JPS5818962B2 - スポンジ鉄の炭化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は移動床式竪形反応炉において粒状の酸化金属鉱
石を粒状金属に変えるガス還元、特に詳しくは直接ガス
還元により所望の炭化度をもつスポンジ鉄を製造する方
法に関する。

以下の記述においては、スポンジ鉄への鉄鉱石の還元を
例として説明する。

しかし、説明が進むにつれて、本発明が鉄鉱石以外の鉱
石の処理にも適用可能であることは当該分野の専門家に
は自明である。

概括的に言えば、竪形移動床式反応炉におけるスポンジ
鉄の製造には二つの主な工程を含み、すなわち主として
一酸化炭送と水素とより構成されるガスのような適切な
高温還元ガスで８５０°Ｃ〜１１００℃の程度の温度、
好ましくは９００°Ｃ〜１０００℃の温度で還元帯にお
いて鉱石還元を行うこと、例えば１００℃〜２００℃の
温度、好ましくは１００°Ｃ以下捷で冷却ガスによりス
ポンジ鉄を冷却することである。

この型式の工程は、セラダなどの（Ｃｅｌａｄａ ｅｔ
ａｌ）米国特許第３７６５８７２号に開示され、そこ
ではその上部に還元帯、下部に冷却帯を有する竪形炉が
使用されている。

処理すべき鉱石は、上方に吹上げる高温還元ガス流によ
り還元される還元帯を通り流下し、次に還元された鉱石
は上方に吹上げる冷却ガス流に接触する冷却帯を通る。

冷却されたスポンジ鉄は反応炉の底から取出される。

米国特許第３７６５８７２号の方法により製造されたス
ポンジ鉄は、一般に電気アーク炉における鋼製造の鉄源
として使われる。

このスポンジ鉄は、ガス還元炉において１００係の金属
化を計ることは不経済であるので５Ｌ：ｌ）〜】０重量
係程度の酸化鉄を含有している。

鉄含有材料の還元度が１００％金属化に近づくにつれ、
材料から残留酸素を除去することは非常に困難となり、
非常に長時間炉中に滞留させることが必要となる。

還元反応速度は温度を上げることにより成程度まで促進
することが出来るが、このような昇温はスポンジ鉄を炉
から容易に取出し得るためには操作温度は焼結温度以下
に保たねばならぬという事実により制限される。

この温度制限は、鉄含有材料が熔融状態で処理される電
気炉には適用されない。

したがって、例えば８５％金属化のスポンジ鉄を電気炉
に装填し、鉄鉱石中の残留酸素と反応させるのに充分な
量の元素状炭素を炉装填物に加えることは理論的には可
能である。

しかし、特に炭素は鉄よりも密度が著しく小さく鉄から
分離しがちであるから、電気炉において元素状炭素とス
ポンジ鉄とを密接に接触させることは困難である。

この問題は、還元炉においてスポンジ鉄を炭化すること
により解決されることは知られている。

すなわち還元炉はそこで製造されたスポンジ鉄を炭化鉄
形成により炭化するように運転することが出来る。

一般に、スポンジ鉄の望ましい炭素含有量は多くの場合
１〜４重量重量節囲である。

このような炭化は還元帯又は冷却帯のいずれか、あるい
は双方において起り得よう。

還元帯における炭化は例えば米国特許第３７４８１２０
号に開示され、炭化の程度は鉄鉱石の還元に用いる高温
還元ガス中の還元剤と酸化剤の比率を調整することによ
り変化する。

この方式の炭化には、炭化のだめの最適還元ガス組成と
、鉱石の還元に必要なそれとは通常差異があり、したが
って達成しだいこの２目的はある程度矛盾するという不
利な点がある。

冷却帯における炭化はより充分制御可能なので、少なく
とも最終炭化を冷却帯において行うことが有利であるこ
とが判っている。

米国特許第３７６５８７２号に開示されているように、
還元炉の冷却帯はスポンジ鉄の粒子を冷却時そこにおい
て炭化するように運転することが出来る。

このような炭化は炭素含有ガス、特に４００°Ｃ〜７０
０℃の温度範囲においてスポンジ鉄と反応しスポンジ鉄
の粒子の外側部に主として集中する炭化鉄を生成するよ
うな一酸化炭素含有ガスを用いて行われる。

炭素含有ガスによるスポンジ鉄の炭化に関する特許とし
てはほかに米国特許第３１３６６２４号およびカナダ国
特許第５０８９５１号がある。

米国特許第３７６５８７２号に指摘されているように、
冷却帯の炭化作用および冷却作用は共に重要である。

生成スポンジ鉄が冷却不充分で大気にさらされると、再
酸化する傾向がある。

冷却速度は、炉の冷却帯を含むループ内で冷却ガスを循
環させ、所望の冷却度を得るため冷却ガスの循環速度お
よび／（まだは）温度を変化させることにより都合よく
変更され制御することができる。

炭化度はガス組成を制御することにより都合よく調整す
ることができる。

冷却速度と炭化度をともに冷却帯において最適にしよう
とすれば、２個の独立制御変数を調整しなければならぬ
ことは明らかである。

米国特許第３７６５８７２号によると、この独立制御は
、冷却ガスが循環する冷却ループを設け。

該ループに冷却ガスを供給し、該ループから排出するこ
とにより行われる。

所定組成の冷却ガスの予め調整された流れが、ループに
供給され、所期の制御は二つの方法のいずれかで行われ
る。

一実施例によると、新鮮な冷却ガスが一定速度でループ
に供給され、還元帯と冷却帯との圧力差が測定され、冷
却ループからの吐出ガスの流れを制御する制御変数とし
て用いられる。

この型式の制御では還元帯と冷却帯との間のガスの流れ
は最小になり、帯間ガス流が循環冷却ガスの組成を変化
させることを防ぐ。

第２の実施例によると二吐出ガス流は、ループへ供給さ
れる補給ガスが冷却ループから除去される吐出ガス流に
はソ等しいよう−に制御される。

米国特許第３７６５８７２号に開示された制御方式は、
従来可能であったより大巾に冷却および炭化の制御を提
供するが、なお望ましいことが残されている。

上述したように、スポンジ鉄の炭化度は主に冷却ガスの
組成に依存する。

したがって用いられる制御変数は従来用いられた制御装
置におけるよりもより電属冷却ガスの組成に関係してい
ることが望ましい。

したがって、本発明の目的は、移動床式炉におけるスポ
ンジ鉄の炭化を制御する改良された方法を提供すること
である。

他の目的は、このような炉で製造されるスポンジ鉄にお
ける望ましい炭化鉄の集中を得るより正確な方法を提供
することである。

本発明の他の目的は、以下の記述において一部は自明と
なり、一部は指摘されるであろう。

本発明の目的は、一般に炉の冷却帯を含むループにおい
て循環する炭素含有ガスにより還元されたスポンジ鉄を
冷却し、該ループからガスを吐出させ、循環ガスの比重
を測定し、測定された比重を制御変数として使用して効
果的に炭素含有補給ガスの該冷却ループへの追加を調整
することにより達成される。

本発明の好適実施例によると、この制御は炭素含有補給
ガスを所定の一定速度で冷却ループに供給し、循環ガス
の比重の変化に応じた速度でループからガスを除去し、
したがって間接的に還元帯と冷却帯間の帯間ガス流を調
整することにより行われる。

以下より詳細な説明により、冷却帯において用いられる
炭化用ガスの比重は該帯を通るスポンジ鉄により達成さ
れる炭化度と関数関係にあり、したがってガスの比重は
生成スポンジ鉄の炭化を制御する制御変数として有効に
使用出来ることが発見された。

本発明の目的と利点は、本発明の方法を実施しうる装置
を図示する添付図面を参照することにより、最もよく理
解し評価することが出来る。

図面特に第１図を参照すると、番号１０は全体として上
部に還元帯１２下部に冷却帯１４を有する竪形還元炉を
指示する。

還元されるべき鉱石は炉頂部の入口連結部１６を通り炉
に入り、スポンジ鉄は底部近くの排出連結部１８を通り
炉から取出す。

鉱石は大部分が一酸化炭素と水素とよりなる高温還元ガ
スにより炉の還元帯１２において還元され、る。

還元ガスは適当なガス源から得られる。例えば、蒸気と
天然ガスの混合物を既知の方法で触媒変換することによ
り得られる再生ガスでもよくまたはコークス炉ガスを使
ってもよい。

第１図の左側を参照すると、還元ガスはパイプ２０を通
り装置に入り、流量制御器２４を備えた分岐パイプ２２
を通り装置の還元ガスループまで流れる。

さらに詳しくは、還元ガスはパイプ２２からパイプ２６
を通りガス燃焼または他の方法で加熱されたコイル加熱
器２８へ流れ、還元ガス温度は約８５０°Ｃ〜９５０°
Ｃｔで上げられる。

加熱器２８から出た高温ガスは、パイプ３０を通り炉へ
供給され、内部円筒壁３６と炉壁により画成された環状
室３４へ流入する。

高温還元ガスは還元帯１２内の鉱石床を通り上方に流れ
パイプ３８を通って炉外へ出る。

還元帯の中において鉄鉱石は大部分スポンジ鉄に還元さ
れる。

炉の流出ガスは、パイプ３８を通り冷却器４０へ流れ、
そこで冷却され冷却水との直接接触により脱水される。

冷却器４０から、冷却されたガスはパイプ４２を通りポ
ンプ４４の吸入側へ流れ、そこからパイプ２６へ入り還
元ガスループを完成する。

ポンプ４４により還元ガスループを循環するガス量は、
流量制御器４８を含むポンプ廻りのバイパス４６を備え
ることにより制御される。

炉の還元帯から出る使用ずみ流出ガスの一部は１逆止井
５２と背圧調整器５４を含むパイプ５０を通し還元ガス
ループから取去られる。

パイプ５０を通って装置から出るガスは、例えば加熱器
２８において燃料として使用したり、貯蔵のため搬送し
たり、または他の適当な目的に使用することが出来る。

炉の冷却帯１４も捷だガス流ループの一部をなし、炭素
含有冷却ガスがそこを循環し、冷却帯における金属物質
の炭化を行う。

冷却帯において金属含有材料の炭化に使われる炭素含有
ガスは還元帯において使われる還元ガスと同じ組成のも
のでよい。

さらに詳しくは、第１図に示すように、パイプ２０を通
り装置へ入る還元ガスの一部は流量制御器５８を含むパ
イプ５６を通り冷却ガスループのバイブロ０へ流れる。

バイブロ０を流れるガスは炉の冷却帯の底部へ供給され
る。

さらに詳しくは、炉は内部截頭円錐壁６２を有し、該壁
は炉壁と共同して環状空間６４を形成し、そこへ循環冷
却ガスがバイブロ０によって供給される。

冷却ガスは冷却帯内の還元された鉱石床を通り上方に流
れ、炉壁ともう一つの環状截頭円錐状の壁６８により形
成される環状空間６６に至る。

炭素含有ガスは冷却帯１４を通って上方に流れるときに
、そこに納っているスポンジ鉄と反応して炭化し、また
スポンジ鉄を冷却する。

環状空間６６から該ガスはパイプ７０を通り炉を離れ、
冷却器７２を通り、そこでガスは冷却水と直接接触して
冷却脱水される。

冷却器７２を出た冷却された流出ガスはパイプ７４を通
りポンプ７６の吸入側へ流れ、そこからバイブロ０に達
して冷却ループを完成する。

ポンプ７６によるループを通るガスの再循環は流量制御
器８０を含むポンプ廻りのバイパス７８を備えることに
より制御される。

上述したように、本発明は炉の冷却帯で起る炭化の程度
が、循環ガスの比重を計測制御することにより有効に制
御出来るという本出願人の発見に基づいている。

比重の計測値は数種の方法の何れによっても効果的に冷
却ループへの炭素含有ガスの追加を調整するのに使用す
ることが出来る。

第１図に示す該工程の一実施例によれば、新鮮な炭素含
有補給ガスの設定された一定の流れが冷却ループにパイ
プ５６を通して供給され、冷却ループ内のガスの組成は
、還元帯と冷却帯との間の帯間流の変化により変えられ
る。

このような帯間流を容易に計測したり、直接に制御でき
ないので、該流を調整する間接的な方法が必要となる。

さらに詳しくは第１図の装置において、バイブロ０を流
れるガスの比重は、通常の比重計測装置８２を用いて計
測されるか、または該技術に周知のようにガス組成から
決めることも出来る。

比重の計測値はガスを冷却ループから抜出すパイプ８８
に設けた弁８４を調整するのに使われる。

かくて、弁８４を用いて冷却ループからの流出ガス流を
調整することにより、帯間ガス流は間接的に調整される
。

第１図に示すように、本装置に供給される新鮮な炭素含
有補給ガスは、還元帯１２における還元ガスとして、ま
た冷却帯１４における冷却ガスとして双方に使用される
。

パイプ８８を通し冷却ループから抜出されたガスはかか
りの還元値をもっているので、図に示すようにパイプ８
８を還元ループのパイプ２６に連結して、還元ガスルー
プへ移送するのが有利である。

本発明の性質をより完全に指摘するために、第１図の本
装置の各所において予想される例示的なガス組成を乾量
基準のモル係で下記の第１表に示す。

対応した比重も示されている。表においてＩＴ Ａ′′
は第１図に示すようにパイプ５６における組成であり、
Ｉｔ Ｂ ？１はバイブロ０における組成、ｅ＋ Ｃ１
１はパイプ７０における組成、そしてＤ″はパイプ３０
における組成である。

第１表に示すガス組成と比重とは、第１図に示すような
装置において約２係のスポンジ鉄の炭化をもたらすと予
想される。

一般にスポンジ鉄の炭化率は冷却帯を流れる炭素含有ガ
スの比重につれて直接的に変化し、比重と炭化との関係
は圧力に依存する。

ことが知られている。

第３図を参照すれば、この図は第１図に示すような装置
において、圧力２’に、ｇ ／ｃｙｉで運転される場合
の比重とスポンジ鉄の炭化との間の例示的関係を示すグ
ラフである。

炭化と比重との間の関係は多くの工程変数に影響される
から、各装置と本発明の工程が用いられる運転状態に応
じ実験的に決めることが望ましい。

第１表の値から、冷却ループを通るガスは約７０係を占
める水素と、合計して約３０係の一酸化炭素、二酸化炭
素およびメタンとから構成されていることが明らかであ
る。

炭素含有ガスは炭化工程で消費されるから；該ガスの比
重は炭化反応が進むにつれ減少する偵向にあ左。

したがって、定常な状態を維持するためには比較的高い
割合の炭素含有成分を有し、それに対応する比較的高い
比重を有するガスを冷却ループに補給する必要がある。

外部のガス源から冷却ループへ追加の新鮮な還元ガスを
補給することにより、必要な補給−酸化炭素や他の炭素
含有ガスを供給することは可能であろうが、少なくとも
補給要求の一部とじて還元帯へ供給されるガスの組成を
有するガスを利用することによりより効率よく運転出来
ることが発見された。

上記第１表に例示的に示したように還元帯の底に供給さ
れるガスは一酸化炭素、二酸化炭素、メタンの含有量が
補給還元ガス中の同じ成分の含有量よりかなり大きい。

しだがって、還元帯内のガスは冷却ループを通るガスの
比重と炭化能力を増大させるのにより補給還元ガスより
も有効な作用物である。

第１図に示し、上述したような本出願人の装置の好適実
施例によれば、冷却ループへの新鮮な補給ガス流と、冷
却ループから離脱するガス流とはある量のガスを炉の還
元帯から冷却帯へ流入させるように調整される。

この目的のだめ、パイプ５６を通る新鮮な補給還元ガス
の流れは概ね一定に保たれ、パイプ８８を通り流出する
ガス流は比較的高い比重のガスが還元帯から冷却帯まで
下方へ流入させるように調整される。

冷却帯を通るガスの比重を測定し、冷却ループからの流
出ガス流を調整する制御変数として比重を使用すること
により、還元帯から冷却帯へ流れる高い比重のガス流は
冷却帯におけるガスの比重をそこを通るスポンジ鉄の炭
化度を所期の値に保つように間接的に調整される。

ガスは（ａ）式２ＣＯ−＋Ｃ＋ＣＯ２によるスポンジ鉄
の炭化、（ｂ）冷却器７２における水蒸気の凝縮、（ｃ
）パイプ８８を通るガスの流出により冷却ループから概
ね除去されることは明らかである。

状況によっては、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の合計は
パイプ５６を通りループに流入する補給ガスより少なく
てもよい。

すなわち還元帯と冷却帯の間の帯間流は下方と共に上方
へ流すことも可能である。

ついで第２図を参照すると、そこに示す装置ははソ第１
′図のそれに似ている。

炉１１０は上部に還元帯１１２、下部に冷却帯１１４を
有している。

還元ガスはパイプ１２０を通り装置へ流入し、パイプ１
６４を通りポンプ１７０の吸入側へ流れ、このポンプに
よりパイプ１７２を通り冷却帯の底へ吐出される。

冷却ガスは冷却帯１１４を通り上方へ流れ、そこからパ
イプ１８２を通り炉外に出て冷却器１８４に至り、そこ
からパイプ１８６を通、リポンプ１７０へ再循環する。

第１図の計測装置８８と同様に、比重計測装置１８８が
ポンプ出口と炉との間のガス流の比重を計測する。

しかし第２図の装置においでは、定速の補給ガス供給は
ポンプ１７０の吐出側ではなく、吸入側に連結されてい
る。

ガスは調整弁１９２を含むパイプ１９０を通り冷却ルー
プから常に抜出されており、比重装置１８８つ出力は弁
１９２の位置の調整に用いられる。

かくて第１図の装量と同様に、循環ガスの計測された比
重は冷却ループからの吐出ガス流の調整に用いられ、間
接的に比較的炭化成分の多いガスをループへ流入させる
ことを制瞬している。

勿論、上述した記述は単に例示的なものであり。

本発明の範囲で多くの変更があり得ることを理解すべき
である。

上述したように本出願人の発明は炉の冷却帯におけるス
ポンジ鉄の炭化度は循環ガスの比重を計測し、計測した
比重をループ内の冷却ガスに炭素含有ガスを追加する割
合を効果的に調整する制御変数として用いることにより
有利に制御されるという本出願人の発見に基づいている
３本発明の上述した実施例によると、この制御は計測さ
れた比重値をループからの流出ガス流を調整するのに使
用して間接的に行っている。

しかし。代替的にループからの流出ガス流は一定に保た
れて、比重計測装置の出力は新鮮な補給ガス流または所
望なら新鮮な補給ガスと吐出流との比を調整するのに使
用しうろことが明らかである。

この場合にもまた炉内の還元ガスの帯間流は新鮮な補給
ガス流と流出ガス流との適切な相対調整により行うこと
が出来る。

その他の変化は当該分野の専門家には明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適実施例を組み込んだ竪形移動床式
還元装置を示す図；第２図は排出ガスが冷却ループから
補給還元ガスが該ループに追加された後の個所において
排出されろ第１図の装置の変形の図、および第３図は第
１図の装置について比重と炭化パーセントの関係を示す
グラフである。 図において、１０・・・竪形還元炉、１２・・・還元帯
、１４・・・冷却帯、２４・・・流量制御器、２８・・
・加熱器、４０・・・冷却器、４４・・・ポンプ、８２
・・・比重計測器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 移動床の上部において粒状金属鉱石を還元する還元
   帯および前記移動床の下部において還元された金属粒子
   を冷却する冷却帯とを形成維持すること、高温還元ガス
   を前記還元帯の個所に供給し該ガスを前記還元帯内の粒
   状鉱石を通して前記還元帯内の第２の離隔した個所まで
   流して前記鉱石を還元すること、消費された還元ガスを
   還元帯内の前記第２の個所において前記炉から取出すこ
   と前記冷却帯と冷却用冷却器、冷却ガス循環用ポンプを
   含む前記炉外の導管とよりなるループ内を炭素含有冷却
   ガスを循環させること、前記ループに炭素含有補給ガス
   を追加すること、および効果的に前記ループへの炭素含
   有補給ガスの追加率を調整することを含む竪形移動床式
   反応炉における所望の炭化度を有する金蔵粒子へ粒状の
   金属鉱石を還元する方法において、冷却ガスの比重が決
   定され、補給ガスの追加の有効割合が前記のように決定
   された比重の電動に応じイ調整されて、前記冷却帯を流
   れるガスの比重を維持し、それゆえそこで起る炭化の量
   を所望の値に維持することを特徴とする粒状の金属鉱石
   の炭化方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の方法において、冷却
   ループへ炭素含有ガスを効果的に追加する有効割合が補
   給炭素含有ガスを該ループに所定の割合で追加し、該ル
   ープからガスを抜き出し、循環冷却ガスの計測比重の変
   化に応じてガス除去の割合を制御することによって調整
   されることを特徴とする粒状金属鉱石の炭化方法。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の方法において、冷却
   帯から取出したガスが加熱され、還元帯へ供給された還
   元ガスと一緒にされることを特徴とする粒状金属鉱石の
   炭化方法。 ４ 特許請求の範囲第２項捷たけ第３項に記載の方法に
   おいて、冷却器と新鮮な補給還元ガスを外部導管へ追加
   する個所との間における冷却ループ内の個所においてガ
   スが外部導管から抜き出されることを特徴とする粒状金
   属鉱石の炭化方法。 ５ 特許請求の範囲第２項に記載の方法において、外部
   源からめ炭素含有補給ガスが冷却器とポンプとの間にお
   いて外部導管に追加されることを特徴とする粒状金属鉱
   石の炭化方法。 ６ 特許請求の範囲第２項まだは第５項に記載の方法に
   おいて、ガスがポンプと冷却帯との間において冷却ルー
   プの１個所から排出させることを特徴とする粒状金属鉱
   石の炭化方法。 ７ 特許請求の範囲第２項から第６項までのいずれか１
   項に記載の方法において、冷却ループからめ排出ガスが
   冷却された後外部導管から排出されることを特徴とする
   粒状金属鉱石の炭化方法。 ８ 特許請求の範囲第２項から第７項までのいずれか１
   項に記載の方法において、冷却帯に供給される補給炭素
   含有ガスが新鮮な還元ガスと還元帯からの炭素含有ガス
   との双方を含むことを特徴とする粒状金属鉱石の炭化方
   法。 ９ 特許請求の範囲第２項から第８項までのいずれか１
   項に記載の方法において、新鮮な還元ガスは所定の調整
   された割合で冷却ループに供給され炭素含有ガスを還元
   帯から冷却帯へ下方へ流すような流量でガスが前記冷却
   ループから排出されることを特徴とする粒状金属鉱石の
   炭化方法。 １０特許請求の範囲第２項から第７項までのいずれか１
   項に記載の方法において、新鮮な補給ガスは所定の調整
   された割合で冷却ループに供給され炭素含有ガスを冷却
   帯から還元帯へ上方へ流すような調整された割合でガス
   が前記冷却ループから排出されることを特徴とする粒状
   金属鉱石の炭化方法。 １１ 特許請求の範囲第１項から第１０項までのいず
   れか１項に記載の方法において、循環ガスの比重がガス
   の冷却後に外部導管において計測されることを特徴とす
   る粒状金属鉱石の炭化方法。