JPS602614A - 鉄系合金の溶融還元製錬方法 - 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） 本発明は鉄系合金を溶融還元法で製造するに際し、系全
体のエネルギー利用効率を高めるだめの方法に関する。

（従来技術） ここで言う鉄系合金とは溶銑あるいは半溶銑（Ｃ：１．
５〜４％）のよりなＦｅ−Ｃ合金、フェロクロム、フェ
ロマンガンなどのＦｅ　−Ｃ−（ｆ）（Ｘ　：　Ｃｒ　
、　Ｍｎ　、　Ｓｉ・”）などの合金を意味し、いずれ
も鉄鋼材料を製造するための中間成品という性格を持っ
ている。

これらの合金はいずれも鉱石を高炉あるいは電気炉など
のように還元力の強い炉で製錬する方法で製造されてき
た。これらの炉の共通点はシャフト型であシ、還元反応
は溶融酸化物が高温に加熱されたコークス充填層を滴下
する間におこることである。すなわち、反応は連続的に
おこっている。

しかし、これらの方法では次のような問題がある。

（１）充填層の通気性を維持するために、鉱石および炭
材とも強度の高いものが要求され、その調整に要する費
用が犬である。

（２）　エネルギー源として電力を用いる場合にはその
エネルギーコストが高い。

（３）　フェロクロム製造の場合のように鉱石が難溶性
の場合には、溶滴滴下方式では還元反応を十分平衡値に
近いところまで進めることができず、排出するスラグ中
のクロム含有量が２〜５チと高い値を示している。

（４）一方、炉内には局所的な高温部（羽目部、あるい
はアーク部）が存在するため、５ｉ０２の還元反応がお
こシやすく、得られる成品Ｓｉ含有量を低減することが
むつかしい。

これらの問題点を解決するための方法の一つが上底吹転
炉型反応容器を用いる溶融還元製錬法である。すなわち
、底吹ガスにより溶融合金及び溶融スラグを強攪拌しつ
つ、そこに鉱石あるいはそれを予備還元したもの、炭材
、スラックスおよび酸素を供給することによって、発熱
、溶融、還元反応を進める方法である。（以下、これを
上底吹転炉型容器による溶融還元法と呼ぶ。）この方法
では、溶融物の強攪拌という手段を導入することによシ
、前述のシャフト炉の問題点を解決できる〇 すなわち （１）充填層の通気性維持の制約から解放される。

（ｉ＋）　７エロアロイに対しても、還元エネルギーと
して一部エネルギーを直接用いることができる。

仙）強還元を利用して、酸化物の還元反応を促進し、平
衡値に近づけることができる。また、シャフト炉と異な
シ、溶融還元域への酸化物の供給を行う時期と、酸化物
の供給をとめて仕上げ還元を行う時期に分けることがで
きる。

これも排出するスラグの該成分酸化物量を低下するのに
役立つ。すなわち、完全連続型ではなく、パッチ処理の
長所を取シ込むことができる。

（Ｖ）　強攪拌により炉内温度の均一化が進み、局所的
な高温部が存在しないため、５ＩＯ２の還元反応が抑制
され、後工程にとって望ましいＳｉ含有量の低い鉄系合
金（例、低Ｓ１溶鉄、低Ｓ（フェロクロム）が得られる
。

しかし、従来のシャフト型方式にかえて、上底吹転炉型
容器による溶融還元法を実用化するためには、系全体と
して、エネルギー利用効率を高めることのできるような
グロセスにする必要がある。

すなわち、溶融還元炉からは多音のガスが発生する。も
しＣｏ　％の高いガスを系外で例えば発電などに利用す
る常識的な方式では、発電設備費が高いこと、発電時の
エネルギー変換効率が低いこと、などの理由によシ、熱
効率の高い従来のシャフト炉に比して、経済的には大き
な欠点になる。

（発明の目的） 本発明は、鉄系合金の溶融還元時の系全体のエネルギー
効率を高めるための方法を提供すること　。

を目的とする。

（発明の構成・作用） 本発明はロータリーキルンのような予備還元炉と、上底
吹転炉型の溶融還元炉の組合せからなる設備を用いて鉱
石、炭材、７ラツクスおよび酸化性ガスなどを原料とし
て鉄系合金を溶融還元によル製造する方法において溶融
還元炉で発生したガスを用いて石灰石を加熱、焙焼する
ことを特徴とする鉄系合金の溶融還元製錬方法を要旨と
するものである。

本発明では系全体のエネルギー効率を高め、かつ設備へ
の熱的負荷を過大にしないための方法として次の点Ｋｉ
目している。

（１）　溶融還元炉で適性スラグ量とすることによ（５
） シル雰囲気を酸化性にしても（換言すればＣＯガスの一
部をＣｏ　まで二次燃焼しても）酸化物の還元反応は十
分に進められるようにする。

（Ｉ＋）　（１）にもとづき溶融還元炉から発生するガ
スのＣｏ／ｃＯ比を、これを用いて、酸化物原料の予熱
・予備還元と、７ラツクスとして用いるＣａＯを石灰石
から焙焼して製造するのに必要十分な条件とし１系外へ
の排出される余剰熱量をゼロにするＯ排出される高温ガ
スを装入物の化学反応を伴う加熱に使えるので、エネル
ギー利用効率を高くできる。

（１１）溶融還元炉から出る高温ガスを、装入物の加熱
に用いる炉に導入する際の、ガス温度が高すぎる問題を
、石灰石の焙焼による吸熱によシ解消する。

以下、フェロクロムのような高クロム合金の製造を例と
して、具体的に説明する。

本発明を実施するに用いる設備の一例は、ロータリーキ
ルン二基と上底吹転炉型溶融還元炉二基からなる。ロー
タリーキルンのうちの一基は−り（６） ロム鉱石粉とコークス粉からなるクロムペレットを加熱
し、予備還元を進めて溶融還元炉に供給するのに用いら
れる。

第１図は本発明のクロムペレットの加熱・予備還元に用
いるロータリーキルン設備の一例を示すもので、１はエ
アーノズル、２は送風機、３は石灰石用スクープフィー
ダー、４はコークス用スクープフィーダー、５はエアポ
ート、６は原料シュート、７は排風機、８はペレット排
出口及び溶融還元炉発生ガス経路、９はコークス、１０
はペレ、ト、１１は石灰石である。本発明を実施するの
に用いるロータリーキルンは第１図に示ように出口に近
い側（装入物の温度が約１４５０°になる部分）で、石
灰石をキルン内に切シ込めるような設備例えばスクープ
フィーダーを設けているのが特徴である。もう一つのキ
ルンは、石灰石を加熱。

焙焼して生石灰を得、それを溶融還元炉に供給するのに
用いられる。溶融還元炉は第２図に示すような上底吹転
炉型のもので、後述のように非定常型の操業を行うにも
かかわらず定常的に予備還元されたクロムペレットおよ
び焙焼された石灰の供給を受け、一方、排ガスをほぼ定
常的に予備還元炉および焙焼炉に供給するために、サイ
クルをずらせて操業する二基の組合せからなる。第２図
において、２１はクロムペレット予備還元用ロータリー
キルン１２２は溶融還元炉、２３は羽口（底吹）１２４
はランス、２５はフード、２６は石灰石焙焼用ロータリ
ーキルン、２７は溶融メタル、２８は溶融スラグ、２９
はクロムペレット、３０は炭材、３１は気泡、３２は石
灰石である。各溶融還元炉は予備還元されたクロムペレ
ットの供給を受けて、それを溶融するとともに残留して
いるクロム、鉄の還元を進め、最終的にクロム・鉄合金
溶湯と、脈石物を主体とする溶融スラグを得るための装
置である。転炉状にしたのは、この場合の反応の進行の
ために必須の条件であるスラグ−メタルの強攪拌を実現
するためである。底部から酸素を含むガスの吹込みを行
うための羽口３（複数個のこ七もある）と、上方から酸
素を炉内に吹込むためのランス２４が付属している。

操業方法について、まず、溶融還元炉から述べる。

溶融還元炉は半連続、半バ、チ型の操業を行う。

すなわち、前ヒートで生成したスラグの８０−以上と成
品である高クロム溶湯の約めを出湯し１定格溶湯量の約
ＩＡが炉内に残留した状態からスタートし溶融還元第１
期においては、溶湯中に底吹羽口２３から酸素を含むガ
ス（例えば羽口を二重管とし、外側の管からグロノ４ン
ガスＡｒなどの羽口保護ガス、内側の管から酸素ガスを
供給する）上吹ランス２４から酸素を吹きつつ、ロータ
リーキルンから予熱・予備還元されたクロムペレット、
炭材、および石灰石を加熱、焙焼することによって生成
した生石灰を溶融還元炉に供給する。炭材の酸化発熱（
ｃ−４ｐｃｏあるいはＣ０２）と、炭素（スラグ中に存
在する遊離炭材あるいはメタル中に溶は込んだ炭素）に
よるクロムあるいは鉄の酸化物の還元反応及び脈石とフ
ラックスによる造滓が進む。

上吹酸素は炭素あるいは発生したＣＯを燃焼する（９） ためのもので、本プロセスの主発熱源である。本発明で
は後述のロータリーキルンに必要十分な熱量を供給する
ために溶融還元炉の排出ガスを用いるｏその熱量が必要
十分な量となるように吹酸条件を調節して排出ガスのｃ
ｏ２／Ｃｏ比を制御する。

通常、Ｃ０２／ＣＯの比は２０／８０〜５０１５０の間
である。

炉内で二次燃焼を行っても、還元反応の進行に悪影響を
及ぼさないようにするためには、所定量の遊離炭材とス
ラグが共存することが必要十分条件である。このような
条件では炉内上部空間の雰囲気が二次燃焼をおこすほど
に酸化性であっても、炉内の溶融メタルは厚いスラグ層
とその中に懸濁する炭材によって雰囲気から遮断されて
いるので、還元の進行には支障はなく、かつメタルの再
酸化も防止できるからである。そのための条件は、スラ
グ層厚み（フォーミングしていない状態に換算したもの
）が５０ｃＩｎ以上、遊離炭材量が１５０　ｖ炉内断面
積ｍ２以上である。

生石炭の投入は鉱石中のＭｇＯ−５ｉｎ２−　Ａｇｏ６
系脈（１０） 召物を滓化して、還元反応の進行に有利な状況にするた
めである。還元反応の進行に及ぼすスラグ成分が０．７
−１．２％で、かつＡｔ２０３〈２２％の時に最も還元
反応速度が大になることがわかった。このようなスラグ
条件を得るためにはＣａＯ分を添加するＣ％別の場合に
は５ｉ０２を併用してもよい。）石灰分として通常の生
石灰（専門の工場で石灰石を焙焼して製造される）を用
いることも可能であるが、その場合には焙焼後一旦、冷
却され、雰囲気の水分と反応して一部分、Ｃａ　（ＯＲ
）２となっている（　Ｈ２Ｏ’％として数多含有されて
いるのが通例である）。これに対して本発明のように系
内で排出ガスを用いて焙焼後、熱いままで溶融還元炉に
投入された場合には造滓材としても次のような効果があ
る。

（１）水分をほとんど含まない（５５０℃以上ではＣａ
（ＯＨ）ｚ　ｉｆ存在しない）ので溶融還元炉内でＣａ
（ＯＨ）２の分解吸熱がない。

（１１）予熱された状態でスラグと接触するために滓化
速度が大きい。したがって、還元反応進捗の律速段階と
なりにくくかつ前記のスラグ成分条件を満足するための
必要添加スラグを減少せしめることができる（スラグ中
未滓化の石灰分はスラグコントロール用としては無効　
である）溶融還元炉への石灰分の添加は、はぼ半還元ク
ロムベレットの添加と併行して行われる０所定量の半還
元クロムペレットを装入し終ると、溶融還元は第２期に
移行する。第２期においては、半還元クロムベレットの
供給を行わないで、吹酸、攪拌（必要に応じて炭材は補
給する）を続ける。

第２期においては第１期とは異なシ溶融還元炉内へのク
ロム酸化物の供給はないので、処理時間とともにスラグ
中の酸化物として存在するクロム量は減少する。スラグ
の到達クロム％（酸化物として存在するもの）は低くな
る。この値は０．７〜０．０５％の範囲に低下すること
が可能であるが、実用的にはクロム歩留、経済性、生成
スラグの利用目的および、後述のような第１期、第２期
の時間調整などの諸点から目標（Ｔ、Ｃｒ４）が設定さ
れる。

スラグ中のクロム濃度を所定の値まで低下すると１炉を
傾動して排滓する。使用する炉の形状及び使用する鉱石
、炭材などの条件によシ中間排滓なしでは操業かやシに
くい場合には、中間排滓（すなわち上記サイクル２回以
上で１回溶融金属を出湯するということになる）を行う
。排滓後、メタルを出湯する前に、必要によってメタル
の脱炭を主として底吹酸素によって行うことによシ、炭
素不飽和のメタルを得ることができる。ついで生成した
メタルの出湯を行うがその３０〜５０％は炉内に残留さ
せることによって底吹羽口を保護しつつ操業を繰返して
ゆく。

な＞、溶融還元炉に半還元クロムベレットの供給を行う
時期（前記の溶融還元第１期）と、それ以外の時期（前
記の溶融還元第２期、脱炭期、出滓、出湯、その他）が
ほぼ等しくなるようにし、稼動中の２つの溶融還元炉の
操業サイクルをずらせることによシ、半還元クロムペレ
ットおよび生（１３） 石灰はいずれかの溶融還元炉に装入されるようにする。

次にクロムベレットの予熱・予備還元を行うロータリー
キルンの操業について述べるＯクロムベレットは微粉砕
したクロム鉱石とコークスに、粘結剤を加えて造粒した
ものである。クロム鉱石中でクロム分は難溶性のスピネ
ル（ＦｅＯ・Ｍｇｏ　）　（Ｃｒ２０ｘ　ｌ　Ａｔ２０
３　）を形成している。溶融還元炉内での還元過程でこ
のスぎネルがスラグに溶は込んで液体になる過程を律速
することがあシうるので、鉱石は極力微粉砕しておく方
が望ましい（例えば３００メヅシー以下、８０重量％以
上）Ｏクロムペレットは２００℃程度で乾燥し、外装炭
としての塊状コークスとともにロータリーキルンに装入
する。キルン内でのベレットの加熱予備還元挙動は通常
の場合とほぼ同じであるが、本発明で特徴的なことは、 （１）　加熱源として、バーナーでなく、溶融還元炉か
らの排出ガスを用いること、 （１１）　ロータリーキルンの末端部で石灰石を加え（
１４） ること の二点でおる。

排出ガスは２０００℃近い高温であること、及び炉内で
装入物中の硫黄分の数１０チが気化して含まれているこ
とが、問題である。前者は耐火物の損傷やリング形成に
つながるおそれがあシ、後者はキルンからの排出ガスの
処理を複雑にする。キルン末端部で装入石灰分の一部（
例えば１０％程度）を石灰石（ｃａｃｏ３）としてキル
ン内に装入する。回転するキルン内への石灰石の投入は
第１図に示すような装置を用いて行うことができる。こ
れによシ、ＣａＣＯｓ→ＣａＯ十Ｃ０２の分解反応に伴
う吸熱および生成したフレッシュなＣａＯ表面への硫黄
の吸着によシ上記の問題を解決できる。以後、キルン内
でのガスは、キルン内での温度分布か好ましいノやター
ンになるように、キルンに数ケ所設けられた二次燃焼空
気吸込装置を制御する。最終的に排ガスは完全燃焼しか
つ顕熱の大半を装入原料と熱交換して系外に排出される
。

石灰石を焙焼するためのロータリーキルンの操業は次の
通）である。

石灰石をザ、イズ１０〜２０ｍに破砕し、これをキルン
の一端から装入し、キルン内で溶融還元炉からの排出ガ
スを、適肖な位置で空気吹込みによって燃焼させ、Ｃａ
ＣＯ３→ＣａＯ＋　ＣＯ２の焙焼反応を行わせＸＣａＯ
を熱いままで溶融還元炉に装入する。

以上のように、クロムベレットの予備還元用および石灰
石焙焼用のロータリーキルンはｔＸぽ定常状態で操業さ
れる。その各々の炉の必要熱母を溶融還元炉の排出ガス
で供給し、かつ、余剰か出ないように、溶融還元炉のＣ
Ｏ２／ｃｏ比をＩＩＪ御（結果的にはキルンへの装入炭
材量の制御）することは前述の通シである。

以上、フェロクロムを例として述べた力５、予備還元炉
−上底吹転炉型溶融還元炉の組合せにより溶融還元を行
える他の鉄系合金（溶銑、半溶銑。

フェロマレガンなど〕の製造にも本発明を適用すること
ができる。°また、ロータリーキルン以外の固相予備還
元炉（例：シャフト炉、流動層炉）、ロータリーキルン
以外の石灰焙焼炉（例：シャフト炉）を用いる場合につ
いても、本発明を適用することができる。

実施例 クロムペレット予備還元用ロータリーキルン１基、石灰
石焙焼用ロータリーキルン１基および上底吹転炉型溶融
還元炉２基の組合せからなる設備を用いて、下記の成分
組成の中炭フェロクロムを５９　ｔ／９０分の速度で製
造するＯ Ｃｒ：５５％、Ｆｅ：３６％、Ｃ：６．５％、Ｓｉ：０
．５％１Ｓ：Ｏ，０Ｏ１５％、Ｐ：Ｏ，ＯＯ３５％第３
図は、コークス使用量、溶融還元炉の排出ガスのＣＯ□
／ＣＯ比、および２つのロータリーキルンでの使用ガス
量の関係を示す。余剰ガス量がゼロとなるように、ゴー
ジス添加量４５０ｋｇ／ｌ−７エロクロム、溶融還元炉
排ガスｃｏ２／ｃｏ　＝　３０／７０で操業を行う。

各炉の操業条件は次の通シ （１）　クロムペレット予備遣元用ロータリーすルン回
転数０．４ｒｐｍの定常操業。

（１７） （装入物） りｏムヘレ、、　）　（Ｃｒ２Ｏ５：３８％、　ＦｅＯ
：２２　％　＋ＭｇＯ：　７．５％、　Ａｔ２０３：　
７．５チ、　８１０２：　６．７チ、Ｔ、Ｃ：１６％）
：１２８ｔ／９０分 コークス（０分８８％、サイズ２０〜５０１ｍ）：２３
ｔ／９０分 石灰石（サイズ１０〜２０　ｍｍ　）　：　３５　ｔ／
９０分（装入位置：キルン炉尻よ、Ｑ５ｍの位置）空気
：　９１　ｍ　／ｈｒ （排出物） 半還元クロムベレット： Ｔ、Ｃｒ　：　３５％、’ｐ、Ｆｅ：２３％、Ｃｒ分還
元率：６６チ、鉄分還元率＝９２％、ＭｇＱ　：　１０
　’％　５Ａｔ２０３：　１０％、ＳｉＯ２：９１％、
温度：１３００℃、量：９５　ｔ／９０分 炭材：量１５　ｔ／９０分、温度１３００℃ガス：組成
ＣＯ：〜Ｏ％、ＣＯ□：３３チ、Ｎ２：６７％、温度２
００℃生石灰二量２ｔ／９０分、温度１３００℃（２）
石灰石焙焼炉 回転数：　０．４　ｒｐｍの定常操業 （１８） （装入物） 石炭石（サイズ１０〜２０■）：３２ｔ／９０分二次空
気：　１６　ｍ　／ｈｒ （排出物） 生石灰（ＣａＯ＝９６％、１２００℃）：１８ｔ／９０
分排ガス：組成ＣＯ：〜０％、Ｃｏ２：３５％、　Ｎ２
：６５チ温度４００℃ （３）溶融還元炉 二基の炉をサイクル（ｌサイクル４５分）をずらせて操
業する。前記の２つのキルンからの原料の装入は二Ｖ溶
融　元炉のいずれかへ行われる。

−溶融還元製錬第１期− 残し湯１７ｔに酸素を含むガスを上底吹しながら、予熱
された予備還元ベレットと炭材、石灰を装入する。

吹酸速度は、上吹１４０００　Ｎｍ３／ｈ　ｒ、底吹１
６０ＯＮｍ３／ｈｒＸ４であるＯ溶融合金相の温度：１
５８０〜１６３０℃。

半還元ベレット、生石灰・コークスの装入を４５分かけ
て行う。

一溶融還元製錬第２期− 半還元（レットの供給を止め、炭材を炭材供給ホッパー
よシ溶融還元炉に、３分おきに１００ｋ１７づつ投入す
る。底吹酸素量は一定に保ち、上吹吹酸量は１５分おき
罠、８５０ＯＮｍ／ｈｒ、４００ＯＮｒｎ５／ｈｒ　Ｎ
　ＯＮｒｎ　／ｈｒと変化させ、スラグ中のＣｒ分の還
元を進める。

溶融還元炉の最終スラグ組成は、ＣａＯ：２８チ、８１
０２：２８％、ＭｇＯ：　２０　％、Ａｔ２０３：２０
％１’ｌ’、１：：ｒ：０、６　％　、Ｔ−Ｆｅ　：　
０．７％でありた。

次いで生成スラグの約９０％を中間排滓したのち、２０
分吹酸を続けて溶湯の脱炭を行う。

このように溶融還元第１期は４５分で、一方、第２期が
１５分、脱炭期２０分、出滓、出湯１０分でアシ、各溶
融還元炉へのペレットの供給を行う時間は４５分、ベレ
ットの供給を行わない時間が４５分となってお）、ロー
タリーキルン−基と、溶融還元炉二基の操業がｉツチン
グしている。

（発明の効果） 以上のように、本発明は鉄系合金の製錬を従来のシャフ
ト型反応炉を利用するプロセスから上底吹転炉型強攪拌
炉を利用するプロセスにかえる時の唯一の欠点であった
エネルギー利用効率の低下を一系内で石灰石を用いるこ
とによって解決したもので、上底吹転炉型強攪拌炉の長
所を発揮できるようにした点から工業的な効果が大きい
・

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクロム（レットの加熱・予備還元に用
いるロータリーキルン設備の一例を示す説明図、第２図
は本発明の溶融還元工程に用いる上底吹転炉型の炉の一
例を示す説明図、第３図は７エロクロム製造の場合の本
発明の操業条件をきめるための、溶融還元炉の排出ガス
のＣＯ２チ／ＣＯチと、系内の使用炭材（コークス）量
、余剰ガス量の関係を示す図である（但し、関係をめる
際の前提条件を下記の如くに設定している。）（１）　
ペレット予備還元率：Ｃｒ６６％、Ｆｅ９２％（２）溶
融還元炉で使用する炭材量の燃焼周分はロータリーキル
ンで予熱して（１３００℃）装入し〜遊離炭材分（１８
０ｋｇ／ＦａＣｒ　−ｔ　）は冷材で装入する。 （２１） （３）　ロータリーキルンでは炭材装入量の１５チが燃
焼する。 （４）　溶融還元炉で使用する石灰石（６００に９／Ｆ
ｅＣｒ−ｔ）の１０チはロータリー・キルンで焙焼を行
い、９０％は石灰キルンで焙焼する。 （５）熱損失　ロータリーキルン　２５％溶融還元炉　
１０チ 石灰キルン　２０チ （２２） 蜂／目 ４ 阜２図 北九州市へ幡東区大字前田字洞 岡２１４２−３日本重化学工業株式 ％式％ 岡２１４２−３日本重化学工業株式 会社九州工場内 ｎ出　願　人　日本重化学工業株式会社東京都中央区日
本橋小網町８番 ４号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロータリーキルンのような予備還元炉・と、上底吹転炉
   型の溶融還元炉の組合せからなる設備を用いて鉱石、炭
   材、フラックスおよび酸化性ガスなどを原料として鉄系
   合金を溶融還元によシ製造する方法において溶融還元炉
   で発生したガスを用いて石灰石を加熱、焙焼することを
   特徴とする鉄系合金の溶融還元製錬方法。