(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内を移動する炉床上に、炭素成分と金属酸化物とを含み、かつその金属酸化物を還元するのに必要な理論炭素必要量を超える過剰な炭素分を含む含金属原料を堆積させ、この原料が炉内を移動する間に加熱し、還元し、溶融し、さらに冷却することによって、還元金属を生成させて回収する移動型炉床炉の操業において、該移動型炉床炉の、炉内温度が７００〜１１００℃の部位における炉内雰囲気を、酸素ガス雰囲気にして、前記原料中の過剰な炭素分を燃焼させることを特徴とする移動型炉床炉の操業方法。
【請求項２】
炉内雰囲気を酸素ガス雰囲気にする方法が、バーナーに供給する支燃ガスの量を増やすか、炉床上の前記含金属原料の堆積表面に向けて、酸素ガス供給管を介して酸素含有ガスを吹き付けることにより行われることを特徴とする請求項１に記載の移動型炉床炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動型炉床炉の操業方法に関し、詳しくは炭素成分を含む含金属原料を、移動型炉床炉の炉床上で加熱し、還元し、溶融し、さらに冷却することによって、脈石分を分離して還元金属を分離、回収するための、移動型炉床炉の操業方法についての提案である。
【０００２】
【従来の技術】
鋼は、一般に高炉−転炉法または電気炉法によって製造されている。このうち、電気炉法は、スクラップや還元鉄を電気エネルギーによって加熱溶融し、さらに精錬することにより鋼とする方法である。この電気炉法において、原料とするスクラップは、近年、市場の変動によって価格が大きく変動するという問題があり、また、近年では高品質化への指向によって原料性状の安定化が求められており、そのため、電気炉法においても、従来のように、スクラップのみに依存するのを止め、鉄鉱石などから製造された品質の良い還元鉄を使用する傾向がある。
【０００３】
還元鉄は、一般に粉鉱石を塊状化（ペレット）し、これを還元することにより生産されている。還元方法としては、種々のプロセスについての提案があり、例えば特開昭６３−１０８１８８号公報では回転炉床炉法を開示している。この従来技術は、鉄（粉）鉱石に炭材を混合してなるペレットを移動炉床上に装入堆積させ、その炉床の上方から輻射伝熱によって加熱することにより粉鉱石を還元し、ペレット状の還元鉄とする方法である。このようにして得られたペレット状の還元鉄は、金属鉄と脈石（鉱石起因のもの）と灰分（炭材起因のもの）とが凝集した構造となっている。
【０００４】
ところが、近年は、脈石分の少ない高品位の鉄鉱石が年々減少しているため、粉砕や選鉱処理によって脈石の除去を行うことで品位の向上を図っている。しかしながら、高品位の粉鉱石が入手しにくいという現状は変わっておらず、そのために、製品（ペレット状の還元鉄）の品位の低下を招いていた。その結果、そのような還元鉄を電気炉などで使用しようとすると、脈石分を滓化するための造滓剤の増加を招くだけでなく、電力原単位の上昇を招いていた。
【０００５】
こうした現状にあって、最近、特開平１１−１７２３１２号公報では、移動型炉床炉の炉床上に、粉状鉄鉱石などの酸化物を装入堆積させてこれを輻射伝熱によって加熱し、還元し、溶融する技術を提案している（図１）。この従来技術は、還元生成物を溶融状態を経て製造するため、脈石分が溶融時にスラグとして分離しやすいという特徴がある。従って、この技術によれば、電気炉等で還元鉄を使用する場合に、造滓剤の余分な添加が不必要となり、エネルギー原単位を抑制できるという効果がある。即ち、この従来技術によれば、鉄、クロム、ニッケルなどの種々の金属を含む酸化物原料から、各種の高品位の還元金属を効果的に製造することができるという効果がある。
【０００６】
また、上記従来技術をさらに発展させた方法として、前記移動型炉床炉の炉床上に溶融後の還元生成物を粒状に保持させることによって、炉床からの排出などを向上させるという技術が、特開２０００−２９２０６９号公報に開示されている。この開示技術は、上記含金属原料１２を移動炉床１１上に堆積させる際に、該炉床１１上に固体還元剤層１６を設けると共に、この固体還元剤層１６の堆積表面に形成した窪み１７内に適度の大きさの還元生成物１８を分散状態に生成させるという方法である（図２参照）。こうすることによって、生成金属粒（還元生成物）を移動炉床から排出するに当たっても、該金属粒等を破砕する必要が全くなく、もちろん、その後の取り扱いにおいても、破砕等の操作が不要で輸送も簡単に行うことができるだけでなく、電気炉等で使用する際にも投入が容易となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術において、上記移動型炉床炉の操業は、含金属原料として粉・粒鉱石ばかりでなく、製鉄工程あるいは金属製錬工程で発生する金属分を含む各種ダスト等も利用できるため、資源の再利用の観点からも好適なプロセスであると言える。しかし、製鉄所で副生する各種のダストを原料として使うと、溶融後に生成する金属粒が凝集し難く、大きな粒径に成長しないという問題があった。即ち、金属粒があまりに小さいと、大きなものを排出するのと同様に困難を伴い、また、排出後に微細な炭材やスラグ分を篩分けして除く際に、金属粒がスラグと共に一緒に篩下に除去されてしまい、歩留りの低下を招くという問題もあった。
【０００８】
本発明の目的は、移動型炉床炉の操業において、低品位原料を用いることに起因する溶融金属粒の凝集不良を防ぐのに有効な該移動型炉床炉の操業方法を提案することにある。
【０００９】
【発明が解決するための手段】
発明者らは、従来技術が抱えている上述した問題点、即ち、低品位原料の使用に起因する金属粒の凝集不良が起こる条件について、鋭意検討した。その結果、金属粒の凝集不良は、高炉ダストのような、炭素成分を多く含む原料を使用するときに起こりやすいことがわかった。一方、鉄鉱石粉を原料として使用するときでも、鉄鉱石粉の還元を促進するために予め混合しておく炭材の量が多いときには、金属粒の凝集不良が起こりやすいこともわかった。
【００１０】
上記、従来技術においてもそうであるが、移動型炉床炉の一般的な操業というのは、金属酸化物を含む原料中に予め炭材を混合し、その原料を移動型炉床炉の上方から加熱し、炭材と金属酸化物とを直接的に還元する方法である。このとき、予め混合する炭材の量は、金属酸化物の被還元酸素を還元させるのに必要な量とするのが原則である。しかし、もともと炭材を多く含有している高炉ダストのような原料は、原料中の金属酸化物を還元するのに必要な理論炭素必要量を超える炭素分を含有していることが多い。従って、これらの場合、本来は炭材の予混合の必要はない。もし、ダスト原料中に必要量以上の炭材を含んでいれば、このような原料を移動型炉床炉で還元、溶融すると、還元反応の完了後においても炭材の一部が未反応のまま残り、溶融金属や溶融スラグと共に、この未反応炭材が共存する状態になる。ところが、溶融金属、溶融スラグはそれぞれに表面張力により凝集して金属粒、スラグ粒を形成することになる。しかし、この時もし、原料中に固体の炭材が混入していると、この炭材は、溶融金属や溶融スラグのいずれに対しても濡れ性が悪いために、金属やスラグの凝集を妨害することがわかった。
【００１１】
さらに、もともと炭素分を含有していない粉鉄鉱石などの場合であっても、炭素分を予め混合して還元、溶融を行うにあたり、炭材の量が過剰の場合、前記未反応炭材が溶融金属分と溶融スラグ分の凝集を妨げるという効果が生じる。
【００１２】
そこで、発明者らは、炭材が原料中の金属分の還元に必要な量を超えて含まれているような場合に、溶融金属の凝集が阻害されるという上述した現象を解消する方策について鋭意検討した。その結果、過剰に存在する炭材については、溶融の前に燃焼しておけば、溶融時の金属、スラグの凝集を促進できることをつきとめ、本発明を完成した。
【００１３】
すなわち、本発明は、炉内を移動する炉床上に、炭素成分と金属酸化物とを含み、かつその金属酸化物を還元するのに必要な理論炭素必要量を超える過剰な炭素分を含む含金属原料を堆積させ、この原料が炉内を移動する間に加熱し、還元し、溶融し、さらに冷却することによって、還元金属を生成させて回収する移動型炉床炉の操業において、該移動型炉床炉の、炉内温度が７００〜１１００℃の部位における炉内雰囲気を、酸素ガス雰囲気にして、前記原料中の過剰な炭素分を燃焼させることを特徴とする移動型炉床炉の操業方法である。
【００１４】
なお、本発明において、炉内雰囲気を酸素ガス雰囲気にする方法が、バーナーに供給する支燃ガスの量を増やすか、炉床上の前記含金属原料の堆積表面に向けて、酸素ガス供給管を介して酸素含有ガスを吹き付けることが好ましい。なお、本発明において、移動型炉床上に形成する酸素ガス雰囲気とは、酸素ガスを含有する雰囲気と言う意味である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る移動型炉床炉の操業においては、主として金属含有物と固体還元剤とを含む原料を、この移動型炉床炉の水平移動する炉床上に供給し、その炉床が炉内を移動する間に加熱還元し、さらには少なくとも一度は溶融させることにより、金属含有物の還元物（還元生成物）を生成させると同時に、この還元生成物中のメタル分と脈石および灰分からなるスラグとを分離して還元金属を製造することが特徴である。本発明はまた、生成した還元金属が適当な大きさになるようにすることで、排出や、その後のハンドリングを容易にすることのできる方法である。以下に、本発明についてさらに詳しく説明する。
【００１６】
図１は、本発明方法を適用するのに好適な回転炉床方式の移動型炉床炉を示している。図１に示すように、この炉は、原料の供給側から排出側に向って、予熱帯１０ａ、還元帯１０ｂ、溶融帯１０ｃおよび冷却帯１０ｄに区画された環状の炉体１０を有し、その炉体１０内には、環状の移動炉床１１が回転移動するように配設してある。その回転する移動炉床１１上には、例えば鉄鉱石と固体還元剤との混合物からなる原料１２が装入される。その原料１２としては、炭材内装ペレットや含金属原料と炭材の混合物が好適に用いられる。なお、前記移動炉床１１は、表面に耐火物が施工してあるが、たとえば粒状耐火物を堆積させたものであってもよい。そして、この炉体１０の上部には、バーナー１３を配設し、このバーナー１３を熱源として、移動炉床１１上に堆積させた鉄鉱石等の金属含有酸化物を還元剤介在の下に加熱還元して還元鉄とする。なお、この図において、符号１４は、原料を移動炉床１１上へ装入するための装入装置、符号１５は、還元生成物を排出するための排出装置である。符号20は、冷却帯10dに設けられた冷却装置である。
【００１７】
上述した移動型炉床炉の操業を行うに当たって、炉内の雰囲気温度は通常、１３００℃程度に保持するのが好適である。そして、還元処理が終了した後の還元生成物は、炉外での酸化防止と、ハンドリングを容易にするために、前記冷却帯１０ｄにおいて冷却した上で炉外に排出する。
【００１８】
このような移動型炉床炉の操業方法は、炉床上に装入堆積させた原料１１を、移動炉床１１の上方からバーナー１３の輻射熱により加熱し、炭材と金属酸化物との直接還元によって還元を進行させるように行う方法である。即ち、図３に示すように、炉内上部域にバーナー１３を設け、このバーナー１３からは燃料ガスもしくは重油などの液体燃料、微粉炭などの固体燃料を空気などの酸素を含む支燃ガスと共に一緒に吹き込んで燃焼させることにより炉内の雰囲気温度を上げ、炉体内壁の温度を上げることで移動炉床上の原料１２への輻射加熱を行っている。
【００１９】
このような操業において、燃料原単位を低減するため、バーナーによる燃焼制御は、吹込み燃料をほぼ完全燃焼させるに足る酸素量を供給するのが普通である。従って、本発明のように、移動炉床炉上に堆積させる原料（鉄鋼石＋炭材）中に炭素を含む場合には、この原料中の炭素分は、該原料中金属と結合している被還元酸素の分だけが消費されることになる。そのため、もし、原料中に過剰の炭素分が含まれていると、いわゆる上記還元反応に寄与しない未反応炭素が原料中にそのまま残留することになり、これが上述したような溶融物の凝集を妨げるのである。
【００２０】
そこで、本発明では、炉内雰囲気中に、前記バーナー１３の支燃ガスとしての酸素とは別に、補助的な酸素を供給することにより、原料中に含まれる炭素と反応してこれを燃焼消費させ、このことにより、前記の未反応炭素分が、溶融金属、溶融スラグの凝集を妨害することがないように工夫したのである。
【００２１】
ここで、酸素の供給手段としては、前記バーナーへ供給する支燃ガスの量を増やすのが最も簡便である。この方法によれば、炉内の雰囲気を酸化性にして原料中の炭素の燃焼を促進することができる。
【００２２】
また、その他の供給方法としては、図４に示すように、バーナー１３とは別に原料層１２に面して酸素含有ガス供給管１９を配設して空気のような酸素含有ガスを原料層の表面に向けて直接吹き付ける方法を採用することも可能である。
【００２３】
この方法の考え方の特徴は、炉内温度上昇に伴なって酸化金属の還元が進行すると、いずれにしても、原料層１２中のＣＯガス分圧が上昇して雰囲気中の酸素の供給が不足するようになるので、酸素含有ガスを原料層の上から直接吹付けることにより、原料層中へ酸素を強制的に供給するという方法である。
【００２４】
原料層表面に吹付ける酸素含有ガスは、予め予熱して供給すると、過剰炭素分の燃焼にさらに効果的に作用する。この場合において、酸素含有ガスを原料層の表面に吹付ける際には、燃料を加えて燃焼させても良い。もちろん、このケースでは、燃料の燃焼に必要な酸素量よりも多くの酸素含有ガスを吹付けることが必要である。このようにすることで、原料中の炭素を燃焼消費させることができると同時に、この燃焼による原料の加熱も行うことになるので、より好適である。
【００２５】
酸素含有ガスを供給する位置は、炉内の主として還元帯１０ｂから溶融帯１０ｃに亘る位置が好ましく、炉内温度で７００℃を超える領域で供給することが好ましい。その理由は、７００℃に満たない位置で供給しても原料中の炭素分の酸化が十分には起こらず、雰囲気温度の上昇の妨げになるからである。酸素含有ガスの、さらに好ましい供給位置としては、還元帯１０ｂの炉内温度が７００〜１１００℃程度を示す位置で行うことが好ましい。それは、この温度範囲を外れる位置で、酸素含有ガスの吹き込みを行うと、金属の還元が完全には終了しない場合も起こり得るからである。
【００２６】
本発明方法は、特に高炉の乾式集塵ダストのように、原料中にもともと炭材が含まれているような場合に適用することと好適である。このような原料の金属酸化物を還元するためには、化学量論的には下記式で示す必要炭素量が原料中に含まれていればよい。
必要炭素（mass%）＝原料中被還元酸素（mass%）×１２／１６
【００２７】
上記式において、原料中の被還元酸素とは、原料中の金属酸化物を構成している酸素量のことであり、炉内で還元反応により、金属酸化物中の酸素が周囲に存在する炭素と結合してCOガスとして分離することで金属の還元が進行する。この還元反応のため、上記式に示す必要炭素が必要になるのである。ここで、もし、その原料中に、前記必要炭素量以上の炭素が含まれていると、これらの炭素は還元によって消費することはなく、一部は金属に浸炭するものの、多くは、そのまま残って溶融時に金属、スラグの凝集を阻害する原因となる。
【００２８】
【実施例】
装入原料として、高炉の乾式集塵ダスト（表１にその組成例を示す）を使用（ただし、酸化鉄はFe2O3とする）した。この酸化鉄中に含まれる原料中被還元酸素は、１６．１mass%であり、上記式から求められる必要炭素量は１２．１mass%である。これに対して、高炉の乾式集塵ダスト中の炭素は、２１．３mass%含まれており、８．８mass%もの炭素が過剰となっている。このような原料の場合、本発明方法を適用して、炉内の雰囲気へ酸素を加えることで、原料中の過剰な炭素を燃焼消費して溶融時に金属、スラグの凝集を促進することが有用である。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
また、元々は炭素分を含んでいない粉鉱石などの金属含有物の場合でも、場合によっては、コークス粉等の炭材を被還元酸素量を消費するのに必要な量以上に添加しておき、本発明方法を適用することにより、原料内部で炭素の燃焼による発熱反応を起こし、還元反応による温度降下を補償することができ、還元を促進することができる場合もある。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、原料中に炭素が過剰に含まれる場合でも還元、溶融時における金属、スラグの凝集が円滑になり、安定した粒径の金属粒、スラグ粒を生成させることができる。このため、還元生成物の炉床からの排出や、排出後のハンドリングも容易となり、また金属歩留りの悪化も防止できる。
【００３２】
さらに原料中へ混合する炭素量を過剰にしても金属の凝集性が悪化することがないため、原料中への炭材の混合量を増やしてこれを燃焼させることで原料の還元による熱降下を補償して生産性を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  移動型炉床炉の概略を示す説明図
【図２】  原料堆積層上に生成する還元生成物形成の模様を示す断面図
【図３】  還元帯付近における移動型炉床炉の断面図
【図４】  還元帯付近における移動型炉床炉の他の実施例を示す断面図
【符号の説明】
１０  ・・・移動型炉床炉
１０ａ・・・予熱帯
１０ｂ・・・還元帯
１０ｃ・・・溶融帯
１０ｄ・・・冷却帯
１１  ・・・移動炉床
１２  ・・・原料
１３  ・・・バーナー
１４  ・・・装入装置
１５  ・・・排出装置
１６  ・・・還元剤層
１７  ・・・窪み
１８  ・・・還元生成物
１９  ・・・酸素含有ガス供給管
２０  ・・・冷却装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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