COREX庐: 鋼鉄生産における革新的な直接還元プロセス
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定義と基本概念
COREX庐 (COREXプロセス) は、鉄鉱石の還元と液体鋼の生産を単一の統合された操作で行う、鋼製造に使用される直接還元および溶融プロセスです。これは、中温度の非高炉ルートに分類され、コークス炉や高炉を必要とせずに、鉄鉱石と石炭から直接溶融鉄を生産するように設計されています。
COREX庐の基本的な目的は、従来の高炉法に対するエネルギー効率が高く、環境に優しい代替手段を提供することです。コークスへの依存を減らし、温室効果ガスの排出を低下させ、資源の利用効率を改善することを目指しています。このプロセスは、鋼製造コンバーターに直接転送できる溶融鉄を生産し、全体の鋼生産チェーンにシームレスに統合されます。
鋼製造の流れの中で、COREX庐は主な還元および溶融段階を占めています。これは、原材料の準備と下流の鋼精錬をつなぎ、原鉱から液体鉄へのスムーズな移行を可能にします。その位置は、柔軟な原料投入を可能にし、全体のプロセス効率と環境遵守に寄与します。
技術設計と運用
コア技術
COREX庐プロセスは、鉄鉱石の還元と非コークス炭の溶融を組み合わせた逆流シャフト炉設計に基づいています。コアの工学原理は、石炭燃焼から生成された還元ガスを使用して鉄酸化物を直接還元し、その後、還元された鉄を溶融して溶融金属を生成することです。
主要な技術コンポーネントには、還元シャフト、メルターガス化装置、ガス清浄ユニット、冷却システム、材料搬送装置などの補助システムが含まれます。還元シャフトでは、鉄鉱石ペレットまたは塊が、メルターガス化装置で生成された還元ガス、主にCOとH₂によって還元されます。メルターガス化装置は、還元された鉄と石炭チャーを同時に溶融し、溶融鉄とオフガスを生成します。
主要な運転メカニズムは、還元シャフトとメルターガス化装置に鉄鉱石と非コークス炭を連続的に供給することです。石炭燃焼から生成された熱いガスが還元環境を提供し、溶融鉄はメルターガス化装置の底部に集まり、タッピングされます。オフガスは清浄化され、エネルギー効率を最適化するためにリサイクルされます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、温度、圧力、ガス組成、原料の品質が含まれます。還元シャフトの典型的な運転温度は950°Cから1050°Cの範囲で、過剰なエネルギー消費なしに効率的な還元を確保します。メルターガス化装置は、溶融鉄の流れを維持するために約1500°Cから1600°Cの温度で運転されます。
ガス組成、特にCOとH₂の濃度は、還元速度と金属化度に直接影響します。還元ガス中の典型的なCO含量は20-30%、H₂は10-15%です。反応器内の圧力は、材料の流れとガスの循環を促進するために、わずかに大気圧を上回るように維持されます。
制御システムは、温度、ガス組成、圧力、材料の流量を監視するために高度なセンサーと自動化を使用します。リアルタイムデータは、最適なプロセス条件を維持するために供給率、ガス流量、温度を調整する制御アルゴリズムにフィードバックされます。
設備構成
典型的なCOREX庐の設置には、還元シャフト、メルターガス化装置、ガス清浄ユニット、冷却および材料搬送などの補助システムが含まれます。還元シャフトは、約20-30メートルの高さで、直径4-8メートルの垂直の耐火ライニングされた容器で、均一な還元を促進するように設計されています。
メルターガス化装置は、大きな耐火ライニングされた容器で、通常は高さ20-25メートル、直径6-10メートルで、石炭注入用のトゥイレとオフガス出口を備えています。これは、共通のガス循環システムを介して還元シャフトと統合されています。
時間が経つにつれて、設備設計はエネルギー効率を改善し、耐火材料の摩耗を減らし、運用の安定性を向上させるために進化してきました。変種には、より耐久性のある耐火材料の採用、改善されたガス循環システム、および自動化のアップグレードが含まれます。
補助システムには、ガス清浄ユニット（静電気集塵器、スクラバー）、溶融鉄用の冷却システム、および原材料やスラグの搬送用のコンベヤーやクレーンなどの材料搬送装置が含まれます。
プロセス化学と冶金
化学反応
コアの化学反応は、還元ガスを使用して鉄酸化物（Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO）を金属鉄（Fe）に還元することを含みます。主な反応は以下の通りです：
- ヘマタイト（Fe₂O₃）の還元：
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
- マグネタイト（Fe₃O₄）の還元：
Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂
- ウースタイト（FeO）の還元：
FeO + CO → Fe + CO₂
熱力学的には、これらの反応は高温で好まれ、温度が上昇するにつれて金属鉄の平衡がシフトします。反応速度は、ガス組成、温度、および粒子サイズによって影響を受けます。
オフガスには主にCO₂、H₂O、および残留COとH₂が含まれ、これらは清浄化されてリサイクルされます。石炭中の炭素は、燃料および還元剤の両方として機能し、部分的な酸化とガス化を経ます。
冶金的変化
プロセス中に、鉄酸化物は金属鉄に還元され、固体酸化物から液体鉄への相変化を伴います。微細構造的には、還元された鉄は、分散したスラグと残留不純物を伴う溶融相を形成します。
生成される溶融鉄は、運転温度で通常液体状態にあり、冷却速度に応じて樹枝状または球状の包含物などの微細構造的特徴を持ちます。このプロ