高品質炭化鉄(Fe3C)製造ステップバイステップガイド

炭化鉄(Fe3C)製造プロセス

炭化鉄(Fe3C)は高融点、非自然発火性、強磁性合成化合物、粒状形態。総鉄(Fe)約90%、総炭素(C)約7%含有。主用途:製鋼時冶金原料として銑鉄(HM)、直接還元鉄(DRI)、鋼スクラップ代替。炭化鉄プロセス:予熱微細鉄鉱石粒子→炭化鉄転換。流動層反応器でメタン(CH4)・水素(H2)主成分プロセスガス接触還元。

炭化鉄製造プロセス元々Hazen Research Inc.(米国コロラド州ゴールデン)技術副社長Frank M. Stephens博士設計・開発。プロセス:予熱微細鉄鉱石粒子(0.1〜1.0mm)を閉回路流動層反応器で予熱プロセスガス(CH4、H2、CO、CO2、水蒸気H2O含有)接触、600℃還元。実験室試験50mm径バッチリアクター使用、継続試験600mm径リアクター実施。複数国鉄鉱石サンプルHazen試験。製品1979年MEFOS(スウェーデン)基礎酸素炉(BOF)で鋼転換成功。

Hazen Research初期実験後、Stephens博士特許出願、1977年10月11日「米国特許第4,053,301号」取得。1985年Stephens博士引退、炭化鉄特許権取得、「Iron Carbide Development Corporation」(ICDC)設立、プロセスマーケティング開始。1988年ICDCとオーストラリアPACT Resources Pty Ltd提携「Iron Carbide Holdings, Limited」(ICH)設立。その後1989年西オーストラリアWundowie休止バナジウムプラント転用パイロットプラント建設追加開発。パイロットプラントリアクター直径1,830mm、層深度約3,700mm操業、日産約25トン。

1989年ICHパイロットプラント310トン炭化鉄生産、7社販売。5社(Nucor、North Star Steel、Mitsubishi、Qualitech Steel、Cleveland Cliffs)ライセンス/オプション取得。Nucor Corporationダーリントン製鉄所(米国サウスカロライナ)32トン電気アーク炉(EAF)でパイロットプラント炭化鉄転鋼。炭化鉄既存ガンナイトタンク使用、最大90kg/分注入。

Nucor1992年ライセンス取得。デンバーPLS Engineering(現Harris Group傘下)認可、トリニダード・トバゴPoint Lisas年産30万トン炭化鉄プラント建設、1994年末稼働。Nucor1993年建設開始、資金制限でPLS設計完了前資金枯渇。Nucor設計完了。さらにNucorプラント一部設備(熱交換器含)費用最小化。

1994年9月末プラント稼働開始。プロセスガス圧縮機トラブル・プラント停止。冷却水継続運転。期間中技術者パックドタワー液面レベルセンサー再校正撤去→液面アラーム遮断。制御室報告。パックドタワー装着バルブ1つ閉位置にもかかわらず漏洩、数日未発見。発見時即座ドレイン但手遅れ。水配管通過、酸化鉄粉塵混合、熱交換器深刻汚染。Nucor1年以上洗浄試み失敗。

Nucor他運営問題も直面：(i) プロセスガス配管過小(設計能力最大65%流量制限)、(ii) 流動層反応器チュイエールプレートガスシール頻繁破損、(iii) 鉱石加熱システム放棄(摩耗故障→反応器化学妥協→品質・量さらに制限)、(iv) スクラバー回収タンク過小、(v) 製品クーラー製品流量調整システム不信頼(高メンテナンス必要)、(vi) 製品空気圧リフトシステム不信頼(頻繁メンテナンス)、(vii) プラント鉱石供給スクリューフィーダー極小、(viii) スクリューフィーダーパッキンググランド不十分(深刻漏洩)。

Nucor4年間問題対応但1998年鋼価下落でプラント停止。2002年プラント解体。全困難にもかかわらず357,712トン炭化鉄生産、プロセス技術的実現可能性実証。機械的故障が適切信頼性設備必要性強調。

第2商業化試み：Qualitech Steel Corporationテキサス州コーパスクリスティ新プラント建設。QualitechがICHから炭化鉄ライセンス取得但プロセス変更(三菱商事資金提供、流動層反応器2リアクター・パイプグリッド式プロセスガス分散システム採用要望)。

テキサスプラントコミッショニング直前1999年3月親会社倒産、数千トン炭化鉄生産のみで1999年停止、2004年解体。

Frank A. Stephens(Dr. Frank M. Stephens Jr.長男)2010年炭化鉄プロセス独占権利取得。2011年初頭International Iron Carbide LLC設立。同社35特許権利保有。新会社トリニダード・テキサス第1世代プラント遭遇問題(ポジティブ・ネガティブ両経験)徹底分析、文書化解決策策定。多く解決策独自情報扱い。一部解決策：(i) 堅牢シェルチューブ熱交換器設計、(ii) フル能力達成プロセスガスシステム設計変更、(iii) 流動層反応器・ガス分散システム設計改良(プラント停止耐性向上)、(iv) 流動層反応器チュイエールプレートガスシール二重化、(v) 鉱石供給フラッシュ加熱システム導入(高温材料空気輸送、最小固体在庫で高速起動/停止、角度オフセット排除で摩耗回避、モジュラー構造でメンテナンス容易化)、(vi) スクラバー設計変更(フル能力達成十分化)、(vii) 製品ハンドリングシステム簡素化(製品クーラー導入製品リフトシステム排除)、(viii) 機械コンベヤー代替エデュクタ固体移送。

現時点稼働炭化鉄生産プラントなし。但International Iron Carbideがトリニダード・テキサス第1世代プラント経験(ポジティブ/ネガティブ両方)活用、多く教訓ベース第2世代プラント設計開発。International Iron Carbide積極的に第2世代プラント建設協力起業家探索中。

プロセス

炭化鉄製造プロセスはクリーン・シンプル。主要3プロセスステップ(図1)：(i) 鉄鉱石約700℃加熱、(ii) 熱鉄鉱石を圧力H2・CH4ガス混合物(約600℃、絶対圧約4.5kg/cm²)流動層反応器接触、強還元ガスで酸化鉄→炭化鉄転換、(iii) 製品約65℃冷却。

図1 プロセス3主要ステップ

鉄鉱石通常赤鉄鉱、典型組成:Fe 62〜65%、脈石1〜5%、水分1〜6%。貯蔵鉱石通常天候許す限り覆い不要。覆う判断因子:燃料コスト、天然水分含有量、気候。

鉱石貯蔵からサイロ(デイビン)搬送。サイロ約24時間プラント操業分鉱石貯蔵。可変速コンベヤーでリアクター供給鉱石量計測・制御。

鉱石ヒーターは「フラッシュヒーター」(直列3サイクロン構成)。火箱/バーナー排出高温酸化ガス接触で鉱石710℃加熱。鉄鉱石温度上昇プロセス有用：(i) 鉱石供給水分除去、(ii) 鉱石中磁鉄鉱存在時部分酸化→赤鉄鉱転換促進。赤鉄鉱は磁鉄鉱より高速炭化鉄転換、反応器反応促進。鉱石ヒーター排出熱鉄鉱石→フィードロックホッパー(リアクター供給前保持)。

熱鉱石リアクター供給:並列動作2ロックホッパー経由。ロックホッパー耐火物ライニング、錐底/円錐底(ホッパー)。典型:1ホッパー約1時間リアクター供給。一方供給中他方充填動作。

フィードホッパーは酸化性ガスリアクター侵入防止機能も。熱鉱石N2パージ・加圧後、一方ホッパー空・減圧完了タイミングで他方充填完了サイクル連続供給。

流動層反応器・プロセス反応

流動層反応器は鉄鉱石微粉使用、焼結/ペレタイジング等前処理必要性限定。リアクター理想原料:ヘマタイト鉄鉱石微粉、サイズ0.1〜1.0mm範囲。

リアクター内径約12m、約600℃操業。本質的にH2・CH4構成プロセスガス受入。H2導入でリアクターフリーボード圧力4.5kg/cm²絶対圧維持。圧縮機プロセスガスリサイクル、表面速度0.92m/sec達成。

流動層リアクター内でH2・CH4が加熱鉄鉱石→炭化鉄転換。酸素H2と結合→水生成、炭素(C)鉄と結合→炭化鉄生成。プロセス一般化学式: 3Fe2O3 + 2CH4 + 5H2 = 2Fe3C + 9H2O。全反応総合サマリー的反応。反応比較的緩やか、リアクター滞留時間製鋼炉プロセス比大幅長。温度・圧力変更で短縮可能。

気相部反応3基本成分：(i) H2、(ii) O2、(iii) C。相互作用でH2、H2O、CO、CO2、CH4生成。各化合物濃度依存因子：(i) 個別元素質量比、(ii) システム温度、(iii) システム圧力、(iv) 要素接触時間程度。

主要2気相反応：蒸気改質反応 CH4 + H2O = CO + 3H2(天然ガス水蒸気反応→プロセス必要H2生成)。第2重要気相反応:水性ガスシフト反応 CO + H2O = CO2 + H2。

全反応物高温混合時:H2、H2O、CO、CO2、CH4含有ガス混合物生成。少量N2も含有。

気相反応は金属鉄/炭化鉄存在で触媒促進傾向。上記反応C・H2はプロセス添加試薬由来。O2は反応 Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O で鉱石抽出。プロセスガス中C・H2相対濃度制御で鉱石O2除去促進・C添加炭化鉄生成促進可能。

炭化鉄生成反応微小吸熱的、600℃維持ためプロセスガス633℃加熱必要。

リアクター濃相流動層リアクター操業。プロセスガスから流動層内ガス泡形成。リアクター片側鉱石受入、反対側製品排出。リアクター内部バッフルで固体搬送。バッフルで固体ショートサーキット最小化、固体滞留時間分布均一化。固体滞留時間約16時間。

プロセスガス組成・温度・圧力プロセス計装連続監視。非自然発火性製品生成→貯蔵・輸送可能。

リアクター約42トン/時間製品(炭化鉄)生産。製品連続排出:リアクター・オフガスサイクロン双方ロックホッパー経由→製品クーラー通過。

初期プロセス問題:ブードアール反応由来遊離C(スス)非意図生成(2CO = C + CO2)。但International Iron Carbideが遊離C生成許さず高品質炭化鉄生産プロセス条件特定。詳細独自情報扱い。

リアクター炭化鉄製品排出:2ロックホッパー経由(熱鉄鉱石リアクター供給用と類似)。ロックホッパー大気圧開放。一方約3.5kg/cm²圧力熱製品受入、他方大気圧製品クーラー(冷却装置)排出。炭化鉄ロックホッパー約590℃排出→製品クーラー通過約65℃冷却。製品クーラー内製品量可変速排出コンベヤーベルト制御→乾式磁気分離機搬送。磁気分離機で遊離脈石相当量除去(典型50%、鉱石品質依存)。

炭化鉄プロセス概略フローシート図2示す。

図2 炭化鉄製造プロセス概略フロー図

ガス処理システム

プロセスガスリアクター約590℃排出。耐火物ライニング4並列サイクロン(リアクターサイクロン)通過、リアクター排出プロセスガス巻き込み固体大部分除去。サイクロン回収微粉(約36トン/時間)重力サージビン流入→リアクターリサイクル。追加固体:ロックホッパー系列通過→製品クーラー(65℃未満、通常約40℃冷却)→上流磁気分離機前リアクター冷却製品添加。

リアクターサイクロン排出プロセスガス:4並列熱交換器(プロセスガス熱交換器)通過、プロセスガス温度150℃低減。ベンチュリスクラバー・パックドベッドカラム(パックドタワー)でプロセスガスさらに約30℃冷却、リアクター生成水除去、サイクロン逃れ微細浮遊粒子除去。プロセスガス微粒子量「プロセスガスリサイクル圧縮機」損傷回避十分低レベル確保。

リサイクルプロセスガスから少量プロセスガス除去(ブリードガス):パックドタワー頂部排出、リサイクルガス圧縮機前。N2回路蓄積防止。ブリード量:天然ガスN2含有量、熱鉄鉱石供給リアクター導入N2量依存。

補充試薬ガス(通常H2・天然ガス)圧縮機前リサイクルプロセスガス導入。流動層リアクターフリーボード圧力が導入H2正確量決定。プロセスガスCH4濃度が天然ガス添加量決定。

2遠心圧縮機(リサイクルガス圧縮機):1稼働・1スタンバイ、吸込約4.20kg/cm²・吐出約5.30kg/cm²でプロセスガスリサイクル。圧縮機差圧でリアクタープロセスガス流量制御。

4ガス-ガス熱交換器:流動層リアクター来プロセスガス冷却、圧縮機来プロセスガス約520℃加熱。ガスヒーター(プロセスガスヒーター)でブリードガス・天然ガス燃料使用、約630℃までさらに昇温。ヒーター排ガス燃焼空気(鉱石ヒーター供給)予熱エネルギー供給。

プロセス内2水冷却システム：(i) プロセスガス直接接触系(「直接接触冷却水」):ベンチュリスクラバー・パックドタワー冷却水供給(これら装置プロセスガス直接接触)、(ii) 間接水冷却系: (i) 製品冷却システム(製品クーラー)、(ii) H2リフォーマー、(iii) その他プロセス用微小熱交換器へ冷却水供給。

パックドタワー排出温水直接接触冷却塔戻り熱除去。ベンチュリスクラバー排出水:シックナー経由汚染水中固体除去ろ過。

プロセス典型製品:93%炭化鉄転換。典型鉱物学的・元素組成:Fe3C 91〜96%、Fe(総)89〜93%、Fe(金属)0.5〜1%、SiO2+Al2O3 2〜5%、Fe3O4 2〜5%、C(Fe3Cとして)6〜6.5%、O(Fe3O4として)0.5〜1.5%。炭化鉄磁性→脈石物理的遊離(前/中/後プロセス)なら乾式磁気分離実施可能→最終製品脈石含有量低減→鉄グレード向上。

製品分析は使用鉱石タイプ依存変動但硫黄有意量存在せず。リンレベル鉱石タイプ依存、通常P2O5形態製品存在。但大部分リン炉スラグ移行、製品非残留。

鉱石残留元素通常酸化物形態製品存在。但大半鉄鉱石銅・ニッケル・クロム・モリブデン・スズ極低レベル→最終製品これら元素有意量なし。結果:炭化鉄極めてクリーン、製鋼時有害残留金属希釈効果的手法提供、一部バージン鉄源伴う硫黄回避。

炭化鉄1トンあたり電池限界典型消費:鉄鉱石1.42トン、天然ガス350Mcal、電力400kWh、水1.2m³、窒素10m³、労働0.22人時。

炭化鉄環境友好的、巨大環境優位性。全バージン鉄製鋼プロセス中最低C排出達成:鋼1kg生産あたりCO2 1.09kgのみ生成。従来高炉-BOFルート2.01kg、石炭基盤DRI 3.09kg、天然ガス基盤DRI-EAFルート1.87kgより大幅低。スクラップのみ全量鋼のみ更低排出。

炭化鉄・生産プロセス利点

• EAF向け優良装入材料(約6.0〜6.5% C含有、バージン鉄鉱石由来で有害元素微量)。炭化鉄使用製鋼プロセス→鋼中N2・H2低含有実現。
• 非自然発火性→安全・容易取扱い。
• 高密度粒状粉末→液体鋼易溶解。BOF/EAF易注入・瞬時溶解。
• 炭化鉄生産プロセス環境友好(鉄鉱石凝集不要)。
• 副生成物のみ水・CO2、CO2生成量他製鋼プロセス比大幅少。さらに大量CO2リフォーマー濃縮ガス流排出→隔離/再利用容易。
• 鉄鉱石微粉使用(ペレット・塊鉱比低コスト)。
• 製品ブリケッティング不要。
• 低温操業・熱効率良好プロセス。
• 添加試薬100%使用クローズドループプロセス。
• 単段リアクターシンプルプロセス・制御容易。