(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄原料と還元材を混合したものを塊成化してなる塊成物を回転炉床型還元炉の回転炉床に装入して加熱し、塊成物中の酸化鉄を還元することによって還元鉄を得、当該還元鉄を炉外へ排出することによって還元鉄を製造する方法において、還元鉄の排出後、塊成物の装入前に、上記酸化鉄の還元工程中に炉床上に形成される酸化鉄を含有する固化物質上に、ＳｉＯ２を６３．００重量％以上と、ＮａおよびＫのいずれか一方又は両方の合計を１９．４重量％以上含有し、且つ融点が回転炉床型還元炉の炉床温度以下である低融点物質を配置して、切削手段によって上記固化物質を切削することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【請求項２】
上記低融点物質は、炉床面積１ｍ２について、２〜５ｋｇ配置することを特徴とする請求項１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】
本発明は還元鉄の製造方法に関し、特に、炭素質還元材と酸化鉄を含む混合物を、回転炉などの移動床型還元炉の移動炉床上に供給して加熱し、酸化鉄を還元して還元鉄を製造する際に、炉床上に形成される酸化鉄を主成分とする硬い岩盤を切削して、安定して連続操業しうる還元鉄の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄資源や亜鉛資源の循環使用の観点ならびに簡易な設備での製鉄方式として、製鉄プロセスで発生する製鉄ダストや鉄鉱石等の酸化鉄原料と還元材である炭材とを混合した後に塊成化処理を施して塊成物とし、この塊成物を回転炉などの移動床型還元炉の移動炉床上に供給し、この塊成物が炉内を移動する間に、バーナーによる火炎で加熱することによって塊成物中の酸化鉄を炭素質還元材で還元し、得られた還元鉄を排出手段（ディスチャージャー）によって炉床から炉外へ排出する方法が知られている。
【０００３】
塊成化処理によって得られる塊成物は粒子の結合体であり、バインダーを利用することが一般的に行われている。このバインダーに水分を添加したものと酸化鉄原料と炭材を混練して粒子間にバインダーを侵入させ、ブリケット等の形態に圧縮成形した後、乾燥工程で水分を低減して接着強度が確保されている。しかし、塊成物が移動炉床上を移動する間において、酸化鉄の還元反応による塊成物内のガス発生に伴う内圧や還元鉄の排出手段であるディスチャージャー（回転軸の外周に突起が形成されたもの）等に起因して塊成物が粉化し、この含鉄粉末が加熱されることによって粉末粒子が結合し、体積収縮を伴って緻密化することによって酸化鉄（主としてＦｅＯからなるもの）を主成分とする硬い焼結組織が形成されやすくなる。この焼結組織は移動炉床上に硬い岩盤を形成し、次々に形成される岩盤は炉床上に盛り上がるので、還元鉄の安定な製造の障害となる。
【０００４】
そこで、その厚い岩盤層によって還元鉄の安定な製造が阻害されないようにするために、還元鉄の排出手段であるディスチャージャーを炉床上に形成された岩盤に押し当てて熱間状態にて岩盤を削り取る作業が行われている（１〜１．５時間程度／日）。この岩盤削り取り作業中は還元炉による還元鉄の製造は中断せざるを得ないので、還元炉の稼働率を低下させてしまうとともに、還元鉄の生産量が減少する。
【０００５】
ところで、塊成化処理のためのバインダーとしては、還元鉄の強度向上と、炉床上の岩盤を削り易くする低融点化合物（ＦｅＯ−ＳｉＯ２）を形成するという目的のために、ＳｉＯ２を多量に含有した物質が用いられている。しかし、ＳｉＯ２を多量に含有していると、還元反応を阻害し、金属化率の高い還元鉄を得ることができない。さらに、ＳｉＯ２を多量に含有しているので、還元炉で得られた還元鉄を溶解炉で炭材とともに加熱して溶銑を得る際にスラグを増加させる原因となる。
【０００６】
この種の還元鉄の製造に関連する先行技術として、特許文献１には、炭素質還元剤と酸化鉄とを含む混合物を、移動床型還元溶融炉の移動炉床上に供給して加熱し、酸化鉄を還元溶融した後、得られる金属鉄を冷却してから炉外へ排出して回収する金属鉄の製造において、炉床表面に金属鉄粉が埋め込まれたり、スラグ湿潤や浸食を受けても容易に除去や修復ができるように、上記混合物の供給に先だって移動炉床上に高融点物質や焼結促進剤を含む粉粒状炉床材を層状に敷き詰めて更新可能な更新炉床を形成しておき、操業中に劣化した更新炉床の一部または全部を取り除いて新たな炉床材を供給して更新炉床を新生し、新生した炉床表面を均した後、上記混合物を供給して金属鉄を製造する方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を、移動炉床式加熱還元炉の炉床上に装入して加熱し、原料混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤により還元し、生成する金属鉄を副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状金属鉄を製造する方法において、硫黄含有量が低減された高品位の粒状金属鉄を製造できるように、スラグの塩基度を１．４〜２．３の範囲とし、原料混合物に、Ｎａ２Ｏ供給物質を配合するときはスラグ中のＮａ２Ｏ含有量を０．１０％以上とし、Ｋａ２Ｏ供給物質を配合するときはスラグ中のＫ２Ｏ含有量を０．１０％以上とし、Ｌｉ２Ｏ供給物質を配合するときはスラグ中のＬｉ２Ｏ含有量を０．０５％以上とするように配合量を調整する粒状金属鉄の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２１８０９１号公報
【特許文献２】特開２００９−００７６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に開示された方法は、炉床材が高融点物質や焼結促進剤を含んでいるので、炉床上での岩盤形成が促進され、本願発明が解決しようとする課題とは逆行する。
また、特許文献２に開示された方法は、原料混合物に低融点酸化物を積極的に配合するので、得られる金属鉄の還元度（金属化率）を高くすることが困難である。
本発明は従来の技術の有するこのような不都合な点に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転炉床型還元炉の回転炉床上に形成される酸化鉄を主成分とする硬い岩盤を容易に切削することができるとともに、金属化率の高い還元鉄を製造することができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、酸化鉄を主成分とする硬い岩盤上に特定の物質を配置することにより、硬い岩盤を容易に切削するとともに、金属化率の高い還元鉄を得ることができる方法を見出したのである。
すなわち、本発明者等は、実際の回転炉床型還元炉の炉床に形成される岩盤の成分に近い炉床を再現するために、実際の炉床に形成された岩盤の成分を調査して、その岩盤成分に近い成分（製鉄ダストの還元物）の模擬炉床タブレットを作製した。図１は、その模擬炉床タブレットを切削するための試験装置の概略構成図である。図１において、１は装置支持体、２は昇降自在のシリンダーであり、昇降シリンダー２によって下側ベース３は昇降自在である。下側ベース３と上側ベース４の間にはスプリング５が配置されており、下側ベース３が上昇することによってスプリング５の弾撥力に抗して、上側ベース４上に載置された模擬炉床タブレット６が上昇する。模擬炉床タブレット６には、炉床の切削性に影響を及ぼすと想定される粉体層７が接合されている。８は円筒状体９の外周の全面にわたってタップ（鋲）１０が埋め込まれたドリル、１１はドリル１０の回転用モータ、１２と１３はスプロケットであり、モータ１１の回転はスプロケット１２と１３の間に張り渡されたベルト１４によってドリル８に伝達される。
【００１１】
次に、図１に示す模擬炉床タブレット切削試験装置を用いた切削試験方法について説明する。まず、製鉄ダストの還元物からなる適切な大きさと形状の模擬炉床タブレット６を作製した。その模擬炉床タブレット上に炉床タブレットの切削性に影響を及ぼすと想定される粉体を敷き詰めて、還元雰囲気下の加熱炉において１２５０℃で１５分間加熱後に炉外に取り出することにより、粉体層が接合された模擬炉床タブレットを得た。模擬炉床タブレットを炉外に取り出して２８秒経過すると、模擬炉床タブレットの温度は約９５０℃になった。実際の回転炉床型還元炉の炉床の温度は約９５０℃であることを事前に確認していたので、この時点で、模擬炉床タブレットを切削する試験を開始した。
ここで、炉床温度とは、炉床上面に対し２色温度計を用いて、炉床上に還元物が存在しない状態で測定した平均温度である。
【００１２】
すなわち、上記のようにして炉床タブレットの切削性に影響を及ぼすと想定される粉体層７が接合された模擬炉床タブレット６を上側ベース４上に載置した状態において、昇降シリンダー２によって下側ベース３を上昇させ、下側ベース３が上昇することによってスプリング５の弾撥力に抗して、上側ベース４上に載置された模擬炉床タブレット６が上昇する。やがて、模擬炉床タブレット６に接合された紛体層７にドリル８のタップ１０が食い込み、粉体層７および模擬炉床タブレット６に対する食い込み深さが２５mmに達した時点（模擬炉床タブレットの温度が約９５０℃になったとき）においてモータ１１を回転させ、２０秒間タップ１０による模擬炉床タブレット６の切削を実行した。この模擬炉床タブレット切削試験においては、粉体層７として、ベントナイト粉末（融点１３６６℃：ＳｉＯ２＝６４．２３％、Ａｌ２Ｏ３＝１２．７５％、ＣａＯ＝４．４３％、ＭｇＯ＝１．５９％、Ｎａ＝１．２４％、Ｋ＝０．５１％、その他成分（残部））と、石炭灰粉末（融点１５９５℃：ＳｉＯ２＝４８．７６％、Ａｌ２Ｏ３＝３３．５３％、ＣａＯ＝２．９０％、ＭｇＯ＝０．７８％、Ｎａ＝０．４５％、Ｋ＝０．４６％、その他（残部））と、太陽電池材料の廃棄物粉末（融点８５８℃：ＳｉＯ２＝６３．００％、Ｎａ＝２５．６９％、Ｋ＝０．０２％、Ａｌ２Ｏ３＝０．３２％、ＭｇＯ＝０．２６％、ＣａＯ＝０．０１％、その他（残部））を使用した。
【００１３】
その結果、ベントナイト粉末（融点１３６６℃）の層を接合した模擬炉床タブレットの切削深さを１とすると、太陽電池材料の廃棄物粉末（融点８５８℃）の層を接合した模擬炉床タブレットの切削深さは２、石炭灰粉末（融点１５９５℃）の層を接合した模擬炉床タブレットの切削深さは０．５となった。すなわち、模擬炉床タブレットに接合した粉末の融点が低くなるほど、模擬炉床タブレットの切削深さが大きくなる傾向にあることが分かった。
【００１４】
このように、炉床タブレットに接合する粉末の融点が低くなるほど、炉床タブレットが切削しやすくなることが分かったので、本発明者はこの現象について以下のように考察した。
図２（ａ）に示すように、炉床鉄板２１上に形成される酸化鉄を主成分とする硬い岩盤２２上に配置された低融点物質２３は、岩盤２２を介して炉床鉄板２１の保有熱（還元炉で製造された還元鉄を炉外に排出後、塊成物を還元炉に装入するまでの間における炉床鉄板の保有熱）により加熱されることによって溶融し、岩盤２２内に浸透する（細線２４が浸透経路を示す）。さらに、時間が経過することによって、図２（ｂ）の浸透経路２４に示すように、低融点物質２３の大半が岩盤２２の内奥部に浸透することによって、その浸透部およびその近傍が岩盤２２を切削するための起点部となる。そこで、円筒状体２５の外周に多数の突起２６が形成された切削手段２７を回転させつつ岩盤２２を切り込むことによって、硬い岩盤２２を切削することができるのである。
【００１５】
図３はその切削手段の一例を示す概略構成図で、３１は炉体、３２は炉床鉄板、３３は酸化鉄を主成分とする硬い岩盤、３４は低融点物質、３５は回転軸、３６は回転軸３５の外周に形成された螺旋状の突起である。図示しないモータによって、回転軸３５を回転させることによって、螺旋状突起３６によって硬い岩盤３３を切削することができる。
【００１６】
硬い岩盤上に配置する低融点物質は多ければ多いほど良いものではない。何故ならば、本来切削したい岩盤炉床の上に低融点物質のみの層が形成されると、岩盤炉床の実質的な切削に到達しない事態に至るためである。よって、切削に対して低融点物質の適切な量と温度が存在する。
【００１７】
このように、本発明者は、移動炉床上に形成される酸化鉄を主成分とする硬い岩盤の切削性を向上するためには、（１）岩盤上に低融点物質を配置すること、（２）低融点物質の量は岩盤の大きさに適応したものであること（多すぎないこと）、（３）岩盤上に配置する物質が溶融するために必要な温度を確保することの３つの条件を満足することが必要であることを知見した。
また、移動炉床型還元炉の操業形態によっては、メタルとスラグが分離するまで高温で操業するものがあるが、本発明は、その操業形態で生じる岩盤状の炉床に対しても有効である。
【００１８】
本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
［１］酸化鉄原料と還元材を混合したものを塊成化してなる塊成物を回転炉床型還元炉の回転炉床に装入して加熱し、塊成物中の酸化鉄を還元することによって還元鉄を得、当該還元鉄を炉外へ排出することによって還元鉄を製造する方法において、還元鉄の排出後、塊成物の装入前に、上記酸化鉄の還元工程中に炉床上に形成される酸化鉄を含有する固化物質上に、ＳｉＯ２を６３．００重量％以上と、ＮａおよびＫのいずれか一方又は両方の合計を１９．４重量％以上含有し、且つ融点が回転炉床型還元炉の炉床温度以下である低融点物質を配置して、切削手段によって上記固化物質を切削することを特徴とする還元鉄の製造方法である。
［２］上記低融点物質は、炉床１面積ｍ２について、２〜５ｋｇ配置することを特徴とする上記［１］に記載の還元鉄の製造方法である。
ここで、ＳｉＯ２は、岩盤の主成分である酸化鉄と反応し、低融点化合物（ＦｅＯ−ＳｉＯ２）を形成するために必要で、ＮａおよびＫはアルカリ金属であり、低融点化させる働きがある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の還元鉄の製造方法によれば、炉床上に形成される酸化鉄を主成分とする硬い岩盤を容易に切削することができる。従って、還元炉の稼働率を向上することができ、還元鉄の生産量を増加することが可能である。また、炉内に挿入される酸化鉄原料と還元材の塊成物には低融点物質が含まれないので、金属化率の高い還元鉄を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、模擬炉床タブレットを切削するための試験装置の概略構成図である。
【図２】図２（ａ）（ｂ）は、本発明を利用した岩盤炉床の切削方法を説明する概念図である。
【図３】図３は、炉床上に形成される酸化鉄を主成分とする硬い岩盤の切削手段の一例を示す概略構成図である。
【図４】図４は、本発明の還元鉄の製造方法を実施することができる回転炉床型還元炉の概略構成を示す図である。
【図５】図５は、図１に示す模擬炉床タブレット切削試験装置による切削試験例を示す図で、横軸は模擬炉床タブレット上に配置する物質の溶融点（℃）を示し、縦軸は切削深さの相対値（無次元）を示す。
【図６】図６は、図１に示す模擬炉床タブレット切削試験装置による別の切削試験例を示す図で、横軸は模擬炉床タブレット上に配置する太陽電池材料の廃棄物の粉末の量（kg／ｍ２）を示し、縦軸は切削深さ（mm）をモータ（図１の参照番号１１）の電流値（Ａ）で除した数値（mm／Ａ）について、模擬炉床タブレット上に物質を配置しなかった場合の数値を１とする相対値（無次元）を示す。
【図７】図７は、回転炉床型還元炉において、塊成物形成用のバインダーとしてのＳiＯ２添加量と還元鉄の金属化率の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の還元鉄の製造方法を実施することができる回転炉床型還元炉について、図４を用いて説明する。
原料となる製鉄プロセスで発生する製鉄ダストや鉄鉱石などの酸化鉄原料や、還元材である炭材をそれぞれサイロ４１、４２に貯蔵し、そのサイロ４１、４２から所定量の上記酸化鉄原料や炭材を排出して次工程であるボールミル等の粉砕機４３に供給する。粉砕によって得られた粉体の水分含有量調整とバインダー添加のために、混練機４４において上記粉体とサイロ４５に貯蔵されたバインダーとサイロ４６に貯蔵された水とを混練し、混練によって得られた混練物を成型機４７で成型し、成型によって得られた成型物を乾燥機４８で水分含有量１％未満に乾燥した後、乾燥後の塊成物を回転炉床型還元炉４９に投入する。回転炉床型還元炉４９に投入された塊成物は、バーナー５０から発せられる、経路５１から供給される空気と経路５２から供給される液化天然ガスとの混合ガスによる火炎により加熱されながら、ゆっくりと回転する還元炉４９内において還元される。還元炉４９が１回転した後に還元炉４９から排出された還元鉄は、トラック等の搬送手段５３により溶解炉５４まで搬送され、石炭と酸素による反応熱で溶銑とされる。
【００２２】
《溶融点と炉床切削深さ》
図５は、図１に示す模擬炉床タブレット切削試験装置を用いた同上方法による切削試験例を示す図で、横軸は模擬炉床タブレット上に配置する物質の溶融点（℃）を示し、縦軸は切削深さの相対値（無次元）を示す。図５において、物質Ａは太陽電池材料の廃棄物の粉末、物質Ｂはベントナイトの粉末、物質Ｃは石炭灰粉末、物質Ｄは別の石炭灰粉末である。模擬炉床タブレットの温度が約９５０℃になったときに切削を開始し、上記各物質における切削時間は同じとした。切削深さの相対値は、模擬炉床タブレット上に物質を配置せずに同じ切削時間で切削した場合の実際切削深さに対する相対的な比率を示す数値である。
図５に示すように、溶融点が低くなるほど、切削深さの相対値の数値は大きくなっており、切削しやすくなることが分かる。なお、本明細書において、溶融点は、JIS M8801の「石炭類−試験方法」試験すい型に準拠して測定した数値である。
【００２３】
≪低融点物質の量と炉床の切削性についての一実施例≫
図６は、図１に示す模擬炉床タブレット切削試験装置を用いた同上方法による別の切削試験例を示す図で、横軸は模擬炉床タブレット上に配置する太陽電池材料の廃棄物（溶融点＝８５８℃）の粉末の量（kg／ｍ２）を示し、縦軸は切削深さ（mm）をモータ（図１の参照番号１１）の電流値（Ａ）で除した数値（mm／Ａ）について、模擬炉床タブレット上に物質を配置しなかった場合の数値を１とする相対値（無次元）を示す。模擬炉床タブレットの温度が約９５０℃になったときに切削を開始し、図６に示す各測定点の切削時間は同じとした。モータの電流値は切削抵抗に比例するので、炉床からの抵抗が小さければモータ電流値は低く、炉床からの抵抗が大きければモータ電流値は高くなる。従って、（切削深さ／電流値）の数値が小さいということは切削しにくいことを示し、（切削深さ／電流値）の数値が大きいということは切削しやすいことを示す。
【００２４】
図６に示すように、模擬炉床タブレット上に配置する低融点物質の量が多すぎても、炉床タブレットの切削は促進されないことが分かる。この理由は、模擬炉床タブレット上に形成される低融点物質層を切削せざるを得ないからである。
【００２５】
図６に示すように、模擬炉床タブレット上に配置する低融点物質の量には、模擬炉床タブレットの切削を促進するために好ましい範囲があることが分かる。この好ましい範囲は、実際の移動床型還元炉の形式や大きさによって異なるのはもちろんであるが、図６を参照すれば、炉床面積１ｍ２について、低融点物質の量として２〜５ｋｇ程度が好ましいと言える。
【００２６】
≪太陽電池材料の廃棄物の成分≫
図６において用いた太陽電池材料の廃棄物の成分は、以下の表１に示すとおりである。
【００２７】
【表１】
0005790554.tif 000002
【００２８】
≪塊成物形成用のバインダーとしてのＳｉＯ２添加量と還元鉄の金属化率≫
図７は、図４に示す回転炉床型還元炉において、酸化鉄原料と還元材の塊成物から還元鉄を製造する場合において、塊成物形成用のバインダーとしてのＳｉＯ２添加量と還元鉄の金属化率の関係を示す図である。図７において、線Ａは１２５０℃で還元時間が１０分間の場合であり、線Ｂは１２５０℃で還元時間が１５分間の場合である。図７に示すように、バインダーとしてのＳｉＯ２添加量が少なくなるほど、還元鉄の金属化率が大きくなることは明らかである。
すなわち、塊成物形成用バインダーとしてＳｉＯ２を多量に含有する物質を用いないことにより、金属化率の高い還元鉄を製造することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  装置支持体
２  昇降自在のシリンダー
３  下側ベース
４  上側ベース
５  スプリング
６  模擬炉床タブレット
７  粉体層
８  ドリル
９  円筒状体
１０  タップ（鋲）
１１  回転用モータ
１２、１３  スプロケット
１４  ベルト
２１  炉床鉄板
２２  酸化鉄を主成分とする硬い岩盤
２３  低融点物質
２５  円筒状体
２６  突起
２７  切削手段
３１  炉体
３２  炉床鉄板
３３  酸化鉄を主成分とする硬い岩盤
３４  低融点物質
３５  回転軸
３６  螺旋状の突起
４１、４２  サイロ
４３  粉砕機
４４  混練機
４５、４６  サイロ
４７  成型機
４８  乾燥機
４９  回転炉床型還元炉
５０  バーナー
５３  搬送手段
５４  溶解炉
【図１】
0005790554.tif 000003
【図２】
0005790554.tif 000004
【図３】
0005790554.tif 000005
【図４】
0005790554.tif 000006
【図５】
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【図６】
0005790554.tif 000008
【図７】
0005790554.tif 000009