(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質還元剤と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融して得られる粒状金属鉄であって、
前記粒状金属鉄は、前記原料中の酸化鉄の還元率が８０％以上となるまで固体状態で加熱還元し、生成する還元鉄を浸炭雰囲気下で更に加熱することにより浸炭・溶融させ、副生するスラグを排斥しつつ粒状に凝集させたものであり、
Ｆｅ含有量が９４％（以下、成分含有量の場合は全て質量％を意味する）以上、
Ｃ含有量が１．０〜４．５％であり、
粒径が１〜３０ｍｍの範囲に収まるように製造したものであることを特徴とする粒状金属鉄。
【請求項２】
Ｓ含有量が０．２０％以下である請求項１に記載の粒状金属鉄。
【請求項３】
Ｓｉ含有量が０．０２〜０．５％、Ｍｎ含有量が０．３％未満である請求項１または２に記載の粒状金属鉄。
【請求項４】
前記浸炭・溶融時における雰囲気ガスの還元力［（ＣＯ）／（ＣＯ＋ＣＯ2）］を０．５以上として得られたものである請求項１〜３のいずれかに記載の粒状金属鉄。
【請求項５】
粒状金属鉄は、前記原料中にＣａＯ源を含有させ、該原料中のスラグ形成成分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）を０．６〜１．８の範囲に調整し、還元溶融工程で生成するスラグにＳを捕捉させて粒状金属鉄中のＳ含有量を低減させたものである請求項２〜４のいずれかに記載の粒状金属鉄。
【請求項６】
Ｓ含有量が０．０８％以下である請求項５に記載の粒状金属鉄。
【請求項７】
粒状金属鉄は、前記加熱還元後の金属化率が１００％の時点で残留Ｃ量が１．５〜５．０％の範囲となる様に、原料中の炭素質還元剤量を調整して得たものである請求項１〜６のいずれかに記載の粒状金属鉄。
【請求項８】
炭素質還元剤と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融して得られる粒状金属鉄であって、
前記粒状金属鉄は、前記原料中の酸化鉄を固体状態で加熱還元し、生成する還元鉄を雰囲気ガスの還元力［（ＣＯ）／（ＣＯ＋ＣＯ2）］が０．５以上の浸炭雰囲気下で更に加熱することにより浸炭・溶融させ、副生するスラグを排斥しつつ粒状に凝集させたものであり、
Ｆｅ含有量が９４％（以下、成分含有量の場合は全て質量％を意味する）以上、
Ｃ含有量が１．０〜４．５％であり、
粒径が１〜３０ｍｍの範囲に収まるように製造したものであることを特徴とする粒状金属鉄。
【請求項９】
炭素質還元剤と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融して得られる粒状金属鉄であって、
前記粒状金属鉄は、前記原料中の酸化鉄を固体状態で加熱還元した後の金属化率が１００％の時点で残留Ｃ量が１．５〜５．０％の範囲となる様に、前記原料中の炭素質還元剤量を調整して得たものを加熱還元し、生成する還元鉄を浸炭雰囲気下で更に加熱することにより浸炭・溶融させ、副生するスラグを排斥しつつ粒状に凝集させたものであり、
Ｆｅ含有量が９４％（以下、成分含有量の場合は全て質量％を意味する）以上、
Ｃ含有量が１．０〜４．５％であり、
粒径が１〜３０ｍｍの範囲に収まるように製造したものであることを特徴とする粒状金属鉄。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄鉱石等の酸化鉄とコークス等の炭素質還元剤を含む原料を還元溶融することによって得られる、Ｆｅ純度が高くてＣやＳ含有量、更にはＳｉ，Ｍｎの含有量が特定されると共に、粒径の特定された粒状金属鉄に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鉱石等の酸化鉄源を炭材や還元性ガスにより直接還元して還元鉄を得る直接製鉄法は古くから公知であり、具体的な還元法や連続還元設備についても多くの研究が進められている。
【０００３】
その一例として特開平１１−３３７２６４号公報には、製鋼ダストや粉鉱等の酸化鉄源を炭素質還元剤と混合し、これをバインダーで固めて成形した生ペレットを加熱・還元する際に、未乾燥状態の生ペレットを急速に加熱した時に生じる爆裂を、予熱帯を設けことによって防止し、還元鉄を連続的に効率よく製造することのできる回転型炉床が開示されている。
【０００４】
しかしながら本例を含めて、酸化鉄源と還元剤を含む成形体を加熱・還元して金属鉄を製造する技術では、例えば鉄源として鉄鉱石などを使用した時に混入してくるスラグ成分が金属鉄中に少なからず混入してくる。特に、金属鉄をスポンジ状で得る方法では、金属鉄中に混入してくるスラグ成分の分離除去が困難であるので、Ｆｅ純度はかなり低いものとなる。従ってこれらを鉄源として使用する際には、相当量混入しているスラグ成分を予め除去するための予備処理が必須となる。また、従来の直接製鉄法で得られる金属鉄の殆どはスポンジ状で破損し易いため鉄源としての取扱いが面倒であり、製鉄・製鋼用あるいは合金鋼製造用原料等として実用化するには二次加工してブリケット化するなどの工程を必要とし、付帯設備にも少なからぬ経済的負担が強いられる。
【０００５】
また特開平９−２５６０１７号公報には、酸化鉄と炭素質還元剤を含む成形物を加熱還元し、金属鉄外皮を生成且つ成長させて内部に酸化鉄が実質的に存在しなくなるまで還元を進めると共に、内部に生成スラグの凝集物を形成させ、その後更に加熱を続けて内部のスラグを金属鉄外皮の外側へ流出させてスラグを分離し、更に加熱して金属鉄外皮を溶融させることにより、金属化率の高い粒状の金属鉄を得る方法を開示している。
【０００６】
ところが、これらの先行技術を含めてこれまでに知られている粒状金属鉄の製法では、製鉄・製鋼用あるいは合金鋼製造用等の原料としての品質や取扱い性などを総合的に考慮して、粒径範囲の特定された金属鉄を効率よく製造し得る様な技術は確立されていない。また粒状金属鉄の純度については、高純度で不純物含量のできるだけ少ないものが好ましいといった当然の要望はあるにしても、製鉄・製鋼原料などとして用いられる粒状金属鉄に最適の炭素含有量を特定するといった具体的な思想はなく、また、炭素含有量を特定範囲に制御することのできる具体的な製造技術も確立されていない。
【０００７】
更に、鉄鉱石等の酸化鉄源を還元して金属鉄を製造する際には、還元剤としてコークスや石炭粉等が一般的に使用されるが、これら還元剤の中には通常多くの硫黄［Ｓ］が含まれており、これらは還元溶融によって生成する金属鉄中に混入してくるため、通常の粒状金属鉄中には多量の［Ｓ］が含まれている。そのため、これを製鉄・製鋼用の原料等として実用化するには脱硫処理が不可欠であり、これも粒状金属鉄の品質を下げる大きな原因になっている。
【０００８】
従って、還元溶融法によって製造される粒状金属鉄の付加価値を高めるには、単に高純度化を進めるといった希望的要求を超えて、原料としての生産可能性や取扱い性などを総合的に考慮して、最適の粒度構成を有すると共に、硫黄の如き不純物含有量の特定された金属鉄を確保し、例えば、電気炉等を用いた製鉄・製鋼コストの低減、或いは鉄・鋼材や各種合金鋼などの製造原料として使用する際の選択の柔軟性向上といった市場の要求に柔軟に対応できる様な技術を確立することが望まれる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な状況に着目してなされたものであって、その目的は、鉄源としての生産可能性や取扱い性などを総合的に考慮し、好適な粒度構成を有すると共に、炭素や硫黄の如き不純元素含有量が特定されており、例えば電気炉などを用いた製鉄・製鋼コストの低減、或いは金属鉄製造における使用原料の選択の柔軟性向上といった市場の要求に柔軟に対応することのできる安定した品質の粒状金属鉄を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明の粒状金属鉄とは、炭素質還元剤と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融して得られる粒状金属鉄であって、Ｆｅ含有量が９４％（以下、成分含有量の場合は全て質量％を意味する）以上、Ｃ含有量が１．０〜４．５％であり、或いは更にＳ含有量が０．２０％以下であり、粒径が１〜３０ｍｍであるところに要旨を有している。
【００１１】
なお本発明の粒状金属鉄とは、必ずしも真球状であることを意味するものではなく、楕円状、卵形状、あるいはそれらが若干偏平化したものを包含する粒状物を総称するもので、上記直径１〜３０ｍｍの粒径は、長径と短径および最大厚と最小厚さの総和を４で除した値を意味する。
【００１２】
この粒状金属鉄は、更に他の成分として０．０２〜０．５％のＳｉを含有し、Ｍｎ含有量が０．３％未満であるものが好ましい。
【００１３】
この粒状金属鉄は、前記原料を加熱してその中に含まれる酸化鉄を炭素質還元剤との反応、更にはその反応によって生成する還元性ガス（ＣＯ）により固体状態で加熱還元し、生成する還元鉄を浸炭雰囲気下で更に加熱することにより浸炭・溶融させ、副生するスラグを排斥しつつ粒状に凝集させることによって得ることができ、このとき、前記原料中にＣａＯ源を含有させ、該原料中のスラグ形成成分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）が０．６〜１．８の範囲となる様に調整すれば、原料中に含まれるＳが還元溶融時に生成するスラグに効率よく捕捉され、Ｓ含有量が０．０８％以下の粒状金属鉄を得ることができる。
【００１４】
また粒状金属鉄の前記Ｃ含有量は、前記原料を還元溶融する際に、前記加熱還元後の金属化率が１００％の時点で残留Ｃ量が１．５〜５．０％の範囲となる様に、原料中の炭素質還元剤量を調整することによって、前記規定範囲内に収めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
上記の様に本発明の粒状金属鉄は、炭素質還元剤と酸化鉄含有物質を含む原料を還元溶融して得られる粒状の金属鉄であり、Ｆｅ含有量が９４％以上（より好ましくは９６％以上）で、Ｃ含有量が１．０〜４．５％（より好ましくは２．０〜４．０％）、或いは更にＳ含有量が０．２０％以下、より好ましくは０．０８％以下であり、且つ粒径が１〜３０ｍｍ（より好ましくは３〜２０ｍｍ）の範囲に収まるもので、これらの数値範囲を定めた理由は下記の通りである。
【００１６】
まず該粒状金属鉄のＦｅ含有量は、その品質を支配する重要な要素であり、Ｆｅ純度の高いものであること、裏を返せば不純物成分の含有量が極力少ないものであることが望ましいことは当然であるが、本発明ではその基準を９４％以上、より好ましくは９６％以上と定めている。その理由は、製鉄・製鋼原料などとして使用する際に、該金属鉄中の不純物量が５％を超えて過度に多くなると、電気炉などで溶融する際にそれら不純物がスラグなどとして湯面上に生成し、その除去作業が煩雑になる。また、例えばＳ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｐの如き溶鋼中に溶解する元素は、該金属鉄を用いて得られる最終製品の物性に悪影響を及ぼすので、溶製段階で脱硫、脱りん、脱珪などの処理が不可欠となり、それらの予備処理に少なからぬ手数と時間を要することになる。これらのことから、本発明の粒状金属鉄はＦｅ含有量が少なくとも９４％以上、より好ましくは９６％以上であることを必須とする。
【００１７】
また該金属鉄のＣ含有量は、該金属鉄を製鋼原料等として使用する際における鋼の種類に応じた必要Ｃ量を確保し、原料鉄としての汎用性を高める上で重要な元素であり、そのためには少なくとも１．０％以上、より好ましくは２．０％以上含有するものであることが望ましい。しかし、Ｃ含有量が過度に多くなると、該金属鉄を原料として用いた鋼や合金鋼が脆弱になって靭性や耐衝撃性に顕著な悪影響を及ぼすようになる。従ってこうした問題を未然に回避するには、溶製段階で吹錬などの脱炭処理が必須となる。よって、こうした付加的処理の負担を加重することなく製鉄・製鋼原料などとして支障なく使用可能にするには、Ｃ含有量を多くとも４．５％以下、好ましくは４．０％以下に抑えることが望ましい。
【００１８】
またＳは、製品鋼種によっては被削性向上元素等として有効に作用することもあるが、通常は有害元素として鋼の物性に悪影響を及ぼすので、原料として用いる本発明の粒状金属鉄においてはＳ含有量を０．２０％以下、更に好ましくは０．０８％以下に抑えることが望ましい。また、多様な鋼種の製造に幅広く使用できる鉄源として適用範囲の柔軟性を高めるには、Ｓｉ含有量は０．０２〜０．５％の範囲に、またＭｎ含有量は０．３％未満に抑えることが望ましい。
【００１９】
本発明にかかる粒状金属鉄の上記Ｃ含有量、更にはＳ，Ｓｉ，Ｍｎ等の含有量は、現在最も汎用されている高炉を用いた銑鉄との対比においてその特徴を確認できる。即ち高炉で製造される銑鉄中に含まれるＣ，Ｓ，Ｍｎ，Ｓｉ等の含有量は、使用される酸化鉄源やコークスの種類や操業条件等によって異なるが、通常は［Ｃ］＝４．３〜４．８％、［Ｓｉ］＝０．２〜０．６％、［Ｍｎ］＝０．３〜０．６％の範囲に収まっている。特に高炉製鉄法では、生成した溶融金属鉄は高炉下部で多量のコークス共存下の高い還元性雰囲気で浸炭されるため、Ｃ含有量はほぼ飽和状態に達している。また特に脈石成分として混入してくるＳｉＯ2は、高温雰囲気下で多量に存在するコークスによって比較的還元され易いため、溶融金属鉄中には０．２〜０．６％程度のＳｉが含まれており、Ｓｉ含有量が０．２０％未満の溶融金属鉄を得ることは容易でない。またＭｎＯはＳｉＯ2よりも更に還元され易いため、原料鉄鉱石中に多量のＭｎＯが含まれている場合は強還元性雰囲気下で容易に還元され、溶融金属鉄中のＭｎ含有量は必然的に多くなる。
【００２０】
これに対し、本発明で採用される後述する様な方法で製造される本発明の粒状金属鉄は、その製法上の特徴からＣ含有量は１．０〜４．５％で、Ｓｉ含有量は０．０２％以上、０．５％以下、より好ましくは０．２％未満、Ｍｎ含有量は０．３％未満である点で、上記通常の金属鉄とはこれら含有元素量において違いが見られる。更に、後で述べる如く、原料成形体の製造段階でＣａＯ源を添加してスラグ形成成分の塩基度を高めることによって低Ｓ化を図った本発明の粒状金属鉄は、Ｓ含有量も０．０８％以下の低レベルである点で、通常の方法により製造された金属鉄とは区別できる。
【００２１】
更に本発明の粒状金属鉄は、粒径が１〜３０ｍｍの範囲に収まることが重要であり、１ｍｍ未満の微粒物では、分別回収時に微細なスラグ成分混入し易くなって鉄分純度が低下したり、飛散し易くなるなどの理由で粒状製品としての品質や取扱い性に問題が生じてくる。
【００２２】
一方、粒径の上限は、追って詳述する如く製造上の制約から所定のＦｅ純度などを確保することのできる限界の粒径として定めたもので、該粒径が３０ｍｍを超える大粒径の金属鉄を得るには、原料として大きな成形体を使用しなければならず、後述する様な固体還元と浸炭溶融を行なって粒状金属鉄を製造する際に、特に固体還元期において原料成形体の内部にまで熱が伝達するのに時間がかかり、固体還元の効率が低下するばかりでなく、浸炭・溶融後における溶融鉄の凝集による合体が均一に進行し難くなり、得られる粒状金属鉄の形状が複雑且つ不特定となって粒径の揃った均質な粒状金属鉄が得られ難くなる。
【００２３】
また粒状鉄の形状や大きさは、上記原料成形体の大きさ以外にも、例えば配合原料（酸化鉄源の種類やスラグ形成成分の組成など）、固体還元後の浸炭量、炉内雰囲気温度（特に浸炭・溶融・凝集が進行する区画の雰囲気温度）、更には還元溶融炉への原料成形体の供給密度などによっても変わってくる。このうち供給密度は、前記原料成形体のサイズと共通する影響を及ぼし、供給密度を高めるほど、浸炭・溶融によって生成する溶融金属鉄同士が炉床上で互いに凝集、合体して大きなサイズのものになり易くなる。そして、原料成形体の供給密度を徐々に高め、更には多層積層状態で炉床上に供給すれば、溶融金属鉄が合体して大径化するチャンスは増大する。しかし、供給密度を過度に高めると炉内での伝熱速度が低下して固体還元率の上昇が阻害される他、凝集・合体が均一に進行し難くなって粒状金属鉄の形状が複雑且つ不特定となり、粒径の揃った均質な形状の粒状金属鉄が得られ難くなる。
【００２４】
こうした原料成形体のサイズ等に由来する問題は、製品として得られる粒状金属鉄として粒径が３０ｍｍ以上のものを得ようとすると顕著に現われるが、３０ｍｍ以下の粒径のものであればその様な問題を生じることなく粒径や外観形状の比較的揃った粒状物として得ることができる。この様な理由から、本発明では粒径の上限を３０ｍｍ以下に定めている。しかし、より均質で粒径や外観形状の揃ったものとして得ることができるのは、３〜１５ｍｍの粒径のものである。
【００２５】
尚、原料成形体に配合される鉄鉱石等の銘柄やその特性によっても、生成する粒状金属鉄のサイズは異なり、一般に酸化鉄源としてマグネタイト系の鉄鉱石を使用した場合の凝集性は良好であるが、例えば原料成形体１個中に含まれる鉄成分の全量が１個の粒状金属鉄に凝集するとは限らず、２〜３個に分割して凝集することもしばしば観察される。こうした現象を生じる原因は明確にされていないが、酸化鉄源としての酸素含有量の違いや鉄鉱石の結晶構造の違い、更には脈石成分由来のスラグ形成成分の違いなどが複雑に影響しているものと考えられる。しかし何れにしても、製品として粒径が３０ｍｍ以下のものであれば、比較的粒径および形状の揃った粒状金属鉄が安定して得られることを確認している。
【００２６】
そしてこうした要件を全て満たす本発明の粒状金属鉄は、電気炉などを始めとする各種の製鉄・製鋼設備や合金鋼製造設備を用いた鉄・鋼や各種合金鋼を製造するための鉄源として極めて有効に活用できる。
【００２７】
次に上記要件を満たす粒状金属鉄の具体的な製法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
図１〜３は本発明にかかる粒状金属鉄の製造に用いられる、本発明者ら自身が開発した回転炉床型還元溶融炉の一例を示す該略説明図で、ドーナツ状の回転移動床を有するドーム型構造のものを示しており、図１は概略見取図、図２は図１におけるＡ−Ａ線断面相当図、図３は、理解の便のため図１における回転炉床の回転移動方向に展開して示す概略断面説明図であり、図中１は回転炉床、２は該回転炉床をカバーする炉体であり、回転炉床１は、図示しない駆動装置により適当な速度で回転駆動できる様に構成されている。
【００２９】
炉体２の壁面適所には複数の燃焼バーナ３が設けられており、該燃焼バーナ３の燃焼熱およびその輻射熱を回転炉床１上の原料成形体に伝えることにより、該成形体の加熱還元が行われる。図示する炉体２は好ましい例を示したもので、炉体２内部は３枚の仕切壁Ｋ1，Ｋ2，Ｋ3で第１ゾーンＺ1、第２ゾーンＺ2、第３ゾーンＺ3、第４ゾーンＺ4に仕切られており、該炉体２の回転方向最上流側には回転炉床１を臨んで原料および副原料装入手段４が配置されると共に、回転方向最下流側（回転構造であるため、実際には装入手段４の直上流側にもなる）には排出手段６が設けられている。
【００３０】
この還元溶融炉を稼動するに当たっては、回転炉床１を所定の速度で回転させておき、該回転炉床１上に、鉄鉱石等と炭材を含む原料成形体を装入装置４から適当な厚さとなる様に供給していく。炉床１上に装入された原料成形体は、第１ゾーンＺ1を移動する過程で燃焼バーナ３による燃焼熱及び輻射熱を受け、該成形体内の炭材およびその燃焼により生成する一酸化炭素により該成形体中の酸化鉄は固形状態を維持した状態で加熱還元される。その後、第２ゾーンＺ2で更に加熱還元され、ほぼ完全に還元されて生成した還元鉄は、第３ゾーンＺ3で更に還元性雰囲気下で加熱されることにより浸炭して溶融し、副生するスラグと分離しながら凝集して粒状の金属鉄となった後、第４ゾーンＺ4で任意の冷却手段Ｃにより冷却されて固化し、その下流側に設けられた排出手段６によって順次掻き出される。この時、鉄鉱石中に含まれる脈石成分などに由来して副生するスラグも排出されるが、これらはホッパーＨを経た後、任意の分離手段（篩目や磁選装置など）により金属鉄とスラグの分離が行われ、最終的に鉄分純度が９４％程度以上、より好ましくは９６％程度以上でスラグ成分含量の極めて少ない粒状の金属鉄を得ることができる。
【００３１】
尚この図では、第４ゾーンＺ4を大気開放型としているが、実際はできるだけ放熱を防止すると共に炉内雰囲気調整を適切に行なうためカバーで覆い、ほぼ密閉構造とすることが望ましい。またこの例では、回転炉内を３枚の仕切壁Ｋ1，Ｋ2，Ｋ3で第１ゾーンＺ1、第２ゾーンＺ2、第３ゾーンＺ3、第４ゾーンＺ4に仕切った例を示したが、こうした分割構造に限定される訳ではなく、炉のサイズや目標生産能力、操業形態などに応じて適当に変更することも勿論可能である。但し本発明の粒状金属鉄を効率よく製造するには、追って詳述する如く少なくとも加熱還元の前半期の固体還元領域と後半期の浸炭・溶融・凝集領域との間に隔壁を設け、炉内温度および雰囲気ガスを個別に制御できる様な構成としておくことが望ましい。
【００３２】
上記還元・溶融プロセスにおいて、還元時（固体還元期）の雰囲気温度が高すぎる場合、具体的には還元過程のある時期に、雰囲気温度が原料中の脈石成分や未還元酸化鉄等からなるスラグ組成の融点を超えて高温になると、原料中の鉄酸化物であるＦｅＯが還元される前に溶融し、該溶融ＦｅＯが炭材中の炭素（Ｃ）と反応する所謂溶融還元（溶融状態で還元が進行する現象で、固体還元とは異なる）が急速に進行する。該溶融還元によっても金属鉄は生成するが、該溶融還元が起こると、還元鉄と副生スラグが分離し難くなり、得られる還元鉄が海綿状となって粒状化し難くなるばかりでなく、還元鉄中へのスラグ混入量も多くなり、本発明で定めるＦｅ含有率を確保し難くなる。しかも凝集して合体した溶融金属鉄は炉床上に流延して偏平となり、最早粒状物とは言えないものになることもある。
【００３３】
図４は、酸化鉄源として鉄鉱石、炭素質還元剤として石炭を用いた原料成形体（直径が１６〜１９ｍｍのペレット）を、雰囲気温度が約１３００℃（図中の直線▲１▼）に制御された炉内へ装入し、還元率（原料成形体における酸化鉄中の酸素の除去率）がほぼ１００％になるまで固体還元を行ない、得られる還元鉄を、図中の直線▲３▼で示す時点で、約１４２５℃（直線▲２▼）に制御された溶解ゾーンへ装入して溶解させた場合の反応状況を示すもので、図中には、予め原料成形体内へ装入した熱電対により連続的に測定される成形体の内部温度と、炉の雰囲気温度を示すと共に、還元過程で発生する二酸化炭素と一酸化炭素の経時変化も併せて示している。
【００３４】
この図からも明らかな様に、炉内に装入された原料成形体を、固体状態を保ちつつ、還元率（酸素除去率）で８０％（図４のＡ点）以上、好ましくは９４％（図４のＢ点）以上にまで還元を進めるには、炉内温度を１２００〜１５００℃、より好ましくは１２００〜１４００℃の範囲に保って固体還元を行ない、引き続いて炉内温度を１３５０〜１５００℃に高めて、一部残された酸化鉄を還元すると共に生成した金属鉄を浸炭溶融させて凝集させる２段加熱方式を採用すれば、Ｆｅ純度の高い粒状の金属鉄を安定して効率よく製造することができる。
【００３５】
また図４の横軸に示す時間は、原料成形体を構成する鉄鉱石や炭材の組成等によって若干の違いはあるが、通常は１０分から１３分程度で酸化鉄の固体還元と溶融および凝集・合体が完了し、粒状の金属鉄を得ることができる。
【００３６】
この時、原料成形体の固体還元を８０％未満の還元率に止めてから加熱溶融を行なうと、前述した如く生成する還元鉄が海綿状となって粒状化し難くなるばかりでなく、最終的に得られる金属鉄のＦｅ含有率を９４％以上に高め難くなる。ところが、固体還元末期で８０％以上、より好ましくは９４％以上の還元率を確保した上で次工程の浸炭・溶融・凝集を行なうと、原料成形体中の鉄鉱石等の銘柄や配合組成などに関わりなく、原料成形体中に一部残存しているＦｅＯも成形体内部で効率よく還元されると共に、その後の浸炭・溶融過程で副生するスラグを排斥しつつ成長して粒状化し、Ｆｅ含有率が高く且つ粒径の比較的揃った粒状金属鉄を得ることができる。
【００３７】
そして、図４における前段の固体還元領域で、高レベルの還元率を確保することのできる好ましい炉内温度は１２００〜１５００℃、より好ましくは１２００〜１４００℃の範囲であり、１２００℃未満の温度では固体還元反応の進行が遅く炉内滞留時間を長くしなければならないので生産性が悪く、一方炉内温度が１４００℃以上、特に１５００℃を超えると、粒状金属鉄同士が互いに合体して大型化すると共に不定形となり、製品として好ましくなくなる。
【００３８】
なお原料鉄鉱石の組成や配合量によっては、１４００〜１５００℃の温度領域で粒状金属鉄同士が合体して大型化しないこともあるが、その頻度と可能性は比較的少なく、従って固体還元期の好適温度としては１２００〜１５００℃、より好ましくは１２００〜１４００℃の範囲を採用することが望ましい。なお実操業においては、固体還元期の初期には炉内温度を１２００℃以下に設定し、固体還元の後半期に１２００〜１５００℃に温度を高めて固体還元を進めることも勿論可能である。
【００３９】
固体還元領域で目標の固体還元を終えた成形体は、炉内温度を１４２５℃に高めた溶融領域へ移送する。そうすると、図４に示す如く成形体の内部温度は上昇して行くが、Ｃ点で一旦降下した後再び昇温して設定温度の１４２５℃に達する。Ｃ点での上記温度降下は、還元鉄の溶融に伴う溶解潜熱で抜熱されるためと思われ、即ち該Ｃ点を溶融開始点と見ることができる。この溶融開始点は、還元鉄粒子内の残存炭素量によってほぼ決まり、該還元鉄がその中の残存炭素やＣＯガスにより浸炭を受けて融点が降下することより急速に溶融する。
【００４０】
従ってこの溶融を速やかに行なわせるには、固体還元を終えた還元鉄内に上記浸炭に十分な量の炭素が残存していなければならない。この残留炭素量は、原料成形体を製造する際の鉄鉱石等と炭材の配合割合によって決まるが、本発明者らが実験によって確認したところによると、固体還元期における最終還元率がほぼ１００％に達した状態、即ち金属化率が１００％に達した状態で、該固体還元物中の残留炭素量（即ち余剰炭素量）が１．５％以上となる様に当初の炭材配合量を確保しておけば、還元鉄を速やかに浸炭させて低融点化させることができ、１３００〜１５００℃の温度域で速やかに凝集させて適正な粒径に合体させることができる。ちなみに上記還元鉄中の残留炭素量が１．５％未満では、浸炭のための炭素量不足により還元鉄の融点が十分に降下せず、加熱溶融のための温度を１５００℃以上に高めなければならなくなる。
【００４１】
なお浸炭量がゼロの場合、即ち純鉄の溶融温度は１５３７℃であり、この温度よりも高温に加熱してやれば還元鉄を溶融させることができるが、実用炉においては炉床耐火物にかかる熱負荷を軽減するため操業温度はできるだけ低温の方が好ましいので、操業温度は１５００℃程度以下に抑えるのがよい。より具体的には、図４における溶融・凝集期の溶融開始点（Ｃ点）から約５０〜２００℃の昇温量を確保できる様に操業条件を制御することが望ましい。こうした固体還元と浸炭・溶融をより円滑且つ効率よく進行させるには、上記浸炭溶融時の温度を固体還元時の温度よりも５０〜２００℃、より好ましくは５０〜１５０℃程度高温に設定することが望ましい。
【００４２】
なお本発明では、最終的に得られる粒状金属鉄中の炭素量で１．０〜４．５％、より好ましくは２．０〜４．０％の範囲を確保することが必要であり、この炭素量は、原料成形体を製造する際の炭材配合量と、固体還元期の雰囲気制御によってほぼ決まってくる。特に炭素量の下限値は、固体還元末期における還元鉄中の残留炭素量とその後の保持時間（浸炭量）によって決まってくるが、前述の如く固体還元末期に概略１００％に近い還元率を達成した上で尚且つ１．５％の残留炭素量を確保できれば、最終的に得られる粒状金属鉄の炭素含有量で１．０％以上を確保できる。また、固体還元完了時点での還元鉄中の残留炭素量で５．０％を確保した上で、引き続く溶融・凝集期で該還元鉄の浸炭・溶融と凝集を行なえば、得られる粒状金属鉄中の炭素量を４．５％にまで高め得ることを確認している。しかしながら、最終的に得られる粒状金属鉄中の炭素含有量でより好ましい２．０〜４．０％の範囲を安定して確保するには、固体還元完了時の残存炭素量を１．５〜４．５％の範囲に制御することが望ましい。
【００４３】
なおこの間の雰囲気ガスを見ると、固体還元が急速に進行している時期には、原料成形体中の酸化鉄と炭材の反応によって大量のＣＯが生成し、自己シールド作用により成形体近傍は高い還元性雰囲気に維持されるが、固体還元の末期およびその後の浸炭・溶融期におけるＣＯガスの発生量は激減するので、自己シールド作用による再酸化防止効果は期待できない。
【００４４】
図５は、固体還元生成物の金属化率と残留ＦｅＯ及び残留炭素の関係を調べた結果を示したもので、図示する如く残留ＦｅＯは固体還元の進行、即ち金属化率の上昇につれて減少する。図中の直線▲１▼までは、前記図４に示した様に、１２００〜１５００℃に制御された炉内で原料成形体の固体還元が進行し、その後、引き続いて１３５０〜１５００℃の温度と高い還元性雰囲気に制御された溶融期で還元鉄の浸炭・溶融・凝集が進行するが、この間の金属化率と残留ＦｅＯおよび残留炭素の関係は、図５における直線▲１▼よりも右側の曲線に相当する関係で変化する。
【００４５】
図５中の(1)と(2)は、金属化率と残留炭素量の関係を示す曲線であり、(1)は、金属化率１００％の時点で残留する炭素量が１．５％である場合を、また(2)は、金属化率１００％の時点で残留する炭素量が３．０％の場合を示しており、本発明の粒状金属鉄を得るには、残留炭素量が曲線(1)以上となる様に、原料成形体の製造段階で炭材の配合量を調整することが望ましい。
【００４６】
尚、原料成形体を製造する際の炭材配合量を一定にしたとしても、炉内雰囲気ガスの還元力によっては金属化率が１００％時点での残留炭素量は若干変動するので、操業時の雰囲気ガスの還元力に応じて前記炭材の配合量はその都度適当に制御すべきであるが、何れにしても、金属化率１００％時点での最終的な残留炭素量が１．５％以上となる様に、当初の炭材配合量を調整することが望ましい。
【００４７】
ちなみに図６は、金属化率１００％時点での最終的な残留炭素量と、得られる粒状金属鉄のＣ含有率の関係を調べた結果を示したもので、該残留炭素量が１．５〜５．０％であれば、得られる粒状金属鉄のＣ量で１．０〜４．５％を確保することができ、同残留炭素量を２．５〜４．５％とすれば、得られる金属鉄のＣ量で２．０〜４．０％を確保できる。
【００４８】
上記説明では、ＦｅＯの還元状態を表わす指標として金属化率と還元率の２種を使用しているが、それらの定義は次の通りであり、両者の関係は例えば図７に示すことができる。両者の関係は酸化鉄源として用いられる鉄鉱石等の銘柄によって異なるが、図７は、マグネタイト（Ｍａｇｎｅｔｉｔｅ：Ｆｅ3Ｏ4）を酸化鉄源として用いた場合の関係を示している。
金属化率＝［生成した粒状金属鉄／（生成した粒状金属鉄＋鉄鉱石中の鉄）］×１００（％）
還元率＝［還元過程で除去された酸素量／原料成形体中に含まれる酸化鉄中の酸素量］×１００（％）
【００４９】
ところで本発明の粒状金属鉄を製造する際に用いられる還元溶融炉では、前述の如く原料成形体の加熱にバーナー加熱が採用される。そして固体還元期は、前記図４でも説明した様に、炉内に装入された原料成形体中の酸化鉄源と炭材との反応により大量のＣＯガスと少量のＣＯ2ガスが発生するので、原料成形体近傍は自から放出する上記ＣＯガスのシールド効果によって十分な還元性雰囲気に保たれる。
【００５０】
ところが、固体還元期の後半から末期にかけては、上記ＣＯガスの発生量が急速に減少するため自己シールド作用が低下し、バーナ加熱によって生じる燃焼排ガス（ＣＯ2やＨ2Ｏ等の酸化性ガス）の影響を受け易くなり、折角還元された金属鉄が再酸化を受け易くなる。また、固体還元の終了後は、成形体中の残留炭素による還元鉄の浸炭による融点降下によって微小還元鉄の溶融と凝集が進行するが、この段階でも前記自己シールド作用は乏しいので、還元鉄は再酸化を受け易い。
【００５１】
従って、この様な再酸化によるＦｅ純度の低下を可及的に抑えつつ固体還元後の浸炭・溶融・凝集を効率よく進めてＦｅ純度で９４％以上を確保すると共に、適正粒径の粒状金属鉄を得るには、浸炭・溶融領域の雰囲気ガス組成を適切に制御することが望ましい。
【００５２】
そこで、固体還元終了後の浸炭・溶融時において、還元鉄の再酸化を防止しつつ浸炭・溶融を効率よく進めるための雰囲気条件について検討を行なったので、その検討結果を図８を参照しつつ説明する。なおこの実験では箱型の電気炉を使用し、浸炭・溶融時における雰囲気調整剤として石炭粒を用いて、これを炉床上に適当な厚さで敷き詰めておくことにより、浸炭・溶融時の雰囲気を高還元性に維持する方法を採用した。
【００５３】
即ち、粒径の異なる石炭粒を雰囲気調整剤として使用し、これをアルミナトレイ上に約３ｍｍの厚さで敷き詰めた後、その上に直径約１９ｍｍの原料成形体５０〜６０個を並べて載置すると共に、その１つに熱電対をセットしておき、これを箱型電気炉内に装入して加熱時の温度を測定すると共に、発生するガス組成を測定し、生成する金属鉄の再酸化の可能性を調べた。尚電気炉の温度は最高到達温度が約１４５０℃となる様に設定し、且つ初期の炉内雰囲気ガス組成はＣＯ2：２０％，Ｎ2：８０％とした。
【００５４】
図８は、電気炉内の温度を徐々に上昇させた時の前記熱電対によって検知される原料成形体の温度と雰囲気ガス組成を経時的に測定した結果を示したもので、横軸は温度変化、縦軸は雰囲気ガスの簡易還元力を表わす（ＣＯ）／（ＣＯ＋ＣＯ2）を示している。そしてこの図には、４種類の実験結果をプロットしており、図中の(3)は雰囲気調整剤を使用しなかった場合、(4)は平均粒径が３．０ｍｍを超える粗粒の石炭を雰囲気調整剤として使用した場合、(1)、(2)は粒度を２．０ｍｍ以下に調整した微粒石炭粉Ａ，Ｂを使用した場合の結果を示し、この図には、再酸化の可能性を示す目安としてＦｅＯ−Ｆｅ平衡曲線とＦｅ3Ｏ4−ＦｅＯ平衡曲線も併記している。また、図中に丸で囲まれた領域は、夫々の実験において固体還元がほぼ完了し、還元鉄の浸炭・溶融・凝集が始まる時期を示しており、この時期における雰囲気ガスの制御が、酸化鉄の再酸化を抑えてＦｅ純度の高い粒状金属鉄を得る上で最も重要となる。
【００５５】
この図からも明らかな様に、雰囲気調整剤を使用しなかった(3)では、還元鉄の浸炭・溶融・凝集が開始する領域（Ｃ）がＦｅＯ−Ｆｅ平衡曲線よりもかなり下になっており、一部が溶融還元を起こしながら還元鉄全体が溶融することを表わしている。この場合でも金属鉄は生成するが、前述した如く溶融還元が起こると、金属鉄が海綿状になり易くなって粒状化し易くなるばかりでなく、金属鉄のＦｅ純度も十分に上がり難くなる。
【００５６】
これに対し、（１）、（２）は微細化した石炭粉を雰囲気調整剤として使用した場合の例で、これらのグラフからも明らかな様に雰囲気ガスの還元力は大幅に改善されており、還元鉄の浸炭・溶融・凝集が起こる領域（Ａ）はＦｅＯ−Ｆｅ平衡曲線の上部に位置しＦｅＯの生成が起こらない領域に維持されている。また（４）は、粗粒の石炭を用いた例であるが、この場合は、還元鉄の浸炭・溶融・凝集が起こる領域（Ｂ）がＦｅＯ−Ｆｅ平衡曲線の若干下側に位置しており、若干量の再酸化が起こる可能性を秘めているが、得られる金属鉄の成分分析を行なったところ再酸化は殆ど起こっていないことが確認された。
【００５７】
そして、少なくとも浸炭・溶融・凝集の開始期において、雰囲気ガスの還元力が０．５以上、より好ましくは０．６以上、更に好ましくは０．７以上、最も好ましくはＦｅＯ−Ｆｅ平衡曲線の上になる様に雰囲気ガスの還元力を制御してやれば、固体還元により生成した還元鉄の再酸化を招くことなくその浸炭・溶融・凝集を円滑に進めることができ、Ｆｅ含有率が９４％以上で且つ炭素含有量が１．０〜４．５％の範囲の粒状金属鉄を極めて効率よく製造し得ることが確認された。
【００５８】
尚、上記図８の実験データをそのまま解析すると、簡易還元力が０．５〜０．７レベルでは相当量の再酸化が懸念されるが、この実験では飽くまでも雰囲気ガスの還元力を求めており、実際の原料成形体における内部或いはその近傍は、原料成形体内の残留炭素および前記雰囲気調整剤の存在によって高還元性雰囲気に保たれているはずであり、しかも炉床上部雰囲気から原料成形体近傍へ侵入してくる酸化性ガス（ＣＯ2やＨ2Ｏなど）は炭素質の雰囲気調整剤によって直ちに還元されるので、実測される雰囲気ガスの還元力が０．５〜０．７レベルであっても再酸化は起こさないものと推定される。ちなみに該還元力が０．５未満では、生成する金属鉄が再酸化を受け易くなると共に、浸炭不足により金属鉄の凝集と粒状化が進み難くなり、本発明で意図する粒径範囲の粒状金属鉄が得られ難くなる。
【００５９】
尚、還元鉄の浸炭・溶融・凝集が完了した後は、雰囲気ガスの還元力は急速に低下してくるが、実操業工程ではこの時点で溶融・凝集した金属鉄と副生スラグはほぼ完全に分離しているので、雰囲気ガスの影響は殆ど受けることがなく、これを冷却凝固させることによってスラグ混入量が少なくてＦｅ含有率の高い粒状の金属鉄を効率よく得ることができる。
【００６０】
上記からも明らかな様に、雰囲気調整剤として石炭粉を使用する場合は、粒径を３ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下に微細化して使用することにより、浸炭・溶融・凝集時の再酸化を一層確実に防止することができるので好ましい。また実操業時の炉内への歩留まりや操業性などを考慮すると、該石炭粉の粒径は０．３〜１．５ｍｍの範囲が最も好ましい。該石炭粉を敷き詰める厚さは特に制限されないが、薄すぎる場合は雰囲気調整剤としての絶対量が不足気味になるので、好ましくは２ｍｍ程度以上、より好ましくは３ｍｍ以上を確保することが望ましい。厚さの上限は特に存在しないが、過度に厚く敷いても雰囲気調整作用は自ずと飽和し、経済的に無駄になるので、好ましくは７ｍｍ程度以下、より好ましくは６ｍｍ程度以下に抑えるのが実際的である。尚該雰囲気調整剤としては、石炭以外にもコークスや木炭など、要はＣＯ発生源となるものであれば何でもよく、勿論これらの混合物を使用することも可能である。
【００６１】
この雰囲気調整剤は、原料成形体を炉床上に装入する前に炉床上に予め敷き詰めておいてもよく、その場合は、還元・溶融過程で生じることのある溶融スラグの滲み出しに対し炉床耐火物を保護する作用も発揮する。しかし、雰囲気調整剤の前記作用が期待されるのは固体還元終了後の浸炭・溶融・凝集時期であるから、原料成形体が浸炭・溶融を始める直前に上方から炉床上に振り掛けることも勿論有効である。
【００６２】
上記方法によれば、特に浸炭・溶融時における雰囲気ガスの還元力を高めることによって、還元鉄の再酸化を防止すると共に浸炭・溶融と凝集による粒状化を効率よく進めることができ、延いてはＦｅ含有率が高く且つ適正粒度構成を持った粒状金属鉄を効率よく得ることができる。このとき、固体還元から浸炭・溶融・凝集に亘る一連の工程をより効率よく進めるには、各段階毎に温度や雰囲気ガスを適切に制御することが望ましい。即ち固体還元期の温度は、前述した通り溶融還元反応が起こらない様、好ましくは１２００〜１４００℃に保ち、また浸炭・溶融・凝集期の温度は１３００〜１５００℃の範囲に保つことが望ましく、より好ましくは、前記固体還元期の温度を浸炭・溶融・凝集期の温度よりも５０〜２００℃低温に制御することが望ましい。
【００６３】
雰囲気ガス条件については、固体還元期には原料成形体中の炭材の燃焼によって多量発生するＣＯガスによって高度の還元性雰囲気が維持されるので炉内雰囲気ガスの調整はそれほど必要とされないが、浸炭・溶融・凝集期には、前述の如く原料成形体からのＣＯガスの放出量が大幅に減少し、バーナー燃焼によって生成する酸化性ガスにより再酸化を起こし易いので、この時期以降は前記雰囲気調整剤の使用も含めて、炉内雰囲気ガスを適切に制御することが、適正炭素量の粒状金属鉄を得る上で重要となる。
【００６４】
従って、この様な還元溶融の進行時期に応じて個別に適切な温度と炉内雰囲気ガス組成の調整を可能にするには、前記図１〜３でも説明した様に還元溶融炉を隔壁によって炉床の移動方向に少なくとも２以上に仕切り、仕切られた区画のうち上流側は固体還元区画、下流側は浸炭・溶融・凝集区画として、夫々の区画で温度および雰囲気ガス組成を個別に制御できる様な構造とすることが望ましい。尚図３では、３枚の隔壁によって４区画に仕切り、より厳密な温度と雰囲気ガス組成の制御が行なえる様にした例を示しているが、こうした分割区画の数は、還元溶融設備の規模や構造などに応じて任意に増減することが可能である。
【００６５】
上記方法によって得られる本発明の粒状金属鉄は、スラグ成分を殆ど含んでおらず、Ｆｅ純度で９４％以上、より好ましくは９６％以上の高純度を示すと共に、炭素含有量が１．０〜４．５％の範囲で粒径が１〜３０ｍｍの範囲内のものとして得ることができ、この粒状金属鉄は電気炉や転炉の如き既存の製鋼設備で鉄源として使用される。しかし、これらを製鋼原料等として使用する際には、硫黄［Ｓ］の含有量をできるだけ低減することが望ましい。そこで、上記粒状金属鉄の製造工程で、鉄鉱石や炭材中に含まれるＳ成分を可及的に除去して低［Ｓ］の粒状金属鉄を得るべく、更に研究を重ねた。
【００６６】
その結果、前記鉄鉱石や炭材を配合して原料成形体を製造する際に、該原料中にＣａＯ源（生石灰の他、消石灰や炭酸カルシウムなどを含む）を積極的に配合し、鉄鉱石等に含まれる脈石成分などのスラグ形成成分も加味した原料成形体中に含まれる全スラグ形成成分の塩基度（即ちＣａＯ／ＳｉＯ2比）が０．６〜１．８、より好ましくは０．９〜１．５の範囲となる様に成分調整してやれば、最終的に得られる粒状金属鉄中のＳ含有量を０．０８％以下にまで低減し得ることが確認された。
【００６７】
ちなみに、炭素質還元剤として最も一般的に用いられるコークスや石炭には通常０．２〜１．０％程度のＳが含まれており、これら［Ｓ］の大部分は金属鉄中に取り込まれる。一方、ＣａＯ源の積極添加による塩基度調整を行なわない場合、鉄鉱石の銘柄などによってかなりの違いはあるものの、原料成形体中に含まれるスラグ形成成分から算出される塩基度は大抵の場合０．３以下であり、この様な低塩基度のスラグでは、固体還元あるいはその後の浸炭・溶融・凝集過程で金属鉄へのＳの混入（加硫）が避けられず、原料成形体中に含まれる全［Ｓ］のうち概略８５％程度が金属鉄中に取り込まれる。その結果として、粒状金属鉄の［Ｓ］量が高くなり、製品金属鉄としての品質を損なう。
【００６８】
ところが、上記の様に原料成形体の製造段階でＣａＯ源を積極に添加することによりスラグ形成成分の組成を塩基度が０．６〜１．８の範囲となる様に調整してやれば、固体還元および浸炭・溶融・凝集の際に副生するスラグ中に上記［Ｓ］が固定され、その結果として粒状金属鉄の［Ｓ］量を大幅に低減できることが確認された。
【００６９】
該低Ｓ化の機構は、原料成形体中に含まれる［Ｓ］がＣａＯと反応し（ＣａＯ＋Ｓ＝ＣａＳ）、ＣａＳとして固定されるためと考えている。従来、上記の様な還元溶融機構が明確にされていない状況の下では、通常の溶銑脱硫で期待される様なＣａＯ添加による脱硫は期待できないと考えられていたが、本発明者らが確認したところでは、固体還元終了時点で還元鉄中に残留する炭素による浸炭によって還元鉄の溶融と凝集およびスラグ分離が進行する際に、スラグ中のＣａＯがＳを捕捉して固定し、粒状金属鉄の[Ｓ]含有量を大幅に低減できることが分かった。
【００７０】
こうした低Ｓ化機構は、ＣａＯ含有スラグを用いた通常の溶銑脱硫とは異なり、上記方法を実施する際の特有の反応と考えている。勿論、還元鉄の浸炭・溶融後、副生する溶融スラグとの間で十分な加熱条件下の接触が確保されるならば、液（溶融鉄）−液（溶融スラグ）間の反応により、スラグ中のＳ含有量（Ｓ％）と粒状金属鉄中のＳ含有量［Ｓ％］との比（すなわち、Ｓの分配比）（Ｓ％）／［Ｓ％］が決定されることも考えられるが、上記還元溶融法では、生成した溶融鉄と溶融スラグは、図９（写真）によっても確認できる様にスラグ−メタル間の接触面積は極めて少なく、還元鉄が浸炭・溶融・凝集した後のスラグ−メタル間の平衡反応による低Ｓ化はあまり期待できない。従って、上記方法で採用される原料成形体中へのＣａＯの積極添加による脱硫機構は、還元鉄の浸炭・溶融・凝集とスラグ分離が進む過程で生じるＣａＯ特有のＳ捕捉反応と、それによる粒状金属鉄への加硫防止作用によるものと考えている。
【００７１】
尚、塩基度調整のために添加されるＣａＯ量は、鉄鉱石等に含まれる脈石成分の量や組成、配合する炭材の種類や配合量などに応じて決めるべきであるが、スラグ形成成分全体としての塩基度を上記０．６〜１．８の範囲に調整するための標準的な添加量は、ＣａＯ純分換算で成形体全量中に２．０〜７．０％の範囲、より好ましくは３．０〜５．０％の範囲であり、消石灰［Ｃａ（ＯＨ）2］や炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）などを使用する場合の添加量は、上記ＣａＯ換算量とする。そして、原料成形体中にたとえば４％のＣａＣＯ3を添加してスラグ形成成分の塩基度を約０．９〜１．１に調整した場合は、下記式によって求められる見掛けの脱硫率で４５〜５０％を確保でき、また約６％のＣａＣＯ3を添加してスラグ形成成分の塩基度を約１．２〜１．５に調整した場合は、見掛けの脱硫率で７０〜８０％を確保できることが確認された。
見掛け脱硫率(％)＝［ＣａＯ添加原料成形体を用いた時の粒状金属鉄中の
Ｓ（％）／ＣａＯ無添加の原料成形体を用いた時の粒状金属鉄中の
Ｓ（％）］×１００
【００７２】
上記ＣａＯ源添加による低Ｓ化効果を、箱型電気炉を用いて確認した実験データに基づいて説明する。図１０は、鉄鉱石と炭材および少量のバインダー(ベントナイトなど)および適量のＣａＯを混合して成形した原料成形体を使用し、前述した方法により還元溶融を行なった時のＳの変化を調べた結果を示したものである。
【００７３】
図１０中の乾燥成形体は、還元溶融前の原料中に含まれる[Ｓ]量を１００％とし、炭材（石炭）から約８９％、鉄鉱石から約１１％のＳが原料中に含まれることを示している。この成形体を還元溶融した場合、前記図４で説明した固体還元完了時の還元鉄中にはほぼ８５％のＳが残留しており、約１２％はその間に炉外へ揮発除去される。そして、ＣａＯ源の添加を行なわなかった成形体（該成形体中のスラグ形成成分組成から求められる塩基度は０．１６５）を使用した場合は、最終的に得られる粒状金属鉄中に７４．８％のＳが取り込まれ、スラグ中には１０．２％のＳが捕捉されることが確認された。
【００７４】
これに対し、ＣａＯ源を４．５％添加してスラグ形成成分の塩基度を１．１５に調整した原料成形体を使用した場合は、粒状金属鉄中に取り込まれるＳ量は４３．２％に低減すると共に、スラグに捕捉されるＳ量は４８．８％に増大し、且つ該製造工程で炉外へ揮発除去されるＳ量は約８％に減少し、またＣａＯ源を５．０％添加してスラグ形成成分の塩基度を１．３５に調整した成形体を使用した場合は、粒状金属鉄中に取り込まれるＳ量は１９．７％に低減すると共に、スラグに捕捉されるＳ量は７８．８％に増大し、且つ該製造工程で炉外へ揮発除去されるＳ量は約１．５％に減少している。
【００７５】
上記箱型電気炉を用いた基礎実験で、ＣａＯ源添加による塩基度調整が金属鉄の低Ｓ化に極めて有効であることが確認されたので、実証炉を用いて同様の実験を行ない、ＣａＯ源の添加量を変えてスラグ塩基度を種々変化させたときの粒状金属鉄の低Ｓ化に及ぼす塩基度の定量的な影響を調査した。結果を図１１に示す。
【００７６】
この図には、ＣａＯ源添加量を変えたときに生成する最終スラグの塩基度と粒状金属鉄中の［Ｓ］の関係を図示しており、図中の各点が実績値で、前記箱型電気炉によって得た基礎実験結果を斜線領域で併記している。基礎実験では電気加熱方式を採用しており、雰囲気ガスとして不活性ガスを使用しているため雰囲気の酸化ポテンシャルは低く、見掛けの脱硫には有利な結果となっている。これに対し実証炉の場合は、バーナ燃焼を採用しているので燃焼排ガスの生成により雰囲気ガスの還元力は基礎実験に比べて低くなっており、粒状金属鉄中の［Ｓ］量は基礎実験の結果より高くなっている。しかし基本的な傾向は基礎実験結果をほぼ踏襲しており、ＣａＯ源を全く添加しない場合［領域（Ａ）］における粒状金属鉄の[Ｓ]レベルは概略０．１２％であるが、塩基度を約１．０に調整すると、領域（Ｂ）の如く［Ｓ］量は０．０５〜０．０８％まで低下し、見掛けの脱硫率は約３３〜５８％となっている。更に塩基度を１．５にまで高めると、領域（Ｃ）の如く金属鉄中の［Ｓ］は概略０．０５％にまで低減できることを確認できる。
【００７７】
尚、塩基度が１．８以上になるまでＣａＯ源を添加すると、生成スラグの融点が上昇するため操業温度を過度に高めなければならなくなり、炉の損傷が加速されると共に熱経済的にも不利であり、更には還元鉄の凝集能も低下し、得られる金属鉄が１ｍｍ未満の微粒物となって製品価値が損なわれるので好ましくない。
【００７８】
これらの実験からも明らかな様に、原料成形体中に適量のＣａＯ源を積極添加してスラグ形成成分の塩基度を約０．６以上に高めると、生成スラグのＳ捕捉能が著しく高められて粒状金属鉄中に取り込まれるＳ量が大幅に低減され、本発明で意図するＳ含量が０．０８％レベル以下の粒状金属鉄を容易に得ることができる。しかも前記図１０で説明した様に、一連の粒状金属鉄製造工程でＳＯｘ等として炉外へ排出されるＳ量も大幅に低減するので、排ガスによる大気汚染が軽減されると共に、排ガスの脱硫処理を行なう場合でも、脱硫負荷を大幅に軽減できる。
【００７９】
尚、低Ｓ化のために上記ＣａＯ源の添加を行なった場合、添加量によっては副生スラグの低融点化によって還元溶融期に低融点スラグの滲み出しが起こり易くなり、炉床耐火物の溶損を招く恐れがある。しかし上記方法を実施する際には、前述した如く固体還元期と浸炭・溶融・凝集期の２段加熱方式を採用し、固体還元期を１２００〜１４００℃、浸炭・溶融・凝集期を１３５０〜１５００℃の好ましい温度条件に設定し、副生スラグの融点以下の温度で固体還元を十分に進めてから、一部残留するＦｅＯの還元と還元鉄の浸炭・溶融・凝集を進めることによって、好ましくない副生スラグの滲み出しを最小限に抑えることができる。
【００８０】
上記の様に、鉄鉱石と炭材を含む原料成形体を固体還元してから浸炭・溶融・凝集させて金属鉄を製造する際に、原料成形体中の炭素質還元剤量や固体還元時の温度条件、更には浸炭・溶融時の温度条件や雰囲気ガスの組成などを適正に制御することによって、還元・浸炭溶融、凝集・合体を効率良く進めることができ、適正な炭素含有量と粒径を満たすＦｅ純度の非常に高い粒状金属鉄を得ることができ、しかもこの様な条件設定の下では、得られる粒状金属鉄中のＳｉ含有量は０．０２〜０．５％の範囲に収まると共に、Ｍｎ含有量は０．３％未満に抑えられる。また原料成形体中にＣａＯを積極的に添加してスラグ形成成分の塩基度を調整することにより、該粒状金属鉄の低Ｓ化も果たすことができる。
【００８１】
かくして得られる本発明の粒状金属鉄は、Ｆｅ純度が高くて適量の炭素を含んでおり、且つその粒度は製品としての取扱いに優れた１〜３０ｍｍの粒度を有する粒径および形状の揃ったものであり、製鉄・製鋼あるいは各種合金鋼などを製造するための鉄源として有効に利用できる。
【００８２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明の構成および作用効果を具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、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。
【００８３】
実施例１
鉄源としてのヘマタイト系鉄鉱石と石炭および少量のバインダー（ベントナイト）を均一に混合して直径約１９ｍｍの原料成形体を製造し、これを用いて金属鉄の製造を行なった。即ちこの成形体を、前記図１〜３に示した様な回転炉床型の還元溶融炉へ装入し、雰囲気温度を約１３５０℃に制御して金属化率が約９０％となるまで固体還元を進める。その後、引き続いて雰囲気温度を１４４０℃に設定した浸炭・溶融・凝集ゾーンへ送って浸炭・溶融と凝集および副生スラグの分離を行ない、スラグフリーの粒状金属鉄を製造した。
【００８４】
この時、炉床上には予め粒径が２ｍｍ以下の石炭粒を雰囲気調整剤として約５ｍｍの厚さで敷き詰めてから原料成形体を装入することにより、浸炭・溶融・凝集期の雰囲気ガスの還元力が０．６０〜０．７５の範囲となる様に制御した。この時の原料配合、固体還元終了時の還元鉄組成、最終的に得られた金属鉄の成分組成、生成スラグの組成などを図１２に示した。
【００８５】
溶融・凝集しスラグとほぼ完全に分離した金属鉄を冷却ゾーンに送って１０００℃まで冷却し凝固させてから排出機によって炉外へ排出し、回収された粒状金属鉄と副生スラグおよび余剰炭材の生成比率と夫々の組成分析を行なった。なお、還元溶融炉における浸炭・溶融直前の還元鉄を抜き出して組成分析を行なったところ、金属化率は約９０％、残留炭素量は４．５８％であった。上記原料成形体の装入から金属鉄として取り出すまでの時間は約９分と極めて短時間であり、得られた金属鉄のＣ含有量は２．８８％、Ｓｉ含有量は０．２５％、Ｓ含有量は０．１６５％であり、この金属鉄は副生するスラグと簡単に分離することができた。得られた粒状金属鉄は図１３の写真に示す通りであり、直径１０ｍｍ前後でほぼ粒径の揃った均一な粒度構成のものであった。
【００８６】
実施例２
鉄源としてマグネタイト系鉄鉱石を使用し、これを石炭と少量のバインダー（ベントナイト）およびスラグ塩基度調整のため５％のＣａＣＯ3と共に均一に混合し、造粒して直径約１９ｍｍの原料成形体を作製した。
【００８７】
この原料成形体を、雰囲気調整剤としての石炭粒（平均粒径：約３ｍｍ）を約３ｍｍの厚さで敷き詰めた炉床上に装入し、前記実施例１と同様に雰囲気温度を約１３５０℃に維持しつつ金属化率がほぼ１００％となるまで固体還元を進め、しかる後、１４２５℃に保った溶融領域へ送って浸炭・溶融と凝集および副生スラグの分離を行ない、スラグフリーの金属鉄を製造した。この時の原料配合、固体還元終了時の還元鉄組成、最終的に得られた金属鉄の成分組成、生成スラグの組成などを図１４に示した。
【００８８】
溶融・凝集しスラグとほぼ完全に分離した金属鉄を冷却ゾーンへ送り、１０００℃まで冷却し凝固させてから排出機により炉外へ排出し、回収された粒状金属鉄、副生スラグおよび余剰炭材の生成比率と夫々の組成分析を行なった。なお、還元溶融炉における浸炭・溶融直前の還元鉄を抜き出して組成分析を行なったところ、金属化率は約９２．３％、残留炭素量は３．９７％であった。
【００８９】
上記原料成形体の装入から粒状金属鉄として取り出すまでの時間は約８分と極めて短時間であり、得られた粒状金属鉄のＣ含有量は２．１０％、Ｓｉ含有量は０．０９％、Ｓ含有量は０．０７％であった。即ちこの実験では、低Ｓ化のためＣａＯ源を添加しているため、前記実施例１よりも低Ｓ化が達成されている。得られた粒状金属鉄は図１５の写真に示す通りであり、全粒状鉄のうち９８％以上が粒径５〜３０ｍｍの範囲に入っていた。
【００９０】
この実施例では、ＣａＯ源添加による副生スラグの低融点化によって固体還元の後半期に溶融スラグの滲み出しが懸念されたが、固体還元期の温度を１２００〜１４００℃に設定し、固体還元により高い金属化率の還元鉄としてから１３５０〜１５００℃に昇温する２段加熱方式を採用し、且つ炉床面に石炭粉を雰囲気調整剤として敷き詰めておくことで、溶融スラグの滲み出しによる炉床耐火物溶損の問題は全く生じなかった。
【００９１】
また、固体還元末期の還元鉄を抜き出して微視的構造を詳細に調べたところ、ＣａＯ源を添加しなかった前記実施例１では、還元鉄表面に高濃度のＦｅ−（Ｍｎ）−Ｓの存在が確認され、これが浸炭・溶融時に溶鉄内に取り込まれることが確認されたのに対し、ＣａＯ源を添加した本実施例では、固体還元の末期にＳの殆どはＣａＯ源と反応して固定され、浸炭・溶融工程で溶鉄内へのＳの混入は抑えられることが確認された。
【００９２】
更に上記の実験で、雰囲気調整剤として使用する石炭粉の粒度を２．０ｍｍ以下の細粒物に代えた以外は前記と同様にして実験を行なったところ、得られる金属鉄中のＳ含有量は０．０３２％にまで低減することが確認された。
【００９３】
実施例３
上記実施例１と同様の条件を採用し、原料成形体（ペレット）の直径を３〜３５ｍｍの範囲で様々に変更した場合について、得られる粒状金属鉄の平均粒径と粒状金属鉄担体の平均重量に与える影響を実炉実験によって確認したところ、図１６に示す結果が得られた。
【００９４】
この図からも明らかな様に、原料成形体（乾燥ペレット）として１０〜３５ｍｍ程度の直径のものを使用すれば、製品金属鉄として取扱い性の最も良好な粒径５〜２０ｍｍの範囲の粒状鉄を効率よく製造し得ることが分かる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、Ｆｅ純度が高くて且つ適正量のＣを含み、しかも取扱いの簡便な粒度構成を有し、或いは更にＳ含有量が少なく、更にはＳｉ，Ｍｎ含有量が少なく、鉄源として取扱いが容易で品質の安定した粒状金属鉄を提供し得ることになった。しかもこの粒状金属鉄は、前述の如く製造条件を適切に制御することにより、安定して再現性よくしかも効率よく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる粒状金属鉄の製造に用いられる還元溶融設備を例示する説明図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面相当図である。
【図３】図１を長手方向に展開して示す断面説明図である。
【図４】本発明で２段加熱方式を採用した時の固体還元期および溶融期を通した雰囲気温度、原料成形体温度、還元率およびＣＯ，ＣＯ2ガス排出量の推移を示すグラフである。
【図５】同じく固体還元期および溶融期を通した原料成形体中の酸化鉄の金属化率と残留ＦｅＯ量の推移を示すグラフである。
【図６】金属化率１００％時点で還元鉄中に残留する炭素量と、最終的に得られる粒状金属鉄中の残留炭素量の関係を示すグラフである。
【図７】金属化率と還元力の関係を示すグラフである。
【図８】雰囲気調整剤として石炭粉を使用した時と使用しなかった時の原料成形体の内部温度変化と雰囲気ガスの還元力の変化を示すグラフである。
【図９】製造実験で得た浸炭・溶融直後の金属鉄とスラグの状況を示す写真である。
【図１０】原料成形体中にＣａＯ源を積極添加してスラグ塩基度を調整することによって得られる粒状金属鉄の低Ｓ化効果を立証する実験グラフである。
【図１１】生成スラグの塩基度と得られる粒状金属鉄中のＳ含有量の関係を示すグラフである。
【図１２】実施例で採用した粒状金属鉄の製造における原料配合、および製造された粒状金属鉄などの比率や成分組成等を示す説明図である。
【図１３】実施例１で得た粒状金属鉄を示す写真である。
【図１４】他の実施例で採用した粒状金属鉄の製造における原料配合、および粒状金属鉄の比率や成分組成等を示す説明図である。
【図１５】実施例２で得た粒状金属鉄を示す写真である。
【図１６】原料成形体(乾燥ペレット)の粒径と生成する粒状鉄平均粒径および担体平均重量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  回転型炉床
２  炉体
３  燃焼バーナ
４  原料および副原料装入手段
６  排出手段
Ｋ1，Ｋ2，Ｋ3  仕切壁
Ｃ  冷却ゾーン
Ｈ  ホッパー
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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