(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する炉床上に酸化金属と炭素を含む成形体を静置して、上部の燃焼ガスからの熱で当該成形体を加熱して焼成する還元炉において、酸化第二鉄を７０質量％以上含む酸化鉄粉と炭素含有粉体の混合物に、平均粒径が１０μｍ以下で、かつ、金属鉄、酸化第一鉄、および、マグネタイトの合計が６５質量％以上の粉体を１０質量％以上混合するとともに、気孔率を下式で示される値である適正気孔率：V2以上として、当該成形体を１１００℃以上の温度で焼成還元することを特徴とする酸化鉄の還元方法。
V2=0.5R−14、ここで、Rは原料中の酸化第二鉄の質量比率（％）で、V2は成形体の適正気孔率（％）である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転炉床式還元炉などの移動する炉床を用いる焼成還元炉で、酸化鉄を適正に還元処理しする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
還元鉄や合金鉄を製造するプロセスとしては各種のものがあるが、炭素を還元剤として固体状態で還元するプロセスは、操業費用と設備が安価であり、かつ、操業が容易であることから、各国で実施されている。このプロセスの例としては、ロータリーキルンなどで、耐火物の上を、酸化金属と炭素の粉体の成形体を転がしながら、加熱して還元する形態のプロセス、および、移動する炉床の上に静置して、上部の高温ガスから加熱して還元するプロセス、例えば、回転炉床法プロセス、がある。
【０００３】
この内で、生産性の高いプロセスとして、回転炉床法が実施されている。回転炉床法は、固定した耐火物の天井および側壁の下で、中央部を欠いた円盤状の耐火物の炉床がレールの上を一定速度で回転する型式の焼成炉（以下、回転床炉と称す）を主体とするプロセスであり、酸化金属の還元に用いられる。回転炉は、回転する中央部を欠いた円盤状の炉床を有する。円盤状炉床の直径は１０メートルから５０メートルかつ、幅は２メートルから６メートルである。
【０００４】
原料の酸化金属を含む粉体は、炭素系の還元剤と混合された後、原料成形体にされて、回転床炉に供給される。原料成形体はこの炉床上に敷きつめられており、原料成形体が炉床上に相対的に静置されていることから、原料成形体が炉内で崩壊しづらいといった利点があり、耐火物上に粉化した原料が付着する問題が無く、また、塊の製品歩留が高いと言った長所がある。また、生産性が高く、安価な石炭系の還元剤や粉原料を使用できる、と言った理由から、近年、実施される例が増加している。
【０００５】
さらに、回転炉床法は、製鉄ダストや圧延スラジの還元と不純物除去の処理にも有効であり、ダスト処理プロセスとしても使用され、資源リサイクルに有効なプロセスである。
【０００６】
回転炉床法の操業の概略は以下の通りである。まず、原料である鉱石やダスト、スラジの金属酸化物にこの酸化物の還元に必要な量の炭素系還元剤をよく混合した後、造粒機にて、成形体を製造する。
【０００７】
この成形体を回転炉床上に層状に供給され、炉床上に敷込まれた成形体は急速に加熱され、５分間から２０分間、1300℃前後の高温で焼成される。この際に、成形体に混合されている還元剤により酸化金属が還元され、金属が生成する。金属化率は還元される金属により異なるが、鉄、ニッケル、マンガンでは、７０％以上、還元しづらいクロムでも３０％以上となる。また、製鉄業から発生するダストを処理する場合は、還元反応に伴い、亜鉛、鉛、アルカリ金属、塩素、等の不純物が揮発除去されることから、高炉や電気炉にリサイクルすることが容易となる。
【０００８】
設備としては、原料の事前粉砕設備、原料混合設備、造粒設備、回転炉床式還元炉、排ガス処理装置、還元成形体冷却装置からなっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
回転炉床法などの移動する炉床の上に静置して、上部の高温ガスから加熱して還元するプロセスでは、成形体が炉床上を動かないため、成形体の破壊や粉化の少ないことから、強固な還元鉄粒を製造するために優れたものである。例えば、特開2000−34526号公報に記載されているように、強固な還元鉄ペレットを製造することができる。この還元鉄ペレットは圧潰強度が非常に高いため、これを直接高炉で利用することができる。
【００１０】
しかしながら、本発明者らは、原料の酸化鉄を十分に選択しない場合は、回転炉床法での操業条件が適正であっても、製品である還元成形体の粉化が激しいことを発見した。そこで、本発明者らは、原料配合条件を種々変更しながら、実験を重ねた。この結果、原料である酸化鉄のうち、酸化第二鉄（Fe2O3）の混合比率が高い場合に、製品の粉比率が高いことを見出した。
【００１１】
例えば、本発明者らが行った実験では、平均粒径が４５μｍの粉体をパン式造粒装置で製造したペレットでは、酸化第二鉄の比率が６０％を超えると粉の発生が激しくなることがわかった。さらに、酸化第二鉄の比率が７０％以上では、回転炉床式還元炉の操業条件を良好にしても、製品の粉比率が１５〜２５％と多かった。また、本発明者らの調査では、炉内で発生した粉は、還元率や脱亜鉛率で点で劣っていることも確認した。これは、粉は比表面積が大きくまた、炉床上で、炉内の燃焼ガスに触れやすくなり、燃焼ガス中の炭酸ガスや水蒸気の酸化性雰囲気影響を受けて、還元反応が阻害されているためであった。つまり、成形体の粉化が起きると、価値の高い塊製品の比率が落ちるとともに、製品の平均還元率も低下する問題が生じる。この結果、酸化第二鉄を含む原料を還元して、金属化率が７５％以上の高還元率を得るためには、この粉化の発生を抑制することが重要であったにもかかわらず、従来技術では、効果的に対応策がなかった。
【００１２】
従来技術では、この問題を解決するための有効な手段がなく、粉化を防止するための効率的な還元処理が行えていなかった。したがって、酸化第二鉄を含む酸化鉄を回転炉床式還元炉で還元する際に、成形体の粉化を低減する新しい技術が求められていた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、その要旨とするところは、
（１）移動する炉床上に酸化金属と炭素を含む成形体を静置して、上部の燃焼ガスからの熱で当該成形体を加熱して焼成する還元炉において、酸化第二鉄を７０質量％以上含む酸化鉄粉と炭素含有粉体の混合物に、平均粒径が１０μｍ以下で、かつ、金属鉄、酸化第一鉄、および、マグネタイトの合計が６５質量％以上の粉体を１０質量％以上混合するとともに、気孔率を下式で示される値である適正気孔率：V2以上として、当該成形体を１１００℃以上の温度で焼成還元することを特徴とする酸化鉄の還元方法であり、ここで、V2=0.5R−14、なお、Rは原料中の酸化第二鉄の質量比率（％）で、V2は成形体の適正気孔率（％）である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明者らは、回転炉床式還元炉で酸化第二鉄が還元する際の粒子の挙動を調査した。この調査結果で、固体での還元反応において、酸化第二鉄は還元中に体積膨張することを突き止めた。Fe2O3は１１００℃以上の還元雰囲気で、まず、Fe3O4になり、その後、FeOを経て、金属鉄になる。この際に、 Fe2O3からFe3O4へ移行する際に、結晶格子が拡大して、結晶の容積が大きくなる。Fe2O3の粒子は還元中に膨張する結果、還元中に成形体が膨張して、成形体を粉化させていたことを解明した。
【００１５】
本発明者らは、この酸化第二鉄の還元時の膨張が原因での成形体の粉化の問題を解決するために、成形体内部の粒子の分布状態を制御することを発明した。つまり、このような固体の還元では、酸化第二鉄の膨張そのものを抑制することは困難であり、膨張をしても粉化しない成形体を製造する方法の方がより有効であることを見出した。
【００１６】
そこで、本発明者らは、酸化第二鉄の還元膨張の比率にあわせて、成形体の気孔率（成形体内部の空隙比率）を適正に設定することによって、膨張代を吸収する方法が効果的であることを発明した。つまり、酸化第二鉄の比率が多い場合は、還元膨張が大きいことから、気孔率を大きくして、膨張を吸収する。また、酸化第二鉄の比率が少ない場合は、気孔率が小さい成形体での問題なく還元できることもわかった。
【００１７】
本発明者らは、気孔率を２５〜５５％に変えて、成形体を製造して、実験を行った。この結果を用いて、酸化第二鉄の影響で、粉化を抑制できる限界の気孔率を求めた。酸化第二鉄比率が高いほど、限界の気孔率が高いことがわかった。この実験結果をもとに、酸化第二鉄の含有率と粉化を起こさない限界の気孔率（適正気孔率１）の関係を求めた。この結果を図１に示す。適正気孔率１は、ある酸化第二鉄の混合比率で、粉化率が１０％以下である最低の気孔率と定義されるものである。この調査の結果、式（１）に示される関係が判明した。
V1=0.55R-10  ‥‥‥（１）.
なお、V1は適正気孔率１（％）であり、Rは成形体の酸化第二鉄の含有率(質量％)である。つまり、成形体の気孔率がV1の値を超えていれば、粉化率を１０％以下とできる。
【００１８】
本発明では、気孔率の制御は、成形体の製造方法で行う。ただし、パン式ペレタイザーでは、２３〜３０％の気孔率の範囲で制御できる。また、ブリケット成形装置では、３０〜４２％の気孔率の範囲で、また、押し出し式成形装置では、４０〜５５％の気孔率の範囲で制御できる。したがって、同一型式の成形装置では、成形体の気孔率を狭い範囲で制御することが可能である。例えば、パン式ペレタイザーでの成形の場合は、原料の粉体の粒度分布を変えたり、成形時の水分を変更することで、気孔率を制御する。ブリケット成形装置では、原料の粒度分布を変えたり、成形圧力を変更して、気孔率を制御する。また、押し出し式成形装置では、原料の粒度分布を変更することと、水分調整時の添加水分を変更したりすることで、気孔率を制御する。
【００１９】
しかし、単一の成形装置では、気孔率を制御する範囲が狭いので、大きく気孔率を変化させるためには、成形装置の型式を変更することが有効である。気孔率を大きくできるため、押し出し成形装置では、かなりの広い範囲の酸化第二鉄の混合比率まで対応でき、押し出し式成形装置で成形された成形体中の酸化第二鉄比率が８０％以下であれば、粉化の問題がない。
【００２０】
次に、本発明者らは、酸化第二鉄の膨張を吸収する方法を種々実験して、膨張を吸収するとともにバインダーとして働く粉体を混合することにより、粉化の問題が生じない限界の気孔率を低めることを見出した。膨張の吸収剤としては、粒径が小さい金属鉄と酸化第一鉄、マグネタイト酸化鉄を含有する粉体が良い。
【００２１】
この理由は、第一に、酸化第一鉄やマグネタイトは、還元時に体積膨張を起こさず、かえって、還元に伴い酸素が抜けていく段階で、体積が縮小する。この結果、酸化第二鉄の膨張を吸収するために有効である。また、原料に元々含まれる金属鉄や酸化第一鉄やマグネタイトが還元されて生成した還元鉄は、１１００℃以上の高温では、変形しやすく、また、焼結反応を生じて、粒子間のバインダーの働きをするからである。粒径が小さい場合には、成形体中の他の粒子、特に、酸化第二鉄粒子間、に入り込むことができる。その結果、還元反応の進行に伴い、この粒子が縮小して粒子間で空間を広げることができることから、酸化第二鉄の膨張を吸収しやすい効果がある。また、前述した金属鉄のバインダー効果についても、このように、粒子が他の粒子間に入ることが有効である。
【００２２】
本発明者らは、粒子の成分として、金属鉄、酸化第一鉄およびマグネタイトの合計の質量比率が６５％以上のもの場合には効果が大きいこと、また、粒子径が１０μｍ以下であると効果が大きいことを解明した。この粒子を添加することにより、同一の酸化第二鉄の混合率であって、粉化の問題が生じない限界の気孔率（適正気孔率２）がより小さくなることを見出した。この条件での適正気孔率２は図２に示すようになっている。この関係を式（２）に示す。
V2=0.5R−１４  ‥‥‥（２）．
なお、V2は適正気孔率２（％）、Rは成形体の酸化第二鉄の含有率(質量％)である。特に、押し出し式成形装置で製造した成形体では、気孔率は４０％以上となることから、任意の混合比率の酸化第二鉄であっても、還元中の成形体の粉化問題は生じない。
【００２３】
次に、本発明の方法による酸化鉄の還元処理の説明する。本発明の操業を行う設備を図３に示す。図３の設備は、主として、鉱石原料槽１、粉コークス槽２、他粉体槽３、添加粉体槽４、混合装置６、成形装置８、回転炉床式還元炉１０、排ガス処理装置１１、および、還元鉄冷却装置１２、から構成されている。
【００２４】
原料槽１には、酸化第二鉄の粉を含む酸化鉄の粉体が備蓄されている。また、粉コークス槽２には、還元剤である粉コークスが備蓄されている。酸化鉄の種類が多い場合は、図３の他粉体槽３のように、更に槽を設置することもある。原料槽１と粉コークス槽２からは、所定の量の粉体を切り出し、粉体コンベア５で混合装置６に送り、ここで均一に混合する。原料の混合物に、１０μｍ以下で、かつ、金属鉄、酸化第一鉄、マグネタイトを６５質量％以上の比率で含んでいる粉体(以降、微粒添加剤と称す）を添加する場合には、添加粉体槽４から、１０質量％以上の所定の混合比率になるように、この粉体を切り出して、混合する。
【００２５】
ここで製造した混合物を、混合物コンベア７で成形装置８に送り、ここで成形体とする。成形装置としては、パン式造粒機、ロール圧縮式ブリケット成形機、貫通穴型から水分を含む粉体を押し出して成形する押し出し成形機を用いる。図３では、パン式造粒機の例を示した。成形体の気孔率を酸化第二鉄の混合比率によって計算される適正な値であるV1よりも大きい値となるように、目標気孔率を設定して成形する。また、微粒添加剤を混合している操業の場合は、成形体気孔率をV2で与えられる値よりも大きくなるように、成形する。
【００２６】
気孔率の目標が３０％以下であれば、パン式造粒機を、目標気孔率が３０〜４０％であれば、ブリケット成形機が、また、目標気孔率が４０％以上であれば、押し出し式成形機の使用が望ましい。
【００２７】
成形が完了した後に、成形体コンベア９にて、成形体を回転炉床式還元炉１０に送る。回転炉床式還元炉１０では、最高温度１１００℃以上、一般には１３００℃程度の高温のガス雰囲気で加熱して、成形体内部の炭素を還元剤として、酸化鉄を還元する。還元時間は、５〜２０分間で、還元後には、還元成形体を得る。還元の際に、酸化第二鉄が膨張することにより、一部が粉化して、粉の還元鉄が生成する。この粉の還元鉄は粒のものと比べると、金属化率が低い。本発明の方法では、この粉の還元鉄の発生が低く、１０％以下とすることができる。したがって、良質の粒還元鉄を安価に製造できる。
【００２８】
成形体に含まれる酸化鉄などの還元され易い酸化金属と化合している酸素（活性酸素と称す）と炭素の比率も重要である。（炭素原子モル数）／（活性酸素原子モル数）の比率を炭素当量比と称し、この値の反応に対する影響を交差した。炭素が少なすぎると、還元が適切に進まない。回転炉床式還元炉での還元条件では、例えば、FeO+C→Fe+COのように、炭素が一酸化炭素までとなる反応が主体である。また、一部は、FeO+1/2C→Fe+1/2CO2のような二酸化炭素までの反応が起きる。ただし、一部の炭素は、炉内の雰囲気ガスである水蒸気と二酸化炭素と反応して、消費される。本発明者らは、実際の回転炉床式還元炉で、還元時間１０〜１７分間、還元部でのガス温度１２００〜１３５０℃での反応の実験を行った結果、炭素当量比が0.7以下では、還元物の金属鉄比率が７５％以下となっていた。したがって、製品価値が低いとともに、還元物の強度が低い劣質なものであった。一方、炭素当量比が１．４を超えると、成形体の還元率は良好であるものの、還元物の中に未反応の炭素が残留して、還元物の金属の結合を阻害して、還元物強度が低下する問題もあった。したがって、本発明においては、炭素当量比は０．７〜１．４の間にあることが望ましい。
【００２９】
この還元物は、スクリュー式の排出装置で、炉内から排出されて、還元鉄冷却装置１２で、冷却されて、高炉、転炉、電炉などの還元鉄の利用工程に運ばれて、ここで鉄鋼製品となる。燃焼にともなう排気ガスは、排ガス処理装置１１で、冷却、集塵された後に、大気に放出される。
【００３０】
【実施例】
本発明の方法を用いた回転炉床式還元炉の操業結果を説明する。本発明を用いた３種類の成形方法を元にする操業結果を表１に示す。実施例１では、パン式造粒機を用いて酸化第二鉄の比率が５５質量％である気孔率が２４％の成形体を還元した操業例である。実施例２は、酸化第二鉄を６３質量％含むブリケット成形機で製造した気孔率３０％成形体を還元した操業例である。また、実施例３は、酸化第二鉄を８２質量％含んだ押し出し成形機を用いて製造した気孔率４３％の円柱形の成形体を還元した操業例である。また、実施例４は、酸化第二鉄を７８質量％含み、かつ、金属鉄、酸化第一鉄、および、マグネタイトの合計が７１質量％で、２．９μｍの転炉ダストを１１質量％含んだ粉体をパン式造粒機で成形した成形体を還元した操業例である。
【００３１】
回転炉床式還元炉での操業条件は、いずれも還元温度１２８５℃、還元時間１２分間であった。成形体の酸化鉄と化学結合している酸素の炭素に対するモル比率は、１．０３〜１．１とほぼ一定であった。成形体はいずれも成形体乾燥装置にて乾燥されたものを還元した。
【００３２】
実施例１では、酸化第一鉄の比率から計算されるV1の値：１８％よりも、高い気孔率であった。この結果、還元中の成形体の粉化率は６．９％であり、成形体と粉の平均金属率も８３％と高いものであった。実施例２では、酸化第一鉄の比率から計算されるV1の値：２３％よりも、高い気孔率である３０％であった。この結果、還元中の成形体粉化率は５．８％で、成形体と粉の平均金属率も８５％と高いものであった。また、実施例３の成形体は気孔率が４３％と非常に高いものであって、酸化第二鉄の比率が８２質量％であり、V1の値が３３％であっても、成形体粉化は非常に少なく、わずかに３．３％であった。また、成形体の金属化率も８７％非常に良かった。
【００３３】
次に、実施例４に、酸化第二鉄の膨張の吸収効果のある平均粒径が転炉ダストを用いた操業例を示す。酸化第二鉄の比率が７５質量％で、この酸化第二鉄の比率から計算されるV2の値は２４％と低い値であって、実績の気孔率が２７％と比較的低い状態であっても、実績の気孔率の方が高く、粉化率３．６％であって、粉化の問題がなかった。また、金属化率も高かった。
【００３４】
一方、表１に、図１の設備を用いたが、本発明の条件でなかった操業の例を比較例１に示す。この操業では、パン式造粒機を用いて酸化第二鉄の比率が７２質量％である気孔率が２４％の成形体を還元した操業例である。この酸化第二鉄の比率で計算されるV1の値である３３％の気孔率よりも、実際の気孔率が低い成形体であった。この成形体を実施例と同じ条件で処理した結果、粉化率が１５．６％と高く、粒製品が少なかった。また、粉の還元率が低い結果、全体平均の金属化率は７１％と低位にとどまった。
【００３５】
【表１】
0003635256.tif 000002
【００３６】
【発明の効果】
本発明の方法を実施することにより、回転炉床式還元炉等の焼成還元炉において、酸化第二鉄を含有する酸化鉄原料を効率的に還元でき、粉が少なく、還元率の高い良質の還元鉄を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転炉床式還元炉で還元する際の成形体の酸化第二鉄の含有率と粉化が少ない条件である適正気孔率の関係を示す図である。
【図２】微粒の金属鉄、酸化第一鉄、およに、マグネタイトを１０質量％添加した場合での、回転炉床式還元炉で還元する際の成形体の酸化第二鉄の含有率と粉化が少ない条件である適正気孔率の関係を示す図である。
【図３】本発明を実施する回転炉床式還元炉の全体プロセスを示す図である。
【符号の説明】
１  鉱石原料槽
２  粉コークス槽
３  他粉体槽
４   添加粉体槽
５   粉体コンベア
６   混合装置
７   混合物コンベア
８   成形装置
９   成形体コンベア
１０  回転炉床式還元炉
１１  排ガス処理装置
１２   還元鉄冷却装置
【図１】
0003635256.tif 000003
【図２】
0003635256.tif 000004
【図３】
0003635256.tif 000005