JP5413821B2

JP5413821B2 - 高速製錬可能な低温製鉄法

Info

Publication number: JP5413821B2
Application number: JP2008130914A
Authority: JP
Inventors: 秀夫新宮; 暢夫大谷; 東洋司大西
Original assignee: 公益財団法人若狭湾エネルギー研究センター
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP2009280833A

Description

本発明は、炭素(主に、コークス、石炭、木炭)と酸化鉄(主に、Fe2O3、Fe3O4)の混合体から直接、鉄を製造する低温製鉄法の改良、詳しくは、製錬に要する還元反応時間を大幅に短縮することができ、炉内ガス成分を調整する外部操作も不要で、しかも、製鉄に必要な還元材の使用量および二酸化炭素の排出量を削減することもできる高速製錬可能な低温製鉄法に関するものである。

従来の製鉄法はたたら法などにおける如く、炉内に収容されている鉄鉱石と石炭の混合物に対して、空気または酸素を大量に吹き込み、石炭の燃焼熱により1500℃を超える高温を実現すると同時に、石炭の不完全燃焼により生ずる一酸化炭素の還元力を利用して鉄鉱石に含まれる酸素を奪い取って鉄を作る、という原理に基づいている。

そして、従来においては、鉄鉱石粉に、一酸化炭素や水素、またはそれらの混合気体である還元ガスを連続的に供給しながら、鉄の融点よりもかなり低い1000℃近傍の低温で加熱を行うシャフト炉や高温流動層法も提案されている。

また、低温で行う製鉄法としては、ロータリーキルン内に収容した鉄鉱石と石炭の混合物に連続的に還元ガスの吹き込み、950〜1050℃の加熱による反応により、10−20時間かけて、日産100トンの規模で海綿鉄を製造する方法もインドにおいて行われている。

しかしながら、このような還元ガスを用いる技術は、還元ガスが鉄鉱石を還元するとそれ自身が鉄鉱石の還元を阻害する働きをする不活性の二酸化炭素や水蒸気となって、炉内ガス中の還元ガスの割合を低下させてしまうため、還元反応の進行が遅くなり、また、還元反応を継続的に進行させるために、外部操作により常に炉内ガスの成分調整を行わなければならないという問題がある。

しかも、上記に記述した既存技術のような石炭を還元材としてだけでなく熱源としても使用する製鉄法や還元ガスの外部供給を行う製鉄法では、還元材が無駄に大量に消費されるだけでなく、二酸化炭素の排出量も非常に大きくなるため環境に対する悪影響が懸念される。

また、従来においては、還元材である石炭粉と鉄鉱石粉とを圧縮固形化したもの（ペレットとよばれる）を原料として、1000℃を超える温度に加熱された炉にこれを収容し、加熱の初期段階においてだけ、燃焼に必要な酸素を供給して石炭を熱源として使用すると共に、鉄鉱石の還元が一定以上進んだ後は、酸素の供給を止めて不活性ガスを吹き込み、石炭を還元材としてのみ使用して1200℃〜1400℃程度の加熱で鉄鉱石の還元を行い、海綿鉄とよばれる綿状の固体鉄を製造する技術も報告されている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記の従来技術に関しては、その目的とする所は、主に低温、固相反応による製鉄であるが、不活性ガスを原料上に流すことにより、原料から発生する還元ガスである一酸化炭素や、石炭と反応して一酸化炭素を発生させる二酸化炭素までを一緒に流し去ってしまうことで、鉄鉱石の還元反応速度の低下を招く虞れがある。

また、上記のように原料を1200℃以上の高温で加熱する方法を採用した場合には、炉内が溶融した銑鉄によって浸食され易くなるため、長期的に鉄を製造する場合において、炉自体の耐久性の悪化を招く問題も生じる。
特開平７−２３８３０７号公報（第２−９頁、第１−８図）

本発明は、上記の如き問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、製錬に要する還元反応時間を大幅に短縮することができ、炉内ガス成分を調整する外部操作も不要で、しかも、炉の耐久性が低下することもなく、製鉄に必要な還元材の使用量および二酸化炭素の排出量を大幅に低減することができる高速製錬可能な低温製鉄法を提供することにある。

本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を説明すれば次のとおりである。

即ち、本発明は、酸化鉄および炭素をボールミルにより粉砕して混合・粉粒化し、この粉粒状となった酸化鉄と炭素にバインダー材料である流動パラフィンを添加した後、この混合粉体を纏めて固めた固形状の形態で炉内に収容すると共に、加熱時に炉内を酸素や還元性ガス及び不活性ガスの外部からの供給を一切遮断してガス排出のみ可能な状態で800℃〜1050℃の温度で加熱保持することにより一酸化炭素が高濃度の炉内雰囲気下で鉄を精製する点に特徴がある。

また、本発明は、酸化鉄および炭素をボールミルにより粉砕して混合・粉粒化し、この粉粒状となった酸化鉄と炭素にバインダー材料である流動パラフィンを添加した後、この混合粉体を纏めて固形状にしたものを伝熱容器に充填して炉内に収容する一方、
前記伝熱容器に、外部雰囲気の気体が容器内部に侵入しない程度の大きさで、かつ、酸化鉄の還元反応に応じて発生する一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスが容器外部に放出される程度の隙間を有するものを使用して、炉内を800℃〜1050℃の温度で加熱保持することにより、伝熱容器によって膨張する海綿状鉄に拘束を加えつつ一酸化炭素が高濃度の雰囲気下で鉄を精製するという技術的手段を採用することができる。

本発明においては、鉄鉱石の還元の過程において生ずるウスタイト（FeO）が、約700℃以上で一酸化炭素により還元される反応が、一酸化炭素が二酸化炭素の数倍以上の高濃度でないと進行しないことに着目し、炭素の燃焼や酸化鉄との反応により二酸化炭素の発生を助長する酸素や還元性ガスの外部からの供給を一切遮断し、一酸化炭素の濃度を下げる虞れのある不活性ガスの外部供給も一切行わず、酸化鉄と炭素とを直接出来るだけ微細かつ密接に接触させた状態で約800℃から1200℃の温度範囲で加熱保持することにより、極めて効率的に鉄を製造することが可能となる。

具体的には、炉内において800℃から1200℃付近の加熱を行った場合において、実質上の製錬時間を一時間以内にまで短縮することができる。

これは、本発明が微細に粉砕して混合した酸化鉄と炭素とを原料としたことにより、還元反応に伴い発生する一酸化炭素および二酸化炭素が混合粉体の内部で微細なチャンネルを作りつつ、発生したガスがチャンネル内で酸化鉄または炭素と次々に反応を起こして還元が効率的に進むためである。

そしてこれにより、たとえ原料が大量に、密に圧縮された固形状であったとしても、発生ガスの膨圧力により固形体内部でのガスの流通は確保されるため、還元反応は効率よく進行することとなり、外部からのガス供給が一切不要な本技術の特徴はこの原理によっている。

また本発明では、加熱時の炉内をガス排出のみが可能な状態としており、このガス排出口からは、酸化鉄と炭素との直接反応や、二酸化炭素と炭素との反応により生じる一酸化炭素と共に、酸化鉄の還元により生じた二酸化炭素が炉外に放出され、さらに酸化鉄の還元反応が進むにつれて一酸化炭素の発生量が二酸化炭素に比べて次第に大きくなっていくことにより、炉内ガス成分の調整を行わなくとも炉内雰囲気を一酸化炭素が高濃度の状態へと自然に移行させることができる。

更に本発明では、炭素の燃焼による消費や還元ガスの外部供給による消費がないため、還元材の使用量を大幅に削減することができ、しかも、炭素の燃焼や過剰な還元ガスが大気中に排出されることにより生じる無駄な二酸化炭素の発生も防止して、製鉄の全工程を通しての二酸化炭素の発生量を抑制することができるため、環境にも非常に優しい。

他方また本発明では、固体である鉱石と炭素との混合体が、鉄の融解する温度（1500℃以上の高温、炭素を多く含む銑鉄の場合には1200℃以上）より低い温度で固体のまま反応して製鉄が進行するため、製鉄プロセスにおける溶融物が発生することはなく、従来の製鉄法において大きな問題となる炉の壁面などの侵食による劣化も大幅に低減できる。

以上要するに本発明は、反応時間の大幅な短縮、外部操作の省略、炉の耐久性向上、還元材の使用量の低減、および製鉄プロセスにおける二酸化炭素排出量の削減などを実現可能な技術であり、その実用的価値は非常に高い。

本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例により更に詳細に説明すると、次のとおりである。

『実施例１』
この実施例１においては、酸化鉄に赤鉄鉱（ベンガラ、Fe2O3を主成分とする）を、炭素に備長炭を使用するとともに、この赤鉄鉱80グラムに対して備長炭15グラムを両者とも粉体(赤鉄鉱：約200メッシュ、備長炭：約100-300メッシュ)の状態で混合し、これを圧縮成形することにより高密度の固形体である試料を作製した。

次いで、この試料を約10グラムに分割したものを電気炉に収容した後、炉内を真空にしてアルゴンガスを一気圧になるまで導入し、ガス排出のみ可能な状態で収容した試料を950℃の高温で加熱保持した。

その結果、従来の製鉄技術において必要となる製錬時間よりもは遙かに短い約１時間足らずの加熱で炉内の試料は鉄のみ(Ｘ線回折法では、アルファ鉄のみが検出された)になっていることが確認された。

なお、試料中における酸化鉄80グラムに対する炭素の割合を10〜18グラムに変更した場合や、酸化鉄と炭素の粒度を一センチメートル程度に変更した場合、酸化鉄と炭素とを混合粉末のままの状態で炉内に収容した場合においても、還元反応は１時間以内に終結し、同様の効果を得ることができた。

また、炉の加熱温度を800℃から1200℃付近に変更して実施した場合にも、実質上の製錬時間を一時間以内に短縮できることが確認された。

このように製錬時間が短縮できた要因は、炉内にガス供給を行わずガス排出のみが行われる状態にした結果、炉内ガス成分における一酸化炭素の濃度が二酸化炭素の数倍以上に高まったためであり、この炉内ガス成分の変化と酸化鉄の還元反応時間の因果関係を検証するために、加熱温度が700℃を超えたあたりから試料から発生し始める一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスの全量を捕集して、時間当たりのガス発生量、一酸化炭素と二酸化炭素の比率を測定した。

まず、反応中に発生するガスは一酸化炭素と二酸化炭素のみが検出されたが、反応の初期には二酸化炭素が多く、後期には一酸化炭素が多く検知され、反応温度が950℃の場合には平均して一酸化炭素と二酸化炭素の割合がほぼ等しい結果が得られた。

この際、二酸化炭素が多く発生される方が、炭素による酸化鉄の還元効果は大きいことになるが、鉄鉱石の還元が進むと炭素に対して酸素の結合量の少ない一酸化炭素が増加する傾向が確かめられた。

上記の現象によって、炉内での一酸化炭素の濃度は自然と高まるため、炉外から特別な操作を行って成分調整をしなくとも炉内雰囲気は還元反応が良好に進行する状態に移行される。

また、炉内では炭素を燃焼させるための酸素供給や還元ガスの供給も一切行っていないため、還元材の使用量および二酸化炭素の排出量の大幅な削減も可能となる。

ちなみに、鉄を一トン製造するに必要な炭素などの還元材の量は製鉄法の効率の目安とされ、還元材比で表すことができ（以前は、これはコークス比と呼ばれていた）近年の高炉法におけるその値は最も効率の良いとされる例で、コークス約500キログラム、程度すなわち、還元材比500程度である。

一方、これと比較して実施例１における還元材比（炭を使用するのでコークス比と対比できる）はその半分程度の約250−300であり、外部からの空気や酸素の吹き込みにより、炭素燃焼すること無く、酸化鉄の還元反応に必要な最低限の炭素量で製鉄が実施できたことが実証された。

そして、この還元材比は製鉄における二酸化炭素の排出量に比例することから、還元材比が半減することは製鉄において二酸化炭素の排出量が半減するのと同じ意味を持つ。

他方また、炉の加熱温度を銑鉄の融解が始まる1200℃以下としたことにより、製鉄プロセスにおいて溶融物が発生することはないため、炉の壁面の侵食による劣化の問題も解消される。

『実施例２』
次に、本発明の実施例２について説明する。この実施例２では、試料を収容した炉内を大気雰囲気のままの状態で加熱を開始し、外部からのガスの進入を遮断してガスの排出のみが行われるようにしており、この方法によっても実施例１とほぼ同様の結果を得られることが確認された。

『実施例３』
次に、本発明の実施例３について説明する。この実施例３では、酸化鉄と炭素の混合時にバインダー材料として少量の流動パラフィンを試料に添加して圧縮成形しており、この方法により作成された内部結合力が高いペレットを使用することによって、還元反応が一層促進されることが確認できた。

『実施例４』
次に、本発明の実施例４について説明する。この実施例４では、酸化鉄と炭素の混合体を、ボールミル（ジルコニアのボールとアルミナ製ポット）にボール対試料比を１対100程度として収容して数時間、回転粉砕をした試料を使用しており、この試料を使用して実施例１と同様の反応実験を行ったところ、粉砕時間に比例して反応時間は短縮した。

具体的には、ボールミルによる粉砕を４時間行った場合においては、実施例１と同様の条件下で950℃の加熱を行った結果、反応時間は約三分の一にまで短縮された。

また、ボールミルなどの粉砕装置を利用すれば、酸化鉄と炭素を任意の粒度に粉粒化することができるため、それによって製錬時間の調節を行うことも可能となる。

本発明は、概ね上記のように構成されるが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでは決してなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、酸化鉄の還元反応の進行は炉内での滞留時間で決まるため、炉の設計を工夫することにより、バッチ式でなくコンベアを用いた連続輸送式として、連続的に炉内に混合粉体あるいは固形体が収容されると同時に、還元の完了した鉄の取り出しが自動的に行われるようにしてもよい。

また、還元反応により得られる鉄は海綿状となって元の固形体よりも体積が数倍に膨張することが反応温度の低い場合には特に顕著となるため、その膨張の過程で酸化鉄と炭素との直接反応が起こり難くなるのを防ぐために、原料の酸化鉄と炭素とを混合して固形状にしたものを伝熱容器に充填する等して、膨張を防ぐ拘束を加えることも可能である。

そして、この際使用する伝熱容器には、還元反応に応じて発生する一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスが容器の外部に放出される程度の隙間を与えておくことが肝要であり、しかも、この隙間は外部雰囲気の気体が容器内部に侵入しない程度の大きさであることも重要である。

また、本発明では従来の製鉄法において必須であった、外部からの空気あるいは酸素、あるいは非還元性の気体の吹き込みを一切行わないのであるから、酸化鉄の還元において必要なエネルギーの供給を外部熱源より供給することが必要である（すなわち、炉内を約800℃から1200℃に保つために、製鉄が進行するに伴う吸熱量に応じたエネルギー供給が必要である）。

この外部からのエネルギーの供給源として、原子炉、産業廃棄物焼却炉、太陽炉などを利用して、エネルギー源からの熱出力をそのまま外部熱源として利用すればエネルギーの有効活用にも役立つ。

また、これらの熱源を使用しない場合でも、間接的に(伝熱性材料を介すなど)炉内の原料に熱を伝える方法を取ることにより、従来の製鉄法と同じコ−クス、石炭あるは重油などの化石燃料起原の燃料の燃焼熱も外部熱源として利用することもできる。

なおこの場合にも、燃料を原料である鉱石等に接触させないで燃焼させる本法では、燃焼生成ガスが鉱石の還元を妨げることがないため、全工程を通しての二酸化炭素発生量を大幅に低減することが可能であり、上記何れのものも本発明の技術的範囲に属する。

近年では、環境問題の一つである地球温暖化の深刻化により産業上で排出される二酸化炭素を削減する対策が世界中で早急に求められており、製鉄技術に関しても二酸化炭素の排出量が大きい従来の高温型の製鉄法に対して二酸化炭素の排出量の抑制が可能な低温型の製鉄法に注目が集まっている。また、低温型の製鉄法を採用する場合においては、実際に鉄を効率的に大量に生産することができる実用面での問題をクリアする必要がある。

そのような中で、本発明の高速製錬可能な低温製鉄法は、外部のエネルギー源を有効に活用することにより大気中に排出される二酸化炭素の排出量を従来に較べて大幅に削減できるだけでなく、実用上大きな問題となる製錬時間の短縮化をも実現した有用な技術であることから、市場における需要は大きく、その産業上の利用価値は非常に高い。

Claims

酸化鉄および炭素をボールミルにより粉砕して混合・粉粒化し、この粉粒状となった酸化鉄と炭素にバインダー材料である流動パラフィンを添加した後、この混合粉体を纏めて固めた固形状の形態で炉内に収容すると共に、加熱時に炉内を酸素や還元性ガス及び不活性ガスの外部からの供給を一切遮断してガス排出のみ可能な状態で800℃〜1050℃の温度で加熱保持することにより一酸化炭素が高濃度の炉内雰囲気下で鉄を精製することを特徴とする高速製錬可能な低温製鉄法。
酸化鉄および炭素をボールミルにより粉砕して混合・粉粒化し、この粉粒状となった酸化鉄と炭素にバインダー材料である流動パラフィンを添加した後、この混合粉体を纏めて固形状にしたものを伝熱容器に充填して炉内に収容する一方、
前記伝熱容器に、外部雰囲気の気体が容器内部に侵入しない程度の大きさで、かつ、酸化鉄の還元反応に応じて発生する一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスが容器外部に放出される程度の隙間を有するものを使用して、炉内を800℃〜1050℃の温度で加熱保持することにより、伝熱容器によって膨張する海綿状鉄に拘束を加えつつ一酸化炭素が高濃度の雰囲気下で鉄を精製することを特徴とする高速製錬可能な低温製鉄法。