JP4231960B2 - 炉床回転炉を用いた炭素含有鉄の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化鉄を還元処理して炭素含有鉄を得る鉱石処理の改良された方法と装置に関し、より詳細には、高純度の鉄を効率よく製造する方法と、酸化鉄を還元するのに改良された炉装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Midrex社は１９８７年に、炉床回転炉を用いた酸化鉄の還元法、および炉床回転炉に還元ガスと燃料を導入することによりエネルギー消費量を抑えつつ、比較的小型の溶鉱炉を用いる操業方法を開発し、米国特許第 4,701,214号を取得している。
【０００３】
主要な製鋼プロセスでは、何れもプロセス原料として鉄含有物質の使用を必要としている。転炉を用いる製鋼法では、通常、鉄含有物質として高炉ホットメタルと鋼鉄スクラップが使用される。広く用いられている鉄源は直接還元鉄（ＤＲＩ）と呼ばれており、これは溶融状態の鉄を経ることなく、鉄鉱石の固体還元により製造されている。ＤＲＩおよび／または鋼鉄スクラップは電気炉を用いた製鋼でも使用されている。
【０００４】
この分野では、酸化鉄が炉床表面で効率的に精製鉄に還元され、一方では、スラグ成分が高温で精製鉄から分離され、炭素分の少ない（５質量％以下）高純度の鉄を効率的に製造し得る様な改良された方法と炉が求められている。
【０００５】
１９９８年にMidrex Internationalは、FASTMET(という商号・商標によって知られた改良方法と、回転炉床上にせいぜい２層程度重ねられた酸化鉄と炭素の乾燥成形体を、約１３１６〜１４２７℃の温度に短時間加熱して直接還元鉄を製造する装置を開発し、米国特許第5,730,775号を得ている。この米国特許は、最近の当該分野について理解を深める上で参考になる文献である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる目的は、高温の炉床回転炉において、高温の炉床表面で酸化鉄を効率よく還元すると共に、精製鉄からスラグ成分を分離して、炭素濃度が１〜５質量％の高純度鉄を効率よく製造することのできる方法を提供することにある。
【０００７】
本発明のもう一つの目的は、還元処理炉において高温で酸化鉄を効率よく還元する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、炉内で生成した鉄とスラグ成分の分離を促進するために炉床層表面で高純度鉄を冷却し、高純度鉄を得る改良された炉装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成した本発明に係る第１の発明は、炭素物質含有酸化鉄物質から炭素含有鉄を製造する方法において、
(ａ)炉床層表面を有する炉床回転炉を使用し、
(ｂ)前記炉床層表面に炭素物質含有酸化鉄物質を供給し、
(ｃ)該炭素物質含有酸化鉄物質を加熱し、
(ｄ)該炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質によって還元し、
(ｅ)前記炉床層表面上に炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、次いで前記溶融小粒を前記スラグ粒子から分離し、
(ｆ)冷却表面を用いて前記溶融小粒を冷却固化し、
(ｇ)冷却固化した炭素含有鉄からなる固体金属粒と前記スラグ粒子を前記炉から取り出す、
工程を含むところに要旨を有している。
【００１０】
該第１の発明を実施するに当たっては、前記炉床回転炉の前記炉床層表面に、酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を接触させて、該炉床層表面にガラス質層を形成しておくことが望ましく、また、炉床回転炉の該炉床層表面に、更に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、酸化鉄化合物および炭素物質よりなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む被覆物質を導入して保護層を構成しておくことも、好ましい実施形態として推奨される。
【００１１】
更に
・前記加熱工程では、前記回転炉の内側において、１４５０℃〜約１６００℃の温度にある複数の放射熱源を用いて、前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱し、
・前記還元工程では、前記炉の内側において、１４５０℃〜約１５４０℃の温度にある複数の放射熱源を用いて加熱し、前記炭素物質による前記酸化鉄の還元を行ない、
・前記還元工程では、前記炉床層表面において、１４００℃〜約１５００℃の温度にある複数の放射熱源を用いて、前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱する工程が含まれ、
・該還元工程では、前記炉床層表面において、１４１０℃〜約１４８０℃の温度にある複数の放射熱源を用いて前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱し、
・前記供給工程では、前記炭素物質含有酸化鉄物質を導入する前に、酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を含む前記ガラス質層を形成し、
・前記冷却固化工程では、前記炉床層表面近傍に配置された冷却表面で、前記取出し工程の前に、該冷却表面で前記溶融小粒を冷却して前記炉床表面で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る
といった各工程を単独で、もしくは適宜組み合わせて採用することも、上記第１の発明をより効率よく実施するための好ましい実施態様として推奨される。
【００１２】
また本発明に係る第２の発明は、酸化鉄を、固形の炭素含有鉄に直接還元する装置であって、
(ａ)内側に耐火物からなる炉床層を有する炉、
(ｂ)前記炉床層へ被覆物質を導入する手段、
(ｃ)前記炉床層または前記耐火物層上に炭素物質含有酸化鉄物質を配置する手段、
(ｄ)前記炉床層、前記被覆物質および前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱する手段、
(ｅ)前記炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質により還元して炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、前記溶融小粒を前記スラグ粒子から分離する手段、
(ｆ)前記炉床層の上で前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成する手段、
(ｇ)前記炉から、前記固体金属粒と前記スラグ粒子を取り出す手段、
を有するところに要旨を有している。
【００１３】
該第２の発明においては、
・前記炉を、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉とする、
・前記耐火物からなる炉床層に、酸化鉄とシリカ化合物からなるガラス質層が形成され、該ガラス質層は、前記炉床層に前記被覆物質を導入する前に、前記導入手段によって配置される構成とする、
・前記被覆物質を導入する手段として、粒子移動コンベアが含まれ、該コンベアで前記被覆物質を前記炉床層に導入する様に構成する、
・前記被覆物質として、酸化鉄化合物、シリケート化合物、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物および炭素物質よりなる群から選択される１種以上の化合物が含まれる、
・前記被覆物質には、更に、炭素質物質からなる別の層が含まれ、該炭素質物質と前記被覆物質が前記導入手段により前記炉床層に導入される様に構成する、
・前記被覆物質には、更に炭素質物質が含まれ、前記酸化鉄と炭素物質が前記炉床層に配置される前に、前記炭素質物質が前記導入手段により前記炉床層へ導入される様に構成する、
・前記炭素物質含有酸化鉄物質を配置する手段はコンベアを有しており、該コンベアにより前記炭素物質含有酸化鉄物質を前記炉床層に配置する様に構成する、
・前記加熱手段には、１４５０℃から約１６００℃までの温度範囲で熱を供給できる複数の放射熱源が含まれ、該放射熱源により前記炉床層を該温度範囲に保持する様に構成する、
・前記加熱手段は、前記炉内の前記炉床層において１４００℃から約１６００℃までの温度範囲の熱を供給できる複数の放射熱源を含む、
・前記加熱手段は、前記炉内の前記炉床層の温度を１４５０℃から約１５３０℃の温度範囲に加熱する複数の放射熱源を含む、
・前記炉床層において前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却する前記手段には、前記炉床層表面近傍に配置された冷却表面が含まれ、該冷却表面は前記炉床層上に延長した冷却プレートが含まれる、
・前記炭素含有鉄からなる固体金属粒を取り出す前記手段には排出機構が含まれ、該排出機構には、該固体金属粒を受け入れるコンベアが含まれる、
といった様々の構成を単独で、もしくは適当に組み合わせて適用することは、第２の発明を実施する際のより好ましい実施形態として推奨される。
【００１４】
更に本発明に係る第３の構成は、炭素物質含有酸化鉄物質から、炭素含有鉄よりなる固体金属粒を製造する方法において、
(ａ)サブ炉床層表面を備えた炉を使用し、
(ｂ)酸化鉄化合物、炭素物質およびシリカ化合物を含むコンディショニング物質を前記サブ炉床層表面に導入し、
(ｃ)該コンディショニング物質を加熱して、少なくとも酸化鉄とシリカ化合物を含むガラス質層を形成し、
(ｄ)前記ガラス質層の上に炭素物質含有酸化鉄物質を配置し、
(ｅ)該炭素物質含有酸化鉄物質を加熱して、該物質中の酸化鉄を炭素物質によって還元し、
(ｆ)前記ガラス質層の上に炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させると共に、前記ガラス質層の上で、上記溶融小粒と前記スラグ粒子を分離し、
(ｇ)前記ガラス質層の上で上記溶融小粒を冷却して、炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成し、
(ｈ)前記炉から該固体金属粒および前記スラグ粒子を取り出す、
工程を含むところに要旨を有している。
【００１５】
該第３の発明を実施する際においても、
・前記炉として、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉を使用し、
・前記コンディショニング物質を導入する工程では、更に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、酸化鉄化合物および炭素質化合物よりなる群から選択される１種以上の追加コンディショニング物質を用意し、
・前記加熱工程には、１４５０℃から約１６００℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源を用いた前記被覆物質の加熱が含まれ、
・前記還元工程には、前記炉内で１４１０℃から約１４８０℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源に、前記炭素物質含有酸化鉄物質を曝す工程が含まれ、
・前記炭素含有鉄からなる溶融小粒の前記冷却工程には、前記ガラス質層近傍に冷却表面を設けることが含まれ、該冷却工程で前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、前記ガラス質層の上で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る様に構成する、
といった様々の要件を単独で、もしくは適当に組み合わせて適用することも、第３発明を実施する際の好ましい実施形態である。
【００１６】
更に本発明に係る第４の発明は、炭素物質含有酸化鉄物質から炭素含有鉄を製造する方法において、
(ａ)サブ炉床層表面を備えた炉を使用し、
(ｂ)酸化鉄化合物、炭素物質およびシリカ化合物を前記サブ炉床層表面に導入し、
(ｃ)これらの化合物を加熱して、少なくとも酸化鉄とシリカ化合物を含むガラス質層を形成し、
(ｄ)該ガラス質層の上に被覆物質を配置してガラス質被覆炉床層を形成し、
(ｅ)前記炭素物質含有酸化鉄物質を前記ガラス質被覆炉床層の上に配置し、
(ｆ)前記ガラス質被覆炉床層の上で前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱して、該炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質により還元し、
(ｇ)前記ガラス質被覆炉床層の上で、炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、
(ｈ)前記ガラス質被覆炉床層の上で上記溶融小粒を冷却して、前記スラグ粒子から分離した前記炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成し、
(ｉ)前記炉から該固体金属粒と前記スラグ粒子を取り出す、
工程を含むところに要旨が存在する。
【００１７】
該第４の発明を実施する際においても
・前記炉として、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉を使用し、
・前記被覆物質を配置する前記工程には、更に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、炭素質化合物および酸化鉄化合物よりなる群から選択される１種以上の化合物を配置する工程が含まれ、
・前記加熱工程には、１４５０℃から約１６００℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源を用いが前記化合物の加熱が含まれ、
・前記還元工程には、前記炉内で１４１０℃から約１４８０℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源に前記炭素物質含有酸化鉄物質を曝す工程が含まれ、
・前記炭素含有鉄からなる溶融小粒の前記冷却工程には、前記ガラス質炉床表面近傍に冷却表面を設けることが含まれ、前記取出し工程の前に、前記冷却表面により前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、前記ガラス質層の上で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る構成とする、
といった構成を単独で、もしくは適当に組み合わせて採用することは、前記第４の発明を実施する際の好ましい実施形態として推奨される。
【００１８】
【発明の実施の形態および実施例】
前述した本発明の目的は、高温の炉内で酸化鉄を直接還元して精製鉄を製造する方法により達成される。この方法には、サブ炉床層を有する炉床回転炉を用い、酸化鉄、炭素およびシリカからなるコンディショニング物質を導入し、次いで該コンディショニング物質を加熱して炉床層上にガラス質の層を形成し、その上に炭素物質含有酸化鉄物質よりなる（原料）塊状物を配置する工程が含まれている。
【００１９】
コンディショニング物質を加熱する工程では、塊状化した炭素物質含有酸化鉄物質を特定の温度で加熱し、該物質中の酸化鉄を炭素物質によって還元する。この還元によって生成する精製鉄の溶融小粒は、炉内の炉床層表面でスラグ成分から分離する。そして、分離工程に続く冷却工程で、炉床層に近接して配置された冷却手段により、精製鉄の溶融小粒が炉内で冷却されて固化し、固化スラグを含まない精製鉄が炉から排出される。固化スラグは、別途炉から排出される。
【００２０】
本発明の目的は、炉床上に被覆物質を配置して作られた反応性のない炉床表面を有し、その炉床表面に酸化鉄物質と炭素物質を含む塊状物を配置し、炉床回転炉内において高温で直接還元鉄を製造する装置によっても達成される。炉床層には、炭素物質含有酸化鉄物質からなる塊状物が導入される前に、炉床の耐火物層上に形成される酸化鉄とシリカ化合物からなるガラス質層を含む。
【００２１】
被覆物質と、炭素物質含有酸化鉄物質からなる塊状物は、特定の温度に加熱され、該炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄が炭素物質によって還元された後、精製鉄の溶融小粒は炉床層でスラグ成分と被覆物質から分離される。生成する高純度鉄と少量の炭素を含む溶融小粒は、炉床層または耐火物表面に近接して配置された冷却装置に曝され、該炉床層上に配置された冷却手段の近傍を通過して冷却・固化される。炉床層または耐火物表面で冷却手段を通過して冷却・固化した少量の炭素を含む鉄からなる固体金属粒は、炉内で生成したスラグ粒子とは別に炉床回転炉の外側で集めるために炉床層から取り出される。
【００２２】
炉を用いた酸化鉄の直接還元において、本発明では、炭素物質を含む酸化鉄原料から高純度鉄を製造する方法を採用することにより、炉床回転炉の利用状態を改良している。この方法には、サブ炉床層に酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を導入することにより形成される耐火物層またはガラス質炉床層からなる炉床層を有する炉床回転炉を使用する。即ち、ガラス質炉床層を構成する酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を加熱して被覆炉床層を形成するために、炉床表面に被覆物質を配置し、炉および被覆炉床層に炭素物質含有酸化鉄物質を供給し、被覆炉床層の上で該物質を加熱することにより酸化鉄を炭素物質によって還元し、副生するスラグを分離して被覆炉床層上に炭素含有鉄からなる溶融小粒を形成し、これを冷却して炭素含有鉄からなる固体金属粒をつくり、そして炉から該固体金属粒と副生スラグを排出する工程が含まれている。
【００２３】
改良された本発明の装置には、炉床層または耐火物表面に近接して配置された冷却表面を有する炉床回転炉が含まれ、該冷却表面は、炭素含有鉄の溶融小粒を冷却して低炭素で鉄分純度の高い固体金属粒に変え、この固体金属粒はガラス質炉床層から取り出される。
【００２４】
この方法と装置の改良により、鉄分純度が高く低炭素量の固体金属粒を得ることができ、得られる固体金属粒はスラグ粒子から分離され、炉床において鉄純度を下げることなく炉から金属粒として排出される。かくしてこの固形金属粒は、鉄分が約９５質量％以上で炭素分が約５質量％以下の鉄純度の高い固体金属粒として得られる。
【００２５】
実施例１
図面、特に図１を参照しつつ本発明を説明すると、酸化鉄の還元に直接還元炉１０が利用される。図示した炉床回転炉（ＲＨＦ）１０などの炉のサイズは、約１〜約７ｍ、またはそれ以上の幅の有効炉床幅を有し、製鉄工業で利用される典型的な炉床炉のサイズと同じである。ＲＨＦ１０には、物質供給ゾーン１２から、回転可能な耐火物表面またはガラス質炉床層表面３０、２個か３個のバーナゾーン１４，１６，１７を介して、反応ゾーン１７と排出ゾーン１８がある（図１参照）。
【００２６】
耐火物表面またはガラス質炉床層表面３０は、連続操業されるゾーン１２，１４，１６，１７，１８を介して、排出ゾーン１８から物質供給ゾーン１２まで反復様式で回転可能に構成されている。バーナゾーン１４，１６，１７では、それぞれ複数の空気／燃料、オイル燃焼、石炭燃焼または酸素富化バーナ２０，２２により加熱される。
【００２７】
物質供給ゾーン１２には、炭素物質含有酸化鉄からなる原料塊状物２８（「グリーンボール」とも呼ばれる）を装入する開口部２４および供給機構２６がある。酸化鉄、炭素物質およびシリカ（酸化硅素）からなる最初の層を耐火物サブ炉床の上に置いてガラス質層を形成し、その層の上に前記原料塊状物２８を供給する。
【００２８】
耐火物層表面またはガラス質炉床層表面３０に形成された被覆物質３６には、酸化鉄化合物、シリカ化合物および炭素物質が含まれている。これらの化合物は、スプレイ・インジェクター３２または固体物質コンベア３４により供給される（図２〜５参照）。原料塊状物２８は、前記表面３０の幅を有するレベラー２９によって、耐火物表面または炉床層表面３０上で好適な高さに均される。そして、可変速駆動装置（図示していない）によって該表面３０を回転させながら、供給機構２６により原料塊状物２８がＲＨＦ１０に連続的に供給される。従って、ＲＨＦ１０内および各ゾーン１４，１６，１８内における原料塊状物の保持時間は、可変速駆動装置を調節することによりコントロールできる。
【００２９】
物質供給ゾーン１２の領域および原料塊状物２８の供給ホッパ２７から供給機構２６の上流に配置されているのは、石炭粉末、シリカ、酸化鉄、黒鉛および粗い酸化鉄から生じた微粒子などの被覆物質３６を導入する手段３２，３４である。一つ以上の固体物質コンベア３４（図３，５）により、これら被覆物質３６および追加の被覆物質３８を耐火物層表面またはガラス質炉床層表面３０上に供給し、別々の層として形成される。
【００３０】
これらの物質３６，３８が微粒子である場合は、物質３６，３８を液体キャリアと混合してスプレイ・インジェクタ３２により塗布する。該インジェクタ３２は内側から冷却し、被覆物質を表面３０に微粒子として塗布できる様に、液体スプレイ状で導入する（図２，４）。物質３６，３８を液体キャリアなしでＲＨＦ１０上に供給する場合は、コンベア３４を耐火物層またはガラス質炉床層３０に接近させ、且つ炉床層表面３０の幅を横断して被覆物質３６と追加の被覆物質３８を供給する（図２〜５）。
【００３１】
被覆物質３６には、酸化鉄化合物、シリカ化合物および炭素物質が含まれる。追加の被覆物質３８には、次の化合物、すなわち酸化鉄、シリカ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化鉄の還元と溶融から発生した微粒子および炭素質物質の１種以上を含むことができる。被覆物質３６と追加の被覆物質３８のサイズは任意であるが、１０ｍｍ未満のものがよく、より好適には約１ｍｍ以下のものである。被覆物質３６，３８の嵩密度は、約０.５ｇ／ｃｍ3以上が好ましい。被覆物質３６，３８によって形成される層の厚さは、約０.１ｍｍ以上が好ましい。
【００３２】
ＲＨＦの耐火物層表面またはガラス質炉床層表面３０には、被覆物質３６と追加の被覆物質３８が導入されるが、これらの表面３０では、約１５００〜約１６００℃の炉床温度で熱処理することができる。好適な炉床温度は約１５３０〜約１５５０℃である。加熱ゾーン１４，１６を通過して回転した後、被覆物質３６，３８は冷却される。冷却手段（装置）は、内部に冷却液が流されているプレート４８であり、このプレート４８は排出ゾーン１８の前に配置されている。このプレート４８は表面３０に近接しており、且つ表面３０の幅に及んでおり、表面３０の近くに比較的温度の低いゾーンを形成する。
【００３３】
ゾーン１７（図１参照）における好ましい燃焼温度は約１４５０〜約１６００℃である。酸化鉄と炭素物質を含む塊状物２８は、約１４００〜約１５００℃の温度に保持される。該塊状物２８を保持するより好ましい温度は約１４１０〜約１４８０℃である。
【００３４】
炉床層表面３０と被覆物質３６およびその上の追加の化合物３８を加熱する手段としては、バーナゾーン１４，１６または１７の炉外殻に配置された燃料バーナが、ＲＨＦ１０を加熱するものとは別に設けられている。バーナ燃料としては、空気または酸素富化空気を用いて燃焼するコークス炉ガス、天然ガス、燃料油および／または微粉炭などの如く、鉄を扱う工業で通常利用されている燃料混合物を使用できる。
【００３５】
被覆物質３６および／または追加の被覆物質３８が表面３０上に導入された後、塊状物２８などの供給機構２６、または他の標準的連続または間欠ベルトコンベアもしくはスパイラルコンベアからなる塊状物２８および他の供給物質の供給手段によって、表面３０、被覆物質３６，３８の上層へ塊状物２８等の供給が行われる（図１）。
【００３６】
炭素物質含有酸化鉄からなる塊状物２８は加熱され、そして回転可能な炉床層上で第１ゾーン１４から第２ゾーン１６、または必要であれば第３のゾーン（図示していない）に移される。バーナゾーン１４，１６および１７において該塊状物２８は加熱され、該塊状物２８中の酸化鉄は同塊状物中の炭素物質によって還元され、上記温度で、炭素含有鉄よりなる溶融小粒が生成し、冷却装置４８を有する反応ゾーンにおいて該溶融小粒の固化が起こる。被覆物質３６，３８は、還元フェーズの間の炉床層３０の損傷を抑える。追加の被覆物質３８は、塊状物２８から生成した反応性の高純度の溶鉄に対するバリアとなり、溶鉄を炉床層３０の被覆層上に留まらせる。
【００３７】
ＲＨＦの操業により製造される溶融金属の最適中間体は、溶融状態で約９５質量％の鉄と約５質量％の炭素を有する高純度鉄の溶融小粒４１である。該溶融小粒からなる好ましい中間体は、炉床層３０の上において約９５.５〜９７.５質量％の鉄と約２.５〜４.５質量％の炭素からなる溶融小粒４１である。
【００３８】
表面３０に導入された追加の被覆物質３８の具体的な効果には、酸化鉄と炭素物質を含む塊状物２８を加熱し、酸化鉄を還元・溶融したときに副生するスラグや脈石成分（図示していない）を分離し、炭素含有鉄からなる溶融小粒４１として生成させ、物理的に分離された炭素含有鉄の溶融小粒４１を与えることである。
【００３９】
炭素含有鉄からなる溶融小粒４１は、炉床層表面３０上で塊状物２８の内外で生成し、そしてバーナゾーン１４，１６および／または反応ゾーン１７で、高純度鉄の溶融小粒４１となる。該溶融小粒４１は、炉床層表面３０でスラグや脈石成分から分離されており、また炉床層表面３０は被覆されているので、該溶融小粒４１が炉床層表面３０に吸収されることはない。従って、高度に精製された固形鉄（鉄分は９５質量％を超えている）からなる固体金属粒４２は、炉床層表面３０やＲＨＦ１０の他の内表面で他の脈石粒子やスラグ成分で汚染されることなく、排出ゾーン１８から回収できる。
【００４０】
被覆物質３６や追加の被覆物質３８の層は、ＲＨＦ１０のプロセスサイクルの間に、生成した固形金属粒４２が排出され、そして原料塊状物２８が炉床層表面３０に供給される前に、定期的または連続的に被覆物質３６，３８を追加供給することによって元に戻すことができる。
【００４１】
高純度の鉄と低濃度の炭素を含む固形金属粒４２は、表面３０の上に配置された連続または間欠式のベルト・スクリューやスパイラル式コンベア等の排出コンベア５０の如き標準的な排出機構により、回転する炉床層表面３０の排出ゾーン１８から取り出される（図８参照）。残留スラグを冷却分離した後の精製鉄金属粒４２は、FASTMET(などの従来の炉床炉技術によって製造されたものよりも鉄純度が高く炭素含有量が低い。
【００４２】
実施例２
ＲＨＦ１０を用いた前記実施例１とは別の操業形態では、酸化鉄およびシリカからなるガラス質層３６およびコンディショニング物質層３８が、炉床層表面３０として予め形成されている。酸化鉄とシリカからなるガラス質炉床層３０は、炉床層上に生成する高純度鉄含有溶融小粒４１による損傷を防止する作用を発揮する。
【００４３】
この実施例２では、酸化鉄、シリカ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化珪素（ＳｉＯ2）、石炭粉末および酸化鉄の還元と溶融から発生した炭素微粒子などの被覆物質が、炉床層表面３０に供給される。回転して加熱ゾーン１４，１６，１７を通過した後、被覆物質３８は冷却される。冷却装置は、内部に冷却液が流れているプレート４８であり、このプレート４８は排出ゾーン１８の前に配置されている。プレート４８は炉床層表面３０に近接して配置されており、また、その幅に及んでいる。
【００４４】
別の実施例では、炭素質被覆物質３８を炉床層表面３０上に配置し、別個の炭素層（図示していない）を形成することができる。この炭素質物質３８は、溶融小粒４１や固形金属粒４２によって炉床層表面３０を損傷させることなしに、溶融小粒４１（図６参照）および固体金属粒４２の形成を促進する反応性のない炭素層として役立つ。スラグ粒子および炉床層表面３０から分離された状態で溶融小粒４１や固体金属粒４２が生成する様に制御することにより、鉄分が約９５質量％で炭素分が約５質量％の高純度の鉄を固形金属粒として得ることができる。
【００４５】
この様に本発明によれば、コストを上げず、処理時間を延長することなく、更には炉温を過度に上げることなく、炉床回転炉で鉄分純度が高く且つ炭素分の低い固体金属粒を効率よく製造することができる。
【００４６】
また本発明によれば、炉床層表面３０に酸化鉄、シリカ、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、シリケート化合物および／または炭素物質等からなる特定の被覆物質により表面保護層を形成して、炭素分含量が低く且つ鉄純度の高い固形金属粒の生産を実現している。回転可能な炉床層表面３０に炭素物質含有酸化鉄からなる塊状物を供給する前に、該炉床層表面に被覆物質を供給して種々の組成の保護層を形成することにより、炉床層表面の劣化を防止しつつ鉄純度が高く炭素濃度の低い固体金属粒を得ることができる（図７参照）。
【００４７】
また本発明によれば、普通の炉温において、耐火物層またはガラス質層に被覆物質を設けた保護層を形成し、この様な被覆または結合状態を形成することによって、高純度鉄と低濃度の炭素からなる固体金属粒を炉から取り出す際の耐火物層などの劣化が防止されると共に、ＲＨＦ１０内における鉄分ロスも抑えることができる。
【００４８】
なお、当業者が本発明を容易に実施できる様に、好適な実施態様を参考にして本発明を詳細に説明したが、上記で述べた説明と具体的な実施態様は、この発明の形態と原理を単に説明するだけのものであり、上記発明の精神と範囲を逸脱することなく、前記方法や装置の構成を種々変更したり追加態様を付加することは、いずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、低コストで処理時間を延長することなく、更には炉を過度に高温にすることなく、鉄分純度が高く炭素含有量の少ない固体金属粒状の生産物として効率よく製造することのできる方法と装置を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化鉄を還元して溶融鉄の小粒を製造際に、炉床層表面および高純度の鉄と少量の炭素からなる溶融小粒を炉内で冷却する手段を採用した炉床回転炉の概略平面図である。
【図２】本発明に特有の、炉床層表面への被覆物質のスプレー導入と、被覆炉床層の形成、被覆炉床層への炭素物質含有酸化鉄からなる塊状物の供給例を示す概略平面図である。
【図３】本発明に特有の、固体状の被覆物質の配置、被覆炉床層の形成、被覆炉床層への原料塊状物の配置を例示する概略平面図である。
【図４】この発明に特有の、多数の被覆物質を炉床層表面にスプレイして被覆層を形成し、その上に原料塊状物を供給して平らに均らされる状態を示す説明図である。
【図５】この発明に特有の、多数の層を含む固体被覆物質を炉床層表面に配置して被覆表面を形成し、その上に原料塊状物を配置し平らに均らされる状態を示す説明図。
【図６】この発明に特有の、スラグ粒子から分離し、炉床層表面上に生成した高純度鉄と低濃度の炭素からなる溶融小粒の状態を示す側面説明図である。
【図７】この発明に特有の、炉床層表面に近接して配置された冷却手段を有する、高純度鉄と低濃度の炭素からなる溶融小粒を冷却する手段をしめす側面説明図である。
【図８】この発明に特有の、炉床層表面から、高純度鉄と低濃度炭素からなる固形金属粒を取り出すための排出機構を例示する概略説明図である。
【符号の説明】
１０ 炉床回転炉
１２ 物質供給ゾーン
１４、１６ バーナゾーン（加熱ゾーン）
１８ 排出ゾーン
２０、２２ バーナ
２６ 供給機構
３０ 炉床層表面
３２ スプレイ・インジェクタ
３４ コンベア
４８ 冷却プレート
５０ 排出コンベア
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化鉄を還元処理して炭素含有鉄を得る鉱石処理の改良された方法と装置に関し、より詳細には、高純度の鉄を効率よく製造する方法と、酸化鉄を還元するのに改良された炉装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Midrex社は１９８７年に、炉床回転炉を用いた酸化鉄の還元法、および炉床回転炉に還元ガスと燃料を導入することによりエネルギー消費量を抑えつつ、比較的小型の溶鉱炉を用いる操業方法を開発し、米国特許第 4,701,214号を取得している。
【０００３】
主要な製鋼プロセスでは、何れもプロセス原料として鉄含有物質の使用を必要としている。転炉を用いる製鋼法では、通常、鉄含有物質として高炉ホットメタルと鋼鉄スクラップが使用される。広く用いられている鉄源は直接還元鉄（ＤＲＩ）と呼ばれており、これは溶融状態の鉄を経ることなく、鉄鉱石の固体還元により製造されている。ＤＲＩおよび／または鋼鉄スクラップは電気炉を用いた製鋼でも使用されている。
【０００４】
この分野では、酸化鉄が炉床表面で効率的に精製鉄に還元され、一方では、スラグ成分が高温で精製鉄から分離され、炭素分の少ない（５質量％以下）高純度の鉄を効率的に製造し得る様な改良された方法と炉が求められている。
【０００５】
１９９８年にMidrex Internationalは、FASTMET(という商号・商標によって知られた改良方法と、回転炉床上にせいぜい２層程度重ねられた酸化鉄と炭素の乾燥成形体を、約１３１６〜１４２７℃の温度に短時間加熱して直接還元鉄を製造する装置を開発し、米国特許第5,730,775号を得ている。この米国特許は、最近の当該分野について理解を深める上で参考になる文献である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる目的は、高温の炉床回転炉において、高温の炉床表面で酸化鉄を効率よく還元すると共に、精製鉄からスラグ成分を分離して、炭素濃度が１〜５質量％の高純度鉄を効率よく製造することのできる方法を提供することにある。
【０００７】
本発明のもう一つの目的は、還元処理炉において高温で酸化鉄を効率よく還元する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、炉内で生成した鉄とスラグ成分の分離を促進するために炉床層表面で高純度鉄を冷却し、高純度鉄を得る改良された炉装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成した本発明に係る第１の発明は、炭素物質含有酸化鉄物質から炭素含有鉄を製造する方法において、
(ａ)炉床層表面を有する炉床回転炉を使用し、
(ｂ)前記炉床層表面に炭素物質含有酸化鉄物質を供給し、
(ｃ)該炭素物質含有酸化鉄物質を加熱し、
(ｄ)該炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質によって還元し、
(ｅ)前記炉床層表面上に炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、次いで前記溶融小粒を前記スラグ粒子から分離し、
(ｆ)冷却表面を用いて前記溶融小粒を冷却固化し、
(ｇ)冷却固化した炭素含有鉄からなる固体金属粒と前記スラグ粒子を前記炉から取り出す、
工程を含むところに要旨を有している。
【００１０】
該第１の発明を実施するに当たっては、前記炉床回転炉の前記炉床層表面に、酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を接触させて、該炉床層表面にガラス質層を形成しておくことが望ましく、また、炉床回転炉の該炉床層表面に、更に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、酸化鉄化合物および炭素物質よりなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む被覆物質を導入して保護層を構成しておくことも、好ましい実施形態として推奨される。
【００１１】
更に
・前記加熱工程では、前記回転炉の内側において、１４５０℃〜約１６００℃の温度にある複数の放射熱源を用いて、前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱し、
・前記還元工程では、前記炉の内側において、１４５０℃〜約１５４０℃の温度にある複数の放射熱源を用いて加熱し、前記炭素物質による前記酸化鉄の還元を行ない、
・前記還元工程では、前記炉床層表面において、１４００℃〜約１５００℃の温度にある複数の放射熱源を用いて、前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱する工程が含まれ、
・該還元工程では、前記炉床層表面において、１４１０℃〜約１４８０℃の温度にある複数の放射熱源を用いて前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱し、
・前記供給工程では、前記炭素物質含有酸化鉄物質を導入する前に、酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を含む前記ガラス質層を形成し、
・前記冷却固化工程では、前記炉床層表面近傍に配置された冷却表面で、前記取出し工程の前に、該冷却表面で前記溶融小粒を冷却して前記炉床表面で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る
といった各工程を単独で、もしくは適宜組み合わせて採用することも、上記第１の発明をより効率よく実施するための好ましい実施態様として推奨される。
【００１２】
また本発明に係る第２の発明は、酸化鉄を、固形の炭素含有鉄に直接還元する装置であって、
(ａ)内側に耐火物からなる炉床層を有する炉、
(ｂ)前記炉床層へ被覆物質を導入する手段、
(ｃ)前記炉床層または前記耐火物層上に炭素物質含有酸化鉄物質を配置する手段、
(ｄ)前記炉床層、前記被覆物質および前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱する手段、
(ｅ)前記炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質により還元して炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、前記溶融小粒を前記スラグ粒子から分離する手段、
(ｆ)前記炉床層の上で前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成する手段、
(ｇ)前記炉から、前記固体金属粒と前記スラグ粒子を取り出す手段、
を有するところに要旨を有している。
【００１３】
該第２の発明においては、
・前記炉を、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉とする、
・前記耐火物からなる炉床層に、酸化鉄とシリカ化合物からなるガラス質層が形成され、該ガラス質層は、前記炉床層に前記被覆物質を導入する前に、前記導入手段によって配置される構成とする、
・前記被覆物質を導入する手段として、粒子移動コンベアが含まれ、該コンベアで前記被覆物質を前記炉床層に導入する様に構成する、
・前記被覆物質として、酸化鉄化合物、シリケート化合物、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物および炭素物質よりなる群から選択される１種以上の化合物が含まれる、
・前記被覆物質には、更に、炭素質物質からなる別の層が含まれ、該炭素質物質と前記被覆物質が前記導入手段により前記炉床層に導入される様に構成する、
・前記被覆物質には、更に炭素質物質が含まれ、前記酸化鉄と炭素物質が前記炉床層に配置される前に、前記炭素質物質が前記導入手段により前記炉床層へ導入される様に構成する、
・前記炭素物質含有酸化鉄物質を配置する手段はコンベアを有しており、該コンベアにより前記炭素物質含有酸化鉄物質を前記炉床層に配置する様に構成する、
・前記加熱手段には、１４５０℃から約１６００℃までの温度範囲で熱を供給できる複数の放射熱源が含まれ、該放射熱源により前記炉床層を該温度範囲に保持する様に構成する、
・前記加熱手段は、前記炉内の前記炉床層において１４００℃から約１６００℃までの温度範囲の熱を供給できる複数の放射熱源を含む、
・前記加熱手段は、前記炉内の前記炉床層の温度を１４５０℃から約１５３０℃の温度範囲に加熱する複数の放射熱源を含む、
・前記炉床層において前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却する前記手段には、前記炉床層表面近傍に配置された冷却表面が含まれ、該冷却表面は前記炉床層上に延長した冷却プレートが含まれる、
・前記炭素含有鉄からなる固体金属粒を取り出す前記手段には排出機構が含まれ、該排出機構には、該固体金属粒を受け入れるコンベアが含まれる、
といった様々の構成を単独で、もしくは適当に組み合わせて適用することは、第２の発明を実施する際のより好ましい実施形態として推奨される。
【００１４】
更に本発明に係る第３の構成は、炭素物質含有酸化鉄物質から、炭素含有鉄よりなる固体金属粒を製造する方法において、
(ａ)サブ炉床層表面を備えた炉を使用し、
(ｂ)酸化鉄化合物、炭素物質およびシリカ化合物を含むコンディショニング物質を前記サブ炉床層表面に導入し、
(ｃ)該コンディショニング物質を加熱して、少なくとも酸化鉄とシリカ化合物を含むガラス質層を形成し、
(ｄ)前記ガラス質層の上に炭素物質含有酸化鉄物質を配置し、
(ｅ)該炭素物質含有酸化鉄物質を加熱して、該物質中の酸化鉄を炭素物質によって還元し、
(ｆ)前記ガラス質層の上に炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させると共に、前記ガラス質層の上で、上記溶融小粒と前記スラグ粒子を分離し、
(ｇ)前記ガラス質層の上で上記溶融小粒を冷却して、炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成し、
(ｈ)前記炉から該固体金属粒および前記スラグ粒子を取り出す、
工程を含むところに要旨を有している。
【００１５】
該第３の発明を実施する際においても、
・前記炉として、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉を使用し、
・前記コンディショニング物質を導入する工程では、更に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、酸化鉄化合物および炭素質化合物よりなる群から選択される１種以上の追加コンディショニング物質を用意し、
・前記加熱工程には、１４５０℃から約１６００℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源を用いた前記被覆物質の加熱が含まれ、
・前記還元工程には、前記炉内で１４１０℃から約１４８０℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源に、前記炭素物質含有酸化鉄物質を曝す工程が含まれ、
・前記炭素含有鉄からなる溶融小粒の前記冷却工程には、前記ガラス質層近傍に冷却表面を設けることが含まれ、該冷却工程で前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、前記ガラス質層の上で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る様に構成する、
といった様々の要件を単独で、もしくは適当に組み合わせて適用することも、第３発明を実施する際の好ましい実施形態である。
【００１６】
更に本発明に係る第４の発明は、炭素物質含有酸化鉄物質から炭素含有鉄を製造する方法において、
(ａ)サブ炉床層表面を備えた炉を使用し、
(ｂ)酸化鉄化合物、炭素物質およびシリカ化合物を前記サブ炉床層表面に導入し、
(ｃ)これらの化合物を加熱して、少なくとも酸化鉄とシリカ化合物を含むガラス質層を形成し、
(ｄ)該ガラス質層の上に被覆物質を配置してガラス質被覆炉床層を形成し、
(ｅ)前記炭素物質含有酸化鉄物質を前記ガラス質被覆炉床層の上に配置し、
(ｆ)前記ガラス質被覆炉床層の上で前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱して、該炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質により還元し、
(ｇ)前記ガラス質被覆炉床層の上で、炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、
(ｈ)前記ガラス質被覆炉床層の上で上記溶融小粒を冷却して、前記スラグ粒子から分離した前記炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成し、
(ｉ)前記炉から該固体金属粒と前記スラグ粒子を取り出す、
工程を含むところに要旨が存在する。
【００１７】
該第４の発明を実施する際においても
・前記炉として、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉を使用し、
・前記被覆物質を配置する前記工程には、更に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、炭素質化合物および酸化鉄化合物よりなる群から選択される１種以上の化合物を配置する工程が含まれ、
・前記加熱工程には、１４５０℃から約１６００℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源を用いが前記化合物の加熱が含まれ、
・前記還元工程には、前記炉内で１４１０℃から約１４８０℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源に前記炭素物質含有酸化鉄物質を曝す工程が含まれ、
・前記炭素含有鉄からなる溶融小粒の前記冷却工程には、前記ガラス質炉床表面近傍に冷却表面を設けることが含まれ、前記取出し工程の前に、前記冷却表面により前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、前記ガラス質層の上で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る構成とする、
といった構成を単独で、もしくは適当に組み合わせて採用することは、前記第４の発明を実施する際の好ましい実施形態として推奨される。
【００１８】
【発明の実施の形態および実施例】
前述した本発明の目的は、高温の炉内で酸化鉄を直接還元して精製鉄を製造する方法により達成される。この方法には、サブ炉床層を有する炉床回転炉を用い、酸化鉄、炭素およびシリカからなるコンディショニング物質を導入し、次いで該コンディショニング物質を加熱して炉床層上にガラス質の層を形成し、その上に炭素物質含有酸化鉄物質よりなる（原料）塊状物を配置する工程が含まれている。
【００１９】
コンディショニング物質を加熱する工程では、塊状化した炭素物質含有酸化鉄物質を特定の温度で加熱し、該物質中の酸化鉄を炭素物質によって還元する。この還元によって生成する精製鉄の溶融小粒は、炉内の炉床層表面でスラグ成分から分離する。そして、分離工程に続く冷却工程で、炉床層に近接して配置された冷却手段により、精製鉄の溶融小粒が炉内で冷却されて固化し、固化スラグを含まない精製鉄が炉から排出される。固化スラグは、別途炉から排出される。
【００２０】
本発明の目的は、炉床上に被覆物質を配置して作られた反応性のない炉床表面を有し、その炉床表面に酸化鉄物質と炭素物質を含む塊状物を配置し、炉床回転炉内において高温で直接還元鉄を製造する装置によっても達成される。炉床層には、炭素物質含有酸化鉄物質からなる塊状物が導入される前に、炉床の耐火物層上に形成される酸化鉄とシリカ化合物からなるガラス質層を含む。
【００２１】
被覆物質と、炭素物質含有酸化鉄物質からなる塊状物は、特定の温度に加熱され、該炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄が炭素物質によって還元された後、精製鉄の溶融小粒は炉床層でスラグ成分と被覆物質から分離される。生成する高純度鉄と少量の炭素を含む溶融小粒は、炉床層または耐火物表面に近接して配置された冷却装置に曝され、該炉床層上に配置された冷却手段の近傍を通過して冷却・固化される。炉床層または耐火物表面で冷却手段を通過して冷却・固化した少量の炭素を含む鉄からなる固体金属粒は、炉内で生成したスラグ粒子とは別に炉床回転炉の外側で集めるために炉床層から取り出される。
【００２２】
炉を用いた酸化鉄の直接還元において、本発明では、炭素物質を含む酸化鉄原料から高純度鉄を製造する方法を採用することにより、炉床回転炉の利用状態を改良している。この方法には、サブ炉床層に酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を導入することにより形成される耐火物層またはガラス質炉床層からなる炉床層を有する炉床回転炉を使用する。即ち、ガラス質炉床層を構成する酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を加熱して被覆炉床層を形成するために、炉床表面に被覆物質を配置し、炉および被覆炉床層に炭素物質含有酸化鉄物質を供給し、被覆炉床層の上で該物質を加熱することにより酸化鉄を炭素物質によって還元し、副生するスラグを分離して被覆炉床層上に炭素含有鉄からなる溶融小粒を形成し、これを冷却して炭素含有鉄からなる固体金属粒をつくり、そして炉から該固体金属粒と副生スラグを排出する工程が含まれている。
【００２３】
改良された本発明の装置には、炉床層または耐火物表面に近接して配置された冷却表面を有する炉床回転炉が含まれ、該冷却表面は、炭素含有鉄の溶融小粒を冷却して低炭素で鉄分純度の高い固体金属粒に変え、この固体金属粒はガラス質炉床層から取り出される。
【００２４】
この方法と装置の改良により、鉄分純度が高く低炭素量の固体金属粒を得ることができ、得られる固体金属粒はスラグ粒子から分離され、炉床において鉄純度を下げることなく炉から金属粒として排出される。かくしてこの固形金属粒は、鉄分が約９５質量％以上で炭素分が約５質量％以下の鉄純度の高い固体金属粒として得られる。
【００２５】
実施例１
図面、特に図１を参照しつつ本発明を説明すると、酸化鉄の還元に直接還元炉１０が利用される。図示した炉床回転炉（ＲＨＦ）１０などの炉のサイズは、約１〜約７ｍ、またはそれ以上の幅の有効炉床幅を有し、製鉄工業で利用される典型的な炉床炉のサイズと同じである。ＲＨＦ１０には、物質供給ゾーン１２から、回転可能な耐火物表面またはガラス質炉床層表面３０、２個か３個のバーナゾーン１４，１６，１７を介して、反応ゾーン１７と排出ゾーン１８がある（図１参照）。
【００２６】
耐火物表面またはガラス質炉床層表面３０は、連続操業されるゾーン１２，１４，１６，１７，１８を介して、排出ゾーン１８から物質供給ゾーン１２まで反復様式で回転可能に構成されている。バーナゾーン１４，１６，１７では、それぞれ複数の空気／燃料、オイル燃焼、石炭燃焼または酸素富化バーナ２０，２２により加熱される。
【００２７】
物質供給ゾーン１２には、炭素物質含有酸化鉄からなる原料塊状物２８（「グリーンボール」とも呼ばれる）を装入する開口部２４および供給機構２６がある。酸化鉄、炭素物質およびシリカ（酸化硅素）からなる最初の層を耐火物サブ炉床の上に置いてガラス質層を形成し、その層の上に前記原料塊状物２８を供給する。
【００２８】
耐火物層表面またはガラス質炉床層表面３０に形成された被覆物質３６には、酸化鉄化合物、シリカ化合物および炭素物質が含まれている。これらの化合物は、スプレイ・インジェクター３２または固体物質コンベア３４により供給される（図２〜５参照）。原料塊状物２８は、前記表面３０の幅を有するレベラー２９によって、耐火物表面または炉床層表面３０上で好適な高さに均される。そして、可変速駆動装置（図示していない）によって該表面３０を回転させながら、供給機構２６により原料塊状物２８がＲＨＦ１０に連続的に供給される。従って、ＲＨＦ１０内および各ゾーン１４，１６，１８内における原料塊状物の保持時間は、可変速駆動装置を調節することによりコントロールできる。
【００２９】
物質供給ゾーン１２の領域および原料塊状物２８の供給ホッパ２７から供給機構２６の上流に配置されているのは、石炭粉末、シリカ、酸化鉄、黒鉛および粗い酸化鉄から生じた微粒子などの被覆物質３６を導入する手段３２，３４である。一つ以上の固体物質コンベア３４（図３，５）により、これら被覆物質３６および追加の被覆物質３８を耐火物層表面またはガラス質炉床層表面３０上に供給し、別々の層として形成される。
【００３０】
これらの物質３６，３８が微粒子である場合は、物質３６，３８を液体キャリアと混合してスプレイ・インジェクタ３２により塗布する。該インジェクタ３２は内側から冷却し、被覆物質を表面３０に微粒子として塗布できる様に、液体スプレイ状で導入する（図２，４）。物質３６，３８を液体キャリアなしでＲＨＦ１０上に供給する場合は、コンベア３４を耐火物層またはガラス質炉床層３０に接近させ、且つ炉床層表面３０の幅を横断して被覆物質３６と追加の被覆物質３８を供給する（図２〜５）。
【００３１】
被覆物質３６には、酸化鉄化合物、シリカ化合物および炭素物質が含まれる。追加の被覆物質３８には、次の化合物、すなわち酸化鉄、シリカ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化鉄の還元と溶融から発生した微粒子および炭素質物質の１種以上を含むことができる。被覆物質３６と追加の被覆物質３８のサイズは任意であるが、１０ｍｍ未満のものがよく、より好適には約１ｍｍ以下のものである。被覆物質３６，３８の嵩密度は、約０.５ｇ／ｃｍ3以上が好ましい。被覆物質３６，３８によって形成される層の厚さは、約０.１ｍｍ以上が好ましい。
【００３２】
ＲＨＦの耐火物層表面またはガラス質炉床層表面３０には、被覆物質３６と追加の被覆物質３８が導入されるが、これらの表面３０では、約１５００〜約１６００℃の炉床温度で熱処理することができる。好適な炉床温度は約１５３０〜約１５５０℃である。加熱ゾーン１４，１６を通過して回転した後、被覆物質３６，３８は冷却される。冷却手段（装置）は、内部に冷却液が流されているプレート４８であり、このプレート４８は排出ゾーン１８の前に配置されている。このプレート４８は表面３０に近接しており、且つ表面３０の幅に及んでおり、表面３０の近くに比較的温度の低いゾーンを形成する。
【００３３】
ゾーン１７（図１参照）における好ましい燃焼温度は約１４５０〜約１６００℃である。酸化鉄と炭素物質を含む塊状物２８は、約１４００〜約１５００℃の温度に保持される。該塊状物２８を保持するより好ましい温度は約１４１０〜約１４８０℃である。
【００３４】
炉床層表面３０と被覆物質３６およびその上の追加の化合物３８を加熱する手段としては、バーナゾーン１４，１６または１７の炉外殻に配置された燃料バーナが、ＲＨＦ１０を加熱するものとは別に設けられている。バーナ燃料としては、空気または酸素富化空気を用いて燃焼するコークス炉ガス、天然ガス、燃料油および／または微粉炭などの如く、鉄を扱う工業で通常利用されている燃料混合物を使用できる。
【００３５】
被覆物質３６および／または追加の被覆物質３８が表面３０上に導入された後、塊状物２８などの供給機構２６、または他の標準的連続または間欠ベルトコンベアもしくはスパイラルコンベアからなる塊状物２８および他の供給物質の供給手段によって、表面３０、被覆物質３６，３８の上層へ塊状物２８等の供給が行われる（図１）。
【００３６】
炭素物質含有酸化鉄からなる塊状物２８は加熱され、そして回転可能な炉床層上で第１ゾーン１４から第２ゾーン１６、または必要であれば第３のゾーン（図示していない）に移される。バーナゾーン１４，１６および１７において該塊状物２８は加熱され、該塊状物２８中の酸化鉄は同塊状物中の炭素物質によって還元され、上記温度で、炭素含有鉄よりなる溶融小粒が生成し、冷却装置４８を有する反応ゾーンにおいて該溶融小粒の固化が起こる。被覆物質３６，３８は、還元フェーズの間の炉床層３０の損傷を抑える。追加の被覆物質３８は、塊状物２８から生成した反応性の高純度の溶鉄に対するバリアとなり、溶鉄を炉床層３０の被覆層上に留まらせる。
【００３７】
ＲＨＦの操業により製造される溶融金属の最適中間体は、溶融状態で約９５質量％の鉄と約５質量％の炭素を有する高純度鉄の溶融小粒４１である。該溶融小粒からなる好ましい中間体は、炉床層３０の上において約９５.５〜９７.５質量％の鉄と約２.５〜４.５質量％の炭素からなる溶融小粒４１である。
【００３８】
表面３０に導入された追加の被覆物質３８の具体的な効果には、酸化鉄と炭素物質を含む塊状物２８を加熱し、酸化鉄を還元・溶融したときに副生するスラグや脈石成分（図示していない）を分離し、炭素含有鉄からなる溶融小粒４１として生成させ、物理的に分離された炭素含有鉄の溶融小粒４１を与えることである。
【００３９】
炭素含有鉄からなる溶融小粒４１は、炉床層表面３０上で塊状物２８の内外で生成し、そしてバーナゾーン１４，１６および／または反応ゾーン１７で、高純度鉄の溶融小粒４１となる。該溶融小粒４１は、炉床層表面３０でスラグや脈石成分から分離されており、また炉床層表面３０は被覆されているので、該溶融小粒４１が炉床層表面３０に吸収されることはない。従って、高度に精製された固形鉄（鉄分は９５質量％を超えている）からなる固体金属粒４２は、炉床層表面３０やＲＨＦ１０の他の内表面で他の脈石粒子やスラグ成分で汚染されることなく、排出ゾーン１８から回収できる。
【００４０】
被覆物質３６や追加の被覆物質３８の層は、ＲＨＦ１０のプロセスサイクルの間に、生成した固形金属粒４２が排出され、そして原料塊状物２８が炉床層表面３０に供給される前に、定期的または連続的に被覆物質３６，３８を追加供給することによって元に戻すことができる。
【００４１】
高純度の鉄と低濃度の炭素を含む固形金属粒４２は、表面３０の上に配置された連続または間欠式のベルト・スクリューやスパイラル式コンベア等の排出コンベア５０の如き標準的な排出機構により、回転する炉床層表面３０の排出ゾーン１８から取り出される（図８参照）。残留スラグを冷却分離した後の精製鉄金属粒４２は、FASTMET(などの従来の炉床炉技術によって製造されたものよりも鉄純度が高く炭素含有量が低い。
【００４２】
実施例２
ＲＨＦ１０を用いた前記実施例１とは別の操業形態では、酸化鉄およびシリカからなるガラス質層３６およびコンディショニング物質層３８が、炉床層表面３０として予め形成されている。酸化鉄とシリカからなるガラス質炉床層３０は、炉床層上に生成する高純度鉄含有溶融小粒４１による損傷を防止する作用を発揮する。
【００４３】
この実施例２では、酸化鉄、シリカ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化珪素（ＳｉＯ2）、石炭粉末および酸化鉄の還元と溶融から発生した炭素微粒子などの被覆物質が、炉床層表面３０に供給される。回転して加熱ゾーン１４，１６，１７を通過した後、被覆物質３８は冷却される。冷却装置は、内部に冷却液が流れているプレート４８であり、このプレート４８は排出ゾーン１８の前に配置されている。プレート４８は炉床層表面３０に近接して配置されており、また、その幅に及んでいる。
【００４４】
別の実施例では、炭素質被覆物質３８を炉床層表面３０上に配置し、別個の炭素層（図示していない）を形成することができる。この炭素質物質３８は、溶融小粒４１や固形金属粒４２によって炉床層表面３０を損傷させることなしに、溶融小粒４１（図６参照）および固体金属粒４２の形成を促進する反応性のない炭素層として役立つ。スラグ粒子および炉床層表面３０から分離された状態で溶融小粒４１や固体金属粒４２が生成する様に制御することにより、鉄分が約９５質量％で炭素分が約５質量％の高純度の鉄を固形金属粒として得ることができる。
【００４５】
この様に本発明によれば、コストを上げず、処理時間を延長することなく、更には炉温を過度に上げることなく、炉床回転炉で鉄分純度が高く且つ炭素分の低い固体金属粒を効率よく製造することができる。
【００４６】
また本発明によれば、炉床層表面３０に酸化鉄、シリカ、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、シリケート化合物および／または炭素物質等からなる特定の被覆物質により表面保護層を形成して、炭素分含量が低く且つ鉄純度の高い固形金属粒の生産を実現している。回転可能な炉床層表面３０に炭素物質含有酸化鉄からなる塊状物を供給する前に、該炉床層表面に被覆物質を供給して種々の組成の保護層を形成することにより、炉床層表面の劣化を防止しつつ鉄純度が高く炭素濃度の低い固体金属粒を得ることができる（図７参照）。
【００４７】
また本発明によれば、普通の炉温において、耐火物層またはガラス質層に被覆物質を設けた保護層を形成し、この様な被覆または結合状態を形成することによって、高純度鉄と低濃度の炭素からなる固体金属粒を炉から取り出す際の耐火物層などの劣化が防止されると共に、ＲＨＦ１０内における鉄分ロスも抑えることができる。
【００４８】
なお、当業者が本発明を容易に実施できる様に、好適な実施態様を参考にして本発明を詳細に説明したが、上記で述べた説明と具体的な実施態様は、この発明の形態と原理を単に説明するだけのものであり、上記発明の精神と範囲を逸脱することなく、前記方法や装置の構成を種々変更したり追加態様を付加することは、いずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、低コストで処理時間を延長することなく、更には炉を過度に高温にすることなく、鉄分純度が高く炭素含有量の少ない固体金属粒状の生産物として効率よく製造することのできる方法と装置を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化鉄を還元して溶融鉄の小粒を製造際に、炉床層表面および高純度の鉄と少量の炭素からなる溶融小粒を炉内で冷却する手段を採用した炉床回転炉の概略平面図である。
【図２】本発明に特有の、炉床層表面への被覆物質のスプレー導入と、被覆炉床層の形成、被覆炉床層への炭素物質含有酸化鉄からなる塊状物の供給例を示す概略平面図である。
【図３】本発明に特有の、固体状の被覆物質の配置、被覆炉床層の形成、被覆炉床層への原料塊状物の配置を例示する概略平面図である。
【図４】この発明に特有の、多数の被覆物質を炉床層表面にスプレイして被覆層を形成し、その上に原料塊状物を供給して平らに均らされる状態を示す説明図である。
【図５】この発明に特有の、多数の層を含む固体被覆物質を炉床層表面に配置して被覆表面を形成し、その上に原料塊状物を配置し平らに均らされる状態を示す説明図。
【図６】この発明に特有の、スラグ粒子から分離し、炉床層表面上に生成した高純度鉄と低濃度の炭素からなる溶融小粒の状態を示す側面説明図である。
【図７】この発明に特有の、炉床層表面に近接して配置された冷却手段を有する、高純度鉄と低濃度の炭素からなる溶融小粒を冷却する手段をしめす側面説明図である。
【図８】この発明に特有の、炉床層表面から、高純度鉄と低濃度炭素からなる固形金属粒を取り出すための排出機構を例示する概略説明図である。
【符号の説明】
１０ 炉床回転炉
１２ 物質供給ゾーン
１４、１６ バーナゾーン（加熱ゾーン）
１８ 排出ゾーン
２０、２２ バーナ
２６ 供給機構
３０ 炉床層表面
３２ スプレイ・インジェクタ
３４ コンベア
４８ 冷却プレート
５０ 排出コンベア
Claims (34)
- 炭素物質含有酸化鉄物質から炭素含有鉄を製造する方法において、
(ａ)炉床層表面を有する炉床回転炉を使用し、
(ｂ)前記炉床層表面に炭素物質含有酸化鉄物質を供給し、
(ｃ)該炭素物質含有酸化鉄物質を加熱し、
(ｄ)該炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質によって還元し、
(ｅ)前記炉床層表面上に炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、次いで前記溶融小粒を前記スラグ粒子から分離し、
(ｆ)冷却表面を用いて前記溶融小粒を冷却固化し、
(ｇ)冷却固化した炭素含有鉄からなる固体金属粒と前記スラグ粒子を前記炉から取り出す、
工程を含むことを特徴とする炭素含有鉄の製造方法。 - 前記炉床回転炉の前記炉床層表面に、酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を接触させ、前記炉床層表面にガラス質層を形成する請求項１に記載の方法。
- 前記炉床回転炉の前記炉床層表面に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、酸化鉄化合物および炭素物質よりなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む被覆物質を導入する請求項１に記載の方法。
- 前記加熱工程では、前記回転炉の内側において、１４５０℃〜１６００℃の温度にある複数の放射熱源を用いて、前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱する請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
- 前記還元工程では、前記炉の内側において、１４５０℃〜１５４０℃の温度にある複数の放射熱源を用いて加熱し、前記炭素物質による前記酸化鉄の還元を行なう請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 前記還元工程では、前記炉床層表面において、１４００℃〜１５００℃の温度にある複数の放射熱源を用いて、前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱する工程が含まれる請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
- 前記還元工程では、前記炉床層表面において、１４１０℃〜１４８０℃の温度にある複数の放射熱源を用いて前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱する工程が含まれる請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
- 前記供給工程では、前記炭素物質含有酸化鉄物質を導入する前に、酸化鉄、炭素およびシリカ化合物を含む前記ガラス質層の形成を行なう工程が含まれる請求項２〜７のいずれかに記載の方法。
- 前記冷却固化工程では、前記炉床層表面近傍に配置された冷却表面で、前記取出し工程の前に、該冷却表面で前記溶融小粒を冷却して前記炉床表面で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る工程が含まれる請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
- 酸化鉄を、固形の炭素含有鉄に直接還元する装置において、
(ａ)内側に耐火物からなる炉床層を有する炉、
(ｂ)前記炉床層へ被覆物質を導入する手段、
(ｃ)前記炉床層または前記耐火物層上に炭素物質含有酸化鉄物質を配置する手段、
(ｄ)前記炉床層、前記被覆物質および前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱する手段、
(ｅ)前記炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質により還元して炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、前記溶融小粒を前記スラグ粒子から分離する手段、
(ｆ)前記炉床層の上で前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成する手段、
(ｇ)前記炉から、前記固体金属粒と前記スラグ粒子を取り出す手段、
を有することを特徴とする炭素含有鉄の製造装置。 - 前記炉が、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉である請求項１０に記載の装置。
- 前記耐火物からなる炉床層に、酸化鉄とシリカ化合物からなるガラス質層が形成され、該ガラス質層は、前記炉床層に前記被覆物質を導入する前に、前記導入手段によって配置される請求項１０または１１に記載の装置。
- 前記被覆物質を導入する手段として、粒子移動コンベアが含まれ、該コンベアで前記被覆物質を前記炉床層に導入する請求項１０〜１２のいずれかに記載の装置。
- 前記被覆物質として、酸化鉄化合物、シリケート化合物、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物および炭素物質よりなる群から選択される１種以上の化合物が含まれる請求項１０〜１３のいずれかに記載の装置。
- 前記被覆物質には、更に、炭素質物質からなる別の層が含まれ、該炭素質物質と前記被覆物質が前記導入手段により前記炉床層に導入される請求項１０〜１４のいずれかに記載の装置。
- 前記被覆物質には、更に炭素質物質が含まれ、前記酸化鉄と炭素物質が前記炉床層に配置される前に、前記炭素質物質が前記導入手段により前記炉床層へ導入される請求項１０〜１４のいずれかに記載の装置。
- 前記炭素物質含有酸化鉄物質を配置する手段はコンベアを有しており、該コンベアにより前記炭素物質含有酸化鉄物質を前記炉床層に配置する請求項１０〜１６のいずれかに記載の装置。
- 前記加熱手段には、１４５０℃から１６００℃までの温度範囲で熱を供給できる複数の放射熱源が含まれ、該放射熱源により前記炉床層を該温度範囲に保持する請求項１０〜１７のいずれかに記載の装置。
- 前記加熱手段は、前記炉内の前記炉床層において１４００℃から１６００℃までの温度範囲の熱を供給できる複数の放射熱源が含まれている請求項１０に記載の装置。
- 前記加熱手段は、前記炉内の前記炉床層の温度を１４５０℃から１５３０℃の温度範囲に加熱する複数の放射熱源が含まれている請求項１０〜１９のいずれかに記載の装置。
- 前記炉床層において前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却する前記手段には、前記炉床層表面近傍に配置された冷却表面が含まれ、該冷却表面は前記炉床層上に延長した冷却プレートが含まれる請求項１０〜２０のいずれかに記載の装置。
- 前記炭素含有鉄からなる固体金属粒を取り出す前記手段には排出機構が含まれ、該排出機構には、該固体金属粒を受け入れるコンベアが含まれている請求項１０〜２１のいずれかに記載の装置。
- 炭素物質含有酸化鉄物質から、炭素含有鉄よりなる固体金属粒を製造する方法において、
(ａ)サブ炉床層表面を備えた炉を使用し、
(ｂ)酸化鉄化合物、炭素物質およびシリカ化合物からなる物質（以下、「コンディショニング物質」と記載する）を前記サブ炉床層表面に導入し、
(ｃ)該コンディショニング物質を加熱して、少なくとも酸化鉄とシリカ化合物を含むガラス質層を形成し、
(ｄ)前記ガラス質層の上に炭素物質含有酸化鉄物質を配置し、
(ｅ)該炭素物質含有酸化鉄物質を加熱して、該物質中の酸化鉄を炭素物質によって還元し、
(ｆ)前記ガラス質層の上に炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させると共に、前記ガラス質層の上で、上記溶融小粒と前記スラグ粒子を分離し、
(ｇ)前記ガラス質層の上で上記溶融小粒を冷却して、炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成し、
(ｈ)前記炉から該固体金属粒および前記スラグ粒子を取り出す、
工程を含むことを特徴とする炭素含有鉄の製造方法。 - 前記炉が、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉である請求項２３に記載の方法。
- 前記コンディショニング物質を導入する工程では、更に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、酸化鉄化合物および炭素質化合物よりなる群から選択される１種以上の追加の物質が用意されている請求項２３または２４に記載の方法。
- 前記加熱工程には、１４５０℃から１６００℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源を用いた前記被覆物質の加熱が含まれる請求項２３〜２５のいずれかに記載の方法。
- 前記還元工程には、前記炉内で１４１０℃から１４８０℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源に、前記炭素物質含有酸化鉄物質を曝す工程が含まれる請求項２３〜２６のいずれかに記載の方法。
- 前記炭素含有鉄からなる溶融小粒の前記冷却工程には、前記ガラス質層近傍に冷却表面を設けることが含まれ、該冷却工程で前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、前記ガラス質層の上で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る請求項２３〜２７のいずれかに記載の方法。
- 炭素物質含有酸化鉄物質から炭素含有鉄を製造する方法において、
(ａ)サブ炉床層表面を備えた炉を使用し、
(ｂ)酸化鉄化合物、炭素物質およびシリカ化合物を前記サブ炉床層表面に導入し、
(ｃ)これらの化合物を加熱して、少なくとも酸化鉄とシリカ化合物を含むガラス質層を形成し、
(ｄ)該ガラス質層の上に被覆物質を配置してガラス質被覆炉床層を形成し、
(ｅ)前記炭素物質含有酸化鉄物質を前記ガラス質被覆炉床層の上に配置し、
(ｆ)前記ガラス質被覆炉床層の上で前記炭素物質含有酸化鉄物質を加熱して、該炭素物質含有酸化鉄物質中の酸化鉄を炭素物質により還元し、
(ｇ)前記ガラス質被覆炉床層の上で、炭素含有鉄からなる溶融小粒とスラグ粒子を生成させ、
(ｈ)前記ガラス質被覆炉床層の上で上記溶融小粒を冷却して、前記スラグ粒子から分離した前記炭素含有鉄からなる固体金属粒を形成し、
(ｉ)前記炉から該固体金属粒と前記スラグ粒子を取り出す、
工程を含むことを特徴とする炭素含有鉄の製造方法。 - 前記炉として、回転可能な炉床表面を有する炉床回転炉を使用する請求項２９に記載の方法。
- 前記被覆物質を配置する前記工程には、更に、酸化マグネシウム化合物、酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、炭素質化合物および酸化鉄化合物よりなる群から選択される１種以上の化合物を配置する工程が含まれる請求項２９または３０に記載の方法。
- 前記加熱工程には、１４５０℃から１６００℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源を用いた前記化合物の加熱が含まれる請求項２９〜３１のいずれかに記載の方法。
- 前記還元工程には、前記炉内で１４１０℃から１４８０℃までの温度範囲で熱を供給する複数の放射熱源に前記炭素物質含有酸化鉄物質を曝す工程が含まれる請求項２９〜３２のいずれかに記載の方法。
- 前記炭素含有鉄からなる溶融小粒の前記冷却工程には、前記ガラス質炉床表面近傍に冷却表面を設けることが含まれ、前記取出し工程の前に、前記冷却表面により前記炭素含有鉄からなる溶融小粒を冷却し、前記ガラス質層の上で炭素含有鉄からなる固体金属粒を作る請求項２９〜３３のいずれかに記載の方法。
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