(57)【要約】【課題】  軟化流動性の低い炭材を用いた場合であっても、高強度で、かつ製鉄時に還元剤を別途添加せずとも還元反応の促進される製鉄用炭材内装塊成化物を製造するための方法を提供する。【解決手段】  酸化鉄原料と炭材を含む塊成用組成物であって、該酸化鉄原料と炭材の比率（質量比）を下記式（１）の範囲に調節した塊成用組成物を混合した後、加熱下で脱気しつつ押出成形することを特徴とする製鉄用炭材内装塊成化物の製造方法。  酸化鉄原料：炭材＝85〜75：15〜25    …（１）【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄原料と炭材を含む塊成用組成物であって、該酸化鉄原料と炭材の比率（質量比）を下記式（１）の範囲に調節した塊成用組成物を混合した後、加熱下で脱気しつつ押出成形することを特徴とする製鉄用炭材内装塊成化物の製造方法。
酸化鉄原料：炭材＝85〜75：15〜25    …（１）
【請求項２】
前記押出成形時の雰囲気圧力を０．０２〜０．２ａｔｍとする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
軟化開始温度未満の温度にある炭材と、該炭材の最高流動度温度以上の温度にある酸化鉄原料を混合して、混合物が該最高流動度温度以上にある状態で混合する請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
最高流動度温度未満の温度にある炭材と、酸化鉄原料とを混合して、混合物が該最高流動度温度未満にある状態で混合し、その後、加熱機構を有するスクリュータイプの押出成形機で混合物を該最高流動度温度以上にまで加熱して脱気しつつ押出成形する請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項５】
前記炭材として、最高流動度が２．５以下の石炭を用いる請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄用炭材内装塊成化物の製造方法に関するものであり、殊に、軟化流動性の低い炭材を用いた場合でも、高強度でかつ還元反応の促進される製鉄用炭材内装塊成化物を製造することのできる方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鉄用の還元炉では、取扱い性や操業性等の観点から、粉状の製鉄用原料を予め粒状やペレット状に塊成されたものが用いられている。また鉄鉱石を直接還元して還元鉄を製造すべく、鉄鉱石などの酸化鉄原料を主原料とし、これに還元剤として炭材等を配合したものが提案されている。
【０００３】
この様に鉄鉱石（酸化鉄原料）と炭材をメインとする塊成化物を製造する方法として、特許文献１には、バインダー等を加えることなく高強度の塊成化物を製造する方法が示されている。具体的には、製鉄所等から発生する含鉄微粉にコークス粉を混合して水分を一定量とし、この混合物を押出成形により塊状化し、該塊状物の角部をドラム機で除去した後、竪型炉に装入して加熱焼成する方法が示されている。しかし該方法では、水分の調節や竪型炉内部の各温度を一定に保つ必要があるなど操作が煩雑となる。
【０００４】
特許文献２には、回転炉床式還元炉等の固体還元型の焼成還元炉で使用する粉化の抑制された成形体として、酸化第二鉄と炭素含有粉体を用いて得られるものであって気孔率が４０％以上のものを製造することが示されている。製造方法として具体的には、水分を含む状態の原料混合物を、押し込みローラーで金属製の板に設置してある貫通穴型から押し出す方法が示されている。また特許文献３には、塊成化物中の粉鉱石の還元時間を短縮し、さらに還元後の還元鉄の溶融時間を短縮できる塊成化物として、粉鉄石と炭材の混合物からなるものであって嵩密度が一定値以上のものが示されている。
【０００５】
しかしこれら特許文献２や特許文献３に示される技術の様に、嵩密度や気孔率が高い塊成化物は、高炉等の様に高強度が必要とされる場合には適用し難いと考えられる。
【０００６】
特許文献４には、粉状鉄鉱石と炭材を混合・加圧成形して高強度の塊成鉱を製造するときに、炭材の熱可塑性を利用すれば、高密度で被還元性の大きく改善された炭材内装塊成化物が得られることが示されている。しかしこの技術では、上記炭材が軟化流動性の高い粘結炭に限られており、使用する炭材の種類が制限される。
【特許文献１】特開平９−４１０４７号公報
【特許文献２】特開２００３−８９８１３号公報
【特許文献３】特開平１１−９２８３３号公報
【特許文献４】特開２００１−２９４９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、軟化流動性の低い炭材を用いた場合でも、高強度でかつ製鉄時に還元反応の促進される製鉄用炭材内装塊成化物を製造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】
【０００８】
本発明に係る製鉄用炭材内装塊成化物の製造方法は、酸化鉄原料と炭材を含む塊成用組成物であって、該酸化鉄原料と炭材の比率（質量比）を下記式（１）の範囲に調節した塊成用組成物を混合した後、加熱下で脱気しつつ押出成形するところに特徴を有するものであり、強度のより高い製鉄用炭材内装塊成化物を製造するには、押出成形時の雰囲気圧力を０．０２〜０．２ａｔｍとすることが好ましい。
酸化鉄原料：炭材＝85〜75：15〜25    …（１）
【０００９】
本発明は、この様な製造方法により押出成形時に炭材の可塑性を十分に発現させて良好に成形し、高強度の塊成化物が得られるものである。炭材の可塑性を有効に発現させるには、軟化開始温度（以下「軟化開始温度」は炭材の軟化開始温度を意味する）未満の温度にある炭材と、炭材の最高流動度温度（以下「最高流動度温度」は炭材の最高流動度温度を意味する）以上の温度にある酸化鉄原料を混合して、混合物（塊成用組成物）が該最高流動度温度以上にある状態で混合し、その後、上記の通り加熱下で脱気しつつ押出成形するのがよい。
【００１０】
塊成用組成物を固体または半固体の状態で十分に混合するには、最高流動度温度未満の温度にある炭材と、酸化鉄原料とを混合して、混合物（塊成化組成物）が該最高流動度温度未満にある状態で混合し、その後、加熱機構を有するスクリュータイプの押出成形機で混合物を該最高流動度温度以上にまで加熱して脱気しつつ押出成形する方法が有効である。
【００１１】
尚、上記軟化開始温度および最高流動度温度とは、ＪＩＳ Ｍ ８８０１の方法に基づき、ギーセラープラストメータで測定した温度をいう。
【００１２】
本発明法は、前記炭材として最高流動度が２．５以下の石炭を用いて、高強度の製鉄用炭材内装塊成化物を製造することができる方法でもある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、炭材として軟化流動性の高い粘結炭だけでなく、軟化流動性の低いものを用いた場合でも、高強度でかつ製鉄時に還元剤を別途添加せずとも還元反応の促進される製鉄用炭材内装塊成化物を製造することができる。また、軟化流動性を有する炭材を使用した場合には、強度向上のために配合する炭材を低減して鉄分含量の高い塊成化物を製造することができ、製銑において、多量の金属鉄を効率良く製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、軟化流動性の高い粘結炭の使用を前提とした従来の炭材内装塊成化物の製造において、該粘結炭の代わりに軟化流動性の低い炭材を使用した場合でも、酸化鉄原料と炭材の密着性が高く高強度を示し、かつ製鉄時に還元剤を別途添加せずとも還元反応の促進される製鉄用炭材内装塊成化物が得られる方法について鋭意研究を行った。その結果、特に酸化鉄原料と炭材を含む塊成用組成物を混合した後、加熱下で脱気しつつ押出成形すればよいことを見出し、本発明に想到した。
【００１５】
この様に、軟化流動性の低い炭材を使用した場合や炭材の配合率を低減した場合でも、高強度の塊成化物が得られる理由として、押出成形機のチャンバーを減圧することによって、炭材の融点が低下して炭材の軟化流動性が増し、可塑性材料として有効に作用すると共に、脱気により減圧状態となり成形体内の空隙が減少し、密着性の高い塊成化物が得られるためと考えられる。
【００１６】
上記方法を実現させるための具体的な手段として、酸化鉄原料と炭材を含む塊成用組成物を、例えば一軸式または二軸式のスクリュータイプの押出成形機に装入して、押出成形機のチャンバー外筒と押出しスクリューに熱媒を通して加熱し、かつ脱気しながら成形加工する方法が挙げられる。
【００１７】
本発明は、上記脱気による押出成形時の雰囲気圧力（チャンバー内圧）まで特に限定するものでなく、後述する図１に示す通り、常圧（１ａｔｍ）から減圧することによって、常圧で成形した場合よりも高強度の塊成化物が得られるが、押出成形機の雰囲気圧力を０．２ａｔｍ以下、より好ましくは０．１ａｔｍ以下、更に好ましくは０．０６ａｔｍ以下にまで減圧（脱気）すれば顕著に強度が上昇するので好ましい。
【００１８】
一方、過剰に脱気して押出成形機の雰囲気圧力が低すぎると、塊成化物の強度が低下する。その理由としては、真空度が非常に高くかつ加熱雰囲気下では炭材が分解され易く、該分解で生じた低分子炭化水素が揮発分として放出され易くなる。その結果、炭材が軟化溶融状態である時間が短くなり、また可塑性材料として作用する炭材が減少し、炭材と酸化鉄との密着性が低下するためと考えられる。この様な現象を抑えるには、炭材の種類に関係なく、押出成形時の雰囲気圧力を０．０２ａｔｍ以上とするのがよく、より好ましくは０．０３ａｔｍ以上である。尚、成形加工時の加熱温度は、（最高流動度温度−３０℃）〜（最高流動度温度＋３０℃）とするのがよい。
【００１９】
本発明はこの様に、軟化流動性の程度を問わず、炭材を可塑性材料として利用して高強度の塊成化物を得ることができる点に特徴を有するものであり、炭材の可塑性をより有効に発現させるには、成形に際して、炭材を含む塊成用組成物を最高流動度温度以上に高めておくことが有効である。
【００２０】
具体的には、軟化開始温度未満の温度にある炭材と、最高流動度温度以上の温度にある酸化鉄原料を混合して、混合物が該最高流動度温度以上（好ましくは［最高流動度温度＋３０℃］以下）にある状態で混合し、その後、上述の通り加熱下で脱気しつつ押出成形する方法が挙げられる。
【００２１】
混合する炭材を軟化開始温度未満のものとすれば、酸化鉄原料と混合したとき継粉の発生を抑制でき、炭材が酸化鉄原料全体に十分行き渡り、密着性の高い高強度の塊成化物が得られ易くなるからである。よって混合する炭材は、予熱する場合でも軟化開始温度未満に抑えるのが好ましく、より好ましくは（軟化開始温度−５０℃）以下である。尚、混合前の炭材の温度が低すぎると混合物中の温度が均一となりにくいので、約２００℃以上に加熱しておくことが好ましい。
【００２２】
一方、混合後の塊成用組成物（混合物）の温度が最高流動度温度以上となるようにするには、前記炭材と混合する酸化鉄原料を最高流動度温度以上の温度に加熱しておくのがよい。具体的な加熱温度は、炭材の前記予熱温度および炭材と酸化鉄原料との比率にもよるが、炭材が（最高流動度温度−１００℃）以下の場合には、酸化鉄原料を（最高流動度温度＋１５０℃）以上に加熱しておくことが好ましく、炭材が（最高流動度温度−２００℃）以下の場合には、酸化鉄原料を（最高流動度温度＋３００℃）以上に加熱しておくことが好ましい。
【００２３】
この様に予め加熱しておいた酸化鉄原料や炭材を混合して、混合物を最高流動度温度以上とし、該温度の混合物を押出成形機に装入して、最高流動度温度以上の温度に保持しながら脱気下で押出形成すればよい。
【００２４】
尚、上記の通り、炭材と最高流動度温度よりも高温の酸化鉄原料を混合した時には、局所的に炭材が溶融し、更に温度が上昇して再固化するといった現象が生じ得る。そうすると可塑性材料として作用する炭材が減少する場合がある。
【００２５】
この様な現象を抑制して炭材を可塑性材料として十分に作用させるには、最高流動度温度未満の温度にある炭材と、酸化鉄原料とを混合して、混合物（塊成用組成物）が該最高流動度温度未満にある状態で混合し、その後の成形加工時に、炭材の温度を最高流動度温度もしくはそれ以上の温度（好ましくは最高流動度温度＋３０℃以下）にまで高める方法が推奨される。特に、押出成形機として、スクリュータイプのものであって、例えば押出成形機のチャンバー外筒と押出しスクリューに熱媒が通るなど加熱機構を有するものを使用すれば、スクリューの強い混錬作用により加熱効率も向上するので、十分に成形段階でも昇温できる。
【００２６】
尚、炭材と混合させる前の酸化鉄原料の温度については特に限定されず、炭材と混合したときに混合物（塊成用組成物）の温度が最高流動度温度未満となる範囲で予め加熱してもよい。
【００２７】
この様な方法を採用すれば、最高流動度温度よりも低温で混合するので、炭材を固体状態または半固体状態のまま均一に分散させ易く、その結果、後述する図３に示す通り炭材の配合率を低減しても高強度の塊成化物が得られる。
【００２８】
本発明法は、前記炭材として、最高流動度が２．５以下の石炭を用いて製鉄用炭材内装塊成化物を製造する場合にその効果をより発揮するものであり、最高流動度が１．５以下、更には流動性を示さず最高流動度の測定が不可能な石炭を用いた場合により効果を発揮する。この様に本発明法では、軟化流動性が低いかもしくは示さない石炭も前記炭材として使用できるので、使用可能な炭材種類の範囲が広がる。
【００２９】
炭材としては、常温〜２５０℃で固体状態のものを使用するが、上述の通り流動性の有無は問わず様々な種類のものを使用でき、サイズが約０．０１〜０．５０ｍｍの粉状のものを使用することができる。
【００３０】
酸化鉄原料としては、製鉄用原料として一般的に汎用されている鉄鉱石の他、酸化鉄を主成分として含む高炉ダストや転炉ダスト、ミルスケール等を使用することができる。鉄鉱石としては、様々な銘柄のものを用いることができ、例えば赤鉄鉱（ヘマタイト：Ｆｅ2 Ｏ3 ）や磁鉄鉱（マグネタイト：Ｆｅ3 Ｏ4 ）、ゲーサイト（Ｆｅ2 Ｏ3 ・Ｈ2 Ｏ）を多く含有する褐鉄鉱系鉱石、ＭｇＯ含有物質としてドロマイト鉱石を使用してもよい。また焼結性の低いマラマンバ鉱石等を使用することもできる。これらの酸化鉄原料としては、サイズが０．０１〜０．５０ｍｍの粉状のものが強度確保や混合の容易性から好ましく使用される。
【００３１】
尚、本発明では、塊成用組成物に含まれる炭材および酸化鉄原料の割合（質量比）が下記範囲を満たすことを前提とする。酸化鉄原料の割合が少なすぎると、塊成化物中の鉄分含量が少なくなり、高炉の生産性を低下させる原因になる他、塊成化物が強度不足になる等の不具合が生じるからである。一方、酸化鉄原料が過剰となり、炭材が少なすぎると、前記炭材の効果が十分に発揮されないばかりか、製鉄時の還元反応が促進され難くなるからである。
酸化鉄原料：炭材＝85〜75：15〜25    …（１）
【００３２】
成形方法として、下記実施例では、押し出された連続成形物をカッティングして円柱状の塊成鉱を得ているが、塊成鉱の形状はこれに限定されず、上記連続成形物をカッティング後、更にプレス成形するなどして、球状、砂利状等の様々な形状に成形することができる。尚、塊成化物を製造するに際し、必要に応じて石灰石等を添加してもよい。
【００３３】
以下、実施例を挙げて本発明をより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を加え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。
【実施例】
【００３４】
＜実施例１＞
約２００℃に予熱した表１に示す性状の粉状石炭（粒径約０．５ｍｍ以下に粉砕したもの）に、約７５０℃に加熱した粉状鉄鉱石（粒径約０．５ｍｍ以下に粉砕したもの）を、質量比で石炭（炭材）：鉄鉱石＝２０：８０の割合となるように配合し、２５０℃に保温した高速ミキサーに投入して攪拌・混合し（混合物の温度は４５０℃）、該混合物をスクリュータイプの２軸式押出成形機に装入して、成型温度：４５０℃、成型圧力（線圧）：２．０〜２．９ｔ／ｃｍの条件で直径３０ｍｍの円形の成形ダイス（抜き型）を用いて連続的に押出成形し、直径３０ｍｍの円柱状連続成形体を、長さ３０ｍｍで切断し、直径：３０ｍｍ、高さ：３０ｍｍの円柱状塊成化物を得た。前記成形温度４５０℃は、表１に示す通り、粘結炭Ａおよび粘結炭Ｂの軟化開始温度と固化温度の間の最高流動度温度に近い温度であり、該温度で成形すれば、容易に成形でき高強度の塊成化物が得られる。
【００３５】
そして表２に示す通り、石炭の種類と押出成形時の雰囲気圧力（チャンバー内圧）を変えて塊成化物を製造し、得られた塊成化物の強度を測定した。
【００３６】
塊成化物の強度は、ＩＳＯ ４７００に準じて測定した圧潰強度で評価した。具体的には、円柱状の成形体の円形面中央部に荷重を加えて圧潰強度を測定した。測定値を表２に示す。尚、表２中の数値は圧潰強度（単位：Ｎ）を示す。
【００３７】
尚、表１には、各石炭の軟化流動性の指標として、ＪＩＳ Ｍ ８８０１の方法でギーセラープラストメータで測定した最高流動度、軟化開始温度、最高流動度温度および固化温度を示す。最高流動度が高いものほど高い軟化流動性を示し、粘結炭Ａは、従来より使用されてきた軟化流動性の高い石炭である。本実施例では、該粘結炭Ａを用いた塊成化物の強度を強度の基準値としている（後述する図１〜３）。粘結炭Ｂは、表１に示す通り、前記粘結炭Ａよりも軟化流動性が小さく、一般炭Ｃは、前記粘結炭Ａや粘結炭Ｂと異なり、高温下でも軟化流動性を示さず粉状のままであり、塊成化物の製造には好ましくない石炭と位置付けられるものである。下記表２に示す「Ａ＋Ｃ」は、前記粘結炭Ａと一般炭Ｃを６０：４０（質量比）で混合したものである。
【００３８】
【表１】
2005314745.tif 000002
【００３９】
【表２】
2005314745.tif 000003
【００４０】
図１は、石炭の種類および押出成形時の雰囲気圧力と塊成化物の強度との関係を示したグラフであり、前記表２のデータを整理したものである。各塊成化物の強度は、粘結炭Ａと鉄鉱石を２０：８０（質量比）の割合で混合して得られた塊成化物の強度（図１に示す○）を基準とした相対値で示している（以下、図２および図３についても同じ）。
【００４１】
この図１から、押出成形時の成形圧（機械的圧力）が一定の場合には、押出成形時の雰囲気圧力を下げれば、いずれの種類の石炭を使用した場合にも、常圧で成形するよりも高強度のものが得られることがわかる。
【００４２】
特に押出成形時の雰囲気圧力を、０．２ａｔｍ以下、更には０．０８ａｔｍ以下にまで脱気すれば、軟化流動性の低い粘結炭Ｂや、上記粘結炭Ａと軟化流動性を有さない一般炭Ｃを混合したものを使用した場合でも、軟化流動性の良い粘結炭Ａを用いて常圧で成形した場合とほぼ同等強度レベルの塊成化物が得られることがわかる。
【００４３】
しかし図１から明らかなように、いずれの種類の石炭を用いた場合にも、約０．０３ａｔｍを下回る雰囲気圧力とした場合には、塊成化物の強度が低下する傾向がみられ、特に、粘結炭Ｂを使用した場合と（Ａ＋Ｃ）を使用した場合に塊成化物の強度低下が著しいことを確認した。
【００４４】
＜実施例２＞
炭材として粘結炭Ｂを使用し、該粘結炭Ｂの添加率（粘結炭Ｂと鉄鉱石の合計に対する粘結炭Ｂの質量％）と押出成形時の雰囲気圧力を変化させて、前記実施例１と同様に塊成化物を製造し、得られた塊成化物の強度を測定した。また、比較のため、炭材として粘結炭Ａを使用した場合についても、同様の実験を行った。その結果を表３に示す。尚、表３における「加圧成形」は後述する実施例３の図３に示す様に、４００℃で混合した後に４５０℃に加熱しながら成形したものである。また表３中の数値は圧潰強度（単位：Ｎ）を示す。
【００４５】
【表３】
2005314745.tif 000004
【００４６】
図２は、炭材の添加率および押出成形時の雰囲気圧力と塊成化物の強度との関係を示すグラフであり、表３に示すデータを整理したものである。この図２から、脱気しながら成形することによって、粘結炭Ａを用いて常圧で成形した場合とほぼ同レベルの強度のものが得られることがわかる。また、同一種類の炭材（粘結炭Ｂ）を使用する場合、脱気しながら成形することで、常圧で成形する場合と同レベルの強度のものを、少ない炭材で製造することができ、強度確保のために炭材を増加させる必要がない。
【００４７】
＜実施例３＞
最高流動度温度が４５０℃である粘結炭Ｂを用いて、該粘結炭Ｂの配合率を変化させると共に、下記（Ａ）または（Ｂ）の通り製造条件を変えて塊成化物を製造し、得られた塊成化物の強度を測定した。その結果を、石炭の添加率および製造条件と塊成化物の強度との関係として図３に示す。
（Ａ）前記実施例１と同条件で製造する。
（但し、チャンバー内圧は０．０６ａｔｍ）
（Ｂ）粘結炭Ｂを添加率に関係なく約２００℃まで加熱し、一方、粘結炭との混合後に混合器の計器温度が４００℃となるように、鉄鉱石を７５０℃まで加熱し、これらを４００℃で混合した後、雰囲気圧力：０．０６ａｔｍとなるように脱気しながら４５０℃（計器温度）で押出成形する。
【００４８】
この図３より、石炭の配合率が同じ場合には、最高流動度温度よりも低温で鉄鉱石と石炭の混合を行えば、最高流動度温度以上で混合・成形する場合よりも高強度の塊成化物が得られ、この傾向は、粘結炭Ｂの配合率が小さくなるほど明らかになることがわかる。また同レベルの強度の塊成化物を得る場合、石炭の混合を成形温度より低温で行えば、石炭の配合率を抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】石炭の種類と押出成形時の雰囲気圧力（チャンバー内圧）が塊成化物の強度に及ぼす影響を示したグラフである。
【図２】石炭配合率と押出成形時の雰囲気圧力（チャンバー内圧）が塊成化物の強度に及ぼす影響を示したグラフである。
【図３】石炭配合率と製造条件が塊成化物の強度に及ぼす影響を示したグラフである。
【図１】
2005314745.tif 000005
【図２】
2005314745.tif 000006
【図３】
2005314745.tif 000007