JP4801732B2 - 鉄塊化物を予熱する方法 - Google Patents

Description

製鋼において、鉄鉱石からいわゆる直接還元法で製造される鉄塊化物（iron agglomerate）の使用量が増大している。現在は、それらは、通常、いわゆる、DRIペレット(海綿鉄としても知られている)及びHBIブリケットである。DRIペレットは、球状であって、約15mmの直径を有している。HBIブリケットは、約30×50×100mmの寸法を有する直方体である。

しかしながら、塊化物は、スクラップと比較して、溶融製錬（smelting）において、重要な不利益の原因となる。これは、第一に、プロセス上の理由により鉄の約5〜8%がウスタイト(wuestite)として酸化物形態で存在しているという事実に起因する。しかしながら、それらの物理的状態はスクラップと比較して小さな空隙容積の原因となるが、これも溶融製錬の妨げとなる。従って、塊化物を溶融精錬するためには、例えば、アーク炉においては、スクラップを溶融精錬する場合に必要とされる鋼鉄1tあたり400kWhと比較して、鋼鉄1tあたり約600kWhが必要とされる。

この不利益を軽減するために、DRIペレットは、例えば、直接還元プロセスから直ちに約650℃で鉱炉内に充填され、それにより、鋼鉄1tあたり約170kWhが節約される。もちろん、この直接連結は、直接還元プラントと溶融精錬ユニットが空間的に近接している場合にのみ用いることができる。この目的のためのプラントは、非常に複雑である。

HBIブリケットの床に炉オフガスを通すことによりHBIブリケットを予熱する方法は、"Transactions (p. 11, vol. 28, 1988)"にも記述されている。温度が高くなると強い酸化が起こるので、予熱温度は700℃未満とすべきである。ウスタイトの含有量(これは、8%であると記載されている)は、この温度では僅かしか低減されず、炭素鉄浴(carbonaceous iron bath)に添加されたときに、スラグの制御されない泡立ちを引き起こす。その記載及び図には、さらに、オフガスは高温においてHBIブリケットの床から離れるということが示されている。効果的な予熱時間は5〜10分間であると述べられている。

本特許の根拠を成す問題は、鉄塊化物の溶融精錬において存在している上記重要な不利益を回避すること、及び、予熱方法に対して別の状況下では不利な当該鉄塊化物の物理的状態を有利に利用する新しい方法を示し、それによって、溶融精錬に関するエネルギーを大幅に低減することである。

上記問題は、請求項１に記載の方法によって解決される。その方法の有利な展開については、サブクレームに示してある。

本発明の基礎は、加熱された高温ガスを特定の条件下で鉄塊化物の床に通して流したときに、その加熱された高温ガスの温度は直線的には低下しないということ、及び、当該加熱された高温ガスは、薄い層内で事実上完全に冷却されるということの驚くべき発見である。そのような層は、鉄塊化物に応じた層厚さを有している。そのような層厚さは、上記ペレットの場合は約20〜30cmであり、上記ブリケットでは約50cmである。該予熱プロセスの間に、温度前線は該鉄塊化物床を通して移動し、その鉄塊化物床を離れるオフガスは、全装入物の予熱が完了する直前まで低い温度のままである。これによって、予熱用の不活性ガスを付加的な冷却無しで再利用することが可能となる。特に、該鉄塊化物床を離れるオフガスの温度は、予熱プロセスの開始における流入温度約800〜1100℃の場合、ほぼ周囲温度であるか、又は、それより僅かに(即ち、約10℃の範囲で)高い。温度前線が殆ど鉄塊化物床全体を通して移動した場合にのみ、鉄塊化物床を離れるオフガスの温度は上昇し始め、予熱プロセスの終わりに向かって約180〜220℃に達する。

鉄塊化物床内の温度分布に対する本発明の効果は、循環する高温ガスの平均ガス流量が、鉄塊化物床の自由表面に基づいて、DRIペレットの場合は6,000Nm³/hm²未満、HBIブリケットの場合は12,000Nm³/hm²未満の場合に達成される。その平均ガス流量は、好ましくは、DRIペレットの場合は、鉄塊化物床の自由表面1m²当たり、約1,000〜4,000Nm³/h、さらに好ましくは、約1,500〜3,000Nm³/hであり、HBIブリケットの場合は、鉄塊化物床の自由表面1m²当たり、約2,000〜7,000Nm³/h、さらに好ましくは、約2,500〜5,000Nm³/hである。この量は、第一印象では、不合理であるように思われる。その予熱時間は、非常に長いので、全生産量を予熱する場合、1つの溶融精錬容器に対して複数の予熱ユニットを用いる必要がある。その上、予熱時間が長くなると、それに応じて熱損失が大きくなる。しかしながら、上記有利点は、主として予熱プロセスにある。それは、循環する不活性ガスが予熱対象の鉄塊化物床から離れた後でその不活性ガスを冷却する必要がなく、その結果、その全熱効率が、予熱をより急速に行った場合よりもかなり高いものとなるからである。さらにまた、予熱のための装置もより単純である。

不活性ガス流量についての規定されている限界値は、全予熱期間にわたる平均値として理解されるべきである。例えば、DRIペレットを予熱する場合、該ガス流量は、予熱サイクルの前半の間は8,000Nm³/hm²未満であってもよい。次いで、その後半では、ガスの量を1,000Nm³/hm²まで連続的に低減させる。例えば、6,000Nm³/hm²で開始して、全量を1,000Nm³/hm²まで連続的に低減させることも可能である。HBIブリケットを予熱する場合、該高温ガス流量は、予熱サイクルの前半の間は、例えば、14,000Nm³/hm²であってもよく、次いで、その後半では、ガスの量を2,000Nm³/hm²まで連続的に低減させる。しかしながら、例えば、12,000Nm³/hm²で開始して、高温ガスの量を2,000Nm³/hm²まで連続的に低減させてもよい。両方の例において示されているオペレーションモードで得られる結果は、加熱容器内の圧力の低下が全予熱時間にわたってほぼ一定のままであるということである。

本発明の条件を満足させるためには、加熱容器の幾何学的形態をそれ相応に適合させなくてはならない。従って、DRIペレットを予熱するための予熱容器内の正味の容器直径に対する正味の容器高さの比率は、0.5〜1.5であるべきである。平均して、正味の容器直径は、当該ペレット層の高さとほぼ同じ大きさであるべきである。

HBIブリケットを予熱するための予熱容器では、容器直径に対する容器高さの比率は、1〜3であるべきである。平均して、正味の容器直径は、当該鉄塊化物層の厚さのほぼ半分の大きさであるべきである。

上記で規定されている条件は、円形の断面を有する容器にも当てはまる。もちろん、それらは、任意の他の幾何学的形態にそれ相応に適用することができる。

本発明によれば、予熱流が前記鉄塊化物床の上に上方から通されて、その鉄塊化物床を通って上端から下方に向かって流れれば、それは有利である。さらにまた、このオペレーティングモードで下位部分に円錐テーパが設けられていれば有利である。しかしながら、そのような部分は、加熱容器についての上記幾何学的条件においては、考慮されていない。

下部領域をそのように成形することによってDRI床のほぼ完全に均質な予熱に対する有利な効果を得ることが可能となることが分かった。下部領域の断面が、加熱容器上部における断面の約3分の1まで低減されていれば、一定の断面を有する場合と比較して、該DRI床の最後の部分が良好に予熱される。

驚くべきことに、当該再循環「不活性ガス」を空気とすることが可能であることが分かった。空気中の酸素は、予熱プロセスの開始時に鉄の量の約0.1%を酸化させるが、それは、その後還元される。ほんの短時間の後に、空気中に存在している量の酸素は当該鉄と結合し、その結果、予熱プロセスのために循環するガスは、非酸化性ガスのみからなる。

鉄塊化物を予熱する場合、ウスタイトの含有量を高度に低減させることは、決定的に重要である。それは、溶融精錬に必要とされるエネルギーを約25%低減させる。しかしながら、それは、そうしなければ時折起こるスラグの泡立ちを防止することによって、炭素鉄浴への添加(それは、慣習的な操作である)をより容易なものとする。

驚くべきことに、塊化物のウスタイト含有量が、本発明の方法では事実上完全に低減されるということが分かった。これに対する説明は、おそらく、ウスタイトが低減し始めるとすぐに、循環不活性ガスのCO含有量が急速に上昇し、それによって、ウスタイトの低減に最適な条件が作られるということであろう。そのような効果は、加熱ガスの圧力を拍動するように変えれば維持され得る。この目的のためには、20％以下の圧力変化で充分である。

再循環ガスの量が本発明により低減すること及び加熱容器の下位部分における断面が円錐テーパであることは、当該加熱容器の下位部分においても鉄塊化物中のウスタイトの含有量を高度に低減させるのに好都合である。

ウスタイトが低減すると多量のCOが形成され、そのCOは、燃やされるか、又は、集められて熱交換器用の燃料ガスとして使用され、それよって、エネルギー必要量の約半分を埋め合わせることができる。

本発明の方法は、かくして、ウスタイト含有量の重要な低減に対し、二重の意味で有利に働く。循環するガスのCO含有量が高く、予熱時間が比較的長い。

海綿鉄を本発明によって予熱するための条件が、予熱容器から離れるオフガスの温度を測定することにより簡易な方法で制御可能であるということが分かった。オフガスの温度が200℃を超えた場合、高温ガス流を低減させる。最適な予熱のための条件は、一般に、充分に再現可能である。しかしながら、ときには調節することが必要である。それは、量に関して、また、加熱容器内の局所的な分布において、比較的小さな粒径を有する鉄塊化物のフラクション又は同様に微粒子のフラクションが変動し得るからである。

該鉄塊化物の予熱温度は、800℃〜1,100℃であるべきである。さらにまた、鉄塊化物の炭素含有量が少なくとも2%であれば有利である。これら2種類の条件は、ウスタイト含有量を完全に低減させる上で有利である。

ペレットが高い予熱温度で焼結しないようにペレットの表面を処理することも、本発明の本質に属する。この処理は、高炉における直接還元法から知られている。該ペレットに振りかける粉末は、一般に、MgO、CaO又はそれらの混合物からなる。この処理によって、1,100℃までの予熱温度を用いることが可能である。

本発明の方法を適用することにより、アーク炉で鉄塊化物を溶融精錬するためのエネルギー必要量を鋼鉄1トン当たり200kWh未満まで低減することが可能となる。高い予熱温度によって、鉱石中に比較的多くの脈石が含まれていても溶融精錬プロセスにおいて容易に許容される。

添付された図面には、本発明の方法を実施するための代表的な装置が示されている。当該装置は、加熱容器、不活性ガスを加熱するための再生プラント、送風機及び布フィルターからなる。該再生プラントは、バルク再生器(bulk regenerator)であってもよい。しかしながら、そのような再生器の代わりに、回収熱交換器（レキュペレーター）を使用することも可能である。これによってプラントはより簡単なものとなるが、可能な最高温度及び熱効率は低減される。

該布フィルターで分離された粉体は、金属性であり、それ故、自然発火性である。従って、該フィルターが常に不活性ガスで満たされているように、相応する手段を取ることが必要である。しかしながら、当該ガスが少量の水蒸気で強化されている場合、上記粉体は、簡単に酸化させることも可能である。その際、20℃の飽和温度で充分である。

特に有利な実施形態は、本発明の方法用に改造されたバルク再生器の組合せにある。この場合、当該再生器は、実質的に増大した層厚のバルク材料とともに操作される。放射状に貫流させるバルク層の厚さは通常60cmであるが、その厚さは、本発明を適用した場合には約2倍である。従って、貯蔵された熱は、DRI総装入量を加熱するのに充分である。これは、不活性ガスを循環させるのに必要な圧力の有利な組合せももたらす。バルク再生器では圧力の低下は連続的に減少し、他方、予熱容器では上昇する。かくして、予熱プロセス中に、圧力低下についてある種の調節が行われる。

加熱容器に関して成形することが重要である。50tの海綿鉄を装入したものの予熱を例として挙げる。50tのDRIペレットに対しては、該容器の内部容量約30m³が必要である。該容器は、正味の直径が3.3mであり、円筒形の部分の高さは4mであり、そのうちの約3.5mにペレットを充填する。該ペレットの上方には、自由空間がまだ残っており、そこを通して高温不活性ガスを導入する。その高温ガスは、当該充填物を上部から下方に向けて貫流する。該容器の下位部分は、先が細くなった円錐形のものからなり、その下位部分には、冷却された不活性ガスを排気するための開口部がある。

上記装入物を予熱するために、予熱対象のペレットに、全体で40,000Nm³の量の不活性ガスを通す。本発明によれば、8,000Nm³/hm²の不活性ガス流量で開始する。加熱容器の直径が3.3mのところで、断面は8.6m²であり、ガス流量は68,800Nm³/hである。10分間経過した後、ガスの量を40分間以内で連続的に1,000Nm³/hm²まで低減させる。全予熱時間は、約50分間である。予熱サイクルの終わりにおけるオフガスの温度は、180℃である。循環する不活性ガスを冷却する必要はない。

50tのHBIを装入したものの予熱を2番目の例として挙げる。50tのHBIに対しては、該容器の内部容量約20m³が必要である。該容器は、正味の直径が2mであり、円筒形の部分の高さは6mであり、そのうちの約5.5mにHBIを充填する。該床の上方には、自由空間がまだ残っており、そこを通して高温不活性ガスを導入する。その高温ガスは、当該充填物を上部から下方に向けて貫流する。該容器の下位部分は、先が細くなった円錐形のものからなり、その下位部分には、冷却された不活性ガスを排気するための開口部がある。

上記装入物を予熱するために、予熱対象の床に、全体で40,000Nm³の量の不活性ガスを通す。本発明によれば、7,000Nm³/hm²の不活性ガス流量で開始する。加熱容器の直径が2mのところで、断面は3.1m²であり、ガス流量は21,700Nm³/hである。20分間経過した後、ガスの量を2時間以内で連続的に3,000Nm³/hm²まで低減させる。全予熱時間は、約2.3時間である。予熱サイクルの終わりにおけるオフガスの温度は、180℃である。循環する不活性ガスを冷却する必要はない。

当該ペレットは、予熱後、加熱容器の底のスライド型密閉体を介して溶融精錬容器の中に装入することができる。しかしながら、該容器を、上部境界が取り外し可能な覆い又は蝶番の付いた覆いである装入箱の形態を有するように設計することも適切であり得る。次いで、鉄塊化物を、予熱後に、スクラップを装入するときのように、ダンピングすることによって溶融精錬容器に移す。

溶融精錬容器に関連して連続的に予熱することは、殆ど考えることができない。そのような場合、20分間以内で連続的に装入される50tのペレットに対して120,000Nm³/hの高温ガス流量を用いることが必要であると考えられ、これには、非常に複雑な再生器プラント及び高い圧力が求められる。加熱容器に関しても、これは、実現できない条件に至るであろう。

溶融精錬ユニットとしてのアーク炉に関連して、本発明について説明してきた。それは、上記で記述したように、特別な有利点を提供する。しかしながら、それは、上記組合せに限定されない。それは、任意の溶融精錬ユニットと一緒に用いることができる。例えば、溶融精錬ユニットは、転炉であることも可能である。DRIを予熱することによって、DRIの添加を大幅に増大させることが可能となる。ここで、反応ガスを加熱空気で後燃焼(postcombustion)させる底吹転炉に関連した方法を用いることは特に有利である。ペレット中の炭素含有量約4%のものを用いて、エネルギーをさらに供給することなく、液状の銑鉄なしで、本発明の方法を適用することで、上記転炉において液状の鋼鉄を製造することができる。

本発明の方法は、上記で示された鉄塊化物の予熱に限定されない。合金鉄は、しばしば、HBIブリケットと類似した塊寸法(lump size)を有するが、塊寸法における変動幅は相当に大きい。これらの物質も、本発明による装置内で予熱することができる。より高度に小さな寸法のフラクションを用いて、本発明における範囲の下限値で操作することは有利である。即ち、加熱容器の高さに対する直径の比率は約1であるべきであり、高温ガスの量は、5,000Nm³/hm²未満であるべきである。粒子のスペクトルに応じて、最適な値は、実験的に求められる。本発明による教示は、溶融精錬のためのエネルギーの相当な節約をもたらし、また、生産性における相応した向上をもたらす。

本発明の方法を実施するための代表的な装置を示す。

Claims (14)

1. 高温ガス流によって鉄塊化物を予熱する方法であって、以下のステップ：
   鉄塊化物を加熱容器に供給し鉄塊化物床を形成するステップ；
   ガスを熱交換器内で予熱温度まで加熱するステップ；及び
   加熱された高温ガスが上記鉄塊化物の薄い層内で事実上完全に冷却されることで形成される温度前線が、予熱の経過中に上記鉄塊化物床内を移動するような流量で、該高温ガスを上記鉄塊化物床に通すステップ
   を有している前記方法。
2. 前記鉄塊化物床を離れたオフガスを再加熱して鉄塊化物床に再度通すことにより再利用するステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記鉄塊化物床に高温ガスを貫流し、それによって、該高温ガスからその熱エネルギーの大部分を該鉄塊化物に移し、次いで、オフガスを熱交換器内で予熱温度まで再度加熱して循環させる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 全予熱時間を通した高温ガスの流量の平均値が、該鉄塊化物床の表面1m²につき、4,000Nm³/hにcm単位で測定した塊化物の直径を掛けた値未満である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. DRIペレットを予熱するために、高温ガスの流量の平均値を6,000Nm³/hm²未満とすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. HBIブリケットを予熱するために、高温ガスの流量の平均値を12,000Nm³/hm²未満とすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
7. 前記鉄塊化物床の上に上方から自由空間を介して高温ガスを通すことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 2〜5%の炭素含有量を有する鉄塊化物を800℃〜1,100℃の温度を有する不活性高温ガスで予熱することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 高温ガスの圧力を拍動するように変えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記圧力をその平均圧力に基づいて最大で20%まで変動させることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 高温ガスの流量をオフガス温度によって制御することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. DRIペレットを予熱する場合、容器直径に対する容器高さの比率を0.5〜1.5に調節することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
13. HBIブリケットを予熱する場合、容器直径に対する容器高さの比率を1〜3に調節することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
14. 加熱容器の下位部分に設けられ、その断面が、加熱容器上部における断面の少なくとも3分の1に低減されている円錐テーパを通してオフガスが排出されること
    を特徴とする、請求項７に記載の方法。

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