(57)【要約】  本開示は、酸化チタンおよび酸化第二鉄を含有する鉱石から、分離可能な鉄および酸化チタンを生成するための方法であって：（ａ）炭素系材料と鉱石とを含む塊成化物を形成するステップであって、塊成化物の炭素量は、高温において、酸化第二鉄を酸化第一鉄に還元して、酸化第一鉄に富む溶融スラグを形成するのに十分な量であるステップと、（ｂ）塊成化物を移動炉床炉の炭素床上に導入するステップと；（ｃ）塊成化物の還元および溶融を行って酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するのに十分な温度まで、移動炉床炉中の塊成化物を加熱するステップと；（ｄ）スラグを溶融状態に維持するのに十分な炉温で、酸化第一鉄と炭素床の炭素とを反応させることによって、溶融スラグの酸化第一鉄を金属化させるステップと；（ｅ）酸化第一鉄の金属化の後、スラグを固化させて、複数の金属鉄粒体が分散した、酸化チタンに富むスラグのマトリックスを形成させるステップと；（ｆ）金属鉄粒体をスラグから分離するステップであって、このスラグが、金属鉄の分離後に、マトリックスの全重量を基準にして８５％を超える二酸化チタンを含むステップとを含む方法を開示する。本開示は、酸化第一鉄に富む溶融スラグの金属化生成物にも関する。
2009507134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化チタンおよび酸化第二鉄を含有する鉱石から、分離可能な鉄および酸化チタンを生成するための方法であって：
（ａ）炭素系材料と前記鉱石とを含む塊成化物を形成するステップであって、前記塊成化物中の炭素量は、高温において、酸化第二鉄を酸化第一鉄に還元して、酸化第一鉄に富む溶融スラグを形成するのに十分な量であるステップと、
（ｂ）前記塊成化物を移動炉床炉の炭素床上に導入するステップと；
（ｃ）前記塊成化物の還元および溶融を行って酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するのに十分な温度まで、前記移動炉床炉中の前記塊成化物を加熱するステップと；
（ｄ）前記スラグを溶融状態に維持するのに十分な炉温で、前記酸化第一鉄と前記炭素床の前記炭素とを反応させることによって、前記溶融スラグの前記酸化第一鉄を金属化させるステップと；
（ｅ）前記酸化第一鉄の金属化の後、前記スラグを固化させて、複数の金属鉄粒体が分散した、酸化チタンに富むスラグのマトリックスを形成させるステップと；
（ｆ）前記金属鉄粒体を前記スラグから分離するステップであって、前記スラグが、前記金属鉄の分離後に、前記マトリックスの全重量を基準にして８５％を超える二酸化チタンを含むステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記鉱石が、酸化チタンおよび酸化第二鉄に富む貧鉱であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記塊成化物が、化学量論量未満の炭素量を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記鉱石が約３０〜約５０％の酸化鉄を含有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記塊成化物の前記炭素量が、前記塊成化物の全重量を基準にして約０．５〜約１０重量パーセントの範囲であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記鉱石がイルメナイトであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記鉱石がイルメナイト砂であり、前記塊成化物の前記炭素量が、前記塊成化物の全重量を基準にして約１．０〜約８．０重量パーセントの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記鉱石がイルメナイトの岩石であり、前記塊成化物の前記炭素量が、前記塊成化物の全重量を基準にして約０．５〜約５重量パーセントの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記塊成化物が、平均粒度直径が約０．１〜約１．０ｍｍの範囲である複数の鉱石粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するための前記炉内の温度が約１３００℃〜約１８００℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するための前記炉内の温度が約１４００℃〜約１７５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するための前記炉内の温度が約１５００℃〜約１７００℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化第一鉄を金属化し、前記スラグを溶融状態に維持するための前記炉内の温度が約１５００℃〜約１８００℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記酸化第一鉄を金属化し、前記スラグを溶融状態に維持するための前記炉内の温度が約１６００℃〜約１７５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記酸化第一鉄を金属化し、前記スラグを溶融状態に維持するための前記炉内の温度が約１６００℃〜約１７００℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記塊成化物の前記還元および溶融が同時に行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記溶融スラグ中に形成された小さな溶融鉄金属液滴が合体して大きな溶融鉄金属液滴となるのに十分な条件下で、前記金属化が行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記大きな溶融鉄金属液滴の平均直径が約０．０５〜約１０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記炉が、トンネル炉、管状炉、または回転炉床炉であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
複数の金属鉄粒体が分散した、酸化チタンに富むスラグのマトリックスを含み、前記金属鉄粒体は、酸化チタンの前記マトリックスから機械的に分離可能であり、前記マトリックスは、前記金属鉄の機械的に分離可能な部分の機械的分離の後に、前記マトリックスの全重量を基準にして８５％を超える酸化チタンを含むことを特徴とする、酸化第一鉄に富む溶融スラグの金属化生成物。
【請求項２１】
（ａ）炭素系材料と、酸化チタンおよび酸化鉄を含有する鉱石とを含む塊成化物を形成するステップであって、前記塊成化物中の炭素量は、高温において、酸化第二鉄を酸化第一鉄に還元して、酸化第一鉄に富む溶融スラグを形成するのに十分な量であるステップと；
（ｂ）前記塊成化物を移動炉床炉の炭素床上に導入するステップと；
（ｃ）前記塊成化物の還元および溶融を行って酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するのに十分な温度まで、前記移動炉床炉中の前記塊成化物を加熱するステップと；
（ｄ）前記スラグを溶融状態に維持するのに十分な炉温で、前記酸化第一鉄と前記炭素床の前記炭素とを反応させることによって、前記溶融スラグの前記酸化第一鉄を金属化させるステップと；
（ｅ）前記酸化第一鉄の金属化の後に前記スラグを固化させて金属化生成物を形成するステップと
を含む方法によって製造されたことを特徴とする請求項２０に記載の金属化生成物。
【請求項２２】
前記鉱石が、酸化チタンおよび酸化鉄に富む貧鉱であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項２３】
前記塊成化物が、化学量論量未満の炭素量を有することを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項２４】
前記鉱石が約３０〜約５０％の酸化鉄を含有することを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項２５】
前記塊成化物の前記炭素量が、前記塊成化物の全重量を基準にして約０．５〜約１０重量パーセントの範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項２６】
前記鉱石がイルメナイトであることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項２７】
前記鉱石がイルメナイト砂であり、前記塊成化物の前記炭素量が、前記塊成化物の全重量を基準にして約１．０〜約８．０重量パーセントの範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項２８】
前記鉱石がイルメナイトの岩石であり、前記塊成化物の前記炭素量が、前記塊成化物の全重量を基準にして約０．５〜約５重量パーセントの範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項２９】
前記塊成化物が、平均粒度直径が約０．１〜約１．０ｍｍの範囲である複数の鉱石粒子を含むことを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３０】
前記酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するための前記炉内の温度が約１３００℃〜約１８００℃の範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３１】
前記酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するための前記炉内の温度が約１４００℃〜約１７５０℃の範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３２】
前記酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するための前記炉内の温度が約１５００℃〜約１７００℃の範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３３】
前記酸化第一鉄を金属化し、前記スラグを溶融状態に維持するための前記炉内の温度が約１５００℃〜約１８００℃の範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３４】
前記酸化第一鉄を金属化し、前記スラグを溶融状態に維持するための前記炉内の温度が約１６００℃〜約１７５０℃の範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３５】
前記酸化第一鉄を金属化し、前記スラグを溶融状態に維持するための前記炉内の温度が約１６００℃〜約１７００℃の範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３６】
前記塊成化物の前記還元および溶融が同時に行われることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３７】
前記溶融スラグ中に形成された小さな溶融鉄金属液滴が合体して大きな溶融鉄金属液滴となるのに十分な条件下で、前記金属化が行われることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【請求項３８】
前記大きな溶融鉄金属液滴の平均直径が約０．０５〜約１０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項３７に記載の金属化生成物。
【請求項３９】
前記炉が、トンネル炉、管状炉、または回転炉床炉であることを特徴とする請求項２１に記載の金属化生成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００５年８月３０日に出願された米国仮出願第６０／７１２，５５６号明細書、および２００６年３月３１日に出願された米国仮出願第６０／７８８，１７３号明細書の利益を主張し、これらの記載内容全体が本明細書に援用される。
【０００２】
本開示は、酸化チタン含有鉱石の選鉱方法に関する。特に、本開示は、分離可能な鉄金属および酸化チタンを形成するために移動炉床炉中で鉱石を還元する方法に関する。さらに本開示は、チタンおよび鉄金属化生成物、ならびに酸化チタン含有鉱石の選鉱方法による生成物に関する。特に、本開示は、分離可能な鉄金属および酸化チタンを形成するための移動炉床炉中での鉱石の還元方法によって製造された酸化チタンおよび鉄金属化生成物に関する。
【背景技術】
【０００３】
移動炉床炉は、酸化鉄の還元における使用に関してすでに開示されている。還元する酸化鉄が炭素源とともに回転炉床炉に投入され、投入材料が還元条件に曝露されることで、鉄およびスラグを含む還元生成物が形成される。
【０００４】
比較的純粋な酸化鉄の投入材料を使用する場合、溶融した酸化鉄スラグの炉の内面に対する反応性が問題となる場合がある。その結果、この技術は、溶融相が形成されるとしてもその形成前に酸化鉄の迅速で実質的に完全な金属化が起こるような固相還元に十分な量の炭素を使用する傾向にある。その結果、固相還元の生成物の溶融が起こると、スラグ成分の形成に利用可能な金属酸化物分画が比較的少量のみ存在する場合もある。さらに、鉄金属は還元生成物の大部分となるため、容易に回収可能な大量の鉄粒体が形成される。
【０００５】
炭素床、反応する投入材料に炉床が接触するのを防止するために、炭素床を設けることができる。投入材料の炭素含有量は、迅速な金属化を実現するのに十分であるため、炭素床とまだ反応する可能性のあるわずかな比率の酸化第一鉄は、そのプロセスの偶発的であり重要ではない部分を占めることになる。
【０００６】
実質的に純粋な酸化鉄を還元する回転炉床法を使用する代わりに、酸化鉄、多量の二酸化チタン、および金属酸化物不純物を含有するイルメナイトなどの貧鉱を還元する回転炉床法が、金属鉄および合成ルチルなどの高純度酸化チタンを含有する還元生成物を製造するために提案されている。しかし、多量の二酸化チタンおよび金属酸化物不純物を含有するイルメナイトなどの貧鉱の回転炉床法における還元では、比較的純度の高い酸化鉄を還元する場合には生じない加工上の問題が発生する。
【０００７】
イルメナイトなどの貧鉱から金属鉄および酸化チタンを回収するために、従来の回転炉床還元技術が使用される場合、比較的多いスラグ含有量の全体に分散する鉄金属の小片の分離が問題となる。この分離の問題を解決するために、脈石、および酸化チタン含有率の高いスラグが比較的存在しない分離可能な溶鉄をより容易に形成する目的で、酸化鉄の大部分を金属化する第１の予備還元ステップの後に、通常電気溶融炉または中間炉床炉の中で溶融ステップを行うことがすでに開示されている。しかし、この多段階方法は、費用がかかり、エネルギーを大量に消費する解決法である。
【０００８】
スラグ全体に分散した多数の鉄金属の小片の機械的分離は、鉄金属の小片の直径が５０ミクロンよりもはるかに小さいことが多いため実用的ではない。５０ミクロンは、ふるい分けによる分離の大きさの実用的な下限であり、最も細かいふるいは４００ワイヤ／インチを有し、これは直径５０ミクロンの粒子のふるい分けが限界であるため、このように多量で小さな鉄金属の小片のふるい分けは実用的な分離方法ではない。鉄の小片は、化学的に分離可能であるが、化学的分離によって費用が大きく増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
低品質鉱石還元生成物から分離可能な金属鉄および酸化チタンを容易に回収するためのエネルギー効率のよい回転炉床法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示は、酸化チタンおよび酸化第二鉄を含有する鉱石から、典型的には酸化チタンおよび酸化第二鉄に富む貧鉱から、さらに典型的にはイルメナイトから分離可能な鉄および酸化チタンを生成するための方法であって：
（ａ）炭素系材料と鉱石とを含む塊成化物を形成するステップであって、塊成化物の炭素量は、高温において、酸化第二鉄を酸化第一鉄に還元して、酸化第一鉄に富む溶融スラグを形成するのに十分な量であるステップと、
（ｂ）塊成化物を移動炉床炉の炭素床上に導入するステップと；
（ｃ）塊成化物の還元および溶融を行って酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するのに十分な温度まで、移動炉床炉中の塊成化物を加熱するステップと；
（ｄ）スラグを溶融状態に維持するのに十分な炉温で、酸化第一鉄と炭素床の炭素とを反応させることによって、溶融スラグの酸化第一鉄を金属化させるステップと；
（ｅ）酸化第一鉄の金属化の後、スラグを固化させて、複数の金属鉄粒体が分散した、酸化チタンに富むスラグのマトリックスを形成させるステップと；
（ｆ）金属鉄粒体をスラグから分離するステップであって、このスラグが、金属鉄の分離後に、マトリックスの全重量を基準にして８５％を超える二酸化チタンを含むステップとを含む方法に関する。
【００１１】
一実施形態においては、塊成化物の還元と溶融とが同時に行われる。さらに、金属化は、溶融スラグ中に形成された小さな溶融鉄金属液滴が合体して大きな溶融鉄金属液滴となるのに十分な条件下で行うことができる。
【００１２】
さらに本開示は、複数の金属鉄粒体が分散した、酸化チタンに富むスラグのマトリックスを含み、この金属鉄粒体は、酸化チタンのマトリックスから機械的に分離可能であり、このマトリックスは、金属鉄の機械的に分離可能な部分の機械的分離の後に、マトリックスの全重量を基準にして８５％を超える酸化チタンを含む、酸化第一鉄に富む溶融スラグの金属化生成物に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本開示は、酸化チタンおよび酸化鉄に富む貧鉱を使用する。貧鉱中に存在するチタンは、通常は鉄との組み合わせである複合酸化物中に存在し、他の金属およびアルカリ土類元素の酸化物も含有する。チタンは、砂または硬岩堆積物のいずれかでイルメナイトとして一般に見られる。イルメナイト砂などのチタンに富む貧鉱は、約４５〜約６５％の二酸化チタン、約３０〜約５０％の酸化鉄、および約５〜約１０％の脈石を含有しうる。イルメナイトの岩堆積物は、約４５〜約５０％の二酸化チタン、約４５〜約５０％の酸化鉄、および約５〜約１０％の脈石を含有すると報告されている。本開示の方法は、このようなチタンに富む鉱石を使用することができる。
【００１４】
回転炉床法の投入材料として有用な塊成化物は、鉱石と、酸化第二鉄の酸化第一鉄への還元が還元条件下で行われる第１段階の溶融に十分な量の炭素とを含む。炭素の厳密な量は、鉱石の酸化鉄含有率、特に酸化第二鉄含有率に依存して変動する。しかし、化学量論量（すなわち、鉱石中のすべての酸化鉄を金属鉄に還元するのに十分な炭素量）未満の炭素が使用され、塊成化物を溶融させた後、大部分の酸化第一鉄が鉄金属に還元される第２段階の金属化が行われる。このような金属化のごく一部は第１段階で起こる場合もあるが、本開示の方法に対して不利益になることはない。
【００１５】
炭素量に関して言及される場合、これは、炭素源を提供する材料の固定炭素含有量を意味する。固定炭素含有量は、空気の非存在下で試料を９５０℃まで加熱して揮発性物質（通常ある程度炭素を含む）を除去することによる、石炭などの固形燃料の近似分析によって求められる。９５０℃において灰の中に残留する炭素が固定炭素含有量である。
【００１６】
本開示の方法において使用することができ、約３０〜約５０％の酸化鉄を含有する典型的な鉱石の場合、炭素量は、塊成化物の全重量を基準にして、約０．５〜約８．０重量％、より典型的には約１．０〜約６．０重量％となることができる。イルメナイトおよび／またはイルメナイト含有砂の場合、炭素量は、塊成化物の全重量を基準にして、約１．０〜約８．０重量％の範囲、より典型的には約２．０〜約６．０重量％の範囲となることができる。イルメナイトの岩石堆積物の場合、炭素量は、塊成化物の全重量を基準にして、約０．５〜約５．０重量％の範囲、より典型的には約１．０〜約３．０重量％の範囲となることができる。
【００１７】
通常、塊成化物中の炭素量は、酸化第二鉄を還元するのには十分な量であるが、塊成化物を基準にして、約５０％を超える酸化第一鉄を金属化するのには不十分であり、より典型的には約２０％を超える酸化第一鉄を金属化するのには不十分である。
【００１８】
塊成化物中の有用な炭素源は、限定するものではないが、石炭、コークス、木炭、および石油コークスなどのあらゆる炭素質物質であってよい。
【００１９】
塊成化物は、鉱石および炭素源を、場合によりバインダー材料とともに混合し、その混合物をペレット、ブリケット、押出物、またはコンパクトに成形し、それらを通常約１００〜約２００℃の範囲で乾燥させることによって形成される。供給成分の混合および成形が可能な装置は当業者には周知である。通常、塊成化物は、取り扱いを容易にするために約２〜約４ｃｍの範囲の平均直径を有する。
【００２０】
場合により使用されるバインダー材料は、限定するものではないが、有機バインダー、あるいはベントナイトまたは消石灰などの無機バインダーであってよい。バインダーの好適な量は、塊成化物の全重量を基準にして、約０．５〜約５重量％の範囲、通常約１〜約３重量％の範囲である。
【００２１】
典型的な鉱石還元法とは異なり、本発明の塊成化物の鉱石は、微粉末に粉砕せずに使用することができる。しかし、塊成化物を形成する前に、取扱上の問題が生じうる大きい塊を分離して除去するために、これらの鉱石は、約０．１〜約１ｍｍの範囲の平均粒度まで粉砕およびまたはふるい分けを行うことができる。たとえば、岩石堆積物が使用される場合、これらは、約０．１〜約１ｍｍの範囲の平均サイズの鉱石粒子を得るために、通常粉砕およびふるい分けが行われる。
【００２２】
塊成化物は回転炉床炉に投入されて、第１段階の溶融により酸化第一鉄に富む溶融スラグを生成するのに十分な温度まで加熱される。代表的な方法の１つでは、塊成化物は供給シュートを介して投入され、それによって、炭素質物質の床、通常は石炭またはコークスの粒子の床の上に配置される。この床の厚さは約１〜約５ｃｍの範囲であってよい。
【００２３】
第１段階の溶融に十分となる移動炉床炉内の温度は、約１３００℃〜約１８００℃の範囲、典型的には約１４００℃〜約１７５０℃の範囲、より典型的には約１５００℃〜約１７００℃の範囲とすることができる。個別の温度は、鉱石の組成に依存する。この溶融段階の時間は、約１分〜約５分の範囲とすることができる。
【００２４】
第１段階の溶融においては、塊成化物の炭素含有量は、酸化第二鉄を酸化第一鉄に還元するのには十分であるが、実質的な金属化を完了するのには不十分であり、さらに、酸化第一鉄の鉄金属への還元を完了するのにも不十分である。
【００２５】
第１段階の溶融の結果得られた酸化第一鉄に富む溶融スラグを、還元条件下で炭素床と接触させる。この接触によって、酸化第一鉄は、第２段階の金属化においてさらに還元されて、鉄金属生成物が生成される。
【００２６】
第２段階の金属化における移動炉床炉内の温度は、酸化第一鉄の金属化が起こるときにスラグを溶融状態に維持するのに十分高い温度である。この目的のための炉床炉内の好適な温度は、約１５００℃〜約１８００℃の範囲、典型的には約１６００℃〜約１７５０℃の範囲、より典型的には約１６００℃〜約１７００℃の範囲とすることができる。要求される個別の温度は、鉱石の組成に依存して変動する。
【００２７】
大規模炉の場合、第１段階における炉内温度は、第２段階における温度よりも少なくとも約１００℃低くすることができる。
【００２８】
この第２段階の金属化の時間は、第１段階の溶融の時間よりも長くすることができ、約５分〜約２０分の範囲とすることができる。第１段階中、塊成化物中に含まれる炭素の存在下での酸化第二鉄の還元、および溶融は急速に起こる。対照的に第２段階では、金属化中に、酸化第一鉄に富む溶融スラグを炭素床上で流動させるのに十分な時間をかけると、溶融スラグの鉄液滴が合体してより大きな液滴となり、冷却中にそれらの大きさが維持されて固体金属粒子を形成するので、大型金属粒子の形成を促進することができる。
【００２９】
第２段階の金属化が進行すると、スラグの流動性が低くなり、スラグのチタン濃度が増加する。スラグの流動性を維持するのに十分な条件であれば、溶融スラグ中の鉄液滴の合体を促進することができ、それによって分離可能な大型鉄粒子の形成を促進することができる。
【００３０】
金属化が完了に近づくとスラグが固化する。好ましくは、塊成化物を基準にして、少なくとも約９０％が完了するまで、さらにより好ましくは少なくとも約９５％が完了するまで、金属化が行われる。大型粒体の形状を取ることができる鉄金属は、費用対効果が大きい方法によって固体スラグから容易に分離可能となる。理想的には、鉄金属を分離するために機械的方法が使用される。化学的リーチングなどの化学的方法は不要である。さらに、強力な粉砕などの大規模な機械的分離方法も不要である。
【００３１】
典型的な金属の分離方法としては、破砕、粉砕、ふるい分け、および磁気分離が挙げられる。
【００３２】
典型的には、本発明の方法の鉄粒体は、平均直径が約０．０５〜約１０ｍｍの範囲であり、より典型的には約０．１〜約５ｍｍの範囲である。用語「粒体」は、従来方法で得られる金属鉄の小さな粒子と比較して、本開示の方法によって生成された大きな塊の金属鉄を区別するために使用される。
【００３３】
典型的には、機械的に分離可能な金属鉄の分離後に、本発明の方法の固体スラグ生成物は、固体スラグ生成物の全重量を基準にして、約８５％を超える酸化チタン、より典型的には約８７％を超える酸化チタンを含む。用語「酸化チタン」はＴｉＯ２、Ｔｉ３Ｏ５、およびＴｉ２Ｏ３を意味する。本発明の固体スラグ生成物は、ＴｉＯ、ＴｉＣ、およびＴｉＮの形態のより少量のチタンを含有する場合もある。本発明の固体スラグ生成物は、少量の残留金属鉄を含有する場合がある。通常、この残留金属鉄は、直径約５０ミクロン未満の金属鉄粒子の一部である。通常、機械的に分離可能な金属鉄粒体の機械的分離後に、残留金属鉄の量は、固体スラグ生成物の全重量を基準にして、約６％未満であり、より典型的には約４％未満である。ＦｅＯおよびその他の酸化物などの少量の別の不純物も存在しうる。これらの別の不純物の量は、通常、固体スラグ生成物の全重量の８％未満であり、より典型的には６％未満である。
【００３４】
移動炉床炉は、炭素床上の少なくとも２つの高温ゾーンに塊成化物を曝露することが可能なあらゆる炉であってよい。好適な炉は、トンネル炉、管状炉、または回転炉床炉であってよい。本発明の方法は、１つの炉構造を使用することができる。
【００３５】
図面、特に図１を参照すると、投入材料の還元のために回転炉床炉が使用される。鉄生産産業において使用される典型的炉床炉の寸法を有する炉１０が使用される。この回転炉床炉は、供給材料ゾーン１２から回転可能な表面３０を有する。表面３０は、耐火層表面またはガラス質炉床層であってよく、これらはどちらも鉄鉱石の炉床炉処理の技術分野において周知である。この表面は、供給材料ゾーンから、複数のバーナーゾーン１４、１６、１７、バーナーゾーンの少なくとも一部に及ぶ反応ゾーン、および冷却板４８と排出機構２８とを含む排出装置ゾーン１８を通って回転する。通常、炉の最高温度は、ゾーン１７において到達する。本開示の方法の第１および第２段階は、反応ゾーン中で行われる。連続的に操作するため、表面３０は、排出ゾーン１８から供給材料ゾーン１２、さらに反応ゾーンを通って連続的に回転可能である。それぞれのバーナーゾーンは、複数の空気／燃料によって燃焼するバーナー、油を燃料とするバーナー、石炭を燃料とするバーナー、または酸素富化バーナー２０および２２であってよい。
【００３６】
供給材料ゾーン１２は、開口部２４と、塊成化物を炉に投入するための供給機構２６とを含む。表面３０の少なくとも主要部分の上に炭素を含む層が配置され、通常、この表面全体が、炭素を含む層を含み、さらにその上に塊成化物が配置される。炭素を含む層は、あらゆる従来手段によって、通常は固体材料コンベア３４によって表面上に配置することができる。表面３０の幅に及ぶレベラー２９によって、塊成化物の高さを、表面上の有用な高さにそろえることができる。表面が炉の周囲で回転して各ゾーンを通過するときに、供給機構によって塊成化物が炉に連続的に供給される。この回転速度は、変速駆動を調整することによって制御される。
【００３７】
図２を参照すると、鉱石が混合ゾーン５１に導入される本発明の方法が示されている。炭素は、粉砕ゾーン５０に導入した後、混合ゾーン５１に導入されて、その中で、鉱石および炭素、バインダーなどのあらゆる任意選択の添加剤と互いに混合して、塊成化物に成形することができる。塊成化物は、回転炉床炉ゾーン５２に導入されて、その中で、本明細書に記載されるように塊成化物の酸化第二鉄が還元され、金属化される。図１に示されるような高温の生成物４２は、水による急冷などのあらゆる好都合な手段によって冷却される。冷却冴えた生成物は、次に、ふるい分けゾーン５３中でふるい分けが行われた後、粉砕ゾーン５４中で粉砕されて、鉄金属が高純度酸化チタン生成物から分離される。再利用される材料も分離して、混合ゾーン５１に導入することができる。鉄金属生成物は、ブリケット化ゾーン５５中でブリケットに成形して、そこから鉄金属生成物を取り出すことができる。
【００３８】
あるいは、より小さな規模では、高純度アルミナ管をレトルトとして使用する従来設計の管状炉を使用することができる。これらの炉は、約１５００℃〜約１７００℃の温度に加熱して、窒素またはアルゴン雰囲気下で操作することができる。
【００３９】
本開示の別の一実施形態においては、還元剤の接触を増やして金属化過程を促進するために、第２段階の金属化中に石炭またはコークスの粒子が加えられる。
【００４０】
本発明のさらに別の一実施形態においては、小さいスラグ（合成ルチル）および鉄−合成ルチル複合体が、酸化チタン生成物から分離され、プロセスに再循環される。
【００４１】
一実施形態においては、本明細書に記載される本発明は、本発明の組成物または方法の基本的で新規な特性に実質的に影響を与えないあらゆる要素および工程段階を排除するものと解釈することができる。さらに、本発明は、本明細書において明記されていないあらゆる要素および工程段階を排除するものと解釈することができる。
【００４２】
本願特許出願人は、本開示において引用されるすべての参考文献の記載内容全体を明確に援用する。さらに、ある量、濃度、あるいはその他の値またはパラメータが、ある範囲、好ましい範囲、あるいは一連の上位の好ましい値および下位の好ましい値のいずれかで与えられる場合、複数の範囲が別個に開示されているかどうかとは無関係に、任意の好ましい上限値または好ましい値と、任意の好ましい下限値または好ましい値とのあらゆる組み合わせから形成されるあらゆる範囲を明確に開示しているものと理解すべきである。本明細書内にある数値範囲が記載されている場合、特に明記しない限り、その範囲は、その範囲の端点、ならびにその範囲内のあらゆる整数および分数を含むことを意図している。ある範囲が画定される場合に、本発明の範囲が、記載される特定の値に限定されることを意図するものではない。
【実施例】
【００４３】
以下の実施例によって本発明を説明する。特に明記しない限り、すべての部数、パーセント値、および比率は重量を基準としている。７５ミクロン未満の粒度は電子顕微鏡写真画像の分析によって求めており、より大きな粒度はふるい分けによって求めた。
【００４４】
（実施例１）
この実施例においては、塊成化物は過剰の炭素を含有した。
【００４５】
周囲温度において、７９．７重量パーセントのイルメナイト鉱石（鉱石の全重量を基準として６１％のＴｉＯ２）と、２０．３パーセントの石炭（近似分析に基づいて７１％の固定炭素）とを、直径２０ｍｍで厚さ７ｍｍの円筒内で混合し、圧縮することによって、タブレットを作製した。乾燥によってこれらのタブレットから残留水を除去した。乾燥させたタブレットを、アルミナるつぼ中の粉コークス床の上に置き、窒素雰囲気下で１６００℃に加熱した管状炉中に移動した。この管状炉は、高純度アルミナ管をレトルトとして使用する従来設計のものである。最初にタブレットを加えたときに、炉温が約５０℃下がった。この温度は上昇して出発温度に戻った。タブレットを加えてから２５分後、タブレットを炉から取り出し、冷却した。タブレットが最初の形状を維持したことから、タブレットが溶融しなかったことが分かった。鉄金属化は実質的に１００％であることが分かった。平均金属鉄粒度は約１５ミクロンであった。この鉄は、酸化チタンに富む相から容易に分離することができなかった。得られた生成物のサイズ分布から、分離が困難であることが分かった。粉砕後に磁気分離によってこのサイズの鉄粒子を分離しようとする試みは、粒度が小さいためにうまくいかなかった。粉砕および分離によって得られた生成物の酸化チタン成分は過剰の鉄を含有し、鉄成分は過剰の酸化チタンを含有した。
【００４６】
粉砕後のこの実施例の生成物の全視野幅１１５ミクロンの電子顕微鏡写真を図３に示す（粉砕生成物粒子を樹脂中に搭載し、切断し、研磨して、残留鉄粒子が明るく見え、酸化チタンに富む材料が灰色に見えるように電子顕微鏡で画像化した）。図３に示されるように、スラグのマトリックスは、金属鉄の多くの小さな（１０ミクロン未満）粒子を含有し、これらは通常の粉砕およびふるい分けの分離方法によって効率的に除去することができなかった。
【００４７】
（実施例２）
この実施例においては、炉内の温度が低すぎた。周囲温度において、９５．５重量パーセントのイルメナイト鉱石（鉱石の全重量を基準として６１％のＴｉＯ２）と、３パーセントの石炭（７１％の固定炭素）と、１．５パーセントの小麦粉バインダーとを、直径２０ｍｍで厚さ７ｍｍの円筒内で互いに混合し、圧縮することによって、タブレットを作製した。タブレットの炭素含有率が低いために、少量のバインダーが必要であった。乾燥によってこれらのタブレットから残留水を除去した。乾燥させたタブレットを、アルミナるつぼ中の粉コークス床の上に置き、窒素雰囲気下で１６００℃に加熱した管状炉中に移動した。最初にタブレットを加えたときに、炉温が約５０℃下がった。この温度は徐々に上昇して出発温度に戻った。タブレットを加えてから２５分後、タブレットを取り出し、タブレットを炉から取り出し、冷却した。ゆがみとガラス状外観とから、タブレットが溶融して再度固化したことが分かった。鉄金属化は６０％未満であることが分かった。平均金属鉄粒体サイズは約７５ミクロンであった。金属化した鉄は取り出すことができたが、金属化していない実質的な量の鉄が酸化チタンと均質混合された状態で残留した。
【００４８】
（実施例３）
周囲温度において、９３．５重量パーセントのイルメナイト鉱石（６１％のＴｉＯ２）と、５．５パーセントの石炭（７１％の固定炭素）と、１パーセントの小麦粉バインダーを、直径２０ｍｍで厚さ７ｍｍの円筒内で互いに混合し、圧縮することによって、タブレットを作製した。乾燥によってこれらのタブレットから残留水を除去した。乾燥させたタブレットを、アルミナるつぼ中の粉コークス床の上に置き、アルゴン雰囲気下で１６７５℃に加熱した管状炉中に移動した。最初にタブレットを加えたときに、炉温が約５０℃下がった。この温度は徐々に上昇して出発温度に戻った。タブレットを加えてから２５分後、タブレットを取り出し、タブレットを炉から取り出し、冷却した。ゆがみとガラス状外観とから、タブレットが溶融して再度固化したことが分かった。定量Ｘ線回折分析により、鉄金属化は９５％を超えることが分かった。平均金属鉄粒体サイズは５００ミクロンを超え、分離した粒体の全量の９５％が７５ミクロンを超えた。粉砕、および２００メッシュふるいを使用したふるい分けによってより微細な酸化チタンに富む相から、ほぼすべての鉄を取り出すことができた。イオン結合プラズマ原子発光分光法による元素分析から、酸化チタンに富む相が８７％の酸化チタン（金属酸化物濃度の合計を１００％に規格化して、ＴｉＯ２としてチタン含有率を報告）を含有することが分かった。Ｘ線回折分析より、チタンの大部分がＴｉ３Ｏ５として存在し、一部がＴｉ２Ｏ３として存在することが分かった。
【００４９】
図４は、実施例３により製造した生成物から機械的に分離した鉄粒体の写真画像（全視野幅１２．５ｍｍ）である。
【００５０】
図５は、粉砕し、ふるい分けによって鉄粒体を除去した後の７５ミクロン未満のスラグ生成物の電子顕微鏡写真（全視野幅１１５ミクロン）である（分離したスラグ生成物粒子を樹脂中に搭載し、切断し、研磨して、残留鉄粒子が明るく見え、酸化チタンに富む材料が灰色に見えるように電子顕微鏡で画像化した）。図５を図３と比較すると、図３の粉砕生成物は、多量の鉄金属を含有し、鉄金属粒子が小さかったために、機械的手段による分離が困難となった。しかし、図５に示されるスラグ生成物では、粉砕およびふるい分けによって大きな鉄金属粒体（図４）を分離した後の固体スラグ生成物中には鉄金属粒子がわずかしか見られない。
【００５１】
図６は、実施例３と類似の方法の粉砕前の生成物の研磨の断面である。この比較的縮尺の大きい図でさえも、一部の鉄粒体を見ることができる。
【００５２】
本発明の説明的で好ましい実施形態の説明は、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。添付の特許請求の範囲の真の意図および範囲から逸脱しない種々の修正、代替構造、および同等物を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】チタンに富む鉱石を還元して、鉄金属および高純度酸化チタンを生成するための回転炉床炉の上面図である。
【図２】本開示の方法の簡略化した概略図である。
【図３】実施例１の７５ミクロンのサイズのスラグ生成物の電子顕微鏡写真である。全視野幅は１１５ミクロンである。
【図４】実施例３の生成物の分離した鉄粒体の写真画像である。
【図５】実施例３の鉄粒体の分離後の７５ミクロン未満のサイズのスラグ生成物の電子顕微鏡写真である。全視野幅は１１５ミクロンである。
【図６】粉砕前の実施例３と類似の方法の金属化生成物の光学顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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