(57)【要約】  本発明の目的は、防錆性に優れた粒鉄を提供することにある。本発明の他の目的は、こうした粒鉄を製造する方法を提供することにある。  酸化鉄含有物質および炭素質還元剤を含む原料混合物を塊成化した後、この塊成化原料混合物を移動炉床式加熱還元炉に装入して加熱することで原料混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤により還元して加熱粒鉄を得、次いでこの加熱粒鉄を冷却して防錆性に優れた粒鉄を製造する方法において、前記加熱粒鉄を、その相対位置を変化させつつ冷却すると共に、前記加熱粒鉄の略全表面に水分を接触させることにより、該加熱粒鉄の表面に酸化皮膜を形成する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄含有物質および炭素質還元剤を含む原料混合物を塊成化した後、この塊成化原料混合物を移動炉床式加熱還元炉に装入して加熱することで原料混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤により還元して加熱粒鉄を得、次いでこの加熱粒鉄を冷却して防錆性に優れた粒鉄を製造する方法であって、
前記加熱粒鉄を、その相対位置を変化させつつ冷却すると共に、
前記加熱粒鉄の略全表面に水分を接触させることにより、該加熱粒鉄の表面に酸化皮膜を形成することを特徴とする防錆性に優れた粒鉄の製法。
【請求項２】
前記加熱粒鉄の向きを変化させつつ該加熱粒鉄を冷却する請求項１に記載の製法。
【請求項３】
請求項１または２に記載された製法で得られた粒鉄であって、酸化皮膜の平均膜厚が３〜２０μｍであることを特徴とする防錆性に優れた粒鉄。
【請求項４】
前記酸化皮膜がマグネタイトである請求項３に記載の粒鉄。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化鉄含有物質および炭素質還元剤を含む原料混合物を塊成化し、この塊成化した原料混合物を移動炉床式加熱還元炉で加熱することにより粒鉄を製造する技術に関するものであり、特に得られる粒鉄の防錆技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
比較的小規模で、多品種・少量生産向きの製鉄法として、鉄鉱石のような酸化鉄含有物質（鉄源）と、石炭のような炭素質還元剤とを含む原料混合物を塊成化し、この塊成化した原料混合物を移動炉床式加熱還元炉で加熱して固体還元し、次いで生成する加熱粒鉄を副生するスラグと分離しつつ冷却して粒鉄を製造する方法が開発されている。加熱粒鉄は、移動炉床式加熱還元炉から供給機（フィーダー）で冷却器へ送られ、この冷却器の中で冷却される。冷却器の内部は、外装表面に水を流すことで間接冷却されている。冷却器に装入された加熱粒鉄は、その相対位置を変化させつつ冷却器内を通過する間に冷却され、そして粒鉄として冷却器から排出される。
【０００３】
冷却器に装入される時点での加熱粒鉄の温度は約９００〜１０００℃程度である。この加熱粒鉄は、冷却器内で１５０℃程度まで冷却された後、冷却器から排出される。冷却器から排出されるときの粒鉄の温度が１５０℃よりも高い場合は、大気中の水分と粒鉄が反応して粒鉄の表面に赤錆が発生し易くなる。そのため加熱粒鉄を冷却器内で確実に冷却するには、冷却器の全長を長くしたり、あるいは加熱粒鉄が冷却器内を移動する時間を、該加熱粒鉄の移動速度を小さくすることで長くする必要がある。しかし冷却器の全長を長くするには設備投資が必要となるし、その結果、設備規模が大きくなる。従って省スペース化できない。一方、冷却器内における加熱粒鉄の移動速度を小さくすると、生産効率が低下する。加えて、冷却器内の温度上昇は、冷却器の外装表面に流す水量を多くすることで抑えられるが、水量を増やしても得られる温度減少は無視できる程度である。
【０００４】
ところで冷却して得られた粒鉄は、需要と供給のバランスにより屋外で放置保存される。粒鉄の放置期間が長くなると、粒鉄の表面に赤錆が発生する。赤錆が発生すると粒鉄の見栄えが悪くなり、商品価値が低下する。さらに赤錆の発生に伴って鉄源が消費されるため鉄源の損失にもなる。こうしたことから赤錆の発生し難い粒鉄が望まれていた。
【０００５】
本出願人らが先に出願した特開平３−２６８８４２号公報は、移動炉床式加熱還元炉によって得られた粒鉄の赤錆発生を防止する技術ではなく、鋳物用の銑鉄を製造する方法を提供している。この文献には、鋳物銑鉄を冷却する際に、ミストまたは水蒸気を用いることによって銑鉄表皮にマグネタイトの皮膜を形成すれば、赤錆の発生を防止できることを開示している。しかしこの技術では、鋳型から離型した銑鉄を台車上に山積みし、この状態のまま銑鉄にミストまたは水蒸気を接触させている。そのため、この技術では、銑鉄表面全体の赤錆を防止することはできない。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、防錆性に優れた粒鉄を提供することにあり、他の目的は、こうした粒鉄を製造する方法を提供することにある。
【０００７】
本発明による粒鉄の製造方法は、上記課題を解決することができる。この方法は、酸化鉄含有物質および炭素質還元剤を含む原料混合物を塊成化した後、この塊成化原料混合物を移動炉床式加熱還元炉に装入して加熱することで原料混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤により還元して加熱粒鉄を得、次いでこの加熱粒鉄を冷却して防錆性に優れた粒鉄を製造する方法であって、前記加熱粒鉄を、その相対位置を変化させつつ冷却すると共に、前記加熱粒鉄の略全表面に水分を接触させることにより、該加熱粒鉄の表面に酸化皮膜を形成する。
【０００８】
本発明の製法によれば、移動炉床式加熱還元炉で還元して得られた加熱粒鉄に、水分を接触させることにより、該加熱粒鉄の表面に酸化皮膜が形成される。こうした製法で得られた粒鉄は、粒鉄の表面に酸化皮膜が形成されているため防錆性に優れたものとなり、長期間放置しても赤錆の発生を抑えることができる。また、本発明の製法によれば、加熱粒鉄に添加した水分が蒸発する際に加熱粒鉄から熱を奪う。それ故に、加熱粒鉄は効率良く冷却される。その結果、例えば冷却器の全長を短くして、設備を省スペース化したり、冷却器内における加熱粒鉄の移動速度を大きくして、生産効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者らは、粒鉄を大気中で長期間放置保存した場合でも赤錆の発生し難い粒鉄を提供すべく検討を重ねてきた。その結果、粒鉄の表面に安定な酸化皮膜を予め形成しておけば、赤錆の発生を防止できることを見出した。また、こうした酸化皮膜を有する粒鉄は、移動炉床式加熱還元炉で還元して得られた加熱粒鉄を冷却する際に、加熱粒鉄の略全表面に水分を接触させることによって簡便に製造できることが明らかになった。このように本発明は完成された。
【００１０】
赤錆の発生を防止できる本発明の粒鉄とは、粒鉄の表面に酸化皮膜が形成されたものである。粒鉄の表面に予め酸化皮膜が形成されていることで、この粒鉄を放置しても赤錆の発生を防止できる。
【００１１】
酸化皮膜の膜厚が薄すぎると、防錆効果が殆ど発揮されず、酸化性雰囲気で放置したときに粒鉄の表面に赤錆が発生する。それ故に、酸化皮膜の平均膜厚は、特に限定されないが、好ましくは３μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上である。膜厚が大きいほど防錆性は高まる。しかしながら、粒鉄は中間原料であり、保管するにしても放置期間はせいぜい１〜２ヶ月程度である。それ故に、この間の赤錆発生さえ抑えればよい。従って平均膜厚で１０μｍ程度あれば充分であり、厚くても２０μｍ程度である。
【００１２】
酸化皮膜の膜厚は、粒鉄の表面近傍における断面を、走査型電子顕微鏡を用いて４００倍で１０箇所測定することで、平均膜厚が算出される。
【００１３】
上記酸化皮膜の主成分は、マグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）であり、このマグネタイトは、黒錆として知られており、赤錆の発生を防ぐ不動態となる。ここで、主成分とは、酸化皮膜の成分組成をＸ線回折で分析したときに、酸化皮膜が９０質量％以上の成分、つまり、マグネタイトを含有していることを意味する。
【００１４】
酸化皮膜は、粒鉄の全表面積に対して９５％以上形成されていることが望ましい。酸化皮膜による被覆率が小さければ、酸化皮膜で覆われていない部分に赤錆が発生するからである。全表面が酸化皮膜で覆われている粒鉄が最も好ましい。
【００１５】
こうした粒鉄は、次の製法を採用することにより製造できる。粒鉄の表面に酸化皮膜を形成するには、移動炉床式加熱還元炉で還元された加熱粒鉄を冷却する際に、加熱粒鉄の相対位置を変化させつつ冷却すると共に、該加熱粒鉄の略全表面に水分を接触させればよい。
【００１６】
即ち、加熱粒鉄の略全表面に水分を接触させることにより、水分と加熱粒鉄が反応して該加熱粒鉄の表面に酸化皮膜が形成される。このとき加熱粒鉄と水分が接触することで、水の顕熱及び蒸発熱によって加熱粒鉄の熱が奪われるため、加熱粒鉄の冷却効果が高められる。その結果、例えば、冷却器の全長を短くしたり、冷却器内での加熱粒鉄の滞留時間を短縮できる。
【００１７】
加熱粒鉄と水分を接触させる際には、加熱粒鉄の相対位置を変化させることも重要である。加熱粒鉄の相対位置を変化させることによって、加熱粒鉄の略全表面が水分と接触し、結果として加熱粒鉄の全表面に亘って酸化皮膜が均一に形成される。
【００１８】
加熱粒鉄の相対位置とは、冷却器の内底面を基準としたときの相対的な位置を意味する。具体的には、加熱粒鉄の位置が冷却器の長手方向に変化している場合や、加熱粒鉄の位置が冷却器の内底面に対する高さ方向に変化している場合を意味する。例えば、加熱粒鉄の相対位置を変化させずに、冷却器内の特定の位置に加熱粒鉄を留めた状態で水分と接触させても、加熱粒鉄表面の一部にしか水分を接触させることができない。そのため、酸化皮膜の形成状態が不均一となり、加熱粒鉄の略全表面について赤錆発生を防止できない。
【００１９】
但し、加熱粒鉄の相対位置を変化させつつ加熱粒鉄と水分を接触させたとしても、冷却器に装入される全加熱粒鉄の全表面を確実に水分と接触させて酸化皮膜を形成することは難しい。そこで本発明の製法では、加熱粒鉄の略全表面を水分と接触させるため、次のように設計するのがよい。なお、略全表面とは、加熱粒鉄のほぼ全表面であることを意味する。水分を加熱粒鉄と接触させるために供給することで、加熱粒鉄の表面のうち、９５％以上が被覆される。最も好ましくは、加熱粒鉄の全表面と接触するように水分を供給する。
【００２０】
加熱粒鉄の略全表面に酸化皮膜を形成させるには、加熱粒鉄の相対位置を変化させることに加えて、その向きを変化させつつ冷却することが好ましい。加熱粒鉄の天地を逆にしたり、加熱粒鉄の方向を変化させれば、水分と接触する位置が変化するからである。
【００２１】
加熱粒鉄の相対位置を変化させつつ冷却すると共に、該加熱粒鉄の略全表面に水分を接触させるには、冷却器として、例えば、転動式の冷却器や、振動式の冷却器、パンコンベア式の冷却器を用いることができる。
【００２２】
転動式の冷却器においては、冷却器の内壁面が中心軸の回りに回転する。転動式冷却器は０．５〜４ｒｐｍ程度で回転しており、該転動式冷却器に装入された加熱粒鉄の相対位置は、内壁面の回転に伴って上下方向に変化する。このとき転動式冷却器の底面の下流側を上流側よりも低く設計しておけば、加熱粒鉄は冷却器内を上流側から下流側へ移動しつつ冷却される。
【００２３】
振動式の冷却器は、冷却器内に振動板が設けられており、加熱粒鉄は、振動板上に装入される。振動板上に装入された加熱粒鉄の相対位置は、該振動板が振動することで変化する。このとき、振動板上に装入された加熱粒鉄は、振動板の下流側を上流側よりも低く設計しておけば、冷却器内を上流側から下流側へ移動しつつ冷却される。
【００２４】
パンコンベア式の冷却器は、冷却器内に搬送パンを備えたコンベアが設けられており、加熱粒鉄は搬送パンの中に装入される。搬送パンに装入された加熱粒鉄は、コンベアの稼動と、必要により設けられる加振器の作用によって相対位置を変化させつつ冷却される。なお、パンコンベア式の冷却器を用いる場合は、加熱粒鉄と接触させるために供給する水分量によっては、搬送パンの中に多量の水が溜まることがある。それ故に、搬送パンに水抜き機構を設けることが好ましい。
【００２５】
転動式または振動式の冷却器が好ましく用いられる。加熱粒鉄の向きが、転動式や振動式の冷却器を用いることによって加熱粒鉄が冷却器内を通過する間に変化するため、加熱粒鉄の全表面に水分を均一に接触させることができる。特に好ましくは転動式の冷却器を用いるのがよい。
【００２６】
水分は、加熱粒鉄と接触させるためにあらゆる方法、例えば、加熱粒鉄の上方から水分を注入（散布、噴射など）する方法で供給される。
【００２７】
水分は、加熱粒鉄と接触させるために供給されるが、この供給位置は、加熱粒鉄と水分を接触させるために両者を供給したときに、加熱粒鉄の表面に酸化皮膜が形成される位置であればどこでもよい。例えば、冷却器に供給された加熱粒鉄は、冷却器の上流側に水分を供給することによって水分と接触させてもよいし、冷却器の中流付近や下流側に水分を供給することによって水分を接触させても構わない。加熱粒鉄は、移動炉床式加熱還元炉で加熱還元して得られた加熱粒鉄を冷却器へ装入する前に、水分と接触させてもよい。また、水分は、移動炉床式加熱還元炉で加熱還元して得られた加熱粒鉄を冷却器へ装入するのと同じタイミングで冷却器に供給してもよい。
【００２８】
なお、酸化皮膜は、加熱粒鉄の温度が２５０℃以上を維持されている領域で加熱粒鉄の表面に形成される。２５０℃未満に冷却された加熱粒鉄と水分を接触させても酸化皮膜は殆ど形成されない。加熱粒鉄は、できるだけ高温の状態で水分と接触させることが好ましい。高温の加熱粒鉄と水分を接触させると、酸化皮膜が生成し易く、酸化皮膜の膜厚が大きくなって防錆性が向上する。従って、酸化皮膜を効率よく生成させるには、加熱粒鉄と水分とを接触させる位置を冷却器の上流側とすることが好ましい。上流側とは、例えば、加熱粒鉄の表面温度が７００℃以上を維持している領域である。こうした領域は、冷却器に装入するときの加熱粒鉄の温度や、冷却器の冷却能に依存するため一律に規定できない。しかし加熱粒鉄を冷却器へ装入してから数分経過後には、加熱粒鉄は７００℃程度に冷却されている。一方、冷却器の中流近傍や下流側に水分を供給すると、加熱粒鉄は一段と冷却される。それ故に、冷却器の全長を短くして省スペース化したり、冷却器内における加熱粒鉄の移動速度を大きくして生産効率を高めることができる。
【００２９】
加熱粒鉄に接触させる水分量は、粒鉄１トン当たり１５ｋｇ以上とすることが好ましい。水分量が粒鉄１トン当たり１５ｋｇ未満では、水分の不足により、加熱粒鉄の表面に酸化皮膜が充分に形成されない。水分量は粒鉄１トン当たり２０ｋｇ以上とすることが好ましい。水分量の上限は特に限定されないが、水分量を多くしても酸化皮膜が形成されるわけではない。それ故に、水の無駄となる。また水分量が多いと、冷却器から排出される冷却後の粒鉄が水浸しとなる。これにより粒鉄とスラグ等との分離が困難となる。従って新たに乾燥工程が必要となる。水分量は粒鉄１トン当たり５０ｋｇ程度以下とすることが好ましい。なお、加熱粒鉄に接触させる水分量は、上記範囲で冷却器から排出されるときの粒鉄の温度が１５０℃程度以下になるように調整するのが好ましい。
【００３０】
加熱粒鉄と接触させるときの水分の状態は特に限定されない。水（液体）を加熱粒鉄と接触させてもよいし、水蒸気を加熱粒鉄と接触させてもよい。水蒸気と加熱粒鉄とを接触させるのが好ましく、上記酸化皮膜は、水蒸気と加熱された粒鉄とが接触することで形成されると考えられるためである。つまり、水を加熱粒鉄と接触させた場合は、加熱粒鉄の熱によって水が加熱粒鉄の表面近傍で蒸気化し、この蒸気が加熱粒鉄と接触することで、酸化皮膜が形成されると考えられる。
【００３１】
冷却器内は不活性ガスで充填しておくことが好ましい。雰囲気中に酸素が存在すると、酸化皮膜を生成する前に、赤錆が発生するからである。こうしたことから、冷却器はシール機構を有することが好ましく、冷却器内の雰囲気を制御できるように構成することが望まれる。
【００３２】
上記加熱粒鉄は、酸化鉄含有物質および炭素質還元剤を含む原料混合物を塊成化した後、これを移動炉床式加熱還元炉に装入して加熱することで原料混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤により還元して得られる。
【００３３】
上記酸化鉄含有物質としては、酸化鉄を含む物質であればあらゆる物質を用いることができる。最も代表的に使用される鉄鉱石のほか、例えば製鉄所から排出される副生ダストやミルスケールなどを用いることもできる。
【００３４】
上記炭素質還元剤としては、還元作用を有するものであればあらゆる炭素質物質が使用できる。炭素質物質の一例として、採掘後、粉砕・篩い分け等の処理を加えただけの石炭粉や、乾留等の熱処理を加えた例えばコークスを粉砕したもの、更には石油コークス、廃プラスチックが挙げられる。このように炭素質還元剤の種類の如何は一切問わない。例えば炭素質を含む廃棄物として回収される高炉ダストも使用できる。
【００３５】
上記炭素質還元剤の固定炭素含有量は特に限定されないが、好ましくは６０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上のものを選択するのがよい。
【００３６】
上記原料混合物に対する炭素質還元剤の配合量は、少なくとも酸化鉄の還元に必要な理論当量以上とするのが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００３７】
上記原料混合物を塊成化する際には、原料混合物を塊成化し易くするために水分が配合される。塊成化とは、押し固めて簡易成形体としたり、ペレットやブリケット等に成形することを意味する。塊成化物は、例えば、塊状や粒状、略球状、ブリケット状、ペレット状、棒状、楕円状、卵形状などの任意の形状に成形されるが、これらの形状に限定されるものではない。塊成化方法は特に限定されず、例えば転動造粒や加圧成形する方法を採用できる。
【００３８】
塊成化物の大きさは特に限定されないが、均一に加熱還元するには、平均粒径で３〜２５ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００３９】
上記原料混合物に配合する水分量は、原料混合物を塊成化できる量であればよい。その水分量は、例えば１０〜１５質量％程度である。
【００４０】
上記酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を塊成化して得られる塊成化物の強度を高め、取り扱い性を良くするために、種々のバインダー（例えば、消石灰やベントナイト、炭水化物など）を配合することが好ましい。
【００４１】
バインダーの配合比率は、上記原料混合物に対して０．５質量％以上とするのがよい。配合比率が０．５質量％未満では、塊成化物の強度を高めることが難しくなる。配合比率は、０．７質量％以上であることがより好ましい。配合比率はできるだけ高い方が好ましいが、過度の配合は原料コストを高める。さらに、水分量も増やさねばならなくなって乾燥時間の延長による生産性の低下にもつながる。それ故に、バインダーの配合比率は、１．５質量％程度以下に抑えるのが好ましく、より好ましくは１．２質量％以下である。
【００４２】
上記原料混合物は、ドロマイトや蛍石、マグネシウム、珪砂などの他の成分を含んでもよい。
【００４３】
次に、上述した塊成化物は、水分量が０．２５質量％程度以下になるまで乾燥する。この乾燥は、塊成化物を８０〜２００℃程度で行ってもよいが、乾燥条件はこれに限定されるものではない。
【００４４】
乾燥後の塊成化物は、移動炉床式加熱還元炉に装入され、加熱されることで原料混合物中の酸化鉄が炭素質還元剤により還元され、加熱粒鉄が得られる。
【００４５】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではない。前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４６】
実験１
炭素質還元剤として石炭粉を１６．８質量％（乾燥質量）、バインダーとして炭水化物を０．９質量％（乾燥質量）および水分を１３質量％含み、残部が、酸化鉄含有物質（鉄鉱石粉）７２．９質量％（乾燥質量）と副原料９．４質量％（乾燥質量）からなる原料混合物を塊成化した。塊成化して得られた塊成化物を乾燥し、これを移動炉床式加熱還元炉に装入して加熱し原料混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤により還元して加熱粒鉄を得た。塊成化物は、ペレット状に形成した。その粒径は１６〜１９ｍｍであり、平均粒径は１７．５ｍｍであった。
【００４７】
移動炉床式加熱還元炉から排出される加熱粒鉄の量は、４．４トン／ｈであった。この加熱粒鉄は、供給機を用いて転動式冷却器（内径は１．３７ｍ、下り傾斜は１．２°）へ装入し、冷却した。加熱粒鉄を冷却器に装入する際には、流速０．０７ｍ3／ｈの水を冷却器の入口で注入して加熱粒鉄と接触させた。冷却器入口での加熱粒鉄の温度は８６０℃であった。転動式冷却器は３．５ｒｐｍで回転させた。
【００４８】
冷却器出口での粒鉄の温度、つまり、冷却後の温度は、５８℃であった。得られた粒鉄の断面を走査型電子顕微鏡を用いて４００倍で観察したところ、粒鉄の表面に皮膜が形成されていた。この皮膜をＸ線回折で分析したところ、この皮膜の成分組成はマグネタイトであり、その膜厚は５〜８μｍ程度であった。
【００４９】
冷却器内における温度の降下量から算出した冷却器外表面の単位面積当たりの冷却能力は、５９．６ｋｃａｌ／ｍ2／ｈ／℃であった。
【００５０】
実験２
冷却器の入口で水の注入を行わない以外は上記実験１と同じようにして加熱粒鉄を得た。その結果、冷却器入口での加熱粒鉄の温度は８６０℃であり、冷却器出口での加熱粒鉄の温度は１０９℃であった。
【００５１】
得られた粒鉄の断面を走査型電子顕微鏡で４００倍で観察したところ、粒鉄の表面には皮膜は認められなかった。
【００５２】
冷却器内における温度の降下量から算出した冷却器外表面の単位面積当たりの冷却能力は、３５．１ｋｃａｌ／ｍ2／ｈ／℃であった。
【００５３】
次に、上記実験１および実験２で得られた粒鉄を、屋外に並べて１．５ヶ月放置し、赤錆発生の程度を目視観察した。その結果、上記実験１で得られた粒鉄の赤錆発生程度は、上記実験２で得られた粒鉄の赤錆発生程度よりも小さいことがわかった。
【００５４】
次に、冷却器の冷却能力を比較すると、実験１で用いた冷却器の冷却能力は、実験２で用いた冷却器の冷却能力の約１．７倍であった。従って、実験１のように、冷却器の入口で加熱粒鉄と共に水を注入すると、冷却器の長さを約１／１．７に短くできる。
【国際調査報告】
2009530501.tif 000002