JP4581136B2

JP4581136B2 - 酸化鉄の溶融還元方法

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Publication number: JP4581136B2
Application number: JP31266799A
Authority: JP
Inventors: 博幸梶岡; 博道武居; 三郎佐藤
Original assignee: Astec Irie Co Ltd; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Astec Irie Co Ltd; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2019-11-02
Also published as: JP2001131620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融還元法による酸化鉄含有原料からの鉄の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄の製造は、酸化鉄を還元して鉄を製造する鉄源製造法と電気炉によるスクラップ法に大別できるが、この中で、実用化あるいは実用化レベルに達している鉄源製造法としては、高炉法と直接還元法が挙げられる。
高炉法は、生産規模が２００〜３００万ｔを想定し、大型設備を使用して溶銑を生産する方法で、生産効率は非常に高いものの、設備建設期間が長く、設備投資額も２０００〜３０００億円と非常に高くなるという問題がある。また、鉄の製造においても、原料である鉄鉱石の予備還元は不要であるが、鉄鉱石のサイズを一定以上にする必要があり、また還元剤であるコークスも塊状で高い強度が要求される。このため、鉄鉱石から焼結鉱を製造したり、コークスを製造するという原料の事前処理が必要となる。
【０００３】
一方、天然ガスが多量に利用できる地域においては、生産量として２０〜３０万ｔを想定した比較的小規模な生産方法として、鉄鉱石の制約がなく、鉄鉱石をペレット化するだけの原料事前処理で済む、直接還元法が採用されている。この直接還元法は、設備投資額が１００億円と小さく、また酸化鉄の還元温度が８００〜１２００℃と低いため、耐火物の寿命が長いという利点がある。しかし、原料である鉄鉱石の予備還元が必要で、コスト的には天然ガスが安価に利用できる地域に限定されるという問題が存在する。また、ガス還元法では低融点のフェヤライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ）が生成し、ロータリーキルンではリング生成というトラブルが、シャフト炉では加熱時に棚吊りというトラブルが発生するという問題がある。更に、流動層法では体積当たりの設備効率やガス利用率が悪いという問題や、得られる鉄はスポンジアイアンと呼ばれる発火し易い状態の鉄であるため、これらの利用においては、事前処理が必要となるという問題もある。
【０００４】
そこで、ロータリーハースファーネス法が開発され数カ所で稼働しているが、熱供給が輻射であること、ロータリーハースファーネス法では層の厚みで生産量が決まること、固体とガス間の反応のため還元速度が遅く生産性が低いこと、温度管理が難しく溶着現象を起こしやすいこと等の問題が存在し、鉄源製造法としての地位を確立するには到っていない。
【０００５】
そのため、比較的低品位の鉄鉱石やコークスの使用が可能で、生産量の変化にも柔軟に対応可能な方法として、生産規模として１００万ｔ程度を想定した、設備投資額が４００億円程度となる熔銑の生産方法として、溶融還元法が開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶融還元法は、還元温度が１６００℃と高いため耐火物の溶損が激しく、耐火物の寿命が大きな問題となっている。また、溶融還元法では操業時に多量のＣＯガスが発生するので、ＣＯガスの有効利用を図ること、二次燃焼や予備還元等の各工程を再検討することが、溶融還元法が鉄源製造法として確立された地位を得るための重要なポイントになると考えられているが、いまだ十分な解決の目処は立っていない。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、還元温度が低く、耐火物の溶損がなく、ＣＯガスの発生が少ない、酸化鉄の溶融還元方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的に沿う本発明の酸化鉄の溶融還元方法は、入口側から出口側に向かって下り傾斜し、内面が耐火物で内張りされて出口側には溶鉄とスラグの流出を防止するための堰が形成されて、回転装置によって中心軸回りに回転駆動されるドラムを用いる酸化鉄の溶融還元方法であって、
前記ドラム内に鉄とコークスを装入して、バーナーで加熱し、前記ドラム内に一定量の溶鉄を存在させる工程と、
前記ドラムの入口から鉄鉱石とコークスと造滓剤の混合物原料を装入する工程と、
前記ドラムを回転させながら、前記混合物原料を、前記溶鉄からの加熱、前記コークスの燃焼、前記バーナーによる加熱、及び前記内張りされた耐火物からの輻射によって１３００℃を超えて加熱及び還元して、前記溶鉄とその上にある１４５０℃以下のスラグとを形成する工程と、
前記溶鉄と前記スラグを、これらの密度と粘性の違いにより異なる位置に前記ドラムの出口側の前記堰からオーバーフローさせる工程とを有し、
前記溶鉄中の炭素により、前記混合物原料中の酸化鉄を還元するとき、前記混合物原料中の造滓剤の組成の調整により、生成する前記スラグの成分を下記（１）〜（３）としている。
（１）ＭｇＯ≦１３重量％、かつ１５重量％≦Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ≦３０重量％
（２）ＣａＯ／ＳｉＯ₂≦１．２
（３）２重量％≦ＦｅＯ
【０００９】
また、本発明の酸化鉄の溶融還元方法において、前記混合物原料中の炭素の量の調整により、生成するスラグ中の炭素含有量を２重量％以上、１０重量％以下にして、前記溶鉄中の炭素による、前記混合物原料中の酸化鉄の還元を安定的に進行させるのがより好ましい。これによって、飽和量の炭素を含有する溶鉄を安定的に存在させること、及びスロッピングの防止が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る酸化鉄の溶融還元方法を適用した鍋方式における溶融還元設備の概念図、図２は同溶融還元方法を適用したドラム方式における溶融還元設備の概念図、図３は操業可能範囲の存在に及ぼす温度とＣａＯ／ＳｉＯ₂の関係図、図４は操業可能範囲に及ぼす温度とスラグ中のＦｅＯ含有量との関係図、図５はスラグ組成と操業可能範囲との関係図、図６は本発明の実施例における溶鉄製造時の材料バランス図である。
本発明の一実施の形態に係る酸化鉄の溶融還元方法を適用した溶融還元設備は、バッチ式の鍋方式設備と連続式のドラム方式設備に大別できる。以下、これらについて詳細に説明する。
【００１１】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る酸化鉄の溶融還元方法を適用した鍋方式溶融還元設備１０は、混合物原料が装入されて、混合物原料中の酸化鉄の溶融還元が進行する反応容器の一例である内面が耐火物で内張りされた鍋１１ａと、酸化鉄含有原料の一例である鉄鉱石貯蔵用のホッパー１３、炭素の一例であるコークス貯蔵用のホッパー１４、造滓剤貯蔵用のホッパー１５、及びこれらの輸送パイプ１６を備えた混合物原料供給装置１２と、鍋１１ａの上蓋１１ｂと、上蓋１１ｂに設置された加熱装置の一例である重油・酸素バーナー１８とを有している。また、鍋１１ａの上蓋１１ｂには、混合物原料供給装置１２から供給される混合物原料の輸送パイプ１６が接続される原料装入口１７、重油・酸素バーナー１８用のバーナー羽口１９、コークス燃焼用の酸素を供給するランスノズル２０を挿入するためのランス口２１と溶融還元反応中に発生した排ガスの排気口２２が設けられ、鍋１１ａの底部には、還元反応促進と伝熱効率向上のための溶鉄２４と溶融したスラグ２５の攪拌用のガスの一例である酸素と、還元反応に使用されて減少した溶鉄２４中の炭素を溶鉄２４へ供給するため、炭素の一例である粉コークスを供給する羽口２３が設置されている。
【００１２】
また、図２に示すように、同溶融還元方法を適用したドラム方式溶融還元設備２６は、混合物原料が装入されて、混合物原料中の酸化鉄の溶融還元が進行する反応容器の一例である内面が耐火物で内張りされたドラム２７と、鉄鉱石貯蔵用のホッパー２９、コークス貯蔵用のホッパー３０、造滓剤貯蔵用のホッパー３１、及びこれらの輸送パイプ３２を備えた混合物原料供給装置２８と、溶鉄３８と溶融したスラグ３９の流出を防止するための堰３７と、ドラム２７の出口３４側に設置された加熱装置の一例である重油・酸素バーナー３５とを有している。なお、ドラム２７の入口３３側には、混合物原料供給装置２８から供給される混合物原料の輸送パイプ３２が接続され、さらに溶融還元反応中に発生した排ガスの排気口３６が設けられている。
また、ドラム２７は入口３３側から出口３４側に向かって下方へ傾斜して、図示していない回転装置により、ドラム２７の中心軸回りに一定の回転速度で回転している。したがって、ドラム２７内に装入された混合物原料は、ドラム２７の回転により、入口３３側から出口３４側へ移動し、この間にドラム２７の出口３４側に設けられている重油・酸素バーナー３５により加熱される。
【００１３】
次に、本発明の一実施の形態に係る酸化鉄の溶融還元方法について、鍋方式溶融還元設備１０及びドラム方式溶融還元設備２６を使用した場合に分けて、詳細に説明する。
１．鍋方式溶融還元設備１０を使用した場合
先ず、鍋１１ａが保持できる溶鉄量の１／４〜１／３の量に相当し、飽和量炭素を含有した溶鉄２４を製造するため、鉄とコークスを鍋１１ａ内に装入して、ランスノズル２０より酸素を鍋１１ａ内に吹き込みながら、重油・酸素バーナー１８で加熱し、鉄を溶かす。溶鉄２４の生成後は、溶鉄状態が保たれるように、重油・酸素バーナー１８で加熱を続ける。
ここで、混合物原料を鍋１１ａに装入する前に、溶鉄２４を生成させるのは、溶鉄２４を存在させることにより、鍋１１ａ内に装入した混合物原料の昇温や、還元反応のための混合物原料への熱供給を効率的に行わせるためである。
【００１４】
溶鉄２４中に、鉄鉱石貯蔵用のホッパー１３、コークス貯蔵用のホッパー１４、及び造滓剤貯蔵用のホッパー１５から混合物原料供給装置１２を用いて、混合物原料を全体装入量の１／３以下の分量だけ装入する。混合物原料の装入後、ランスノズル２０からの酸素吹き込みによるコークスの燃焼熱、及び重油・酸素バーナー１８により、混合物原料を加熱する。
ここで、混合物原料の全体装入量を一気に鍋１１ａに装入すると、装入した混合物原料が鍋１１ａ内の熱を奪うため、その初期装入量は、生成している溶鉄２４が固化しない量、例えば、全体装入量の１／３以下の分量とする。
【００１５】
装入された混合物原料は、溶鉄２４中で懸濁して、溶鉄２４を介して急速に加熱される。混合物原料の温度が８００℃以上になると、混合物原料中の酸化鉄の一部においては、溶鉄２４中の炭素又は混合物原料中のコークスとの間で、下記に示す還元反応を起こし始め、ＣＯガスが発生し、雰囲気のＣＯ濃度は５０％に達する。
Ｆｅ₂Ｏ₃＋Ｃ（溶鉄２４中）→２ＦｅＯ＋ＣＯ・・・（４）
Ｆｅ₂Ｏ₃＋Ｃ（コークス）→２ＦｅＯ＋ＣＯ・・・（５）
Ｆｅ₂Ｏ₃＋ＣＯ→２ＦｅＯ＋ＣＯ₂ ・・・（６）
溶鉄２４中に懸濁した混合物原料では、混合物原料と溶鉄２４との比重差により、混合物原料は溶鉄２４の表面へ向かって浮上を始め、浮上の過程で（４）及び（５）の還元反応が徐々に進行して、酸化鉄を多く含有したスラグを形成する。混合物原料の温度が１１５０℃に達すると、ほとんどの酸化鉄はＦｅＯに変化する。
【００１６】
混合物原料の温度が１１５０℃以上になると、酸化鉄を多く含んだスラグは、溶融し始め、一部は
ＦｅＯ（溶融スラグ）＋Ｃ（溶鉄２４中）→Ｆｅ＋ＣＯ
で示される液相・液相間の反応となり、還元反応速度は高く、酸化鉄の鉄への還元は急速に進み始める。
しかし、温度領域が１１５０℃以上で、１２５０℃未満では、
ＦｅＯ（混合物原料）＋Ｃ（溶鉄２４中）→Ｆｅ＋ＣＯ
で示される液相・固相反応が依然主体であるため、鉄の生成量は数％と低い値である。このとき、還元反応の促進及び伝熱効率の向上のために溶鉄２４とスラグを攪拌するための酸素ガス、及び還元反応に使用されて減少した溶鉄２４中の炭素を溶鉄２４に供給するための粉コークスを、鍋１１ａの底部に設けられた羽口２３より吹き込む。
【００１７】
混合物原料の温度が、１２５０℃以上になると、スラグ組成が
（１）ＭｇＯ≦１３重量％、かつ１５重量％≦Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ≦３０重量％
（２）ＣａＯ／ＳｉＯ₂≦１．２
を満たし、ＦｅＯ含有量が１０重量％以上ある場合は、スラグの大半は液相となる。したがって、温度領域が１２５０℃以上での還元反応の主体は、
ＦｅＯ（溶融スラグ中）＋Ｃ（溶鉄２４中）→Ｆｅ＋ＣＯ
となり、還元反応の速度は非常に高く、スラグの液相中の酸化鉄は鉄へ還元される。加熱が進行し、初期装入した混合物原料と溶鉄２４との界面近傍の温度が１３００℃を超えると、混合物原料から生成するスラグ２５の液相比率がさらに大きくなり、酸化鉄の鉄への還元が急速に進み、鉄は溶鉄２４中へ取り込まれていく。この場合でも、ＣａＯ／ＳｉＯ₂が１．２以上になると、スラグの液相比率が低くなり、排滓性の問題を生じる。図３に、Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ＝２０重量％、ＦｅＯ＝５重量％における、操業可能範囲の存在に及ぼす温度とＣａＯ／ＳｉＯ₂の関係を示す。ここで、操業可能範囲とは、スラグの液相比率が高く、排滓作業が可能となる範囲をいう。
【００１８】
還元反応が進むに伴って生成するスラグ２５においては、スラグ２５中のＦｅＯ含有量は次第に減少し、含有量が１０重量％以下になると、スラグ２５の融点は上昇し、温度が１３００℃以上でもスラグ２５の液相比率が低くなり、還元反応速度は低下する。そのため、限られた時間の範囲内で還元率を、例えば９５％以上とすることは困難となる。
一方、混合物原料の温度が１４００℃に近くなると、スラグ２５中のＦｅＯ含有量が２重量％でも、そのスラグ２５は操業可能な液相比率を維持することが可能となり、限られた時間の範囲内で９５％以上の還元率を達成することができる。図４に操業可能範囲に及ぼす、温度とスラグ中のＦｅＯ含有量との関係を示す。しかし、このように高温に混合物原料の温度を上昇させると、還元反応速度を大きくすることは可能となるが、温度が１４００℃を超えるとスラグは最終的には完全に溶融し、鍋１１ａの内張りに使用している耐火物中にスラグが容易に侵入して、耐火物の溶損が始まる。また、限られた時間の範囲内で９５％以上の還元率が達成されるためには、混合物原料の温度は、耐火物の溶損を起こさない範囲内で、なるべく高温に保持するのがよい。このため、スラグ温度の上限を１４００℃と規定したが、耐火物の溶損が顕著となり始めるのは、スラグ温度が１４５０℃を超えてからなので、スラグ温度を１４５０℃までは上げて操業を行うことが可能となる。したがって、スラグ温度の上限が１４５０℃、好ましくは１４００℃となるので、炭素と共存する溶鉄の温度上限も、１４５０℃、好ましくは１４００℃となる。
さらに、１３５０℃以上、１４５０℃以下の温度域では、最終スラグ２５には一部固相が残存しているので、鍋１１ａの内張りに使用している耐火物へのスラグコーティング（保護層の形成）が可能で、耐火物の寿命を大幅に延長することも可能になる。図５に、最終スラグの温度１４００℃、ＣａＯ／ＳｉＯ₂≦１．２、２重量％≦ＦｅＯの条件下における、スラグ組成（ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃）と操業可能範囲との関係を模式的に示す。
【００１９】
なお、温度が１１５０℃以上で、１４００℃以下の範囲では、還元されて生成した鉄は、スラグ２５中に過剰に含まれる炭素を溶解し、融点の低い溶鉄となり、溶鉄２４へ取り込まれ、スラグ２５と分離されていく。
以上の還元反応において、溶鉄２４中の炭素は、酸化鉄の還元剤として作用するので、溶鉄２４中の炭素は、還元に使用された分だけ減少する。しかし、スラグ２５中の炭素含有率を２〜１０重量％となるように混合物原料中の炭素量を制御しておくと、溶鉄２４中から減少した炭素分は、スラグ２５中から溶鉄２４中へ常に供給されるので、溶鉄中の炭素は常に一定の割合を維持し、還元反応の継続に寄与する。スラグ２５と溶鉄２４との界面で、還元が進む速度に合わせて、混合物原料を鍋１１ａの上方から直接供給していくと、還元反応は連続的に進行し、混合物原料中の酸化鉄は鉄に還元されていく。
この場合、溶鉄２４の温度が１４５０℃を超えないようにエネルギーの供給速度と混合物原料の供給速度を調整させる必要がある。目安として、エネルギー供給は、混合物原料の溶融還元に必要な理論エネルギーの２倍以下のエネルギーで十分であることが実験から確認されている。
【００２０】
所定の量の混合物原料の装入が完了し、それらがほぼ還元されて、鉄の生成が終了すると、次に出銑作業と排滓作業に移る。出銑作業と排滓作業は、いずれを先に行っても問題はないが、出銑作業では、鍋１１ａ中に生成している溶鉄２４の約２／３を出銑し、残りの約１／３は鍋１１ａ内に残すようにする。
なお、スラグ２５の排滓作業性を確保するためには、１３５０℃以上で、かつ、耐火物の保護の観点から１４５０℃以下、好ましくは１４００℃以下にスラグ２５の温度を保持しておく必要がある。
【００２１】
溶鉄２４を鍋１１ａ内に残湯させることで、再び溶鉄を生成させる工程を経ることなく、次回目の混合物原料を鍋１１ａ中に装入して、鉄の生産を続けることができる。このときの残湯溶鉄２４の温度は、耐火物の溶損が発生せず、次回目の混合物原料を装入した際に、混合物原料の加熱、還元が容易に進行するように、１３５０℃以上で、１４５０℃以下の範囲に制御するのが好ましい。
なお、次回目以降の混合物原料の装入においても、混合物原料の全体装入量の１／３以下の分量を初期装入量として鍋１１ａ内に装入し、スラグ２５と溶鉄２４との界面で、酸化鉄の還元が進む速度に合わせて、残りの混合物原料を鍋１１ａの上方から供給していくという、始めの混合物原料の装入と同一の装入方法を繰り返す。理由は、溶鉄２４の固化を防止するためである。
【００２２】
２．ドラム方式溶融還元設備２６を使用した場合
始めに、ドラム２７内に鉄とコークスを装入して、重油・酸素バーナー３５で加熱して、ドラム２７の全長にわたって常に一定量の溶鉄３８を存在させる。ここで、事前に溶鉄３８を生成させるのは、溶鉄３８が存在すると、ドラム２７に装入した混合物原料の昇温や、還元反応のための混合物原料への熱供給を効率的に行うことが可能となるからである。
生成させた溶鉄３８中に、鉄鉱石貯蔵用のホッパー２９、コークス貯蔵用のホッパー３０、及び造滓剤貯蔵用のホッパー３１から混合物原料供給装置２８を用いて、混合物原料をドラム２７の入口３３側から、装入する。このとき、混合物原料の装入によって、溶鉄３８が固化しないように、コークスの燃焼と重油・酸素バーナー３５の加熱により、十分の熱量を溶鉄３８に供給することが必要である。混合物原料の装入量は、コークスの燃焼と重油・酸素バーナー３５の加熱による熱供給量に律速される。
【００２３】
ドラム２７は入口３３側から出口３４側へ傾斜がついているので、ドラム２７の回転により装入された混合物原料は、入口３３側から出口３４側へ移動する。
装入された混合物原料は、入口３３側から出口３４側への移動中に溶鉄３８からの加熱、コークスの燃焼、重油・酸素バーナー３５による加熱、及びドラム２７の炉壁耐火物からの輻射によって加熱される。混合物原料の温度が１０００℃を超えると、混合物原料の一部において、還元反応が始まるが、その反応速度は遅い。さらに、混合物原料の温度が１３００℃を超えると、混合物原料は溶融液化し、溶鉄３８中の炭素によって急速に還元され始める。還元されて生成した鉄は、溶鉄３８中に取り込まれ、更に余剰の炭素と結びついて融点の低い溶鉄３８となり、混合物原料は溶鉄３８とスラグ３９に分離され、比重差によりスラグ３９は溶鉄３８の上に残る。
【００２４】
還元反応が進むと、混合物原料中のＦｅＯ含有率が減少し、生成するスラグの融点が上がり、スラグの液相率が減少し、還元反応の速度は低下する。そこで最終スラグ３９の組成が、
（１）ＭｇＯ≦１３重量％、かつ１５重量％≦Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ≦３０重量％
（２）ＣａＯ／ＳｉＯ₂≦１．２
となるように、混合物原料中の造滓剤の組成を調整すれば、１４５０℃以下、好ましくは１４００℃の温度域で操業可能なスラグの液相比率を確保することが可能となる。
【００２５】
このようにして、ドラム２７内に装入された混合物原料は、ドラム２７の入口３３側から出口３４側へ移動しながら、加熱、還元され、ドラム２７の出口３４側付近では１４００℃の溶鉄３８とスラグ３９になる。ドラム２７の出口３４側には堰３７が設けてあるので、溶鉄３８とスラグ３９とは堰３７をオーバーフローして、ドラム２７から連続的に排出される。このとき、ドラム２７が回転しているため、溶鉄３８とスラグ３９との間の密度、粘性等の違いにより、溶鉄３８とスラグ３９とは堰３７をオーバーフローする位置が異なり、溶鉄３８とスラグ３９とは分離されて、連続的に排出されることになる。
なお、最終スラグ３９の排滓作業性を確保するためには、１４５０℃以下、好ましくは１４００℃以下でスラグ３９の液相比率を、操業可能な範囲に制御するのが好ましい。ここで、スラグ３９の上限温度を１４５０℃以下、好ましくは１４００℃以下にする理由は、スラグ温度が１４５０℃を超えるとスラグ３９が完全に溶融し、ドラム２７の内張りに使用している耐火物中にスラグ３９が容易に侵入して、耐火物の溶損が顕著となり始めるからである。
【００２６】
スラグ３９の液相比率を適正に制御すると、ドラム２７の内張りに使用している耐火物の表面に対してスラグコーティングを行うことができ、スラグからの耐火物溶損を保護する役割を担わすことが可能となる。また、ドラム２７の全長にわたって常に存在させる一定量の溶鉄３８の温度は、スラグ３９による耐火物の溶損が発生せず、装入する混合物原料の加熱、還元が容易に進行するように、１３５０℃以上で、１４５０℃以下、好ましくは１４００℃以下の範囲に制御するのがよい。
【００２７】
【実施例】
表１に記載される組成を有する鉄鉱石とコークスを使用し、コークス原単位を４００ｋｇ／溶鉄ｔとして、鍋方式溶融還元設備１０を使用して１ｔの溶鉄を製造する。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１で示される鉄鉱石とコークスの組成から、酸化鉄の還元率を９８％と仮定すると、１ｔの溶鉄の製造に必要な鉄鉱石は、１５９３ｋｇとなる。
鉄鉱石１５９３ｋｇとコークス４００ｋｇを使用する場合、鉄鉱石とコークスに含まれる各成分の含有量を計算すると、表２に示すようになる。また、表２から求まる最終スラグ成分を求めると、表３に示すようになる。
【００３０】
【表２】

【００３１】
【表３】

【００３２】
表３から、ＭｇＯ≦１３重量％、かつ１５重量％≦Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ≦３０重量％、及び２重量％≦ＦｅＯの各条件は満たされることが判るので、最終スラグ組成を調整するために必要な造滓剤としては、ＣａＯ／ＳｉＯ₂＝１に調整するために必要な、１１１ｋｇのＣａＯだけとなる。
以上の混合原料調整の検討結果に基づいて、鍋方式溶融還元設備１０を用いて溶鉄を製造した。得られた溶鉄１ｔの組成は、鉄９６重量％、炭素４重量％で、そのとき生成したスラグは３１４ｋｇであった。このときの溶鉄製造時における材料バランスの関係を、図６に示す。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、例えば、鍋方式溶融還元設備１０では、加熱を重油・酸素バーナー１８により行い、還元反応の促進及び伝熱効率の向上のために、溶鉄とスラグの攪拌用に酸素ガスの吹き込みを採用しているが、加熱方式として電気エネルギーによるアーク加熱を採用することも可能であり、溶鉄とスラグの攪拌には、アルゴンガス、窒素ガス等の他のガスを吹き込むことも可能である。また、ドラム方式溶融還元設備２６では、重油・酸素バーナー３５を出口３４側に設置しているが、入口３３側に設置することも可能である。なお、酸化鉄含有原料として、鉄鉱石以外に粉鉱石や塊鉱石、さらに製鉄所の各種製造設備で多量に発生する酸化鉄ダスト、また炭素として廃プラスチック等の炭素含有物の使用も可能である。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１、２記載の酸化鉄の溶融還元方法においては、酸化鉄含有原料と造滓剤と炭素を含む混合物原料を、炭素と共存する溶鉄中に直接投入し、溶鉄中の炭素によって、混合物原料中の酸化鉄を還元して、鉄を製造するので、原料の制約が少なく、ＣＯガスの発生が少なく、低品位の原料の使用も可能で、原料の事前処理もほとんど必要ない。また、原料の含水量が多い場合でも、原料の供給速度を低下させるか、又は含水率を１０％程度まで低下させるだけで原料の装入が可能となる。さらに設備建設費用が安いことから、山元で発生する粉鉱石を用いてこれを還元し、溶鉄として輸出する場合の設備や、２０〜３０万ｔ／年規模のミニミル用の鉄原製造設備としての利用も可能である。
【００３５】
そして、溶鉄中の炭素により、混合物原料中の酸化鉄を還元するとき、混合物原料中の造滓剤の組成の調整により、生成する最終スラグの成分を（１）ＭｇＯ≦１３重量％、かつ１５重量％≦Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ≦３０重量％、（２）ＣａＯ／ＳｉＯ₂≦１．２、（３）２重量％≦ＦｅＯとして、最終スラグが実質的に１４００℃で排滓性を確保すると同時に、耐火物に対して保護層を形成するので、溶融還元温度が従来の溶融還元温度と比較して低く、設備のランニングコストが安く、溶鉄とスラグが分離されてスラグの排出も容易となる。また、スラグが半溶融状態であるため、反応容器の内張り用耐火物へのスラグコーティングが可能となって耐火物の寿命を数倍長くすることができる。
【００３６】
請求項２記載の酸化鉄の溶融還元方法においては、混合物原料中の炭素の量の調整により、生成するスラグ中の炭素含有量を２重量％以上、１０重量％以下にして、溶鉄中の炭素による、混合物原料中の酸化鉄の還元を安定的に進行させるので、飽和量の炭素を含有する溶鉄を安定的に存在させることができ、混合物原料への伝熱効率、酸化鉄の還元速度を高くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る酸化鉄の溶融還元方法を適用した鍋方式における溶融還元設備の概念図である。
【図２】同溶融還元方法を適用したドラム方式における溶融還元設備の概念図である。
【図３】操業可能範囲の存在に及ぼす、温度とＣａＯ／ＳｉＯ₂の関係図である。
【図４】操業可能範囲に及ぼす、温度とスラグ中のＦｅＯ含有量との関係図である。
【図５】スラグ組成と操業可能範囲との関係図である。
【図６】本発明の実施例における溶鉄製造時の材料バランス図である。
【符号の説明】
１０：鍋方式溶融還元設備、１１ａ：鍋、１１ｂ：上蓋、１２：混合物原料供給装置、１３、１４、１５：ホッパー、１６：輸送パイプ、１７：原料装入口、１８：重油・酸素バーナー、１９：バーナー羽口、２０：ランスノズル、２１：ランス口、２２：排気口、２３：羽口、２４：溶鉄、２５：スラグ、２６：ドラム方式溶融還元設備、２７：ドラム、２８：混合物原料供給装置、２９、３０、３１：ホッパー、３２：輸送パイプ、３３：入口、３４：出口、３５重油・酸素バーナー、３６：排気口、３７：堰、３８：溶鉄、３９：スラグ

Claims

入口側から出口側に向かって下り傾斜し、内面が耐火物で内張りされて出口側には溶鉄とスラグの流出を防止するための堰が形成されて、回転装置によって中心軸回りに回転駆動されるドラムを用いる酸化鉄の溶融還元方法であって、
前記ドラム内に鉄とコークスを装入して、バーナーで加熱し、前記ドラム内に一定量の溶鉄を存在させる工程と、
前記ドラムの入口から鉄鉱石とコークスと造滓剤の混合物原料を装入する工程と、
前記ドラムを回転させながら、前記混合物原料を、前記溶鉄からの加熱、前記コークスの燃焼、前記バーナーによる加熱、及び前記内張りされた耐火物からの輻射によって１３００℃を超えて加熱及び還元して、前記溶鉄とその上にある１４５０℃以下のスラグとを形成する工程と、
前記溶鉄と前記スラグを、これらの密度と粘性の違いにより異なる位置に前記ドラムの出口側の前記堰からオーバーフローさせる工程とを有し、
前記溶鉄中の炭素により、前記混合物原料中の酸化鉄を還元するとき、前記混合物原料中の造滓剤の組成の調整により、生成する前記スラグの成分を下記（１）〜（３）とする酸化鉄の溶融還元方法。
（１）ＭｇＯ≦１３重量％、かつ１５重量％≦Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ≦３０重量％
（２）ＣａＯ／ＳｉＯ₂≦１．２
（３）２重量％≦ＦｅＯ
請求項１記載の酸化鉄の溶融還元方法において、前記混合物原料中の炭素の量の調整により、生成するスラグ中の炭素含有量を２重量％以上、１０重量％以下にして、前記溶鉄中の炭素による、前記混合物原料中の酸化鉄の還元を安定的に進行させることを特徴とする酸化鉄の溶融還元方法。