(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む還元鉄製造用塊成物であって、
前記塊成物は、更に鉄線、カーボンファイバー、およびスチールウールよりなる群から選ばれる線状物を少なくとも１種含んでいることを特徴とする還元鉄製造用塊成物。
【請求項２】
前記線状物の一部が、前記塊成物の表面に露出しているものである請求項１に記載の還元鉄製造用塊成物。
【請求項３】
酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む還元鉄製造用塊成物の製造方法であって、
前記酸化鉄含有物質と前記炭素質還元剤とを含む混合物を塊成化する工程と、
前記塊成化工程で得られた塊成物に、鉄線、カーボンファイバー、およびスチールウールよりなる群から選ばれる線状物を少なくとも１種装入する工程、
を含むことを特徴とする還元鉄製造用塊成物の製造方法。
【請求項４】
酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む還元鉄製造用塊成物の製造方法であって、
前記酸化鉄含有物質および前記炭素質還元剤と、鉄線、カーボンファイバー、およびスチールウールよりなる群から選ばれる線状物を少なくとも１種混合する工程と、
前記混合工程で得られた混合物を塊成化する工程、
を含むことを特徴とする還元鉄製造用塊成物の製造方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載の還元鉄製造用塊成物を移動炉床炉内で加熱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、鉄鉱石や酸化鉄等の酸化鉄源（以下、酸化鉄含有物質ということがある）と炭素を含む還元剤（以下、炭素質還元剤ということがある）とを含む塊成物であって、還元鉄を製造するために用いる塊成物およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄を製造する方法として、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む混合物を加熱して還元鉄を製造する直接還元製鉄法が開発されている。この製鉄法では、上記混合物を成形した塊成物を炉（例えば、移動炉床式加熱炉）に装入し、炉内で加熱バーナーによるガス伝熱や輻射熱で加熱することにより塊成物中の酸化鉄を炭素質還元剤で還元して塊状の還元鉄を得ることができる。
【０００３】
上記製鉄法では、上記塊成物は輻射熱等により加熱されるため、炉床上に装入する塊成物層の高さが制限される。従って還元鉄の生産性を向上させるには、還元反応の反応速度を高める必要がある。しかし塊成物の還元速度は、塊成物内の伝熱に律速されるため、還元鉄の生産性を向上させるために炉内の温度を上げると塊成物表面が溶融して炉内での固着や炉体損傷が発生する。
【０００４】
本出願人は、還元鉄の生産性を向上させる技術を先に特許文献１に開示している。この技術では、炭材と酸化鉄を主体とする鉄鉱石とからなる炭材内装ペレットについて、炭材の軟化溶融時の最高流動度と鉄鉱石中の１０μｍ以下の酸化鉄粒子の割合を所定の組合せとなるように調整することによって、炭材内装ペレット内の熱伝導性を向上させて、還元鉄の生産性を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１６０２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、上記特許文献１を提案した後も還元鉄の生産性を更に向上させるために検討を重ねてきた。その結果、上記特許文献１で提案した炭材内装ペレット内の酸化鉄粒子間の接合を強めることによって熱伝導性を改善する方法では、生産性の向上に限界があることが分かった。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、還元鉄の生産性を高めることのできる還元鉄製造用塊成物、およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記塊成物を加熱して還元鉄を製造する際に、塊成物の焼けムラを低減して均一な品質の還元鉄を製造できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決することのできた本発明に係る還元鉄製造用塊成物は、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む還元鉄製造用塊成物であり、更に熱伝導性線状物を含んでいる点に要旨を有している。
【０００９】
前記熱伝導性線状物の一部は、前記塊成物の表面に露出していることが好ましい。前記熱伝導性線状物としては、例えば、鉄線、カーボンファイバー、スチールウールなどを用いることができる。
【００１０】
上記還元鉄製造用塊成物は、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む混合物を塊成化する工程と、前記塊成化工程で得られた塊成物に熱伝導性線状物を装入する工程、を経ることによって製造できる。また、上記還元鉄製造用塊成物は、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、および熱伝導性線状物を混合する工程と、前記混合工程で得られた混合物を塊成化する工程、を経ることによっても製造できる。
【００１１】
上記還元鉄製造用塊成物を炉内で加熱して還元鉄を製造する際には、前記塊成物を炉壁側に配置して加熱することが推奨される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む塊成物に、更に熱伝導性線状物を配合することによって、この塊成物を炉で加熱したときに還元温度まで到達させる時間を短縮できる。また、熱伝導性線状物を配合することによって、還元温度に到達した後においても、塊成物に含まれる酸化鉄の還元を速やかに行うことができる。従って本発明の塊成物を用いれば、還元鉄の生産性を向上できる。また、本発明の塊成物を適切に配置して加熱することによって、均一な品質の還元鉄を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明に係る製造方法を実施できる装置の模式図である。
【図２】図２は、本発明に係る還元鉄製造用塊成物の断面を示した模式図である。
【図３】図３は、実施例で用いた加熱前における塊成物の断面を示した模式図である。
【図４】図４は、実施例で塊成物の中心部における温度変化を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者は、還元鉄の生産性を向上させるために、鋭意検討を重ねてきた。その結果、塊成物の熱伝導率と塊成物の気孔率が還元鉄の生産性に大きく影響を及ぼすこと、また塊成物の熱伝導率を高めたうえで、適当な気孔率を確保すれば、還元鉄の生産性を向上できることを見出し、本発明を完成した。
【００１５】
本発明を完成するに至った経緯は次の通りである。
【００１６】
酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む塊成物を炉（例えば、移動炉床式加熱炉）に装入して加熱すると、還元開始温度まで予熱された後、還元反応が開始し、酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄が還元され、還元鉄が得られる。還元鉄の生産性を向上させるには、塊成物を炉に装入して還元温度に到達するまでの時間（予熱時間）を短縮することと、還元反応が開始してから終了するまでの時間（還元反応時間）を短くすることが考えられる。
【００１７】
後者の還元反応時間を短くするには、酸化鉄の還元反応を促進すればよい。酸化鉄の還元反応は、一般的に、下記式で表わされる。従って、酸化鉄が還元されたときに生成するＣＯガスやＣＯ2ガスを除去してやれば、酸化鉄の還元反応が促進される。これらのガスを速やかに除去するには、塊成物の気孔率を高くし、拡散速度を向上させることが考えられる。
ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ
ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ2
【００１８】
一方、前者の塊成物を炉に装入して還元温度に到達するまでの時間（予熱時間）を短縮するには、塊成物の熱伝導性が良好で、塊成物の内部まで速やかに熱が伝熱されればよい。塊成物の熱伝導性を向上させるには、塊成物の気孔率を低くすることが考えられる。気孔率が高くなると、気孔が断熱効果を有するため、熱伝導率が低下するからである。
【００１９】
このように、塊成物の還元反応時間を短縮するには、塊成物の気孔率を高めることが有効であるのに対し、塊成物を還元温度まで加熱するときの予熱時間を短縮するには、塊成物の気孔率を低めることが有効である。従って塊成物の気孔率を調整して還元反応時間と予熱時間の両方を短縮し、還元鉄の生産性を向上させることは困難であった。
【００２０】
そこで本発明者は、還元反応時間と予熱時間の両方を短縮して還元鉄の生産性を向上させることを目指して検討を重ねてきた。その結果、塊成物に熱伝導性線状物を配合すれば、還元反応時間と予熱時間を両方短縮でき、還元鉄の生産性を向上できることが判明した。
【００２１】
即ち、本発明の還元鉄製造用塊成物（以下、単に塊成物ということがある）は、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含んでいる他、特に、熱伝導性線状物を含んでいるところに特徴を有している。塊成物に熱伝導性線状物を配合することによって、塊成物全体の伝熱性を高めることができるため、予熱時間を短縮でき、しかも塊成物の気孔率は従来と殆ど変わらないため、還元反応時間も短縮でき、還元鉄の生産性を向上させることができる。なお、上記特許文献１に開示した方法では、炉内で加熱された炭材が軟化し、流動することによって接合強度が初めて強化されるため、加熱初期の熱伝導率を向上させることはできない。従って上記予熱時間を短縮して還元鉄の生産性を高めることは難しかった。
【００２２】
上記熱伝導性線状物は、熱を伝導する素材であり、熱伝導性線状物を含有していない塊成物の熱伝導率よりも高ければよい。また、上記熱伝導性線状物の熱伝導率は、塊成物に含まれる酸化鉄含有物質の熱伝導率よりも高いことが好ましい。
【００２３】
上記熱伝導性線状物の熱伝導率は、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、より好ましくは２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。酸化鉄含有物質と炭素質還元剤からなる塊成物の熱伝導率は、おおよそ１Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、酸化鉄含有物質の熱伝導率は、おおよそ２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるためである。なお、鉄の熱伝導率は、常温においては５５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。
【００２４】
上記熱伝導性線状物を含有させる前の塊成物の熱伝導率、上記熱伝導性線状物自体の熱伝導率、および上記熱伝導性線状物を含む塊成物の熱伝導率は、いずれも定常熱流法（ＪＩＳ  Ａ１４１２−１（１９９９））で測定できる。
【００２５】
上記熱伝導性線状物は、線状であればよく、その形状は、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。また、複数の線状物が編みこまれた網目状（メッシュ状）であってもよい。また、これらの混合物であってもよい。
【００２６】
上記熱伝導性線状物の直径は、０．３〜３ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．５〜２ｍｍである。大き過ぎると塊成物の強度が低下し、小さ過ぎると伝熱の効果が得られにくくなる。
【００２７】
上記熱伝導性線状物は、塊成物中に、等間隔に埋め込まれていてもよいし、ランダムに埋め込まれていてもよい。
【００２８】
上記熱伝導性線状物は、塊成物の表面と中心位置とを結ぶように装入されていることが好ましい。表面と中心位置を熱伝導性線状物で結ぶことによって、塊成物表面の熱を中心位置まで速やかに伝熱して加熱できる。
【００２９】
上記熱伝導性線状物の一部は、塊成物の表面に露出していることが好ましい。表面に露出していると、露出した部分から熱が伝熱し、塊成物の内部まで速やかに加熱されるからである。
【００３０】
上記熱伝導性線状物としては、具体的には、金属線（例えば、鉄線）やカーボンファイバー（炭素繊維）、スチールウールなどを用いることができる。また、これらを適宜組み合わせて用いてもよい。
【００３１】
本発明の塊成物は、上記熱伝導性線状物以外に、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含んでいる。上記酸化鉄含有物質としては、例えば、鉄鉱石、砂鉄、製鉄ダスト、非鉄製錬残渣、製鉄廃棄物などを用いることができる。上記炭素質還元剤としては、炭素含有物質を用いればよく、例えば、石炭やコークスなどを用いることができる。
【００３２】
上記塊成物は、その他の成分として、バインダーやＭｇＯ含有物質、ＣａＯ含有物質などを配合してもよい。上記バインダーとしては、例えば、多糖類（例えば、小麦粉等の澱粉など）などを用いることができる。上記ＭｇＯ含有物質としては、例えば、ＭｇＯ粉末や天然鉱石や海水などから抽出されるＭｇＯ含有物質、或いはドロマイトや炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）などを用いることができる。上記ＣａＯ含有物質としては、例えば、生石灰（ＣａＯ）や石灰石（主成分はＣａＣＯ3）などを用いることができる。
【００３３】
上記熱伝導性線状物を含む本発明の塊成物の気孔率は、２０〜５０％であることが好ましい。気孔率が小さ過ぎると還元反応に時間がかかり、還元反応時間を短縮できない。一方、気孔率が大き過ぎると熱伝導性線状物を配合しても還元温度まで予熱するのに時間がかかり過ぎる。また、気孔率が大き過ぎると還元鉄の生成量が少なくなるため、生産効率が低下する。
【００３４】
上記塊成物の気孔率ε（％）は、見かけ密度ρａ、真密度ρｔ、空気密度ρｇから下記式（ｉ）に基づいて算出できる。
ε＝（ρｔ−ρａ）／（ρｔ−ρｇ）×１００      ・・・（ｉ）
【００３５】
上記塊成物の形状は特に限定されないが、例えば、ペレット状やブリケット状などであればよい。
【００３６】
上記塊成物の大きさは特に限定されないが、例えば、塊成物をその体積に相当する真球に換算したときの直径が９〜３０ｍｍ程度であることが好ましい。
【００３７】
次に、本発明に係る塊成物を製造できる方法について説明する。本発明の塊成物は、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む混合物を塊成化して得られた塊成物に、熱伝導性線状物を後から装入するか（以下、製造方法１という）、或いは酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、および熱伝導性線状物を混合したものを塊成化する（以下、製造方法２という）ことによって製造できる。
【００３８】
《製造方法１》
上記製造方法１は、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む混合物を塊成化する工程と、前記塊成化工程で得られた塊成物に熱伝導性線状物を装入する工程、を含むものである。
【００３９】
酸化鉄含有物質と炭素質還元剤は、混合機で予め混合して混合物とした後に、塊成化すればよい。この混合物には、上述したように、バインダー等の成分を配合してもよい。
【００４０】
次に、上記混合物を塊成機で塊成化した後、熱伝導性線状物を装入することによって還元鉄製造用塊成物を製造できる。上記熱伝導性線状物を装入するには、例えば、上記混合物を塊成機で塊成化したものを挟み込むように保持し、周囲から上記熱伝導性線状物を突き刺すように装入すればよい。
【００４１】
《製造方法２》
上記製造方法２は、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、および熱伝導性線状物を混合する工程と、前記混合工程で得られた混合物を塊成化する工程、を含むところに特徴を有している。
【００４２】
ここで、製造方法２について図１を用いて具体的に説明する。図１は、製造方法２を実施できる装置の模式図である。図１中、１は酸化鉄含有物質供給手段、２は炭素質還元剤供給手段、３は熱伝導性線状物供給手段、４は混合機、５は塊成機、６は塊成物を夫々示している。酸化鉄含有物質供給手段１と混合機４、炭素質還元剤供給手段２と混合機４、熱伝導性線状物供給手段３と混合機４は、夫々、経路１００ａ〜１００ｃで接続されている。混合機４と塊成機５は経路１０１で接続されており、塊成機５で得られた塊成物６は経路１０２を通して回収される。
【００４３】
図１に示すように、混合機４において、酸化鉄含有物質供給手段１、炭素質還元剤供給手段２、熱伝導性線状物供給手段３から夫々供給された原料を混合した後、塊成機５で塊成化することによって熱伝導性線状物を含む還元鉄製造用塊成物を製造できる。
【００４４】
得られた塊成物の一例を図２に示す。図２は、塊成物の断面図を示しており、塊成物の形状はラグビーボール状である。図２中、６は塊成物を示しており、塊成物６の内部に示した３ａは熱伝導性線状物を示している。図２に示した塊成物６には、曲線状の熱伝導性線状物３ａが分散しており、熱伝導性線状物３ａの一部は塊成物６の表面に露出している。
【００４５】
上記製造方法１、２において用いることができる混合機および塊成機としては、次のものが例示される。
【００４６】
上記混合機としては、例えば、回転容器形混合機や固定容器形混合機を用いることができる。回転容器形混合機としては、例えば、回転円筒形、二重円錐形、Ｖ形などの混合機を用いることができる。固定容器形混合機としては、例えば、混合槽内に回転羽（例えば、鋤など）を設けた混合機を用いることができる。
【００４７】
上記塊成機としては、例えば、皿形造粒機（ディスク形造粒機）やドラム形造粒機（円筒形造粒機）などを用いることができる。
【００４８】
このようにして得られた塊成物は、炉で加熱することによって還元鉄を製造できる。
【００４９】
次に、上記塊成物を炉で加熱して還元鉄を製造できる方法について説明する。上記炉としては、加熱炉を用いることができる。加熱炉としては、移動炉床炉を用いることができる。移動炉床炉とは、炉床がベルトコンベアのように炉内を移動する加熱炉であり、具体的には、回転炉床炉を例示できる。回転炉床炉は、炉床の始点と終点が同じ位置になるように炉床の外観形状が円形（ドーナツ状）に設計されている。従って、回転方向の最上流側には塊成物を炉内に供給する装入手段が配置されると共に、回転方向の最下流側（回転構造であるため、実際には装入手段の直上流側になる）には排出手段が設けられる。
【００５０】
上記加熱炉には、加熱バーナーが設けられており、炉床上に装入した塊成物を加熱バーナーによるガス伝熱や輻射熱で加熱できる。上記炉床上の塊成物は、炉内を一周する間に加熱還元されて還元鉄を生成する。また、炉内で更に加熱して還元鉄を一旦溶融し、これを冷却すれば粒状金属鉄を製造できる。
【００５１】
本発明の上記塊成物は、炉壁側に配置することが推奨される。即ち、炉の中央部（移動炉床炉の場合は、炉幅方向の中央部）は、加熱バーナーの火炎によって温度が上昇しやすいが、炉壁側は炉の中央部に比べて温度が低下する傾向がある。そこで本発明の上記塊成物は、熱伝導性線状物を含んでいるため熱伝導性が良好であるから、上記塊成物を炉壁側に配置して加熱することによって、焼けムラが発生するのを低減できる。
【００５２】
上記塊成物に含まれる酸化鉄を加熱炉内で加熱還元するときの条件は特に限定されないが、炉内温度を、例えば、１０００〜１５００℃とすればよい。炉内の加熱には、バーナーを用い、該バーナーの燃焼条件を制御すれば、塊成物の温度を調整できる。
【００５３】
上記塊成物を炉床上に供給するに先立って、炉床上には床敷材として炭材を予め敷いておくことが好ましい。上記床敷材は、炉床保護材として作用すると共に塊成物に含まれる炭素が不足したときの炭素供給源となる。上記床敷材として用いる炭材としては、上記炭素質還元剤として例示したものを用いることができる。上記炭材としては、粒子径が０．５〜３．０ｍｍ程度のものを用いることが推奨される。
【００５４】
上記床敷材の厚みは特に限定されないが、例えば、３〜３０ｍｍとすることが好ましい。
【００５５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５６】
塊成物の中心における温度が１０００℃に到達するまでの時間に対して塊成物に埋め込んだ熱伝導性線状物が及ぼす影響を、３次元の非定常熱伝導計算によって調べた。
【００５７】
塊成物は次の手順で製造したものを想定して計算した。まず、下記表１に示す成分組成の鉄鉱石粉（平均粒径３０μｍ）、下記表２に示す成分組成の石炭粉（平均粒径２０μｍ）、有機質バインダー、および副原料を混合機で混合する。有機質バインダーとしては、デンプン（平均粒径１０μｍ）を用い、副原料としては、石灰石粉（平均粒径１０μｍ）およびドロマイト粉（平均粒径２０μｍ）を用いる。
【００５８】
得られた混合物を、塊成機へ供給して成形し、塊成物を製造する。塊成物に含まれる原料の配合組成を下記表３に示す。
【００５９】
次に、得られた塊成物を乾燥機へ供給し、乾燥させる。乾燥して得られた塊成物の直径は２０ｍｍで、球状である。
【００６０】
乾燥して得られた塊成物に、熱伝導性線状物を埋め込み、還元鉄製造用塊成物を製造する。熱伝導性線状物としては、直径０．５ｍｍまたは直径１ｍｍで、長さが９ｍｍの鉄線を１４本用いる。上記鉄線は、塊成物の表面から中心部に向かって、鉄線が放射線状になるように埋め込む。上記鉄線の熱伝導率は、２７．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。塊成物に含まれる酸化鉄含有物質の熱伝導率は、０．４０７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【００６１】
得られた上記還元鉄製造用塊成物の断面図（模式図）を図３に示す。図３の（ｂ）は直径０．５ｍｍの鉄線を埋め込んだ塊成物の断面図、（ｃ）は直径１ｍｍの鉄線を埋め込んだ塊成物の断面図を夫々示している。なお、図３の（ａ）は鉄線を埋め込んでいない塊成物の断面図を示している。
【００６２】
上記図３の（ａ）〜（ｃ）に示した塊成物の気孔率を上記式（ｉ）に基づいて算出した。その結果、（ａ）の気孔率は３０％、（ｂ）の気孔率は２９．３％、（ｃ）の気孔率は２７．２％であり、熱伝導性線状物を埋め込んだ塊成物（ｂ）、（ｃ）の気孔率は、熱伝導性線状物を埋め込んでいない塊成物（ａ）の気孔率と殆ど変わらなかった。
【００６３】
次に、上記還元鉄製造用塊成物を加熱炉で加熱したときにおける塊成物の中心の温度変化を３次元非定常熱伝導計算によって算出した。上記加熱炉は、炉内を１３００℃に加熱しておき、この炉内に上記塊成物を入れて加熱することを想定した。
【００６４】
加熱時間に対する塊成物の中心部における温度変化を示すグラフを図４に示す。図４から、塊成物の中心部における温度が１０００℃に到達するまでの時間を算出した。その結果、（ａ）鉄線を埋め込んでいない場合は９２秒かかったのに対し、（ｂ）直径０．５ｍｍの鉄線を埋め込んだ場合は７４秒、（ｃ）直径１ｍｍの鉄線を埋め込んだ場合は６２秒であった。即ち、１０００℃まで予熱するときの速度は、塊成物（ｂ）は塊成物（ａ）に対して１２０％、塊成物（ｃ）は塊成物（ａ）に対して１５０％増大できることが分かる。
【００６５】
また、図４から、１０００℃に到達してから１３００℃に到達するまでの時間は、塊成物（ａ）〜（ｃ）で殆ど変化がないことが分かる。
【００６６】
以上の結果から、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤とを含む塊成物に熱伝導性線状物を配合することによって、還元鉄に生産性を向上できることが分かる。
【００６７】
【表１】
0005475630.tif 000002
【００６８】
【表２】
0005475630.tif 000003
【００６９】
【表３】
0005475630.tif 000004
【図１】
0005475630.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
0005475630.tif 000008