(57)【要約】【課題】粉体状の原料をカーボンで還元することで、カーボン含有率が極めて低い鋼を直接製造する。【解決手段】鉄酸化物を含有したダスト１２を粉体状にして還元炉３２へ供給し、該還元炉３２に垂直に挿入したバーナー１４からの高温火炎によってダスト１２を溶融させる。また、還元剤としてのコークス(カーボン)２２を粉体状にし、噴射ノズル２６から炉内の中心部へ向けて噴射供給する。ダスト１２およびコークス２２の供給割合は、炉内の溶融スラグ５２中に占める鉄酸化物の最終濃度が５ｗｔ％以上になるよう制御部２０により制御されつつ鉄酸化物の還元を行なう。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄酸化物を含有する粉体状の原料(12)を還元炉(32)へ供給してバーナー(14)の高温火炎中で溶融させると共に、該還元炉(32)へ供給したカーボン(22)と前記溶融原料(12)とを攪拌させて溶融スラグ(52)とし、該溶融スラグ(52)中の鉄酸化物を還元させて鉄を製造する方法において、
前記還元を前記溶融スラグ(52)中の最終鉄酸化物の濃度が５ｗｔ％以上になるよう制御しつつ行なうようにした
ことを特徴とする鋼の製造方法。
【請求項２】
前記還元炉(32)への粉体状の原料(12)およびカーボン(22)の供給割合を制御することで、前記溶融スラグ(52)中の最終鉄酸化物の濃度を５ｗｔ％以上とする請求項１記載の鋼の製造方法。
【請求項３】
前記粉体状の原料(12)は鉄鉱石である請求項１記載の鋼の製造方法。
【請求項４】
前記粉体状の原料(12)は、鉄を含みかつ鉄より還元し易い金属を含有する鉱石である請求項１記載の鋼の製造方法。
【請求項５】
前記鉄より還元し易い金属を含有する鉱石はニッケル鉱石である請求項４記載の鋼の製造方法。
【請求項６】
前記粉体状の原料(12)は鉄系産業廃棄物である請求項１記載の鋼の製造方法。
【請求項７】
前記粉体状の原料(12)は製鋼過程で排出されるダストである請求項１記載の鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄酸化物を含む粉体原料をバーナーの高温火炎で溶融させ、これをカーボンにより還元して鉄を製造する際に、所要の制御を付与することでカーボン含有率の極めて低い鋼を製造し得る方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
循環型社会に対応するため、鉄鋼業界においても、鉄系産業廃棄物や製鋼ダスト等に含まれる金属資源を回収して、これを再利用する動きが活発化している。例えば、特許文献１には、鉄酸化物を含む粉体状の鉄鋼原料を還元炉内でバーナーの高温火炎中に供給して溶融させ、これに還元剤としてのカーボン(炭素)を供給することで、鉄酸化物を還元させて鉄を製造する技術が開示されている。
【０００３】
この特許文献１に示す製造方法によれば、鉄酸化物を粉粒状にして表面積を大きくさせた状態で火炎中に供給するため、該火炎によって容易にこれを加熱溶融させることができ、還元剤と良好に反応させることが可能となる。すなわち、酸素の除去された(還元された)鉄を高効率で回収することができる。
【特許文献１】特開平９−３１０１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の方法によって鉄を製造する場合、その還元反応により生成した溶鋼中に還元剤としてのカーボンが一部残留し、３ｗｔ％〜５ｗｔ％程度のカーボンを含有する銑鉄になってしまう。この銑鉄を鋼にするには、転炉や電炉内で高濃度酸素に接触させて酸化反応を進行させ、該銑鉄中のカーボンを燃焼除去させる脱炭処理が後工程として必要とされる。これにより銑鉄をカーボン含有率の低い鋼になし得るが、前記脱炭処理には多大なコストと時間を要する難点がある。
【０００５】
更に、特許文献１の方法では、粉体状の原料中に不純物、例えば燐が含まれていると、この燐が溶鋼中に溶け込み易く、従って前記脱炭処理に加えて燐を取り除く溶銑予備処理を行なう必要があり、更なるコスト増を招く原因となっていた。
【０００６】
従って、鉄を製造する過程で脱炭処理工程や不純物除去工程を経ることなく、一挙にカーボン含有率の低い鋼を製造し得るならば、工程的にもコスト的にも多大なメリットを有することは明らかである。そこで発明者は、前記課題の解決策を求めて種々検討したところ、還元の進行に伴い、溶融原料とカーボンとが混在した溶融スラグ中の鉄酸化物の濃度が低下すると、余剰分のカーボンが溶湯中に溶け込み、その結果として得られた鉄のカーボン含有率が高くなることを知見した。すなわち、溶融スラグ中における鉄酸化物の濃度が所定値より低くならないように制御することで、カーボンが溶湯中に溶け込むのを防ぎ、結果としてカーボン含有率の低い鋼を製造し得ることが判った。また、鉄酸化物の濃度を制御することで、原料中の不純物、例えば燐が溶湯中に溶け込むのを抑制し得ることも判明した。
【０００７】
すなわち本発明の目的は、従来技術に内在する前記諸問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、鉄酸化物を含有しているダストやスケール、更には鉄鉱石等の原料を還元炉中でカーボンと還元反応させる際に、鉄酸化物の最終濃度制御を行なうことで、カーボン含有率の低い鋼をダイレクトに製造し得る方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を克服し、所期の目的を好適に達成するため本発明に係る鋼の製造方法は、
鉄酸化物を含有する粉体状の原料を還元炉へ供給してバーナーの高温火炎中で溶融させると共に、該還元炉へ供給したカーボンと前記溶融原料とを攪拌させて溶融スラグとし、該溶融スラグ中の鉄酸化物を還元させて鉄を製造する方法において、
前記還元を前記溶融スラグ中の鉄酸化物の最終濃度が５ｗｔ％以上になるよう制御しつつ行なうようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る鋼の製造方法によれば、還元反応時の溶融スラグ中に占める鉄酸化物の最終濃度を５ｗｔ％以上にする制御を行なうことで、カーボン含有率の極めて低い鋼を還元炉で直接製造でき、その後に脱炭処理をする必要がない。従って、脱炭処理に掛かるコスト・時間が削減されて、廉価な鉄鋼製品を提供することが可能となる。また、本発明によって得られる鋼は、不純物としての燐の含有率も低いので、これらを除去する必要も併せてなくなり、更なる精錬コストの削減を達成し得るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明に係る鋼の製造方法について、その好適な実施例を添付図面を参照しながら説明する。なお、実施例では、粉体原料として製鋼工程の電炉等から排出されるダストを使用した場合を示すが、本発明に供し得る粉体原料はこれに限定されるものでなく、例えば鉄鋼メーカー等から廃棄物として排出される鉄酸化物分を含んだ酸洗スラッジや、スケール等を使用し得る。また、鋼の基本原料である鉄鉱石や、鉄と共に鉄より還元し易い金属を含有する鉱石(例えばニッケル鉱石)、更には鉄スクラップ等の鉄酸化物を含有した産業廃棄物についても、これらを粉体状にすることで本発明に使用することが可能である。
【００１１】
図１は、実施例に係る鋼の製造方法に供される還元システムの概略説明図であって、還元炉３２に隣接して設けたサイロ状の粉体貯留部１０には、製鋼工程の転炉や電気炉等から排出される鉄酸化物を主成分とする粉体状のダスト(粉体状の原料)１２が貯留されている。粉体貯留部１０の下方には開閉弁１８が設けられ、該開閉弁１８を開放することで、ダスト１２を粉体供給管１６を介して後述のバーナー１４へ空気圧送し得るようになっている。また、前記粉体貯留部１０から還元炉３２へのダスト１２の放出量は、後述の制御部２０によって制御可能になっている。
【００１２】
還元剤としてのカーボン２２は、コークスを粉体状に破砕したものが使用され、これは還元剤貯留部２４に貯留されている。この還元剤貯留部２４に貯留された粉体状のコークス２２は還元剤供給管２８を空気輸送され、噴射ノズル２６を介して還元炉３２へ噴射供給される。また、還元剤貯留部２４と還元剤供給管２８との間には、前記制御部２０により開閉制御される開閉弁３０が設けられている。なお還元材としてのカーボン２２は、コークス以外のものでも良い。例えば粉体化した石炭でも良く、或いは炭化汚泥、その他産業廃棄物として排出される粉粒状カーボンも使用可能である。
【００１３】
前記還元炉３２の、炉頂上部には、その開口部３４を介してバーナー１４が垂直に挿入されている。このバーナー１４のバーナーヘッド３６は、図２に示すように、その中心部に燃料の噴射孔３８を有し、その外側に環状の１次酸素噴射孔４０を、更にその外側を取り巻くように複数のダスト噴射孔４２を、その外側を所要間隔で複数の２次酸素噴射孔４４を同心状に配設した構成になっている。また、還元炉３２の側部には、コークス２２を炉内へ供給する噴射ノズル２６が斜めに設けられ、該ノズル２６の先端を炉内中心へ指向させている。更に、還元炉３２の炉底４６には、窒素等の不活性ガスの供給管５０が開口している。このガス供給管５０は、例えば窒素ガス供給源(図示せず)に接続して、炉底４６から窒素ガスを吹込み供給し得るようになっている。そして、後述する鋼の製造時に炉底４６に溜まったダスト１２とコークス２２との混合物中を窒素ガスで攪拌することで、ダスト１２中の鉄酸化物とコークス２２との還元反応を促進させる。これにより、還元炉３２の炉底４６には、還元反応によって生成された溶鋼４８が次第に堆積して行く。なお、還元炉３２における噴射ノズル２６の配設個所と反対側の下方には、溶鋼４８を排出するための出鋼口３５が設けられ、更にその上側に溶融スラグ５２の排出やサンプリングを行なうための出滓口３７が設けられ、夫々の口部は扇により開閉可能になっている。
【００１４】
前記噴射孔３８から噴射供給される液体燃料(例えば重油)は、図示しない燃料供給源からポンプ圧送されるようになっている。但し、本発明でバーナー１４により燃焼されるのは重油等の液体燃料に限られるものでなく、都市ガス等の気体燃料や微粉炭等の固体燃料も広汎に含むものである。また、図示しない酸素供給源からの酸素が、支燃ガスとして前記バーナー１４の両噴射孔４０,４４へ供給される。
【００１５】
すなわち前記バーナー１４は、重油および酸素を各対応の噴射孔３８,４０,４４から炉内へ噴射させ、これに点火することで炉内に高温の火炎を生じさせる。また、前記噴射孔４２からダスト１２が高温火炎中に放出され、該ダスト１２は火炎中で溶融して炉底４６へ滴下し滞留して行く。また、噴射ノズル２６からはコークス２２が供給され、前記溶融したダスト１２とコークス２２とが窒素ガスにより攪拌されて溶融スラグ５２となり、該溶融スラグ５２中の鉄酸化物がコークス２２により還元される。なお、本発明において溶融スラグ５２とは、前記バーナー１４によって溶融された原料とコークス２２とが攪拌されて混在した還元反応中の状態、若しくは還元反応前の状態にあるものを指称する。
【００１６】
前記制御部２０は、粉体貯留部１０および還元剤貯留部２４の開閉弁１８,３０の開放・閉成動作を電気的に制御し、前記還元炉３２内へ供給されるダスト１２およびコークス２２の割合を調整するものである。例えば、一定量のダスト１２とコークス２２とを還元炉３２内に供給すると、還元反応の進行により前記溶融スラグ５２中の鉄酸化物の濃度は次第に低下する。そこで、前記制御部２０でダスト１２およびコークス２２の供給割合をコントロールすることで、溶融スラグ５２中の鉄酸化物の濃度を５ｗｔ％以上の一定値(例えば１５％)に保った状態で還元させる。
【００１７】
そして還元炉３２内の溶鋼４８および溶融スラグ５２の量が満杯になり、溶鋼を外に取り出す状態に近づいた時点で、溶融スラグ５２を出滓口３７よりサンプル抽出し、これに含まれる鉄酸化物濃度を測定する。このときの鉄酸化物濃度は、５％以上の一定値(例えば１５％)になっているが、操業状況により若干の誤差がある。この測定した正確な鉄酸化物濃度を基に、下記の最終還元を実施する。すなわちコークス２２の供給量を増加させるか、またはダスト１２の供給量を減少させて、溶鋼スラグ５２中の最終的な鉄酸化物濃度を５％を下回らない程度まで降下させるか、の何れかを実施する。この最終還元時のダスト１２およびコークス２２の供給量と所要時間は、所定の計算により決定される。上記の最終還元を実施した後、還元炉３２を出鋼口３５の方向へ傾動させ、該出鋼口３５より溶鋼４８を外部へ取り出す。このような条件下に還元処理を行なうことで、生成された溶鋼４８中に溶け込むカーボンの量が抑制される。またダスト１２中の不純物である燐も、溶鋼４８中のカーボン濃度が低いことから該溶鋼４８に溶け込む量が少なくなる。従って、前記条件下において還元された溶鋼４８は、カーボンの含有率が低く(約１.０％以下)、かつ不純物としての燐の含有率も低いものになる。
【００１８】
なお、還元炉３２内での鉄酸化物の最終濃度は５ｗｔ％以上であればよく、その上限値は規定されないが、製造効率等を鑑みて、その最終濃度は１０ｗｔ％程度を確保することが好ましい。この場合のカーボン含有率は極めて低く(０.１５％以下)、かつ燐等の不純物の含有率も極めて低くなる。
【００１９】
また、実施例に係る方法によって製造された溶鋼４８は、還元炉３２から溶融状態のまま１チャージ毎にバッチ式に外部へ取り出してもよいし、また連続的に取り出すようにしてもよい。取り出された後の溶鋼４８は、ビレットやスラブ等を製造する次の工程へ向けて搬出される。
【００２０】
溶鋼４８を取り出した後における５％以上の酸化鉄を含む溶融スラグ５２は、別途炉外へ取り出し、冷却後破砕して例えば路盤材として再利用するが、下記のような処理方法も可能である。すなわち、溶鋼４８を取り出した後、更にコークス２２の供給およびバーナ加熱を続け、溶融スラグ中の酸化鉄濃度が１％以下になるまで還元を続行する。このときに得られる鉄は少量であると共に炭素を多量に含むので、脱炭工程および精錬工程を経て鋼にしなければならないが、鉄資源を最大限利用する意味では有効である。どちらの方法を選ぶかは、立地条件および経済性から決まる。
【００２１】
(実験例１)
次に、本発明に係る鋼の製造方法で得られた鋼を比較・検討する実験を行なった。実験例１では、表１に示す組成のダスト１２を約３.０ｔ／Ｈの投入速度で空気をキャリアガスとしてバーナー１４に供給した。このダストの粒度は１μ以下が４８％、１〜５μが３５％の微粉であった。また、併せて粒の大きさが１mm以下の粉状のコークス２２を、同じく空気をキャリアガスとして噴射ノズル２６へ供給した。
【表１】
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【００２２】
並行して、前記バーナー１４に重油および酸素を供給し、これに点火することで還元炉３２内に高温の火炎を生成させた。そして、その火炎中に粉体状のダスト１２を噴射すると共に、還元炉３２中にコークス２２を噴射し、これらを溶融滴下させて溶融スラグ５２とした。溶融スラグ５２中の鉄酸化物の濃度を約１５％に維持するため、ダスト１２およびコークス２２の供給割合を前記制御部２０で調整しながら還元を行なった。なお、重油および酸素の供給量は、夫々、９００ｌ／Ｈ, １５５０Ｎｍ3／Ｈである。また溶融スラグ５２の成分調整のため、塊状の石灰と還元スラグ(製鋼排出物)をダスト対比各々７％づつ、炉上投入ホッパー３３よりロータリーバルブ３４を経て間欠的に投入した。
【００２３】
更に、ダスト１２のキャリアガスとしての空気は２５０Ｎｍ3／Ｈの量で流し、またコークス２２の搬送用のキャリアガスとしての空気は８０Ｎｍ3／Ｈの量で流した。また、還元反応に際し炉底４６から、攪拌ガスとしてＮ2ガスを１５０Ｎｍ3／Ｈの量で吹き出させた。
【００２４】
上記操作を所定時間行なった後、溶融スラグ５２をサンプリングし、鉄酸化物濃度を測定した。このときの値はＦｅＯ＝１６.２％であった。また、同時に測温した溶融スラグ５２の温度は１５６５℃であった。これらの値に基づき、コークス２２の増量、ダスト１２の減量および所要時間を計算し、最終還元を実施した。重油その他の諸必要量は前回と同じとした。最終還元を実施した後、溶融スラグ５２のＦｅＯ濃度を測定すると共に出鋼口３５から溶鋼４８を出鋼し、その鋼の組成を調べたところ、表２の通りであった。
【表２】
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【００２５】
また、比較のため、他は上記と同じ条件で最終還元の所要時間のみを延長し、鉄酸化物の最終濃度を２ｗｔ％台まで下げた還元処理を行なった。この条件下で得られた鋼の組成を表３に示す。
【表３】
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【００２６】
更に、還元炉３２内での鉄酸化物の最終濃度を０〜２５％の間で変化させた場合につき上記実験を行ない、各鉄酸化物濃度下で還元された鋼のカーボン含有率を検出した。図３は、還元された鋼のカーボン含有率に対する鉄酸化物濃度特性を示すグラフである。
【００２７】
この実験例１の結果から明らかなように、溶融スラグ５２中に占める鉄酸化物の最終濃度を５ｗｔ％以上で製造した鋼は、最終濃度を２ｗｔ％台で製造した鋼に比較して、カーボンの含有率が極めて低く、また、燐の不純物の含有率も低くなっている。更に図３から、鉄酸化物の濃度を５ｗｔ％未満にした場合には、カーボン含有率が急激に増大し、鉄酸化物の最終濃度を５ｗｔ％より大きくした場合には、カーボン含有率はさほど低下しないことが分かる。
【００２８】
(実験例２)
次に、実験例１と同様な方法で、粉体原料を鉄鉱石とした場合の実験を行なった。ここでの鉄鉱石の組成は、表４に示す通りである。表４の鉄鉱石を予め、１５０メッシュ以下が９０％以上を占める微粉に粉砕し、バーナー１４に供給した。併せて、実験例１と同じ紛状のコークス２２を噴射ノズル２６に供給した。このときの鉄鉱石の供給速度は２.4ｔ／Ｈであり、鉄鉱石に対するコークス２２の供給割合は原料中の酸化鉄の割合を考慮して実験例１より増加した。重油、酸素、キャリアとしての空気の諸必要量は実験例１と同じとした。
【表４】
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【００２９】
所定時間還元を行なった後、溶融スラグ５２の測温およびサンプリングを行なった。温度は１５７０℃であり、鉄酸化物濃度はＦｅＯ＝２０.５％であった。これらの値を基に、コークス２２、ダスト１２の供給速度および所要時間を計算し、最終の鉄酸化物濃度５％を目標に最終還元を実施した。最終還元終了後の溶融スラグ５２のＦｅＯ濃度および溶鋼成分を表５に示す。
【表５】
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【００３０】
また比較例として、最終の鉄酸化物濃度２％を目標とした最終還元処理を実施した。このときの溶融スラグ５２のＦｅＯ濃度および溶鋼成分を表６に示す。
【表６】
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【００３１】
実験例２で得られた結果から分かるように、鉄酸化物の最終濃度を５ｗｔ％目標として得られた鋼中に占めるカーボンの含有率は、最終濃度を２ｗｔ％目標として得られた鋼と比較して、極めて低い値になっている。また、不純物としての燐の含有率も低くなっている。
【００３２】
以上に説明したように、本発明に係る鋼の製造方法によれば、製造された鋼はカーボン含有率が極めて低いので、その後に脱炭処理をする必要がない。従って、脱炭処理に掛かるコスト・時間が削減されて、廉価な鋼を提供することが可能となる。また、本発明によって得られる鋼は、燐等の不純物の含有率も低いので、これらを除去する必要がなくなって、更なる低コストを達成し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る鋼の製造方法を実施する還元システムを示す概略説明図である。
【図２】還元炉において使用されるバーナーヘッドの正面図である。
【図３】実験例１より得られたカーボン含有率に対する鉄酸化物濃度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１２  ダスト(粉体状の原料)
１４  バーナー
２２  コークス(カーボン)
３２  還元炉
５２  溶融スラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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