JPS62202008A - 酸化鉄の還元方法 - 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］ 本発明は粉鉄鉱石を焼成、造粒することなく、直接流動
還元し、電気炉、転炉、溶融還元炉等の溶解炉に供給し
て銑鉄・鋼の製造用原料とする工程、又は脈石分の少な
い高純度鉱石を流動還元して鉄粉を製造する工程等にお
（プる酸化鉄の還元方法に関するものである。

［従来の技術］ 又、鉄鉱石と炭材の流動還元法に於いて、排ガスの成分
が一定となるように鉄鉱石と炭材の比率を変えることに
より還元率、金属化率を一定に制御する方法が知られて
いる（特公昭６Ｏ−１４８０２）。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、酸化鉄粒体と炭素質粒体の混合流動還元に於て
は、）！元剤として例えば炭素粒体として石炭を使用し
、且つ実機での経済性を考え排ガスを循環する場合につ
いて考察してみと、以下の如くなる。すなわち、流＠層
内に供給された石炭は高温還元雰囲気内に於て、揮発分
が気化し、水素、炭化水素系のガスを発生してコークス
（チャー）化し、更に炭化水素の一部は酸化鉄粒体との
還元反応により生成したＨ２０或はＣＯ２と反応し、Ｈ
２及びＣＱを生成する。

次にチャーは還元反応により生成ｌノたＨ２０やＣＯ２
或は供給固体やガス中の８２０やＣＯ２と反応し、Ｈ２
及びＣＯを生成する。この時の反応を式で表わすと以下
のようになる。

今、前記式■、■の反応が１回ずつ進むと、結果として
Ｃを３モル消費し、Ｈ２は変わらず、ＣＯが３モル発生
する。

次に、前記式■、■の反応を２回ずつ繰り返すと、結果
としてＣを６モル消費し、Ｈ２は変わらず、ＣＯが６モ
ル発生する。

又、前記式■、■の反応の場合は、繰り返す毎にＣの消
費モル分だけＣＯが増加する。

実際の還元炉内の反応は、温度、圧力とＨ２０／Ｈ２、
ＣＯ２／Ｇｏの分圧等の関係から完全に上式が進むわけ
ではないが傾向として、Ｃの消費量の増加と共に還元炉
内の還元性ガス中のＨ２／Ｇｏのモル比はＣＯが増加す
る方向に進む。

このことから、石炭の供給初期には、揮発分からのＨ２
により還元性ガス中の１４２モル比が増え、その後チャ
ーの滞留時間と共にＣＯのモル比が徐々に増加すること
がわかる。

ところで、流動層に於ては、炉内の滞留時間、滞留ｍは
以下の関係から求まる。

ここで、ＡＴ：滞留時間　　　ｍ１ｎ ＡＰ：流動層内圧損　ｋｇ／ｃｍ２ Ｓ：流動円断面積　ｃｍ２ Ｑ：排出ｆｉｚ　　　　　ｋＭｍｉｎ 又、滞留量は流動層圧損に見合って決まり、ｆｆ１Ｐ−
３となる。この式より例えば、ｆｆ１Ｐ一定でＱを増せ
ばＡＴは短かくなるので、ＡＴを長くするにはＡＰ＠増
すか、Ｑを少なくすればよい。

以上の関係から、例えば排ガスの８２％が減少したので
石炭供給量を増した場合について考えて見ると、 （１）滞留時間を一定とした場合は、排ガス中のＨ２が
増えるがＣＯも増加してしまう、（ｔｉ）　　排ガス成
分を一定にするように滞留時間を変えると金属化率も変
わってしまう、 （資）排ガスのωが増加する、 ００　　排出量を一定にしておくと、炉内滞留量が増加
し、滞留時間が変わってしまう、 等の結果となり、このことばＨ２が増加した場合や、０
０％の増減から石炭供給量を増減した場合にも同様の結
果が起る。

従って、鉄鉱石／石炭の比を変えることのみでは、排ガ
スの成分を一定に制御することは困難でおり、もし仮に
できたとしても還元炉内の条件が全て一定になるわけで
はないので、金属化率が一定となるよう制御するのは困
難である。

［問題点を解決するための手段］ 上述の従来の問題点を解決することを目的として本発明
では、還元炉内に加熱された還元性ガスの上昇流を形成
し、この上昇気流中に酸化鉄粒体と炭素質粒体を供給し
て雨粒体の混合流ｅ層を形成し、単位時間当り供給する
酸化鉄粒体中の仝鉄原子数と還元性ガス及び炭素質流体
中の全水素原子数の比により還元率若しくは金属化率を
制御するようにした。

［作　　用］ 酸化鉄粒体と炭素質粒体の粒径及び還元性ガスの流速を
適宜選択すると混合流動層が形成され、炭素質粒体から
水素及び水素系ガスが発生してチャー化すると共に、酸
化鉄粒体は還元性ガス、水素及び水素系ガス等により還
元され、該還元反応により生成された１−ｂｏ及びＣＯ
２との下記反応 １」２　ｏ十ｃ−＋Ｈ２＋ＧＯ ＧＯ２±Ｃ→　２ＣＯ により炭素質粒体の一部が消費され、残りの炭素質粒体
がチャーとして、前記還元性ガス等により還元された還
元鉄と共に還元炉外に排出される。

以上の還元反応において、単位時間当り供給する酸化鉄
粒体中の仝鉄原子数と還元性ガス及び炭素質粒体中の全
水素原子数の比を所定の割合にすることにより還元率若
しくは金属化率を制御することができる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の方法の実施に使用する酸化鉄還元設面
の一例を示すもので、１は流動層式の還元炉、２は循環
する高温の還元性ガス、３は酸化鉄粒体、４は炭素質粒
体、５は流動層内の酸化鉄粒体、６は流動層内の炭素質
粒体、７は半還元鉄又は還元鉄、８はチャー、９は排ガ
ス、１０はダスト、１１は清浄排ガス、１２は加熱器、
１３は散気管、１４は散気管用のヘッダー、１５はホッ
パー、１６は装入装置、１７はシュートでおり、還元炉
１の頂部に接続し・た排ガスダクト・２５の下流側にサ
イクロン１８を設りて排ガス９からダスト１０を分離し
、史に下流側にＣＯ２リムーバー１９、ｔ−１ｚｏリム
ーバー２０を設置して清浄排ガス１１から夫々ＧＯ２、
Ｈ２０を除去し、還元性成分を多聞に含む還元性ガスを
ファン２１で昇圧し、加熱器１２により加熱した後、高
温の還元性ガス２として散気管１３用のヘッダー１４か
ら散気管１３により還元炉１内に送給するようにしであ
る。

図中２２はクーラー、２３は排出装置、２４はスクリー
ンである。

還元炉１に加熱された還元性ガス２をヘッダー１４を介
して還元炉１内の散気管１３より導入し、上昇流を形成
する。この上昇気流中に還元炉１上部よりホッパー１５
、装入装置１６、シュー１−１７を介して酸化鉄粒体３
と炭素質粒体４を連続的に供給し、還元炉１内に所定の
高さＨの流動層を形成する。流動層内に於て循環導入さ
れた還元性ガス２のＨ２とＣＯにより酸化鉄粒体５を還
元する。更に炭素質粒体６より発生ずるＨ２及び１」２
系ガスによっても還元させると共に、生成された１」２
０を炭素質粒体６のＣと反応させてＨ２とＣＯとし還元
させる。還元炉１より排出された排ガス９は、サイクロ
ン１８でダスト１０を除塵された後、ＣＯ２リムーバー
１９、［」２０リムーバー２０により夫々ＣＯ２、Ｈ２
Ｏを順次除去され、ファン２１で昇圧され、加熱器１２
で加熱後還元炉１に循環導入される。

一方還元炉１内の酸化鉄粒体５は還元され還元鉄７とな
り、炭素質粒体６は揮発分がぬけてチャー８となる。還
元炉１内に於て、流動層高Ｈの圧損につり合った量の酸
化鉄粒体５と炭素質粒体６が滞留しているが、通常はこ
の圧損を一定に保ちつつ供給と排出を行なう。滞留時間
は排出の速度を変えることにより、又はこれらと共に圧
損を変えることにより制御する。排出゛された還元鉄７
とチャー８はクーラー２２で冷却俊排出装置２３を通り
炉外に排出される。そして例えば粒径差を利用したスク
リーン２４により或はＶａ選により分離される。

第１図に示す設備により、酸化鉄粒体３として鉄鉱石、
炭素質粒体４として石炭を使用し、還元温度９２０℃で
金属化率９０％以上を目標に種々ガス循環方式による試
験を実施した。表−１に一部の代表的な試験流データー
を示す。又表−２に使用した鉄鉱石、表−３に各種石炭
の組成等を示す。

表−２鉱石の成分・粒径 表−３５炭の成分 表−１により、炭種、循環ガス闇／鉄鉱石供給量、鉄鉱
石／石炭比、滞留時間、循環ガス中ｆ」ｚ、Ｃｏモル比
等大幅なバラつきがあるにもかかわらず、いずれも金属
化率８８〜９２％とほぼ９０％が達成されていることが
わかる。

又、循環ガス組成は、炭種、鉄鉱石／石炭比、滞留時間
等により変わるが、Ｈ２：４３〜５５、ＣＯ：３４〜４
５の範囲内で平衡することかわかる。

これらの諸データーに基づき金属化率に真に影響を及ぼ
す要因についての考察を行なった。

炉頂ガス中のＨ２／Ｈ２０とＣＯ／ＣＯ２の関係を第２
図に示す。第２図において実線はこれらの平衡値を示す
が、試験の結果は平衡値よりＣＯ／ＣＯ２の大きい値の
方へずれており、Ｈ２による還元の方が優先的に進行し
ていることを示している。又、第２図において、滞留時
間３５分以下と以上に別けてみると、滞留時間が短いと
Ｈ２による還元の方がより優先的に進行することを示し
ている。これは還元性ガス中のＨ２が５０％程度、ＣＯ
が４０％程度の雰囲気では、Ｈ２による還元が優先し、
滞留時間を長くとると徐々にＣＯによる還元も進行する
ためと考えられる。

又、炭種による滞留時間と金属化率の関係を第３図示す
。滞留時間が短いと褐炭の方が金属化率が高くなる。こ
れは褐炭の揮発分（水素源）が多く、還元性ガス雰囲気
中のＨ２分圧が高くなるためと考えられる。逆に滞留時
間が長くなると炭種による影響はなくなる。これは金属
化率が９０％を越えると平衡に近づくこと、及び還元性
ガス雰囲気中の００分圧が高くなり、ＣＯ還元が進むこ
とによると考えられる。以上から、滞留時間３０分程度
では、Ｈ２による還元が優先的に進行すること、水素弁
の多い褐炭の還元率の方が高くなることがわかった。

又、鉄鉱石／石炭比については、金属化率との関係は明
確でない。これは、滞留時間、供給ガス組成、還元性ガ
ス間／鉄鉱石等が還元条件に複雑に影響を及ぼしている
ためでおる。

次に、金属化率に真に影響を及ぼすと思われる水素比と
いう概念を導入し、この水素比と金属化率の関係を示す
と第４図の如くなる。こで水素比とは以下の様に定義す
る。

（供給還元性ガス中の全水素原子数／時間十炭素質粒体
中の全水素原子数／時間）／（酸化鉄粒体中の全水素原
子数／時間）第４図中の実線は実機を想定した関係線で
、各プロットした点より金属化率が高めとなっている。

本試験は流動層直径が約１００市と小さく、しかも流動
層高が直径の３乃至４倍にも達し、スラッギングが激し
くガスと粒子との接触が悪くなっているのに対し、直径
の大きくなる実機ではＨ／Ｄの比をより小さくすること
ができ、スラッギング無しで安定な流動層となることが
想定できるので金属化率は試験の場合より高めに予想し
ている。

第４図より以下の知見が得られた。

（１〉　　炭種の如何によらず水素比と金属化率は一定
の関係になる。

（ｂ　金属化率は滞留時間、鉄鉱石／石炭比率、循環ガ
ス量、循環ガス組成等の変動にかかわらず、水素比と一
定の関係にある。

（３）　　水素比７迄の間は、水素比の上昇と共に金属
化率が急激に上昇し、水素比７で９０％の金属化率を達
成し、以降の金属化率の上昇は少ない。

以上より、酸化鉄粒体と炭素質粒体の混合流動層に於て
、酸化鉄粒体の還元率若しくは金属化率を制御する方法
として、水素比制御が有効であり、還元温度９００〜１
０００℃の範囲で、水素比７で９０％以上の金属化率が
得られる。

以上の試験は還元温度９２０℃で行なったが、９２．０
〜１０００℃でも水素比７で９０％以上の金属化率の達
成を確認している。

ここで、水素比は、例えば還元炉排ガスの流量と排ガス
中のＨ２，８２０モル比から全水素原子数を求め、鉄鉱
石装入量からその比を求める。次に、水素比は石炭供給
ω、）１■留時間（Ｐ又は排出量制御）、時間ガス中の
脱Ｈ２０率、循環ガス量、系外からのＨ２やＨ２Ｏの補
給等により制御することができる。

なお、上記水素比は全水素原子数と酸化鉄粒体中の全Ｆ
ｅ２０３　、Ｆｅ３０４としての酸化鉄の全酸素原子数
との比としてもよい。

Ｆｅ２Ｏ３の場合、水素比７は４．７に相当する。

次に、本発明の還元方法をコストの面から検討する。

前記第１図に示した還元設備において、第５図に示すよ
うに還元ガスとして１００％Ｈ２或はＨ２＋Ｎ２の種々
の割合の混合ガスを供給し、種々石炭／鉱石比に於ける
滞留時間と金属化率の試験を行なった。その結果は第５
図に示す如くであり、１００％Ｈ２の時短い滞留時間で
９０％の金属化率が１ｑられた。その結果と表−１の循
環試験の試験Ｎ０１１，２の結果の諸比較を表−４に示
す。

表−４１００％Ｈｚ　、循環ガス試験諸比較腰衣−４よ
り、１００％Ｈ２供給ガス方式より循環ガス方式の方が
水素比が低くなる。又還元性ガスと石炭の単位消費量の
点から単純コスト比較をＨ２：６０円／Ｎｍ３．石炭２
０円／に９として行うと、 １００％Ｈ２の場合： Ｈ２：　１．４３〜１．４６　Ｎｍ’　／ｋｇ−鉱石　
８５．８〜８７．６円石炭：　０．４３〜０．３４ｋｇ
／ｋｇ−鉱石　　　８．６〜６．８円９４．４　９４．
４円 循環ガスの場合： 循環ガス二〇　　　　　　　　　　　　　　　　　〇石
炭　　：　０．４３〜０．８２ｋＱ　／ｋｇ−鉱石　８
．６〜１６．４日８．６〜１６．４円 （循環ガス源は供給石炭であり、材料費はＯ）となり、
循環ガス方式の方が大幅に安くなる。

尚、本発明の酸化鉄の還元方法は上述の実施例のみに限
定されるものではなく、例えば本方法の下流に溶融還元
炉を組合わせ、本方法により酸化鉄粒体の予備還元を行
ない、生成された半還元鉄を溶融還元炉で最終還元と溶
解・精錬を行なって銑鉄・鋼を製造することら可能であ
ること等本発明の要旨を逸脱しない範囲内に、１３いて
秤々変史を加え１９ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の酸化鉄の還元方法にれば、
下記の如き種々の優れた効果を発揮する。

＜Ｉ）　　炉況の変化により還元率、金属化率が変化し
た時に、水素比一定となる様例えば炭素質粒体供給量、
滞留時間（ＡＰ又は排出量制御）、循環ガス量、循環ガ
ス中の全水素量等を制御することにより、金属化率の安
定化を図ることができる。従来に於ては、炭素質粒体供
給量等の上記諸条件を変えた場合、真に金属化率に影響
を及ぼす要因がつかめていなかったため、かえって炉況
のバランスをくずすことにもなりかねなかったが、本発
明の方法によりこのようなことがなくなる。

＜ＩＩ）　　実機の設計・製作、操業に於て、設置場所
の地理的制約から鉱石種、炭種等が限定される場合がの
るが、これらの原料事情や金属化率等の製品ニーズに対
し、本発明の方法の水素比の概念を導入する事により、
設備費、生産費等の面で最適の設Ｒ１、操業が可能とな
る。

■　炭素質粒体として、例えば水素含有量の少ない、コ
ークス紛、木炭粉等を使用することも、水素比一定の制
御を行なうことによって可能となる。

Ｎ　還元温度９００〜１ｏｏｏ℃で、水素比７とするこ
とにより、金属化率９０％以上が得られると共に水素比
７以上にすることにより還元速度を早めることができる
。

（Ｖ）　　鉄鉱石と石炭の混合流動層に於て、流動還元
する方法では、表−１に示すように炭種、鉄鉱石／石炭
比率、滞留時間等の還元条件により排ガス組成は変わる
が、Ｈ２：４０〜６０％、ＣＯ：４５％以下の範囲内で
平衡した循環ガスとして、還元炉内へ再導入でき、その
時金属化率９０％以上を達成することができる。この循
環ガス源は石炭のみによるもので、純水素の如き高価な
還元ガスを供給することなく、安価な褐炭等によって水
素比の維持ができる。

の　炉外の排出されたガスの還元性成分を所定の割合に
調整して循環使用すると、水素を使用する場合に比ベコ
ストが大幅に低減する。

發　還元炉内に常に炭素質粒体が流動しているため、炉
内でＨ２ＯはＨ２ｏ＋Ｃ−＋１−ｔ２　十ＣＱの反応に
よりＨ２を生成する。従って、水素比中の水素原子源と
して安価なＩ」２０も含まれる。Ｈ２Ｏの供給方法とし
ては、系外からの供給以外に、炉排ガスを循環供給する
際の脱Ｈ２０除去率を制御する方法でもよく、きわめて
経済的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の還元方法の実施に用いる酸化鉄還元設
備の一例を示す説明図、第２図は炉頂排ガス中（７）Ｈ
２／Ｈ２０とＣＯ／ＣＯ２との関係を示す線図、第３図
は炭種による平均滞留時間と金属化率との関係を示ず線
図、第４図は水素比と金属化率の関係を示す線図、第５
図は各種供給還元性ガス、石炭／鉱石比に於ける平均滞
沼時間と金属化率との関係を示す線図である。 １は還元炉、２は還元性ガス、３は酸化鉄粒体、４は炭
素質粒体、５は流動層内の酸化鉄粒体、６は流動層内の
炭素質粒体、７は半還元鉄又は還元鉄、８はヂャー、９
は排ガス、１１は清浄排ガス、１２は加熱器、１３は散
気管、１４は散気管用のヘッダー、１５はホッパー、１
Ｇは装入装置、１７はシュート、１８はサイクロン、１
９はＣＯ２リムーバー、１０はＨ２０リムーバー、２１
はファン、２２はクーラー、２３は排出装置を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）還元炉内に加熱された還元性ガスの上昇流を形成し
   、この上昇気流中に酸化鉄粒体と炭素質粒体を供給して
   両粒体の混合流動層を形成し、単位時間当り供給する酸
   化鉄粒体中の全鉄原子数と還元性ガス及び炭素質粒体中
   の全水素原子数の比により還元率若しくは金属化率を制
   御することを特徴とする酸化鉄の還元方法。 ２）還元性ガスとして、還元炉排ガスを再加熱して、還
   元炉底部から導入循環させる特許請求の範囲第１）項記
   載の酸化鉄の還元方法。 ３）還元温度が９００〜１０００℃の範囲で全水素原子
   数を全鉄原子数の７倍以上に維持し、還元時間を短縮す
   る特許請求の範囲第１）項又は第２）項記載の酸化鉄の
   還元方法。