(57)【要約】      （修正有）【課題】  ガス反応効率がよく、しかも生産性が高いだけでなく生産調整をする上でも有利な高純度海綿鉄とその製造方法を提案することにある。【解決手段】  反応容器１１内に酸化鉄１２および固体還元剤１３を充填し、加熱して酸化鉄を還元することにより、海綿鉄を製造する方法において、前記酸化鉄１２および固体還元剤１３が交互に層状もしくは交互に絡み合う螺旋状に堆積するように充填する高純度海綿鉄の製造方法。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に酸化鉄および固体還元剤を充填し、加熱して酸化鉄を還元することにより、海綿鉄を製造する方法において、前記酸化鉄および固体還元剤が交互に水平層状に堆積するように充填することを特徴とする海綿鉄の製造方法。
【請求項２】
反応容器内に酸化鉄および固体還元剤を充填し、加熱して酸化鉄を還元することにより、海綿鉄を製造する方法において、前記酸化鉄および固体還元剤が交互に絡み合う螺旋状に堆積するように充填することを特徴とする海綿鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品や磁性材料などの焼結製品、あるいは粉末のままで使用される還元鉄粉などの製造用原料として用いられる海綿鉄の製造方法に関するものである。
【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である原料を同心円筒状に層別された状態にバッチ式で充填し、その容器ごとトンネル炉などの中に導入して1050〜1200 ℃の温度で間接方式によって加熱し、該容器内酸化鉄を還元することにより製造されている（非特許文献１、２）。
【非特許文献１】「鉄鋼便覧第４版」  第１３６３頁  第１図
【非特許文献２】「鉄鋼便覧第３版」  第４５７頁  右欄第１０〜１３行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
サガーを利用した従来の上記海綿鉄製造技術にあって、原料は、図１に示すように、酸化鉄２を、反応容器１内に円筒状に充填し、その円筒状酸化鉄２のまわりを取り囲むように固体還元剤３が充填されていると共に、その上下ならびに中央部にも充填されている。その結果、原料の充填後に反応容器１が加熱されると、まず固体還元剤堆積層内では、該還元剤３中の炭素が次式（１）のように反応してＣＯガスを発生する。
Ｃ＋ＣＯ2  →  ２ＣＯ                       …（１）
そして、このようにして発生したＣＯガスは、固体還元剤３層から粉状酸化鉄堆積層２内に達し、次式（２）；
FeＯn  ＋  ｎＣＯ  →  Fe  ＋  ｎＣＯ2      …（２）
の反応によって、酸化鉄２を還元するとともに、ＣＯ2ガスを発生する。さらに、そのＣＯ2ガスは、酸化鉄堆積層２中を拡散して再び該固体還元剤３の層に達し、その層内で炭素をＣＯガスに変える。
そして、前記反応容器１内に充填された粉状酸化鉄２は、酸化鉄２と固体還元剤３との接触点で起こる上記の反応を一定時間繰り返すことによって、全て還元され、また、この還元反応と同時に還元鉄どうしの焼結も進行して円筒状の海綿鉄となる。
式（２）によると、（一酸化炭素中炭素原子のモル数／酸化鉄中酸素原子のモル数）は、1.0である。言い換えれば、（固体還元剤中炭素原子のモル数／酸化鉄中酸素原子のモル数）は1.0である。以下、（固体還元剤中炭素原子のモル数／酸化鉄中酸素原子のモル数）を「モル比」と称する。
【０００４】
上記従来技術の特徴は、反応容器１内で生成したＣＯガスおよびＣＯ2ガスの、海綿鉄や固体還元剤３内への拡散が、還元反応の進行を律速していることにある。ところが、図１に示した充填構造をとる方法にあっては、粉状酸化鉄２と粉状固体還元剤３の層が図１（ｂ）の紙面、すなわち円筒の軸方向に沿った層状に分離されていることから、ＣＯガスおよびＣＯ2ガスの拡散距離が大きくなり、その分だけ還元に必要な時間が長くかかるという問題があった。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、原料の充填から海綿鉄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という問題があった。
即ち、図１に示すような円筒状充填方式では、製造する海綿鉄量を増やすためには、酸化鉄１層の層厚を厚くする必要があり、一方でそうすると、還元時間が長くなって金属性が低下する。
【０００５】
また、このような円筒状充填方式では、上記の反応で生成するＣＯガスは、どうしても密度の低い層である固体還元剤３の層の方を流れて反応容器１外に抜けてしまい、このガスが還元反応に効率よく寄与しないという問題、あるいは焼結が進行する段階で酸化鉄２の層が崩れないように、反応容器１と酸化鉄２との間や円筒状酸化鉄層の内側に固体還元剤３を前記の式（２）における酸化鉄中酸素量と一酸化炭素中炭素量、すなわち、酸化鉄中酸素量と固体還元剤中炭素量よりも、過剰（モル比で2.0超）に充填する傾向があるため、固体還元剤の原単位が悪化するという問題もあった。
【０００６】
さらには、従来の海綿鉄の製造方法においては、酸化鉄を円筒状に充填しているので、還元時間を短縮するために酸化鉄の厚さを薄くすると、反応容器１内で製造できる海綿鉄量が減少することになり、必ずしも還元時間の短縮と生産量の向上とにはつながらないという問題があったし、充填した酸化鉄が酸化鉄の荷重により、下部で膨らみ、予定した還元時間内では酸化鉄の還元が進行せず、未反応部が残るという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を有利に解決できる。すなわち、還元反応効率がよくて、生産性が高い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】
【０００８】
発明者らは、上述した課題を克服するために、ＣＯガスおよびＣＯ2ガスの拡散時間を短くすることに関しての多くの実験を行った。その結果、酸化鉄および固体還元剤の反応容器内への充填形態と、好ましくモル比を工夫すれば、上掲の目的を有利に達成できることを見い出し、本発明に想到した。
即ち、本発明は、反応容器内に酸化鉄および固体還元剤を充填し、加熱して酸化鉄を還元することにより、海綿鉄を製造する方法において、前記酸化鉄および固体還元剤が交互に水平層状もしくは交互に絡み合う螺旋状に堆積するように充填することを特徴とする海綿鉄の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、酸化鉄および固体還元剤を、水平層状で螺旋状に交互充填することによって、高純度（≧97 mass％）の海綿鉄を高い生産性を確保した上で製造することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る製造方法においては、反応容器内への原料（酸化鉄および固体還元剤）の充填方法を工夫した点に特徴があり、そのような充填形式を採用することによって、高い生産性を確保することができるようになるからである。即ち、本発明は、従来の図１に示すような方法、例えば、竪型円筒状の耐火物製反応容器内に、酸化鉄と固体還元剤とを軸方向（円筒の）に沿って同心円筒又は円柱状に充填する方法に代えて、酸化鉄と固体還元剤とを交互に水平層状に堆積させること、図３に示すように、酸化鉄の堆積層１２と固体還元剤の堆積層１３が螺旋状に絡み合う状態に充填する方法（以降、これらを「交互充填」方法という）を採用することにある。
なお、螺旋状に絡み合う状態で充填させる場合、酸化鉄および固体還元剤により形成する層の法線が鉛直方向（重力方向）と鉛直方向となす角度が４５°以下とするとよい。その理由は、反応容器内に該層を形成する際に、形成途上の層を構成する酸化鉄または固体還元剤が重力等により滑り落ちることを防止して、均一な層を効率的に形成できるからである。一方、生産性を考慮すれば３°以上とするとよい。
また、層状に充填する場合は、図２に示すように容器の軸方向に垂直な（水平）層とする。ここで、「水平」とは、酸化鉄および固体還元剤により形成する層の法線が鉛直方向（重力方向）に対して「実質平行」となることを指す。さらに、ここで「実質水平」とは、前記の法線と鉛直方向となす角度が１０°以内であることを指す。水平とする理由は、反応容器内に該層を形成する際に、形成途上の層を構成する酸化鉄または固体潤滑剤が重力等により滑り落ちることを防止して、均一な層を効率的に形成できるからである。
【００１１】
こうした酸化鉄と固体還元剤の交互充填方法では、酸化鉄と固体還元剤との充填に際して、酸化鉄層厚と固体還元層厚の絶対値、酸化鉄層厚と固体還元層厚の比を任意にしかも随時に、変更することができる。
【００１２】
原料を反応容器内に充填するに当たって、上述した交互充填を行うときの酸化鉄量および固体還元剤量の割合、とくに酸化鉄（酸素量）に対する必要還元剤量（炭素量）の割合は、前記式（２）とともに述べたように、酸化鉄の還元反応は、還元剤中のＣ原子１個と酸化鉄中のＯ原子１個とが反応して進むものとして決定される（モル比1.0）。一般には、酸化鉄中の酸素量より多い炭素量が還元剤として必要であり、従来法では、上述したように、過剰に還元剤を充填しており、2.0〜2.5倍の還元剤（モル比2.0〜2.5）を充填している。
【００１３】
図４は、交互充填（層状）、および円筒状充填を行った場合の酸化鉄中の酸素量に対する炭素量（モル比）と、酸化鉄量の厚さを変えて還元を行ったときの97 mass％鉄の海綿鉄を得る還元時間の推移を示すグラフである。
図４中において、従来法である円筒状充填（図１）の結果の一例を●印で示した。この従来法は、酸化鉄層の厚さを55 mmとし、炭素量／酸素量（モル比）を2.2としたとき、還元時間が５３時間もかかった。
一方、本発明適合例は、層状の交互充填（図２）で、酸化鉄層の厚さを15 mm、20 mm、30 mm、50 mmの場合についてそれぞれ還元実験を行った。その結果、厚さを薄くすることにより還元時間は短くなった。また、20 mm以上の厚さでは、モル比1.2以上になると還元時間はほぼ一定となったが、1.2未満では還元時間が長くなった。また、酸化鉄層の厚さが15 mmでは、モル比1.6以上で還元時間はほぼ一定となることがわかった。
なお、実験を繰り返し行った結果、酸素鉄の厚さが20 mm未満では、下記の関係が成りたつこともわかった。
モル比×酸化鉄層厚(mm)＝2.3〜2.5        （３）
酸化鉄層の厚さ20 mm未満では、上記（３）式を満足するように充填することにより、酸化鉄層厚さが決まれば、一義的に還元時間が決まり操業が安定し、また、得られる海綿鉄の品質も安定する。
【００１４】
反応容器内への原料の交互充填には、サガーと呼ばれる円筒状耐火物（SiＣなど）製の反応容器１１内に、酸化鉄１２と固体還元剤１３とを図２に示すように、交互に層状に充填するか、図３（ａ）に示すように、原料装入機１４を使って、螺旋状に絡み合うように交互充填する。なお、この螺旋状に充填するための前記原料装入機１４は、筒状本体の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（収容部）１７、１８には酸化鉄１２もしくは固体還元剤１３が装入でき、そして下端部には、図示しないスライドゲートなどを介して隙間調整の可能な切出し用開口１５、１６が設けられた回転装入筒14bを主体として構成されている。その開口１５、１６から並行して同時に切り出せば、螺旋状交互充填となり、開口のいずれか片側のみから切り出せば、水平層状の交互充填ができる。
【００１５】
このような原料装入機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内に上から挿入し、前記開口１５、１６の開口面積を調整した上で、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一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交互充填していけば足り、このようにして酸化鉄と固体還元剤とは共に、螺旋状交互に堆積した充填層が、反応容器１１内に形成される。
【００１６】
本発明において、このような水平層状もしくは螺旋状交互充填に当たって、酸化鉄の堆積層１２と固体還元剤の堆積層１３との各堆積層の厚みおよび層厚比を連続的もしくは間欠的に変化させていくことが可能である。それは、層厚比を一定に制御する場合の他に、層厚比を竪型反応容器１１の高さ方向、例えば、底部、中部、上部寄りと変えることを意味している。
そして、このような各層厚可変充填は、前記回転装入筒14bの回転速度、その上昇速度（迫り上げ速度）、および前記開口１５、１６の大きさの、いずれか１つ以上を調節することによって実現することができる。とりわけ、開口１５、１６の大きさをゲート開閉制御を通じて行うと、ガスの拡散抵抗や還元時間の延長、未反応部の発生を招くことなく、安定した操業を確保した上で、実現できるので好ましい。
【００１７】
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、少なくとも酸化鉄と固体還元剤とが必要になるが、その酸化鉄１２としては、鉄鉱石あるいは熱延工程で発生するミルスケール等の酸化鉄粉（粒径：0.05〜10 mm）を用いることが好ましい。また、固体還元剤１３としては、コークス粉、チャー、粘結性の石炭粉などの炭素質粉を使用することが好ましい。なお、この固体還元剤には、必要に応じてさらに石灰石や焼石灰の粉など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。
【００１８】
これら酸化鉄１２や固体還元剤１３は、前記反応容器１１内に、図３に示す原料装入機１４にて充填する。例えば、サガーと呼ばれる円筒状SiＣ製反応容器１１内に螺旋状に交互充填する。
そして、酸化鉄１２と固体還元剤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、次いで、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、還元のために所定の時間加熱される。この還元のための加熱温度は、1000〜1300 ℃程度とするのが好ましい。上記加熱温度が1000 ℃未満では、酸化鉄１２の還元が十分に進まない。一方。1300 ℃を超えると、還元と同時に進行する海綿鉄の焼結が過度に進み、硬くなり、その後の粉砕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。このため、加熱温度は1000〜1300 ℃の範囲とするのが好ましい。
この加熱による還元反応により、酸化鉄１２は固体還元剤１３により還元されて海綿鉄を生成する。
【００１９】
還元のための加熱後、生成した海綿鉄は反応容器１１から固体還元剤１３と分離して取り出す。反応容器１１から取り出された海綿鉄は、次に、粒径150μｍ以下程度までに粉砕され、仕上還元され、さらに粉砕されて還元鉄粉とされる。
【００２０】
上記還元処理工程では、炉内を台車上に載置されて移動する前記反応容器１１内酸化鉄は、まず200〜900 ℃程度の予備加熱域に２４時間程度加熱保持され、そして、1000〜1300 ℃の焼成帯域に３６時間以上保持される。その後は、200〜900 ℃程度の冷却域を経て、鉄の比率97 mass％以上、反応容器１１内で柱状に生成した塊状物の高さ（全厚）が2000 mm程度以下の大きさの海綿鉄を得ることができる。
【実施例】
【００２１】
実施例１１（図２の方法）：この例の充填のスケジュールは、原料送入機１４を用い、反応容器１１の底部にまず粉状還元剤１３を50 mmの厚みに充填し、次に、その上に粉状酸化鉄（ミルスケール）１２を40 mmの厚みに切り出して堆積させ、こうした充填スケジュールにて、反応容器１１の上端まで繰り返し充填した。なお、反応容器１１の上端には粉状還元剤（コークス粉）１３を充填する。この充填では還元剤中の炭素量と酸化鉄中の酸素量のモル比は1.6であった。
実施例１２（図３の方法）：この例は、本発明の他の例として、図３に示す螺旋状充填を行った例である。反応容器１１の底部に粉状還元剤（コークス粉）１３を堆積させ、その上に、酸化鉄用開口１５と還元剤用開口１６を有する円筒状装入筒14bを回転させながら、順次に迫り上げていくことにより、粉状酸化鉄（ミルケース）１２と粉状還元剤１３とが反応容器内を交互に螺旋状に連続的に充填される。
【００２２】
次に、原料を充填した上記耐火物製反応容器１１は台車に載置し、トンネル炉を通過させることにより、酸化鉄１２の加熱、還元が行われた。使用したトンネル炉の全長100ｍで、そのうち中央部40ｍの領域が雰囲気温度1150 ℃に調整された。このような条件下で鉄の比率97 mass％の海綿鉄製造操業を行った結果をまとめて表１に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１より明らかなように、本発明の実施例では、台車速度が従来例（図１の方法）の1.1ｍ／hrに対し、1.3ｍ／hrと18％速くなっている。なお、充填したミルスケール量は、従来例220 kg／容器に対して256 kg／容器と16％大きい。この結果、生産性が38％も向上していた。これにともない、加熱に要する海綿鉄単位質量当りの熱量も11470ＭＪ／tonから8820ＭＪ／tonへ約30％も削減できた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、機械部品や磁性材料などの焼結品、あるいは粉末のままで使用される還元鉄粉などの製造用原料となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の酸化鉄および固体還元剤充填方法を説明する断面図である。
【図２】本発明に係る酸化鉄および固体還元剤充填方法を説明する断面図である。
【図３】本発明の他の例における酸化鉄および固体還元剤充填方法を説明する断面図である。
【図４】本発明の実施における、モル比と還元時間の関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、１１  反応容器
２、１２  酸化鉄
３、１３  固体還元剤
１４  原料装入機
14a  中仕切り壁
14b  回転装入筒
１５、１６  開口
１７  酸化鉄収容部
１８  固体還元剤収容部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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