JP2014037575A

JP2014037575A - 還元鉄の製造方法

Info

Publication number: JP2014037575A
Application number: JP2012180194A
Authority: JP
Inventors: Moritoshi Mizutani; 守利水谷; Shinroku Matsuzaki; 眞六松崎; Tsunehisa Nishimura; 恒久西村
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2014-02-27

Abstract

【課題】竪型シャフト炉方式による直接還元炉において、クラスタリングが発生しにくい還元鉄の製造方法を提供すること。
【解決手段】還元ガスを用いて還元鉄を製造する竪型シャフト炉方式による還元鉄の製造方法であって、原料酸化鉄を粗粒と細粒に篩い分ける工程と、篩い分けた粗粒の原料酸化鉄と、細粒の原料酸化鉄を、一の直接還元炉にあっては交互に、複数の直接還元炉にあっては別々に装入する工程とを実施し、粗粒の原料酸化鉄の層が直接還元炉の内容積の１０％以上であることを特徴とする還元鉄の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、還元鉄の製造方法に関する。

酸化鉄を含有する原料から鉄を還元する製鉄法の一つの方法として、直接還元法がある。直接還元鉄法は、プラントが安価であると共に、運転が容易であり、更に小規模でも立地が可能であるという特徴を背景に発展を続けてきた。特に、シャフト炉方式の直接還元炉は、炉内の還元ガスを有効に活用できることより、種々の改善が加えられてきた。

還元ガスとしては、天然ガス、又は天然ガスを改質したガス（ＣＯ及びＨ_２が主成分)や石炭ガス（石炭をガス化した時に発生するガス）などを用いて、酸化鉄原料を直接還元する。直接還元法の内、現在は、通称ＭＩＤＲＥＸ法と呼ばれている常圧の竪型シャフト炉を用いる還元法が主流である。ＭＩＤＲＥＸ法で用いられる酸化鉄原料には、Ｆｅ_２Ｏ_３を主体とする鉄鉱石、又はその加工品である、（ａ）塊状鉄鉱石、（ｂ）焼結鉱、及び／又は、（ｃ）粉状鉄鉱石を塊成化したペレット又はブリケット（以下、「ペレット等」）が用いられる。又、還元には、天然ガスを改質したガスが使用され、その温度は８００℃〜１０００℃、その組成はＨ_２とＣＯの合計濃度が９０ｍｏｌ％程度、ｍｏｌ比：Ｈ_２／（Ｈ_２＋ＣＯ）＝０．５２〜０．７１、ＣＯ_２＝０．５〜３．０ｍｏｌ％である（非特許文献１）。

直接還元法の安定操業において、竪型シャフト炉の通気及び酸化鉄原料の物流確保は重要である。シャフト炉下部の高温領域において、酸化鉄原料がクラスタリングした場合、通気抵抗が増大し竪型シャフト炉の性能が低下するだけでなく、酸化鉄原料の降下不良を引き起こし、生産障害を招く。それ故、直接還元法においては、酸化鉄原料のクラスタリングの管理指標を設ける場合が多い。

クラスタリング現象については、固相拡散による焼結と知られており、酸化鉄原料同士の接触部が固着することで、クラスタリングを引き起こす（非特許文献２）。
クラスタリング発生防止技術として、炉下部にバーデンフィーダーを設置し、酸化鉄原料の物流をせん断流れにすること、及び、炉下部の粉体圧を低減することが有効であるとされている（非特許文献３〜５）。

一方、直接還元炉ではないが、高炉において、燒結鉱を粗粒と細粒に分級し、高炉に装入する提案がある（非特許文献６）。
又、高炉において、細粒の燒結鉱に小塊コークスを混合し、高炉の炉周辺部に装入する提案がある（特許文献１〜３）。

神戸製鋼技法／Ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．１、ｐ．５（２０１０）鉄と鋼／第６４年（１９７８）第６号Ｐ１粉体工学会誌／Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．９、ｐ．６７２（１９８９）粉体工学会誌／Ｖｏｌ．２９、Ｎｏ．５、ｐ．３５６（１９９２）化学工学論文集／Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．２、ｐ．２０５（１９９２）鉄と鋼／第６９年（１９８３）第１４号Ｐ４８

特開平６−１００９０８号公報特開平８−２９５９０７号公報特開２０１１−２０２２２９号公報

非特許文献３〜５に記載のバーデンフィーダーは、クラスタリング発生の防止につながるが、酸化鉄原料の物流をせん断流れにすると酸化鉄原料が粉化し、発生した粉がシャフト炉の通気を阻害し、生産障害を招くという問題がある。
炉内での酸化鉄原料の粉化を助長するようなせん断流れを発生させることなく、クラスタリングを抑制し、シャフト炉の通気と酸化鉄原料の物流を改善し、安定した生産を可能とする新たな方法が望まれる。
非特許文献６に記載の発明は、高炉において“粒度別装入法”と呼ばれる。これは、燒結鉱を粗粒と細粒に篩分け、高炉の炉内ガス分布を適切化するものである。高炉のオールコークス操業という特殊な操業条件においての炉内の周辺ガス流の衰えに対する対応策である。
特許文献１〜３に記載の発明は、高炉において、細粒の燒結鉱に小塊コークスを混合し、高炉の炉周辺部に装入することで、周辺部の還元不足、熱不足を補うものである。
本発明は、前記“粒度別装入方法”をシャフト型直接還元炉にアレンジするものである。本発明は、竪型シャフト炉方式による直接還元炉においてのクラスタリング発生を防止するものであり、高炉のそれとは課題が大きく相違する。
本発明の目的は、竪型シャフト炉方式による直接還元炉において、クラスタリングが発生しにくい還元鉄の製造方法を提供することである。

本発明者は、竪型シャフト炉内に装入する酸化鉄原料をあらかじめ篩分けし、粒度別に装入をすることにより、酸化鉄原料のクラスタリングが発生しにくくなるという知見を得た。本発明は、かかる知見に基づくものであり、その要旨は、以下のとおりである。
（１）還元ガスを用いて還元鉄を製造する竪型シャフト炉方式による還元鉄の製造方法であって、
原料酸化鉄を粗粒と細粒に篩い分ける工程と、
篩い分けた粗粒の原料酸化鉄と、細粒の原料酸化鉄を、一の直接還元炉にあっては交互に、複数の直接還元炉にあっては別々に装入する工程とを実施し、
粗粒の原料酸化鉄の層が直接還元炉の内容積の１０％以上であることを特徴とする還元鉄の製造方法。
（２）前記篩い分けた細粒の原料酸化鉄の粒径が、６ｍｍ以上１０ｍｍ未満で、前記篩い分けた粗粒の原料酸化鉄の粒径が、１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする（１）に記載の還元鉄の製造方法。
（３）前記篩い分けた細粒の原料酸化鉄の粒径が、８ｍｍ以上１１ｍｍ未満で、前記篩い分けた粗粒の原料酸化鉄の粒径が、１１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする（１）に記載の還元鉄の製造方法。
（４）前記原料酸化鉄が、焼成ペレット及び非焼成ペレットの少なくともいずれかであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の還元鉄の製造方法。

竪型シャフト炉方式による直接還元炉において、クラスタリングが発生しにくい還元鉄の製造方法を提供することができる。

本発明に係るフローを説明する図である。粗粒混合割合と空隙率の関係を示す図である。細粒浸透実験装置を示す図である。細粒の浸透比を示す図である。粗粒混合割合とクラスタリング指数（ＣＩ）の関係を示す図である。

（細粒酸化鉄原料層と粗粒酸化鉄原料層の層状装入について）
クラスタリングは、固相拡散による焼結であると考えられている。酸化鉄原料相互の接触部が固着することにより、クラスタリングが引き起こされる。
細粒酸化鉄原料と粗粒酸化鉄原料が混合した層では、原料粒子間の空隙率が減少し、酸化鉄原料相互の接触点が増加して、原料間の焼結が加速する。したがって、酸化鉄原料層の空隙率を大きくすることが、クラスタリングの防止に重要である。

本発明は、竪型シャフト炉内に装入する酸化鉄原料をあらかじめ篩分けし、粒度別に装入することにより、酸化鉄原料のクラスタリングの防止を図るものである。
図１で、本発明に係るフローを説明する。酸化鉄原料を篩分装置１により粗粒原料と細粒原料に篩分け、それぞれホッパーやヤード（図１では省略）で一旦貯蔵する。次に、それらを粒度別に竪型シャフト炉２に層状に装入する。酸化鉄原料は、シャフト炉下部から導入される還元性ガスにより還元され、還元鉄となる。
酸化鉄原料を篩分ける際に、粗細の分離の程度により、酸化鉄原料層の空隙率が変化する。又、竪型シャフト炉２に粒度別に層状に装入しても、炉内での酸化鉄原料の降下にともない、粗粒と細粒が混合する可能性がある。そこで細粒と粗粒の混合割合を変更し、空隙率の変化を調査した。

図２に、市販のペレットを粗粒（１０ｍｍ〜１５ｍｍ）と２種類の細粒（３ｍｍ〜６ｍｍ、６ｍｍ〜１０ｍｍ）に分級し、粗粒と細粒を種々の割合で混合した場合の空隙率の変化を示す。
粗粒ペレット（図２中のＡ）及び細粒ペレット（図２中のＢ）の単独の空隙率は高いが、混合物（図２中のＭ）の空隙率は小さい。特に、最密充填した粗粒間を細粒が充満する状態となる、粗粒比率６５％付近で、空隙率が最も小さくなる。
そこで、本発明では、原料を粗粒酸化鉄原料と細粒酸化鉄原料とに篩分け、竪型シャフト炉に層状に装入することにより、空隙率を確保し、原料の焼結によるクラスタリングを防止する。

図２において、空隙率は以下の式より導出した。
ε＝１−ρｂ／ρｐ
ただし、ε：空隙率（−）、ρｂ：嵩密度（ｇ／ｃｍ^３）、ρｐ：見かけ密度（ｇ／ｃｍ^３）である。
ここで、ペレットの嵩密度ρｂは試料重量と４５ｍｍφ容器の容積から算出し、ペレットの見かけ密度ρｐは酸化鉄の全気孔率を制度よく測定できるＰＡＣ法（鉄と鋼、Ｖｏｌ．８３Ｎｏ．２ｐ．１０９）による測定値を使用した。

（細粒酸化鉄原料の粗粒酸化鉄原料層への浸透について）
竪型シャフト炉において、粗粒酸化鉄原料層の上に細粒酸化鉄原料を層状に装入した場合でも、原料層の降下に従い、細粒酸化鉄原料は、粗粒酸化鉄原料層の中に浸透していき、混合層が生成される。そこで、細粒酸化鉄原料の粗粒酸化鉄原料層への浸透の程度を調査した。

浸透距離を測定するために、アルミナボールによる浸透試験を行った。
図３に実験装置を示す。矩形アクリル製充填ボックス３（幅：０．２６５ｍ、奥行き：０．０６５ｍ、高さ：０．５ｍ）に、下から順に、ベース層（３ｍｍ）を２００ｍｍ、粗粒層（６ｍｍ）を６０ｍｍ、細粒層（１，２，３又は４ｍｍ）層を２０ｍｍ充填し、炉下部のテーブルフィーダー４により、装入物を排出した（降下速度：最大０．００２ｍ／ｓｅｃ）。炉下部に横方向からの送風機能を持つ送風装置５を有し、ガス流速を０．３ｍ／ｓｅｃ〜１ｍ／ｓｅｃに変化させた。表１に今回の実験条件と実験結果を示した。

充填層の降下に従い、細粒アルミナボールは、粗粒アルミナボール層の中に浸透していく。表１において、γは、平均降下速度（ｍ／ｓｅｃ）と平均細粒浸透速度（ｍ／ｓｅｃ）の比であるが、粗粒層の中に細粒が浸透する場合の粗粒層の単位降下距離あたりの細粒層の浸透距離である。

図４に細粒径／粗粒径と細粒浸透比（γ）の関係を示す。図４より、極微粒粒子（１ｍｍ）の浸透比は大きい。しかし、細粒と粗粒の粒径比が０．３〜０．７の場合は、細粒浸透比（γ）は、充填層の降下速度（表１の平均降下速度）の大小にかかわらず、０．１程度であり、この場合の細粒は、粗粒層の層厚の１／１０まで浸透することが分かった。

そこで竪型シャフト炉に粗粒酸化鉄→細粒酸化鉄→粗粒酸化鉄の順に装入する粒度別装入において、細粒酸化鉄の粗粒酸化鉄層への浸透は、粗粒酸化鉄層の層厚の１／１０なので、粗粒酸化鉄層の層厚を十分に確保しなければ、細粒酸化鉄の粗粒酸化鉄への浸透により、混合層が形成され、空隙率を高く維持できなくなり、クラスタリングの防止を図ることができない。

この場合、粒度別装入における細粒酸化鉄原料と粗粒酸化鉄原料の切換え量の下限値は、以下のように考えられる。

ただし、ｍ_ｍｉｎ：粒度別装入の切換え量の下限値（ｇ）、Ｓ：竪型シャフト炉断面積（ｍ^２）、ｈ：竪型シャフト炉高さ（ｍ）、Ｖ：竪型シャフト炉容積（ｍ^３）、ρ：酸化鉄原料嵩密度（ｋｇ／ｍ^３）である。
例えば、竪型シャフト炉断面積：３０ｍ^２、竪型シャフト炉高さ：８ｍ、酸化鉄原料密度：２２００ｋｇ／ｍ^３の場合、粒度別装入の切換え量の下限値は５２，８００ｋｇとなる。

（細粒の粒度限定効果）
細粒の粒度にあっては、その粒度下限値が６ｍｍ以上が好ましい。これは、実施例で後述するように、６ｍｍ未満では粒子径が小さくなることによる接触点の増加により、クラスタリング防止効果が十分でなくなるためである。また、粗粒の粒度にあっては、その上限値は１５ｍｍ以下が好ましい。これは、１５ｍｍを超えると、ペレットの還元性が低下するためである。
さらに、細粒の粒度にあっては、その粒度下限値が８ｍｍ以上が特に好ましい。酸化鉄原料の粒度は竪型シャフト炉の通気性に影響を及ぼす。酸化鉄原料の粒度が大きいと炉内の通気抵抗を減じることができ、生産性を改善することが可能となる。特に、粒度別装入を実行する場合、細粒の粒度下限値が８ｍｍ以上となると各段の通気性改善効果が得られる。この場合は、細粒の粒度区分を８ｍｍ〜１１ｍｍ、粗粒を１１ｍｍ〜１５ｍｍとする方が粗粒と細粒の比率が概ね等しくなり操業が容易である。

（原料酸化鉄の影響）
本願発明は、直接還元に用いることが可能な原料酸化鉄の内、特に焼成ペレット及び非焼成ペレットで大きな効果が発揮される。これは、それらペレットが球形であって、酸化鉄原料同士の接触点が空隙率で決まるためである。

（複数の直接還元炉による還元鉄の製造）
上述は、一の直接還元炉にあって、篩い分けた粗粒の原料酸化鉄と、細粒の原料酸化鉄を、交互に、装入する還元鉄の製造方法について説明した。複数の直接還元炉により還元鉄の製造する場合は、篩い分けた粗粒の原料酸化鉄と、細粒の原料酸化鉄を、それぞれ別々の直接還元炉に装入することにより、原料間の空隙率を確保し、原料の焼結によるクラスタリングを防止することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、粒度の異なる粗粒ペレットＬ（１０ｍｍ〜１５ｍｍ）、細粒ペレットＳ_１（６ｍｍ〜１０ｍｍ）および細粒ペレットＳ_２（３ｍｍ〜６ｍｍ）を用いてクラスタリングの試験を行った。

ここでクラスタリング指数（ＣＩ）とは、原料が、高温下で、還元された場合の原料が焼結し、クラスタリングを引き起こす指標である。クラスタリングの試験方法はＩＳＯ１１２５６（２００７）試験に準拠し、坩堝容積のみ変更した。

即ち、直径４５ｍｍの円筒型坩堝内に試料（上記１０〜１５ｍｍのペレットに６〜１０ｍｍ又は３〜６ｍｍのペレットを種々の割合で混合したもの３００ｇ）を充填し、還元温度８５０℃、還元ガス組成ＣＯ―３０．０％、ＣＯ_２−１５％、Ｈ_２−４５．０％、Ｎ_２−１０．０％、還元ガス流量６ＮＬ／ｍｉｎで６０ｍｉｎ還元後、試料上面から１４７ｋＰａの荷重を加え、更に６０ｍｉｎ還元を行った後、還元後の試料を所定径の筒内で計３５回、回転する。回転中、いくつかのペレットはクラスタリングから剥離する。５回転毎にクラスタリングから剥離された試料を分離し、クラスタリングの重量を測定し、式（２）で表わされるクラスタリング指数：ＣＩを測定した。

ただし、ＣＩ：クラスタリング指数（−）、ｍ_ｒ：還元後の試料全体重量（ｇ）
ｍ_ｃ，ｉ＝分離作業ｉ回目のクラスタリングの重量（ｇ）

図５に、ペレットの粒径とクラスタリング指数（ＣＩ）の関係を示す。粗粒ペレットＬ単独の場合（図５中のＡ）と細粒ペレットＳ_１単独の場合（図５中のＢ）は、ＣＩは小さい。粗粒ペレットＬと細粒ペレットＳ_１を混合した混合領域（図５中のＭ_１）では、クラスタリング指数（ＣＩ）が上昇するが、粗粒ペレットＬの比率が７０〜４０％になるとＣＩの上昇は大きい。

これに対し、細粒ペレットＳ_２単独の場合（図５中のＣ）は、単独であっても、ＣＩは大きい。粒径が小さいことにより、ペレット相互の接触面積が大きくなり、ペレットの焼結が進行したものと考えられる。又、粗粒ペレットＬと細粒ペレットＳ_２を混合した混合領域（図５中のＭ_２）のＣＩは大きく、クラスタリングが進行する。
以上より、粗粒ペレットＬと細粒ペレットＳ_１を層状に装入することにより、ペレットのクラスタリングを防止できることが確認された。また、細粒ペレットとして、６ｍｍ以未満の粒子を排除することにより、クラスタリングが防止できることが確認された。

竪型シャフト炉方式による直接還元炉において、クラスタリングが発生しにくい還元鉄の製造に利用することができる。

１…篩分装置、２…竪型シャフト炉、３…矩形アクリル製充填ボックス、４…テーブルフィーダー、５…送風装置。

Claims

還元ガスを用いて還元鉄を製造する竪型シャフト炉方式による還元鉄の製造方法であって、
原料酸化鉄を粗粒と細粒に篩い分ける工程と、
篩い分けた粗粒の原料酸化鉄と、細粒の原料酸化鉄を、一の直接還元炉にあっては交互に、複数の直接還元炉にあっては別々に装入する工程とを実施し、
粗粒の原料酸化鉄の層が直接還元炉の内容積の１０％以上であることを特徴とする還元鉄の製造方法。
前記篩い分けた細粒の原料酸化鉄の粒径が、６ｍｍ以上１０ｍｍ未満で、前記篩い分けた粗粒の原料酸化鉄の粒径が、１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の還元鉄の製造方法。
前記篩い分けた細粒の原料酸化鉄の粒径が、８ｍｍ以上１１ｍｍ未満で、前記篩い分けた粗粒の原料酸化鉄の粒径が、１１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の還元鉄の製造方法。
前記原料酸化鉄が、焼成ペレット、非焼成ペレットであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の還元鉄の製造方法。