JP2013209748A - 還元鉄塊成物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動床式加熱装置で、少なくとも酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む混合物を原料とした塊成物を加熱し、混合物中の酸化鉄を還元溶融して還元鉄塊成物を製造するにあたり、粒径の大きな還元鉄塊成物の歩留まりを向上させると共に、製造時間の短縮を図って生産性を向上し、しかも還元鉄塊成物中の硫黄などの不純物元素の含有量の極力低減できるような還元鉄塊成物を製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明方法は、酸化鉄含有物質および炭素質還元剤を含んでなる塊成物を、移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元して還元鉄塊成物を製造する方法であって、前記酸化鉄含有物質の平均粒径が４〜２３μｍであり、且つ粒子径が１０μｍ以下のものを１８質量％以上含む塊成物を用いることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む混合物を原料とした塊成物を、移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元あるいは還元溶融して還元鉄塊成物を製造する方法に関するものである。

鉄鉱石や酸化鉄等の酸化鉄源（以下、「酸化鉄含有物質」ということがある）と、炭素を含む還元剤（以下、「炭素質還元剤」ということがある）を含む混合物から、塊状（粒状も含む）の金属鉄（還元鉄）を得る直接還元製鉄法が開発されてきている。この製鉄法では、上記混合物を成形した塊成物を移動床式加熱炉の炉床上に装入し、炉内で加熱バーナーによるガス伝熱や輻射熱で加熱することによって、塊成物中の酸化鉄を炭素質還元剤で還元し、得られた還元鉄を続いて浸炭・溶融させ、次いで副生するスラグと分離しつつ塊状に凝集させた後、冷却凝固させて塊状の金属鉄（還元鉄塊成物）を得ている。

こうした製鉄法は、高炉等の大規模な設備が不要なことや、コークスが不要になるなど資源面の柔軟性も高いことから、最近、実用化研究が盛んに行われている。しかし工業的規模で実施するには、操業安定性や安全性、経済性、粒状鉄（製品）の品質、生産性などを含めて更に改善しなければならない課題も多い。

特に還元鉄塊成物の製造に当たっては、粒径の大きな還元鉄塊成物の歩留まりを向上させると共に、製造時間の短縮が望まれている。こうした技術として、例えば特許文献１には、「金属酸化物含有物質と炭素質還元剤とを含む原料を加熱し、該原料中の金属酸化物を還元した後、生成する金属を更に加熱して溶融させると共に、副生するスラグ成分と分離させながら凝集させて粒状金属を生成する方法において、前記原料中に副生スラグの凝集促進剤を配合する粒状金属鉄の製造。」について提案されている。

この技術では、凝集促進剤（例えば、蛍石など）を配合することによって、粒径の大きな粒状金属が、ある程度高い歩留まりで製造できることが期待できる。しかしながら、こうした技術においても、改善効果は飽和状態にあり、更なる効果の向上が望まれている。

また還元鉄塊成物の品質については、上記製鉄法によって得られた粒状鉄は、電気炉や転炉のような既存の製鋼設備へ送られ、鉄源として使用されるため、硫黄などの不純物元素の含有量が少ないことが望まれる。こうした技術として、例えば特許文献２には、「金属酸化物含有物質と炭素質還元剤とを含む混合物を、移動床式加熱還元炉の炉床上に装入して加熱し、混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤により還元し、生成する金属鉄を、副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状金属鉄を製造する方法において、前記混合物中に含まれるＣａＯ，ＭｇＯおよびＳｉＯ₂の含有量から求められるスラグ成分の塩基度（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂が１．２〜２．３の範囲で、且つ、該スラグ形成成分中に占めるＭｇＯ含有量（ＭｇＯ）が５〜１３％の範囲となるように、前記混合物中に含まれるＣａＯ，ＭｇＯおよびＳｉＯ₂含有物質の量を調整する低硫黄含有量の粒状金属鉄の製造。」について提案されている。

この技術では、ＭｇＯ含有物質（例えば、ドロマイト鉱石）を混合物中に配合してスラグ成分を調整すると、低硫黄含量の粒状金属鉄が得られることが示されている。この技術においても、改善効果は飽和状態にあり、更なる効果の向上が望まれている。

尚、上記した蛍石などの凝集促進剤や、ドロマイト鉱石などのＭｇＯ含有物質は、いずれも融点調整剤として汎用されているものである。

特開２００３−７３７２２号公報 特開２００３−２８５３９９号公報

本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、移動床式加熱装置で、少なくとも酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む混合物を原料とした塊成物を加熱し、塊成物中の酸化鉄を還元溶融して還元鉄塊成物を製造するにあたり、粒径の大きな還元鉄塊成物の歩留まりを向上させると共に、製造時間の短縮を図って生産性を向上し、しかも還元鉄塊成物中の硫黄などの不純物元素の含有量の極力低減できるような還元鉄塊成物を製造する方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る還元鉄塊成物の製造方法とは、酸化鉄含有物質および炭素質還元剤を含んでなる塊成物を、移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元して還元鉄塊成物を製造する方法であって、前記酸化鉄含有物質の平均粒径が４〜２３μｍであり、且つ粒子径が１０μｍ以下のものを１８質量％以上含む塊成物を用いる点に要旨を有するものである。

本発明方法において、前記酸化鉄含有物質としては、具体的に鉄鉱石が挙げられる。また、塊成物の中心部に存在する酸化鉄含有物質の平均粒径を４〜２３μｍのものとすることが好ましい。

上記課題を解決することのできた本発明の他の方法とは、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤および融点調整剤を含んでなる塊成物を、移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱することによって、該塊成物中の酸化鉄を還元し、更に加熱して少なくとも部分的に溶融し、鉄成分を凝集させて還元鉄塊成物を製造する方法であって、前記酸化鉄含有物質の平均粒径が４〜２３μｍであり、且つ粒子径が１０μｍ以下のものが１８質量％以上含む塊成物を用いることを特徴とする。

この方法においても、前記酸化鉄含有物質としては、具体的に鉄鉱石が挙げられる。また、塊成物の中心部に存在する酸化鉄含有物質の平均粒径を４〜２３μｍのものとすることが好ましい。

本発明によれば、少なくとも酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む混合物を原料とした塊成物を、移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元溶融して還元鉄塊成物を製造するに際して、酸化鉄含有物質の平均粒径および粒度分布を適切に制御することによって、粒径の大きな還元鉄塊成物の歩留まりを向上させると共に、製造時間の短縮を図って生産性を向上し、しかも還元鉄塊成物中の硫黄などの不純物元素の含有量の極力低減できる。

還元鉄塊成物を製造するに際し、その原料成分である酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む混合物からなる塊成物を形成するに当たっては、酸化鉄含有物質および炭素質還元剤は適度の粉砕が施されて、造粒しやすいように適度の大きさに揃えることは行なわれている。しかしながら、これらの原料成分の大きさ（平均粒径）が還元鉄塊成物の歩留まりや、生産性に与える影響については考慮されることはなかった。むしろ、原料成分を微粉砕し過ぎることは、原料成分の離散化を招き、還元鉄凝集の妨げとなって、生産性を却って低下させるものと考えられていた。

本発明者らは、上記目的を達成するために、様々な角度から検討した。特に、原料成分の粒径や粒度分布が、還元鉄塊成物の歩留まりや、生産性に与える影響について検討した。その結果、酸化鉄含有物質の平均粒径や粒度分布を適切に調整すれば、上記目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。

本発明では、塊成物中に含まれる酸化鉄含有物質の平均粒径を２３μｍ以下とし、且つ粒子径が１０μｍ以下のものが１８質量％以上含むものとする必要がある。尚、このときの「平均粒径」とは、粒子サイズを小さいものから粒子数をカウントしたときに５０質量％（積算値が５０質量％）に相当するときの粒径（以下、「Ｄ５０」と記載することがある）を意味する。このような微細原料成分を用いることによって、還元鉄塊成物の歩留まりや、生産性が向上することの理由については、次のように考える。

上記塊成物は１２００〜１５００℃で還元あるいは還元溶融されるが、この還元反応の初期では、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤が直接接触することによって反応が進行することになる。酸化鉄含有物質を微細粒にすることは、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤との接触する機会が増加し、還元時間が短縮されることになる。また、その後において、炭素質還元剤がガス化し始めると、還元反応は酸化鉄含有物質の表面から進行するので、酸化鉄含有物質を微細粒にすることは、その表面積が増大し、還元時間を短縮し、還元鉄塊成物（以下、還元溶融により得られた還元鉄塊成物を「粒状還元鉄」と特に呼ぶことがある）の製造時間が短縮されることになる。

本発明で用いる原料成分として、石灰石、蛍石、ドロマイト鉱石等の融点調整剤を含む場合もある。このような場合に、酸化鉄含有物質を微細粒にすることは、酸化鉄含有物質に含まれる脈石成分と融点調整剤表面自体との距離が短くなり（融点調整剤表面近くに存在する確率が高くなり）、脈石成分と融点調整剤の接触頻度が増すため、溶融物を生成し易くなる。それにより、脈石成分の酸化鉄含有物質からの分離、ひいては還元された酸化鉄成分の凝集が促進される。即ち、従来認識されていた知見とは、全く逆の現象が生じるものと考えられる。

一方、硫黄分は主に炭素質還元剤中に含まれているが、炭素質還元剤のガス化後もペレット内に残り、溶融に伴い粒状還元鉄や脈石溶融物に取り込まれる。本発明のように脈石溶融物が生成しやすい状態であれば、硫黄分は溶融物中に円滑、且つ迅速に取り込まれやすくなるため、粒状還元鉄中に取り込まれにくくなり、粒状還元鉄中の硫黄濃度が低減されると考えられる。

こうした効果を有効に発揮させるためには、酸化鉄含有物質の平均粒径（Ｄ５０）を２３μｍ以下とし、且つ粒子径が１０μｍ以下のものを１８質量％以上含むものとする必要があり、平均粒径は好ましくは１７μｍ以下であるが、平均粒径（Ｄ５０）があまり小さくなりすぎて４μｍ未満となると、塊成物の成形が困難になる。

本発明で用いる酸化鉄含有物質としては、鉄鉱石や砂鉄、非鉄製錬残渣などを用いればよい。また炭素質還元剤としては、炭素含有物質を用いればよく、例えば、石炭やコークスなどを用いればよい。

上記塊成物には、その他の成分として、バインダーやＭｇＯ供給物質、ＣａＯ供給物質などを配合してもよい。バインダーとしては、例えば、多糖類（例えば、小麦粉等の澱粉など）などを用いることができる。ＭｇＯ供給物質としては、例えば、ＭｇＯ粉末や天然鉱石や海水などから抽出されるＭｇ含有物質、或いは炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ₃）などを用いることができる。ＣａＯ供給物質としては、例えば、生石灰（ＣａＯ）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）や石灰石（主成分はＣａＣＯ₃）などを用いることができる。また、炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムの複塩であるドロマイトを用いることができる。

塊成物の形状は特に限定されず、例えば、ペレット状やブリケット状などであればよい。塊成物の大きさも特に限定されないが、粒径（最大径）は５０ｍｍ以下であることが好ましい。塊成物の粒径を過剰に大きくしようとすると、造粒効率が悪くなる。また、ペレット下部への伝熱が悪くなり、生産性が低下する。なお、粒径の下限値は５ｍｍ程度である。

塊成物中の酸化鉄含有物質の全てについて、微細化する必要はなく、酸化鉄含有物質全体に対して１０質量％以上が上記の平均粒径の要件を満足すれば良い。こうした条件を満足させるための形態として、塊成物の少なくとも中心部だけに微細化した酸化鉄含有物質を存在させることが挙げられる。即ち、塊成物を外部から加熱する場合に、塊成物の中心部は温度上昇が周囲よりも遅れ、反応も遅れることになる。こうした現象を緩和するためには、中心部に存在する酸化鉄含有物質を微細化することが有効である。尚、「中心部」とは、例えば球状（後述する乾燥ペレット）であれば、球の中心から、上記微細粒の平均粒径を満足する位置まで（それより外側を「外周部」とする）を意味する。

塊成物の少なくとも中心部に微細化した酸化鉄含有物質を存在させるときには、中心部だけに、本発明で規定する微細化した酸化鉄含有物質を存在させ、外周部については、通常の平均粒径（微細化していない）の原料成分を存在させることが基本的な形態となる。但し、使用する原料成分の全てを本発明で規定する平均粒径および粒度分布を満足する酸化鉄含有物質とすることも本発明の実施態様に含まれる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

［実施例１］
酸化鉄含有物質、炭素質還元剤およびバインダーを含む混合物を原料とした塊成物を作製し、この塊成物を、加熱炉に供給して加熱し、塊成物中の酸化鉄を還元溶融させて還元鉄塊成物（粒状還元鉄）を製造した。

このとき酸化物含有物質として下記表１に示す成分組成（主たる成分組成）の鉄鉱石Ａを用い、炭素質還元剤として下記表２に示す成分組成の石炭を用い、原料成分（酸化鉄含有物質および炭素質還元剤）の平均粒径および粒度分布を様々変化させて塊成物を製造した。詳細には、平均粒径（Ｄ５０）が異なる鉄鉱石および石炭の混合物に、バインダーとしての小麦粉を、下記表３の配合率で混合し、直径：２０ｍｍ×高さ：１０ｍｍの円柱状塊成物（成形後、１０５℃で一昼夜乾燥させたもの）を作製した。

上記塊成物を、１３００℃の窒素雰囲気で加熱し、還元速度（反応時間）を調べた。反応時間は、鉄鉱石中の酸化鉄成分の還元率が９０％になるまでの時間で評価した。その結果を、用いた原料成分（鉄鉱石および石炭）の平均粒径および粒度分布と共に下記表４に示す。

この結果から明らかなように、鉄鉱石の平均粒径（Ｄ５０）を小さくすることによって、反応時間が著しく短縮できることが分かる。尚、平均粒径（Ｄ５０）が４μｍ未満の鉄鉱石を用いて、塊成物の成形も試みたが、成形ができないことが確認できた。

［実施例２］
酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、融点調整剤（石灰石、ドロマイトおよび蛍石）、およびバインダーを含む混合物を原料とした塊成物を作製し、この塊成物を、加熱炉に供給して加熱し、塊成物中の酸化鉄を還元溶融させて還元鉄塊成物を製造した。

このとき酸化物含有物質として上記表１に示した成分組成の鉄鉱石を用い、炭素質還元剤として下記表５に示す成分組成の石炭を用いる他、融点調整剤として下記表６に示す成分組成（主たる成分組成）の石灰石、下記表７に示す成分組成（主たる成分組成）のドロマイトおよび下記表８に示す成分組成（主たる成分組成）の蛍石を用い、鉄鉱石の平均粒径および粒度分布（所定粒子径の含有量）を様々変化させて塊成物を製造した。詳細には、平均粒径および粒度分布が異なる鉄鉱石を用いた混合物に、バインダーとしての小麦粉を、下記表９の配合率で混合した。この混合物に適量の水を添加し、タイヤ型造粒機を用いて直径：１９ｍｍの生ペレットに造粒した。得られた生ペレットを乾燥機に装入し、１８０℃で１時間加熱して付着水を完全に除去してペレット状塊成物（球状の乾燥ペレット）を作製した。

上記乾燥ペレットを、炭材（最大粒径が２ｍｍ以下の無煙炭）を敷いた加熱炉内へ装入し、１４５０℃の窒素雰囲気で加熱し、還元溶融に必要な時間（反応時間）を調べた。

その結果を、用いた原料成分（鉄鉱石、石炭、石灰石、ドロマイトおよび蛍石）の平均粒径、鉄鉱石中の直径：−１０μｍの含有量（粒子径が１０μｍ以下のものの含有量）と共に、下記表１０に示す。尚、表１０には、乾燥ペレットの一般的な性状（見掛け密度、乾燥ペレット分析値等）についても示した（いずれも１０個の平均値）。また、表１０に示した項目のうち、主たる項目の測定方法および基準は下記の通りである。

［硫黄分配比］
還元鉄塊成物に含まれる硫黄量［Ｓ］に対する、スラグ（粒状還元鉄が生成したときに副生するスラグ）の成分組成に含まれる硫黄量（Ｓ）の比（［Ｓ］／（Ｓ）：硫黄分配比）を算出した。この硫黄分配比は、粒状還元鉄中の硫黄含有量の指標となるものである。

［生産性（生産性指数）］
上記乾燥ペレットを加熱し、金属酸化物を還元溶融して還元鉄塊成物を製造したときの生産性を、下記（１）式で示されるように、単位時間（時間）における炉床面積（ｍ²）あたりの還元鉄塊成物の生産量（ｔｏｎ）によって評価する。
生産性（ｔｏｎ／ｍ²／時間）＝粒状還元鉄の生産性（ｔｏｎ／時間）／炉床面積（ｍ²） …（１）

上記（１）式において、粒状還元鉄の生産性（ｔｏｎ／時間）は、下記（２）式で示される。
粒状還元鉄の生産性（粒状還元鉄ｔｏｎ／時間）＝塊成物（乾燥ペレット）の装入量（塊成物ｔｏｎ／時間）×塊成物１トンあたりから製造される粒状還元鉄の質量（粒状還元鉄ｔｏｎ／塊成物ｔｏｎ）×製品回収率 …（２）

上記（２）式において、製品回収率は、得られた粒状還元鉄の総量に対する直径が３．３５ｍｍ以上の粒状還元鉄の質量の粒状還元鉄の総量に対する割合［（＋３．３５ｍｍ粒鉄質量％／粒状還元鉄の総量％）×１００（％）］で算出される（表１０において「＋３．３５ｍｍ粒鉄歩留まり（％）」と表示）。尚、表１０においては、本発明の効果を定量的に評価するために、実験Ｎｏ．７の塊成物（乾燥ペレット）を標準塊成物とし、この標準塊成物を用いたときの生産性を１．００とし、各塊成物を用いたときの生産性を相対値（生産性指数）で示した。

この結果から明らかなように、鉄鉱石の平均粒径（Ｄ５０）を２３μｍ以下とすると共に、粒子径が１０μｍ以下のものの含有量を１８質量％以上とすることによって、粒状還元鉄の歩留まりが向上し、生産性が著しく向上することが分かる。また粒状還元鉄中の硫黄量も低減されていることが分かる。尚、実施例２においても、平均粒径（Ｄ５０）が４μｍ未満の鉄鉱石を用いて、塊成物の成形も試みたが、成形ができないことが確認できた。

［実施例３］
実施例２で用いたものと同じ成分組成の酸化鉄含有物質（鉄鉱石種類Ａ）、炭素質還元剤、融点調整剤（石灰石、ドロマイトおよび蛍石）およびバインダーを含む混合物（混合率についても表９のａに示した配合パターンと同じ）を用い、二重構造の乾燥ペレットを作製した。詳細には、下記表１１の「中心部」に示す平均粒径の鉄鉱石を用いた混合物に、バインダーとしての小麦粉を混合し、この混合物に適量の水を添加し、タイヤ型造粒機を用いて直径：９．５ｍｍの球状生ペレットに造粒し、それを核としてその周囲（外周部）に平均粒径の異なる原料成分を含む混合物を同心球状に成形し、直径：１９．０ｍｍの生ペレットに造粒した（中心部の混合物の含有量は、ペレット全体に対して１２質量％程度）。得られた生ペレットを乾燥機に装入し、１８０℃で１時間加熱して付着水を完全に除去してペレット状塊成物（二重構造ペレット）を作製した。

上記二重構造ペレットを、炭材（最大粒径が２ｍｍ以下の無煙炭）を敷いた加熱炉内へ装入し、１４５０℃の窒素雰囲気で加熱し、還元速度（反応時間）を実施例２と同様に評価した。その結果を、用いた原料成分（鉄鉱石、石炭、石灰石、ドロマイトおよび蛍石）の平均粒径（Ｄ５０）と共に下記表１１に示す。尚、下記表１１には、実施例２で評価した項目についても示した（評価方法は実施例２と同じ）。

この結果から明らかなように、ペレット全体を微細化せずに、中心部だけを重点的に細粒化するだけでも、粒状還元鉄の歩留まり向上効果が達成され、更に硫黄分配比も向上することが分かる。このように中心部だけを重点的に微細化することにより、ペレットに含まれる微細化した原料成分の量がより少ない状態であっても、本発明の効果が得られることが分かる。

Claims (6)

1. 酸化鉄含有物質および炭素質還元剤を含んでなる塊成物を、
   移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元して還元鉄塊成物を製造する方法であって、
   前記酸化鉄含有物質の平均粒径が４〜２３μｍであり、且つ粒子径が１０μｍ以下のものを１８質量％以上含む塊成物を用いることを特徴とする還元鉄塊成物の製造方法。
2. 前記酸化鉄含有物質は、鉄鉱石である請求項１に記載の還元鉄塊成物の製造方法。
3. 塊成物の中心部に存在する酸化鉄含有物質の平均粒径が４〜２３μｍのものである請求項１または２に記載の還元鉄塊成物の製造方法。
4. 酸化鉄含有物質、炭素質還元剤および融点調整剤を含んでなる塊成物を、
   移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱することによって、該塊成物中の酸化鉄を還元し、更に加熱して少なくとも部分的に溶融し、鉄成分を凝集させて還元鉄塊成物を製造する方法であって、
   前記酸化鉄含有物質の平均粒径が４〜２３μｍであり、且つ粒子径が１０μｍ以下のものが１８質量％以上含む塊成物を用いることを特徴とする還元鉄塊成物の製造方法。
5. 前記酸化鉄含有物質は、鉄鉱石である請求項４に記載の還元鉄塊成物の製造方法。
6. 塊成物の中心部に存在する酸化鉄含有物質の平均粒径が４〜２３μｍのものである請求項４または５に記載の還元鉄塊成物の製造方法。