(57)【要約】【課題】省エネルギー、省資源を実現可能とする製鉄用原料、反応促進材、これらの製造方法、及び、これらを利用した製鉄方法を提供する。【解決手段】粒径が５００μｍ〜１００ｎｍの炭材（１０）と、炭材の内部に食い込んだ、粒径が１００μｍ〜１０ｎｍの複数の酸化鉄微粒子（１２、１４）とを含むことを特徴とする製鉄用原料。酸化鉄微粒子は、ヘマタイト微粒子、マグネタイト微粒子、又はウスタイト微粒子、又はこれらの混合物である。本発明の製鉄用原料は、製鉄用反応促進材としても使用できる。本発明の製鉄用原料を製造する際、例えば、メカニカルミリングを利用して、酸化鉄微粒子を炭材に食い込ませる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径が５００μｍ〜１００ｎｍの炭材と、前記炭材の内部に食い込んだ、粒径が１００μｍ〜１０ｎｍの複数の酸化鉄微粒子とを含むことを特徴とする製鉄用原料。
【請求項２】
前記酸化鉄微粒子が、ヘマタイト微粒子、マグネタイト微粒子、又はウスタイト微粒子、又はこれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の製鉄用原料。
【請求項３】
粒径が５００μｍ〜１００ｎｍの炭材と、前記炭材の内部に食い込んだ、粒径が１００μｍ〜１０ｎｍの複数の酸化鉄微粒子とを含むことを特徴とする製鉄用反応促進材。
【請求項４】
前記酸化鉄微粒子が、ヘマタイト微粒子、マグネタイト微粒子、又はウスタイト微粒子、又はこれらの混合物であることを特徴とする請求項３に記載の製鉄用反応促進材。
【請求項５】
前記請求項１又は２に記載の製鉄用原料、又は前記請求項３又は４に記載の製鉄用反応促進材の製造方法であって、
メカニカルミリングを利用して、酸化鉄微粒子を炭材に食い込ませることを特徴とする製造方法。
【請求項６】
前記請求項１又は２に記載の製鉄用原料、又は前記請求項３又は４に記載の製鉄用反応促進材を利用することにより、反応速度を高め、反応開始温度を低下させることを特徴とする製鉄方法。
【請求項７】
前記請求項１又は２に記載の製鉄用原料、又は前記請求項３又は４に記載の製鉄用反応促進材を利用することにより、生成した金属鉄を、Ｆｅ−Ｃ系状態図における最低液相温度（共晶温度）付近で溶解させることを特徴とする製鉄方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製鉄用原料、製鉄用反応促進材、該製鉄用原料又は該製鉄用反応促進材の製造方法、及び、該製鉄用原料又は該製鉄用反応促進材を利用した製鉄方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、鉄鋼の生産の約７０％が、高炉、転炉法によって行われている。高炉に使用されている原料装入物の主なものは、鉄鉱石（焼結鉱、ペレット）とコークスであるが、これらの原料装入物の反応性には、各々限界がある。いま、反応開始温度を反応速度が顕著になる温度と定義すると、コークスの反応開始温度は、約１０００°Ｃであり、その温度は、リザーブゾーンの形状を左右する重要な因子となっている。
【０００３】
鉄鉱石は、周知のように、通常、ヘマタイト（Ｈｅｍａｔｉｔｅ、以下「Ｈ」と略す）、マグネタイト（Ｍａｇｎｅｔｉｔｅ  、以下「Ｍ」と略す）、ウスタイト（Ｗｕｓｔｉｔｅ  、以下「Ｗ」と略す）の各段階を経て金属に還元される。したがって、還元反応は、通常、
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の３種類の反応が主なものになっている。また、ブドワー（Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ  ）反応
Ｃ  ＋  ＣＯ２    ＝  ２ＣＯ
は、還元ガスの再生を司るため重要であり、上述のように、リザーブゾーンの形成に大きな影響を及ぼしている。
【０００４】
一般的な高炉では、約１０００°Ｃまでのリザーブゾーンまでに、ヘマタイトからマグネタイト、マグネタイトからウスタイトへの還元反応が生起するが、この段階での還元率は、３０％〜３３％程度であり、温度が約１０００°Ｃ以上になって初めてウスタイトから鉄への還元反応（残りの還元率が６７％〜７０％であり、大きな割合を占める）が生起する。すなわち、現在の高炉は、約１０００°Ｃ以上の温度域において殆どの反応が進行している。
【０００５】
一方、特許文献１には、竪型炉用装入原料となる炭材内装塊成化物の製造方法が記載されており、この文献における炭材内装塊成化物は、粉状鉄鉱石の粒子間の空隙に溶融した炭材を浸入させることによって形成されるものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２９４９４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
現在の高炉法は、大型化することによって熱交換及び反応効率を限界まで高めることに成功した代表的な例であり、他の化学反応容器と比較して最も効率の良い反応容器といえるが、上述のように、原料装入物自体が有する反応性の限界のため、これ以上の省エネルギー、省資源を遂行するのは困難である。
【０００８】
したがって、本発明は、さらなる省エネルギー、省資源を実現可能とする製鉄用原料、製鉄用反応促進材、該製鉄用原料又は該製鉄用反応促進材の製造方法、及び、該製鉄用原料又は該製鉄用反応促進材を利用した製鉄方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に記載の製鉄用原料は、粒径が５００μｍ〜１００ｎｍの炭材と、前記炭材の内部に食い込んだ、粒径が１００μｍ〜１０ｎｍの複数の酸化鉄微粒子とを含むことを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項２に記載の製鉄用原料は、前記請求項１の製鉄用原料において、前記酸化鉄微粒子が、ヘマタイト微粒子、マグネタイト微粒子、又はウスタイト微粒子、又はこれらの混合物であることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項３に記載の製鉄用反応促進材は、粒径が５００μｍ〜１００ｎｍの炭材と、前記炭材の内部に食い込んだ、粒径が１００μｍ〜１０ｎｍの複数の酸化鉄微粒子とを含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項４に記載の製鉄用反応促進材は、前記請求項３の製鉄用反応促進材において、前記酸化鉄微粒子が、ヘマタイト微粒子、マグネタイト微粒子、又はウスタイト微粒子、又はこれらの混合物であることを特徴とするものである。
【００１３】
本願請求項５に記載の製鉄用原料又は製鉄用反応促進材の製造方法は、メカニカルミリングを利用して、酸化鉄微粒子を炭材に食い込ませることを特徴とするものである。
【００１４】
本願請求項６に記載の製鉄方法は、前記請求項１又は２に記載の製鉄用原料、又は前記請求項３又は４に記載の製鉄用反応促進材を利用することにより、反応速度を高めるとともに、反応開始温度を低下させることを特徴とするものである。
【００１５】
本願請求項７に記載の製鉄方法は、前記請求項１又は２に記載の製鉄用原料、又は前記請求項３又は４に記載の製鉄用反応促進材を利用することにより、生成した金属鉄を、Ｆｅ−Ｃ系状態図における最低液相温度（共晶温度）付近で溶解させることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る製鉄用原料について詳細に説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の好ましい実施の形態に係る製鉄用原料を模式的に示した図である。
【００１７】
図１（ａ）及び図１（ｂ）において、参照符号１０は炭材、参照符号１２、１４は酸化鉄微粒子をそれぞれ示している。ここで、炭材１０は、コークス、グラファイト、アモルファス等の全ての炭素材料を含むものである。また、酸化鉄微粒子１２、１４には、ヘマタイト微粒子、マグネタイト微粒子、ウスタイト微粒子、又はこれらの混合物が含まれる。
【００１８】
本発明の製鉄用原料は、粒径が約５００μｍ〜約１００ｎｍの炭材１０と、炭材１０の内部に完全に食い込んだ、粒径が約１００μｍ〜約１０ｎｍの複数の酸化鉄微粒子１２、１４とを含んでいる（図１（ａ）参照）。炭材１０と酸化鉄微粒子１２、１４の好ましい割合は、炭材１０が約１０重量％〜約５０重量％、酸化鉄微粒子１２、１４が約５０重量％〜約９０重量％である。酸化鉄微粒子１２、１４の表面は、反応体となるマイクロ・ナノリアクターを構成する。なお、粒径が約１００μｍ〜約１μｍのものをマイクロリアクターを構成する酸化鉄微粒子とし、粒径が約１μｍ〜約１０ｎｍのものをナノリアクターを構成する酸化鉄微粒子とする（図１（ａ）及び図１（ｂ）では、参照符号１２がマイクロリアクターを構成する酸化鉄微粒子を、参照符号１４がナノリアクターを構成する酸化鉄微粒子を、それぞれ模式的に示している）。
【００１９】
本発明の製鉄用原料は、炭材１０と、炭材１０の内部に食い込んだ複数の酸化鉄微粒子１２、１４の他に、図１（ｂ）に示されるように、炭材１０の表面に付着し或いは部分的に食い込んだ複数の酸化鉄微粒子１２、１４を含んでもよい。
【００２０】
炭材１０の内部に酸化鉄微粒子１２、１４を食い込ませる方法として、例えば、メカニカルミリングを利用する方法があげられる。メカニカルミリングを利用する場合には、図２（ａ）に示されるようなミリング・ポットを準備し、所定量のアルミナ・ボールと炭材と酸化鉄微粒子とを投入した後、ミリング・ポットを回転させる。すると、硬度の大小がアルミナ・ボール＞酸化鉄微粒子＞炭材であるため、炭材と酸化鉄微粒子は粉砕されてより微細になるとともに、微細になった炭材の内部に微細になった酸化鉄微粒子が徐々に食い込んでいき、図１（ａ）又は図１（ｂ）に示されるような製鉄用原料が形成される。
【００２１】
なお、炭材１０の内部に酸化鉄微粒子１２、１４を食い込ませる方法としては、上述のメカニカルミリングを利用する方法以外の他の方法を利用してもよい。例えば、２種の金属を常温で合金化するメカニカルアローイングによって製造することが考えられる。
【００２２】
次に、以上のように構成された製鉄用原料の効果を実証するために行われた２つの試験について説明する。
【００２３】
（第１試験）
第１試験では、本発明の製鉄用原料の性質を、熱重量・示差熱（ＴＧ−ＤＴＡ）分析装置で測定した。第１試験においては、試料を、アルゴン雰囲気中で１０°Ｃ／分で加熱し、１１００°Ｃで３０分間保持した。試料は、アルミナ・ボールを用いたミルによって、炭素−酸化鉄を６時間〜２００時間、２００ｒｐｍでミリングしたものを使用した。
【００２４】
第１試験の結果は、図３（ａ）のグラフに示した通りである。図３（ａ）のグラフにおいて、左側の縦軸は反応速度（％／秒）、右側の縦軸は温度（°Ｃ）、横軸は経過時間（秒）を示しており、Ｇ６、Ｇ２４、Ｇ４８、Ｇ７２、Ｇ１００、Ｇ２００は、ミリング時間がそれぞれ６時間、２４時間、４８時間、７２時間、１００時間、２００時間の試料（ミリング時間が長い方が、酸化鉄微粒子の粒径が小さく且つ食い込む酸化鉄微粒子の量が多くなることを意味する）を示している。
【００２５】
図３（ａ）のグラフから、試料のミリング時間が長くなるに従って、反応温度が低下していることが分かる。図３（ｂ）は、図３（ａ）のグラフにおけるＧ２００の曲線を拡大した図である。図３（ｂ）に示されるように、Ｇ２００の試料では、反応開始温度Ｔ１  が約５００°Ｃ、反応ピーク温度ＴＰ  が約６６０°Ｃ、反応終了温度Ｔ２  が約７００°Ｃ、反応ピーク温度ＴＰ  における温度幅が約１００°Ｃとなった。以上のことから、本発明の製鉄用原料の使用は、反応開始温度を低温にし、さらに、約１００°Ｃの狭い温度範囲で還元反応を終了させることを可能にし、これにより反応速度が著しく高められることが分かる。従来の製鉄用原料と比較して、反応温度を長時間に亘って維持できるのは、図１（ａ）、図１（ｂ）に示されるように、炭材１０内部に、酸化鉄微粒子１２、１４を孔１０Ａを形成しつつ食い込ませているので、反応中に酸化鉄微粒子１２、１４の炭材１０からの早期の脱落が防止され、酸化鉄微粒子１２、１４と炭材１０との接触界面を反応中長時間に亘り維持できるためである。
【００２６】
（第２試験）
第２試験では、還元反応が終了した後、引き続いて昇温した場合における試料（Ｇ１００）の性質を、ＴＧ−ＤＴＡ分析装置で測定した。
【００２７】
第２試験の結果は、図４（ａ）、（ｂ）のグラフに示した通りである。図４（ａ）のグラフにおいて、左側の縦軸は反応速度（μｇ／分）、右側の縦軸は温度（°Ｃ）、横軸は経過時間（分）を示しており、図４（ｂ）のグラフにおいて、左側の縦軸は重量減少量（ｍｇ）、右側の縦軸は示差熱（μＶ）、横軸は経過時間（分）を示している。
【００２８】
図４（ａ）のグラフから、試料Ｇ１００の反応ピーク温度が約７００°Ｃ、反応終了温度が約７５０°Ｃであることが分かる。また、さらに昇温し続けると、約１１５７°Ｃ（反応開始温度約１１４７°Ｃ）で浸炭による鉄の溶解反応が生起していることが、図４（ｂ）のグラフから分かる。この溶解温度は、Ｆｅ−Ｃ系状態図における最低液相温度（共晶点）とほぼ一致している。現在の高炉においては、鉄の溶解温度は（浸炭条件に応じて多少変動するが）１４００°Ｃ前後であると考えられているが、試料Ｇ１００は、非常に低温で溶解するため、大きな省エネルギー効果を発揮できるものと推測される。
【００２９】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３０】
たとえば、前記実施の形態では、炭材と、前記炭材の内部に食い込んだ酸化鉄微粒子とを含む物質を製鉄用原料として説明してきたが、製鉄用原料としてではなく、製鉄用反応促進材として使用してもよい。
【００３１】
また、反応を一層促進させるため、炭材と、前記炭材の内部に食い込んだ酸化鉄微粒子とを含む製鉄用原料又は製鉄用反応促進材に、種々の触媒を混合してもよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の製鉄用原料又は製鉄用反応促進材によれば、酸化鉄微粒子が炭材の内部に食い込んでいるので、酸化鉄微粒子が炭材の表面に付着しているにすぎない従来の製鉄用原料（図５参照）と比較して、高反応性を長時間維持することができ、ひいては省エネルギー、省資源を達成することができる。また、本発明の製鉄用原料又は製鉄用反応促進材を利用した製鉄方法によれば、効率的な反応を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る製鉄用原料を模式的に示した図である。
【図２】メカニカルミリングを利用して図１の製鉄用原料を形成する手順を示した図である。
【図３】本発明の好ましい実施の形態に係る製鉄用原料を効果を実証するために行った第１試験の結果を示したグラフである。
【図４】本発明の好ましい実施の形態に係る製鉄用原料を効果を実証するために行った第２試験の結果を示したグラフである。
【図５】酸化鉄微粒子が炭材の表面に付着している従来の製鉄用原料の一例を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１０  炭材
１２  マイクロリアクターを構成する酸化鉄微粒子
１４  ナノリアクターを構成する酸化鉄微粒子
【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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