頂部から装入することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の部分還元鉄の製造方法。

（４） 前記炉頂部に備えた加熱装置で金属セラミックス球を加熱した後の排ガスで予め前記還元材内装塊成鉱を７００℃以下に予熱した後、炉頂部から装入することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の部分還元鉄の製造方法。

（５） 前記還元帯域において、移動層を７００〜１３００℃に維持することを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の部分還元鉄の製造方法。

（６） 前記冷却帯域において、移動層を３００℃以下に冷却することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の部分還元鉄の製造方法。

（７） 前記冷却装置が、冷却水循環型の冷却装置であることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の部分還元鉄の製造方法。

（８） 前記冷却ガスが、不活性ガスであることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の部分還元鉄の製造方法。

（９） 前記炉底部から排出された金属セラミックス球を回収し、前記加熱装置で再加熱した後、炉頂部から再装入し、循環させることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の部分還元鉄の製造方法。

（１０） 前記金属セラミックス球が、融点１３００℃以上、比熱０．２５kcal／kg・deg以上の金属セラミックス球、又は、熱伝導率１．８kcal／ｍ・ｈ・℃以上の金属セラミックス球であることを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載の部分還元鉄の製造方法。

（１１） 前記金属セラミックス球が、アルミナ球であることを特徴とする上記（１０）に記載の部分還元鉄の製造方法。

（１２） 炉頂部に加熱装置を備え、かつ、炉内下部に冷却装置を備え、還元材内装塊成鉱を部分的に還元して部分還元鉄を製造する縦型シャフト炉であって、
（ｉ）炉頂部に、還元材内塊成鉱の装入部と前記加熱装置で加熱された金属セラミックス球の装入部からなり、還元材内塊成鉱と金属セラミックス球を混合して装入し、炉内を降下する移動層を形成する還元材内塊成鉱・金属セラミックス球混合装入装置を備え、
（ii）炉最下部に、炉内下部の冷却帯域に降下してくる部分還元鉄を前記冷却装置とともに冷却する冷却ガスを吹き込む羽口を備え、かつ、
（iii）炉底部に、部分還元鉄と金属セラミックス球を分離して排出する排出装置を備えることを特徴とする部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（１３） 前記加熱装置が、予め金属セラミックス球を１０００℃以上に加熱する燃焼式加熱装置であることを特徴とする上記（１２）に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（１４） 炉中間部に、前記還元帯域と冷却帯域の中間域から一部抜き出した炉内ガスを還元材内装塊成鉱の装入部に導き、予め還元材内装装塊成鉱を７００℃以下に予熱するためのバイパス導管を備えたことを特徴とする上記（１２）又は（１３）に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（１５） 前記金属セラミックス球の装入部の最上部に、金属セラミックス球を加熱した後の排ガスを還元材内装塊成鉱の装入部に導き、予め前記還元材内装塊成鉱を７００℃以下に予熱するためのバイパス導管を備えたことを特徴とする上記（１２）〜（１４）のいずれかに記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（１６） 前記還元帯域において、移動層を７００〜１３００℃に維持することを特徴とする上記（１２）〜（１５）のいずれかに記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（１７） 前記冷却帯域において、移動層を３００℃以下に冷却することを特徴とする上記（１２）〜（１６）のいずれかに記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（１８） 前記冷却装置が、冷却水循環型の冷却装置であることを特徴とする上記（１２）〜（１７）のいずれかに記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（１９） 前記冷却ガスが、不活性ガスであることを特徴とする上記（１２）〜（１８）のいずれかに記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（２０） 前記冷却ガスが、還元材内装塊成鉱及び／又は金属セラミックス球の装入部の最上部から排出されるガスを冷却して一部再利用することを特徴とする上記（１２）〜（１９）のいずれかに記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（２１） 前記炉底部から排出された金属セラミックス球を回収し、金属セラミックス球の装入部に循環する金属セラミックス球循環装置を備えることを特徴とする上記（１２）〜（２０）のいずれかに記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（２２） 前記金属セラミックス球が、融点１３００℃以上、比熱０．２５kcal／kg・deg以上の金属セラミックス球、又は、熱伝導率１．８kcal／ｍ・ｈ・℃以上の金属セラミックス球であることを特徴とする上記（１２）〜（２１）のいずれかに記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

（２３） 前記金属セラミックス球が、アルミナ球であることを特徴とする上記（２２）に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。

本発明によれば、縦型シャフト炉を用い、還元材内装塊成鉱を部分的に迅速に還元して、高炉等の溶鉱炉用の装入原料として好適な部分還元鉄を、短時間で製造することができ、大幅な生産性の改善が可能となる。また、部分還元鉄製造方法では炭材内装でよく、天然ガスなどの高価ガスの使用割合を大幅に低減することが可能である。

図３に、本発明の基本的な一実施態様を模式的に示す。図３に示す縦型シャフト炉１は、炉頂部に、燃料３を燃焼しその燃焼熱で金属セラミックス球８を予め加熱する燃焼式加熱装置２、還元材内装塊成鉱６と金属セラミックス球８を炉頂部から混合状態で装入し、炉内に移動層１４を形成するための還元材内装塊成鉱の装入部５、及び、金属セラミックス球の装入部７を備えている。

還元材内装塊成鉱６は、通常の高炉等の溶鉱炉で使用される還元材（炭材あるいはコークス）と鉄鉱石原料を、通常のぺレット造粒などの塊成化方法、装置、例えば、造粒機４で、通常の粒径５〜２０ｍｍ程度に造粒しペレット状にしたものでもよいし、ブリケットマシンで成型しブリケット状にしたものでもよい。

還元材内装塊成鉱６の粒径は特に限定する必要はないが、還元性向上の点から粒径９〜１０ｍｍが好ましい。

還元材内装塊成鉱６は、一旦、還元材内装塊成鉱の装入部５に収容された後、適宜、炉内を降下する移動層１４の上層部に装入される。

金属セラミックス球８は、一旦、金属セラミックス球の装入部７に収容され、その最下部に設けられた加熱装置、好ましくは機燃焼式加熱装置２で予め加熱された後、適宜、炉内を降下する移動層１４の上層部に装入される。

炉頂部からそれぞれ装入された還元材内装塊成鉱６と予め加熱された金属セラミックス球８は炉内上部で混合状態となり、炉内を降下する移動層を形成する。

なお、炉内上部で還元材内装塊成鉱６と予め加熱された金属セラミックス球８を十分混合した状態とするために炉内上部に還元材内装鉄塊成鉱６と金属セラミックス球８を混合する混合部を備えることがより好ましい。

予め加熱された金属セラミックス球８は、炉内上部の還元帯域１５において伝熱により還元材内装塊成鉱６を加熱し、その内部での還元反応を促進させるための熱媒体として機能するが、その他、移動層１４内で還元反応により生成した部分還元鉄１８がスティッキング現象により固着しないように機能する。

熱媒体として機能する金属セラミックス球は、伝熱で還元材内装塊成鉱を加熱するに足る熱的特性を備えるものであればよいが、特に、融点１３００℃以上、比熱０．２５kcal／kg・deg以上のもの、又は、熱伝導率１．８kcal／ｍ・ｈ・℃以上のものが好ましい。具体的には、例えば、アルミナ球が好ましい。

これらの機能を十分に発揮させるために、金属セラミックス球８は、還元材内装塊成鉱６の装入態様に併せ、移動層１４に装入される。

金属セラミックス球８の粒径は、移動層１４内で金属セラミックス球８と還元材内装塊成鉱６を均一な混合状態にする必要があるので、該混合状態が移動層１４の降下中も維持されるよう、還元材内装塊成鉱６の粒径や密度を考慮して、適宜決定する。

金属セラミックス球８の粒径は、特定の粒径に限定されないが、例えば、還元材内装塊成鉱６の粒径が９〜１０ｍｍ程度の時、金属セラミックス球８の粒径は、５〜１０ｍｍ程度が好ましい。

燃焼式加熱装置２に供給される燃料３は、気体燃料、液体燃料のいずれでもよく、空気と混合して燃焼式加熱装置２に送給され空気中の酸素により燃焼される。また、この時、炉内の主に還元帯域１５で還元材内装塊成鉱６内部の還元反応で生成後、炉頂部に達した可燃性のＣＯガスも、余剰空気中の酸素により燃焼する。

金属セラミックス球の装入部７内に存在する金属セラミックス球８は、燃焼式加熱装置２による燃焼熱で、好ましくは１０００〜１３００℃に予め加熱して装入する。

これにより、炉内上部の還元帯域１５における移動層１４の温度を所定の温度範囲、好ましくは、７００〜１３００℃に維持でき、金属セラミックス球８からの伝熱により、還元材内装塊成鉱６を十分加熱し、その内部における還元反応を促進して短時間で部分還元鉄１８を生成することができる。

そして、縦型シャフト炉１の下部には、冷却装置９、好ましくは、冷却水１０を循環する冷却装置９が備えられている。また、炉最下部に設けた羽口１１から炉内に冷却ガス（ＣＯ₂、Ｎ₂又はＣＯ₂／Ｎ₂混合ガス等の不活性ガス）１２、好ましくは非酸化性のＮ₂ガスが吹き込まれる。

これにより、炉内下部の冷却帯域１６における移動層の温度を３００℃以下、好ましくは２００℃程度に維持でき、金属セラミックス球８と炉内上部の還元帯域１５で生成した部分還元鉄１８からなる移動層１４を冷却帯域１６で十分冷却し、部分還元鉄１８がＣＯ₂などの酸化性ガスにより再酸化することを抑制できる。

なお、羽口１１から炉内に吹き込まれた冷却ガス１２は、冷却帯域１６の移動層１４を冷却し、さらに還元帯域１５を上昇し、炉頂部に到達するまでに高温の金属セラミックス球８と還元材内装塊成鉱６との熱交換により加熱される。

炉頂部に到達したガスは、さらに金属セラミックス球の装入部７および還元材内装塊成鉱の装入部５を通過し、その保有熱は金属セラミックス球８と還元材内装塊成鉱６をそれぞれ所要の温度に予熱するために使用される。

そして、排ガス１７、２０は、金属セラミックス球の装入部７と還元材内装塊成鉱の装入部５の頂部から炉外に排出される。これらの排ガス１７、２０は冷却して、冷却用の不活性ガス１２として再利用してもよい。

また、炉頂部に到達した冷却ガス１２は、還元帯域１５で生成したＣＯガスなどの可燃性ガスを含有するため、可燃性ガスは燃焼式加熱装置２に供給される空気中の酸素により燃焼され、その燃焼熱は金属セラミックス球８を所定温度に加熱するために有効利用される。

この場合、金属セラミックス球の装入部７からの排ガス１７は、炉最下部の羽口１１から冷却ガス１２として吹き込んだ不活性ガス［例えば、ＣＯ₂、Ｎ₂又はＣＯ₂／Ｎ₂混合ガス］の一部と、還元帯域１５で発生したＣＯ／ＣＯ₂混合ガス及び燃料３が燃焼式加熱装置２で空気中の酸素との燃焼によって生成するＣＯ₂／Ｎ₂混合ガスを加算したものとなる。

炉内上部の還元帯域１５で還元された後、炉内下部の冷却帯域１６で冷却された部分還元鉄１８と熱媒体としての金属セラミックス球８からなる移動層１４は、炉内を降下して炉底部に達すると、排出装置１３により縦型シャフト炉１から排出される。

この際、排出装置１３は、金属セラミックス球８と部分還元鉄１８を分離して排出し、部分還元鉄１８は、高炉などの溶鉱炉用の原料として用いられる。一方、金属セラミックス球８は、分離して排出後、回収され、金属セラミックス球循環装置２１により、炉頂部に設けられた金属セラミックス球の装入部７に循環され、再装入される。

以上、図３に従い、本発明の基本的な実施形態について説明した。

本発明によれば、還元ガスとして天然ガスを用いてシャフト炉内で焼成ペレット等を還元するＭＩＤＲＥＸ法やＨｙＬ法等の従来法に比べて、還元効率を向上させ、還元時間を大幅に短縮できるため、高炉などの溶鉱炉用の原料として、好ましくは還元率８５〜９０％程度の部分還元鉄を高生産性かつ低コストで製造することが可能となる。

炉最下部の羽口１１から吹き込んだ冷却ガス１２は、冷却装置９とともに冷却帯域１６において移動層１４を冷却し、還元帯域１５で生成した部分還元鉄１８が再酸化することを抑制するために必要である。

しかし、冷却帯域１６を通過した後の冷却ガス１２は、還元帯域１５において生成したＣＯガスなどの生成ガスを炉頂まで搬送し、あるいは還元材内装塊成鉱の還元反応を良好に維持するために所定量は必要であるが、過剰な冷却ガス１２は還元帯域１５における移動層１４の温度を低下させる原因となり、好ましくない。

そこで、熱交換後の冷却ガス１２の保有熱を有効活用するために、例えば、図４の実施形態に示すように、炉中間部にバイパス導管２２を設け、還元帯域１５と冷却帯域１６の中間域から一部抜き出した炉中間部ガス１９を還元材内装塊成鉱の装入部５に導入し、還元材内装塊成鉱６を７００℃以下に予熱するために活用することが好ましい。

還元帯域１５と冷却帯域１６の中間域から一部抜き出した炉中間部ガス１９は、２００〜７００℃の温度であり、還元材内装塊成鉱６の加熱による還元反応を起こさずに、還元材内装塊成鉱６を予熱することができる。

これにより、炉内上部の還元帯域１５における移動層１４の温度を、好ましくは、７００〜１３００℃に維持するためのエネルギー原単位を低減することができ、さらには、還元材内装塊成鉱６の内部における還元反応を促進して還元帯域１５において短時間で部分還元鉄１８を生成することができる。

また、炉最下部の羽口から吹き込まれた冷却ガス１２は、冷却帯域１６を通過後、還元帯域１５で生成したＣＯガスなどの可燃性ガスを含有して炉頂部に到達する。

そこで、炉頂到達ガスに含有するＣＯガスなどの可燃性ガスを燃焼式加熱装置２に供給される空気中の酸素により燃焼し、その燃焼熱を金属セラミックス球８の加熱及び還元材内装塊成鉱６の予熱のために活用することが好ましい。

例えば、図５の実施形態に示すように、金属セラミックス球の装入部７の最上部に加熱排ガスのバイパス導管２３を設け、炉頂到達ガスに含有するＣＯガス等の可燃性ガスを燃焼式加熱装置２に供給される空気中の酸素により燃焼し、その排ガス１７を還元材内装塊成鉱の装入部５に導入し、還元材内装塊成鉱６を７００℃以下に予熱するために活用する。

この際、炉頂到達ガス１２を金属セラミックス球の装入部７の方に優先的に供給し、燃焼式加熱装置２でガス中のＣＯガスなどの可燃性ガスを燃焼することにより、金属セラミックス球８加熱のための燃料３を低減することができる。

あるいは、燃焼金属セラミックス球装入部からの排ガス１７の保有熱を利用して還元材内装塊成鉱６を予熱することで、炉内上部の還元帯域１５における移動層１４の温度を好ましくは７００〜１３００℃に維持するためのエネルギー原単位を低減できる。さらには、還元材内装塊成鉱６の内部における還元反応を促進して還元帯域１５において短時間で部分還元鉄１８を生成することができる。

なお、金属セラミックス球装入部からの排ガス１７の温度は、還元材内装塊成鉱６内部の還元反応が起きない７００℃以下の温度になるように燃焼式加熱装置２に供給される燃料３や空気の供給量などの加熱条件を調整することが好ましい。

また、本発明では、図６の実施形態に示すように、図４の実施形態と図５の実施形態を組み合わせた方法も当然に採用することができ、この場合、上述した図４の実施形態及び図５の実施形態の両方の効果が期待できる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、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）
還元材内装塊成鉱は、炭材内装ペレット中のＣ量が１６％となるように還元材として炭材を配合し、造粒機で粒径９〜１０ｍｍの炭材内装ペレット（Ｔ．Ｆｅ＝５５％、Ｃ＝１６％）を製造した。

図３に示す竪型シャフト炉を用いて、炭材内装ペレット：１７８２kg／ｔ-DRIと、予め加熱されたアルミナ球：１１００kg／ｔ-DRIを、それぞれの装入部から炉頂部に混合状態で装入し、部分還元鉄ペレットを製造した。

アルミナ球の加熱は、装入部下部の燃焼式加熱装置を用いて、燃料ガスとしてプロパンガス：１０Nm³／ｔ-DRI、及び、炉頂に到達したガス中に含有するＣＯガスなどの可燃性ガスを空気：１１５７Nm³／ｔ-DRIにより燃焼させ、約１７２１℃の燃焼ガスを生成させ、これによりアルミナ球を１３２０℃に加熱した。

アルミナ球及び炭材内装ペレットの各装入部から排出されるＣＯ₂ガスは冷却し、羽口から吹き込む冷却ガスとして循環して使用した。

その結果、還元率：８５〜９０％、残留Ｃ２％の組成の部分還元鉄を製造できた。還元時間は、従来シャフト還元法で要する還元時間を１とした場合に、０．３３程度に大幅に短縮され、大幅な生産性の改善が達成できた。

また、アルミナ球装入部から排出された排ガス温度は７０２℃、炭材内装ペレット装入部からの排出された排ガス温度は７５℃であり、これら排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂濃度からηco（＝ＣＯ₂／（ＣＯ＋ＣＯ₂））＝１００％であり、従来シャフト還元法の反応効率（ηco＝４０％）に比べて反応効率も大幅に改善された。

なお、還元時間及び反応効率の比較評価の基準に用いた従来シャフト還元法の結果は、ＭＩＤＲＥＸ法により、天然ガスを改質した３０％ＣＯ−５０％Ｈ₂−２０％Ｎ₂の還元ガスを用いて、９００℃の還元ガス温度で、従来ペレット（内装Ｃ量＝０％）：１６００kg／ｔ-DRIを縦型シャフト炉に装入し、還元率：８５〜９０％の部分還元鉄を製造する場合の結果を用いた（以下に示す実施例２、３、４も同様とする）。

（実施例２）
還元材内装塊成鉱は、炭材内装ペレット中のＣ量が１６％となるように還元材として炭材を配合し、造粒機で粒径９〜１０ｍｍの炭材内装ペレット（Ｔ．Ｆｅ＝５５％、Ｃ＝１６％）を製造した。

図４に示す竪型シャフト炉を用いて、炭材内装ペレット：１７８２kg／ｔ-DRIと、予め加熱されたアルミナ球：１１００kg／ｔ-DRIを、それぞれの装入部から炉頂部に混合状態で装入し、部分還元鉄ペレットを製造した。

アルミナ球の加熱は、装入部下部の燃焼式加熱装置を用いて、燃料ガスとしてプロパンガス：２０Nm³／ｔ-DRI、及び、炉頂に到達したガス中に含有するＣＯガスなどの可燃性ガスを空気：１０２０Nm³／ｔ-DRIにより燃焼させ、約１５００℃の燃焼ガスを生成させ、これによりアルミナ球を１３００℃に加熱した。

また、炉中間部のバイパス導管により炉中間部の還元域と冷却帯域の中間域から一部抜き出した約７００℃の炉内ガス（主として冷却ガスが熱交換したガス）：９６０Nm³／ｔ-DRIを炭材内装ペレットの装入部に導入し、炭材内装ペレットを約７１０℃に予熱した。

アルミナ球及び炭材内装ペレットの各装入部から排出されるＣＯ₂ガスは冷却し、羽口から吹き込む冷却ガスとして循環して使用した。

その結果、還元率：８５〜９０％、残留Ｃ２％の組成の部分還元鉄を製造できた。還元時間は、従来シャフト還元法で要する還元時間を１とした場合に、０．３０程度に大幅に短縮され、大幅な生産性の改善を達成できた。

また、アルミナ球装入部から排出された排ガス温度は７８０℃、炭材内装ペレット装入部からの排出された排ガス温度は９５℃であり、これら排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂濃度からηco（＝ＣＯ₂／（ＣＯ＋ＣＯ₂））＝１００％であり、従来シャフト還元法の反応効率（ηco＝４０％）に比べて反応効率も大幅に改善された。

（実施例３）
還元材内装塊成鉱は、炭材内装ペレット中のＣ量が１５％となるように還元材として炭材を配合し、造粒機で粒径９〜１０ｍｍの炭材内装ペレット（Ｔ．Ｆｅ＝５５％、Ｃ＝１５％）を製造した。

図５に示す竪型シャフト炉を用いて、炭材内装ペレット：１６７１kg／ｔ-DRIと、予め加熱されたアルミナ球：１４００kg／ｔ-DRIを、それぞれの装入部から炉頂部に混合状態で装入し、部分還元鉄ペレットを製造した。

アルミナ球の加熱は、装入部下部の燃焼式加熱装置を用いて、燃料ガスとしてプロパンガス：１０Nm³／ｔ-DRI、及び、炉頂に到達したガス中に含有するＣＯガスなどの可燃性ガスを空気：９５０Nm³／ｔ-DRIにより燃焼させ、約１２０７℃の燃焼ガスを生成させ、これによりアルミナ球を約１２００℃に加熱した。

また、アルミナ球装入部の加熱排ガスのバイパス導管によりアルミナ球加熱後の約７０９℃の排ガス：２４３７Nm³／ｔ-DRIを、炭材内装ペレットの装入部に導入し、炭材内装ペレットを約７００℃に予熱した。炭材内装ペレットの装入部から排出されるＣＯ₂ガスは冷却し、羽口から吹き込む冷却ガスとして循環して使用した。

その結果、還元率：８５〜９０％、残留Ｃ２％の組成の部分還元鉄を製造できた。還元時間は、従来シャフト還元法で要する還元時間を１とした場合に、０．２８程度に大幅に短縮され、大幅な生産性の改善を達成できた。

また、炭材内装ペレット装入部からの排出された排ガス温度は３９８℃であり、これら排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂濃度からηco（＝ＣＯ₂／（ＣＯ＋ＣＯ₂））＝１００％であり、従来シャフト還元法の反応効率（ηco＝４０％）に比べて反応効率も大幅に改善された。

（実施例４）
還元材内装塊成鉱は、炭材内装ペレット中のＣ量が１３％となるように還元材として炭材を配合し、造粒機で粒径９〜１０ｍｍの炭材内装ペレット（Ｔ．Ｆｅ＝５６％、Ｃ＝１３％）を製造した。

図６に示す竪型シャフト炉を用いて、炭材内装ペレット：１７８２kg／ｔ-DRIと、予め加熱されたアルミナ球：１１００kg／ｔ-DRIを、それぞれの装入部から炉頂部に混合状態で装入し、部分還元鉄ペレットを製造した。

アルミナ球の加熱は、装入部下部の燃焼式加熱装置を用いて、燃料ガスとしてプロパンガス：２０Nm³／ｔ-DRI、及び、炉頂に到達したガス中に含有するＣＯガスなどの可燃性ガスを空気：７６５Nm³／ｔ-DRIにより燃焼させ、約１５９０℃の燃焼ガスを生成させ、これによりアルミナ球を１３００℃に加熱した。

また、炉中間部のバイパス導管により炉中間部の還元域と冷却帯域の中間域から一部抜き出した約７００℃の炉内ガス（主として冷却ガスが熱交換したガス）：７８２Nm³／ｔ-DRI、及び、アルミナ球装入部の加熱排ガスのバイパス導管によりアルミナ球加熱後の約６９０℃の排ガス：１１１９Nm³／ｔ-DRIを、炭材内装ペレットの装入部に導入し、炭材内装ペレットを約６８５℃に予熱した。

炭材内装ペレットの装入部から排出されるＣＯ₂ガスは冷却し、羽口から吹き込む冷却ガスとして循環して使用した。

その結果、還元率：８５〜９０％、残留Ｃ２％の組成の部分還元鉄を製造できた。還元時間は、従来シャフト還元法で要する還元時間を１とした場合に、０．２６程度に大幅に短縮され、大幅な生産性の改善を達成できた。

また、炭材内装ペレット装入部からの排出された排ガス温度は３１４℃であり、これら排ガス中のＣＯ及びＣＯ₂濃度からηco（＝ＣＯ₂／（ＣＯ＋ＣＯ₂））＝１００％であり、従来シャフト還元法の反応効率（ηco＝４０％）に比べて反応効率も大幅に改善された。

（実施例５）
上記実施例１〜４により製造した部分還元鉄を高炉に装入し、コークス等の還元材の使用量の低減効果を確認した。

図７に、還元率８５％の部分還元鉄を高炉原料として使用した場合のコークス比の低減量（部分還元鉄を使用しない高炉操業時のコークス装入量に対する低減量）を示す。高炉原料として部分還元鉄を１００kg／ｔ-pig使用した場合、高炉の還元材比を２０kg／ｔ程度低減することが可能であり、生産量５％の増大を達成できた。

このことから、本発明の部分還元鉄製造法は、生産性が高く、高価な天然ガス等の還元ガスが不要で、かつ、安価な炭材を使用できるプロセスであり、また、還元によって製造された部分還元鉄は、高炉等の溶鉱炉用の装入原料として好適なものであることが解かる。

還元材内装鉄鉱石における還元反応の進行状況を示す図である。 部分還元鉄の組織を示す図である。 本発明の一実施態様を模式的に示す図である。 本発明の一実施態様を模式的に示す図である。 本発明の別の実施態様を模式的に示す図である。 本発明の別の実施態様を模式的に示す図である。 本発明の部分還元鉄を高炉使用した場合の還元材比低減量を示す図である。

符号の説明

１ 縦型シャフト炉
２ 燃焼式加熱装置
３ 燃料
４ 造粒機
５ 還元材内装塊成鉱の装入部
６ 還元材内装塊成鉱
７ 金属セラミックス球の装入部
８ 金属セラミックス球
９ 冷却装置
１０ 冷却水
１１ 羽口
１２ 冷却ガス
１３ 排出装置
１４ 移動層
１５ 還元帯域
１６ 冷却帯域
１７ 金属セラミックス球装入部からの排ガス
１８ 部分還元鉄
１９ 炉中間部ガス
２０ 還元材内装塊鉱装入部からの排ガス
２１ 金属セラミックス球循環装置
２２ 炉中間部のバイパス導管
２３ 加熱排ガスのバイパス導管

Claims (23)

1. 炉頂部に加熱装置を備え、かつ、炉内下部に冷却装置を備える縦型シャフト炉で、還元材内装塊成鉱を部分的に還元して部分還元鉄を製造する部分還元鉄の製造方法において、
   （ａ）炉頂部から、還元材内装塊成鉱と前記加熱装置で予め加熱された金属セラミックス球を混合して装入して、炉内を降下する移動層を形成し、
   （ｂ）炉内上部の還元帯域にて、前記金属セラミックス球からの伝熱により還元材内装塊成鉱を加熱還元し、部分還元鉄とし、
   （ｃ）炉内下部の冷却帯域にて、部分還元鉄を、前記冷却装置で冷却するとともに、炉最下部から吹き込む冷却ガスで冷却し、
   （ｄ）炉底部から、部分還元鉄と金属セラミックス球を分離して排出する、
   ことを特徴とする部分還元鉄の製造方法。
2. 前記金属セラミックス球を、前記加熱装置で１０００℃以上に加熱することを特徴とする請求項１記載の部分還元鉄の製造方法。
3. 炉中間部の前記還元帯域と冷却帯域の中間域から一部抜き出した炉内ガスで予め前記還元材内装塊成鉱を７００℃以下に予熱した後、炉頂部から装入することを特徴とする請求項１又は２に記載の部分還元鉄の製造方法。
4. 前記炉頂部に備えた加熱装置で金属セラミックス球を加熱した後の排ガスで予め前記還元材内装塊成鉱を７００℃以下に予熱した後、炉頂部から装入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の部分還元鉄の製造方法。
5. 前記還元帯域において、移動層を７００〜１３００℃に維持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の部分還元鉄の製造方法。
6. 前記冷却帯域において、移動層を３００℃以下に冷却することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の部分還元鉄の製造方法。
7. 前記冷却装置が、冷却水循環型の冷却装置であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の部分還元鉄の製造方法。
8. 前記冷却ガスが、不活性ガスであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の部分還元鉄の製造方法。
9. 前記炉底部から排出された金属セラミックス球を回収し、前記加熱装置で再加熱した後、炉頂部から再装入し、循環させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の部分還元鉄の製造方法。
10. 前記金属セラミックス球が、融点１３００℃以上、比熱０．２５kcal／kg・deg以上の金属セラミックス球、又は、熱伝導率１．８kcal／ｍ・ｈ・℃以上の金属セラミックス球であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の部分還元鉄の製造方法。
11. 前記金属セラミックス球が、アルミナ球であることを特徴とする請求項１０に記載の部分還元鉄の製造方法。
12. 炉頂部に加熱装置を備え、かつ、炉内下部に冷却装置を備え、還元材内装塊成鉱を部分的に還元して部分還元鉄を製造する縦型シャフト炉であって、
    （ｉ）炉頂部に、還元材内塊成鉱の装入部と前記加熱装置で加熱された金属セラミックス球の装入部からなり、還元材内塊成鉱と金属セラミックス球を混合して装入し、炉内を降下する移動層を形成する還元材内塊成鉱・金属セラミックス球混合装入装置を備え、
    （ii）炉最下部に、炉内下部の冷却帯域に降下してくる部分還元鉄を前記冷却装置とともに冷却する冷却ガスを吹き込む羽口を備え、かつ、
    （iii）炉底部に、部分還元鉄と金属セラミックス球を分離して排出する排出装置を備えることを特徴とする部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
13. 前記加熱装置が、予め金属セラミックス球を１０００℃以上に加熱する燃焼式加熱装置であることを特徴とする請求項１２に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
14. 炉中間部に、前記還元帯域と冷却帯域の中間域から一部抜き出した炉内ガスを還元材内装塊成鉱の装入部に導き、予め還元材内装装塊成鉱を７００℃以下に予熱するためのバイパス導管を備えたことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
15. 金属セラミックス球の装入部の最上部に、金属セラミックス球を加熱した後の排ガスを還元材内装塊成鉱の装入部に導き、予め前記還元材内装塊成鉱を７００℃以下に予熱するためのバイパス導管を備えたことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
16. 前記還元帯域において、移動層を７００〜１３００℃に維持することを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
17. 前記冷却帯域において、移動層を３００℃以下に冷却することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
18. 前記冷却装置が、冷却水循環型の冷却装置であることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
19. 前記冷却ガスが、不活性ガスであることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか１項に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
20. 前記冷却ガスが、還元材内装塊成鉱及び／又は金属セラミックス球の装入部の最上部から排出されるガスを冷却して一部再利用することを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
21. 前記炉底部から排出された金属セラミックス球を回収し、金属セラミックス球の装入部に循環する金属セラミックス球循環装置を備えることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか１項に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
22. 前記金属セラミックス球が、融点１３００℃以上、比熱０．２５kcal／kg・deg以上の金属セラミックス球、又は、熱伝導率１．８kcal／ｍ・ｈ・℃以上の金属セラミックス球であることを特徴とする請求項１２〜２１のいずれか１項に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。
23. 前記金属セラミックス球が、アルミナ球であることを特徴とする請求項２２に記載の部分還元鉄製造用縦型シャフト炉。