(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭材内装酸化鉄成形体を１４００℃以上の温度で加熱還元して金属鉄を製造する方法において、前記成形体の原料中の脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整することにより、これらの脈石成分からなる生成スラグの融点を１４００℃以下とし、前記成形体の表面に金属鉄外皮を生成させ、さらに、この金属鉄外皮を成長させて、その内部に上記脈石成分からなる生成スラグを溶融状態にして凝集させ、金属鉄とスラグとを溶融分離することを特徴とする金属鉄の製造方法。
【請求項２】
前記成形体の原料中の脈石成分であるCaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を１種または２種以上の酸化鉄原料の配合によって調整する請求項１記載の金属鉄の製造方法。
【請求項３】
前記成形体の原料中の脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を生石灰等の含CaO 原料および／またはCaSiO3の配合によって調整する請求項１記載の金属鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄鉱石等の酸化鉄粉粒体を炭材とともに成形した炭材内装酸化鉄成形体を加熱還元して金属鉄を製造する技術に属し、さらに詳しくは、炭材内装酸化鉄成形体の還元過程において、酸化鉄や炭材とともに混入する脈石成分をスラグ化し、金属鉄とスラグとを溶融分離する金属鉄の製造技術に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、還元鉄の製造方法としてはミドレックス法がよく知られており、この方法によれば天然ガスから変成した還元性ガスを羽口から吹き込み、シャフト炉中を上昇させることによって、炉内に充填された鉄鉱石や酸化鉄ペレットを還元して固体状態で還元鉄を得ることができる。ただし、この方法では燃料としてコストの高い天然ガスを大量に供給する必要がある。したがって、プラントの立地条件も天然ガスが発生する地域に限られる。
【０００３】
そこで近年では、上記天然ガスに替えて比較的安価な石炭を還元剤として使用することのできる還元鉄製造プロセスが注目されている。例えば、米国特許第3443931 号には、粉鉱石と炭材とを混合してペレット化し、高温雰囲気下で加熱還元することにより固体状態で還元鉄を製造するプロセスが開示されている。この方法によれば、石炭ベースであることの他にも、粉鉱石を直接使用できること、高速還元が可能であること、製品中の炭素含有量を調整することができる等の利点を有している。
【０００４】
しかし、従来の還元鉄の製造方法によって得られる還元鉄は、原料である鉄鉱石等の酸化鉄粉粒体や炭材に含まれる CaO、SiO2、Al2O3 の脈石成分がスラグとして混入してくるため、還元鉄の品位は低くなる。実用に当たっては、次の精錬工程でこのスラグは分離除去されるが、スラグ量の増加は精錬溶湯の歩留りを低下させるばかりでなく、電気炉の操業コストにも大きな影響を及ぼすので、鉄品位が高くスラグ含有量の少ない還元鉄が求められている。前述のように、従来の還元鉄の製造方法で、こうした要求に応えるには、原料に鉄品位の高い酸化鉄を使用しなければならず、使用可能な原料である酸化鉄の選択の幅を大幅に狭めることになる。
【０００５】
この解決策として、鉄品位の高い還元鉄を得るために、炭材内装酸化鉄成形体を加熱還元して金属鉄を製造する方法（平成８年特許願第５９８０１号）が提案されている。この方法は加熱還元により炭材内装酸化鉄成形体の表面に金属鉄外皮を生成し、この金属鉄外皮を成長させ、内部には酸化鉄が実質的に存在しなくなるまで還元を進めるとともに、内部に脈石成分からなる生成スラグを凝集させ、金属鉄とスラグとを溶融分離するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この方法は、1400℃以上の還元温度で炭材内装酸化鉄成形体を還元し、この成形体の表面に金属鉄外皮を生成させ、さらに、この金属鉄外皮を成長させ、内部に脈石成分からなる生成スラグを凝集させ、金属鉄とスラグとを溶融分離するものである。ところが、脈石成分の組成によって生成スラグの融点が異なるため、金属鉄とスラグとを溶融分離するのに必要な時間がまちまちとなり、このため操業時間に大きなばらつきが生じる。したがって、高温の雰囲気温度を維持するために多量の燃料が必要となり、このことが操業コストを引き上げる原因になっている。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、炭材内装酸化鉄成形体の原料に含まれる CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整することで、これらの脈石成分からなる生成スラグの融点をさげることにより、短時間で金属鉄とスラグとの溶融分離を行い品位の高い金属鉄を低い操業コストで得ることができる金属鉄の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
その要旨は、炭材内装酸化鉄成形体を１４００℃以上の温度で加熱還元して金属鉄を製造する方法において、前記成形体の原料中の脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整することにより、これらの脈石成分からなる生成スラグの融点を１４００℃以下とし、前記成形体の表面に金属鉄外皮を生成させ、さらに、この金属鉄外皮を成長させて、その内部に上記脈石成分からなる生成スラグを溶融状態にして凝集させ、金属鉄とスラグとを溶融分離することを特徴とする金属鉄の製造方法である。
【０００９】
さらに、前記成形体の原料中の脈石成分であるCaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を１種または２種以上の酸化鉄原料の配合によって、または生石灰等の含CaO 原料および／またはCaSiO3の配合によって調整する上記の金属鉄の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の重要な点は、炭材内装酸化鉄成形体の加熱還元過程において、原料に含まれる脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整することにより、これらの脈石成分からなる生成スラグの融点をさげ、短時間で金属鉄とスラグとを溶融分離することにある。このために、生成スラグの融点が1400℃以下になるように脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整する。
【００１１】
脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率の調整は、酸化鉄原料である鉄鉱石の粉粒体、ミルスケール、高炉ダスト、転炉ダスト、焼結ダスト、電気炉ダストおよびこれらの混合物を組み合わせて配合することによって行う。すなわち、これらの酸化鉄原料は脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率が異なるため、上記の酸化鉄原料を組み合わせて配合することで、脈石成分からなる生成スラグの融点を1400℃以下にするように、脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整することができる。また、配合原料に生石灰等の含CaO 原料および／またはCaSiO3を直接的に配合することによっても、脈石成分からなる生成スラグの融点を1400℃以下にするように、脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整することができる。
【００１２】
炭材内装酸化鉄成形体を1400℃以上の温度で加熱すると、この成形体中に含まれる炭材還元剤によって酸化鉄が還元されて金属鉄が生成するが、この還元は成形体の外周側から進行し、加熱還元の初期過程で生成する金属鉄が成形体の表面で拡散結合して上記成形体の外周側に金属鉄外皮を形成する。そして、その後この金属鉄外皮内で炭材還元剤による酸化鉄の還元が効率よく進行し、内部に残存する酸化鉄は、その後ごく短時間のうちに実質的に酸化鉄が存在しなくなるまで速やかに還元され、生成された金属鉄は前記外皮の内面側に逐次拡散結合して成長する。
【００１３】
一方、原料に含まれる脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 は、加熱還元過程でこれらの脈石成分からなる生成スラグの融点が、上述のように1400℃以下になるように調整してあるため、酸化鉄が金属鉄に還元される過程で上記生成スラグは溶融状態にあり、金属鉄と短時間で溶融分離し、上記金属鉄外皮内に溜まり外皮を構成する金属鉄と効率よく分離することができる。
【００１４】
この間に生じる加熱還元反応は下記に示す通りであり、
ＦｅＯx ＋ｘＣ→Ｆｅ＋ｘＣＯ                          （１）
ＦｅＯx ＋（ｘ／２）Ｃ→Ｆｅ＋（ｘ／２）ＣＯ2         （２）
Ｙ＝ｙ1 ＋ｙ2                                         （３）
但し、Ｙ：還元に必要な炭素の化学等量（ｍｏｌ）
ｙ1 ：（１）式の反応に必要な炭素量（ｍｏｌ）
ｙ2 ：（２）式の反応に必要な炭素量（ｍｏｌ）
成形体を製造する際の酸化鉄に対する炭材還元剤の配合量が、上記（３）式で示される理論等量以上となるように両者の配合比率を調整することによって、加熱還元反応を効率よく進めることが可能となる。
【００１５】
このように本発明では、加熱還元の初期過程で成形体外周側に金属鉄外皮を形成し、この外皮で囲まれた内部でさらに還元反応を進めることによって、還元効率を飛躍的に高めることができる。さらに好ましくは、加熱還元の最高到達温度を生成する金属鉄外皮の溶融温度未満で、かつ生成スラグの溶融温度以上に設定する。その理由は、最高到達温度が金属鉄外皮の溶融温度以上になると、還元される金属鉄は直ちに溶融して互いに融着し、前述のような金属鉄外皮が成形されなくなり、その後の還元反応が効率よく進行しなくなるからである。
【００１６】
その後、加熱還元の進行により還元剤である炭材の炭素が還元された金属鉄に浸炭し、金属鉄の融点がさがり、還元反応の末期ないしは後半期では、原料の一部は溶融し、液相還元により酸化鉄の最終還元が進行していることも考えられる。また、炭材からの浸炭により金属鉄の融点をさげ、金属鉄外皮の一部もしくは全部を溶融させて、溶融状態の生成スラグと溶融分離することによって、品位の高い金属鉄を得ることができる。
【００１７】
【実施例１】
表１に示す鉄鉱石、石炭（炭材）、バインダー（ベントナイト）、および脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整するCaSiO3試薬を表２に示す配合割合で混合し、直径17mmのペレット（炭材内装酸化鉄成形体）を製造した。なお、CaSiO3試薬の配合量は外挿で、このときの塩基度(CaO/SiO2)は、それぞれ0.05、0.26、0.40、0.49である。これらのペレットを炉内で1400℃の温度で加熱還元し、その時の還元・溶融挙動を観察した。なお、図１に生成スラグ（CaO-SiO2-Al2O3系スラグ）の組成とその融点との関係を示す。表３に加熱還元後の還元鉄の分析値とペレットの融け落ち時間を示す。また、図２にペレットの塩基度とペレットの融け落ち時間との関係を示す。ここでペレットの融け落ちとは、ペレットが元の形状を保つことができなくなり、全体が溶融しながら形状が変化することを言う。
【００１８】
表３に示すように、本発明による金属鉄の製造方法は、金属鉄と脈石成分からなる生成スラグとを溶融分離するため、金属鉄中に残存する脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の量は極めて少ない。また、脈石成分の含有比率を調整しなくとも加熱還元過程で長時間を掛ければ、金属鉄と生成スラグとを溶融分離することはできるが、本発明のように、生成スラグの融点をさげることによって、炭材からの浸炭による金属鉄の融点の低下と相まって、金属鉄と生成スラグとの溶融分離が促進され、生成スラグの融点の低下とともにペレットの融け落ち時間も短縮されていることがわかる。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
0003848453.tif 000003
【００２１】
【表３】
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【００２２】
【実施例２】
酸化鉄原料である鉄鉱石Ａ〜ＥおよびダストＡの化学成分を表４に示す。表４に示す酸化鉄原料72質量％、表１に示す石炭27質量％、表１に示すバインダー1.0 質量％を混合し、直径17mmのペレットを製造した。各酸化鉄原料の配合割合は、鉄鉱石Ａ:44.0 質量％、鉄鉱石Ｂ:9.0質量％、鉄鉱石Ｃ:10.0 質量％、鉄鉱石Ｄ:20.0 質量％、鉄鉱石Ｅ:10.0 質量％、ダストＡ:7.0質量％である。なお、原料の塩基度(CaO/SiO2)は0.40である。このペレットを炉内で1400℃の温度で加熱還元し、その時の還元・溶融挙動を観察した。表６に加熱還元後の還元鉄の分析値とペレットの融け落ち時間を示す。
【００２３】
脈石成分の異なる１種以上の酸化鉄原料を配合して、加熱還元過程で脈石成分からなる生成スラグの融点を1400℃以下になるように調整することによって、表６に示すように、ペレットの融け落ち時間を短縮することができる。このように、脈石成分の異なる酸化鉄原料を１種以上配合し、脈石成分の含有比率を調整して生成スラグの融点をさげることによって、炭材からの浸炭による金属鉄の融点の低下と相まって、金属鉄と生成スラグとの溶融分離が促進され、生成スラグの融点の低下とともにペレットの融け落ち時間も短縮されていることがわかる。また、金属鉄中に残存する脈石成分である CaO、SiO2、Al2O3 の量は極めて少ない。なお、表６の単一原料の例は、実施例１の表３に示すCaSiO3を配合しないときのものである。すなわち、表１に示した鉄鉱石のみを用いたペレットの加熱還元過程におけるもので、このときの塩基度(CaO/SiO2)は0.05である。
【００２４】
【表４】
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【００２５】
【表５】
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【００２６】
【表６】
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【００２７】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明によれば、炭材内装酸化鉄成形体の原料に含まれる CaO、SiO2、Al2O3 の含有比率を調整することで、これらの脈石成分からなる生成スラグの融点をさげているため、炭材からの浸炭による金属鉄の融点の低下と相まって、短時間で金属鉄とスラグとを溶融分離し、品位の高い金属鉄を低い操業コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】生成スラグ（CaO-SiO2-Al2O3系スラグ）の組成とその融点との関係を示す図である。
【図２】ペレットの塩基度とペレットの融け落ち時間との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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