JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）p. 51-56

JFE スチール

鉄粉工場概要Outline of Iron and Steel Powder Plant in JFE Steel大塚和弘

OTSUKA Kazuhiro

JFE スチール

東日本製鉄所（千葉地区） 鉄粉部鉄粉技術室

樋口和男

HIGUCHI Kazuo

JFE スチール

東日本製鉄所（千葉地区） 鉄粉部長

園部秋夫

SONOBE Akio

JFE スチール

鉄粉セクター部

主任部員（課長）

主幹職（部長）要旨
JFE スチールは，1966 年に日本で初めて粉末冶金用還元鉄粉の一貫製造を始めて以来，還元鉄粉とアトマイズ鉄粉を製造する日本で唯一の総合鉄粉メーカーとして，幅広い産業に貢献している。製造している鉄粉製品は品揃えが広く，お客様が用途に応じて選択可能である。自動車向けを主体とする粉末冶金用鉄粉は，生産量全体の 70％を®

®

占めており，中でも偏析防止プレミックス鉄粉（JIP クリーンミックス ）は年々増加してきている。本報は，JFEスチールの鉄粉製造設備と製造方法について概説する。また，アジアの自動車生産台数の増加に伴い鉄粉需要は拡大することが見込まれていることから，最近の能力向上対策の事例を紹介する。

Abstract:
JFE Steel started to produce reduced iron powders firstly in Japan in 1966. The company has been the solemanufacturer to produce both reduced iron powders and atomized steel powders in Japan, and contributing to thedevelopment of the wide range of industries. Customers can select the most suitable product for their application fromthe companyʼs wide-range product line-up. Iron and steel powder product for automobile sintered parts accounts for70®

of its total production. Among those, pre-mixed iron powders for preventing segregation (JIP Cleanmix)

increases year after year. This paper describes production facilities and method of JFE Steel iron and steel powders
and the recent case of capacity improvement activities to accommodate increasing demand in Asia due to escalation ofautomobile production.

1． はじめに生した世界的金融危機の影響で鉄粉生産量が減少したものの，今後アジアの自動車生産台数の増加に伴い鉄粉需要はJFE スチールは，1966 年に日本で初めて還元鉄粉の一貫拡大することが見込まれている。
本報告は，JFE スチールの鉄粉製造設備と製造方法につ製造設備を東日本製鉄所（千葉地区）内に建設し，製造販売を開始した。続いて 1978 年にはアトマイズ鉄粉製造設備

いて述べる。また，最近のプロセス改善，能力増強の事例を建設し，還元鉄粉とアトマイズ鉄粉の両方を製造販売すとして，仕上還元炉の生産性向上，JIP クリーンミックス

1）

る日本で唯一の総合鉄粉メーカーとなった 。その後，自動®

®

製造設備の増強を紹介する。

車部品の高機能化に対応するため，1984 年には Cr や Mn などを含有する合金鋼粉を，1988 年には純鉄粉の粒子表面に®

®

偏析防止を図ったプレミックス鉄粉（JIP クリーンミックス ）2）の製造設備を建設し，それらの製造販売を開始した 。
このように，自動車生産台数の増加および高機能化に伴い，自動車向けを主体とする粉末冶金用鉄粉の生産を増加させるための設備増設を行ない，お客様の種々のご要望にお応えした新しい製品を開発してきた。
図 1 に鉄粉生産量推移を示す。JFE スチールの鉄粉生産量は，2007 年まで順調に増加し続けた。一旦，2008 年に発80706050403020100

Atomized iron and steel powder
Reduced iron powder

1975777981838587899193959799
2001030507091113

金鋼粉を，さらに 1989 年には黒鉛粉，銅粉，潤滑材などのＹearly iron and steel powderproduction（×103 tons/year）

Ni，Cu，Mo などの合金元素を拡散付着させる部分拡散合

Business year

図 1 JFE スチールの鉄粉生産量推移
2015 年 1 月 30 日受付

Fig. 1－ 51 －Copyright © 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

Trends in iron and steel powder production of JFE SteelJFE スチール

鉄粉工場概要2． 鉄粉の製造方法
Mill scale
Coke, Limestone

鉄粉製品は，原料，製造工程により，大きく還元鉄粉とアトマイズ鉄粉に分類される。図 2 に鉄粉工場全体の製造Drying

工程を示す。還元鉄粉は，原料であるミルスケールを粗還Discharging

FirstcrushingFirst reduction

Charging

元した後，粉砕，仕上還元を経て製品化する。一方，アトTunnel furnace

マイズ鉄粉は，溶鋼を高圧水でアトマイズした後，仕上還元を経て製品化する。また，これらを原料鉄粉として，各種®

®

添加材の混合付着処理を行ない，JIP クリーンミックス として製造販売している。2.1 節以降に各製造工程の詳細につFinish crushingいて述べる。
また，図 3 に千葉地区内の鉄粉工場配置図を示す。工場は，Sieving

上記のプロセスにより，3 ヶ所に分かれている。各工場間の図 4 粗還元工程と微粉砕工程

物流は，トラックで行なっている。

2.1

Magnetic separation

Fig. 4First reduction and crushing process

還元鉄粉の粗還元工程

JFE スチールは，ミルスケールの直接還元法により還元鉄粉を製造している。図 4 に粗還元工程と粉砕工程を示す。

は予熱帯，焼成帯，冷却帯からなり，均熱温度と滞留時間を管理することで還元率を決めている。その後，銘柄によっ圧延工程で発生する高純度の酸化鉄であるミルスケールて異なる所定の見掛密度に調整しながら 150 mm 以下の粒度と，還元材としてのコークス粉，脱硫材としての石灰石粉をまで粉砕機で粉砕し，磁選機にかけ非鉄不純物を除去後，耐熱容器に充填し，粗還元炉（トンネル炉）へ装入する。

仕上還元工程に送られる。この段階の還元鉄粉を海綿鉄微

トンネル炉では約 1 100℃で 5 日間程度かけてミルスケール粉砕粉と呼ぶ。

を粗還元する。この粗還元鉄を海綿鉄と呼ぶ。トンネル炉

2.2

アトマイズ工程JFE スチールは，高純度の転炉溶鋼を原料とし，水アトマ
Firstreduction
process

Crushing
process

イズ法によりアトマイズ鉄粉を製造している。図 5 にアトマ
Finishreduction
process
Vacuumreduction
Furnace

Atomizingprocess

JIP®
Cleanmix
process

イズ工程を示す。
転炉で精製された高純度溶鋼を取鍋に受け，要求特性にProduct応じて合金元素を添加するなど所定の成分に調整した後，取鍋からダンデッシュを経由して溶鋼流としてノズルから落下させ，これに 10～20 MPa の高圧水を吹き付けて噴霧する
3）ことにより溶鋼の微細化と凝固を行ない，鉄粉を製造する 。

図 2 鉄粉工場全体の製造工程
Fig. 2

水と鉄粉のスラリーは，湿式磁選機，真空脱水機で水分をManufacturing process of whole iron and steel powder
plant除去した後，スチームドライヤーで乾燥し，篩い分け後に，仕上還元工程へ送られる。このときできた鉄粉をアトマイズ

・Atomizing process
・Firstreduction
process

2.9 kmMoltensteel

2.2 kmVacuamdehydration

Steamdrying

Sieving

1.2 km
2.7 km・Crushing process
・Finish reduction process
・JIP® Cleanmix process
・Vacuum-reduction furnace

Wateratomizing
Magnetic separation

図 3 東日本製鉄所（千葉地区）内の鉄粉工場配置図
Fig. 3

Arrangement plan of iron and steel powder plant in East
Japan Works (Chiba District)

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

－ 52 －

図 5 アトマイズ工程
Fig. 5

Atomizing process

JFE スチール

鉄粉工場概要生粉と呼ぶ。

2.3

Preheatingzone

仕上還元工程Heatingzone

Coolingzone

Entryside

海綿鉄微粉砕粉とアトマイズ生粉は，ともに，化学成分と粉体特性の点で，そのまま粉末冶金用としては使用できな

Exit
sideP

Sealinggate

い。そこで，次工程の仕上還元炉にて，脱炭，還元（脱酸），HeaterTransportmachine

脱窒，焼鈍，および粒子同士の焼結を行なう。図 6 に仕上還元炉の構造を示す。

PPVacuumpump

Iron powder inGraphite rack図 8 真空還元炉の構造

仕上還元炉は，原料鉄粉を厚み数十ミリメートル程度のFig. 8

層状にステンレスベルトに乗せ搬送しながら，鉄粉層上下

The structure of vacuum reduction furnaceの加熱装置で鉄粉を加熱処理する。加熱帯で，蒸気を投入し，原料鉄粉に含まれている炭素が除去（脱炭）され，加熱均
熱帯後半では，炉出側から投入している水素により，原料篩いで粒度調整した後，ミキサーで混合し製品化している。

鉄粉に含まれている酸素が還元され（脱酸），焼鈍も進行す

2.4る。さらに，冷却帯では H2 雰囲気で窒素が除去（脱窒）さ真空還元炉工程

鉄系焼結部品の高強度化ニーズに応えるため，JFE スチーれる。それぞれの化学反応式を以下に記す。

ルは Mn，Cr，Ni，Mo などの各種合金を添加したアトマイ
還元反応：FeO＋H2 → Fe＋H2O

ズ合金鋼粉を製造している。その中でも比較的安価な Cr 成分を 1～3％含有した Cr 系合金鋼粉は高強度，耐摩耗性を脱炭反応：Fe3C＋H2O → 3Fe＋H2＋CO
脱窒反応：N＋

有し，自動車エンジン部品などに使われている。Cr 系合金鋼粉は溶鋼にフェロ Cr などを添加した後，水アトマイズさ3H2 → NH32れるが，この段階で得られた鉄粉粒子の表面は酸化によりCr 酸化物を有しているため，前述の H2 による仕上還元では

図 7 に仕上還元，解砕，篩分け，梱包工程を示す。

還元できず，真空還元法により還元している。アトマイズ時

仕上還元炉にて，炉内のヒートパターン，水蒸気量，水に Cr とともに C を添加し，真空還元炉にて高温，高真空下素量，鉄粉の層厚，ベルト速度を，要求特性に応じて所定で熱処理することにより，以下の反応で自己脱炭，脱酸させの条件に設定して，目的に応じた鉄粉を製造している。て製造する 。

4）

その後，ハンマーミルで解砕，磁選機で不純物を除去し，
Cr2O3＋3C → 2Cr＋3CO

H2Cooling zone

Heating unit

Steam injection

Exhaust gas

Zone 6 Zone 5 Zone 4 Zone 3 Zone 2 Zone 1

Steel powder on the belt

圧力パターンならびに各種ガスの投入・排気パターンを任意に設定することができることである。そのため，品質面と生産性に優れた真空炉であり，その製造能力は 1.2 千トン／年

図 6 仕上還元炉の構造
Fig. 6

予熱室，加熱室，冷却室の 3 室をもつ連続式自動炉で，各室は扉で完全に密閉され，独立した加熱，冷却パターン，Belt direction
Stainless belt

図 8 に真空還元炉の構造を示す。真空還元炉の特長は，を有する。

The structure of finish reduction furnace

2.5
Finish reduction

Classification

JIP®クリーンミックス® 製造工程

一般に，鉄系焼結部品は，鉄粉に黒鉛粉，銅粉，その他

Weighing

合金粉末および潤滑材を混合して，プレス成形後に焼結することにより，高強度化，高機能化が図られている。比重の異なる鉄粉と黒鉛粉などを混合するため，偏析や発塵の問®

Crushing

題があった。その問題を解決したのが JIP クリーンミック
MixingPacking

図 7 仕上還元，解砕，篩分け，梱包工程
Fig. 7

Finish reduction, crushing, classification, andpackaging process®

ス であり，鉄粉とバインダーおよび黒鉛粉，銅粉，潤滑材などの添加材をミキサーで混合しながら一定温度で加熱することにより，鉄粉粒子表面に，黒鉛粉，銅粉などの添加元素を付着させることで偏析の少ない混合粉（偏析防止粉）－ 53 －

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

JFE スチール

鉄粉工場概要LubricantDemand expectation of iron powderin the world（×106 tons/year）

Binder

2.5Copperpowder

Graphite
powder
Ironpowder

21.5
10.5

図 9 偏析防止粉の基本構造
Fig. 9

Schematic description of the segregation-free premixed iron powder
Iron andsteel powders

02014

2017
Business year2025

図 11 世界の鉄粉需要予測

Additive
powders

Fig. 11Weighing

Demand expectation of iron powder in the world

重く，鉄粉層上にこれらが滞留することで，水素による還元

Weighing

反応と脱窒反応，水蒸気による脱炭反応の進行を妨げている。そこで，これらの反応生成ガスを効率的に除去するために，数値解析技術を用いた仕上還元炉内のガス流れシミュ

Mixingレーションを行なって，ガスの流速分布，ガス分圧（ガス濃度）分布を計算し，還元反応，脱炭反応，脱窒反応促進Packing

させるための最適炉内構造を検討した。
図 10 クリーンミックス® 製造工程3.1.1®

Fig. 10

Manufacturing process of JIP Cleanmix

数値解析（シミュレーション）

仕上還元炉について，炉内温度，H2 ガス流量，水蒸気流量，およびベルト速度をパラメータとして，汎用熱流体解析ソフ5）としたものである 。図 9 に偏析防止粉の基本構造を示す。

ト Fluent を用いて炉内ガス流速分布，炉内ガス分圧（ガスバインダーにより，鉄粉粒子に添加剤が付着している。

濃度）分布を計算した。

®

®

図 10 に JIP クリーンミックス 製造工程を示す。ホッパー

図 12 に仕上炉のガス流れシミュレーション結果を示す。に貯蔵している主原料の鉄粉と，添加剤ごとに有したホッ

なお，図の中の矢印は濃い色であるほど低速であることを示

パーに貯蔵している添加剤から，要求配合量に応じて必要している。鉄粉層直上のガス流速は 0 m/s に近く，反応に量を切り出し，一混合単位分を精度良く計量し，ミキサーでより生成したガスがベルト上に滞留していることを示してい混合，付着処理した後，フレキシブルコンテナーに梱包しる。

製品化する。
H2O Gas3． 製造プロセスの改善および能力増強
図 11 に世界の鉄粉需要予測を示す（自動車生産台数予測

Direction of gas flowと自動車一台当たりの鉄粉使用量で算出した）。アジアを中図 12 仕上炉のガス流れシミュレーション結果

心とした自動車生産台数の増加に伴い，鉄粉の今後の需要

Fig. 12も高まると予想している。そのため，JFE スチールは生産性向上および新規設備導入による製造能力増強に取り組んで仕上還元炉の生産能力向上

Simulation result of gas flow distribution in the finish
reduction furnace

Division
H2O Gasplate

いる。以下に最近の能力向上事例を紹介する。

3.1

Conveying direction

6）

Divisionplate

鉄粉仕上還元炉は，前述したように，還元，脱炭，脱窒，Division plate

および焼鈍を行なっている。
還元ガスである H2 の他に，反応によって生成する水蒸気，CO，NH3 が共存している。それぞれの反応生成ガスである

図 13 仕切板設置後の仕上炉のガス流れシミュレーション結果

H2O，CO，NH3 は，雰囲気ガスである H2 に比べて比重がJFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

－ 54 －Fig. 13

Simulation result of gas flow distribution in the finish
reduction furnace with division platesJFE スチール

120から 20 mm の高さの CO 濃度を 100 として評価した。仕切CO Concentration before the improvement
is defined as 100

板設置後は，ベルト上の反応生成ガスである CO 濃度が仕切板設置前と比較しておよそ 1/2 となり，ベルト上のガス流100

CO Concentration

鉄粉工場概要速が増加し，CO ガスの除去が促進されたことが明らかと80なった。仕切板設置により，仕上還元炉内の，還元，脱炭，60

脱窒反応が促進され，炉内滞留時間を短縮することができ，

40生産性は 6％向上，生産量は約 0.2 万トン／年向上した。また，

20

付随効果として，仕切板により鉄粉層上の H2 流速が早くなっ

0Traditionalmodel

たことで，炉内に投入する水素原単位を，約 13％削減する

After placing
division plates

ことができた。

3.2

図 14 仕切板設置前後の仕上炉内星印位置の CO 濃度
Fig. 14

CO Concentrations before/after placing division plates
on the iron powder surface at the point of a star depicted
in Figs. 12 and 13

設備新設による生産能力増強

3.2.1

クリーンミックス® 製造設備の増強®

®

高機能品を有する JIP クリーンミックス の割合は，2010年度の 43％から，2013 年度には 48％に増大し，今後もそのそこで，鉄粉層上部の空間に仕切板を設置し，流速に与える影響を確かめるシミュレーションを行なった。

需要は増加することが見込まれる。図 16 に JIPクリーンミッ
クスの生産量推移と能力を示す。

図 13 に仕切板設置後の仕上炉のガス流れシミュレーショ

2015 年夏に，クリーンミックス製造設備一式を No. 2 クン結果を示す。鉄粉層上のガス流速が仕切板設置前より増リーンミックス製造設備として新設し，生産能力を増強した。

大しており，鉄粉層上にガスが滞留していないことを示して

No. 2 クリーンミックス単独の能力は，0.7 万トン／年で，既設設備とあわせた合計製造能力は 2.8 万トン／年から，3.5いる。
図 14 に仕切板設置前後の仕上炉内星印位置（図 12，図は 100 から 58 となり，反応の進行を阻害する成分 CO 濃度が減少していることが判った。
これにより，仕切壁の設置が鉄粉表面にて発生している反応生成ガスを除去し，還元反応，脱炭反応，脱窒反応の効率向上に有効であると推定される。
3.1.2

仕上還元炉の改善結果

このシミュレーション結果をもとに，鉄粉仕上還元炉の実

Third stage
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.50

機に仕切板を設置した。図 15 に仕上炉ゾーンごとの鉄粉表
面 CO 濃度を示す。なお，仕切板設置前 1 ゾーンの鉄粉層

CO Concentration
at 20 mm above the steel powder

80

CO Concentration of zone 1 is difined as 100Production

図 16 JIP®クリーンミックス® 生産量推移と能力®

Trends in JIP Cleanmix production and capacity

Transfer from the weighing station
to the mixing station

CO Concentration of
traditional structureof furnace

Mixingstation

6040200Mixing
CO Concentrationin the furnace
after placing
division plateWeighing
weighingstation

Zone 6 Zone 5 Zone 4 Zone 3 Zone 2 Zone 1
Zone of the finish reduction furnace

Weighing

図 15 仕上炉ゾーンごとの鉄粉表面 CO 濃度
Fig. 15Capacity

Business year

Fig. 16
100Construction ofSecond stage
No.2 JIP®Cleanmix
First stage

1988
9092
94
9698
2000
02040608
10121416
18202224

CO 濃度を 100 として評価した。仕切板設置前後で CO 濃度

Ｙearly JIP®Cleanmix production
and capacity（×104 tons/year）

13 の★印部）の CO 濃度を示す。なお，仕切板設置前の

Packing
Solid automatic warehouseand stacker crane

図 17 No. 2 JIP® クリーンミックス® 製造設備フロー

CO Gas concentrations on powder surface at eachzone in the reduction furnace

Fig. 17－ 55 －®

No. 2 JIP Cleanmix process flow
JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

JFE スチール

鉄粉工場概要万トン／年へ増加した。今後さらに，第二期＋0.7 万トン／年，設備をはじめとする各製造ラインの能力増強を進めるととも

第三期＋1.3 万トン／年の能力増強を需要の伸びに応じてタに，お客様のニーズに応える各種機能材料用鉄粉とその製造技術の開発に努め，粉末冶金分野をはじめとする各種産イムリーに実施する計画である。
既設のクリーンミックス製造設備は，原料鉄粉および添業分野の発展に貢献していく。

加材を所定量計量し，それらをコンベアで搬送し，混合ミキ参考文献

サーに投入し，偏析防止処理を行なっている。
図 17 に，No. 2 クリーンミックス製造設備フローを示す。
今回新設の No. 2 クリーンミックス製造設備では，原料鉄粉，添加材を貯蔵したコンテナを立体倉庫に配置し，スタッカークレーンにより，それらを取り出し，計量ステーションにて所定量を計量し，計量した材料を再度スタッカークレーンでミキサー直上の混合ステーションまで搬送して投入する
移動コンテナ方式を採用した。これにより，コンベアが不要

1）川崎製鉄社史編纂委員会編纂．川崎製鉄五十年史．2000.
2）小倉邦明．川崎製鉄技報．2000, vol. 32, no. 3 p. 245.
3）新田稔，小倉邦明，斉藤滋之，杉原裕．川崎製鉄技報．1992. vol. 24,
no. 4 p. 290.
4）樋口和男，赤岡和夫，山本博行，駒村宏一．川崎製鉄技報，1992, vol.
24, no. 4 p. 285.
5）峰岸俊幸，牧野来世志，杉原裕，前田義昭，高城重彰，桜田一男．川崎製鉄技報．1992, vol. 24, no. 4 p. 262.
6）尾花勲，中村尚道．平成 26 年度春季講演会大会概要集．粉体粉末冶
金協会．p. 94.となるため，コンベアでの製品ロスの削減，清掃箇所の削減などの合理化，作業性改善などの効果が得られた。

4． おわりに鉄粉の世界的需要は，アジアの自動車生産増加に伴い，今後さらに伸びていくことが予想される。JFE スチールでは，®

®

その需要増加に対応するため，JIP クリーンミックス 製造

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）
Copyright © 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. 禁無断転載－ 56 －大塚和弘

樋口和男

園部秋夫