還元鉄の製造方法
【課題】 転炉スラッジを酸化養生することなく、直接事前処理して含炭成形体とし、これを充填層で対流伝熱により効率良く加熱・還元する方法を提供する。
【解決手段】 酸化鉄系ダスト類、および／または粉鉱石に、炭材ならびにバインダーを加え、混合調湿後にペレット、ブリケットまたは押し出し成型品に成型してなる含炭成型体を、乾燥した後に加熱処理することで還元鉄を製造する方法において、搬送機能を有する火格子上に、乾燥後の含炭成型体を連続的に供給し、該火格子上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ充填層を形成せしめ、かつ該火格子の搬送機能により該充填層を連続的に下流方向に移動させながら該火格子下部からＯ2 を含まない燃焼排ガスを、該火格子および該充填層を貫通して上向きに通過させることにより、含炭成型体を連続的に１０００〜１３５０℃に加熱処理して還元鉄とし、該火格子下流側末端に設けた排出部より、還元鉄を連続的に排出することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【解決手段】 酸化鉄系ダスト類、および／または粉鉱石に、炭材ならびにバインダーを加え、混合調湿後にペレット、ブリケットまたは押し出し成型品に成型してなる含炭成型体を、乾燥した後に加熱処理することで還元鉄を製造する方法において、搬送機能を有する火格子上に、乾燥後の含炭成型体を連続的に供給し、該火格子上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ充填層を形成せしめ、かつ該火格子の搬送機能により該充填層を連続的に下流方向に移動させながら該火格子下部からＯ2 を含まない燃焼排ガスを、該火格子および該充填層を貫通して上向きに通過させることにより、含炭成型体を連続的に１０００〜１３５０℃に加熱処理して還元鉄とし、該火格子下流側末端に設けた排出部より、還元鉄を連続的に排出することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一貫製鉄所で発生する、非燃焼式ガス処理装置で回収された転炉スラッジを原料とする、還元鉄の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、一貫製鉄所に設置されている酸素上吹き転炉では、吹錬にともなって発生する排ガス中のダスト量は原単位で１０ｋｇ／ｔ−ｓｔｅｅｌにも達するが、金属鉄と酸化鉄を主成分とし含有鉄分が高いため、湿式集塵法によって回収し鉄源として再利用されるのが普通である。湿式集塵された転炉ダストは、まず、一次沈殿槽で粗粒分を分離した後、微粒分がシックナーに注がれ、シックナー内で微粒の転炉ダストを沈殿させて、濃度が濃くなったものを脱水機で水分が２０〜２８％に脱水する。脱水物は微粒であるため、この水分レベルでは泥状を呈することから、通常は転炉スラッジと呼ばれている。
【０００３】
上記転炉スラッジは泥状を呈し取り扱いが非常に困難であり、鉄源として再利用するためには、何らかの手段を用いて水分量を低下させる必要がある。この目的のため、通常は、特開昭５１−１０１６６号公報（特許文献１）に開示しているように、転炉スラッジ中に含まれている１０〜２０％の金属鉄（Ｍ−Ｆｅ）と、６０〜７０％含まれるＦｅＯの酸化発熱を利用した、ヤードでの酸化養生法が採用されている。
【０００４】
この酸化養生法は、現在では次のとおり実施されている。すなわち、トラックまたはベルトコンベアで運ばれてくる転炉スラッジを、養生ヤード内に幅２〜３ｍ、高さ２〜３ｍ、長さ２０ｍ程度の山にショベルを使って積み上げ、３日程度そのまま養生する。その後、再びショベルを使って、直ぐ横の開きスペースに、天地返しをしながら横持ちし、同サイズの新たな山を築く。この山を３日程度養生した後に、再び、天地返しをしながら横持ちし新たな山を築く。このような作業を４〜５回繰り返した後、冷却するのを待って払い出す。
【０００５】
この一連の作業に掛かる期間は、持ち込み水分レベルやシーズンによって変化するが、夏場であればほぼ半月で完了し、２５％あった水分は１２％程度まで低下し、１５％あった金属鉄も５％程度まで低下して、ハンドリング性の良い状態となる。一方、転炉スラッジも酸化養生により水分が低下すれば、もはや泥状ではなくなるため、これを通常転炉微粒ダストと呼ばれている。
【０００６】
上記転炉スラッジを鉄源として再利用するに当たっては、水分を下げて転炉微粒ダストにすることの他に、もう一つ留意すべき課題がある。すなわち、転炉ではスクラップを使用しており、スクラップの中には亜鉛メッキ鋼板が混在していることから、この亜鉛が転炉微粒ダストの中に混入してくることになる。転炉でのスクラップ使用比率とスクラップ中の亜鉛含有率によって、転炉微粒ダストの亜鉛濃度は大きく変化するが、通常は０．２〜２．０％程度含有され、亜鉛濃度が低い場合には、焼結原料あるいは高炉用非焼成ペレット原料として再利用できるが、亜鉛濃度が高くなると高炉の炉壁に亜鉛系の付着物を形成させる原因になるため、高炉への装入亜鉛量は厳しく管理されている。従って、亜鉛含有量の高い転炉微粒ダストについては、全量資源化することは困難であり、埋め立て等により余剰分の処分を行わざるを得なかった。
【０００７】
このような問題に対処すべく、特開２００３−８９８２３号公報（特許文献２）に開示しているように、亜鉛含有量の高い転炉微粒ダストに、その他のダストおよび炭材を混合して成型体とし、回転炉床式還元炉で還元・脱亜鉛処理して還元鉄とした後、高炉で再利用する方法が近年提案され、実用化されている。この従来の回転炉床式還元炉を用いる方法（回転炉床法）を示す設備フローを図６に、回転炉床式還元炉の断面を図７に示す。
【０００８】
上記、図６に示すように、回転炉床法によるダスト還元設備としては、転炉微粒ダスト貯槽１、その他ダスト貯槽２、粉コークス貯槽３、バインダー貯槽４からなる原料の備蓄設備がある。さらに、ボールミル５、パンペレタイザー６、乾燥機７からなる原料事前処理設備があり、また、装入装置８、回転炉床式還元炉９、排出スクリユー１４があり、これには、排ガス１０、ボイラー・レキュペレーター１１、集塵機１２および煙突１３が付随している。符号１５は還元鉄クーラー、１６は成品ホッパーを示す。また、図７に示す回転炉床１７には、バーナー１９が配設され、１層に装入された成型体１８を輻射伝熱で加熱する構造となっている。
【０００９】
上述したような設備において、原料ダスト類を所定割合にて混合し、デイスク型ペレタイザー６にて生ペレットに造粒、乾燥機７にて乾燥した後、回転炉床１７上に１層の厚みで装入する。回転炉床１７では、１周１０分から２０分、温度１３００℃で還元して排出、ペレットクーラーにて冷却後、成品ホッパー１６へと搬送する。炉床上に装入されたペレットは、炉に設けたバーナー１９で輻射熱により加熱され、温度の上昇により内装炭材による還元反応が進行し、金属鉄の生成とともに還元された亜鉛はガス化し、系外に排出される。排ガス１０中で亜鉛は酸化されて酸化亜鉛となり、排ガス集塵機１２により２次
ダストとして回収される。
【００１０】
また、特開２００３−８２４１８号公報（特許文献３）に開示しているように、湿式集塵されてシックナー沈殿物として集められた転炉ダストを、スラリーの状態で抜き出し、これとその他のダストおよび炭材をスラリー混合槽で混合した後、脱水機で脱水し、その後、押し出し成型機で成型体とし、回転炉床式還元炉で還元・脱亜鉛処理する方法も提案され、実用化されている。
【特許文献１】特開昭５１−１０１６６号公報
【特許文献２】特開２００３−８９８２３号公報
【特許文献３】特開２００３−８２４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、転炉スラッジをヤードで酸化養生する際には、ハンドリング性を確保するために、水分を１２％程度まで低下させるが、ショベルによる作業であるため均一な混合は困難であり、１２％を下回る水分になる部分が必然的に生ずる。酸化養生完了後の転炉ダストは微粒であるため、少々の風でも水分の下がった部分は激しく発塵することから、酸化養生法は環境上問題がある。また、酸化養生中の山からは、絶えず水蒸気が立ち昇っており、景観上も好ましいものではない。また、酸化養生によって、１０〜２０％あった金属鉄が５％程度にまで再酸化されるわけで、せっかく溶鉱炉で酸化鉄を金属鉄に還元するのに費やされたエネルギーが無駄になるという側面も持つ。また、転炉微粒ダストを回転炉床式還元炉で還元・脱亜鉛処理する際にも、再酸化された部分を再び還元することになり、やはりエネルギーが余計にかかることになる。
【００１２】
一方、シックナー沈殿物として集められた転炉ダストを、スラリーの状態で抜き出し、酸化養生することなく、脱水・成型後に回転炉床式還元炉で還元・脱亜鉛処理する方式では、酸化養生ヤードでの環境上の問題も、エネルギーの無駄の問題もなくなることから、非常に優れた処理方式といえる。しかしながら、既存の一貫製鉄所の転炉から発生する大量の転炉ダストは、既存の数多くの脱水機で脱水処理されており、これら多数の脱水機を遊休化してまで、新規の脱水機を備えた回転炉床式還元炉で、転炉ダストの全量を還元・脱亜鉛処理することは、経済的に成立しないと考えられる。つまり、新たに転炉が建設される場合とか、既存の転炉の能力を増強した際の、増強分に見合った転炉ダストを処理する場合などに、適用範囲は限定されると考えられる。
【００１３】
また、前述したとおり、回転炉床式還元炉は、高亜鉛ダスト類の再資源化のためには有効なプロセスではあるが、ペレット等の成型体は回転炉床上に１層の厚みで装入され、炉に設けたバーナーで輻射伝熱により加熱される構造であることから、熱効率は決して高いとは言えず、必然的に排ガス量が多くなり、また１層で処理するため、炉床の面積も大きなものにならざるを得ないといった弱点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、本発明は、上述の問題点に鑑みなされたものであり、転炉スラッジを酸化養生することなく、直接事前処理して含炭成型体とし、これを充填層で対流伝熱により効率良く加熱・還元する手段を提供することにある。その要旨とするところは、
（１）酸化鉄系ダスト類、および／または粉鉱石に、炭材ならびにバインダーを加え、混合調湿後にペレット、ブリケットまたは押し出し成型品に成型してなる含炭成型体を、乾燥した後に加熱処理することで還元鉄を製造する方法において、搬送機能を有する火格子上に、乾燥後の含炭成型体を連続的に供給し、該火格子上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ充填層を形成せしめ、かつ該火格子の搬送機能により該充填層を連続的に下流方向に移動させながら該火格子下部からＯ2 を含まない燃焼排ガスを、該火格子および該充填層を貫通して上向きに通過させることにより、含炭成型体を連続的に１０００〜１３５０℃に加熱処理して還元鉄とし、火格子下流側末端に設けた排出部より、還元鉄を連続的に排出することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【００１５】
（２）含炭成型体の火格子上での滞留時間をＴとする時、含炭成型体を該火格子上で加熱開始した時点から０．１〜０．３Ｔの間、および加熱終了前０．１〜０．３Ｔの間は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを用いて含炭成型体の充填層を１０００〜１３５０℃に加熱し、一方、中間の０．８〜０．４Ｔの間は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスと予熱空気の混合ガスを用いて、含炭成型体の表面より発生するＣＯを燃焼させることにより、該充填層を１０００〜１３５０℃に加熱することを特徴とする請求項１記載の還元鉄の製造方法。
【００１６】
（３）転炉で湿式集塵法によって回収された、２０〜２８重量％の水分を持つ転炉スラッジに、還元剤としての炭材と、水分調整剤としての生石灰と、バインダーとしてのコーンスターチおよびベントナイトを添加して混合した後、押し出し成型機により含炭成型体に成型し、次いで、該含炭成型体を、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または余熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により水分１％以下まで乾燥する際、バインダーの添加量を調整することで、該含炭成型体の乾燥後強度を５ｋｇ／ｃｍ2 以上とした、請求項１または２記載の方法によって還元処理することを特徴とする、転炉スラッジを原料にした
還元鉄の製造方法。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか１で製造した還元鉄を、水中に投入して冷却した後、水中から取り出し、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または予熱したＮ2 ガス、またはＮ2雰囲気の外部加熱により水分０．３％以下にまで乾燥することを特徴とする、還元鉄の製造方法にある。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べたように、本発明により以下の効果を奏するものである。
（１）転炉スラッジを直接処理して還元鉄とすることで、ヤードでの酸化養生作業が不要となることから、環境上の問題が解消される。
（２）転炉スラッジの粒度分布は、０．８ミクロン以下が約５０％も存在する極めて微粒なものであることから、低温での還元・脱亜鉛が可能であり、その際、１０〜２０％含有する金属鉄をそのまま利用することができる。
【００１８】
（３）搬送機能を備えた火格子により、火格子上の成型体が撹拌されること、および、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを用いて、加熱・還元処理を行うと、成型体の表面の極薄い領域だけが再酸化されマグネタイトに変化すること、の二つの作用が相俟って、成型体の還元が進んでも成型体同士の固着が抑制される。従って、高層厚の充填層を採用することができる。
（４）成型体の表面が再酸化されることで、還元鉄の金属化率は低下するが、もともと１０〜２０％の金属鉄を含有していることから、最終的なグロスの金属化率を高く維持することができる。
【００１９】
（５）高層厚の充填層とすることで、回転炉床式還元炉に比べて、炉床面積を大幅に小さくすることができる。回転炉床式還元炉の装入厚を１層で１ｃｍ、本発明の装入厚を２５ｃｍとすれば、本発明では回転炉床式還元炉の炉床面積の１／２５で済むことになる。（６）高層厚の充填層を貫通する形で加熱ガスを流し、対流伝熱で加熱することから、回転炉床式還元炉で成型体の１層を、バーナーで輻射伝熱により加熱する場合に比べて、熱効率は２倍以上に改善されることから、還元炉の排ガス量を大幅に低減できる。
【００２０】
（７）火格子の中間帯で加熱ガスに空気を導入し、成型体から発生するＣＯを充填層内で燃焼させ、その燃焼熱を充填層に着熱させることで、還元炉の排ガス量を更に低減できる。
（８）還元の完了した粒子状還元鉄は、表面がマグネタイトの皮膜で覆われていることから、水中に投入しても水と高温の金属鉄との反応によるＨ2 の生成が抑制されるため、水中投入という簡便な冷却方法を採用することができる。
【００２１】
なお、上記の（２）は低温での還元・脱亜鉛により、燃料原単位と排ガス量の低減を可能とするものであり、（３）、（５）、（６）、（７）は還元炉設備の高効率化による小型化と排ガス量の低減を可能にするものである。また、（８）は簡便な冷却方式の採用により、設備費の低減を可能とするものである。
以上を総合すれば、本発明により、排ガス量、燃料原単位、設置面積、設備費をともに、回転炉床式還元設備に比べて大幅に改善ないしは低減した、コンパクトな転炉スラッジの還元・脱亜鉛設備を提供することが可能となる。
【００２２】
また、既存の一貫製鉄所では、新たな設備を設置しようとしても、電気、水道、ガス、蒸気等のインフラが自由に使えるような場所を確保することは、難しくなっているのが現状である。製鉄所の中の辺縁部に、場所が確保できたとしても、インフラを整備するための費用が、設備の建設費に上乗せされることから、設備の建設が経済的に困難になることも起こりうる。その点、本発明になる還元・脱亜鉛設備は、極めてコンパクトであることから、５０００ｍ2 前後の現状の酸化養生ヤード面積の中に、充分建設することが可能で、インフラに余計な投資をする必要がない等極めて優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る転炉スラッジを原料にした還元鉄の製造工程を示す図である。高水分で泥状の転炉スラッジは、ロードセル付の混合機にショベルで投入し、この投入量と事前に測定しておいた化学分析値および水分値をもとに、所定量の炭材と生石灰とバインダーを切り出して、混合機に装入する。炭材は還元剤であり、Ｃ当量で０．７〜１．３の範囲で添加する。ここで、Ｃ当量とは、下記化学式（１）、（２）に基づく理論炭素量に対する比率で、転炉スラッジの酸化鉄が全量Ｆｅ3 Ｏ4 とすれば、Ｆｅ3 Ｏ4 の１モルを還元して３倍の金属鉄を得るためには、４倍のＣが必要で、これが理論炭素量である。理論炭素量の０．７〜１．３倍のＣを添加するという意味である。
【００２４】
Ｆｅ2 Ｏ3 ＋３Ｃ→２Ｆｅ＋３ＣＯ … （１）
Ｆｅ3 Ｏ4 ＋４Ｃ→３Ｆｅ＋４ＣＯ … （２）
生石灰は水分調整剤であり、成型体の水分が２０〜２５％となるように添加する。バインダーはコーンスターチおよびベントナイトで、成型体の乾燥後強度が５ｋｇ／ｃｍ2 以上となるように添加する。成型体の乾燥後強度が５ｋｇ／ｃｍ2 未満では、ハンドリングおよび火格子上での攪拌による粉化が激しくなり、還元炉での連続作業に支障を与えるからである。また、必要に応じて、高亜鉛の転炉環境集塵ダスト、あるいは高亜鉛の高炉２次灰を配合することも可能である。混合機はバッチ運転で、混合後の配合原料は中継槽を経て、押出成型機で含炭成型体に成型される。成型体は、還元炉に装入した際の爆裂を防止するため、水分が１％以下となるよう事前に乾燥しておく。転炉スラッジが１０〜２０％の金属鉄を含有することから、空気との反応による発熱を回避するため、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または余熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により乾燥を行なう。
【００２５】
図２は、充填層式還元炉を示す図である。乾燥後の含炭成型体２０を、搬送機能を備えかつ耐熱性を有する火格子２３上に連続的に供給し、該火格子２３上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ含炭成型体の充填層２１を形成せしめ、かつ該火格子２３の搬送機能により該含炭成型体の充填層２１を連続的に下流方向に移動させる。該火格子２３下部からは、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス２４を、該火格子２３および該充填層を貫通して上向きに通過させることにより、含炭成型体２０を連続的に１０００〜１３５０℃に加熱処理して還元鉄２２とし、搬送機能付き耐熱火格子下流側末端に設けた排出部より、還元鉄２２を連続的に排出するものである。
【００２６】
なお、耐熱性を確保するために火格子は水冷式とするのが望ましい。符号２５はＯ2 を含まない燃焼排ガスの流れを示し、２６は風箱を示す。また、含炭成型体の加熱温度を１０００〜１３５０℃としたのは、１０００℃未満では含炭成型体の乾燥品を還元した場合に還元鉄になる比率が低く、また、１３５０℃を超えると成形体同士が融着状態となり、かつコストアップとなることから、その範囲を１０００〜１３５０℃とした。さらに、火格子上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ含炭成型体の充填層を形成させた理由は、１０ｃｍ未満では対流伝熱の熱効率の良さが発揮できないこと、また、１００ｃｍを超えると、充填層の圧損が大きくなり過ぎることから、その範囲を１０〜１００ｃｍとした。
【００２７】
図３は、搬送機能付き耐熱火格子の搬送機能の一例を示す図である。該火格子２３は、固定段２７と可動段２８が一段ごとに階段状に設けられており、可動段２８は駆動機構により前進と後退を繰り返す構造となっている。可動段２８が前進する時に、固定段２７上の成型体を可動段２８の前面で押しやると、成型体は落下して次の可動段２８の上に乗り、可動段２８が後退する時に、可動段２８上の成型体が落下し、次の固定段２７の上に乗ることになる。前進と後退を繰り返すことにより、成型体を順次ずり落とし、適度に撹拌しつつ、下流側に移動させることができる。
【００２８】
図４は、酸素を含まない燃焼排ガスを用いて還元した、還元鉄の一粒の断面を示す図である。多くの還元鉄試料の断面を顕微鏡観察した結果、還元鉄２２の表面はマグネタイトまで再酸化されており、マグネタイト被膜２９の厚みは２００〜５００ミクロンであることが判明した。このマグネタイト被膜２９は緻密であり、このことと、上記の搬送機能付き耐熱火格子による成型体充填層の適度な撹拌とが相俟って、成型体の還元が進んでも、成型体同士の固着が抑制される。
【００２９】
図５は、含炭成型体を加熱した時の、成型体から発生するＣＯの時間推移を示す図である。加熱開始からやや遅れてＣＯが発生し始め、その後急激に発生量は増加し、加熱処理期間の前半でピークを迎えて後、徐々に発生量は低下してゆく。発明者等は、ＣＯが成型体表面から噴出する速度はかなり速いことから、ＣＯの発生量が多い期間は、燃焼排ガスに空気を混入しても、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを用いた時に比べて、再酸化は僅かしか増加しないことを見出した。
【００３０】
図５の上半分は、この知見に基づいて発明したもので、加熱開始から終了までの加熱処理期間をＴとした時、ＣＯの発生の少ない初期の０．１〜０．３Ｔの期間に対応したＡゾーンと、同じくＣＯの発生の少ない末期の０．１〜０．３Ｔの期間に対応したＣゾーンでは、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス２４を用いて加熱し、ＣＯの発生量が多い中間期の０．８〜０．４Ｔの期間に対応したＢゾーンでは、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスと予熱空気の混合ガス３１を用いて、含炭成型体の表面より発生するＣＯを燃焼させ、充填層の上層部に、その燃焼熱を着熱させることを狙ったものである。予熱空気を混入した分、加熱用の燃焼排ガスを減らすことができることから、還元炉の総排ガス量を低減することが可能となる。上記の方法によれば、空気を混入しても、成型体の表面の再酸化はマグネタイトで留まり、ヘマタイトまで酸化されることはない。なお、０．１〜０．３Ｔと幅を持たせたのは、層高方向での加熱具合の時間差、炭材の種類あるいは粒度等によるバラツキを考慮したものである。また、符号３０はＣＯ発生量の経時変化を示す。
【００３１】
高温の金属鉄は水と反応するとＨ2 を発生するため、工業的には、還元鉄の冷却に水は使用されていなかったが、本発明によって製造した還元鉄の粒子は、緻密なマグネタイト被膜で覆われているため、水中に投入して冷却することが可能となった。冷却後は、水中から取り出した後、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または予熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により、水分を０．３％以下にまで乾燥し冷却した上で、成品槽に貯蔵する。水分を０．３％以下とした理由は、例え０．１％以下まで乾燥したとしても、大気中で保存すれば、大気中の湿分を吸着して、０．３％程度まで水分が上昇することがあること、および０．３％以下の水分レベルで、例えば１年間の長期にわたって保存しても、なんら問題がないことから、その上限を０．３％以下とした。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に、転炉スラッジをＮ2 気流中で乾燥した未酸化養生品（表１のＡ）と酸化養生品（表１のＢ）の化学成分を比較して示した。ＡとＢは転炉での発生日時が異なるため、厳密な対比はできないが、酸化養生によって、１２％強あった金属鉄（Ｍ−Ｆｅ）が４％強にまで低下することがわかる。
【００３３】
表２に、上記の２種類の原料を用いて、オフラインで還元試験を実施した結果を示した。含炭成型体は、上記原料に炭材として無煙炭をＣ当量が１．０となるように添加し、よく混合した後、タブレット成型機で作成し、Ｎ2 気流中で還元試験を実施した。表から明らかな通り、還元温度が１３００℃と高い場合には、両者の間で、還元率に大きな差はないが、１０００℃の低温では、未酸化養生品の方が遥かに還元率が高いことが分かる。また、ＧＲＯＳＳの金属化率は、１０００℃では８５．３％と６９．４％、１３００℃では９１．１％と８９．３％で、Ａの方がＢより高くなっており、原料中の金属鉄の含有率の差が反映された結果となっている。なお、ＧＲＯＳＳとＮＥＴの金属化率の定義を（３）、（４）式で示した。
【００３４】
（還元後のＭ−Ｆｅ）／（還元後のＴ−Ｆｅ）（％） … （３）
｛［（還元後のＭ−Ｆｅ×還元後質量）−（還元前のＭ−Ｆｅ×還元前質量）］／
（還元後質量）｝／（還元後のＴ−Ｆｅ）（％） … （４）
【００３５】
【表１】
【００３６】
【表２】
【００３７】
【表３】
表３に、実機操業試験に用いた、含炭成型体の原料配合割合、および配合原料水分（成型水分と同じ）、成型体の乾燥後強度を示した。
【００３８】
表３に示すように、転炉スラッジの水分は２６％であったが、生石灰を４．０％添加することで、配合原料水分は２２．５％まで低下させることができ、バインダーの添加の効果もあって、押出し成型機により良好な含炭成型体が製造できた。また、バインダー添加により、成型体乾燥後強度は７．２ｋｇ／ｃｍ2 が得られ、基準値の５ｋｇ／ｃｍ2 を達成できた。５ｋｇ／ｃｍ2 という基準値は、ハンドリングおよび火格子上での攪拌による粉化を抑えるのに必要な強度である。ｋｇ／Ｐは成型体１個当たりの強度である。
【００３９】
【表４】
表４に、表３で示した含炭成型体を用いて実施した、操業試験結果を示した。
【００４０】
表４に示す操業試験結果は、以下の操業条件で得られたものである。
火格子のサイズ：１ｍ幅×８ｍ長×２５ｃｍ高、含炭成型体処理速度：１０．４ｔ／ｈ、燃料：ＣＯＧ、排ガス：Ｏ2 を含まない排ガスとＯ2 を含む排ガスの両ケース、Ｏ2 を含む排ガスの場合はＡゾーン：Ｂゾーン：Ｃゾーン＝０．２：０．５：０．３、Ｏ2 濃度：４％、充填層熱処理温度：１１５０℃とした。
【００４１】
表４から明らかなとおり、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスで還元した結果は、ＧＲＯＳＳの金属化率が８３．７、脱亜鉛率が９９．６％で、満足のできる結果であった。Ｂゾーンに空気を導入して還元した結果は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスで還元した場合に比べて、やや劣るものの、８０．１％の金属化率が得られ、実用的に問題のない水準であった。ＮＥＴの金属化率は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスで還元した場合が６８．８％、Ｂゾーンに空気を導入して還元した場合が６５．１％と、いずれもそれほど高くはないが、原料中の金属鉄が１２．２８％あり、これが還元に伴って酸素、Ｃ、Ｚｎがなくなった結果、１５％程度に濃縮されてＮＥＴの金属化率に上乗せされ、これがＧＲＯＳＳの金属化率を大幅に押し上げたものである。このように、原料中に含有される金属鉄を温存することの効果は、極めて大きいことが分かる。
【００４２】
表５に、焼結用原料である豪州産マラマンバ系粉鉱石を使用した、オフラインでの還元試験結果を示した。鉱石は、−４４μが６０％程度となるように、事前にボールミルで粉砕した原料を使用し、Ｃ当量が１．０となるように粉コークスを加え混合後、ペレタイザーでペレットに成型した含炭成型体を還元試験に供した。試験条件は、還元温度：１３００℃、滞留時間：１５分、雰囲気：Ｎ2 単味、およびＯ2 を含まない燃焼排ガスの２水準で実施した。
【００４３】
【表５】
表５から明らかなとおり、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを使用すると、Ｎ2 雰囲気に比べて、還元率および金属化率はかなり低下するが、還元機能を持つ高炉の原料として使用するのであれば、高炉の還元剤比の低減や出銑比の増加に十分寄与できるものである。
【００４４】
以上述べたように、本発明により、高層厚の充填層で還元処理することが可能となり、従来の回転炉式還元炉に比べて、炉床面積を大幅に縮小することができ、それによる設備費の低減と還元炉設備の高効率化による小型化と排ガス量の低減、並びに低温での還元・脱亜鉛処理による燃料原単位、排ガス量の低減等を図ることができると共に、転炉スラッジが含有する１０〜２０％の金属鉄を有効処理することで高いＧＲＯＳＳの金属化率が得られ、さらに、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス使用による成形体表面層へのマグネタイト被膜形成により冷却方法の改善を図ることが出来る等極めて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る転炉スラッジを原料にした還元鉄の製造工程を示す図である。
【図２】充填層式還元炉を示す図である。
【図３】搬送機能付き耐熱火格子の搬送機能の一例を示す図である。
【図４】酸素を含まない燃焼排ガスを用いて還元した、還元鉄の一粒の断面を示す図である。
【図５】含炭成型体を加熱した時の、成型体から発生するＣＯの時間推移を示す図である。
【図６】従来の回転炉床式還元炉を用いる方法（回転炉床法）を示す設備フローである。
【図７】回転炉床式還元炉の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 転炉微粒ダスト貯槽
２ その他ダスト貯槽
３ 粉コークス貯槽
４ バインダー貯槽
５ ボールミル
６ パンペレタイザー
７ 乾燥機
８ 装入装置
９ 回転炉床式還元炉
１０ 排ガス
１１ ボイラー・レキュペレーター
１２ 集塵機
１３ 煙突
１４ 排出スクリユー
１５ 還元鉄クーラー
１６ 成品ホッパー
１７ 回転炉床
１８ 一層に装入された成型体
１９ バーナー
２０ 乾燥後の含炭成型体
２１ 含炭成型体の充填層
２２ 還元鉄
２３ 搬送機能付き耐熱火格子
２４ Ｏ2 を含まない燃焼排ガス
２５ Ｏ2 を含まない燃焼排ガスの流れ
２６ 風箱
２７ 固定段
２８ 可動段
２９ マグネタイト被膜
３０ ＣＯ発生量の経時変化
３１ Ｏ2 を含まない燃焼排ガスと予熱空気の混合ガス
特許出願人 株式会社 テツゲン
代理人 弁理士 椎 名 彊
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一貫製鉄所で発生する、非燃焼式ガス処理装置で回収された転炉スラッジを原料とする、還元鉄の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、一貫製鉄所に設置されている酸素上吹き転炉では、吹錬にともなって発生する排ガス中のダスト量は原単位で１０ｋｇ／ｔ−ｓｔｅｅｌにも達するが、金属鉄と酸化鉄を主成分とし含有鉄分が高いため、湿式集塵法によって回収し鉄源として再利用されるのが普通である。湿式集塵された転炉ダストは、まず、一次沈殿槽で粗粒分を分離した後、微粒分がシックナーに注がれ、シックナー内で微粒の転炉ダストを沈殿させて、濃度が濃くなったものを脱水機で水分が２０〜２８％に脱水する。脱水物は微粒であるため、この水分レベルでは泥状を呈することから、通常は転炉スラッジと呼ばれている。
【０００３】
上記転炉スラッジは泥状を呈し取り扱いが非常に困難であり、鉄源として再利用するためには、何らかの手段を用いて水分量を低下させる必要がある。この目的のため、通常は、特開昭５１−１０１６６号公報（特許文献１）に開示しているように、転炉スラッジ中に含まれている１０〜２０％の金属鉄（Ｍ−Ｆｅ）と、６０〜７０％含まれるＦｅＯの酸化発熱を利用した、ヤードでの酸化養生法が採用されている。
【０００４】
この酸化養生法は、現在では次のとおり実施されている。すなわち、トラックまたはベルトコンベアで運ばれてくる転炉スラッジを、養生ヤード内に幅２〜３ｍ、高さ２〜３ｍ、長さ２０ｍ程度の山にショベルを使って積み上げ、３日程度そのまま養生する。その後、再びショベルを使って、直ぐ横の開きスペースに、天地返しをしながら横持ちし、同サイズの新たな山を築く。この山を３日程度養生した後に、再び、天地返しをしながら横持ちし新たな山を築く。このような作業を４〜５回繰り返した後、冷却するのを待って払い出す。
【０００５】
この一連の作業に掛かる期間は、持ち込み水分レベルやシーズンによって変化するが、夏場であればほぼ半月で完了し、２５％あった水分は１２％程度まで低下し、１５％あった金属鉄も５％程度まで低下して、ハンドリング性の良い状態となる。一方、転炉スラッジも酸化養生により水分が低下すれば、もはや泥状ではなくなるため、これを通常転炉微粒ダストと呼ばれている。
【０００６】
上記転炉スラッジを鉄源として再利用するに当たっては、水分を下げて転炉微粒ダストにすることの他に、もう一つ留意すべき課題がある。すなわち、転炉ではスクラップを使用しており、スクラップの中には亜鉛メッキ鋼板が混在していることから、この亜鉛が転炉微粒ダストの中に混入してくることになる。転炉でのスクラップ使用比率とスクラップ中の亜鉛含有率によって、転炉微粒ダストの亜鉛濃度は大きく変化するが、通常は０．２〜２．０％程度含有され、亜鉛濃度が低い場合には、焼結原料あるいは高炉用非焼成ペレット原料として再利用できるが、亜鉛濃度が高くなると高炉の炉壁に亜鉛系の付着物を形成させる原因になるため、高炉への装入亜鉛量は厳しく管理されている。従って、亜鉛含有量の高い転炉微粒ダストについては、全量資源化することは困難であり、埋め立て等により余剰分の処分を行わざるを得なかった。
【０００７】
このような問題に対処すべく、特開２００３−８９８２３号公報（特許文献２）に開示しているように、亜鉛含有量の高い転炉微粒ダストに、その他のダストおよび炭材を混合して成型体とし、回転炉床式還元炉で還元・脱亜鉛処理して還元鉄とした後、高炉で再利用する方法が近年提案され、実用化されている。この従来の回転炉床式還元炉を用いる方法（回転炉床法）を示す設備フローを図６に、回転炉床式還元炉の断面を図７に示す。
【０００８】
上記、図６に示すように、回転炉床法によるダスト還元設備としては、転炉微粒ダスト貯槽１、その他ダスト貯槽２、粉コークス貯槽３、バインダー貯槽４からなる原料の備蓄設備がある。さらに、ボールミル５、パンペレタイザー６、乾燥機７からなる原料事前処理設備があり、また、装入装置８、回転炉床式還元炉９、排出スクリユー１４があり、これには、排ガス１０、ボイラー・レキュペレーター１１、集塵機１２および煙突１３が付随している。符号１５は還元鉄クーラー、１６は成品ホッパーを示す。また、図７に示す回転炉床１７には、バーナー１９が配設され、１層に装入された成型体１８を輻射伝熱で加熱する構造となっている。
【０００９】
上述したような設備において、原料ダスト類を所定割合にて混合し、デイスク型ペレタイザー６にて生ペレットに造粒、乾燥機７にて乾燥した後、回転炉床１７上に１層の厚みで装入する。回転炉床１７では、１周１０分から２０分、温度１３００℃で還元して排出、ペレットクーラーにて冷却後、成品ホッパー１６へと搬送する。炉床上に装入されたペレットは、炉に設けたバーナー１９で輻射熱により加熱され、温度の上昇により内装炭材による還元反応が進行し、金属鉄の生成とともに還元された亜鉛はガス化し、系外に排出される。排ガス１０中で亜鉛は酸化されて酸化亜鉛となり、排ガス集塵機１２により２次
ダストとして回収される。
【００１０】
また、特開２００３−８２４１８号公報（特許文献３）に開示しているように、湿式集塵されてシックナー沈殿物として集められた転炉ダストを、スラリーの状態で抜き出し、これとその他のダストおよび炭材をスラリー混合槽で混合した後、脱水機で脱水し、その後、押し出し成型機で成型体とし、回転炉床式還元炉で還元・脱亜鉛処理する方法も提案され、実用化されている。
【特許文献１】特開昭５１−１０１６６号公報
【特許文献２】特開２００３−８９８２３号公報
【特許文献３】特開２００３−８２４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、転炉スラッジをヤードで酸化養生する際には、ハンドリング性を確保するために、水分を１２％程度まで低下させるが、ショベルによる作業であるため均一な混合は困難であり、１２％を下回る水分になる部分が必然的に生ずる。酸化養生完了後の転炉ダストは微粒であるため、少々の風でも水分の下がった部分は激しく発塵することから、酸化養生法は環境上問題がある。また、酸化養生中の山からは、絶えず水蒸気が立ち昇っており、景観上も好ましいものではない。また、酸化養生によって、１０〜２０％あった金属鉄が５％程度にまで再酸化されるわけで、せっかく溶鉱炉で酸化鉄を金属鉄に還元するのに費やされたエネルギーが無駄になるという側面も持つ。また、転炉微粒ダストを回転炉床式還元炉で還元・脱亜鉛処理する際にも、再酸化された部分を再び還元することになり、やはりエネルギーが余計にかかることになる。
【００１２】
一方、シックナー沈殿物として集められた転炉ダストを、スラリーの状態で抜き出し、酸化養生することなく、脱水・成型後に回転炉床式還元炉で還元・脱亜鉛処理する方式では、酸化養生ヤードでの環境上の問題も、エネルギーの無駄の問題もなくなることから、非常に優れた処理方式といえる。しかしながら、既存の一貫製鉄所の転炉から発生する大量の転炉ダストは、既存の数多くの脱水機で脱水処理されており、これら多数の脱水機を遊休化してまで、新規の脱水機を備えた回転炉床式還元炉で、転炉ダストの全量を還元・脱亜鉛処理することは、経済的に成立しないと考えられる。つまり、新たに転炉が建設される場合とか、既存の転炉の能力を増強した際の、増強分に見合った転炉ダストを処理する場合などに、適用範囲は限定されると考えられる。
【００１３】
また、前述したとおり、回転炉床式還元炉は、高亜鉛ダスト類の再資源化のためには有効なプロセスではあるが、ペレット等の成型体は回転炉床上に１層の厚みで装入され、炉に設けたバーナーで輻射伝熱により加熱される構造であることから、熱効率は決して高いとは言えず、必然的に排ガス量が多くなり、また１層で処理するため、炉床の面積も大きなものにならざるを得ないといった弱点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、本発明は、上述の問題点に鑑みなされたものであり、転炉スラッジを酸化養生することなく、直接事前処理して含炭成型体とし、これを充填層で対流伝熱により効率良く加熱・還元する手段を提供することにある。その要旨とするところは、
（１）酸化鉄系ダスト類、および／または粉鉱石に、炭材ならびにバインダーを加え、混合調湿後にペレット、ブリケットまたは押し出し成型品に成型してなる含炭成型体を、乾燥した後に加熱処理することで還元鉄を製造する方法において、搬送機能を有する火格子上に、乾燥後の含炭成型体を連続的に供給し、該火格子上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ充填層を形成せしめ、かつ該火格子の搬送機能により該充填層を連続的に下流方向に移動させながら該火格子下部からＯ2 を含まない燃焼排ガスを、該火格子および該充填層を貫通して上向きに通過させることにより、含炭成型体を連続的に１０００〜１３５０℃に加熱処理して還元鉄とし、火格子下流側末端に設けた排出部より、還元鉄を連続的に排出することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【００１５】
（２）含炭成型体の火格子上での滞留時間をＴとする時、含炭成型体を該火格子上で加熱開始した時点から０．１〜０．３Ｔの間、および加熱終了前０．１〜０．３Ｔの間は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを用いて含炭成型体の充填層を１０００〜１３５０℃に加熱し、一方、中間の０．８〜０．４Ｔの間は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスと予熱空気の混合ガスを用いて、含炭成型体の表面より発生するＣＯを燃焼させることにより、該充填層を１０００〜１３５０℃に加熱することを特徴とする請求項１記載の還元鉄の製造方法。
【００１６】
（３）転炉で湿式集塵法によって回収された、２０〜２８重量％の水分を持つ転炉スラッジに、還元剤としての炭材と、水分調整剤としての生石灰と、バインダーとしてのコーンスターチおよびベントナイトを添加して混合した後、押し出し成型機により含炭成型体に成型し、次いで、該含炭成型体を、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または余熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により水分１％以下まで乾燥する際、バインダーの添加量を調整することで、該含炭成型体の乾燥後強度を５ｋｇ／ｃｍ2 以上とした、請求項１または２記載の方法によって還元処理することを特徴とする、転炉スラッジを原料にした
還元鉄の製造方法。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか１で製造した還元鉄を、水中に投入して冷却した後、水中から取り出し、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または予熱したＮ2 ガス、またはＮ2雰囲気の外部加熱により水分０．３％以下にまで乾燥することを特徴とする、還元鉄の製造方法にある。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べたように、本発明により以下の効果を奏するものである。
（１）転炉スラッジを直接処理して還元鉄とすることで、ヤードでの酸化養生作業が不要となることから、環境上の問題が解消される。
（２）転炉スラッジの粒度分布は、０．８ミクロン以下が約５０％も存在する極めて微粒なものであることから、低温での還元・脱亜鉛が可能であり、その際、１０〜２０％含有する金属鉄をそのまま利用することができる。
【００１８】
（３）搬送機能を備えた火格子により、火格子上の成型体が撹拌されること、および、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを用いて、加熱・還元処理を行うと、成型体の表面の極薄い領域だけが再酸化されマグネタイトに変化すること、の二つの作用が相俟って、成型体の還元が進んでも成型体同士の固着が抑制される。従って、高層厚の充填層を採用することができる。
（４）成型体の表面が再酸化されることで、還元鉄の金属化率は低下するが、もともと１０〜２０％の金属鉄を含有していることから、最終的なグロスの金属化率を高く維持することができる。
【００１９】
（５）高層厚の充填層とすることで、回転炉床式還元炉に比べて、炉床面積を大幅に小さくすることができる。回転炉床式還元炉の装入厚を１層で１ｃｍ、本発明の装入厚を２５ｃｍとすれば、本発明では回転炉床式還元炉の炉床面積の１／２５で済むことになる。（６）高層厚の充填層を貫通する形で加熱ガスを流し、対流伝熱で加熱することから、回転炉床式還元炉で成型体の１層を、バーナーで輻射伝熱により加熱する場合に比べて、熱効率は２倍以上に改善されることから、還元炉の排ガス量を大幅に低減できる。
【００２０】
（７）火格子の中間帯で加熱ガスに空気を導入し、成型体から発生するＣＯを充填層内で燃焼させ、その燃焼熱を充填層に着熱させることで、還元炉の排ガス量を更に低減できる。
（８）還元の完了した粒子状還元鉄は、表面がマグネタイトの皮膜で覆われていることから、水中に投入しても水と高温の金属鉄との反応によるＨ2 の生成が抑制されるため、水中投入という簡便な冷却方法を採用することができる。
【００２１】
なお、上記の（２）は低温での還元・脱亜鉛により、燃料原単位と排ガス量の低減を可能とするものであり、（３）、（５）、（６）、（７）は還元炉設備の高効率化による小型化と排ガス量の低減を可能にするものである。また、（８）は簡便な冷却方式の採用により、設備費の低減を可能とするものである。
以上を総合すれば、本発明により、排ガス量、燃料原単位、設置面積、設備費をともに、回転炉床式還元設備に比べて大幅に改善ないしは低減した、コンパクトな転炉スラッジの還元・脱亜鉛設備を提供することが可能となる。
【００２２】
また、既存の一貫製鉄所では、新たな設備を設置しようとしても、電気、水道、ガス、蒸気等のインフラが自由に使えるような場所を確保することは、難しくなっているのが現状である。製鉄所の中の辺縁部に、場所が確保できたとしても、インフラを整備するための費用が、設備の建設費に上乗せされることから、設備の建設が経済的に困難になることも起こりうる。その点、本発明になる還元・脱亜鉛設備は、極めてコンパクトであることから、５０００ｍ2 前後の現状の酸化養生ヤード面積の中に、充分建設することが可能で、インフラに余計な投資をする必要がない等極めて優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る転炉スラッジを原料にした還元鉄の製造工程を示す図である。高水分で泥状の転炉スラッジは、ロードセル付の混合機にショベルで投入し、この投入量と事前に測定しておいた化学分析値および水分値をもとに、所定量の炭材と生石灰とバインダーを切り出して、混合機に装入する。炭材は還元剤であり、Ｃ当量で０．７〜１．３の範囲で添加する。ここで、Ｃ当量とは、下記化学式（１）、（２）に基づく理論炭素量に対する比率で、転炉スラッジの酸化鉄が全量Ｆｅ3 Ｏ4 とすれば、Ｆｅ3 Ｏ4 の１モルを還元して３倍の金属鉄を得るためには、４倍のＣが必要で、これが理論炭素量である。理論炭素量の０．７〜１．３倍のＣを添加するという意味である。
【００２４】
Ｆｅ2 Ｏ3 ＋３Ｃ→２Ｆｅ＋３ＣＯ … （１）
Ｆｅ3 Ｏ4 ＋４Ｃ→３Ｆｅ＋４ＣＯ … （２）
生石灰は水分調整剤であり、成型体の水分が２０〜２５％となるように添加する。バインダーはコーンスターチおよびベントナイトで、成型体の乾燥後強度が５ｋｇ／ｃｍ2 以上となるように添加する。成型体の乾燥後強度が５ｋｇ／ｃｍ2 未満では、ハンドリングおよび火格子上での攪拌による粉化が激しくなり、還元炉での連続作業に支障を与えるからである。また、必要に応じて、高亜鉛の転炉環境集塵ダスト、あるいは高亜鉛の高炉２次灰を配合することも可能である。混合機はバッチ運転で、混合後の配合原料は中継槽を経て、押出成型機で含炭成型体に成型される。成型体は、還元炉に装入した際の爆裂を防止するため、水分が１％以下となるよう事前に乾燥しておく。転炉スラッジが１０〜２０％の金属鉄を含有することから、空気との反応による発熱を回避するため、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または余熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により乾燥を行なう。
【００２５】
図２は、充填層式還元炉を示す図である。乾燥後の含炭成型体２０を、搬送機能を備えかつ耐熱性を有する火格子２３上に連続的に供給し、該火格子２３上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ含炭成型体の充填層２１を形成せしめ、かつ該火格子２３の搬送機能により該含炭成型体の充填層２１を連続的に下流方向に移動させる。該火格子２３下部からは、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス２４を、該火格子２３および該充填層を貫通して上向きに通過させることにより、含炭成型体２０を連続的に１０００〜１３５０℃に加熱処理して還元鉄２２とし、搬送機能付き耐熱火格子下流側末端に設けた排出部より、還元鉄２２を連続的に排出するものである。
【００２６】
なお、耐熱性を確保するために火格子は水冷式とするのが望ましい。符号２５はＯ2 を含まない燃焼排ガスの流れを示し、２６は風箱を示す。また、含炭成型体の加熱温度を１０００〜１３５０℃としたのは、１０００℃未満では含炭成型体の乾燥品を還元した場合に還元鉄になる比率が低く、また、１３５０℃を超えると成形体同士が融着状態となり、かつコストアップとなることから、その範囲を１０００〜１３５０℃とした。さらに、火格子上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ含炭成型体の充填層を形成させた理由は、１０ｃｍ未満では対流伝熱の熱効率の良さが発揮できないこと、また、１００ｃｍを超えると、充填層の圧損が大きくなり過ぎることから、その範囲を１０〜１００ｃｍとした。
【００２７】
図３は、搬送機能付き耐熱火格子の搬送機能の一例を示す図である。該火格子２３は、固定段２７と可動段２８が一段ごとに階段状に設けられており、可動段２８は駆動機構により前進と後退を繰り返す構造となっている。可動段２８が前進する時に、固定段２７上の成型体を可動段２８の前面で押しやると、成型体は落下して次の可動段２８の上に乗り、可動段２８が後退する時に、可動段２８上の成型体が落下し、次の固定段２７の上に乗ることになる。前進と後退を繰り返すことにより、成型体を順次ずり落とし、適度に撹拌しつつ、下流側に移動させることができる。
【００２８】
図４は、酸素を含まない燃焼排ガスを用いて還元した、還元鉄の一粒の断面を示す図である。多くの還元鉄試料の断面を顕微鏡観察した結果、還元鉄２２の表面はマグネタイトまで再酸化されており、マグネタイト被膜２９の厚みは２００〜５００ミクロンであることが判明した。このマグネタイト被膜２９は緻密であり、このことと、上記の搬送機能付き耐熱火格子による成型体充填層の適度な撹拌とが相俟って、成型体の還元が進んでも、成型体同士の固着が抑制される。
【００２９】
図５は、含炭成型体を加熱した時の、成型体から発生するＣＯの時間推移を示す図である。加熱開始からやや遅れてＣＯが発生し始め、その後急激に発生量は増加し、加熱処理期間の前半でピークを迎えて後、徐々に発生量は低下してゆく。発明者等は、ＣＯが成型体表面から噴出する速度はかなり速いことから、ＣＯの発生量が多い期間は、燃焼排ガスに空気を混入しても、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを用いた時に比べて、再酸化は僅かしか増加しないことを見出した。
【００３０】
図５の上半分は、この知見に基づいて発明したもので、加熱開始から終了までの加熱処理期間をＴとした時、ＣＯの発生の少ない初期の０．１〜０．３Ｔの期間に対応したＡゾーンと、同じくＣＯの発生の少ない末期の０．１〜０．３Ｔの期間に対応したＣゾーンでは、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス２４を用いて加熱し、ＣＯの発生量が多い中間期の０．８〜０．４Ｔの期間に対応したＢゾーンでは、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスと予熱空気の混合ガス３１を用いて、含炭成型体の表面より発生するＣＯを燃焼させ、充填層の上層部に、その燃焼熱を着熱させることを狙ったものである。予熱空気を混入した分、加熱用の燃焼排ガスを減らすことができることから、還元炉の総排ガス量を低減することが可能となる。上記の方法によれば、空気を混入しても、成型体の表面の再酸化はマグネタイトで留まり、ヘマタイトまで酸化されることはない。なお、０．１〜０．３Ｔと幅を持たせたのは、層高方向での加熱具合の時間差、炭材の種類あるいは粒度等によるバラツキを考慮したものである。また、符号３０はＣＯ発生量の経時変化を示す。
【００３１】
高温の金属鉄は水と反応するとＨ2 を発生するため、工業的には、還元鉄の冷却に水は使用されていなかったが、本発明によって製造した還元鉄の粒子は、緻密なマグネタイト被膜で覆われているため、水中に投入して冷却することが可能となった。冷却後は、水中から取り出した後、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または予熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により、水分を０．３％以下にまで乾燥し冷却した上で、成品槽に貯蔵する。水分を０．３％以下とした理由は、例え０．１％以下まで乾燥したとしても、大気中で保存すれば、大気中の湿分を吸着して、０．３％程度まで水分が上昇することがあること、および０．３％以下の水分レベルで、例えば１年間の長期にわたって保存しても、なんら問題がないことから、その上限を０．３％以下とした。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に、転炉スラッジをＮ2 気流中で乾燥した未酸化養生品（表１のＡ）と酸化養生品（表１のＢ）の化学成分を比較して示した。ＡとＢは転炉での発生日時が異なるため、厳密な対比はできないが、酸化養生によって、１２％強あった金属鉄（Ｍ−Ｆｅ）が４％強にまで低下することがわかる。
【００３３】
表２に、上記の２種類の原料を用いて、オフラインで還元試験を実施した結果を示した。含炭成型体は、上記原料に炭材として無煙炭をＣ当量が１．０となるように添加し、よく混合した後、タブレット成型機で作成し、Ｎ2 気流中で還元試験を実施した。表から明らかな通り、還元温度が１３００℃と高い場合には、両者の間で、還元率に大きな差はないが、１０００℃の低温では、未酸化養生品の方が遥かに還元率が高いことが分かる。また、ＧＲＯＳＳの金属化率は、１０００℃では８５．３％と６９．４％、１３００℃では９１．１％と８９．３％で、Ａの方がＢより高くなっており、原料中の金属鉄の含有率の差が反映された結果となっている。なお、ＧＲＯＳＳとＮＥＴの金属化率の定義を（３）、（４）式で示した。
【００３４】
（還元後のＭ−Ｆｅ）／（還元後のＴ−Ｆｅ）（％） … （３）
｛［（還元後のＭ−Ｆｅ×還元後質量）−（還元前のＭ−Ｆｅ×還元前質量）］／
（還元後質量）｝／（還元後のＴ−Ｆｅ）（％） … （４）
【００３５】
【表１】
【００３６】
【表２】
【００３７】
【表３】
表３に、実機操業試験に用いた、含炭成型体の原料配合割合、および配合原料水分（成型水分と同じ）、成型体の乾燥後強度を示した。
【００３８】
表３に示すように、転炉スラッジの水分は２６％であったが、生石灰を４．０％添加することで、配合原料水分は２２．５％まで低下させることができ、バインダーの添加の効果もあって、押出し成型機により良好な含炭成型体が製造できた。また、バインダー添加により、成型体乾燥後強度は７．２ｋｇ／ｃｍ2 が得られ、基準値の５ｋｇ／ｃｍ2 を達成できた。５ｋｇ／ｃｍ2 という基準値は、ハンドリングおよび火格子上での攪拌による粉化を抑えるのに必要な強度である。ｋｇ／Ｐは成型体１個当たりの強度である。
【００３９】
【表４】
表４に、表３で示した含炭成型体を用いて実施した、操業試験結果を示した。
【００４０】
表４に示す操業試験結果は、以下の操業条件で得られたものである。
火格子のサイズ：１ｍ幅×８ｍ長×２５ｃｍ高、含炭成型体処理速度：１０．４ｔ／ｈ、燃料：ＣＯＧ、排ガス：Ｏ2 を含まない排ガスとＯ2 を含む排ガスの両ケース、Ｏ2 を含む排ガスの場合はＡゾーン：Ｂゾーン：Ｃゾーン＝０．２：０．５：０．３、Ｏ2 濃度：４％、充填層熱処理温度：１１５０℃とした。
【００４１】
表４から明らかなとおり、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスで還元した結果は、ＧＲＯＳＳの金属化率が８３．７、脱亜鉛率が９９．６％で、満足のできる結果であった。Ｂゾーンに空気を導入して還元した結果は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスで還元した場合に比べて、やや劣るものの、８０．１％の金属化率が得られ、実用的に問題のない水準であった。ＮＥＴの金属化率は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスで還元した場合が６８．８％、Ｂゾーンに空気を導入して還元した場合が６５．１％と、いずれもそれほど高くはないが、原料中の金属鉄が１２．２８％あり、これが還元に伴って酸素、Ｃ、Ｚｎがなくなった結果、１５％程度に濃縮されてＮＥＴの金属化率に上乗せされ、これがＧＲＯＳＳの金属化率を大幅に押し上げたものである。このように、原料中に含有される金属鉄を温存することの効果は、極めて大きいことが分かる。
【００４２】
表５に、焼結用原料である豪州産マラマンバ系粉鉱石を使用した、オフラインでの還元試験結果を示した。鉱石は、−４４μが６０％程度となるように、事前にボールミルで粉砕した原料を使用し、Ｃ当量が１．０となるように粉コークスを加え混合後、ペレタイザーでペレットに成型した含炭成型体を還元試験に供した。試験条件は、還元温度：１３００℃、滞留時間：１５分、雰囲気：Ｎ2 単味、およびＯ2 を含まない燃焼排ガスの２水準で実施した。
【００４３】
【表５】
表５から明らかなとおり、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを使用すると、Ｎ2 雰囲気に比べて、還元率および金属化率はかなり低下するが、還元機能を持つ高炉の原料として使用するのであれば、高炉の還元剤比の低減や出銑比の増加に十分寄与できるものである。
【００４４】
以上述べたように、本発明により、高層厚の充填層で還元処理することが可能となり、従来の回転炉式還元炉に比べて、炉床面積を大幅に縮小することができ、それによる設備費の低減と還元炉設備の高効率化による小型化と排ガス量の低減、並びに低温での還元・脱亜鉛処理による燃料原単位、排ガス量の低減等を図ることができると共に、転炉スラッジが含有する１０〜２０％の金属鉄を有効処理することで高いＧＲＯＳＳの金属化率が得られ、さらに、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス使用による成形体表面層へのマグネタイト被膜形成により冷却方法の改善を図ることが出来る等極めて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る転炉スラッジを原料にした還元鉄の製造工程を示す図である。
【図２】充填層式還元炉を示す図である。
【図３】搬送機能付き耐熱火格子の搬送機能の一例を示す図である。
【図４】酸素を含まない燃焼排ガスを用いて還元した、還元鉄の一粒の断面を示す図である。
【図５】含炭成型体を加熱した時の、成型体から発生するＣＯの時間推移を示す図である。
【図６】従来の回転炉床式還元炉を用いる方法（回転炉床法）を示す設備フローである。
【図７】回転炉床式還元炉の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 転炉微粒ダスト貯槽
２ その他ダスト貯槽
３ 粉コークス貯槽
４ バインダー貯槽
５ ボールミル
６ パンペレタイザー
７ 乾燥機
８ 装入装置
９ 回転炉床式還元炉
１０ 排ガス
１１ ボイラー・レキュペレーター
１２ 集塵機
１３ 煙突
１４ 排出スクリユー
１５ 還元鉄クーラー
１６ 成品ホッパー
１７ 回転炉床
１８ 一層に装入された成型体
１９ バーナー
２０ 乾燥後の含炭成型体
２１ 含炭成型体の充填層
２２ 還元鉄
２３ 搬送機能付き耐熱火格子
２４ Ｏ2 を含まない燃焼排ガス
２５ Ｏ2 を含まない燃焼排ガスの流れ
２６ 風箱
２７ 固定段
２８ 可動段
２９ マグネタイト被膜
３０ ＣＯ発生量の経時変化
３１ Ｏ2 を含まない燃焼排ガスと予熱空気の混合ガス
特許出願人 株式会社 テツゲン
代理人 弁理士 椎 名 彊
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄系ダスト類、および／または粉鉱石に、炭材ならびにバインダーを加え、混合調湿後にペレット、ブリケットまたは押し出し成型品に成型してなる含炭成型体を、乾燥した後に加熱処理することで還元鉄を製造する方法において、搬送機能を有する火格子上に、乾燥後の含炭成型体を連続的に供給し、該火格子上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ充填層を形成せしめ、かつ該火格子の搬送機能により該充填層を連続的に下流方向に移動させながら該火格子下部からＯ2 を含まない燃焼排ガスを、該火格子および該充填層を貫通して上向きに通過させることにより、含炭成型体を連続的に１０００〜１３５０℃に加熱処理して還元鉄とし、該火格子下流側末端に設けた排出部より、還元鉄を連続的に排出することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【請求項２】
含炭成型体の火格子上での滞留時間をＴとする時、含炭成型体を該火格子上で加熱開始した時点から０．１〜０．３Ｔの間、および加熱終了前０．１〜０．３Ｔの間は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを用いて含炭成型体の充填層を１０００〜１３５０℃に加熱し、一方中間の０．８〜０．４Ｔの間は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスと予熱空気の混合ガスを用いて、含炭成型体の表面より発生するＣＯを燃焼させることにより、該充填層を１０００〜１３５０℃に加熱することを特徴とする請求項１記載の還元鉄の製造方法。
【請求項３】
転炉で湿式集塵法によって回収された、２０〜２８重量％の水分を持つ転炉スラッジに、還元剤としての炭材と、水分調整剤としての生石灰と、バインダーとしてのコーンスターチおよびベントナイトを添加して混合した後、押し出し成型機により含炭成型体に成型し、次いで、該含炭成型体を、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または余熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により水分１％以下まで乾燥する際、バインダーの添加量を調整することで、該含炭成型体の乾燥後強度を５ｋｇ／ｃｍ2 以上とした後、請求項１または２記載の方法によって還元処理することを特徴とする、転炉スラッジを原料にした還元
鉄の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項で製造した還元鉄を、水中に投入して冷却した後、水中から取り出し、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または予熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により水分０．３％以下にまで乾燥することを特徴とする、還元鉄の製造方法。
【請求項１】
酸化鉄系ダスト類、および／または粉鉱石に、炭材ならびにバインダーを加え、混合調湿後にペレット、ブリケットまたは押し出し成型品に成型してなる含炭成型体を、乾燥した後に加熱処理することで還元鉄を製造する方法において、搬送機能を有する火格子上に、乾燥後の含炭成型体を連続的に供給し、該火格子上に１０〜１００ｃｍの層厚を持つ充填層を形成せしめ、かつ該火格子の搬送機能により該充填層を連続的に下流方向に移動させながら該火格子下部からＯ2 を含まない燃焼排ガスを、該火格子および該充填層を貫通して上向きに通過させることにより、含炭成型体を連続的に１０００〜１３５０℃に加熱処理して還元鉄とし、該火格子下流側末端に設けた排出部より、還元鉄を連続的に排出することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【請求項２】
含炭成型体の火格子上での滞留時間をＴとする時、含炭成型体を該火格子上で加熱開始した時点から０．１〜０．３Ｔの間、および加熱終了前０．１〜０．３Ｔの間は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスを用いて含炭成型体の充填層を１０００〜１３５０℃に加熱し、一方中間の０．８〜０．４Ｔの間は、Ｏ2 を含まない燃焼排ガスと予熱空気の混合ガスを用いて、含炭成型体の表面より発生するＣＯを燃焼させることにより、該充填層を１０００〜１３５０℃に加熱することを特徴とする請求項１記載の還元鉄の製造方法。
【請求項３】
転炉で湿式集塵法によって回収された、２０〜２８重量％の水分を持つ転炉スラッジに、還元剤としての炭材と、水分調整剤としての生石灰と、バインダーとしてのコーンスターチおよびベントナイトを添加して混合した後、押し出し成型機により含炭成型体に成型し、次いで、該含炭成型体を、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または余熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により水分１％以下まで乾燥する際、バインダーの添加量を調整することで、該含炭成型体の乾燥後強度を５ｋｇ／ｃｍ2 以上とした後、請求項１または２記載の方法によって還元処理することを特徴とする、転炉スラッジを原料にした還元
鉄の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項で製造した還元鉄を、水中に投入して冷却した後、水中から取り出し、Ｏ2 を含まない燃焼排ガス、または予熱したＮ2 ガス、またはＮ2 雰囲気の外部加熱により水分０．３％以下にまで乾燥することを特徴とする、還元鉄の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−９９１５３（Ｐ２０１１−９９１５３Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５５８２７（Ｐ２００９−２５５８２７）
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００１５６２６０）株式会社 テツゲン (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００１５６２６０）株式会社 テツゲン (9)
【Ｆターム（参考）】
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