(57)【要約】【課題】低品位の鉄鉱石と低品位の炭材を用いて還元鉄が得られる塊成物を製造する方法を提供する。【解決手段】鉄鉱石と炭材を含む混合物を塊成化して製鉄用の塊成物を製造する方法であり、前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石を加熱して脱水した脱水鉄鉱石、前記炭材として、沸点が２００〜５００℃の物質を含む炭材を準備し、これらの混合物を塊成化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鉱石と炭材を含む混合物を塊成化して製鉄用の塊成物を製造する方法であって、
前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石を加熱して脱水した脱水鉄鉱石、
前記炭材として、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材を準備し、
これらの混合物を塊成化することを特徴とする塊成物の製造方法。
【請求項２】
鉄鉱石と炭材を含む混合物を塊成化して製鉄用の塊成物を製造する方法であって、
前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石、
前記炭材として、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材を準備し、
これらを混合しつつ加熱するか、混合した後に加熱してから塊成化することを特徴とする塊成物の製造方法。
【請求項３】
前記加熱を４００℃以下で行なう請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
鉄鉱石と炭材を含む混合物を塊成化して製鉄用の塊成物を製造する方法であって、
前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石を加熱して脱水した脱水鉄鉱石、
前記炭材として、分子量分布を測定したときにピーク強度が最も大きい分子の分子量が２００〜３００である炭材を準備し、
これらの混合物を塊成化することを特徴とする塊成物の製造方法。
【請求項５】
鉄鉱石と炭材を含む混合物を塊成化して製鉄用の塊成物を製造する方法であって、
前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石、
前記炭材として、分子量分布を測定したときにピーク強度が最も大きい分子の分子量が２００〜３００である炭材を準備し、
これらを混合しつつ加熱するか、混合した後に加熱してから塊成化することを特徴とする塊成物の製造方法。
【請求項６】
前記炭材として、軟化開始温度が３００℃以下の低温軟化炭材を用いる請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
前記炭材として、溶剤で原料炭材から抽出した可溶成分を用いる請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】
前記原料炭材として、褐炭を用いる請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法で得られた塊成物を炉で加熱し、還元鉄を製造することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鉱石と炭材を含む混合物の塊成物を炉に装入して加熱し、該塊成物中の鉄鉱石に含まれる酸化鉄を還元することによって還元鉄を製造する方法に関するものである。詳細には、低品位の原料を用いても上記還元の生産性を高めることのできる塊成物を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鉱石と炭材とを含む混合物から還元鉄を製造する直接還元製鉄法が開発されている。この製鉄法では上記混合物を成形した塊成物を炉に装入し、炉内で加熱バーナーによるガス伝熱や輻射熱で加熱することによって塊成物中の鉄鉱石に含まれる酸化鉄が還元され、還元鉄を製造できる（特許文献１）。
【０００３】
上記塊成物を加熱する炉（加熱炉）としては移動炉床炉、例えば回転炉床炉を用いることができる。回転炉床炉を用いた場合は、炉床上に装入した上記塊成物は炉内を１０分程度かけて１周する間に加熱され、上記炭材によって塊成物に含まれる酸化鉄が還元され、還元鉄として炉外へ排出される（ＦＡＳＴＭＥＴ法）。また、上記炉内において、加熱還元後に、更に加熱して還元鉄を一旦溶融させ、これを冷却すれば粒状金属鉄を製造できる（ＩＴｍｋ３法）。この炉内は酸化鉄の還元を促進するために、通常１３００〜１５００℃程度に加熱されている。しかし、省エネルギーの観点から還元鉄を１３００℃よりも低い温度で製造することが望まれる。
【０００４】
また、上記塊成物は、上述した移動炉床炉で加熱還元して還元鉄を製造する際に用いる以外に、高炉に装入して銑鉄を製造する際にも用いられる。即ち、高炉には、コークス層と鉄鉱石層が層状に重なるようにコークスと鉄鉱石が装入され、羽口から高温の空気を吹き込んでコークスを燃焼させる。このとき発生した還元性ガスで鉄鉱石中の酸化鉄を還元することによって銑鉄を製造できる。そして上記塊成物を上記鉄鉱石層に配合することによって塊成物内で酸化鉄と炭材の直接還元が起こり、ＦｅＯ−Ｆｅ平衡となる熱保存帯の温度を低下させることができる。そのため高炉で用いる還元剤比（例えば、Ｃ／Ｆｅ比）を低減できる。また、上記塊成物を上記鉄鉱石層に配合することにより、上記塊成物が燃焼して発生する還元性ガスによって鉄鉱石層中の酸化鉄の還元が促進される。更に、塊成物中の鉄成分の触媒作用により、銑鉄の生産効率が向上する。
【０００５】
ところで上記塊成物の原料となる上記鉄鉱石や上記炭材の品質は一様ではなく、様々な種類のものが知られている。
【０００６】
上記炭材としては瀝青炭や褐炭が知られている。瀝青炭は炭素含有率が高く、高品位炭と呼ばれており、褐炭は炭素含有率が低く、低品位炭と呼ばれている。近年では高品位炭の枯渇化が進行しており、低品位炭の利用が望まれている。ところが上記褐炭の埋蔵量は豊富であるが、褐炭の含水率は高く、また乾燥させると自然発火し易く、取扱いが難しいという問題がある。
【０００７】
一方、上記鉄鉱石についても、ヘマタイト鉱石のように結晶水を殆ど含有しない高品位の鉄鉱石や、リモナイト鉱石のように、結晶水を多く含有する低品位の鉄鉱石が知られている。高品位鉄鉱石の産出量は近年減少しており、低品位鉄鉱石の利用が検討されている。しかし低品位鉄鉱石は高品位鉄鉱石と比べると、焼結過程において強度低下や生産性の低下を来したり、また酸化鉄の還元に時間がかかり、更には還元に要する炭材量も増加する必要がある。
【０００８】
低品位鉄鉱石を製鉄で有効活用する技術として特許文献２の技術が提案されている。この文献では結合水を含有する鉱石を加熱し、結合水を水蒸気として脱水させることにより、シングルナノメートル径の細孔壁を有する多孔質化した特定の元素の酸化物を含有する多孔質鉱石を得ている。そして分子の大きさが前記細孔壁よりも一桁小さいサブナノメートルである有機化合物を含む有機液体又は有機ガスを上記多孔質鉱石に接触させることによって、有機化合物を前記多孔質鉱石の前記シングルナノメートル径の細孔壁に付着させている。この文献には上記有機化合物を含む有機ガスとして乾留ガスを用い、この乾留ガスを前記多孔質鉱石に接触させる事により乾留ガス中に含まれるメタンガスの分解によって生じるカーボンやタール等の有機化合物を上記多孔質鉱石に付着させることが記載されている。これによって、鉱石に含まれる酸化物と有機化合物に含まれる炭素とが接触するため、炭材に接触する鉱石中の酸化鉄の還元が容易になり、脈石成分を多く含む低品質の鉱石であっても精錬用の原料として利用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２５６０１７号公報
【特許文献２】特許第４２０６４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献２には、多孔質鉱石に付着させる炭素の含有量は、多孔質鉱石を乾留ガスに接触させる時間を調整することによって制御できると記載されている。しかしこの乾留ガスに含まれる有機化合物は、メタンのような低分子化合物であるため、多孔質鉱石の細孔壁に吸着させることは困難である。そのため、多孔質鉱石の細孔内に付着した有機化合物による炭素の付着量は、上記特許文献２に記載されているように、４．０４％であり、この炭素量は酸化鉄を完全に還元するための炭素最小必要量（９．２２％）の約半分である。また、酸化鉄の還元率は４１％に留まっており、更なる還元率の向上が望まれる。
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みて成されたものであり、その目的は、鉄鉱石と炭材を含む混合物を加熱して還元鉄を製造する際に用いる製鉄用の塊成物であって、低品位の鉄鉱石と低品位の炭材を用いて還元鉄が得られる塊成物を製造す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】
【００１２】
上記課題を解決することのできた本発明に係る塊成物の製造方法とは、鉄鉱石と炭材を含む混合物を塊成化して製鉄用の塊成物を製造する方法であり、前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石を加熱して脱水した脱水鉄鉱石、前記炭材として、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材を準備し、これらの混合物を塊成化する点に要旨を有している。
【００１３】
また、本発明に係る塊成物は、前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石、前記炭材として、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材を準備し、これらを混合しつつ加熱するか、混合した後に加熱してから塊成化しても製造できる。
【００１４】
前記加熱は、例えば、４００℃以下で行なうことが好ましい。
【００１５】
更に、上記塊成物は、前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石を加熱して脱水した脱水鉄鉱石、前記炭材として、分子量分布を測定したときにピーク強度が最も大きい分子の分子量が２００〜３００である炭材を準備し、これらの混合物を塊成化することによっても製造できる。
【００１６】
また、上記塊成物は、前記鉄鉱石として、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石、前記炭材として、分子量分布を測定したときにピーク強度が最も大きい分子の分子量が２００〜３００である炭材を準備し、これらを混合しつつ加熱するか、混合した後に加熱してから塊成化することによっても製造できる。
【００１７】
前記炭材としては、軟化開始温度が３００℃以下の低温軟化炭材を用いることが好ましい。前記点炭材としては、溶剤で原料炭材から抽出した可溶成分を用いることができる。この原料炭材としては、褐炭を用いることができる。
【００１８】
上述した製造方法で得られた塊成物を炉で加熱すれば、還元鉄を製造できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石と、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含むか、或いは分子量分布を測定したときにピーク強度が最も大きい分子の分子量が２００〜３００である炭材を準備し、前記鉄鉱石を脱水して得られる脱水鉄鉱石の内部に前記炭材を吸着させたものを成形して塊成物を製造している。従って本発明で得られる塊成物は、脱水鉄鉱石と低沸点炭材を密に接触できるだけでなく、脱水後の細孔内に多量の炭材を挿入することができるため、この塊成物を炉で加熱すると良好な還元鉄を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、炭材に占める沸点が２００〜５００℃の物質の割合を算出する手順を説明するための図である。
【図２】図２は、炭材が鉄鉱石の内部に浸透する様子を示す模式図である。
【図３】図３は、加熱温度に対する還元率の変化を示すグラフである。
【図４】図４は、試料断面を透過型電子顕微鏡で撮影した図面代用写真である。
【図５】図５は、Ｌｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅの分子量分布を示すチャートである。
【図６】図６は、Ｘ線回折の測定結果を示す図である。
【図７】図７は、塊成物の断面を透過型電子顕微鏡で撮影した図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明者らは、低品位の鉄鉱石と低品位の炭材を用いて還元鉄を製造する方法について鋭意検討を重ねてきた。その結果、低品位の鉄鉱石として結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石を準備し、低品位の炭材として沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材を準備し、前記鉄鉱石を脱水して得られる脱水鉄鉱石と前記炭材を接触させれば、図２に示すように、炭材が脱水鉄鉱石の内部に速やかに浸透することが明らかになった。即ち、結晶水含有鉄鉱石を脱水すると、鉄鉱石には開口直径が理想的には０．８ｎｍ程度（図２には、一例として０．８ｎｍと記載）の空隙が形成される。この空隙に炭材が吸着する。脱水鉄鉱石の内部に炭材が吸着するのは、沸点が２００〜５００℃の物質は比較的低温で軟化溶融しやすく、またガス化しない物質を炭材として残留させることができるからである。このように炭材が吸着することによって脱水鉄鉱石の内部で炭材が鉄鉱石と接触するため、この脱水鉄鉱石と上記炭材を含む混合物を塊成化して得られる塊成物を炉で加熱すれば還元鉄の還元を促進できる。以下、本発明について詳細に説明する。
【００２２】
本発明に係る製鉄用の塊成物は、
（１）鉄鉱石として、結晶水を含有する鉄鉱石を加熱して脱水した脱水鉄鉱石を準備し、炭材として、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材を準備し、これらの混合物を塊成化するか、
（２）鉄鉱石として、結晶水を含有する鉄鉱石を準備し、炭材として、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材を準備し、これらを混合しつつ加熱するか、或いは混合した後に加熱してから塊成化する
ことによって製造できる。
【００２３】
上記（１）の方法では、結晶水を含有する鉄鉱石を予め加熱して脱水し、脱水鉄鉱石を得ている。この脱水鉄鉱石と、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材とを混合することによって炭材を脱水鉄鉱石に吸着させることができる。
【００２４】
一方、上記（２）の方法では、鉄鉱石と炭材を混合する時点では、鉄鉱石は脱水しておらず結晶水を含有する鉄鉱石をそのまま用いている。この結晶水を含有する鉄鉱石と、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材とを混合しながら加熱するか、結晶水含有鉄鉱石と炭材とを混合した後に加熱することによって、上記鉄鉱石は脱水され、脱水後に形成される細孔に上記炭材を吸着させることができる。
【００２５】
このように、上記（１）、（２）の方法は、結晶水を含有する鉄鉱石を加熱して脱水するタイミングが相違している。上記（２）で規定するように鉄鉱石と炭材とを混合しながら加熱するか、混合した後に加熱することによって、上記（１）で規定するように事前に鉄鉱石を脱水するよりも、時間短縮できるため、生産性を向上させることができる。また、鉄鉱石と炭材とを混合しながら加熱するか、混合した後に加熱することによって、加熱に必要な熱エネルギーを削減できる。
【００２６】
上記加熱は、４００℃以下で行なうことが好ましい。加熱温度を高くするほど鉄鉱石の脱水を短時間で行なうことができるが、加熱温度が高くなり過ぎると鉄鉱石自体の焼結が起こり、結晶水の脱水時に形成された細孔が閉塞してしまう。そのため上記炭材を鉄鉱石の内部に吸着させることが困難となる。従って上記加熱温度は４００℃以下とすることが好ましく、より好ましくは３５０℃以下、更に好ましくは３００℃以下とするのがよい。加熱温度の下限は、例えば、２００℃である。加熱温度が２００℃を下回ると鉄鉱石に含まれる結晶水の脱水が困難となる。
【００２７】
一方、上記（１）、（２）の方法は、沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含む炭材を用いている点で一致しており、また加熱により脱水した後に形成される細孔に上記炭材を吸着させ、炭材と鉄鉱石とを接触させている点で一致している。こうした鉄鉱石と炭材を含む混合物の塊成物を炉で加熱することによって、鉄鉱石の還元を促進できる。
【００２８】
上記鉄鉱石としては、結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石を用いる必要がある。結晶水の含有量が５質量％を下回ると、加熱して脱水させたときに鉄鉱石の内部に形成される空隙体積が少なくなり、鉄鉱石に吸着される炭材量が減少し、炭材を吸着させることによる効果を享受できない。
【００２９】
上記結晶水の含有量の下限値を５質量％と定めたのは、次の理由による。まず、不純物がなく、ＦｅＯ（ＯＨ）またはＦｅ2Ｏ3のみで構成される酸化鉄を、還元率１００％（即ち、全量金属鉄）で還元するために必要な炭材を、ＦｅＯ（ＯＨ）の加熱によって形成される細孔に挿入するとした場合、必要な細孔の体積から結晶水量を計算すると７．９質量％となる。
【００３０】
ところが実際の鉄鉱石は不純物を１０質量％程度含有しており、また還元率の目標値は、通常、８０％以上である。こうした実際の事情を考慮すると下記式から算出されるように鉄鉱石に含まれている結晶水量は５．６９質量％以上であればよい。但し、鉄鉱石は細孔外に存在する炭素によっても還元され、また細孔外に付着する炭材の状態は鉄鉱石の粒度等の性状によって異なるため、こうした事情も考慮して多少の余裕をもって結晶水の下限値は５質量％と定めた。
７．９質量％×０．９×０．８＝５．６９質量％
【００３１】
なお、ＦｅＯ（ＯＨ）とＦｅ2Ｏ3のうち、結晶水を含んでいるのはＦｅＯ（ＯＨ）であり、このＦｅＯ（ＯＨ）は、加熱によって下記反応式に示されるようにＦｅ2Ｏ3とＨ2Ｏに分解される。
２ＦｅＯ（ＯＨ）→Ｆｅ2Ｏ3＋Ｈ2Ｏ
【００３２】
上記鉄鉱石に含まれる結晶水の量は、ＪＩＳ  Ｍ８２１１に基づいて測定できる。
【００３３】
上記炭材としては沸点が２００〜５００℃の物質を含む炭材を用いる必要がある。この炭材は鉄鉱石と混合する時点での温度域で軟化溶融するため、鉄鉱石の脱水により形成された細孔内に容易に吸着させることができる。また、上記特許文献２に記載されている乾留ガスは低分子量の成分であるため、この乾留ガスは鉄鉱石と気体の状態で接触することになり、鉄鉱石中に還元に必要な炭材を挿入させることはできない。一方、本発明によれば、上記炭材の沸点は鉄鉱石と混合時の温度に比べて高いため、鉄鉱石に形成させた細孔内に液体状で浸透させることができるため、鉄鉱石に多量の炭材を吸着させることができる。また、上記炭材は、鉄鉱石同士の接着力を高める作用も有しているため、上記鉄鉱石と上記炭材を混合して塊成物を製造することによって塊成物の強度を高めることができる。
【００３４】
上記沸点が２００℃を下回ると分子量が小さい化合物が多くなるため、鉄鉱石に形成された細孔に付着する炭材量が減少する。そのため鉄鉱石の還元を促進できない。従って上記炭材の沸点は２００℃以上とする。好ましくは２５０℃以上であり、より好ましくは３００℃以上である。しかし上記炭材の沸点が５００℃を超えると軟化溶融性が低下するため、上記鉄鉱石と混合しても、鉄鉱石の細孔に炭材が吸着しにくくなる。そのため鉄鉱石の還元を促進できなくなる。従って上記炭材の沸点は５００℃以下とする。好ましくは４５０℃以下であり、より好ましくは４００℃以下である。
【００３５】
本発明で用いる炭材は、上記沸点が２００〜５００℃の物質を２０質量％以上含有している必要がある。含有率が２０質量％を下回ると炭材の吸着量を充分に確保できないからである。上記含有率は５０質量％以上であることが好ましく、より好ましくは８０質量％以上である。上記含有率の上限は１００質量％であってもよいが、沸点が２００〜５００℃の物質からなる炭材を製造するにはコストがかかる。
【００３６】
上記炭材に占める上記沸点が２００〜５００℃の物質の含有率は次の手順で測定できる。
【００３７】
まず、ＪＩＳ  Ｋ０１２９に規定される熱重量分析（ＴＧ分析）によって上記炭材を加熱し、質量変化を測定する。熱重量分析は、不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス雰囲気）で、一定の昇温速度（例えば、１０℃／分）で炭材を加熱して行なえばよい。
【００３８】
一例として、図１の（ａ）に下記実験例で用いたＬｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅを熱重量分析した結果を示す。なお、熱重量分析は、Ｎ2ガス雰囲気で、昇温速度を１０℃／分として行なった。横軸は分析時の加熱温度、縦軸は熱重量分析に供した炭材の質量を１としたときの相対質量である。また、図１の（ｂ）に、上記図１の（ａ）に示した結果を１℃あたりの質量減少量に換算した結果を示す。図１の（ｂ）の横軸（下方に示した横軸）は分析時の加熱温度、縦軸は１℃あたりの質量減少量を示している。
【００３９】
次に、上記炭材の沸点を、ＪＩＳ  Ｋ２２５４に規定されるガスクロマトグラフ法蒸留試験方法に基づいて測定する。測定は、不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス雰囲気）で、一定の昇温速度（例えば、１０℃／分）で行い、具体的な測定条件は、上記熱重量分析と同じ条件とする。ガスクロマトグラフ法蒸留試験方法によれば、加熱したときの保持時間と炭材の沸点との関係が得られる。一方、上記図１の（ａ）、（ｂ）に示した横軸（下方に示した横軸）は加熱温度を示しているが、加熱時の昇温速度（ここでは、１０℃／分）に基づいて、この横軸を時間に換算できる。そこで、上記ガスクロマトグラフ法蒸留試験方法によって求めた保持時間と炭材の沸点との関係を、上記図１の（ｂ）の上方の横軸に併せて示す。
【００４０】
上記図１の（ａ）と（ｂ）から炭材中の沸点が２００〜５００℃の物質の含有率を算出できる。即ち、図１の（ｂ）の上方に示した横軸が２００℃と５００℃における炭材の質量を、上記図１の（ａ）から求める。具体的には、沸点が２００℃の物質が揮発した時点の炭材の相対質量は図１の（ａ）から１．０ｋｇ／ｋｇで、沸点が５００℃の物質が揮発した時点の炭材の相対質量は図１の（ａ）から０．６２ｋｇ／ｋｇと読み取れる。従って、炭材に占める沸点が２００〜５００℃の物質の相対含有量は、１．０−０．６２＝０．３８であり、含有率は３８％となる。
【００４１】
上記炭材としては、分子量分布を測定したときにピーク強度が最も大きい分子の分子量が２００〜３００の炭材を用いてもよい。分子量が２００〜３００の炭材は、沸点がほぼ２００〜５００℃になるからである。従って分子量が２００〜３００の化合物は、鉄鉱石の細孔に吸着しやすく、鉄鉱石の還元を促進する作用を有している。
【００４２】
上記炭材の分子量分布は、例えば、ゲル濾過クロマトグラフィー（ＧＦＣ；Ｇｅｌ  Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）により測定できる。
【００４３】
上記炭材のなかでも、軟化開始温度が３００℃以下の低温軟化炭材を用いることが好ましい。軟化開始温度が低いほど鉄鉱石の細孔内に炭材を低温で吸着させることができる。軟化開始温度は、鉄鉱石と炭材を混合する温度にもよるが、より好ましくは２００℃以下であり、更に好ましくは１００℃以下である。軟化開始温度が低いほど鉄鉱石の細孔内への浸透を促進させることができるが、軟化開始温度が０℃を下回る低温軟化炭材を高収率で製造することは炭材製造における回収率が低下するため軟化開始温度の下限値は０℃程度とする。
【００４４】
上記軟化開始温度は、ＪＩＳ  Ｍ８８０１に規定される流動性試験により測定できる。流動性試験では、ギーセラープラストメータを用いて軟化開始温度を測定すればよい。
【００４５】
上記炭材は、例えば、溶剤で原料炭材から抽出した可溶成分を用いることができる。
【００４６】
上記原料炭材としては、高品位炭と低品位炭のいずれを用いてもよいが、入手のしやすさや資源を有効活用する観点から、低品位炭を用いることが好ましい。低品位炭は、産出量が多く、資源としては豊富であるが、揮発分や水分を多く含むため工業的な用途は少ない。一方、溶媒抽出する原料として用いれば、揮発分や水分を多く含んでいても問題にはならない。よって低品位炭を用いることが推奨される。
【００４７】
上記低品位炭としては、例えば、褐炭を用いることができる。
【００４８】
上記褐炭の種類は特に限定されないが、例えば、Ｌｏｙ  Ｙａｎｇ（ＬＹ）、Ｍａｅ  Ｍｏｈ（ＭＭ）、Ｗａｒａ（ＷＡ）、Ｂｅｒａｕ  Ｂｉｎｕnｇａｎ（ＢＢ）、Ｍｕｋａｈ  Ｂａｌｉｎｇｉａｎ（ＭＢ）、Ｐｈｉｌｉｐｐｉｎｅ  Ｌｉｇｎｉｔｅ（ＰＨ）、Ａｄａｒｏ（ＡＤ）、Ｔａｎｉｔｏ  Ｈａｒｕｍ（ＴＨ）などを用いることができる。
【００４９】
上記原料炭材は、溶剤で可溶成分を抽出し易くするために、例えば、直径５ｍｍ程度以下（好ましくは３ｍｍ以下）に粉砕しておくことが好ましい。また、可溶成分を抽出する際には、抽出率を高めるために上記原料炭材と溶剤とをスラリー状に混合することが好ましい。この混合物を攪拌しつつ加熱すれば、上記原料炭材に含まれる溶剤に可溶な可溶成分が溶剤中に抽出される。
【００５０】
上記原料炭材から溶剤に可溶な成分を抽出するときに用いる溶剤としては、極性溶剤や芳香族溶剤を使用できる。極性溶剤としては、例えば、Ｎ-メチルピロリドンやピリジン等が用いられる。芳香族溶剤としては、一般的には、ベンゼン、トルエン、キシレン等の１環芳香族化合物や、ナフタレン、メチルナフタレン、ジメチルナフタレン、トリメチルナフタレン、テトラヒドロナフタレン（テトラリン；登録商標）等の２環芳香族化合物、アントラセン等の３環以上の芳香族化合物等が用いられる。また、２環芳香族化合物には、その他脂肪族側鎖をもつナフタレン類、また、これにビフェニルや長鎖脂肪族側鎖をもつアルキルベンゼンが含まれる。
【００５１】
上記可溶成分を抽出する温度は、例えば、３００〜４２０℃程度（特に、３３０〜４００℃程度）に設定することが好ましい。抽出温度が低過ぎると上記原料炭材に含まれる易ガス化成分を除去できないうえ、原料炭材を構成する成分の分子間結合力を弱めることが不充分となって可溶成分の抽出率が小さくなる。一方、抽出温度が高過ぎると原料炭材が熱分解して生成したラジカルの再結合が起こるため、可溶成分の抽出率が小さくなる。
【００５２】
上記可溶成分を抽出する時間は、例えば、１０〜１２０分程度（特に、３０〜６０分程度）とすればよい。抽出時間が長過ぎると抽出した可溶成分の熱分解反応が進行し、ラジカル重合反応が進むため可溶成分の抽出率が小さくなる。
【００５３】
上記可溶成分の抽出は、例えば、不活性ガス（例えば、窒素）の存在の下で行なえばよい。なお、抽出工程では、溶剤が沸騰しないように加圧する必要があり、圧力は、通常、０．８〜２．５ＭＰａ程度（特に、１〜２ＭＰａ）の範囲に調整すればよい。
【００５４】
上記結晶水を５質量％以上含有する鉄鉱石と上記炭材の混合比は、質量基準で、例えば、９０：１０〜２０：８０とすればよい。
【００５５】
上記鉄鉱石と上記炭材を含む混合物には、その他の成分としてＭｇＯ含有物質やＣａＯ含有物質などを配合してもよい。ＭｇＯ含有物質としては、例えば、ＭｇＯ粉末や天然鉱石や海水などから抽出されるＭｇＯ含有物質、或いはドロマイトや炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）などを用いることができる。ＣａＯ含有物質としては、例えば、生石灰（ＣａＯ）や石灰石（主成分はＣａＣＯ3）などを用いることができる。なお、軟化溶融した炭材は上記混合物のバインダーとしても作用するため、本発明ではバインダーの配合を省略してもよい。但し、上記混合物を常温で塊成物に成形する場合には、バインダーを添加することが好ましい。バインダーとしては、例えば、多糖類（例えば、小麦粉等の澱粉など）などを用いることができる。
【００５６】
上記混合物の塊成物の形状は特に限定されず、例えば、ペレット状やブリケット状などであればよい。
【００５７】
次に、上記塊成物を炉で加熱して還元鉄を製造する方法について説明する。
【００５８】
上記炉としては、加熱炉や高炉を用いることができる。加熱炉としては、移動炉床炉を用いることができる。移動炉床炉とは、炉床がベルトコンベアのように炉内を移動する加熱炉であり、具体的には、回転炉床炉が例示できる。回転炉床炉は、炉床の始点と終点が同じ位置になるように炉床の外観形状が円形（ドーナツ状）に設計されている。従って、回転方向の最上流側には塊成物を炉内に供給する装入手段が配置されると共に、回転方向の最下流側（回転構造であるため、実際には装入手段の直上流側になる）には排出手段が設けられる。
【００５９】
上記炉床上に供給された塊成物は、炉内を一周する間に加熱還元されて還元鉄を生成する。また、炉内で更に加熱して還元鉄を一旦溶融し、これを冷却すれば粒状金属鉄を製造できる。
【００６０】
上記塊成物中の酸化鉄を加熱炉内で加熱還元するときの条件は特に限定されないが、本発明の塊成物は、脱水鉄鉱石に低融点炭材が吸着するため鉄鉱石の還元が促進される。従って、炉内温度を１３００℃より低くても還元鉄を製造できる。よって炉の加熱に必要な熱量を削減できるため燃料消費量を低減できる。炉内温度は、例えば、９００〜１３００℃とすればよい。炉内の加熱には、バーナーを用い、該バーナーの燃焼条件を制御すれば、塊成物の温度を調整できる。一方、炉内温度を１３００℃よりも高くする場合には、上記塊成物の炉内での移動速度を通常よりも大きくすることができる。従って従来よりも生産性を高めることができる。
【００６１】
上記還元鉄を一旦溶融し、粒状金属鉄を製造する場合においても本発明の塊成物を用いれば金属鉄を従来よりも低温で製造でき、鉄の溶融開始以前の炉の加熱に必要な熱量を削減できるため、燃料消費量を低減できる。なお、炉内温度を従来通りとする場合には、上記塊成物の炉内での還元速度を従来よりも大きくできるため生産性を高めることができる。
【００６２】
上記塊成物を炉床上に供給するに先立って、炉床上には床敷材として炭材を予め敷いておくことが好ましい。床敷材は、炉床保護材として作用すると共に塊成物に含まれる炭素が不足したときの炭素供給源となる。
【００６３】
上記床敷材の厚みは特に限定されないが、例えば、３〜３０ｍｍとすることが好ましい。上記床敷材として用いる炭材としては、上記炭素質還元剤として例示したものを用いることができる。上記炭材としては、粒子径が０．５〜３．０ｍｍ程度のものを用いることが推奨される。
【００６４】
上記塊成物は、高炉へ装入して銑鉄を製造するための材料として用いてもよい。上記塊成物を鉄鉱石層に配合することによって、鉄鉱石層中の酸化鉄の還元が促進される。そのため高炉へ装入するコークス量を低減できる。
【００６５】
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勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００６６】
下記予備実験では、鉄鉱石としてγ−ＦｅＯ（ＯＨ）の純試薬を用い、炭材の代わりに軟化溶融性を示すイオン交換樹脂を用いて塊成物を製造し、これを加熱したときの様子を調べた。下記実験例では、鉄鉱石と炭材を用いて塊成物を製造するか、鉄鉱石と、溶剤で炭材から抽出した可溶成分とを用いて塊成物を製造し、これを加熱したときの様子を調べた。
【００６７】
［予備実験］
γ−ＦｅＯ（ＯＨ）の純試薬は、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒから入手した。この平均粒径は２５０μｍであった。上記純試薬に含まれる結晶水の量は、１０．２質量％であった。一方、軟化溶融性を示すイオン交換樹脂としては、三菱化学製のレジン「ＷＫ１１」を用いた。
【００６８】
上記純試薬と上記レジンを、質量比で、１５：８５の割合で混合した試料約２０ｍｇを、熱天秤（島津製作所、ＴＧ−５０Ｈ）にてＨｅ雰囲気下で１３５０℃まで加熱し、質量変化を測定するとともに、熱天秤の出口から排出される排ガスの成分組成をマイクロガスクロマトグラフ（Ｍｉｃｒｏ  ＧＣ  ＣＰ４９００、  ＧＬサイエンス）で分析した。加熱時の昇温速度は、１０℃／分とした。上記排ガス、および上記純試薬に含まれるＯ（酸素）の収支から還元率（ＲＲ）を算出した。
【００６９】
加熱温度に対する還元率の変化を図３に（ａ）の曲線で示す。なお、図３に（ｂ）〜（ｄ）で示した曲線は、後記する実験例の結果を示している。
【００７０】
次に、還元の様子を直接観察するために高速測定可能なＸＲＤ装置（ＲＩＧＡＫＵ製のＵｌｔｉｍａ  ＩＶ）を用いてＸＲＤ回折測定を行った。測定は上記試料約１００ｍｇをステージ上で加熱しながら行なった。上記加熱はＨｅ雰囲気で行い、加熱時の昇温速度は１０℃／分とした。
【００７１】
また、加熱途中の試料を取り出し、透過型電子顕微鏡（ＪＥＯＬ製のＪＥＭ−１０１０）による観察を行った。３００℃または４００℃で取り出した試料のＴＥＭ写真を図４に示す。また、加熱前の室温における試料（上記純試薬と上記レジンを混合した試料）のＴＥＭ写真を図４に示す。
【００７２】
図４から明らかなように、上記純試薬と上記レジンを混合した試料にはレジンの侵入は認められなかった。一方、３００℃に加熱した試料、および４００℃に加熱した試料については、上記純試薬に含まれる結晶水が脱水されて形成された細孔に上記レジンが侵入していることが分かった。
【００７３】
次に、加熱途中で取り出した試料の表面積をＢＥＴ法で測定した。その結果、上記純試薬と上記レジンを混合した試料の表面積は、６８．６ｍ2／ｇ−ＦｅＯ（ＯＨ）、３００℃に加熱した試料の表面積は、１３３．６ｍ2／ｇ−ＦｅＯ（ＯＨ）、４００℃に加熱した試料の表面積は、２１．４ｍ2／ｇ−ＦｅＯ（ＯＨ）であった。
【００７４】
４００℃に加熱することによってγ−ＦｅＯ（ＯＨ）の焼結が進行したため、比表面積がやや減少したと考えられる。そのため上記純試薬に侵入するレジン量は、３００℃に加熱した試料よりも少なくなると考えられる。
【００７５】
［実験例］
下記表１に示す成分組成の鉄鉱石粉と、下記表２に示す成分組成の炭材（Ｌｏｙ  Ｙａｎｇ）または溶剤で炭材から抽出した可溶成分（Ｌｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅ）を、下記表４に示す配合比で混合して試料を調製した。各鉄鉱石粉の粒径を下記表１に併せて示す。また、下記表２において水分は、炭材に含まれる水分を示しており、灰分と揮発分は、炭材を乾燥させて測定した値を示している。
【００７６】
下記表１に示したＳＦ．ローブリバーは、ＦｅＯ（ＯＨ）を約９０質量％以上含有する低品位鉄鉱石である。下記表１に示したＰＦ．ツバロンは、ＦｅＯ（ＯＨ）を殆ど含まない高品位鉄鉱石である。
【００７７】
下記表２に示したＬｏｙ  Ｙａｎｇは豪州褐炭である。下記表３にｄ．ａ．ｆ．の元素分析を行った結果を示す。なお、ｄ．ａ．ｆ．とは、炭材から水分と灰分を除いた有機質の質量を意味している。
【００７８】
下記表２に示したＬｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅは次の手順で調製した。即ち、下記表２に示したＬｏｙ  Ｙａｎｇ（１５ｇ−ｄ．ａ．ｆ．）を容量３５０ｃｍ3のＳＵＳ製オートクレーブに充填した後、溶剤として濃度が１ｍｏｌ／Ｌのメチルナフタレンを約３００ｃｍ3供給し、これを３５０℃で３時間保持して加熱した。また、オートクレーブの下部には、開口径０．５μｍのフィルターを設けた。
【００７９】
加熱後、その温度のままフィルターの下に設けられたバルブを開放して抽出液と抽出されない成分をろ過分離した。取り出した抽出液を常温まで冷却し、更にろ過することによって常温で析出する成分と常温でも溶剤に可溶な成分を分離した。この常温でも溶剤に可溶な成分からロータリーエバポレータによって溶剤を除去し、固体（Ｌｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅ）を得た。
【００８０】
得られたＬｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅの元素分析を行った結果を下記表３に示す。
【００８１】
次に、得られたＬｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅに占める沸点が２００〜５００℃の物質の割合を上述した手順で測定した。その結果、沸点が２００〜５００℃の物質の割合は３８質量％であった。
【００８２】
また、得られたＬｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅの軟化開始温度はギーセラープラストメータを用いて測定した。その結果、軟化開始温度は、５０〜８０℃であった。なお、Ｌｏｙ  Ｙａｎｇは、沸点を測定できなかった。
【００８３】
次に、Ｌｏｙ  Ｙａｎｇ  Ｓｏｌｕｂｌｅの分子量分布をＧＰＣにて測定した。その結果を図５に示す。図５から明らかなように、ピーク強度が最も大きい分子の分子量は、２８０であった。
【００８４】
次に、得られた試料約２０ｍｇを上記予備実験と同じ条件で加熱し、質量変化を測定すると共に熱天秤の出口から排出される排ガスの成分組成を分析した。加熱温度に対する還元率の変化を上記図３に合せて示す。図３において、曲線（ｂ）は下記表４に示したＮｏ．１の結果、曲線（ｃ）は下記表４に示したＮｏ．２の結果、曲線（ｄ）は下記表４に示したＮｏ．３の結果を夫々示している。
【００８５】
表４および図３から次のように考察できる。Ｎｏ．１［曲線（ｂ）］は、本発明で規定する要件を満足している例であり、約９００℃に加熱することによって、ほぼ完全に還元できることが分かる。即ち、比較的低温の加熱で還元できることが分かる。一方、Ｎｏ．２［曲線（ｃ）］、およびＮｏ．３［曲線（ｄ）］は、１１００℃に加熱しても還元できなかった。また、１３００℃に加熱した場合でも還元が完全に終わらなかったことを確認している。
【００８６】
次に、Ｎｏ．１について加熱を５００℃で停止したとき、９００℃に加熱した直後、および加熱後に冷却した時点においてＸ線回折測定を行った。Ｘ線回折の測定結果を図６に示す。その結果、加熱温度が５００℃の場合には、充分に還元されておらずＦｅ3Ｏ4が一部残っていた。一方、９００℃に加熱すると還元が完了し、Ｆｅのピークのみが検出された。このＦｅのピークは冷却後も検出された。
【００８７】
次に、加熱を５００℃で停止して得られた塊成物の断面を、透過型電子顕微鏡を用いて写真撮影した。撮影した図面代用写真を図７に示す。図７から鉄鉱石の細孔の間に、炭材が侵入していることが分かる。
【００８８】
【表１】
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【００８９】
【表２】
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【００９０】
【表３】
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【００９１】
【表４】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図７】
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