JP2013174001A

JP2013174001A - 粒状金属鉄の製造方法

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Publication number: JP2013174001A
Application number: JP2012040440A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Horiguchi; 元宏堀口; Tetsushi Deura; 哲史出浦; Daisuke Watanabe; 大輔渡辺
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-09-05

Abstract

【課題】酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を、移動炉床式加熱還元炉で加熱して粒状金属鉄を製造する際に、粒状金属鉄の歩留まりを高め、生産性を向上できる粒状金属鉄の製造方法を提供する。
【解決手段】原料混合物として、１１５０℃において下記（１）〜（６）の要件を満足するスラグＺが生成されるものを用いる。
（１）液相率が８０％以上。
（２）ＦｅＯ量が５〜６０質量％。
（３）ＳｉＯ₂量が３０質量％以上。
（４）ＣａＯ量が０．５〜５０質量％。
（５）ＦｅＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるＦｅＯ／ＳｉＯ₂比が０．１７〜２．０。
（６）ＦｅＯ量およびＣａＯ量から求められるＦｅＯ／ＣａＯ比が０．２〜５０。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒状金属鉄の製造方法に関するものであり、詳細には、鉄鉱石等の酸化鉄含有物質と、石炭やコークス等の炭素質還元剤（以下、炭材ということがある）とを含む原料混合物を移動炉床式加熱還元炉で加熱し、該原料混合物中の酸化鉄を前記炭素質還元剤により還元し、粒状金属鉄を製造する方法に関するものである。なお、本発明において、「粒状」とは、必ずしも真球状であることを意味するものではなく、楕円状、卵形状、あるいはそれらが若干扁平したものも含む意味である。

鉄鉱石や酸化鉄等の酸化鉄含有物質から鉄を生産する方法としては、高炉法が主流である。その一方で、比較的小規模で、多品種・少量生産向きの製鉄法として、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む原料混合物（あるいは該原料混合物を押し固めた簡易成形体、更にはペレットやブリケットなどに成形した炭材内装成形体）を移動炉床式の加熱還元炉（例えば、回転炉床炉など）に供給し、該原料混合物が該炉内を移動する間に、加熱バーナーによる燃焼熱や輻射熱で加熱することによって該原料混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤で直接還元し、得られた金属鉄（還元鉄）を続いて浸炭・溶融させ、次いで副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状の金属鉄（還元鉄）を製造する直接還元製鉄法が開発されている（特許文献１〜３など）。この直接還元製鉄法では高炉等の大規模な設備が不要になるため、実用化に向けて研究が盛んに行われている。しかし工業的規模で実施するには、操業安定性や安全性、経済性、粒状金属鉄（製品）の品質などを含めて更に改善しなければならない課題も多い。

当該課題の一つとして、粒状金属鉄の生産性の向上が挙げられる。生産性が悪ければ工業的規模で実施することはまず不可能だからである。そこで本出願人は、粒状金属鉄を生産性よく製造できる技術を先に提案している（特許文献４〜６）。これらの技術では、金属鉄を溶融させたときに副生するスラグに含まれるＣａＯ量、ＭｇＯ量、およびＳｉＯ₂量から求められる塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］と、スラグ中のＭｇＯ量を制御したり（特許文献４）、上記塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］を所定の範囲に制御したうえで、原料混合物に、Ｎａ₂Ｏ供給物質、Ｋ₂Ｏ供給物質、Ｌｉ₂Ｏ供給物質、またはアルカリ金属を少なくとも一種含む融点が１４００℃以下の複合酸化物を配合している（特許文献５、６）。

特開平２−２２８４１１号公報特開２００１−２７９３１３号公報特開２００１−２４７９２０号公報特開２００４−２８５３９９号公報特開２００９−７６２１号公報特開２００９−７６１９号公報

上記特許文献４〜６に開示した技術によって、粒状金属鉄の生産性をある程度向上できたが、粒状金属鉄の歩留まりを更に高め、粒状金属鉄の生産性を一層向上させる技術が求められている。

本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を、移動炉床式加熱還元炉で加熱して粒状金属鉄を製造する際に、粒状金属鉄の歩留まりを高め、生産性を向上できる粒状金属鉄の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明に係る粒状金属鉄の製造方法とは、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を、移動炉床式加熱還元炉で加熱し、該原料混合物中の酸化鉄を前記炭素質還元剤により還元し、生成する金属鉄を副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状金属鉄を製造する方法である。そして、本発明の粒状金属鉄の製造方法は、前記原料混合物として、１１５０℃において下記（１）〜（６）の要件を満足するスラグＺが生成されるものを用いる点に要旨を有している。
（１）液相率が８０％以上。
（２）ＦｅＯ量が５〜６０質量％。
（３）ＳｉＯ₂量が３０質量％以上。
（４）ＣａＯ量が０．５〜５０質量％。
（５）ＦｅＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるＦｅＯ／ＳｉＯ₂比が０．１７〜２．０。
（６）ＦｅＯ量およびＣａＯ量から求められるＦｅＯ／ＣａＯ比が０．２〜５０。

前記原料混合物を１１５０℃に加熱した後、表層断面における成分組成を少なくとも２００点を一定の間隔で分析したときに、該成分組成が前記（２）〜（６）の全ての要件を満足する分析点の数の割合が、全分析点の数に対して３．５％以上となる原料混合物を用いることが好ましい。前記酸化鉄含有物質としては、該酸化鉄含有物質中のＡｌ₂Ｏ₃量およびＳｉＯ₂量から求められるＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０．１以下のものを用いることが好ましい。

本発明によれば、１１５０℃において所定の条件を満足するスラグが生成する原料混合物を用いているため、スラグが比較的低温で溶融し、スラグの凝集性が促進される。その結果、粒状金属鉄の凝集が促進されるため、粒状金属鉄の歩留まりが高くなり、粒状金属鉄の生産性が向上する。

図１は、スラグの組成とスラグの液相率との関係を示すＳｉＯ₂−ＣａＯ−ＦｅＯ_n三元系状態図に、発明例の結果を示した説明図である。図２は、スラグの組成とスラグの液相率との関係を示すＳｉＯ₂−ＣａＯ−ＦｅＯ_n三元系状態図に、比較例の結果を示した説明図である。図３は、回転炉床式の加熱還元炉の一構成例を示す概略説明図である。図４は、実施例に示した（ａ）〜（ｅ）の全ての要件を満足する分析点の数と、歩留まり率（％）との関係を示すグラフである。

まず、本発明を完成するに至った経緯を説明する。直接還元製鉄法で粒状金属鉄を製造するにあたり、原料混合物に含まれる脈石が多い場合には、副生するスラグ量が増大し、その凝集性が低下し、得られる粒状金属鉄の歩留まりが低下することが知られている。即ち、副生スラグの凝集性が低下すると、加熱還元により生成する粒状金属鉄と副生するスラグが混在した状態となるため、粒状金属鉄と副生スラグとの分離し難くなり、金属鉄の粒状化や塊状化が充分に進まず、粒状金属鉄がスラグを抱き込んだものとなったり、或いは極めて微細な粒状金属鉄が多量に生成し、副生スラグとの分離が困難となり、製品として適正粒度範囲の粒状金属鉄の歩留り率が低下する。

また、原料混合物として配合する酸化鉄含有物質や炭素質還元剤の種類によっては、その中に含まれる脈石が少ないものもあるが、その種類や組成によっては副生スラグの凝集性が劣悪になることがしばしば観察される。

そこで、本発明者らは、原料混合物を加熱したときに副生するスラグの凝集性を改善することを目指して検討した。その結果、スラグの融点を低下させれば、スラグの凝集性が向上すること、これにより加熱還元して得られた金属鉄の凝集性も高まるため、粒状金属鉄の生産性が向上することが明らかになった。そして、スラグの融点を低下させるには、原料混合物として、１１５０℃において所定の要件を満足するスラグＺが生成されるものを用いればよいこと、これにより移動炉床式加熱還元炉を操業するときの一般的な温度である１４５０℃程度ではスラグが殆ど溶融するため、金属鉄の凝集性が高くなり、粒状金属鉄の生産性が向上することが明らかになった。

以下、本発明について説明する。

本発明に係る粒状金属鉄の製造方法は、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を、移動炉床式加熱還元炉で加熱し、該原料混合物中の酸化鉄を前記炭素質還元剤により還元し、生成する金属鉄を副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状金属鉄を製造するものである。そして本発明は、上記原料混合物として、１１５０℃において下記（１）〜（６）の要件を満足するスラグＺが生成されるものを用いるところに特徴がある。
（１）液相率が８０％以上。
（２）ＦｅＯ量が５〜６０質量％。
（３）ＳｉＯ₂量が３０質量％以上。
（４）ＣａＯ量が０．５〜５０質量％。
（５）ＦｅＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるＦｅＯ／ＳｉＯ₂比が０．１７〜２．０。
（６）ＦｅＯ量およびＣａＯ量から求められるＦｅＯ／ＣａＯ比が０．２〜５０。

１１５０℃において上記（１）〜（６）の全ての要件を満足するスラグが生成するように成分調整を行った原料混合物を移動炉床式加熱還元炉内で加熱すると、スラグ形成成分が速やかに溶解し、これが凝集してスラグが素早く形成される。スラグが素早く形成されると、残った金属鉄は粒状に凝集し易くなるため、結果として、粒状金属鉄の歩留まりが向上し、粒状金属鉄の生産性が向上する。

上記（１）〜（６）の範囲は、本発明者らが種々実験を行った結果、導出されたものである。即ち、後述する実施例で示すように、成分組成の異なる鉄鉱石を用い、溶解完了時間がほぼ同じになるように成分調整した配合物を加熱すると、図１、図２に示す結果が得られた。図１および図２は、スラグの組成とスラグの液相率との関係を示すＳｉＯ₂−ＣａＯ−ＦｅＯ_n三元系状態図に、発明例（図１）または比較例（図２）の結果を示した説明図である。図中、●はスラグの液相率が８０％以上の結果、▲はスラグの液相率が３０％以上、８０％未満の結果、◆はスラグの液相率が３０％未満の結果を夫々示している。

図１は、発明例の結果を示しており、上記配合物（原料混合物）を１１５０℃まで加熱したときに、（１）液相率が８０％以上で、且つ（２）ＦｅＯ量が５〜６０質量％、（３）ＳｉＯ₂量が３０質量％以上、（４）ＣａＯ量が０．５〜５０質量％。（５）ＦｅＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるＦｅＯ／ＳｉＯ₂比が０．１７〜２．０の範囲、（６）ＦｅＯ量およびＣａＯ量から求められるＦｅＯ／ＣａＯ比が０．２〜５０の範囲の全てを満足するスラグが生成している。

一方、図２は、比較例の結果を示しており、上記配合物（原料混合物）を１１５０℃まで加熱したときに、スラグの液相率が８０％以上の分析点は３点見つかったが、これらの成分組成は、上記（２）〜（６）のいずれかの要件を満足していない。

そして図１に示した例では、１４５０℃に加熱したときにおけるスラグの溶融が促進され、下記表５に示すように、粒状金属鉄の歩留まり率が１００％以上となり、粒状金属鉄の生産性が向上している。これに対し、図２に示した例では、１４５０℃に加熱したときにおけるスラグの溶融は促進されず、下記表５に示すように、粒状金属鉄の歩留まり率は１００％未満となり、粒状金属鉄の生産性は改善できていない。

以下、本発明で規定している各範囲について説明する。

本発明では、上記原料混合物を１１５０℃まで加熱したときに生成するスラグのうち、上記（１）〜（６）の要件を満足しているスラグを「スラグＺ」と呼ぶこととする。即ち、上記原料混合物を加熱すると、該原料混合物に含まれる脈石が徐々に溶融し、溶融スラグを形成する。脈石の融点は、脈石の成分組成によって異なり、加熱温度１１５０℃では、温度が低いため、原料混合物に含まれる脈石は一部が溶融し、溶融スラグと脈石が混在したスラグを形成しているものが多い。そのため溶融スラグは隣り合う溶融スラグと接触して凝集しないため、固液混合状態のスラグが原料混合物中に分散した状態となり、スラグ群を形成している。本発明では、このスラグ群のうち、上記（１）〜（６）の全ての要件を満足するスラグを「スラグＺ」と呼び、このスラグＺが生成するような原料混合物を用いている。

［（１）スラグの液相率が８０％以上］
本発明では、スラグの体積基準で、１１５０℃における液相率が８０％以上のスラグに着目している。１１５０℃におけるスラグの液相率が８０％以上となるように原料混合物の成分組成を適切に制御することによって、該原料混合物を更に高温に加熱したときに生成する溶融スラグ量を増大させることができるため、スラグの凝集性が向上する。その結果、粒状金属鉄の凝集性も向上するため、粒状金属鉄の歩留まりが高くなり、粒状金属鉄の生産性が向上する。

上記スラグの液相率は、上記原料混合物を１１５０℃まで加熱した後冷却し、日本電子製の電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）「ＪＳＭ−７００１Ｆ（装置名）」と、エネルギー分散形Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）「ＪＥＤ−２３００Ｆ（装置名）」を用いてスラグの成分組成を測定し、「ＦａｃｔＳａｇｅ（ソフトウェア名）」を用いて算出したスラグの融点に基づいて求めればよい。

［（２）スラグ中のＦｅＯ量が５〜６０質量％］
スラグ中のＦｅＯ量が５質量％を下回るか、６０質量％を超えると、１１５０℃まで加熱してもスラグの液相率を８０％以上に高めることができない。また、１１５０℃を超える温度に更に加熱しても殆どのスラグは、スラグの液相率が８０％以上にならないため、スラグの凝集性を高めることができない。従って粒状金属鉄の凝集が阻害され、粒状金属鉄の歩留まりが低下し、粒状金属鉄の生産性を向上できない。よって本発明では上記スラグ中のＦｅＯ量は５〜６０質量％の範囲とした。上記スラグ中のＦｅＯ量は好ましくは８質量％以上、より好ましくは１０質量％以上であり、好ましくは５８質量％以下、より好ましくは５５質量％以下である。

［（３）スラグ中のＳｉＯ₂量が３０質量％以上］
スラグ中のＳｉＯ₂量が３０質量％を下回るとスラグの融点が高くなり、１１５０℃におけるスラグの液相率を８０％以上に高めることができない。そのため１１５０℃を超える温度に更に加熱しても液相率が８０％以上となるスラグは殆ど生成しないため、スラグの凝集性を高めることができない。従って粒状金属鉄の凝集が阻害され、粒状金属鉄の歩留まりが低下し、粒状金属鉄の生産性を向上できない。よって本発明では上記スラグ中のＳｉＯ₂量が３０質量％以上とした。上記スラグ中のＳｉＯ₂量は好ましくは３１質量％以上、より好ましくは３２質量％以上である。上記スラグ中のＳｉＯ₂量の上限は特に限定されないが、例えば、好ましくは６０質量％以下、より好ましくは５８質量％以下である。

［（４）スラグ中のＣａＯ量が０．５〜５０質量％］
スラグ中のＣａＯ量を０．５〜５０質量％の範囲に制御することによって、スラグの融点を降下させることができ、１１５０℃におけるスラグの液相率を８０％以上に高めることができる。上記スラグ中のＣａＯ量は、好ましくは０．６質量％以上、より好ましくは０．７質量％以上であり、好ましくは４８質量％以下、より好ましくは４５質量％以下である。

［（５）スラグ中のＦｅＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるＦｅＯ／ＳｉＯ₂比（質量比）が０．１７〜２．０の範囲］
上記ＦｅＯ／ＳｉＯ₂比が０．１７を下回るか、２．０を超えると、スラグの融点が高くなり、１１５０℃におけるスラグの液相率を８０％以上に高めることができない。そのため１１５０℃を超える温度に更に加熱しても液相率が８０％以上となるスラグは殆ど生成しないため、スラグの凝集性を高めることができない。従って粒状金属鉄の凝集が阻害され、粒状金属鉄の歩留まりが低下し、粒状金属鉄の生産性を向上できない。よって本発明では上記ＦｅＯ／ＳｉＯ₂比を０．１７〜２．０の範囲とした。上記ＦｅＯ／ＳｉＯ₂比は好ましくは０．３以上、より好ましくは０．３５以上、更に好ましくは０．４以上であり、好ましくは１．９以下、より好ましくは１．８以下である。

［（６）スラグ中のＦｅＯ量およびＣａＯ量から求められるＦｅＯ／ＣａＯ比（質量比）が０．２〜５０の範囲］
上記ＦｅＯ／ＣａＯ比が０．２を下回るか、５０を超えると、スラグの融点が高くなり、１１５０℃におけるスラグの液相率を８０％以上に高めることができない。そのため１１５０℃を超える温度に更に加熱しても液相率が８０％以上となるスラグは殆ど生成しないため、スラグの凝集性を高めることができない。従って粒状金属鉄の凝集が阻害され、粒状金属鉄の歩留まりが低下し、粒状金属鉄の生産性を向上できない。よって本発明では上記ＦｅＯ／ＣａＯ比を０．２〜５０の範囲とした。上記ＦｅＯ／ＣａＯ比は好ましくは０．２５以上、より好ましくは０．３以上であり、好ましくは４９．８以下、より好ましくは４９．５以下である。

本発明では、前記原料混合物を１１５０℃に加熱した後、表層断面における成分組成を少なくとも２００点において一定の間隔で分析したときに、該成分組成が前記（２）〜（６）の全ての要件を満足する分析点の数の割合が、全分析点の数に対して３．５％以上となる原料混合物を用いることが好ましい。所定の成分組成を満足する分析点の割合が、３．５％以上であることによって、原料混合物を加熱還元して粒状金属鉄を製造したときの歩留まり率を９０％以上に高めることができる。上記割合は、より好ましくは４．５％以上、更に好ましくは５．５％以上である。成分組成の分析点数は、少なくとも２００点とすればよく、より好ましくは５００点とすればよい。成分組成の分析は、表層断面（表面を含むように、表面に対して垂直方向に切断した断面）において、例えば、３０〜１００μｍ間隔で行えばよい。成分組成を分析する具体的な手順は、後記実施例で詳述する。

１１５０℃において上記（１）〜（６）の要件を満足するスラグＺを生成させ、また、１１５０℃に加熱した後、表層断面における成分組成を少なくとも２００点を一定の間隔で分析したときに、該成分組成が上記（２）〜（６）の全ての要件を満足する分析点の数の割合が、全分析点の数に対して３．５％以上とするには、原料混合物の成分組成を調整したり、原料混合物の加熱パターンを制御すればよい。

即ち、上記１１５０℃における液相率が８０％以上のスラグを生成させるには、上記酸化鉄含有物質として、該酸化鉄含有物質中のＡｌ₂Ｏ₃量およびＳｉＯ₂量から求められるＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比（質量比）が０．１以下のものを用いることが好ましい。Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０．１を超える酸化鉄含有物質を用いると、ＳｉＯ₂量が少ないため、加熱還元途中（特に、１１５０℃付近）において、ＦｅＯ−ＣａＯ系の高融点相が形成されやすくなる。これに対し、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０．１以下の酸化鉄含有物質を用いると、加熱還元途中（特に、１１５０℃付近）において、酸化鉄と脈石とフラックスの接触により、ＦｅＯ−ＳｉＯ₂−ＣａＯ系の低融点相が形成されやすくなる。そのため、１１５０℃における液相率が８０％以上のスラグを生成させやすくなる。上記Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比は、より好ましくは０．０８以下、更に好ましくは０．０６以下である。なお、上記酸化鉄含有物質には、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂は不可避的に含まれるため、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０の場合は除かれる。

本発明では、上記酸化鉄含有物質中のＳｉＯ₂量は、例えば、４．０質量％以上であることが好ましい。ＳｉＯ₂を４．０質量％以上含有する酸化鉄含有物質を用いることによって、スラグの融点を降下させることができる。

上述したスラグ中のＦｅＯ量、ＳｉＯ₂量、ＣａＯ量は、原料である酸化鉄含有物質と炭素質還元剤の配合量を適切に調整することによって制御できる。酸化鉄含有物質は、通常、ＦｅＯの他、ＳｉＯ₂およびＣａＯなどの脈石を含んでおり、また炭素質還元剤は、通常、ＳｉＯ₂およびＣａＯなどの脈石を含んでいるため、これらがＦｅＯ供給物質、ＳｉＯ₂供給物質、ＣａＯ供給物質となるからである。

上述したスラグ中のＦｅＯ量は、加熱パターンを制御することによって調整することができる。例えば、上記酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を１４５０℃に加熱還元して金属鉄を製造する場合には、該原料混合物を炉に供給してから最終到達温度（ここでは１４５０℃）に達するまでの間で、約４５０〜５５０℃（特に、５００℃）と約１１５０〜１１９０℃（特に、１１７０℃）を境として昇温速度を変えることが好ましい。具体的には、次のように加熱パターンを制御すればよい。即ち、常温から約４５０〜５５０℃までの昇温速度を５９０〜６１０℃／分、約４５０〜５５０℃から約１１５０〜１１９０℃までの昇温速度を１４０〜１６０℃／分、約１１５０〜１１９０℃から１４５０℃までの昇温速度を４５〜５５℃／分とすればよい。最も好ましくは、常温から約５００℃までの昇温速度を６００℃／分、約５００℃から約１１７０℃までの昇温速度を１５０℃／分、約１１７０℃から１４５０℃までの昇温速度を５０℃／分とすればよい。最高到達温度は、１４５０℃に限定されず、例えば、１４００〜１５００℃であればよい。

なお、酸化鉄含有物質の代表例である鉄鉱石や、炭素質還元剤の代表例である石炭やコークスは天然物であり、種類に応じてＦｅＯ、ＳｉＯ₂、ＣａＯの各含有量も変化する。そのため、それらの配合量を一律に規定することは困難であるが、酸化鉄含有物質の成分組成と、炭素質還元剤の成分組成を考慮し、適切に調整することが好ましい。また、後述するように、炉床上に敷く床敷材として炭素質粉末を用いる場合は、該炭素質粉末の成分とその量も考慮して、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤の配合量を調整することによって、上記スラグ中のＳｉＯ₂量およびＣａＯ量を制御すればよい。

本発明に用いられる原料混合物は、前述した酸化鉄含有物質および炭素質還元剤のほかに、スラグ組成調整用副原料、バインダー、ＣａＦ₂供給物質などを含んでいてもよい。

上記スラグ組成調整用副原料としては、前述した酸化鉄含有物質および炭素質還元剤以外の「他のＣａＯ供給物質」や、ＭｇＯ供給物質などを含んでいてもよい。即ち、本発明に用いられる原料混合物は、前述した酸化鉄含有物質および炭素質還元剤のほかに、これら以外の「他のＣａＯ供給物質」（酸化鉄含有物質および炭素質還元剤から見れば、外添物質）を含んでいてもよい。この場合は、当該「他のＣａＯ供給物質」の成分組成とその配合量も考慮して酸化鉄含有物質と炭素質還元剤の量を調整することによって、最終的に、上記スラグ中のＣａＯ量を制御すればよい。

上記他のＣａＯ供給物質の種類は特に制限されないが、例えば、生石灰（ＣａＯ）や石灰石（主成分はＣａＣＯ₃）、ドロマイト鉱石などが挙げられる。これらは、夫々単独で配合してもよいし、併用して配合してもよい。

上記ＭｇＯ供給物質の種類は特に制限されないが、例えば、ＭｇＯ粉末や天然鉱石や海水などから抽出されるＭｇ含有物質、或いは炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ₃）などが挙げられる。好ましくはＭｇＯ粉末や炭酸マグネシウムであり、これらは夫々単独で配合してもよいし、併用して配合してもよい。

上記バインダーの種類は特に制限されないが、例えば、多糖類（例えば、小麦粉等の澱粉）が挙げられる。

上記ＣａＦ₂供給物質の種類は特に制限されないが、例えば、蛍石が挙げられる。環境対策重視の観点に基づけば、有害なフッ素を含有する蛍石などのＣａＦ₂供給物質を原料混合物に配合しないことが望ましく、本発明によれば、ＣａＦ₂供給物質を配合しなくても充分に粒状金属鉄の凝集性を向上できる。しかし原料混合物にＣａＦ₂供給物質を配合すれば、粒状金属鉄の凝集性を一層向上できる。また、原料混合物にＣａＦ₂供給物質を配合すれば、スラグの脱硫能が向上し、粒状金属鉄に含まれるＳ量（硫黄量）を低減できる。従って本発明による効果を損なわない範囲であれば、上記原料混合物にＣａＦ₂供給物質を配合しても構わない。

次に、本発明に係る移動炉床式加熱還元炉を用いた粒状金属鉄の製造方法を、図３を参照しながら詳細に説明する。図３には、本発明の製造方法に好ましく用いられる移動炉床式加熱還元炉の一例を示しているが、本発明はこれに限定する趣旨ではない。

図３は、移動炉床式加熱還元炉のうち、回転炉床式の加熱還元炉Ａの一構成例を示す概略説明図である。なお、炉の内部構造を示すために、炉の一部を切り欠き、内部を示している。

上記回転炉床式の加熱還元炉Ａには、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物１が、原料投入ホッパー３を通して、回転炉床４上へ供給される。

上記酸化鉄含有物質としては、通常、鉄鉱石（例えば、マグネタイト鉱石）や酸化鉄などが用いられる。上記炭素質還元剤としては、通常、石炭やコークスなどが用いられる。上記原料混合物１には、必要に応じて、上述したスラグ組成調整用副原料、バインダー、ＣａＦ₂供給物質などを更に配合してもよい。

上記原料混合物１を供給するときの形態は特に限定されず、上記酸化鉄含有物質および上記炭素質還元剤などを適度に混合したものを供給すればよい。また、上記酸化鉄含有物質および上記炭素質還元剤などを押し固めて得られた簡易成形体を供給するか、または上記酸化鉄含有物質および上記炭素質還元剤などをペレットやブリケットなどに成形した炭材内装成形体を供給してもよい。

ここで、原料混合物１等を加熱還元炉Ａに供給するときの手順を具体的に説明する。前記原料混合物１の供給に先立って、原料投入ホッパー３から回転炉床４上に炭素質粉末２を床敷として供給して敷き詰めておき、その上に上記原料混合物１を供給するのがよい。

上記酸化鉄含有物質と上記炭素質還元剤以外に配合され得るＣａＯ供給物質や、或いはＭｇＯ供給物質等の添加法にも格別の制限はなく、原料混合物の調整段階で配合したり、床敷材と共に、或いはこれとは独立に回転炉床上へ予め装入しておき、或いは原料混合物の供給と同時もしくは原料混合物の供給後に上方から別途供給する方法、等を適宜採用できる。

図３に示した例では、１つの原料投入ホッパー３を炭素質粉末２の供給と、上記原料混合物１を供給するために共用する例を示しているが、ホッパーを２つ以上用いて上記炭素質粉末２と上記原料混合物１を別々に供給することも勿論可能である。

なお、床敷材として炉床上に供給される炭素質粉末２の使用は必ずしも必須ではなく、供給を省略してもよいが、炉床上に炭素質粉末２を床敷材として供給すれば、炉内の還元ポテンシャルがより効率的に高められ、金属化率の向上と硫黄含有量の低減の両作用をより一層効果的に発揮させることができるので好ましい。

こうした床敷材としての作用をより確実に発揮させるには、炉床上へ２ｍｍ程度以上の厚みで炭素質粉末２を敷いておくことが望ましい。炭素質粉末２を床敷材としてある程度の厚みを持った層状に敷き詰めておけば、この床敷層が原料混合物と炉床耐火物の緩衝材となり、或いは副生スラグ等に対する炉床耐火物の保護材となり、炉床耐火物の寿命延長にも役立つ。但し、上記床敷層の厚みは、７．５ｍｍ程度以下に抑えることが望ましい。床敷層が厚くなり過ぎると、原料混合物が炉床上の床敷層内へ潜り込んでしまい、還元の進行が阻害される等の問題を生じることがある。

上記床敷材として用いる炭素質粉末の種類は特に限定されず、通常の石炭やコークス等を粉砕し、好ましくは適度に粒度調整したものを使用すればよい。石炭を使用する場合は、流動性が低く且つ炉床上で膨れや粘着性を帯びることのない無煙炭を使用することが好適である。上記床敷材として装入する炭素質粉末は、上記原料混合物１に配合されている炭素質還元剤よりも硫黄含有量が少ないものを用いることが好ましい。

図３に戻って説明する。図３に示した加熱還元炉Ａの回転炉床４は、反時計方向に回転されている。回転炉床４の回転速度は、加熱還元炉Ａの大きさや操業条件によって異なるが、通常は８分から１６分程度で１周する速度である。加熱還元炉Ａにおける炉体８の壁面には加熱バーナー５が複数個設けられており、該加熱バーナー５の燃焼熱あるいはその輻射熱によって炉床部に熱が供給される。加熱バーナー５は、炉の天井部に設けてもよい。

耐火材で構成された回転炉床４上に供給した上記原料混合物１は、該回転炉床４上で加熱還元炉Ａ内を周方向へ移動する中で、加熱バーナー５からの燃焼熱や輻射熱によって加熱される。そして当該加熱還元炉Ａ内の加熱帯を通過する間に、当該原料混合物１内の酸化鉄は還元された後、副生する溶融スラグと分離しながら、且つ残余の炭素質還元剤による浸炭を受けて溶融しながら粒状に凝集して粒状金属鉄１０となり、回転炉床４の下流側ゾーンで冷却固化された後、スクリューなどの排出装置６によって炉床上から順次排出される。このとき副生したスラグも排出されるが、これらはホッパー９を経た後、任意の分離手段（例えば、篩目や磁選装置など）により金属鉄とスラグの分離が行われる。なお、図３中、７は排ガス用ダクトを示している。

以上の通り、本発明では原料混合物として、１１５０℃において所定の要件を満足するスラグＺが生成されるものを用いることによって、スラグの融点を降下させることができる。その結果、溶融した還元鉄の凝集を促進できるため、鉄の凝集性が良好となり、鉄の歩留まりが向上し、粒状金属鉄の生産性を向上できる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。なお、下記実施例では、小型の実験用加熱還元炉を用いて試験を行った結果を示す。

酸化鉄含有物質として鉄鉱石を用い、炭素質還元剤として石炭を用い、これらを混合して原料混合物を得た。鉄鉱石の成分組成を下記表１に、石炭の成分組成を下記表２に示す。下記表１には、鉄鉱石に含まれるＡｌ₂Ｏ₃量およびＳｉＯ₂量から求められるＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比（質量比）を算出して示した。下記表２において、分析値の「その他」とは固形炭素質を意味する。

上記原料混合物には、酸化鉄含有物質（鉄鉱石）と炭素質還元剤（石炭）の他にバインダー、スラグ組成調整用副原料、およびＣａＦ₂供給物質を配合して配合物を得た。上記バインダーとしては、小麦粉を配合した。上記スラグ組成調整用副原料としては、ＣａＯの供給物質としてドロマイト鉱石（主成分はＣａＣＯ₃・ＭｇＣＯ₃で、詳細な成分組成を下記表３に示す。）および石灰石を配合し、副生するスラグの塩基度が各サンプルでほぼ同じ（目標塩基度は１．２）になるように成分調整を行った。上記ＣａＦ₂供給物質としては、蛍石を配合した。配合物の成分組成を下記表４に示す。

得られた配合物に適量の水を添加し、タイヤ型造粒機を用いて直径約１９ｍｍの生ペレットに造粒した。得られた生ペレットを乾燥機に供給し、１８０℃で１時間加熱して付着水を完全に除去して原料成形体を得た。

次に、得られた原料成形体を小型の実験用加熱還元炉内へ供給して加熱還元した。炉床上には、床敷材として下記表２に示す成分組成の石炭（炭素質粉末）を５ｍｍ程度の厚みで敷いた。炉内温度は１４５０℃に調整した。

なお、上記原料成形体を実験用加熱還元炉内へ供給してから該原料成形体の温度が１４５０℃に到達するまでの熱履歴は、次の通りである。即ち、常温から約５００℃までの昇温速度を６００℃／分、約５００℃から約１１７０℃までの昇温速度を１５０℃／分、約１１７０℃から１４５０℃までの昇温速度を５０℃／分とした。

加熱還元炉の炉床上に供給された原料成形体中の酸化鉄は、約１０分かけて炉内で加熱される間に固体状態を維持しながら還元され、生成した還元鉄は、還元後に残っている炭素質粉末による浸炭を受けながら融点降下して相互に凝集した。このとき副生するスラグも、部分的、もしくはほぼ完全に溶融して相互に凝集し、溶融状態の粒状金属鉄と溶融スラグに分離した。その後、これら溶融状態の粒状金属鉄と溶融スラグを冷却して融点以下に降温（具体的には、１１００℃程度までに冷却）して凝固させ、固体状態の粒状金属鉄またはスラグとして炉外へ排出した。このとき上記原料成形体を実験用加熱還元炉内へ装入した後、該加熱還元炉内の様子を目視で観察し、視界内に認められる成形体が全て溶解するまでにかかった時間（溶解完了時間）を測定した。溶解完了時間を表５に示す。

また、得られた粒状金属鉄と副生したスラグの成分組成を下記表５に示す。また、配合物の成分組成に基づいて求められるＦｅ量に対する、凝集して粒状金属鉄として得られたＦｅ量の割合（歩留まり率；％）を算出し、結果を下記表５に示す。

次に、上記原料成形体を上述した熱履歴で加熱するにあたり、上記原料成形体の温度が１１５０℃になった時点で加熱を止め、室温に冷却した。冷却後の原料成形体について、日本電子製の電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）「ＪＳＭ−７００１Ｆ（装置名）」と、これに付属している日本電子製のエネルギー分散形Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）「ＪＥＤ-２３００Ｆ（装置名）」を用いて、表層断面におけるスラグの成分組成を無作為に分析した。具体的には、上記ＦＥ−ＳＥＭで観察された約０．２４ｍｍ²の視野（横０．６ｍｍ×縦０．４ｍｍ）について、スラグ相に相当する箇所の成分組成を、観察視野１視野当たり１０〜３０点測定した。観察視野数は５〜１０視野とした。なお、成分組成を分析した点数は、下記表５のＮｏ．１は７１点、Ｎｏ．２は１１１点であった。これら分析点における成分組成に基づいて「ＦａｃｔＳａｇｅ（ソフトウェア名）」を用い、各スラグの融点を算出し、１１５０℃におけるスラグの液相率を求めた。

下記表５のＮｏ．１については、下記表６および表７に、成分組成を分析した全ての個々のスラグ中のＭｇＯ量、Ａｌ₂Ｏ₃量、ＳｉＯ₂量、ＦｅＯ量、ＣａＯ量、ＣａＦ₂量、１１５０℃におけるスラグの液相率を示した。また、ＦｅＯ／ＳｉＯ₂比（質量比）、およびＦｅＯ／ＣａＯ比（質量比）を算出し、併せて示した。

一方、下記表５のＮｏ．２については、下記表８に、成分組成を分析したスラグのうち、１１５０℃における液相率が８０％以上のスラグ中のＭｇＯ量、Ａｌ₂Ｏ₃量、ＳｉＯ₂量、ＦｅＯ量、ＣａＯ量、ＣａＦ₂量、１１５０℃におけるスラグの液相率を示した。また、ＦｅＯ／ＳｉＯ₂比（質量比）、およびＦｅＯ／ＣａＯ比（質量比）を算出し、併せて示した。

下記表５〜表８から次のように考察できる。Ｎｏ．１とＮｏ．２は、いずれも副生するスラグの塩基度がほぼ等しくなるように成分調整したため、溶解完了時間は同じであった。しかし、本発明で規定する要件を満足しているＮｏ．１と本発明で規定する要件を満足していないＮｏ．２では、粒状金属鉄の歩留まり率に２２．５％の差が発生した。

即ち、Ｎｏ．１は、上記原料成形体を１１５０℃まで加熱したときに、液相率が８０％以上で、且つ本発明で規定する成分組成を満足するスラグが生成していたため、１４５０℃に加熱したときにスラグの溶融が速やかに進み、スラグの凝集が促進された。その結果、粒状金属鉄の凝集も促進され、粒状金属鉄の歩留まり率が１００％以上になり、生産性が向上した。一方、Ｎｏ．２は、上記原料成形体を１１５０℃まで加熱したときに、液相率が８０％以上のスラグは生成していたが、そのスラグの成分組成は、本発明で規定する要件を満足していなかったため、１４５０℃に加熱してもスラグの溶融は殆ど進行せず、スラグの凝集は促進されなかった。その結果、粒状金属鉄の凝集が阻害され、粒状金属鉄の歩留まり率は１００％未満と低くなり、生産性は向上できなかった。

次に、上記ＦＥ−ＳＥＭと、これに付属している上記ＥＤＸを用いて上記冷却後の原料成形体の表層断面における成分組成を分析した。具体的には、ＦＥ−ＳＥＭで観察された約３．２ｍｍ²の視野（横２ｍｍ×縦１．６ｍｍ）について、横方向（水平方向）を４０μｍ間隔で５０箇所、縦方向（垂直方向）を８０μｍ間隔で２０箇所、合計１０００箇所の分析点における成分組成を、ＦＥ−ＳＥＭに付属しているＥＤＸで分析した。ＦＥ−ＳＥＭで観察するときの加速電圧は１５ｋＶ、撮影方法は反射電子像法とし、ＥＤＸで分析するときの加速電圧は１５ｋＶ、分析方法はポイント分析法、分析１箇所あたりの計測時間は６０秒間とした。

成分組成を分析した１０００箇所の分析点について、（ａ）ＦｅＯ量が５〜６０質量％である分析点の数、（ｂ）ＳｉＯ₂量が３０質量％以上である分析点の数、（ｃ）ＣａＯ量が０．５〜５０質量％である分析点の数、（ｄ）ＦｅＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるＦｅＯ／ＳｉＯ₂比が０．１７〜２．０である分析点の数、（ｅ）ＦｅＯ量およびＣａＯ量から求められるＦｅＯ／ＣａＯ比が０．２〜５０である分析点の数、を夫々下記表９に示す。また、上記（ａ）〜（ｅ）の全てを満足する分析点の数も併せて示す。

下記表９から明らかなように、上記Ｎｏ．１は、分析点１０００点中、上記（ａ）〜（ｅ）の全ての要件を満足する分析点の数は６６箇所であり、分析点全体の数に対して６．６％であるのに対し、Ｎｏ．２は、１７箇所であり、分析点全体の数に対して１．７％であった。

下記表９に示した上記（ａ）〜（ｅ）の全ての要件を満足する分析点の数と、下記表５に示した歩留まり率（％）との関係を図４に示す。

図４から明らかなように、歩留まり率を９０％以上にするには、上記（ａ）〜（ｅ）の全ての要件を満足する分析点の数の割合が、全分析点の数に対して３．５％以上（１０００点中３５点以上）であればよいことが分かる。

以上の結果から明らかなように、１１５０℃において副生するスラグの液相率とスラグの成分組成に着目し、１１５０℃における液相率が８０％以上で、成分組成が所定の条件を満足するように原料混合物の成分組成を調整すれば、粒状金属鉄の歩留まりを高め、生産性を向上できることが分かる。

Ａ回転炉床式の加熱還元炉
１原料混合物
２炭素質粉末
３原料投入ホッパー
４回転炉床
５加熱バーナー
６排出装置
７排ガス用ダクト
８炉体
９ホッパー
１０粒状金属鉄

Claims

酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を、移動炉床式加熱還元炉で加熱し、該原料混合物中の酸化鉄を前記炭素質還元剤により還元し、生成する金属鉄を副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状金属鉄を製造する方法において、
前記原料混合物として、１１５０℃において下記（１）〜（６）の要件を満足するスラグＺが生成されるものを用いることを特徴とする粒状金属鉄の製造方法。
（１）液相率が８０％以上。
（２）ＦｅＯ量が５〜６０質量％。
（３）ＳｉＯ₂量が３０質量％以上。
（４）ＣａＯ量が０．５〜５０質量％。
（５）ＦｅＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるＦｅＯ／ＳｉＯ₂比が０．１７〜２．０。
（６）ＦｅＯ量およびＣａＯ量から求められるＦｅＯ／ＣａＯ比が０．２〜５０。
前記原料混合物を１１５０℃に加熱した後、表層断面における成分組成を少なくとも２００点を一定の間隔で分析したときに、該成分組成が前記（２）〜（６）の全ての要件を満足する分析点の数の割合が、全分析点の数に対して３．５％以上となる原料混合物を用いる請求項１に記載の製造方法。
前記酸化鉄含有物質として、該酸化鉄含有物質中のＡｌ₂Ｏ₃量およびＳｉＯ₂量から求められるＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０．１以下のものを用いる請求項１または２に記載の製造方法。