(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質還元剤と酸化鉄からなる炭素質還元剤内装ペレットを用いて還元鉄を製造するに当たり、
軟化溶融時の最高流動度が０．４以上の炭素質還元剤を用いて還元鉄の粉化を抑えることを特徴とする還元鉄の粉化抑制方法。
【請求項２】
軟化溶融時の最高流動度が０．８以上の炭素質還元剤を用いるものである請求項１に記載の還元鉄の粉化抑制方法。
【請求項３】
前記炭素質還元剤は、単一種の炭材、または複数種の炭材を配合したものである請求項１または２に記載の還元鉄の粉化抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭材内装ペレット及び還元鉄製造方法に関し、詳細には、炭材と酸化鉄を含む炭材内装ペレットを加熱還元することにより還元鉄を製造する直接製鉄法において、酸化鉄の還元工程の生産性を改善することのできる炭材内装ペレットと上記炭材内装ペレットを用いた還元鉄の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
還元鉄の製造方法としてはミドレックス法が知られており、この方法によれば天然ガスから生成した還元性ガスを羽口から吹込み、シャフト炉中を上昇させることによって、炉内に充填された鉄鉱石や酸化鉄ペレットを還元して還元鉄を得ることができる。但し、この製造方法では、燃料としてコストの高い天然ガスを大量に供給する必要がある。
【０００３】
そこで近年では、上記天然ガスに代えて比較的安価な石炭を還元剤として使用することのできる還元鉄製造プロセスが注目されている。例えば米国特許第3,443,931 号には、粉鉱石と炭材とを混合してペレット化し、高温雰囲気下で加熱還元することにより還元鉄を製造するプロセスが記載されている。この方法によれば、石炭ベースであることの他にも、粉鉱石を直接使用できること、高速還元が可能であること、製品中の炭素含有量を調節することができる等の利点を有している。但し、このプロセスでは高温反応炉における上面からの輻射熱によりペレットを加熱しているので原料層の高さが制限され、従って製品の生産性を向上させるには、還元反応の反応速度自体を高める必要がある。
【０００４】
還元反応の反応速度を高める方法としては、還元時の処理温度を上昇させることが考えられるが、処理温度を上昇させるにあたり、ペレットの表面温度が高くなり過ぎるとペレット表面が溶融して、炉内での固着や炉体損傷の問題を引き起こす。
【０００５】
従って、高温反応炉で炭材内装ペレットを加熱還元することにより還元鉄を製造する上記プロセスにおいては、還元反応を促進して生産性の向上を図ることのできる還元鉄の製造方法の開発が期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に着目してなされたものであって、酸化鉄の還元反応を促進することができる炭材内装ペレットと、上記炭材内装ペレットを用いた生産性の高い還元鉄製造方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明とは、炭材と酸化鉄からなる炭材内装ペレットであって、上記炭材の軟化溶融時の最高流動度が０．４以上であることを要旨とするものであり、上記最高流動度が０．８以上であると望ましい。
【０００８】
また前記炭材は、単一種の炭材であってもよく、複数種の炭材を配合して上記流動度を０．４以上（望ましくは０．８以上）に調整したものであってもよい。
【０００９】
本発明に係る上記炭材内装ペレットは、熱伝導性に優れているので、これを用いて還元鉄を製造すれば生産性の向上が実現できる。
【００１０】
本発明において、炭材とは、石炭，コークス，石油コークス，ピッチ，タール等の炭素含有物質をいうものであり、軟化溶融時の最高流動度が０．４以上（望ましくは０．８以上）のものであれば、単一種の炭材であってもよく、複数種の炭材の混合物であっても良い。
【００１１】
尚、本発明において最高流動度とは、ＪＩＳ  Ｍ８８０１で規定された値であり、流動度計であるジースラー・プラスト・メーター(Gieseler Plasto meter) を用いて測定された値である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
還元鉄の製造方法において、その生産性を高めるべく炭材内装ペレットの還元速度を高めることを目的として還元炉温度を上げる場合に、ペレット内部における伝熱可能エネルギーの限界以上に熱エネルギーを供給すると、ペレットの表面温度が高くなり過ぎ、ペレットが溶融して炉内での固着や炉体損傷の問題を引き起こす。即ち、炭材内装ペレットの還元速度は、ペレット内の伝熱に律速されるものであり、生産性向上のためにはペレット内における熱伝導性の改善が不可欠である。本発明者らは、炭材内装ペレットの様な多孔質体の熱伝導性を高めるためには粒子間の接触面積の増大が有効であり、その為には軟化溶融時の流動性の高い炭材を炭材内装ペレットに用いれば良いことを突き止め、本発明に想到した。
【００１３】
本発明の製造方法では、還元に先行する乾留反応において、造粒物内部の酸化鉄粒子が形成する空隙を軟化溶融した炭材が充填することにより、酸化鉄粒子が炭素質で連結されて熱伝導率が向上すると共に酸化鉄と炭素質の接触面積が増大することによって還元が促進されるものである。より詳細に説明すると以下の通りである。
【００１４】
還元が始まるまでの昇温過程において、炭材は約３００〜５００℃で軟化溶融し、５００℃以上で固化する。この軟化溶融時の流動性が高いとペレット内空隙を炭材が容易に移動し、固化した後の固体炭素質が酸化鉄同士を連結する。この炭素による酸化鉄の連結構造がペレット内部における接触面積を増大し、炭材内装ペレットの熱伝導性を向上させるものである。
【００１５】
また炭素質還元剤である炭材と酸化鉄の接触面積の増大は、固体炭素による直接還元を促進するという作用も有する。
【００１６】
更に、高流動性の炭材を用いると固化後の炭素質の比表面積が高くなるのでガス化反応が活発に起こり、ペレット内部でのＣＯ分圧が高められるので、ＣＯによるガス還元も促進される。
【００１７】
本発明に用いる炭材としては、石炭，コークス，石油コークス，ピッチ，タール等の炭素含有物質を用いることができ、軟化溶融時の最高流動度が０．４以上であれば、炭材は単体であっても、混合物であってもよい。尚、上記最高流動度は０．８以上であれば望ましく、１．０以上であるとより望ましい。
【００１８】
上記炭材の配合量は、用いる酸化鉄及び炭材の種類に応じて、酸化鉄の還元に必要な量を配合すれば良いが、通常は原料酸化鉄に対して１０〜３０重量％程度である。
【００１９】
尚、製品還元鉄は還元がほぼ終了した後に、金属鉄が焼結することにより強度が高まる。生産性の向上を目的として高温反応炉内における滞留時間を短くしようとする場合、還元反応時の履歴温度が低いと焼結不良を起こして、還元鉄強度が十分高くならず、還元炉から排出する際などのハンドリング工程で破壊粉化が進行し、製品歩留りが低下する。本発明の製造方法によれば還元が促進されて金属化後の履歴時間を延ばすことができ、焼結も促進されて製品還元鉄の強度が増大し、還元炉排出時の粉化を抑制することができる。
【００２０】
流動性の異なる１２種類の炭素質還元剤Ａ〜Ｌを炭材として含有する炭材内装ペレットを用いて９分間の還元時間で還元鉄を製造した場合の最高流動度と製品粉率の関係を図１に示す。尚、上記製品粉率とは、還元炉からの排出時ハンドリング工程での粉化された直径６ｍｍ以下の粉体の割合である。最高流動度が低い炭材（Ａ，Ｂ，Ｃ）を用いた場合には粉率が高く、最高流動度が高い（０．４以上）の還元剤を用いた場合には、粉率が低下して製品歩留が向上するものであり、更に最高流動度が０．８以上であればより望ましいことが分かる。
【００２１】
図２に、流動度が異なる５種類の炭材Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｈ，Ｉについて、１３００℃で加熱した際の加熱時間とペレット中心部の温度の関係を示す。炭材の流動性が高い方（炭材Ｈ，Ｉ）が炭材の流動性が低いもの（炭材Ａ，Ｃ）に比較して１３００℃に到達する時間は短いことが分かる。また還元反応は約８００℃から始まることから昇温過程の温度履歴も重要であり、高流動性の炭材は（特に炭材Ａに対して）ペレット内部の昇温も速いことが分かる。尚、このときの還元過程におけるペレット断面の組織観察から、流動性の高い場合には酸化鉄粒子の固体炭素質による連結構造が形成されることが確認された。
【００２２】
また最高流動度が０．４未満であるオイルコークス等の炭材であっても、高流動性の石炭やタール，ピッチ，または水素供与性を有する有機溶剤（例えばベンゼン，アニリンなどの芳香族化合物）等を添加することによって最高流動度を０．４以上（望ましくは０．８以上）になる様に調整すれば、本発明に利用することが可能である。
【００２３】
非流動性の還元剤であるオイルコークスに高流動性還元剤である石炭Ｈを混合した場合の実験結果を表１及び図３に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
混合還元剤の最高流動度の実測値は各還元剤の最高流動度の配合率による加重平均よりも若干小さいものの任意の値に調整できること、更に混合還元剤においても単一還元剤と同様に粉率低減効果が得られることが分かる。
【００２６】
尚、還元剤として石炭を用いる場合には、流動性が高い程、揮発分含有量が多いことが一般的であるが、揮発分含有量の多い石炭を用いると、揮発分の放出過程に伴うバースティングの問題を生じる。揮発分とは、炭材中に含まれるＣＨ4,Ｈ2 ，ＣＯ，ＣＯ2 ，水分等であり、炭材中の揮発分含有量が増加するのに伴い、還元反応は促進されるが多過ぎると、還元途中でペレットが破裂（バースティング）するものである。ペレットの破裂を抑制するには、炭材１ｇ当たりの揮発分含有量が0.026 mol 以下の範囲内で揮発分含有量の多い炭材を還元剤とすることが望ましく、一方還元反応を促進させる上で、揮発分含有量は0.020mol／炭材１ｇ程度とすることが望ましい。
【００２７】
従って、高揮発分・高流動性の石炭に低揮発分・低流動性の石炭を混合して、揮発分がバースティング限界以下となり、流動性が０．４以上（望ましくは０．８以上）となるように還元剤を配合することが望ましい。
【００２８】
また本発明に係る還元鉄の製造方法を実施するにあたっては、通常の高温反応炉を用いれば良く、ロータリーハース炉やトンネル炉等、炭材内装ペレットを所定の温度まで加熱・保持することが可能な全ての高温反応炉を適用することができる。
【００２９】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００３０】
【実施例】
実施例１
石炭やオイルコークス等、最高流動度の異なる１２種類（Ａ〜Ｌ）の炭素質還元剤を炭材として用い、ヘマタイト鉱石（Ｔ．ＦＥ＝６８％）１００部に、単一銘柄の炭材２７部と、バインダーとしてベントナイト１部及び有機系バインダー０．１部を加えて、球形に成型した炭材内装ペレットを作製した。
【００３１】
具体的には、鉄鋼石，炭材，バインダーを貯留している原料槽から所定量を計量して、原料ミキサにより混合し、造粒装置にて粒状に成形して、乾燥機を通過させることによって成形した。ペレットは、ロータリーハース炉に導入し１３００℃で９分間加熱還元して冷却した後、製品として排出した。
【００３２】
結果は図１に示す。最高流動度が０．４未満の炭材Ａ〜Ｃでは粉率が１０％以上であったのに対し、最高流動度が０．４以上の炭材Ｄ〜Ｌでは粉率が７％以下となっており、最高流動度が０．８以上の炭材Ｄ〜ＪとＬでは粉率が５％以下となっている。
【００３３】
実施例２
次に、最高流動度が約０．３である炭材Ｃと、約２．５である炭材Ｇを用いて、還元温度１３００℃における還元時間と製品還元鉄の粉率の関係を調べた。結果は図４に示す。
【００３４】
図４から分かる様に、炭材Ｃの場合、同じ還元温度では粉率を５％まで低減するには１１分間の還元が必要である。一方、炭材Ｇの場合には、７分間程度の還元時間で粉率は５％以下となっている。但し、金属化率を９０％以上とするには９分間程度の還元時間が必要である。従って、両者の生産性を比較すると、本発明によれば、２０％程度生産性が改善されることとなる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、酸化鉄の還元反応を促進することができる炭材内装ペレットと、上記炭材内装ペレットを用いた生産性の高い還元鉄製造方法が提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】還元剤の流動性と製品中の粉率の関係を示すグラフである。
【図２】各種ペレットの加熱時間と中心部の温度の関係を示すグラフである。
【図３】流動性の異なる２種類の還元剤の配合による流動度と製品粉率の関係を示すグラフである。
【図４】製品粉率と還元時間の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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