JPH10176229A - クロム粉鉱石の還元方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高度に還元されたクロム粉鉱石を安価に得
る方法を提供する。 【解決手段】 クロム粉鉱石と粉状の炭素質還元材と
を混合した原料を、内面断面が多角形をしたロ−タリ−
キルン中で、スリップモ−ションを抑制しカスケ−ドモ
−ションを保ちつつ、酸化性燃焼炎下で加熱処理して還
元する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はクロム粉鉱石の還
元方法に関するものであり、特にステンレス鋼製造工程
で直接溶鋼中に添加するのに適した、高還元クロム粉鉱
石の製造方法及びそのための装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼の原料として用いられるク
ロム源を安価に製造するために、種々の方法が考えられ
ているが、その得失は原料事情や電力事情等に大きく左
右される。原料に関しては埋蔵量の多い粉鉱石を利用す
るのがコスト的に有利である。一方、近年ステンレス製
鋼の技術革新にも著しいものがあり、転炉中にクロム粉
鉱石を吹込む技術が定着してきている。この場合、単に
クロム粉鉱石を吹き込んだのでは溶解と還元の為に多大
のエネルギーを要し、生産能率の低下や歩留の低下を招
き、作業量の増大などの不利益を招く。そこでクロム鉱
石の代わりに粉状の還元されたクロム鉱石を吹き込むこ
とが考えられる。このような還元されたクロム鉱石の製
造方法としては、（１）粉鉱石に炭化水素ガスを通気さ
せて加熱還元処理する方法（特開昭５９−１７９７２
５）、（２）粉鉱石を間接加熱炉で還元処理する方法
（特開平１−２３４５２９）、（３）粉鉱石を炭素質還
元材とともにバ−ナ−を備えたロ−タリ−キルンで還元
する方法（ＵＳＰ２，５８２，４６９）などが知られて
いる。また、クロム鉱石と炭素質還元材と結合材とを混
合し、適度な大きさと強度を有するペレットとし、ロ−
タリ−キルンで加熱還元した後、粉砕して使用すること
も考えられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来の技術においては、次のような問題点がある。
すなわち、（１）炭化水素ガスで還元する方法において
は、粉体と気体とを十分接触させるために粉鉱石の流動
性を確保せねばならず、装置が複雑となり運転も難し
く、処理温度も余り高くできないので還元率が上がらな
い。（２）間接加熱炉で処理する方法では炉の構造が複
雑となり、エネルギー効率が悪いので結局コスト高とな
る。（３）粉鉱石を炭素質還元材とともにバ−ナ−を使
用した断面が円形の通常のロ−タリ−キルンで還元する
方法は、装置も簡単で大量処理が可能である。しかし、
この場合には粉鉱石と炭素質還元材との接触が不十分な
ため、また、粉鉱石がバ−ナ−の酸化性の燃焼炎にさら
されて再酸化を起こすので還元率はあまり上がらず、ク
ロム還元率はせいぜい３０％程度が限度である。還元率
を向上させるためにクロム鉱石と炭素質還元材とを混合
し、ペレットにして還元する方法もあるが、この方法で
得たものはステンレス製造工程で転炉で使用する場合に
インジェクションで吹き込むのに適したサイズのもので
はなく、ペレットにする工程も煩雑である。本発明はロ
−タリ−キルンの作業性の良さを生かし、安価な燃料の
燃焼熱を最大限に利用しつつ、単純な操作で高還元率を
有するクロム粉鉱石の還元方法を提供することを目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】クロムは酸素との親和力
が強く、鉱石中の酸化クロムを還元するのは容易ではな
い。酸化クロムの実用的な還元機構は固相反応であり、
拡散律速で進行する。したがってクロム鉱石を高度に還
元するには、クロム鉱石のサイズを細かくして表面積を
大きくし、炭素質還元材との接触の機会をできるかぎり
確保する必要がある。その上で酸化性燃焼炎の影響を極
力排除するため、さらに原料界面の反応温度の維持と反
応を促進させるために、ロ−タリ−キルン内の原料層表
面を炭素質還元材で覆うことが有効である。本発明者ら
は通常のロ−タリ−キルンで上記のような条件を達成す
べく鋭意検討した結果、ロ−タリ−キルンの断面を多角
形としてキルン内原料のスリップモ−ションを抑え、カ
スケ−ドモ−ションが起こり易くすることにより、簡単
な方法で高還元のクロム粉鉱石が得られることを見い出
した。さらに炭素質還元材を適当に選択することによ
り、ロ−タリ−キルン内の原料層表面を炭素質還元材で
覆うことができることを見い出した。

【０００５】クロム鉱石と炭素質還元材との反応は固相
還元であるから両者の接触点で還元が起こり、還元を促
進させるためには両者を常に新しい点で充分に接触を繰
り返させていく必要がある。ところでロ−タリ−キルン
中では装入原料はいわゆるカスケードモーションを起こ
し、ロ−タリ−キルンの回転と共に内壁に沿って一定の
高さまで持ち上げられた後、最高点から崩落するように
落下する。またあるときはいわゆるスリップモ−ション
を起こし、キルン内壁に沿ってズリ落ちる。ロ−タリ−
キルン中ではこの２種類の動きが起こっているが、スリ
ップモ−ションでは装入原料が平行移動をしているだけ
で装入原料の攪拌は起こらない。したがってクロム鉱石
と炭素質還元材との新たな接触点は生まれない。炉内が
円形断面のロ−タリ−キルンではスリップモ−ションが
多くてクロム鉱石と炭素質還元材との接触の機会が少な
く、これが還元率が上がらない原因と考えられる。

【０００６】そこでロ−タリ−キルン内壁を多面体と
し、多面体の接線にスリップモ−ションを食い止めるス
トッパ−の機能を持たせることにより、カスケ−ドモ−
ションを促進させて原料を充分に混合し、クロム鉱石と
炭素質還元材との新たな接触の機会を増して還元を促進
させることができることを見い出した。多面体の面の数
は、処理能力に応じたロータリーキルン内径の大きさと
挿入原料の量によって異なるが、実用的には６面体から
１４面体ぐらいまでが使用できる。また、内壁を多面体
にしなくとも多面体に相当する突起を設けても同じ効果
が得られる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明で使用するクロム鉱石は、
粒経３ｍｍ以下の粉鉱石である。天然の鉱石としてその
まま使用でき、多量に産するので安価であり、表面積が
大きいので反応上も好都合である。炭素質還元材はコー
クス、無煙炭、有煙炭、木炭等が使用できる。反応の点
からはクロム鉱石に合わせて炭素質還元材も粒経３ｍｍ
以下の粉状のものとするのが接触面積が大きくなるので
都合が良い。クロム鉱石と炭素質還元材との配合割合
は、次式に従ってクロム鉱石中の酸化クロムと酸化鉄と
をそれぞれクロムカーバイドと鉄カーバイドに還元する
のに必要とする理論当量以上の固定炭素を含むように配
合する。 ７Ｃｒ₂ Ｏ₃ ＋ ２７Ｃ → ２Ｃｒ₇ Ｃ₃ ＋ ２１ＣＯ・・・・（１） ７ＦｅＯ ＋ １０Ｃ → Ｆｅ₇ Ｃ₃ ＋ ７ＣＯ・・・・（２） 酸化性燃焼炎による酸化消耗を考慮すれば、理論当量の
１．３〜４．０倍、好ましくは理論当量の２．０〜３．
０倍の固定炭素量を配合するのが良い。このように配合
した原料の安息角は２９〜３０度となる。

【０００８】原料層の表面を燃焼炎の酸化性雰囲気から
被覆保護するため、粒径６〜２０ｍｍの小塊状の炭素質
還元材を加えるのが有効である。原料中に粒径の異なる
ものが共存していると、図３に示すように粒径の大きな
ものは転動中に原料層表面に浮き上がってころがり落
ち、実質的に原料層表面を覆うようになる。このため酸
化性の燃焼雰囲気になっても小塊状の炭素質還元材が酸
化されるのみで、クロム粉鉱石が酸化性雰囲気にさらさ
れることはない。このように還元によって生成する一酸
化炭素ガスと共に、原料層の表面を燃焼炎の酸化性雰囲
気から被覆保護するため、還元が一層促進されるのであ
る。原料層を被覆保護するための炭素質還元材はコーク
スや石炭が使用できる。特に石炭は揮発成分を含むので
ガスによる遮蔽も期待できる。このような目的で添加す
る小塊状の炭素質還元材の量は、酸化消耗を考慮してク
ロム鉱石を還元するのに必要な理論当量の０．３〜３．
０倍、好ましくは０．５〜１．５倍が適当である。小塊
状の炭素質還元材を併用する場合は、酸化消耗が減ずる
ので還元用の粉状炭素質還元材の量を減らすことができ
る。このように配合した原料を、炉内の断面形状が多角
形であるロ−タリ−キルン内の１２００℃以上の高温帯
に６０分以上、好ましくは１２０〜１８０分間滞留させ
ると、還元率が５０％以上、最高８０％の高還元クロム
粉鉱石が得られる。

【０００９】このようにして得られた高還元クロム粉鉱
石は、高炭素フェロクロム用原料として電気炉で使用し
てもよいし、ステンレス製鋼用原料として電気炉や転炉
で使用することができる。高還元クロム粉鉱石を使用す
ると以後の工程での高価な電力の使用量を削減でき、生
産効率を著しく高めることが可能となる。なお、この高
還元クロム粉鉱石は余剰の炭素質還元材を含んでいる
が、後の工程では炭素は熱源として利用できるので特に
支障はない。炭素質還元材の量が多過ぎる場合は生のク
ロム鉱石を併用するか、磁力選鉱を用いてクロム鉱石と
炭素質還元材とを分離することができる。磁力選鉱を用
いる場合は３０００ガウス以上の磁界が実用的である。
小塊状の炭素質還元材の分離は篩分けを行えば良い。本
発明の高還元クロム粉鉱石は、高温状態のまま次工程で
使用するのが最も熱効率が良いが、止むをえず冷却する
場合は多量の冷却水や空気を使用して、急速に６００℃
以下まで急冷すれば、再酸化を防止して実質的に高還元
状態を維持することができる。

【００１０】次に、本発明を実施するのに適した還元装
置について説明する。図１に本発明を実施するのに適し
た還元装置の一例の断面構造図を示す。また図２は図１
のＡ−Ａ’における断面図である。本発明では高温度を
得るために燃料を燃焼（酸化）させており、一方クロム
鉱石を還元するという相反する化学反応を共存させてい
る。その上でクロム鉱石の還元率を向上させるには、な
るべく多くの過剰の炭素質還元材を還元反応領域まで存
在させておく必要がある。そのためこの還元装置１はロ
−タリ−キルン式の予熱炉２とロ−タリ−キルン式の還
元炉３から構成されている。予熱炉２は断面が円形であ
るが還元炉３の断面は図２に示すように８角形に構成し
てある。両者の長さはほぼ等しい。両者は高さを変えて
連続して配置され、予熱部分にはクロム粉鉱石のみを供
給し、還元部分に炭素質還元材を追加挿入する方法を採
用した。予熱炉２から排出されたクロム鉱石２１は炉内
投原シュ−ト１３を介して還元炉３に入る。その際還元
材投入シュ−ト１２から所定量の炭素質還元材を添加す
る。予熱炉２と還元炉３との接続部は中間フ−ド９によ
ってシ−ルしてある。この部分を通過するクロム鉱石の
温度は８５０〜１０００℃、ガスの温度は１０００℃以
上である。還元炉３の他端部には燃焼フ−ド１４を介し
てバ−ナ−１５を配置し、燃料の燃焼熱を利用して還元
炉３内を１２００℃以上に加熱する。還元されたクロム
鉱石２４はバ−ナ−１５の酸化性火炎の手前で還元炉３
から製品シュ−ト１６へ排出されるようにしてある。予
熱部は還元部から出る高温の排ガスの熱を有効利用でき
るものであれば特に制限はない。この還元装置から排出
されるガスは可燃性の一酸化炭素を多量に含むので、回
収して補助燃料として有効利用するのは言うまでもない
ことである。鉄皮４、５は支持リング（図示せず）を介
してサポートローラー１０によって支えられ、動力（図
示せず）により駆動され回転する。また、予熱炉２は鉄
皮４の内側に放射状に配置された断熱レンガで構成され
ており、その断面形状は通常のロ−タリ−キルンのとお
り円形である。還元炉３は図２に示すとおり断面が８角
形になるように異形耐火レンガ１１を組み合わせて構築
してある。予熱炉２の先端には排ガスダクト７を備えた
排ガスチャンバ−６があり、排ガスチャンバ−６を貫通
してクロム鉱石供給用の鉱石シュ−ト８が挿入されてい
る。

【００１１】以上説明したように、還元炉３部分の断面
形状が多角形のロ−タリ−キルンを使用して、バーナー
の燃焼炎でクロム鉱石と炭素質還元材の混合物を１２０
０〜１５００℃に加熱する。燃料は固体燃料、液体燃
料、気体燃料の何れでも良い。酸素を十分供給して高温
度を得れば良い。加熱温度を１２００℃以上としたの
は、１２００℃以下では酸化クロムの還元が実質的に進
行せず、１５００℃以上では鉱石が軟化して炉壁に付着
し、ダムリング（ｄａｍｒｉｎｇ）の原因となるからで
ある。原料の滞留時間が酸化クロムの還元温度以上であ
る１２００℃以上に６０分間以上となるように、原料の
充填量と炉の回転速度を調節する。温度が高く、滞留時
間が長いほど高還元率が達成できるのは当然である。

【００１２】

【作用】本発明では、ロ−タリ−キルンの内壁を断面形
状が多角形になるように構成し、クロム粉鉱石と粉状炭
素質還元材との混合原料が、スリップモ−ションではな
くて安息角まで持ち上げられてカスケ−ドモション主体
になるようにして、混合原料を十分撹拌してクロム鉱石
と炭素質還元材とが相互に新たな接触を起こすようにし
て、高度に還元された粉状クロム鉱石を得るようにし
た。ロ−タリ−キルン内の原料の動きを観察すれば図３
のとおりである。即ち、通常の円形断面のロ−タリ−キ
ルンでは、配合原料が安息角θより小さいα（α＜θ）
になるとスリップモーションを起こし、面Ｍ−Ｍ’と面
Ｎ−Ｎ’との間の往復運動を繰り返す。この間は原料の
撹拌はあまり起こらない。これに対して本願発明の多角
形断面の場合には、多面体の接線であるＣ点がストッパ
−の役目をするので、原料面がＬ−Ｌ’迄達して安息角
θを越えると原料の崩落が始まり、いわゆるカスケ−ド
モ−ションが起こる。こうなると原料の撹拌は活発に行
なわれるようになる。クロム鉱石と炭素質還元材との接
触の機会も増え、火炎からの熱の伝達も充分に行なわれ
る。また、小塊状の炭素質還元材を併用して表面に浮き
上がらせ、原料層の表面を炭素質還元材で覆いながら、
バーナーの燃焼炎を利用して高温度に加熱してさらに還
元率を高めるようにした。

【００１３】

【実施例】次に実施例を挙げて本発明を詳しく説明す
る。 （実施例１）上記の還元装置１を使用して、表１に示す
組成を有するクロム粉鉱石と粉コークスを粉コークスの
炭素量がクロム鉱石の還元に要する理論当量の２倍（Ca
rbonfactor : ｃｆ＝２．０）となるように表２の配合
例２のように設定し、配合原料が１．５ｔｏｎ／ｈｒの
量となるように還元装置内に装入した。その際クロム粉
鉱石は鉱石供給シュート８を介して予熱炉２へ、粉コー
クスは還元材投入シュート１２を介して還元炉３へ投入
した。各原料の粒度はいずれも３ｍｍ以下とした。還元
炉３中での原料の滞留時間は、クロムの還元が起こる１
２００℃以上の温度帯に１．９時間滞留するように設定
した。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】このようにして得られた還元クロム粉鉱石
の分析値を表３に示す。表中酸に可溶なクロムとは、カ
ーバイドに還元されたクロクであって、希硫酸に溶ける
もの、同じく酸に可溶な鉄とは、カーバイドに還元され
た鉄であって、希硫酸に溶けるものである。また、還元
率は図４に示す数式（３）より求めた。

【００１７】 Ｃｒ還元率 ＝ 酸に可溶なＣｒ／全Ｃｒ・・・・・・・・・・・・（４） Ｆｅ還元率 ＝ 酸に可溶なＦｅ／全Ｆｅ・・・・・・・・・・・・（５）

【００１８】

【表３】

【００１９】表３に示すとおり、この実施例により得ら
れた還元クロム粉鉱石は、全クロム中の６２％が還元さ
れた酸に可溶なクロムであり、全鉄中の９０％が還元さ
れた酸に可溶な鉄であった。全還元率は７０．２％と算
出された。この還元クロム粉鉱石は、転炉でステンレス
鋼を溶製する際に、クロム源として直接溶鋼中に吹込ん
で使用すれば、余分な還元反応は必要なく、エネルギー
と精練時間の大幅な短縮が可能となり、高品位のステン
レス鋼を安価に製造することが可能となる。

【００２０】（実施例２）表２の配合例４に示したよう
に、粉コークスの配合量をｃｆ＝２．５にした以外は実
施例１と同様にして操業した。得られた還元クロム粉鉱
石は、全還元率が７４％であった。粉コークスの配合量
が増えたぶんだけ還元率の向上が認められた。

【００２１】（実施例３）表２の配合例１に示したよう
に、粉コークスの配合量をｃｆ＝１．５にした以外は実
施例１と同様にして操業した。得られた還元クロム粉鉱
石は、全還元率が５３％であった。粉コークスの配合量
が減ったぶんだけ還元率の低下が認められた。

【００２２】（実施例４）表２の配合例３に示したよう
に、粉コークスの配合量をｃｆ＝１．５にし、さらに表
１に示した粒径６〜１２ｍｍの小塊石炭をｃｆ＝０．５
相当混合し、全ｃｆ＝２．０として操業した。それ以外
は実施例１と同様にして操業した。得られた還元クロム
粉鉱石は、全還元率が７２％であった。実施例１と比較
すると同じ全ｃｆにもかかわらず還元率の向上が認めら
れ、小塊石炭の被覆保護効果が認められた。

【００２３】（実施例５）表２の配合例５に示したよう
に、粉コークスの配合量をｃｆ＝１．５にし、さらに表
１に示した粒径６〜１２ｍｍの小塊石炭をｃｆ＝１．０
相当に増やして混合し、全ｃｆ＝２．５として操業し
た。それ以外は実施例１と同様にして操業した。得られ
た還元クロム粉鉱石は、全還元率が８０％であった。実
施例２と比較すると同じ全ｃｆにもかかわらず還元率の
向上が認められ、小塊石炭の被覆保護効果が認められ
た。

【００２４】（実施例６）還元炉３の断面形状を１２角
形にした以外は実施例１と同様にして操業した。得られ
た還元クロム粉鉱石は、全還元率が６７％であった。実
施例１と比較すると還元率はやや低かった。

【００２５】（実施例７）還元炉３の断面形状を５角形
にした以外は実施例１と同様にして操業した。得られた
還元クロム粉鉱石は、全還元率が６４％であった。実施
例１と比較すると還元率は低かった。

【００２６】（比較例）還元炉３の断面形状を通常のロ
ータリーキルンと同様の円形にした以外は実施例１と同
様にして操業した。得られた還元クロム粉鉱石は、全還
元率が３０％であった。実施例１と比較すると還元率は
低かった。これはロータリーキルン内で配合原料がスリ
ップモーションを起こし、撹拌が不十分でクロム粉鉱石
と粉コークスとの接触の機会が少ないためと推測され
る。

【００２７】これらの結果を還元材の配合割合と還元炉
の断面形状との関係でまとめると表４のとおりとなる。

【００２８】

【表４】

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、ロータリーキルン内を
多面体で構成してあるので原料のスリップモーションを
抑制してカスケードモーションを起こす。このため原料
の撹拌が促進され、クロム鉱石と炭素質還元材との新た
な接触の機会が大幅に増えるので還元率が向上する。従
来のようにペレット化等の前処理が不要となるので安価
に高還元鉱石が得られる。本発明により得られる高還元
クロム粉鉱石は３ｍｍ以下の粉末で、かつ少量の炭素質
還元材を含んでいるので転炉中への吹込みに適してお
り、熱源の補給をする一方でクロムの還元エネルギーは
僅かで済む。従ってステンレス鋼製用のクロム源として
極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例で使用したロ−タリ−キルンの回転軸
に平行な断面図である。

【図２】本実施例で使用した図１のロ−タリ−キルンの
回転軸に垂直な断面図である。

【図３】本発明のロ−タリ−キルン内の原料の動きを説
明するための模式図である。

【図４】全還元率の数式（数１）である。

【符号の説明】

１・・・・・還元装置 ２・・・・・予熱炉 ３・・・・・還元炉 ４・・・・・予熱炉鉄皮 ５・・・・・還元炉鉄皮 ６・・・・・排ガスフ−ド ７・・・・・排ガスダクト ８・・・・・鉱石供給シュ−ト ９・・・・・中間フ−ド １０・・・・・サポ−トロ−ラ− １１・・・・・耐火レンガ １２・・・・・還元材投入シュ−ト １３・・・・・炉内原料シュ−ト １４・・・・・燃焼フ−ド １５・・・・・バーナー １６・・・・・製品シュ−ト ２１・・・・・クロム粉鉱石 ２２・・・・・炭素質還元材 ２３・・・・・混合原料 ２４・・・・・還元クロム鉱石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 定広 山口県新南陽市野村南町4976−２ 周南電 工株式会社内 (72)発明者 寺田 俊彦 山口県新南陽市野村南町4976−２ 周南電 工株式会社内 (72)発明者 皆川 勉 山口県徳山市大字栗屋字奈切50−３ 有限 会社周南テクノクロム内 (72)発明者 高木 宣勝 東京都港区芝大門一丁目13番９号 昭和電 工会社株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クロム粉鉱石と、このクロム粉鉱石中の
   酸化クロムと酸化鉄を還元するのに要する理論当量を超
   える量の粉状の炭素質還元材とを、断面が多角形をなす
   ロ−タリ−キルン中で転動しながら、燃料を燃焼させて
   １２００〜１５００℃に加熱して還元することを特徴と
   するクロム粉鉱石の還元方法。
2. 【請求項２】 粒経３ｍｍ以下のクロム粉鉱石と、この
   クロム粉鉱石中の酸化クロムと酸化鉄を還元するのに要
   する理論当量の１．２〜３倍の量であって、粒経が３ｍ
   ｍ以下の粉状の炭素質還元材と、さらに粒経が６〜２０
   ｍｍで該理論当量の０．３〜３倍の量の小塊状の炭素質
   還元材とを、断面が多角形をなすロ−タリ−キルン中で
   転動しながら、燃料を使用して１２００〜１５００℃に
   加熱して還元することを特徴とするクロム粉鉱石の還元
   方法。
3. 【請求項３】 炉内の断面が円形のロ−タリ−キルン式
   予熱炉と、炉内の断面が多角形であるロ−タリ−キルン
   式還元炉を接続した構造を有し、該予熱炉の先端部から
   クロム粉鉱石を供給し、該予熱炉と該還元炉との接続部
   から炭素質還元材を供給し、還元炉の一端に配置したバ
   −ナ−の燃焼ガスを還元炉と予熱炉を貫通させて排気す
   ることを特徴とするクロム粉鉱石の還元装置。