JP4992257B2

JP4992257B2 - 還元金属の製造方法

Info

Publication number: JP4992257B2
Application number: JP2006069397A
Authority: JP
Inventors: 明紀村尾; 義孝澤; 幹治武田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: JP2007246957A

Description

本発明は、移動型炉床炉を用いて金属成分を含む物質から還元金属を製造する方法に関し、たとえば、鉄鉱石等の含金属鉱石、製鉄所や製錬所、精錬所等で発生する鉄分や各種金属成分を含むダスト、スラッジあるいはスケール等の金属含有原料から、還元鉄などの還元金属を製造する方法について提案する。

従来、鋼は、主として高炉−転炉法または電気炉法によって製造されている。これらのうち、電気炉法は、スクラップや還元鉄を原料として、これらを電気エネルギーによって加熱溶解し、場合によってはさらに精錬して鋼にする方法である。現在、この方法は、スクラップを主な原料としているが、近年、そのスクラップの需給が逼迫しており、とくに高級製品の製造には、スクラップに代わる鉄含有原料、たとえば還元鉄などへの要望が高まりつつある。

還元鉄を製造するプロセス（移動型炉床炉による方法）としては、例えば、特許文献１に開示されているような、水平方向に回転移動する移動床上に鉄鉱石と固体還元剤とからなる混合物を積み付け、上方からの幅射伝熱によって鉄鉱石を加熱して還元することにより、還元鉄を得る回転炉床炉法が知られている。この回転炉床炉法による還元鉄の製造は、設備の建設費が比較的安価で、操業トラブルも比較的少なく、還元鉄を安定して製造することができる等の利点がある。

このような還元鉄製造技術において、加熱炉内における還元反応は、鉄鉱石と固体還元剤との間での直接還元によって進行するものと考えられている。この直接還元は、吸熱反応であるから、炉内への還元速度や生産性というのは、熱の供給量によって決定づけられる。その熱の供給は、バーナーを熱源とし、バーナー火炎や炉内壁からの幅射伝熱によって行なわれる。ところで、移動床上に供給された原料が加熱炉内の高温雰囲気中を移動するとき、その原料中の固体還元剤からは揮発分が発生する他、炉内には固体還元剤と酸化鉄との反応によって可燃性ＣＯガスが発生する。このＣＯガスは、重要な熱源となり得るものであり、これを炉内で有効に活用することができれば、燃料比の低減に寄与するものと考えられる。

特開昭６３−１０８１８８号公報

本発明は、従来技術が抱えている上述した各種の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、還元金属の再酸化を招くことなく、炉内で発生するＣＯ等の可燃性ガスの有効利用を通じて、燃料原単位の低減を図ることのできる技術を提案することにある。本発明の他の目的は、過剰な設備投資を必要とせず、前記燃料原単位の低減を実現することにある。

本発明では上記目的を実現するために、鋭意検討を重ねた結果、加熱炉内を移動する移動床上に、固体還元剤を敷き詰めたその上に、金属含有原料と固体還元剤との混合物からなる原料を装入して堆積させ、その金属含有原料が加熱炉内を移動する間に、バーナーの燃焼熱によって加熱・還元し、その後、少なくとも一旦は溶融させてから冷却することにより還元金属を製造する方法において、加熱・還元帯から溶融帯にかけての加熱炉側壁の上部に主バーナーを配設すると共に、加熱・還元帯にある前記主バーナーの下方には、
加熱・還元帯入側端と溶融帯出側端までの距離を１０分割した間隔を無次元数（０〜１．０）で表示したとき、その加熱・還元帯入側端からの間隔が０．２〜０．５の範囲内となる移動方向位置、かつ
主バーナーの中心と原料層表面との距離を１０分割した間隔を無次元数（０〜１．０）で表示したとき、その原料層表面からの間隔が０．２〜０．６の範囲内となる高さ位置に、
支燃性ガス吹込みノズルを配設して可燃性ガスを燃焼させることを特徴とする還元金属の製造方法を採用することが有効であることを突き止めた。

また、本発明において、前記した主バーナーの近傍には、燃料と支燃性ガスもしくは支燃性ガスのみを供給する２次燃焼用バーナーを配設すること、前記加熱・還元帯の入側上部に排気ガスダクトを備えることがより有効な解決手段と考えられる。

本発明によれば、炉内で発生する余分な可燃性ガスを燃焼させることにより、加熱・還元帯（加熱工程）の熱源として利用することができるのので、複雑で高価な装置を必要とせずに、燃料原単位の削減を図ることができる。

図１は、本発明方法の実施に当たり好適に用いられる移動型炉床炉の一例として、「回転炉床炉」を示すものである。この回転炉床炉の炉体１０は、原料の装入側から順次、予熱帯１０ａ、加熱・還元帯１０ｂ、溶融帯１０ｃ、冷却帯１０ｄに区画形成されており、この炉体１０内には、連続的に移動する移動床１１が配設されているものである。そして、この移動床１１の上には、金属含有原料たとえば鉄鉱石と、固体還元剤たとえば石炭との混合物からなる原料１２が装入され、所定の厚みに堆積させるようになっている。なお、この原料１２としては、炭材内装ペレットを用いることもある。

前記移動床１１は、耐火物の内張りを有する炉体１０によって囲われているが、本発明において特徴的なことは、この移動床１１の上に、これを保護するために、固体還元剤すなわち炭材を、原料の装入に先立って予め、床敷層用材料として装入するようにした点にある。また、炉体１０の側壁上部には、バーナー１３が配設される。このバーナー１３には、主バーナー１３ａと、必要に応じて２次燃焼用バーナー１３ｂが有り、これらのバーナー１３ａ、１３ｂの燃焼熱を熱源として、移動床１１上の前記鉄鉱石等の金属含有原料を加熱・還元するようになっている。なお、図１において、１４は原料を移動床１１上に装入するための装入装置および、１５は還元物を排出する排出装置である。また、この回転炉床炉の操業は、炉体１０内の雰囲気温度を、１３００℃程度に保持して、未溶融の還元鉄を回収する方式とすることができる一方、１５００℃程度の高温にして溶融させ、メタルとスラグとに分離した上で回収する方式とすることもできる。

いずれの操業を行う場合であっても、この回転炉床炉では、鉄鉱石等の鉄含有物と石炭等の炭素質固体還元剤とを含む混合物を塊成化したものなどを用いることにより、これらの相互の接触面積を増大させることで、還元時の反応速度を促進させ、処理時間を短縮するようにしてもよい。こうした処理時間の短縮は、生産性向上につながり、生産コストの低減をもたらす上で望ましいことである。

図２は、上記回転炉床炉を原料の装入装置の位置から製品の排出装置までの間を直線状に展開した周方向の縦断面図である。図１に示すものと同じ符号はそれぞれ、同じ構成部品を示している。この図において、装入装置のうち、原料の装入装置を１４ａ、還元剤の装入装置を１４ｂとし、主バーナーは加熱・還元帯から溶融帯にかけて配置され、２次燃焼用バーナー１３ｂを必要に応じてこの主バーナー１３ａに付属するように配設するが、特にこのバーナー１３ｂは溶融帯に配設することが好ましい。なお、図示の１６は冷却装置である。

この炉の操業は、所定の速度で移動させる移動床１１の上に、まず還元剤装入装置１４ｂを使って床敷用固体還元剤を供給して下層とし、その下層上に、金属含有物質と固体還元剤との混合物からなる原料１２が原料装入装置１４ａからが供給されて上層（原料層）となり、炉内の各帯域１０ａ〜１０ｄを移動する。ここで、金属含有物質を含む原料と固体還元剤との混合物は粉であってもペレットやブリケット等の塊であってもよい。

金属含有物質を含む原料としては、鉄鉱石等の含金属鉱石や製鉄所、精錬所等で発生する鉄分や各種金属成分を含むダスト、スラッジ、スケール等を使用することができる。固体還元剤としては、石炭、コークス等の固体燃料や廃棄物等から合成された固体の合成燃料が使用できる。これらの固体還元剤は、移動床１１の上の固体還元材層１７として使用することができるし、前記混合物である原料の構成物質とすることもできる。

上述したように、本発明方法に適用する回転炉床炉は、移動床１１の上方に当たる加熱炉の両側壁に、加熱・還元帯１０ｂ以降〜溶融帯１０ｃにかけて複数の主バーナー１３ａが設置される。この主バーナー１３ａでは、燃料（重油や天然ガス、もしくはプロパンガス、微粉炭等）と、この主バーナーから供給する燃料を燃焼するための１次燃焼用の空気（もしくは酸素富化空気）が供給される。この主バーナー１３ａは、炉内の加熱・還元工程から溶融工程の全域に設けられる。なお、図２では主バーナー１３ａを炉壁上部に設置した例を示しているが、この主バーナー１３ａの目的は、炉内への熱供給を円滑に行うことであるから、その意味で、該主バーナー１３ａを炉体の天井部分に下向きに設けてもよい。

さらに、この加熱炉の側壁には、必要に応じ、１ないし複数個の２次燃焼用バーナー１３ｂが主バーナー１３ａに併せて設置される。この２次燃焼用バーナー１３ｂには２次燃焼用空気（もしくは酸素富化空気）を好適例とする支燃性ガス、つまり炉内で生成した余剰ＣＯガスの燃焼を促進するためのガスが供給される。この発明において、２次燃焼とは、加熱・還元帯から溶融帯までの反応において、金属分の還元が終了するにいたるまでに発生したＣＯガスを燃焼させることを意味すると共に、２次燃焼用空気等から供給される酸素が炉床上の固体還元剤を酸化することによって発生したＣＯガスを燃焼させることである。
ただし、主バーナー１３ａのみによる燃焼では、燃料と酸素の混合の状態によっては、完全燃焼しないことがあり、理論燃焼酸素量に等しい量の酸素を供給しても、ＣＯガス等の可燃性ガスがそのまま残る場合がある。

そこで、この場合、溶融帯１０ｃに２次燃焼用バーナー１３ｂを配設することにより、還元金属が生成した溶融帯の上方で２次燃焼を起させて、熱エネルギーの有効利用を図ることが好ましい。なお、この２次燃焼用バーナー１３ｂは、加熱・還元帯１０ｂにも配設してよい。

このように、本発明では、溶融帯１０ｃや加熱・還元帯１０ｂに２次燃焼用バーナー１３ｂを通じて、酸素の如き支燃性ガスを、燃料の燃焼に必要な量よりも過剰に供給することにより、該溶融帯１０ｃ、加熱還元帯１０ｂで発生する可燃性ガスを完全に燃焼させ、炉内が高温雰囲気になるようにすることができる。この場合、溶融帯１０ｃにおける主バーナー１３ａおよび２次燃焼用バーナー１３ｂから供給される支燃性ガス中の酸素の総量を、主バーナー１３ａや２次燃焼用バーナー１３ｂから供給される燃料に対する理論燃焼酸素量の１．０１〜１．５倍程度に相当する酸素量を供給することが好ましい。この理論燃焼酸素量は、燃料中の炭素、水素等の可燃性ガスが完全燃焼し、二酸化炭素や水といった燃焼生成物とするのに必要な酸素量を意味している。

なお、主バーナー１３ａ、２次燃焼用バーナー１３ｂを通じて溶融帯１０ｃへ供給する支燃性ガスの総量を、酸素量にして燃料の理論燃焼酸素量の１．０１〜１．５倍相当量とした理由は以下の通りである。下限の１．０１については、これよりも酸素量が少ないと炉床上の固体還元剤を酸化してＣＯガスを発生させる効果がほとんどないために溶融帯１０ｃの温度上昇が期待できないためである。また、上限の１．５については、これを超えて過剰な酸素を供給すると、炉床上の固体還元剤の燃焼に寄与しない酸素が生じるようになるためである。

なお、移動型炉床炉では、熱源として期待される上述した揮発分やＣＯガス等の可燃性ガスの発生量は、加熱・還元帯１０ｂの後期から溶融帯１０ｃにかけて減少するため、この帯域の炉床近傍での還元性雰囲気が縮少する。従って、この帯域に２次燃焼用バーナー１３ｂを使って２次燃焼用支燃性ガスを過剰に吹込むことは、生成した還元鉄の再酸化を招くことがある。しかし、本発明方法においては、原料層の下に固体還元剤からなる床敷層が設けてあるため、必ずしもこの状況に陥ることはない。

次に、図３は、本発明を開発するヒントとなった、加熱・還元帯における反応の概念図を示すものである。この図から理解できるように、本発明方法の実施環境は、特に、加熱・還元帯での反応では、装入原料中に内装した固体還元剤と酸化鉄の反応によって、この層の上に多量のＣＯが発生し、多くはその部分に滞留することがわかる。

そこで、本発明においては、加熱・還元工程において原料層上に発生する多量のＣＯガスを、熱エネルギーとして有効利用するために、前記主バーナー１３ａ、２次燃焼用バーナー１３ｂの他に、その発生ＣＯガスのみを燃焼させる専用の支燃性ガス吹込みノズル１３ｃを配設することにした。即ち、この加熱・還元帯域では、原料層中の金属酸化物と内装炭材との反応（ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ↑）によって多量のＣＯガスが発生するが、もしこのガスを有効に活用できなければ、排ガスとして排気ダクトを経て無駄に排出されてしまうからである。

このように、主バーナー１３ａや２次燃焼用バーナー１３ｂの他に、わざわざ支燃性ガス吹込みノズル１３ｃを配設する理由はまた、主バーナー１３ａの場合は、支燃性ガス（空気）を過剰に供給するとしても、それは主として、一緒に吹込む燃料を完全燃料させるためのものであるから、加熱・還元帯の原料層上に発生するＣＯガスをも十分に燃焼させるに足る空気を供給するものとは言えないからである。そして、２次燃焼用バーナー１３ｂについてもその役割は主として、主バーナー１３ａの補助的な役割しか持たないものである。従って、上述したように、加熱・還元帯で生成する多量のＣＯガスを有効に活用しようとすると、前２者のバーナー１３ａ、１３ｂのみでは不十分であり、どうしても他に支燃性ガスのみを供給する手段が必要となる。本発明は正に、この要求に応えるために、前記支燃性ガス吹込みノズル１３ｃを設置することにしたのである。

ただし、本発明者らの研究によると、かかる支燃性ガス吹込みノズル１３ｃの配設場所はどこでもいい訳ではなく、好適な位置を選んで配置しなければならないことがわかった。即ち、炉内の高すぎる位置では効果が少ないし、また、低すぎる位置ではＣＯ燃焼の効果はあるが、炉床上に積載された粉が吹き上がり、排ガスと一緒に炉外へ排出されやすくなってダスト量が増えてしまう。さらに、反応の段階（加熱炉内を移動する移動床の移動距離、以下、これを「移動位置」という）が進みすぎてもまた進まない段階に配設してもまた効果が少ない。

図４、図５、図６は、支燃性ガス吹込みノズル１３ｃの高さ方向の好適位置を、原料層表面から主バーナーの中心位置まで間の距離を１０分割（１〜１．０）した無次元数で表示したとき、その高さ位置と排ガス温度および排ガス中のダスト量との関係を、移動床の移動距離０．１（−）、０．４（−）、０．７（−）の３つの段階について調査した結果を示したものである。これらの図からわかるように、加熱炉内の高さ方向のレベルにおいて、原料層表面から０．２（−）未満の位置では、排ガスダクト１８内に流れるダストの量が吹込みガスの影響を受けて急激に増加するため好ましくない。一方、原料層表面からの位置が、０．６（−）を超えると、前記排ガスダクト１８内における排ガス温度差が急激に低下することから、ＣＯガス燃焼効率が悪くなることがわかる。これらの結果から、本発明において、支燃性ガス吹込みノズル１３ｃの高さ方向のレベルは、０．２〜０．６の範囲、好ましくは０．２〜０．４の範囲がよい。

図７、図８、図９は、支燃性ガス吹込みノズル１３ｃの炉内移動位置を、炉内における加熱・還元帯入側端から溶融帯出側端までの距離を１０分割（０〜１．０）して無次元化し、その移動位置と排ガス温度および排ガス中のダスト量との関係を調査した結果を、このノズルの高さレベルを０．１（−）、０．５（−）、０．７（−）の３レベルについて表示したものである。これらの図から、前記移動距離が０．２〜０．５の範囲にあるとき、燃焼効率がとくに高く、排ガス中に含まれるダストの量が少なく、好適であることがわかった。

なお、本発明において、溶融帯１０ｃに配設してなる主バーナー１３ａ、２次燃焼用バーナー１３ｂへの燃料および支燃性ガスを供給する場合、上述した方法の採用に併せ、微粉炭、重油等を併用してもよい。また、使用する主バーナー１３ａ、２次燃料用バーナー１３ｂはプレミックスタイプ、ポストミックスタイプ等のいずれの形式のものでも使用することができる。

この実施例１、２、３は図１、図２に示すような回転炉床炉を用いて還元鉄の製造実験を行った結果を示すものである。なお、燃料としてはＬＮＧを用い、支燃性がスとしては、空気と酸素を用いて還元鉄を製造した時の操業条件とその結果を表１に示す。
比較例１は支燃性ガスノズルを配設しなかった例、比較例２および３はノズルの配設位置（高さ位置）が本発明の適合範囲を外れた位置にある例を示す。同様に比較例４および５はノズルの配設位置（移動方向位置）が本発明の適合範囲を外れた位置にある例を示す。これらの実施例、比較例では主バーナーは使用するＬＮＧの量に対して空燃比１．２、酸素富化率一定の条件で燃焼させた。
溶融帯のＬＮＧ使用量は７５ｍ^３ _Ｎ／ｈ一定、また溶融帯は支燃性がスを吹き込まず、２次燃焼用空気１８０ｍ^３ _Ｎ／ｈ（酸素富化率は一定）のみの吹き込みとした。逆に還元帯は支燃性ガスのみを吹き込み、吹き込み量は２２０ｍ^３ _Ｎ／ｈ一定（酸素富化率は一定）とし、支燃性ガスの吹き込み位置が炉温に及ぼす影響を調査した。なお、還元帯のＬＮＧは支燃性ガス吹き込みノズルの効果に応じて、還元帯温度が大きくずれないように調整して使用量を決定した。

実施例１、２、３は支燃性ガスを炉床からのＣＯ発生量が多い位置に供給することにより、原料層から発生したＣＯガスをそのまま炉床近傍で燃焼させることが可能となり、炉内と排ガスダクトとの温度差（Ｔ３５−Ｔ３１）が比較例に対して大きくなることが分かる。ただし、比較例３については、ノズル高さを０．１の位置に配設したことにより、ＣＯガスを燃焼する効果は大きく出たものの、吹き込み位置が原料層に近いため、原料層表層の粉が舞上がってしまい、ダスト量が４倍程度になり、排ガス系の負荷が増える結果となった。

本発明に係る技術は、回転炉床炉による鉄などの還元金属の製造に採用されるが、この技術はまた、海綿鉄の製造や鉄粉の他、他の金属粉の製造に際しても利用することができる。

回転炉床炉の模式図である。本発明の実施の形態に係る回転炉床炉を展開した状態の垂直断面図である。加熱・還元帯における反応の概念図である。移動位置０．４における、支燃性ガス吹込みノズル高さと、排ガス温度および排ガスダスト量との関係を示すグラフである。移動位置０．７における、支燃性ガス吹込みノズル高さと、排ガス温度および排ガスダスト量との関係を示すグラフである。移動位置０．１における、支燃性ガス吹込みノズル高さと、排ガス温度および排ガスダスト量との関係を示すグラフである。バーナー高さ０．５における、支燃性ガス吹込みの移動位置と、排ガス温度および排ガスダスト量との関係を示すグラフである。バーナー高さ０．７における、支燃性ガス吹込みの移動位置と、排ガス温度および排ガスダスト量との関係を示すグラフである。バーナー高さ０．１における、支燃性ガス吹込みの移動位置と、排ガス温度および排ガスダスト量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０回転炉床炉
１０ａ予熱帯
１０ｂ加熱・還元帯
１０ｃ溶融帯
１０ｄ冷却帯
１１移動床
１２原料
１３ａ主バーナー
１３ｂ２次燃焼用バーナー
１３ｃ支燃性ガス吹込みノズル
１４ａ原料装入装置
１４ｂ固体還元剤装入装置
１５原料排出装置
１６冷却装置
１７床敷用固体還元剤（層）
１８排ガスダクト

Claims

加熱炉内を移動する移動床上に、固体還元剤を敷き詰めたその上に、金属含有原料と固体還元剤との混合物からなる原料を装入して堆積させ、その金属含有原料が加熱炉内を移動する間に、バーナーの燃焼熱によって加熱・還元し、その後、少なくとも一旦は溶融させてから冷却することにより還元金属を製造する方法において、加熱・還元帯から溶融帯にかけての加熱炉側壁の上部に主バーナーを配設すると共に、加熱・還元帯にある前記主バーナーの下方には、
加熱・還元帯入側端と溶融帯出側端までの距離を１０分割した間隔を無次元数（０〜１．０）で表示したとき、その加熱・還元帯入側端からの間隔が０．２〜０．５の範囲内となる移動方向位置、かつ
主バーナーの中心と原料層表面との距離を１０分割した間隔を無次元数（０〜１．０）で表示したとき、その原料層表面からの間隔が０．２〜０．６の範囲内となる高さ位置に、
支燃性ガス吹込みノズルを配設して可燃性ガスを燃焼させることを特徴とする還元金属の製造方法。
前記した主バーナーの近傍には、燃料と支燃性ガスもしくは支燃性ガスのみを供給する２次燃焼用バーナーを配設することを特徴とする請求項１に記載の還元金属の製造方法。
前記加熱・還元帯の入側上部に排気ガスダクトを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。