TWI396744B - 還原鐵成形體之製造方法及生鐵之製造方法 - Google Patents

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Description

還原鐵成形體之製造方法及生鐵之製造方法 技術領域
本發明係有關一種還原鐵成形體之製造方法，其係利用旋轉爐床式還原爐，藉由還原含有氧化鐵及碳之粉體以製造還原鐵含有物，以熱軋成形該還原鐵含有物者。又，本發明係有關一種生鐵之製造方法，將旋轉爐床式還原爐製造之部分還原鐵成形，在高爐(blust furnace)將其還原熔解以製造熔融生鐵。
本申請案係以特願2007－230193號，及特願2008－218015號作為基礎申請案，其內容彙總於本說明書中。
 背景技術
製造還原鐵或合金鐵之金屬還原方法，雖已有各種之方法，其中以低成本且生產性高之方法，已有實施旋轉爐床式還原爐(rotary hearth furnace，以下稱為RHF)之作業，例如其概要已記載於專利文獻。第1圖係顯示旋轉爐床式還原爐之直徑方向的橫切面。如第1圖所示，RHF係在固定的耐火物頂棚1及側壁2之下，有駕載於車輪3上且缺少中央部的圓盤狀耐火物製之爐床4，於畫為圓形之軌道5上以一定速度旋轉型式之鍛燒爐【以下稱為轉爐(converter)】。在側壁2設有複數之燃燒器6，從此處吹入燃料及空氣，以控制爐內之環境氣體成分及溫度。通常，轉爐之爐床直徑為10~50公尺，且幅度為2~8公尺。原料之含有氧化金屬及碳 之粉體成形體，係供給至爐床4上，而受到從爐內上部的氣體之幅射熱的加熱，藉由成形體內部之氧化金屬與碳之反應，而在成形體內部獲得金屬。
RHF之設備全體之例顯示於第2圖。將作為原料之粉狀礦石或氧化金屬粉塵等氧化金屬，及作為還原劑之碳來使用。還原鐵之製造中係使用作為氧化鐵源之顆粒料等微粒鐵礦石、或轉爐粉塵、燒結爐粉塵、高爐氣體粉塵等製鐵過程之副產物。還原劑之碳係使用焦煤、油焦、煤等。作為該還原劑之碳，較期望是以在還原反應發生之溫度約於1100℃，不會揮發碳分(固定碳)之比例較高者。此類之碳源為粉焦煤或無煙煤。
首先，第2圖之混合裝置，在球磨機11內，混合含有氧化金屬之粉體及含有碳之粉之後，在造粒裝置12內將其成形為粒狀。將該成形體均勻敷滿樣地供給至轉爐13的爐床4上。在轉爐13內，隨着爐床4旋轉令成形體移動於爐內各部分。成形體係藉由高溫氣體之幅射，加熱至1000~1500℃，藉由成形體內之碳還原為氧化金屬。爐內發生之廢氣，經由排廢氣管14於鍋爐與熱交換器16回收熱，在集塵裝置17除塵後從煙囪18排出於大氣中。在轉爐13內，由於成形體靜置於爐床4上，成形體有不易於爐內崩潰的優點。結果其長處在於起因於被粉化之原料附著於耐火物的問題不會發生。又，生產性高，且亦有廉價的煤系還原劑或粉原料可用之優點。以此種方法所製造的還原鐵之金屬化率為93%以下，與MIDREX法等氣體還原方式之直接還原鐵(DRI： directly reduced iron)比較，其還原度略低。
如專利文獻2中所記載為例，亦有將該還原鐵製成高強度之方法，亦有將該高強度還原鐵與塊礦石或燒結礦一起供給至高爐以製造生鐵。該方法係於高爐內將直接還原的氧化鐵，最終藉由還原及熔解，而降低高爐之熱負荷，令高爐之焦煤原單位降低，同時具有增加生鐵生產量之效果。
另一方面，以RHF外的還原鐵製造方法之MIDREX法等氣體還原方式製造的直接還原鐵，其空隙率高，結果有易於發生金屬鐵再氧化之問題。為要對應該問題，如以專利文獻3或專利文獻4所記載為例，在第3圖顯示之裝置等，實施以熱軋成形直接還原鐵。該成形方法，係將含有多量的粉狀或粒狀之直接還原鐵的原料，在100℃以下之較為高溫中，將原料溜槽21所供給之還原鐵，挾於凹狀鑄模22的一對輥23之間，以製造還原鐵成形體24(HBI)。還原鐵成形體24係於水冷裝置冷却至常溫。在熱軋成形法中，由於將金屬鐵壓延成形，故若要製造良好的成形物，期望的是直接還原鐵的金屬鐵之比率高；一般情形，鐵特別形成有金屬化率高之直接還原鐵，故原料之金屬鐵比率為90~98%。如是該金屬鐵比率，特別是可不需特殊之成形技術，亦可製造高強度之成形體。
還原鐵成形體之特徵為高密度且其內部空隙少。因此，該還原鐵成形體，係不易被再氧化，且由於載重密度亦高，故可長期保管或長時間之郵送。又，從其緻密的構造而言，具有在製鋼電爐等熔解爐內熔解速度亦快的優 點。現在，多數之還原鐵廠已設有熱壓成形設備。其使用方法，如引用專利文獻5所記載之方法為例，在縱型熔解爐或製鋼電爐等中作為還原鐵原料使用。
【專利文獻1】特開2001－303115號公報【專利文獻2】特開2004－218019號公報【專利文獻3】美國專利第4，934，665號公報【專利文獻4】美國專利第5，547，357號公報【專利文獻5】特開平11－117010號公報
 發明揭示
RHF所生產之還原鐵，與MIDREX法等所生產之還原鐵比較，由於較高溫處理，可藉由金屬鐵之燒結成為高密度，結果具有不易被再氧化之優點。該還原鐵如專利文獻2所記載方法等製造時為例，在露天儲藏約1個月時，僅有輕微之再氧化。在3個月以上的長期保管時(特別是連續的雨天且還原鐵打濕時)，則有顯著的再氧化。結果降低作為還原鐵製品之價值，或由於隨著再氧化所發生之熱，亦會引起還原鐵成為高溫之問題。
因此，過去以RHF所生產之還原鐵，通常供給於附近的高爐、轉爐、製鋼電爐等，不會以船舶運送還原鐵至遠方的製鐵廠，或長期間保管的情形。但是，MIDEX法等所生產之還原鐵，藉在採礦現場附近或礦石出口港之場地內生產，其著重於提高礦石之附加價值及伺機出貨之效果。 RHF所生產的還原鐵亦同樣地，如要作成易於遠距離輸送之化學特性，不要以傳統未成形之還原鐵原狀，還是有作成還原鐵成形體之必要。
RHF所生產的還原鐵具有以下之特徵，未必有適用於熱軋成形之物性。首先，氧化鐵(包括氧化鎳等)之還原度低，且由於還原劑之碳分含有灰分，故比其他的方法所製成之還原鐵，有較多之氧化物不純物(二氧化矽、氧化鈣、氧化鋁、其他)。結果是其內部所含的金屬鐵之含有率低，通常約為40~75質量%。其次，用於還原之碳未被完全消費，在含有還原鐵之成形體內部成為碳粉或滲碳(熔解於鐵中)之碳殘留。殘留之碳粉成為壓縮成形時的金屬鐵壓延之阻礙要因，又，滲碳之鐵的延性惡化，降低金屬鐵之壓延性能。
RHF所製造之還原鐵中具有如以上的特徵，不具有易於進行熱軋成形製造之物性。又，含有此類之金屬鐵以外的組成多之還原鐵，對以熱軋成形之方法亦未充分研究。因此，為要克服前述傳統技術之缺點而對新技術有所期求。
另一方面，例如傳統上就如專利文獻5所記載之方法中，有將還原鐵成形體等還原鐵，用於專用熔解爐或製鋼電爐之技術。但是，該方法中，有增加熔解爐之設備費及作業費之問題，又，在製鋼電爐之使用中，由於受未還原氧化鐵之影響而使電爐之電力原單位增加等問題。因此，如前述雖期望還原鐵於高爐中使用，但在專利引用文獻2等所記載之技術中，由於高爐中之使用量少，故無法掌握還 原鐵使用時之問題點，因此僅有單純地供給至高爐熔解即可之想法。結果，為要適當的還原熔解之作業條件尚未被解明。諸如此事，還原鐵或還原鐵成形體使用於高爐時之適當條件，尚有未被了解之問題。又，組合RHF及高爐以製造熔融鐵之方法中，在於兩爐內之最適還原率之分配，亦未被充分解析。結果，兩爐合計之最適的能量消費尚未被實現。
如以上說明，將RHF所製造的還原鐵以熱軋成形之技術，由於用在高爐之技術尚未完成，因此企求新技術以解決。
本發明係為要解決前述RHF所製造之還原鐵以熱軋成形時之技術性課題而進行者，詳細情形如記載於下述之(1)~(12)。
(1)該還原鐵成形體之製造方法中，係在RHF內，還原含有總鐵量含有40%以上，且相對於與在1200℃之一氧化碳環境氣體中被還原之金屬化合物化合之氧原子摩耳量，含有0.7~1.5倍之原子摩耳量的固定碳之粉體成形體時，在最高溫度1200~1420℃之環境氣體中，令還原體內之一氧化碳對二氧化碳之比為0.3至1.2，製造金屬鐵比率為50質量%以上，且碳比率為5質量%以下之還原鐵含有物；將該還原鐵含有物於500~800℃之溫度，以輥形式鑄模壓縮成形。
(2)前述(1)之方法中，亦可將含有金屬鐵為2質量%以下的含碳率之前述還原鐵含有物壓縮成形。即，將原料摻合 及RHF之作業條件調節適當，使還原鐵含有物中的金屬鐵之含碳率為2質量%以下，再將該還原鐵含有物以熱軋壓成形製造還原鐵成形體亦可。
(3)前述(2)之方法中，1200℃以上之平均爐內溫度作為T(K)時，前述粉體之成形體滯留於前述RHF內1200℃部分之時間，係在t=0.13＊ exp(7,800/T)所求之滲碳上限時間亦可作為t以下。但是，t：1200℃以上之氣體溫度的時間(分鐘)，而T：1200℃以上之平均爐內溫度為(K)。即，為要抑制滲碳於金屬鐵，在前述(2)之作業方法中，在粉體的成形體於RHF內1200℃部分之滯留時間，滲碳上限時間亦可為【t=0.13＊ exp(7,800/T)】以下。
(4)前述(1)之方法中，亦可將平均粒徑為70微米以下之鐵粒子，或含有平均粒徑為70微米以下之鐵粒子燒結者之前述還原鐵含有物壓縮成形。
(5)前述(1)之方法中，含有氧化鐵與碳之前述粉體成形體中，氧化鈣相對於二氧化矽之質量比亦可為2.2以下。即，前述(1)之作業中，亦可藉由令含有氧化鐵與碳之前述粉體成形體中氧化鈣相對於二氧化矽之質量比在2.2以下，而防止氧化物在爐內之熔融或軟化，進而製造出成形性良好之還原鐵含有物。
(6)前述(1)之方法中，係令含有氧化鐵與碳之前述粉體成形體中之氧化鎂、氧化鈣、二氧化矽、及氧化鐵中總鐵量之含有率的關係為{(CaO質量%)-(MgO質量%)}/(T.Fe質量%)<0.1且{(CaO質量%)-(MgO質量%)}/(SiO2 質量%) <2.0亦可。即，前述(1)之作業中，由於令含有氧化鐵與碳之粉體成形體中之氧化鎂，氧化鈣、二氧化矽、及氧化鐵中總鐵量之含有率的關係為{(CaO質量%)-(MgO質量%)}/(T.Fe質量%)<0.1且{(CaO質量%)-(MgO質量%)}/(SiO2 質量%)<2.0，亦可防止在爐內之氧化物的熔融或軟化，令製造成形性良好之還原鐵含有物。
(7)前述(1)之方法中，亦可將含有氧化物5~30質量%且體密度(bulk specific gravity)為1.4~2.8g/cm3 之前述還原鐵含有物壓縮成形。
(8)將前述(1)之方法所製造之還原鐵成形體，供給至製鐵用高爐以製造熔融鐵為特徵之生鐵製造方法亦可採用。即，在RHF內，係還原含有總鐵量含有40%以上、且相對於與在鐵、錳、鎳、鉻、鉛及鋅等於1200℃之一氧化碳環境氣體中被還原的氧化金屬化合之氧原子摩耳量，令含有0.7~1.5倍的原子摩耳量之碳的粉體成形體，在最高溫度1200~1420℃、且在還原帶之一氧化碳對二氧化碳之比0.3~1.1之環境氣體中還原。在此條件下，製造金屬鐵比率50質量%以上、且碳比率5質量%以下之還原鐵含有物。然而，該還原鐵含有物以輥形式之鑄模壓縮成形製造還原鐵成形體。又，亦可將其與塊礦石、燒結礦、燒結顆粒等一起供給至製鐵用高爐以製造熔融鐵。
(9)前述(8)之方法中，製造金屬鐵比率50質量%以上且碳比率5質量%以下的還原鐵含有物；該還原鐵含有物以輥形式之鑄模壓縮成形，將換算徑7~45毫米且視密度 4.2~5.8g/cm3 之還原鐵成形體，供給至製鐵用高爐以製造熔融鐵；如此類之作業亦可。即，前述(8)之方法中，製造金屬鐵比率50質量%以上，且碳比率5質量%以下之還原鐵含有物，該還原鐵含有物以輥形式之鑄模壓縮成形，將換算徑7~45毫米，且視密度4.2~5.8g/cm3 之還原鐵成形體，供給至製鐵用高爐以製造熔融鐵。又，換算徑定義為還原鐵成形體之容積的次方。
(10)前述(8)之方法中，亦可將前述還原鐵成形體以每公噸熔融生鐵150kg以下的比率，供給至前述製鐵用高爐製造熔融鐵。
(11)前述(8)之方法中，亦可在距離前述製鐵用高爐爐中心直徑之以內的位置，供給65%以上之前述還原鐵成形體以製造熔融鐵。
(12)前述(8)之方法中，在前述RHF內，製造鐵之金屬化率為55~85%之前述還原鐵含有物；將該還原鐵含有物以熱軋壓縮成形所製成之還原鐵成形體，裝入製鐵用高爐以製造熔融鐵；如此類之作業亦可。即，在前述(8)之方法中，在RHF所製造鐵之金屬化率為55~85%的還原鐵含有物，將該還原鐵含有物，以熱軋壓縮成形製成還原鐵成形體。因此，將其裝入製鐵用高爐以製造熔融鐵亦可。
本發明使用時，在RHF內，從氧化鐵粉體或製鐵設備所回收的含有氧化鐵粉塵，經適當還原，同時以熱軋壓縮成形，就可製造良好形狀之還原鐵成形體。又，RHF內及 熱軋成形機所製造的良好形狀之還原鐵成形體，有不易再氧化之性狀，可實施長期間之保管或長距離運輸。由於該還原鐵成形體於適當條件下供給至高爐，高爐內之焦煤原單位減低，同時生鐵之每時間生產量可增加。
圖式簡單說明
第1圖係RHF構造之顯示圖。
第2圖係RHF之處理過程全貌之顯示圖。
第3圖係顯示熱軋成形裝置之概略圖。
 用以實施發明之最佳形態
以下說明有關本發明還原鐵成形體之製造方法，及生鐵之製造方法的實施形態。
本發明形態中，以含有氧化鐵及碳之粉體為原料作為說明。氧化鐵係氧化亞鐵(方鐵礦、FeO)、四氧化三鐵(磁鐵礦、Fe3 O4 )、三氧化二鐵(赤鐵礦、Fe2 O3 )之任一均可用，亦可使用該等之混合者。又，亦可混合金屬鐵粉。氧化鐵源有鐵礦石、砂鐵等礦石類，及製鐵廠等所發生之含有氧化鐵粉塵。碳源係使用粉焦煤、粉煤、油焦等。還原反應中由於有1000℃以上亦不會揮發之固定碳(FC)參與，故期望是固定碳之比率多者。從此觀點而言，以粉焦煤、油焦、無煙碳、中等度揮發分碳等為佳。又，利用含有多量製鐵業之碳分之粉塵等亦佳。
原料中混有鐵礦石、含有氧化鐵粉塵、焦碳、煤等不純物。該等為氧化鎳、氧化錳、氧化鉻、氧化鋅等易被還 原之金屬氧化物，及二氧化矽、氧化鈣、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦等不易被還原之金屬氧化物。除碳源之外，以粉體之總鐵量含有率(T.Fe含有率)為40%以上為佳。總鐵量為40%以下時，由於還原後發生金屬鐵比率成為50%以下之情形，故不符優於進行熱軋成形化之條件。又，此處之總鐵量含有率，係指氧化鐵中之鐵含量及金屬鐵量之合計除以粉體總量之值。
原料之粉體以使用平均粒徑為100微米以下者。平均粒徑為100微米以上時，由於粒子內之物質移動緩慢，還原所需之時間過多，故100微米以上的粒子不佳。又，在造粒作業中，亦由於粒徑愈小愈易於製成形體，故從此觀點而言，粒子亦愈細小愈佳。
原料中之氧化鐵及碳之比率作成為適宜的條件，是摻合原料。在RHF內之反應為MO＋C＝M＋CO及MO＋CO＝M＋CO2 。在此，M係表示金屬元素之符號。本發明人等於RHF內部調查反應之結果如下。氧化鐵、氧化鎳、氧化錳、氧化鉻、氧化鋅等，在1300℃藉由一氧化碳還原之金屬係在RHF內被金屬化。其金屬化率係由RHF的作業條件等決定。另一方面，二氧化矽、氧化鈣、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦等，在1300℃無法藉由一氧化碳還原之金屬，在RHF內未被還原成為氧化物殘留。
碳摻合量，係依與易被還原的金屬之氧化鐵、氧化鎳、氧化錳、氧化鉻、氧化鋅等化合之氧(以下稱為活性氧)的比率決定。又，由於氧化鐵等還原反應發生約在高於1000℃ 之時點，故參與還原反應之碳為固定碳。因而，發現調整活性氧及固定碳之比率，則可在RHF內引起良好的反應。該條件為活性氧之原子摩耳量對原子摩耳量之固定碳比率(C/O)為0.7~1.5。C/O為0.7以下時，與RHF內之還原條件未發生關連，係由於碳不足所引起之還原不充分，因此鐵之金屬化率為55%以下者居多。在此條件下，還原後之金屬鐵比率為55%以下，則不符優於進行熱軋成形處理之條件。又，C/O為1.5以上時，相對於還原反應，因摻合有極多量之碳，故於還原後碳大量即每還原生成物約有5質量%殘留。該碳於熱軋成形過程中，由於妨礙鐵粒子彼此之接觸，由於成為成形處理之妨礙要因，故對於殘餘殘留碳為5質量%以上的條件之C/O為1.5以上，必須避開。
該原料粉體於RHF還原之方法，利用第1及2圖說明。首先，原料粉體於混合裝置(第2圖之球磨機11)中混合後，將其於造粒裝置12製成粒狀成形體。混合裝置並未限於球磨機，亦可使用捏和機式、流動層式、水中混合等裝置。造粒裝置有盤式造粒裝置(pelletizer)、輥式壓縮成形裝置(briquetter)，擠壓式成形裝置等。將該成形體在轉爐13之爐床4上，均勻敷滿樣地供給。爐床4上之成形體的層數以2層以下為佳。此為令傳熱良好的條件。成形體之大小為球狀者，且平均直徑8~20毫米，而其他的形狀者以平均換算徑7~22毫米者為佳。過小者則成形體於爐床4上之厚度過於單薄，有降低生產性的問題，又，過大者則在成形體內部有傳熱惡化之問題。在轉爐13之內部，爐床4旋轉，同時成形 體從爐內之加熱帶移動至還原帶。成形體係藉由高溫氣體之幅射，在還原帶內部加熱至1200~1420℃，於成形體內碳及氧化金屬發生反應而生成還原鐵。成形體於爐內停留時間為10~30分鐘，除加熱時間外，還原時間為6~25分鐘。
該反應所生成之還原鐵含有物，係還原率(被還原金屬的氧原子之除去率)為65~90%，且鐵之金屬化率55~85%者。該還原鐵含有物係含有金屬鐵比率50質量%以上，且其碳比率為5質量%以下。將還原溫度作為1200℃的理由，係在低於該溫度時，氧化鐵的還原反應極其緩慢，反應時間須花費30分鐘以上，而在工業經濟性的條件下無法製造還原鐵之緣故。又，還原溫度作為1240℃以下之理由，係在高於該溫度時，例如反應後之殘留碳雖在5質量%以下，殘留(混在)的碳侵入於金屬鐵結晶內之滲碳現象加快，因而使還原鐵之滲碳比率為2質量%以上。又，滲碳比率成為2質量%以上時，由於鐵粒子中之雪明碳體【cementite(Fe3 C)】存有相當量的結果，從常溫至800℃之間，鐵之延展性惡化，於熱軋處理時成為鐵粒子不會延展之問題。又，滲碳量由於亦受爐內溫度及反應時間之影響，因此還原鐵含有物之殘留碳及金屬鐵比率，係於從0.02對1至0.06對1之範圍內，且爐內氣體之最高溫度為1420℃以下時，在於爐內氣體溫度為1200℃以上部分之平均溫度，及在1200℃以上的氣體溫度部分，與成形體存在的時間之關係，期望是滿足於本發明人等實驗所求得之式的關係：滲碳上限時間t<0.13*exp(7,800/T)【但是t：1200℃以上的氣體溫度之時間 (分鐘)，T：1200℃以上的平均爐內溫度為(K)】。
本發明的方法所製造之還原鐵顆粒，其構造之特徵為具有在氧化鐵及其他氧化鐵的混合體間，形成金屬鐵粒子適度地分散之狀態。更於金屬鐵中不存有過剩之碳為其要點。又，根據一些情形，亦有形成金屬鐵粒子網狀物。因此，本發明之方法中，相對於傳統的製造方法，特徵是在作業上不會極端地提高還原率。因此，將RHF爐內之還原帶環境為弱還原性。當環境為強還原性時，則藉由碳及氧化鐵的反應之還原，加上氣體中之一氧化碳及氧化鐵的反應進行，碳易殘留於還原鐵顆粒內。此時形成為雪明碳體。
在本發明人等之實驗中，還原帶氣體中之一氧化碳對二氧化碳之比(CO/CO2 比)以1.2以下為佳，又期望是1.0以下為佳。但是，CO/CO2 比為0.3以下時，氧化鐵之還原無法正常進行。在此，還原帶係指還原鐵顆粒之中心溫度為1000℃以上之爐內位置，又，此處的氣體成分之定義，係指距離成形體300毫米以上的爐內空間之平均值。在距離成形體300毫米以下時，由於受到氧化鐵之還原反應發生的一氧化碳之影響，而與氣體全體之組成發生偏差的緣故，故將該部分之氣體組成排除於本發明氣體組成之定義。
含有於RHF製造的還原鐵含有物之氧化物總量，係依據原料之不純物混入比率，及鐵之還原率(殘量氧化鐵比率)決定。含有多量不純物時，或鐵之金屬化率為85%以下時，殘留有作為不純物而不易被還原之金屬氧化物外，加上亦有殘留未還原之氧化鐵。因此，還原鐵含有物之氧化物總 量為5~30質量%。此時，氧化物成為阻礙黏結之要因，由於難於熱壓成形處理，如前述將還原鐵含有物中的金屬鐵之含碳率作成為2質%以下。更為令熱壓成形處理最容易起見，由以還原鐵含有物為70微米以下之鐵粒子成為粒子狀態者，又，鐵粒子為燒結過之網狀構成物之狀態者所構成者。
還原顆粒內所殘留的氧化物之形態，亦影響還原含有物的金屬鐵之構造及密度。該氧化物之融點低，在爐內熔融或軟化，則冷却後的氧化鐵含有物之氧化物粒子粗大化。結果發生還原鐵含有物之密度降低的問題。本發明中，係將氧化物粒子的大小控制於5~100微米。5微米以下則氧化物粒子及金屬鐵粒子分離，不會形成緻密之構造。又，100微米以上時，則金屬鐵粒子被圍入於粗大的氧化物粒子之內部，降低還原鐵含有物之熱成形性。又，在此，所謂的氧化物之大小，係指單獨存在時，則以該大小，而燒結體時就以該時之粒徑。
為要防止該現象、令氧化物粒子之大小適當起見，以不生成低融點之氧化物化合物的原料之化學組成為佳。低融點之氧化物，係在鐵酸鈣或矽酸鈣中混有不純物者等。調查不生成該等之原料化學組成的結果，了解善加控制氧化鈣與氧化鐵的比率，及氧化鈣與二氧化矽之比即可。又，對於氧化鎂，亦了解需要控制鐵酸鈣或矽酸鈣之生成。根據實驗，以在1200℃~1420℃中氧化物不會熔融或軟化作為條件，了解相對於二氧化矽之氧化鈣質量比以2.2以下為 佳。又，為要更上一層的改善起見，求得了指數A{(CaO質量%)-(MgO質量%)}/(T.Fe質量%)<0.1，且指數B{(CaO質量%)-(MgO質量%)}/(SiO2 質量%)<2.0為佳。又，由於氟及氯係降低氧化物融點之元素，故以(F質量%)+0.4(Cl質量%)<0.25%之條件為佳。在此，有關氯濃度之係數，係考慮到有關氯之原子量差及軟化的影響度。特別是實施製鐵粉塵等再循環時，限制氧化物組成成為一重要的方法。
前述方法所製造之還原鐵含有物以熱軋成形(HB處理)。熱軋成形之方法本身之原理，係與一般的熱軋成形法相同，以顯示於第3圖之裝置進行成形處理。從給料器21將還原鐵(粉狀及粒狀的混合物之還原鐵含有物)於500~800℃的狀態，挾在凹狀鑄模22之一對輥23之間，經凹狀鑄模22之內部壓縮，製造密度高之還原鐵成形體24。還原鐵成形體24係於水冷裝置冷却至常溫，未被成形作成為粉狀而殘留者，就熱狀態，經由回送裝置回到給料器21。
本發明中之成形條件如以下所記載者。供給於輥23之還原鐵含有物之溫度作成500~800℃。特別良好範圍為500~650℃。在本發明人等之實驗中，500℃以下之還原鐵由於延展性低，於壓縮成形時互相壓延的情形少，故製造還原鐵成形體之進行不順、強度不足，同時發生還原鐵成形體破壞成為粉狀的部分增多之問題。又，在RHF製造之還原鐵含有物時，在800℃以上時，其中之一部分氧化物軟化，而進入於金屬鐵粒子彼此間之黏結面，發生其黏結效果減小的問題。此即，該還原鐵化合物由於含有多量之金 屬氧化物，令鹼金屬之氯化物或氧化物，成為與金屬氧化物之無機複合，而對降低其融點之影響大。又，800℃以上時，發生凹狀鑄模22之磨耗增大的問題。該等之問題，如將還原鐵含有物之溫度作為650℃以下即更可改善。
由於RHF所排出之還原鐵含有物的溫度為1000~1200℃，先將還原鐵含有物冷却至500~800℃。若要令冷却中之再氧化不要發生，期望的是以氮混入等方法作為5容積%以下之低氧濃度環境氣體，在此中冷却RHF所排出之還原鐵含有物。為要冷却直接潑水於還原鐵氧化物，則由於水被還原發生氫而不宜，故實施不用水之冷却方法。冷却裝置係以外部水冷之旋轉式鼓型冷却器等，可控制內部環境溫度之裝置為佳。
以下係記載在本發明中的熱軋成形之原料。使用含有金屬鐵50質量%以上，且，其碳比率為5質量%以下之還原鐵含有物。根據本發明人等所進行之種種實驗，充分解釋當於50質量%以下的金屬鐵之還原鐵含有物成形時，成為成形體的黏合劑之金屬鐵不足，造成成形體之強度不充分。
再者，藉由RHF所製造之還原鐵含有物，由於金屬鐵以外之含有物(係不純物，壓縮時缺乏延展性)多，故難於發現壓縮時之成形體強度。本發明人等發現於塊狀還原鐵含有物中，對於容積減少率之成形體強度影響大。在高容積減少率之塊狀還原鐵含有物中，例如鐵粒子雖偏在，在被壓縮之間，鐵粒子移動於混合存在的氧化物之間，鐵粒子可將空隙部填補。該結果，在空隙率高的還原鐵含有物中， 還原鐵成形體之強度易於發現。因此，氧化物總量為5~30質量%之情形等促成成形之條件不佳時，以非緻密之還原鐵含有物為佳，體密度為3.0g/cm3 以下，而所期望的是期望以2.8g/cm3 以下者。另一方面，還原鐵含有物之體密度減小時，還原鐵含有物無法完全充填於凹狀鑄模22之中，引起還原鐵成形體之密度降低的問題，結果還原鐵成形體之強度降低。其可由體密度之值決定，故體密度為1.4g/cm3 以上亦為重要之條件。在此，體密度係指在一定容積之容器所充填之物質的質量除以容器容積之值。
再者，在此類氧化物總量多之還原鐵含有物中，如前述，期望以使用滲碳於還原鐵之碳對金屬鐵為2質量%以下為佳。此即，含碳率為2質量%以下之鐵粒子，係鐵粒子中的雪明碳體(低延展性物質)析出少，而可於800℃以下強力地保持延展性之緣故。該結果提高成形時的金屬鐵之密着性。
更為作成良好之成形條件起見，令還原鐵含有物為70微米以下之鐵粒子作成粒子的狀態、或由已燒結鐵粒子成為網狀構成物的狀態。在該條件時，微細鐵粒子多數存在於還原鐵含有物全體中，此為壓縮成形時增加粒子彼此結合之機會，結果可製造高強度之成形體。特別是壓縮時之無延展性的氧化物為5~30質量%且含量多時，以使用含有該條件的鐵粒子之還原鐵含有物為佳。
在凹狀鑄模22中，製造正方形或長方形，且於厚度方向之中央形成堆高狀之成形體。在基本上，其成形體雖任 何之大小亦可，但用於高爐之用途上時，製成2邊為10毫米角、厚約為5毫米之大小以上、2邊為40毫米及120毫米、厚約為25毫米之大小以下者。以換算徑表示即為7~45毫米之還原鐵成形體為適用於高爐者。在此，換算徑之定義係指還原鐵成形體之容積乘以之值。
還原鐵成形體之密度，期望是視密度4.2g/cm3 以上，RHF所製造的還原鐵成形體中，在該視密度以下時，則還原鐵成形體之強度低，不耐於長期保管或運送。又，該視密度雖低於一般的還原鐵成形體之視密度，其理由是RHF所製造的還原鐵中，由於比金屬鐵低比重之殘留氧化物及碳含量多的關係。但是，用於高爐的還原鐵成形體之視密度過高亦會發生問題。即，本發明之還原鐵成形體，由於未完全被還原，故在高爐爐內亦必須將還原鐵成形體內之氧化鐵還原。為提高還原鐵成形體於高爐內之還原速度，對於還原鐵成形體內之氣體浸透是良好之條件，以不要過於高密度者為佳。本發明人等之實驗中，了解還原鐵成形體之視密度為5.8g/cm3 以下，則易從氣孔進入氣體，結果是還原易於進行。又，亦清楚解釋了還原鐵成形體之視密度小於5.0g/cm3 以下，則還原更易於進行。因此，RHF所製造之還原鐵成形體用於高爐時，視密度為4.2~5.8g/cm3 ，期望以4.2~5.0g/cm3 為佳。在此，視密度係指成形體之質量除以成形體容積之值。
將以上所說明的還原鐵成形體於高爐還原熔解。高爐原料，係將本發明的還原鐵成形體、塊礦石、燒結礦、燒 成顆粒等鐵源及冶金用焦煤，經由爐上部之漏斗供給至高爐爐內。供給至高爐之還原鐵成形體如前述，金屬鐵比率50質量%以上，且碳比率5質量%以下之還原鐵含有物壓縮成形者。其換算徑為7~45毫米，且視密度為4.2~5.8g/cm3 ，期望是4.2~5.0g/cm3 者。換算徑為7毫米以下者，當與其他的裝入物形成層狀充填於爐內時，該充填物之氣體通過壓力損耗增加，由於不易於作業須避免。又，換算徑為45毫米以上者，由於還原速度及熔解速度低，引起以固體之狀態下降至爐下部，發生爐下部之反應成為不活性的問題。視密度之條件如前述之理由。
在高爐爐內之還原鐵成形體的供給位置，亦是一種重要之技術。本發明人等發現將還原鐵成形體，從高爐上方俯瞰外周圍的內部中，在從爐中心起以直徑之以內的位置，供給65%以上之還原鐵成形體為佳。將還原鐵成形體多量放入於高爐的外周側，由於還原鐵成形體之還原、熔解比礦石等快速，則令外周部之充填物之下降速度過大。結果是還原遲緩的外周部之礦石，就以未還原的原狀到達於爐下部，發生爐下部冷却過度的問題。又，還原鐵成形體多量供給至爐中心部，則促進爐中心部之氣體流動，同時出現促進充填物下降之效果。其由於還原鐵成形體未曾還原粉化，故可減低充填物中之氣體壓力損耗，及成為還原鐵成形體之下降速度大之原因。結果是促進中心部之氣體流動，可增加送風量，且於短時間內令中心部中之充填物還原。結果可提高高爐中之生鐵生產性(生產t/d)。
以上記載之還原鐵成形體，供給至製鐵用高爐之量，由於令成為每公噸熔融生鐵150kg以下之比率，故成為提高高爐的生鐵生產性之良好條件。當然，雖可將其以上的量裝入高爐內，此時，高爐軸熔合帶之位置過度降低，故藉由還原鐵裝入以提高生鐵生產性之效果減小。
在本發明實施時，RHF內製造鐵之金屬化率為55~85%之還原鐵含有物，在高爐內令其以熱軋成形之還原鐵成形體還原、熔解為佳。在RHF中，還原速度高且可於短時間還原氧化鐵。以作業之特性而言，在爐內環境氣體之氣體中混入某比率之二氧化碳。結果為要實施鐵之金屬化率以85%以上之高度還原，就必須令爐內溫度為1420℃以上、反應後之還原鐵含有物中殘留碳為5質量%以上。結果為要將鐵之金屬化率從80%提高至90%，能源消費增加30%，故無法實施符合經濟性的作業。因此，鐵之金屬化率為85%以下，期望是以令成為80%以下為佳。
實施例
本發明的方法，係使用以第2圖記載之RHF設備及第3圖記載之熱壓成形裝置連結之設備，變更原料條件，實施氧化鐵之還原、成形處理。又，RHF係爐床外徑24公尺、處理能力24公噸/小時者，熱壓成形裝置係處理能力16公噸/小時者。又，以以上的設備製造之還原鐵成形體，供給至4800立方公尺之高爐，調查作業結果。該等之結果記載於第1~3表。
原料之粉體性狀顯示於第1表。原料1係從製鋼過程回 收之含有氧化鐵之粉塵或污泥等副產物作為原料者，含有金屬鐵或氧化亞鐵，屬於作為不純物之氧化金屬等多者。碳源使用粉焦(固定碳89質量%)。原料2係主體為三氧化二鐵之粉體及無煙煤(固定碳89質量%、揮發物8質量%)之混合物。原料3係含有四氧化三鐵(磁鐵礦)之三氧化二鐵的粉體及粉焦(固定碳89質量%)之混合物。又，鐵氧化度(O/Fe)係顯示與氧化鐵化合之氧及總鐵量之元素比率。
RHF、熱軋成形之作業條件及還原鐵成形體之製造結果，顯示於第2表之1及第2表之2。又，原料全體係平均14毫米之球狀顆粒供給至RHF。第2表之1及第2表之2中之RHF1至RHF3係使用原料1，在種種的溫度條件下以RHF作業之結果。鐵之金屬化率為68~80%，還原帶的氣體溫度愈高，鐵的金屬化率愈高。隨著殘留碳比率下降。鐵中碳比率均為1質量%以下且低。成形體之體密度為1.8~2.3且在本發明之適當範圍。將其於成形溫度510~650℃成形為寬12毫米、長40毫米、厚7毫米之磚形。成形體之視密度4.5~5.3g/cm3 、強度10~17MPa且具高強度。該強度係大於在高爐可使用之下限值之7MPa。
RHF4係將原料2以處理時間20分鐘、最高溫度1350℃中作業之結果。金屬化率為62%、還原鐵含有物中之金屬鐵比率為56%。製成體密度1.5g/cm3 之還原鐵含有物。將其於成形溫度750℃成形為寬40毫米、長150毫米、厚25毫米之大型磚形。成形體係視密度4.7g/cm3 、強度12MPa且良好。
RHF5、RHF6係將原料3以處理時間為12分鐘、最高溫度1300℃中作業之結果，及處理時間為12分鐘、還原帶最高溫度1410℃中作業之結果。在RHF5中，由於處理時間短暫、還原帶氣體溫度為中程度，故金屬化率為59%、還原鐵含有物中之金屬鐵比率為54%且係金屬鐵較少者。另一方面，在RHF6中，由於處理時間、還原帶溫度皆適於還原之良好條件，故金屬化率為78%、還原鐵含有物中之金屬鐵比率為75%。又，原料3係由於平均粒徑為68微米且粒徑大，故還原時間比其他的原料花費較多。將其在成形溫度550℃、600℃中成形為寬30毫米、長120毫米、厚20毫米。成形體係視密度、強度皆良好。特別在RHF6中，製造了強度18MPa之高強度成形體。又，RHF1~RHF6中之任何情形下，還原鐵含有物之鐵粒子平均徑為70微米以下且於良好條件內。又，在於1200℃以上溫度部分的原料成形體之滯留時間，在任何的作業條件下，均在滲碳上限時間以下。結果是金屬鐵之含碳率皆為2質量%以下。
對於在RHF製造之還原鐵成形體於前述高爐之還原、熔解進行熱經濟評價。為要搾取比較資料之題材，在該高爐尚未使用還原鐵成形體時之創業結果記載於高爐1。還原材比(焦煤＋微粉碳)為503kg/t－hm，生鐵生產量為10058公噸/天。在相同之作業條件下，還原鐵成形體的裝入結果記載於第3表之高爐2~高爐6。在高爐2中，在距離高爐爐中心之位置裝入55%。該條件係由於在較優於本發明條件的高爐爐中心附近，裝入較多的還原鐵成形體之條件不相符合，故每金屬鐵裝入量之還原材料削減，及生鐵生產增加 量略為減少。在高爐3中，因對於高爐之還原鐵成形體之供給量為170kg/t－hm且量多，因此不符本發明之較佳條件，故每金屬鐵裝入量之還原材削減，及生鐵生產量增加量亦略為減少。另一方面，高爐4~高爐6之作業中，由於皆實現了本發明之最適當條件，在還原材料之削減比率或生鐵生產量之增加，顯示極為良好之結果。但是，在高爐6中，由於還原鐵成形體之密度幾近於上限，故引起還原略為緩慢之情形。
對於在高爐作業良好之高爐5的高爐作業之能源消費變化，及RHF4之條件下之RHF的使用能源進行比較，評價其經濟性。RHF內之燃料能源單位(焦煤爐氣體＋碳)為13.1GJ/kg－Fe，由於在所設置之鍋爐內之蒸氣回收能源，與電力消費能源幾乎互相抵消，故在RHF內之能源消費為13.1GJ/kg－Fe。以第3表之高爐生鐵生產量之變化計算，則高爐之還原鐵成形體每1kg為0.85kg之總鐵量，其中金屬鐵之0.59kg分之生鐵，幾乎沒有能源增量之增產，在0.26kg分必須有一般之高爐消費能源實績值(14.8GJ/kg－Fe)。因 此，高爐消費能源成為3.8GJ/kg－Fe。因此，RHF及高爐內之綜合消費能源成為16.9GJ/kg－Fe。
另一方面，組合燒結設備及高爐之處理中，燒結設備之能源消費量為1.9GJ/kg－Fe，在燒結比率80%下進行作業。其加上高爐消費能源之14.8GJ/kg－Fe，則綜合能源消費為16.7GJ/kg－Fe。因此，如以RHF4之作業條件下，則組合RHF及高爐之能源消費量，與組合燒結設備及高爐之能源消費量幾乎相等。但是，考慮到組合燒結設備及高爐之焦煤消費量(350kg/公噸生鐵)下之焦煤製造能源，則以組合燒結設備及高爐之一組的消費能源多了0.6GJ/kg－Fe分。即，以組合RHF及高爐，根據本發明記載的方法進行適當且正確條件作業，與傳統之生鐵製造方法比較，則可減少能源消費。該條件係在RHF中之鐵金屬化率為55~85%。當比該條件之金屬化率提高時，則在RHF內之能源消費急速增加，超過在高爐可節省之能源量。
產業上利用之可能性
使用本發明時，在RHF中，將氧化鐵粉體或從製鐵設備回收之含有氧化鐵粉塵適當地還原，同時熱軋成形可製造良質形狀之還原鐵成形體(HBI)。又，在RHF內熱軋成形機製造之良質形狀之還原鐵成形體，具有不易再氧化之性狀，可長時間之保管或長距離輸送。該還原鐵成形體，藉由適當正確的條件供給至高爐，高爐內之焦煤單位可減低，同時亦可增加生鐵之每時間生產量。
1‧‧‧頂棚
2‧‧‧側壁
3‧‧‧車輪
4‧‧‧爐床
5‧‧‧軌
6‧‧‧燃燒器
11‧‧‧球磨機
12‧‧‧造粒裝置
13‧‧‧轉爐
14‧‧‧排廢氣管
15‧‧‧鍋爐
16‧‧‧熱交換器
17‧‧‧集塵裝置
18‧‧‧煙囪
21‧‧‧原料溜槽；給料器
22‧‧‧凹狀鑄模
23‧‧‧輥
24‧‧‧還原鐵成形體
第1圖係RHF構造之顯示圖。
第2圖係RHF之處理過程全貌之顯示圖。
第3圖係顯示熱軋成形裝置之概略圖。
11‧‧‧球磨機
12‧‧‧造粒裝置
13‧‧‧轉爐
14‧‧‧排廢氣管
15‧‧‧鍋爐
16‧‧‧熱交換器
17‧‧‧集塵裝置
18‧‧‧煙囪

Claims (11)

  1. 一種還原鐵成形體之製造方法，係在旋轉爐床式還元爐內，還原含有總鐵量40%以上，且相對於與在1200℃之一氧化碳環境氣體中被還原之金屬氧化物化合之氧原子莫耳量，含有0.7~1.5倍原子莫耳量之固定碳的粉體成形體時，在最高溫度1200~1420℃之環境氣體中，令還原體內之一氧化碳對二氧化碳之比為0.3至1.2，製造金屬鐵比率50質量%以上，且碳比率為5質量%以下之還原鐵含有物；將該還原鐵含有物於500~800℃之溫度，以輥形式之鑄模壓縮成形；並且，含有氧化鐵與碳之前述粉體成形體中，相對於二氧化矽之氧化鈣質量比為2.2以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之還原鐵成形體之製造方法，係將含有之金屬鐵為2質量%以下之含碳率的前述還原鐵含有物壓縮成形。
  3. 如申請專利範圍第2項之還原鐵成形體之製造方法，係在1200℃以上之平均爐內溫度作為T(K)時，前述粉體成形體滯留於前述旋轉爐床式還元爐之1200℃部分之時間係在t=0.13＊exp(7,800/T)所求得之滲碳上限時間t以下。
  4. 如申請專利範圍第1項之還原鐵成形體之製造方法，係將含有平均粒徑為70微米以下之鐵粒子，或平均粒徑70 微米以下之鐵粒子已燒結者之前述還原鐵含有物壓縮成形。
  5. 如申請專利範圍第1項之還原鐵成形體之製造方法，係令含有前述氧化鐵與前述碳之前述粉體成形體中之氧化鎂、前述氧化鈣、前述二氧化矽及氧化鐵中總鐵量含有率之關係為{(CaO質量%)-(MgO質量%)}/(T.Fe質量%)<0.1，且{(CaO質量%)-(MgO質量%)}/(SiO2 質量%)<2.0。
  6. 如申請專利範圍第1項之還原鐵成形體之製造方法，係將含有氧化物5~30質量%，且體密度為1.4~2.8g/cm3 之前述還原鐵含有物壓縮成形。
  7. 一種生鐵之製造方法，係將前述申請專利範圍第1項之還原鐵成形體之製造方法所製造的還原鐵成形體，供給至製鐵用高爐以製造熔融鐵。
  8. 如申請專利範圍第7項之生鐵之製造方法，包含：製造金屬鐵比率為50質量%以上，且碳比率為5質量%以下之還原鐵含有物；將該還原鐵含有物以輥形式之鑄模壓縮成形，以換算徑為7~45毫米且視密度為4.2~5.8g/cm3 之還原鐵成形體，供給至製鐵用高爐製造熔融鐵。
  9. 如申請專利範圍第7項之生鐵之製造方法，係將前述還原鐵成形體，以每公噸熔融生鐵150kg以下之比率，供給至製鐵用高爐製造熔融鐵。
  10. 如申請專利範圍第7項之生鐵之製造方法，係在距離前 述製鐵用高爐爐中心的直徑之以內的位置，供給65%以上之前述還原鐵成形體以製造熔融鐵。
  11. 如申請專利範圍第7項之生鐵之製造方法，包含：在前述旋轉爐床式還元爐中，製造鐵之金屬化率為55~85%之前述還原鐵含有物；將以熱軋壓縮成形該還原鐵含有物所製成之還原鐵成形體，裝入製鐵用高爐以製造熔融鐵。
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