JP6287374B2

JP6287374B2 - 還元鉄の製造方法

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Publication number: JP6287374B2
Application number: JP2014046473A
Authority: JP
Inventors: 平田　浩; 浩平田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: JP2015168872A

Description

本発明は、還元鉄の製造方法に関する。

近年、省資源、省エネルギーの点から、粉鉄鉱石や、製鉄所などで発生する鉄分を含むダスト、スケール、及び、スラッジ等の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質を混合して塊成化した塊成物を、炉床が水平に回転する回転炉床炉に装入して１０００〜１４００℃に加熱し、炉床が一周する間に、酸化鉄含有物質中の酸化鉄を炭素質還元物質で還元して還元鉄を製造する方法が注目されている（例えば、特許文献１〜６、参照）。

各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合材を混練し、造粒して塊成物とする。

塊成物は、前述したように、炉床が水平に回転する回転炉床炉に装入されて、１０００〜１４００℃に加熱され、炉床が一周する間に、酸化鉄含有物質中の酸化鉄が炭素質還元物質で還元されて還元鉄となる。

このとき、塊成物には、回転炉床炉への搬送に耐える強度、還元鉄には、次工程で必要な熱間強度と金属化率が求められる。

例えば、ダスト（酸化物原料）、炭材（還元材）、及び、ベントナイト（結合剤)を混合してブリケット化し、移動炉床式還元炉で還元して、還元鉄を製造し、この還元鉄を熱間で溶解炉に装入して溶銑を製造する場合、熱間強度の向上のため、結合剤としてベントナイトを使用する。ベントナイトは、ダスト中のＦｅＯと反応して、低融点の液相を生成し、熱間強度を高める作用をなす。

ベントナイトを添加しないと、熱間強度が低く、還元鉄が粉化して、歩留が低下するし、また、溶解炉での噴出しが増加して生産性が低下する。

しかし、ベントナイトの主成分はＳｉＯ₂であり、ＳｉＯ₂はＦｅＯの活量を低下させるので、炉内における還元率が低下し、金属化率が低下する。また、ベントナイトの主成分ＳｉＯ₂は、還元鉄を溶解炉で溶解する際、スラグ量の増大を招くので、生産性が低下するとともに、スラグ処理コストが増加する。さらに、還元鉄を溶解炉で溶解する際、塩基度調整用ＣａＯの使用量が増大する。また、ベントナイトを添加した場合でも還元鉄の粉化が認められ、還元鉄の更なる強度アップが望まれている。

特許文献７には、還元鉄を製造する移動炉床式還元炉の原料として、Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−ＳｉＯ₂３元系スラグの固相線温度（プリメルトスラグ固相線温度）Ｔ_S・Pが１３００℃以下のプリメルトスラグが配合された炭材内装酸化鉄塊成化物が開示されている。

特許文献７の炭材内装酸化鉄塊成化物は、炉内で粉化し難く、また、得られる還元鉄も搬送中粉化しないものであるが、更なる強度アップが望まれている。また、特許文献７の炭材内装酸化鉄塊成化物は、プリメルトスラグの配合量が多い（ＳｉＯ₂の含有量が多い）ので、還元鉄を溶解炉で溶解する際、塩基度調整のため、ＣａＯ量を増量する必要があり、結局、スラグ量が多くなって、生産性が低下する。

特開平１０−３１７０３３号公報特開２００１−０２０００５号公報特開２００１−１８１７２０号公報特開２００２−１２９２１８号公報特開２００３−０２７１１８号公報特開２００３−１８３７１６号公報特開２０１１−２１９８５６号公報

前述したように、各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合剤を混練して塊成化し、移動炉床式還元炉に装入する塊成物を製造する際、結合剤としてベントナイトを使用する、又は、プリメルトスラグを使用すると、塊成物を還元して製造した還元鉄を、次工程で溶解する際、スラグ量が増大するという問題が発生する。また、塊成化物の強度向上という要請には応えられていない。

そこで、本発明は、各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合剤を混練して塊成化した塊成物を移動炉床式還元炉で還元し還元鉄を製造する際、還元鉄の熱間強度と金属化率をともに高め、かつ、還元鉄を溶解する時、生成するスラグの量を低減することを課題とし、該課題を解決する還元鉄の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決する手法について鋭意検討した。その結果、本発明者らは、各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合剤を混練して塊成化し、移動炉床式還元炉に装入する塊成物を製造する際、カルシウムフェライトを添加すると、還元鉄の熱間強度を高め、かつ、還元鉄の溶解時、生成スラグ量を低減できることが解った。

また、本発明によって得られた還元鉄の金属化率を測定してみると、金属化率が、ベントナイトやプリメルトスラグ（転炉スラグ）を添加した還元鉄の金属化率より高いことが解った。

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）各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合剤を混練して塊成化し、塊成物を移動炉床式還元炉に装入して還元し還元鉄を製造する方法において、混練時、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）とＣａＯの化合物であり、酸化鉄が質量％で７５〜８５％のカルシウムフェライトを質量％で、０．２％以上３．０％以下配合することを特徴とする還元鉄の製造方法。

本発明によれば、各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合剤を混練して塊成化した塊成物を移動炉床式還元炉で還元して製造する還元鉄の熱間強度と金属化率をともに高め、かつ、還元鉄を溶解する時、生成するスラグの量を低減することができる。

塊成物の内部に形成された鉄のネットワークの一態様を示す図である。（ａ）は、カルシウムフェライトの配合で形成された鉄のネットワークの一態様を示し、（ｂ）は、ベントナイトの配合で形成された鉄のネットワークの一態様を示す。

本発明の還元鉄の製造方法は、各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合剤を混練して塊成化し、塊成物を移動炉床式還元炉に装入して還元し還元鉄を製造する方法において、混練時、カルシウムフェライトを配合することを特徴とする。

本発明において、カルシウムフェライトとは、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）とＣａＯの化合物であり、酸化鉄が質量％で７５〜８５％のものをいう。

まず、本発明による還元鉄の熱間強度の向上について説明する。

表１（後出）に、カルシウムフェライト、転炉スラグ、ベントナイトの成分組成例を示す。

カルシウムフェライトを含有する塊成物を移動炉床式還元炉に装入すると、初期の加熱帯域でカルシウムフェライトが溶融して、緻密なネットワークが形成される。

カルシウムフェライトは、融点が低く（約１２３０℃）、カルシウムフェライトを含有する塊成物を移動床式還元炉に装入すると、初期の加熱帯域でカルシウムフェライトが溶融して、まずは、カルシウムフェライト中の酸化鉄が直ちに還元されて、多数の鉄粒が生成する。この鉄粒が、塊成物の内部で、緻密な鉄のネットワークを形成するので、還元鉄の熱間強度が向上する。

図１に、塊成物の内部に形成された鉄のネットワークの一態様を示す。図１（ａ）に、カルシウムフェライトの配合で形成された鉄のネットワークの一態様を示す。網状の白い部分が鉄のネットワークである。還元温度１３００℃で、緻密な鉄のネットワークが形成されていることが解る。

結合剤としてベントナイトを配合しても、塊成物の内部に鉄のネットワークは形成される。図１（ｂ）に、ベントナイトの配合で形成された鉄のネットワークの一態様を示す。網状の白い部分が鉄のネットワークである。

図１（ａ）と図１（ｂ）を比較すると、カルシウムフェライトの配合で“緻密な鉄のネットワーク”が形成されることが解る。この“緻密な鉄のネットワーク”の存在で、塊成物から製造した還元鉄の熱間強度が向上する。

ベントナイトを配合した場合は、ベントナイトの融点（約１７００℃）がカルシウムフェライトの融点ほど低くないので、カルシウムフェライトを配合した場合ほどには、初期の加熱帯域での鉄粒形成が行われず、鉄のネットワークは、カルシウムフェライトを配合した場合ほどには緻密ではない。したがって、結合剤の融点が低いことで、鉄のネットワークの形成が促進されているものと推定される。

後述する表２の比較例３〜５に、転炉スラグを結合剤として添加した例を示すが、熱間強度は、ベントナイト添加の場合（表２の比較例６〜８）と比較して同程度であることから、製鋼スラグの添加の場合も、ネットワークの形成は、ベントナイト添加の場合と同程度で、カルシウムフェライトを添加した場合ほどには緻密ではないと考えられる。

カルシウムフェライトには、酸化鉄、ＣａＯが含有され、転炉スラグには、酸化鉄、ＣａＯ、ＳｉＯ₂が含有されており、カルシウムフェライトの融点（１２３０℃）と転炉スラグの融点（１２００〜１３００℃）がほぼ同程度であることから、ＳｉＯ₂は、鉄のネットワークの形成を妨げていると推定される。

ＳｉＯ_２は、酸性酸化物であり、還元鉄の製造工程においては、酸化鉄の活量を下げていると推定される。このため、ＳｉＯ_２が酸化鉄の還元速度を低下させ、鉄のネットワークの形成が妨げられたものと推定される。

逆に、酸化鉄の活量を上げる物質を結合剤に添加すれば、酸化鉄の還元が促進され、鉄のネットワークの形成が促進されると推定される。ＣａＯは、還元鉄の製造工程においては、酸化鉄の活量を上げていると推定され、結合剤中にＣａＯが存在することで、酸化鉄の還元が促進され、鉄のネットワークの形成が促進されたと推定される。

以上のことから、表２に示す、転炉スラグを結合剤として添加した比較例３〜５においては、転炉スラグに、酸化鉄の還元速度を増加させると推定されるＣａＯが含有されているものの、塩基度が低いため、カルシウムフェライトを結合剤として添加した場合に比較して、鉄のネットワークが緻密には形成されていないと推定される。

次に本発明による還元鉄の金属化率の向上について説明する。

金属化率は、原料のダスト中の酸化鉄が効率的に還元されるように、酸化鉄の反応性を上げることで向上する。したがって、熱間強度を向上させる場合の鉄のネットワークの形成の促進の場合と同様に、結合剤中のＳｉＯ_２を低減することや、ＣａＯを増加することが有効と考えられる。カルシウムフェライト（ＳｉＯ_２を含有しない）の配合で、塊成物中のＣａＯ量が増加すると、還元鉄の金属化率が向上すると推定される。

ベントナイトを配合した塊成物から製造した還元鉄を溶解炉で溶解する際には、ＳｉＯ_２による溶解炉の塩基性耐火物（ＭｇＯ-Ｃ）の損傷を抑制できるように、スラグの塩基度を所要の範囲に維持するため、ベントナイトに由来するＳｉＯ₂の量に見合う分のＣａＯを添加する必要があり、スラグ量は増加することになる。

一方、カルシウムフェライトを配合した塊成物から製造した還元鉄を溶解炉で溶解する際には、スラグの塩基度調整のために大量のＣａＯを添加する必要がないので、スラグ量を低減することができる。スラグ量が減少すれば、還元鉄溶解時のエネルギー原単位は低くなる。

塊成物のカルシウムフェライト配合量は、質量％で、０．２％以上３．０％以下が好ましい。カルシウムフェライトの配合量が０．２％未満であると、生成する鉄粒の量が少なくなり、緻密な鉄のネットワークを形成することが難しい。その結果、還元鉄において、所望の熱間強度が得られない。それ故、塊成物のカルシウムフェライト配合量は、質量％で、０．２％以上が好ましい。より好ましくは０．７％以上である。

一方、カルシウムフェライト配合量が３．０％を超えると、塊成物の内部で生成する液相の量が過多となり、塊成物同士が炉内で融着して炉床が成長する。その結果、操業が阻害される。それ故、塊成物のカルシウムフェライト配合量は、質量％で、３．０％以下が好ましい。より好ましくは２．５％以下である。

なお、カルシウムフェライトは、それ自体低融点（約１２３０℃）であり、移動炉床式還元炉内の初期の加熱帯域で溶融して所期の作用をなすので、塊成物のカルシウムフェライト配合量は、塊成物の成分組成の影響は小さい。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、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１）
表１に示す原料を、表２に示す配合割合で配合し、直径３０ｍｍφ、高さ１５ｍｍのタブレット状に成型した。そして、この成型物に、Ｎ₂雰囲気、１２５０℃の加熱炉内で、１５分間、還元処理を施した。

還元処理後の成型物の特性を、以下の方法で評価した。
(1)熱間強度：１２５０℃の加熱炉から取り出した還元後成型物を、即、所定の高さ（０〜５ｍ：０．５ｍ毎）から落下させ、崩壊する限界高さで評価した。
(2)冷間強度：還元後成型物を常温まで自然冷却した後、圧壊強度を測定して評価した。
(3)金属化率：冷間強度を測定した後の還元後成型物を化学分析して評価した。

評価結果を、表２に併せて示す。

発明例１〜４では、熱間強度、冷間強度とも高く、かつ、金属化率も高い。比較例１では、カルシウムフェライトの添加量が少なく、強度、金属化率とも低い。比較例２では、カルシウムフェライトの添加量が多く、金属化率は高いが、溶融してしまいタブレット形状を保てなかった。

転炉スラグを用いた比較例３〜５では、発明例に比べ、強度が低い。転炉スラグの融点は１２００〜１３００℃と低いものの、スラグ中のＳｉＯ_２の濃度が高いため、スラグ中の酸化鉄の活量が高くなく、カルシウムフェライトを添加した場合ほどには初期の加熱帯域での鉄粒形成が行われないこと等のためと考えられる。金属化率も低い。スラグ中のＳｉＯ₂の濃度が高いため、スラグと混合された原料（ダスト等）中の酸化鉄の活量が低く維持され、酸化鉄の還元反応が進みにくいこと等のためであると考えられる。

ベントナイトを用いた比較例６〜８では、発明例に比べ、強度が低い。ベントナイトの融点が１７００℃と高く、カルシウムフェライトを添加した場合ほどには初期の加熱帯域での鉄粒形成が行われないこと等のためと考えられる。金属化率も低い。ベントナイト中のＳｉＯ₂の濃度が転炉スラグよりも更に高く、ベントナイトと混合された原料（ダスト等）中の酸化鉄の活量が更に低く維持され、酸化鉄の還元反応が進みにくいこと等のためと考えられる。

（実施例２）
表１に示す原料を、表３に示す配合割合で配合し、ブリケットマシーンで塊成物を製造した。この塊成化物に、Ｎ₂雰囲気、炉温１２５０℃の回転炉床炉で、１５分間、還元処理を施し、還元鉄を製造した。次いで、回転炉床炉から排出された還元鉄を、熱間のまま溶解炉に連続的に装入した。装入時の還元鉄の温度は８００℃であった。

溶解炉では、還元鉄に存在する未還元の酸化鉄分の還元と金属鉄の溶解を行った。溶解の際、発生スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）を１．５に調整するため、溶解炉に、生石灰を添加した。溶解炉に添加する生石灰量、還元鉄の金属化率、及び、鉄歩留を比較して、本発明の効果を評価した。結果を表３に示す。

発明例５と６では、比較例９、１１、１２に比べ、生石灰添加量（ブリケット１ｔ添加する際に添加する生石灰量）が少なくてすみ、溶解炉でのスラグ発生量を低減でき、スラグ処理コストを削減する効果が得られた。

発明例５と６では、比較例９、１１、１２に比べ、金属化率が高いため、鉄歩留が高く、生産性が高いことを確認した。なお、発明例５と６では、熱間強度が高くて、ハンドリング時に粉化しなかった。

比較例９、１１、１２では、金属化率が低いため、溶解炉での還元負荷が大きく、生産性が低い。比較例１０では、生石灰添加量が少なく、鉄歩留と金属化率は高いが、回転炉床炉内で溶融したスラグが堆積し、操業が著しく悪化して、生産性が著しく低下した。

前述したように、本発明によれば、各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合剤を混練して塊成化した塊成物を移動炉床式還元炉で還元して製造する還元鉄の熱間強度と金属化率をともに高め、かつ、還元鉄を溶解する時、生成するスラグの量を低減することができる。よって、本発明は、鉄鋼産業において利用可能性が高いものである。

Claims

各種の酸化鉄含有物質と炭素質還元物質及び結合剤を混練して塊成化し、塊成物を移動炉床式還元炉に装入して還元し還元鉄を製造する方法において、混練時、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）とＣａＯの化合物であり、酸化鉄が質量％で７５〜８５％のカルシウムフェライトを質量％で、０．２％以上３．０％以下配合することを特徴とする還元鉄の製造方法。