WO1999016913A1

WO1999016913A1 - Rotary hearth furnace for reducing oxides, and method of operating the furnace

Info

Publication number: WO1999016913A1
Application number: PCT/JP1998/001399
Authority: WO
Inventors: Kanji Takeda; Yoshitaka Sawa; Tetsuya Yamamoto; Tetsuya Kikui
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2000-03-30
Also published as: MY118376A; ID22491A; DE69838246D1; EP0969105A1; BR9806224A; KR20000069181A; EP1770175A1; US6270552B1; EP0969105A4; DE69838246T2; KR100388329B1; EP0969105B1

Description

明細酸化物の還元用の回転炉床炉およびその操業方法技術分野

本発明は鉄鉱石から還元鉄を製造するのに好適な移動型炉床炉の操業方法およびその装置に関するものである。背景技術

粗鋼の生産方式としては大別して高炉一転炉法、電気炉法が知られている。このうち、電気炉はスクラッブゃ還元鉄を鉄原料として、それらを電気エネルギーで加熱溶解させ、場合によっては精鍊し、鋼にしている。現状ではスクラップを主な原料としている力近年、スクラップの需給のひつ迫、電気炉法での高級製品の製造の流れから還元鉄の使用が増加しつつある。

還元鉄を製造するプロセスの一つとして、例えば、特開昭 63 - 1 08 1 88 号公報には、水平方向に回転する炉床に鉄鉱石と固体還元材からなる層を積み付け、上部より輻射伝熱によって加熱、鉄鉱石を還元し、還元鉄を製造する方法が開示されている。この方法は設備の建設費が比較的安価で、操業トラブルが比較的少なくてすむ等の優位な点がある。多くの場合、水平に移動する炉床とは図 1およびその A - A断面を示した図 2 の如き回転炉床の形態が取られている。回転炉床 1の上には装入装置 a を通して搬入された鉄鉱石（粉状鉄鉱石を主とする酸化物粉）と固体還元材からなる混合粉の層 tが積み付けられる。該炉床 1は耐火物が張られた炉体 2によって覆われ、その内側の上部には熱源としてのバーナー 3が設置されていて、移動炉床 1の上で鉄鉱石を還元するようになっている。炉内温度は 1 300°C前後にされているのが普通であり、還元処理の終了後は炉外へ排出してからの酸化の防止、ハンドリングの容易性を高めるために回転炉床上で冷却器によつて還元鉄を冷却した後、排出装置 bから排出、回収するようになっている。

このような従来の製造方法においては、原料鉱石および炭材中に含まれる脈石分、灰分は製品である還元鉄にそのまま残り、次の工程の電気炉（溶解炉）において溶解、除去されるが、原料鉱石あるいは石炭中に含まれる脈石分、灰分が電気炉に入った場合に以下のような問題が生じていた。

①熔銑中に含まれる硫黄を減少させるには生成するスラグ中の C a〇 Z S i〇₂ 比を上昇する必要があるが、脈石、灰分に由来する S i〇₂ の増加とともに多量の C a〇源を石灰石、ドロマイ卜の形態で供給する必要がある。

②多量の C a〇、ドロマイトの添加は、分解熱、顕熱の補償が必要となり、そのための電気炉の電力原単位の上昇が避けられず、電気炉に入るスラグ分を最少限に留めるべく脈石分の少な ^選鉱された超微粉鉱石、低灰分石炭を用いなければならない。

上述のように、電気炉を経由する鉄鋼生産においては、移動床炉に適した高品位の鉱石、石炭が必要になる力そのコストは上昇する傾向にあり、しかも資源埋蔵量、生産能力についても限界に達しているのが現状であって、このため、大量に存在する通常の鉱石、通常の石炭をべ一スに電気炉に適した鉄源を供給するニーズが高まっている。

脈石、灰分を含有する還元鉄を、高温に維持し、溶融状態にし、スラグ分を除去することが可能であることは容易に考えられるが、従来法では以下の制約により実現できていない。

①溶融還元炉のように浴型の溶融炉でメタル、スラグが完全に溶融するまで高温に維持すればスラグ · メタルの分離を図ることができる力移動床炉型では設備の制約上困難である。移動炉床炉のような輻射加熱炉でスラグ · メタルを分離するための最低温度、保持時間などの操業条件、およびそれを決定する溶融挙動が解明されていない。

②輻射炉の温度を上昇するには高温の燃焼炎を生成する必要がある。燃焼炎の温度を上げるためには、燃焼空気を予熱し、理論空気比近傍で燃焼することが要求される。一方、還元された還元鉄の再酸化を防止するには、非常に強い還元性ガス雰囲気を維持する必要があるが、このガス条件では高温の燃焼炎を得ることが困難である。

③移動床炉で溶融した場合には、薄い溶融鉄層とスラグ層が分離して移動床上に存在し、 F e〇を含む溶融スラグによる移動床炉の炉床の浸食、スラグの炉床への固着が問題となる。

この点に関し、米国特許第 344293 1号明細書には、移動床炉において最高温度 1 260〜1 « 6° (：、 1 0 %以上可燃性ガスを含む雰囲気に調整して半溶融状態にする技術が開示されているが、これによつて収縮、耐酸化性を確保することはできるものの、脈石の分離は困難であった。

溶融によって脈石、灰分を除去することを炉外で行わせることも当然考えられるが、それは新たなキュボラのような設備を必要とすることは言うまでもない。発明の開示

本発明は次の方法によって従来技術の課題を解決するものである。すなわち、本発明は粉状鉄鉱石などの酸化物と粉状固体還元材の混合物からなる層を水平に移動する炉床に積み付け、炉床上部より輻射伝熱によって酸化物の還元処理を行うに当たり、還元処理して得た生成物をその排出口に至るまでの間で 1 450°C以上で溶融し、還元生成物中のスラグ分を凝集、分離することを特徴とする移動型炉床炉の操業方法であり、本発明においては、還元生成物と接する気相の酸素分圧を還元性雰囲気に調整するものとし、混合物の層とは異なる炭材の層を別途積み付けることができる。

本発明は粉鉄鉱石と粉固体還元材からなる混合物の層を水平に移動する移動型炉床に積み付け、該炉床の上部からの輻射伝熱によって粉鉱石の還元処理を行うにあたり、混合物の層をろ床に積み付けるに先立ち、まず粉状石炭チヤ一を積み付け、混合物の還元処理にて得られた生成物を炉床の上で少なくとも一度は溶融させ、石炭の予備乾留により粉状石炭チヤ一を製造する際に発生する乾留ガスを移動型炉床炉の加熱燃料として使用するものである。

また本発明は、粉鉄鉱石と粉固体還元材とを主とする原料を、水平に移動する炉床上に層状に積み付け、炉内上方からの輻射伝熱によって鉄鉱石の還元を行う移動型炉床炉の操業方法において、粉鉄鉱石と粉固体還元材との混合粉または粉鉄鉱石および粉副原料と粉固体還元材との混合粉を該炉床上に、粉固体還元材を介して炉床に直接接触しないようにして小区画化して点在させ、還元された還元鉄を該当炉床上で少なくとも一度は溶融させることを特徴とする移動型炉床炉の操業を行うものである。図面の簡単な説明

図 1は回転炉床炉の構成を示した図である。

図 2は図 1の A— A断面を示した図である。

図 3は混入スラグ濃度と加熱炉雰囲気温度の関係を示した図である。図 4は実験に使用した電気炉の構成を示した図である。

図 5は本発明に従う炉の構成を示した図である。

図 6は炉床上に積み付けた混合物と炭材単味の層の断面を示した図である。

図 7は還元鉄の歩留りと加熱炉雰囲気温度の関係を示した図である。図 8は移動炉床の上に鉄鉱石と固体還元材との混合粉を直接積み付けた状態を示した図である。

図 9は移動炉床の上で還元鉄を溶融させた状態を示した図である。図 10は本発明に従う操業要領の説明図である。

図 1 1は混合物の下に積み付けるものとして石炭チヤ一以外のものを使用した場合の状態を示した図である。

図 1 2は本発明に従う方法に従い混合物と石炭チヤ一を炉床上に積み付けた状態を示した図である。

図 1 3は図 2の断面を示した図である。

図 1 4は図 1 3に示したものを溶融した場合の断面を示した図である。図 1 5は図 20の要部の構成の説明図である。

図 1 6は石炭チヤ一の製造装置である。

図 1 7 ( a )は実施例で用いた混合層と石炭チヤ一の層の断面を示した図であり、（b)はその斜視図である。

図 1 8(a)は移動炉床上に鉄鉱石と固体還元材との混合粉を直接積み付けた場合の説明図であり、（b)は還元後、溶融させた状態の垂直断面を示した図である。

図 1 9 ( a )は本発明に適合する炉床上への原料積み付け状態の斜視図であり、（b)はその垂直断面を示した図であり、（c)は還元鉄を溶融したときの変化の説明図である。

図 20は実施例で用いた回転炉床炉の説明図である。

図 21 (a)は実施例で採用した原料の積み付け状態の垂直断面を示した図であり、（b)はその斜視図である。（条件 1 ：適合例）。

図 22 ( a)は実施例で採用した原料の積み付け状態の垂直断面を示した図であり、（b)はその斜視図である。（条件 2 ：適合例）。

図 230)は実施例で採用した原料の積み付け状態の垂直断面を示した図であり、（b)はその斜視図である。（条件 3 ：比較例）。

図 24(a)は実施例で採用した原料の積み付け状態の垂直断面を示した図であり、（b)はその斜視図である。（条件 4 ：比較例）。

図 25(a)は本発明に適合する実施例の積み付け状態の垂直断面を示した図であり、（b)はその斜視図である。

図 26は本発明に適合する実施例の積み付け時に使用する排出装置の説明図である。

〈符号の説明〉

1 炉床

2 炉体

3 加熱用バーナー

4 隔壁

5 炉体

6 炭材の層

7 鉄鉱石（酸化物）と固体還元材との混合物の層

8 燃焼バーナー

9 加熱装置

9 a バーナー

9 b 熱交換器

10 回収装置

11 ガス供給ノズル

1 スラグ

13 冷却器

14 図 25に示した実施例の積み付けを行った時に使用する排出装置 15 排出口

16 溶融鉄

17 粉石炭チヤ一の層

18 破砕装置

19 原料装入口 20 原料排出口

21 スクリュ一フィーダ一

22 ガス回収口

23 脈石、灰分が分離された還元鉄

t 混合物の層（原料）

t , 炭材の層

a 装入装置（積み付け装置）

b 排出装置

c カツ夕一

C 1 アーム

f 溶融層

g , 排ガス

g₂ 燃焼用空気

h ヒー夕一

i 温度計

n ノズル

η , 排出ガス用ノ

s ベッド発明を実施するための最良の形態

粉状鉄鉱石などの酸化物粉と粉状固体還元材の混合物を外部から加熱すると (1)式、（2)式の反応が連続的に進行、還元反応が進むことになる。

CO + F e O→F e + CO_z (酸化物粒近傍） · · · · （1) C〇₂ + C →2 CO (炭材表面） · · · · （2) 上記の (1)式の還元反応は一般に 600°C以上において進行するが、（2)式の反応は、（1)式の反応よりも高い温度でなければ進行しない。また、反応が連続的に進行するには、（1)式の生成 C〇₂ の固体還元材粒子への拡散、 (2)式の生成 C Oの酸化物粒への拡散が円滑に起こる必要がある。

通常の鉄鉱石と粉状固体還元材の場合には、炉内温度を 1 100〜 1300 °C に維持することにより進行させることができる。（1)，（2)式による還元反応は基本的には固体酸化鉄とガスとの反応によって進行し、生成する還元鉄は多孔質の固体金属鉄となる。固体還元材および、粉状鉄鉱石に含まれる灰分、脈石分もこの温度では固相であり還元鉄内に微細に混在しており、粉碎、篩い分け等の物理的な手段では分離が困難である。

本発明は、還元処理を終えた生成物を移動炉床上で溶融することによりスラグ、メタル分の凝集、分離を促進し、冷却後に粉砕、磁選することによりスラグ分を除去するものであって、これによれば脈石分の多い鉱石や通常の石炭を使用した操業であっても比較的効率的に還元生成物を得ることができる。

図 3はスラグ、メタル分の凝集、除去に必要な条件を検討するため、表 1に示すような組成の鉱石および石炭を用い図 4に示すような構造になる小型の電気炉（試料断面積 50 X 50mm ) による実験を行った結果を示したものである。ここに、この実験では加熱時間を 6分とし、混合物の下部に炭材のみからなる層を設けず、表面ガス雰囲気を理論空気比近傍とした場合、混合物の下部に炭材のみからなる層を設け表面ガス雰囲気を理論空気比近傍とした場合、および混合物の下部に炭材単味の層を設け表面ガス雰囲気を還元性雰囲気とした場合の 3条件のものを示し、混合物中の炭材は、還元とその後の浸炭反応を考慮しても十分余裕がある添加量とした。また、表面ガス雰囲気は、ガス中の還元性成分に対する全反応性ガス濃度の和の比、

還元ガス濃度 = (C0 + H ₂ ) / (CO + H 2 + H 2 O + C0_Z ) 100 〔％〕で定義し、理論空気比近傍組成とは還元ガス濃度が約 3 %、還元性雰囲気とは還元ガス濃度 = 90 %をさすものとした。

実験に使用した電気炉にはその上面に電気加熱ヒーター hを設け、その輻射熱によりべッド S上に設けた炭材と粉状鉱石の混合物 tを加熱した。試料表面のガスの雰囲気を調節するため、試料表面の上 1 0mmの位置にノズル nを設け、ここから雰囲気調整ガスを吹き込み、より排気する。炉の温度は温度計 iで測定される炉温を基にして調整した。なお、生成した還元鉄、スラグは一 10mmに粉碎、磁選し、得られた金属鉄中に混入している混入スラグ濃度でスラグの除去温度を評価した。図 3に示す如く、実験条件にかかわらず、混入スラグ濃度は温度の関数として整理することができ、加熱炉雰囲気温度 1 450°Cを境界に混入スラグ濃度が急激に低下、メタル ' スラグの分離が進行することが明らかになった。このような急激なメタル · スラグの分離の原因を調査するため、 1 400°Cのサンプルの顕微鏡観察を行つたところ以下の特徴が認められた。

①メタル分への浸炭は進行している。浸炭の結果として融点が低下し、溶融しているため初期の鉱石粒子の形状を維持していない。また、メタルの表面張力が非常に大きいため、多くの粒子は球形の粒子となつていた。

②炭材は観察面に散在しているが、スタルの凝集を妨げている様子は認められない。

③炭材由来のスラグ分の一部は溶融しているが、未溶融の部分も存在していた。

④溶融メ夕ル粒子間の凝集が妨げられているのは、一部溶融している高粘性の炭材由来のスラグの流動である。比較対象として観察した 1 500°Cではメタルはもちろん、スラグの溶融、移動、凝集が進んでいた。

以上の結果から、メタルを溶融するだけであれば浸炭鉄の融点 I I 50°Cより 1 00°Cも高くすれば鉄滓の分離が開始するはずであるが、スラグの溶融移動が制約条件となって、加熱炉雰囲気温度を 1450 °C以上に維持する 8/01399

1 0 必要があることが明らかになった。 1450°Cとは、石炭系灰分の主成分である A l ₂ 〇₃ — S i 0₂ 一 C aO系スラグが溶融し、粘性が低下し、凝集、移動できるようになる温度である。

上記の基礎実験に基づいて考案されたスラグ、メタルを分離できる本発明に従う移動床炉の構成を示したものが図 5であり、図 5において 1 は炉床、 5は炉体、 6は炉床 4の上に積み付けされた炭材の層、 7は炭材の層 6の上に積み付けされた混合物の層、 8は炉床 5の上部に配置された燃焼バーナー、 9は還元して得た生成物を溶融するための加熱装置であって、この加熱装置 9はバーナー 9 aと排ガス g , によって燃焼用空気 g ₂ を昇温する熱交換器 9 bからなる。

上記の構成になる移動型炉床炉は、原料の装入口は図示していないものの該装入口から L , までの領域が予熱ゾーン、これに続く L ₂ の領域が還元ゾーン、さらに L₃ の領域が溶融ゾーン、 L ₄ の領域が冷却ゾーンになっている。還元ゾーン L₂ までは、粉状鉱石と炭材の混合物の層から発生する還元ガスを主な熱源として燃焼バーナーを燃焼させることにより加熱される。還元ゾーン L₂ で 80%以上の還元率となった混合物の層は溶融ゾーン L₃ で H5(TC以上で加熱され、スラグが生成還元鉄層から除去される。その後、冷却ゾーン L ₄ で冷却、熱回収した後に、回収装置 10にて破砕され、排出口 15から排出される。本発明では 1450°C以上の高温の溶融ゾーン L₃ を形成するため、溶融ゾーン L ₃ の加熱方法は他のゾーンとは異なっている。溶融ゾーン L₃ の排ガスは高温の熱交換器 9bを通して燃焼用空気と熱交換される。

約 900°Cに予熱された空気と、別途供給される燃料をほぼ理論空気比で燃焼させることにより、 1450°C以上の高温の溶融ゾーン L₃ を形成することができる。また、溶融ゾーン L ₃ のガス雰囲気と還元鉄表面のガス雰囲気を独立に制御するため、冷却ゾーン L ₄ と溶融ゾーン L₃ の境界との間にガス供給ノズル 11を設け雰囲気調整ガスを供給するのがよい。以上の構成の移動床炉を用いることにより、粉状鉱石、炭材の混合層を還元、スラグを除去した還元鉄を製造することができる。粉状鉱石、炭材の混合層とは、生産コス卜上では両者を単に混合した層を用いる最も安価になるが、事前に造粒等の処理を行った層を積み付け、還元、溶融するようにしてもよい。

本発明においては混合層とは別に炭材の層を混合層の下に積み付けることもできる力このような炭材の層を設けることによって溶融ゾーン L ₃ で溶融した溶融物が炉床に接触するのを防止できる利点がある。粉状鉄鉱石と粉状固体還元材のサイズは被還元性および C〇 ₂ との反応性の点から篩い目で 1 0 m m以下、好ましくは 8 m m以下、とくに好ましくは 3 mm以下とするのがよい。

図 1 0は本発明を実施するのに用いて好適な移動型炉床炉（炉の基本構造は図 1に示したものと同じ）の要部の断面を示したものであって、図中の 1 7は混合物 tの層を載置する粉状石炭チヤ一の層、 4は炉体 2に固定保持され還元された生成物を溶融する溶融ゾーンを形成する隔壁、 f は溶融ゾーンで溶融された溶融物である。

回転炉床 1の上に該粉状石炭チヤ一単体の層 1 7を積み付け、この層 1 7 の上に混合物の層 tを積み付けて還元処理を行うと、装入装置 aから装入された混合物の層 tは排出装置 bに至るまでの間に還元されるが、その生成物（還元鉄）はその後、溶融ゾーンにて溶融され、それに伴い該生成物に含まれる脈石や灰分はスラグとなって分離する。粉固体還元材として用いる石炭を予備乾留することにより、粉状石炭チヤ一を得ることができるが、この石炭チヤ一は予備乾留されているため、昇温時の分解反応がほとんど起こらず、吸熱量が石炭を用いる場合より少ない。このため移動炉床炉は比較的短い炉床で鉄鉱石を還元できる温度を実現することが可能であり、かつ同じ炉床面積の場合、生産性の向上を図ることができる。図 1 1は石炭チヤ一の層の代わりに、石炭のような揮発成分の多い粉固体還元材を用いた例を示す。この場合、温度の上昇による粉固体還元材からの揮発分の発生に伴い粉固体還元材の溶融あるいは体積変化が生じるため、層 1 7に亀裂が生じるので、還元鉄が溶融した際に亀裂を通って溶融鉄 1 6ゃスラグ 1 2が回転炉床 1上に流れ込み、その表面を浸食するおそれがある。これに対して粉状石炭チヤ一で層 1 7を形成した場合は、すでに乾留され揮発分がなく、また含有する灰分も 1 0 %程度であるため、マクロ的に見れば 1 000 °C以上の高温でも固体状態を維持し、溶融あるいは体積変化を起こすことがない。従って層 1 7に亀裂等が生じないので、溶融鉄 1 6ゃスラグが回転炉床 1 と接触して浸食することはない。

粉鉄鉱石と粉状石炭チヤ一との混合物または粉鉄鉱石、粉状石炭チヤ ―、副原料との混合物を該粉状チヤ一単体の層の上に積み付けた例を図 2に示し、その断面を図 1 3に示す。炉床上部より輻射伝熱によって加熱されると、粉鉄鉱石は還元され、脈石を含んだ還元鉄になる。また還元材として用いた粉状石炭チヤ一からは灰分が残る。副原料は還元鉄、灰分を溶融させる際に、溶融を容易ならしめるために加えられるものであつて、石灰石、蛍石、蛇紋岩、ドロマイトなどを用いることができる。これらは溶融する前までに結晶水の蒸発、一部は分解反応（例えば石灰石の主成分である C a C 0 ₃ は C a〇に熱分解されている）を起こしているものの固体を維持している。さらに加熱するとこれらは粉鉄鉱石中の脈石や石炭チヤ一中の灰分と共に溶融を開始し、溶融鉄、スラグに分離する。このとき粉鉄鉱石と粉状石炭チヤ一との混合粉または粉鉄鉱石、粉状石炭チヤ一、副原料との混合粉は粉状石炭チヤ一単体の層の上に存在するため、溶融鉄 1 6、スラグ 1 2は図 i 4に示すように粉状石炭チヤ一単体の層 1 7の上に形成されることになる。通常、溶融鉄 1 6、溶融スラグ 12 の比重は粉状石炭チヤ一単体の層^より大きいが、粉状石炭チヤ一単体の層は粉状石炭チヤ一が緻密につまっているため、粉状石炭チヤ一の層の上部に保持され、炉床耐火物を損傷するようなことはない。粉状石炭チヤ一の層を緻密にするためには、篩い目で 1 Omm以下に調整すれば良い。より好ましくは 3 mm以下に調整することが望ましい。

粉鉄鉱石と粉状石炭チヤ一との混合物または粉鉄鉱石、粉状石炭チヤ一、副原料との混合物を加熱することにより還元鉄を得る場合、鉄鉱石の還元は直接還元反応によって起こるため、反応に必要な熱量を外部から補う必要があるが、還元反応の初期では、還元反応がさかんなため可燃性の C Oガスが発生するので、この C Oガスを燃焼させることで熱を供給することができる。

ところで還元反応が進行し、還元後期になると発生する C Oガス量が減少するため、外部から燃焼もしくは熱の供給が必要となる。また還元後、還元鉄を溶融させる場合、すでに還元がほとんど終了しているため C Oガスの発生量は少ない。さらに還元鉄を溶融させるためには還元の温度よりも高い温度が必要となるため、外部からの熱の供給が必要となる。予備乾留の際に発生した可燃性ガスは発熱量が大きいので、本発明においては移動型炉床炉の溶融ゾーンにおいて、この可燃性ガスを用いることができる。この予備乾留の際に発生した可燃性ガスを有効に利用することによってエネルギー原単位を下げることもできる。粉炭を予備乾留する手段としては予備乾留装置を適用することができる。混合物として使用する粉鉄鉱石と粉固体還元材は鉱石の被還元性および還元材と C〇₂ との反応性の点から篩い目で 1 0 mm以下、好ましくは 8 m m以下、より好ましくは 3 mm以下に調整するのがよい。

また本発明によると原燃料の移動炉床上への充填方法の適正化によつて製品の排出を容易にすることができる。すなわち小区画化した粉状鉄鉱石と粉状固体還元材との混合粉または粉状鉄鉱石および粉副原料と粉状固体還元材との混合粉を該粉状固体還元材の単体の層の中に点在させ、かつ水平に移動する炉床には直接には接しない状態で積み付け、還元を行った後、還元鉄を溶融する。

一例として図 1 9(a) , (b)および <c)に、本発明に適合する炉床上への原料積み付け状態と還元鉄を溶融したときの変化の説明図を示す。図 1 9において、 7は粉状鉄鉱石と粉状固体還元材（または粉状鉄鉱石および粉副原料と粉状固体還元材）との混合粉、 6は粉状固体還元材の層、 1は移動炉床、 23は脈石 ·灰分が分離された還元鉄および 1 2はスラグである。この図 1 9(a) , (b)のように原料を積み付け、その上方より輻射伝熱によつて加熱すると粉状鉄鉱石は混合された粉状固体還元材の作用により還元され、脈石を含んだ還元鉄になる。また、還元材として用いられた粉状固体還元材からは灰分が残る。副原料は還元鉄、灰分を溶融させる際に溶融を容易ならしめるために加えられるものであって、石灰石、蛍石、蛇紋岩、ドロマイ卜などである。これらは溶融する前までに結晶水の蒸発、一部の分解反応（例えば石灰石の主成分である C a C 0 ₃ C a〇に加熱分解されている）を起こしているものの固体を維持している。さらに加熱するとこれらは溶融を開始し、溶融鉄とスラグに分離する。このとき、粉状鉄鉱石と粉状固体還元材との混合粉または粉状鉄鉱石、粉状固体還元材、粉副原料との混合粉は粉状固体還元材の単体の層の中に点在し、かつ、水平に移動する炉床には直接には接触しない形態で存在させていたため、溶融鉄、溶融スラグは点在させていた小区画単位ごとに凝集し、かつ、粉状固体還元材の単体の層の上に塊状の還元鉄が形成される。通常、溶融鉄、溶融スラグの比重は粉状固体還元材単体の層よりも大きいため、溶融鉄、溶融スラグの粉状固体還元材単体の層の下に潜り込むことが考えられるが、粉状鉄鉱石と粉状固体還元材との混合粉（または粉状鉄鉱石および粉副原料と粉状固体還元材との混合粉）を粉状固体還元材の単体の層の中で点在させていたため、溶融鉄、溶融スラグひとつひとつが小さなものであり、表面張力の作用によって、粉状固体還元材の単体の層の上に保持されたままの状態になる。この状態で移動炉床上で冷却器によつて溶融鉄、溶融スラグを冷却すると脈石 ·灰分を分離した還元鉄とスラグが粉状固体還元材の単体の層の上に浮いた状態で、かつ、点在させていた小区画単位ごとの塊になる _c かくして、凝固した還元鉄、スラグは粉状固体還元材の単体の層の存在によって移動炉床から離れた状態にあり、かつ、ひとつひとつが小さな塊であまことから容易に炉外に排出できる。ここで用いる粉状鉄鉱石は篩い目 8 mm以下、粉副原料は篩い目 8 mm以下および粉状固体還元材は篩い目 8 m m以下のものを用いることが好ましい。

粉状鉄鉱石と粉状固体還元材との混合粉中の粉状固体還元材として灰分のほとんどないピッチコークスの使用も考えられる。その場合、この発明での灰分除去の概念はなくなるが、鉱石の脈石を分離する作用は同じである。また、粉状固体還元材の単体の層に粘着性のある石炭を使用した場合、溶融鉄、溶融スラグが形成される温度より低い温度で溶融し、コークス化するが、溶融鉄、溶融スラグが形成される温度では既に固体状態にあり、上記作用を発揮することができる。石炭チヤ一、コークス、一般炭、無煙炭の 1種または 2種以上の混合物は通常 1 0 %程度の灰分を含んでいるが、本発明ではこれらの粉状固体還元材を有利に使用できるものであり、これらを粉状固体還元材として使用するとき、灰分除去の観点から粉状固体還元材とは同種であっても異種であってもよい。

《実施例》

〈実施例 1〉

アルミナ系の耐火物を張った直径が 2. 2 mの回転炉床を備え、溶融ゾ —ンの耐火物を高アルミナの高耐火性のレンガ積み構造とした図 1、図 2に示すような移動型炉床炉（内部の具体的な構成は図 5の炉と同じ）を用いて以下の要領で操業を行い、溶融ゾーンの温度変更による最終製品（還元鉄）の歩留りに及ぼす影響を調査した。炉の排出口にはスクリユー型の回収装置を配置し、装入口において粉鉄鉱石と粉固体還元材の混合物 t と炭材の単層 t , を図 6のように積み付けた。また、粉鉄鉱石と粉固体還元材は篩い目 3 mm以下に調整したものを用いた。

鉄鉱石、炭材は表 1に示すような組成のものを使用した。還元ゾーンでの炉温はバーナーの燃焼制御で 1 300°Cに制御し、標準的な溶融ゾ一ンでの滞留時間は 6分とした。操業パターンは、混合物の下に炭材単味の層を設けず、表面ガス雰囲気を理論空気比近傍とした場合、混合物の下部に炭材単味の層を設け表面ガス雰囲気を理論空気比近傍とした場合、および混合物の下部に炭材単味の層を設け表面ガス雰囲気を還元性雰囲気とした場合の 3パターンとした。

図 7は各条件での溶融ゾーンの温度と還元鉄歩留りの関係を示したものである。溶融が起こらない 1 450 °C未満の低温では下部の炭材層の有無にかかわらず還元鉄の歩留りの変化はなかった。混合物の下部に炭材層がない場合には、溶融が起こる 1 450 °C以上においては生成した溶融鉄、スラグが移動炉床面に溶融、固着し、還元鉄の歩留りが大幅に低下した。 —方、混合物の下部に炭材層を設けたケースでは、溶融とともに、多孔質の還元鉄の開気孔が閉塞するため、雰囲気ガスによる酸化が抑制され、還元鉄歩留りが一度上昇する力温度の上昇とともに、鉄にとっては酸化性の理論空気比近傍の燃焼ガスにより酸化され、 F e Oとしてスラグ中に流出し、この結果、還元鉄の歩留りは大幅に低下した。溶融ゾーンの出側における雰囲気調整ガスの吹き込みにて還元ガス濃度 90 %の還元ガスを供給、還元鉄表面のガス雰囲気を還元性雰囲気とした場合には雰囲気ガスによる再酸化できるため、低温での還元鉄歩留りは 97 %以上の高い値で安定することが確かめられ、この結果から、還元鉄からスラグを除去するには溶融ゾーンの温度を 1 450°C以上にすること、還元鉄の歩留り向上には下部に炭材の層を設けること、そして、還元鉄表面ガス雰囲気を還元性雰囲気に調整することが重要であることが確認できた。表 2における実験番号 1〜 3は、低温の溶融ゾーン温度、下層に炭材 99

1 7 を設けずに操業した場合（比較例）の結果であるが、この例はメタル回収率は高いものの本発明の主目的であるスラグの分離は不十分であった。実験番号 4〜 7は溶融ゾーン温度の影響をみた例（本発明に従う適合例）であり 1 450°C以上でスラグ濃度が大幅に低下している。また、実験番号 8， 9は加熱時間の影響をみた例（適合例）であり長時間ほどスラグ分離が進む方向になっている。実験番号 1 0は層表面の雰囲気を還元性雰囲気にしたもので、還元鉄歩留りの向上が著しい。また、実験番号 1 1， 1 2 は、下部に炭材の層を設けない場合であり、本発明の主目的であるスラグの分離は達成されるものの、還元鉄の歩留りは最適の条件に比較するとやや低い。さらに、実験番号 1 3〜1 6は炭材の種類をチヤ一、コ一クスに変更した結果であるが石炭と同様の結果が得られた。

〈実施例 2〉

アルミナ系の耐火物を張り、その表面をさらに粒状のアルミナ系耐火物で覆った直径が 1. 2 mの移動炉床を備えた図 20に示すような構成になる移動型炉床炉を用いて以下の要領に従い混合物の還元処理を行い、耐火物の損傷の有無、鉄回収率について調査した。

図 20に示した炉においては、加熱ゾーン（図 1 0参照）から排出装置 b に至るまでの間に冷却装置 1 3を配置して製品を冷却するにようにし、その要部を図 1 5に示すように、排出装置 bには上下動して還元鉄をスラグとともに粉砕するカッター cと粉碎した還元鉄ゃスラグを外部へ引っ張り出すアーム c , からなる破砕装置 1 8を配置した。混合物の下に積み付ける石炭チヤ一は、原料装入口 1 9と徘出口 20との間にスクリューフィーダ 2 1を備えるとともにガス回収口 22を設けた図 1 6に示したようなスクリユーフィーダ一式の予備乾留炉を使用して製造した。移動型炉床炉からの排ガスは通常 1 1 50°C程度の温度であって、この実施例では移動型炉化炉からの排ガスを用いて予備乾留炉の加熱を行った。

還元処理を行う混台物および石炭チヤ一はその断面、斜視図を図 1 7(a) (b)に示すように D= 800mm, Di =25mm、 D₂ =40mmとして積み付けた。混合物として使用した粉鉄鉱石と粉固体還元材は篩い目 3 mm 以下に調整した。また炉床に積み付ける石炭チヤ一も篩い目 3 mm以下に調整した。還元帯での炉温はパーナ一の燃焼制御で 1300°Cに制御した。溶融ゾーンでの炉温はバーナーの燃焼制御で 1500°Cに制御した。燃料は粉固体還元材から発生する C 0ガスが主であるが、補助燃料として天然ガスを使用した。炉内での滞留時間は炉床での回転速度によって 27分を目標に制御した。

実施例に使用した鉱石の成分（S i 〇₂ ， A 1 2 0₃ 等の脈石分 7 % 以上を含有）を表 3に示し、粉固体還元材の成分（灰分 6〜11%程度）を表 4に示す。副原料としてここでは石灰石を用いた。実施条件を表 5 に、また実施結果を表 6に示す。なお表 5中の混合粉の欄において、粉固体還元材、鉱石、副原料の合計が 100%になる。また脈石 +灰分とは、混合粉に対する重量％であって、脈石 +灰分の中には鉱石中の脈石、固体還元材の灰分の他に副原料（石灰石）中の C a Oも含んでいる。

実施番号 17〜 19は粉固体還元材として粉石炭を予備乾留した粉状石炭チヤ一を用いた本発明に従う例である。実施番号 I Ϊ〜 19においては何れも炉床の耐火物の損傷もなく、還元鉄が脈石、灰分から除去された状態で回収できた。実施番号 20， 21は、さらに予備乾留炉にて発生した可燃性ガスを回収し、回転炉床炉の高温部の加熱に用いた本発明に従う例である。実施番号' 20, 21共に炉床の耐火物の損傷がなく、還元鉄が脈石、灰分灰分から除去された状態で回収できた。またこの例では、回転炉床炉の排ガスを予備乾留炉での石炭加熱に用い、予備乾留炉から発生する可燃性ガスは回転炉床炉の高温部の加熱に用いた。予備乾留炉から発生する可燃性のガスは発熱量が大きく、回転炉床炉の高温部分の加熱に用いることができた。特に実施番号 20, 21は実施番号 17〜 19と比較し、補助燃料として用いていた天然ガス使用量を削減することができ、還元鉄 1 tあたりの入熱量をさらに削減することができることが確認できた。実施番号 Π , 23は粉固体還元材として予備乾留をしない粉石炭を用いた例ある。この例においては、脈石、灰分除去操作のため還元鉄、灰分を溶融させたところ、一部の粉石炭が回転炉床上で乾留した際に、層に亀裂が生じたため、その部分から溶融したスラグ、溶融鉄が直接炉床の粉状の耐火物と混合する部分もあった。スラグ、還元鉄と混合した粒状耐火物を含めて炉外へ取り出すことによってスラグ、還元鉄を回収することはできたものの、粒状耐火物とスラグ、還元鉄を分離するために炉外での作業が必要であった。表 1 2において実施番号 22, Πには、石炭を予備乾留したものを使用した場合に比べ、還元処理の際に石炭の分解反応が起こるため炉内の温度を一定値に保っための補助燃料の使用量が多く必要であった。粉石炭を粉固体還元材単体の層として用いると、鉄鉱石が還元される温度に達するまでの時間が石炭を予備乾留した場合に比ベ、長くかかり、石炭を予備乾留した場合と同程度の鉄回収率を得るためには、鉄鉱石の炉内での滞留時間を長くすることが必要であって、生産性の面でも不利であることが確かめられた。

〈実施例 3〉

回転する直怪 2. 2 mの炉床と炉床上方にバーナーがあり、それら全体を炉体で覆った図 20に示す回転炉床炉を用い、以下の操業を試験的に行つた。ここで図 20において、 1は上面にアルミナ系耐火物を張った回転炉床、 bはスクリュー型の排出装置、 aは装入装置（炉床への原料積み付け装置）、 2は炉体、 3はバーナーであり、 1 3は還元鉄を冷却して取り出すために排出口前に設置した冷却器である。供給口における原料の積み付けは、装入装置 aにより粉状鉄鉱石、粉副原料および粉状固体還元材などの原料を、図 21〜24の原料積み付け方法の説明図に示すように 4種類の条件でそれぞれ回転炉床上に積み付けた。図 2 1〜 24において、 7は粉状鉄鉱石および粉副原料と粉状固体還元材との混合粉、 6は粉状固体還元材および 1は回転炉床である。

粉状鉄鉱石には脈石分（S i〇₂ ， A 1 ₂ 0 ₃ 等）を 7 %以上含有する表 3に示す成分組成のものを用い、粉副原料には石灰石を用い、そして粉状固体還元材には灰分が 6〜 1 3 %含有する表 7に示す 4種類の成分組成のものを用い、これらは篩い目 3 mm以下に調整して用いた。実験条件と操業結果をまとめて表 8に示す。なお表中の混合粉の項の脈石+ 灰分とは混合粉中の含有量であって、粉状鉄鉱石の脈石、粉状固体還元材中の灰分のほか粉副原料（石灰石）中の C a〇分も含んでいる。表 8において、実験番号 24〜33は本発明の適合例である。いずれの条件においても炉床の耐火物の損傷がなく、製品排出のトラブルもなく、還元鉄の鉄回収率が 97. 4 %以上と脈石、灰分が除去された状態で回収できた。

一方、実験番号 34〜35の比較例は図 23 (条件 3 ) の積み付け方法であつて、炉床の耐火物の上に直接混合粉が接する状態で積み付けられている。このような状態の積み付けで、脈石、灰分除去操作のため還元鉄、灰分を溶融させたところ、スラグ、溶融鉄が炉床の耐火物に溶着し、耐火物を浸食したとともに、その後の冷却操作でスラグ、溶融鉄が炉床の耐火物にそのまま固着してしまい、排出装置による製品の排出が不可能になった。

また実験番号 36の比較例は図 24 (条件 4 ) の積み付け方法であって、粉状固体還元材の単体の層の上全面に混合粉を層状に積み付けたものである。この積み付けで脈石、灰分除去操作のため還元鉄、灰分を溶融させたところ、スラグ、溶融鉄がともに大きな板のような状態になり、表面張力の作用が自重に対して効力が低下するため、一部の場所において溶融鉄ゃスラグが粉状固体還元材の単体の層の下に潜り込み、直接炉床の耐火物に接触してしまった。よって、その部分の耐火物を浸食したとともに、その後の冷却操作でスラグ、 i'容融鉄が炉床の耐火物にそのまま固着してしまい、排出装置による製品の排出が不可能になった。

さらに実験番号 37の比較例は実験番号 36と同じ積み付け方法である。この積み付けで、還元鉄、灰分を溶融させたところ、運良く実験番号 35 のような粉状固体還元材の単体の層の下に溶融鉄ゃスラグが潜り込むようなことはなかったが、冷却過程での収縮で部分的な割れはあるものの冷却後のスラグ、還元鉄は大きな板状であり、その排出は困難であった ( なお本発明の変形例として、図 25のような積み付け方法も考えられる _t この場合、排出口に出て来る冷却後のスラグ、還元鉄は回転炉床の半径方向に伸びた棒状になるため排出装置を図 26のような構造のものを用いることが適していると考えられる。図 26において、 1は回転炉床、 2は炉体、 1 4はこの変形例の積み付けの際に使用する排出装置である。

r、d86/se - r—

if)

〇鉱鉄石

〇 <

〇

O M 〇

CM

<

〇

CO

o oo oo

<υ

∞ oo

1

Π

%

層表面還元ガス濃度 = ( C 0 + H 2 ) / (C〇 + H₂ +H_Z 〇 + C〇₂ ) X100

表 3 結晶水 T . F e F e 0 S i 0₂ A 1 2 0₃ C a 0 M g〇 P S

% % % % % % % % %

3. 25 62. 30 0. 11 4. 31 2. 60 0.04 0.05 0.075 0.014

表 4 揮発分灰分

% %

A \ 石炭チヤ一 1 3.0 10.4

B 一般炭！ 44. δ 6.6

表 5 混合粉粉固体還元材

実単体の層

施固体還元材副原料脈石

鉱石 (石灰石） +灰分

A B A B mass % mass % mass % mass % mass % mass % mass %

17 17.7 75.3 7.0 10.9 100

18 17.4 75.6 7.0 11.3 100

19 18.8 81.2 7.6 100 0 17.5 1 D.5 7.0 ' 10.9 100

21 18.6 81.4 7.6 100

22 27 66 7.0 10.2 100

29. 1 70.9 ！ 6.9 !00

表 6 製品還元鉄回転炉床炉実炉床入熱量内の滞留施耐火物鉄脈石分王里時間

の損傷回収率

口

巧

mass % mass % kg-DRI/hour Gcal/t-DRI rain

17 本発明例 98.5 0.1 127 5.57 27 18 本発明例 Iffi 98. 1 0. I 125 5.54 27 19 本発明例 ffi 97.8 0.2 130 5.60 27

20 本発明例 98.8 0.1 123 5.10 27 21 本発明例 is 97.4 0.2 129 5.08 27

22 比較例有 96.6 0.2 107 6.55 32 23 比較例有 95.9 0.2 104 6.62 32 (%) t

揮発分灰分

A コークス 1.0 12.0

B 44.5 6.6 一 §炭

C ¾灰チヤ一 3.0 10.4

D 無煙炭 3.6 7.5

00 実混合粉粉伏固体還元材単体の層積炉製製品還元鉄備考

¾ み床品

固体運元材 fit- χ- gil≡

ム a'i原科脈付排 niw

つけ火出 . IHj :

-u

A B c D 石） A D n rし π u 条物卜 'Ι乂 77

件のラ

損ブ

inass % mass % mass % ς ς mass % mass% mass % o lua s s mas s 傷ル mas s %

4 17.4 75.6 7.0 11.3 !00 1 無無 98.0 0. i 適合例

25 27. 1 65.9 7.0 10.3 100 1 i 無 Q7 8 n 9 ¾s合例

26 17.5 75.5 7.0 11.0 1 on 2 無 QQ Q Π

97 適合例

17.1 c /. u 1 50 2 無

') o 無

η 適合例

9.8 ί I. 1 ι. U 10.9 100 2 無無 97.7 0.2 適合例

12.0 9.7 1 1 50 50 2 無無 98.2 <0. 1 適合例

30 9.0 9.6 81.4 7.4 25 25 50 1 無無 97.6 <0. 1 適合例

31 5.0 5.0 !0.6 79.4 7.7 25 25 50 1 無無 98.7 0.2 適合例

3 5.0 5.0 9.1 73.9 7.0 10.6 25 25 25 25 1 無無 97.4 0.3 適合例

33 5.0 5.0 5.0 4.2 73.8 7.0 10.8 100 1 無無 99.0 0.1 適合例

34 17.4 75.6 7.0 11.3 3 有有比較例

35 29. 1 70.9 6.9 3 有有比較例

36 17.5 75.5 7.0 11.0 50 50 4 有比較例

37 18.4 81. 6 7. 2 100 4 無有比較例

産業上の利用可能性

本発明によれば、移動型炉床炉において還元鉄から効率よくスラグを分離することができるので、次工程の電気炉での石灰原単位、電力原単位を低下させることが可能であり、同時に、高脈石、高灰分という最も埋蔵量が多く、安価な鉱石、石炭を使用できるという利点がある。

また本発明では炭材として石炭チヤ一を用いることで更に生産性の向上、またチヤ一製造時の乾留ガスを燃料として用いることで使用エネルギ一の低減も図れる。

また本発明は移動型炉化炉での鉄鉱石の還元において、炉床上に粉固体還元材を介して、炉床に直接接触しないように粉鉄鉱石と粉固体還元材とを含む混合粉を小区画化して点在させ、還元された還元鉄を炉床上で溶融させるものであり、この発明によれば簡便な設備を用いながらも、設備を損傷させることなく、また、円滑な操業も確保しながら、脈石、灰分の混入がない還元鉄を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 粉状鉄鉱石などの酸化物と粉状固体還元材の混合物からなる層を水平に移動する炉床に積み付け、炉床上部より輻射伝熱によって酸化物の還元処理を行うに当たり、

還元処理して得た生成物をその排出口に至るまでの間で溶融し、還元生成物中のスラグ分を凝集、分離することを特徴とする移動型炉床炉の操業方法。

2 . 移動型炉床が回転型炉床であることを特徴とする請求項 1記載の移動型炉床炉の操業方法。

3 . 還元生成物と接する気相の酸素分圧を還元性雰囲気に調整することを特徴とする請求項 1または 2記載の移動型炉床炉の操業方法。

4 . 混合物の層とは異なる層を積み付けることを特徴とする請求項 1 または 2記載の移動型炉床炉の操業方法。

5 . 混合物の層とは異なる層が炭材の層であることを特徴とする請求項 4記載の移動型炉床炉の操業方法。

6 . 混合物の層を炉床に積み付けるに先立ち、まず粉状石炭チヤ一を積み付け、混合物の還元処理にて得られた生成物を炉床の上で少なくとも一度は溶融させることを特徴とする請求項 5記載の移動型炉床炉の操業方法。

7 . 石炭の予備乾留により粉状石炭チヤ一を製造する際に発生する乾留ガスを移動型炉床炉の加熱燃料として使用することを特徴とする請求項 6記載の移動型炉床炉の操業方法。

8 . 粉鉄鉱石と粉状固体還元材との混合粉または粉鉄鉱石および粉副原料と粉状固体還元材との混合粉を該炉床上に、粉状固体還元材を介して炉床に直接接触しないように小区画化して点在させ、還元された還元鉄を該炉床上で少なくとも一度は溶融させることを特徴とする請求項 5 記載の移動型炉床炉の操業方法。 -

9 . 粉状固体還元材が、石炭チヤ一、コ一クス、一般炭または無煙炭のうちから選ばれる 1種または 2種以上の混合粉であることを特徴とする請求項 8記載の移動型炉床炉の操業方法。

10. 粉状鉱石等の酸化物と粉状固体還元材の混合物からなる層を載置して移動させその間に層の予熱、還元を行う炉床と、この炉床を取り囲みその内側上部にバーナーを備えた炉体からなる移動型炉床炉であって、この炉床炉は、還元処理を終えた生成物を排出する排出口に至るまでの領域に該生成物を溶融してその中に存在するスラグ分を凝集、分離する溶融ゾーンを有することを特徴とする移動型炉床炉。

1 1 . 移動型炉床が回転型炉床であることを特徴とする請求項 10記載の移動型炉床炉。