JP7388594B2 - 金属鉄の製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち、特許文献1では、スクラップ等のリン濃度が低い鉄源を想定しており、溶鋼中のリン濃度を0.020質量%から0.005質量%まで低減するため、溶鋼量7000gに対してフラックスを350g添加している。還元鉄中のリン濃度を0.15質量%だと仮定すると、リン濃度を鉄鋼製品程度の0.01質量%まで低減するのに必要なフラックス量は溶鋼1t当たり230kgとなり、アーク炉内でフラックスが占める体積割合が大きくなって溶鋼処理量が減少し、製造効率が悪化するという課題がある。
(a)前記原料が、鉄鉱石、または、鉄鉱石に成分調整材を添加・混合した成分調整材混合鉄鉱石であること
(b)前記高温還元処理工程では、温度および酸素分圧が、前記原料中の前記酸化鉄が金属鉄として熱力学的に安定となる温度および酸素分圧の範囲であり、かつ、前記原料中の前記リンが前記スラグ相内に含有されるリン酸化物として熱力学的に安定となる温度および酸素分圧の範囲であること、
(c)質量基準で、前記原料中に含まれる、CaOの含有量WCaOのSiO2の含有量WSiO2に対する比であるWCaO/WSiO2が4.0以下であること、
(d)前記高温還元処理工程では、温度Tが750℃超え1200℃以下の範囲であり、酸素分圧PO2(atm)が、以下の関係式[式1]の条件を満たすこと、
(e)さらに、高温還元処理した前記原料を前記スラグ相の融体生成温度以上、前記金属鉄の融点以下で加熱してスラグ相を凝集させるスラグ凝集工程を有すること、
(f)前記凝集工程では、前記高温還元処理工程における処理温度T1(℃)および酸素分圧PO2および原料中のWCaO/WSiO2に対し、以下の関係式[式2]を満たす処理温度T2(℃)で処理すること、
(g)前記高温還元処理工程で、または、さらに前記凝集工程を経て得た前記金属鉄および前記スラグ相の混合物を、前記金属鉄と前記スラグ相とに分離する破砕・分離処理工程をさらに含むこと、
(h)前記高温還元処理工程で、または、さらに前記凝集工程を経て得た前記金属鉄および前記スラグ相の混合物を加熱・溶解し、前記金属鉄と前記スラグ相とに分離する加熱・溶解処理工程をさらに含むこと、
(i)前記加熱・溶解処理工程において、生成するスラグ中に含まれるCaOの含有量のSiO2の含有量に対する質量比が1.5以上4.0以下となるように、副原料を添加すること、
などが好ましい解決手段になり得る。
[式1]
-0.000018×T2+0.0575×T-55.0-0.6
×WCaO/WSiO2≦logPO2≦-0.000015×T2
+0.0481×T-48.1
[式2]
T2≧ 37.3×WCaO/WSiO2+0.12×T1-1.58×logPO2+1000
ここで、WCaO/WSiO2は、質量基準で、前記原料中に含まれる、CaOの含有量WCaOのSiO2の含有量WSiO2に対する比である。
MS1:第1の方法は、るつぼ等の容器に固体試料を装入し、対象とするガス雰囲気下において、電気抵抗炉などにより毎分5℃、望ましくは毎分1℃以下で昇温しながら容器内の試料を連続的に観察し、固体試料の粒同士の隙間が消失し始め、表面に平滑面が生じ始めた温度を融体生成温度とする方法である。
MS2:第2の方法は、対象とするガス雰囲気下において、示差熱分析法により毎分5℃、望ましくは毎分1℃以下で昇温して測定した際の、吸熱ピークが生じ始める温度を融体生成温度とする方法である。ここで、吸熱ピークが複数生じる場合、それぞれの吸熱ピークが生じた温度で測定を止めて、測定試料の外観を観察し、固体試料の粒同士の隙間が消失し、表面に平滑面が生じた温度の中で最も低温の吸熱ピークが生じ始める温度を融体生成温度とする方法である。
MS3:第3の方法は、電子計算機の熱力学計算ソフトを用い、試料組成を入力して温度を変化させて液相率を計算し、計算液相率が10%を超える温度を融体生成温度とする方法である。
MM1:第1の方法は、るつぼ等の容器に固体試料を装入し、対象とするガス雰囲気下において、電気抵抗炉などにより毎分5℃、望ましくは毎分1℃以下で昇温しながら容器内の試料を連続的に観察し、固体試料の粒同士の隙間が完全に消失し、表面に平滑面が生じた温度を融点とする方法である。
MM2:第2の方法は、対象とするガス雰囲気下において、示差熱分析法により毎分5℃、望ましくは毎分1℃以下で昇温して測定した際の、吸熱ピークの極小点の温度を融点とする方法である。ここで、吸熱ピークが複数生じる場合、それぞれの吸熱ピークが生じた温度で測定を止めて、測定試料の外観を観察し、固体試料の粒同士の隙間が消失し、表面に平滑面が生じた温度の中で最も低温の吸熱ピークの極小点の温度を融点とする方法である。
MM3:第3の方法は、電子計算機の熱力学計算ソフトを用い、試料組成を入力して温度を変化させて液相率を計算し、計算液相率が95%を超える温度を融点とする方法である。
表1に示す鉄鉱石Bの粉末を造粒して5トン/hr規模の回転炉床炉に装入し、加熱バーナーに供給する燃料ガスと酸素の量とその比率を調整して、処理温度T、酸素分圧PO2を制御する還元処理を施した。燃料ガスとして天然ガスを使用した。この設備(回転炉床炉)では、装入から排出までの時間が120分となるように操業条件を設定し、装入した試料が60分経過時点で存在する場所の温度測定とガス組成分析を行った。採取したガス中の一酸化炭素(CO)および二酸化炭素(CO2)の濃度を赤外線ガス分析装置により測定した。酸化還元反応は下記化学式3に示す反応(c)によって代表され、各分圧の比PCO/PCO2の測定値から酸素分圧PO2を以下の式(1)、(2)より算出した。式(1)は反応(c)のギブズ自由エネルギーΔG°を表し、式(2)は反応(c)の平衡定数Kを表す。式(1)および式(2)中、Tは測定した温度(K)、Rは気体定数(cal/(K・mol))、PCOおよびPCO2はガス組成分析におけるCOおよびCO2の分圧である。
[式A]
-0.000018×T2+0.0575×T-55.0
≦logPO2≦-0.000015×T2+0.0481×T-48.1
実施例1と同様の設備、方法を用いた還元処理において、燃料ガスとして水素ガスを使用した。実施例1と同様に、実験条件と結果を表3に整理した。実施例1と同様に採取したガスは室温まで冷却し、結露した水分をドレーンポットにより回収、秤量した。水分除去後のガス中水素(H2)濃度を熱伝導式ガス分析装置により測定し、採取したガス体積と回収した水分量から水蒸気濃度を算出した。酸化還元反応は下記化学式4に示す反応(d)によって代表され、各分圧の比PH2/PH2Oの測定値から酸素分圧PO2を以下の式(3)、(4)より算出した。式(3)は反応(d)のギブズ自由エネルギーΔG°を表し、式(4)は反応(d)の平衡定数Kを表す。式(3)および式(4)中、Tは測定した温度(K)、Rは気体定数(cal/(K・mol))、PH2およびPH2Oは上記分析値、算出値から計算したH2およびH2Oの分圧である。
表1に示す鉄鉱石Bの粉末にCaO源として生石灰を混合・造粒し、実施例1と同様の設備、方法で還元処理を実施した。酸素分圧PO2の算出方法は実施例1と同様である。鉄鉱石Bに含まれるSiO2量に対し、質量基準の塩基度(WCaO/WSiO2)が所定の値となる様に生石灰の添加量を変化させた。処理後試料は実施例1と同様に粉砕、磁選、分析を行った。塩基度WCaO/WSiO2を1.0、2.0、4.0および4.5と変化させたときの結果をそれぞれ表4~7に示す。
[式B]
-0.000018×T2+0.0575×T-55.0-0.6×WCaO/WSiO2
≦logPO2≦-0.000015×T2+0.0481×T-48.1
ここで、原料の塩基度WCaO/WSiO2は、質量基準で、原料中に含まれる、CaOの含有量WCaOのSiO2の含有量WSiO2に対する比である。
ヒートサイズが3tで、トランス容量が1200kVAの電気炉に、実施例1で得た還元鉄試料2tと、還元鉄試料の分析値に基づいて所定のスラグ塩基度とするのに必要な量の生石灰を装入した。これらをアーク電極に通電することで溶解し、溶鉄の温度が1630℃となった時点で通電を止めた後に排滓口より排滓した。電気炉内の溶鉄をサンプリングし、化学分析に供した。実験条件および得られた分析値は表8に合わせて示す。なお、還元処理No.8~19は磁着物が得られないか、または、少なすぎて溶解処理に供することができなかった。表8中のスラグ塩基度は、生成するスラグ中に含まれるCaOの含有量のSiO2の含有量に対する質量比とする。溶鉄中のP濃度を[P]で表した。
実施例3で得られた表4~6に示す還元処理後試料を、それぞれ実施例4と同様に電気炉での溶解処理に供した。完全溶解後の溶鉄のサンプリング、分析を行った。実験条件および得られた分析値はそれぞれ表9~11に合わせて示す。なお、表4~6中の還元処理No.61~72、89~100、118~129は、磁着物が得られないか、または、少なすぎて溶解処理に供することができなかった。
実施例1で作成した還元鉄試料を破砕せずに、別の5トン/hr規模の回転炉床炉に装入し、加熱バーナーに供給する燃料ガスと酸素の量とその比率を調整して、処理温度T2、酸素分圧PO2を制御して凝集処理を施した。燃料ガスとして天然ガスを使用した。この設備(回転炉床炉)では、装入から排出までの時間が120分となるように操業条件を設定し、装入した試料が60分経過時点で存在する場所の温度測定とガス組成分析を行った。採取したガス中の一酸化炭素(CO)および二酸化炭素(CO2)の濃度を赤外線ガス分析装置により測定した。凝集処理における酸素分圧PO2は、凝集処理温度において還元処理時の酸素分圧PO2と同等となる様にした。化学式3に示す反応(c)によって代表される酸化還元反応において、各分圧の比PCO/PCO2の測定値から酸素分圧PO2を式(1)、(2)より算出した。
実施例3と同様に塩基度WCaO/WSiO2を1.5、2.5および4.0と変化させて、還元処理を実施した。その後還元鉄試料を破砕せずに、別の5トン/hr規模の回転炉床炉に装入し、加熱バーナーに供給する燃料ガスと酸素の量とその比率を調整して、処理温度T2、酸素分圧PO2を制御して凝集処理を施した。燃料ガスとして天然ガスを使用した。この設備(回転炉床炉)では、装入から排出までの時間が120分となるように操業条件を設定し、装入した試料が60分経過時点で存在する場所の温度測定とガス組成分析を行った。採取したガス中の一酸化炭素(CO)および二酸化炭素(CO2)の濃度を赤外線ガス分析装置により測定した。凝集処理における酸素分圧PO2は、凝集処理温度において還元処理時の酸素分圧PO2と同等となる様にした。化学式3に示す反応(c)によって代表される酸化還元反応において、各分圧の比PCO/PCO2の測定値から酸素分圧PO2を式(1)、(2)より算出した。
[式2]
T2≧ 37.3×WCaO/WSiO2+0.12×T1―1.58×logPO2+1000
ここで、T1は還元処理温度(℃)、PO2は還元処理時の酸素分圧(atm)、WCaO/WSiO2は、質量基準で、前記原料中に含まれる、CaOの含有量WCaOのSiO2の含有量WSiO2に対する比、T2は凝集処理温度(℃)である。
Claims (9)
- 金属鉄の製造方法であって、
前記製造方法は、酸化鉄およびリンを成分として含有する酸化物を含み、質量基準で、CaOの含有量W CaO のSiO 2 の含有量W SiO2 に対する比であるW CaO /W SiO2 が4.0以下である原料を、還元性ガス雰囲気下で温度Tが750℃超え1200℃以下の範囲となるように加熱して、前記酸化鉄が還元された金属鉄と、未還元の酸化物により形成されるスラグ相と、を生成させ、前記スラグ相に前記リンを含有させるにあたり、酸素分圧P O2 (atm)が、以下の関係式[式1]の条件を満たす、高温還元処理工程を含む、金属鉄の製造方法。
[式1]
-0.000018×T 2 +0.0575×T-55.0-0.6×W CaO /W SiO2 ≦logP O2 ≦-0.000015×T 2 +0.0481×T-48.1 - 前記原料が、鉄鉱石、または、鉄鉱石に成分調整材を添加・混合した成分調整材混合鉄鉱石である、請求項1に記載の金属鉄の製造方法。
- 前記高温還元処理工程では、温度および酸素分圧が、前記原料中の前記酸化鉄が金属鉄として熱力学的に安定となる温度および酸素分圧の範囲であり、かつ、前記原料中の前記リンが前記スラグ相内に含有されるリン酸化物として熱力学的に安定となる温度および酸素分圧の範囲である、請求項1に記載の金属鉄の製造方法。
- さらに、高温還元処理した前記原料を前記スラグ相の融体生成温度以上、前記金属鉄の融点以下で加熱してスラグ相を凝集させるスラグ凝集工程を有する、請求項1に記載の金属鉄の製造方法。
- 前記スラグ凝集工程では、前記高温還元処理工程における処理温度T1(℃)および酸素分圧PO2および原料中のWCaO/WSiO2に対し、以下の関係式[式2]を満たす処理温度T2(℃)で処理する、請求項4に記載の金属鉄の製造方法。
[式2]
T2≧37.3×WCaO/WSiO2+0.12×T1―1.58×logPO2+1000 - 前記スラグ高温還元処理工程で得た前記金属鉄および前記スラグ相の混合物を、前記金属鉄と前記スラグ相とに分離する破砕・分離処理工程、または、前記高温還元処理工程で得た前記金属鉄および前記スラグ相の混合物を加熱・溶解し、前記金属鉄と前記スラグ相とに分離する加熱・溶解処理工程をさらに含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の金属鉄の製造方法。
- 前記高温還元処理工程で、または、さらに前記スラグ凝集工程を経て得た前記金属鉄および前記スラグ相の混合物を、前記金属鉄と前記スラグ相とに分離する破砕・分離処理工程、または、前記高温還元処理工程で、または、さらに前記スラグ凝集工程を経て得た前記金属鉄および前記スラグ相の混合物を加熱・溶解し、前記金属鉄と前記スラグ相とに分離する加熱・溶解処理工程をさらに含む、請求項4または5に記載の金属鉄の製造方法。
- 前記加熱・溶解処理工程において、生成するスラグ中に含まれるCaOの含有量のSiO2の含有量に対する質量比が1.5以上4.0以下となるように、副原料を添加する、請求項6に記載の金属鉄の製造方法。
- 前記加熱・溶解処理工程において、生成するスラグ中に含まれるCaOの含有量のSiO 2 の含有量に対する質量比が1.5以上4.0以下となるように、副原料を添加する、請求項7に記載の金属鉄の製造方法。
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