JP2990925B2 - 鉱石または金属酸化物の高速還元方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種鉱石または金属酸
化物を高速に溶融還元して溶融金属を取り出す方法に関
し、殊に反応空間内における温度低下を防止しつつ高速
に溶融還元を達成することのできる方法に関するもので
ある。尚本発明で対象とする鉱石または金属酸化物にお
ける金属は、炭素によって還元され得るものであり、Ｆ
ｅを始めとして、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｃｕ等が挙
げられる。以下では高炉によって鉄鉱石から銑鉄を製造
する技術即ち高炉操業を主体にして説明を進めるが、も
とより本発明はこの様な高炉方式還元技術に制限される
ものではなく、粒子を供給する装置を備えた還元設備を
使用するものは全て本発明の適用技術対象となる。

【０００２】

【従来の技術】近年の高炉操業においては、安価な鉄源
の有効利用や溶銑の成分調整を目的として、粉鉱石やス
ケール等の酸化鉄を高炉羽口から吹込む技術の開発が進
められている。例えば特開平1-168802号には、溶銑中の
Ｓｉの低減を目的として、微粉炭中にミルスケールとフ
ラックスを混合したものを羽口から吹込む技術が提案さ
れている。また高炉羽口から熱割れ性および難還元性の
粉鉱石を炉内に吹込む技術（特開昭62-224606 号）や、
高炉のシャフト部における鉱石とコークスの装入比率を
一定に維持し、且つ羽口から吹込まれる粉状鉄源や微粉
炭の量を目標出銑量に応じて調整する技術（特開昭64-3
6713号）等も提案されている。

【０００３】一方、粉鉱石と微粉炭の混合吹込みが、炉
芯温度の維持や炉内通気性の確保に有利であるという報
告（「鉄と鋼」，Vol 77,No.1,p1609 ）や、粉鉱石と微
粉炭の超複合吹込みと称し、粉鉱石と微粉炭を同時に吹
込むことによって、レースウェイ内での粉鉱石のガス還
元が促進されるとする報告（「材料とプロセス」，Vol.
4,1991,p1920）等もなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高炉羽口から粉鉱石を
吹込むと、羽口前方に形成されるレースウェイ領域（反
応空間）奥部で、粉鉱石の主成分である酸化鉄が溶融
し、コークスとの間で下記(1) 式の吸熱反応が進行す
る。 ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ−37880kcal/kmol …(1) しかしながら、多量の粉鉱石を吹込んだ場合には、上記
(1) 式の反応の進行によって、レースウェイ外周部（炉
芯コークス層との境界部）で局部的な温度低下が発生し
てスラグが凝固し、その結果通気抵抗が増大してしま
い、炉芯部へのガス流通性が悪くなるという現象を引起
こす。

【０００５】本発明はこうした技術的課題を解決する為
になされたものであって、その目的は、反応空間内にお
ける気流中で粉鉱石や金属酸化物粒子から溶融金属への
高速還元を図り、反応空間内での局部的な温度低下を防
止しつつ安定した操業を行なうことのできる高速還元方
法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の高速還元方法とは、炉内の固体充填層内に高温の
反応空間を予め形成しておくかまたはこれを形成しつ
つ、全面若しくは一部に炭素が被覆された鉱石または金
属酸化物の粒子を、前記反応空間内へ連続的に供給して
該粒子の流れを形成し、この流れの中で前記粒子を溶融
させつつこれを還元せしめて溶融金属となす点に要旨を
有するものである。

【０００７】

【作用】図１は本発明に係る高速還元法を概念的に説明
する為の図である。尚図１における固体充填層は、高炉
におけるコークス層を想定したものであるが、本発明に
おいては固体充填層はコークス層の場合だけに限らず、
他の材料で構成しても良い。即ち、本発明における該充
填層は主に(1) 反応空間の形成、(2) 粉鉱石等への伝
熱、(3) ガスの排出、(4) 溶融金属やスラグの滴下とい
う４つの機能を備えたものである。

【０００８】上記(1) の機能は供給された粉鉱石等の粒
子がその流れの中で最終的に還元されるに必要な反応空
間を包囲形成するものであり、また(2) の機能はこの反
応空間中の粉鉱石の還元を促進するために必要な高温を
維持し、かつ同鉱石にその輻射により直接高熱を伝える
ための伝熱媒体の役割を担う。(3) の機能は反応空間内
に供給されたガスおよびその中で発生する排ガスを系外
に放出するための通気機能であり、更に(4) の機能は還
元，液化した生成金属を滴下させて反応空間より取り出
す通液機能である。

【０００９】従って、かかる各機能を満たすものであれ
ば、固体充填層を構成する材料の種類を問わないが、例
えばコークスの他に石炭，ＭｇＯ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｚｒ₂
Ｏ₃,ドロマイト，Ｍｇ−Ｃ等も反応空間の雰囲気温度
（後述する）に十分に耐えるものが好ましいといえる。
なお材料の形状にも特段の定めはないが塊状のものを使
用する場合は上記(3),(4) の機能から４０〜１００mm程
度の粒度に調整されたものが望ましい。

【００１０】ところでコークスをこの充填層として用い
た場合は前記の機能を安定して達成し、材料費が安価な
割りには耐用寿命が長いという利点に加え、その部分的
な燃焼により反応空間に熱を補給すると同時に同空間を
還元雰囲気に維持して粉鉱石に被覆された炭素の焼失を
抑制し、被覆炭素による高速還元を容易ならしめる他、
部分的に未還元のまま落下した溶融酸化物が存在した場
合でも滴下過程でコークスと接触することにより、さら
に還元反応が進行する等プロセス全体の溶融還元効率が
高く維持されるメリットがあるので特に好ましい材料で
ある。

【００１１】また反応空間は、高炉におけるレースウェ
イを想定したものであるが、該反応空間は吹込みによっ
て継続的に形成されるもの、或は予め形成したもののい
ずれをも含む趣旨である。粉鉱石の供給の仕方に関して
も特に制限はなく、高炉の羽口からの吹込みのように炉
の側壁から中芯に向って粒子の流れを形成させる方法で
も良いが、高炉以外の比較的炉高が低い還元炉に適用す
る場合は側壁からの供給にこだわらず、供給装置を炉上
部に設置し、上方または斜上方から下方または斜下方に
向けて供給し、粒子の自重による落下を利用した流れを
形成させるようにしてもかまわない。

【００１２】反応空間の雰囲気温度は粉鉱石の予熱およ
び溶融還元反応を短時間に行なわせるためには高温であ
るほど良いと言えるが、固体充填層や還元炉本体への熱
負荷等を考慮すれば１３００℃以上、好ましくは１５０
０℃以上の条件で十分に本発明の目的を達成できる。更
に本発明においては、炭素を被覆して供給する原料は、
鉱石だけに限らず、金属酸化物（例えば予備還元された
もの）をも含む趣旨であるが、以下では鉱石の場合を代
表的に取り上げて説明を進める。

【００１３】本発明者らのこれまでの研究によれば、前
記図１に示す様に、高温雰囲気の気流中で浮遊状態にあ
る粉鉱石は、まずその表面のあちこちでFe₂O₃ からFe
_1-xOへの還元が進みつつ溶融状態になり、引き続き、被
覆された炭素との接触によって高速に還元が進行する。
更に、Fe_1-XOから金属鉄まで還元された表面上の溶融鉄
は中心部に次々と凝集し、中心部が溶融鉄で構成されそ
の表面が酸化鉄で覆われた状態になることが分った。

【００１４】上記現象が発生するメカニズムは次の様に
考察できた。図２は粒子の表面部分で還元されて生成し
た溶融鉄が中心部へ移行して酸化鉄に被覆された状態を
形成するに至るまでを段階的に示した模式図であり、図
２(a) は溶融鉄が溶融酸化鉄（スラグ）表面に存在する
状態（段階１）、図２(b) は溶融鉄が溶融酸化鉄中に埋
没浸入していく状態（段階２）、図２(c) は溶融鉄が酸
化鉄中に取り込まれた状態（段階３）を夫々示す。段階
１から段階３に至るまでのエネルギー状態（エネルギー
の差ΔＦ）を、溶融鉄の表面張力（γ_M ）、酸化鉄の表
面張力（γ_S)、および溶融鉄−酸化鉄間の界面張力（γ
_M-S ）の関係で示すと、下記(2) 式の様になる。 ΔＦ＝γ_S ＋γ_M-S −γ_M …(2)

【００１５】ここでγ_S ≒500 ダイン／cm，γ_M-S ≒30
0 ダイン／cm，γ_M ≒1200ダイン／cmであることが分か
っているので、エネルギーの差ΔＦは明らかに負の値と
なる。従って、溶融鉄粒子が溶融酸化鉄に覆われた段階
３の状態が最も安定であることが分かる。また段階３で
は、酸化鉄内に取り込まれた溶融鉄は集合して球状化し
更に安定な状態となる。尚段階２は溶融鉄表面への溶融
酸化鉄の流動と見ることもでき、これは表面張力による
移動（いわゆるマランゴニ効果）であり、移動速度は非
常に大きい。

【００１６】以上のことから、溶融した粉鉱石は還元反
応が進行しても表面が常に金属酸化物に覆われた状態で
あり、還元ガスや固体炭素との接触によって、還元反応
の急速な進行が期待される。一方従来技術で示した様
に、羽口から粉鉱石と微粉炭を同時に吹込むことで還元
が促進されるという報告もなされているが、これは微粉
炭吹込みによって、ＣＯやＨ₂ の発生位置が羽口側に寄
ったためと推定される。これに対し本発明では、粉鉱石
に炭素を被覆した炭素被覆粉鉱石を供給することとして
いるので、粉鉱石と微粉炭を同時に吹込む技術に比べて
更に効率良く粉鉱石の高速還元に成功し得たのである。
また高速還元が達成されることによって、金属酸化物の
還元反応（吸熱反応）がレースウェイ内で分散して行な
われるので、従来の様にレースウェイの奥部に到達して
から還元反応が行なわれていたときに比べて局部的な温
度低下も防止できる。尚粉鉱石を炭素で被覆する方法に
ついては、特に限定するものではないが、例えば石炭の
乾留によって発生したガスや、重質油の分解によって生
じたガス等を粉鉱石に接触させる方法（流動層を利用し
た方法）を採用することができる。またこの方法を採用
する場合は、粉鉱石とガスを接触させるときの温度は４
００〜８００℃程度が適当である。

【００１７】本発明においては、適正量の炭素を粉鉱石
に被覆することによって、レースウェイ内の空間を飛遊
している間に炭素被覆鉱石が加熱され、溶融酸化鉄が固
体の炭素と接触して前記(1) 式の反応が急速に進行し、
粉鉱石が金属鉄まで還元される。尚被覆炭素の一部は羽
口前で燃焼してガス化するが、炭素被覆量を調整するこ
とによって、粉鉱石を確実に還元できる。

【００１８】本発明は、炭素被覆鉱石（若しくは炭素被
覆金属酸化物）を、炉内へ供給することを構成要旨とす
るものであり、図１に示した様に炭素被覆鉱石だけを高
速供給することがあるのは勿論であるが、その他下記に
示す様な供給態様も本発明の技術的範囲に含まれるもの
である。 (1) 炭素被覆鉱石と微粉炭を、混合しつつ、または予め
混合しておいて供給する。 (2) 炭素被覆鉱石と炭素を被覆しない鉱石とを、別々に
または予め混合しておいて供給する。

【００１９】また上記(1),(2) に示した方法に加え、反
応空間内の温度調節を目的として、酸素や水蒸気を同時
に供給する様にしてもよい。更に溶融したメタルやスラ
グの滴下を円滑に行なう為に、フラックス（ＣａＯ，Ｍ
ｎＯ，ＭｇＯ等）を混合または別個に供給してもよい。

【００２０】炭素被覆鉱石と微粉炭を混合しつつ高速供
給する場合は、微粉炭を供給する独立したランスを別途
配置する様な装置構成を採用することによっても達成さ
れるが、その他二重管構造のランスによって炭素被覆鉱
石と微粉炭を同心的に同時供給する様にしてもよい。こ
の場合は微粉炭供給は外側からとするのが良い。また炭
素被覆鉱石と微粉炭の供給を、炉の円周方向または高さ
方向に交互若しくは複数本をグループ化した供給管を設
けることによって別々に行なう様にしてもよい。この様
に微粉炭を同時に供給することによって（予め混合する
場合も含む）、送風中の酸素と微粉炭とが反応し、その
燃焼熱が熱源となると同時に鉱石に被覆した炭素が鉱石
の溶融還元以外に消費されることを防止することができ
る。また上記(2) に示した供給方法は、例えば難還元性
の鉱石を炭素で被覆し、通常（比較的還元され易い）鉱
石を炭素被覆しないで供給する場合等である。

【００２１】ところで鉱石への炭素被覆量としては、鉱
石中の金属酸化物が炭素との還元反応によって全量が溶
融金属になるのに必要な炭素量と、燃焼反応等によって
ガス化する炭素量とを合計した量を下回らない様にして
おくことが、反応速度や反応効率等を高める上で最も好
ましい。従って、酸素や水蒸気を同時に供給する場合
は、炭素被覆量は、これらとの反応に消費される量も考
慮する必要がある。尚本発明において、「被覆」とは
「全面被覆」または「一部被覆」の双方の意味を含む趣
旨である。また炭素を被覆する鉱石の粒度は、反応効率
等を考慮すれば１mm以下であることが好ましく、より好
ましくは０．１mm以下である。

【００２２】尚本発明方法を高炉操業に適用するに当た
っては、従来通り塊状鉱石とコークスを高炉上方から層
状に装入し、レースウェイから吹込まれた炭素被覆鉱石
を溶融還元すると共に、コークスの燃焼によって生じた
ＣＯを高炉上方からの塊状鉱石の還元に利用する。一方
高炉以外の炉に適用する場合は、例えば炉内に鉱石を装
入せずに固体充填層をコークスのみで構成し、高速供給
される鉱石の溶融還元を主体として行なう。この場合
は、コークスの消費によって生じたＣＯガスの有効利用
が問題となる。このＣＯガスは、燃料，化学成品用原料
として利用することもできるが、プロセス内でエネルギ
ー効率を上げる為の具体例としては、例えば上記ＣＯガ
スを粉鉱石の予備還元用ガスとして利用して予備還元鉱
石を製造し、この予備還元鉱石に炭素を被覆して供給用
の原料とするのが有利である。この様にすれば、溶融還
元に用いられる炉自体の規模を比較的小さくすることが
できると共に、充填するコークスの強度も低くでき、将
来的に見れば現状の高炉法や溶融還元プロセスに代わる
方法となり得るものと期待できる。

【００２３】

【実施例】

実施例１ 高炉羽口から吹込まれた粉鉱石の形態が還元率にどの様
な影響を与えるかを調査するため、小型電気炉を用いて
還元試験を行なった。電気炉の炉芯管内の温度を1550℃
に維持し、そこへ還元ガスと一緒に、無処理鉱石、炭素
被覆処理（炭素量：14重量％）した粉鉱石、および微粉
炭を混合した（炭素量：14重量％）粉鉱石の夫々を落下
させて、高速昇温して還元し、夫々の場合の還元率を調
査した。夫々の場合における、還元性ガスの組成と還元
率の関係を図３に示すが、この結果から次の様に考察で
きた。 (1) 粉鉱石の還元率は、無処理鉱石単味、微粉炭との混
合吹込み、炭素被覆鉱石の順に大きくなる。 (2) 炭素被覆鉱石の還元率は、無処理鉱石単味のときよ
りも、酸化度が大きい場合には３倍、酸化度が小さい場
合には２倍程度大きい。また微粉炭との混合吹込みのと
きに比べても1.5 〜２倍程度大きい。 (3) 微粉炭との混合吹込みの場合（従来法）の還元率
は、ガスの酸化度が大きいときには、無処理鉱石単味の
ときよりも２倍程度大きいが、酸化度が小さくなるに従
ってその差は減少し、純ＣＯガス中ではほぼ等しくな
る。 以上の結果から、実炉のレースウェイ内に吹込まれた炭
素被覆鉱石は、気流中で還元反応が急速に進行すると期
待される。

【００２４】実施例２ 図４は、無処理鉱石または炭素被覆鉱石の夫々を吹込ん
だ場合の高炉下部圧損を比較して示したグラフである。
この結果から明らかな様に、炭素被覆処理した粉鉱石を
吹込むことによって、レースウェイ領域でのスラグ溶解
を容易にし、これによって炉下部の圧損上昇を抑制で
き、高炉の安定操業が可能となった。

【００２５】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、反
応空間内における気流中で鉱石や金属酸化物から溶融金
属へ高速還元することができ、反応空間内の局部的な温
度低下を防止しつつ安定した操業が行なえる様になっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高速還元法を概念的に説明する為
の図である。

【図２】還元されて生成した溶融鉄が酸化鉄に被覆され
るに至るまでを段階的に示した模式図である。

【図３】粉鉱石の各形態における、還元性ガスの組成と
還元率の関係を示すグラフである。

【図４】無処理鉱石と炭素被覆鉱石の夫々を吹込んだ場
合の、高炉下部圧損を比較して示したグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 勲 三木市緑が丘町東４−４−５ (72)発明者 稲葉 晉一 加古川市神野町石守513−162 (56)参考文献 特開 昭63−45312（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C21B 5/00 C21B 11/00 C21B 13/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉内の固体充填層内に高温の反応空間を
   予め形成しておくかまたはこれを形成しつつ、全面若し
   くは一部に炭素が被覆された鉱石または金属酸化物の粒
   子を、前記反応空間内へ連続的に供給して該粒子の流れ
   を形成し、この流れの中で前記粒子を溶融させつつこれ
   を還元せしめて溶融金属となすことを特徴とする鉱石ま
   たは金属酸化物の高速還元方法。