JPH0499809A - 溶融還元操業方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、鉄鉱石あるいはその予備還元物などの酸化鉄
含有原料を溶融還元して溶銑などの溶融還元鉄合金を製
造する工程において、耐火物損耗量を減らすとともに排
出ガスを変換して００２発生量を軽減する方法に関する
。

（従来の技術） これまで、溶融還元については種々の方式が研究されて
いるが、最も実用化に近いレベルにまで試験が進んでい
る方式の一つに、炉内に存在するスラグによって、上吹
き酸素シェツトと、攪拌状態のメタル浴を遮断すること
に特徴を有するものがある（特公昭６２−５０５４５号
）。この方法によると、メタルの再酸化を抑制できるの
で、還元速度を高位に保てると同時に、炉内２次燃焼率
を高めて吹酸量当たりの発熱量を太きくシ、また、ダス
ト発生量を低減して歩留まりを向上させるため、全体と
して効率の高い操業を行うことができる。

このような基本的条件を満足させるためには、反応容器
が許容できる限り炉内スラグ量をふやすこと、上吹きラ
ンスのノズル形状を工夫し、吹酸中にはランス高さを適
当な値に設定して酸素ガスを極力ソフトブローとするこ
と、並びに底吹きガスを必要最小限にすること、の３つ
の組み合わせが必要となる（特開昭６１−２１３３１０
号）。

溶銑のような溶融還元鉄合金の製造においては、大量に
、かつ効率的に製造して製造コストを少しでも低減でき
ることが不可欠である。ここでいうｒ効率的１に関連す
る特性値としては、炉内容積光たりの生産速度、石炭原
単位、耐火物原単位などがある。

生産速度は酸素ガスの供給速度によって律せられる。大
量の酸素ガスを供給して、炉内容積光たりの生産速度を
大きく保つためには、適正なスラグ量、適正な底吹き攪
拌条件下においてどのような方法で大量の酸素ガスを供
給し、酸素ジェットを直接メタルに当てないようにする
かが重要である。

こうした課題に対して、従来は、ランスノズルの数をふ
やし、またノズル角度を大きくとることにより、スラグ
に当たる酸素ジェットの力を分散させるという考え方が
とられている。

石炭原単位については、熱の面から炉内の２次燃焼率を
上げるということが重要であり、酸素ジェットがメタル
に接触して反応するのを抑制することがポイントである
。ところが、２次燃焼率が高いとどうしても炉内の雰囲
気温度が高くなりやすく、耐火物の損耗にとって過酷な
条件となってくる。

耐火物については、従来よりいくつかのものが検討され
てきたが、それらのなかでは、マグクロれんが、および
、マグカーボンあるいはアルミナカーボンなどの黒鉛含
有れんがが実使用の可能性が高いものとされている。

しかし、マグクロれんかについては、耐スラグ侵食性は
比較的高いが、クロムが溶出してメタルやスラグを汚染
し、また、スポール性が強いという問題がある。それに
対して、黒鉛含有れんがはスポールしにくく、かつ熱伝
導率が比較的大きいという特性がある。この特性を利用
すれば、種々の方法でこのれんがを冷却して表面温度を
低下させ、耐火物表面にスラグ付着物を形成させてその
損耗を抑制することができる（特開昭８１−６７７０８
号）。しかし、冷却の手段として最も安価で効果の犬餘
い水を用いようとすると、れんがの重要構成要素である
黒鉛の酸化損耗が促進される。したがって水の使用は避
ける必要があり、その結果、冷却のための費用が比較的
高くなることが問題である。もし、冷却に水を使うこと
によってれんが中の黒鉛を酸化損耗させたときには、れ
んがの熱伝導度が低下し、スラグ付着層を安定に保つこ
とができない。

なお、黒鉛を含まない耐火物としてアルミナ系の不定系
耐火物があるが、これを用いて通常の方法で築炉すると
、スラグ侵食性が大きく、また、表面を冷却してスラグ
付着層の形成を促進しようとすれば、スポールを起こし
やすいという問題がある。

以上のように、これまで耐火物については、耐スポール
性に基づく損耗速度の抑制と低コスト化との両面で十分
に満足できるものが確立されていなかった。

一方、石炭を原料とする溶融還元法においては、ダスト
の半分以上は炭材起因のものである。この炭材系ダスト
は分離、再利用に費用がかかるので、その発生量の低減
が望まれている。しかし、特に粒度の細かいものについ
ては効率的な低減方法がないのが現状である。

さらに、最近、地球環境保全の問題から００２発生量の
抑制が強く叫ばれている。鉄鋼製造業においては、極力
石炭原単位の低減を図ろうとして、例えば前述の２次燃
焼率を高めた操業を行うなどにより試みられているが、
ＣＯ□発生量の低減には限度がある。

６０２発生量を極端に低下させるには、鉄製造工程から
発生した排出ガス中の００２分を固定して、有効でかつ
保存しやすいものに変換することが考えられている。こ
のような目的にそった方法として、ＣＯ２とＨ２を反応
させ、メタノール（ＣＨ３０１（）を合成することが有
望とされている。

しかし、この場合の経済性は、いかに安価にＨ２を得て
、かつメタノール合成工程の費用を低減するかにかかっ
ており、系外から入手したＨ２に依存している限りは実
用化が難しい状況にある。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような現在の事情に鑑み、本発明は、溶融還元に
おける耐火物の損耗を抑制し、炭材系ダストの低減とＣ
Ｏ□発生量の低減をシステム的かつ経済的に解決する方
法を提供するものである。

（課題を解決するための手段） ガスを上底吹き可能な冶金炉を反応容器として、酸素を
上吹きしながら、酸化鉄を含有する原料と炭材とを添加
し、この原料の溶融・還元を行って溶融還元鉄合金を製
造する工程において、前記反応容器の溶融物より上部の
空間を、炭素を含まない不定形耐火物とガスを炉内に流
入可能な金属製の管とを組み合わせてなる耐火物壁で形
成するとともに、操業中に同空間内に水あるいはミスト
を供給する。一方、生成した反応容器からの排出ガスを
加圧し、この排出ガスの顕熱を熱源としてガス中に含ま
れるＧＯ，Ｃ（ｈＬを反応させてメタノールを生成させ
る。そのあと、このメタノール生成後の排出ガスからメ
タノールを分離し、残りのガスを反応容器内に吹き込む
。以上の工程を実施することによって、耐火物損耗量の
軽減、顕熱の有効利用、並びに、発生００２量の低減を
同時に実現することができる。

（作 用） 本発明全体のプロセスフローを第１図に示す。これに基
づき、本発明を具体的な操業方法にしたがって説明する
。

本発明を実施するのに用いる冶金炉は、第２図に示すよ
うにガスを上底吹き可能な炉である。この炉において、
底から窒素あるいは後述のメタノール除去後のプロセス
生成ガスを熔融物に吹き込んで攪拌を行なう。その攪拌
によって溶融物の温度は均一に保たれ、伝熱が促進され
るとともに、溶融スラグ中の酸化鉄の還元反応を促進で
きることなどの効果が得られるため、本発明の実施にお
いて必須要件である。しかし、底吹きガス量が多すぎる
と、メタル粒のスラグ層内混入量が増え、酸素ジェット
とメタルの直接接触による望ましくない現象、すなわち
、２次燃焼率 などが起こる。ガス吹き込み量の適正範囲は、炉内の溶
融メタル量１を当たり５〜４５８ｍ３／ｈである。

溶融還元は、酸素を上吹きしながら、酸化鉄を含む鉄原
料（鉄鉱石、その予備還元物など）と炭材を添加して行
なう。炭材および発生したＧＯなどのガスが酸素により
燃焼して発熱し、炭材およびメタル内に溶存した炭素に
よってスラグ内の還元反応が進行する結果、メタルが生
成し、そこに炭素が溶は込んで溶融鉄合金が得られて、
これがメタル浴に沈降する。

炉内の溶融スラグは、酸素ジェットとメタル浴の直接接
触を遮断するものとして、本発明においては重要である
。スラグ量が多ければ多いほど本プロセスの操業には有
利になる。すなわち、酸素ガス供給速度を大きくして、
生産速度を上げても、操業成績、すなわち、２次燃焼率
、ダスト発生量、石炭原単位など良好な状態に保つこと
かできる。そのためには、少なくとも、炉内に存在して
いるメタル量１ｔにつき、スラブか３６０ｋｇ以上ある
ことが必要である。ただし、操業中に炉内に存在してい
るスラグが多いということは、メタルを当たりに生成す
るスラグが多くなることを意味しない。何故ならば、生
成メタルを炉外に排出する時に必要なスラグ量を炉内に
残留させた後、次のヒートの操業を行うことによって、
スラグ生成量をふやすことなく炉内スラグの量を任意に
調整可能だからである。

多量のスラグを所定の容積の冶金炉内におさめ、炉外に
流出させないためには、炭材を共存させてスラグ内の細
かい泡を合体させ、気泡の逸散を促進する必要がある。

そのために必要な炭材量はスラグ重量の５〜５０ｗｔ％
である。

スラグ組成は次の（１）式の条件を満足するように石灰
の添加量を調整する。

（零ｃａｏ）　／　（％１Ｓｉ０２）−０，９〜１．４
　−　　（１）ＸＣａＯがこの条件よりも高くなると、
スラグの融点が高過ぎて溶融物の温度を上げないと安定
操業できなくなり、操業温度を上げると熱効率カ低下し
、かつ耐火物の損耗速度が増えるので好ましくない。適
正なスラグ組成とした時の適正な溶融物の温度は１３５
０−１４５０’ｅの範囲である。

一方、１ｌｋｃａＯがこの条件より低くなると、スラグ
の泡立ちが激しくなって酸素ガス供給速度を十分に上げ
ることができない。また、耐火物の損耗速度も大きくな
るので好ましくない。

なお、石灰の添加方法として、全添加量の少なくとも２
０％以上は粉状の石灰石を溶融物上部空間の耐冬物に吹
き付けるように添加することが望ましい。この操作によ
り、石灰が飛散して付着した耐火物壁の温度は低下し、
融点が上昇するので、スラグコーティングの形成を促進
する。

冶金炉の耐火物として特に過酷な条件にあるために特別
な対策が必要なのは、溶融物よりも上部の空間、すなわ
ち２次燃焼雰囲気と接する部分である。本発明において
は、この部分の耐火物を、第３図に示すように炭素を含
まない不定型耐火物とガスを流すことのできる金属管と
の組み合わせで構成する。

不定型耐火物の材質としては、アルミナ質がある。黒鉛
を含む耐火物はスポーリングに強いが、直接、水で冷却
した時、水蒸気によって黒鉛の酸化が促進されるという
問題があるため、本発明では炭素を含まない酸化物系の
耐火物とした。そして、黒鉛を含有しないことによるス
ポールの問題を、焼成れんがでなく不定形にし、これと
冷却用金属パイプとを組み合わせることにより克服して
いる。

すなわち、第３図に示したように、この耐火物の中に埋
め込んだ金属の管は、ガスあるいは水のミストを通すこ
とによって金属管および耐火物を冷却し、耐火物の中に
生じた大きな割れの部分、例えばスラグ侵食によって生
じた構造的スポール部は、この冷却によって強度低下を
免れた金属管がその剥落を抑制する。

金属管の中を通すガスとしては、後述のメタノール除去
後のプロセスガスあるいは窒素が用いられる。炉内の溶
融物上方空間には水あるいはミストが添加される。添加
は、上吹きランスの酸素ガスの噴出口より上方の位置に
水の添加口を設けるか、水添加専用のランスを設けるか
、あるいは耐火物内に貫通させた前述の金属管を通して
水のミスト添加を行うかの１つ、あるいは２つ以上の方
法を併せて実施する。このような水分の添加量は、この
冶金炉すなわち溶融還元炉に添加する時点での炭材の揮
発分含有量、炉内の２次燃焼率および吹酸速度に応じて
次の（２）式の条件を満足する範囲とする。

（Ｈ２Ｏとしての添加量）　［ｋｇ／ｈ］＝　（０，３
〜７．８）・１０−’・（吹酸速度［Ｎｎ＋’／ｈｌ）
（炭材（７）ＶＭ含有量［１］−１３）・（二次燃焼率
［９６１−２０）・・・　（２） このような水添加による効果は、第一に平衡定数によっ
て規定される次の（３）式のガス反応を、８．０分圧上
昇によって右に進めること、Ｈ２Ｏ＋　ＧＯ＝　Ｈ２＋
　ＣＯ２・・・　（３）第二に、水蒸気と飛散した炭材
起因ダストの反応 Ｈ２Ｏ＋Ｃ＝８２＋ＧＯ・・・　（４）を進行させて水
素の生成および炭材起因ダストの減少を図り、上記の吸
熱反応に排ガスの顕熱を利用してガス温度を低下させ、
耐火物の損耗を抑制することである。

こうして、溶融還元炉から出てきた高温排ガスの処理は
、例えば第４図に示すような装置の反応管に導いて、次
の（５）式で示されるようなメタノール生成反応を起こ
させる。

このときガスに含まれる酸化鉄系ダストはこれらの反応
の触媒の役割をする。

この（５）式のメタノール生成反応は吸熱反応であるが
、その反応熱は溶融還元炉からの排ガスの顕熱を利用す
ることが出来る。

以上のような過程を経たメタノール合成処理後のガスは
、減圧し、冷却してメタノールと水を分離する。

また、残りのプロセスガスは主として系外での燃料ガス
に用いられているが、その一部は前述の耐火物中に埋め
込んだ冷却用金属管あるいは炉底から溶融物攪拌用ガス
として溶融還元炉内に吹き込むことができる。通常の窒
素を用いる方法に比べてこのプロセスガスを用いること
により次のような効果が得られる。

■　溶融還元工程の石炭原単位を低下させる効果がある
。

■　製品溶融還元金属の窒素含有量を低くできる。

■　燃料ガス中の窒素含有量が低いため、カロリーを上
げることが出来る。

■　耐火物冷却効果を増し、耐火物損耗抑制効果を高め
る。

以上のように、本発明においては、まず溶融還元炉内へ
の水吹き込みによりガス改質を図ること、水吹き込みに
耐え、かつ水吹き込みによって大幅に寿命を延長させる
ことが可能な耐火物構造としたこと、ダストを触媒とし
て、また排ガスの顕熱を反応熱として改質されたガスか
ら安価にメタノールを合成すること、メタノール合成後
のガスからメタノールを分離した後、残りのガスを溶融
還元炉の中に吹き込むこと、そしてこれらをシステマチ
ックに組み合わせることによって、溶融還元精錬による
鉄合金の製造を安価に、かつ系外への００２排出量を大
幅に低減し、副生されるエネルギー及びガスを保存、か
つ利用しやすいものに変換している点に特徴がある。

（実　施　例） 第２図に示す上底吹転炉型の反応容器を用いて、鉄鉱石
、コークス、石炭を用いて溶銑の製造試験を行った。

まず、炉体構造の特徴として、高さ方向の上部１／３は
、４ｍｍ径のステンレスバイブを炉内壁の７８ｃｍ２に
１本の割合で埋め込んだアルミナキャスタブルを内張す
し、このステンレスパイプには、１本当たり水を６００
ｇ／ｈ、キャリアガスとしてｃｏ２６２％、Ｇｏ　３２
％のプロセスガスを流した。また、高さ方向の下部２／
３は、アルミナカーボンれんがを内弓長すした。

鉄鉱石には、Ｔ、Ｆｅ　６７％のへマタイト系のものを
用い、粒度は０．５　ｍｍ以下が９６ｗｔ％で、炉層の
サイドホールから連続的に添加した。

炭材としては、揮発分（ＶＭ）　３％の石炭チャー（固
定炭素８６％）を同じく炉層のサイドホールから連続的
に添加した。

また、フラックスは、スラグのＣａＯ／５ｉ０２が１．
２となるように、生石灰を同様に炉層のサイドボールよ
り添加した。

上吹きランスは８ｍｍ径の１２孔ランスからなり、この
上吹きランスから合計２０００ＯＮｍ３／ｈの酸素をス
ラグ面に向けてソフトブローした。なお、この酸素系統
とは別に、プロセスガスでミスト化した水を耐火物面に
吹付けた。

一方、底吹き羽口からは、３５Ｎｍ３／ｈのプロセスガ
スをメタル内に吹付けた。

溶融還元炉の操業条件は、炉内の残留スラグ量が４２０
ｋｇ／ｌ−メタル以上となるように調整し、また、炉内
に残留する炭材量は、スラグ重量の１０〜２５ｗｔ％で
あった。

以上のような条件で溶融還元炉操業を実施したところ、
溶融還元炉から排出されるガスの組成は、ＧＯＩｎ、ｃ
ｏ、　２６％Ｆ、　１（２２４９６、Ｉ２０２Ｈで、そ
の他Ｎ２などが含まれていた。また、この溶融還元炉の
耐火物損耗速度は、高さ方向上部１／３が０．９　ａｍ
／ｈ、高さ方向下部２／３が０．７　ｍｍ／ｈであった
。

次に、メタノール合成は、上述の溶融還元炉から排出さ
れるガスを第４図の装置に導いて行なった。この装置に
供給される時点のガス組成は、ＣＯ２６！、ｃｏ、　３
Ｈ１）Ｉ２３４にである。

まず、このガスを圧力１０気圧に昇圧し、温度４００±
５０℃に昇温してメタノール生成反応を生ぜしめ、こう
して合成されたメタノール含有ガスを、そのあと、減圧
、冷却してメタノールと水を分離した。ここで、メタノ
ール合成時の温度条件確保のために、溶融還元炉からの
排出ガスの顕熱を利用し、水分とプロセスガスの吹込み
量を調節することによって適正温度にコントロールした
。なお、装置出口におけるメタノールと水を分離した後
のガス組成は、ＣＯ２６２ＬＣＯ３２１にであった。

このメタノール分離後のガスについては、その一部を、
前述したように、プロセスガスとして溶融還元炉の底吹
きあるいは水吹込みのキャリアガスとして使用し、残り
は燃料ガスとして系外へ導いた。

このように本発明によれば、溶融還元炉の高さ方向上部
の耐火物損耗速度を下部の損耗速度に近い値とすること
ができ、また、ＣＯ２をメタノールの形で固定する結果
、Ｃ０２そのものの発生量を低減できることがわかる。

（発明の効果） 本発明を実施することによって、溶融還元法により溶銑
のような溶融鉄合金を製造するに当たり、その製造コス
トの削減、省エネルギーさらには発生するＣ０２の量を
低減できるなど、経済的、環境的な効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明全体のプロセスフロー図、第２図は本発
明に用いる溶融還元炉の例を示す図、第３図は本発明に
関する溶融還元炉上部空間内壁の耐火物構造を示す図、
また、第４図はＣ０２とＨ２を含む溶融還元炉排出ガス
を反応させてメタノールを生成させるための装置を示す
図である。 他４名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ガスを上底吹き可能な冶金炉を反応容器として、酸
   素を上吹きしながら、酸化鉄を含有する原料と炭材とを
   添加し、該原料の溶融・還元を行って鉄合金を製造する
   工程において、該反応容器内の溶融物より上部の空間を
   、炭素を含まない不定形耐火物とガスを炉内に流入可能
   な金属製の管とを組み合わせてなる耐火物壁で形成する
   とともに、操業中に同空間内に水あるいはミストを供給
   することを特徴とする溶融還元操業方法。 ２　請求項１記載の溶融還元操業方法に、生成した反応
   容器からの排出ガスを加圧し、該排出ガスの顕熱を熱源
   として該排出ガス中のガス成分を反応させてメタノール
   を生成させる工程を加えることを特徴とする溶融還元操
   業方法。 ３　メタノール生成後の排出ガスからメタノールと水分
   を分離し、残りのガスを反応容器内に吹き込むことを特
   徴とする請求項２記載の溶融還元操業方法。