JPS602612A - 鉄系合金の溶融還元法 - 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） 本発明は鉄系合金を溶融還元法で製造するに際し、耐火
物への負荷が小さい温度域で還元反応速度を高め生産性
を大にするための方法に関する。

ここで言う鉄系合金とは溶銑あるいは半溶銑（Ｃ：１．
５〜４チ）のよりなＦｅ−Ｃ合金、あるいはＦｅ　−Ｃ
−Ｘ　（Ｘ　：　Ｃｒ　ａＭｎ　＃　Ｓ　ｉなど）系の
所謂フェロアロイなどを意味し、いずれも鉄鋼材料を製
造するための中間成品という性格を持っている。

これらの合金はこれまでいずれも鉱石を高炉あるいは電
気炉などのように還元力の強い炉で製錬する方法で製造
されてきた。これらの炉の共通点はシャフト型であシ、
還元反応は溶融酸化物が高温に加熱されたコークス充填
層を滴下する間におこることである。すなわち、反応は
連続的におこっている。

しかし、これらの方法では次のような問題がある。

（１）充填層の通気性を維持するために、鉱石および炭
材とも強度の高いものが要求され、その調整に要する費
用が大である。

（２）一方、炉内には局所的な高温部（羽口部、あるい
はアーク部）が存在するため、５１０２の還元反応がお
こシやすく、得られる成品Ｓ１含有量を低減することが
むつかしい。

（３）炉容積１ｍ　あたシの生産速度が小さい。

（１）と（２）の問題点を解決するための方法の一つが
上底吹転炉型反応容器を用いる溶融還元製錬法である。

すなわち、底吹ガスによシ溶融合金及び溶融スラグを強
攪拌しつつ、そこに鉱石あるいはそれを予備還元したも
の、炭材、フラックスおよび酸素を供給することによっ
て、発熱、溶融、還元反応を進める方法である。

この方法では、溶融物の強攪拌という手段を導入するこ
とによって、前述のシャフト炉方式の問題点を解決する
ことができる。すなわち、（１）充填層の通気性維持と
いう制約から解放される。

（ｉｉ）強還元を利用して、酸化物の還元反応を促進し
、平衡値に近づけることができる。

例えば、Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒなどの還元と８１の還元を分
離し、低Ｓｔの鉄系合金を、該成分（Ｆａ、Ｍｎ＋Ｃｒ
など）の歩留を高く保ちつつ製造することができる。

しかし、このような上底吹転炉型反応容器を用いる方法
を実用化するためには、還元反応速度を大にするための
方法を見出さなければならない。

すなわち、シャフト炉では局所的高温部があっても、そ
れは装入した固体によって耐火物面と遮断されておシ、
耐火物の負荷は小さいのに対し、強攪拌浴では溶融物の
温度が均一化されること、および耐火物近傍での溶融物
の流動が激しいために、耐火物溶損に関しては不利な条
件にある。このような条件下で耐火物損傷を抑制するた
めには、（１）スラグの（Ｔ、Ｆｅ％）を低い値に保つ
こと、（Ｉ＋）スラグ温度を極力低い温度に保つことな
どが望ましい。しかし、これらの条件はいずれも酸化物
の還元速度を小さくシ、炉の生産性を低下するおそれが
ある。

（発明の目的） 本発明は以上のような事情に鑑み、上底吹転炉型反応容
器を用いて鉄系合金を溶融還元法で製造するに際し、耐
火物への負荷を小さくしつつ、耐火物の還元反応速度を
犬にし、生産性を高く保つための方法を提供することを
目的とする。

（発明の構成・作用） 本発明の要旨とするところは下記のとおシである。

（１）酸素を上底吹できる転炉型反応容器に、鉄酸化物
を伴う原料、炭材、フラックスおよび酸化性ガスを供給
して酸化物の溶融・還元と生成したメタルの分離を行う
工程において、鉄酸化物を含む原料の少なくとも一部を
粉状で、上吹ランスを通してスラグに吹き付け、スラグ
中に存在する、炭素を含むメタル粒の量を増加して還元
反応を促進することを特徴とする鉄系合金の溶融還元法
。

（２）酸素を上底吹できる転炉型反応容器に、鉄酸化物
を伴なう原料、炭材、フラックスおよび酸化性ガスを供
給して酸化物の溶融・還元と生成したメタルの分離を行
う工程において、かさ比重５以下のスクラップをスラグ
上方から投入し、スラグ中に存在する、炭素を含むメタ
ル粒を増加して還元反応を促進することを特徴とする鉄
系合金の溶融還元法。

本発明では、上底吹転炉型攪拌浴で耐火物の損傷を抑制
しつつ高速度で鉄酸化物を含む原料の溶融還元を進める
という課題を、スラグ中の炭素を（５） 含むメタル粒の存在量を増加することによって解決した
。

酸化物の還元反応は、還元反応過程あるいは還元反応熱
の供給過程のいずれかによって律速される。まず、還元
反応の速度は、温度が高いほど、スラグ中の該成分の酸
化物濃度が高いほど、捷た、酸化物の還元反応がおこる
場所の面積が大きいほど大になる。しかし、前述のよう
に、温度と該成分の酸化物濃度（特にＦｅＯ％　）は、
耐火物損傷抑制の点から、いずれも上限がある。そこで
、本発明では酸化物の還元反応がおこる部分の面積を大
にすることに着目した。溶融還元炉の中で、酸化物の還
元反応がおこる場所として通常考えられるのは、炭素を
含むメタル浴と、遊離炭材表面である。第１図−（１）
に示すようにメタル浴３上にスラグ層１がある場合、ス
ラグ−メタル界面での反応を高速度に保つことは、いく
ら強攪拌を行っても限界がある。特に規模が大きくなる
ほど、相対的に反応速度は低下する。もし、メタル浴を
有力な還元反応サイトとして利用しようとすれば、第１
（６） 図−（２）に示すように、還元すべき酸化物を含む原料
を粉状としてメタル浴３に吹込むことが考えられる。こ
の方法によって、たしかに反応がおこる面積を増大する
ととができるが、その場合の問題点は以下のとおシであ
る。

（＋）多量の粉状原料を吹込むための設備が大がか）に
なシ、設備費が高いとともに、配管摩耗などがおこシや
すいので設備保全がやっかいである。

（ｉｉ）炉内でＣ−＋ＣＯの反応熱しか利用できない。

その理由はＣＯ−＋ＣＯ２の反応熱は炉内の上部空間で
しか発生せず、メタル浴との間に厚い（特に泡立った）
スラグが存在する場合はその熱を還元反応がおこる場所
に伝えることがむつかしいからである。

したがって、この方法ではたとえ設備上の問題を解決し
て粉状原料の吹込みが行えても、熱供給律速になシメタ
ル温度が低下することによって、生産性が制約されるこ
とになる。

第１図−（３）のように上底吹酸による強攪拌によって
スラグ層１中に存在する炭材の面積を犬にすること、あ
るいは粉状炭材をスラグ中に吹き込むことは、ある値ま
で還元速度を高める効果があるが、その効果は飽和し、
本発明が要求される高生産性を実現するには十分ではな
い。スラグに比して比重が小さい炭材を溶融スラグ中に
分散させて存在させるには限度があるからである。

そこで本発明ではスラグと還元反応サイトの接触面積を
増加させる方式として、スラグ中に、炭素を含有するメ
タル粒の存在を増加せしめる方法を採用する。具体的に
は、底吹ガスによシ強攪拌が行える炉で酸素を上吹きし
ながら、酸化鉄を含む原料の一部を粉状にスラグ中に吹
き込みつつ、溶融還元を行うか、底吹ガスによシ強攪拌
が行える炉で酸素を上吹きしなからかさ比重５以下のス
クラップをスラグ上に投入しつつ溶融還元を行う。

溶融還元に用いる炉の１例を第２図に示す。

図において、１１はロータリーキルン、１２は溶融還元
炉、１３は羽口、１４は上吹ランス、１５はフード、１
６は炭材・フラックス用ホッパー、１７はメタル、１８
はスラグ、１９はクロムペレット、２０は炭材、２１は
気泡、２２は粉状原料吹込用ランスである。

溶融還元炉１２は、酸化鉄を含む鉱石、あるいはそれを
炉外で加熱・予備還元したものを主とする原料の供給を
受けて、それを溶融し、残留した酸化鉄その他回収を目
的とする金属（クロム・マンガンなど）の還元を進める
とともに、生成したスラグとメタルの分離を行うための
装置である。

底部から酸素を含むガスの吹込みを行うための羽口１３
（複数個のことがある）と上方から酸素を炉内に吹込む
ためのランス１４が付帯している。

底吹ガスはメタル及びスラグを強攪拌して還元反応を促
進する上で重要である。本発明では特に、スラグ中にメ
タル粒を懸濁した状態で強攪拌し、メタル粒と炭材との
接触、吸戻の機会を増し、メタル粒表面を有効な反応サ
イトにするために本質的である。

攪拌するという目的からはガスは酸素を含むことは必ず
しも必要では表いが、酸素以外のガス（Ｎ２　ｒ　Ａｒ
など）を用いるとすれば、そのために多量のガスを要し
く特に生成スラグ景が多い場′合（９） は必要攪拌力を得るために）、コスト的、熱的に不利に
なる。したがって、酸素を含んだものを用いることが合
理的である（純酸素を用いる場合には、例えば、二重管
羽口とし、羽口保護用に炭化水素などを用いる）。なお
、酸素を含んだガスを底吹きする場合には、メタル層の
温度制御、Ｃ含有量制御が可能になるという効果もある
。

上吹ランス１４からの酸素供給は主として炉上方から投
入した塊状の炭材（コークスなど）を燃焼（Ｃ−＋ＣＯ
あるいは一部Ｃ−＊　ＣＯ２）　Ｌ発熱せしめるための
もので、本製錬法では主発熱源である。

炭材は、本発明においては酸化物の還元剤であるととも
に、一部酸化発熱して溶融・還元のためのエネルギーを
供給するのに用いられる。その大半は塊状のものを炉の
上方から投入するのは、それが添加方法として最も容易
であるからである・その一部として粉状物を上吹き、浸
漬吹き、あるいは底吹きして添加しても差支えはない。

しかし、全量粉状とすれば、メタル中に存在するメタル
粒に加炭して、還元反応をおこしやすくするという（１
０） 本発明の目的には不利になシ好ましくない。本発明では
大半の炭材は塊状物として添加され、スラグ中に、スラ
グの攪拌状況によってきまる分布をしている状況を前提
としている・ このような状態で粉状原料吹込用ランス２２を介して、
酸化鉄を含む粉末原料の一部をスラグ１８の上面から吹
き付けると、粉末は慣性力によってスラグ中に侵入する
。同時にスラグ上方に分散する炭材（コークス）の一部
をスラグ中に押し込む作用もする。吹込まれた粉末はス
ラグで溶解・還元され、スラグ中に微細なメタル粒を生
成する。

このメタルはスラグ強攪拌状態では炭材（コークスなど
）と接触、吸戻してスラグ中で有効な還元反応サイトを
生成する。

酸化鉄を含む原料の全部を塊状物で装入した場合に比べ
ると、粉状物を吹き付けた場合にはスラグ中でのメタル
粒の滞留時間が長く、上記の機構による還元反応促進効
果が大きい。なお、還元反応促進効果は、還元反応の進
行を一次反応式で整理し、その速度定数の比較によって
評価している。

その場合、還元反応の活性化エネルギーは、鉄の場合、
約２５　ｋ　ｃａｌ／ｒ１１ｏｌ　、、クロムの場合、
約３５ｋ　ｃａｌ／ｍｏｌである。この関係にもとづい
て、還元反応促進効果を、操業温度低下効果に換算する
ことができる。

粉状物で吹込む比率が大なほど、スラグ中に存在するメ
タル粒の量は増加するが、第３図に示すように、メタル
量がふえると合体によシ沈降しやすくなるものの増加す
るので効果は逓減する。

なお、吹込む鉄酸化物を含む粉末原料の鉄分に関する予
備還元率が、反応促進効果に及ぼす影響を第４図に示す
。鉄分の予備還元率が３０〜９０係の範囲で、特に効率
が高い。したがって、吹込む原料は炉外で予備還元され
ていることが望ましい。酸化鉄を含まない場合（例えば
完全に金属化されたメタル粒）は高価なばかシでなく吹
き込んだ時にくっついて粗大化し、スラグ中の滞留時間
が短かいので好ましくない。

このように還元反応サイトを増加せしめることによシ、
所定の還元速度を得るための反応温度を低下せしめるこ
とが可能になシ本発明の目的を達成することができる。

なお、本発明で用いた上底吹転炉利用プロセスでは、所
定量の原料を投入終了後、吹酸と攪拌を続けることにょ
シ仕上げ還元を行うことができる。これは鉄よシも難還
元性の金属を含む場合、あるいはスラグ中の該金属酸化
物の量を著しく低くしたい場合などでは有効な方法であ
る。

なお、底吹羽口を保護するためには、操業は次のように
行えばよい。すなわち、生成したメタルの一部（例えば
１／３）を残留させてそれに原料を加えて溶融還元を行
いメタル量を増加させてゆく。

スラグ中に存在する炭素を含むメタル粒を増加させるに
は、前述のような方法のほかに、スクラップなどのメタ
ルを炉上方から投入する方法がある。この場合に炉内に
投入されたスクラ、７″は熱によって溶解し、炭材と接
して吸戻し、スラグ中を移動する間にスラグ中の酸化鉄
あるいは回収を目的とする金属の酸化物の還元を促進す
る。この場合、反応促進効果はスクラップのかさ比重に
依（１３） 存する（第５図）。スクラップのかさ比重が大きすぎる
と、スクラップの溶解がスラグの下部でおこるために吸
戻の機会が少ないため、メタル粒が有効反応サイ）Ｋな
らないためである。

（実施例） （１）定格溶融金属量（すなわち出湯直前の溶湯量）が
ＳＯｔの上底吹転炉を反応容器として用い、炉外で予備
還元された酸化鉄ペレット、流動層還元によシ予備還元
された酸化鉄粉を鉄原料とし、塊状コークスを炭材とし
て、Ｆ＠−３％　Ｃ溶湯を製造した◎ （１４） 生成したメタルは１／３を炉内に残し半連続的に操朶を
行った。

溶融還元炉の炉底には、底吹羽口（内径２０謔の二重管
４本が取付けられておシ、内管は純酸素、外管はデロノ
クンがスを保護ガスとして流す。上吹ランスのノズルは
全部で７孔（中心に１孔、周囲に６孔である） 一溶融還元第１期− 残し湯２６ｔに酸素を含むガスを上底吹しながら、予備
還元された酸化鉄ペレット、及び酸化鉄粉を下表の比率
で連続的に装入する。スラグ中の酸化鉄濃度はほぼ４−
８優の間を推移する。吹酸速度は、上吹９０００　Ｎｍ
３／ｈｒ　＊底吹８０　ＯＮｍ”／ｈｒＸ４である。鉄
分原料中の酸化鉄粉の割合を次の３レベルに増加した時
、スラグの酸化鉄濃度の推移がほぼ同じでメタル温度（
強撹拌されているのでスラグ温度もほぼ等しい）は下表
のように低下することができた。

（１６） 一溶融還元第２期− 所定量の鉄原料を装入した後、上表と同じ温度で１０分
間、吹酸（上吹８５００　Ｎｍ”／ｈｒ　ｅ底吹８００
　Ｎｍ”／ｈｒ　）を行って、スラグ中の酸化鉄濃度を
０．５チまで低下した。

（２）　さきの実施例とほとんど同一方法であるが、流
動層還元された酸化鉄粉を用いるかわシに、かさ比重３
〜４の普通鋼スクラップ（プレス屑）を投入した。全装
入鉄分のうち、スクラップからの鉄分の比率が２０係の
場合、さきの実施例の（Ｃ）の場合とほぼ同じ効果が得
られた。

（１７） メタル温度が７０℃低下することによシ、耐火物原単位
を５５係低減することができた。

（城明の効果） 以上のように、本発明は上底吹転炉型反応容器で鉄系合
金を溶融還元法で製造する場合の耐火物損傷の問題を、
スラグ中に存在するメタル粒を増加して、低温度での還
元反応を促進することによって解決したもので、従来の
シャフト型反応炉による方式に比して、安価にかつ、高
品質の鉄系合金の製造を可能にした点で、経済的な効果
が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は転炉型反応容器での溶融還元反応を促進するた
めの三つの方式を示す説明図、第２図は本発明を実施す
るのに用いる溶融還元炉の一例を示す説明図、第３図は
酸化鉄を含む粉状原料（吹付けた原料の鉄分予備還元率
：５（１）をスラグに吹き付けた場合の、還元反応促進
効果（−次反応式で整理した時の速度定数で比較する）
と、原料のうちの吹き付けたものの比率の関係を示す図
、（１８） 第４図は還元反応促進効果に及ぼす吹き付けた粉状原料
（全原料中の吹付けたものの比率：２０％）の鉄分予備
還元率の関係を示す図、第５図はスラグ中に存在するメ
タル量増加をスクラップ添加場合の、スクラップのかさ
比重と還元反応促進効果の関係を示す図である。 （１９） 第３回 乎４回 吃セ住１すた幸か米原季十の４先・分束オ〕１（％）第
５図 スクラップのメ・ご比重 手続補正書（自発） 昭和５８年８月１０日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、　事件の表示 昭和５８年特許願第１１０５６８号 ２、　発明の名称 鉄系合金の溶融還元法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 東京都千代田区大手町二丁目６番３号 （６６５）新日本製鐵株式会社 代表者　武　１）　豊 ５、　補正命令の目付　昭和　年　月　日６、補正の対
象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ７、　補正の内容 （１） （１）明細書１２頁２〜３行「約３５　Ｋ　ｃａｌ／ｍ
ａｔ　Ｊを［約９０　Ｋｅａｌ／ｍｏｌ　Ｊに補正する
。 （２）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素を上底吹できる転炉型反応容器に、鉄酸化物
   を伴う原料、炭材、フラックスおよび酸化性ガスを供給
   して酸化物の溶融・還元と生成したメタルの分離を行う
   工程において、鉄酸化物を含む原料の少なくとも一部を
   粉状で上吹ランスを通してスラグに吹き付け、スラグ中
   に存在する、炭素を含むメタル粒の量を増加して還元反
   応を促進することを特徴とする鉄系合金の溶融還元法。
2. （２）酸素を上底吹できる転炉型反応容器に鉄酸化物を
   伴なう原料、炭材、フラックスおよび酸化性ガスを供給
   して酸化物の溶融・還元と生成したメタルの分離を行う
   工程において、かさ比重５以下のスクラップをスラグ上
   方から投入し、スラグ中に存在する、炭素を含むメタル
   粒を増加して還元反応を促進することを特徴とする鉄系
   合金の溶融還元法。