JP6094312B2 - 還元鉄の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を加熱することで還元鉄を製造する方法及びそのための製造装置に関する。

近年、鉄資源の循環使用の観点ならびに簡易な設備での製鉄方式として、製鉄プロセスで発生する製鉄ダストや鉄鉱石等の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質である炭材とを混合した後に塊成化処理を施して塊成物とし、この塊成物を加熱還元して還元鉄を製造する方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、製鋼メーカーで発生する電炉ダストに含まれる酸化鉄を高周波誘導および還元剤を用いて加熱、還元し、還元鉄として再利用可能にする高周波誘導加熱装置、ならびに電炉ダストに亜鉛が含まれる場合、亜鉛もしくは酸化亜鉛として回収し再利用可能とする高周波誘導加熱装置が開示されている。しかし、酸化鉄を高周波誘導加熱するだけでは、基本的に酸化鉄のキュリー温度以上には加熱できないので、還元が十分に進まず、還元鉄を得ることはできない。また、酸化鉄の一種であるα―Ｆｅ_２Ｏ_３は常磁性体であるため高周波加熱はできないので、酸化鉄の種類を特定する必要があるが、そのような開示はない。

また、一般に酸化鉄含有物質から還元鉄を得る方法としては、特許文献２や特許文献３や特許文献４に開示されているように、酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を回転炉床炉やロータリーキルン等の還元炉で１０００〜１４００℃程度の高温で加熱することで酸化鉄を還元する技術が知られている。しかし、酸化鉄含有物質や炭素質還元物質自体が水分を含んでいる上に、それらの原料を塊成化する際にバインダーとともに水分を添加することがある。そのような塊成物中の水分が炉内に持ち込まれれば、本来酸化鉄含有物質を還元するために使用されるべき還元炉の熱エネルギーが水分蒸発のために使用されることで、エネルギー利用効率が低いという欠点がある。

さらに、特許文献５には、回転炉床炉に酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を供給する手段としてホッパーおよびパイプからなる供給装置が開示されているが、当然のことながら、その供給装置は塊成物を供給する手段としてのみ使用されるもので、塊成物を加熱することはできない。

特開２００８−２９１３４２号公報 特開２００１−２０００５号公報 特開２００１−１８１７２０号公報 特開平１０−２２６８２９号公報 特開２００１−６４７１１号公報

本発明は従来の技術の有するこのような不都合な点に鑑みてなされたものであって、その目的は、酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を効率的に還元することにより還元鉄を製造する方法及びそのための製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者は還元炉の熱エネルギーを塊成物の還元に有効に利用できるように、酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を還元炉に供給する前に塊成物内の水分を極力低減させるために水の沸点である１００℃以上に加熱することが必要であると考えた。また、通常、製鉄所の製鉄プロセスで発生するダストには、強磁性体である金属鉄や反磁性体である炭素の他に酸化鉄が多量に含まれる。酸化鉄には、フェリ磁性体であるγ−Ｆｅ_２Ｏ_３やＦｅ_３Ｏ_４、反強磁性体であるＦｅＯ、常磁性体であるα−Ｆｅ_２Ｏ_３などがある。そこで、本発明者は、高周波の電磁場による発熱現象を利用する高周波加熱を適用することを考えた。ただし、これら酸化鉄は絶縁物であるため、高周波電流を通しても渦電流損による発熱は考えられない。従って、これら酸化鉄を高周波電圧を印加する２つの電極間に置くと、誘電損失（ヒステリシス損失）により発熱することが期待できる。

ヒステリシス損失は、いわゆるヒステリシスループで囲まれた面積の大きさに相当する。上記酸化鉄の中で常磁性体であるα−Ｆｅ_２Ｏ_３にはヒステリシスループはなく、フェリ磁性体であるγ−Ｆｅ_２Ｏ_３やＦｅ_３Ｏ_４および反強磁性体であるＦｅＯにはヒステリシスループが見られるので、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３やＦｅ_３Ｏ_４やＦｅＯはヒステリシス損失により発熱することが考えられる。

ヒステリシス損失Ｐ_ｈは、次式（１）で表される。
Ｐ_ｈ＝ｋ_ｈｆＢ_ｍ ^１．６ （１）
ｋ_ｈ：比例定数、ｆ：周波数、Ｂ_ｍ：最大磁束密度
また、最大磁束密度Ｂ_ｍは、次式（２）で表される。
Ｂ_ｍ＝ｋ（Ｖ／ｆＡ） （２）
ｋ：比例定数、Ｖ：電圧、ｆ：周波数、Ａ：鉄芯の断面積
式（２）を式（１）に代入すれば、
Ｐ_ｈ＝ｋ_ｈ’ｆ（Ｖ／ｆ）^１．６＝ｋ_ｈ’（Ｖ^１．６／ｆ^０．６） （３）
ｋ_ｈ’ ：比例定数

コイルに電流を通じると磁束密度は上昇し、やがて、鉄芯の材質や形状によって決まる最大磁束密度に達するが、この最大磁束密度に達するまでは上式（１）より、ヒステリシス損失は周波数に比例する。一方、上式（３）を見れば、ヒステリシス損失は電圧に比例し、周波数に反比例するが、電源設備仕様の点から、電圧には上限が存在する。すなわち、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３やＦｅ_３Ｏ_４やＦｅＯに高周波電流を通じると、ある周波数ｆ_０までは周波数が大きくなるとヒステリシス損失による発熱量は増加する傾向にあるが、その周波数ｆ_０を超えるとヒステリシス損失による発熱量は減少する傾向にある。
ヒステリシス損失による最大発熱量を得るための高周波加熱の最適周波数は、鉄芯の材質、形状および設備仕様（最大電圧、最大電流）などの条件によって変わるので、その条件に応じて最適周波数を選択することが好ましい。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
［１］ＦｅＯ、γＦｅ _２ Ｏ _３ 、Ｆｅ _３ Ｏ _４ の中の少なくとも１種類の物質を１８質量％以上１００質量％以下含有する酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を高周波加熱によって１００℃以上６６０℃以下まで加熱した後、その塊成物を還元炉で１０００℃以上１４００℃以下の雰囲気で１０００℃以上１４００℃まで加熱することを特徴とする還元鉄の製造方法である。
［２］酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を高周波加熱するための高周波加熱装置を、当該塊成物を還元するために所定の速度で回転する回転炉床と加熱手段を有する回転炉床型還元炉の塊成物供給手段に付加したことを特徴とする還元鉄の製造装置である。

本発明の還元鉄の製造方法及びその製造装置によれば、酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を効率的に還元して還元鉄を製造することができる。

図１は、酸化鉄を高周波加熱した場合（１０ｋＨｚ、８ｋＷ）において、加熱時間（分）を横軸とし、加熱温度（℃）を縦軸として、酸化鉄の種類による加熱時間の違いを示す図である。 図２は、酸化鉄含有試薬を高周波加熱した場合（１０ｋＨｚ、３ｋＷ）において、酸化鉄含有試薬中のＦｅ_３Ｏ_４の比率（％：質量基準）を横軸とし、加熱温度（℃）を縦軸として、最も加熱されにくいＦｅ_３Ｏ_４の比率と加熱温度の関係を示す図である。なお、この酸化鉄含有試薬はＦｅ_３Ｏ_４と反磁性体からなる。 図３は、本発明の還元鉄の製造方法を実施することができる製造装置の概略構成を示す図である。 図４は、回転炉床型還元炉に塊成物を供給する塊成物供給パイプの外周に高周波加熱コイルを巻回した状態を示す概略構成図である。

（１）高周波加熱における酸化鉄の種類と加熱時間
通常、製鉄所の製鉄プロセスで発生するダストは、金属鉄を最大１５質量％程度含み、その他に炭素や多量の酸化鉄を含有することが多い。そこで、金属鉄を１５質量％含み、残り８５質量％をγ−Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４またはＦｅＯとした塊成物を、周波数１０ｋＨｚの高周波加熱装置で高周波加熱した。図１の横軸はその加熱時間（分）を示し、縦軸はその加熱温度（℃）を示す。図１において、線Ａはγ−Ｆｅ_２Ｏ_３を示し、線ＢはＦｅ_３Ｏ_４を示し、線ＣはＦｅＯを示す。図１に明らかなように、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３が最も早く６００℃以上まで加熱され、ＦｅＯを６００℃以上に加熱するには最も時間がかかり、Ｆｅ_３Ｏ_４を６００℃以上に加熱するための時間はγ−Ｆｅ_２Ｏ_３より少し長い程度であることが分かる。そして、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３は６２９℃まで、Ｆｅ_３Ｏ_４は６２０℃まで、ＦｅＯは６６０℃まで、それぞれ加熱することができた。これらの酸化鉄のキュリー点は５９０℃から６００℃程度であると言われているが、金属鉄を１５質量％含むので、渦電流損で発熱した結果、６００℃超まで加熱できたものと思われる。なお、α−Ｆｅ_２Ｏ_３は高周波加熱できなかったことを確認した。
酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物の高周波加熱による加熱温度を１００℃以上とするのは塊成物内の水分を極力低減するために水の沸点である１００℃以上に加熱することが必要だからである。その加熱温度を６６０℃以下とするのは、それ以上高周波加熱するのが困難なためである。

（２）酸化鉄含有物質の中のＦｅＯ、γＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４の比率
上記酸化鉄含有物質の中におけるγＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅＯの中の少なくとも１種類の物質の含有量が１８質量％未満では、１００℃以上に加熱することが困難である。従って、酸化鉄含有物質の中に、γＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅＯの中の少なくとも１種類の物質を１８質量％以上１００質量％以下含有することが好ましい。この場合、酸化鉄含有物質の中におけるγＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅＯ中の少なくとも１種類の物質の比率というのは、塊成物中の金属鉄や炭素質還元物質、水分、バインダーなどを除いた酸化鉄中の質量％という意味である。

図２は、酸化鉄含有試薬を高周波加熱した場合において、酸化鉄含有試薬中のＦｅ_３Ｏ_４の比率（％：質量基準）と加熱温度（℃）の関係を示す図である。Ｆｅ_３Ｏ_４が１８％以上になると、１００℃以上に加熱されることが分かる。図１に示すように、γＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅＯの中で、Ｆｅ_３Ｏ_４が最も加熱されにくいので、酸化鉄含有物質の中に、γＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅＯの中の少なくとも１種類の物質を１８質量％以上含有することにより、高周波加熱で１００℃以上に加熱できることが分かる。

ヒステリシス損失による最大発熱量を得るための高周波加熱の最適周波数は、鉄芯の材質、形状および設備仕様（最大電圧、最大電流）などの条件によって変わるので、その条件に応じて、一般的に用いられている数ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの中から最適周波数を選択することが好ましい。

（３）還元鉄の製造装置
本発明の還元鉄の製造装置について、図３を用いて説明する。
本発明は、原料となる製鉄プロセスで発生する製鉄ダストや鉄鉱石などの酸化鉄含有物質や、炭素質還元物質である炭材をそれぞれサイロ１、２に貯蔵し、そのサイロ１、２から所定の速度で上記酸化鉄含有物質や炭材を排出して次工程であるボールミル等の粉砕機３に供給する。粉砕によって得られた粉体の水分含有量調整とバインダー添加のために、混練機４において上記粉体とサイロ５に貯蔵されたバインダーとサイロ６に貯蔵された水とを混練し、混練によって得られた混練物を成型機７で成型し、成型によって得られた塊成物を高周波加熱コイル８で１００℃以上の所定温度まで加熱した後、その塊成物を回転炉床型還元炉９に代表される還元炉で還元して還元鉄を得ることができる。ここで、還元炉は回転炉床型に限定される必要はなく、ロータリーキルンやシャフト炉等でも良い。但し、回転炉床型であれば、公知の回転炉床型還元炉の塊成物供給経路に高周波加熱コイルを付加するだけでよく、高周波加熱された塊成物を直接還元炉に装入することができるので、そのための設備コストが比較的低廉であるというメリットがある。高周波加熱コイルとしては、一般的に知られている銅パイプ方式や水冷ケーブル方式のものを用いることができる。塊成物を供給する装置の材料は、高周波加熱コイルによって高周波加熱されないように、ジルコニアや炭化珪素等のセラミックスに代表される反磁性体が好ましい。

図４は、回転炉床型還元炉１８に塊成物を供給する塊成物供給パイプ１７の外周に高周波加熱コイル１６を巻回した状態を示す図である。１５はホッパー、１９は炉床である。

《原料》
酸化鉄含有物質としては、製鉄プロセスで発生する製鉄ダストや鉄鉱石などの酸化鉄を含有する物質を使用することができる。炭素質還元物質としては、無煙炭に代表される石炭粒子を使用することができる。

≪粉砕工程≫
還元装置における還元反応は、被還元物質を微細化することで反応が促進されるので、酸化鉄含有物質と炭素質還元物質の粉砕工程においては、ボールミル、ロッドミル、振動ボールミル、アトライタ、ジェット粉砕機等の粉砕装置を使用することができる。

≪混練工程≫
粉砕工程で微細化された酸化鉄含有物質と炭素質還元物質は、後続する成型工程に移送され、適量の水分とバインダーの存在下で成型されるので、この水分調整と添加バインダーを混合するために混練される。

≪成型工程≫
適量の水分とバインダーを含む酸化鉄含有物質と炭素質還元物質は、ブリケッティング、ペレタイジング、押し出し成型などの成型方法で成型され、塊成物を得る。

≪乾燥加熱工程≫
塊成物をそのまま還元炉内に装入すると、水分の蒸発に伴う熱ロスや亀裂発生による塊成物回収歩留りの低下などの問題が発生するため、還元処理の前に乾燥加熱工程で塊成物の水分含有量を１％未満とするように十分に加熱することが好ましい。そのため、１００℃以上６６０℃以下の温度で所定時間高周波加熱することが好ましい。

≪還元工程≫
乾燥後の塊成物は、還元装置（例えば、回転炉床型還元炉９）を用いて、後記するプロセスにより、約１０００〜１４００℃のバーナー加熱雰囲気条件で、１０〜２０分間程度還元処理を施される。
すなわち、回転炉床型還元炉９に投入された塊成物は、バーナー１０から発せられる、経路１１から供給される空気と経路１２から供給される液化天然ガスとの混合ガスによる火炎により加熱されながら、ゆっくりと回転する還元炉９内において還元される。還元炉９が１回転した後に還元炉９から排出された還元鉄は、トラック等の搬送手段１３により溶解炉１４まで搬送され、石炭と酸素による反応熱で溶銑とされる。

≪還元鉄の評価方法≫
回転炉床型還元炉９で製造された還元鉄の特性の評価方法としては、還元の進行度合いを示す指標として、成分分析から得られる全鉄分（Ｔ．Ｆｅ）に対する金属成分（Ｍ．Ｆｅ）の比率である金属化率（Ｍ．Ｆｅ／Ｔ．Ｆｅ）を用いることができる。

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更や修正が可能である。

還元材として無煙炭を使用し、酸化鉄原料として以下の表１に示す成分組成（質量％）の製鉄ダストを使用し、それぞれ５００μｍ以下の粒度をそろえた。その製鉄ダストと、炭材と、バインダーと、水分とを混練した後に、直径が３０mmで高さが２０mmのタブレット状としたものを３．６ＭＰａの荷重で圧縮成型し、その後、そのタブレットを高周波加熱コイル（１０ｋＨｚ、８ｋＷ）で加熱したものと加熱しなかったものを作製し、さらに、そのブリケットを、回転炉床型還元炉を模した１２５０℃の抵抗加熱炉内で所定時間加熱することで還元鉄を得た。以下の表２は、高周波加熱温度と１２５０℃での加熱時間と相対金属化率とブリケット中の水分を示す。相対金属化率とは、試料１の金属化率（金属鉄／全鉄分）を１．００とする相対値を示す。ブリケット中の水分とは、高周波加熱後抵抗加熱炉装入前のブリケット中の水分含有量を示す。この水分含有量は、ＪＳＭ８８１１（石炭類およびコークス類のサンプリング方法ならびに全水分・湿分測定方法）により測定した。

表２に示すように、試料１と試料２を比較すると、１００℃まで高周波加熱するだけで、金属化率を向上できることが分かる。すなわち、塊成物中の水分を減少させることにより、抵抗加熱炉の熱エネルギーを塊成物の還元に有効利用できることが分かる。

表２に示すように、試料２と試料３を比較すると、１００℃まで加熱する場合に比べて５９０℃まで高周波加熱すると、塊成物中の水分減少に加えて還元炉投入前の予熱を行うことができるので、抵抗加熱炉の熱エネルギーを有効に還元エネルギーとして利用して、金属化率を顕著に向上できることが分かる。

表２に示すように、試料２と試料４を比較すると分かるように、５９０℃まで高周波加熱した塊成物を１２５０℃で８分間加熱することで得た還元鉄の金属化率は、１００℃まで高周波加熱した塊成物を１２５０℃で１０分間加熱することで得た還元鉄の金属化率と同じであった。すなわち、十分に高周波加熱して塊成物中の水分低減、予熱を行うことにより、加熱時間（還元時間）を２０％も短縮できる。

１ サイロ
２ サイロ
３ 粉砕機
４ 混練機
５ サイロ
６ サイロ
７ 成型機
８ 高周波加熱コイル
９ 回転炉床型還元炉
１０ バーナー
１１ 空気供給経路
１２ 液化天然ガス供給経路
１３ 搬送手段
１４ 溶解炉
１５ ホッパー
１６ 高周波加熱コイル
１７ 塊成物供給パイプ
１８ 回転炉床型還元炉
１９ 炉床

Claims (2)

1. ＦｅＯ、γＦｅ _２ Ｏ _３ 、Ｆｅ _３ Ｏ _４ の中の少なくとも１種類の物質を１８質量％以上１００質量％以下含有する酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を高周波加熱によって１００℃以上６６０℃以下まで加熱した後、その塊成物を還元炉で１０００℃以上１４００℃以下の雰囲気で１０００℃以上１４００℃まで加熱することを特徴とする還元鉄の製造方法。
2. 酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を含む塊成物を高周波加熱するための高周波加熱装置を、当該塊成物を還元するために所定の速度で回転する回転炉床と加熱手段を有する回転炉床型還元炉の塊成物供給手段に付加したことを特徴とする還元鉄の製造装置。