JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）p. 73–78

Hi-QIP プロセス（新粒鉄製造プロセス）の開発
Hi-QIP, a New Ironmaking Process
澤義孝

SAWA Yoshitaka

JFE スチール スチール研究所 製銑研究部 主任研究員（課長）村尾明紀

MURAO Akinori

JFE スチール スチール研究所 製銑研究部 主任研究員（副課長）武田 幹治

TAKEDA Kanji

JFE スチールスチール研究所

製銑研究部長・Ph. D.

要旨
石炭ベースの新しい粒鉄製造プロセスの開発を進めている。本プロセスは回転炉床炉で粉鉱石，石炭粉を直接使用することで，脈石分（スラグ分）のない粒鉄を製造することができる。特筆すべきは，炉床の上に粉状の炭材を敷くことであり，この炭材層が耐火物の役目をするだけでなく，溶融鉄を再凝固させる際の鋳型および補助的な還元材として機能する。この特徴により回転炉床炉内でトラブルもなく還元鉄を溶融することが可能であり，また原料性状，原料配合の変化にも強い。パイロットプラントを建設，操業試験を実施した。連続操業期間は 62日間で，最大生産性は 1.23 t/m d であった。

Abstract:
A new coal based ironmaking process has been developed. The process produces iron pebbles free of minerals inrotary hearth furnace using directly fine iron ore and fine coal. A feature of this process is using fine carbonaceous
material layer on rotary hearth as refractory, casting mold for melting iron and auxiliary reducing agents.
Therefore, the feature enables to melt reduced iron in the rotary hearth furnace without any trouble and to permit
fluctuation of mixing of raw material. The pilot plant was constructed and the tests using the pilot plant were carried
2out. The operation lasted six days without any malfunction. The maximum productivity was 1.23 t-metal /m d.

チールは Hi-QIP（High Quality Iron Pebble Process）と名

1. はじめに付ける新しい粒鉄製造プロセスを考案するに至った。このプロセスの開発は現在パイロットプラントまでの段階に到

最近の世界の粗鋼生産量は，旺盛な中国の需要により急激に上昇しており，世界中であらゆる国，企業が鉄源確保達している。本論文では特にパイロットプラント試験の結果を中心に，開発の概要について説明する。

を争っている状況にある。そのため，鉄鉱石，石炭，およびそれらから生産される還元鉄の価格は 2005 年度の初め

2. Hi-QIP プロセスから急激に上昇し始め，現在のところ需要，価格とも下降傾向が見られない。また，直接還元鉄の生産量も，粗鋼生本プロセスが他の類似したプロセスと比較して特質する産量と同調するように増加しつづけている。このような状点は，回転炉床上に炭材を敷き詰め，炉内で還元鉄を溶融

況を鑑み，JFE スチールでは以下の概念を基に，新しい石することである。Hi-QIP プロセスの概要を図 1 に示す。設

炭ベースの粒鉄製造プロセスの開発を進めている。

備構成の中心となる還元溶融炉には回転炉床炉を用いてい（1） 高炉法で使用するコークス，直接還元鉄製造に使用する。予熱，還元，原料の溶融などの炉内状況を，回転炉を直線状に展開した図 2 で示す。鉄鉱石，石炭，石灰石などる天然ガスを必要としない。
（2） 電気炉でも容易に使用できる脈石成分のない粒鉄を製し，窪み付けローラーによって炭材表面に小さなカップ状造する。
（3） 極力簡単な設備と最低限のエネルギーリカバリーシスの窪みを付け，鉄鉱石，石炭，石灰石からなる混合粉を炭材層の上に層状に敷設する。混合粉層がバーナーによってテムで構成する。
いくつかの実験室レベルの実験成果の原料は，粉状で使用する。まず炭材を回転炉床上に敷設

1,2)などから，JFE ス

加熱される間に，混合粉層中の鉄鉱石は還元され溶融し，石炭はガス化し鉄鉱石を還元し，石灰石は脈石や灰分とと2008 年 7 月 16 日受付

もに溶融する。溶鉄と溶融スラグはあらかじめ炭材表面に− 73 −

Hi-QIP プロセス（新粒鉄製造プロセス）の開発

プを考慮して 15 t/d とした。原料の昇温パターンと，溶融物の降温パターンは，ラボスケールでの実験およびシミュ
Burner

レーションモデルによって検討した。それにより炉床径，炉床幅，予熱帯長さ，還元帯長さ，溶融帯長さ，冷却帯長
Stack
Cooling
tower

Chiller

さ，バーナー数，バーナーカロリーなどの回転炉床炉の仕Baghouse様を決定した。仕様を表 1 に示す。
パイロットプラントは JFE スチール東日本製鉄所千葉地区に建設した。パイロットプラントの外観を写真 1 に示す。

Iron pebbleSlag Pebble

Screw

写真右側が原料系設備，写真中央部が排ガス処理系設備，
写真左側が回転炉本体である。

図1

Hi-QIP プロセスの概要

Fig. 1

Outline of Hi-QIP process

Melting

Carbonaceousmaterial
図2Fig. 2

試験条件

パイロット試験に用いた原料組成を表 2 に示す。すべて

Cooling

1 500˚Crの原料は粉状であり，焼結に使用するサイズである。炭材
1 300˚CChHollows

Reducing

ille

Charging

3.2

HearthIron ore
Carbonaceous material

Slag
IronRecycle層として使用する石炭も表 2 の石炭と同一のものを使用した。混合粉の配合はスラグ塩基度で 0.8〜1.6，還元材比で0.8〜1.6 の範囲で選択した。ここで，還元材比は石炭中のHi-QIP 炉床部の原料，製品積載状態

Stacking state on the hearth of Hi-QIP Process表1パイロットプラントの仕様

Table 1

Specfication of the pilot plant

Hearth diameter

7m

付けた窪みに流れ込む。その後，冷却装置によって再凝固Hearth width1mされた粒鉄と粒スラグは排出スクリューによって炉外に排Burner出される。

Maximum temperature

11
1 823 K

本プロセスにおいて炭材層は 3 つの重要な働きをする。
（1） 耐火物：溶融物が発生するプロセスにおいては耐火物の保護は最も重要である。本プロセスにおける炭材層は耐火物の役割を果たし，溶融物と炉床との接触を防ぐ。したがって，炉床に使用する耐火材料は溶融物との接触を考慮する必要がない。
（2） 鋳型：一度生成した溶鉄，溶融スラグは，炉内冷却帯で再凝固する。このとき粒状にすることによって炉から容易に製品排出することが可能になる。本プロセス
では，炭材表層の小さなカップ状の窪みを付け，それを鋳型として使用している。
写真 1 パイロットプラントの外観（3） 補助還元材：混合粉中に混合させた石炭は，還元材とPhoto 1して使用される。しかしながら，炉床上に積載した混Outline of the pilot plant

合粉の石炭配合比率を炉床上のあらゆる位置および時間的にも一定を保つことは工業的には相当困難な課題

表2である。石炭量が不十分な箇所では鉱石の還元は不十Table 2分となる可能性を否定できない。そのような場合に混T-Fe

SiO2Al2O3CaOMgO

パイロット試験に用いた原料組成
Raw materials for the pilot plant

合粉層の下にある炭材層が補助的な還元材の役割を

Ore A

57.3

5.72

2.63

0.430.19し，鉱石の還元を助ける。

Ore B

67.7

1.10

0.54

0.030.04

Ore C

67.5

0.75

0.70

0.01

0.02F.C

VMAshS

6.7

7.1

0.54

3. パイロットプラント試験
3.1

パイロットプラントの設計と建設

Coal

パイロットプラントの生産量は，実機化へのステップアッJFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

85.7

F.C: Fixed carbon− 74 −

VM: Volatile matter

Hi-QIP プロセス（新粒鉄製造プロセス）の開発

表4

カーボンと鉄鉱石中の被還元酸素のモル比である。炉内温
Table 4度は，溶融帯で 1 773 K〜1 823 K の範囲に収まるようにした。

3.3

試験結果

写真 2 に還元帯出口の炉内映像を示す。混合粉層中の鉄粒スラグの化学組成

Chemical composition of slag pebbleFeO

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Ore A

9.8

31.9

15.4

36.4

1.4

Ore B

3.2

34.4

16.0

40.9

3.3

Ore C

5.5

29.9

17.6

36.3

0.1

鉱石は還元されてすでに溶融開始しており，溶融物が各窪みの中に集合しているのが分かる。溶融物は還元帯の次工
Unseparatiing ratio (%)

程である溶融帯においてさらに昇温され，完全に溶融し窪みに集まる。試験で得られた粒鉄を写真 3 に示す。すべての粒鉄は玉石形状で概ね同一サイズであることが分かる。
粒鉄の化学組成を表 3 に示す。試験はさまざまな条件で行ったが，得られた粒鉄の化学組成の変動は小さかった。
多くの場合，C 濃度が 2〜3 重量％であり，Si，Mn はほとんどなく，P 濃度は高炉銑より低く，S 濃度は高炉銑より高かった。スラグの化学組成を表 4 に示す。FeO 濃度がお1009080706050403020
100Thickness
12 mm
10 mm
8 mm
8 mm⫹Uniform charging etc.

0.40.2

図3Fig. 30.60.8

11.2

Productivity (t/m2d)
Hi-QIP プロセスの生産性Productivity of Hi-QIP Process

およそ 3〜10 重量％であった。これより鉄歩留りを算出すると 97％以上となる。
図 3 に生産性と粒鉄 - 粒スラグ未分離率との関係を示す。
粒鉄 - 粒スラグ未分離率とは回収した粒鉄，粒スラグのうち，粒鉄，粒スラグが分離していないものの重量比率である。粒鉄 - 粒スラグ未分離率はゼロに近いほうが望ましい。
写真 2
Photo 2混合粉層の層厚が薄い方が粒鉄 - 粒スラグが分離しやすく，還元帯の炉内状態高生産性となる結果になった。層厚を増加させた方が単位

Inner vision of the furnace

面積当たりの積載量が増加し，一見生産性を上げられそうであるが，混合粉層内部への熱伝導量が大きく減少するた
め，生産性はかえって減少する。さらに，炉床半径方向および回転方向に対し，層厚の均一性を向上させ，カップ形状窪みの深さを適正化することで生産性が向上する結果となった。
また，生産性は鉱石種によっても異なる。鉱石に Ore A，Ore B，Ore C を用いた場合，生産性は，それぞれ 0.9，1.1，21.2 t/m d であり，脈石成分の少ない鉱石を用いた場合に増加した。
写真 3

パイロットプラントテストで製造した粒鉄

Photo 3Iron pebbles produced in a pilot plant test

Hi-QIP プロセスでは混合粉をペレット化，圧密，ブリケット化したものも利用可能であり，混合粉の圧密体を用2いた場合の生産性は 1.23 t/m d であった。
表3Table 3

粒鉄の化学組成

4. 実機へのスケールアップ技術の確立

Chemical composition of iron pebbleCSiMnPS

4.1

Ore A

2.5

0.08

0.01

0.040

0.21

商用化に向けての課題の一つとして，炉内エネルギー効

Ore B

2.1

0.04

0.01

0.027

0.25率の改善，燃料原単位の削減があげられる。図 4 にパイ

Ore C

3.00.070.010.0380.24

ロット試験中に，還元帯において炉床上の CO ガス濃度を− 75 −

商用化に向けての課題

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

Hi-QIP プロセス（新粒鉄製造プロセス）の開発

ガス燃焼流動部の流動・伝熱解析を行った。ガス燃焼流動

8.0

CO (mass%)

部内での反応モデルは CFX5.7 が標準内蔵している化学反6.0

応データベースを用いた。考慮した反応を表 5 に示す。

4.0が存在し，そこでは鉱石の還元，石炭のガス化などの反応

実際には炉床部であるガス燃焼流動部下端には混合粉層が起こる。これらの反応によって CO ガスが発生する。ガ2.0

ス燃焼流動部からみて CO 流入という境界条件として与えた。また，反応吸熱はガス燃焼流動部下端からのヒートロ0

図4Fig. 4スとしてモデル化した。

0.10.20.30.40.50.6Distance from raw material surface (m)本モデルでは以下の境界条件を設定する必要がある。

炉床上の CO ガス濃度分布（1）バーナー条件，（2）炉殻からのヒートロス，（3）炉床

Vertical distribution of CO from raw material surface部（ガス燃焼流動部下端）からの CO などのガス入出条件，（4）炉床部（ガス燃焼流動部下端）へのヒートロス（反応測定した結果を示す。CO 濃度は原料表層近傍で約 7％，吸熱）である。

原料表層から 0.3 m では 1％弱まで低下していることが分（1） バーナー条件：バーナーに供給する燃料，燃焼用空気，かる。鉱石の還元で発生した CO や炭材の昇温によって生酸素の量，各供給物質の温度である。燃 料は CH4，じた揮発分などの可燃性ガスは，炉外へ排出される前に炉C2H6 の混合気体であると仮定し，CH4 の割合を保った
まま C2 以上の成分はすべて C2H6 に置き換えた。

内で有効に燃焼し熱源とすることで，燃料原単位の削減に繋がる。そのために，燃料バーナーおよび空気もしくは酸（2） 炉殻からのヒートロス：総括熱伝達率を設定した。

素富化空気を吹き込む 2 次燃焼バーナーの使用方法が重要（3） 炉床部からの CO などのガス入出条件：鉱石の還元おとなる。ここでは，バーナーの有効利用法を検討するツー

よび炭材のガス化によって CO ガスが発生する。発生ルとして，燃焼・流動解析ソフト CFX5.7 を用いた Hi-QIP
コンピューターシミュレーションモデルを開発したので紹量分布を図 6 のように設定した。
（4） 炉床部へのヒートロス：鉱石の還元および炭材のガス化によって反応熱が発生する。鉱石の直接還元は吸熱介する。

4.2

であり，実質ヒートロスとなる。吸熱量をヒートロス

モデルの概要に単位変換し境界条件として与えた。
計算結果として得られる項目は，炉内温度，CO，CO2，

本モデルは炉殻および炉床で囲まれた炉内空洞部，すな
わちガス燃焼流動部をシミュレートするものである。モデ表5ルでの炉形状を図 5 に示す。近似的に回転炉を直線的に展Table 5開した。形状作成は Design Modeler により行い，各部寸モデル中で考慮した反応

Reaction equations used in the model法の変更を可能とした。メッシュはすべて四面体要素で，CH4⫹(1/2)O2/CO2⫹H2(Reaction 1)

要素数は 578,122 である。ガス燃焼流動部で考慮した化学C2H6⫹O2/2CO2⫹3H2(Reaction 2)

種は O2，N2，CO，CO2，H2，H2O，CH4，C2H6 の 8 種で，CO⫹(1/2)O2/CO2(Reaction 3)

H2⫹(1/2)O2/H2O(Reaction 4)

CO⫹H2O/CO2⫹H2(Reaction 5)**Also considers inverse reactioncStandardize COgeneration rate

1.0bdea01.0
Furnace longitudinal direction, X/X0
Furnace inlet side
Furnace outlet side

Hearth part (Red layer)
図5Fig. 5

X/X0Standardize CO generation rate

モデルでの炉形状

図6

The furnace shape in the mathematical model

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

b0.2
1.0

c0.5
1.0

d0.60.3

e1.00.15

計算条件として与えた炉床からの CO発生量
Fig. 6− 76 −a0.10.0

CO supply from the hearthHi-QIP プロセス（新粒鉄製造プロセス）の開発

O2，N2，CH4，C2H6 などの各ガス成分の濃度，各バーナー

燃焼バーナーでも見られるわけではない。炉内ガス排出口からの流線，炉内速度，CO の反応率，乱れエネルギー，に近い側に設置された 2 次燃焼バーナーの場合，送風され乱れ消散率などである。

た富化酸素空気は炉床に到達する前に炉内ガス排出口に方4.3向を変える。これは乱流強度分布の結果からも確認できる。

計算結果

図 8 に炉床進行方向鉛直断面 (XY 断面 ) の乱流強度分布を本モデルによる計算結果の一例を紹介する。計算条件を
表 6 に示す。

示す。還元帯上流部，炉床に近い部分で乱流強度が弱い部分が存在している。

還元帯 2 次燃焼バーナーは混合粉層内の鉱石還元または次に，図 9 に炉床進行方向鉛直断面 (XY 断面 ) の CO ガ

石炭乾留時に発生する CO ガスなどを燃焼させる目的で設ス濃度分布を示す。一般的な CO 濃度分布は次のとおりで置させているものであり，本ガスが炉内のどこを流れていある。混合粉層から CO ガスが発生していることから，還くかは混合粉層内から発生するガスの有効利用の点で重要

元帯の炉床直上には高い CO 濃度領域が存在する。2 次燃である。図 7 に還元帯 2 次燃焼バーナーからのガスの流線

焼バーナーからの送風された富化酸素空気などにより COを示す（溶融帯のガス流線は割愛した）。一般的な 2 次燃ガスは燃焼し，炉床から離れるにつれ CO ガス濃度は低下

焼バーナーから送風された富化酸素空気の流れは次のとおする。このような一般的な傾向の中，還元帯の炉内ガス下りである。まず，バーナー対向面辺りまで直進する。その流側において，炉床から炉内ガス排出口に向かってやや後多くのガスは炉床方向または炉内ガス排出方向に方向をCO 濃度が高い部分が見られる。これは混合粉層から発生転換する。そのうちのバーナー対向面に沿って炉床方向にした CO ガスを十分に燃焼できていない結果と考えること向かったガスは，炉床に到達後，炉床に沿ったままやや炉ができる。炉内エネルギー効率の改善，燃料原単位の削減

内ガス排出口方向に傾きながらバーナー設置面に方向を変える。しかし，この流れはバーナー設置面までには到達せず，途中から炉床から離れるとともに炉内ガス排出口に大きく方向を変える。ただし，この一般的な流れはどの 2 次

Turb Intensity
1.00
0.900.80

表6Table 6

計算条件

0.70
0.60

Conditions of the calculation

0.50

BurnerMelting zone (Nm3/h)

Reducing zone (Nm3/h)

LNG

Air

LNG

Air

O2

90.0

510.0

110.00 100.0

620.0

135.00

Secondary air

O2

Air ratio

1.21

Air ratio

1.33

O 2%

35.02

O2%

35.13

200.055.00

300.0

80.00

O2%

38.04

O2%

37.63

0.40
0.30
0.20
0.10
0.00

YXZ

図8Fig. 8

LNG: Liquefied natural gas

乱流強度分布Distribution of turbulence intensityOff gas
1Velocity (m/s )CO Mass fraction

35.00
32.50

0.10

30.00

0.09

eon

0.07

gz

20.00

0.08

rne

22.50

Bu25.00

r

27.50

0.06

cin

17.50

0.05

du

15.00

0.04

Ru

12.50
10.00

0.03

7.50
0.02

5.00
2.50

0.01

Y

0.00

YX
ZX
Z

M

elting

zo

ne

0.00

図7Fig. 7

図9

還元帯 2 次燃焼バーナーからのガス流線
Gas stream lines from the secondary burners

Fig. 9− 77 −CO濃度分布Distribution of CO mass fraction
JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

Hi-QIP プロセス（新粒鉄製造プロセス）の開発

本研究開発は独立行政法人新エネルギー・産業技術総合の観点からは必ずしも好ましい状態ではない。この高濃度
CO 領域は先のガス流れの解説で触れたように流れが弱い開発機構からの委託により行った。

（乱流強度が低い）部位とほぼ一致し，2 次燃焼バーナーから送風された富化酸素空気と混合粉層から発生した CO ガ

参考文献

スが十分混合しなかった結果と推察される。今後，本モデ
ルを用い，バーナー，2 次燃焼バーナーの配置，それらの1） Sawa, Y.; Yamamoto, T.; Takeda, K.; Itaya, H. ISIJ Int. 2001, vol. 41
supplement, S17–S21.
2） Yamamoto, T.; Sawa, Y.; Takeda, K. Tetsu-to-Hagané, 2001, vol. 87, p. 734.

使用方法，炉内形状などを変更し，混合粉層から発生するCO ガスの効率的燃焼条件を検討する予定である。

5. おわりに石炭ベースの新しい粒鉄製造プロセス（Hi-QIP Process）の開発を進めている。パイロットプラントの建設および試験を実施し，高い生産性で連続的な粒鉄の生産が可能であることを実証した。また Hi-QIP の商用化に向けて，Hi-QIP炉内の燃焼・流動解析が可能なツールを開発した。

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澤− 78 −義孝

村尾 明紀

武田 幹治