JP2014062321A - 還元鉄塊成物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動炉床式加熱炉で、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、および融点調整剤を含む混合物を原料とした塊成物を加熱し、原料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できる方法を提供する。
【解決手段】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、移動炉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、前記炭素質還元剤として、平均粒径が４０〜１６０μｍで、且つ粒径が４００μｍ以上のものを２質量％以上含む炭素質還元剤を用いる還元鉄塊成物の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、および融点調整剤を含む混合物を原料とした塊成物を、移動炉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）、炭素を含む還元剤（以下、「炭素質還元剤」ということがある）、および石灰石、蛍石、ドロマイト鉱石などの融点調整剤を含む原料混合物から、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、上記原料混合物を成形した塊成物を移動炉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、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ことが望まれている。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。」が提案されている。この文献に開示されている技術では、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、歩留まり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。

特開２００３−７３７２２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、移動炉床式加熱炉で、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、および融点調整剤を含む混合物を原料とした塊成物を加熱し、原料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でき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、炭素質還元剤、および融点調整剤を含んでなる塊成物を、移動炉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り、前記炭素質還元剤として、平均粒径が４０〜１６０μｍで、且つ粒径が４００μｍ以上のものを２質量％以上含む炭素質還元剤を用いる点に要旨を有している。

前記酸化鉄含有物質としては、具体的には、鉄鉱石が挙げられる。前記塊成物に含まれる炭素量と全鉄量との比（炭素量／全鉄量）は、０．３８４以下であることが好ましい。

本発明によれば、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、および融点調整剤を含む混合物を原料とした塊成物を、移動炉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、炭素質還元剤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できる。

還元鉄塊成物を製造するに際し、その原料である酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、および融点調整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られている。しかしながら、これらの原料の大きさ（平均粒径）が還元鉄塊成物の歩留まり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、特に粗大な炭素質還元剤を用いると、酸化鉄含有物質との接触が悪くなったり、炭素質還元剤の比表面積が減少し、炭素質還元剤のガス化速度が小さくなるため、還元鉄塊成物の歩留まりは低下すると考えられる。

ところが、本発明者らは、上記目的に達成するために、様々な角度から検討した。特に、還元鉄塊成物を製造する際に用いる原料の平均粒径や粒度分布が、還元鉄塊成物の歩留まりに与える影響について検討した。その結果、原料のうち炭素質還元剤の平均粒径および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。以下、本発明について詳細に説明する。

本発明では、塊成物に含まれる炭素質還元剤の平均粒径を４０〜１６０μｍとし、且つ炭素質還元剤の総量に対して粒径が４００μｍ以上の炭素質還元剤を２質量％以上含む炭素質還元剤を用いる必要がある。尚、本明細書において、平均粒径とは、粒子サイズが小さいものから順に粒子の質量を測定したときに、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。

上記炭素質還元剤の平均粒径は、好ましくは１５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下であり、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは６０μｍ以上である。

上記粒径が４００μｍ以上の炭素質還元剤は、炭素質還元剤の総量に対して５質量％以上含有していることが好ましく、より好ましくは１０質量％以上、更に好ましくは２０質量％以上である。

上記炭素質還元剤としては、炭素を含有する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。

本発明では、上記要件を満足する炭素質還元剤と、酸化鉄含有物質および融点調整剤を含む塊成物を、移動炉床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、還元鉄塊成物を製造する。

上記酸化鉄含有物質としては、例えば、鉄鉱石や砂鉄、非鉄製錬残渣などを用いればよく、好ましくは鉄鉱石を用いるのがよい。

上記塊成物に含まれる炭素量と全鉄量との比（炭素量／全鉄量）は、０．３８４以下であることが好ましい。炭素量と全鉄量との比を０．３８４以下に抑えることにより、粒径の大きな還元鉄塊成物の歩留まりを向上でき、しかも還元鉄塊成物の品質も向上させることができる。即ち、還元鉄塊成物に含まれるＳ量を低減したり、Ｃ量を増加させて品質を向上させるには、炭素質還元剤の配合量を多くすることが考えられるが、炭素質還元剤の配合量を多くし過ぎると、粒径の大きな還元鉄塊成物の歩留まりは低下する傾向が認められた。そこで、本発明では、上述したように炭素質還元剤の平均粒径および粒度分布を調整したうえで、炭素質還元剤の配合量および酸化鉄含有物質の配合量を調整し、塊成物に含まれる炭素量と全鉄量との比を０．３８４以下とすることが好ましい。塊成物に含まれる炭素量と全鉄量との比は、より好ましくは０．３８０以下であり、更に好ましくは０．３７０以下である。

上記融点調整剤としては、例えば、ＣａＯ供給物質、ＭｇＯ供給物質、Ａｌ₂Ｏ₃供給物質、ＳｉＯ₂供給物質、蛍石、ドロマイト鉱石等を用いればよい。

上記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。上記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。上記Ａｌ₂Ｏ₃供給物質としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ボーキサイト、ベーマイト、ギブサイト、ダイアスポアなどを用いることができる。上記ＳｉＯ₂供給物質としては、例えば、ＳｉＯ₂粉末や珪砂などを用いることができる。上記ドロマイト鉱石とは、炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムの複塩である。

上記原料混合物には、その他の成分として、バインダー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。

上記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。

上記塊成物の大きさも特に限定されないが、粒径（最大粒径）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、塊成物の下部への伝熱が悪くなり、生産性が低下する。なお、塊成物の粒径の下限値は５ｍｍ程度である。

上記移動炉床式加熱炉とは、炉床がベルトコンベアのように炉内を移動する加熱炉であり、例えば、回転炉床炉やトンネル炉が挙げられる。

上記回転炉床炉は、炉床の始点と終点が同じ位置になるように、炉床の外観形状が円形（ドーナツ状）に設計されており、炉床上に供給された塊成物は、炉内を一周する間に加熱還元されて（粒状）金属鉄を生成する。従って、回転炉床炉には、回転方向の最上流側に塊成物を炉内に供給する装入手段が設けられ、回転方向の最下流側（回転構造であるため、実際には装入手段の直上流側になる）に排出手段が設けられる。

上記トンネル炉とは、炉床が直線方向に炉内を移動する加熱炉である。

上記塊成物は、上記移動炉床式加熱炉内で、例えば、１３００〜１５００℃で加熱して加熱還元すればよい。

上記移動炉床式加熱炉の炉床上には、上記塊成物を炉内に装入するに先立って、床敷材を敷くことも好ましい態様である。床敷材を敷くことによって炉床を保護できる。

上記床敷材としては、上記炭素質還元剤として例示したものの他、耐火性粒子を用いることができる。

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、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、原料混合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。

上記酸化鉄含有物質としては、下記表１に示した成分組成の鉄鉱石を用いた。下記表１において、Ｔ．Ｆｅは全鉄を示している。上記炭素質還元剤としては、下記表２に示した成分組成の石炭を用いた。上記融点調整剤としては、下記表３に示した主たる成分組成の石灰石、下記表４に示した主たる成分組成のドロマイト、下記表５に示した主たる成分組成の蛍石を用いた。上記バインダーとしては、小麦粉を用いた。

鉄鉱石、石炭、石灰石、ドロマイト、蛍石、およびバインダー（小麦粉）を、下記表６に示す配合率で混合し、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が１９ｍｍの生ペレットに造粒した。このとき石炭（炭素質還元剤）の平均粒径（Ｄ５０）を変化させて生ペレットを造粒した。用いた石炭の平均粒径（Ｄ５０）を下記表７に示す。また、下記表７には、用いた石炭の質量に対する、粒径が４００μｍ以上の石炭の含有量（下記表７では、石炭中の＋４００μｍ含有量と表記）を示す。

次に、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。下記表７に、乾燥ペレットの一般的な性状として見掛け密度を測定した結果を示す。また、下記表７には、乾燥ペレットの分析値として、乾燥ペレットに含まれるＴ．Ｆｅ（全鉄量）も併せて示した。なお、乾燥ペレットの見掛け密度および分析値は、いずれも１０個の乾燥ペレットについて測定した結果の平均値である。

次に、得られた乾燥ペレットを、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、還元鉄塊成物を製造した。このとき還元溶融に必要な時間（反応時間）を測定した。結果を下記表７に示した。

得られた還元鉄塊成物について、直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄塊成物の歩留まりを算出すると共に、還元鉄塊成物の分析値を測定した。

［直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄塊成物の歩留まり］
直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄塊成物の歩留まりは、上記乾燥ペレット中の鉄分に対する、直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄塊成物の質量の割合［即ち、＋３．３５ｍｍ還元鉄塊成物の質量／乾燥ペレット中の鉄分×１００］で算出した。結果を下記表７に示す。下記表７では、直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄塊成物の歩留まりを、「＋３．３５ｍｍ還元鉄塊成物の歩留まり」と表記した。また、以下では、直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄塊成物の歩留まりを「製品回収率」と呼ぶことがある。

［還元鉄塊成物の分析値］
還元鉄塊成物の分析値として、還元鉄塊成物に含まれるＣ量を測定した。結果を下記表７に示す。

下記表７から明らかなように、石炭（炭素質還元剤）の平均粒径（Ｄ５０）を４０〜１６０μｍとすると共に、粒径が４００μｍ以上のものの石炭中の含有量を２質量％以上とすることによって、還元鉄塊成物の歩留まりが８５％以上に向上することが分かる。

（実施例２）
上記実施例１と同様、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、原料混合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。但し、実施例２では、上記実施例１で用いた炭素質還元剤とは異なる種類の炭素質還元剤を用いると共に、鉄鉱石、石炭、石灰石、ドロマイト、蛍石、およびバインダー（小麦粉）の配合率を変えて製造した生ペレットを用いた。

上記酸化鉄含有物質としては、下記表８に示した成分組成の鉄鉱石を用いた。上記炭素質還元剤としては、下記表９に示した成分組成の石炭を用いた。上記融点調整剤としては、下記表１０に示した主たる成分組成の石灰石、下記表１１に示した主たる成分組成のドロマイト、下記表１２に示した主たる成分組成の蛍石を用いた。上記バインダーとしては、小麦粉を用いた。

鉄鉱石、石炭、石灰石、ドロマイト、蛍石、およびバインダー（小麦粉）を、下記表１３に示す配合率で混合し、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が１９ｍｍの生ペレットに造粒した。石炭（炭素質還元剤）としては、平均粒径（Ｄ５０）が４１μｍまたは４３μｍのものを用いて生ペレットを造粒した。用いた石炭の平均粒径（Ｄ５０）を下記表１４に示す。また、下記表１４には、用いた石炭の質量に対する、粒径が４００μｍ以上の石炭の含有量（下記表１４では、石炭中の＋４００μｍ含有量と表記）を示す。

次に、得られた生ペレットを乾燥機に装入し、上記実施例１と同じ条件でペレット状塊成物（球状の乾燥ペレット）を作製した。下記表１４に、乾燥ペレットの一般的な性状として見掛け密度を測定した結果を示す。また、下記表１４には、乾燥ペレットの分析値として、乾燥ペレットに含まれるＴ．Ｆｅ（全鉄量）も併せて示した。また、下記表１４には、乾燥ペレットの分析値として、乾燥ペレットに含まれるＣ量とＴ．Ｆｅ（全鉄量）との比も併せて示した。なお、乾燥ペレットの見掛け密度および分析値は、いずれも１０個の乾燥ペレットについて測定した結果の平均値である。

次に、得られた乾燥ペレットを、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℃で加熱し、還元鉄塊成物を製造した。加熱雰囲気は、窒素ガスが６０体積％、二酸化炭素ガスが４０体積％の混合ガス雰囲気下で行った。このとき還元溶融に必要な時間（反応時間）を測定した。結果を下記表１４に示した。

得られた還元鉄塊成物について、直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄塊成物の歩留まりを上記実施例１と同じ手順で算出すると共に、還元鉄塊成物の分析値を上記実施例１と同じ手順で測定した。結果を下記表１４に示す。

下記表１４から明らかなように、Ｎｏ．１１〜１７は、石炭（炭素質還元剤）の平均粒径（Ｄ５０）を４０〜１６０μｍとすると共に、粒径が４００μｍ以上のものの石炭中の含有量を２質量％以上としているため、還元鉄塊成物の歩留まりを８５％以上に向上できた。また、Ｎｏ．１２〜１７の結果について比較すると、これらの例は、いずれも、石炭の平均粒径（Ｄ５０）が４３μｍで、粒径が４００μｍ以上のものの石炭中の含有量が６．３６質量％であり、これらの中でもＮｏ．１２〜１６は、乾燥ペレット中に含有される炭素量と全鉄量との比を０．３８４以下としているため、還元鉄塊成物の歩留まりを９０％以上に向上できることが分かる。また、乾燥ペレット中に含有される炭素量と全鉄量との比を小さくするほど、還元鉄塊成物に含まれるＣ量は増加する傾向が読み取れる。

Claims (3)

1. 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、移動炉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、
   前記炭素質還元剤として、平均粒径が４０〜１６０μｍで、且つ粒径が４００μｍ以上のものを２質量％以上含む炭素質還元剤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. 前記塊成物に含まれる炭素量と全鉄量との比（炭素量／全鉄量）が０．３８４以下である請求項１または２に記載の還元鉄塊成物の製造方法。