(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
急速加熱還元炉用の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物であって、
当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における、結晶水と炭材の揮発分との合計含有量が１０．５質量％（乾量基準、以下同じ。）以下、付着水分の含有量が１.０質量％以下であることを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物。
【請求項２】
前記炭材内装酸化鉄塊成化物中における前記結晶水の含有量が４質量％以上である請求項１に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物。
【請求項３】
前記炭材内装酸化鉄塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で０．５以上１．５以下である請求項１または２に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物。
【請求項４】
急速加熱還元炉用の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物を製造する方法であって、
当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における、結晶水と炭材の揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下となるように、酸化鉄原料および炭材を配合するステップと、
前記酸化鉄原料および前記炭材を塊成化物に造粒するステップと、
前記塊成化物の付着水分の含有量が１.０質量％以下になるまで、当該塊成化物を乾燥するステップと
を有することを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法。
【請求項５】
前記酸化鉄原料および炭材を配合するステップにおいて、
前記炭材内装酸化鉄塊成化物中における前記結晶水の含有量が４質量％以上となるように、前記酸化鉄原料および前記炭材を配合する請求項４に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法。
【請求項６】
前記酸化鉄原料および炭材を配合するステップにおいて、
前記炭材内装酸化鉄塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で０．５以上１．５以下となるように、前記酸化鉄原料および前記炭材を配合する請求項４または５に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法。
【請求項７】
前記酸化鉄原料および炭材を配合するステップにおいて、
さらに酸化カルシウム供給物質を配合する請求項４〜６のいずれかに記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法。
【請求項８】
還元鉄を製造する方法であって、
炭材内装酸化鉄塊成化物を急速加熱還元炉に装入するステップと、
前記炭材内装酸化鉄塊成化物を前記急速加熱還元炉の炉内温度が２００℃以下の領域から１０００℃以上の領域までを２０秒以下の時間で移動させることで、当該炭材内装酸化鉄塊成化物を加熱するステップと、
前記炭材内装酸化鉄塊成化物の酸化鉄を当該炭材内装酸化鉄塊成化物中の炭素質還元剤で還元鉄に還元するステップと、
前記還元鉄を冷却凝固させるステップと
を有し、
前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における結晶水と炭材の揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下、付着水分の含有量が１.０質量％以下であることを特徴とする還元鉄の製造方法。
【請求項９】
前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、その中における前記結晶水の含有量が４質量％以上である請求項８に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項１０】
前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、その塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で１．５以下である請求項８または９に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項１１】
金属鉄を製造する方法であって、
炭材内装酸化鉄塊成化物を急速加熱還元炉に装入するステップと、
前記炭材内装酸化鉄塊成化物を前記急速加熱還元炉の炉内温度が２００℃以下の領域から１０００℃以上の領域までを２０秒以下の時間で移動させることで、当該炭材内装酸化鉄塊成化物を加熱するステップと、
前記炭材内装酸化鉄塊成化物の酸化鉄を当該炭材内装酸化鉄塊成化物中の炭素質還元剤で還元することで、金属鉄を生成してスラグを副生するステップと、
前記金属鉄を前記スラグと分離しつつ粒状に凝集させるステップと、
前記金属鉄を冷却凝固させるステップと
を有し、
前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における結晶水と炭材の揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下、付着水分の含有量が１.０質量％以下であることを特徴とする金属鉄の製造方法。
【請求項１２】
前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、その中における前記結晶水の含有量が４質量％以上である請求項１１に記載の金属鉄の製造方法。
【請求項１３】
前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、その塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で０．５以上である請求項１１または１２に記載の金属鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元鉄または金属鉄を製造する、回転炉床式還元炉など急速加熱還元炉用の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物に関する。また、本発明は、この炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法およびこの炭材内装酸化鉄塊成化物から還元鉄または金属鉄を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の還元鉄製造プロセスには、還元剤として高価な天然ガスを必要とすること、プラントの立地が通常天然ガスの産地に限られることなどの制約がある。
【０００３】
このため、近年、還元剤として、比較的安価で、かつ、プラント立地の地理的制約も緩和される石炭を用いた還元鉄の製造プロセスが注目されている。
【０００４】
そして、この石炭を使用する方法として、鉄鉱石（酸化鉄原料）と石炭（炭材）との粉状混合物を塊成化した炭材内装酸化鉄塊成化物（以下、単に「塊成化物」ともいう。）を回転炉床炉（急速加熱還元炉）内に装入して高温雰囲気下で加熱し還元して、固体還元鉄を製造する方法が多数提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
また、上記方法と同様、炭材内装酸化鉄塊成化物を回転炉床式還元炉（急速加熱還元炉）内に装入し、上記固体還元鉄を製造する方法よりもさらに高温の雰囲気下で加熱し還元溶融してスラグ分を分離することにより、高品位の粒状金属鉄を製造する方法も提案されている（特許文献３参照）。
【０００６】
これらの回転炉床式還元炉（急速加熱還元炉）の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物には、通常、ペレットまたはブリケットが採用される。
【０００７】
ペレットとしては、例えば、粉砕機等にて、粒径１ｍｍ以下が８０質量％以上含有するように粒度調整された鉄鉱石に、同様に粒度調整された石炭と、必要により石灰石等の塩基度調整剤を配合し、さらに、結合剤として澱粉等の有機質粘結剤と造粒水分を添加して、ペレタイザにて平均粒径１３〜１９ｍｍの生ペレットに造粒した後、これを乾燥機にて、有機質粘結剤が燃焼しない８０〜２２０℃の温度範囲で、付着水分含有量１質量％以下まで乾燥したものが用いられる（特許文献４参照）。
【０００８】
また、ブリケットとしては、例えば、粉砕機等にて、粒径２ｍｍ以下が８０質量％以上含有するように粒度調整された鉄鉱石に、同様に粒度調整された石炭と、必要により石灰石等の塩基度調整剤を配合し、さらに、澱粉等の有機質粘結剤と造粒水分を添加して、ブリケットマシンにて体積約１０ｃｍ３の生ブリケットに成形した後、これを乾燥機にて、上記ペレット同様の８０〜２２０℃の温度範囲で、付着水分含有量１．０質量％以下まで乾燥したものが用いられる。
【０００９】
このように、ペレットやブリケットなどの塊成化物を付着水分含有量１質量％以下まで乾燥するのは、塊成化物中に付着水分量が多いと、炉内雰囲気温度が通常１０００℃以上の高温に保持された回転炉床式還元炉（急速加熱炉）内に装入した際、塊成化物が急速加熱されて、その内部の付着水分が急激に水蒸気となり、そのガス圧にて塊成化物が爆裂（バースティング）してしまうのを防止するためである。
【００１０】
一方、近年、世界的に鉄鉱石の品位が劣質化する傾向にあり、特に、結晶水を多量に含有する、いわゆる高結晶水鉱石の産出割合が増加している。このため、高炉原料である焼結鉱やペレットへの高結晶水鉱石の多量使用技術の開発が活発に行われているものの、高炉原料としての品質維持の観点から、焼結鉱やペレットへの高結晶水鉱石の使用には限界がある。そこで、還元鉄等の原料である炭材内装酸化鉄塊成化物に高結晶水鉱石を積極的に使用したいというニーズが存在する。
【００１１】
しかしながら、酸化鉄原料として高結晶水鉱石を用いて上述の方法により塊成化物を製造すると、乾燥機にて付着水分は除去できるものの、結晶水はその解離温度が通常２５０℃以上と、上記乾燥温度（８０〜２２０℃）より高いため、ほとんど事前に除去することができない。したがって、結晶水を含有したまま塊成化物が回転炉床炉（急速加熱還元炉）内に装入され急速加熱されると、塊成化物内部で結晶水が解離して水蒸気圧が急上昇し、塊成化物を構成する粒子の隙間より水蒸気が溢出できなくなり塊成化物が爆裂（バースティング）してしまうことが考えられる。また、炭材として通常用いられる石炭は揮発分を有するため、この揮発分も急速加熱により脱揮してガス化し、上記結晶水由来の水蒸気と合わさってさらに塊成化内部のガス圧を上昇させることが懸念される。
【００１２】
このようなバースティングの問題を回避するための一手段として、特許文献５に開示されているように、回転炉床式還元炉の加熱帯の前段に予熱帯を設けて、例えば、予熱帯にて３００〜５００℃程度の比較的低い温度域で予熱してバースティングを防止しつつ結晶水と揮発分を除去した後に、加熱帯にて１０００℃以上の高温域で加熱して還元を行うことが考えられるが、還元炉のサイズを維持した場合には還元鉄等の生産性が大幅に低下する一方、還元鉄等の生産性を確保した場合には還元炉が著しく大型化する問題がある。
【００１３】
また、上記バースティングの問題を回避するための別の手段として、有機質粘結剤を増量して、塊成化物の強度を高めることも考えられるが、高価な有機質粘結剤を多量に使用する必要があることから、塊成化物の製造コストが上昇し、その結果、還元鉄等の製造コストが上昇する問題がある。
【特許文献１】特開２００４−２６９９７８号公報
【特許文献２】特開平９−１９２８９６号公報
【特許文献３】特開２００２−３３９００９号公報
【特許文献４】特許第３０４０９７８号公報
【特許文献５】特開平１１−３３７２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、酸化鉄原料として高結晶水鉱石を用いても、還元鉄等の生産性の低下や還元炉の大型化、還元鉄等の製造コストの上昇を招くことなく、急速加熱還元炉内でのバースティングを確実に防止しうる、炭材内装酸化鉄塊成化物を提供することを目的とする。また、この炭材内装酸化鉄塊成化物を製造する方法およびこの炭材内装酸化鉄塊成化物から還元鉄または金属鉄を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、高結晶水鉱石を使用した炭材内装酸化鉄塊成化物を急速加熱還元炉に装入したときに懸念されるバースティングは、上述したように、上記結晶水の解離と、石炭などの内装炭材中の揮発分の脱揮とで生じたガスによる塊成化物内部の圧力上昇が原因と考え、種々の結晶水含有量の鉄鉱石と、種々の揮発分含有量の石炭とを組み合わせて塊成化物を作製し、これを高温雰囲気の小型加熱炉中に装入することにより、バースティング発生の有無を調査した。その結果、バースティング発生の有無は、塊成化物中の結晶水と揮発分との合計含有量で整理することができることを見出した。
【００１６】
上記知見に基づき、さらに検討を加え、以下の発明を完成するに至った。
【００１７】
請求項１に記載の発明は、急速加熱還元炉用の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物であって、当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における、結晶水と炭材の揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下（乾量基準、以下同じ。）、付着水分の含有量が１.０質量％以下であることを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物である。ここに、「付着水分」とは、炭材内装酸化鉄塊成化物を構成する粒子の表面に物理的に付着した水分をいう。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、前記炭材内装酸化鉄塊成化物中における前記結晶水の含有量が４質量％以上である請求項１に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物である。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、前記炭材内装酸化鉄塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で０．５以上１．５以下である請求項１または２に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物である。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、急速加熱還元炉用の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物を製造する方法であって、当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における、結晶水と炭材の揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下となるように、酸化鉄原料および炭材を配合するステップと、前記酸化鉄原料および前記炭材を塊成化物に造粒するステップと、前記塊成化物の付着水分の含有量が１.０質量％以下になるまで、当該塊成化物を乾燥するステップとを有することを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法である。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、前記酸化鉄原料および炭材を配合するステップにおいて、前記炭材内装酸化鉄塊成化物中における前記結晶水の含有量が４質量％以上となるように、前記酸化鉄原料および前記炭材を配合する請求項４に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法である。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、前記酸化鉄原料および炭材を配合するステップにおいて、前記炭材内装酸化鉄塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で０．５以上１．５以下となるように、前記酸化鉄原料および前記炭材を配合する請求項４または５に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法である。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、前記酸化鉄原料および炭材を配合するステップにおいて、さらに酸化カルシウム供給物質を配合する請求項４〜６のいずれかに記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法である。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、還元鉄を製造する方法であって、炭材内装酸化鉄塊成化物を急速加熱還元炉に装入するステップと、前記炭材内装酸化鉄塊成化物を前記急速加熱還元炉の炉内温度が２００℃以下の領域から１０００℃以上の領域までを２０秒以下の時間で移動させることで、当該炭材内装酸化鉄塊成化物を加熱するステップと、前記炭材内装酸化鉄塊成化物の酸化鉄を当該炭材内装酸化鉄塊成化物中の炭素質還元剤で還元鉄に還元するステップと、前記還元鉄を冷却凝固させるステップとを有し、前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における結晶水と炭材の揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下、付着水分の含有量が１.０質量％以下であることを特徴とする還元鉄の製造方法である。
【００２５】
請求項９に記載の発明は、前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、その中における前記結晶水の含有量が４質量％以上である請求項８に記載の還元鉄の製造方法である。
【００２６】
請求項１０に記載の発明は、前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、その塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で１．５以下である請求項８または９に記載の還元鉄の製造方法である。
【００２７】
請求項１１に記載の発明は、金属鉄を製造する方法であって、炭材内装酸化鉄塊成化物を急速加熱還元炉に装入するステップと、前記炭材内装酸化鉄塊成化物を前記急速加熱還元炉の炉内温度が２００℃以下の領域から１０００℃以上の領域までを２０秒以下の時間で移動させることで、当該炭材内装酸化鉄塊成化物を加熱するステップと、前記炭材内装酸化鉄塊成化物の酸化鉄を当該炭材内装酸化鉄塊成化物中の炭素質還元剤で還元することで、金属鉄を生成してスラグを副生するステップと、前記金属鉄を前記スラグと分離しつつ粒状に凝集させるステップと、前記金属鉄を冷却凝固させるステップとを有し、前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における結晶水と炭材の揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下、付着水分の含有量が１.０質量％以下であることを特徴とする金属鉄の製造方法である。
【００２８】
請求項１２に記載の発明は、前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、その中における前記結晶水の含有量が４質量％以上である請求項１１に記載の金属鉄の製造方法である。
【００２９】
請求項１３に記載の発明は、前記炭材内装酸化鉄塊成化物は、その塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で０．５以上である請求項１１または１２に記載の金属鉄の製造方法である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、塊成化物中のガス化成分である、結晶水と炭材の揮発分との合計含有量を所定値（１０．５質量％）以下に制限したことで、酸化鉄原料として高結晶水鉱石を使用した塊成化物を急速加熱還元炉に装入しても、塊成化物内部に生じるガス圧が抑制され、バースティングの発生を確実に防止できるようになった。また、還元炉内に予熱帯を設ける必要がないため、還元鉄等の生産性の低下や還元炉の大型化を招くことがなく、有機質粘結剤などの結合剤を過度に増量する必要がないため、還元鉄等の製造コストの上昇を招くこともない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００３２】
本発明に係る炭材内装酸化鉄塊成化物は、当該炭材内装酸化鉄塊成化物中における、結晶水と炭材の揮発分（以下、単に揮発分と略称する）との合計含有量が１０．５質量％（乾量基準、以下同じ。）以下、付着水分の含有量が１.０質量％以下であることを特徴とする。
【００３３】
さらに、結晶水の含有量が４質量％以上であることが好ましい。また、炭材内装酸化鉄塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で０．５以上１．５以下とするのが好ましい。
【００３４】
以下、上記構成中における各要件の数値限定理由について順次説明する。
【００３５】
（１）塊成化物中における、結晶水と揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下
後記実施例の試験−４の結果（図３参照）より、バースティング発生の有無は、塊成化物中における、結晶水と揮発分との合計含有量（質量基準）で整理でき、その臨界値が１０．５質量％であることによる。
【００３６】
（ａ）結晶水と揮発分との合計含有量で評価できることの妥当性
ここで、図１に模式的に示すように、結晶水の解離に伴うガス（水蒸気）発生温度範囲２００〜４００℃と揮発分の脱揮に伴うガス発生温度範囲３００〜７００℃とは、一部重なるものの、ほとんどが重なり合わないため、結晶水と揮発分との合計含有量でバースティング発生の有無を評価することには疑問が生じるかもしれない。
【００３７】
しかしながら、図１に示すようなガス発生挙動は、昇温速度が小さい（通常５〜１０℃／ｍｉｎ）定常状態に近い条件でのガス発生挙動を示すものであるため、両者のガス発生の温度範囲が明瞭に区別されたものである。これに対し、１０００℃以上の高温雰囲気中に装入された場合には、塊成化物の昇温速度が非常に大きくなるため、高温雰囲気下では、結晶水の解離に伴うガスの発生範囲温度と揮発分の脱揮に伴うガスの発生温度範囲とはいずれも塊成化物の昇温過程にあるため、両者のガス発生の温度範囲はほとんど重なり合うものと考えられる。
【００３８】
したがって、結晶水由来の水蒸気と揮発分由来の発生ガスは、塊成化物を急速加熱還元炉に装入した後、ほぼ同時期に発生するものと考えられるので、バースティング発生の有無を結晶水と揮発分との合計含有量で評価できるものと判断される。
【００３９】
（ｂ）結晶水と揮発分との合計含有量を質量基準で評価できることの妥当性
また、バースティングの発生は、塊成化物内部でのガス発生に伴う圧力上昇に起因することからすると、質量基準での合計含有量でなく、ガス化時のガス容積（またはモル）基準で評価する方が合理的ではないかとの疑問も生じるかもしれない。
【００４０】
そこで、質量基準での合計含有量で評価することの妥当性を確認するため、結晶水および揮発分がガス化したときのそれぞれの分子量を比較した。結晶水由来の水蒸気（Ｈ２Ｏ）の分子量は、当然１８．０である。これに対し、揮発分由来の発生ガスの成分組成は、炭種、昇温速度等によって異なると考えられるので、先ず、炭種の影響を考慮し、後記実施例で用いた揮発分含有量の異なる３種の石炭ＣＡ、ＨＯ、ＹＡについて、以下の方法で揮発分由来の発生ガスの平均分子量を推定した。すなわち、揮発分由来の発生ガスの成分は、粒径１６ｍｍの炭材内装酸化鉄ペレットを１３００℃の雰囲気中に装入した試験における、装入直後の発生ガス中のＣＯとＣＯ２との比率を参考にして、ＣＯ：ＣＯ２＝７１：２９（体積比）とした。そして、揮発分中のＣはＣＯおよびＣＯ２に、ＨはＨ２Ｏに、ＮはＮＯ２に、ＳはＳＯ２に、Ｏは前記ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ２およびＳＯ２のＯの一部になると仮定した（脱揮直後の揮発分由来のガス成分としては、コークス炉ガスの成分組成からの類推で、ＣＨ４やＨ２等が多く含まれるはずであるが、塊成化物の内部から表面まで移動する間に塊成化物中の酸化鉄を還元し、ガス自体は酸化されて、塊成化物の表面から放出されたときには、ＣＨ４やＨ２等はＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等の酸化物の形態になっているものと考えられる。）。そして、各石炭の分析値より上記各ガス成分の発生割合を算出し、これより各石炭の揮発分由来の発生ガスの平均分子量を算出した。ここで、揮発分中のＣは、Ｔ．Ｃ（元素分析のＣ）とＦ．Ｃ（工業分析の固定炭素）との差とし、Ｈ、Ｎ、Ｓは、それぞれ、元素分析のＨ、Ｎ、Ｓの値を用いた。推定計算の結果、上記各石炭ＣＡ、ＨＯ、ＹＡ中の揮発分由来の発生ガスの組成は、下記表１のようになり、各発生ガスの平均分子量は、同表に示すように、おおよそ２０±０．５の範囲となった。これらの発生ガスの平均分子量は、昇温速度によっても変化すると想定されることからすると、結晶水由来の水蒸気の平均分子量と、揮発分由来の発生ガスの平均分子量は大差なく、容積（モル）基準を用いずに、結晶水と揮発分の質量基準の合計含有量でバースティング発生の有無を評価しても実質上問題ないと判断される。
（ｃ）まとめ
上記（ａ）および（ｂ）の検討結果から、塊成化物中における、結晶水と揮発分との合計含有量を１０．５質量％以下に規定することとした。なお、塊成化物中における、結晶水と揮発分との合計含有量は９質量％以下とするのがさらに好ましい。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
（２）塊成化物中における、付着水分含有量が１．０質量％以下
本発明に係る炭材内装酸化鉄塊成化物は、還元鉄または金属鉄の製造時に、１０００℃以上に急速に加熱される。そのため、塊成化物の付着水分によるバースティングを防止するために、上記引用文献４に記載の発明と同様、塊成化物中の付着水分含有量は１.０質量％以下とする。好ましくは、０．３質量％以下である。なお、このように、塊成化物中の付着水分含有量を制限することで、塊成化物の圧潰強度が高まり、還元炉に装入するまでの搬送過程での塊成化物の粉化を防止する効果も得られる。
【００４３】
（３）塊成化物中における結晶水の含有量が４質量％以上
塊成化物中の結晶水の含有量が４質量％以上のものを対象とした。使用が期待される高結晶水鉱石は、結晶水含有量が５質量％程度以上のもの（例えば、マラマンバ鉱石、ローブリバー鉱石、ヤンディ鉱石）が多い。そして、塊成化物中の鉱石と炭材との配合割合は、通常８０：２０程度であることから、酸化鉄原料として高結晶水鉱石を用いた場合は、塊成化物中の結晶水含有量は４質量％以上となることが多いからである。これにより、高結晶水鉱石を高い比率で使用できるので、コスト低減効果が得られる。
【００４４】
（４）塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で０．５以上１．５以下
塊成化物を原料として還元鉄を製造する場合は、製造された還元鉄を高炉や電気炉などの原料として使用する際に、塊成化物中の脈石分および灰分のスラグ化を促進して還元鉄の溶解を容易とするため、塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）を高めておくことが推奨される。塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）は１．０以上が好ましい。ただし、塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）を過度に高めるとスラグ融点が上昇して却って還元鉄中の脈石分および灰分のスラグ化が阻害され還元鉄の溶解が遅くなるので、塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）は１．５以下とするのが望ましい。より好ましくは、１．３以下である。
【００４５】
一方、塊成化物を原料として高品位の粒状金属鉄を製造する場合は、急速加熱還元炉内での粒状金属鉄とスラグの分離を良くするため、塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）は０．５以上とするのが望ましい。より好ましくは、１．２以上である。また、１．４以下が好ましい。
【００４６】
よって、還元鉄および粒状金属鉄のいずれの製造にも適した塊成化物の好適な塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）の範囲は、０．５〜１．５である。
〔炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法〕
本発明に係る炭材内装酸化鉄塊成化物は、還元鉄または金属鉄の製造原料であり、回転炉床式還元炉や直線式還元炉などの急速加熱還元炉に装入されることを特徴とする。ここで、「急速加熱還元炉」とは、炉内の２００℃以下の低温領域から１０００℃以上の高温領域までをおよそ２０秒以下の時間で、被加熱物を移動させて、当該被加熱物を加熱する加熱還元炉をいう。上記低温領域から高温領域までの被加熱物の移動時間は、１２．５秒以下であることが好ましい。急速加熱還元炉として、例えば、炉内の装入領域（低温領域）と燃焼加熱領域（高温領域）が壁で区分けされており、炉床を回転させることで、炉床上の装入原料を装入領域から燃焼加熱領域まで１２．５秒程度で移動させることができる回転炉床式還元炉がある。急速加熱還元炉は装入原料を室温から３００〜５００℃程度にまで加熱する予熱帯を備えていなくても良い。本発明に係る炭材内装酸化鉄塊成化物が急速加熱還元炉で加熱されると、上述したように、炭材内装酸化鉄塊成化物から結晶水由来の水蒸気と揮発分由来のガスがほぼ同時期に発生する。
【００４７】
〔炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法〕
上記構成からなる炭材内装酸化鉄塊成化物は、以下のようにして製造できる。
例えば、酸化鉄原料として特定銘柄の高結晶水鉱石１種類だけを使用する場合、炭材内装塊成化物中の結晶水と揮発分との合計含有量が１０．５質量％以下になるように、上記特定銘柄の高結晶水鉱石中の結晶水含有量に応じて、適正な揮発分含有量の石炭を１種類選択する。
【００４８】
そして、粒径１ｍｍ以下が８０質量％以上含有するように粒度調整した上記高結晶水鉱石に、同様の粒度に調整した、上記高結晶水鉱石中の酸化鉄を還元するのに十分な量の上記石炭と、有機質粘結剤としての澱粉を適量添加し、さらに水分を添加してペレタイザで造粒して生ペレットとし、これを乾燥機にて付着水分量が１質量％以下になるまで乾燥することによって、本発明の構成を満足する炭材内装酸化鉄ペレット（炭材内装酸化鉄塊成化物）が製造できる。炭材の添加量としては、酸化鉄含有物質中の酸化鉄を還元するのに必要な量の１．３倍以上（質量基準）が望ましい。
【００４９】
なお、炭材内装酸化鉄塊成化物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）を調整するためには、造粒原料に石灰石、消石灰などの酸化カルシウム供給物質（ＣａＯ供給物質）を所定量添加するとよい。
【００５０】
ここで、炭材内装酸化鉄塊成化物に酸化カルシウム供給物質を添加すると、塊成化物を急速加熱還元炉に装入した際に、上記結晶水と揮発分由来のガス発生に加えて、酸化カルシウム供給物質が分解してＣＯ２ガスまたは水蒸気が発生するため、よりバースティングが発生しやすくなることが懸念される。
【００５１】
しかしながら、石灰石を用いた場合は、図１に示すように、その分解に伴うガス発生温度範囲が６７０〜１２００℃であり、結晶水の解離に伴うガス発生温度範囲２００〜４００℃とは、全く重なり合わない。このため、急速昇温下で、両者の温度範囲が近づくとしても、塊成化物への石灰石の添加は、塊成化物内部でのガス圧の上昇にほとんど影響することはなく、むしろ、塊成化物中の結晶水と揮発分の合計含有量を希釈して低くするので、結晶水および揮発分由来の発生ガス量が減少し、バースティング発生を抑制する方向に働く（後記実施例の試験−３参照）。
【００５２】
一方、消石灰を用いた場合は、図１には示していないが、その分解に伴うガス発生温度範囲は１００〜５８０℃であり、結晶水および揮発分の分解に伴うガス発生温度範囲と重なるものの、消石灰の分解に伴うガス発生温度範囲は非常に広いため、塊成化物内部でのガス発生速度への影響は小さい。したがって、塊成化物への消石灰の添加は、上記石灰石の場合と同様に、塊成化物内部でのガス圧の上昇にほとんど影響することはなく、むしろ、塊成化物中の結晶水と揮発分の合計含有量を希釈して低くするので、結晶水および揮発分由来の発生ガス量が減少し、バースティング発生を抑制する方向に働く（後記実施例の試験−３参照）。
【００５３】
よって、塊成化物に酸化カルシウム供給物質を添加しても、結晶水と揮発分との合計含有量を規定値（１０．５質量％）以下とする限り、結合剤を過度に増量しなくとも、バースティング発生を懸念する必要はない。
【００５４】
（変形例）
上記塊成化物を原料として用いる急速加熱還元炉として、回転炉床式還元炉を例示したが、直線炉にも当然適用できる。
【００５５】
上記塊成化物の製造方法として、ペレットの製造方法を例示したが、もちろん、ブリケットの製造方法を採用してもよい。
【００５６】
また、酸化鉄原料として、特定銘柄の高結晶水鉱石を１種類だけ用いる例を示したが、複数銘柄の（結晶水含有量の異なる）高結晶鉱石を適宜混合して用いてもよい。さらには、結晶水含有量が７質量％以上と非常に高い高結晶水鉱石（例えば、ローブリバー鉱石、ヤンディ鉱石）を用いる場合は、塊成化物中の結晶水含有量が４質量％以上を維持できる範囲で、結晶水含有量の少ない、ないしは、結晶水を含有しない、一般のヘマタイト鉱石や製鉄所ダスト等を適宜混合して用いてもよい。
【００５７】
また、炭材として、適正な揮発分含有量を有する石炭を１種類だけ選択して用いる例を示したが、揮発分含有量の異なる複数種類の石炭を混合して、揮発分含有量を適正範囲に調整して用いてもよい。さらには、石炭の他、コークス、オイルコークス、木炭、木材チップ、廃プラスチック、古タイヤ等を使用することもできる。
【実施例】
【００５８】
本発明の効果を確証するために、下記表２に示す鉄鉱石および石炭を使用して、以下の各試験を実施した。
【００５９】
【表２】
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【００６０】
〔試験−１〕塊成化物中の結晶水の影響
先ず、塊成化物中の結晶水の影響を調査するため、上記表２（ａ）に示す、結晶水含有量が大きく異なる２種類の鉄鉱石（Ｙ鉱石およびＭ鉱石）を用い、炭材を配合することなく、鉄鉱石単味で塊成化物（ペレット）を作製し、急速加熱試験を実施した（下記表３参照）。
【００６１】
先ず、結晶水を１０．８質量％含有するＹ鉱石に、結合剤として小麦粉０．５質量％添加し、適量の水分を添加して造粒された直径１６ｍｍの生ペレットを乾燥器中で１０５℃、２０時間乾燥して付着水を完全に除去した。この乾燥後のペレット６個をステンレス金網製カゴに１層に並べて、このステンレス金網製カゴを縦型加熱炉中の１３００℃に加熱された均熱帯へ炉口から２０秒間で到達するように移動させた。この加熱炉内の雰囲気は１００％窒素ガスである。この加熱によって、すべてのペレットが崩壊し、小粒チップに分離した（試験Ｎｏ．１）。上記急速加熱条件は、回転炉床式還元炉において、塊成化物を装入領域から燃焼加熱領域までを１２．５秒程度で移動させて加熱する場合を模擬したものである。
【００６２】
一方、結晶水を含有しないＭ鉱石を用いて、結合剤をベントナイト０．８質量％に替えた他は、上記試験Ｎｏ．１と同様の条件でペレットを作製し、加熱試験を行った結果、すべてのペレットは健全なままであり、全く崩壊しなかった（試験Ｎｏ．２）。
【００６３】
以上の結果から、付着水がなくても、鉄鉱石の結晶水がバースティング発生に大きく関わっていることが確認された。
【００６４】
【表３】
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【００６５】
〔試験−２〕塊成化物の揮発分の影響
次に、塊成化物中の揮発分の影響を調査するため、結晶水を含有しないＭ鉱石に、揮発分含有量が大きく異なる２種類の石炭（ＣＡ炭およびＨＯ炭、表２（ｂ）参照）をそれぞれ配合して炭材内装酸化鉄塊成化（ペレット）を作製し、付着水を完全に除去した後に、上記試験−１と同様の急速加熱試験を実施した（下記表４参照）。なお、鉄鉱石と石炭の配合割合は、過去に実施した炭材内装酸化鉄ペレットの加熱還元試験の結果に基づき、鉄鉱石中の酸化鉄が石炭にて十分に還元される配合割合とし、塩基度調整のため、酸化カルシウム供給物質として消石灰を添加した。
【００６６】
揮発分の少ないＨＯ炭を使用した場合は、ペレット表面にクラック（亀裂）の発生が認められるものの、小粒化（微粉化）はほとんど起こらなかった。
【００６７】
一方、揮発分の多いＣＡ炭を使用した場合は、ペレットの上部が崩壊して飛散した。これは、揮発分が多い分だけペレット内のガス圧が高くなり一部が分離したためと考えられる。
【００６８】
【表４】
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【００６９】
〔試験−３〕塊成化物への酸化カルシウム供給物質添加の影響
次に、塊成化物へ添加する酸化カルシウム供給物質の影響を調査するため、結晶水の多いＹ鉱石に、炭材を配合することなく、消石灰と石灰石をそれぞれ添加した場合、無添加の場合について、塊成化物（ペレット）を作製し、付着水を完全に除去した後に、次の急速加熱試験を実施した（下記表５の試験Ｎｏ．５〜７参照）。
【００７０】
この試験−３では、急速加熱試験方法は、上記試験−１、２で用いたステンレス金網製カゴを縦型加熱炉に装入する方法と異なり、実際の回転炉床式還元炉により近い加熱状態を模擬するため、乾燥後のペレット４個を軽量アルミナトレー上に載置し、Ｎ２雰囲気に置換された横型加熱炉中の１３００℃の均熱帯へ炉口から２０秒間で到達するように装入してその位置で保持し、ペレットの還元率が９０％以上になる時間加熱した後、横型加熱炉の冷却ゾーンへ移動してＮ２雰囲気中で常温まで冷却する方法を採用した。
さらに、炭材配合時における、塊成化物への酸化カルシウム供給物質添加の影響を調査するため、結晶水の多いＹ鉱石と、揮発分が中程度のＹＡ炭との配合割合を種々変更したものに、石灰石を添加して塊成化物（ペレット）を作製し、付着水を完全に除去した後に、上記試験−１,２と同様の急速加熱試験を実施した（下記表５の試験Ｎｏ．８〜１０）。
【００７１】
試験Ｎｏ．５〜７より、鉄鉱石単味の場合に比べて、酸化カルシウム供給物質として石灰石または消石灰を添加したときの方が、むしろバースティング発生が抑制される傾向にあることがわかる。また、試験Ｎｏ．８〜１０より、塊成化物の耐バースティング特性に関しては、鉄鉱石中の結晶水および石炭中の揮発分の影響が大きく、酸化カルシウム供給物質の添加による影響は少ないことがわかる。
【００７２】
【表５】
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【００７３】
〔試験−４〕各種鉄鉱石と各種石炭を使用した塊成化物の耐バースティング特性の調査
次に、結晶水含有量の異なる鉄鉱石と、揮発分含有量の異なる石炭を種々の配合条件で作製した塊成化物（ペレット）の耐バースティング特性を調査するため、上記試験１〜３で急速加熱試験が実施された塊成化物に加えて、以下の条件（Ａ）と（Ｂ）に基づいて作製され、急速加熱試験が実施された塊成化物に対して後記のように小粒子の割合を測定した。
条件（Ａ）：Ｍ鉱石とＨＯ炭を用いて、下記表６の試験Ｎｏ．１１〜１４の配合条件で塊成化物を作製した。そして、上記試験−１と同様に、乾燥器で付着水を完全に除去した後に縦型加熱炉で急速加熱試験を実施した（表６の試験Ｎｏ．１１〜１４参照）。
条件（Ｂ）：Ｙ鉱石とＣＡ炭を用いて、下記表６の試験Ｎｏ．１５の配合条件で塊成化物を作製した。そして、上記試験−１と同様に、乾燥器で付着水を完全に除去した後に、上記試験−３と同様に横型加熱炉で急速加熱試験を実施した（表６の試験Ｎｏ．１５参照）。  
【００７４】
図２に、この急速加熱試験方法で試験したペレットの加熱前後の様子を上方から観察した例を示す。このペレットは、加熱後にクラックを発生しているが、分離小片を発生していないため、良好な耐バースティング特性を有するペレットとみなされる。
【００７５】
耐バースティング特性を定量的に評価するため、冷却後にペレットを取り出し、篩にて３．３５ｍｍ以下（「−３．３５ｍｍ」とも表示する。）の小粒子を分離し、その小粒子の質量がペレット全体の質量に占める割合によって評価することとし、この３．３５ｍｍ以下の小粒子の割合が５％以下のとき、耐バースティング特性が良好と定義した（なお、試験１〜３においても、同様にして耐バースティング特性の評価を行った。）。この評価法は、たとえペレットにクラックが入っていても、金属鉄が焼結し、小片に分離していなければ、製品（還元鉄または金属鉄）として実用に供しうることに基づいて策定したものである。
【００７６】
また、１３００℃の均熱帯に急速に装入する方法を採用した理由は、還元鉄を最も効率よく製造するためには、炭材内装酸化鉄塊成化物ができるだけ短時間で高温まで加熱されることが必要であることから、耐バースティング特性を評価するうえで、回転炉床式還元炉で還元鉄を製造する場合の十分高い炉内雰囲気温度に相当する１３００℃を選定した。
【００７７】
本試験−４の結果を、上記試験−１〜３の結果と併せて、下記表６および図３に示す。同図に示すように、試験−１〜３のステンレス金網製カゴを用いて縦型加熱炉で急速加熱した場合とでも、試験−４のアルミナトレーを用いて横型加熱炉で急速加熱した場合とででも、ばらつきの範囲内で、ほぼ同様の傾向を示すことがわかる。
【００７８】
表６および図３から明らかなように、塊成化物中の結晶水（ＬＯＩ）と揮発分（ＶＭ）の合計含有量が１０．５質量％を超えると、３．３５ｍｍ以下の小粒子の割合が急激に増加して４０〜６３％に達する（試験Ｎｏ．９,１０,１５参照）のに対し、塊成化物中の結晶水（ＬＯＩ）と揮発分（ＶＭ）の合計含有量が１０．５質量％以下の場合では、３．３５ｍｍ以下（−３．３５ｍｍ）の小粒子の割合は、常に５％未満となり、耐バースティング特性に非常に優れていることがわかる（試験Ｎｏ．３，４,１１〜１４参照）。
【００７９】
また、表６より、耐バースティング特性を確保するためには、塊成化物中の結晶水（ＬＯＩ）と揮発分（ＶＭ）の合計含有量を１０．５質量％以下とすることで、結合剤としての小麦粉（澱粉）の添加量は０．８質量％で十分であり、過度に結合剤を増量する必要がないことがわかる（試験Ｎｏ．１１〜１４参照）。
【００８０】
【表６】
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【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】炭材内装塊成化物中の、鉄鉱石の結晶水、石炭の揮発分および石灰石の各分解反応に伴うガス発生挙動を説明するための、加熱温度とガス発生速度との関係を模式的に示すグラフ図である。
【図２】急速加熱試験前後の炭材内装酸化鉄ペレットの様子を示す図である。
【図３】炭材内装酸化鉄塊成化物中の結晶水と揮発分の合計含有量と、急速加熱試験後における３．３５ｍｍ以下の小粒子の割合との関係を示すグラフ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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