JP5047468B2 - 還元鉄の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉床上に生成する堆積・付着物の組織を改質し、還元鉄を生産効率よく製造する還元鉄の製造方法に関する。

製銑・製鋼工程で発生する酸化鉄を多量に含有するダスト粉（粉状鉄原料）に、還元材としてＣを含有した炭材と水分を添加・混合し、ペレット又はブリケット状に成型し、その成型体を乾燥し、次いで、還元炉で加熱・還元して、還元鉄を製造する技術が知られている。

成型体は、微粒分が少ない方が、還元炉の操業上、生産性上、また、還元鉄の品質上、望ましいが、微粒分は、不可避的に発生し還元炉内に混入する。

これまでに、成型体を製造し、乾燥した後、炉内へ装入する前に、微粒粉を篩で選別し、微粒分の除去を行う方法などが示されているが、炉内への装入過程で、搬送系を構成する機器との摩擦や衝突により微粒分が発生し、さらには、炉内での還元反応過程や、炉外への排出過程においても、微粒分が発生する。

それ故、微粒分の発生を抑制ないし防止する技術が、これまで幾つか提案されている（例えば、特許文献１及び２、参照）。

特許文献１には、炉内への装入過程において微粒分の発生を抑制するため、粉状鉄原料中のＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂の合計量を所定の範囲に調整して成型体の強度を高める技術が提案されている。また、特許文献２には、炉外への排出過程において微粒分の発生を抑制するため、還元鉄原料の塩基度調整し還元鉄の圧壊強度を高める技術が提案されている。

しかし、炉内への装入過程、炉内での還元反応過程、及び、炉外への排出過程において、微粒分の発生は不可避である。

そして、上記過程で発生し、炉内に残留する微粒分は、炉床上面に堆積・付着するが、この堆積・付着物は、成型体自身の荷重や、排出装置による鉛直下方向への押付け力により、成型体に比べ空孔の少ない緻密な構造を形成していき、最終的には、非常に強固で硬い、ＦｅＯやスラグ分の微粉同士が熱拡散で焼結した岩盤状の炉床堆積・付着物層を形成する。

操業の継続に伴い、炉床上面に堆積・付着する堆積・付着物の量は増大するので、上記炉床堆積・付着物層の厚みは増大し、その結果、炉内において、成型体を収容できる空間が減少する。

したがって、還元炉の操業においては、上記堆積・付着物の量が所定量に達した時、又は、炉床堆積・付着物層の厚みが所定値に達した時、操業を停止して、炉床堆積・付着物層を切削して除去しなければならない。この切削・除去作業は、還元炉の生産性を著しく低下させる。

特開平１１−１２６２６号公報 特開２００４−１６９１４０号公報

前述したように、炉床堆積・付着物層を切削して除去する作業は、還元炉の生産性を著しく低下させるから、炉床堆積・付着物の量を低減することや、炉床堆積・付着物層の切削・除去時間を短縮することは、還元炉の生産性を増大させる上で非常に重要なことである。

また、炉床堆積・付着物の強度が高い層と低い層では、切削性に差がある（強度が高い層は切削し難い）ので、炉床堆積・付着物層を切削・除去した後、炉床面が凸凹になる。

炉床面に凹凸が形成されると、成型物の炉床面への敷設が不均一になり、敷設厚みの大きい部位への熱供給を補うため、燃料ガスコストが増大する。

また、炉床堆積・付着物の強度が高いと還元鉄の排出装置に磨耗が生じ、排出装置の寿命を短縮し、整備コストの増大や整備時間の増大を招き、還元炉の生産性を低下させる。

したがって、本発明は、成型体及び／又は還元鉄の微粒分（粉）に起因して生じる上記諸問題を解決するため、炉床堆積・付着物層の性状を改善し、該層の切削・除去作業を容易にする方法を提供するものである。

炉床堆積・付着物層の切削・除去作業を容易にするためには、炉床堆積・付着物層の被切削性を高める必要がある。本発明者は、炉床堆積・付着物層の中にスラグ溶融層を形成すれば、鉄及び固体スラグ粒子間に溶融したスラグ層を介在させることとなり、鉄及び固体スラグ粒子間の付着・結合力を低減することができるとの発想に至り、鋭意研究を行った。

その結果、本発明者は、ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材を、（ｉ）成型体の成型時、成型体原料（酸化鉄を主体とし還元に必要な炭材を加えた原料）に添加、又は、（ii）成型体の装入時、成型体とともに炉内に装入すれば、成型体に含まれるＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、残留する酸化鉄（主にＦｅＯ）等の酸化物が形成する多成分系酸化物を制御することにより、炉床堆積・付着物層の被切削性を高めることを見出した。

また、本発明者は、ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材を添加又は装入する際、下記式で定義する組織改質指標（成分濃度比）Ｒを、所要の範囲内に維持すれば、炉床堆積・付着物層の被切削性を高めることができることを見出した。

Ｒ＝（Ｘ_CaO＋Ｘ_Al2O3＋Ｘ_MgO）／Ｘ_SiO2
ここで、Ｘ_CaO：ＣａＯ濃度（質量％）、Ｘ_SiO2：ＳｉＯ₂濃度（質量％）
Ｘ_Al2O3：Ａｌ₂Ｏ₃濃度（質量％）、Ｘ_MgO：ＭｇＯ濃度（質量％）
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）酸化鉄を主体とし還元に必要な炭材を加えたダスト粉を成型した成型体を、乾燥後、回転炉床炉に装入して、還元する還元鉄の製造方法において、成型体の成型に当って、酸化鉄を主体とし還元に必要な炭材を加えたダスト粉に、ＳｉＯ_２を含有する酸化物系改質材を添加する際、下記式で定義する組織改質指標Ｒ（添加後の成分濃度比）を１〜５の範囲に制御することで、前記回転炉床炉の炉床堆積・付着物層中に、炉内に残留するＦｅＯとともに、溶融スラグ層を形成することを特徴とする還元鉄の製造方法。
Ｒ＝（Ｘ_ＣａＯ＋Ｘ_{Ａｌ２Ｏ３}＋Ｘ_ＭｇＯ）／Ｘ_ＳｉＯ２
ここで、
Ｘ_ＣａＯ：原料に酸化物系改質材を添加し成型した成型体中のＣａＯ濃度（質量％）
Ｘ_ＳｉＯ２：原料に酸化物系改質材を添加し成型した成型体中のＳｉＯ_２濃度（質量％）
Ｘ_{Ａｌ２Ｏ３}:原料に酸化物系改質材を添加し成型した成型体中のＡｌ_２Ｏ_３濃度（質量％）
Ｘ_ＭｇＯ：原料に酸化物系改質材を添加し成型した成型体中のＭｇＯ濃度（質量％）

（２）前記ＳｉＯ_２を含有する酸化物系改質材が、粉状又は微粉状のものであることを特徴とする前記（１）に記載の還元鉄の製造方法。

本発明によれば、還元鉄排出時の粉排出量を増大して、炉床堆積・付着層の成長速度を低減し、かつ、炉床堆積・付着物層を切削する切削速度を増大（切削時間の短縮）して、還元炉の稼働率を高めるとともに、設備負荷及び燃料ガスコストを低減し、還元炉の生産性を高めることができる。

さらに、還元鉄の炉外への排出装置の磨耗速度を抑制して、炉床面の均一性を永続的に維持することができ、その結果、炉床に還元鉄を均一に敷設することができて、還元効率を向上させ、かつ、燃料ガスコストを低減することができる。

酸化鉄を主体とした原料（成型体原料）は、例えば、転炉ダスト、電炉ダスト、溶解炉ダスト、高炉ダスト等のダスト類である。このダスト類は、溶解・還元・精錬工程での発生物であるので、ＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ等の高融点酸化物を含有している。

したがって、炉床堆積・付着物は、通常、酸化鉄に加え、ＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ等の高融点酸化物を含有している。さらに、炉床堆積・付着物は、上面を成型体に覆われているため、成型体に比べ温度が低く、スラグ成分が溶融し難い雰囲気中に存在する。

そこで、本発明では、炉床堆積・付着物に、ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材を使用し、成型体に含まれるＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、残留する酸化鉄（主にＦｅＯ）等の酸化物が形成する多成分系酸化物の融点を低下させる。

上記融点の低下により、従来の残留スラグ成分が溶融し難い、炉床温度９００〜１１００℃の低温雰囲気下においても、炉床堆積・付着物層中に、炉内に残留するＦｅＯとともに、容易にスラグ溶融層を形成することができる。

そして、このスラグ溶融層の形成により、図３の（ａ）と（ｂ）に対比して示すように、鉄および固体スラグ粒子間に溶融スラグ層を介在させ、鉄粒子間の付着・結合力を低減することができる。

上記付着・結合力が低減すれば、微粉分が炉床に付着しにくいため還元鉄排出時における微粒分（粉）排出量を増大して、炉床堆積・付着物層の成長速度を低減できるし、また、微粉が付着しても切削しやすいので炉床堆積・付着物層を切削する時の切削速度を増大できる。

上記改質材は、（ｉ）成型体の成型時、原料配合過程で、成型体原料（酸化鉄を主体とし還元に必要な炭材を加えた原料）に添加・混合するか、又は、（ii）成型体の装入時、炉内の粉発生比率に応じて装入量を調整し、成型体とともに炉内に装入する。

そして、上記改質材としては、ＳｉＯ₂を高濃度で含有することや、入手のし易さから、ベントナイトが好ましいが、硅砂や石炭灰（フライアッシュ）のように、所要量のＳｉＯ₂を含有する物質であればよい。

また、ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材は、所要量のＳｉＯ₂を含有しているものであればよく、特定の粒度のものに限定されないが、酸化鉄を主体とした原料との均一混合性の観点から、粉状又は微粒状のものが望ましい。

なお、ＳｉＯ_２を含有する酸化物系改質材として、ＳｉＯ _２ を含有するガラス、ＳｉＯ _２ を含有するレンガ、石英、ＳｉＯ _２ を含有するセラミックス、ＳｉＯ _２ を含有する焼却灰、ＳｉＯ _２ を含有する汚泥、ＳｉＯ _２ を含有するスラッジ、還元に必要な炭材を兼ねてＳｉＯ_２含有量の多い炭材を使用しても本発明の範囲内である。

また、ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材を添加又は装入する際、下記式で定義する組織改質指標Ｒ（成分濃度比）を、所要の範囲内に制御すれば、多成分系酸化物の融点をより低下させることができる。
Ｒ＝（Ｘ_CaO＋Ｘ_Al2O3＋Ｘ_MgO）／Ｘ_SiO2
ここで、Ｘ_CaO：ＣａＯ濃度（質量％）、Ｘ_SiO2：ＳｉＯ₂濃度（質量％）
Ｘ_Al2O3：Ａｌ₂Ｏ₃濃度（質量％）、Ｘ_MgO：ＭｇＯ濃度（質量％）

組織改質指標Ｒを、上記範囲内に調整すれば、炉床温度９００〜１１００℃の低温雰囲気中においても、炉内に残留するＦｅＯとともに、溶融スラグ層を容易に形成できる（図３、参照）。

ここで、組織改質指標Ｒの技術的意味について説明する。

組織改質指標Ｒは、残留ＦｅＯと、主要酸化物ＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯからなるスラグ層の溶融温度を調整するための指標である。

ＦｅＯの融点は、ＣａＯとＳｉＯ₂の比率ＣａＯ／ＳｉＯ₂の増大に応じて上昇し、低下に応じて降下する傾向を示すが、転炉ダスト、電炉ダスト、溶解炉ダスト、高炉ダスト等のダスト類（酸化鉄を主体とした原料）においては、Ａｌ₂Ｏ₃やＭｇＯの含有濃度も高いので、これら酸化物の影響を考慮する必要がある。

Ａｌ₂Ｏ₃とＭｇＯの中には、硬質な鉱物相であるスピネル（ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）を形成するものがあり、炉床切削性を向上させるためには、スピネルの量を低減することが重要と言える。

そのためには、Ａｌ₂Ｏ₃やＭｇＯを、ＦｅＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂等からなるスラグ相に混合溶融させ、複合酸化物相（スラグ相）の構成物質として制御することが重要である。 Ａｌ₂Ｏ₃やＭｇＯは単体での融点が高く、少量の混合でもスラグ相の融点を上昇させるため、スラグ相の融点制御に大きな影響を及ぼす物質である。そのため、スラグ相の融点を制御するには、Ａｌ₂Ｏ₃とＭｇＯの濃度を考慮する必要がある。

Ａｌ₂Ｏ₃とＭｇＯはともに、ＦｅＯに加えていくと、ＦｅＯの融点を高くする。Ａｌ₂Ｏ₃濃度／ＳｉＯ₂濃度、及び、ＭｇＯ濃度／ＳｉＯ₂濃度がＦｅＯの融点に与える影響は、ＣａＯ濃度／ＳｉＯ₂濃度の場合における影響と同様であり、上記濃度比の増大とともに、ＦｅＯの融点が上昇し、上記濃度比の低下とともに、ＦｅＯの融点が降下する。

したがって、残留ＦｅＯと主要酸化物ＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯからなるスラグ層の溶融温度を制御する指標として、各比率を加え合せた指標、即ち、
Ｒ＝（Ｘ_CaO＋Ｘ_Al2O3＋Ｘ_MgO）／Ｘ_SiO2
Ｘ_CaO：ＣａＯ濃度（質量％）、Ｘ_SiO2：ＳｉＯ₂濃度（質量％）
Ｘ_Al2O3：Ａｌ₂Ｏ₃濃度（質量％）、Ｘ_MgO：ＭｇＯ濃度（質量％）
を、組織改質指標として創出した。

組織改質指標Ｒを用いることにより、炉床堆積・付着物層に含有されているスラグ層の液相状態が制御され、さらには、炉床堆積・付着物層の被切削性を高めることができる。

本発明者は、組織改質指標Ｒと上記スラグ層の液相状態との具体的な関係を実験的に調査した。その結果の一部を以下に説明する。

ダスト粉に、還元に必要な炭材とベントナイト（ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材）を、組織改質指標Ｒが幾つかの異なる値となるように添加量を変えて添加して成型し、１１００℃で２０分、還元処理を行った。次いで、還元処理物の成分を分析し、その成分から、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ−ＦｅＯ系スラグの液相比率を算出した。

その結果を図１に示す。図１から、組織改質指標Ｒの低減とともに、スラグ層の液相比率が増大することが解る。

図２に、組織改質指標Ｒと金属化率の関係を示す。組織改質指標Ｒと金属化率は、該指標Ｒが小さくなると、金属化率が低下する関係にあるが、これは、溶融スラグ層に取り込まれるＦｅＯの量が増大し、ＣによるＦｅＯの還元反応の進行が阻害されるからである。

なお、ここで、金属化率は、(金属Ｆｅ濃度)／（全Ｆｅ濃度）×１００％である。

スラグ層に融液を生成し、鉄及び固体スラグ粒子間に溶融スラグ相を介在させるためには、炉床堆積・付着物のＳｉＯ₂含有比率を高め、図１に示すように、組織改質指標Ｒを５以下に制御することが好ましい。

組織改質指標Ｒは、３以下がより好ましい。組織改質指標Ｒが３以下であると、スラグの液相比率が５０〜６０％程度に増大し、流動性がよくなり、各スラグ滴の凝集合体が促進されて、強度の弱い部分が帯状に連なり、本発明の効果がより大きくなる。

さらに、組織改質指標Ｒを２以下にすれば、液相比率が７０％を超えるので、各スラグ滴の凝集合体がより促進されて、鉄粒子相間には、図３に示すような太いスラグ相が介在することとなる。その結果、本発明の効果は、一層増大する。

一方、組織改質指標Ｒが１より小さくなると、液相の増量に基づく効果が飽和するとともに、溶融スラグに溶解するＦｅＯの量が多くなり、ＣによるＦｅＯの還元反応が阻害される。その結果、図２に示すように、還元鉄の金属化率が低下する。したがって、組織改質指標Ｒは１以上に制御する必要がある。

本発明において、組織改質指標Ｒを１〜５の範囲に制御する方法として、
１）成型体の成型に際し、酸化鉄を主体とし還元に必要な炭材を加えた原料に、ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材を添加することにより組織改質指標Ｒを制御してもよいし、
２）成型体の装入に際し、成型体とともに、ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材を装入することにより組織改質指標Ｒを制御してもよい。この場合は原料(成型体と酸化物系改質材)中の組織改質指標Ｒを制御することとなる。

また、本発明においては、組織改質指標Ｒを１〜５の範囲に制御する際、排出された炉床堆積・付着物のＲ値を測定し、そのＲ値に基づいて制御してもよい。このように、還元鉄の排出側で、Ｒ値を測定し、成型体の装入側で、Ｒ値を制御すると、還元鉄の排出作業に要する時間を大幅に短縮でき、還元炉操業を、最適な還元条件で継続することができる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
各種ダストを配合した原料に還元に必要な炭材を加え、３００メッシュ（５３μｍ）以下が９０％以上のベントナイトを、添加量を変えて添加、混合し、成型した。成型体の成分組成と組織改質指標Ｒを表１に示す。そして、成型体を、炉直径２０ｍの回転床炉に装入し、ＬＮＧバーナで、還元温度を１３００〜１４００℃に制御し、成型体を還元した。

この間に、所要厚みの炉床堆積・付着物層が形成されたので、還元鉄製造を中断し、成型体を炉床上に敷設しない条件で、還元鉄の排出装置を用いて、炉床堆積・付着物層の切削・除去作業を定期的に実施し、切削・除去した量、及び、切削・除去作業に要した時間を測定し、該測定値から、炉床堆積・付着物の生成速度指数、及び、炉床堆積・付着物の切削速度指数を算出した。その結果を表１に併せて示す。

表１によれば、本発明の実施例では、炉床堆積・付着物の生成速度指数が低下し、炉床堆積・付着物の切削速度指数が上昇していることが解る。

前述したように、本発明によれば、還元炉の炉床を切削する時間を短縮して、還元炉の稼働率を高めるとともに、設備負荷及び燃料ガスコストを低減し、還元炉の生産性を高めることができる。したがって、本発明は、製鉄産業において利用可能性の高いものである。

組織改質指標ＲとＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ−ＦｅＯ系スラグの液相比率の関係を示す図である。 組織改質指標Ｒと金属化率の関係を示す図である。 ＳｉＯ₂を含有する酸化物系改質材を添加した場合（ｂ）と添加しない場合（ａ）における炉床堆積・付着部の組織を示す図である。

Claims (2)

1. 酸化鉄を主体とし還元に必要な炭材を加えたダスト粉を成型した成型体を、乾燥後、回転炉床炉に装入して、還元する還元鉄の製造方法において、成型体の成型に当って、酸化鉄を主体とし還元に必要な炭材を加えたダスト粉に、ＳｉＯ_２を含有する酸化物系改質材を添加する際、下記式で定義する組織改質指標Ｒ（添加後の成分濃度比）を１〜５の範囲に制御することで、前記回転炉床炉の炉床堆積・付着物層中に、炉内に残留するＦｅＯとともに、溶融スラグ層を形成することを特徴とする還元鉄の製造方法。
   Ｒ＝（Ｘ_ＣａＯ＋Ｘ_{Ａｌ２Ｏ３}＋Ｘ_ＭｇＯ）／Ｘ_ＳｉＯ２
   ここで、
   Ｘ_ＣａＯ：原料に酸化物系改質材を添加し成型した成型体中のＣａＯ濃度（質量％）
   Ｘ_ＳｉＯ２：原料に酸化物系改質材を添加し成型した成型体中のＳｉＯ_２濃度（質量％）
   Ｘ_{Ａｌ２Ｏ３}:原料に酸化物系改質材を添加し成型した成型体中のＡｌ_２Ｏ_３濃度（質量％）
   Ｘ_ＭｇＯ：原料に酸化物系改質材を添加し成型した成型体中のＭｇＯ濃度（質量％）
2. 前記ＳｉＯ_２を含有する酸化物系改質材が、粉状又は微粉状のものであることを特徴とする請求項１に記載の還元鉄の製造方法。