JP7497700B2

JP7497700B2 - 還元鉄の製造方法

Info

Publication number: JP7497700B2
Application number: JP2021102263A
Authority: JP
Inventors: 頌平藤原; 健太竹原; 謙弥堀田; 祐哉守田; 哲也山本; 隆英樋口; 寿幸廣澤; 友司岩見; 大輔井川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2024-06-11
Anticipated expiration: 2041-06-21
Also published as: JP2023001496A

Description

本発明は、シャフト炉またはキルン炉を用い、還元用原料を還元ガスにより還元して還元鉄を得るための還元鉄の製造方法に関する。

従来、シャフト炉またはキルン炉を用い、還元用原料を還元ガスにより還元して還元鉄を得る還元鉄の製造方法は種々のものが知られている。そして、シャフト炉やキルン炉の操業では、還元用原料として、主として粉鉱石を造粒して焼成したペレットや塊鉱石などが使用されていた（例えば、特許文献１参照）

特許第４４２７２９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された還元鉄の還元方法では、還元用原料が還元炉内で結合するクラスタリングについては言及されておらず、還元鉄が炉内から排出できない可能性があった。

また、従来のシャフト炉やキルン炉を用いた還元鉄製造（たとえば、ＭＩＤＲＥＸ：登録商標）では、還元ガスとして水素ガスと一酸化炭素を用いているが、還元ガス中の水素ガスを、通常の６０ｖｏｌ．％程度に対して、６７～１００ｖｏｌ．％に高める方法（水素還元製鉄と呼ばれる）がＣＯ_２排出量を削減できるので注目されている。還元ガス中の水素ガスを６７～１００ｖｏｌ．％に高める場合は、シャフト炉やキルン炉内での反応速度を確保するために炉内の温度を高くする場合があり、より確実にクラスタリングを防止する必要があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、シャフト炉またはキルン炉を用い、還元用原料を還元ガスにより還元して還元鉄を得る際、クラスタリングの発生を防止することができる還元鉄の製造方法を提案することにある。

本発明は、シャフト炉またはキルン炉を用い、還元用原料を還元ガスにより還元して還元鉄を得る製造方法であって、前記還元用原料が焼結鉱を含むことを特徴とする還元鉄の製造方法である。

なお、前記のように構成される本発明に係る還元鉄の製造方法においては、
（１）前記還元用原料が、８０ｍａｓｓ％以下の焼結鉱と、残部塊鉱石およびペレットの少なくとも１つと、から構成されること、
（２）前記還元用原料が、５ｍａｓｓ％～７０ｍａｓｓ％の焼結鉱と、残部塊鉱石およびペレットの少なくとも１つと、から構成されること、
（３）前記還元用原料が、１５ｍａｓｓ％～５０ｍａｓｓ％の焼結鉱と、残部塊鉱石およびペレットの少なくとも１つと、から構成されること、
（４）前記焼結鉱のＲＤＩが５４ｍａｓｓ％以下であること、
（５）前記焼結鉱のトータル鉄分が６５ｍａｓｓ％未満であること、
（６）前記還元ガスが水素ガスを６０ｖｏｌ．％以上含むこと、
（７）前記還元ガスが水素ガスを６７ｖｏｌ．％以上含むこと、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

上述したように構成される本発明によれば、シャフト炉やキルン炉で還元鉄を製造する際、焼結鉱好ましくは所定の条件を満たす焼結鉱を還元用原料として使用することで、製造した還元鉄におけるクラスタリングの発生を防止することができる。

焼結鉱配合割合と焼結鉱同士およびベレット同士の接触割合との関係を説明するためのグラフである。焼結鉱配合割合とクラスタリング指数との関係を示すグラフである。焼結鉱ＲＤＩとクラスタリング指数との関係を示すグラフである。焼結鉱のトータル鉄分（Ｔ．Ｆｅ）とクラスタリング指数との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

＜本発明の着想およびその着想を達成する本発明の構成について＞
従来、還元用原料の鉄含有量が高いほどクラスタリングが発生しやすいことが知られていた。そのため、本発明は、鉄含有量が低い焼結鉱を還元用原料に配合して、還元用原料の鉄含有量を低くすることによって、クラスタリングを抑制できるのではないかと着想して、達成された。

すなわち、焼結鉱は凝結材や石灰系副原料を使用するので、ペレットにくらべてスラグ成分の含有量が高く鉄含有量が低い。鉄含有量が低い点ではクラスタリングに有利であるが、焼結鉱のみではクラスタリング指数は増加した。これは、鉄分の含有量は低いものの、スラグ成分が融液を生成して融着を招いたためと考えられた。

こうして、クラスタリングを引き起こす要因が、ペレット同士の間では鉄の融着であるのに対して、焼結鉱同士の間ではスラグの融着であり、ペレットと焼結鉱ではクラスタリングが生じる機構が異なることを突きとめた。これは、クラスタリングは、ペレット同士の接触と焼結鉱同士の接触で起こりやすく、ペレットと焼結鉱の接触では起こり難いことを示唆するものである。

発明者らは、粒子が、その粒子と同一の種類の粒子と接触する頻度は、その種類の粒子の存在割合と接触相手の粒子の存在割合の積であり、これはその種類の粒子の配合割合の２乗であることから、焼結鉱を適度に配合することにより、全体のクラスタリング指数を低下せしめることが可能であると着想した（図１を参照）。

上述した着想に基づく本発明の還元鉄の製造方法は、シャフト炉またはキルン炉を用い、還元用原料を還元ガスにより還元して還元鉄を得る製造方法であって、還元用原料が、焼結鉱を含むこと、好ましくは、還元原料が、８０ｍａｓｓ％以下の焼結鉱と、残部塊鉱石およびペレットの少なくとも１つと、から構成されること、より好ましくは、還元用原料が、５ｍａｓｓ％～７０ｍａｓｓ％の焼結鉱と、残部塊鉱石およびペレットの少なくとも１つと、から構成されること、さらに好ましくは、還元用原料が、１５ｍａｓｓ％～５０ｍａｓｓ％の焼結鉱と、残部塊鉱石およびペレットの少なくとも１つと、から構成されること、を特徴とする。また、本発明の還元鉄の製造方法は、焼結鉱のＲＤＩが５４ｍａｓｓ％以下であること、焼結鉱のトータル鉄分が６５ｍａｓｓ％未満であること、還元ガスが水素ガスを６０ｖｏｌ．％以上含むこと、さらに好ましくは６７ｖｏｌ．％以上含むこと、を特徴とする。

ここで、「還元ガスが水素ガスを６０ｖｏｌ．％以上含む」とは、シャフト炉またはキルン炉内に供給するガスのうち、窒素ガスやＣＯ_２ガスなどの還元作用の無いガスを除いた分を１００％とした場合の水素ガスの体積割合が６０ｖｏｌ．％以上であることを意味する。たとえば、シャフト炉またはキルン炉内に供給するガスの組成が水素ガス５０ｖｏｌ．％、一酸化炭素ガス３０ｖｏｌ．％、二酸化炭素ガス１０ｖｏｌ．％、窒素ガス１０ｖｏｌ．％であった場合、還元ガスは、水素ガス体積濃度÷（水素ガス体積濃度＋一酸化炭素ガス体積濃度）＝５０÷（５０＋３０）＝６２．５ｖｏｌ．％の水素ガスを含むこととなる。

以下に、発明の実施例について詳細に説明する。
まず、以下に説明するようにして所定の性状を有する焼結鉱を製造した。製造した焼結鉱とペレットとを、焼結鉱の配合量を変えて配合し、以下の表１に示すように実施例１～９および比較例１～４の還元用原料を調製した。

その後、調製した実施例１～９および比較例１～４の還元用原料について、以下に説明するクラスター強度測定に従って、還元用原料から還元鉄の製造を模擬し、クラスタリングの状況をクラスタリング指数により評価した。結果を、以下の表１および図２～図４に示す。

＜焼結鉱の製造について＞
焼結鉱は、所定の性状を満足するように鉄鉱石と副原料を混合後、ドラムミキサーで水分と共に造粒し、焼結機を模擬した円筒形の焼結試験鍋によって製造した。製造した焼結鉱のうち、５ｍｍ以上のものを篩い分け、クラスター強度測定の供試原料とした。また、本発明では、焼成時の吸引負圧および凝結材比を調整することで、所定のＲＤＩの焼結鉱を製造した。さらに、本発明では、配合する鉄鉱石の種類および副原料の量を調整することで、所定の鉄分を含む焼結鉱を製造した。なお、ここでＲＤＩとは、ＪＩＳＭ８７２０で規定されている還元粉化指数のことをいう。ただし、還元ガス中の水素ガスが６７ｖｏｌ．％以上である水素還元製鉄に供する場合は、ＪＩＳＭ８７２０に規定される還元ガスのＣＯガスの一部または全部を水素ガスに替えて測定してもよい。

＜クラスター強度測定について＞
直径１００ｍｍの縦型円筒炉に試料を５００ｇ装入した。縦型円筒炉により試料を１０００℃までＮ_２雰囲気で昇温し、試料の温度が１０００℃になったら、還元ガス２４Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ_２：Ｎ_２＝２０：８０（ｖｏｌ％）、荷重１ｋｇ／ｃｍ^２の条件で試料を３時間保持した。その後、試料をＮ_２雰囲気で冷却した。次に、ペレット単体の最大サイズである１６ｍｍの目開きの篩で篩った後、重量を測った(Ｗａ（ｇ）)。その後、篩上の試料をＩ型試験機（円筒形容器（直径１３２ｍｍで容量７００ｍＬ）に入れ、回転速度３０ｒｐｍで５分間回転させた後、１６ｍｍの目開きの篩で篩った量Ｗｂ（ｇ）を評価した。この試験から破砕されないクラスタリング割合（Ｗｂ／Ｗａ）×１００をクラスタリング指数として評価した。

なお、表１の結果に基づき、図２に焼結鉱配合割合とクラスタリング指数との関係を、図３に焼結鉱ＲＤＩとクラスタリング指数との関係を、図４に焼結鉱のトータル鉄分（Ｔ．Ｆｅ）とクラスタリング指数との関係を、それぞれグラフとして示した。

図２に示す焼結鉱配合割合とクラスタリング指数との関係（実施例１～６および比較例１～２のデータを使用）から、還元用原料中の焼結子の配合について、以下のことがわかった。まず、還元用原料中に焼結鉱を８０ｍａｓｓ％以下配合することにより、クラスタリング指数が３５未満に低下（改善）した。また、還元用原料中に焼結鉱を５～７０ｍａｓｓ％配合することにより、クラスタリング指数が２０以下にさらに低下した。さらに、還元用原料中に焼結鉱を１５～５０ｍａｓｓ％配合することにより、クラスタリング指数が１０以下にさらに低下した。以上のことから、クラスタリングの発生を防止するために、除去還元量原料中に焼結鉱を配合すること、特に還元用原料中に焼結鉱を８０ｍａｓｓ％以下配合することが有効であることがわかった。また、焼結鉱の配合量については、還元用原料中に焼結鉱を５～７０ｍａｓｓ％配合することが好ましく、還元用原料中に焼結鉱を１５～５０ｍａｓｓ％配合することがさらに好ましいことがわかった。

図３に示す焼結鉱ＲＤＩとクラスタリング指数との関係（実施例５、７、８および比較例３のデータを使用）から、還元用原料中に焼結鉱を７０ｍａｓｓ％配合した場合に、焼結鉱のＲＤＩを５４ｍａｓｓ％以下とすることにより、クラスタリング指数がさらに低下することがわかった。このことから、クラスタリングの発生を防止するために、焼結鉱のＲＤＩを５４ｍａｓｓ％以下にすることが好ましいことがわかった。

図４に示す焼結鉱のトータル鉄分（Ｔ．Ｆｅ）とクラスタリング指数との関係（実施例５、９および比較例４のデータを使用）から、還元用原料中にＲＤＩが５０ｍａｓｓ％の焼結鉱を７０ｍａｓｓ％配合した場合に、焼結鉱のトータル鉄分（Ｔ．Ｆｅ）を６５ｍａｓｓ％未満とすることにより、クラスタリング指数がさらに低下することがわかった。このことから、クラスタリングの発生を防止するために、焼結鉱のトータル鉄分（Ｔ．Ｆｅ）を６５ｍａｓｓ％未満とすることが好ましいことがわかった。

本発明にかかる還元鉄の製造方法は、シャフト炉またはキルン炉を用い、還元用原料を還元ガスにより還元して還元鉄を得る場合にクラスタリングの発生を少なくできるので、ＣＯ_２削減に寄与し産業上有用であり、還元ガスとして水素ガスと一酸化炭素を用いている方法にも有用であり、還元ガスとして水素ガスを６７ｖｏｌ．％以上含む方法（水素還元製鉄と呼ばれる）に用いた場合特に有用である。

Claims

シャフト炉またはキルン炉を用い、還元用原料を還元ガスにより還元して還元鉄を得る製造方法であって、
前記還元用原料が焼結鉱を含み、
前記還元用原料が、５ｍａｓｓ％～７０ｍａｓｓ％の焼結鉱と、残部塊鉱石およびペレットの少なくとも１つと、から構成され、
前記焼結鉱のＲＤＩが５４ｍａｓｓ％以下であり、
前記焼結鉱のトータル鉄分が６５ｍａｓｓ％未満であり、
前記還元ガスが水素ガスを６７ｖｏｌ．％以上含む、
ことを特徴とする還元鉄の製造方法。
前記還元用原料が、１５ｍａｓｓ％～５０ｍａｓｓ％の焼結鉱と、残部塊鉱石およびペレットの少なくとも１つと、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の還元鉄の製造方法。