JP2009024240A

JP2009024240A - 溶融鉄製造方法

Info

Publication number: JP2009024240A
Application number: JP2007190738A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yanagi; 英樹柳; Noriyuki Kanai; 則之金井; Yuichi Yamamura; 雄一山村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】原料の配合条件と溶融還元炉への固定炭素の適正な投入方法等の操業方法を適正化することによって、金属化率が低くしても安定的に生産効率を高めつつ、投入エネルギーも小さくすると共に、操業安定にも優れた技術を提供することを課題とする。
【解決手段】炭素を含む固体還元剤と粒度２５０μｍ以下の粉鉱石６０〜９０質量％と粒度１０μｍ以下でかつＣａＯを５〜１５質量％含有する製鋼工程ダストを１０〜３０質量％含有する鉄酸化物とを混合・造粒し、該造粒物を予備還元炉にて加熱することにより金属化率が６０％〜９０％の還元鉄を製造し、当該還元鉄を溶融還元炉に投入し、炭素を含む固体還元剤を溶融還元炉の下方から溶融鉄浴に加えるとともに酸素含有ガスを上方から吹き込むことによって還元ずみ溶融鉄を製造することを特徴とする溶融鉄製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鉱石等の鉄酸化物をもとに、還元した溶融鉄を得るための溶融鉄製造方法に関するものである。

溶融還元方法により酸化鉄等の金属酸化物から還元ずみの鉄等の溶融金属を製造する方法については、従来、流動層式の予備還元炉と溶融還元炉とを組み合わせて使用するのが一般的であったが、近年回転炉床式の予備還元炉を使用するシステムが提案されている。

回転炉床式還元炉は、たとえば円環状の炉体を備えるもので、炉内の内部に移動式の炉床を設け、粉粒状の金属酸化物と固体還元剤とを混合し造粒した造粒物を原料として炉床上に置くとともに、バーナから燃料ガス等を吹き込んで炉内の可燃性ガスを燃焼させる。その燃焼熱により造粒物中の金属酸化物と固体還元剤とを反応させて還元金属を得るものである。

従来の回転炉床式還元炉では、原料の金属化率が９０％程度またはそれ以上の高率とし、また造粒物ごとのばらつきが少ないほぼ均一な金属化率になるようにコントロールするために、炉内ガス温度を１３５０〜１４５０℃に高めた炉内に原料を薄く広げて長時間置く必要があり、生産効率を低いという課題があった。

これに対して、特許文献１においては、（１）炭素を含む固体還元剤（たとえば石炭）と金属酸化物（たとえば鉄鉱石）とを混合し造粒したうえ、（２）その造粒物を加熱することにより、金属化率の平均値が３０〜８０％の還元金属を製造し、（３）さらに当該予備還元金属を溶融させ、炭素を含む固体還元剤をその溶融金属浴に加えるとともに酸素含有ガスを吹き込むことによって還元ずみ溶融金属を製造する技術が提案されている。

特許文献２においては、少なくとも鉄鉱石などの金属酸化物及び／又は金属水酸化物と炭材とを予め混合し、又は混合・造粒し若しくは混合・成形して得られた混合物原料を、回転炉床式やロータリーキルン式などの予備還元炉において、金属酸化物及び／又は金属水酸化物の平均金属化率が５〜５５％となるように予備還元し、この予備還元された混合物原料を金属製錬用の溶解炉に装入し、この溶解炉において炭材を還元材とし且つ該炭材の燃焼熱と炉内で発生する一酸化炭素の燃焼熱を主たる熱源として溶解及び最終還元する技術が提案されており、これにより良好なエネギーバランスと高い生産効率を達成しつつ溶銑などの金属溶湯を製造することができる。

特開２００１−２４７９２０号公報ＷＯ−０１／１８２５６号公報

特許文献１及び特許文献２に開示がある技術においては、確かに原料の金属化率が従来よりも大幅に低くて済み、またその金属化率について造粒物各個のばらつきが大きくてもよいので、設備費の低い予備還元炉において迅速かつ効率的に所要の過程を終了できる可能性はあり、さらにエネギーバランスと高い生産効率が得られる可能性はあるものの、次工程である溶融還元炉で吸熱反応である還元反応を効率良く実施するために単に還元鉄と炭素を含む固体還元剤を溶融還元炉に投入するだけでは旨く反応せず、かえって非効率になる場合があった。

また、生産性向上のためは溶融還元炉に還元鉄と共に炭素を含む固体還元剤と酸素含有ガスを多量に吹き込めば効率良く還元反応が進むと考えられるが、溶融還元炉内の溶融金属表面に浮遊したスラグを激しく飛散させてしまい、かえって安定操業が損なわれる場合もあり、生産性が低下する恐れがあった。

さらに、造粒して回転炉床式還元炉で製造した還元鉄は、原料の配合条件によっては圧潰強度が低くなり、次工程への搬送過程で壊れたり粉化したりすることがあり、操業上問題となったり、粉じん発生等の問題を生じることがあった。

そこで、本発明においては、原料の配合条件、及び溶融還元炉への固定炭素の適正な投入方法等の操業方法を適正化することによって、十分な圧潰強度を有する還元鉄を製造し、生産効率を高めつつ、安定した操業で溶融鉄を製造する技術を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）炭素を含む固体還元剤と、粒度２５０μｍ以下の粉鉱石６０〜９０質量％と粒度１０μｍ以下でかつＣａＯを５〜１５質量％含有する製鋼工程ダストを１０〜３０質量％含有する鉄酸化物とを混合・造粒する工程と、該造粒物を予備還元炉にて加熱することにより金属化率が６０％〜９０％の還元鉄を製造する工程と、当該還元鉄を溶融還元炉に投入し、炭素を含む固体還元剤を溶融還元炉の下方から溶融鉄浴に加えるとともに酸素含有ガスを上方から吹き込むことによって還元ずみ溶融鉄を製造する工程を備えたことを特徴とする溶融鉄製造方法。
（２）還元鉄を溶融還元炉に投入するに際し、溶融還元炉に石灰を投入し溶融還元炉内の塩基度を１．２〜３．０に調整して脱硫しつつ溶融鉄を製造することを特徴とする前記（１）記載の溶融鉄製造方法。

本発明においては、原料の配合条件の適正化、及び溶融還元炉への炭素を含む固体還元剤の適正な投入方法等の操業の適正化によって、溶融還元炉に投入する還元鉄が破壊や粉化を生じることなく安定して搬送することができるとともに、還元鉄の金属化率を低くしても安定的に生産効率を高めることが可能となる。さらに溶融還元炉にて生成したスラグの飛散を抑制して安定操業を可能にすることができる。使用する鉄酸化物は粉砕し炭素を含む固体還元剤を混合し造粒するため、塊の鉄鉱石では粉の鉄鉱石やダストに比べ高価な上、粉砕により多くの投入エネルギーが必要なため、特に粉鉱石やダストを原料として使用する場合に著しい効果が得られる。

本発明者らは、まず回転炉床式還元炉から次工程に搬送する過程で還元鉄が破壊しないためには、圧潰強度がどの程度必要であるかを調査した。その結果、５０ｄａＮ以上であれば、破壊しないことがわかった。

次に、酸化鉄源として、粒度２５０μｍ以下の粉鉱石と粒度０．５〜１０μｍの製鋼工程で発生する種々のダストを用いその配合比率を変更して混合し、さらに固体還元剤として粒度２５０μｍ以下の石炭粉を、鉄酸化物を１００％還元するのに理論上必要な炭素量に相当する量を加えて混合・造粒して径１０〜２５ｍｍの成形体を造り、回転炉床式還元炉で金属化率７０〜８０％の還元鉄を製造し、圧潰強度を調査した。ここで、粒度はふるい分け法で使用したふるいの目開きの寸法で表されるものであり、粒度２５０μｍ以下とは目開き２５０μｍのふるいを通過したものを示す。また圧潰強度は、ＪＩＳＭ８７１８「鉄鉱石ペレット−圧かい強度試験方法」に準拠した方法で求めた。

その結果を図１に示す。ダストの配合率が高くなるほど圧潰強度も高くなる傾向が見られた。さらにダスト中のＣａＯ含有量で層別でき、ＣａＯ含有量が５質量％以上のダストの場合は１０質量％以上配合すれば、圧潰強度５０ｄａＮ以上を達成できることが判明した。これは、粒度が比較的大きい粉鉱石の空隙に粒度の小さいダストが入り込むともに、ダスト中のＣａＯがバインダーとなり圧潰強度の向上に寄与したものと推定される。ＣａＯ含有量が５質量％未満のダストの場合、５０ｄａＮ以上の圧潰強度を得るためには、ダスト配合率が３０質量％以上であることが必要である。

一方、ＣａＯ含有量にかかわらず、ダスト配合率が３０質量％以上ではクラックを生じたり、破壊したりするものが見られた。これは粉鉱石の空隙をダストが埋めてしまい緻密な成形体となったために、還元過程で成形体内部に発生したガスが抜けにくくなり、そのガスの圧力によって破壊に至ったと考えられる。

したがって、圧潰強度５０ｄａＮを得るための条件として、ＣａＯ含有量が５質量％以上で、かつ粒度１０μｍ以下のダストを１０質量％以上３０質量％未満含有させることを見出した。なお、製鋼工程のダスト中のＣａＯ量は１５質量％以下であるため、ダスト中のＣａＯ量の上限は１５質量％とした。また、ダストは、例えば転炉ガスダストと焼結ガスダストのように異なる工程で生じたものを混ぜ合わせたものでもよい。

粉鉱石の条件についてさらに調査した結果、圧潰強度に対しては、粉鉱石の組成の影響はほとんどなく、粒度が影響しており、鉄酸化物中に２５０μｍ以下の粉鉱石が６０〜９０質量％含有されていればよいことが判明した。９０質量％以上ではダストの含有量が少なくなり、圧潰強度が低くなる。６０質量％未満ではダストの割合が多くなり過ぎてクラックが発生するか、若しくは粒度２５０μｍ以上の粒子が多くなり圧潰強度が低下する。
粒度２５０μｍ以上の粉鉱石あるいは他の酸化物、例えばミルスケール等の配合量は１０質量％未満であれば圧潰強度に影響しないため、成形体中に混合しても構わない。

次に本発明者らは、溶解炉での還元反応を効率よく実施させるための条件について種々の方法を検討した。その結果、溶融還元炉での炭材投入方法を工夫することによって、未反応炭材が炉内に飛散することなく歩留良く炭素を反応させることができることを知見した。

従来の溶融還元炉の上部より炭材を溶融鉄上部へ投入し、酸素ガスを溶融還元炉上部より吹き込む方法では、未反応炭材が炉外に飛散したり、炭材と酸素が激しく反応する事による火炎が溶融還元炉の集塵ダクトに進入し、ダクト内の温度を上昇させ操業困難となることがある。また、酸素の供給量を低減させれば操業継続が可能ではあるが、処理時間が延長して生産性が低下する恐れがある。

これに対し、溶融還元炉の炉底から炭材を溶融鉄内部に直接投入し、更に酸素ガスを溶融還元炉内で上方から吹き込むことにより、未反応炭材が炉内に飛散することなく歩留良く還元反応させることができることを見出した。

一方、還元鉄の金属化率が低いと溶融還元炉内で下記式（１）、（２）の反応により金属化率が高い場合に比べてＣＯガスが発生しやすくなり、この生成したＣＯガスによりスラグ体積が激増するためフォーミング現象が発生し、場合によってはスラグが炉内より溢れて操業継続が困難になる恐れがある。
ＦｅＯ＋Ｃ → Ｆｅ＋ＣＯ（１）
Ｆｅ₂Ｏ₃ ＋３Ｃ → ２Ｆｅ＋３ＣＯ（２）

そこで操業の適正条件の検討のため、溶融還元炉で添加する還元鉄の金属化率を変化させフォーミング現象の発生状況を調査した。溶融還元炉には予め２５ｔの溶鉄を入れておき、還元鉄中の鉄分で２５ｔの還元鉄を溶鉄に加えた。還元鉄の金属化率は５０％、５５％、６０％、６５％の４水準とし、さらにスラグのフォーミングに影響があると思われるスラグの塩基度（＝ＣａＯ／ＳｉＯ₂）を１．０、１．２、１．５の３水準とし、計１２水準で実験を行った。酸素は１３０Ｎｍ³／ｔ−ｐを炉上部よりランスを挿入して吹き込み、石炭は１８０ｋｇ／ｔ−ｐを搬送ガスとして窒素を用いて底部より添加し、４０分で実験を行った。その結果を表１に示す。金属化率が６０％以上であれば、フォーミングはしても炉から生成スラグが溢れ出るような著しいフォーミングは発生せず、安定的に操業を実施できることを確認した。塩基度の影響は金属化率ほど大きくはないが、特に塩基度＝１．２以上であれば、フォーミングの影響も無く更に好ましい条件であることが判った。

一方、金属化率が高すぎる場合には還元鉄の気孔率が増し、見掛け比重が低下することによってスラグ表面に浮遊し、溶解性が著しく低下することがわかった。種々検討した結果、金属化率が９０％以下であれば、スラグ表面に浮遊することはなく、溶解性の問題は生じないことがわかった。

前記の如く溶融還元炉おける塩基度は１．２以上ではスラグフォーミング発生が無くなり好ましい。この塩基度の調整ため投入する生石灰は脱硫剤としても機能するが、塩基度３．０超までＣａＯを投入しても脱硫に寄与しないＣａＯが増加するために、脱硫効率が急激に低下する事が分かった。したがって、塩基度の上限は３．０とすることが好ましい。

まず、表２に示す粉鉱石に表３に示す製鋼工程ダストを表４に示す配合率で混合し、さらに炭素を含む固体還元剤として石炭粉を原料全体に対する炭素比率で２０質量％を混合して、押し出し成形した成形体を、回転炉床式予備還元炉を用いて、表４に示す温度条件で、処理時間１０分の還元処理を行い還元鉄を各２５ｔ製造した。

次に、それらの還元鉄を予め２５ｔの溶鉄を入れておいた溶融還元炉にそれぞれ投入し、さらに生石灰等の副原料を投入して塩基度が１．０〜３．０となるように調整した。酸素は１３０Ｎｍ³／トン溶鉄を溶融還元炉上方よりランスを挿入し浴面直上から吹き込み、１８０ｋｇ／トン溶鉄の石炭を搬送ガスとしてＬＰＧを用いて炉底より添加した。処理終了時には５０ｔの溶鉄を得た。

表４に結果を示す。条件１，５，８，９，１０，１１，１３，１５，１６，１８，２０，２１，２３，２５，２６は本発明例であり、回転炉床式還元炉を用いて製造した還元鉄は十分な圧潰強度を搬送過程で粉じんの発生はなく、溶解炉での溶解も操業上問題となるようなフォーミングは生じず、４０分で溶解処理を終えることができた。

条件６，１４，２４ではダストの配合率が低すぎたために、還元鉄の圧潰強度が十分でなく搬送過程で粉じんが発生した。条件７，１９ではダストの配合率が高すぎたために、還元中に破砕するものが発生し、粉じんが生じた。条件１２，１７，２２，２７ではダスト中のＣａＯ量が低すぎるために、還元鉄の圧潰強度が十分でなく搬送過程で粉じんが発生した。条件２では炭材を上方投入したために、炉上方から挿入したランスの酸素ガスと反応して火炎が大きくなったため、酸素の供給量を通常の２／３にして操業継続したものの、酸素供給量低減により処理時間が２０分延長してしまった。条件３では金属化率が本発明範囲よりも低いため、フォーミングが発生して操業に支障をきたし生産性を阻害してしまった。条件４では、金属化率が本発明範囲よりも高いために、還元鉄の溶解性が著しく低く、処理時間が長くなってしまった。

ダストの配合率と圧潰強度の関係を示す図

Claims

炭素を含む固体還元剤と、粒度２５０μｍ以下の粉鉱石６０〜９０質量％と粒度１０μｍ以下でかつＣａＯを５〜１５質量％含有する製鋼工程ダストを１０〜３０質量％含有する鉄酸化物とを混合・造粒する工程と、該造粒物を予備還元炉にて加熱することにより金属化率が６０％〜９０％の還元鉄を製造する工程と、当該還元鉄を溶融還元炉に投入し、炭素を含む固体還元剤を溶融還元炉の下方から溶融鉄浴に加えるとともに酸素含有ガスを上方から吹き込むことによって還元ずみ溶融鉄を製造する工程を備えたことを特徴とする溶融鉄製造方法。
還元鉄を溶融還元炉に投入するに際し、溶融還元炉に石灰を投入し溶融還元炉内の塩基度を１．２〜３．０に調整して脱硫しつつ溶融鉄を製造することを特徴とする請求項１記載の溶融鉄製造方法。