JPH01309911A - 鉄鉱石の溶融還元法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鉄浴中の炭素濃度を制御しながら酸素含有気
体とともに鉄鉱石または鉄鉱石を含む粉体を鉄浴中に吹
き込み、鉄浴を撹拌すると同時に鉄浴中の炭素によって
鉄鉱石中の酸化鉄を還元して溶鉄を製令する方法に関す
る。

〔従来の技術とその問題点〕

鉄鉱石から溶鉄を得る方法として高炉法が一般的である
が、設備費が高いこと、生産量変動の自由度が無いこと
、ペレタイジングまたは焼結といった鉄鉱石の前処理が
必要なこと、高温で高強度なコークスを必要とし炭素源
に自由度がないことなどの欠点を有している。

この高炉法の代替として近年いくつかの溶融還元法が提
案されている。例えば、鉄浴型といわれている方法では
、炭素源、フラックス、および鉄鉱石を転炉上部より装
入し、酸素を」ユ吹きすることによって昇熱し、鉄鉱石
を溶解し、スラグ中の炭素および鉄浴中の炭Ｊ３により
鉄鉱石中の酸化鉄を還元し、溶鉄を得ろ方法である。

この場合、酸；（・；を一般の転炉製鋼で用いら、ｔｂ
ている二重管羽口を用いて、冷却ガスとともにＦ、＆　
％ｔを転炉底部から吹き込んだり、更に上吹きと併用し
たり、炭素源を不活性ガスとともに底吹きし、たりする
方法も提案されそいる。（特開昭６２−４８１０号、特
開昭６２−１８５８１１号、特開昭６２−２２４６１０
号等）これら鉄浴による溶融還元では浴の撹拌操作が必
須の要件となる。そのために従来とられている方式はい
わゆる二重管羽口による方法、あるいは単管やスリット
からＮ２、Ａｒなどの不活性ガスを吹き込む方法である
。これらの方法の欠点は、ノズル及びノズルまわりの耐
火物の寿命が短いこと、および冷却用の炭化水素ガスや
Ａｒが高価なことであり、経済性や操作の安定性に対し
、問題がある。

また、これらの鉄浴式による溶融還元法はいずれも鉄鉱
石を一度スラグ化して還元する方法であり、スラブ中の
酸化鉄濃度は著しく高く、耐火物の著しい損耗をもたら
すとともに、炭素源の燃焼熱の鉄浴への着熱効率が低い
欠点を有している。

また、酸素を底吹きする方法でも高価な冷却ガスととも
に吹き込んでおり、この冷却ガスは、全く反応に寄与し
ないばかりか、鉄浴の冷却を行なって結果的に炭素源と
酸素の使用量増加をもたらしてしまう。

この着熱効率の低さによる炭素源および酸素使用量の増
加を補うために鉄鉱石を予め炉外で予備還元する方法も
提案されているが、基本的な欠点はなんら改善されてい
ないことは明白である。従ってこれらの鉄浴型溶融還元
法は未だ実用化されていない。

別の方法としてシャフト炉を用いた方法も提案されてい
るが、炭素源に制約があることと、粉状の鉄鉱石を上部
から装入するとシャフト炉内のガスにより飛散してしま
うので、羽口より吹き込むことになるが、シャフト炉の
最大の利点である炉内ガスによる装入物の予熱効果によ
る熱効率の向上が達成できない問題のために実用化され
るに到っていない。

以上のように、鉄鉱石の溶融還元方法において、浴撹拌
のための吹き込みノズルの寿命が短いこと。

炭素源の制約があること、熱効率が悪いこと、スラブ中
の酸化鉄濃度が高いこと、耐火物の損耗が激しいこと、
粉状鉄鉱石の予備処理が必要なこと、生産量の調整が困
難なことなど、従来技術の問題点の改善が強く望まれて
いる。

（問題点解決に関する知見） 本発明の課題は、鉄鉱石の溶融還元方法において、浴撹
拌のための吹き込みノズルの寿命が短いこと、炭素源の
制約があること、熱効率が悪いこと、スラグ中の酸化鉄
濃度が高いこと、耐火物の損耗が激しいこと、粉状鉄鉱
石の予備処理が必要なこと、生産量の調整が困難なこと
など、従来技術の問題点を改善することである。これら
の課題解決に関し、洛中の炭素濃度を制御しつつ、鉄鉱
石、炭素源、フラックスおよび酸素を添加しながら鉄鉱
石を溶融還元し、鉄浴を得る方法において、吹き込みノ
ズルより鉄鉱石または鉄鉱石を含む粉体を酸素含有気体
とともに浴中に吹き込むことを基本とし、かつ該吹き込
みノズルにセラミックス製の単管を用いることまたは気
体酸素の上吹きを併用することにより、鉄鉱石の溶解を
ス゛ラグ中でなく鉄浴中で行わせ鉄浴上部のスラグ層に
到達する前に鉄浴中の炭素で鉄鉱石中の酸化鉄を還元し
、気体酸素と鉄浴中の炭素との反応熱で鉄鉱石の還元熱
反応による鉄浴の温度低下を相殺し、鉄浴温度を制御で
きることを知見し、効率よく溶融還元することができ、
上記従来技術の問題点を改善した。

（発明の構成） 上記の目的は、鉄浴中の炭素濃度を制御しながら、鉄鉱
石、炭素源、フラックスおよび酸素を添加して鉄鉱石を
溶融還元し、溶鉄を得る方法において、反応容器底部ま
たは反応容器の側壁部鉄浴側でかつ鉄浴面より下部に設
置したセラミック製の単管よりなる吹き込みノズルから
、夫々上方または斜め下方に、鉄鉱石または鉄鉱石を含
む粉体を酸素含有気体とともに鉄浴中に吹き込むことを
特徴とする鉄鉱石の溶融還元方法によって達成される。

本方法に用いる鉄鉱石は粉状であれば良く、銘柄も自由
であり、予備的な処理も必要としない。

粉状の焼結鉱や、予備還元された鉄鉱石など予備処理を
施した鉄鉱石を用いても良い。炭素源も自由であり、塊
状、粉状の１石炭、黒鉛、コークス等何を用いても良い
。炭素源の添加方法は、従来より提案されているどの方
法を用いても良い。

酸素含有気体とは、気体酸素それ自身でもよいが、窒素
その他の不活性気体で適宜希釈してもよい。

フラックスとしては、石灰系、ドロマイト系。

蛍石系などを用いるが、鉄鉱石および酸素含有気体とと
もに鉄浴中に吹き込んでも良いし、鉄浴上部に単に添加
する方法でも良い。鉄鉱石の性状によっては、前者の方
が有効な場合がある。

鉄鉱石または鉄鉱石を含む粉体を吹き込む方法は、鉄浴
中に吹き込むことを必須要件とする。望ましくは反応容
器底部に設置したノズルから上方に、または反応容器の
側壁鉄浴側でかつ浴面より下部に設置したノズルから斜
め下向きに吹き込む。

吹き込みノズルは、耐火物製の単管ノズルとする。望ま
しくは、耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐熱性に優れたＳｉ、
　Ｎ、とかサイアロンなどで代表されるセラミックノズ
ルが良い。

鉄浴の炭素濃度および温度の制御は、炭素源、気体酸素
、鉄鉱石の添加量をコントロールすることにより達成さ
れる。この時発生するＣＯガスは、反応容器上部に酸素
源を導入して燃焼させ、鉄浴温度上昇の補助手段として
も良いし１回収して他の燃料などに用いても良い。また
、その顕熱を利用して水沫で用いる鉄鉱石の予熱を行な
っても良い。

本発明の直接の目的ではないが、本発明は溶融還元とと
もに屑鉄の溶解を行なうこともできる。

この場合、排ガスの顕熱により屑鉄を予熱するのも効率
的手段である。

本発明は、粉状の鉄鉱石をなんら予備的な処理を施さず
に用い、酸素含有気体とともに鉄浴中に吹き込むことに
より、鉄浴中の炭素で鉄鉱石中の酸化鉄を還元し、気体
酸素と鉄浴中の炭素との反応熱で鉄鉱石の還元吸熱反応
による鉄浴の温度低下を相殺し、鉄浴温度を制御する方
法を基本とする。

原理的には、鉄鉱石の溶解をスラブ中でなく鉄浴中で行
なわせ、鉄浴上部のスラグ層に到達する前に鉄浴中の炭
素によって還元する。このためにスラブ層への鉄鉱石中
の酸化鉄の移行が無くスラグ中の酸化鉄濃度を低いレベ
ルに保つことができる。更には、同時に吹き込まれる気
体酸素は、鉄浴中の鉄と反応し、吹き込みノズル近傍で
ＦｃＯを生成し、局部的に温度を上昇せしめるとともに
ＦｅＯは、鉄鉱石の溶解を促進する。このＦｃＯは、鉄
浴中を浮上する過程で鉄浴中の炭素によって還元される
。すなわちＦｅ　＋　１／２０．　＝　ＦｅＯの反応と
ＦｅＯ＋Ｃ−Ｆｅ＋ＣＯの反応が鉄浴中で行なわれる結
果、Ｃ＋　Ｏ＝　ＣＯなる反応熱が鉄浴に伝達される。

従来法と異なり、スラグを介さないで直接熱の授受が行
なわれるため、熱効率は極めて優れている。また気体酸
素は、　Ｃ＋１／２０□＝ＣＯなる反応も同時に進行さ
せこの反応熱も鉄浴に伝達される６一方鉄鉱石中のＦｅ
、　Ｏ，は鉄浴中の炭素と、Ｆｅ２Ｏ。

＋　３Ｃ＝　２Ｆｅ　＋　３ＣＯなる反応で溶融還元さ
れる。この吸熱反応による鉄浴の温度低下は、前記のＣ
Ｏ生成熱で補われ、鉄浴温度の低下を防ぐ。鉄鉱石と気
体酸素の使用比率を変化させれば、鉄浴の温度を上昇さ
せたり低下させたりすることが容易なことは上述の説明
により自明である。ここで生成するＣＯガスは排ガスと
なるが大量の潜熱を保有している。この回収は生ガスと
して捕集して燃料として用いても良いし、水洗の中で上
部より酸素を供給して燃焼させ、鉄浴温度上昇に用いて
も良い。

これらの反応により鉄浴中の炭素が消費されるのである
が、この補給は従来技術で達成できる。

すなわち鉄浴上部から鉄浴とに添加しても良いし、ノズ
ルを用いて鉄浴中に吹き込んでも良い。この場合でも後
述の鉄鉱石と気体酸素を同時に鉄浴に吹き込む本発明で
は、撹拌力が強く炭素源の鉄浴への移行に有利な条件と
なっており炭素源の歩留まりは従来の溶融還元法より優
れている。従って炭素源としては石炭でも黒鉛でもコー
クスでも自由に選択可能である。

以上述べたように１本発明では鉄浴中に酸素と鉄鉱石を
同時に吹き込むことが必須である。なんらかの冷却ガス
あるいは冷却油も用いないで鉄浴中に酸素を吹き込むこ
とは従来技術では達成されなかった。酸素を吹き込むと
ノズル近くの温度は著しく上昇し、上述したようにＦｅ
Ｏも生成しこのためにノズルが著しく損耗するからであ
る。本発明では鉄鉱石を酸素含有気体とともに吹き込む
ことによって、ノズル近くの温度上昇を防ぎ、ノズル先
端に付着物を生成させてノズルの保護を達成することに
成功した。この方法でも充分経済的に操業可能であるが
、鉄鉱石のように硬い固体を吹き込むとノズルが物理的
に摩耗する現象も見られる。この対策としてはサイアロ
ンとかＳｉ、　Ｎ４とかの耐摩耗性に優れ、耐火度、熱
衝撃性に優れた耐火物を用いるとノズル寿命が飛躍的に
向上することも確認している。ノズルの位置は、鉄浴中
であれば良いが、底吹きまたは斜め下吹きを採用する。

更には、鉄鉱石とフラックスの混合粉末を酸素含有気体
とともに吹き込むこともできる。特に難溶解性の鉄鉱石
の場合には有効な手段で°ある。本発明で用いる鉄鉱石
は粉体であれば通常用いられているものは全て使用可能
であり１反応効率が優れているためになんらの予備処理
も必要としない。

本発明法は、高炉のように長期間稼働を継続する必要は
なく、生産要求に応じて稼働可能であり、大量に溶鉄を
必要とする場合でも少量要求される場合でも対応可能で
ある。

（発明の具体的開示） 以下本発明を実施例によって具体的に例示する。

実施例】。

２００ｋｇの溶銑（温度１５３０℃、組成Ｃ：　４．９
％、　Ｓｉ：ｔｒ、　Ｍｎ：　０．３０％、　Ｐ：　０
．０１１％、　Ｓ：　０．０２５％、残部Ｆｅ）に対し
、炉底に設けた内径３．５ｍｒａφのサイアロン製ノズ
ルにより、鉄鉱石（キャロルレイク）、生石灰、気体０
２を底吹インジェクションし、鉄鉱石を溶融還元した。

吹き込み速度は鉄鉱石７６０ｇ／分、生石灰４０ｇ／分
、気体０２７ＯＮΩ／分、Ｎ２１ＯＮΩ／分であった。

また、炭材としてコークスを、上方より２４０ｇ／分で
連続的に添加した０反応に伴う温度低下は炉にとりつけ
た高周波コイルによる誘導加熱により補償した。この処
理を６０分間実施した。得られたスラブの（％Ｔ、　Ｆ
ｅ）は１．８％であり、鉄鉱石の還元が効率良く進行し
ていた。また、吹き込みノズルは、まったく健全であり
、ノズル上面にスラグ質の付着物が生成し、ノズルの溶
損はまったく認められなかった。

実施例２ 実施例１と実質的に同じ条件で、気体０２の上吹きを併
用して、実験を行なった。すなわち、鉄鉱石、生石灰、
気体０２及びＮ２をそれぞれ、７６０［／分。

４０ｇ／分、１ＯＮＱ１分、ｌ０ＮＱ／分の吹き込み速
度で底吹インジェクションし、気体０２の上吹きを２１
ＯＮＱＩ分で実施した。また、コークスを２４５ｇ／分
の添加速度で炉上部より投入した。本実験では、高周波
電力は与えずに実施したが、浴温の上昇が認められた。

（約１０．５℃／分）スクラップを１０分おき１５　ｋ
　、、添加したところ、浴温はほぼ１５３０℃一定とな
った。

６０分の処理で鉄鉱石４５ｋｇを溶融還元し、スクラッ
プを７５ｋｇ溶解することができた。処理後スラグの（
％丁、Ｆｅ）は２゜１％であった。また１本実験では、
ＺｒＯ２−ＣａＯ系のセラミックスノズルを用いたが、
溶損はまったく認められなかった。

実施例３ 鉱石を斜め下方から吹き込みつつ、コークス粉を底吹き
して溶融還元を実施した。吹き込み速度は、鉱石１５０
０ｇ／分、生石灰８０ｇ１分、酸素８ＯＮＲ／分、窒素
１ＯＮＱ／分である。コークスは４００ｇ／分で３ＯＮ
Ｑ／分の窒素ガスとともに底吹きした。また、水冷銅ラ
ンスにより酸素を４０ＯＮＩ２／分で上吹きした。処理
中の温度は約１５３０℃であり、はぼ一定に保持して実
験することができた。溶湯量は２００ｋｇであり、成分
組成はＣ：　４．５％、　ｓｉ：　ｔｒ、　Ｍｎ：　０
．２５％、Ｐ：０．０１５％、Ｓ：　０．０１５％、残
部Ｆｅよりなる。

上記実験を３０分間実施した。処理後スラブの（％Ｔ、
　Ｆｅ）は１．錦であった。吹き込みノズルの溶損はま
ったく認められなかった本実験により、鉄鉱石４５ｋｇ
を効率良く溶融還元することができた。また、上吹き酸
素によるＣＯガスの燃焼により浴温をほぼ一定に保持す
ることができた。

（発明の効果） 以上のように、本発明は、鉄浴型溶融還元炉において、
浴の撹拌のために用いる吹き込みノズルの寿命が短いと
いう問題を解決したものであって、従来の２重管羽口に
よる方式に比して、安価にかつ安定した撹拌技術を可能
にした点で、経済的効果が大きい、さらに、粉状に鉄鉱
石を直接吹き込むことにより、きわめて効率の高い還元
率が得られ、浴の撹拌と同時に鉱石の還元も行なえると
いう、大きな経済的効果を有する。また、気体０□の上
吹きを併用することにより、高範囲のスクラップ比率で
溶銑を製造することができ、スクラップ市況に見合った
弾力性のある溶融還元技術を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１において用いた溶融還元炉を示す縦
断面図、 第２図は、第１図の吹き込みノズル部（０’ｔ’囲んだ
部分）の拡大縦断面図、 第３図は、実施例２において用いた溶融還元炉を示す縦
断面図、 第４図は、実施例３において用いた溶融還元炉を示す縦
断面図である。 １・・・耐火物、２・・・誘導コイル、３・・・溶湯、
４・・・スラグ、５・・・吹き込みノズル、６・・・セ
ラミックス層成き込みノズル、７・・・耐火物（キャス
タブル）。 ８・・・炉底耐大物、９・・・０２上吹きランス、１０
・・・斜め下吹きランス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鉄浴中の炭素濃度を制御しながら、鉄鉱石、炭素源
   、フラックスおよび酸素を添加して鉄鉱石を溶融還元し
   、溶鉄を得る方法において、反応容器底部に設置した吹
   き込みノズルから上方に鉄鉱石または鉄鉱石を含む粉体
   を酸素含有気体とともに鉄浴中に吹き込むことを特徴と
   する鉄鉱石の溶融還元方法。 ２、請求項１記載の方法において、反応容器の側壁部鉄
   浴側でかつ鉄浴面より下部に設置した吹き込みノズルか
   ら斜め下方に鉄鉱石または鉄鉱石を含む粉体を酸素含有
   気体とともに鉄浴中に吹き込むことを特徴とする鉄鉱石
   の溶融還元方法。 ３、請求項１または２記載の方法において、吹き込みノ
   ズルにセラミックス製の単管を用いることを特徴とする
   鉄鉱石の溶融還元方法。 ４、請求項１または２記載の方法において、酸素含有気
   体の上吹きを併用することを特徴とする鉄鉱石の溶融還
   元方法。