JP6994751B2 - Charcoal interior porous ore and its manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は炭材内装多孔質鉱石に関し、より詳細には、鉄鉱石の完全還元を可能とするレベルの炭素を含有する炭材内装多孔質鉱石およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a carbonaceous interior porous ore, and more particularly to a carbonaceous interior porous ore containing a level of carbon that enables complete reduction of iron ore and a method for producing the same.

近年、製鉄原料である鉄鉱石は、鉄を60%以上含有する高品位のものの資源が減少してきている。このような事情に伴い、その代替として、また、高品位鉄鉱石よりも安価であるという事情もあり、劣質鉱石である結晶水含有鉱石の使用量は益々増える傾向にある。結晶水含有鉱石を製鉄原料に用いた場合、酸化鉄の還元に時間がかかるだけでなく、還元剤であるコークスの消費量も増加する。 In recent years, the resources of high-grade iron ore, which is a raw material for steelmaking, containing 60% or more of iron have been decreasing. Along with these circumstances, as an alternative and because it is cheaper than high-grade iron ore, the amount of water-of-crystal water-containing ore, which is a poor quality ore, tends to increase more and more. When water of crystallization-containing ore is used as a raw material for iron production, not only it takes time to reduce iron oxide, but also the consumption of coke, which is a reducing agent, increases.

このような背景のもと、結晶水含有鉱石を製鉄原料として利用することを目的として、鉱石と炭材とが近接配置する炭材内装鉱石が注目されはじめた。この炭材内装鉱石を用いることとすると、低温還元が可能なために焼結などの高温前処理が不要となり、粉鉱石や炭材粉を利用できることに加え、炭材と鉱石粉を密に混合できるために生産性が向上する等の利点があることから、様々な炭材内装鉱石の製造法が提案され、また、炭材内装鉱石を用いた焼結プロセスを経ない還元方法についても検討がなされてきている。 Against this background, for the purpose of using the water-of-crystallized ore as a raw material for iron making, the charcoal interior ore in which the ore and the charcoal are closely arranged has begun to attract attention. When this carbonaceous material interior ore is used, high temperature pretreatment such as sintering becomes unnecessary because it can be reduced at low temperature, and in addition to being able to use powdered ore and carbonaceous material powder, carbonaceous material and ore powder are densely mixed. Since it has the advantage of improving productivity, various methods for producing interior carbonaceous ore have been proposed, and a reduction method using carbonaceous interior ore that does not go through a sintering process has also been studied. It has been done.

例えば、高炉用装入原料としての炭材内装塊成化物の製造方法の発明を開示する特開2007-77484号公報(特許文献1)には、複数種類の鉄含有原料(鉄鉱石)を配合してなる粉状配合鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材(粉状石炭)との混合物を熱間成型して炭材内装塊成化物を製造する方法であって、マラマンバ鉱石やピソライト鉱石などの劣質鉱石を粉状配合鉄含有原料の配合原料として使用しても、炭材内装塊成化物の強度および被還元性をともに維持ないし向上しうる製造方法が開示されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-77484 (Patent Document 1), which discloses an invention of a method for producing a coalaceous interior agglomerate as a raw material for charging a blast furnace, contains a plurality of types of iron-containing raw materials (iron ore). This is a method of hot-molding a mixture of a powdered mixed iron-containing raw material and a powdered coal material (powdered coal) having softening and melting properties to produce a carbonaceous material interior agglomerate. Disclosed is a production method capable of maintaining or improving both the strength and reducibility of a coalaceous inner agglomerate even when inferior ore such as pisolite ore is used as a compounding raw material for a powdery compounded iron-containing raw material.

この方法では、粉状配合鉄含有原料の比表面積を調整することにより、マラマンバ鉱石やピソライト鉱石などの劣質鉱石を粉状配合鉄含有原料の配合原料として使用しても、炭材内装塊成化物の強度および被還元性をともに維持ないし向上することができ、高炉への装入原料に適した炭材内装塊成化物を安価に製造することができるとされる。 In this method, by adjusting the specific surface area of the powdered iron-containing raw material, even if inferior ore such as malamamba ore or pisolite ore is used as the compounding material of the powdered iron-containing raw material, the carbonaceous material inner mass is agglomerated. It is said that both the strength and the reducibility can be maintained or improved, and a carbonaceous interior agglomerate suitable for a raw material to be charged into a blast furnace can be produced at low cost.

しかし、特許文献1に開示の方法では、鉄鉱石は必要により粉砕されて最頻粒径が50μm程度の粉状配合鉄鉱石とされ、石炭も同様に必要により粉砕されて上記粉状配合鉄鉱石よりも最頻粒径が小さな粉状石炭とされるため、鉱石と炭材を粉砕する工程が必要になることに加え、鉱石と炭材の接触部分はμmオーダに留まり、鉄鉱石の完全還元を可能とするレベルの炭素を含有する炭材内装多孔質鉱石とするには十分とは言えない。 However, in the method disclosed in Patent Document 1, iron ore is crushed as necessary to obtain a powdery compound iron ore having a most frequent particle size of about 50 μm, and coal is also crushed as necessary to obtain the powdery compound iron ore. Since it is a powdered coal with a smaller particle size than the most frequent, in addition to the step of crushing the ore and the carbonaceous material, the contact part between the ore and the carbonaceous material stays on the order of μm, and the iron ore is completely reduced. It cannot be said that it is sufficient to obtain a carbonaceous interior porous ore containing a level of carbon that enables the above.

また、特開2008-95175号公報(特許文献2)は、製鉄・製鋼に用いる鉱石を処理する鉱石処理方法を開示する特許文献であり、「特定の元素の酸化物を含有する多孔質鉱石に、有機化合物を含む有機液体又は有機ガスを接触させることによって、有機化合物を前記多孔質鉱石に付着させることを特徴とする鉱石処理方法。」の発明を開示している。 Further, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-95175 (Patent Document 2) is a patent document that discloses an ore processing method for treating an ore used for iron making and steel making, and "to a porous ore containing an oxide of a specific element. , An ore treatment method comprising contacting an organic liquid or an organic gas containing an organic compound to attach the organic compound to the porous ore. ”Is disclosed.

特許文献2に開示の鉱石処理方法では、まず、結晶水を含有する鉱石を加熱し、結晶水を水蒸気として脱水させることによって、鉱石を多孔質化させた多孔質鉱石を生成する。次に、バイオマス資源等の有機物を乾溜した乾溜ガス、又はコールタール等の有機液体に多孔質鉱石を接触させ、タール等の有機化合物が付着した多孔質鉱石を生成する。更に、有機化合物が付着した多孔質鉱石を不活性雰囲気下で加熱し、含有する有用元素の酸化物が有機化合物中の炭素によって還元された鉱石を生成する。 In the ore treatment method disclosed in Patent Document 2, first, the ore containing water of crystallization is heated and the water of crystallization is dehydrated as steam to generate a porous ore in which the ore is made porous. Next, the porous ore is brought into contact with a dry distillation gas obtained by carbonizing an organic substance such as a biomass resource or an organic liquid such as coal tar to generate a porous ore to which an organic compound such as tar is attached. Further, the porous ore to which the organic compound is attached is heated in an inert atmosphere, and the oxide of the useful element contained therein is reduced by carbon in the organic compound to produce an ore.

特許文献2に開示の方法で得られる多孔質鉱石の平均細孔径は4nmとされ、この細孔壁に有機化合物の分子を付着させているが、その付着量(炭素析出量)は4wt%程度であり、この程度の炭素析出量では、鉄への完全還元は原理的に不可能である。 The average pore diameter of the porous ore obtained by the method disclosed in Patent Document 2 is 4 nm, and molecules of an organic compound are attached to the pore walls, but the amount of adhesion (carbon precipitation amount) is about 4 wt%. Therefore, with this amount of carbon precipitation, complete reduction to iron is impossible in principle.

さらに、低品位の鉄鉱石と低品位の炭材を用いて還元鉄が得られる塊成物を製造する方法を開示する特開2012-62505号公報(特許文献3)には、「鉄鉱石と炭材を含む混合物を塊成化して製鉄用の塊成物を製造する方法であって、前記鉄鉱石として、結晶水を5質量%以上含有する鉄鉱石を加熱して脱水した脱水鉄鉱石、前記炭材として、沸点が200~500℃の物質を20質量%以上含む炭材を準備し、これらの混合物を塊成化することを特徴とする塊成物の製造方法」が開示されている。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-62505 (Patent Document 3), which discloses a method for producing a mass in which reduced iron can be obtained by using low-grade iron ore and low-grade carbonaceous material, states that "iron ore and iron ore". A method for producing a mass for iron production by agglomerating a mixture containing a carbonaceous material, wherein the iron ore is a dehydrated iron ore obtained by heating and dehydrating an iron ore containing 5% by mass or more of crystalline water. As the carbonaceous material, a method for producing an agglomerate, which comprises preparing a carbonaceous material containing 20% by mass or more of a substance having a boiling point of 200 to 500 ° C. and agglomerating a mixture thereof, is disclosed. ..

この方法によれば、結晶水含有鉄鉱石を脱水することにより、鉄鉱石には開口直径が理想的には0.8nm程度の空隙が形成され、この空隙に炭材が吸着するため、鉱石と炭材のナノレベルでの近接が実現し、低温での高速還元が可能となるという利点がある。しかし、特許文献3に開示の方法によれば、追加還元剤および還元の熱補償用燃料が不要となるレベルの炭素析出量である18wt%以上の炭素析出が可能となる旨の記載まではなく、鉄鉱石の完全還元を達成することはできない。 According to this method, by dehydrating the water-of-crystallized iron ore, voids with an opening diameter of about 0.8 nm are formed in the iron ore, and the carbonaceous material is adsorbed in these voids. There is an advantage that the proximity of the carbonaceous material at the nano level is realized and high-speed reduction at low temperature is possible. However, according to the method disclosed in Patent Document 3, there is no description that carbon precipitation of 18 wt% or more, which is a level of carbon precipitation amount that does not require an additional reducing agent and a fuel for heat compensation for reduction, is possible. , Complete reduction of iron ore cannot be achieved.

ところで、結晶水含有鉱石のひとつにゲーサイト(α-FeOOH)鉱石がある。このゲーサイト鉱石は針鉄鉱とも呼ばれる水酸化鉱物の一種であり、鱗鉄鉱(γ-FeOOH)とともにいわゆる褐鉄鉱の主成分をなる鉱石であって、高品位鉄鉱石の代替材料として期待されている。 By the way, one of the ores containing water of crystallization is goethite (α-FeOOH) ore. This goethite ore is a kind of hydroxide mineral also called goethite, and is an ore which is a main component of so-called limonite together with lepidocrocite (γ-FeOOH), and is expected as a substitute material for high-grade iron ore.

ゲーサイト鉱石は粉化し易く、高炉に投入するためには、コークスを用いた焼結プロセスにより粗大化する必要があるが、コークスそのものが石炭を高温で長時間蒸し焼きにして作製されるものであることに加え、上記の焼結プロセスそのものも1200℃以上の高温を長時間(20時間程度)必要とすることから、ゲーサイト鉱石を粗大化するための焼結プロセスは、極めて多くのエネルギを消費するプロセスとならざるを得ない。 Gesite ore is easily pulverized and needs to be coarsened by a sintering process using coke in order to be put into a blast furnace. However, coke itself is produced by steaming coal at a high temperature for a long time. In addition, since the above-mentioned sintering process itself requires a high temperature of 1200 ° C. or higher for a long time (about 20 hours), the sintering process for coarsening Gesite ore consumes an extremely large amount of energy. It has to be a process to do.

また、ゲーサイト鉱石に上述した従来方法を適用しても、含有させることのできる炭素量には限界があり、鉄鉱石の完全還元に求められる18wt%以上を達成することができない。 Further, even if the above-mentioned conventional method is applied to goethite ore, there is a limit to the amount of carbon that can be contained, and it is not possible to achieve 18 wt% or more required for complete reduction of iron ore.

特開2007-77484号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-77484 特開2008-95175号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-95175 特開2012-62505号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-62505

従来の製鉄では、高品位鉄鉱石と高品位石炭を1200℃で20時間蒸し焼きにして製造したコークスを用いて、1200~1400℃の高温で長時間熱処理することで製鉄を行っている。近年の製鉄業界では、低品位鉄鉱石であるゲーサイト鉱石と副生物や廃棄物であるコールタールを用いたエネルギ消費の少ない製鉄方法の開発に注力している。 In conventional ironmaking, high-grade iron ore and high-grade coal are steam-baked at 1200 ° C. for 20 hours and then heat-treated at a high temperature of 1200 to 1400 ° C. for a long time to produce iron. In recent years, the ironmaking industry has been focusing on the development of low-energy ironmaking methods using goethite ore, which is a low-grade iron ore, and coal tar, which is a by-product and waste.

しかしながら、ゲーサイト鉱石内に、鉄鉱石の完全還元に求められる18wt%以上の炭素を含有した製鉄原料の製造法は確立されておらず、また、低温度プロセスで多量のFeを合成する製鉄プロセスも未開発の状態である。 However, a method for producing an iron-making raw material containing 18 wt% or more of carbon required for complete reduction of iron ore in goethite ore has not been established, and an iron-making process for synthesizing a large amount of Fe by a low-temperature process. Is still undeveloped.

本発明は上述した問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ゲーサイト鉱石をはじめとする結晶水含有鉱石に、鉄鉱石の完全還元を可能とするレベルの炭素を含有させるための新規な技術を提供すること、さらに、炭材内装鉱石の短時間還元を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to allow water of crystallization ore such as Gesite ore to contain carbon at a level capable of complete reduction of iron ore. The purpose is to provide new technology for carbonaceous material interior ore and to realize short-time reduction of carbonaceous material interior ore.

課題を解決しようとする手段Means to try to solve the problem

上記課題を解決するために、本発明に係る結晶水含有鉱石は、内部に複数の細孔を有する多孔質鉱石であって、前記細孔の内径はナノメートルレベルであってその内部に炭材が吸着しており、前記多孔質鉱石の表面は炭材で被覆されており、炭素含有量が18wt%以上であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the crystalline water-containing ore according to the present invention is a porous ore having a plurality of pores inside, and the inner diameter of the pores is at the nanometer level, and a carbonaceous material is contained therein. The surface of the porous ore is coated with a carbonaceous material, and the carbon content is 18 wt% or more.

好ましくは、前記多孔質鉱石は多孔質のゲーサイト鉱石である。 Preferably, the porous ore is a porous goethite ore.

本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の製造方法は、下記の工程を備えている。
工程1:結晶水含有鉱石を加熱して結晶水を脱離させ、該鉱石内部に内径がナノメートルレベルの細孔を形成する工程
工程2:工程1を経た鉱石をタール含有溶液中に含浸して、前記鉱石の表面をタール成分で被覆するとともに、前記細孔の内部にタール成分を充填する工程
工程3:工程2を経た鉱石を熱処理して、前記タール成分を炭化する工程
The method for producing a porous carbonaceous material interior according to the present invention includes the following steps.
Step 1: The ore containing crystalline water is heated to desorb the crystalline water to form pores having an inner diameter of nanometer level inside the ore. Step 2: The ore that has undergone step 1 is impregnated into the tar-containing solution. Step 3: A step of coating the surface of the ore with a tar component and filling the inside of the pores with the tar component. Step 3: A step of heat-treating the ore that has undergone step 2 to carbonize the tar component.

好ましくは、前記工程1の加熱温度は800℃以下である。 Preferably, the heating temperature in step 1 is 800 ° C. or lower.

また、好ましくは、前記工程3は不活性ガス中において500℃以下の温度で実行する。 Further, preferably, the step 3 is performed in an inert gas at a temperature of 500 ° C. or lower.

また、好ましくは、前記結晶水含有鉱石はゲーサイト鉱石である。 Further, preferably, the water of crystallization-containing ore is goethite ore.

本発明に係る結晶水含有鉱石の還元方法は、下記の工程を備えている。
工程1:結晶水含有鉱石を加熱して結晶水を脱離させ、該鉱石内部に内径がナノメートルレベルの細孔を形成する工程
工程2:工程1を経た鉱石をタール含有溶液中に含浸して、前記鉱石の表面をタール成分で被覆するとともに、前記細孔の内部にタール成分を充填する工程
工程3:工程2を経た鉱石を熱処理して、前記タール成分を炭化する工程
工程4:工程3を経た鉱石を熱処理して、前記炭化成分の燃焼熱を利用して前記鉱石を還元する工程
The method for reducing water of crystallization-containing ore according to the present invention includes the following steps.
Step 1: The crystal water-containing ore is heated to desorb the crystal water to form pores with an inner diameter of nanometer level inside the ore. Step 2: The ore that has undergone step 1 is impregnated into the tar-containing solution. Then, the surface of the ore is coated with the tar component, and the inside of the pores is filled with the tar component. Step 3: The ore that has undergone step 2 is heat-treated to carbonize the tar component. Step 4: Step Step of heat-treating the ore that has passed through 3 and reducing the ore by utilizing the combustion heat of the carbonized component.

好ましくは、前記工程1の加熱温度は800℃以下である。 Preferably, the heating temperature in step 1 is 800 ° C. or lower.

また、好ましくは、前記工程3は不活性ガス中において500℃以下の温度で実行する。 Further, preferably, the step 3 is performed in an inert gas at a temperature of 500 ° C. or lower.

また、好ましくは、前記工程4は1000℃以下の温度で実行される。 Further, preferably, the step 4 is performed at a temperature of 1000 ° C. or lower.

また、好ましくは、前記結晶水含有鉱石はゲーサイト鉱石である。 Further, preferably, the water of crystallization-containing ore is goethite ore.

本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の製造方法では、鉱石の表面に析出した炭素が燃焼する際に発生する熱が鉱石内部に伝導し、還元反応を自己伝播させるいわゆる燃焼合成法を利用している。 In the method for producing a porous carbonaceous material interior according to the present invention, a so-called combustion synthesis method is used in which the heat generated when the carbon deposited on the surface of the ore burns is conducted inside the ore and the reduction reaction is self-propagated. ing.

斯かる方法で製造された本発明に係る結晶水含有鉱石は、炭素含有量が18wt%以上であるため、従来のものでは必要とされていた鉄鉱石を還元するための燃料やコークスが不要となる。 Since the water of crystallization water-containing ore according to the present invention produced by such a method has a carbon content of 18 wt% or more, it does not require fuel or coke for reducing iron ore, which was required in the conventional method. Become.

本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の製造プロセスを概念的に説明する図である。It is a figure which conceptually explains the manufacturing process of the carbonaceous material interior porous ore which concerns on this invention. 本発明に係る炭材内装多孔質鉱石のSEM像(a)および同一視野でのEDSマッピング(b)である。It is SEM image (a) and EDS mapping (b) in the same field of view of the carbonaceous material interior porous ore which concerns on this invention. 図2に示した観察領域をより高倍率で観察したSEM像(a)および同一視野での炭素(C)のEDSマッピング(b)である。なお、炭素の分布状態の比較のため、従来法(CVI法)で炭材内装した鉱石のSEM像(c)および同一視野での炭素(C)のEDSマッピング(d)も示した。It is an SEM image (a) in which the observation region shown in FIG. 2 is observed at a higher magnification, and EDS mapping (b) of carbon (C) in the same field of view. In addition, in order to compare the distribution state of carbon, the SEM image (c) of the ore interiored with carbonaceous material by the conventional method (CVI method) and the EDS mapping (d) of carbon (C) in the same field of view are also shown. 炭材内装多孔質鉱石の製造方法の工程1~3における鉱石の構造変化を概念的に説明した図である。It is a figure which conceptually explained the structural change of the ore in the steps 1 to 3 of the manufacturing method of the carbonaceous material interior porous ore. 図(a)は本発明に係る炭材内装多孔質鉱石で燃焼合成反応させるための装置系の概念図であり、図(b)はその温度プロファイルの一例である。FIG. (A) is a conceptual diagram of an apparatus system for performing a combustion synthesis reaction with a porous ore containing a carbonaceous material according to the present invention, and FIG. (B) is an example of a temperature profile thereof. 雰囲気中の酸素濃度を15~100vol%の範囲で変えて処理した鉱石のXRDパターンである。It is an XRD pattern of an ore treated by changing the oxygen concentration in an atmosphere in the range of 15 to 100 vol%. 燃焼合成反応の前後での炭材内装多孔質鉱石のSEM像およびEDSマッピングである。SEM images and EDS mapping of the carbonaceous interior porous ore before and after the combustion synthesis reaction. 本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の燃焼合成反応のメカニズムを概念的に説明するための図である。It is a figure for conceptually explaining the mechanism of the combustion synthesis reaction of the carbonaceous material interior porous ore which concerns on this invention. 熱処理温度を700~900℃の範囲で変えて処理した鉱石のXRDパターンである。It is an XRD pattern of an ore treated by changing the heat treatment temperature in the range of 700 to 900 ° C. 還元熱処理の雰囲気中酸素の効果確認のための、各鉱石のXRDパターンである。It is an XRD pattern of each ore for confirming the effect of oxygen in the atmosphere of the reduction heat treatment. 還元熱処理中における試料温度の実測値および時間当たりの温度変化を示した図である。It is a figure which showed the measured value of the sample temperature during reduction heat treatment, and the temperature change per hour. 炭化処理前後のゲーサイト鉱石、試薬Fe2O3、高品位鉱石のXRDパターンである。XRD pattern of goethite ore, reagent Fe 2 O 3 , and high-grade ore before and after carbonization. 還元処理後のゲーサイト鉱石、試薬Fe2O3、高品位鉱石のXRDパターンである。XRD pattern of goethite ore, reagent Fe 2 O 3 , and high-grade ore after reduction treatment. 実施例のものの還元処理中に発生したガスの分析結果のチャートである。It is a chart of the analysis result of the gas generated during the reduction treatment of the example.

以下に、図面を参照して、本発明に係る炭材内装多孔質鉱石およびその製造方法について説明する。なお、以下では、多孔質鉱石は多孔質のゲーサイト鉱石であるものとして説明する。 Hereinafter, the carbonaceous interior porous ore according to the present invention and a method for producing the same will be described with reference to the drawings. In the following, the porous ore will be described as being a porous goethite ore.

図1は、本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の製造プロセスを概念的に説明する図で、このプロセスは、結晶水含有鉱石を加熱して結晶水を脱離させ、該鉱石内部に内径がナノメートルレベルの細孔を形成する工程1と、工程1を経た鉱石をタール含有溶液中に含浸して、前記鉱石の表面をタール成分で被覆するとともに、前記細孔の内部にタール成分を充填する工程2と、工程2を経た鉱石を熱処理して、前記タール成分を炭化する工程3とを備えている。 FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a manufacturing process of a porous carbonaceous material interior according to the present invention, in which the crystal water-containing ore is heated to desorb the crystalline water, and the inner diameter of the ore is inside the ore. Step 1 to form nanometer-level pores, and the ore that has undergone step 1 is impregnated into a tar-containing solution to coat the surface of the ore with a tar component and to add a tar component to the inside of the pores. It includes a step 2 of filling and a step 3 of heat-treating the ore that has undergone the step 2 to carbonize the tar component.

先ず、上記工程1では、結晶水含有鉱石であるゲーサイト鉱石1を、800℃以下の温度で加熱して鉱石内の結晶水を離脱(脱水)させる。なお、低温処理化を図る観点からは500℃以下の温度とすることが好ましく、処理温度の下限は250℃程度である。この処理に際し、ゲーサイト鉱石1は、予め、個々の直径が1~2mm程度に整粒されており、例えば鉄成分が57wt%程度、結晶水成分が8.8wt%程度のものである。また、上記熱処理時間は、例えば24時間程度である。この熱処理により、下記の反応が進行し、内部に内径がナノメートルレベル(10nm以下であって、例えば3~4nm程度)の細孔が形成された多孔質鉱石10が得られる(図1(a))。 First, in the above step 1, the water of crystallization ore 1 is heated at a temperature of 800 ° C. or lower to separate (dehydrate) the water of crystallization in the ore. From the viewpoint of low temperature treatment, the temperature is preferably 500 ° C. or lower, and the lower limit of the treatment temperature is about 250 ° C. In this treatment, the goethite ore 1 is sized in advance to have an individual diameter of about 1 to 2 mm, and for example, the iron component is about 57 wt% and the water of crystallization component is about 8.8 wt%. The heat treatment time is, for example, about 24 hours. By this heat treatment, the following reaction proceeds, and a porous ore 10 having pores having an inner diameter of nanometer level (10 nm or less, for example, about 3 to 4 nm) is obtained (FIG. 1 (a)). )).

2FeOOH→Fe23+H22FeOOH → Fe 2 O 3 + H 2 O

このようにして得られた多孔質鉱石10は、比表面積の高さを利用して、触媒材料としての利用も可能である。 The porous ore 10 thus obtained can also be used as a catalyst material by utilizing the high specific surface area.

このようにして得られた多孔質鉱石10は、工程2において、タール含有溶液中に含浸され、表面がタール成分で被覆されるとともに、細孔の内部にタール成分が充填される(図1(b))。タール含有溶液20は、例えばコールタールとトルエンの混合溶液であり、一例を挙げれば、固定炭素成分が32wt%、灰分が0.04wt%、水分が0.15wt%のコールタールを、試薬トルエンと、重量比1:1で混合したものである。なお、この含浸時間は、例えば5~10分程度である。 The porous ore 10 thus obtained is impregnated in the tar-containing solution in step 2, the surface is coated with the tar component, and the inside of the pores is filled with the tar component (FIG. 1 (FIG. 1). b)). The tar-containing solution 20 is, for example, a mixed solution of coal tar and toluene. For example, coal tar having a fixed carbon component of 32 wt%, an ash content of 0.04 wt%, and a water content of 0.15 wt% is used as a reagent toluene. , A mixture of 1: 1 by weight. The impregnation time is, for example, about 5 to 10 minutes.

このような含浸を行うと、多孔質鉱石10の表面はタール成分で被覆され、内部に形成された細孔内にもタール成分が充填される。 When such impregnation is performed, the surface of the porous ore 10 is covered with the tar component, and the tar component is also filled in the pores formed inside.

続いて、多孔質鉱石10をタール含有溶液20中に含浸した状態で、不活性雰囲気(例えばAr雰囲気)中でヒータ30で加熱処理を行う。熱処理温度は500℃以下の温度とされ、熱処理時間は500℃での熱処理の場合には例えば1時間である。この熱処理により、多孔質鉱石10の表面を被覆するタール成分と細孔内に充填されたタール成分が炭化して、炭素の析出が生じる。 Subsequently, with the porous ore 10 impregnated in the tar-containing solution 20, heat treatment is performed with the heater 30 in an inert atmosphere (for example, Ar atmosphere). The heat treatment temperature is set to a temperature of 500 ° C. or lower, and the heat treatment time is, for example, 1 hour in the case of heat treatment at 500 ° C. By this heat treatment, the tar component covering the surface of the porous ore 10 and the tar component filled in the pores are carbonized, and carbon precipitation occurs.

この工程3終了後の多孔質鉱石10は相互に凝集しているので、再度、個々の直径が1~2mm程度に整粒することが好ましい。 Since the porous ore 10 after the completion of this step 3 is mutually aggregated, it is preferable to re-size the individual diameters to about 1 to 2 mm.

図2は、上述のプロセスを経て得られた炭材内装多孔質鉱石のSEM像(図2(a))および同一視野での鉄(Fe)と炭素(C)のEDSマッピング(図2(b))である。図2(b)のEDSマッピングから明らかなように、多孔質鉱石の表面において、炭素の析出が明確に認められる。 FIG. 2 shows an SEM image (FIG. 2 (a)) of the carbonaceous interior porous ore obtained through the above process and EDS mapping of iron (Fe) and carbon (C) in the same field of view (FIG. 2 (b)). )). As is clear from the EDS mapping in FIG. 2 (b), carbon precipitation is clearly observed on the surface of the porous ore.

図3は、図2に示した観察領域をより高倍率で観察したSEM像(図3(a))および同一視野での炭素(C)のEDSマッピング(図3(b))である。なお、炭素の分布状態の比較のため、従来法で炭材内装した鉱石のSEM像(図3(c))および同一視野での炭素(C)のEDSマッピング(図3(d))も示した。 FIG. 3 is an SEM image (FIG. 3 (a)) in which the observation region shown in FIG. 2 is observed at a higher magnification, and EDS mapping of carbon (C) in the same visual field (FIG. 3 (b)). In addition, for comparison of the distribution state of carbon, the SEM image (FIG. 3 (c)) of the ore interiored with carbonaceous material by the conventional method and the EDS mapping of carbon (C) in the same field of view (FIG. 3 (d)) are also shown. rice field.

本発明に係る炭材内装多孔質鉱石では、図3(b)中に丸印で示した表面領域における顕著な炭素析出のみならず、細孔内に充填されたタール成分の炭化に起因した炭素の析出も確認できる。これに対し、従来法で炭材内装した鉱石では、表面領域においてのみならず、鉱石内部においても、炭素の析出は殆ど確認できない。この比較から明らかなように、本発明に係る炭材内装多孔質鉱石は、多くの炭素を含有することが可能である。 In the carbon material inner porous ore according to the present invention, not only the remarkable carbon precipitation in the surface region indicated by the circle in FIG. 3 (b) but also the carbon caused by the carbonization of the tar component filled in the pores. Precipitation can also be confirmed. On the other hand, in the ore interiorized with carbonaceous material by the conventional method, carbon precipitation can hardly be confirmed not only in the surface region but also in the inside of the ore. As is clear from this comparison, the carbonaceous interior porous ore according to the present invention can contain a large amount of carbon.

このように、本発明により、内部に内径がナノメートルレベルの複数の細孔を有する多孔質鉱石であって、その細孔内部に炭材が充填されているとともに、表面が炭材で被覆された炭材内装多孔質鉱石が得られる。そして、この炭材内装多孔質鉱石は、炭素含有量は18wt%以上であることから、鉄鉱石の完全還元を可能とするレベルの炭素を含有する炭材内装多孔質鉱石である。 As described above, according to the present invention, it is a porous ore having a plurality of pores having an inner diameter of nanometer level inside, and the inside of the pores is filled with a charcoal material and the surface is coated with the charcoal material. Porous ore with carbonaceous interior can be obtained. Since the carbon content of this carbonaceous interior porous ore is 18 wt% or more, it is a carbonaceous interior porous ore containing a level of carbon that enables complete reduction of iron ore.

なお、上記炭材内装多孔質鉱石の炭素含有量が18wt%以上であることは、化学量論的に計算可能である。 It can be calculated stoichiometrically that the carbon content of the carbonaceous interior porous ore is 18 wt% or more.

すなわち、反応式(Fe2O3+3C=Fe+3CO)に従い計算すると18.3955%という数字が得られる(3x12/(2x55.85+3x16+3x12)x100=18.3955%)。本発明者らは実際の炭素含有量を元素(C, H, N)分析で測定し、ゲーサイト鉱石の場合は平均24.4wt%の炭素を含有していることを確認している。 That is, when calculated according to the reaction formula (Fe 2 O 3 + 3C = Fe + 3CO), the figure of 18.3955% is obtained (3x12 / (2x55.85 + 3x16 + 3x12) x100 = 18.3955%). The present inventors have measured the actual carbon content by elemental (C, H, N) analysis and confirmed that the Geusite ore contains an average of 24.4 wt% carbon.

図4は、これまで説明してきた炭材内装多孔質鉱石の製造方法の工程1~3における鉱石の構造変化を概念的に説明した図である。 FIG. 4 is a diagram conceptually explaining the structural change of the ore in the steps 1 to 3 of the method for producing the porous carbonaceous material interior porous ore described so far.

結晶水含有鉱石であるゲーサイト鉱石1(図4(a))を、800℃以下の温度(例えば250~500℃の範囲の温度)で加熱して鉱石内の結晶水を離脱(脱水)させることにより、内部に内径がナノメートルレベルの細孔が形成された多孔質鉱石10が得られる(図4(b))。 The water of crystallization ore 1 (FIG. 4A) is heated at a temperature of 800 ° C. or lower (for example, a temperature in the range of 250 to 500 ° C.) to separate (dehydrate) the water of crystallization in the ore. As a result, a porous ore 10 in which pores having an inner diameter of nanometer level is formed can be obtained (FIG. 4 (b)).

得られた多孔質鉱石10をタール含有溶液中に含浸すると、表面がタール成分11で被覆されるとともに、細孔の内部にもタール成分11が充填される(図4(c))。 When the obtained porous ore 10 is impregnated into a tar-containing solution, the surface is coated with the tar component 11 and the inside of the pores is also filled with the tar component 11 (FIG. 4 (c)).

そして、この多孔質鉱石10をタール含有溶液中に含浸した状態で加熱処理することにより、多孔質鉱石10の表面を被覆するタール成分と細孔内に充填されたタール成分が炭化して、炭素12の析出が生じる(図4(d))。 Then, by heat-treating the porous ore 10 in a state of being impregnated in the tar-containing solution, the tar component covering the surface of the porous ore 10 and the tar component filled in the pores are carbonized and carbonized. Twelve precipitation occurs (FIG. 4 (d)).

本発明に係る炭材内装多孔質鉱石は炭素含有量が18wt%以上であるため、鉄鉱石を還元するための燃料やコークスが不要となる。 Since the carbon content of the carbonaceous interior porous ore according to the present invention is 18 wt% or more, no fuel or coke is required to reduce the iron ore.

従来法で得られる炭材内装多孔質鉱石は炭素含有量が低いため、当該鉱石のみからの鉄への完全還元は不可能で、下記の反応式から理解できるように、追加の還元剤や還元のための熱補償用燃料が必要となる。 Since the carbon content of the carbonaceous interior porous ore obtained by the conventional method is low, it is impossible to completely reduce the ore to iron alone, and as can be understood from the reaction formula below, additional reducing agents and reductions are possible. Requires heat compensation fuel for.

FexO+C(含有)+C(追加)=Fe+CO-Q1kJ
熱補償用燃料+O2=CO2+H2O+Q2kJ
Fe x O + C (contains) + C (addition) = Fe + CO-Q 1 kJ
Fuel for heat compensation + O 2 = CO 2 + H 2 O + Q 2 kJ

つまり、上記反応式において、熱補償用燃料を用いた燃焼で発生した熱(Q2kJ)で、Q1kJ分の吸熱量を補償する必要がある。 That is, in the above reaction formula, it is necessary to compensate the heat absorption amount for Q 1 kJ with the heat (Q 2 kJ) generated by the combustion using the heat compensation fuel.

炭材内装多孔質鉱石の炭素含有量が10wt%程度まで高くなると、当該鉱石のみからの鉄への完全還元は可能となるが、下記の反応式から理解できるように、還元のための熱補償用燃料は必要である。 When the carbon content of the carbonaceous interior porous ore increases to about 10 wt%, complete reduction of the ore to iron is possible, but as can be understood from the reaction formula below, heat compensation for reduction is possible. Fuel is needed.

FexO+C(含有)=Fe+CO-Q3kJ
熱補償用燃料+O2=CO2+H2O+Q2kJ
Fe x O + C (contains) = Fe + CO-Q 3 kJ
Fuel for heat compensation + O 2 = CO 2 + H 2 O + Q 2 kJ

つまり、上記反応式において、熱補償用燃料を用いた燃焼で発生した熱(Q2kJ)で、Q3kJ分の吸熱量を補償する必要がある。 That is, in the above reaction formula, it is necessary to compensate the heat absorption amount for Q3 kJ with the heat ( Q2 kJ) generated by the combustion using the heat compensation fuel.

本発明に係る炭材内装多孔質鉱石のように炭素含有量が18wt%を超えると、当該鉱石のみからの鉄への完全還元が可能となるだけではなく、下記の反応式から理解できるように、析出炭素の燃焼熱が還元の熱を補償することが可能となるばかりではなく、反応の自己伝播が生じるいわゆる燃焼合成反応となるため、追加の還元剤や還元のための熱補償用燃料は不要となる。 When the carbon content exceeds 18 wt% as in the carbonaceous material interior porous ore according to the present invention, not only the complete reduction from the ore alone to iron is possible, but also as can be understood from the following reaction formula. Not only is the heat of combustion of the precipitated carbon capable of compensating for the heat of reduction, but it is also a so-called combustion synthesis reaction in which self-propagation of the reaction occurs. It becomes unnecessary.

FexO+C(含有)=Fe+CO-Q3kJ
C(含有)+O2=CO2+H2O+Q4kJ
Fe x O + C (contains) = Fe + CO-Q 3 kJ
C (contains) + O 2 = CO 2 + H 2 O + Q 4 kJ

つまり、上記反応式において、炭材内装多孔質鉱石が含有する炭素を利用した燃焼で発生した熱(Q4kJ)で、Q3kJ分の吸熱量を自己補償するのである。 That is, in the above reaction formula, the heat ( Q4 kJ) generated by combustion using carbon contained in the carbonaceous interior porous ore self-compensates for the amount of heat absorbed by Q3 kJ.

図5(a)は本発明に係る炭材内装多孔質鉱石で燃焼合成反応させるための装置系の一例を示す概念図であり、図5(b)はその温度プロファイルの一例である。一連の反応は、酸素を15~25vol%程度含む不活性ガス(例えば25vol%の酸素を含むArガス)を1リットル/分で流しながら行う。20℃/秒のレートで900℃まで昇温し、その温度で10秒間保持し、その後は自然冷却する。 FIG. 5 (a) is a conceptual diagram showing an example of an apparatus system for performing a combustion synthesis reaction with the carbonaceous material inner porous ore according to the present invention, and FIG. 5 (b) is an example of the temperature profile thereof. The series of reactions is carried out while flowing an inert gas containing about 15 to 25 vol% oxygen (for example, Ar gas containing 25 vol% oxygen) at 1 liter / min. The temperature is raised to 900 ° C. at a rate of 20 ° C./sec, held at that temperature for 10 seconds, and then naturally cooled.

図6に、燃焼合成反応時の雰囲気中の酸素濃度を15~100vol%の範囲で変えて処理した鉱石のXRDパターンを示す。なお、チャート中に示した記号H、M、W、I、Fを付したピークはそれぞれ、Fe23、Fe34、FeO、Fe、Fe2SiO4からの回折ピークである。金属鉄の比率は異なるものの、いずれの酸素濃度においても金属鉄が生成することが確認できる。 FIG. 6 shows the XRD pattern of the ore treated by changing the oxygen concentration in the atmosphere during the combustion synthesis reaction in the range of 15 to 100 vol%. The peaks with the symbols H, M, W, I, and F shown in the chart are diffraction peaks from Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, Fe, and Fe 2 SiO 4 , respectively. Although the ratio of metallic iron is different, it can be confirmed that metallic iron is produced at any oxygen concentration.

図7は、このような燃焼合成反応の前後での炭材内装多孔質鉱石のSEM像およびEDSマッピングである。図(A)の(a)および(b)はそれぞれ燃焼合成反応前の炭材内装多孔質鉱石のSEM像およびEDSマッピングであり、図(B)の(a)および(b)はそれぞれ燃焼合成反応後の炭材内装多孔質鉱石のSEM像およびEDSマッピングである。 FIG. 7 is an SEM image and EDS mapping of the carbonaceous interior porous ore before and after such a combustion synthesis reaction. (A) and (b) of FIG. (A) are SEM images and EDS mapping of the carbonaceous inner porous ore before the combustion synthesis reaction, respectively, and (a) and (b) of FIG. SEM image and EDS mapping of the carbonaceous interior porous ore after the reaction.

図7(A)と(B)のEDSマッピングの比較から、燃焼合成反応前には表面に認められた100~500μmの厚みの炭素膜は、燃焼合成反応中にほぼ消失していることが分かる。 From the comparison of the EDS mappings in FIGS. 7A and 7B, it can be seen that the carbon film having a thickness of 100 to 500 μm observed on the surface before the combustion synthesis reaction has almost disappeared during the combustion synthesis reaction. ..

図8は、本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の燃焼合成反応のメカニズムを概念的に説明するための図である。本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の製造方法で得られた炭素12を析出させた炭材内装多孔質鉱石10を酸素含有雰囲気中で熱処理すると、先ず表面に析出した炭素12が酸素と反応して熱を発生させる。その熱は鉱石内部に伝わり、細孔に充填されている炭素による鉄鉱石の還元を促進する。つまり、既に説明したように、炭材内装多孔質鉱石が含有する炭素を利用した燃焼で発生した熱(Q4kJ)で、Q3kJ分の吸熱量を自己補償するのである。最終的には、局所的には炭素12や酸化鉄13が残留するものの、金属鉄を主成分とする鉱石が得られる。 FIG. 8 is a diagram for conceptually explaining the mechanism of the combustion synthesis reaction of the carbonaceous interior porous ore according to the present invention. When the carbon-12-precipitated carbon-12-precipitated carbon-12-precipitated carbon-12-containing porous ore 10 according to the present invention is heat-treated in an oxygen-containing atmosphere, the carbon-12 precipitated on the surface first reacts with oxygen. To generate heat. The heat is transferred to the inside of the ore and promotes the reduction of the iron ore by the carbon filled in the pores. In other words, as already explained, the heat ( Q4 kJ) generated by combustion using carbon contained in the porous ore inside the carbonaceous material self-compensates for the amount of heat absorbed by Q3 kJ. Finally, although carbon-12 and iron oxide 13 remain locally, an ore containing metallic iron as a main component can be obtained.

つまり、本発明は、結晶水含有鉱石を加熱して結晶水を脱離させ、該鉱石内部に内径がナノメートルレベルの細孔を形成する工程1と、工程1を経た鉱石をタール含有溶液中に含浸して、前記鉱石の表面をタール成分で被覆するとともに、前記細孔の内部にタール成分を充填する工程2と、工程2を経た鉱石を熱処理して、前記タール成分を炭化する工程3と、工程3を経た鉱石を熱処理して、前記炭化成分の燃焼熱を利用して前記鉱石を還元する工程4を備えた結晶水含有鉱石の還元方法でもある。 That is, in the present invention, the crystal water-containing ore is heated to desorb the crystalline water to form pores having an inner diameter of nanometer level inside the ore, and the ore that has undergone the step 1 is contained in a tar-containing solution. The step 2 of impregnating the ore with a tar component and filling the inside of the pores with the tar component, and the step 3 of heat-treating the ore that has undergone the step 2 to carbonize the tar component. It is also a method for reducing crystalline water-containing ore, which comprises a step 4 of heat-treating the ore that has undergone the step 3 and reducing the ore by utilizing the combustion heat of the carbonized component.

なお、上記工程4は1000℃以下の温度で実行され、例えば900℃とする。図9は熱処理温度を700~900℃の範囲で変えて処理した鉱石のXRDパターンで、チャート中に示した記号H、M、W、I、Fを付したピークはそれぞれ、Fe23、Fe34、FeO、Fe、Fe2SiO4からの回折ピークである。金属鉄の比率は異なるものの、いずれにおいても金属鉄が生成することが確認できる。 The above step 4 is executed at a temperature of 1000 ° C. or lower, for example, 900 ° C. FIG. 9 shows the XRD pattern of the ore treated by changing the heat treatment temperature in the range of 700 to 900 ° C., and the peaks with the symbols H, M, W, I, and F shown in the chart are Fe 2 O 3 , respectively. It is a diffraction peak from Fe 3 O 4 , Fe O, Fe, and Fe 2 SiO 4 . Although the ratio of metallic iron is different, it can be confirmed that metallic iron is produced in each case.

[還元熱処理の雰囲気中酸素の効果確認]
上記還元熱処理を行う際の、雰囲気中酸素の効果について確認した。実施例では上述のとおり、25vol%の酸素を含むArガスを1リットル/分で流通させた。一方、比較例1では純Arガスを1リットル/分で流通させ、比較例2では20vol%の水素を含むArガスを1リットル/分で流通させた。なお、燃焼合成反応装置系と温度設定プロファイルは図5に示したとおりであって、ゲーサイトの炭材内装多孔質鉱石0.1gの還元熱処理を行った。
[Confirmation of the effect of oxygen in the atmosphere of reduction heat treatment]
The effect of oxygen in the atmosphere when performing the above reduction heat treatment was confirmed. In the examples, as described above, Ar gas containing 25 vol% oxygen was circulated at 1 liter / min. On the other hand, in Comparative Example 1, pure Ar gas was circulated at 1 liter / min, and in Comparative Example 2, Ar gas containing 20 vol% hydrogen was circulated at 1 liter / min. The combustion synthesis reaction device system and the temperature setting profile are as shown in FIG. 5, and 0.1 g of goethite carbonaceous interior porous ore was subjected to a reduction heat treatment.

図10は、還元処理後の各鉱石のXRDパターンである。チャート中に示した記号H、M、W、I、Fを付したピークはそれぞれ、Fe23、Fe34、FeO、Fe、Fe2SiO4からの回折ピークである。3つのチャートを比較すると明らかなように、酸素を含む雰囲気で熱処理することにより、還元反応が顕著に促進される。 FIG. 10 is an XRD pattern of each ore after the reduction treatment. The peaks with the symbols H, M, W, I, and F shown in the chart are diffraction peaks from Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, Fe, and Fe 2 SiO 4 , respectively. As is clear from a comparison of the three charts, the heat treatment in an oxygen-containing atmosphere significantly promotes the reduction reaction.

図11は、還元処理中における試料温度の実測値および時間当たりの温度変化(dT(℃)/dt(秒))を示した図である。比較例1および比較例2では、試料温度はほぼ設定温度となっているのに対し、実施例のものでは試料温度が800℃に達した時点辺りから急激に上昇し、1200℃程度にまで達していることが読み取れる。この温度上昇は、表面に析出した炭素の燃焼に起因して発生した熱によるものである。 FIG. 11 is a diagram showing an actually measured value of the sample temperature during the reduction treatment and a temperature change (dT (° C.) / dt (sec)) per hour. In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the sample temperature is almost the set temperature, whereas in the example, the sample temperature rises sharply from around the time when the sample temperature reaches 800 ° C. and reaches about 1200 ° C. It can be read that it is. This temperature rise is due to the heat generated by the combustion of carbon deposited on the surface.

[原料鉱石の種類の影響確認]
出発原料として用いる鉱石の種類の影響について確認した。実施例のものは上述のとおりゲーサイト鉱石を出発原料としている。一方、比較例3では試薬Fe2O3を用い、比較例4では高品位鉱石を用いた。これらについて、炭化処理前後ならびに還元処理前後のXRD評価を行った。なお、何れにおいても、還元熱処理は25vol%の酸素を含むArガスを1リットル/分で流通させ、処理温度は900℃とした。
[Confirmation of the effect of the type of raw material ore]
We confirmed the effect of the type of ore used as a starting material. The example uses goethite ore as a starting material as described above. On the other hand, in Comparative Example 3, the reagent Fe 2 O 3 was used, and in Comparative Example 4, high-grade ore was used. These were evaluated by XRD before and after the carbonization treatment and before and after the reduction treatment. In each case, in the reduction heat treatment, Ar gas containing 25 vol% oxygen was circulated at 1 liter / min, and the treatment temperature was 900 ° C.

図12は、炭化処理後の各鉱石のXRDパターンである。何れのものも、還元処理前にはFe23のピークのみが認められているが、還元処理後にはFe34のピークが認められるようになる。なお、3者を比較すると、実施例のものにおいて最も多くのFe34が生成している。 FIG. 12 is an XRD pattern of each ore after carbonization treatment. In each case, only the peak of Fe 2 O 3 is observed before the reduction treatment, but the peak of Fe 3 O 4 is observed after the reduction treatment. Comparing the three, the largest amount of Fe 3 O 4 is produced in the examples.

図13は、還元処理後の各鉱石のXRDパターンである。チャート中に示した記号H、M、W、I、Fを付したピークはそれぞれ、Fe23、Fe34、FeO、Fe、Fe2SiO4からの回折ピークである。3つのチャートを比較すると明らかなように、ゲーサイト鉱石を出発原料とした実施例のものは鉄にまで還元できている一方、比較例3および比較例4のものでは金属鉄の生成が認められていない。 FIG. 13 is an XRD pattern of each ore after the reduction treatment. The peaks with the symbols H, M, W, I, and F shown in the chart are diffraction peaks from Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, Fe, and Fe 2 SiO 4 , respectively. As is clear from a comparison of the three charts, the example using goethite ore as a starting material can be reduced to iron, while the ones of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 show the formation of metallic iron. Not.

これは、実施例のものでは鉱石内部に細孔が形成されその内部にも炭素が析出しているのに対し、試薬Fe2O3や高品位鉱石では結晶水を含有していないことから細孔をもっておらず、鉱石内部での鉱石と炭素の接触面積が小さいためであると考えられる。 This is because in the example, pores are formed inside the ore and carbon is deposited inside the pores, whereas in the reagent Fe 2 O 3 and high-grade ore, water of crystallization is not contained. It is considered that this is because the ore does not have holes and the contact area between the ore and carbon inside the ore is small.

[還元処理中に発生するガスの分析]
図14は、上述した実施例のものの還元処理中に発生したガスの分析結果のチャートである。図中に(1)で示した領域ではO2量が減少しCO2量が増大している。また、図中に(2)で示した領域では上記CO2発生から遅れてのCO発生が認められる。このCO発生は鉱石の直接還元に由来するものである。この(2)におけるCO発生が(1)におけるCO2発生に遅れるのは、表面での還元により生じた燃焼熱が鉱石内部に伝わり内部での還元反応が進行するのに若干のタイムラグがあるためである。
[Analysis of gas generated during reduction processing]
FIG. 14 is a chart of the analysis results of the gas generated during the reduction treatment of the above-mentioned example. In the region shown in (1) in the figure, the amount of O 2 decreases and the amount of CO 2 increases. Further, in the region shown in (2) in the figure, CO generation delayed from the above CO 2 generation is observed. This CO generation is derived from the direct reduction of ore. The CO generation in (2) is delayed from the CO 2 generation in (1) because the combustion heat generated by the reduction on the surface is transferred to the inside of the ore and there is a slight time lag for the reduction reaction to proceed inside. Is.

以上、説明したように、本発明では、タール含浸法により作製した炭材内装多孔質鉱石を酸素流通下で高速加熱することで、極めて短時間で且つ低温での金属鉄への還元を実現した。具体的には、石炭(コール)タールおよびトルエン混合溶液に脱水処理を施した多孔質鉄鉱石を含浸し、細孔内部および鉱石外表面に炭素を析出させる。作製した炭材内装多孔質鉱石を酸素流通下で短時間加熱することにより、最初に外表面の炭素が燃焼を始める。この燃焼により発生した熱は鉱石内部に伝導して鉱石内部が高温となり還元が進行して金属鉄となる。 As described above, in the present invention, by heating the carbonaceous inner porous ore produced by the tar impregnation method at high speed under oxygen flow, reduction to metallic iron is realized in an extremely short time and at a low temperature. .. Specifically, a mixed solution of coal tar and toluene is impregnated with dehydrated porous iron ore to deposit carbon inside the pores and on the outer surface of the ore. By heating the produced carbonaceous interior porous ore for a short time under oxygen flow, the carbon on the outer surface first begins to burn. The heat generated by this combustion is conducted to the inside of the ore, the inside of the ore becomes high temperature, and the reduction proceeds to become metallic iron.

本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の製造方法と従来技術1(高炉法)および従来技術2(低品位鉱石利用法)を簡潔に比較すると、下記のとおりとなる。 A brief comparison between the method for producing a porous carbonaceous material interior porous ore according to the present invention and the prior art 1 (blast furnace method) and the prior art 2 (low-grade ore utilization method) is as follows.

鉱石については、従来技術1においては、製鉄に際して高品位鉄鉱石を用い且つ大量のエネルギを投入することが必要であるのに対し、従来技術2および本発明では、低品位鉄鉱石の実用的利用が可能となり且つエネルギ投入量の抑制が可能である。 Regarding ore, in the prior art 1, it is necessary to use high-grade iron ore and to input a large amount of energy in iron making, whereas in the prior art 2 and the present invention, the low-grade iron ore is practically used. And it is possible to suppress the amount of energy input.

炭材については、従来技術1および2の何れにおいても、高価な強粘結炭を高温(1200℃程度)で長時間(20時間程度)蒸し焼きにしてコークス化する必要があるのに対し、本発明では、副生物ないし廃棄物としての粘性油状物質であるコールタールやバイオマスタールを還元用の炭材として利用することができるためコークス比の低減が可能である。 Regarding the carbonaceous material, in both the prior arts 1 and 2, it is necessary to steam and bake expensive strong caking coal at a high temperature (about 1200 ° C.) for a long time (about 20 hours) to make coke. In the present invention, the coke ratio can be reduced because coal tar and biomass tar, which are viscous oily substances as by-products or waste, can be used as a carbonaceous material for reduction.

製鉄時の反応温度・時間については、従来技術1および2は何れも1200~1400℃という高温でそれぞれ数時間および30分程度の反応時間が必要であるのに対し、本発明においては1000℃以下(例えば700~900℃程度)の低温で且つ10秒程度と極めて短時間である。 Regarding the reaction temperature and time during iron making, the prior arts 1 and 2 both require several hours and 30 minutes of reaction time at a high temperature of 1200 to 1400 ° C, respectively, whereas in the present invention, the reaction time is 1000 ° C or less. The temperature is as low as (for example, about 700 to 900 ° C.) and about 10 seconds, which is an extremely short time.

還元メカニズムについては、従来技術1および2のものは、コークス燃焼およびブドワール反応(CO2+C⇔2CO)由来の一酸化炭素(CO)による間接還元であるのに対し、本発明のものは、鉱石の表面に析出させた炭素が燃焼する際の熱を利用した燃焼合成メカニズムに基づく、近接配置させた鉱石と炭材による直接還元であるため、高速還元が実現する。 Regarding the reduction mechanism, those of the prior art 1 and 2 are indirect reduction by coke combustion and carbon monoxide (CO) derived from the Budwar reaction (CO 2 + C⇔2CO), whereas the one of the present invention is an ore. High-speed reduction is realized because it is a direct reduction by the ore and the carbonaceous material placed in close proximity based on the combustion synthesis mechanism that utilizes the heat generated when the carbon deposited on the surface of the surface is burned.

なお、炭材内装鉱石の炭素析出量については、既に説明したように、従来技術2のものにおいても5wt%未満であるのに対し、本発明のものは、鉄鉱石の完全還元に求められる18wt%以上を達成することができる。 As described above, the carbon precipitation amount of the carbonaceous material interior ore is less than 5 wt% even in the prior art 2, whereas the carbon precipitate of the present invention is 18 wt, which is required for the complete reduction of iron ore. % Or more can be achieved.

本発明によれば、従来のものでは必要とされていた鉄鉱石を還元するための燃料やコークスが不要となる。 According to the present invention, fuel and coke for reducing iron ore, which are required in the conventional one, are not required.

1 ゲーサイト鉱石
10 炭材内装多孔質鉱石
11 タール成分
12 炭素
13 酸化鉄
20 タール含有溶液
30 ヒータ
1 Goethite ore 10 Carbonaceous interior porous ore 11 Tar component 12 Carbon 13 Iron oxide 20 Tar-containing solution 30 Heater

Claims (9)

内部に複数の細孔を有する多孔質鉱石であって、前記細孔の内径はナノメートルレベルであってその内部に炭材が充填されており、前記多孔質鉱石の表面は炭材で被覆されており、炭素含有量が18wt%以上である、
炭材内装多孔質鉱石。
It is a porous ore having a plurality of pores inside, and the inner diameter of the pores is at the nanometer level, and the inside thereof is filled with a carbonaceous material, and the surface of the porous ore is covered with the carbonaceous material. The carbon content is 18 wt% or more.
Charcoal interior porous ore.
前記多孔質鉱石は多孔質のゲーサイト鉱石である、請求項1に記載の炭材内装多孔質鉱石。 The carbonaceous interior porous ore according to claim 1, wherein the porous ore is a porous goethite ore. 下記の工程を備えている炭材内装多孔質鉱石の製造方法。
工程1:結晶水含有鉱石を加熱して結晶水を脱離させ、該鉱石内部に内径がナノメートルレベルの細孔を形成する工程
工程2:工程1を経た鉱石をタール含有溶液中に含浸して、前記鉱石の表面をタール成分で被覆するとともに、前記細孔の内部にタール成分を充填する工程
工程3:工程2を経た鉱石を不活性ガス中において500℃以下の温度で熱処理して、前記タール成分を炭化する工程
A method for producing a porous carbon ore with a carbonaceous material interior, which comprises the following steps.
Step 1: The ore containing crystalline water is heated to desorb the crystalline water to form pores with an inner diameter of nanometer level inside the ore. Step 2: The ore that has undergone step 1 is impregnated into the tar-containing solution. The surface of the ore is coated with the tar component, and the inside of the pores is filled with the tar component. Step 3: The ore that has undergone step 2 is heat-treated in an inert gas at a temperature of 500 ° C. or lower . Step of carbonizing the tar component
前記工程1の加熱温度は800℃以下である、請求項3に記載の炭材内装多孔質鉱石の製造方法。 The method for producing a carbonaceous interior porous ore according to claim 3, wherein the heating temperature in the step 1 is 800 ° C. or lower. 前記結晶水含有鉱石はゲーサイト鉱石である、請求項3又は4の何れかに記載の炭材内装多孔質鉱石の製造方法。 The method for producing a porous carbonaceous material interior according to any one of claims 3 or 4 , wherein the water of crystallization-containing ore is goethite ore. 下記の工程を備えている結晶水含有鉱石の還元方法。
工程1:結晶水含有鉱石を加熱して結晶水を脱離させ、該鉱石内部に内径がナノメートルレベルの細孔を形成する工程
工程2:工程1を経た鉱石をタール含有溶液中に含浸して、前記鉱石の表面をタール成分で被覆するとともに、前記細孔の内部にタール成分を充填する工程
工程3:工程2を経た鉱石を不活性ガス中において500℃以下の温度で熱処理して、前記タール成分を炭化する工程
工程4:工程3を経た鉱石を熱処理して、前記炭化成分の燃焼熱を利用して前記鉱石を還元する工程
A method for reducing water of crystallization-containing ore, which comprises the following steps.
Step 1: The crystal water-containing ore is heated to desorb the crystal water to form pores with an inner diameter of nanometer level inside the ore. Step 2: The ore that has undergone step 1 is impregnated into the tar-containing solution. Then, the surface of the ore is coated with a tar component, and the inside of the pores is filled with the tar component. Step 3: The ore that has undergone step 2 is heat-treated in an inert gas at a temperature of 500 ° C. or lower . Step 4: Carrying the tar component Step 4: A step of heat-treating the ore that has undergone step 3 and reducing the ore by utilizing the combustion heat of the carbonized component.
前記工程1の加熱温度は800℃以下である、請求項に記載の結晶水含有鉱石の還元方法。 The method for reducing water of crystallization-containing ore according to claim 6 , wherein the heating temperature in step 1 is 800 ° C. or lower. 前記工程4は1000℃以下の温度で実行される、請求項に記載の結晶水含有鉱石の還元方法。 The method for reducing water of crystallization water-containing ore according to claim 6 , wherein the step 4 is carried out at a temperature of 1000 ° C. or lower. 前記結晶水含有鉱石はゲーサイト鉱石である、請求項の何れか1項に記載の炭材内装多孔質鉱石の還元方法。
The method for reducing a porous carbonaceous material interior according to any one of claims 6 to 8 , wherein the water of crystallization-containing ore is goethite ore.
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