JPH03277710A - 溶融還元による製鉄法 - 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、高炉によることなく、溶銑のような鉄−炭素
合金、特にリンのような不純物が少ないものを製造する
ための方法に関する。

（従来の技術） 鉄鉱石から溶銑を製造する方法としては、現在、高炉法
が用いられている。それは量産法として優れた方法であ
るためだが、炭材として、いわゆる原料炭と呼ばれる特
殊な石炭を用い、それを乾溜して得られる強度の大きな
コークスを必要とすること、また、溶銑の製造工程で大
部分のリンが還元されてメタル中に入るので、溶鋼を製
造するいずれかの段階で必ず脱リンを行なわなければな
らないことが問題である。

このような問題点を解決するために、溶融還元法という
名称で呼ばれる一部の新製鉄性の研究が行なわれている
。その中でもガスを上底吹きできる、例えば転炉のよう
な反応容器を用い、鉄鉱石あるいはその予備還元物と炭
材とを投入しながら酸素を上吹きする方法は、生産性の
大きさから見て、現行高炉法にとって代るのに最も可能
性の大きいものの一つにあげられている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、この方法も実用プロセスとなるためには、次の
５つの問題点を解決する必要があるとされている。

（１）鉄の歩留りを上げること （２）炭材の原単位を下げること （３）耐火物の原単位を下げること （４）生成する鉄−炭素合金が、現在要求されているよ
うな高純度溶鋼を製造する際に、後続の製鋼工程も含め
てコスト低減に対し、より適したものとなること （５）スラグなどの副生物が環境などに悪影響を及ぼさ
ないようにするための工程費用が小さいこと。

そこで上記（１）〜（５）の課題を解決するための着眼
点は次の通りである。

（］）鉄分歩留り低下の原因になっているのは、飛散ダ
スト、スラグ中に混入する鉄分（酸化鉄および粒鉄）、
操業中に炉外に飛びだすものなどであるが、それらの量
を低減する。

（２）炭材原単位を低減するための方策は、物質および
熱バランスで決まってくる必要量を満たす最少レベルの
炭材量まで下げること、および炉外に無駄に持ち出され
る炭材量を減らすことである。

（３）耐火物の原単位を下げるための方策は、酸素原単
位を低減すること、スラグ組成を耐火物と反応しにくい
ものとすること、耐火物の表面温度を低下させることな
どである。

（４）昨今需要が増している高純度鋼を製造する上で、
好ましい鉄−炭素合金の成分としては、リン、硫黄、窒
素の含有量が低いこと、できればそれを除去するための
工程の一つを省ける程度に低いことが望ましい。

（５）スラグなどの副生物については、利用する場合に
はその条件を満足するように、また廃棄する場合には環
境条件を満足するように処理する際の費用を低減する。

これらの要求のいくつかは相互に矛盾している。

例えば、炭材原単位を下げるためには、二次燃焼率を高
めると良いが、それはガス温度を高めることになり、耐
火物にとっては厳しい条件となる。

また、鉄−炭素合金のリン含有量低減条件（スラグのＴ
、Ｆｅを上げる、温度をさげる）などは、硫黄含有量を
下げる条件と相反する。

本発明は、これらの課題の総合的な解決を、特に使用炭
材の特性に着目して系統的に検討した結果得られたもの
である。

（課題を解決するための手段） ガスを上底吹きできる反応容器を用い、鉄酸化物を含む
鉄原料と炭材を添加しながら酸素を上吹きして溶融還元
を行なう炭素含有鉄合金の製造工程において、前記（１
）〜（５）の課題を総合的に解決する手段は、灰分含有
量が４％以下、硫黄含有量が０．３％以下である炭材を
用いることである。

また、吹酸時の操業条件として、溶融メタルの温度が１
３６０〜１４５０″Ｃの範囲になるように送酸速度と原
料の添加速度を調整し、スラグ層のＴ、Ｆｅ濃度が３〜
８％になるように底吹きガス量を調整し、かつ炭材に炉
外で加熱処理して揮発分の一部を除いたものを使用する
ことにより、メタルのＣ濃度を３．０％以上に調整する
という方法を実施すると、特にリンが低い鉄−炭素合金
を合理的に製造できる。

さらに上記の方法において、この溶融還元で用いる炭材
が褐炭を炉外で加熱処理したものであれば、特に好まし
い特性値が得られる。

以下に本発明の詳細を作用と共に述べる。

（作　用） 第１図は本発明の実施に用いる設備の一例を示す。ガス
を上底吹き可能な、例えば転炉状の冶金炉で、酸素は上
吹きランスを通して吹き付けられる。ガス底吹きは溶融
物の攪拌のために行なわれ、通常、窒素ガスが用いられ
る。この底吹きがなければ、高い酸化鉄還元反応速度お
よび伝熱速度が得られず、本発明に必要とされる高い生
産性を得ることが出来ない。一方、この攪拌が強くなり
過ぎると、酸素を吹いて炭材を燃焼させつつスラグ中に
含有されている酸化鉄の還元を行なうという本発明プロ
セスにおいて、酸化性雰囲気とメタルの接触を抑制する
という条件が乱されるので、例えば、酸素ジェットとメ
タルの接触反応によりダスト発生量が増加するなどの悪
影響が現れる。

したがって、酸素ガスを底吹きガスに混入できず、その
大半は上からランスを通して炉内に供給することになる
。

鉄原料は、鉄鉱石あるいはその予備還元物などの酸化鉄
を含有するものである。上で述べたのと同じ理由で、鉄
原料は例えば粉状のものであっても、溶融層へのインジ
ェクションではなく上から投入することが望ましい。

フラックスとしては生石灰などが添加される。

以上のような条件で、各種の炭材を用いて試験を行なっ
たところ、操業成績に対して炭材の特性値のうち灰分含
有蓋と硫黄含有量が顕著な影響を及ぼすことが分かった
。

第２図は鉄分歩留りに及ぼす炭材の硫黄含有量の影響を
示す。硫黄含有量０．３％以下では鉄分歩留りが安定し
て高いことが分かる。これは、硫黄含有量が低いと、バ
ブバースト起因のメタルダスト生成が減ること、スラグ
内に懸濁してロスになるメタル量が減る傾向にあること
、また、鉄を含有するスラグの飛びたしが減ることなど
が総合的に作用したものと思われる。

第３図は鉄分歩留りに及ぼす炭材の灰分含有量の影響を
示す。灰分含有量が減るほど、特に４％以下では鉄分歩
留りが高くなることが分かる。

第４図は炭材原単位に及ぼす炭材の灰分含有量の影響を
示す。灰分含有量が増えると炭材原単位が高くなる傾向
にある。灰分が多いと炭材とスラグの分離性が悪くなる
ので、出滓時にスラグと一緒に炉外に出る炭材が増える
ことが主原因である。

第５図は炭材原単位に及ぼす炭材の硫黄含有量の影響を
示す。硫黄含有量が増加すると二次燃焼率が低下する傾
向があるため炭材原単位が高くなる。

第６図は炭材原単位に及ぼす炭材すなわち石炭のＶＭ（
揮発分）含有量の影響を示す。この図から、溶融還元炉
の場合、固定炭素必要量で炭材原単位が決まる領域では
ＶＭ含有量が多いほど（すなわち、固定炭素含有量が減
るほど）炭材原単位が増加する理由が判る。

第７図は耐火物（この場合はＡ７２０３−Ｃ系を使用）
原単位に及ぼす炭材の硫黄含有量の影響を示す。硫黄含
有量が増えるほど耐火物原単位も高くなる。それは、硫
黄に鉄酸化物の還元反応速度を引き下げる作用があるの
で、同一の生産性を維持しようとすれば、スラグ中Ｔ、
Ｆｅの高いレベルで溶融還元反応が進行する。そのため
、耐火物の損耗防止には不利である。というのはＴ、Ｆ
ｅが耐火物中の炭素の酸化とＡ／２０．との反応による
低融点化の両面から耐火物損耗に作用するからである。

第８図は耐火物原単位に及ぼす炭材の灰分含有量の影響
を示す。耐火物原単位は灰分が多いほど増加する傾向が
認められる。その機構としては、炭材表面での還元反応
速度が低下してスラグのＴ、Ｆｅが高くなることがあげ
られる。

第９図はメタル中の硫黄含有量に及ぼす炭材の硫黄含有
量の影響を示す。この図からも推定できるように、系内
に持ち込まれる硫黄の大半は炭材によるものである。一
方、リンの大半は鉄鉱石によって系内に持ち込まれる。

詳細は後述するが、溶融還元工程でのリンの除去機能は
操業条件、特にスラグのＴ、Ｆｅと操業温度の設定値に
よって決まる。このようにリンの除去は、操業方法の選
定により効率的に行えるので、炭材からの持ち込み硫黄
さえ少なければ、リンと硫黄の両条件を満足できる。

第１０図はメタルの窒素含有量に及ぼす炭材の硫黄含有
量の影響を示す。本発明を実施する上での基本的条件で
ある底吹きガスによる攪拌については、窒素が最も好ま
しいガス種であることを述べたが、メタルの窒素含有量
をいくらにできるかが問題である。第１０図によれば炭
材の硫黄含有量が低くなると、窒素ガス吹込みを行って
もメタルの窒素含有量は低下できることが分かる。溶融
還元工程では吹込んだ窒素ガスによる吸窒とＣＯガス発
生に伴う脱窒が並行して進行し、そのバランスによって
メタルの窒素レベルが決まるが、炭材の硫黄含有量が少
ないと、脱窒促進効果によってメタルの窒素レベルが低
下すると考えられる。

最後にスラグについては、環境面から見てどこまで許容
されるかが時と場所によって決まるが、原則としては、
溶融還元工程で生成したものを炉外で処理（例えば、還
元してＴ、Ｆｅを低減する）すべきものと考える。この
考え方に立てば生成スラグ量が少ないほど、すなわち、
炭材の灰分含有量が少ないほど、処理コスト（例えば、
Ｔ、Ｆｅ低減のために用いる電力）が低下するので有利
である。また、スラグの硫黄含有量が使用炭材の硫黄含
有量低下によって減少すれば、背水発生などの問題も回
避できるメリットがあり、より処理コスト低減に寄与す
る。

以上のような溶融還元工程の特性値に及ぼす影響をまと
めると、諸図面からもわかるように、炭材について灰分
含有量が４％以下、硫黄含有量が０．３％以下という組
合せのものを使用することが必要条件である。

このように、炭材の灰分含有量が４％以下、硫黄含有量
が０．３％以下という条件を同時に満足すれば、溶融還
元の特性値が向上することが分かったが、そのような炭
材を用いて、さらに優れた特性値が得られるような操業
条件を検討し、次のような結果を得た。

溶融物の温度は、例えばサブランスをメタル層に挿入し
て測定することができるが、その値が１３６０〜１４５
０℃の範囲になるように鉄原料の供給速度を調整するこ
とが望ましい。この値が１４５０℃を越えると、第１１
図に示すようにメタルのＰ濃度を十分に低減することが
出来ず、本発明の目的にかなわない。一方、その温度が
１３６０℃未満になると操業が不安定になって好ましく
ない。

スラグの酸化鉄濃度、すなわち、Ｔ、Ｆｅは、鉄原料か
らの酸化鉄の供給速度とスラグ中の酸化鉄の還元速度の
バランスによって決まる。酸化鉄の供給速度は生産性と
いう因子で決まるので、結局Ｔ、Ｆｅは還元速度、すな
わち底吹きガス量によって決まることになる。本発明に
おいてスラグのＴ、Ｆｅ濃度は３％以上、８％以下に調
整することが望ましい。何故ならば、第１２図に示すよ
うにＴ、Ｆｅが３％未満だとメタルのＰ濃度を十分に低
減出来ないからである。一方、Ｔ、Ｆｅが８％を越える
と、耐火物損耗速度が急上昇し、かつ操業についても、
異常フォーミングなどを起しやすくなり、不安定になる
からである。

このような条件を満足するために、底吹きガスは、炉内
に存在している単位メタル量当り５〜８ＯＮｍ’　／ｈ
　−ｔの範囲であることが適正である。そのガス種とし
ては窒素ガスが取扱い、作用効果、コストの点から最も
実用的である。

メタルのＣ濃度は炭材からメタルへの炭素の供給速度と
メタルからの炭素の除去速度、すなわち、メタル中Ｃと
酸化鉄あるいは酸化性雰囲気との反応速度の相対関係で
決まる。メタルへの炭素供給速度（正確には加炭速度）
はスラグ層の炭材とメタルの分布状態に依存する。この
うち、メタルの分布状態は底吹きガス量に依存する。一
方、炭材の分布は炭材の粒度分布に依存する。炭材はそ
の揮発分含有量によって、炉内で急速加熱されたときの
細粒化の程度が決まる。したがって、使用する石炭の揮
発分含有量で、炉内での粒度分布、すなわち、メタルへ
の加炭速度が調整できる。

本発明において、メタルのＣ濃度は３％以上に保つ必要
がある。３％未満になると還元反応速度が低下して、ス
ラグのＴ、Ｆｅが高くなり、先に述べたＴ、Ｆｅが８％
以下という条件を高生産性の状態で満足しにく（なるこ
と、また、メタルの融点が上昇して、先に述べた低温操
業という条件を満足しにくくなることなどがその理由で
ある。

メタルのＣ濃度をこのような条件にするには、大型設備
の場合、炭材として、揮発分含有量ができれば５％以下
の炭材（例えば、コークスやチャーのように炉外で加熱
して揮発分を除去したもの）を、炭素量で少なくとも１
０％以上用いることが必要である。

スラグの組成は、鉱石、炭材などから持込まれるＳｉＯ
□、Ａｊ２０．　、ＭｇＯなどの成分に、フシックスと
してＣａＯ、ＭｇＯなどの成分を添加して調整される。

適正組成は、精錬能と上記の温度条件での安定操業性な
どを考慮して決められるが、例えば、〔（％ＣａＯ）　
＋　（％Ｍｇ０）　）　／　（（％Ｓｉｎｇ）　＋（％
Ａ７２０．　）　）の値で　１，０から１．４の範囲で
ある。

スラグ量は、酸素ジェットとメタルとを遮断してメタル
起因ダストの発生抑制に大きく影響する。

ダスト中のメタル起因のものの発生量を低下させるため
には、炉内に存在する単位メタル量当り３４０）ｃｇ／
を以上のスラグが必要である。この条件を満足させるた
めには、スラグの排出量を調整する。

生成したメタルとスラグは間歇的あるいは連続的に炉外
へ排出する。スラグとメタルは別々に排出してもあるい
は同時に排出しても良いが、いずれの場合にも炉外で比
重差を利用して分離され、メタルは次の工程で炭素など
の不純物を除去して溶鋼に精錬される。

上記の操業条件が満足されると、メタルのリン（Ｐ）濃
度を０．０１％以下にすることができ、後工程で実施し
ていた脱Ｐをこの溶融還元プロセスで行なうことになる
。これによって、溶鋼までの製造コストの低減あるいは
製品溶鋼の純度向上環の大きな効果が得られる。

以上のように、溶融還元工程において経済的に優れた特
性値を得るためには、炭材は灰分含有量が４％以下、硫
黄含有量が０．３％以下という両条件を同時に満足する
こと、さらに、操業条件との組合せでより優れた特性値
を得るための安定操業を行うには、少なくともその一部
を揮発分含有量が５％以下になるように、炉外で加熱処
理を行なって揮発分を除去する必要がある。

その後、このような条件を満足するように種々の石炭銘
柄について検討したところ、特に褐炭が適していること
がわかった。褐炭は、通常の高炉に使われるコークス用
石炭として性能的に用いることが出来ないものである。

また、いわゆる原料炭に比べるとはるかに安価であり、
また、資源的にも豊富であるので、灰分および硫黄含有
量についての前記条件を満足するものを見つけるのが容
易である。また、この褐炭をブリケントにし、炉外で加
熱してチャー化したものは、スラグとの反応性が優れて
いるので酸化鉄還元速度定数が大きくなり、スラグのＴ
、Ｆｅレベルを下げるので、前記問題点の（１）や（３
）などの面から通常の冶金用コークスを用いた場合より
も優れている。

このように本発明では、天分および硫黄含有量について
の条件を満足する褐炭を原料とし、それを炉外で加熱し
てチャー化したものを炭材として用いることが工業的に
最も有利であるといえる。

（実施例） 褐炭をブリケントにしたのち炉外で６００℃まで加熱し
てチャー化した炭材（第１表）を用い、第１図に示した
上底吹き溶融還元炉において第２表に示すような条件で
操業を行なった。その結果を第３表に示す。

（発明の効果） 本発明を実施することによって、現行高炉法の問題点を
解決する方法として開発研究されている溶融還元法の経
済性に関連する特性値を総合的に向上することができ、
経済的な面でも実用化を可能にするという点で、工業的
な意味が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するのに用いる設備の一例を示す
図、 第２図は鉄分歩留りに及ぼす炭材の硫黄含有量の影響を
示す図、 第３図は鉄分歩留りに及ぼす炭材の灰分含有量の影響を
示す図、 第４図は炭材原単位に及ぼす炭材の灰分含有量の影響を
示す図、 第５図は炭材原単位に及ぼす炭材の硫黄含有量の影響を
示す図、 第６図は炭材原単位に及ぼす炭材のＶＭ含有量の影響を
示す図、 第７図は耐火物原単位に及ぼす炭材の硫黄含有量の影響
を示す図、 第８図は耐火物原単位に及ぼす炭材の灰分含有量の影響
を示す図、 第９圀はメタルの硫黄含有量に及ぼす炭材の硫黄含有量
の影響を示す図、 第１０図はメタルのＮ含有量に及ぼす炭材の硫黄含有量
の影響を示す図、 第１１図はメタルのＰ濃度に及ぼすメタル浴温度の影響
を示す図、 そして第１２図はメタルのＰ濃度に及ぼすスラグのＴ、
Ｆｅ濃度の影響を示す図である。 底吹き羽口 第３ 図 Ｍ材の灰分含有量 （％） 第 図 １虻ネｉの 灰分含有量 （％） 第 ５ 図 炭材のｍ、を含有量 （”／、） 第 図 炭材のＶＭ（ｓ発分）含有量 （′／、） 第 図 炭材の硫黄含有１ （％） 第 ８図 産月の灰分含有 量 （ａ／、） 第 ９ 図 炭＃の硫黄含有量 （％） 第１０図 　２ ４ ６ ８ ｆ、Ｏ ２ 、ａ１羽の硫黄含有量 （〃） 第１１図 ３６０ ／４００ ４５０ ｔ５θ０ ５５０ ６００ メロ５０ メ タル浴ｘｉ （”Ｃ） 第１２図 スラグのＴ、Ｆｅ （％）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガスを上底吹きできる反応容器を用い、鉄酸化物
   を含む鉄原料と炭材を添加しながら酸素を上吹きして溶
   融還元を行なう炭素含有鉄合金の製造工程において、使
   用する炭材の灰分含有量が４％以下、硫黄含有量が０．
   ３％以下であることを特徴とする溶融還元による製鉄法
   。
2. （２）吹酸時の操業条件として、溶融メタルの温度が１
   ３６０〜１４５０℃の範囲になるように送酸速度と原料
   の添加速度を調整し、スラグ層のＴ．Ｆｅ濃度が３〜８
   ％になるように底吹きガス量を調整し、かつ炭材に炉外
   で加熱処理して揮発分の一部を除いたものを使用するこ
   とにより、メタルのＣ濃度を３．０％以上に調整するこ
   とを特徴とする請求項１記載の溶融還元による製鉄法。
3. （３）溶融還元で用いる炭材が褐炭を炉外で加熱処理し
   たものであることを特徴とする請求項２記載の溶融還元
   による製鉄法。