JPH0689384B2 - ２段吹込法による鉄鉱石の溶融還元製鉄法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、鉄鉱石等の酸化鉄原料を溶融還元炉（以下単
に溶融炉ということもある）から供給される還元性ガス
によって固体還元し、次いでこの溶融炉に供給して溶融
還元することにより鉄鉱石から鉄を製造する方法に関
し、詳細には、低品位燃料を使用することが可能である
と共にここで発生し反応に利用されるガスに対し種々の
コントロールを施して反応効率の維持向上を図る方法に
関するものである。

［従来の技術］ 高炉によらないで銑鉄を製造する技術として、いわゆる
直接製鉄法が脚光を浴びつつあり、小規模製鉄技術とし
て、KR法,COIN法，川鉄法，住金法等が開発されてい
る。これらの方法は予備還元炉と溶融炉を必要設備とす
るものであり、予備還元炉としてはシャフト炉及び流動
床炉の２通りが考えられている。

直接製鉄法のプロセス原理は、第２図に示す通りであっ
て、溶融炉１で発生したCO主体の高温ガスａ（CO₂，
H₂，H₂Oも含まれる）を、熱源及び還元剤として予備還
元炉３に供給する一方、溶融炉１には予め銑鉄を入れて
溶融状態に保持しつつこれに炭素材及び酸素ガス（若し
くは空気）を吹き込んで熱源及び還元ガスの供給を行な
い、予備還元炉３において一部還元された鉄鉱石Ｐを装
入してここで最終的に還元を完成し銑鉄Ｆとして取出す
ものである。これらの例示プロセスを、特に溶融鉄製造
という観点から見ると、天然ガスを利用するプロセスに
対して石炭を使用するというところからコスト面でかな
り有利になると言われている。しかし現状ではこれらの
方法についても経済的に大きな欠点がある。即ち還元鉄
を溶融する目的で溶融炉に十分なエネルギーを供給する
必要があるので、灰分の少ない無煙炭または褐炭コーク
スのような高価な燃料をしかも相当大量に使用しなけれ
ばならないという点が特に重要な欠点とされている。そ
の為発生する還元性ガスは、予備還元炉での必要ガス量
を大きく超えてしまう。従って過剰気味の還元性ガスを
有効に利用することが研究されている。西ドイツ国特許
公開公報第3244744号の発明は、外部リフォーマにおい
て改質された還元ガスを堅型炉の下部から吹き込み、溶
融炉などから発生する還元性排ガスを堅型炉の上部から
予備還元用として吹き込むことを特徴としており、また
特開昭59−222508号においては、溶融炉からのガスを改
質する方法と該改質された還元ガスを予備還元炉に吹き
込む方法について提案されている。しかしこれらは高価
な燃料を使用することを前提としており、以下述べてい
く事項から容易に理解される様に、本発明の主旨とは根
本的に異なっているものである。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明者等は、直接製鉄法の経済的実施を遂行する為に
は、エネルギーの乏しい低品位石炭または揮発性成分の
高い石炭等の安価な燃料を使用することができる方法の
確立が前提になるという立場から研究を行なった。しか
しこの様な燃料を使った場合に発生する還元性ガス量は
不足気味であるので、予備還元炉における鉱石還元に必
要な量程度に石炭量をコントロールすることができ、さ
らにこの溶融炉から発生する還元性ガスを鉱石還元に適
したガス組成及び温度にアップグレードすることが可能
でなければならない。

［問題点を解決するための手段］ 従って本発明は、直接溶融還元製鉄法における上述の問
題点を解決し得る新しい還元ガス製造方式を含む直接溶
融還元製鉄法を提供することを目的とするものである。

上記目的点を解決することに成功した本発明の直接溶融
還元製鉄法とは、溶融還元炉で発生する還元性ガスにガ
ス状酸化剤を作用させて溶融鉄上面近傍で燃焼させると
共に、溶融還元炉から排出される高温還元ガスに高温ガ
ス状還元剤を作用させて部分的な改質反応を行なわせ、
一方予備還元炉からの排出ガスの一部を循環系路に導入
し酸化性成分を除去した後、前記改質反応後のガスに混
合し、該混合された高温還元性ガスの一部を予備還元炉
の上部から吹込むと共に、残部の高温還元性ガスにガス
状還元剤を加え予備還元炉下部での改質反応に適したガ
スにして予備還元炉の下部から吹込む様に構成した点に
要旨が存在するものである。

［作用］ 本発明では、溶融炉から発生する還元性ガスを該溶融炉
中に添加した酸素等のガス状酸化剤によって燃焼させ、
そのときに生じる燃焼熱を鉄浴に有効に伝えるという点
に第１のポイントがある。さらに第２のポイントは、溶
融炉で発生して排出される高温還元性ガスを、溶融炉本
体出口部、出口部配管あるいは予備還元炉へ行く途中の
反応容器部分等任意の場所でメタンを主成分とする天然
ガスやLPG等のガス状還元剤と接触せしめ、リフォーミ
ング反応を行なわせることによって改質ガスを得る点に
存在する。これらの構成により、溶融炉で発生した高温
還元性ガスの有する顕熱を有効に利用すると共に、高温
還元性ガスの冷却と還元度の向上を図ることにより熱損
失の低減乃至解消、更には溶融炉本体出口部あるいは出
口部配管に設けられる耐火物の劣化を防止することに寄
与する。さらに第３のポイントは、予備還元炉からでて
くる排ガスの一部をリサイクルし該リサイクルガス中の
酸化性成分を除去した後上記改質ガスと混合し、得られ
た還元性ガスを二分して次の様に利用する点に存在す
る。即ち一方の還元性ガスは、そのまま、あるいはメタ
ンを主成分とする天然ガス等を適当な比率で添加するこ
とによって予備還元炉上部からの吹込みに適した温度お
よび還元度に冷却調整された還元性ガスとして利用さ
れ、残りの還元性ガスには天然ガスを適当な比率で添加
することによって、予備還元炉下部での改質反応に適す
る吹込み温度および酸化度に冷却調整された還元性ガス
として利用され、ここに２段吹込法が実施される。

なお予備還元炉へ行く途中の部分で起こさせる顕熱を利
用した部分的なリフォーミング反応では、速度的に考え
てもメタン（メタンを含む天然ガスやLPG等のガス状還
元剤を、メタンで代表させるものとする）が平衡組成ま
で十分反応する訳ではなく温度が下ると共に反応量も少
なくなってくる。この様にメタンが未反応のまま残るこ
とはむしろ後段において好ましい結果を与える。即ち石
炭ベースのガス性による予備還元では、ガス組成が相対
的にCOリッチなためシャフト炉等の予備還元炉内で部分
的な還元反応を引起こし、それによる発熱を生じること
があり、鉄鉱石同士あるいは還元鉄同士の融着現象であ
るクラスタリングの原因になっている。これに対し予備
還元炉に吹込まれる還元性ガス中にメタンが含まれてい
ると、このメタンの熱分解により還元鉄等のカーボンコ
ーテイングが行なわれ、クラスタリングの発生を防止す
ることができるのである。このカーボンコーテイングに
必要なメタンは還元ガスに対して２〜13％程度で十分で
ある。

このように、還元炉に吹込まれる還元性ガスにはむしろ
メタンを含ませておく方が有利である。従って溶融炉か
らでた高温還元性ガスに加熱メタンを添加して行なう改
質反応ではメタンの全てを改質する必要となく、部分的
な反応で十分であり、前述の如く２〜13％程度のメタン
濃度になる様に未反応メタンを残すことが却って有意義
なのである。上述の改質反応は、混合ガス自身の保有す
る熱を利用して行なわれるものであり、したがって非外
熱式で行なうことになる。また反応に際しては、混合ガ
ス自身が1200〜1550℃の高熱を有するため触媒方式を採
用する必要はなく非触媒方式で十分である。もっとも溶
融炉から飛散してくる微粉鉄が触媒として作用すること
も期待される。また予備還元炉へ行く途中で前述の如く
特別の反応容器を設置して迅速に反応させても良い。

溶融炉で発生する高温還元性ガスと加熱メタンとの混合
ガス自身は前述の如く1200〜1550℃であり、この保有熱
によって吸熱反応である改質反応が進行し、この改質反
応により混合ガス温度は50〜300℃降下する。したがっ
て溶融炉本体内に吹込めば溶融炉本体の熱負荷の低減を
図ることができる。

さらに予備還元炉から出てくるトップガス（排ガス）の
一部をリサイクルし、リサイクルガス中の酸化性成分を
除去してから上記改質済みの還元性ガスに混合すること
により、適当な温度および還元度に冷却調整された還元
性ガスを得ることができる。

この得られた還元性ガスは二分され、二分されたうちの
一方の還元性ガスは、単独のまま、あるいはメタンを適
当な比率で添加することによって、シャフト炉式等の予
備還元炉上部からの吹込みに適した温度および還元度に
冷却調整された還元性ガスを得ることができる。尚途中
に加熱器あるいは冷却器を補助的に設けて吹込温度をよ
り正確に調整をすることもできる。後者のように余熱し
たメタン等のガス状還元剤を添加してから予備還元炉へ
吹込む方法では、メタンの分解による鉄鉱石等へのカー
ボンコーテイングを可能にし、クラスタリング防止に寄
与する。

二分されたうちの残りの還元性ガスは、メタンを適当な
比率で添加することによって、予備還元炉下部における
改質反応に適した吹込温度および酸化度に冷却調整され
た還元性ガスを得ることができる。本発明によれば予備
還元炉下部内において還元鉄鉱石を利用する改質反応を
行なうことにより、前記還元性ガスは還元度が向上され
ながら予備還元炉上部へ上昇し、予備還元炉上部羽口か
ら吹き込まれた還元性ガスと混合されることになる。こ
の混合ガスは鉄鉱石等を還元するのに最適なガス組成つ
まり還元度を有することになる。

尚上記説明では溶融炉から回収する改質ガスにリサイク
ルガスを混合した後二分すると述べたが、改質ガスを二
分してから夫々にリサイクルガスを混合する様にしても
よく、混合比を独立して制御することができるという意
味では後者の方が有利である。本発明はこの様な実施態
様も技術的範囲に含むものとする。

なお予備還元には一般的なシャフト炉（堅型炉）タイプ
や原料として粉鉱が使用できる流動床タイプのいずれか
を使用し、予備還元での金属化率はシャフト炉（堅型
炉）タイプでは70〜96％好ましくは平均85％以上、流動
床タイプでは50〜80％好ましくは平均70％以上とするこ
とが推奨される。

シャフト炉等から取出すリサイクルガス中の酸化性成分
を除去する手段としては、公知のCO₂吸収法・吸着法等
を任意に採用することができる。

更に溶融炉中にスラグ形成剤、特に石灰を添加して、溶
融炉中におけるスラグの塩基度を約1.6〜3.1に調整する
ことにより、最適な脱硫を達成することができる。なお
溶融炉中の操業圧力を1.5〜5.5kg/cm²・ｇとすれば、系
内で発生する流れ抵抗を十分上回ることができ、還元性
ガス圧縮装置を特別に設置する必要はない。このように
本発明は予備還元炉への吹込みを２段にし、上部は還元
用、下部は改質用として予備還元炉内で機能を分割する
ので、効果的な予備還元が行なわれることとなった。

［実施例］ 第１図は本発明方法のプロセスフローの一例を示す図で
ある。

第１図において１は溶融炉、２は溶融炉本体の出口部配
管、３は予備還元炉（シャフト炉）、3aはリフォーミン
グ部、3bは還元部、４は熱交換器、５はCO₂スクラバ
ー、６は圧縮機であり、溶融炉１で発生する高温還元性
ガスａは溶融炉出口部配管２内でメタンｂと混合され、
改質反応により冷却調整された調整還元性ガスｃを生成
する。一方シャフト炉３から排出された還元性排ガスｊ
の一部は熱交換器４で冷却され冷却ガスｋとなってCO₂
スクラバー５に導入されCO₂が除去される。なおCO₂スク
ラバー５に導入される前に昇圧される場合もある。さら
に圧縮機６で昇圧され昇圧ガスｄとなってから前記ガス
ｃと混合されてシャフト炉３への混合ガスｅとなる。こ
の混合ガスｅはシャフト炉３への吹込みに適した温度に
冷却調整されている。次にこの還元性混合ガスｅを二分
し、一方のガスe₁にメタンｇを適当な比率で添加するこ
とによって、シャフト炉上部羽口からの吹込みに適した
温度および還元度に冷却調整された還元ガスｆを得る。
残りのガスe₂にも適当な比率でメタンｈを添加すること
によって、シャフト炉下部での改質反応に適する吹込温
度および還元度に冷却調整された還元性ガスｉを得る。
なおガスe₁についてはメタンの混合を受けないままで還
元ガスｆとして還元炉上部に導入される場合もある。

前述の通りガス組成がCOリッチなためシャフト炉内では
部分的な還元反応による発熱を生じることがあり、クラ
スタリングを引き起こす原因となる。これを防ぐため本
実施例では還元性ガス中にメタンを含ませておき、カー
ボン折出により還元鉄等をカーボンコーテイングするも
のである。

第１表は本発明方法のプロセスフローによるバランスシ
ートの一例を示すものであり、溶融炉から出て来る溶融
鉄を40〜50万T/Y規模に換算した時の値である。

溶融炉から発生した高温還元性ガス（1596℃、2876Kg・
mol/h）は溶融炉出口部及び出口部配管でメタン（339Kg
・mol/h）と接触させることによりフォーミング反応を
起こさせる。その結果溶融炉で発生した高温還元性ガス
の有する顕熱を有効に利用することにより、高温還元性
ガスの冷却（1596℃→1061℃）とH₂/CO比の増加（0.26
→0.43）が達成され、熱損失の低減乃至解消、溶融炉出
口部および出口部配管内の耐火物の劣化の防止、予備還
元炉内でのクラスタリングの防止を夫々図ることができ
る。尚クラスタリング防止について補足説明すると、シ
ャフト炉に吹き込まれる還元性ガスのH₂/CO比の向上及
び添加メタンによる還元鉄のカーボンコーテイングによ
ってクラスタリングを防ぐのである。本実施例における
クラスタリング防止の為の必要メタン量は還元性ガスに
対して約10％程度であった。

以上述べたように、シャフト炉に吹込まれる還元性ガス
にはメタンを含ませておくべきであるから、溶融炉から
出た高温還元性ガスａと加熱メタンｂとの混合による改
質反応ではメタンの全てを改質に消費する必要となく、
むしろ部分的な反応で終える方が好ましい。なお本実施
例によるとメタン濃度は10.5％（反応前）から6.7％
（改質後）に減少していることが明らかになった。この
改質反応は、混合ガス自身の保有する熱を利用して行な
われるものであり、実施例によると541℃に加熱された
メタン（339Kg・mol/h）と溶融炉から排出される1596℃
の高温還元性ガス（2876Kg・mol/h）は、吸熱反応であ
る改質反応が進行して1061℃となった。

したがってガスの混合および改質反応の両効果により、
還元性ガス温度は535℃降下したことになる。さらにシ
ャフト炉からのリサイクルガスを1714Kg・mol/h混合す
ることにより鉄鉱石の還元に適した吹込温度（755℃）
にコントロールすることができる。

さらにシャフト炉内でのクラスタリングを防ぐために、
この755℃にコントロールされた還元性ガスｅの一部す
なわちシャフト炉上部羽口へ導く還元性ガス（2058Kg・
mol/h）e₁に67Kg・mol/hのメタンを添加した。これによ
りシャフト炉羽口のガス温度は743℃、還元度Ｒ値［（C
O＋H₂）／（CO₂＋H₂O）］は7.6となり、鉄鉱石の還元に
適する温度とガス組成に調整され、クラスタリングも起
こらずに十分な還元が可能となった。

また分岐された残りの還元性ガスe₂にもメタン（100Kg
・mol/h）を添加し、シャフト炉下部の吹込み羽口へ導
かれる。この調整された吹込みガスは743℃であり吹込
みに適したガス温度を有し、なのかつシャフト炉内での
一部改質反応を起こさせるのに適したガス組成［CH₄／
（CO₂＋H₂O）＝1.0］となっている。このガスがシャフ
ト炉下部羽口から吹込まれて上部へ上昇していく間に改
質反応が起こり、シャフト炉上部羽口付近では、実施例
によるとメタンは10.4％から6.5％まで減少することが
明らかになった。従って還元度Ｒ値は7.6から13.4に向
上しており、シャフト炉上部での鉄鉱石の還元に有効な
ガス組成が得られることも明らかになった。この改質ガ
スはシャフト炉内を上昇し、上部羽口から吹込まれたＲ
値7.6の前記ガスｆと合流することによってＲ値が10.5
となり、鉄鉱石の還元に適するガス組成になる。したが
って上部においてもクラスタリングが起こらず、正常に
還元された鉄鉱石を得ることが可能となった。

尚本発明者等は同日付で「２段吹込みによる鉄鉱石の溶
融還元製鉄方法」を特許出願している。同出願発明は溶
融炉から排出されてくる改質反応後のガスの一部に予備
還元炉からのリサイクルガスの一部を混合して予備還元
炉の上部へ供給し、前記改質ガスの残部にガス状還元剤
及び前記リサイクルガスの一部を加えて予備還元炉の下
部へ供給する様に構成している。従って該発明に比べる
と本発明はプロセス面で簡素化されており、予備還元炉
をコンパクト（例えば予備還元炉の上部及び下部におけ
るＲ値は本願発明が10.5であるのに対し別出願発明では
8.2）にすることができる。［発明の効果］ 本発明は上記の様に構成されているから、安価な燃料を
使った場合に発生する還元性ガスについて、これを予備
還元に適した温度及び組成に改良することができ、直接
製鉄法の操業コストを低下させつつ安定で効率の良い還
元反応を実施し得る様になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法のプロセスフローの一例を示す図、
第２図は直接製鉄法のプロセス原理を示す説明図であ
る。 １……溶融炉、２……溶融炉の出口部配管 ３……還元炉（シャフト炉） ４……熱交換器、５……CO₂スクラバー ６……圧縮機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予備還元炉及び溶融還元炉を備え、予備還
   元炉では溶融還元炉から導入される還元性ガスによっ
   て、固体状態の酸化鉄原料を予備還元し、該予備還元さ
   れた酸化鉄原料を溶融還元炉に供給し還元剤の存在下に
   溶融還元する方法において、溶融還元炉で発生する還元
   性ガスにガス状態化剤を作用させて溶融鉄上面近傍で燃
   焼させると共に、溶融還元炉から排出される高温還元ガ
   スに高温ガス状還元剤を作用させて部分的な改質反応を
   行なわせ、一方予備還元炉からの排出ガスの一部を循環
   系路に導入し酸化性成分を除去した後、前記改質反応後
   のガスに混合し、該混合された高温還元性ガスの一部を
   予備還元炉の上部から吹込むと共に、残部の高温還元性
   ガスにガス状還元剤を加え予備還元炉下部での改質反応
   に適したガスにして予備還元炉の下部から吹込むことを
   特徴とする２段吹込法による鉄鉱石の溶融還元製鉄法。