(57)【要約】      （修正有）【課題】含炭塊成鉱および酸化鉄から還元鉄を製造する装置及び還元鉄の製造方法を提供する。【解決手段】酸素を噴射する酸素噴射管３１、３２と、燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射管３３とを有し、酸素噴射管３１、３２および燃料ガス噴射管３３から噴射される酸素および燃料を燃焼させることにより、還元ガスを生成する酸素燃料バーナ３と、還元ガスを用いて、内部に収容した酸化鉄または含炭塊成鉱からなる被還元物７を還元する還元炉２とを有する還元鉄の製造装置１及び製造方法であって、燃料ガス噴射管３３から噴射される燃料ガスを完全燃焼するのに必要十分な酸素の量をＳ１、酸素噴射管３１、３２から噴射される酸素の量をＳ２としたときに、下記の条件式（１）を満たすように、酸素および燃料の比率を調節した状態で被還元物７を還元する。１．０≧Ｓ２／Ｓ２≧０．５・・・（１）【選択図】図１
2014015655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を噴射する酸素噴射管と、燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射管とを有し、前記酸素噴射管および前記燃料ガス噴射管から噴射される酸素および燃料を燃焼させることにより、還元ガスを生成する酸素燃料バーナと、
前記還元ガスを用いて、被還元物を還元する還元炉と、を有する還元鉄製造装置であって、
前記燃料ガス噴射管から噴射される燃料ガスを完全燃焼するのに必要十分な酸素量をＳ１、前記酸素噴射管から噴射される酸素の量をＳ２としたときに、下記の条件式（１）を満たす範囲で調整可能としたことを特徴とする還元鉄製造装置。
2014015655.tif 000006
【請求項２】
前記酸素燃料バーナは、さらに、前記酸素噴射管および前記燃料噴射管を冷却するための冷却媒体を導通させる冷却管を有することを特徴とする請求項１に記載の還元鉄製造装置。
【請求項３】
不活性ガスからなる冷却ガス雰囲気下において、前記還元された被還元物を冷却する冷却室と、
前記還元炉と前記冷却室とを接続する接続路と、
前記還元された被還元物を、前記接続路を介して前記冷却室に移動させる移動機構と、
前記接続路を塞ぐ閉じ位置と、前記接続路から退避した位置であって、前記接続路内における前記移動機構による前記被還元物の移動を許容する開き位置との間で動作する弁部と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の還元鉄製造装置。
【請求項４】
前記移動機構は、さらに、前記接続路が延びる方向を回転軸として、前記還元炉内で前記被還元物を間欠的に回転させる回転機構を有することを特徴とする請求項３に記載の還元鉄製造装置。
【請求項５】
前記還元炉内の前記還元ガスを排出する排出口に接続し、前記還元ガスを前記還元炉から排出する際に、前記還元ガスを燃焼する還元ガス燃焼部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載された還元鉄製造装置。
【請求項６】
さらに、不活性ガスからなる冷却ガス雰囲気下において、前記還元された被還元物を冷却する冷却室を有し、
前記還元炉は、ホッパーから連続的に供給される被還元物を前記冷却室に向かって重力落下させる際の通路となる接続路と、前記接続路内の被還元物が前記還元炉内に流出するのを防止する多孔板と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の還元鉄製造装置。
【請求項７】
前記冷却室の内部において下側から上側に向かって冷媒を流す冷媒供給手段を有することを特徴とする請求項６に記載の還元鉄製造装置。
【請求項８】
前記冷却室の下方には、冷却された前記被還元物を所定サイズに切り出すための切出装置が設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の還元鉄製造装置。
【請求項９】
前記被還元物は、含炭塊成鉱であることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一つに記載の還元鉄製造装置。
【請求項１０】
酸素を噴射する酸素噴射管と、燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射管とを有し、前記酸素噴射管および前記燃料ガス噴射管から噴射される酸素および燃料を燃焼させることにより、還元ガスを生成する酸素燃料バーナと、
前記還元ガスを用いて、被還元物を還元する還元炉と、を有する還元鉄製造装置を用いて還元等量以上の炭素を含有する前記被還元物としての含炭塊成鉱を還元する還元鉄の製造方法であって、
前記燃料ガス噴射管から噴射される燃料ガスを完全燃焼するのに必要十分な酸素の量をＳ１、前記酸素噴射管から噴射される酸素の量をＳ２としたときに、下記の条件式（１）を満足させながら、前記含炭塊成鉱を還元するとともに、還元途中でＳ２／Ｓ１を下げる処理を行うことを特徴とする還元鉄の製造方法。
2014015655.tif 000007
【請求項１１】
前記酸素噴射管および前記燃料噴射管を冷却媒体により冷却しながら前記含炭塊成鉱を還元することを特徴とする請求項１０に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項１２】
前記還元炉に接続される冷却炉において、不活性ガスからなる冷却ガスを用いて、前記還元炉で還元された前記被還元物を冷却することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項１３】
前記冷却炉の下側から上側に向かって前記冷却ガスを流すことにより、前記還元炉で還元された前記被還元物を冷却することを特徴とする請求項１２に記載の還元鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含炭塊成鉱、酸化鉄から還元鉄を製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
還元金属たとえば鋼は一般に、高炉・転炉法、直接還元炉・電気炉法（特許文献１）または電気炉法により製造される。高炉・転炉法および直接還元炉・電気炉法では莫大な初期設備投資が必要となる。電気炉で鋼を製造する場合は、スクラップや還元鉄を電気エネルギーで加熱溶融して、精錬する。ただし、近年、スクラップ需給が逼迫していること、および、より高品質の鋼への要求が高まっていることから、スクラップに代えて還元鉄が用いられるようになっている。
【０００３】
こうした要請に応えるべく開発された還元鉄の製造方法として、回転炉法、すなわち、水平方向に移動する炉床上に鉄鉱石やダスト類を炭素とともに含有させて塊にしたもの（以下、含炭塊成鉱という）を載置し、１１００℃以上の高温下で、酸化鉄を含有炭素で還元させ、還元鉄を製造する方法が知られている（非特許文献１）。
【０００４】
【非特許文献１】「新日鉄技報第３８４号」２００６年、Ｐ１３４
【特許文献１】特開２０１０−０４３３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１の回転炉を用いた還元鉄の製造方法は、還元反応の末期において、含炭塊成鉱に含まれる炭素量が少なくなり、内部から噴出するＣＯガスの量も少なくなるため、回転炉内で発生したＣＯ２ガスにより含炭塊成鉱の表面が再酸化する問題があった。さらに、特許文献１の還元鉄の製造方法は、還元温度を１０００℃として酸化鉄を還元するため、還元反応の速度が遅く、還元鉄を製造するために多くの時間を必要としていた。
【０００６】
そこで、本願発明は、含炭塊成鉱の還元において、還元後期に起こる再酸化を低減するとともに、迅速かつ容易に還元鉄を製造することができる装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の還元鉄の製造装置は、（１）酸素を噴射する酸素噴射管と、燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射管とを有し、前記酸素噴射管および前記燃料ガス噴射管から噴射される酸素および燃料を燃焼させることにより、還元ガスを生成する酸素燃料バーナと、前記還元ガスを用いて、被還元物を還元する還元炉と、を有する還元鉄製造装置であって、前記燃料ガス噴射管から噴射される燃料ガスを完全燃焼するのに必要十分な酸素の量をＳ１、前記酸素噴射管から噴射される酸素の量をＳ２としたときに、下記の条件式（１）を満たす範囲で調整可能としたことを特徴とする還元鉄製造装置。
2014015655.tif 000003
【０００８】
（２）上記（１）の構成において、前記酸素燃料バーナは、さらに、前記酸素噴射管および前記燃料噴射管を冷却するための冷却媒体を導通させる冷却管を有することを特徴とする。
【０００９】
（３）上記（１）又は（２）の構成において、不活性ガスからなる冷却ガス雰囲気下において、前記還元された被還元物を冷却する冷却室と、前記還元炉と前記冷却室とを接続する接続路と、前記還元された被還元物を、前記接続路を介して前記冷却室に移動させる移動機構と、前記接続路を塞ぐ閉じ位置と、前記接続路から退避した位置であって、前記接続路内における前記移動機構による前記被還元物の移動を許容する開き位置との間で動作する弁部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
（４）上記（３）の構成において、前記移動機構は、さらに、前記接続路が延びる方向を回転軸として、前記還元炉内で前記被還元物を間欠的に回転させる回転機構を有することを特徴とする。
【００１１】
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載された還元鉄製造装置において、前記還元炉内の前記還元ガスを排出する排出口に接続し、前記還元ガスを前記還元炉から排出する際に、前記還元ガスを燃焼する還元ガス燃焼部を有することを特徴とする。
【００１２】
（６）上記（１）又は（２）の構成において、さらに、不活性ガスからなる冷却ガス雰囲気下において、前記還元された被還元物を冷却する冷却室を有し、前記還元炉は、ホッパーから連続的に供給される被還元物を前記冷却室に向かって重力落下させる際の通路となる接続路と、前記接続路内の被還元物が前記還元炉内に流出するのを防止する多孔板と、を有することを特徴とする。
【００１３】
（７）上記（６）の構成において、前記冷却室の内部において下側から上側に向かって冷媒を流す冷媒供給手段を有することを特徴とする。
【００１４】
（８）上記（６）又は（７）の構成において、前記冷却室の下方には、冷却された前記被還元物を所定サイズに切り出すための切出装置が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
（９）上記（１）〜（８）の構成において、前記被還元物は、含炭塊成鉱であってもよい。
【００１６】
（１０）酸素を噴射する酸素噴射管と、燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射管とを有し、前記酸素噴射管および前記燃料ガス噴射管から噴射される酸素および燃料を燃焼させることにより、還元ガスを生成する酸素燃料バーナと、前記還元ガスを用いて、被還元物を還元する還元炉と、を有する還元鉄製造装置を用いて還元等量以上の炭素を含有する前記被還元物としての含炭塊成鉱を還元する還元鉄の製造方法であって、前記燃料ガス噴射管から噴射される燃料ガスを完全燃焼するのに必要十分な酸素の量をＳ１、前記酸素噴射管から噴射される酸素の量をＳ２としたときに、下記の条件式（１）を満足させながら、前記含炭塊成鉱を還元するとともに、還元途中でＳ２／Ｓ１を下げる処理を行うことを特徴とする還元鉄の製造方法。
2014015655.tif 000004
ここに、還元等量とは、内在させた炭素によって内在する酸化鉄中の酸素をＣＯガスとして丁度過不足なく還元除去できる炭素含有量を言う。
【００１７】
（１１）上記（１０）の構成において、前記酸素噴射管および前記燃料噴射管を冷却媒体により冷却しながら前記含炭塊成鉱を還元することができる。
【００１８】
（１２）上記（１０）又は（１１）の構成において、前記還元炉に接続される冷却炉において、不活性ガスからなる冷却ガスを用いて、前記還元炉で還元された前記被還元物を冷却することができる。
【００１９】
（１３）上記（１２）の構成において、前記冷却炉の下側から上側に向かって前記冷却ガスを流すことにより、前記還元炉で還元された前記被還元物を冷却することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明によれば、還元反応中における含炭塊成鉱の再酸化を低減するとともに、迅速かつ容易に還元鉄を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一実施形態における還元鉄製造装置の概略図である。
【図２（Ａ）】本発明の還元鉄製造装置における酸素燃料バーナのＹ−Ｚ断面図である。
【図２（Ｂ）】図２（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面で切断した場合のＸ−Ｚ断面図である。
【図３】本発明の還元鉄製造装置の動作を示した制御フローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態における還元鉄製造装置の概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（第１実施形態）
次に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例を示して説明する。
【００２３】
図１は本発明の一実施例である還元鉄製造装置１の概略図、図２（Ａ）は還元鉄製造装置１における酸素燃料バーナ３のＹ−Ｚ断面図、図２（Ｂ）は還元鉄製造装置１における酸素燃料バーナ３のＸ−Ｚ断面図である。なお、還元炉２の長手方向をＸ軸、還元炉２の厚さ方向をＹ軸、還元炉２の高さ方向をＺ軸とする。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の還元鉄製造装置１は、被還元物７を還元する還元炉２と、還元炉２内に還元ガスを供給し、還元炉２内の温度を昇温する酸素燃料バーナ３と、還元炉２から排出される還元ガスを燃焼処理する還元ガス燃焼部４と、被還元物７を冷却する冷却部（冷却室）５と、被還元物７を還元炉２と冷却部５との間で移動させる移動機構６とを有する。
【００２５】
被還元物７には、還元等量以上の炭素を含有させた粉状鉄原料（以下、含炭塊成鉱という）を用いる。ここで、還元等量とは、含有された炭素によって内在する酸化鉄中の酸素をＣＯガスとして丁度過不足なく還元除去できる炭素含有量のことであり、工業的な還元とう量は、概ね１２質量％程度である。
【００２６】
還元炉２は、図１に示すように、酸素燃料バーナ３から噴射された還元ガスにより被還元物７を還元する還元チャンバー２１と、酸素燃料バーナ３による還元炉２内での燃焼温度を測定する温度センサ２２と、還元チャンバー２１と冷却部５とを接続する接続路２３と、使用者による各種設定を受け付け、還元鉄製造装置１の動作を制御する制御部９とを有する。
【００２７】
酸素燃料バーナ３の排出口は、還元チャンバー２１のＸ軸方向における一端側に接続されている。還元チャンバー２１には、第１の絞りチャンバー部２１ａと、被還元物収容部２１ｂと、第２の絞りチャンバー部２１ｃと、排出口２１ｄとが形成されている。被還元物収容部２１ｂは第１の絞りチャンバー部２１ａのＸ軸方向における端部に形成されており、第２の絞りチャンバー部２１ｃは被還元物収容部２１ｂのＸ軸方向における端部に形成されており、排出口２１ｄは第２の絞りチャンバー部２１ｃのＸ軸方向における端部に形成されている。
【００２８】
第１の絞りチャンバー部２１ａは、酸素燃焼バーナ３から離隔するほど、径が絞られるように構成されている。被還元物収容部２１ｂは、Ｚ軸方向の高さが一定に形成されている。第２の絞りチャンバー部２１ｃは、酸素燃焼バーナ３から離隔するほど、径が絞られるように構成されている。排出口２１ｄは、Ｚ軸方向の高さが一定に形成されている。排出口２１ｄは、還元ガス燃焼部４に接続されている。接続路２３は、Ｚ軸方向に延びており、還元チャンバー２１の被還元物収容部２１ｂと冷却部５とを接続する。
【００２９】
制御部９は、使用者から、酸素燃料バーナ３から噴射される燃料に対する酸素の割合（以下、空燃比という）および酸素燃料バーナ３の燃焼温度を受け付ける設定部９１と、設定部９１で受け付けた空燃比および燃焼温度に基づいて、酸素燃料バーナ３の駆動を制御する。
【００３０】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、酸素燃料バーナ３は、第１の酸素噴射管３１（酸素噴射管）、第２の酸素噴射管３２（酸素噴射管）、燃料ガス噴射管３３、冷却媒体流入経路３４（冷却管）および冷却媒体流出経路３５（冷却管）を有する。第１の酸素噴射管３１は、Ｘ軸方向視において、酸素燃料バーナ３の中央に位置し、酸素を還元炉２内に噴射する。第２の酸素噴射管３２は、Ｘ軸方向視において、第１の酸素噴射管３１の右側に位置し、酸素を還元炉２内に噴射する。燃料ガス噴射管３３は、Ｘ軸方向視において、第１酸素噴射管３１の左側に位置し、燃料ガスを還元炉２内に噴射する。
【００３１】
また、冷却媒体流入経路３４および冷却媒体流出経路３５はそれぞれ、第１の酸素噴射管３１の上下に位置する。冷却媒体流入経路３４および冷却媒体流出経路３５の内部において冷媒を導通させることにより、第１の酸素噴射管３１、第２の酸素噴射管３２および燃料ガス噴射管３３が冷却される。この第１の酸素噴射管３１、第２の酸素噴射管３２および燃料ガス噴射管３３の先端は、還元チャンバー２１の内部に延出している。第１の酸素噴射管３１、第２の酸素噴射管３２の後端は、酸素供給部（不図示）に接続されている。燃料ガス噴射管３３の後端は、燃料供給部に接続されている。
【００３２】
酸素燃料バーナ３の先端には、点火部（不図示）が設けられている。設定部９１が操作されることにより、第１の酸素噴射管３１、第２の酸素噴射管３２および燃料ガス噴射管３３から還元チャンバー２１の内部に燃料および酸素が噴射されるとともに、点火部が動作することにより、噴射された燃料および酸素が燃焼し、還元チャンバー２１内で燃焼反応を生じさせることができる。このように還元チャンバー２１内で燃焼反応が起こると、還元チャンバー２１内において還元ガスが生成され、還元チャンバー２１内の温度が上昇する。これにより、還元チャンバー２１内の還元ガスが高温状態（以下、還元雰囲気という）となり、還元炉２内に載置された被還元物７が還元される。燃料ガス噴射管３３から噴射される燃料には、例えば液化石油ガス（ＬＰガス）や液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いることができる。
【００３３】
ここで、本実施形態の還元鉄製造装置１は、酸素燃料バーナ３により還元チャンバー２１内を昇温するため、燃料と空気を燃焼するバーナ（以下、従来のバーナという）を用いる場合に比べて、還元チャンバー２１内の温度を速やかに１３００℃以上の高温度に昇温させることができる。すなわち、酸素燃料バーナ３は、酸素および燃料を還元チャンバー２１内に噴射して、燃焼反応を生じさせるため、還元チャンバー２１内の温度を速やかに１３００℃以上の高温度に昇温させることができる。
【００３４】
これに対して、従来のバーナで還元チャンバー２１内を還元雰囲気とする場合は、還元炉２内の燃焼反応が長期化することに伴い、還元チャンバー２１内に窒素等の不活性ガスが増加するため、燃焼反応が妨げられ、還元チャンバー２１内の温度を１３００℃以上の高温度に昇温させることが困難になる。すなわち、従来のバーナで還元炉２内において燃焼反応を行う場合は、空気の中に窒素等の不活性ガスが含まれているため、還元チャンバー２１内における不活性ガスの量が増大し、燃焼反応が妨げられる。
【００３５】
また、酸素燃料バーナ３は、燃料ガス噴射管３３から噴射される燃料ガスを完全燃焼するに必要十分な酸素の量をＳ１、第１の酸素噴射管３１および第２の酸素噴射管３２から噴射される酸素の総量をＳ２としたときに、下記の条件式（１）を満たすように、酸素および燃料の比率（空燃比Ｓ２／Ｓ１）が自由に調節される。
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【００３６】
空燃比Ｓ２／Ｓ１を上記（１）に範囲に制限することにより、再酸化を低減するとともに、迅速に還元鉄を製造することができる。ここで、本発明者等は、後述するように、再酸化が還元末期において特に起こりやすいという知見を得ている。したがって、再酸化の防止と迅速な還元鉄の製造とをより効果的に実現するためには、還元当初の燃料ガスに対する酸素供給量を増大、つまり、空燃比Ｓ２／Ｓ１を高く設定し、還元末期の燃料ガスに対する酸素供給量を減少、つまり、空燃比Ｓ２／Ｓ１を低く設定するのが好ましい。空燃比Ｓ２／Ｓ１が高く設定されることにより、エネルギー効率が高まり、還元チャンバー２１内の昇温速度をより増速することができる。空燃比Ｓ２／Ｓ１を低く設定することにより、燃焼ガスの還元雰囲気が高まり、還元末期の再酸化を効果的に防止することができる。
【００３７】
より好ましくは、還元当初の空燃比Ｓ２／Ｓ１は１（誤差を含む）であり、還元末期の空燃比Ｓ２／Ｓ１は０．５〜０．７（誤差を含む）である。還元当初の空燃比Ｓ２／Ｓ１が１に設定されることにより、還元チャンバー２１内の温度を速やかに１３００℃以上に昇温することができる。また、還元末期の空燃比Ｓ２／Ｓ１が０．５〜０．７に設定されることにより、再酸化がより効果的に抑制され、金属化率（つまり、還元率）を９０％超に高めることができる。
【００３８】
空燃比Ｓ２／Ｓ１を低下させるタイミングは、金属化率の目標値に応じて適宜設定することができる。目標値に応じた空燃比Ｓ２／Ｓ１の低下タイミングを予め実験、或いはシミュレーションなどによって調べておき、これらをデータベース化しておくことにより、還元鉄製造装置１をより適切に制御することができる。
さらに、酸素を助燃ガスとすることで排ガス量を減少させられるので、後述の還元ガス燃焼部４を小型化することができる。
【００３９】
ここで、空燃比（Ｓ２／Ｓ１）を０．５以上とした理由は、それ未満になると、酸素燃料バーナ３による燃焼反応を行うと、燃料ガスに対する酸素が不足するため、還元チャンバー２１内における不完全燃焼ガスが増大し、所要の昇温速度を得るために還元ガス燃焼部４を大型化しなければならないためである。
【００４０】
また、酸素燃料バーナ３は、還元チャンバー２１内を１３００℃以上となるように多量の燃料および酸素を還元チャンバー２１内に噴射して燃焼させるため、酸素燃料バーナ３が高温となる。このため、冷却媒体流入経路３４および冷却媒体流出経路３５内に冷却媒体を導通させて、酸素燃料バーナ３を冷却する。これにより、酸素燃料バーナ３による燃焼を長時間行うことができるため、還元チャンバー２１内の温度を１３００℃以上の高温に保つことができる。
【００４１】
また、本実施形態の還元鉄製造装置１は、上記のような酸素燃料バーナ３を用いて還元チャンバー２１内を還元雰囲気とするため、従来のバーナを用いた場合に比べて、被還元物７の還元率を高めることができる。酸素燃料バーナ３を用いて還元反応を起こす場合は、従来のバーナを用いて還元反応を起こす場合に比べて、還元チャンバー２１内における不燃性ガスの発生量が少ない。このため、本実施形態の還元鉄製造装置１は、被還元物７が再酸化しやすい燃焼反応の末期において、還元チャンバー２１内に残存する不燃性ガス（ＣＯ２等の酸化性ガスを含んだもの）が少なくなるため、被還元物７が還元チャンバー２１内で再酸化することを抑制できる。
【００４２】
この還元した被還元物７を還元チャンバー２１内で再酸化することを防止する効果が顕著となるのは、特に被還元物７が含炭塊成鉱の場合である。含炭塊成鉱を還元する場合、燃焼反応の初期には含炭塊成鉱内に還元剤である炭素が多く含まれているため、還元チャンバー２１内に酸化性ガスが存在しても還元中の含炭塊成鉱は、比較的再酸化されにくい。
【００４３】
しかし、燃焼反応の末期になると、含炭塊成鉱内において還元剤の役割をなす炭素が減少するため、還元チャンバー２１内に酸化性ガスが存在すると還元中の含炭塊成鉱が再酸化される。
【００４４】
このため、非特許文献１のような還元炉２では、燃焼反応の末期に含炭塊成鉱が転炉内で再酸化されていた。これに対して、本実施形態の還元鉄製造装置１では、上記のように、還元チャンバー２１内における酸化性ガスが少なくできるため、含炭塊成鉱を還元する場合においても還元中の含炭塊成鉱が還元チャンバー２１内で再酸化することを防ぐことができる。
【００４５】
還元ガス燃焼部４は、図１に示すように、還元チャンバー２１の排出口２１ｄに接続され、還元チャンバー２１内に収容された還元ガスを再燃焼する。この還元ガス燃焼部４には、流入口に開閉板４１が設けられており、この開閉板４１が開閉することにより、還元チャンバー２１内の気体を還元ガス燃焼部４内へ流入することを許容または禁止する。具体的には、還元ガス燃焼部４に還元ガスを流入させる場合は、開閉板４１を開状態に設定して（以下、還元ガス流入許容状態という）、還元ガス燃焼部４内に還元ガスを流入させ、還元ガスを燃焼する。
【００４６】
このように還元鉄製造装置１から排出される還元ガスを燃焼することで、還元ガス中に含まれる未燃焼ガスを完全燃焼して、還元鉄製造装置１の外部に排出することができる。この還元ガスを再燃焼する還元ガス燃焼部４内の温度としては、未燃焼ガスを完全燃焼できる温度であれば良く、例えば８００℃〜１１００℃に設定することができる。
【００４７】
また、還元チャンバー２１から還元ガス燃焼部４への還元ガスの流入を禁止する場合は、開閉板４１を閉状態に設定する（以下、還元ガス流入禁止状態という）。開閉板４１が閉状態に設定されることにより、還元チャンバー２１内で被還元物７を還元処理する際に、還元ガスが還元チャンバー２１内から流出することおよび還元チャンバー２１内の熱が流出することを防ぐことができる。
【００４８】
冷却部５は、図１に示すように、冷却チャンバー５１と、弁部５２と、冷却媒体供給部５３からなる。冷却チャンバー５１は、還元炉２により還元された被還元物７を冷却し、弁部５２は、冷却チャンバー５１の開口端部を開閉し、冷却媒体供給部５３は、冷却チャンバー５１に冷却媒体を供給する。冷却チャンバー５１は、有底筒状をしており、開口端部は還元炉２に隣接配置されている。また、冷却チャンバー５１は、接続路２３に導通する。
【００４９】
弁部５２は、接続路２３を塞ぐ閉じ位置と、接続路２３から退避した位置であって、接続路２３内における移動機構による被還元物７の移動を許容する開き位置との間で動作する。冷却媒体供給部５３は、冷却チャンバー５１内に非酸化性の冷却媒体を供給する。この種の冷却媒体として、還元鉄７が酸化しない気体、例えば窒素などを用いることができる。
【００５０】
移動機構６は、図１に示すように、載置部６１と、昇降バー６２と、駆動部６３とを有する。載置部６１には、被還元物７が載置される。昇降バー６２は、載置部６１を還元炉２と冷却部５との間で昇降移動させる。駆動部６３は、昇降バー６２を駆動するための動力を発生させる。この載置部６１が、接続路２３を塞ぐことで、接続路２３を介して、還元炉２内の気体が冷却部５に流出することおよび冷却部５内の気体が還元炉２に流出することが禁止される。
【００５１】
駆動部６３は、モータ及び伝達機構であってもよい。この場合、モータの回転力が、伝達機構を介して昇降バー６２に伝達されることにより、昇降バー６２は昇降動作する。モータには、パルスモータ、ステッピングモータなどを用いることができる。この構成によれば、載置部６１を還元チャンバー２１と冷却部５との間で簡単に移動させることができる。
【００５２】
また、駆動部６３は、昇降バー６２をその軸周りに回転させる回転機構を有していてもよい。この場合、駆動部６３は、モータ及び回転機構であってもよい。モータの回転力が、回転機構を介して昇降バー６２に伝達されることにより、載置部６１を回転させることができる。駆動部６３は、載置部６１が還元炉２内に位置する場合に、載置部６１を回転させる。載置部６１の回転方法は、間欠的であってもよい。
【００５３】
上述の構成によれば、載置部６１が間欠的に回転することにより、被還元物７の各部位における還元処理のバラツキが抑制される。つまり、被還元物７の特定の部位が集中して加熱されることを抑制できる。一般的には、被還元物７は高温になるほど、還元反応の速度が速くなる。このため、載置部６１を回転せずに固定した場合、酸素燃料バーナ３に面する側の被還元物７が、その他の面よりも高温となり、還元反応が早く進行し、被還元物７が不均一に還元される。
【００５４】
本実施形態の還元鉄製造装置１は、移動機構６を駆動することにより、還元炉２で還元された被還元物７を冷却部５に移動して、冷却することで、被還元物７が還元後において再酸化することを防止できる。すなわち、本実施形態の還元鉄製造装置１は、高温状態で再酸化されやすい被還元物７を、冷却媒体が充満した冷却部５内において、再酸化が進みにくい温度まで冷却することで、被還元物７の再酸化を防止することができる。これにより、高い還元率を有する還元鉄を製造することできる。
【００５５】
また、上記のように、本実施形態の還元鉄製造装置１は、酸素燃料バーナ３により還元チャンバー２１内を還元雰囲気とするため、特に還元剤などを還元チャンバー２１内に充填しなくても良い。そのため、装置構成を簡略化しながら、被還元物７を還元することができる。
【００５６】
さらに、本実施形態の還元鉄製造装置１は、還元炉２内を１３００℃以上の高温とするため、被還元物７の還元反応を活性化させ、還元鉄を迅速に製造することができる。一般的に、被還元物７の還元反応は、１１００℃を下回る温度でも還元反応が生じるが、還元反応を活性化するのには不十分であるため、還元鉄を効率的に製造することができない。また、１１００℃以上に昇温する場合、従来のバーナを用いた非特許文献１のような還元炉では、窒素等の不活性ガスが多くなり、還元炉内の温度を１１００℃以上に昇温させることが困難である。
【００５７】
しかし、被還元物７の還元反応は、還元炉２内の温度が高くなるほど、還元反応の反応速度が速くなる。そのため、被還元物７を還元鉄に早期に還元するためには、還元チャンバー２１内の温度を１３００℃以上に昇温するのが好ましい。本実施形態の還元鉄製造装置１は、還元チャンバー２１内の温度を１３００℃以上として被還元物７を還元するため、従来の還元炉に比べて、還元物を早く製造することができる。
【００５８】
次に、図３のフローチャートを参照しながら、本実施形態の還元鉄製造装置１を用いた還元鉄の製造方法について説明する。初期状態において、載置部６１は還元チャンバー２１内に位置しており、載置部６１には被還元物７が載置されているものとする。また、初期状態において、開閉板４１は閉じられており、冷却チャンバー５１には冷却媒体が充満しているものとする。
【００５９】
まず、使用者は、設定部９１を操作することにより、空燃比、燃焼温度を入力する（ステップＳ１００、ステップＳ１０１）。プロセッサ９２は、使用者により設定部９１に入力された空燃比（以下、所望の空燃比という）および燃焼温度（以下、所望の燃焼温度という）に基づいて、第１の酸素噴射管３１、第２の酸素噴射管３２および燃料ガス噴射管３３から噴射される酸素噴射量および燃料ガス噴射量を算出する。
【００６０】
そして、プロセッサ９２は、酸素供給部および燃料供給部を開口して、算出した酸素噴射量および燃料ガス噴射量に基づき、第１の酸素噴射管３１、第２の酸素噴射管３２および燃料ガス噴射管３３から還元チャンバー２１内に酸素及び燃料を噴射する（ステップＳ１０２）。
【００６１】
プロセッサ９２は、点火部を点火して、還元チャンバー２１内に噴射された酸素および燃料を燃焼する。この燃焼反応とともに、プロセッサ９２は、冷却媒体流入経路３４および冷却媒体流出経路３５において冷却媒体を導通させる（ステップＳ１０３）。
【００６２】
プロセッサ９２は、温度センサ２２により検出された酸素燃料バーナ３の燃焼温度（以下、検出温度という）と所望の燃焼温度とを比較する（ステップＳ１０４、ステップＳ１０５）。プロセッサ９２が検出温度よりも所望の燃焼温度が低いと判定した場合（ステップＳ１０５ＮＯ）、プロセッサ９２は、燃料供給部をさらに開口して、燃料ガス噴射管３３から還元チャンバー２１内に噴射される燃料ガス噴射量を増加させる（ステップＳ１０６）。
【００６３】
プロセッサ９２は、この燃料ガス噴射量の増加に伴って、所望の空燃比となるように、第１の酸素噴射管３１および第２の酸素噴射管３２から還元チャンバー２１内への酸素噴射量を再計算する。そして、再計算した酸素噴射量となるように、酸素供給部をさらに開口して、第１の酸素噴射管３１および第２の酸素噴射管３２からの酸素噴射量を増加させる（ステップＳ１０７）。これとともに、プロセッサ９２は、酸素燃料バーナ３の温度上昇を抑制するために、冷却媒体流入経路３４および冷却媒体流出経路３５内に導通する冷却媒体の導通量も増加させる（ステップＳ１０８）。
【００６４】
プロセッサ９２は、検出温度と所望の燃焼温度を比較して、検出温度が燃焼温度よりも高くなるまで、還元チャンバー２１内に噴射される酸素および燃料を増加させる（ステップＳ１０５ＮＯ、Ｓ１０６、Ｓ１０７、Ｓ１０８）。
【００６５】
プロセッサ９２が検出温度を所望の燃焼温度以上と判定した場合（ステップＳ１０５ＹＥＳ）、プロセッサ９２は、予め設定された所定の燃焼時間が経過するまで、燃料ガス噴射管３３、第１の酸素噴射管３１および第２の酸素噴射管３２から燃料および酸素を還元チャンバー２１内に供給して、燃焼反応を継続する（ステップＳ１０９）。所定の燃焼時間が経過した後は、プロセッサ９２は、燃料ガス噴射管３３、第１の酸素噴射管３１および第２の酸素噴射管３２から還元チャンバー２１内に噴射される燃料および酸素の噴射動作を停止させる（ステップＳ１１０）。
【００６６】
ここで、所定の燃焼時間は、設定部９１を操作することにより、使用者が設定できるようにしてもよい。具体的には、被還元物７を高い還元率で還元する場合、設定燃焼時間を長く設定することができる。逆に、被還元物７を低い還元率で還元する場合、設定燃焼時間を短く設定することができる。これにより、使用者は設定部９１に入力された設定燃焼時間を変更するだけで、所望の還元率の還元鉄７を製造することができる。なお、上述したように、被還元物７は、還元中に昇降バー６２の軸周りに間欠的に回転される。一回の回転量は、９０°、１８０°であってもよい。
【００６７】
プロセッサ９２は、弁部５２を閉じ位置から開き位置に切り替える。そして、プロセッサ９２は、駆動部６３を駆動して、接続路２３を介して被還元物７を載置した載置部６１を冷却チャンバー５１内に移動させる（ステップＳ１１２）。載置部６１が冷却チャンバー５１側の移動端部（被還元物７の冷却位置）に移動すると、プロセッサ９２は、弁部５２を開き位置から閉じ位置に切り替える。そして、冷却チャンバー５１内において、高温状態にある還元鉄を、冷却媒体によって再酸化が抑制される温度まで冷却する（ステップＳ１１３）。
【００６８】
また、プロセッサ９２は、開閉板４１を閉じ位置から開き位置に移動させ、還元チャンバー２１内の還元ガスを還元ガス燃焼部４に流入させる（ステップＳ１１４）。プロセッサ９２は、還元ガス燃焼部４内に流入した還元ガスを燃焼処理して、還元鉄製造装置１の外部に排出する（ステップＳ１１５）。そして、還元ガス燃焼部４内の還元ガスを燃焼して排出した後、プロセッサ９２は、開閉板４１を開き位置から閉じ位置に切り替えて、還元処理を終了する（ステップＳ１１６、Ｓ１１７）。
【００６９】
このように、本実施形態の還元鉄製造装置１は、酸素燃料バーナ３を用いた被還元物７の還元処理および冷却部５を用いた還元鉄７の冷却処理により、被還元物７の還元処理中および還元処理後において、還元された被還元物７が再酸化することを抑制することができる。また、還元チャンバー２１内に残った還元ガスが、還元ガス燃焼部４で燃焼されるため、還元鉄製造装置１の外部に未燃焼のガスが排出することを抑制できる。
【００７０】
上記実施形態において、還元鉄製造装置１は、冷却部５を備える構成として説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、還元チャンバー２１内で還元鉄７を冷却する構成であってもよい。この場合、冷却部５は、省略することができる。
【００７１】
また、上記実施形態において、還元鉄製造装置１は、還元ガス燃焼部４を備える構成として説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、還元チャンバー２１内に生成された還元ガスを完全に燃焼した後に排出する構成としてもよい。この場合、還元ガス燃焼部４は、省略することができる。
【００７２】
（第２実施形態）
第２実施形態の還元鉄製造装置１は、第１実施形態における移動機構６の構成にかえて、図４に示すように、原料ホッパー８１と、多孔板８２と、接続路８３と、冷却チャンバー５１と、排出装置８４とを有する。原料ホッパー８１は、被還元物７を貯蔵する。接続路８３は、原料ホッパー８１から延びて、還元チャンバー２１を縦方向に横断するとともに、冷却チャンバー５１に接続されている。接続路８３の内部には、原料ホッパー８１から連続的に供給される被還元物７が充填されている。多孔板８２は、接続路８３と還元チャンバー２１との間に位置する。多孔板８２は、板状部材に対して多数の孔を形成することにより構成されている。多孔板８２には、耐熱材料を用いることができる。
【００７３】
冷却チャンバー５１は、冷却媒体供給部５３から供給される冷媒を流入させるための流入口５４ａと、被還元物７の冷却に用いられた冷媒を排出するための流出口５４ｂとを有する。流出口５４ｂは、流入口５４ａよりも上側に形成されている。したがって、流入口５４ａから流入した冷媒は、冷却チャンバー５１の内部を上側方向に移動する。冷媒には、窒素などの不活性ガスを用いることができる。なお、冷却媒体供給部５３、流入口５４ａ及び流出口５４ｂにより冷媒供給手段が構成される。
【００７４】
排出装置８４は、冷却チャンバー５１で冷却された被還元物７を所定の流量に従って排出する。所定の流量は、被還元物７の還元の進行状況に応じて適宜定めることができる。通常、還元チャンバー下端で丁度還元が完了するように設定される。
【００７５】
図４に示すように、原料ホッパー８１に貯蔵された被還元物７は、接続路８３及び冷却チャンバー５１の内部を連続的に重力落下し、酸素燃料バーナ３から供給される還元ガスにより還元される。酸素燃料バーナ３から供給された還元ガスは、多孔板８３を通って、被還元物７に吹き付けられ、被還元物７は還元される。ここで、還元チャンバー２１と被還元物７との間には多孔板８２が設置されているため、還元チャンバー２１の内部に被還元物７が流出することを抑制できる。
【００７６】
還元された被還元物７は、冷却チャンバー５１の内部に重力落下し、下側から上側に向かって流れる冷媒により冷却される。このように、本実施形態の構成によれば、還元が完了した被還元物７を切出装置８４に向かって重力落下させる途中で、冷却することができる。これにより、還元鉄を効率よく製造することができる。冷却された被還元物７は、切出装置８４から排出された後、次の工程に搬送される。
【００７７】
本実施形態の構成によれば、被還元物７を連続的に還元することができる。すなわち、実施形態１の構成では、被還元物７の冷却処理と、冷却処理された被還元物７を回収する処理と、載置部６１に新しい被還元物７を載置する処理と、載置部６１を冷却チャンバー５１から還元炉２に上動させる処理とを行わなければ、新しい被還元物７を還元できないが、本実施形態の構成によれば、接続路８３の内部に連続的に供給された被還元物７に還元ガスが吹き付けられるため、連続的に還元処理を行うことができる。
【００７８】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００７９】
１    還元鉄製造装置    ２    還元炉    ２１  還元チャンバー    
２１a  第１の絞りチャンバー部    ２１ｂ  被還元物収容部    
２１ｃ  第２の絞りチャンバー部    ２１ｄ  排出口    ２２  温度センサ    
２３  接続路    ３    酸素燃料バーナ    ３１  第１の酸素噴射管（酸素噴射管）    
３２  第２の酸素噴射管（酸素噴射管）    ３３  燃料ガス噴射管    
３４  冷却媒体流入経路（冷却管）    ３５  冷却媒体流出経路（冷却管）
４    還元ガス燃焼部    ４１  開閉板    ５    冷却部（冷却室）
５１  冷却チャンバー    ５２  弁部    ５３  冷却媒体供給部    
５４  冷却媒体排出部    ６    移動機構    ６１  載置部    ６２  移動機構部    
６３  移動機構駆動部    ７  被還元物、還元鉄    ８１  原料ホッパー    
８２  多孔板    ８３  接続路    ８４  排出装置    ９    制御部    ９１  設定部    ９２  プロセッサ
【図１】
2014015655.tif 000008
【図２（Ａ）】
2014015655.tif 000009
【図２（Ｂ）】
2014015655.tif 000010
【図３】
2014015655.tif 000011
【図４】
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