(57)【要約】【課題】  生産性が高く、しかも生産量の調整が容易な海綿鉄の製造方法を提案する。【解決手段】  酸化鉄と還元剤を耐火物製反応容器内に螺旋状に充填し粗還元して得られる塊状の海綿鉄を、その塊の大きさが2000 mm以下で、鉄含有量が97 mass％以上となるようにするために、酸化鉄および還元剤を、反応容器内に交互にかつ螺旋状に堆積するように充填して粗還元する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に充填された酸化鉄と固体還元剤とを加熱して塊状海綿鉄としたものであって、その塊状物の高さが2000 mm以下で、鉄含有量が97 mass％以上であることを特徴とする高純度海綿鉄。
【請求項２】
竪型の反応容器内に酸化鉄および固体還元剤を充填し、この反応容器の外側から加熱して該容器内酸化鉄を粗還元することにより、塊状の海綿鉄を製造する方法において、酸化鉄および固体還元剤を、前記反応容器内に、交互にかつそれらが螺旋状に堆積するように充填することを特徴とする高純度海綿鉄の製造方法。
【請求項３】
上記酸化鉄として、鉄鉱石および／またはミルスケールの粉を用いることを特徴とする請求項２に記載の高純度海綿鉄の製造方法。
【請求項４】
上記固体還元剤として、炭素質粉末を用いることを特徴とする請求項２に記載の高純度海綿鉄の製造方法。
【請求項５】
前記加熱の温度は、1000〜1300 ℃とすることを特徴とする請求項２に記載の高純度海綿鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度海綿鉄およびその製造方法に関するものである。この海綿鉄は、とくに還元鉄粉の製造用原料として用いられ、機械部品や磁性材料などの焼結製品の原料としても用いられる。
【背景技術】
【０００２】
海綿鉄は、一般に、図１に示すような、サガーと呼ばれている耐火物製円筒状の反応容器１内に、粉砕されたミルスケールや鉄鉱石の如き酸化鉄の粉２とコークス粉や石炭粉のような固体還元剤３とを同心円筒状に層別充填し、その容器ごとトンネル炉などを使って1050〜1200 ℃の温度に間接方式によって加熱し、該容器内酸化鉄を粗還元することにより製造されている。
ここで、酸化鉄鉄粉２としてはミルスケールを粉砕した粉や鉄鉱石粉、廃酸から回収した酸化鉄粉などが用いられる。また、還元剤としては、コークス粉や石炭粉の他、これらに石灰粉が添加されたものなどが用いられる（非特許文献１、特許文献１）。
【０００３】
【非特許文献１】「鉄鋼便覧」第３版  第５巻  第４５７頁〜第４５９頁
【特許文献１】特開２００２−２４１８２２号公報
【０００４】
図１（ａ）、（ｂ）（（ａ）のＡＡ’断面）に示されるような従来の海綿鉄製造技術にあっては、酸化鉄粉末２は反応容器１内に円筒状に充填され（以下、円筒状酸化鉄層と呼ぶ）、還元剤粉末３がこの円筒状酸化鉄充填層のまわりを取り囲むように充填されている。さらに、前記円筒状酸化鉄層の上下ならびに中央部にも還元剤粉末３が充填されている。
その結果、原料の充填後に反応容器１が加熱されると、まず、初期の段階で、還元剤層の空隙部に存在する酸素が還元剤中の炭素と反応して生成するＣＯ2ガスや、還元剤に添加されている石灰石等が分解して生成するＣＯ2ガスが、還元剤中の炭素と（１）式のように反応し、還元ガスであるＣＯガスを還元剤粉末３の層（還元剤層）内で生成する。
Ｃ＋ＣＯ2  →  ２ＣＯ                            …（１）式
そして、このようにして発生したＣＯガスは、還元剤層から酸化鉄粉末２の層（酸化鉄層）内に達し、次式（２）；
FeＯn  ＋  ｎＣＯ  →  Fe  ＋  ｎＣＯ2            …（２）式
の反応によって、酸化鉄を還元するとともに、ＣＯ2（二酸化炭素）ガスを発生する。
さらに、そのＣＯ2ガスは、還元した鉄中に拡散して再び還元剤層に達し、その層内で（１）式の反応により炭素をＣＯガスに変える。そして、この生成したＣＯガスは再び酸化鉄層中に拡散し、未還元の酸化鉄と（２）式の反応を起こし、鉄を生成するとともにＣＯ2ガスを生成する。
その結果、前記反応容器１内に充填された酸化鉄粉末２は、（１）式と（２）式の反応が一定時間ごとに繰り返されることによって、全て還元され、また、この還元反応と同時に、還元された鉄の焼結も進行して、円筒状の海綿鉄（焼結体）となる。図２に、従来技術により得られる海綿鉄の外観形状（下部は省略）を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の還元方法においては、反応容器１内で生成したＣＯガスおよびＣＯ2ガスの、酸化鉄粉末２や還元剤粉末３の層内への拡散が、還元反応の進行を律速する主な要因と考えられる。ところが、図１に示した充填構造をとる方法にあっては、ＣＯガスおよびＣＯ2ガスの拡散距離が大きく、還元に必要な時間が長くかかる。
還元時間に長時間を要すると、例えば、加熱にトンネル炉を使用する工業生産規模の製造工程では、反応効率（ガス利用効率）の低下を招き、原料の充填から製品の抜き出しまでに数日を必要として生産性の低下につながる。またそれだけでなく、還元に要する加熱エネルギーの消費も著しく大きくなる。
【０００６】
即ち、図１（ａ）、（ｂ）に示すような原料充填方式では、製造する海綿鉄の量を増やすためには、酸化鉄粉末２の層の層厚（半径方向）を厚くする必要があるが、そうすると、還元時間が長くなる。かといって、還元時間を短縮するためには酸化鉄粉末２の層の層厚を薄くすると、反応容器１個当たり製造できる海綿鉄量が減少するため、必ずしも単位時間当たりの生産量の向上にはつながらないこととなる。
そのため、生産量が最も大きくなる酸化鉄粉末２の層の厚さと還元時間との組み合わせが一義的に決まってしまい、生産量に限界があるだけでなく、生産量調整の自由度も小さいという問題があった。
【０００７】
また、図１（ａ）、（ｂ）のような原料充填方式では、上記の反応で生成するＣＯガスが、密度のより低い層である還元剤粉末３層の方を流れて反応容器１外に抜けやすい傾向があり、ＣＯガスが還元反応に効率よく寄与しないという問題がある。
また、この方式では、焼成段階で酸化鉄粉末２の層が崩れないように、反応容器１と酸化鉄粉末２との間や円筒状酸化鉄層の内側に還元剤粉末３を過剰に充填する必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、従来技術が抱えている上述した各種の問題を有利に解決することであり、とくに、生産性が高く、しかも生産量の調整が容易にできる海綿鉄の製造方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、酸化鉄粉末および還元剤粉末の反応容器内への充填方式を工夫することにより、上掲の課題を有利に解決できることを見い出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は、反応容器内に充填された酸化鉄と固体還元剤とを加熱して塊状海綿鉄としたものであって、その塊状物の高さが2000 mm以下で、鉄含有量が97 mass％以上であることを特徴とする高純度海綿鉄である。
【００１０】
また、本発明は、竪型の反応容器内に酸化鉄および固体還元剤を充填し、この反応容器の外側から加熱して該容器内酸化鉄を粗還元することにより、塊状の海綿鉄を製造する方法において、酸化鉄および固体還元剤を、前記反応容器内に、交互にかつそれらが螺旋状に堆積するように充填することを特徴とする高純度海綿鉄の製造方法である。
【００１１】
なお、本発明の製造方法においては、上記酸化鉄として、鉄鉱石および／またはミルスケールの粉を用いること、上記固体還元剤として、炭素質粉末を用いること、前記加熱の温度を、1000〜1300 ℃程度とすることができる。
なお、上記の固体潤滑剤には石灰石などのような加熱時にＣＯ2ガス発生源となる物質を添加しても良い。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、高純度（≧97 mass％）の海綿鉄を、螺旋状交互充填技術の採用によって、高い生産性を確保した上で達成することができる。しかも、反応容器内への原料充填構造を任意にかつ連続的に変えることができ、生産効率の著しい向上を実現することができ、ひいては高純度の海綿鉄を安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の特徴的な構成の１つは、反応容器内への原料の充填方法にある。すなわち、本発明において採用する充填方法は、従来の図１に示すような竪型円筒状の耐火物製反応容器内に、酸化鉄粉末２と固体還元剤粉末３とを軸方向に沿って同心円筒状に充填する方法に代えて、酸化鉄粉末と固体還元剤粉末とを交互にかつそれらを共に螺旋状に充填する点にある。この方法では、酸化鉄粉末と固体還元剤粉末の容器内堆積構造が、酸化鉄粉末の螺旋層と固体還元剤粉末の螺旋層が交互に積層された状態に充填される（以下、「螺旋状交互充填」という）方法を採用することにある。ここに交互に積層とは、図３に示すように固体還元剤１３の層と酸化鉄１２の層が、上下方向に積なり合っていることを言う。
【００１４】
このような螺旋状交互充填法によれば、酸化鉄粉末と固体還元剤粉末との充填を、並行して同時にしかも連続的に切り出し（充填）することができる。このため、各層の厚さ（充填量）を一定とすることができると共に、各層の厚みを任意に変えることも可能である。すなわち、この層厚比は、目的や状況に応じて、反応容器ごとに任意の割合に設定することができる他、装入（充填）中に任意にしかも随時に変更することもできる。このため、螺旋状交互充填法は、生産性の改善および生産量の向上にも大きく寄与できる方法として有用である。
【００１５】
図３（ａ）、（ｂ）（（ａ）のＢＢ’断面）は、本発明の一実施形態を簡略化して示す断面図である。本発明における原料の充填は、SiＣ等の耐火物からなる円筒状容器１１（サガー）内に、原料装入装置１４を使って酸化鉄粉末１２および固体還元剤粉末１３を同時に装入し充填することによって行う。前記原料装入装置１４の好ましい構成は、反応容器１１内に挿入される回転装入筒14b（装入部）を主体として構成されている。回転装入筒14bの筒状本体は軸方向が中仕切り壁14aによって２分され、仕切られたそれぞれの部屋、すなわち酸化鉄粉末収容部１７および固体還元剤粉末未収容部１８には、酸化鉄粉末１２および固体還元剤粉末１３が装入できる（各収容部内の粉末は図示されていない）。また、回転装入筒14bの下端部（下端もしくはその近傍）には、酸化鉄粉末排出口１５、および固体還元剤粉末排出口１６が、それぞれ収容部１７、１８に対応した開口部としても設けられている。図示されていないが、各排出口は、スライドゲートなどのゲートにより開口度（例えば開口高さａ）、すなわち開口面積の調節が可能な構造とすることが好ましい。排出口の位置や向きは必要に応じて定めればよく、回転装入筒14bの底面、側面、あるいは底面等に設けられた切り出し部の、任意の面を開口部とすることができる。原則として各原料粉末の排出は、収容部に装入された原料粉の自重により行われることが好ましい。
【００１６】
このような原料装入装置１４を使って、原料を螺旋状交互に充填するには、前記回転装入筒14bを、まず、前記反応容器１１内に上から挿入すると共に、前記開口１５、１６の開口面積（開口度）を調整する。そして、前記回転装入筒14bを（したがって排出口１５、１６を）、回転させながら一定の速度で上昇させることにより、酸化鉄層厚と固体還元剤層厚とが所定の比率になるよう、そして互いが螺旋状に絡み合うように該排出口を介して充填していけば（交互充填）よい。このようにして酸化鉄粉末１２と固体還元剤粉末１３とが共に、螺旋状に交互に堆積した充填層が、反応容器１１内に形成される。
各収容部１７、１８への原料の投入は、反応容器への充填前あるいは充填中に必要に応じて行われる。
【００１７】
なお、螺旋状に堆積される酸化物層および固体還元剤層の厚みは、両層とも個別に約５mm以上、両者１層づつの和では約40 mm以上とすることが好ましい。それは、これらの層厚が過度に小さい（５mm未満）と、層厚の揺らぎにより層の壊れる部分が発生しやすくなるからである。また、好ましい下限は、両層とも個別に約10 mm以上、１層づつの和で約30mm以上である。また、好ましい両層とも個別の上限は約100 mm以下、１層づつの和で約200 mm以下とする。さらに好ましい上限は、両層とも個別に約80 mm以下、１層づつの和で約150 mm以下である。この層厚が過度に大きいと、還元処理時間の増大や原料効率の低下（未反応成分の場合）を招くからである。
【００１８】
本発明に係る海綿鉄の製造方法において、反応容器内に充填する原料としては、少なくとも酸化鉄粉末と固体還元剤粉末とが必要になるが、その酸化鉄粉末としては、鉄鉱石および／または鉄鋼の熱間圧延工程で発生するミルスケール等の酸化鉄を粉末として用いることが好ましい。好適な平均粒径は約0.05 mm〜約10 mm程度である。
なお、さらに上記より微細な酸化鉄粉、例えば比表面積が２ｍ2／ｇ以上、粒度0.01μｍ以上に工業的に粒径制御されたヘマタイト粉末などを上記のミルスケールや鉄鉱石等の粉末に混合して用いることは、海綿鉄の品質を向上させるので好ましい。
固体還元剤粉末としては、炭素を含有するいわゆる炭素質粉を使用することができる。炭素質粉としてコークス粉、チャー（高揮発性炭の一種）、石炭粉（非粘結性のものが好ましい）、無煙炭粉末、木炭粉などのいずれか一種以上が好適である。なお、還元効率の観点から、炭素質粉中の炭素量は60 mass％以上であることが好ましい。固体還元剤粉末との好適な平均粒径も約0.05 mm〜約10 mm程度である。
【００１９】
なお、上記固体還元剤粉末としては、必要に応じてさらに加熱時にＣＯ2ガス発生源となる粉末を、固体還元剤層の一部を構成するものとして、混合添加したものを使用しても何ら問題はない。例えば、ＣＯ2ガス発生源としては、石灰石（あるいはドロマイト）の粉末が、とくに好ましい。
【００２０】
各原料粉末の粒度調整は、一般に２種類のメッシュ篩を用意し、メッシュの大きい方の篩を通過できない粒子と、メッシュの小さい方の篩を通過しない粒子を除外することにより行われている。この場合、粉末の平均粒径としては、粒度分布から求める算術平均を用いるものとする。
【００２１】
上記酸化鉄粉末１２や固体還元剤粉末１３（添加・混合されるＣＯ2ガス発生源粉末を含む）は、前記反応容器１１内に、図３（ａ）、（ｂ）などに示す原料装入装置１４にて螺旋状交互に充填する。反応容器１１としては、例えば、サガーと呼ばれる円筒状のSiＣ製の反応容器を用いるのが好ましい。反応容器１１の形状に制限はないが、円筒形が最も有利と思われる。また、反応容器の寸法にもとくに制限はないが、円筒形の場合、その内面は、断面の直径約200 mm〜約800 mm程度、高さ約100 mm〜約200 mm程度の範囲が好適である。なお、一容器あたりで製造する海綿鉄塊の量は約10 kg以上が好ましく、生産性の観点からは約50 kg以上さらに約100 kg以上とすることがさらに好ましい。
【００２２】
次に、酸化鉄粉末１２と固体還元剤粉末１３と、必要に応じて用いられる石灰石等を充填した前記反応容器１１は、トンネル炉などの焼成炉内に台車などに積載した状態で装入され、容器内に充填された原料は還元のために所定の時間、該容器ごとに間接的（容器の外側から）加熱される。この還元は目標とする純度（還元後の海綿鉄に占める金属鉄の含有量）が約97.0 mass％以上であり、粗還元と呼ばれる。
【００２３】
上記粗還元のための加熱温度が不十分だと、酸化鉄の還元は十分に進まず、海綿鉄の純度が低下する。好ましい加熱温度の下限は1000℃である。他方、加熱温度が過度に高くなると、還元と同時に進行する海綿鉄の焼結が過度に進んで海綿鉄が硬くなり、その後の粉砕工程での電力消費量の増大を招いたり、粉砕工具の損耗に伴う製造コストの増大を招くおそれがある。好ましい加熱温度の上限は1300℃である。従って、好ましい加熱温度は、1000〜1300 ℃の範囲である。
【００２４】
トンネル炉を焼成炉として用いた場合、該焼成炉内を台車上に載置されて移動する前記反応容器１１（およびその内部の酸化鉄）は、まず温度が漸増する予熱領域を２４時間程度（好適には２０時間〜２８時間）かけて通過し、約1000℃〜約1300 ℃の焼成帯域に６０時間程度（好適には５６時間〜６４時間）保持される。その後は、温度が漸減する冷却帯領域を経て（好適には２０時間〜２８時間かけて通過）還元処理が完了する。なお、予熱帯領域の入側温度および冷却帯領域の出側温度は反応容器約250℃（約200℃〜約300℃）、酸化鉄約450℃（350℃〜550℃）、予熱帯領域の出側温度および冷却帯領域の入側温度は約900℃（焼成帯温度700℃〜1100℃程度）とすることが、反応容器（耐火物）の保護等の観点から好ましい。
【００２５】
この加熱による還元反応により、酸化鉄は固体還元剤より還元されて柱状の海綿鉄を生成する。得られる海綿鉄は当然、螺旋状の塊となる。図５は、本発明に係る上記製造方法により得られる海綿鉄の外観形状の一例（上側および下側は省略）を示すものである。
すなわち、本発明にかかる海綿鉄は、製造する塊の高さ（軸方向）は大きいほうが好ましいと言えるが、反応容器の大きさの制約や反応容器の高さを大きくした場合の焼成炉の巨大化による熱効率の低下などを考慮すると、2000 mm程度以下の大きさとする。
【００２６】
上記製造方法により、本発明では、純度97 mass％以上の高純度海綿鉄を得ることができる。純度を97 mass％以上とした理由は、機械部品や磁性材料などの焼結部品、あるいは粉末のままで使用される還元鉄粉の製品特性を保障する上で有利だからである。ただし、本発明方法の適用例としては、上記純度以外の海綿鉄を製造する場合もあるので、純度を97 mass％以上の高純度の海綿鉄の他、純度約90 mass％以上あるいは95 mass％以上の海綿鉄についても、本発明の適用は可能である。なお、金属鉄以外の成分としては、鉄酸化物および合計１mass％以下の不純物（Si、Mn、Ｐ、Ｓ等）が含有される。
【実施例】
【００２７】
（実施例１）
この実施例においては、表１に示すような各実験水準を設定し、SiＣ製反応容器１１内に酸化物層と固体還元剤層とを前記各水準に適合する方法で充填、粗還元処理して、海綿鉄を製造した。すなわち、表中の水準Ａ〜ＣおよびＨは、図１に示す円筒状充填方法、水準Ｄ〜Ｆは、図３に示す螺旋状交互充填方法、水準Ｇは参考に実施した水平交互充填方法の例である。
ここで、水準Ａ、Ｄの生産性向上代20 ％とは、反応容器１あるいは１１の中のミルスケールの層厚合計が20％増加することであり、水準Ｂ、Ｅの生産性向上代40 ％とは、反応容器１１の中のミルスケールの層厚が合計40％増加することであり、そして、水準Ｃ、Ｆの生産性向上代60 ％とは、反応容器１１の中のミルスケールの層厚が合計60％増加することを意味している。各条件の詳細は、表２に記す。これらの条件の下で、充填した各水準について検討し、充填方法、好適層厚および純度を求めた。なお、螺旋状交互充填方法における生産量向上代０％、および、円筒状充填方法における生産量向上代０％は、いずれの場合も塊状の海綿鉄を質量200 kg程度得られる充填状態である。
【００２８】
この実施例において、主原料の酸化鉄は、熱間圧延工程で発生するミルスケールを乾燥し、粉砕して平均粒径0.15 mm以下（篩目0.15 mmと0.063 mmで調整）としたミルスケール粉を使用した。また、副原料である固体還元剤は、石灰石粉と炭素質粉の混合物を用いた。炭素質粉はコークスおよび無煙炭を約７：３の質量比率で混合して用い、コークスについては平均粒径85μｍのもの、無煙炭については平均粒径2.4 mm（篩目３mmで調整）のものを用いた。また、平均粒径80μｍの石灰石粉を、還元剤粉末全体に対して14 mass％添加した。
また、反応容器あるいは１１は内径400 mmの円筒状容器とし、円筒状充填の場合、酸化鉄層は外径320 mm、厚みが表２の各数値、高さ（軸方向）が約1500 mmの円筒状となるよう充填した。螺旋充填の場合、表２に従って螺旋状交互充填を行い、高さ（軸方向）約1500 mmの充填層とした。容器内全体および螺旋状交互充填部分の炭素量／酸素量（モル比）はそれぞれ1.2以上、0.5以上とした。なお、容器内全体の炭素量／酸素量の値が大きくなるのは、容器の上端および下端に、炭素量の多い固体還元剤のみの充填部分を形成したためである。
【００２９】
【表１】
2004250789.tif 000003
【００３０】
【表２】
2004250789.tif 000004
【００３１】
原料を各実験水準に基づいて充填したそれぞれの反応容器および１１を、同一の台車上に積載してトンネル炉に装入した。装入された台車は、約１日で予熱帯領域（200 ℃〜900 ℃）を通過し、焼成帯領域（1150 ℃）を約３日かけて通過させた。その後、約１日かけて冷却帯領域（200 ℃〜900 ℃）を通過させ、トンネル炉から台車を出炉し、さらに容器から海綿鉄を取り出してその純度を測定した。いずれの海綿鉄も重量は200 kg以上であった。なお、海綿鉄の純度は、酸素分析法により求めた化学成分より金属Fe含有量（Ｍ．Fe純度）を換算して求めた。その結果を図６に示す。
【００３２】
図６に示すように、螺旋交互充填（ハッチング）の場合、酸化鉄層の層厚が60 mmまで、即ち生産性向上代40 ％までは還元は良好で、純度97 mass％あるいは純度98 mass％を超える高純度の海綿鉄が得られており、生産性としては、従来（円筒状充填Ｈ）の40 ％増加までは層厚での調整が可能であることがわかった。一方、円筒状充填では、20 ％の生産性向上を目指すと層厚は略75 mmにも達し、純度も95.65 mass％となり、螺旋交互充填ほどの生産性向上はできなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、還元鉄の製造用原料鉄粉として利用できる他、機械部品や磁性材料などの焼結製品製造の分野で用いられる鉄粉の製造技術としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来の酸化鉄粉末および固体還元剤粉末の充填方式を説明する断面図である。
【図２】従来の方法により得られる海綿鉄の外観形状を示す部分斜視図である。
【図３】本発明に係る、酸化鉄粉末および固体還元剤粉末の充填方式の一例を説明する断面図である。
【図４】本発明により得られる海綿鉄の外観形状を示す部分斜視図である。
【図５】螺旋状交互充填（ハッチング）および円筒状充填（白抜き）における、酸化鉄増加量（mass％、横軸）と還元により得られる金属鉄純度（mass％、縦軸）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１、１１  反応容器（サガー）
２、１２  酸化鉄粉末
３、１３  固体還元剤粉末
１４  原料装入装置
14a  中仕切り壁
14b  回転装入筒
１５  酸化鉄粉末排出口
１６  還元剤粉末排出口
１７  酸化鉄粉末収容部
１８  固体還元剤粉末収容部
ａ  開口高さ
【図１】
2004250789.tif 000005
【図２】
2004250789.tif 000006
【図３】
2004250789.tif 000007
【図４】
2004250789.tif 000008
【図５】
2004250789.tif 000009