JP5549227B2 - 予備還元焼結鉱の製造方法およびこれを利用した高炉操業方法 - Google Patents
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Description
図1は、高炉法のシステム形態を示す模式図である。銑鉄製造において、消費エネルギー、生産性および生産規模の観点から、我が国では、焼結機、コークス炉および高炉を用いた、いわゆる「高炉法」が広く普及している。図1に示すように、高炉法では、まず、鉄源である粉鉄鉱石と、溶剤である石灰石と、熱源である粉コークスとを混合した配合原料を、グレート炉形式の焼結機によって焼結した焼結ケーキを破砕・整粒して、塊状の焼結鉱を製造する。一方で、コークス炉を用いて、粘結性石炭を1050℃で室炉乾留して塊状のコークスを製造する。そして、鉄源である焼結鉱と、熱源かつ還元材であるコークスとを高炉に装入することによって、還元・溶融反応を経て銑鉄を得ることができる。
さて、このような高炉法に対抗する銑鉄製造技術として、天然ガスを還元材として、ペレット鉱や塊鉄鉱石をシャフト炉で還元し、得られた還元鉄を高温状態でブリケットHBI(ホットブリケットアイアン)化する方法がある。この方法は、コークスを使用しないことが特徴であり、シャフト炉内での通気性を確保するための空隙の形成を担う原料としてコークス以外の原料を使用しなければならない。そのため、粉鉄鉱石を直接使用することができない。そればかりか、還元過程で強度が低下した鉄鉱石が割れて粉が発生する、還元粉化の状況の管理が重要となり、還元粉化の性状が良好でない焼結鉱を使用することは困難とされている。天然ガスだけで還元するため、極めて大きなエネルギー消費量となることが特徴であることはもちろんである。
近年、地球温暖化問題により、炭酸ガスの発生抑制が要求されており、とりわけ炭酸ガスの発生量の多い銑鉄製造工程において強く要求されている。従来は、消費エネルギーや製造コストがプロセス採用評価の基軸とされてきたが、新たに炭酸ガス発生量という概念が重要となってきている。
高炉操業の鉄源として還元鉄HBIを使用する方法は、高炉操業における還元材であるコークスの使用量を低減できる技術である。しかし、還元鉄HBIを製造する際に、高炉よりも還元効率が悪く、還元材を多大に消費し、銑鉄製造トータルでの炭酸ガス発生量の抑制にならないという問題がある。これについて、非特許文献2では、高金属化率の還元鉄ではなく、予備還元鉄(部分還元鉄)の高炉での使用が有利であると考察している。
(b)還元炉に吹き込む還元ガスは、H2ガス濃度が50体積%以上かつ温度が700℃以上とする。
(c)焼結ケーキを還元して得られた予備還元焼結ケーキは、金属化率が25〜60mass%であり、かつ粒径が5〜50mmの粒子が50mass%以上を占める構成とする。
本発明の方法は、従来のように、製造した焼結ケーキの全量を製造したままの状態で高炉に装入するのではなく、焼結ケーキの破砕物の一部を高炉とは別の予備還元機能を有する炉で処理を行って、予備還元焼結鉱を製造し、これを高炉原料の一部として使用して、還元材であるコークスの使用量を低減せしめることを最終目的とするものである。以下に、本発明の予備還元焼結鉱の製造方法について詳述する。
図2は、本発明の予備還元焼結鉱の製造方法および高炉操業方法の適用可能な高炉法システムの構成図である。図2に示す高炉法システムは、ドワイトロイド(DL)型の焼結機1、破砕物容器2、予備還元炉3、篩装置4、成型機5および高炉6を備える。
まず、予備還元の対象となる、焼結ケーキ破砕物について説明する。焼結ケーキ破砕物は、従来製造している焼結ケーキから製造する方法と同一の方法で製造するものでもよい。ただし、予備還元炉に装入する際に、温度が420〜970℃である必要がある。
3−1−1.使用ガス
焼結ケーキ破砕物をこの温度範囲とするには、焼結原料(配合原料)における燃料の比率を大きくする等の、熱的に有利となる工夫を行う必要がある。しかし、単に原料だけの工夫では、焼結ケーキが高温になりにくいため、積極的に焼結ベッドにバーナーから高温燃焼ガスを吹き込む方法が加熱方法として効果的である。この場合、バーナーで用いるガス燃料としては、H2/CO比(H2とCOの体積比の値)が高い天然ガスやコークス炉ガス等のガスを使用することが、炭酸ガス発生量の低減には必要となる。ガス燃料として、予備還元炉から排出される還元ガスを使用することも、もちろん可能である。
高温燃焼ガスの焼結層での吹き込み位置は、前記図2に示す焼結機1の焼結ストランドの上部において、FFP(Flame Front Point;燃焼前線到達点)から排鉱端までの間とすることが好ましい。この位置での高温燃焼ガスの吹き込みにより、FFP地点では、ほぼ常温近くまで冷却されていた焼結ケーキの表層部は、再度約1200℃まで加熱される。FFPは、排ガスの温度が急上昇する地点であり、前記図2に示す焼結機1において、全ストランドの長さを100%として、点火開始点1aを0%位置、排鉱端1bを100%位置とすれば、75%付近に位置する。
焼結機1の排鉱端1bまで搬送された高温の焼結ケーキ12は、排鉱端1bでパレットが傾転することによって、焼結ケーキ排出部から排出され、鬼歯型のクラッシャーによって破砕され、焼結ケーキ破砕物13が製造される。そして、焼結ケーキ破砕物13は、破砕物容器2によって運搬され、420〜970℃の状態で予備還元炉3の炉頂に装入される。
4−1.本発明における予備還元の方法および効果
予備還元炉3は、炉頂部から装入された装入物が、重力によって荷下がり移動し、炉下部から排出される構造を持つ。予備還元炉3は、焼結冷却機(不図示)のように焼結ケーキ排出部の下に位置してもよいし、別途、焼結機1から離れたところに設置してもよい。焼結機1から離れたところに設置する場合、耐火物容器コンテナーを使用して焼結ケーキ破砕物13を搬送すればよい。
予備還元炉に装入する焼結ケーキ破砕物の温度は、できる限り装置の設置空間を低減すべく予備還元炉の容積を低減させるため、また、還元速度の向上を図るため、できるだけ高くする必要がある。
4−3−1.組成
本発明では、還元ガスの組成の条件を、H2濃度を50体積%以上とした。そのため、予備還元炉では吸熱反応が発熱反応よりもリッチな条件となる。この条件において、上述の420〜970℃の焼結ケーキ破砕物を装入することにより還元反応速度が担保される。この点で、従来の還元炉と大きく異なる。
予備還元炉に吹き込む還元ガスの温度は、700℃以上とする。700℃以上でないと、酸化鉄のH2ガス還元によって吸熱反応が進行し、炉温が低下して還元効率が悪化する。
上述のように、予備還元炉は、装入物が、炉頂部から装入され、重力によって荷下がり移動し、炉下部から排出される構造を持つ。そのため、本発明に適用する予備還元炉は、還元ガスを炉頂に投入して炉下部側壁や炉底部から排出させる並流型としてもよいし、逆に炉下部側壁や炉底部から還元ガスを吹き込んで炉頂部から排出させる向流型としてもよい。前記図2には、予備還元炉3として、炉下部側壁にガス投入口3aを有する向流型のものを示した。
予備還元炉の形式としては、炉底部から装入物を排出するシャフト炉型が適用できる。この他に、炉底板が存在し、この炉底板が炉壁とともに水平回転し、炉下部側壁から装入物をスクレーパー等でかきだす方式も適用できる。このように、予備還元炉については、何ら形式を規定しない。
従来、高炉をはじめとするシャフト炉では、炉下部から投入された高温の還元ガスは、炉上部方向へ移動するに従って、装入物と熱交換されて温度が低下し、炉頂では200℃の低温で排出される。これが、炉頂から装入した常温の原料が炉下部方向へ荷下がり移動し、それに対向して還元ガスが流動する向流型の熱効率が良好である理由である。
5−1.篩上産物の利用方法
常温に冷却された予備還元焼結ケーキは、前記図2に示すように、篩装置4によって粒径5mm程度を境界として分級される。篩上産物である塊状予備還元焼結鉱31aは、粒径が5mm以上であり、高炉の通気性を確保できるため、そのまま高炉原料(予備還元焼結鉱)として使用される。
一方、篩下産物である粉状予備還元焼結ケーキ31bは、従来のように焼結返鉱粉として焼結原料中に配合して再利用してもよい。しかし、折角予備還元した鉱粉を酸化処理する焼結プロセスに戻すのは、生産効率および炭酸ガス発生量の抑制の面から好ましくない。粉状予備還元焼結ケーキ31bは高炉で使用できるようにするため、成型機5によってブリケット化して、予備還元ブリケット51とすることが好ましい。予備還元ブリケット51は、粒径5mm以上とすることにより、高炉原料(予備還元焼結鉱)として使用することができる。
このようにして製造された、篩上産物である塊状予備還元焼結鉱と、予備還元ブリケットを高炉原料の一部として使用することによって、高炉操業における還元負荷を低減するとともに、高炉内での還元粉化の発生を抑制することができるためコークス比を低減することができる。
本発明において、予備還元焼結ケーキの金属化率を25〜60%と規定した理由について説明する。篩上産物である塊状予備還元焼結鉱および予備還元ブリケットの金属化率が25%未満であると、金属化率が低すぎて高炉での還元負荷の低減効果が小さく、本発明の方法を適用するだけの価値がないためである。一方、予備還元焼結ケーキの金属化率が60%よりも高いと、予備還元炉で必要となる還元ガス量が多くなりすぎて、製銑工程でのトータル消費エネルギーが大きく増加する問題が生じる。
予備還元焼結ケーキの粒径について説明する。強度が高すぎる予備還元焼結ケーキや、固着状の粒径50mm以上の粗粒の含有率の高い予備還元焼結ケーキでは、予備還元炉における荷下がりや排出切り出しとして問題が多い。逆に、強度が低すぎるため、または予備還元炉温が低かったため予備還元焼結ケーキの、予備還元炉内での還元粉化が著しい状況や、粒径5mm以下の細粒が予備還元焼結ケーキの主体である状況では、予備還元炉における通気性が悪くなり、炉内ガス流や荷下がり等が偏り、予備還元炉操業に支障が生じる。
本発明の方法で製造された予備還元焼結鉱は、通常の焼結鉱とは異なり、予備還元されている。そのため、Fe2O3を含有しておらず、高炉で使用するに際し、還元粉化による通気性悪化を引き起こさず、通気性が改善できるという利点を有する。この利点により、コークス比の低減にともなう通気性の悪化を相殺することができ、良好な高炉操業を維持できる。
本発明を完成させるため、以下の通り、焼結工程と予備還元工程について要素検討を行った。
図3は、焼結鍋試験装置の模式図である。本発明の方法では、420〜970℃の焼結ケーキ破砕物を製造する必要がある。一般に、焼結ケーキは、前記図2に示すようにDL型焼結機によって多量に連続的に生産される。今回行った要素検討のための実験では、焼結シミュレーターとして広く用いられている、図3に示す焼結鍋試験装置を用いて、高温の焼結ケーキの製造を実証した。焼結鍋試験装置は、直径300mm、高さ500mmの円筒形の容器14と、容器14の下部に設けられた風箱15からなる。容器14と風箱15との境界には網状のグレートと床敷鉱層16が設けられている。
本実験では、原料として、鉄鉱石、石灰石、燃料であるコークス、および水分を表1に示す2種類の配合比率(焼結ケーキAおよび焼結ケーキB)で配合した配合原料を使用した。
図4は、原料層全体の温度分布の時間変化を示す図であり、同図(a)は第一の焼結方法を適用した場合、同図(b)は第二の焼結方法を適用した場合を示す。
配合原料として前記表1の焼結ケーキBの配合原料を用いて、同様の焼結鍋試験装置を用いた実験を実施した。この場合、点火時間を焼結ケーキAの1分間から2分間に延長して点火を強化するとともに、燃料である粉コークスの配合比率を4.5%から5.5%に増加し、水分量を7.0%から6.6%に低下させて、焼結ケーキAの場合よりも投入熱量を増加させた。
次に、予備還元工程について検討するため、上述の焼結シミュレーションで得られた、燃焼ケーキを用いて還元実験を行った。
図7は、還元試験装置の模式図である。図7に示すように、還元試験装置は、円筒反応管容器32と、これを囲繞する電気加熱炉33を備える。円筒反応管容器32は、予備還元炉に見立てたものであり、直径74mmとした。還元ガスとして、組成(体積比)がH2:CO:CO2=76:21:3のガスを用い、流量を9.4NL/minとした。試料として、上述の焼結シミュレーションにおいて第二の焼結方法によって焼結ケーキAの配合原料から得られた焼結ケーキを500g用いた。
図8は、還元試験での質量変化から算出した焼結ケーキの金属化率の変化を示す図である。図8に示すように、金属化率は還元開始から20分経過した時点で25%に達し、30分経過した時点で60%に達した。このように、還元反応を最初から高温で行えば、30分程度の極めて短い時間で焼結ケーキを金属化率60%程度まで予備還元することが可能である。
さらに、同様の実験を、表3に示す組成1〜10のガスを用いて、還元時間を25分として行った。その条件および結果を表3に示す。
6−3−1.シミュレーション条件
さらに、予備還元炉の方式や、予備還元炉内の状況を明確にするために、数学モデルシミュレーションを用いて検討した。表4に、シミュレーションに適用したシャフト炉タイプの予備還元炉の仕様および操業条件を示す。
図10は、予備還元炉の高さ方向における焼結ケーキの温度および金属化率のシミュレーション結果であり、同図(a)は並流型の結果、同図(b)は向流型の結果である。同図では、予備還元炉の上半分である還元部分のみを示す。
しかし、前記図2に示すシャフト炉のような、ペンシル円筒型の断面積が小さい形式の炉では、上述のように装入物が構成する充填層の高さが数mに達し、大きな送風圧を必要とする。また、ガスの投入または排出も下部炉壁からとなり、炉下部でのガスが炉中心部に流れにくいという欠点も有する。そこで、炉の断面積を大きくとることのできる、二重円筒型形式の移動層等の適用が最も好ましい態様である。
焼結ケーキの破砕物を還元炉で予備還元して得られた予備還元焼結ケーキを篩分級し、発生した篩下産物である粉状予備還元焼結ケーキを用いたブリケット成形の実施例について説明する。
本発明の方法で製造された予備還元焼結鉱の高炉で使用することによる改善効果について、高炉シミュレーションモデルを適用して検討した。予備還元焼結鉱として、篩上産物である粒度5mmの塊状予備還元焼結鉱と、篩下産物である粒度−5mmの粉状予備還元焼結ケーキから作製したブリケットをモデルとして使用した。シミュレーションに適用した、高炉、予備還元焼結鉱、原料量および還元材の条件を表5に示す。比較例として、予備還元焼結鉱を使用しない場合を「従来法」として示す。また、予備還元前の焼結ケーキおよび予備還元焼結鉱の組成を表6に示す。
12:焼結ケーキ、 13:焼結ケーキ破砕物、 14:容器、 14a:熱電対、
15:風箱、 16:床敷、 17:温度計、 18:バーナー、 19:原料層、
2:容器、 3:予備還元炉、 3a:ガス投入口、 31:予備還元焼結ケーキ、
31a:塊状予備還元焼結鉱、 31b:粉状予備還元焼結ケーキ、
32:円筒反応管容器、 33:電気加熱炉、 34:焼結ケーキ充填層、
35:二重円筒型シャフト炉、 36:内壁、 36a:ガス投入口、
36b:延長部、37:外壁、 37a:ガス投入口、 37b:延長部、
38:水封シール構造、 38a:蓋、 38b:内側水槽、 38c:外側水槽、
38d:水槽、 4:篩装置、 5:成型機、 51:予備還元ブリケット、
6:高炉、 7:発電機
Claims (9)
- 焼結ケーキの破砕物を還元炉の上部より装入して、該焼結ケーキの破砕物を予備還元した予備還元焼結ケーキを前記還元炉の下部から排出し、該予備還元焼結ケーキから粒径5mm以上の予備還元焼結鉱を得る方法であって、
前記焼結ケーキの破砕物を420〜970℃の温度範囲の状態で、前記還元炉に装入し、
前記還元炉に還元ガスとして濃度が50体積%以上かつ温度が700℃以上のH2ガスを吹き込み、
該予備還元焼結ケーキが、金属化率が25〜60mass%であり、かつ粒径5〜50mmの粒子が50mass%以上で構成されることを特徴とする、予備還元焼結鉱の製造方法。
- ドワイトロイド型の焼結設備を使用し、前記焼結設備の焼結ケーキ排出部の近傍のストランドの上部にバーナーを配置し、前記バーナーから燃焼ガスを吹き込むことにより、焼結ケーキを加熱することを特徴とする、請求項1に記載の予備還元焼結鉱の製造方法。
- 前記バーナーの燃料として、コークス炉ガス、天然ガス、または前記還元炉の排出ガスを使用することを特徴とする請求項2に記載の予備還元焼結鉱の製造方法。
- 前記還元炉に吹き込む還元ガスとして、H2とCOの体積比(H2/CO)が2.0以上となるように、天然ガスまたはコークス炉ガスを改質す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予備還元焼結鉱の製造方法。
- 前記還元炉の上部および下部にガス出入口を設け、前記還元炉に吹き込む還元ガスを前記還元炉の上部から下部に流動させることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の予備還元焼結鉱の製造方法。
- 前記還元炉が、水平回転式の二重円筒型であり、水封シールを有することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の予備還元焼結鉱の製造方法。
- 前記焼結ケーキのCaO含有率が7.0〜13.0mass%であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の予備還元焼結鉱の製造方法。
- 前記予備還元焼結ケーキを、篩分級し、篩下産物を成型機によってブリケット型の予備還元焼結鉱とすることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の予備還元焼結鉱の製造方法。
- 請求項1乃至請求項8に記載の予備還元焼結鉱の製造方法によって製造された予備還元焼結鉱を、高炉原料の一部として使用する高炉操業方法。
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