JP2817394B2 - 銑鉄の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は羽口を備えた筒型炉を使用し、スクラップ
と鉄鉱石とを主たる鉄源として銑鉄を製造する方法に関
し、特に、羽口から亜鉛、または亜鉛と鉛を含むダスト
を吹き込んだ亜鉛、鉛を回収しながら熱効率よく経済的
に銑鉄を製造する方法に関する。

（従来の技術） 現在、銑鉄はその大部分が高炉によって製造されてい
る。高炉製銑法そのものは、永年にわたる改良が詰み重
ねられて銑鉄の大量生産技術としては極めて優れたもの
となっている。しかし、高炉製銑法は、鉄源としては焼
結鉱を、燃料（還元材）としては高品位のコークスを使
用するものであり、利用できる原燃料の制約がある。ま
た、近年の高炉は巨大化し、しかも一旦火入れした後は
停止、再起動が簡単にはできないため、鋼材需要の変動
に応じる柔軟性に乏しい。

上記のような従来の高炉製銑法の問題点を解消すべ
く、本出願人は製鋼用の転炉に類似する筒型炉を使用
し、鉱石とスクラップとを主な鉄源として用いる新しい
製銑方法を発明し、先に特許出願を行った（特開平１−
290711号）。

上記の製銑方法では第１図に示すように転炉型式の筒
型炉１を用いる。この筒型炉１は図示のように、炉上部
に炉内ガスの排出と原料装入用の開口部２、炉壁下部に
支燃性ガスと必要に応じて燃料を吹き込む一次羽口３、
その上部炉壁に支燃性ガスを吹き込む二次羽口４、炉底
に出銑口５と排滓口10を備えている。さらに脱硫剤等を
吹き込むための炉底羽口６を設ける場合もある。この炉
は、製鋼用転炉のように、傾動できるものであるのが望
ましい。

上記筒型炉１を用いて溶銑を製造するには、まず炉内
下部にコークス充填層７を、その上にスクラップと鉄鉱
石を主とする充填層８を形成させる。そして下部のコー
クス充填層７に一次羽口３から支燃性ガス（酸素含有ガ
ス）を吹き込んで下記（１）式の反応を生じさせ、その
反応熱によってコークス層７を高温に保つ。

Ｃ＋1/20₂→CO＋29,400kcal/kmol・Ｃ …（１） 上記（１）式で発生したCOは、スクラップと鉄鉱石の
充填層８で二次羽口４から吹きこまれる支燃性ガスと下
記（２）式の反応（二次燃焼）を起こす。その反応熱は
スクラップと鉄鉱石の加熱および溶融に利用される。

CO＋1/20₂→CO₂＋67,590kcal/kmol・CO …（２） この反応で溶融した鉄鉱石（溶融酸化鉄）は下部のコ
ークス充填層７に滴下して高温のコークスと下記（３）
式により反応してすみやかに還元される。

Fe₂O₃＋3C→2Fe＋3CO −108,090kcal/kmol・Fe₂O₃ …（３） 上記（３）式の反応のとき、近くにCO₂が存在しない
からCO₂で（３）式の反応が阻害されることはない。そ
して（１）式および（３）式で発生したCOはスクラップ
と鉄鉱石の充填層８内で２次燃焼するために、それらの
加熱と溶融に有効に利用されて高い燃料効率が達成され
る。

この方法で銑鉄を連続的に生産する場合には、スクラ
ップと鉄鉱石の充填層８が軟化半溶融状態になった時点
で、その半溶融層の上部に次回溶解用のコークス充填層
を、さらにその上部にスクラップおよび鉄鉱石を主体と
する充填層を交互に形成し、排滓、出銑するという操作
を繰り返して行う。なお、上記の方法において、炉の上
部開口部から装入する鉱石は、通常の鉄鉱石の外にMn、
Cr、Mo、Niなどを多く含む鉱石またはこれらの酸化物を
使用することができる。また、これらの鉱石類およびコ
ークスとともに、珪石、石灰石、蛇紋岩、蛍石などの副
原料を装入することができる。スクラップとしても、ス
テンレス鋼スクラップのような高合金スクラップを使用
してその中の有用元素を再利用することが可能である。

鉄鉱石は、炉の上部開口部からだけでなく、粉状鉱石
を一次羽口および／または二次羽口から吹き込むことも
できる。

一次羽口および二次羽口から吹き込む支燃性ガスは、
前記のとおり酸素含有ガスであるが、一次羽口からは支
燃性ガスとともに、微粉炭や重油、天然ガスなどの気体
または液体の燃料を吹き込むのが望ましい。また、CaO
などの脱硫剤を炉底羽口６から吹き込んで低硫黄銑を製
造することもできる。

以上のように本出願人が先に提案した上記溶銑の製造
方法によれば、転炉型式の筒型炉でスクラップと鉄鉱石
を鉄源として連続的、或いは半連続的に溶銑を製造する
ことができるのであるが、熱効率の面で多少の問題があ
る。すなわち、炉化部で前記（１）式により生成したCO
ガスは炉内を上昇し、二次羽口から吹き込まれた支燃性
ガスト二次燃焼を起こし、前記（２）式に示す高温のCO
₂ガスを生成する。生成したCO₂ガスの顕熱によりスクラ
ップ、鉄鉱石充填層の加熱、溶融が進むとともにその上
部に装入されたコークス充填層７−２も加熱される。コ
ークス温度が700℃以上になると二次燃焼で生成したCO₂
ガスはコークスと反応して下記（４）式に示すいわゆる
カーボンソリューション反応によりCOを生成し始める。

Ｃ＋CO₂→2CO−38,200kcal/kmol・Ｃ …（４） ここで、生成したCOガスは未燃のまま炉外に排出され
るため、無駄にコークスを消費することになり、さらに
前記（１）、（２）式の燃焼反応が発熱反応であるのに
対し、（４）式はかなり大きい吸熱反応であり、コーク
スはもとよりスクラップ、鉄鉱石の加熱、溶融を阻害す
る。スクラップ、鉱石が溶融する時期にはその上部のコ
ークス充填層の温度は700〜1000℃に達しているから、
カーボンソリューション反応が活発に起こり、熱効率、
生産性が低下し、燃料原単位が増加する。

そこで本出願人は、前記先願発明の筒型炉による製銑
方法を基礎として、二次羽口を炉の高さ方向に複数段設
け、それぞれの二次羽口レベル面にコークス充填層が存
在するときは、二次羽口から支燃性ガスに代えて、不活
性のキャリヤーガスを用いて粉状の石灰石及び／また鉄
鉱石を吹き込むことにより、コークスの過熱を防ぎ、カ
ーボンソリューション反応を抑制して熱効率を高め、燃
料消費を低減し、併せて生産性を高めることを特徴とす
る銑鉄の製造方法を提案した（特願平１−248407号）。

さて、転炉や電気炉等での製鋼時には、スクラップに
起因する亜鉛（Zn）や鉛（Pb）が酸化物としてダスト中
に濃縮されてくる。このようなダストからZnやPbを回収
し、併せて鉄分をも回収することは資源の有効利用とい
う面からも重要なことである。しかし、このようなダス
トを、例えば高炉に装入すると、Zn、Pbが炉内高温部で
還元されて蒸発するが、その蒸気は炉内を上昇して低温
部で析出して再び荷下る炉内循環を起こし、その一部が
鉱石と共に炉壁に粘着し炉況悪化の一因となる。

また、通常の製鋼ダストはZnやPbの含有率が低いの
で、そのままではZn、Pbの採取を目的とする精錬の原料
として使用するのも困難である。そこで、Zn、Pbを含有
する製鋼ダストに粉コークスと石灰石を添加してキルン
で還元焙焼し還元鉄ペレットを製造し、その時に発生す
る粗酸化亜鉛、鉛を含むダストを回収し、これを更に湿
式精製してZn、Pbを回収する方法が一般に行われてい
る。しかしながらキルンの操業は炉内壁への付着物等の
ため不安定であり、稼働率が低い等の問題があるため、
これに代わるZn、Pb含有ダストの効率のよい再利用技術
の開発が望まれている。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、前述の筒型炉を使用して銑鉄を製造
する方法の改善と、併せて亜鉛或いは亜鉛と鉛を含むダ
スト（以下、単にダストを記す）から鉄分とともにZn、
またはZnとPbを回収することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前記先願発明の筒型炉による溶銑製造法を
基礎として、ダストを一次羽口および／または二次羽口
から吹き込むことにより、ダスト中の亜鉛成分と鉛成分
は排ガス中に濃縮させて濃化ダストとして回収し、鉄成
分は銑鉄として回収すること、更に上記のダスト吹き込
みによりコークスの過熱を防ぎ、カーボンソリューショ
ン反応を抑制して燃料と支燃性ガスの消費量を低減して
生産性を高める銑鉄の製造方法を要旨とするものであ
る。

本発明の望ましい実施態様として、二次羽口を炉の高
さ方向に複数段に設置し、それぞれの二次羽口レベル面
の原料層種別を予測し、それがコークス充填層のときに
不活性ガスをキャリヤーとしてダストを二次羽口から吹
き込む方法がある。

（作用） 本発明方法の実施に使用する筒型炉は、先に述べた特
開平１−290711号で提案した炉（第１図）、或いは特願
平１−248407号の炉（後述する第３図）と基本的に同じ
構造のものでよい。ただし、これらの図には示していな
いが、排ガス回収と集塵のための装置は必須である。

第１図において、一次羽口３から吹き込まれた支燃性
ガスによって、炉下部で前記（１）式によって生成した
COガスはコークス充填層７を加熱するとともに鉱石、ス
クラップ充填層８に上昇し、二次羽口４から吹き込まれ
た支燃性ガスと反応して前記（２）式の反応により高温
のCO₂ガスを生成し、鉱石、スクラップ充填層８を加熱
し溶融させる。このようにして、コークス充填層７或い
は鉱石、スクラップ充填層８が約900℃以上に加熱され
た時に一次羽口３もしくは二次羽口４、またはその両方
から窒素ガスをキャリヤーとして亜鉛と鉛或いは亜鉛を
含有する粉状のダストを吹き込む。

第２図は、Fe−Zn−Ｃ−Ｏの熱力学的平衡関係を示す
図である。

第２図に示すように、ダスト中の鉄成分が下記（５−
１）式反応で還元されてFe（ｓ）（以下、（ｓ）は固体
を示す）となり、約900℃以上では下記（６−１）式の
反応が活発になり、ダスト中の亜鉛成分が還元気化され
てZn（ｇ）（以下、（ｇ）は気体を示す）となり、排ガ
ス中に回収される。図示されていないが、ダスト中の鉛
成分も下記（７−１）式の反応でPb（ｇ）となり、亜鉛
成分と同様排ガス中に回収される。また、高温コークス
との反応の場合は下記（５−２）式でFe（ｓ）が、（６
−２）或いは（７−２）式でそれぞれZn（ｇ）或いはPb
（ｇ）が生成する。

FeO（ｓ）＋CO（ｇ）→ Fe（ｓ）＋CO₂＋5450kcal/kmol・FeO …（５−１） FeO（ｓ）＋Ｃ（ｓ）→ Fe（ｓ）＋CO（ｇ）−35350kcal/kmol・FeO …（５−２） ZnO（ｓ）＋CO（ｇ）→ Zn（ｇ）＋CO₂＋47920kcal/kmol・ZnO…（６−１） ZnO（ｓ）＋Ｃ（ｓ）→ Zn（ｇ）＋CO（ｇ）−88720kcal/kmol・ZnO …（６−２） Pb（ｇ）＋CO₂（ｇ）→ Pb（ｇ）＋CO₂（ｇ）＋24670kcal/kmol・PbO …（７−１） PbO（ｓ）＋Ｃ（ｓ）→ Pb（ｇ）＋CO（ｇ）−16130kcal/kmol・PbO …（７−２） 従って、一次羽口３からダストを吹き込めば、900℃
以上の強還元雰囲気下でFe成分が還元されるとともにZ
n、Pb成分が還元されて気化する。また、二次羽口４か
ら吹き込まれたダストはコークス充填層７まで荷下っ
て、高温、強還元雰囲気になると同様な還元、気化が起
こる。ダストは粉状のまま吹き込まれるので反応界面積
が大きく速い還元反応速度が得られる。

上記（５−２）、（６−２）および（７−２）式の反
応は、いずれも吸熱反応であるから鉱石、スクラップ充
填層８の上に装入される次の溶解用のコークス充填層７
−２の過熱が抑制され、上記（４）に示したカーボンソ
リューション反応が抑えられるので、コークスの無駄な
消費量を少なくすることができる。

このようにして還元鉄は反応炉の下方に降下し銑鉄と
して回収され、一方、Zn、Pbは排ガスに吸引されダスト
中に濃縮され濃化ダストとして回収される。

第３図は、本発明方法の別の実施態様で用いる炉の概
略断面と炉内装入物状態および二次羽口吹き込み法を示
す図である。この炉は基本的に特願平１−248407号で示
した炉と同じであり、上、下段に設けた二次羽口をもっ
ている。

まず第３図（ａ）は、スクラップ、鉱石充填層８−
１、コークス充填層７−２がそれぞれ下段二次羽口４−
１、上段二次羽口４−２の羽口レベル面に存在する装入
状態を示す。この装入状態はサウンジングロッドにより
所定間隔で層高計測を実施し、装入物重量と炉内充填密
度から炉内充填容積を計算して予測することができる。

本発明ではこの状態においては、第３図（ａ）に示す
ように、下段二次羽口４−１からは支燃性ガス11を、上
段二次羽口４−２から支燃性ガスに代えて不活性のキャ
リヤーガス、例えばN₂を用いてダスト12をそれぞれ吹込
む。このとき一次羽口３から吹き込まれた支燃性ガスに
よって、炉下部で前記（１）式により生成したCOガスが
スクラップ、鉱石充填層８−１に上昇し、下段二次羽口
４−１から吹き込まれた支燃性ガス11と反応して前記
（２）式の反応により高温のCO₂ガスを生成し、スクラ
ップ、鉱石充填層８−１を加熱し、溶融するとともにそ
の上方のコークス充填層７−２が700〜1000℃に加熱さ
れる。この際のコークス温度は耐火物に埋め込んだ熱電
対によって検出できる。

第３図（ｂ）はスクラップ、鉱石充填層８−１の溶解
が進行し、上方の装入物を荷下りしてコークス充填層７
−２、スクラップ鉱石充填層８−２がそれぞれ下段二次
羽口４−１、上段二次羽口４−２の羽口レベル面に存在
する装入状態を示す。その装入状態においては、下段二
次羽口４−１からは支燃性ガスに代えて、不活性キャリ
ヤーガス、例えばN₂を用いてダスト11を、上段二次羽口
４−２からは支燃性ガス11を、それぞれ吹き込む。

このようにして約900℃以上のコークス充填層７−２
中に吹き込まれたダスト中のZnO、PbOは前記（６−
１）、（６−２）、（７−１）、（７−２）式の反応に
より、Zn（ｇ）、Pb（ｇ）の金属蒸気になり、排ガスと
ともに開口部２を通じて乾式集塵機で吸引される。Zn
（ｇ）、Pb（ｇ）は途中、再酸化されて排ガスダスト中
に濃縮される。

第４図は、本発明の二次羽口吹き込み法を実施した場
合（ａ）と実施しない場合（ｂ）の、二次羽口から吹き
込み方法と二次燃焼率の変化とを対比して示した図であ
る。

第４図（ｂ）に示すように、二次羽口からO₂ガスの吹
き込みを継続すると、スクラップ充填層（Ｓ−１、Ｓ−
２）の上方のコークス充填層（Ｃ−２、Ｃ−３）が過熱
し、前記（４）式に示すカーボンソリューション反応が
進行して無駄にコークスが消費され、二次燃焼率が低下
する。

一方、第４図（ａ）に示すように本発明方法では、Zn
O、PbOの吸熱還元反応により、コークスの過熱が抑えら
れるカーボンソリューション反応も抑制されて二次燃焼
率が高くなる。

上記の本発明の製銑方法の実施の際に回収されるダス
ト中のZn含有量は50％以上となることもあり、これは亜
鉛精錬用原料の粗酸化亜鉛ダストとしては極めて高い品
位のものである。

以下に本発明の方法によって亜鉛、または亜鉛と鉛と
の濃化ダストを回収しながら銑鉄を連続的に製造した実
施例を比較例と対比して示す。

（実施例） 使用した炉は直径1.5mm、炉底から炉口までの高さ3.6
m、内容積6.0m³の第２図に示したような筒型炉である。
羽口は、炉底から0.8m上部の炉壁に一次羽口を、1.4mと
2.0m上部の炉壁にそれぞれ下段二次羽口と上段二次羽口
を設けた。すべての羽口は90゜間隔で円周方向に４本づ
つ配置されている。上、下段二次羽口は支燃性ガス吹き
込みとN₂ガスをキャリヤーとするダスト吹き込みとの切
替えができるようにしてある。炉底中央部には出銑口が
設けられる。

鉄源としては、最大寸法400mm角、嵩比重3.5トン/m³
のスクラップ（鉄純度99％）と第１表に示す組成を有す
る粒度約10mmの塊状鉄鉱石を用いた。

塊状コークスは粒度20〜70mmのものを使用した。その
組成は第２表に示すとおりである。

一次羽口から支燃性ガスと同時に吹き込む非塊状燃料
としては200メッシュ篩下が80重量％以上の微粉炭を使
用した。その組成も第２表に併記した。

一次羽口および二次羽口から吹き込む支燃性ガスとし
てはいずれも純酸素を使用した。二次羽口から吹き込む
ダストＡ、Ｂは粒度2mm以下のものを使用し、その組成
は第３表のとおりである。なお、ダストＡは亜鉛メッキ
鋼板をスクラップとして使用したきの転炉ダストであ
る。ダスト吹き込みのキャリヤーガスにはN₂ガスを用い
た。

まず、第３図に示したような層構造の原料装入を行
い、一次羽口から1000Nm₃/Hrの酸素と、1200kg/Hrの微
粉炭を吹き込み、二次羽口からは上、下段合わせて500N
m³/Hrの酸素を吹き込んだ。

上、下段二次羽口から、実施例１では第３表のＡの転
炉ダストを、実施例２ではＢの電気炉ダストを吹き込ん
だ。その吹き込みのタイミングはサウジングロッドによ
る層高計測を１分毎に実施して、層構造を計算し、上、
下段二次羽口レベルの原料層の種別を予測してそれがコ
ークス充填層である期間として決定した。このダスト吹
き込み期間は、上段の二次羽口からは13kg/溶銑トンの
吹き込み量で２回の期間、また下段の二次羽口からは上
段羽口より高温であるため、15kg/溶銑トンの吹き込み
量で１回の期間とした。従って、トータル吹き込み量は
28kg/溶銑トンであった。

上記の操業中、排ガスは全て乾式集塵機を通し、ダス
トを回収した。

（比較例） 使用した炉は、第１図に示したような二次羽口が一段
の炉である。操業方法は実施例と同様であるが、羽口か
らO₂ガスの吹き込みだけを行った。

第４表に実施例１、２および比較例の操業条件と操業
結果とを対比して示す。

第４表の排ガスダストの成分を見れば、実施例１では
Znが、実施例２ではZnおよびPbが含有されており、吹き
込んだダストからの回収が効率的に行われていることが
わかる。特にZnを20％以上含有する電気炉製鋼ダストＢ
を吹き込んだ実施例２では、回収ダスト中のZnは50％以
上となった。このようにZnが濃化されたダストは、従来
の亜鉛の湿式精錬の原料として使用でき、ZnがPbととも
に容易にかつ経済的に回収できるようになる。なお、Z
n、Pbの歩留り（吹き込んだダストからの回収率）は94
〜95％であった。

また、実施例１、２では、比較例に比べてカーボンソ
リューションが抑えられて二次燃焼率が高くなり、燃料
や酸素消費量が削減され溶解時間も短縮されていること
も第４表から明らかである。

（発明の効果） 本発明方法によれば、高炉に比較してはるかに小型で
簡便な筒型炉を使用し、かつ鉄源として鉄鉱石とともに
スクラップを使用して柔軟性に富んだ製銑を行うことが
できる。しかも、羽口からZn、Pb含有ダストを吹き込ん
でZn、Pb濃化ダストを回収することができ、さらにその
吹き込みの効果によってカーボンソリューションロスが
抑えられ銑鉄の生産効率の向上と燃料、酸素等の消費量
の削減という大きな実益が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法の実施に用いる筒型炉とその炉内
装入物状態を示す概略断面図、 第２図は、本発明方法の熱力学的平衡関係を示すFe−Zn
−Ｃ−Ｏ平衡図、 第３図（ａ）および（ｂ）は、本発明の望ましい実施態
様を説明するための上、下段二次羽口を設けた筒型炉と
炉内装入物状態および二次羽口吹き込み方法を示す概略
断面図、 第４図は、本発明方法によって二次羽口ダスト吹き込み
法を実施した場合（ａ）と、実施しない場合（ｂ）の二
次燃焼率の変化を対比して示した図、 である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C21B 11/00 - 11/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉上部に原料装入とガス排出用の開口部
   を、炉底部および／または下部炉壁に一次羽口と排滓口
   および出銑口を、上部炉壁に二次羽口をそれぞれ有する
   筒型炉を用い、その炉底から一次羽口を含むレベルまで
   コークスの充填層を形成させ、その上部に二次羽口を含
   むレベルまでスクラップおよび鉄鉱石を主体とする充填
   層を形成させた後、一次羽口から支燃性ガスまたは支燃
   性ガスと燃料を、二次羽口から支燃性ガスを吹き込む銑
   鉄の製造方法であって、亜鉛または亜鉛と鉛を含有する
   ダストを一次羽口および／または二次羽口から吹き込ん
   で、ダスト中の亜鉛または亜鉛と鉛を還元蒸発させて回
   収し、ダスト中の鉄分は銑鉄として回収することを特徴
   とする銑鉄の製造方法。
2. 【請求項２】二次羽口を炉の高さ方向に複数段に設け、
   それぞれの二次羽口レベル面の原料層種別を予測し、そ
   れがコークス充填層のときに、不活性ガスをキャリアと
   して亜鉛または亜鉛と鉛を含有するダストを二次羽口か
   ら吹き込むことを特徴とする請求項（１）に記載の銑鉄
   の製造方法。