(57)【要約】【課題】高品質の還元鉄を低コストで製造することができる還元鉄の製造方法を提案する。【解決手段】竪型の還元炉１の上部から酸化鉄含有物質４を装入し、還元炉１の内部を還元雰囲気にして酸化鉄含有物質４に含まれる酸化鉄を還元することにより還元鉄５を製造する方法において、還元炉１の側壁は下方から上方に向かって拡径されており、還元炉１の下部から固体還元剤および支燃剤を導入し、固体還元剤の揮発分のみを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、還元炉１内の上部に固体還元剤に含まれる固定炭素分からなる粉体層６を形成し、該粉体層６に支燃剤を供給して固定炭素分の少なくとも一部を燃焼させて還元ガスを生成し、還元炉１の内部に還元雰囲気を形成することを特徴とする。【選択図】図１
2016089180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
竪型の還元炉の上部から酸化鉄含有物質を装入し、前記還元炉の内部を還元雰囲気にして前記酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造する方法において、
前記還元炉の側壁は下方から上方に向かって拡径されており、
前記還元炉の下部から固体還元剤および支燃剤を導入し、前記固体還元剤の揮発分のみを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、前記還元炉内の上部に前記固体還元剤に含まれる固定炭素分からなる粉体層を形成し、
該粉体層に支燃剤を供給し、前記固定炭素分の少なくとも一部を燃焼させて還元ガスを生成して前記還元炉の内部に前記還元雰囲気を形成することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【請求項２】
前記燃焼ガスの流速は０．０７ｍ／秒未満である、請求項１に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項３】
前記粉体層の温度は８５０℃以上１１５０℃以下である、請求項１または２に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項４】
前記酸化鉄含有物質の粒径は７０μｍ以上３０ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項５】
前記還元炉が複数段構造を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項６】
前記酸化鉄含有物質は、焼結鉱の篩下粉、粉状の鉄鉱石、およびミルスケールのいずれか、あるいはそれらの組み合わせである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の還元鉄の製造方法。
【請求項７】
前記固体還元剤は、石炭、合成樹脂材、および木材のいずれか、あるいはそれらの組み合わせである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の還元鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は還元鉄の製造方法に関し、特に、高品質の還元鉄を低コストで製造することができる還元鉄の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気炉などで溶解して鉄鋼を製造するための原料として使われる還元鉄を製造するために、鉄鉱石等の酸化鉄含有物質を還元するためのプロセスが数多く報告されている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、竪型の還元炉の上部から鉄鉱石等の酸化鉄含有物質を装入し、炉の下部から強還元性の気体を高温で吹込むことにより還元鉄を製造する技術が提案されてきている。
【０００４】
また、特許文献１には、回転炉床炉に炭材と酸化鉄含有物質の混合物を塊状に成形して装入し、バーナーで加熱することにより高温条件にして酸化鉄を炭材で還元する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−６４４２２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】社団法人  日本金属学会編、金属化学入門シリーズ、第２巻、鉄鋼製錬、丸善、２０００年、ｐ．２１０−２１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、非特許文献１に開示された方法では、酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元するために強還元性の気体を必要とし、この強還元性の気体を得るためのガス改質装置が必要となるため、建設コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
また、特許文献１に開示された方法は、炭材と酸化鉄含有物質の混合物を塊状に成形するための設備として、例えばブリケット製造装置やペレタイザーなどの設置が必要となり、これも建設コストが高くなるという問題を生じることになる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、高品質の還元鉄を低コストで製造することができる還元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】
【００１０】
発明者らは上記課題を解決するために、還元ガスを製造する装置を別途設けることなく還元ガスを生成して還元炉内に還元雰囲気を形成する方途について検討した。その結果、炭素を含む石炭等の固体還元剤を酸素等の支燃剤とともに還元炉の下部から導入して、固体還元剤の揮発分（Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｍａｔｔｅｒ、ＶＭ）のみを燃焼させることを想到し、これにより、固体還元剤に含まれる固定炭素分が炉の上部に上昇して粉体層が炉内の上部に形成されることが判明した。そして、この粉体層に支燃剤を供給することにより炉内に強還元雰囲気を形成することができ、高品質の還元鉄を製造できることを見出した。
【００１１】
しかし、固体還元剤および支燃剤を還元炉の下部から単に導入するだけでは、固体還元剤および支燃剤の導入量（吹き込み量）によっては、形成された固定炭素分の粉体が炉の上部から排出されてしまい、還元ガスの濃度が低下して強還元雰囲気とすることが困難になる場合があることが判明した。そこで、固定炭素分の粉体の排出を抑制して安定した粉体層を形成する方途について鋭意検討した結果、還元炉の側壁を下方から上方に向かって拡径する構造とすることが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）竪型の還元炉の上部から酸化鉄含有物質を装入し、前記還元炉の内部を還元雰囲気にして前記酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造する方法において、前記還元炉の側壁は下方から上方に向かって拡径されており、前記還元炉の下部から固体還元剤および支燃剤を導入し、前記固体還元剤の揮発分のみを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、前記還元炉内の上部に前記固体還元剤に含まれる固定炭素分からなる粉体層を形成し、該粉体層に支燃剤を供給し、前記固定炭素分の少なくとも一部を燃焼させて還元ガスを生成して前記還元炉の内部に前記還元雰囲気を形成することを特徴とする還元鉄の製造方法。
【００１３】
（２）前記燃焼ガスの流速は０．０７ｍ／秒未満である、前記（１）に記載の還元鉄の製造方法。
【００１４】
（３）前記粉体層の温度は８５０℃以上１１５０℃以下である、前記（１）または（２）に記載の還元鉄の製造方法。
【００１５】
（４）前記酸化鉄含有物質の粒径は７０μｍ以上３０ｍｍ以下である、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の還元鉄の製造方法。
【００１６】
（５）前記還元炉が複数段構造を有する、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の還元鉄の製造方法。
【００１７】
（６）前記酸化鉄含有物質は、焼結鉱の篩下粉、粉状の鉄鉱石、およびミルスケールのいずれか、あるいはそれらの組み合わせである、前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の還元鉄の製造方法。
【００１８】
（７）前記固体還元剤は、石炭、合成樹脂材、および木材のいずれか、あるいはそれらの組み合わせである、前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の還元鉄の製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、固体還元剤と支燃剤を還元炉の下部から導入して固体還元剤の揮発分のみを燃焼させて炉内の上部に固体還元剤の固定炭素分からなる粉体層を形成し、この粉体層に支燃剤を供給することにより、還元炉内に強還元性雰囲気を低コストで形成することができる。また、還元炉の側壁を下方から上方に向かって拡径させたことにより、炉内の上部に粉体層を安定して形成することができ、高品質の還元鉄を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（Ａ）は本発明の還元鉄の製造方法に用いる好適な還元炉の一例を示す図であり、（Ｂ）は冷却用の気体をロータリーバルブの直上部より吹き込む構成を示す図である。
【図２】酸化鉄含有物質の粒径と到達還元率との関係を示す図である。
【図３】粗大な酸化鉄含有物質を用いた場合の還元鉄の断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の還元鉄の製造方法は、竪型の還元炉の上部から酸化鉄含有物質を装入し、還元炉の内部を還元雰囲気にして酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造する方法である。ここで、還元炉の下部から固体還元剤および支燃剤を導入し、固体還元剤の揮発分（Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｍａｔｔｅｒ、ＶＭ）のみを燃焼させて燃焼ガスを発生させること、および還元炉の側壁を下方から上方に向かって拡径するように構成することが肝要である。
【００２２】
前者により、固体還元剤のＶＭと支燃剤に含まれる酸素とが反応して燃焼ガス（二酸化炭素、一酸化炭素および水蒸気）が発生し、燃焼ガスによる上昇気流により、炉内の上部に固体還元剤に含まれる固定炭素からなる粉体層が形成される。この粉体層に支燃剤を供給すると還元ガスが生成され、別途還元ガスを用意せずとも炉内に強還元雰囲気を形成することができる。
【００２３】
また、後者により、固体還元剤に含まれるＶＭの燃焼により生じた燃焼ガスの流速を上方に向かうにつれて減速させることができ、炉内の上方に安定した粉体層を形成して、還元ガスの濃度を高めてより高品質の還元鉄を製造することができる。
【００２４】
図１は、本発明の還元鉄の製造方法に用いる好適な還元炉の一例を示している。この図に示す竪型の還元炉１は、上部に酸化鉄含有物質を装入する装入口１ａと、排ガスを排出する排ガス排出口１ｂとを有している。また、炉体１の下部には、還元鉄５の排出口１ｅを有し、側面には固体還元剤および支燃剤の吹き込み口１ｆを有している。この吹き込み口１ｆには、支燃剤吹き込みライン２ａと固体還元剤吹き込みライン３とが連結されている。さらに、炉体１の中段には、縮流部１ｃを有し、縮流部１ｃの上部側面に支燃剤の吹き込み口１ｄを有し、この吹き込み口１ｄには支燃剤吹き込みライン２ｂが接続されている。以下、この還元炉１を用いた還元鉄の製造方法について具体的に説明するが、これに限定されない。
【００２５】
まず、装入口１ａから酸化鉄含有物質４を還元炉１内に装入する。その際、炉１の下部に酸化鉄含有物質４が充填されるまでは還元鉄排出口１ｅを閉じて、排出口１ｅから酸化鉄含有物質４が排出しないようにする。装入された酸化鉄含有物質４の高さ（レベル）が縮流部１ｃに到達した時点から、排出口１ｅを開いて酸化鉄含有物質４を排出させ、酸化鉄含有物質４の装入量と排出量とをバランスさせて、酸化物含有物質４のレベルが一定となるように調節する。すなわち、この調節により還元炉１の下部には酸化鉄含有物質４の移動層が形成される。
【００２６】
ここで、酸化鉄含有物質４は、還元鉄の原料となる酸化鉄を含有する物質であり、酸化鉄を含有するものであれば特に限定されない。例えば、焼結鉱の篩下粉、粉状の鉄鉱石、およびミルスケール等のダスト類を用いることができる。また、これらを組み合わせて使用することもできる。
【００２７】
また、酸化鉄含有物質４の粒径は、７０μｍ以上３０ｍｍ以下とすることが好ましい。粒径が７０μｍ以上であれば、酸化鉄含有物質４は粉体層６内を降下することができ、排ガス排出口１ｂから排ガスとともに排出されて、収率（鉄歩留り）が低下するのを抑制することができる。また、発明者らは、実験を繰り返し行うことにより酸化鉄含有物質４の粒径と到達還元率との関係を調査した。その結果、図２に示すように、粒径が７０μｍ以上であれば、還元率が８５％以上の高品質の還元鉄が得られるが、粒径が３０ｍｍを超えると還元率が低下した。そこで、酸化鉄含有物質４の粒度範囲は、７０μｍ以上３０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２８】
粒径が７０μｍ未満の微粉のものは、プレス成型により圧粉して固めるか、セメント等のバインダーにより固化して７０μｍ以上３０ｍｍ以下の粒度範囲とすることが可能である。また、粒径が３０ｍｍを超える粗粒のものは、粉砕して７０μｍ以上３０ｍｍ以下の粒度範囲とすることができる。なお、３０ｍｍを超える粗粒の粒子の断面を観察したところ、図３に模式的に示した構造を有しており、内部が還元されていないことが判明した。これは、粗粒の場合には、表面の還元鉄の層が抵抗となって還元ガスが内部に浸透できず、これにより内部が還元されずに還元率が低下したものと推定される。
【００２９】
こうして酸化物含有物質４の装入を行う一方、固体還元剤を支燃剤とともに吹き込み口１ｆより吹き込む。その際、支燃剤吹き込みライン２ａより吹き込む支燃剤の量は、固体還元剤のＶＭのみを完全に燃焼させる量とすることが肝要である。これにより、固体還元剤中の固定炭素分は、燃焼することなく炉１内に吹き込まれ、炉１内の上部に固定炭素分からなる粉体層６を形成することができる。
【００３０】
ここで、固体還元剤としては、炭素を含む材料を使用し、例えば石炭を用いることができる。また、固体還元剤の一部として、合成樹脂（代表的なものとしてポリエチレン、ポリスチレン、ＰＥＴ、塩化ビニル等、およびこれらの混合物）や木材を使用することができ、さらにこれらの廃棄物（いわゆる使用済みプラスチックやバイオマス）を使用することもできる。
【００３１】
また、支燃剤としては、酸素や空気、および酸素富化空気等を用いることができる。これらのうち、空気に含まれる窒素は炉内の反応に寄与せず炉頂から排出され、排出ガスの発熱量を低下させることから、酸素または酸素濃度の高い酸素富化空気を用いることが好ましい。
【００３２】
上述のように、支燃剤吹き込みライン２ａより吹き込む支燃剤の量は、支燃剤とともに吹き込む固体還元剤のＶＭを完全燃焼させる量とする。この吹き込み量の算出には、固体還元剤の吹き込み量ＷＲ（ｋｇ／時）に加えて、固体還元剤の分析値として工業分析による揮発分量％ＶＭ（質量％）および固定炭素量％ＦＣ（質量％）と、元素分析により得られる炭素濃度％Ｃ（質量％）、水素濃度％Ｈ（質量％）および酸素濃度％Ｏ（質量％）が必要である。
【００３３】
固体還元剤の分析値より、
固体還元剤の揮発分中のＣ量（Ｋｍｏｌ／時）：Ｃ１=（ＷＲ／１２）×（％Ｃ−％ＦＣ）                                                    ・・・（式１）
固体還元剤の揮発分中のＨ量（ｋｍｏｌ／時）：Ｈ１=（ＷＲ／１）×（％Ｈ）                                                    ・・・（式２）
固体還元剤の揮発分中のＯ量（ｋｍｏｌ／時）：Ｏ１=（ＷＲ／１６）×（％Ｏ）                                                    ・・・（式３）
が算出される。
【００３４】
固体還元剤のＶＭ中のＣの燃焼に必要な酸素量ＯＣ（ｋｍｏｌ／時）は、
ＯＣ=２×Ｃ１                                        ・・・（式４）
であり、固体還元剤の揮発分中のＨの燃焼に必要な酸素量ＯＨ（ｋｍｏｌ／時）は、
ＯＨ＝２×Ｈ１                                        ・・・（式５）
であるから、ＯＣとＯＨの和からＯ１を差し引くことにより、支燃剤の吹き込み量が求まる。すなわち、支燃剤吹き込みライン２ａより吹き込む支燃剤の量ＯＡ（ｋｍｏｌ／時）は、
ＯＡ=ＯＣ＋ＯＨ−Ｏ１                                ・・・（式６）
である。
【００３５】
炉１内に吹き込まれた支燃剤は、固体還元剤中のＶＭと以下のような反応を起こす。
一段階目
Ｏ2（支燃剤中）+Ｃ（ＶＭ中）=ＣＯ2                ・・・  （式７）
Ｏ2（支燃剤中）+Ｈ（ＶＭ中）=Ｈ2Ｏ                ・・・  （式８）
二段階目
ＣＯ2+Ｃ（固体還元剤中の固定炭素分）=２ＣＯ       ・・・  （式９）
Ｈ2Ｏ+Ｃ（固体還元剤中の固定炭素分）=ＣＯ＋Ｈ2    ・・・  （式１０）
【００３６】
一段階目の反応により、ＶＭが燃焼して燃焼ガスである二酸化炭素および水蒸気が発生し、この燃焼ガスが上昇気流を形成して固体還元剤に含まれる固定炭素分を上昇させて粉体層６が形成される。
【００３７】
また、二段階目の反応により、熱と還元性ガス（一酸化炭素ガスおよび水素ガス）が発生するが、これらは炉１の下部において酸化鉄含有物質４を加熱し、一部還元反応を生じて部分還元鉄５が形成される。以下、上記「部分還元鉄」を「還元鉄」と称する。上記炉下部の固体還元剤の吹き込みは、固体還元剤のＶＭのみを燃焼させることを目的としているため、固体還元剤を特に微粉砕しておく必要はなく、通常の石炭で粗大粒を篩分けする程度で問題ない。もちろん、別途微粉炭バーナー等を用いた設備が存在し、微粉炭が製造できる場合には微粉炭を使用してもよい。
【００３８】
固体還元剤の固定炭素分は、上記反応により生じた燃焼ガスの気流により上方へ吹き上げられるが、炉１の縮流部１ｃよりも上方に到達すると、炉１の側壁が拡径されているためにガスの流速が低下して炉１内の上部に滞留するようになる。従って、操業開始直後は、時間とともに固体還元剤の固定炭素分からなる粉体層６はその層高を増していく。こうして、還元炉１内の少なくとも上部に固定炭素分からなる粉体層６が形成される。
【００３９】
炉１内を上昇する粉体層６内のガス流速については、粉体（固定炭素分）が飛散しない（すなわち、炉１から排出されない）流速とすることが好ましい。上昇気流中における粉体の速度は下記の式１１で表される（佐藤他、鉄と鋼、８７（２００１）、ｐ．３６７参照）。
【００４０】
【数１】
2016089180.tif 000003
【数２】
2016089180.tif 000004
【数３】
2016089180.tif 000005
ここで、ｕpは速度、ｔは時間、ｇは重力加速度、ρは密度、Ｃdは抵抗係数、ｄは粒径、μはガスの粘性であり、添え字のｐは粒子、ｇは気体（ガス）を意味している。
【００４１】
上記式１１を解いて、ｕpの値が負であれば粉体（固定炭素分）が下降、正であれば上昇することを意味している。上述のように、固体還元剤に含まれるＶＭの燃焼により、固体還元剤に含まれる固定炭素分が上昇して粉体層６を形成するが、粉体層６を炉１内に高密度で留めて高濃度の還元雰囲気を形成するためには、炉１の上部（装入口１ａ）でのガス速度が０となるようにガス流速を制御することが好ましい。その場合、ｕp＝０の時のｕgの値が限界のガス流速である。
【００４２】
発明者らは、様々な固体還元剤に由来する固定炭素分の粒径を測定した結果、由来に関わらず数十μｍ付近に集中しており、代表的な粒径は７５μｍ程度、密度は１ｇ／ｃｍ3程度であることが判明した。そこで、上記式１１〜１３にこれらの値を代入して計算すると、上記限界のガス流速は０．０７ｍ／ｓと算出された。実際、後述する実施例に示すように、ガス流速を０．０７ｍ／ｓ未満とすることにより、粉体層６が安定して形成されて還元率の高い高品質の還元鉄が得られた事実からも、粉体層６のガス流速は０．０７ｍ／ｓ未満とすることが好ましいことが分かる。
【００４３】
上述のように、粉体層６を構成する固定炭素分を上昇させるガスは、式９および式１０において発生する還元性ガス（一酸化炭素ガスおよび水素ガス）であり、支燃剤として空気が使用される場合には酸素ガス以外の窒素ガス等も含まれる。これらのガス流速は、炉１の下部に吹き込む固体還元剤および支燃剤の量を制御することにより制御することができる。具体的な吹き込み量は、炉１のサイズ等に依存するため一概に規定できないが、固体還元剤および支燃剤の吹き込み量を増やせば、式７〜式１０の反応により生じるガス量が増えてガス流速も増加するため、固体還元剤および支燃剤の吹き込み量を調節することにより、固定炭素分が炉１内に留まるように適切に制御することができる。
【００４４】
続いて、粉体層６のレベルが十分に高くなったときに、支燃剤吹き込みライン２ｂにより輸送されてきた支燃剤を支燃剤吹き込み口１ｄから還元炉１内に吹き込む。これにより、固体還元剤の固定炭素分はガス化し、上記した式９および式１０の反応に従って熱と還元ガス（一酸化炭素）を発生する。その際、支燃剤１ｄから吹き込む支燃剤の量は、粉体層６のレベル（高さ）が一定となるように制御する。
【００４５】
粉体層６内の温度は８５０℃以上１１５０℃以下とすることが好ましい。８５０℃以上とすることにより、還元反応の反応速度および還元鉄の還元率を低下させることなく還元鉄を製造させることができる。また、１１５０℃を超えると、粉体層６の内部で一部の酸化鉄含有物質が融着して、炉壁等に付着する場合があり、操業が不安定化する可能性があるが、１１５０℃以下であれば、このような不具合を防止することができる。
【００４６】
粉体層６内の温度は、具体的には、酸化鉄含有物質４の供給量を調整することにより調節することができる。すなわち、酸化鉄含有物質４の供給量を増加させると、粉体層６の温度は低下する。一方、酸化鉄含有物質４の供給量を低下させると、粉体層６の温度は上昇する。このように、還元炉１に装入する酸化鉄含有物質４の装入量を調節することにより、粉体層６内の温度を最適な温度に調整することができる。
【００４７】
また、粉体層６の温度は支燃剤の吹込み量によっても調整することができる。温度を上昇させたい場合には、粉体層６のガス流速が限界を超えない範囲で支燃剤を増加させればよい。温度を低下させたい場合は支燃剤の量を低減すればよい。
【００４８】
支燃剤吹き込み口１ｄから吹き込む支燃剤の量は、固定炭素分をガス化するに必要な量である。固体還元材の固定炭素分の一部は式９および式１０に示した反応でガス化する。したがって、粉体層６に供給される固定炭素の量ＦＣ２（ｋｍｏｌ／時）は、
ＦＣ２＝ＷＲ×％ＦＣ−Ｃ１−（Ｈ１）／２            ・・・（式１４）
で表される。
【００４９】
このＦＣ２の量の炭素を上記式７〜１０に従ってＣＯまでガス化するのに必要な酸素量は、等モル反応であるから、必要な支燃剤の吹き込み量もまたＦＣ２である。上記の式１４に従って、支燃剤吹き込みライン２ａまたは支燃剤吹き込み口１ｄから吹き込む支燃剤の量を調整する。支燃剤として空気を用いる場合には、窒素の量を考慮して正味の酸素量がＯＡまたはＦＣ２になるようにすればよい。
【００５０】
こうして、炉１の上部、すなわち支燃剤の吹き込み口１ｄの周囲には常に固体還元剤の固定炭素分が充満した状態となる。その結果、式７〜式１０の反応が進行して、炉１内には強還元雰囲気が形成される。吹き込み口１ｄより吹き込む支燃剤の量は、供給される固定炭素分とバランスさせることが重要となる。
【００５１】
酸化鉄含有物質４は還元炉１に装入された後、固体還元剤の固定炭素分からなる粉体層６に入り、加熱還元される。酸化鉄含有物質４は、粉体層６の粒子との比重差により降下していく。一般に、固定炭素分の粉体よりも酸化鉄含有物質４は比重が大きい（重い）ため、容易に降下をする。粉体層６の雰囲気は強還元性雰囲気であり、酸化鉄含有物質４は降下するとともに還元され、還元鉄５になる。
【００５２】
その後、酸化鉄含有物質４（還元鉄５）は炉１の下部移動層内での高温かつ強還元雰囲気によりさらに還元され、排出口１ｅから排出される。排出口１ｅから排出された際には、還元鉄５の金属化率（還元率）は、８５％以上であることが好ましい。これにより、電気炉等で溶解する際に還元するための余分なエネルギーを必要とせずに、高い生産性を以て電気炉等を使用することができる。
【００５３】
上記した金属化率は、還元鉄中の金属鉄含有量（Ｍ．Ｆｅ、質量％：化学分析により算出）を還元鉄中のすべての鉄含有量（Ｔ．Ｆｅ、質量％：化学分析により算出）で除した百分率で表される。すなわち、
金属化率（質量％）＝１００×還元鉄中の金属鉄含有率の分析値（質量％）／還元鉄中の全鉄量の分析値（質量％）                            ・・・（式１５ａ）
である。
【００５４】
一方、還元率とは還元炉の還元能力を示すために用いられる指標であり、その定義は
還元率（質量％）＝１００×
鉄に結合している酸素の還元反応前後における減少量（質量％）
／鉄に結合している酸素の還元前の含有量（質量％）
・・・（式１５ｂ）
ここで鉄に結合している酸素の量（質量％）は、酸化鉄含有物質の化学組成を分析し、そのＦｅＯとＦｅ2Ｏ3の分析値（それぞれ％ＦｅＯ（質量％）、％Ｆｅ2Ｏ3（質量％））から
ＦｅＯに結合している酸素の量（質量％）＝％ＦｅＯ×Ｍｏ／ＭFeO
・・・（式１５ｃ）
Ｆｅ2Ｏ3に結合している酸素の量（質量％）＝％Ｆｅ2Ｏ3×３Ｍｏ／ＭＦｅ2Ｏ3
・・・（式１５ｄ）
を合算して算出する。
【００５５】
また、鉄歩留りは、６５％以上であることが好ましい。鉄歩留りは、使用する酸化鉄含有物質が微粉であった場合、一部酸化鉄含有物質が炉上部から飛散する場合に低下する。ただし、装入した鉄分を7割前後回収できれば実用上は十分と言え、飛散した酸化鉄含有物質は、サイクロンやバグフィルター等で回収して再利用すれば、結果的に鉄歩留りを上昇させることができる。鉄歩留りは、以下の式で与えられる。
鉄歩留まり（質量％）=１００×還元鉄中の鉄の量／酸化鉄含有物質中の鉄の量=１００×（還元鉄中のＴ．Ｆｅ×還元鉄生産速度）／（酸化鉄含有物質中のＴ．Ｆｅ×酸化鉄含有物質の装入量）                                          ・・・（式１６）
【００５６】
酸化鉄含有物質４（還元鉄５）が降下して、縮流部１ｃに到達すると、その粒径が小さい場合は一時的に縮流部１ｃにて滞留する。そこで、酸化鉄含有物質４の粒子同士が接触すると、高温の金属鉄間の融着作用により酸化鉄含有物質４同士が融着し、粗大な粒子に成長して、作用する重力が炉体下部のガス流から受ける抗力よりも大きくなった時に再び降下を開始し、排出口１ｅから排出される。
【００５７】
炉下部まで降下した還元鉄５は、排出口１ｅより排出されるが、排出口１ｅ部分にはロータリーバルブなどを用いて切り出せばよい。還元鉄は高温になっているため、図１（Ｂ）に示すように、ロータリーバルブの保護のため、必要に応じて冷却用の気体をロータリーバルブの直上部より吹き込む等することが好ましい。
【００５８】
還元炉１の形状については、側壁が下方から上方に向かって拡径していれば特に限定されない。また、拡径の態様も限定されず、炉１の下方から上方に向かって単調に拡径させることもできるし、炉１を複数段構造として、何段階かに分けて拡径させることもできる。図１に示した還元炉１は、縮流部１ｃを有する二段構造を有しているが、縮流部１ｃを複数有する三段構造や四段構造を有していても構わない。上述のように、ガス流速を低減して炉１内に安定した粉体層６を形成する点では、炉１の下部の径に対する上部の径の比を大きくすることが好ましく、具体的には２以上、より好ましくは４以上にする。
【実施例】
【００５９】
＜酸化鉄含有物質＞
次に本発明の実施例を記載する。実施に当たって使用した固体還元剤の組成を表１に示す。固体還元剤としては石炭を用い、粒度は平均粒径で１００μｍになるように粉砕した。また酸化鉄含有物質としては、表２に示す組成を有するものを使用した。このうち、酸化鉄含有物質Ａは鉄鉱石を焼結したものであり、酸化鉄含有物質Ｂはその篩下粉である。また、酸化鉄含有物質Ｃは微粉の鉄鉱石であり、酸化鉄含有物質Ｄは、焼結鉱のうち粗大な粒径を有するものである。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
【表２】
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【００６２】
（発明例１）
以下、本発明の実施例について説明する。
まず、円筒型の二段構造を有する竪型の還元炉（炉下部の半径：１ｍ、高さ：１．０ｍ、炉上部の半径：４ｍ、高さ：１．８ｍ）の上部から平均の粒径：１１．２ｍｍの酸化鉄含有物質Ａを７００ｋｇ／時で装入した。また炉の下部からは固体還元剤を７５０ｋｇ／時で吹き込み、同時に支燃剤として酸素を４５５Ｎｍ3／時で吹き込んだ。この支燃剤の吹き込み量は、固体還元材のＭＶを燃焼させるために必要な量である。これらの条件により、炉上部でのガス流速は０．０５７ｍ／秒であった。すなわち、固体還元材の固定炭素分が炉上部へ移動し、縮流部を超えると流路面積が広くなるためガス流速が低下して、炉内の上部に粉体層が形成された。
続いて、炉の上部から支燃剤として酸素を７００Ｎｍ3／時で吹き込んだ。この支燃剤は炉上部において固体炭素分をガス化するが、そのガス化量が、炉下部からの粉体（固定炭素分）の供給量とバランスするように決定した。このとき粉体層内の温度は９１２℃で安定した。この粉体層を通過する間に酸化鉄含有物質は還元され、炉下部還元鉄排出口から採取したサンプルを分析したところ、金属化率は９４．８質量％に及んだ。また、還元鉄の生産速度は４５２ｋｇ／時、鉄歩留りは９３．９質量％であった。さらに、排ガスの発生量と熱量は、それぞれ２３８５Ｎｍ3／時、２９．５ＧＪ／時であり、熱量の高い可燃性ガスを回収することができた。得られた結果を表３にまとめる。
【００６３】
【表３】
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【００６４】
（発明例２）
発明例１と同様に還元鉄を製造した。ただし、還元炉に導入した酸化鉄含有物質は、粒径：２．３ｍｍの酸化鉄含有物質Ｂとした。その他の条件は発明例１と全て同じである。その結果、粉体層内の温度は９１０℃で安定し、炉上部でのガス流速は０．０５７ｍ／秒であった。製造された還元鉄の金属化率は９５．１質量％に及んだ。また、還元鉄の生産速度は４５７ｋｇ／時、鉄歩留りは９３．４質量％であった。さらに、排ガスの発生量と熱量は、それぞれ２３８６Ｎｍ3／時、２９．６ＧＪ／時であり、熱量の高い可燃性ガスを回収することができた。得られた結果を表３にまとめる。
【００６５】
（発明例３）
発明例１と同様に還元鉄を製造した。ただし、還元炉に導入した酸化鉄含有物質は、粒径：２．３ｍｍの酸化鉄還元物質Ｂとし、装入量は３５０ｋｇ／時とした。また、固体還元剤の吹き込み量は、６５０ｋｇ／時とし、支燃剤としての酸素の吹き込み量は４２８Ｎｍ3／時とした。また、炉の上部から供給した支燃剤の量は６５０Ｎｍ3／時とした。その他の条件は発明例１と全て同じである。その結果、粉体層内の温度は１１７０℃で安定し、炉上部でのガス流速は０．０６３ｍ／秒であった。製造された還元鉄の金属化率は９２．５質量％と高かった。また、還元鉄の生産速度は１８６ｋｇ／時、鉄歩留りは７５．８質量％であった。さらに、排ガスの発生量と熱量は、それぞれ２１５５Ｎｍ3／時、２６．８ＧＪ／時であり、熱量の高い可燃性ガスを回収することができた。得られた結果を表３にまとめる。
【００６６】
（発明例４）
発明例１と同様に還元鉄を製造した。ただし、還元炉に導入した酸化鉄含有物質は、粒径：２．３ｍｍの酸化鉄還元物質Ｂとした。また、固体還元剤の吹き込み量は、６００ｋｇ／時とし、支燃剤としての酸素の吹き込み量は３７０Ｎｍ3／時とした。また、炉の上部から供給した支燃剤の量は４３０Ｎｍ3／時とした。その他の条件は発明例１と全て同じである。その結果、粉体層内の温度は７５０℃であり、炉上部でのガス流速は０．０３９ｍ／秒であった。製造された還元鉄の金属化率は８６．４質量％であった。また、還元鉄の生産速度は４７７ｋｇ／時、鉄歩留りは９５．５質量％と十分に高かった。さらに、排ガスの発生量と熱量は、それぞれ１８６０Ｎｍ3／時、２３．１ＧＪ／時であり、熱量の高い可燃性ガスを回収することができた。得られた結果を表３にまとめる。
【００６７】
（発明例５）
発明例１と同様に還元鉄を製造した。ただし、還元炉に導入した酸化鉄含有物質は、粒径：０．０５ｍｍの酸化鉄還元物質Ｃとした。その他の条件は発明例１と全て同じである。その結果、粉体層内の温度は１０８０℃であり、炉上部でのガス流速は０．０６７ｍ／秒であった。製造された還元鉄の金属化率は９５．１質量％と高かった。また、還元鉄の生産速度は３１５ｋｇ／時、鉄歩留りは６９．７質量％であった。さらに、排ガスの発生量と熱量は、それぞれ２４５０Ｎｍ3／時、３０．５ＧＪ／時であり、熱量の高い可燃性ガスを回収することができた。得られた結果を表３にまとめる。
【００６８】
（発明例６）
発明例１と同様に還元鉄を製造した。ただし、還元炉に導入した酸化鉄含有物質は、粒径：３５ｍｍの酸化鉄還元物質Ｄとした。また、炉の下部から吹き込んだ支燃剤としての酸素の吹き込み量は４６０Ｎｍ3／時とした。また、炉の上部から吹き込んだ支燃剤としての酸素の吹き込み量は７１０Ｎｍ3／時とした。その他の条件は発明例１と全て同じである。その結果、粉体層内の温度は９９５℃であり、炉上部でのガス流速は０．０６２ｍ／秒であった。製造された還元鉄の金属化率は８６．７質量％と高かった。また、還元鉄の生産速度は４２８ｋｇ／時、鉄歩留りは８９．７質量％であった。さらに、排ガスの発生量と熱量は、それぞれ２４２０Ｎｍ3／時、３０．１ＧＪ／時であり、熱量の高い可燃性ガスを回収することができた。得られた結果を表３にまとめる。
【００６９】
（発明例７）
まず、円筒型の二段構造を有する竪型の還元炉（炉下部の半径：１ｍ、高さ：１．０ｍ、炉上部の半径：２ｍ、高さ：１．８ｍ）の上部から平均の粒径：１１．２ｍｍの酸化鉄含有物質Ａを１７０ｋｇ／時で装入した。また炉の下部からは固体還元剤を１９０ｋｇ／時で吹き込み、同時に支燃剤として酸素を１１５Ｎｍ3／時で吹き込んだ。この支燃剤の吹き込み量は、固体還元材のＭＶを燃焼させるために必要な量である。これらの条件により、炉上部でのガス流速は０．０５９ｍ／秒であった。すなわち、固体還元材の固定炭素分が炉上部へ移動し、縮流部を超えると流路面積が広くなるためガス流速が低下して、炉内の上部に粉体層が形成された。
続いて、炉の上部から支燃剤として酸素を１８０Ｎｍ3／時で吹き込んだ。この支燃剤は炉上部において固体炭素分をガス化するが、そのガス化量が、炉下部からの粉体（固定炭素分）の供給量とバランスするように決定した。この時、粉体層内の温度は９３０℃で安定した。この粉体層を通過する間に酸化鉄含有物質は還元され、炉下部還元鉄排出口から採取したサンプルを分析したところ、金属化率は９４．８質量％に及んだ。また、還元鉄の生産速度は１０９ｋｇ／時、鉄歩留りは９３．４質量％であった。さらに、排ガスの発生量と熱量は、それぞれ６０８Ｎｍ3／時、７．６ＧＪ／時であり、熱量の高い可燃性ガスを回収することができた。得られた結果を表３にまとめる。
【００７０】
（比較例１）
発明例１と同様に還元鉄を製造した。ただし、還元炉に導入した酸化鉄含有物質は、粒径：２．３ｍｍの酸化鉄還元物質Ｄとした。また、炉の下部から吹き込んだ支燃剤としての酸素の吹き込み量は４６０Ｎｍ3／時とした。さらに、炉の上部から吹き込んだ支燃剤としての酸素の吹き込み量は８００Ｎｍ3／時とした。この支燃剤は、炉上部において固体炭素分を燃焼ガス化するが、その燃焼ガス化量が、炉下部からの粉体（固定炭素分）の供給量に対して大きいため、炉下部から供給された粉体がすべて燃焼ガス化してしまい、炉上部に粉体層は形成されなかった。そして、粉体層が存在しない、酸化鉄含有物質はほとんど還元されず、炉下部還元鉄排出口から採取したサンプルを分析したところ金属化率は９質量％と極めて低い値であった。得られた結果を表３にまとめる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、還元炉を下方から上方に向かって拡径させ、固体還元剤と支燃剤を還元炉に導入して、固体還元剤の揮発分のみを燃焼させるようにしたことにより、炉内の上部に固体還元剤の固定炭素分からなる粉体層を形成し、この粉体層に支燃剤を供給することにより還元炉内に強還元性雰囲気を形成して高品質の還元鉄を低コストで製造することができるため、鉄鋼業において有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１  還元炉
１ａ  装入口
１ｂ  排ガス排出口
１ｃ  縮流部
１ｄ  支燃剤吹き込み口
１ｆ  吹き込み口
１ｅ  還元鉄排出口
２ａ，２ｂ  支燃剤吹き込みライン
３  固体還元剤吹き込みライン
４  酸化鉄含有物質
５  還元鉄
６  粉体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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