JP7040659B1 - 還元炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原料に含まれる酸化鉄を従来よりも効率的に還元できる還元炉の操業方法を提案する。【解決手段】酸化鉄を含む原料を還元炉に装入するとともに、還元時に吸熱反応を伴う還元ガスを前記還元炉に導入し、酸化鉄を還元して還元鉄を得る還元炉の操業方法において、原料は、第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊成物と、下限値が上記第１の粒度範囲の上限値以上である第２の粒度範囲の粒度を有する第２の塊成物とを有し、原料は還元炉に装入される前に予熱されている、または還元炉内で加熱され、還元炉から排出された還元鉄を篩い分けして細粒側の粒度範囲を有する還元鉄と粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄に分類し、上記細粒側の粒度範囲を有する還元鉄を回収することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、還元炉の操業方法に関する。

酸化鉄を含む原料を還元して鉄を生産する方式としては、還元材にコークスを利用して溶銑を製造する高炉法や、還元材に還元ガスを利用して竪型炉（以下、「シャフト炉」と言う。）に吹き込む方式、同じく還元ガスにより粉鉱石を流動層中で還元する方式、原料の塊成化と還元とが一体となった方式（ロータリーキルン方式）などが知られている。

これらのうち、高炉法を除く還元鉄の製造法では、還元材として天然ガスや石炭を改質して製造した一酸化炭素（ＣＯ）または水素（Ｈ_２）を主成分とした還元ガスが用いられ、炉内に装入された原料は、還元ガスとの対流伝熱により昇温されて還元された後、炉外に排出される。炉内からは水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）などの酸化したガスや、還元反応に寄与しなかったＨ_２ガスやＣＯガスが排出される。

炉内に装入された原料（主に、Ｆｅ_２Ｏ_３）は、還元ガスであるＣＯガスやＨ_２ガスから、以下の式（１）および（２）に示す還元反応を受ける。
Ｆｅ_２Ｏ_３＋３ＣＯ→２Ｆｅ＋３ＣＯ_２ （１）
Ｆｅ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２→２Ｆｅ＋３Ｈ_２Ｏ （２）

すなわち、式（１）に示したＣＯガスによる還元では、還元後の排出ガスとしてＣＯ_２ガスが排出される。一方、式（２）に示したＨ_２ガスによる還元では、還元後の排出ガスとしてＨ_２Ｏガスが排出される。

図１は、ＣＯガスとＨ_２ガスとからなる還元ガスによる酸化鉄の還元反応において、還元ガスにおけるＨ_２の体積割合ｘと反応熱との関係を示している。図１において、反応熱ΔｒＨが負の場合には発熱反応、正の場合には吸熱反応であることを示している。図１から明らかなように、Ｈ_２の体積割合ｘが０．４以上の場合、還元反応は吸熱反応となる。

ところで近年、ＣＯ_２ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっているが、温暖化の要因とされる温室効果ガスの１つであるＣＯ_２の排出量を抑制するためには、式（１）のＣＯガスによる還元反応量を減らして、式（２）のＨ_２ガスによる還元反応量を増加させればよく、そのためには、使用する還元ガス中のＨ_２の濃度を高めればよい。

しかしながら、ＣＯガスおよびＨ_２ガスによる還元反応では、それぞれ反応に伴い発熱または吸熱される熱量が異なる。すなわち、ＣＯガスによる還元反応熱が＋６７１０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ（Ｆｅ_２Ｏ_３）であるのに対して、Ｈ_２ガスによる還元反応熱は－２２８００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ（Ｆｅ_２Ｏ_３）である。つまり、前者が発熱を伴う反応であるのに対し、後者は吸熱を伴う反応である。したがって、還元ガス中のＨ_２濃度を高めて式（２）の反応量の増大を意図した場合、著しい吸熱反応が生じて炉内の温度が低下し、還元反応の停滞を招く問題が生じる。そのため、何らかの方法によって不足する熱を補償する必要がある。

上記不足する熱を補償する方法として、還元ガスを高温にし、かつ、ガス量を増加することによって、熱を供給する方法が考えられる。しかしながら、例えば、従来の天然ガスを改質してＣＯ、Ｈ_２にして使用する場合に比べて、同じ温度でＨ_２のみを使用した場合、熱バランス上、１．５倍程度のガス量が必要になる。使用ガス量の増大は、高温のガスを生成させるためのガス加熱・改質設備が必要になり、また反応後のＣＯ_２ガスやＨ_２Ｏを除去するガス処理設備での処理量の増大を招き、設備コストを著しく増大させる問題がある。

そこで、特許文献１には、還元ガスとしてＨ_２を大量に使用するシャフト炉において、原料を事前に予熱して装入する技術が提案されている。

特開２０１２－１０２３７１号公報

特許文献１に記載された原料を事前に予熱する方法は、高温の還元ガスのみでなく、原料である塊成物からも熱を供給するという点で優れた方法であり、使用する還元ガス量を低減することができる。しかしながら、原料に含まれる酸化鉄とＨ_２との還元反応による吸熱量は、予熱された高温の原料が有する顕熱に比べて大きく、単純に原料を予熱するだけでは効果が限定的であり、原料に含まれる酸化鉄をより効率的に還元できる方途が希求されていた。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、原料に含まれる酸化鉄を従来よりも効率的に還元できる還元炉の操業方法を提案することにある。

上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。
［１］酸化鉄を含む原料を還元炉に装入するとともに、還元時に吸熱反応を伴う還元ガスを前記還元炉に導入し、前記酸化鉄を還元して還元鉄を得る還元炉の操業方法において、
前記原料は、第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊成物と、下限値が前記第１の粒度範囲の上限値以上である第２の粒度範囲の粒度を有する第２の塊成物とを有し、前記原料は前記還元炉に装入される前に予熱されている、または前記還元炉内で加熱され、
前記還元炉から排出された前記還元鉄を篩い分けして細粒側の粒度範囲を有する還元鉄と粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄に分類し、前記細粒側の粒度範囲を有する還元鉄を回収することを特徴とする還元炉の操業方法。

［２］ 前記粗粒側の粒度を有する還元鉄を粉砕した後、粉砕した還元鉄を予熱した後に前記還元炉に装入する、または粉砕した還元鉄を前記還元炉に装入して加熱する、前記［１］に記載の還元炉の操業方法。

［３］前記第１の塊成物は、０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内から選択される前記第１の粒度範囲の粒度を有し、前記第２の塊成物は、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内から選択される前記第２の粒度範囲の粒度を有し、前記還元炉から排出された前記還元鉄の篩い分けにおいて１ｍｍ以上２０ｍｍ以下のいずれかの篩目を有する篩を用いる、前記［１］または［２］に記載の還元炉の操業方法。

［４］前記細粒側の粒度範囲は、２０ｍｍ以下である、前記［１］～［３］のいずれか一項に記載の還元炉の操業方法。

［５］前記原料は、前記還元炉に装入される前に５００℃以上１２００℃以下に予熱されている、または前記還元炉内で５００℃以上１２００℃以下に加熱される、前記［１］～［４］のいずれか一項に記載の還元炉の操業方法。

本発明によれば、原料に含まれる酸化鉄を従来よりも効率的に還元できる還元炉の操業方法を提案することができる。

ＣＯガスとＨ_２ガスとからなる還元ガスによる酸化鉄の還元反応において、還元ガスにおけるＨ_２の体積割合と反応熱との関係を示す図である。 シャフト炉の炉底部から排出される成品（還元鉄）の還元率を６０％とした場合および２０％とした場合の炉内の塊成物の温度分布を示す図である。 本発明による還元炉の操業方法の好適な一例を説明する図である。 本発明による還元炉の操業方法の好適な別の例の要部を説明する図である。 実施例に使用した実験装置を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本発明による還元炉の操業方法は、酸化鉄を含む原料を還元炉に装入するとともに、還元時に吸熱反応を伴う還元ガスを還元炉に導入し、上記酸化鉄を還元して還元鉄を得る還元炉の操業方法において、上記原料は、第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊成物と、下限値が前記第１の粒度範囲の上限値以上である第２の粒度範囲の粒度を有する第２の塊成物とを有し、原料は還元炉に装入される前に予熱されている、または還元炉内で加熱され、還元炉から排出された還元鉄を篩い分けして細粒側の粒度範囲を有する還元鉄と粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄に分類し、上記細粒側の粒度範囲を有する還元鉄を回収することを特徴とする。

本発明者らは、原料に含まれる酸化鉄を従来よりも効率的に還元できる方途について鋭意検討した。その結果、原料として、第１の粒度範囲の粒度を有する比較的粒度の細かい第１の塊成物と、下限値が上記第１の粒度範囲の上限値以上である第２の粒度範囲の粒度を有する比較的粒度の粗い第２の塊成物とを有する原料を用いることが極めて有効であることを見出した。以下、この知見を得るに至った実験について説明する。

本発明者らは、シャフト炉での塊成物の還元反応を模擬して、高さ方向１次元の伝熱計算を行った。その際、高さ８ｍのシャフト炉を用いて、炉上部から１．６トン／ｈの速度で１０００℃に予熱した塊成物を原料として装入するとともに、炉底部から８００Ｎｍ^３／ｈのＨ_２ガスを２５℃で供給して塊成物に含まれる酸化鉄を還元した場合を想定して計算した。また、還元反応は、５００℃以上の温度で起こると仮定して、一定速度で反応するものとした。

図２は、シャフト炉の炉底部から排出される成品（還元鉄）の還元率を６０％とした場合および２０％とした場合の炉内の塊成物の温度分布を示している。図２から明らかなように、最終的な成品の還元率が低い２０％の条件では、還元反応の進行に伴う吸熱が比較的少ない。そのため、５００℃以上の還元鉄がシャフト炉の炉底から１ｍ～８ｍｍの領域に分布しており、これは、炉内の装入された塊成物が５００℃以上に保持される時間が長いことを示している。

一方、成品還元率が６０％の条件では、還元反応の進行に伴う吸熱が比較的多い。そのため、５００℃以上の還元鉄がシャフト炉の炉底から４ｍ～８ｍｍの領域に分布しており、これは、炉内の装入された塊成物が５００℃以上に保持される時間が短いことを示している。

本発明者らは、上記結果を受けて、還元反応が進みにくい塊成物、例えば、比較的粒度の粗い塊成物を、炉内を高温に保持するための熱の供給源として活用できるのではないかと考えた。そして、原料として、熱の供給源として活用する比較的粒度の粗い塊成物と、還元反応が進みやすく還元率の高い比較的粒度の細かい塊成物とを有する原料を使用し、還元炉から排出された還元鉄を篩い分けして細粒側の粒度範囲を有する還元鉄と粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄に分類し、細粒側の粒度範囲を有する還元鉄を回収することによって、還元率の高い還元鉄を回収し、原料に含まれる酸化鉄を効率よく還元できることを見出し、本発明を完成させたのである。以下、本発明による還元炉の操業方法の各要件について説明する。

まず、本発明による還元炉の操業方法に用いる還元炉としては、特に限定するものではなく、還元材に還元ガスを利用してシャフト炉に吹き込む方式、同じく還元ガスにより粉鉱石を流動層中で還元する方式、原料の塊成化と還元とが一体となった方式（ロータリーキルン方式）等が使用できるが、シャフト炉を用いることが好ましい。シャフト炉は、竪型炉の一種であり、その上部から還元鉄の原料である酸化鉄を含む塊成物を装入するとともに、炉下部から還元ガスを導入し、還元ガスにより塊成物に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄とし、炉下部から排出する。

本明細書において、「塊成物」は、焼結鉱の他、塊鉱石（塊状の鉄鉱石）、焼成ペレット、ホットブリケット、コールドブリケット、コールドボンドペレットなど酸化鉄を含む塊状物質の総称である。本発明においては、還元鉄の原料として、第１の粒度範囲の粒度を有する比較的粒度の細かい第１の塊成物と、下限値が上記第１の粒度範囲の上限値以上である第２の粒度範囲の粒度を有する比較的粒度の粗い第２の塊成物とを有する原料を使用する。原料は、上記第１の粒度範囲および第２の粒度範囲以外の粒度を有する塊成物を有することができる。なお、塊成物の粒度は、ＪＩＳＺ ８８１５に従って測定したものである。

原料は、上記ペレット、焼結鉱および塊鉱石の少なくとも１つを有することができる。具体的には、原料は、比較的幅の狭い粒度分布（例えば、粒度分布の幅が７ｍｍ）を有するペレットや、比較的幅の狭い異なる粒度分布を有する複数のペレットを組み合わせて構成することができる。例えば、原料が、５ｍｍ以上７ｍｍ以下の第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊成物と、１０ｍｍ以上１２ｍｍ以下の第２の粒度範囲の粒度を有する第２の塊成物とを有する場合に、原料として、５ｍｍ以上１２ｍｍ以下の粒度分布を有するペレットを用いることができる。また、原料が、５ｍｍ以上１２ｍｍ以下の第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊成物と、１７ｍｍ以上２３ｍｍ以下の第２の粒度範囲の粒度を有する第２の塊成物とを有する場合に、原料として、５ｍｍ以上１２ｍｍ以下の粒度分布を有するペレットと、１７ｍｍ以上２３ｍｍ以下の粒度分布を有するペレットとを組み合わせたものを用いることができる。

また、原料は、比較的幅の広い粒度分布を有する焼結鉱（例えば、粒度分布の幅が１００ｍｍ）または塊鉱石（例えば、粒度分布の幅が２０ｍｍ）で構成することができる。例えば、原料が、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊成物と、１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下を第２の粒度範囲の粒度を有する第２の塊成物とを有する場合、原料として、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の粒度分布を有する焼結鉱を用いることができる。

また、原料が、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊成物と、１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の第２の粒度範囲の粒度を有する第２の塊成物とを有する場合、例えば０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の粒度分布を有する塊鉱石と、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の粒度分布を有する焼結鉱とを組み合わせて構成し、上記第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊鉱石をおよび焼結鉱で第１の塊成物を構成し、上記第２の粒度範囲の粒度を有する塊鉱石および焼結鉱で第２の塊成物を構成することができる。

上記第１の塊成物は、０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内から選択される第１の粒度範囲の粒度を有し、第２の塊成物は、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内から選択される第２の粒度範囲の粒度を有することが好ましい。第１の塊成物が０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の第１の粒度範囲の粒度を有することにより、還元率のより高い還元鉄を得ることができる。また、第２の塊成物が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の第２の粒度範囲の粒度を有することにより、第２の塊成物を炉内の熱供給源としてより好適に活用することができる。

また、上記還元炉から排出された上記還元鉄の篩い分けにおいて１ｍｍ以上２０ｍｍ以下のいずれかの篩目を有する篩を用いることが好ましい。還元鉄の篩い分けにおいて１ｍｍ以上２０ｍｍ以下のいずれかの篩目を有する篩を用いることによって、還元率の異なるものを容易に分離することができる。

本発明においては、上記複数の粒度範囲のうち、粒度が比較的大きい第２の塊成物を、炉内を高温に保持するための熱の供給源として活用して、粒度が比較的小さい第１の塊成物に含まれる酸化鉄を効率的に還元する。

また、原料は、還元炉に装入される前に予熱されているか、あるいは還元炉内で加熱される。これにより、原料である塊成物に含まれる酸化鉄の還元反応において生じる吸熱を補うことができる。

原料を還元炉に装入される前に予熱する場合、原料の予熱は、例えば、高温に保持された加熱炉に原料を装入すること、高温下に保持することなどにより行うことができる。原料を予熱する場合、原料は、５００℃以上１２００℃以下に予熱することが好ましい。原料を５００℃以上に予熱すれば、還元反応を促進することができる。また、原料を１２００℃以下に予熱すれば、原料粒子どうしが固着、粗大化することを防止することができる。原料を８００℃以上１１００℃以下に予熱することがより好ましい。

また、原料を還元炉内で加熱する場合、原料の加熱は、例えば、シャフト炉の上方に高温ガスを導入して高温ガスとの熱交換を行う方法や電磁波により炉外から加熱する方法、炉壁を高温に保持する方法などにより行うことができる。原料を還元炉内で加熱する場合、原料を５００℃以上１２００℃以下に加熱することが好ましい。原料を５００℃以上に加熱すれば、還元反応を促進することができる。また、原料を１２００℃以下に加熱すれば、原料粒子どうしが固着、粗大化することを防止することができる。原料を８００℃以上１１００℃以下に加熱することがより好ましい。

一方、還元ガスは、還元時に吸熱反応を伴う還元ガスを用いることができる。例えば、ＣＯガスとＨ_２ガスとの混合ガスを還元ガスとして用いる場合、還元炉内での還元反応温度が１２００℃以下である場合、図１に示したように、混合ガスにおけるＨ_２ガスの体積比率が０．４以上の場合、本発明の効果が顕著となる。さらに、Ｈ_２ガスの体積比率０．８以上では、反応による吸熱をガスの顕熱のみで補償する、すなわちガス量の増加のみにより補うことが困難となるため、本発明の効果がより顕著となる。

還元ガスの温度は、１２００℃以下であることが好ましい。還元ガスの温度が１２００℃以下であれば、粒子同士の固着を防止しつつ、原料を加熱することができる。原料を予熱してある場合や、電磁波により炉外から加熱する方法、炉壁を高温に保持する方法等を行う場合は、還元ガスの温度の下限は特に定めるものではなく、常温でも使用できるが、還元ガスで原料を加熱する目的とする場合は、還元ガスの温度は５００℃以上とすることが好ましい。還元ガスの温度は、８００℃以上１１００℃以下であることがより好ましい。

還元炉から排出された還元鉄は、篩い分けして細粒側の粒度範囲を有する還元鉄と粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄に分類する。これは、粒度によって還元の進行度合いが違うためである。ここで、還元鉄の篩い分けにおいて１ｍｍ以上２０ｍｍ以下のいずれかの篩目を有する篩を用いることが好ましい。そして、細粒側の粒度範囲を有する還元鉄を回収する。これにより、還元率が比較的高い還元鉄のみを回収することができる。

上記細粒側の粒度範囲は、２０ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、還元率がより高い還元鉄のみを回収することができる。

一方、篩い分けされた粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄については、内部に還元されていない部分が多く残されている可能性が高い。このため、例えば製鉄所における還元炉とは異なる設備での原料として利用することもできるが、粉砕した後、原料の塊成物として再度還元処理するとよい。これにより、原料である塊成物をより効率的に還元することができる。上記粉砕された還元鉄は、新品の原料の塊成物と同様に用いることができる。還元炉でのガス量を低減するためには、粉砕して使用する還元鉄の成品還元鉄に対する重量比率で０．２以上０．５以下にすることが好ましい。

図３は、本発明による還元炉の操業方法の好適な一例を説明する図を示している。まず、予熱した新品の原料である塊成物をシャフト炉（第１のシャフト炉）の上部から導入するとともに、シャフト炉の側面部下部から還元ガスとしてＨ_２ガスを導入し、Ｈ_２ガスにより塊成物に含まれる酸化鉄を還元する。

得られた還元鉄は、還元炉下部から排出され、篩により篩い分けして細粒側の粒度範囲を有する還元鉄と粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄に分類する。細粒側の粒度範囲を有する還元鉄は回収する一方、粗粒側の粒度範囲を有する還元鉄は、粉砕した後、第１のシャフト炉とは別のシャフト炉（第２のシャフト炉）に装入し、第１のシャフト炉から排出された、還元反応に使用されなかったＨ_２ガスおよび生成されたＨ_２Ｏガスを還元ガスとして導入し、粉砕された粗粒側の粒度範囲を有する還元鉄に含まれる酸化鉄を還元する。

第１のシャフト炉から排出された、還元反応に使用されなかったＨ_２ガスおよび生成されたＨ_２Ｏガスは高温であるため、粉砕された粗粒側の粒度範囲を有する還元鉄を熱交換により加熱することができる。第２のシャフト炉下部から排出された粗粒側の粒度範囲を有する還元鉄は、粉砕して加熱した後、新品の原料とともに、第１のシャフト炉に装入する。一方、第２のシャフト炉から排出された、還元反応に使用されなかったＨ_２および生成されたＨ_２Ｏガスを除湿した後、新品のＨ_２ガスとともに第１のシャフト炉に還元ガスとして導入する。

なお、図３に示した例では、第２のシャフト炉において粉砕された粗粒側の粒度範囲を有する還元鉄を還元しているが、そのようにせず、粉砕された粗粒側の粒度範囲を有する還元鉄を加熱して、第１のシャフト炉に装入してもよい。その際、第１のシャフト炉から排出された、還元反応に使用されなかったＨ_２ガスおよび生成されたＨ_２Ｏガスにより、粉砕された粗粒側の粒度範囲を有する還元鉄を加熱してもよい。

また、図３に示した例では、予熱された原料を還元炉に装入し、還元炉から排出されて篩い分けされた、粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄は、粉砕されて加熱された後に還元炉に装入されているが、それに限定されず、図４に示すように、還元炉の側面部上方に、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、酸素（Ｏ_２）などの高温ガスを導入するガス導入口と、導入した高温ガスを排気する排ガス排出口とを設け、予熱されていない原料および粉砕された粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄を還元炉に装入した後、加熱することもできる。高温ガスは炉外での部分燃焼により発生させてもよいし、炉内へＨ_２Ｏおよび／またはＯ_２を導入して下方から上昇する還元ガスを部分燃焼させてもよい。炉内でのガス組成として、Ｈ_２Ｏ／（Ｈ_２Ｏ＋Ｈ_２）を０．５以上となるようにＯ_２量を調整することによって、ＦｅＯ→Ｆｅへの還元を抑制できるため、吸熱反応を抑制して少ないガス量で原料の予熱が可能となるため、好ましい。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されない。

＜塊成物の準備＞
塊成物の粒度の影響を確認するため、塊成物の粒度を調整した塊成物Ａ（粗粒）、塊成物Ｂ（細粒）を準備し、還元実験を行った。塊成物としては、酸化鉄を含む塊状物質であればよく、焼結鉱の他、塊鉱石（塊状の鉄鉱石）、焼成ペレット、ホットブリケット、コールドブリケット、コールドボンドペレットなどを好適に使用できるが、今回は、高炉用原料として使用している焼結鉱を３０ｍｍの篩にかけ、篩下を、再度２０ｍｍの篩にかけ、篩上を塊成物Ａ（粗粒）とした。また、２０ｍｍの篩下を１０ｍｍの篩にかけ、その篩下を、再度５ｍｍの篩にかけて篩上を塊成物Ｂ（細粒）とした。

（比較例）
上述のように用意した塊成物Ｂ（細粒）のみを用いて、還元実験を行った。塊成物を所定の体積を有する容器に充填して、いわゆる嵩密度を予め測定した。その後、図５に示す実験装置を用いて、上記の塊成物を粒度偏析が起きないように少量ずつ充填し、窒素雰囲気下で１０００℃まで電気炉で加熱し、一定時間保持した。炉内に装入した塊成物は、ほぼ１０００℃まで昇温されていることを確認した。

その後、電気炉での加熱を停止するとともに、炉下部から還元ガスとしてＨ_２ガスを供給して塊成物に含まれる酸化鉄の還元を開始した。上部のセンサーにより塊成物表面が、還元前の状態で時間あたり１．６ｋｇ排出される降下速度（一定）で昇降装置を降下させた。供給したＨ_２ガスは、１時間当たり１２００ＮＬ（標準状態（温度０℃、大気圧１０１３ｈＰａ、相対湿度０％）での体積）を室温（２５℃）で供給した。

塊成物の上面が電気炉下端まで到達した時点で、装置に導入するガスを還元ガスから窒素ガスに切り替え、塊成物を冷却した後、昇降装置を降下させて、炉下部より塊成物のサンプルを取り出した。塊成物のサンプルから、成品の平均の還元率を求めたところ、３６％であった。還元条件、成品還元率および篩下質量比率を表１に示す。

（発明例１）
比較例と同様に、塊成物に含まれる酸化鉄を還元した。ただし、原料として、塊成物Ａ（粗粒）と塊成物Ｂ（細粒）とを質量比で１：１で混合した塊成物を用いた。その他の条件は、全て比較例と同じである。その結果、成品の平均の還元率は、３５％であったが、１０ｍｍの篩で篩い分けた際の篩い下である細粒の還元率は４６％と高い一方、篩い上である粗粒の還元率は２４％と低位であった。還元条件、成品還元率および篩下質量比率を表１に示す。

還元ガスはＨ_２ガスであり、塊成物を構成する粒子内部まで比較的還元反応が均一に進みやすいものの、有限時間での反応となるため、粒子表面と中心部では還元率に差がみられた。すなわち、粒子表面では還元が進行しやすく、一方で粒子の中心では還元が進行しにくくなっていることが分かった。

上記の還元実験中に炉上部から塊成物層の温度分布を炉高さ方向で測定した。比較例の条件、すなわち塊成物Ｂ（細粒）で炉内の温度を測定した場合、ある高さで急激に温度が低下していた。一方、発明例１の条件、すなわち塊成物Ａ(粗粒)と塊成物Ｂ(細粒)とを混合して用いた場合、上記とほぼ同じ高さでは緩やかに温度が低下しており、図２に示した計算結果と同様に、高温に保持される範囲が拡大していた。

このことから、塊成物Ａ(粗粒)と塊成物Ｂ(細粒)とでは、高さ方向で還元反応が進行する位置が異なることが推定された。このように、還元時に吸熱反応を伴う還元ガスを使用した場合には、原料として、比較的粒度の細かい塊成物と、比較的粒度の粗い塊成物とを有する原料を用いることによって、還元反応が起こる位置をシャフト炉内で分けることができ、還元反応に伴う温度低下を緩やかにすることが可能となる。したがって、シャフト炉内では還元反応が起こる温度により長く保持され、還元が進行しやすくなる。塊成物Ａ(粗粒)については、還元が進行しにくいため、反応に伴う吸熱を抑制することができ、熱の供給媒体としての役割を担うことができることが分かった。

（発明例２）
発明例１において得られた還元鉄について、篩い分けを行い、粗粒（２０ｍｍ～３０ｍｍ）を回収した。この還元後の粗粒を１０ｍｍ未満の粒度に粉砕し、塊成物Ｃ(細粒)とした。塊成物Ａ(粗粒)、塊成物Ｂ(細粒)、塊成物Ｃ(細粒)をそれぞれ１：１：１の割合で混合した。混合した塊成物を原料として、発明例１と同様に、塊成物に含まれる酸化鉄を還元した。条件は、発明例１と全て同じである。その結果、成品の平均の還元率は４５％であり、粗粒（＋１０ｍｍ）の還元率は２７％、細粒（－１０ｍｍ）の還元率は５４％であった。得られた還元鉄を１０ｍｍの篩で篩い分けた際に、篩い下として成品の６４％が回収できた。還元条件、成品還元率および篩下質量比率を表１に示す。

このように、得られた還元鉄に対して篩い分けを行うことによって、還元率の高い部位を容易に分離することができ、還元鉄として使用できる篩下の成品の還元率を高めることが可能となる。

本発明によれば、原料に含まれる酸化鉄を従来よりも効率的に還元できる還元炉の操業方法を提案することができるため、製鉄業において有用である。

Claims (5)

1. 酸化鉄を含む原料を還元炉に装入するとともに、還元時に吸熱反応を伴う還元ガスを前記還元炉に導入し、前記酸化鉄を還元して還元鉄を得る還元炉の操業方法において、
   前記原料は、第１の粒度範囲の粒度を有する第１の塊成物と、下限値が前記第１の粒度範囲の上限値以上である第２の粒度範囲の粒度を有する第２の塊成物とを有し、前記原料は前記還元炉に装入される前に予熱されている、または前記還元炉内で加熱され、
   前記還元炉から排出された前記還元鉄を篩い分けして細粒側の粒度範囲を有する還元鉄と粗粒側の粒度範囲の粒度を有する還元鉄に分類し、前記細粒側の粒度範囲を有する還元鉄を回収することを特徴とする還元炉の操業方法。
2. 前記粗粒側の粒度を有する還元鉄を粉砕した後、粉砕した還元鉄を予熱した後に前記還元炉に装入する、または粉砕した還元鉄を前記還元炉に装入して加熱する、請求項１に記載の還元炉の操業方法。
3. 前記第１の塊成物は、０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内から選択される前記第１の粒度範囲の粒度を有し、前記第２の塊成物は、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内から選択される前記第２の粒度範囲の粒度を有し、前記還元炉から排出された前記還元鉄の篩い分けにおいて１ｍｍ以上２０ｍｍ以下のいずれかの篩目を有する篩を用いる、請求項１または２に記載の還元炉の操業方法。
4. 前記細粒側の粒度範囲は、０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の還元炉の操業方法。
5. 前記原料は、前記還元炉に装入される前に５００℃以上１２００℃以下に予熱されている、または前記還元炉内で５００℃以上１２００℃以下に加熱される、請求項１～４のいずれか一項に記載の還元炉の操業方法。
   

Images