JP2007031774A

JP2007031774A - 酸化鉄の還元方法

Info

Publication number: JP2007031774A
Application number: JP2005216638A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Kume; 康介久米
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: JP4767611B2

Abstract

【課題】ロスエネルギーを有効活用しつつ、簡易な方法で、効率的に酸化鉄を還元する方法を提供する。
【解決手段】還元剤と共に混合した酸化鉄を還元する酸化鉄の還元方法であって、前記酸化鉄と還元剤との混合物を容器に投入し、該混合物の上方から、凝固温度が1000℃以上の溶融物を、該凝固温度以上、かつ、該凝固温度＋30℃以下の温度で投入することを特徴とする酸化鉄の還元方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、製鉄工場の主に製鋼工程において発生する、高温溶融物の顕熱を効率的に利用することで、ダスト・スラッジ・鉄鉱石等の酸化鉄を還元する方法に関する。

従来、製鋼工場内で発生する製鋼ダスト等の酸化鉄から、還元鉄を製造する金属還元プロセスとしては各種のものがある。
その中で、粉体の酸化鉄を原料として、ペレット化し、これを高温で還元するプロセスとしては、シャフト式還元炉、ロータリーキルン式還元炉、回転炉床式還元炉等が実用化されている。
シャフト式還元炉は、天然ガスを使用して鉄鉱石や酸化鉄ペレットから還元鉄を製造し、この還元鉄を電気炉で溶解して鋼を製造する。
しかし、天然ガスを改質して還元ガスとするために、大規模設備が必要であり、立地条件は制約される。
これに対して、天然ガスに代わる還元剤として石炭等の炭材を使用する方法として、ロータリーキルン式や回転炉床式がある。これらは、還元炉から熱を供給して加熱し、還元反応はペレットに混在した石炭等の炭材を使用して行う。
これらの方法で製造された還元鉄は、そのままもしくはブリケット状等に成形してから電気炉等の溶解炉に装入し、溶解して金属鉄を製造する。そのため、金属鉄を得るまでに、還元鉄の製造を行う還元炉と金属鉄の製造を行う溶解炉という、少なくとも2段階の設備構成を必要とすることから、設備が複雑かつ大規模にならざるを得ない課題があった。

一方で、製鋼工場内にて発生するスラグおよびメタルの高温溶融物は、冷却・固化後に一部は磁選工程を経て、スクラップとして転炉その他の工程にてリサイクルされているが、これらの冷却過程において、顕熱を回収することはされておらず、無駄に排出されている。

そこで、この顕熱を活用することに着目し、簡易的に酸化鉄の還元に利用した従来技術として、特公平３−７１４８８号公報に、製鋼スラグの顕熱を利用した方法が開示されている。
この方法は、製鋼ダスト類と炭素質固体燃料を混合・塊成化し、事前余熱した後に、溶融している製鋼スラグに投入することで、ダスト類中の酸化鉄を還元し、還元された鉄分については、溶融スラグを凝固させた後に、選鉱処理により粒鉄として回収する方法である。
炭素系還元材と混合した製鋼ダスト等の酸化鉄の還元においては、混合物温度が、1000℃を超えると、内部で酸化鉄と炭素との直接還元反応が活発化し、発生するCOガスによっても還元反応が進行する。
また、この際に発生するCO₂ガスは、近傍のC分と反応しCOガスとなるため、Fe₂O₃またはFeOの還元剤として働き、反応が連続的に進行していく。但し、開放系であれば、発生したCOガスが系外に抜けるため、それ以降の反応は起こりにくく、還元効率が低下する。
従って、特公平３−７１４８８号公報の方法では、還元反応で発生したCOガスは待機中にロスするため、還元効率が低下するうえ、ロスしたガスを回収するためには、大規模な設備が必要という問題点があった。
特公平３−７１４８８号公報

本発明は、前述のような従来の問題点を解決すべく、ロスエネルギーを有効活用しつつ、簡易な方法で、効率的に酸化鉄を還元する方法を提供することを課題とする。

本発明は、還元剤とともに混合した製鋼ダスト類の酸化鉄を還元する方法であって、ロスエネルギーを有効活用しつつ、簡易な方法で、効率的に酸化鉄を還元する方法を提供するものであり、その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）還元剤と共に混合した酸化鉄を還元する酸化鉄の還元方法であって、
前記酸化鉄と還元剤との混合物を容器に投入し、
該混合物の上方から、凝固温度が1000℃以上の溶融物を、該凝固温度以上、かつ、該凝固温度＋30℃以下の温度で投入することを特徴とする酸化鉄の還元方法。
（２）前記溶融物を、製鉄工程で発生するスラグおよび／または溶鋼とすることを特徴とする、（１）に記載の酸化鉄の還元方法。
（３）前記還元剤として、コークス、石炭、木屑の１種または２種以上を使用することを特徴とする（１）または（２）に記載の酸化鉄の還元方法。

本発明によれば、還元剤と共に混合した製鋼ダスト類の酸化鉄を還元する方法であって、ロスエネルギーを有効活用しつつ、簡易な方法で、効率的に酸化鉄を還元する方法を提供することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

以下本発明を実施するための最良の形態について詳述する。
製鋼ダスト等の酸化鉄から、還元鉄を製造するためには、炭素分などの還元剤とともに熱源が必要であり、還元剤と酸化鉄の混合物の温度が１０００℃を超えると、還元反応が活発化する。その際の反応は以下に示される。
FeO ＋ C → Fe ＋CO↑ … （Ａ）
FeO ＋ CO → Fe ＋CO₂↑ … （Ｂ）
CO₂ ＋ C → 2CO … （Ｃ）
本発明では、効率的な酸化鉄還元を実現するためには、上記（Ｂ）、（Ｃ）の反応をロスなく起こすことが必要であり、（Ａ）の反応で発生するCOガスを系外にできるだけロスさせないために、密閉度を高めることが重要であると考えた。
ここで、密閉度を高めるには、蓋等も考えられるが、新たな設備が必要となることに加え、ダスト表面は異形状であり、空隙が生じてしまう課題がある。

従って、還元に必要な熱源を持ち、流動性のある物質で覆うことが効果的であると考えられる。そこで本発明者等は、還元剤とともに混合した製鋼ダスト類の酸化鉄に熱源を加える際において、混合物をあらかじめ容器内に入れ置きし、その上方から高温溶融物を凝固点近傍で容器内に投入することにより、表面固化することを利用して密閉度を高め、還元剤である発生COガスのロスを低減するとともに、酸化物層を還元雰囲気に保持できることを見出した。
ここで、容器内へ投入する際の温度降下は約30℃であるから、投入時の溶融物温度は凝固温度以上、かつ、凝固温度+30℃以下とし、対象となる溶融物の凝固温度は、直接還元反応の活発化する1000℃以上とすることによって、投入後すぐに溶融物の表面を固化させることができ、混合物を密閉状態に保って還元反応を促進させることができる。但し、その後の還元中の温度降下を考慮すると、1200℃以上が望ましい。

また、熱源としては、製鉄工程でロスしているスラグ・溶鋼などの高温溶融物の顕熱を活用することで、余分なエネルギーを投入することなく、混合物温度を上昇させることが可能である。併せて、容器についても、通常これらの溶融物を排出しているものと同様の設備を活用することが可能であり、簡易な設備で行うことが可能である。溶融物の対象としては、スラグ、メタル、混合物いずれでもよいが、還元後の鉄分リサイクル性を考慮すると、メタルが望ましい。また、混合物と投入する溶融物との比率については、溶融物顕熱からの熱バランスより決定されるが、例えば溶鋼を用いる場合は、混合物に対して４倍以上の量が必要であり、望ましくは5倍以上とする。
混合する還元剤については、通常コークス、石炭等が用いられるが、木屑等炭素を含有しているものであれば利用可能であり、効率的な還元を行うため、ダスト中酸化物比率に応じて、炭素分を理論等量の70〜100％に配合することが望ましい。
本発明により、簡易な方法で、炭素比率が同等の場合は酸化鉄の還元率を高めることが可能であり、同レベルの還元率を得るためには還元剤の必要量を少なくすることが可能である。

図１は、本発明における酸化鉄の還元方法の処理フローを例示する図である。
まず、図１(1)に示すように、酸化鉄として例えば製鋼ダストとコークスなどの還元剤をミキサーにより事前混合した混合物２を、袋詰めや塊成化等実施後、容器１に投入する。
次に、図１(2)に示すように、凝固温度が1000℃以上の溶融物（スラグまたは溶鋼）４を測温プローブまたは放射温度計３によって測温し、投入時の温度が、該凝固温度以上、かつ、該凝固温度＋30℃以下の温度になるまで待機させた後に、前述の混合物を投入した容器１まで運搬する。
そして、図１(3)に示すように、前述の混合物２の上方から高温溶融物４を投入する。
投入した高温溶融物４は、表面から固化し、混合物２を密閉する働きを有し、前述の（Ａ）〜（Ｃ）の還元反応を促進させることができ、その状態を保持することによって、図１(4)に示すように、放置・放水等により冷却固化させる。
冷却固化時の保持時間は、放射測温計で確認することによって、還元反応が停滞する１０００℃を下回ったタイミング以降で完了とする。
次に、溶融物２がスラグの場合には、図１(5)に示すように、磁力選鉱によってスラグ分とメタル分を分離し、メタル分を粒鉄として回収して、例えば、図１(6)に示すように、転炉６にてスクラップ７として使用することができる。
また、溶融物２が溶鋼の場合には、図１(5)´に示すように、固化した還元鉄５を抜き取り、叩くなどの方法で衝撃を与えることによりスラグ分を分離した後、例えば、図１(6)に示すように、転炉６にてスクラップ７として使用することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
転炉にて発生したダストと、還元剤としてのコークスを理論等量比率で配合した混合物５００ｋｇを事前に投入された容器の上方から、凝固温度が１０００℃以上であり、表２の溶融物投入時温度に設定された溶融物を約５ｔ投入した。
酸化鉄の還元状況を定量化するために、溶融物の凝固・冷却後、容器から地金分を抜き取り、粉砕・磁選分離し、回収された鉄分の重量・成分を測定した。
本試験に使用したダストとコークスの混合物の成分を、表１に示し、試験結果を表2に示す。

表２中のNo.1〜4は、投入する溶融物として、溶鋼を使用した例であり、No.5〜8は溶融製鋼スラグを使用した例である。
また、評価は酸化鉄分の金属化率によって行った。
ここで、金属化率とは、No.1〜4の試験においては、全鉄回収量から使用した溶鋼分を除いた残分を、ダスト中の酸化鉄の還元によって生成した鉄分として比率を算出し、No.5〜8の試験においては、全鉄回収量を、使用したスラグ中酸化鉄中の鉄分とダスト中酸化鉄中の鉄分の和との比率とした。
例えば、表２のＮｏ．１においては、生成した鉄分は、回収鉄分量５．４６ｔの内、回収鉄分Ｍ．Ｆｅ分９７．２％であり、５．３０ｔとなる。このうち、投入した溶鋼中の鉄分５．２ｔ×９９％＝５．１５ｔを除いた分０．１５ｔが、混合物中の酸化鉄が還元されて生成した鉄分量となる。混合物中の酸化鉄が全量還元した場合に生成する鉄分は、５００ｋｇの混合物中Ｔ．Ｆｅ％分であり、０．５ｔ×５０．５％＝０．２５ｔとなる。従って、投入量５．２ｔであり・・・・、従って、酸化鉄金属化率は、０．１５／０．２５＝６２％となる。
また、表２のＮｏ．５においては、生成した鉄分は、回収鉄分量０．６１ｔの内、回収鉄分Ｍ．Ｆｅ分９４．５％であり、０．５７ｔとなる。この場合は、溶融物である製鋼スラグに含まれている酸化鉄中鉄分４．９ｔ×１５％＝０．７４ｔと、混合物の酸化鉄中の鉄分０．５ｔ×５０．５％＝０．２５ｔの和である０．９９ｔが還元対象となる。従って、酸化鉄金属化率は、０．５７／０．９９＝５８％となる。

溶鋼を用いた試験においては、投入時温度が凝固温度＋３０℃以下のNo.1,No.2において、凝固温度+３０℃を超えるNo.3,No.4と比較し、５０％以上の高い金属化率が得られた。
また、溶融スラグを用いた試験においても同様で、投入時温度が凝固温度＋３０℃を超えるNo.7,No.8と比較し、＋３０℃以下で投入したNo.5,No.6の試験で、高い金属化率が得られることが確認された。
従って、溶融物を、凝固温度以上、かつ、凝固温度＋３０℃以下で酸化鉄と還元剤との混合物の上方から投入することにより、効率的な酸化鉄の還元が行われていることが確認された。

本発明における酸化鉄の還元方法の処理フローを例示する図である。

符号の説明

１容器
２混合物
３放射温度計
４高温溶融物
５還元鉄
６転炉
７スクラップ

Claims

還元剤と共に混合した酸化鉄を還元する酸化鉄の還元方法であって、
前記酸化鉄と還元剤との混合物を容器に投入し、
該混合物の上方から、凝固温度が1000℃以上の溶融物を、該凝固温度以上、かつ、該凝固温度＋30℃以下の温度で投入することを特徴とする酸化鉄の還元方法。
前記溶融物を、製鉄工程で発生するスラグおよび／または溶鋼とすることを特徴とする請求項1に記載の酸化鉄の還元方法。
前記還元剤として、コークス、石炭、木屑の１種または２種以上を使用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の酸化鉄の還元方法。