JPH11217614A

JPH11217614A - 金属の溶融還元製錬方法

Info

Publication number: JPH11217614A
Application number: JP10019997A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Iwasaki; 克博岩崎; Shinichi Isozaki; 進市磯崎; Masahiro Kawakami; 正弘川上; Terutoshi Sawada; 輝俊澤田; Takeshi Sekiguchi; 関口　　毅; Masayuki Watabe; 雅之渡部
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素消費量及びガス発生量の少ない、酸化物
ないし水酸化物鉱石を連続的に溶融還元する方法。【解決手段】炭材と酸化物ないし水酸化物鉱石とを直
接接触させる機能をもつ反応炉を予備還元炉として使用
し、鉱石の金属化率を高くし、脱揮された石炭を炭材と
して用い、鉄浴型製錬炉に酸素含有ガスを吹き込む。予
備還元炉に装入する炭材の量を、鉱石全量が予備還元さ
れて金属化するに必要量以上とする。炭材と上記鉱石と
の直接接触反応炉として、ロータリーキルン又はロータ
リーハースを用いる。予備還元処理はせず、鉄浴型製錬
炉に脱揮された炭材を用いる。【効果】設備費用の安価な溶融還元プロセスを提供で
きる。

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、金属浴型製錬炉
に炭材及び予備還元処理を施された酸化物ないし水酸化
物鉱石を装入しつつ、その金属浴型製錬炉内に常温ない
し予熱された酸素２０％以上含有するガスを吹き込んで
溶融金属を製造する金属の溶融還元製錬方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶銑は高炉法により製造されてい
る。高炉法による溶銑製造においては、鉱石の還元材及
び燃料としてコークスが用いられ、一方、鉱石は焼結鉱
の形態に調製されて用いられる。従って、コークス炉や
焼結機設備の操業が必須となる。そして、これら設備の
操業においては厳しい環境対策が要求される。また、コ
ークス用原料炭としては強粘結炭が必要であり、その資
源不足が懸念されることや、世界における鉄源及びスク
ラップは地域的に偏在しているという問題等がある。更
に、高炉設備の建設には莫大な費用を要すること、ま
た、高炉による溶銑製造能力と製鉄所における溶銑の需
給バランス及び需給タイミングの観点から、製鉄所の立
地条件に依存して小回りのきく溶銑製造方法が要請され
る。

【０００３】そこで、上記問題を解決するために、高炉
法によらない溶銑の製造方法として従来、いくつかの技
術が開発・研究されている。例えば、「新鉄源の最近
の動向」日本鉄鋼協会製鉄プロセスフォーラム、平成８
年９月２９日、ｐ４２、「石炭直接利用製鉄技術の研
究」日本鉄鋼連盟、１９９６年６月、「第１６５，１
６６回西山記念技術講座」１９９７、ｐ１４９、「第
１６５，１６６回西山記念技術講座」１９９７、ｐ１１
７、MPT International (1997) pp50-61 、及びＣ
ＡＭＰ−ＩＳＩＪ（１９９７）７２３がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した先行技術は、
それぞれ次の利点及び問題点を有する。以下、それにつ
いて説明する。

【０００５】上記文献に紹介された技術の内、代表的な
ものの一つとしてＤＩＯＳ法が提案されている。この方
法は、炭材を常温ないし予熱された酸素２０％以上含有
するガスで二次燃焼させ、発生した熱で鉄鉱石を連続的
に溶融還元製錬するプロセスである。このプロセスにお
いては、酸素消費量およびガス発生量を低減し、設備費
用が安価な溶融還元プロセスの開発が重要になり、各種
プロセスの研究開発が行なわれ、提案されている。

【０００６】例えば、「新鉄源の最近の動向」日本鉄鋼
協会製鉄プロセスフォーラム（平成８年９月２９日）ｐ
４２〜５１、及び「石炭直接利用製鉄技術の研究」日本
鉄鋼連盟（１９９６年６月）（両方併せて、以下、先行
技術１という）には、通称「ＤＩＯＳ法」（Ｄｉｒｅｃ
ｔＩｒｏｎＯｒｅＳｍｅｌｔｉｎｇＲｅｄｕｃ
ｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ）が開示されている。ＤＩＯ
Ｓ法は、粉鉄鉱石を流動層予備還元炉で７００〜８００
℃まで予熱し、粉鉄鉱石を予備還元炉で予備還元率２０
％前後まで還元する。次いで、予備還元された鉱石を、
溶融還元炉へ装入し、炭材及び熱源として石炭を用い、
溶融還元炉内に酸素ガスを吹き込む。溶融還元炉は、鉄
浴型製錬炉であり、炭材として一般炭を用いることがで
きる。また、連続操業が可能なプロセスでもある。

【０００７】この方法では、予備還元炉として流動層炉
を用いるので、シャフト炉のような通気性の問題がな
く、鉱石粒度は、鉄鉱石粒径として８ｍｍ程度以下のい
わゆるシンターフィードを使用できる利点を有する。し
かしながら、還元材は二次燃焼タイプの溶融還元炉から
の排ガスのみを使用するので、熱力学的に流動層炉での
到達予備還元率は３３％を超えることはできない。図１
１に、流動層による鉄鉱石の還元操業が不可能な二次燃
焼率と予備還元率との領域を示し、また、従来の各種溶
銑製造法における二次燃焼率と予備還元率との関係領域
を示す。流動層炉では、また石炭原単位は７００ｋｇ／
ｔ以上、酸素原単位がほぼ５００Ｎｍ³／ｔ以上、生成
ガスの顕熱・潜熱が１〜２Ｇｃａｌ／ｔとなる。このよ
うな状況下にあるプロセスを成立させるための酸素プラ
ントやガス処理・エネルギー転換プラントの規模は極め
て大きくなり、溶融還元炉本体設備費と同程度の高額な
付帯設備費がかかることが、問題点の１つである（問題
点１）。

【０００８】ＤＩＯＳ法は、原料・燃料の自由度が大き
いという点で大変すぐれているものの、上記問題点１の
ように設備費が莫大となるために、低品質の石炭である
褐炭乃至亜レキ青炭、及び、低品質の鉱石である褐鉄鉱
乃至水酸化鉄鉱といったものを実際に活用することが困
難であった。

【０００９】ＤＩＯＳ法における上記問題点の改善を目
指して、例えば、石炭原単位・酸素原単位の低減と生産
性の向上を図るために、溶融還元炉内の二次燃焼率を上
昇させていった場合、通常の製錬炉におけるように耐火
物炉壁を用いた場合には、炉体寿命がせいぜい数十から
数百時間しかもたない。そのために、炉壁には水冷構造
を採用せざるをえない。この対策として、炉壁に水冷パ
ネルを用いた場合でも、先行技術２にあるように、二次
燃焼率が４０％近傍まで高めた場合には、炉壁の熱負荷
が増大し、３００Ｍｃａｌ／ｍ²ｈ以上に上昇し、炉か
らのヒートロスが増大すること、及び、水冷構造体を維
持するために大量の冷却水が必要となることから、二次
燃焼率をこれ以上大きくすることは非現実的であると考
えられてきた（問題点２）。

【００１０】一方、通称「ＲＯＭＥＬＴ法」が、「第１
６５，１６６回西山記念技術講座」１９９７、ｐ１４９
で紹介されている（以下、先行技術２という）。ＲＯＭ
ＥＬＴ法では、予備還元炉を設けず、溶融還元炉単独で
の大気圧下操業のため、石炭や鉱石を乾燥する必要がな
い点において、ＤＩＯＳ法にまさる。しかしながら、石
炭原単位は少なくとも１２５０ｋｇ／ｔ以上、酸素原単
位１０００Ｎｍ³／ｔ以上、そして生成ガス潜熱・顕熱
が数Ｇ〜十Ｇｃａｌ／ｔと大きくなるので、莫大な酸素
製造、及びエネルギー転換設備が必要である（問題点
１）。

【００１１】先行技術２においても、炉内二次燃焼を増
大させることにより、石炭原単位の減少を見込むことは
できるが、先行技術１と同様、炉壁の熱負荷が増大する
ので、生産性は１ｔ／ｈ／ｍ²（炉断面積）前後に制限
されている（問題点２）。

【００１２】また、通称ＦＡＳＴＭＥＴ法やＩＮＭＥＴ
ＣＯ法が、第１６５，１６６回西山記念技術講座１９９
７、ｐ１１７で紹介されている（以下、先行技術３とい
う）。先行技術３の方法は、石炭粉と粉鉱石をペレット
化した後、ロータリーハース型の炉で金属鉄生成まで還
元し、天然ガスでない石炭ベースのＤＲＩ（直接還元
鉄）製造技術として紹介されている。また、MPT Inter
national (1997) pp50-61 には、粉鉱石と石炭とをペレ
ット化せずにロータリーハース型の炉で直接、ＤＲＩを
製造する技術が紹介されている（以下、先行技術４とい
う）。

【００１３】しかしながら、先行技術３や４の製錬方法
では、石炭中に０．５〜０．６％程度含まれるＳ成分
が、部分的にしか除去されないため、成品であるＤＲＩ
中の〔Ｓ〕濃度が少なくとも０．１％程度残ってしま
う。従って、電気炉等のような、直接、鋼を製造する製
鋼炉でＤＲＩを溶解原料として用いる場合には、溶鋼の
脱Ｓ処理コストが大変高いということが大きな問題であ
る（問題点３）。従って、製鋼炉における鉄源使用量の
１００％をＤＲＩとすることはできず、製鋼用鉄源の部
分的供給しかできない点が問題である（問題点４）。な
お、ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ（１９９７）７２３には、石炭
から分離した揮発分で鉱石を予備還元する考え方が紹介
されている（以下、先行技術５という）。この報告は、
ＣがＣＯまで燃焼するまでの燃焼熱をほぼ無視した解析
を行なっているため、熱物質収支に不整合がある。ま
た、鉱石還元率が４０％前後でさほど高くはなく、ま
た、石炭とチャーとを溶融還元炉で使用する場合の比較
が上記熱物質収支不整合のため、適切にはなされていな
い。

【００１４】上述した問題点をまとめると、以下の通り
である。問題点１〔先行技術１及び２に対して〕：製錬プロセス
でので生成ガスの潜熱及び顕熱が極めて大きいので、莫
大な酸素製造設備やエネルギー転換設備が必要となり、
その設備費用が高額となる。

【００１５】問題点２〔先行技術１及び２に対して〕：
小規模な酸素製造設備やエネルギー転換設備で足りるよ
うにするために、二次燃焼率を向上させると、製錬炉の
炉壁熱負荷が著しく増大し、炉からのヒートロスが増大
すること、及び、水冷構造体を維持するために大量の冷
却水を必要とし、非現実的なプロセスになる。

【００１６】問題点３〔先行技術３及び４に対して〕：
製鋼炉でＤＲＩ（直接還元鉄）を溶解原料として用いる
場合には、脱Ｓ処理コストが極めて高くなる。問題点４〔先行技術３及び４に対して〕：コスト上、Ｄ
ＲＩでは製鋼用鉄源の部分的供給しかできない。

【００１７】従って、この発明の目的は、これらの問題
点を解決して、高炉法に代わる溶銑製造技術として、製
錬プロセスにおける酸素消費量及びガス発生量を減ら
し、かくして、設備費用が安価な、金属の溶融還元製錬
方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上述した観点から、本発
明者等は、金属の溶融還元製錬方法を開発すべく鋭意研
究を重ねた。即ち、先行技術１に関する試験結果を詳細
に検討し、実験を重ねた。その結果、下記知見を得た。
鉄鉱石と炭材とを鉄浴型製錬炉、即ち溶融還元炉に装入
しつつ当該炉内に常温ないし予熱された酸素２０％以上
含有するガスを吹き込んで、溶銑を製造する工程におい
て、溶融還元炉に装入する炭材として、石炭を予め脱揮
してチャーを調製し、このチャーを用いると、溶融還元
炉における二次燃焼率を従来水準よりも著しく高くして
も、炉壁の熱負荷を小さく抑制することができるとの知
見を得た。即ち、本発明者等は、溶融還元炉において、
炭材として装入する石炭を脱揮して、残留する揮発物質
（ＶＭ）の含有率を減らした場合に、二次燃焼率の向上
に対する炉壁熱負荷がどのように変化するかを明らかに
する試験をした。そして、図１に示す結果を得た。

【００１９】図１から明らかなように、溶融還元炉に装
入する石炭中の揮発物質含有率を１０wt.%未満に減らす
と、全く脱揮しなかった石炭（ＶＭ：３０〜４５％）を
使用した場合と比較して、炉壁熱負荷が著しく軽減す
る。そして、その軽減の程度は、平均的に約３分の１程
度である。

【００２０】そこで、本発明者等は、この発明の目的を
達成するためには、前述したＤＩＯＳ法における溶融還
元炉へ装入する炭材として、石炭を脱揮して生成するチ
ャーを使用することに着眼した。この着眼に伴い、上記
チャーを、ＤＩＯＳ法における予備還元炉において行な
わせることを着想した。そして、予備還元工程におい
て、予備還元率を従来水準よりも向上させると同時に、
石炭を脱揮してチャー化する機能をもつ反応炉を、予備
還元炉として採用すべきである、との全く新しい着想を
得た。

【００２１】この発明は、上述した知見と独創的な着想
に基づきなされたものである。請求項１記載の金属の溶
融還元製錬方法は、予備還元炉に炭材及び酸化物ないし
水酸化物鉱石を装入し、前記炭材で前記酸化物ないし水
酸化物鉱石を予備還元し、こうして予備還元処理を施さ
れた酸化物ないし水酸化物鉱石と、炭材とを、金属浴型
製錬炉に装入しつつ、前記金属浴型製錬炉内に常温ない
し予熱された酸素２０％以上含有するガスを吹き込んで
溶融金属を製造する金属の溶融還元製錬方法において、
前記予備還元処理を施された酸化物ないし水酸化物鉱石
として、下記（イ）の工程で予備還元されたものを用い
ることに特徴を有するものである。ここで、工程（イ）：炭材と酸化物ないし水酸化物鉱石とを直接
接触させる機能をもつ反応炉を用い、前記反応炉に炭材
及び酸化物ないし水酸化物鉱石を装入し、前記酸化物な
いし水酸化物鉱石の少なくとも一部分を金属化するまで
還元し、こうして金属化された金属を少なくとも一部含
む酸化物ないし水酸化物鉱石を調製する工程。

【００２２】請求項２記載の金属の溶融還元製錬方法
は、金属浴型製錬炉に炭材及び予備還元処理を施された
酸化物ないし水酸化物鉱石を装入しつつ、前記金属浴型
製錬炉内に常温ないし予熱された酸素２０％以上含有す
るガスを吹き込んで溶融金属を製造する金属の溶融還元
製錬方法において、前記金属浴型製錬炉に装入される、
炭材及び前記予備還元処理を施された酸化物ないし水酸
化物鉱石のそれぞれに、下記（ロ）の工程で予備還元処
理を施された酸化物ないし水酸化物鉱石及び炭材のそれ
ぞれを含ませることに特徴を有するものである。ここ
で、工程（ロ）：炭材と酸化物ないし水酸化物鉱石とを直接
接触させる機能をもつ反応炉を用い、前記反応炉に炭材
及び酸化物ないし水酸化物鉱石を装入し、前記酸化物な
いし水酸化物鉱石の少なくとも一部分を金属化するまで
還元し、こうして金属化された金属を少なくとも一部含
む酸化物ないし水酸化物鉱石と、脱揮されて生成したチ
ャーを少なくとも一部含む炭材とを調製する工程。

【００２３】請求項３記載の金属の溶融還元製錬方法
は、請求項１又は２記載の金属の溶融還元製錬方法にお
いて、前記予備還元炉に装入する前記炭材の量を、前記
酸化物ないし水酸化物鉱石の全量が予備還元されて金属
化するために化学量論的必要量以上の量とすることに特
徴を有するものである。

【００２４】請求項４記載の金属の溶融還元製錬方法
は、請求項１〜３記載の発明の内、いずれか一つの金属
の溶融還元製錬方法において、前記予備還元炉に装入す
る前記炭材が、脱揮されて生成したチャーを含んでいる
ことに特徴を有するものである。

【００２５】請求項５記載の金属の溶融還元製錬方法
は、請求項１〜４記載の発明の内、いずれか一つの金属
の溶融還元製錬方法において、前記予備還元炉が、ロー
タリーキルン型又はロータリーハース型の反応炉である
ことに特徴を有するものである。

【００２６】請求項６記載の金属の溶融還元製錬方法
は、金属浴型製錬炉に炭材及び酸化物ないし水酸化物鉱
石を装入しつつ、前記金属浴型製錬炉内に常温ないし予
熱された酸素２０％以上含有するガスを吹き込んで溶融
金属を製造する金属の溶融還元製錬方法において、前記
金属浴型製錬炉に装入する前記炭材として、予め少なく
とも一部が脱揮された炭材を用いることに特徴を有する
ものである。

【００２７】請求項７記載の金属の溶融還元製錬方法
は、請求項６記載の金属の溶融還元製錬方法において、
酸化物ないし水酸化物鉱石を予熱及び／又は予備還元
し、得られた予熱及び／又は予備還元された酸化物ない
し水酸化物鉱石を、前記金属浴型製錬炉に装入すること
に特徴を有するものである。

【００２８】請求項８記載の金属の溶融還元製錬方法
は、請求項８記載の金属の溶融還元製錬方法において、
前記金属浴型製錬炉に装入する前記炭材が、前記予熱及
び／又は予備還元時に少なくとも一部が脱揮された炭材
を用いることに特徴を有するものである。

【００２９】請求項９記載の金属の溶融還元製錬方法
は、請求項７又は８記載の溶融還元製錬方法において、
前記予備還元が、ロータリーキルン型又はロータリーハ
ース型の反応炉を用いて行なうことに特徴を有するもの
である。

【００３０】

【発明の実施の形態】次に、この発明の実施の形態とそ
の実施に伴なう還元反応並びに作用及び効果とについて
説明する。

【００３１】（１）実施態様〔第一実施態様〕：図２に、この発明を実施するときに
使用する設備の概略フローチャートの一例を示す。同図
に示すように、予備還元炉としての予備還元用炭材・鉱
石直接接触炉３（例えば、ロータリーキルン又はロータ
リーハース型炉等であって、溶融還元炉生成ガスを予備
還元流動層へ導いて、還元処理を行なわせるような、鉱
石周囲の雰囲気が炭材の影響をほとんど受けないような
炉を除く）に、原鉱石１１並びに原炭材２１を連続的に
装入し、高カロリー燃料２０を供給すると共に、酸素４
６と予熱された空気５０を適宜混合された混合ガスを吹
き込んで、原鉱石１１を予備還元する。このとき、直接
接触炉３に適宜、石灰石や生ドロマイト等の生副原料２
５を装入する。また、予備還元操業条件（原炭材の供給
速度や予備還元温度等）に依存して、原炭材２１の脱揮
が進行し、チャーとなる。こうして、原鉱石１１は予備
還元されて所定の還元率を得る。そして、還元率に依存
して金属化された鉄を含んだチャー含有還元鉄１５が連
続的に生成される。

【００３２】こうして、直接接触炉３で予備還元された
チャー含有還元鉄１５を溶融還元炉１に連続的に装入す
る。溶融還元炉１へはその他に、焼石灰や軽焼ドロマイ
ト等の副原料２６、原炭材２１並びに酸素４６及び適宜
空気を吹き込んで還元鉄を溶融還元製錬する。溶融還元
製錬に際し、溶融還元炉１へ窒素ガス４８を吹き込んで
浴撹拌を強化する。こうして、溶融還元炉１内では鉄浴
及びスラグ浴が形成され、溶銑３６及びスラグ３７が排
出される。

【００３３】一方、図２に示すように、付帯設備とし
て、除塵機５３、蒸気回収ボイラー５６、発電設備５
４、及び空気予熱用熱交換器５８が設けられており、溶
融還元炉１から排出される生成ガス３１、及び予備還元
用炭材・鉱石直接接触炉３から排出される発生ガス３２
を処理する。生成ガス３１及び発生ガス３２からは、除
塵された回収ダスト３８が溶融還元炉１へリサイクルさ
れ、ガス顕熱は蒸気回収ボイラー５６で熱回収される。
また、発生ガス３２はガスホルダー５２に貯留され、発
電設備５４に供給されて発電される。

【００３４】〔第二実施態様〕：図６に、この発明を実
施するときに使用する設備の概略フローチャートの他の
例を示す。同図に示すように、この設備例は、予備還元
炉が設けられていない場合である。但し、炭材脱揮炉５
が設けられている。炭材脱揮炉５には、原炭材２１が装
入され、高カロリー燃料２０を供給すると共に、酸素４
６と予熱された空気５０を適宜混合したガスを吹き込ん
で、原炭材２１を脱揮する。そして、溶融還元炉１に
は、脱揮炭材２２を装入すると共に、原鉱石１１を連続
的に装入し、その他に、石灰石や生ドロマイト等の生副
原料２５を装入する。そして上記脱揮炭材２２で酸素４
６と予熱された空気５０とが適宜混合されたガスを吹き
込んで原鉱石１１を溶融還元製錬する。溶融還元製錬に
際し、溶融還元炉１へは、適宜窒素ガス４８を吹き込ん
で浴撹拌を強化する。こうして、溶融還元炉１内では鉄
浴及びスラグ浴が形成され、溶銑３６及びスラグ３７が
排出される。

【００３５】一方、図６に示すように、付帯設備とし
て、除塵機５３、蒸気回収ボイラー５６、発電設備５
４、及び空気予熱・熱風製造用熱交換器５８が設けられ
ており、溶融還元炉１から排出される生成ガス３１、及
び炭材脱揮炉５から排出される脱揮炉生成ガス３３を処
理する。生成ガス３１及び脱気炉生成ガス３３からは、
除塵機５１で捕捉された回収ダスト３８が溶融還元炉１
へリサイクルされる。溶融還元炉１から排出される生成
ガス３１のガス顕熱は蒸気回収ボイラー５６で熱回収さ
れる。また、脱揮炉生成ガス３３はガスホルダー５２に
貯留され、発電設備５４に供給されて発電される。

【００３６】〔第三実施態様〕：図７に、この発明を実
施するときに使用する設備の概略フローチャートの他の
例を示す。同図に示すように、この設備例には、予備還
元炉として、予熱・予備還元流動層２が設けられてお
り、ここで原鉱石１１がチャー含有予備還元鉱石１４に
還元され、溶融還元炉１に装入される。溶融還元炉１に
は、その他に、焼石灰や軽焼ドロマイト等の副原料２６
が装入され、炭材脱揮炉５で脱揮された脱揮炭材２２が
装入され、酸素４６を吹き込んで溶融還元製錬する。こ
の際、窒素ガス４８を吹き込んで浴撹拌を強化する。こ
うして、溶融還元炉１内では鉄浴及びスラグ浴が形成さ
れ、溶銑３６及びスラグ３７が排出される。付帯設備と
して、除塵機５３、蒸気回収ボイラー５６及び発電設備
５４が設けられており、第二実施態様と類似している。

【００３７】〔第四実施態様〕：図８に、この発明を実
施するときに使用する設備の概略フローチャートの他の
例を示す。同図に示すように、この設備例は、図７で説
明した第三実施態様における、予熱・予備還元流動層２
の代わりに予備還元用炭材・鉱石直接接触炉３を設け、
この直接接触炉３への装入鉱石として、炭材脱揮炉５で
脱揮さた脱揮炭材（チャー）２２と原炭材１１とを使用
するものであり、その他の設備内容は第三実施態様に準
じたものである。

【００３８】（２）還元反応、作用及び効果はじめに、この明細書で用いた語句の定義をする。〔二次燃焼率〕：二次燃焼率とは、溶融還元炉の炉口な
いしフード・ダクト部分で計測し得るガス酸化度をい
う。二次燃焼率（％）＝ＳＲＦ炉口部近傍ガス酸化度（％）ガス酸化度（％）＝｛（ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ）／（ＣＯ＋Ｃ
Ｏ₂＋Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）｝×１００通常は、溶融還元炉浴部のガス酸化度は、炉口部より高
いが、実測することは困難であるため、上記の定義とす
る。

【００３９】二次燃焼率は、ＣＯ→ＣＯ₂、Ｈ₂→Ｈ₂
Ｏに燃焼した割合であり、ガス酸化度には付着水分が蒸
発したＨ₂Ｏや、分解生成ＣＯ₂も分子に含むため、厳
密には異なるものである。ＳＲＦ浴部のガスは、その上
部ガス空間で、炭材の揮発分や飛散ダスト中の炭素によ
り改質されて、ガス酸化度が浴部と比べ、ＳＲＦ炉口で
は最大で１０％前後下がることがある。

【００４０】〔炭材〕：炭材とは、炭素含有物質であっ
て、いわゆる石炭、コークス、チャー、オイルコーク
ス、ＲＤＦや廃プラスティック等の廃物燃料等の固形物
以外に、重油、炭化水素含有物を含む。

【００４１】〔高カロリー燃料〕：高カロリー燃料と
は、重油やプロパンガス等少なくとも２５００ｋｃａｌ
／Ｎｍ³以上のカロリーを有する燃料を指すものとす
る。

【００４２】〔鉱石を金属化させるに必要な化学量論的
炭材量〕：実施例２〜４におけるような、予備還元炉に
鉱石を金属化させるに必要な化学量論的炭材量より過剰
に炭材を加えるに際しては、予備還元炉生成物中のＣ濃
度を少なくとも５％以上、望ましくは１０％以上とすべ
きである。溶融還元炉での必要炭素量は、二次燃焼率が
低いほど多く必要となるわけであるが、少なくとも、予
備還元炉生成物中Ｃ濃度が、４０％を超えることはな
く、通常、３０％以下程度が望ましい。

【００４３】溶融還元炉の操業中における炉壁熱負荷
は、炉内の二次燃焼率増大に伴ない、増大するが、これ
は、主として高温ガスからの輻射伝熱によるものと考え
られている。ガス中の輻射には、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂、ＣＯ
が影響大であり、Ｎ₂やＨ₂はほとんど無視できる程度
の影響しかない。上記の３成分中でも特にＨ₂Ｏの影響
が大であることは、化学工学便覧等文献に記載された輻
射係数をみると予想できるが、本発明者等は、溶融還元
炉内のような高温含塵ガス中で実際にその寄与率を確認
することができた。それらの検討結果より、石炭中揮発
分（ＶＭ）が少なくとも１０％未満となるレベルまで脱
揮することにより、溶融還元炉内での炉壁熱負荷に及ぼ
す二次燃焼の影響を従来の半減レベルまで低減すること
ができることを見出した（図１参照）。

【００４４】上記結果は、石炭中に通常５％前後含まれ
る水素分によりガス中に少なくとも１０％以上、通常２
０％前後は存在するためであり、原料・燃料に付着して
いる水分の影響はその十分の１以下程度である。

【００４５】石炭、特に一般炭とよばれる非粘結炭中に
通常含まれる水素分は、高温にさらすことにより、揮発
分として１％以下までほとんど除去可能であり、炉壁熱
負荷の点で、溶融還元炉の二次燃焼率は、３０％からせ
いぜい４０％強とまりであったのに対し、本方法を適用
することにより、二次燃焼率を４０％以上〜８０％程度
までは、それほどヒートロスの増大を招かず、操業でき
る効果が得られ、石炭原単位、酸素原単位の低減、設備
費低減を可能とすることができた。

【００４６】これらの原単位や設備費低減を更に改善す
るためには、石炭の脱揮を１２００℃前後の高温雰囲気
下で、鉱石との混合下で行うと、鉱石は必然的に金属鉄
を生成し、金属化率６０％以上、通常８０〜９０％程度
のものが容易に得られる。そして、この際、鉱石と混合
する石炭の割合を鉱石の金属化に必要な量より過剰に
し、次の溶融還元炉での必要炭材量に見合うものとして
おくことにより、前述の石炭脱揮による二次燃焼増大の
効果と、流動層での鉱石還元よりはるかに高い鉱石還元
率の獲得による石炭原単位・酸素原単位の低減は、当初
のプロセスでの値の１／２〜１／３にまで達する。ただ
し、この場合、溶銑〔Ｓ〕濃度は、０．１％ないしそれ
以上に増大してしまうことはいなめない。しかし、溶融
還元炉は、あくまで溶銑製造プロセスであり、製造溶銑
の脱Ｓは、いわゆるＫＲ法等の溶銑脱硫法により容易に
かつ安価に実施できる。もちろん、もし〔Ｓ〕レベルが
０．１％程度の溶鋼を成品として〔Ｓ〕＝０．０１％と
するには、まさに莫大な処理コスト（数千円／ｔレベ
ル）が耐火物やフラックス費用として必要となるので、
プロセスが成立しないと考えられる。これに対して、溶
鋼より温度が低く、効率的精錬が行える溶銑段階では、
その十分の１以下の費用で現実的な処理が可能でる。従
って、この発明による溶銑供給により、高炉代替鉄源を
１００％供給することが可能になるという効果が得られ
る。

【００４７】

【実施例】次に、この発明を、実施例によって更に詳細
に説明する。試験に使用した設備フローは、実施の形態
で述べたものに準じたものを用いた。予備還元炉は、ロ
ータリーキルン、ロータリーハース、及び流動層型炉を
使用した場合、予備還元炉は使用せずに炭材脱揮炉を使
用した場合、並びに、炭材脱揮炉とロータリーキルンと
の両方を用いた場合について試験した。そして、溶融還
元炉における二次燃焼率を各種水準に設定し、予備還元
炉における還元率を各種水準に変化させた鉱石を溶融還
元炉に装入し、また、脱揮水準を変化させた石炭を使用
した。

【００４８】表１〜４に、本発明の範囲内の条件による
実施例１〜１０、及び、本発明の範囲外の条件による比
較例１〜３についての試験条件の詳細を示す。また、各
試験における設備フローチャートを、図２〜１０に示
す。試験Ｎo.と設備フローチャート（図Ｎo.）との対応
関係は次の通りである。また、表５に、試験に用いた鉱
石及び石炭についての平均的品位及び低品位のものの分
析結果を示す。上記試験結果を、表１〜４に併記して示
す。また、図１２に、実施例及び比較例の結果をプロッ
トした。実施例１：図３実施例２〜４：図２実施例５：図４実施例６：図５実施例７：図６実施例８〜９：図７実施例１０：図８比較例１〜２：図９比較例３：図１０実施例８及び９は、比較例２において、炭材を脱揮した
後、溶融還元炉へ装入したものである。但し、実施例８
は、脱揮した炭材を室温近傍の温度で溶融還元炉へ装入
した例であるが、実施例９は、脱揮後の炭材を冷えない
ように保温したまま、溶融還元炉へ装入したものであ
り、チャーのホットチャージによる熱利得が大きいこと
を示している。

【００４９】比較例３、実施例６、７（図１０、図５、
図６）においては、溶融還元炉の撹拌用窒素ガスをなく
し、代わりに、空気又は熱風を吹込み、酸素濃度の低い
ガスで炭材燃焼を行なうので、溶融還元炉内のスラグ−
メタル流動で生成する粒鉄等のメタル中Ｃ分によるＣＯ
₂ガスの再還元等がないため、高二次燃焼をより得ら易
い条件である。特に、実施例７（図６）においては、予
熱空気を用いていることから、予熱温度が高いほど、溶
融還元炉内の酸素原単位、炭材原単位を低減させ得る効
果が大となる。

【００５０】比較例１は、通常、高炉等でも使える原燃
料（石炭は一般炭）の平均レベルであるが、比較例２、
３と実施例はすべて、炭材・酸素原単位上不利な低品位
の鉱石及び低品位の石炭である。勿論、高品位の原燃料
を用いれば、本方法はより効果的であることはいうまで
もない。

【００５１】実施例においては、溶融還元炉における二
次燃焼率及び予備還元率共に高くすることができる。そ
して、二次燃焼率及び／又は予備還元率を高くすること
ができたので、酸素原単位及びガス発生量を低減させる
ことができる。

【００５２】

【表１】

【００５３】

【表２】

【００５４】

【表３】

【００５５】

【表４】

【００５６】

【表５】

【００５７】上記試験は、鉄鉱石の溶融還元についての
結果であるが、これが、Ｎｉ，Ｃｒ、Ｍｎ等の金属・金
属酸化物の場合も同様に本発明方法の実施は有効であ
る。

【００５８】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
予備還元炉に炭材及び酸化物ないし水酸化物鉱石を装入
し、炭材で酸化物ないし水酸化物鉱石を予備還元し、こ
うして予備還元処理を施された酸化物ないし水酸化物鉱
石と、炭材とを、金属浴型製錬炉に装入しつつ、前記金
属浴型製錬炉内に常温ないし予熱された酸素２０％以上
含有するガスを吹き込んで溶融金属を製造する金属の溶
融還元製錬方法において、消費酸素量を低減させ、しか
も酸素原単位及びガス発生量を低減させることができ
る。また、鉱石の予備還元を行なわない場合でも、溶融
還元炉での二次燃焼率を高くし、炭材としてチャーを用
いれば、消費酸素量及びガス発生量を抑制することがで
きる。その結果、設備費の安価な金属の溶融還元製錬方
法を提供することができ、工業上有用な効果がもたらさ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶融還元炉の炉壁熱負荷と二次燃焼率との関係
に及ぼす炭材の脱揮度の影響を示すグラフである。

【図２】実施例２〜４で用いた設備フロチャートであ
る。

【図３】実施例１で用いた設備フロチャートである。

【図４】実施例５で用いた設備フロチャートである。

【図５】実施例６で用いた設備フロチャートである。

【図６】実施例５で用いた設備フロチャートである。

【図７】実施例８〜９で用いた設備フロチャートであ
る。

【図８】実施例１０で用いた設備フロチャートである。

【図９】実施例１〜２で用いた設備フロチャートであ
る。

【図１０】実施例３で用いた設備フロチャートである。

【図１１】従来の各種溶銑製造法における二次燃焼率と
予備還元率との関係領域を示すグラフである。

【図１２】実施例及び比較例の試験結果を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１溶融還元炉２予熱・予備還元流動層炉３予備還元用炭材・鉱石直接接触炉５炭材脱揮炉６副原料焼成炉１１原鉱石１２予備還元鉱石１３予備還元鉄１４チャー含有予備還元鉱石１５チャー含有還元鉄２０高カロリー燃料２１原炭材２２脱揮炭材（チャー）２５生副原料２６副原料３１溶融還元炉生成ガス３２予備還元炉発生ガス３３脱揮炉生成ガス３４回収ガス３５回収蒸気３６溶銑３７スラグ３８回収ダスト４６酸素４７空気４８窒素４９ガスカロリー調整用燃料５０熱風５１除塵機５２ガスホルダー５３昇圧機５４発電設備５６蒸気回収ボイラー５７ガス大気放散５８熱交換器６０ガス処理設備

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者澤田輝俊東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者関口毅東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者渡部雅之東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予備還元炉に炭材及び酸化物ないし水酸
化物鉱石を装入し、前記炭材で前記酸化物ないし水酸化
物鉱石を予備還元し、こうして予備還元処理を施された
酸化物ないし水酸化物鉱石と、炭材とを、金属浴型製錬
炉に装入しつつ、前記金属浴型製錬炉内に常温ないし予
熱された酸素２０％以上含有するガスを吹き込んで溶融
金属を製造する金属の溶融還元製錬方法において、前記予備還元処理を施された酸化物ないし水酸化物鉱石
として、下記（イ）の工程で予備還元されたものを用い
ることを特徴とする、金属の溶融還元製錬方法。工程（イ）：炭材と酸化物ないし水酸化物鉱石とを直接
接触させる機能をもつ反応炉を用い、前記反応炉に炭材
及び酸化物ないし水酸化物鉱石を装入し、前記酸化物な
いし水酸化物鉱石の少なくとも一部分を金属化するまで
還元し、こうして金属化された金属を少なくとも一部含
む酸化物ないし水酸化物鉱石を調製する工程。
【請求項２】金属浴型製錬炉に炭材及び予備還元処理
を施された酸化物ないし水酸化物鉱石を装入しつつ、前
記金属浴型製錬炉内に常温ないし予熱された酸素２０％
以上含有するガスを吹き込んで溶融金属を製造する金属
の溶融還元製錬方法において、前記金属浴型製錬炉に装入される、炭材及び前記予備還
元処理を施された酸化物ないし水酸化物鉱石のそれぞれ
に、下記（ロ）の工程で予備還元処理を施された酸化物
ないし水酸化物鉱石及び炭材のそれぞれを含ませること
を特徴とする、金属の溶融還元製錬方法。工程（ロ）：炭材と酸化物ないし水酸化物鉱石とを直接
接触させる機能をもつ反応炉を用い、前記反応炉に炭材
及び酸化物ないし水酸化物鉱石を装入し、前記酸化物な
いし水酸化物鉱石の少なくとも一部分を金属化するまで
還元し、こうして金属化された金属を少なくとも一部含
む酸化物ないし水酸化物鉱石と、脱揮されて生成したチ
ャーを少なくとも一部含む炭材とを調製する工程。
【請求項３】前記予備還元炉に装入する前記炭材の量
は、前記酸化物ないし水酸化物鉱石の全量が予備還元さ
れて金属化するために化学量論的必要量以上の量とする
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の金属の溶融還
元製錬方法。
【請求項４】前記予備還元炉に装入する前記炭材は、
脱揮されて生成したチャーを含んでいることを特徴とす
る、請求項１〜３記載の発明の内、いずれか一つの金属
の溶融還元製錬方法。
【請求項５】前記予備還元炉は、ロータリーキルン型
又はロータリーハース型の反応炉であることを特徴とす
る、請求項１〜４記載の発明の内、いずれか一つの金属
の溶融還元製錬方法。
【請求項６】金属浴型製錬炉に炭材及び酸化物ないし
水酸化物鉱石を装入しつつ、前記金属浴型製錬炉内に常
温ないし予熱された酸素２０％以上含有するガスを吹き
込んで溶融金属を製造する金属の溶融還元製錬方法にお
いて、前記金属浴型製錬炉に装入する前記炭材として、予め少
なくとも一部が脱揮された炭材を用いることを特徴とす
る、金属の溶融還元製錬方法。
【請求項７】酸化物ないし水酸化物鉱石を予熱及び／
又は予備還元し、得られた予熱及び／又は予備還元され
た酸化物ないし水酸化物鉱石を、前記金属浴型製錬炉に
装入することを特徴とする、請求項６記載の金属の溶融
還元製錬方法。
【請求項８】前記金属浴型製錬炉に装入する前記炭材
は、前記予熱及び／又は予備還元時に少なくとも一部が
脱揮された炭材を用いることを特徴とする、請求項８記
載の金属の溶融還元製錬方法。
【請求項９】前記予備還元は、ロータリーキルン型又
はロータリーハース型の反応炉を用いて行なうことを特
徴とする、請求項７又は８記載の溶融還元製錬方法。