JP5119815B2 - 移動型炉床炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、還元鉄を製造するために用いられる移動型炉床炉の操業方法に関し、とくに高品質の還元鉄を安価に製造するのに有効となる操業方法を提案する。

粗鋼を製造する方法の１つとして電気炉によって行う方法がある。この方法は、原料を電気エネルギーによって加熱し、溶解して、場合によってはさらに精錬して、所望の鋼とする技術である。また、この方法は、原料として主にスクラップを使用している。しかし、近年、そのスクラップの需給が逼迫していることから、スクラップに換えて還元鉄を使用する提案がある。

その還元鉄は、例えば、特許文献１に開示されるような方法によっても製造することができる。この方法は、移動型炉床炉（加熱炉）の炉内を水平方向に移動する炉床（移動床）上に、主として鉄鉱石や酸化鉄あるいはその他の酸化鉄含有物と炭素質固体還元材等を積載し、上方からの輻射伝熱によってこの酸化鉄含有物等の主原料を加熱還元し、さらには該移動床上に生成する還元生成物を一旦は溶融させることによって、還元鉄を回収する方法であり、移動型炉床炉法とも呼ばれている。

この方法に用いられる移動型炉床炉とは、炉内に配設される炉床（移動床）が水平方向に移動する過程で、鉄含有原料を加熱して還元する炉であり、環状の移動床が、図１に示すように回転する形式をとるのが普通であるから、回転炉床炉とも呼ばれている。

例えば、代表的な移動型炉床炉は、図１に示すように、予熱帯１０ａ、還元帯１０ｂ、溶融帯１０ｃおよび冷却帯１０ｄに区画された環状型加熱炉の加熱炉炉体１０内に、回転しながら連続的に移動する移動床１１を配設してなるものである。そして、この炉は、前記移動床１１上に、例えば、鉄鉱石やスケールの如き酸化鉄と炭素質固体還元材および副原料とからなる混合原料１２を積載して加熱し、還元し、その後、少なくとも一度は溶融させるようになっている。かかる移動床１１は、通常、耐火物でライニングされた炉体１０によって囲われているが、特許文献１に開示されているように、炉床耐火物保護のために、混合原料の層とは別に、床敷材となる炭材の層が設けられる場合がある。また、この炉体１０の側部や上部にはバーナー１３が配設され、このバーナー１３を熱源として、移動床１１上の混合原料層中の鉄鉱石等が還元される。なお、図１において、１４は混合原料を移動床１１上に装入する装入装置、１５は還元生成物を炉外に排出する排出装置である。また、炉体１０内の雰囲気温度は、還元帯以降において通常、１１５０〜１５００℃程度の高温に制御される。

酸化鉄含有物、例えば鉄鉱石は、その産地によって差はあるものの、多くの脈石成分を含むのが普通である。また、炭素質固体還元材の代表例である石炭、石炭チャー、コークスにもまた灰分等が含まれている。そのために、還元操作のみを行う前記移動型炉床炉法では、製品である脈石分や該還元材中の灰分が還元鉄中に不可避に混入するという問題がある。しかし、特許文献１に開示されているように、かかる移動型炉床炉法の場合、還元生成物を少なくとも一度は溶融させることができるから、メタルから脈石分であるスラグを分離することができるという特徴がある。ただし、単にそれだけで、即ち、どんな混合原料でもまたどのような温度に加熱しても常に鉄鉱石中の脈石成分の除去が完全にできるわけではなく、高品質の還元鉄を製造できることにはならないし、そこには望ましい操業条件の設定が必要である。

また、特許文献２は、酸化鉄や鉄鉱石など酸化鉄含有物を還元して還元金属を製造する方法において、塩基度を０．４〜１．３とした混合原料を、移動床での還元処理にかかる全時間の１／３以上の時間を、原料の内部温度が１２００℃以上１３５０℃以下、鉄の還元率が４０〜８０％となるようにする方法を開示している。即ち、この文献では、それ以前の技術については、脈石分や灰分の溶融が十分に進まずスラグ化しないという問題点があったことを指摘した上で、原料性状（塩基度）、還元の温度、その速度をコントロールするという操業条件を提案している。しかしながら、この技術では、スラグ化、とくにスラグとメタルの分離を短時間のうちに円滑に行わせるための方法、とりわけ原料の粒径はどのようなものにするのかという観点からのアプローチがなく、いぜんとしてメタル−スラグの分離が不十分で、その分離を確実に果すための時間が長くかかるという解決すべき課題を残していた。
特開平１１−１７２３１２号公報 特開２０００−４５００８号公報

この発明の目的は、脈石や灰分を含む鉄鉱石、酸化鉄、炭素質固体還元材および副原料等からなる鉄含有混合原料から、移動型炉床炉を使って還元鉄を製造する際、この混合原料の還元速度、溶融速度を速くしたとしてもメタルとスラグの分離が短時間で円滑に進むようにするための、移動型炉床炉の操業方法を提案することにある。

本発明では、鉄鉱石や酸化鉄等の酸化鉄含有物、石炭やコークス等の炭素質固体還元材ならびに副原料の粒径をともに細かいものにし、互いに均一に分散させること、そして、そのためにこれらの原料等を粒度調整のための粉砕の前に予め混合処理して均等な混合物とした上で破砕によって均等な混合物破砕粉とし、かつその上で、炉内の温度を通常よりも高くかつこれを長い時間に亘って維持することにより、還元速度、溶融速度を速くした上でも、なおかつメタルとスラグの分離が十分にかつ確実に行われるようにして、品質の良好な還元鉄を安価に製造できるようにしたものである。

このような考え方の下で開発した本発明は、移動型炉床炉内の予熱帯、還元帯、溶融帯を移動する移動床上に、酸化鉄含有物、炭素質固体還元材および副原料を含む混合原料を装入し、その混合原料が炉内を移動する間に該混合原料を加熱還元し、さらには少なくとも一度は溶融させてメタル分とスラグ分とからなる還元生成物を得たのち、スラグ分を除去することにより還元鉄の回収を行う際に、前記混合原料として、酸化鉄含有物、炭素質固体還元材および副原料を予め混合すると同時にもしくはその予混合の後に乾燥および粉砕を同時に行うことによって得られた混合物破砕粉を用い、かつその混合物破砕粉を、前記予熱帯から溶融帯にかけての全加熱時間の６２％以上を、バーナーの調整によって１３５０〜１５５０℃の温度域に保持することを特徴とする移動型炉床炉の操業方法である。

本発明においては、前記混合物破砕粉は、平均粒径（篩下累積曲線上で、累積比率が５０ｍａｓｓ％となるときのメディアン粒径である）が０．０４ｍｍ以下で、０．１ｍｍ以下の比率が８０ｍａｓｓ％以上となる粒度のものを用いること、前記混合物破砕粉は、酸化鉄含有物、炭素質固体還元材および副原料からなる混合物を、粉砕機能つき乾燥機によって、混合−粉砕−乾燥を同時に行うことによって得ることがより有効な解決手段を提供できる。

本発明によれば、酸化鉄含有物の還元−溶融、メタル−スラグの分離が良好で、しかも短時間でこれを実現することができる。従って、本発明によれば、脈石や灰分等の不純物の少ない品質の良好な還元鉄をより安価に製造することができるようになる。とくに、本発明では、速い還元速度、溶融速度にしても、メタルとスラグとの分離が短時間に確実に行われるようになる。
また、本発明によれば、細かい混合物破砕粉を用いることで、還元速度、即ち処理時間を短くすることができるから、還元鉄の生産性を向上させることができる。

本発明の考え方の特徴は、第１に、鉄鉱石や酸化鉄などの酸化鉄含有物と炭素質固体還元材ならびに副原料の如き副原料を、予めまず混合処理すること、とくに、その混合物を予混合と同時にまたは予混合のあとに破砕−乾燥を行って均一に分散させ、異種原料間の接触界面積を大きくすること、第２に、炉内の温度とくに予熱帯から溶融帯にかけての全加熱時間の６２％以上の範囲を高い温度、即ち、１３５０〜１５５０℃の高い還元・溶融温度に維持することにある。

まず、上記の第１の特徴に関し、図２（ａ）〜（ｃ）は、従来と本発明の処理フローを対比して示すものである。図２（ａ）は、従来例を示すものであって、原料である湿鉄鉱石１と湿炭素質固体還元材２および副原料３を、以後の処理を容易にする（粉の付着、団粒化の防止）のため、それぞれの原料をまず個々に乾燥した上で、次いで、混合処理を行ったのち、移動型炉床炉内に装入する方法である。これに対し、発明例である図２（ｂ）は、前記湿鉄鉱石１、湿炭素質固体還元材２および副原料３を予め混合した上で粉砕と乾燥の処理をそのあとで行う方法であり、また、図２（ｃ）は、混合、乾燥および粉砕を同時に行い、その後、移動型炉床炉８に装入する本発明に適合する例を示しているものである。

本発明のこの第１の特徴は、使用する鉄鉱石やミルスケール、スラッジ等の酸化鉄、炭素質固体還元材ならびに副原料は一般に、屋外に貯留されていることもあって３〜１５ｍａｓｓ％程度の水分を含んでいる。混合粉の水分が高いと回転炉への搬送経路での付着トラブルの原因となるので、従来は、湿原料粉を別々に乾燥後、混合し回転炉に装入していた（図２（ａ））。

本発明において用いる粉砕機は、特に限定されるものではなく、インパクトミル、ローラーミル、ロッドミル、ボールミルなど、上記混合物を均一に平均粒径で０．１ｍｍ以下にまで粉砕できるものであればいずれを使用してもよい。なお、本発明の場合において、乾燥前の混合、粉砕の意義について、石炭や副原料となる石灰石のように柔らかい材質のものは、水分を含んでいると粉砕時に粉砕機への付着の問題が発生するおそれがあるが、鉄鉱石のような硬い材質のものを加えて混合粉砕すれば、付着を抑制できるという効果がある。この点、粉砕乾燥機は、ボールミルに熱風を吹き込む方式がコンパクトで好ましく、粉砕と乾燥が同時にできるものであれば特定の種類のものに限定されない。

本発明において、上述した第２の特徴に関連して、予混合物の破砕粉の粒度は、平均粒径が０．０４ｍｍ以下で、０．１ｍｍ以下の比率が８０ｍａｓｓ％以上となるようなものにすることが好ましい。その理由は、このような粒径にすると、還元−溶融時期の反応界面積を広げ、還元速度、溶融速度を向上させると同時に、メタル−スラグの分離を促進させることができるからである。

即ち、前記混合物破砕粉の粒径は、細かくした方が、還元反応もまた溶融反応も速くなり、スラグ−メタルの分離も速やかに進行すると考えられる。ただし、こうした微粉は多くの場合、擬似粒子を作って径大化することが多く、擬似粒子径として５〜１０ｍｍにも成長し、酸化鉄含有物と炭素質固体還元材および副原料相互の界面積を実質的に減殺することがあり、溶融開始の段階においては、その擬似粒子単位で溶融するようになる。つまり、実際の反応において、粒子径を小さくした効果が減殺され、炭素を十分に含みスラグ成分が適正な擬似粒子は短時間で還元、溶融、分離するが、同時に発生する炭素量が不足であったり、スラグ成分が適整値から外れる擬似粒子は還元が遅れたり、溶融、分離が不完全となってしまうおそれがある。

そこで本発明では、前記混合物破砕粉が擬似粒子化した場合でも、十分な反応界面積を確保できるようにするために、０．１ｍｍ以下の粒子径のものの比率が８０ｍａｓｓ％以上となるようにして、擬似粒子化したときでも実質粒子の大きさで０．１ｍｍ以下を確保するようにした。

次に、本発明の第３の特徴は、前記混合物破砕粉を加熱によって還元し溶融させるまでの全時間の６０％以上の帯域（ほぼ還元帯〜溶融帯の間に相当）の炉内上部温度（原料層上）を１３５０〜１５５０℃に保持することである。通常、移動型炉床炉は、比較的低温の原料装入部から徐々に温度を上げて原料を加熱し排出部近辺で最も高温にするのが一般的である。図３に、移動型炉床炉の温度分布の調整例を示す。横軸は、加熱終了(排出)端からの距離を加熱領域全長で割った比率である。炉内に装入した混合物破砕粉(平均粒径≦０．０４ｍｍ、０．１ｍｍ≧８０ｍａｓｓ％)は、原料装入後約１／３の時間(予熱帯)、還元反応が活発になる約１１００℃まで昇温される。さらに約１／３の時間(還元帯)で加熱され酸化鉄の還元が進行する。最後の約１／３の時間(溶融帯)でメタル・スラグの溶融分離が進行する。
本発明(パターン２〜４)では、還元帯入口部(炉内位置６２％)温度が１３５０℃以上に達し、還元帯での原料加熱能力が、比較的低温のパターン１より大幅に高い。パターン１では還元停滞を起こす場合でも、より高温であることおよび部分的にスラグ成分の溶融が始まることにより還元率が９５％にまで進む。

次に、本発明の操業に当たっては、図１に示す移動型炉床炉の移動床１１上に、主として、酸化鉄含有物、炭素質固体還元材および副原料との混合物からなる前記混合物破砕粉を装入して、８〜２０ｍｍの層厚で堆積させ、この移動床１１が炉内を移動する間に、前記鉄含有混合物破砕粉を主として還元帯１０ｂ〜溶融帯１０ｃにかけての加熱時間の６０％以上の領域をバーナー１３の調整によって１３５０〜１５５０℃の温度に保つことによって加熱還元し、さらには溶融させてメタルとスラグに確実に分離した還元鉄を得ることが重要である。前記、混合物破砕粉は、生産コスト上では粉状のまま用いるのが最も安価になるが、事前に造粒等の処理を行った後に移動炉床上に堆積させても良い。

本発明の操業方法において、上記混合物破砕粉中に含まれる酸化鉄含有物としては、鉄鉱石の他、砂鉄、還元鉄粉、製鉄ダスト、ステンレス精錬ダスト、製鉄スラッジなどの酸化鉄を含有する粉粒状物が用いられる。一方、炭素質固体還元材としては、一般炭、無煙炭などの石炭の他、チャー、コークスなどの炭素含有材料粉を主として使用する。これら粉状の酸化鉄含有物および炭素質固体還元材は、それぞれ単一種類のものを使用してもよいし、また、各々２種以上のものを混合して使用してもよい。なお、上記酸化鉄含有物中の製鉄ダストや製鉄スラッジなどのように、もともと十分な炭素分を含有するものの場合、炭材を混合することなくそのまま使用することもできる。また、混合物破砕粉中には、溶融時に還元鉄や灰分の溶融を容易にするために必要な最低限の副原料を添加するが、このような副原料としては、石灰石、螢石、蛇紋岩、ドロマイトなどが使用できる。

上記の操業に当たり、炭素質固体還元材の使用量は、酸化鉄含有物中の還元に寄与する炭素と還元される鉄中の酸素とのモル比が１．０−１．４に調整するようにすることが好ましい。モル比が１．０未満だと還元が遅れ、モル比が１．４以上だと溶融したメタルの凝集が阻害されて回収されるメタルの粒径が実用的な粒径５ｍｍ以下となる比率が増えるからである。一方、副原料については、スラグ成分の溶融を容易ならしめるために加えられるものであって、脈石分、灰分のスラグ化の融点を低下させるために、混合粉中のＣａＯ／ＳｉＯ_２（重量比）を０．８〜１．４の範囲に調整するのが好ましい。これによって、還元鉄とスラグの溶融分離が容易になる。より好ましくは、１．１〜１．３に調整するのがよい。

また、本発明の好適実施形態では、前記移動床１１上に炭材を装入堆積させて炭材層を形成し、その上に酸化鉄含有物と炭素質固体還元材および副原料の混合物を装入積層させて原料層を形成してもよい。移動床１１上に下層として堆積させる前記炭材層は、その上層に堆積させる原料(酸化鉄含有物等) の方が溶融しても溶融することはなく、しかも互いに混合することもない。この炭材層は、実質的にそのほとんどは、還元材としての役割を果たしておらず、いわゆる、この下層の炭材層の存在によって、たとえ上層の原料層が溶融しても、その溶融生成物が炉床に直接接触するのを防止して、移動床の保護層としての機能を発揮するものである。

この実施例は、図１に示す移動型炉床炉を用い、本発明に適合する条件で炉操業を行ったものと、本発明に適合しない条件で炉操業を行った例（比較例）とを比較したものである。なお、この操業では移動床１１上に、平均粒径３ｍｍの石炭を５０ｍｍの層厚で積み付けて炭材層を形成し、この炭材層の上に堆積させる前記混合物破砕粉として、鉄鉱石Ａ、Ｂと石炭Ａ、Ｂと石灰石とを、表４に示す割合で混合した原料(混合物破砕粉)を積み付け原料層とした。炉内温度は、炉側壁に配設したガスバーナーを用い、予熱帯（１１００℃）〜溶融帯（１５５０℃）の温度に調整し、移動炉床速度は、炉床中心部で１２〜３０ｍｍ／ｓｅｃの速度とし、加熱時間約８〜２１分の操業を行った。

この操業において使用した鉄鉱石Ａ、Ｂ、石炭Ａ、Ｂ、石灰石の成分組成、性状について表１〜表３に示す。

また、図３は、この操業時に採用した炉内温度分布（パターン１〜４）であり、このような温度分布制御の下で、表４に示す原料配合（Ｉ〜ＩＶ）をもつ混合物破砕粉を用い、かつ、表５に示す各種の条件で試験操業を行った。なお、ここで還元帯入口は炉内位置６２％である。

その操業の結果を表６に示す。

表６に示す結果からわかるように本発明に適合する条件での操業（Ｎｏ．３、４、６〜８、１０）によれば、鉄回収率、脈石分の量、生産量のいずれの点においても、好結果が得られた。これに対し、混合粉を粉砕せず−０．１ｍｍ比率の低い比較例（Ｎｏ．１、２）は、たとえ加熱条件をよくしたとしても生産性が悪く、一方、加熱条件が悪い（Ｎｏ．５）は、原料粒径を制御したとしても鉄回収率、不純物量、生産量ともに悪く、そして、−０．１ｍｍ比率の低いＮｏ．９は、メタル−スラグの分離が不十分で鉄回収率、脈石分、生産量ともに悪い結果となった。

本発明は、高炉やシャフト炉、電気炉の原料となる還元鉄を製造するための移動型炉床炉に適用される技術である。

移動型炉床炉の概略を示す図である。 原料の事前処理フローの図である。 炉内温度分布を示すグラフである。

符号の説明

１ 湿鉄鉱石
２ 湿炭素質固体還元材
３ 副原料
４ 混合
５ 乾燥
６ 粉砕
７ 乾燥粉砕
８ 移動型炉床炉
１０ 炉体
１０ａ 予熱帯
１０ｂ 還元帯
１０ｃ 溶融帯
１０ｄ 冷却帯
１１ 移動床
１２ 混合原料
１３ バーナー
１４ 装入装置
１５ 排出装置

Claims (3)

1. 移動型炉床炉内の予熱帯、還元帯、溶融帯を移動する移動床上に、酸化鉄含有物、炭素質固体還元材および副原料を含む混合原料を装入し、その混合原料が炉内を移動する間に該混合原料を加熱還元し、さらには少なくとも一度は溶融させてメタル分とスラグ分とからなる還元生成物を得たのち、スラグ分を除去することにより還元鉄の回収を行う際に、前記混合原料として、酸化鉄含有物、炭素質固体還元材および副原料を予め混合すると同時にもしくはその予混合の後に乾燥および粉砕を同時に行うことによって得られた混合物破砕粉を用い、
   かつその混合物破砕粉を、前記予熱帯から溶融帯にかけての全加熱時間の６２％以上を、バーナーの調整によって１３５０〜１５５０℃の温度域に保持することを特徴とする移動型炉床炉の操業方法。
2. 前記混合物破砕粉は、平均粒径が０．０４ｍｍ以下で、０．１ｍｍ以下の比率が８０ｍａｓｓ％以上となる粒度のものを用いることを特徴とする請求項１に記載の移動型炉床炉の操業方法。
3. 前記混合物破砕粉は、酸化鉄含有物、炭素質固体還元材および副原料からなる混合物を、粉砕機能つき乾燥機によって、混合−粉砕−乾燥を同時に行うことによって得られたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動型炉床炉の操業方法。

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