JP5218196B2 - Method for reducing iron oxide-containing substances - Google Patents
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Description
本発明は、鉄鉱石、ダスト、スラッジ等のヘマタイト状態の酸化鉄を含む酸化鉄含有物質を、製鉄所等における鉄源として利用できるように金属鉄へと還元する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for reducing an iron oxide-containing substance containing iron oxide in a hematite state such as iron ore, dust, sludge, etc. to metallic iron so that it can be used as an iron source in an ironworks or the like.
近年、電磁波の一種であるマイクロ波を照射することによる加熱現象(すなわち電子レンジの技術)を各種工業プロセスに応用しようという試みが各方面で検討されている。マイクロ波加熱は、従来の加熱プロセスと比較した場合、(1)マイクロ波を吸収する物質自身を内部から迅速に加熱すること可能である、(2)マイクロ波を吸収する物質のみを選択して加熱することが可能である、(3)通常の電気炉等による加熱では生じ得ない非熱的効果(マイクロ波による温度上昇以外によると考えられる効果)が発生する等、様々な特徴があるため、従来から検討されていた乾燥分野のみならず、近年では、鉄鉱石を始めとする各種金属酸化物の還元反応へマイクロ波加熱を適用することによって、従来よりも高効率な還元プロセスを確立しようとする検討が盛んに行われている。 In recent years, various attempts have been made to apply a heating phenomenon (ie, microwave oven technology) by irradiating microwaves, which are a kind of electromagnetic waves, to various industrial processes. Compared with the conventional heating process, microwave heating can (1) quickly heat the substance itself that absorbs microwaves from the inside, and (2) select only the substance that absorbs microwaves. Because it has various features such as (3) non-thermal effects that can not be generated by heating with a normal electric furnace, etc. In recent years, not only in the drying field that has been studied, but in recent years, by applying microwave heating to the reduction reaction of various metal oxides including iron ore, let us establish a more efficient reduction process than before. There is a great deal of consideration.
特許文献1には、粉状の鉄酸化物原料に還元剤たる炭剤と炭酸塩を配合してマイクロ波を照射することによって鉄酸化物を還元して鉄粉を製造する方法が提案されている。また、特許文献2には、金属含有材料と還元剤を混合して充填したコンテナへマイクロ波照射し、加えて電気アーク等のエネルギーを付加することによって金属を製造する方法が提案されている。
マイクロ波による加熱を実施する場合、被加熱物質(物質そのものが内部から加熱される物質)はマイクロ波を吸収する物質でなくてはならない。酸化鉄にはヘマタイト(酸化第二鉄/Fe2O3)、マグネタイト(四三酸化鉄/Fe3O4)、ウスタイト(酸化第一鉄/FeO)といった形態が存在するが、ヘマタイトに関してはマイクロ波の吸収性が悪いため、一般的にはそれ単独ではマイクロ波による加熱を行うことが難しいことが知られている。従って製鉄業における主要原料である鉄鉱石の場合、マグネタイトを主成分とする磁鉄鉱であれば何ら問題なくマイクロ波による加熱を行うことが可能であるが、埋蔵量が多く、現在の主流となっているヘマタイトを主成分とする赤鉄鉱、あるいはヘマタイトと同様の3価鉄ベースの水酸化鉄(ゲーサイト/Fe2O3・3H2O)を主成分とする褐鉄鉱に関しては、基本的にそれ単独ではマイクロ波による加熱を効果的に行うことはできない。また、製鉄所において発生する副産物(高炉ダスト、転炉ダスト、中和スラッジ等)を製鉄原料として再利用することも多く見受けられるが、これらの主成分もヘマタイトあるいはゲーサイトであるため、やはりこれらの副産物についても単独ではマイクロ波によって効果的に加熱することはできない。 When heating by microwaves is performed, the material to be heated (the material itself is heated from the inside) must be a material that absorbs microwaves. There are forms of iron oxide such as hematite (ferric oxide / Fe 2 O 3 ), magnetite (triiron tetroxide / Fe 3 O 4 ), and wustite (ferrous oxide / FeO). In general, it is known that it is difficult to perform heating by microwaves alone because of poor wave absorption. Therefore, in the case of iron ore, which is the main raw material in the iron and steel industry, heating with microwaves can be carried out without any problem if it is a magnetite mainly composed of magnetite. As for hematite mainly composed of hematite, or limonite composed mainly of trivalent iron-based iron hydroxide (goethite / Fe 2 O 3 .3H 2 O) similar to hematite. Then, heating by microwaves cannot be performed effectively. In addition, by-products generated in steelworks (blast furnace dust, converter dust, neutralized sludge, etc.) are often reused as raw materials for iron making, but since these main components are also hematite or goethite, these are also used. Even the by-products of these products cannot be heated effectively by microwave alone.
そのため、特許文献1および特許文献2においては、ヘマタイトを原料として使用する場合には、マイクロ波の吸収性の高い物質(炭素あるいはマグネタイト等)を別途混合する必要があるものと述べられている。酸化鉄を還元させるためには、いずれにしても還元剤としての炭素を添加する必要があるのは当然であるが、特許文献1によれば、ヘマタイトを良好にマイクロ波加熱を行うためには、酸化鉄の還元のために必要な当量に対して2倍以上の余分な炭素を加える必要があるものと述べられており、還元剤に関わるコストを浪費する観点から問題があった。また、還元反応に何ら寄与しない余分な炭素を酸化鉄と同等以上の温度にまで昇温させることになるため、その分マイクロ波の出力を高める必要があり、結果としてマイクロ波の発生に必要な電力を多量に消費するという問題もあった。
Therefore, in
また、常温においてはマイクロ波吸収性が悪い物質であっても、温度の上昇に伴ってマイクロ波吸収性が改善される物質が存在することが知られており、一部文献(例えば非特許文献1)においてはヘマタイトもこのような温度依存性の大きな物質であるものと述べられている。そこで特許文献2においては、電気炉加熱等の方法によって被加熱物質をマイクロ波吸収性が向上する臨界温度にまで予熱した後に、マイクロ波による加熱ならびに金属の還元を行う方法も提案されている。しかし、この方法では、金属の還元に必要なマイクロ波加熱によるリアクター以外に何ら還元反応には寄与しない予熱用のリアクターが別途必要になるため、設備コスト、エネルギー消費量のいずれもが大きくなってしまうという問題があった。
Further, it is known that even if a substance has poor microwave absorbability at room temperature, there is a substance that improves microwave absorbability as the temperature rises, and some documents (for example, non-patent documents) In 1), it is stated that hematite is also a substance having such a large temperature dependence. Therefore,
本発明の目的は、鉄鉱石等のヘマタイトを主成分とする酸化鉄含有物質を従来よりも効率良く金属鉄レベルにまで還元し、製鉄所等における原料として利用することである。 An object of the present invention is to reduce an iron oxide-containing substance mainly composed of hematite such as iron ore to a metallic iron level more efficiently than before, and use it as a raw material in an ironworks or the like.
上記目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
(1)ヘマタイト、又はゲーサイトの少なくともいずれかを含む酸化鉄含有物質を、還元ガスとして製鉄所から発生する副生ガスを使用して還元して、前記ヘマタイト又はゲーサイトの一部又は全部をマグネタイトへと変換した還元物質とし、当該還元物質に炭素を含有する還元剤を混合し、得られた混合物にマイクロ波を照射して加熱し、前記混合物に含まれる還元物質中の酸化鉄を、更に還元して少なくとも一部を金属鉄とすることを特徴とする酸化鉄含有物質の還元方法。
(2)前記還元ガスとして製鉄所から発生する高炉ガス(BFG)を使用することを特徴とする(1)項に記載の酸化鉄含有物質の還元方法。
(3)前記ガス還元を実施する反応装置として流動床を使用することを特徴とする(1)又は(2)項に記載の酸化鉄含有物質の還元方法。
(4)前記酸化鉄含有物質として、製鉄所から発生する中和スラッジを使用することを特徴とする(1)〜(3)項のいずれか1項に記載の酸化鉄含有物質の還元方法。
In order to achieve the above object, the gist of the present invention is as follows.
(1) An iron oxide-containing substance containing at least one of hematite or goethite is reduced using a by-product gas generated from a steel mill as a reducing gas , and part or all of the hematite or goethite is reduced. As a reducing substance converted into magnetite, a reducing agent containing carbon is mixed with the reducing substance, the resulting mixture is heated by irradiation with microwaves, and iron oxide in the reducing substance contained in the mixture is changed. A method for reducing an iron oxide-containing substance, characterized in that the iron oxide-containing substance is further reduced to at least part of metallic iron.
( 2 ) The method for reducing an iron oxide-containing substance according to ( 1 ), wherein blast furnace gas (BFG) generated from a steel mill is used as the reducing gas.
( 3 ) The method for reducing an iron oxide-containing substance according to (1) or (2 ), wherein a fluidized bed is used as a reactor for carrying out the gas reduction.
( 4 ) The method for reducing an iron oxide-containing substance according to any one of (1) to ( 3 ), wherein neutralized sludge generated from an iron mill is used as the iron oxide-containing substance.
鉄鉱石等のヘマタイト、ゲーサイトの少なくともいずれかを主成分とする酸化鉄含有物質を効率良く金属鉄レベルにまで還元し、製鉄所等における原料として利用することが可能になる。 It becomes possible to efficiently reduce an iron oxide-containing substance containing at least one of hematite such as iron ore and goethite to a metallic iron level and use it as a raw material in an ironworks or the like.
以下、本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態を表したフローシートである。
製鉄原料となるヘマタイト(Fe2O3)、ゲーサイト(Fe2O3・H2O)の少なくともいずれか(以下、代表して「ヘマタイト」とも呼称する)を主成分とする酸化鉄含有物質1は、最初にガス還元リアクター2へ投入される。ガス還元リアクター2内においては、酸化鉄含有物質1と高温の還元ガス3が反応することによって、ヘマタイトの一部または全部はマグネタイト(Fe3O4)レベルにまで還元される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a flow sheet showing an embodiment of the present invention.
An iron oxide-containing substance whose main component is at least one of hematite (Fe 2 O 3 ) and goethite (Fe 2 O 3 .H 2 O) (hereinafter also referred to as “hematite”) as a raw material for
ヘマタイトをガスによって還元する場合、マグネタイト、ウスタイト(FeO)、金属鉄(Fe)のどのレベルにまで還元されるかは、還元温度、還元ガス中の還元性ガス(CO、H2等)の含有割合によって平衡上決定される。例えば、還元ガスをCO−CO2混合ガス、還元温度を900℃とした場合、ヘマタイトからマグネタイトへの還元はごく僅かのCOガスが存在さえすれば容易に進行するが、マグネタイトからウスタイトへの還元はCOが約20%以上(CO/(CO+CO2)としての割合、すなわちCO2は80%以下)含有されている還元ガスを使用しないと進行せず、更にウスタイトから金属鉄への還元はCOが約70%以上含有されているガスを使用しないと進行しない。
When hematite is reduced by gas, the level of magnetite, wustite (FeO), or metallic iron (Fe) is reduced depending on the reduction temperature and the reducing gas (CO, H 2 etc.) contained in the reducing gas. It is determined in equilibrium by the ratio. For example, when the reducing gas is a CO—CO 2 mixed gas and the reduction temperature is 900 ° C., the reduction from hematite to magnetite proceeds easily if there is very little CO gas, but the reduction from magnetite to wustite. Does not proceed unless a reducing gas containing about 20% or more of CO (a ratio of CO / (CO + CO 2 ), ie, CO 2 of 80% or less) is used, and the reduction from wustite to metallic iron is
COやH2のような還元性ガスを高濃度で含有するガスを、水蒸気改質、部分酸化等の手段を用いて、天然ガス、石油、石炭等から製造する技術は確立されているが、本発明においてそのようなガス製造設備を新設することは、設備コストおよびランニングコストの極度の肥大化を招くため好ましくなく、製鉄所内において通常発生する副生ガスを還元ガスとして有効利用することが望ましい。製鉄所副生ガスとしては、コークス炉から発生するコークス炉ガス(COG)、転炉から発生する転炉ガス(LDG)、高炉から発生する高炉ガス(BFG)が存在する。表1にそれぞれのガスの組成例および以下の式(1)によって定義されるガスの酸化度(OD)を示す。
OD[%]=(H2O[容量%]+CO2[容量%])/(H2[容量%]+H2O[容量%]
+CO[容量%]+CO2[容量%])×100 …(1)
A technology for producing a gas containing a reducing gas such as CO and H 2 at a high concentration from natural gas, petroleum, coal, etc. using means such as steam reforming, partial oxidation, etc. has been established. In the present invention, it is not preferable to newly establish such a gas production facility because it causes extreme enlargement of facility cost and running cost, and it is desirable to effectively use the by-product gas normally generated in the ironworks as a reducing gas. . As ironworks byproduct gas, there are coke oven gas (COG) generated from a coke oven, converter gas (LDG) generated from a converter, and blast furnace gas (BFG) generated from a blast furnace. Table 1 shows an example of the composition of each gas and the degree of gas oxidation (OD) defined by the following equation (1).
OD [%] = (H 2 O [volume%] + CO 2 [volume%]) / (H 2 [volume%] + H 2 O [volume%]
+ CO [volume%] + CO 2 [volume%]) × 100 (1)
いずれのガスも還元性ガス(CO、H2)を含んでいるため、本発明の還元ガスとして使用可能である。ただし、本発明のガス還元リアクター内においては、ヘマタイトはマグネタイト程度にまで還元されれば良いため、高濃度で還元性ガスを含み(すなわちODは低い)、現状、製鉄所内の燃料ガス(熱延加熱炉、発電所ボイラー等)として全量使用されているプライオリティの高いCOGやLDGを用いる必要はなく、ODが高く現状低品位ガスとして扱われ全量が有効利用されているとは言い難いBFGを還元ガスとして用いるのが好適である。 Since any gas contains a reducing gas (CO, H 2 ), it can be used as the reducing gas of the present invention. However, in the gas reduction reactor of the present invention, hematite may be reduced to about magnetite, so it contains a reducing gas at a high concentration (that is, OD is low). It is not necessary to use high-priority COG and LDG that are used in all quantities as heating furnaces, power plant boilers, etc., and reduce BFG, which is treated as low-grade gas at present with high OD and is not effectively used. It is preferable to use it as a gas.
すなわち、BFG4はガス還元リアクター2前に設置された部分酸化器5において空気6によってその中に含有される可燃性成分の一部を燃焼(部分酸化)することによって昇温し、高温の還元ガス3としてガス還元リアクター2内へと導入され、酸化鉄含有物質1中のヘマタイトはマグネタイト程度にまで速やかに還元される。含有されるヘマタイトのどの程度の割合がマグネタイトまで還元されるかは反応温度と反応時間すなわちガス還元リアクター2の仕様によって決定されるが、ヘマタイトすべてをマグネタイトまで還元する必要はなく、その一部を還元できれば後段のマイクロ波加熱リアクター10において特に問題とはならない。
That is, the BFG 4 is heated by burning (partially oxidizing) a part of combustible components contained therein by the
また、ここで還元ガス3として用いるBFG4の部分酸化ガスは、ヘマタイトを金属鉄まで還元することはできながいが、ウスタイトレベルまでは充分に還元することが可能であるため、ヘマタイトの一部がウスタイトまで還元されたとしても、やはり後段のマイクロ波加熱リアクター10においては何ら問題とならない。
Further, the partial oxidizing gas of BFG4 used as the reducing
具体的には、還元率が5%以上になるまでヘマタイトを還元してやれば良い。ここで、還元率とは、ヘマタイトを金属鉄まで還元する際に除去される理論酸素量に対して、実際にどの程度の割合の酸素が除去されたかを表す指標であり、酸化鉄含有物質の全てがヘマタイトの場合は還元率=0%、全てがマグネタイトの場合は還元率=11.1%、全てがウスタイト(FeO)の場合還元率=33.3%、全てが金属鉄の場合は還元率=100%となる。(すなわち還元率11.1%というのはすべてのヘマタイトがマグネタイトまで還元された状態であり、還元率5%とはヘマタイトとマグネタイトが混合(ウスタイト以降の還元が起きていないと想定した場合)している状態である)。なお、還元率5%とは鉄分子(トータルFe)の内の45質量%がマグネタイトとして、55質量%がヘマタイトとして混合している状態であり、これ以上のマグネタイトがヘマタイト中に含有されていることが望ましい。また、ウスタイトに関しても、マグネタイトよりは劣るもののヘマタイトと比べればマイクロ波吸収性に優れるため、酸化鉄含有物質1中のヘマタイトが全量ウスタイトまで還元されたとしても、後段のマイクロ波還元リアクター10においては問題とならない。
Specifically, hematite may be reduced until the reduction rate becomes 5% or more. Here, the reduction rate is an index indicating how much oxygen is actually removed with respect to the theoretical oxygen amount removed when hematite is reduced to metallic iron. When all are hematite, the reduction rate is 0%, when all are magnetite, the reduction rate is 11.1%, when all are wustite (FeO), the reduction rate is 33.3%, and when all are metallic iron, it is reduced. Rate = 100%. (In other words, a reduction rate of 11.1% means that all hematite has been reduced to magnetite, and a reduction rate of 5% means that hematite and magnetite are mixed (assuming that no reduction after wustite occurs). Is the state). The reduction rate of 5% is a state in which 45% by mass of iron molecules (total Fe) is mixed as magnetite and 55% by mass as hematite, and more magnetite is contained in hematite. It is desirable. In addition, although wustite is inferior to magnetite, it has better microwave absorbability than hematite. Therefore, even if the total amount of hematite in iron oxide-containing
ここで用いるヘマタイトを主成分とする酸化鉄含有物質1としては、前述した鉄鉱石(赤鉄鉱、褐鉄鉱)、製鉄所副産物(ダスト、スラッジ)等いずれを用いても構わないが、後述するマイクロ波加熱リアクター10において良好な加熱を行うためには、粉体であることが望ましい。なぜなら、粒径が大きい粒子に対しては、例えそれがマイクロ波吸収性の大きな物質であっても、マイクロ波が粒子表面付近にしか浸透せずに、粒子の内部までを充分に加熱することができない可能性があるためである。従って、ここで使用する鉄鉱石としては粒径が10mm以下の粉鉱石を用いることが望ましい。なお、製鉄所副産物に関しては、発生した時点で既に平均20〜100μm程度の微粉であるため粒径に関しては特に制約とはならない。
As the iron oxide-containing
ガス還元リアクター2内においては、還元反応に先立って、酸化鉄含有物質1に付随する付着水および結晶水を除去することが可能になる。従って、ここで用いる鉄鉱石としては特に結晶水を多く含有し、現状の焼結鉱製造設備において直接使用しづらく、また粒度分布において微粉の占める割合が多いことが特徴であるピソライト鉱石またはマラマンバ鉱石(ローブリバー鉱石、ヤンディークジーナ鉱石等)を用いることが好適である。また、製鉄所副産物に関しては、湿式の集塵設備において回収されたダストあるいは酸性排水処理工程から回収された中和スラッジ等、付着水または結晶水を多量に含有するものが多く存在するが、本発明において酸化鉄含有物質1として使用する上で特に問題とはならない。勿論、ガス還元リアクターの前段に付着水除去のための乾燥機を設置し、付着水除去後の酸化鉄含有物質1をガス還元リアクター2へ投入しても構わない。
In the
ガス還元リアクター2の方式としては、シャフト炉タイプ、充填床タイプ等、様々な方式のものが利用可能であるが、前述の通り本発明においては粉体の酸化鉄含有物質1を用いることが好適である点を考慮すると流動床タイプのリアクターを用いることが望ましい。流動床にも様々なタイプのものが存在するが、特に粉鉱石を酸化鉄含有物質1として使用する際には、粒度分布が100μm以下のものから20mm程度までの幅広い粒度分布を持つことを踏まえて、循環流動床タイプのリアクターを用いることが望ましい。
ガス還元リアクター2として充填床タイプのリアクターを用いることは、還元ガス3を導入する際にガス還元リアクター内の圧力損失が大きくなりすぎるため少量の還元ガス3しか投入できないこと、また、還元ガス3の投入圧力を高くして投入量を増やそうとした場合、バイパスの発生により酸化鉄含有物質1が良好に還元できない可能性が高いこと、更にはガス還元リアクター内から特に細かい粒径の粉鉱石が飛散してしまう可能性があることから好ましくなく、この点からも流動床タイプのリアクターが好ましい。
As a method of the
The use of a packed bed type reactor as the
ガス還元リアクター2内の反応温度は、実用上問題がない反応速度(ヘマタイトからマグネタイトへの還元反応)が得られる600℃以上であれば構わない。反応温度をできるだけ高温にすれば反応速度が大きくなり、ガス還元リアクターをコンパクトにできると言う利点が生じるが、1000℃以上の高温とした場合、投入された酸化鉄含有物質1粒子がガス還元リアクター2内でスティッキング(粒子が設備内に付着・成長する現象)を起こし、順調な操業を妨げる可能性もあるため、反応温度は900〜1000℃とすることが望ましい。
The reaction temperature in the
ガス還元リアクター2から排出された部分還元鉄含有物質(少なくとも一部がマグネタイトへと変換した還元物質)7は、マイクロ波加熱リアクター10において金属鉄原料12にまで還元反応を起こさせるために必要な還元剤9とミキサー等の適当な手段によって混合される。
The partially reduced iron-containing material (reduced material at least partially converted to magnetite) 7 discharged from the
ここで使用する還元剤9としては、炭素を含有する粉体であれば、石炭(微粉炭)、石炭チャー、粉コークス、グラファイト粉、活性汚泥、活性汚泥乾留物、木材粉、木材乾留物(木炭粉)、各種ダスト等何を使用しても構わない。また、還元剤はガス還元リアクター2投入前の酸化鉄含有物質1へ直接添加しても構わない。特に、還元剤として各プロセスから発生する高含水系の副産物(下水処理場から発生する下水汚泥、製鉄所におけるアンモニア排水(安水)のような産業排水の生物学的処理設備から発生する活性汚泥、製鉄所から発生する湿ダスト類等)を有効利用しようとする場合には、ガス還元リアクター2においてそれら高含水系副産物の乾燥を乾燥し、部分還元鉄含有物質7と充分に還元剤を混合できるという理由から、ガス還元リアクター2へ直接、還元剤を添加することが望ましい。
As the reducing
これまで述べてきた通り、部分還元鉄含有物質7はマグネタイトを含有し、それ自身がマイクロ波を良好に吸収して加熱されるため、還元剤(炭素)にいわゆる昇温促進剤としての機能を持たせる必要はない。従って、還元剤は酸化鉄含有物質に含有される酸化物(鉄以外の混在する金属成分をも還元させようとする場合はそれらも含む)を還元させるために必要な理論当量の2.0未満で構わなく、1.0〜1.5倍程度添加すれば十分還元反応は進むため、理論当量よりも極めて過剰に添加する必要はない。ただし、マイクロ波加熱リアクターにおける昇温速度を更に高めて、処理時間を短縮したい場合には、還元剤を理論当量の2.0倍以上添加しても構わない。なお、ここで述べるところの理論当量とは、金属酸化物中の酸素+炭素=CO2という反応式に従う化学量論量のことである。また、部分還元鉄含有物質中の酸素含有割合は、蛍光X線分析法、容量法(JISM8213)等の鉄形態の分析手法によって決定される。
As described so far, the partially reduced iron-containing
こうして、還元剤と充分に混合した部分還元鉄含有物質7は、マイクロ波加熱リアクター10へと導入される。マイクロ波加熱リアクター10においては、マイクロ波発振機11から発生させたマイクロ波を照射することによって投入された部分還元鉄含有物質7を加熱する。
In this way, the partially reduced iron-containing
この際、マイクロ波加熱リアクター10内部の雰囲気はどのような状態でも構わないが、酸化物の還元を良好に進行させるためには、マイクロ波加熱リアクター10の内部は無酸素雰囲気(窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気)とすることが望ましい。しかし、還元剤と混合した部分還元鉄含有物質7をペレット状に成型(造粒)した後にマイクロ波加熱リアクター10へと投入し、雰囲気ガスと部分還元鉄含有物質7との接触面積を最低限とすれば(ペレット表面のみが雰囲気ガスと接触し、ペレット内部は雰囲気ガスとは接触しない状態)、雰囲気ガスがたとえ酸素を含有する大気(空気)であったとしても、部分還元鉄含有物質7の還元率を充分に高めることが可能となる。また、マイクロ波加熱した際にペレット内部がその焼結温度(1100℃〜1200℃)以上となった場合には、ペレット内が溶融、焼結し、ペレット自体の強度をマイクロ波照射前よりも高めることが可能となるため、その後のハンドリングが良好になるというメリットもある。
At this time, the atmosphere inside the
部分還元鉄含有物質7は、マイクロ波加熱リアクター10内で被還元物質である酸化鉄(マグネタイト、ウスタイト)そのものが内部から加熱(マイクロ波加熱特有の現象)されることによって効率良く短時間で金属鉄原料12まで還元される。なお、酸化物含有物質1(特に製鉄所副産物を原料として用いる場合)中に鉄以外の金属酸化物(Ni、Cr等)が含有される場合もあるが、鉄と比較して還元しやすいNiは勿論のことCrに関しても一部は還元される。
Partially reduced iron-containing
日本国内において工業的な使用が許可されているマイクロ波の周波数は0.915GHzおよび2.450GHzであり、大塊物の被加熱体に関しては長波長の0.915GHzのマイクロ波を使用した方が良いとの報告もあるが、本発明においてはどちらの周波数を照射するマイクロ波発振機を用いても構わない。また、最近注目を浴びているより短波長側の周波数域(10〜300GHz)のマイクロ波(ミリ波、サブミリ波)を照射する発振機(例えば核融合の加熱装置として研究されてきたジャイロトロン)を用いても構わない。 The frequencies of microwaves that are allowed to be used industrially in Japan are 0.915 GHz and 2.450 GHz, and it is better to use a long-wavelength 0.915 GHz microwave for heated objects of large lumps. Although there is a report that it is good, in the present invention, a microwave oscillator that emits either frequency may be used. Also, an oscillator that emits microwaves (millimeter wave, submillimeter wave) in the shorter wavelength range (10 to 300 GHz), which has recently been attracting attention (for example, a gyrotron that has been studied as a heating device for nuclear fusion) May be used.
マイクロ波加熱リアクター10における加熱温度は、金属鉄原料12中の金属化率をどの程度にするかによっても異なるが、800〜1600℃とするのがよい。800℃よりも低い温度ではFeの還元すら充分に起こらないため好ましくなく、また逆に1600℃より高い温度としても、単にマイクロ波発振機11におけるエネルギー消費が増すばかりであり、それに見合うだけのメリットは得られないため好ましくない。また、金属鉄原料12を溶融まではさせない場合には、1100℃以下とすることが望ましい。なお、加熱温度はマイクロ波出力を制御(PID制御、オンオフ制御等)することによって目的温度となるように調整される。
The heating temperature in the
こうして発生した金属鉄原料12は、高炉、転炉、電炉等の製鉄プロセスにおける還元済みの鉄源として利用される。また、ガス還元リアクターから排出された排ガス8に関しても未だ還元性ガス成分を有しているため、別プロセスあるいは付帯する廃熱回収ボイラーにおける燃料ガスとして使用することも可能である。
The metal iron raw material 12 generated in this way is used as a reduced iron source in a steelmaking process such as a blast furnace, converter, electric furnace or the like. Further, since the
(実施例1)
図2に示したフローに従って、本発明例を実施した。
ヘマタイトを主成分とする酸化鉄含有物質としては、褐鉄鉱(ピソライト鉱石)の一種であるローブリバー粉鉱石13を使用した。なお、ローブリバー粉鉱石13の付着水は4質量%、結晶水は8質量%(付着水除去ベース)、平均粒径は900μmであった。
Example 1
According to the flow shown in FIG.
As the iron oxide-containing substance mainly composed of hematite, lobe river powder ore 13 which is a kind of limonite (pisolite ore) was used. In addition, the adhesion water of the lobe river powder ore 13 was 4 mass%, the crystallization water was 8 mass% (adhesion water removal base), and the average particle diameter was 900 micrometers.
ローブリバー粉鉱石13(1t)を循環流動床タイプのガス還元リアクター2において処理した。還元ガス3としては、常温(25℃)のBFG4(高炉ガス)1000Nm3を部分酸化器5において、予め空気予熱器14で排ガス8と熱交換することによって600℃まで加熱された空気6(350Nm3)と反応させることによって製造した1000℃の還元ガス3(1280Nm3)を用いた。表2にそれぞれのガス性状について示す。
Robliber powder ore 13 (1 t) was treated in a circulating fluidized bed type
ガス還元リアクター2からは、鉄の還元率10%(鉄分子(トータルFe)の内の90質量%がマグネタイトとして、10質量%がヘマタイトとして混合している状態)の部分還元鉄含有物質7が850kg回収された。なお、ガス還元リアクター2内における粒子平均滞在時間は15分であった。
From the
この部分還元鉄含有物質7は、ミキサー15において還元剤である粒径3mm以下の粉コークス16(120kg、鉄の還元に必要な当量に対して1.2倍の炭素量に相当)と混合された後、マイクロ波還元リアクター2へ導入され、窒素雰囲気の中、周波数2.450GHzのマイクロ波をマイクロ波発振機11から照射したところ、10分間で1300℃まで急速昇温し、そのままの温度で1時間加熱することによって、金属鉄までの還元を行った。なお、温度測定には熱電対を用い、粉体試料と熱電対測温部が充分接触した状態にて行った。
This partially reduced iron-containing
マイクロ波加熱後には鉄の還元率が95%(金属化率95%)である金属鉄原料12が660kg生成した。この金属鉄原料12は、製鉄所内の転炉へ投入することによって、製鉄原料として利用した。 After microwave heating, 660 kg of metal iron raw material 12 having an iron reduction rate of 95% (metalization rate of 95%) was produced. This metallic iron raw material 12 was utilized as an iron-making raw material by putting it into a converter in the steelworks.
(実施例2)
図3に示したフローに従って、本発明例を実施した。
ヘマタイトを主成分とする酸化鉄含有物質としては、製鉄所の酸性排水処理工程(アルカリによる中和処理設備)から発生する中和スラッジ17を使用した。本発明例において対象とした中和スラッジ17の分析値を表3に示す。なお、この中和スラッジ17は脱水機(フィルタープレス)によって処理された後の性状である。また、表中の単位[質量%−dry]とは、付着水分を除いた重量(結晶水は含む)をベースとした場合の、各成分の質量割合を示している(以下同様)。更には、中和スラッジ17の平均粒径は30μmであった。
(Example 2)
According to the flow shown in FIG.
As the iron oxide-containing substance mainly composed of hematite, neutralized
中和スラッジ17(1t)を乾燥機18によって処理して付着水を除去した後の乾燥中和スラッジ19を気泡流動層タイプのガス還元リアクター2において処理した。また還元剤として高炉から発生する高炉ダスト20(110kg、鉄の還元に必要な当量に対して1.3倍の炭素量に相当)を乾燥中和スラッジ19と共にガス還元リアクター2へ投入した。高炉ダスト20の分析値を表4に示す。また、高炉ダスト20の平均粒径は25μmであった。
The neutralized sludge 17 (1 t) was treated by the dryer 18 to remove the adhering water, and then the dried neutralized
還元ガス3としては、常温(25℃)のBFG4(高炉ガス)1000Nm3を部分酸化器5において予め空気予熱器で排ガスと熱交換することによって600℃まで加熱された空気6(350Nm3)と反応させることによって製造した1000℃の還元ガス3(1280Nm3)を用いた。表5にそれぞれのガス性状について示す。
As the reducing
ガス還元リアクター2からは、鉄の還元率11%(鉄分子(トータルFe)の内の99質量%がマグネタイトとして、1質量%がヘマタイトとして混合している状態)の部分還元鉄含有物質7が340kg回収された。なお、ガス還元リアクター2内における粒子平均滞在時間は15分であった。
From the
この部分還元鉄含有物質7はマイクロ波還元リアクター10へ導入され、窒素雰囲気の中、周波数2.450GHzのマイクロ波をマイクロ波発振機11から照射したところ、10分間で1300℃まで急速昇温し、そのままの温度で1時間加熱することによって、金属鉄までの還元を行った。なお、温度測定には熱電対を用い、粉体試料と熱電対測温部が充分接触した状態にて行った。
This partially reduced iron-containing
マイクロ波加熱後には鉄の還元率が98%(金属化率97%)である金属鉄原料12が240kg生成した。中和スラッジ17中に含有されていた塩素分は一連の還元工程において除去され、金属鉄原料12中には含有されていなかった。また、中和スラッジ中に含有されていた酸化ニッケルに関しても還元され、その金属化率は97%であった。この金属鉄原料12は、製鉄所内の転炉へ投入することによって、製鉄原料として利用した。
After microwave heating, 240 kg of metallic iron raw material 12 having an iron reduction rate of 98% (metalization rate of 97%) was produced. The chlorine content contained in the neutralized
(比較例1)
図4に示したフローに従って、比較例を実施した。
ヘマタイトを主成分とする酸化鉄含有物質としては、褐鉄鉱(ピソライト鉱石)の一種であるローブリバー粉鉱石13を使用した。なお、ローブリバー粉鉱石13の付着水は4質量%、結晶水は8質量%(付着水除去ベース)、平均粒径は900μmであった。
(Comparative Example 1)
The comparative example was implemented according to the flow shown in FIG.
As the iron oxide-containing substance mainly composed of hematite, lobe river powder ore 13 which is a kind of limonite (pisolite ore) was used. In addition, the adhesion water of the lobe river powder ore 13 was 4 mass%, the crystallization water was 8 mass% (adhesion water removal base), and the average particle diameter was 900 micrometers.
ローブリバー粉鉱石13(1t)を循環流動床タイプのガス還元リアクター2において処理した。還元ガス3としては、常温(25℃)のBFG4(高炉ガス)1000Nm3を部分酸化器5において、予め空気予熱器14で排ガス8と熱交換することによって600℃まで加熱された空気6(350Nm3)と反応させることによって製造した1000℃の還元ガス3(1280Nm3)を用いた。表6にそれぞれのガス性状について示す。
Robliber powder ore 13 (1 t) was treated in a circulating fluidized bed type
ガス還元リアクター2内の粒子平均滞在時間は90分としたが、回収された部分還元鉄含有物質7(840kg)の還元率は15%にすぎなかった。
The average particle residence time in the
(比較例2)
図5に示したフローに従って、比較例を実施した。
ヘマタイトを主成分とする酸化鉄含有物質としては、製鉄所の酸性排水処理工程(アルカリによる中和処理設備)から発生する中和スラッジ17を使用した。本比較例において対象とした中和スラッジ17の分析値を表7に示す。なお、この中和スラッジ17は脱水機(フィルタープレス)によって処理された後の性状である。また、表中の単位[質量%−dry]とは、付着水分を除いた重量(結晶水は含む)をベースとした場合の、各成分の質量割合を示している(以下同様)。更には、中和スラッジ17の平均粒径は30μmであった。
(Comparative Example 2)
The comparative example was implemented according to the flow shown in FIG.
As the iron oxide-containing substance mainly composed of hematite, neutralized
中和スラッジ17(1t)を乾燥機18によって処理して付着水を除去した後の乾燥中和スラッジ19を、還元剤たる高炉から発生する高炉ダスト20(110kg、鉄の還元に必要な当量に対して1.3倍の炭素量に相当)とミキサー15にて混合後、直接マイクロ波還元リアクター10へと導入した。高炉ダスト20の分析値を表8に示す。また、高炉ダスト20の平均粒径は25μmであった。
After the neutralized sludge 17 (1 t) is treated by the dryer 18 to remove the adhering water, the dried neutralized
マイクロ波還元リアクター10においては、窒素雰囲気の中、周波数2.450GHzのマイクロ波をマイクロ波発振機11から照射したが、1300℃に昇温するまでに1.5時間を要した。その後、そのままの温度で1時間加熱することによって、スラッジ中に含有されるヘマタイトを金属鉄にまで還元した。なお、温度測定には熱電対を用い、粉体試料と熱電対測温部が充分接触した状態にて行った。
In the
マイクロ波加熱後には鉄の還元率が98%である金属鉄原料12が240kg生成した。また、中和スラッジ17中に含有されていた塩素分はマイクロ波還元工程において除去され、金属鉄原料12中には含有されていなかった。しかし処理時間に関しては、実施例(ガス還元15分+マイクロ波還元70分=合計85分)よりも大幅に増加(マイクロ波還元150分)し、それに付随して電力消費量も増加した。
After microwave heating, 240 kg of metallic iron raw material 12 with an iron reduction rate of 98% was produced. Further, the chlorine content contained in the neutralized
1 酸化鉄含有物質
2 ガス還元リアクター
3 還元ガス
4 BFG
5 部分酸化器
6 空気
7 部分還元鉄含有物質
8 排ガス
9 還元剤
10 マイクロ波加熱リアクター
11 マイクロ波発振機
12 金属鉄原料
13 ローブリバー粉鉱石
14 空気予熱器
15 ミキサー
16 粉コークス
17 中和スラッジ
18 乾燥機
19 乾燥中和スラッジ
20 高炉ダスト
1 Iron oxide-containing
5
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