JP2004269978A - 還元金属の製造方法および炭材内装塊成物 - Google Patents
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Abstract
【課題】埋蔵量が豊富で、広く産出する安価な高ＶＭ炭を用い、酸化金属の微粒子化を必要としない、還元後の強度に優れた炭材内装塊状物とそれを用いた還元金属の製造方法を提供することである。
【解決手段】炭材と鉄鉱石などの金属酸化物を含有する被還元材料とからなる炭材内装塊状物を、炭材として３５％以上の揮発成分を含有する高ＶＭ炭を用い、少なくとも２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で塊成化し、気孔率を３５％以下に低減させて形成したのである。それにより、この気孔率の低減が有効に作用し、回転炉床炉での高温還元過程で、塊状物中の伝熱が促進されて塊状物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、圧潰強度の高い還元鉄などの還元金属の製造が可能となる。また、流動性の無い炭材を用いた場合や所要の残留炭素量を確保するために、高ＶＭ炭の配合率を高めた場合でも圧潰強度の高い還元鉄が得られる。
【選択図】 図２
【解決手段】炭材と鉄鉱石などの金属酸化物を含有する被還元材料とからなる炭材内装塊状物を、炭材として３５％以上の揮発成分を含有する高ＶＭ炭を用い、少なくとも２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で塊成化し、気孔率を３５％以下に低減させて形成したのである。それにより、この気孔率の低減が有効に作用し、回転炉床炉での高温還元過程で、塊状物中の伝熱が促進されて塊状物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、圧潰強度の高い還元鉄などの還元金属の製造が可能となる。また、流動性の無い炭材を用いた場合や所要の残留炭素量を確保するために、高ＶＭ炭の配合率を高めた場合でも圧潰強度の高い還元鉄が得られる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄鉱石などの酸化金属と石炭との粉体状混合物を塊成化した炭材内装塊成物を用いた還元金属の製造方法に係り、詳しくは、高揮発分（ｖｏｌａｔｉｌｅ ｍａｔｔｅｒ）を含有する高ＶＭ炭を用いた、還元後の圧潰強度に優れた還元金属の製造方法とそれに用いる炭材内装塊成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
還元鉄の製造方法としては、向流シャフト炉を用いて、天然ガスを変成させた還元性ガスにより、粉鉱や塊鉱を固相のまま還元して還元鉄を得るミドレックス法がよく知られている。この方法は、還元剤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り、また、通常、プラントの立地が天然ガスの産地に限られるなどの制約がある。
【０００３】
このため、近年、還元剤を天然ガスから、比較的安価で、プラント立地の地理的制約も緩和される石炭に代替する還元鉄の製造プロセスが注目されている。この石炭を還元剤として使用する方法については、例えば、酸化鉄を含む金属酸化物を有する原料を炭質材料、即ち炭材と混合して、乾燥混合物を形成し、この乾燥混合物を、揮発物を発生させるに充分な条件で固まりにして、前記揮発物をバインダーとして機能させて乾燥混合物を結合させて圧粉体を形成する。そして、この圧粉体を回転炉床炉内に充填して、２１５０〜２３５０°Ｆ（１１７７℃〜１２８８℃）の温度域に、５〜１２分間加熱して圧粉体を還元して還元鉄を製造する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この方法では、石炭中の揮発物はバインダーの機能があり、揮発物の含有量が２０％よりも少ない場合には有機バインダーの添加が必要であり、揮発物が２０％〜３０％の範囲では、１０，０００Ｌｂ／ｉｎ２（７０３ｋｇ／ｃｍ２）を超える加圧と８００°Ｆ（４２７℃）の加熱が必要であり、揮発物が３０％以上の場合には、１０，０００Ｌｂ／ｉｎ２（７０３ｋｇ／ｃｍ２）を超える加圧のみでよいことが記載されている。また、前記炭質材料としては、固定炭素が多く、約２０％以上の揮発物を有する瀝青炭のような石炭が望ましいことが記載されている。
【０００５】
そして、前記回転炉床炉から排出される還元鉄圧分体が２〜１０％の過剰炭素を含み、この過剰炭素は、還元反応速度を向上し、還元の完全性を促進し、電気炉製綱で使用する炭素を提供することの利点があることが記載されている。
【０００６】
一方、前記炭材内装塊成物は多孔質であり、炭材と鉄鉱石などの酸化金属との接触は充分に大きくないため、塊成物内での熱伝導性がわるく、還元速度が低い。このため、炭材内装塊成物に使用する炭材の、回転炉床炉内での軟化溶融時の最高流動度が小さくなる程、酸化金属、即ち鉄鉱石中の１０μｍ以下の酸化鉄粒子の割合を多くして酸化鉄粒子間の接点数を増加させる方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この方法によれば、炭材の軟化溶融時の最高流動度が小さくても酸化鉄粒子同士の接触面積を増大し、炭材内装塊成物内の熱伝導性が向上し、加熱還元により金属化した粒子同士の結合接点数が増加し、焼結化が促進されて強度に優れた還元鉄が得られる。
【０００７】
【特許文献１】
特表平１１−５１１５１１（第２頁〜第４頁）
【特許文献２】
特許第３００４２６５号（［０００７］〜［００２９］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、１０，０００Ｌｂ／ｉｎ２（７０３ｋｇ／ｃｍ２）程度の加圧力で、２〜１０％程度の残留炭素を含む還元鉄を製造する場合、充分な還元鉄強度を確保するためには、通常、固定炭素分の高い炭材を使用して金属鉄との比率を高める必要があることから、特表平１１−５１１５１１号公報に開示された還元鉄の製造方法では、揮発物の含有量が３５％までの、固定炭素分の高い高度瀝青炭を主として対象としていると考えられる。
【０００９】
前記高度瀝青炭は、固定炭素分が高く、高品質であるが、埋蔵量が少ない原料炭で産地も限られるため、高価であるという問題を有する。一方、固定炭素分の少ない石炭、即ち亜瀝青炭以下の炭化度の低い石炭は埋蔵量が多く、産地の制約がなく安価であるために、製鉄への利用に対する要望は高い。しかし、鉄酸化物など金属酸化物の還元には固定炭素が寄与するために、固定炭素分が少ない亜瀝青炭や、さらに炭化度が低い褐炭を使用すると、鉄酸化物、即ち粉鉱に対する配合比率を高める必要がある。
【００１０】
このように、炭化度の低い石炭の配合比率を高めると、相対的に、圧粉体中に占める金属鉄の割合が下がり、還元による焼結化等の結合力が弱くなるために、還元鉄の強度が低下する。この強度低下により、回転炉床炉から排出される際の排出機等から受ける衝撃で、還元鉄が粉々になって比表面積が増大し、回転炉床炉内に存在する二酸化炭素や水蒸気などの酸化性ガスとの接触により、還元鉄は再酸化し、次工程への半製品としての価値を失い、かつ、粉体となるためにハンドリングが困難となる。また、粉々になった還元鉄を溶解炉で溶解する場合、粉体は密度が低いため、溶解炉内のスラグ層上に浮いてしまい、溶解できないという問題も発生する。
【００１１】
これに対し、固定炭素分が少ない炭材の配合比率を下げると、還元鉄の強度は上昇するが、還元反応に寄与する固定炭素量が不足するため、鉄酸化物などの酸化金属を充分に還元できない。また、還元鉄を溶解して溶銑を製造する際に、溶銑中に所要の炭素量を含有させるため、還元鉄中の残留炭素分が少ない場合には、炭材を添加する必要がある。この溶銑中への加炭は、歩留がわるく、炭材の消費量が増加するだけでなく、目標炭素濃度にまで加炭できない場合もある。
【００１２】
一方、特許第３００４２６５号に記載された還元鉄の製造方法では、炭材の最高流動度に応じた、１０μｍ以下の酸化鉄などの酸化金属粒子の配合が必要であり、工程が増加し、また、１０μｍを超える粗粒の酸化鉄粒子だけを配合した場合には、強度に優れた還元鉄を製造することはできない。
【００１３】
そこで、この発明の課題は、埋蔵量が豊富で、広く産出する安価な高ＶＭ炭を用い、酸化金属の微粒化を必要としない、還元後の強度に優れた炭材内装塊成物とそれを用いた還元金属の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１５】
即ち、揮発成分を３５％以上含有する高ＶＭ炭からなる炭材と金属酸化物を含有する被還元原料を２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で成形して炭材内装塊成物とし、この炭材内装塊成物を回転炉床炉で加熱し、高温還元して還元金属を製造するようにしたのである。
【００１６】
前記揮発成分を３５％以上含有する炭化度が比較的低い石炭は、世界的に広範囲に分布して埋蔵量も多いため、安価であり、炭材内装塊成物の製造コストを低減することができ、かつ、プラントの立地条件の制約がなくなる。また、揮発成分は、設置面積が小さく、被処理品の装入および取出しが容易にできるなどの特徴を有する回転炉床炉での炭材内装塊成物の加熱に燃料として利用できるため、バーナへ供給する燃料を節減できる。このような炭化度の比較的低い石炭を用いた炭材内装塊成物を、少なくとも２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で塊成化すれば、前記塊成物内の気孔率を有効に低減することができるため、塊成物中の伝熱が促進され、塊成物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、強度の高い還元金属の製造が可能となる。それにより、回転炉床炉から排出される際の排出機等から受ける衝撃で、還元鉄が粉々にならず、前記の再酸化や溶解炉内でスラグ層上に浮いて溶解できないなどの問題が解消される。
【００１７】
揮発成分を３５％以上含有する高ＶＭ炭からなる炭材と金属酸化物を含有する被還元原料と混合し、加圧ロール単位幅（ｃｍ）あたり２ｔ／ｃｍ以上の加圧力でブリケット状の炭材内装塊成物とし、この炭材内装塊成物を回転炉床炉で加熱し、高温還元して還元金属を製造することもできる。
【００１８】
例えば、高圧ロールプレスを用いた場合に、ロール単位幅（ｃｍ）あたり２ｔｏｎ以上の加圧力でブリケット状に塊成化すれば、気孔率がより有効に低減し、密度が大きく、粒形状が揃い、高温還元後に所要の強度を有する炭材内装塊成物が得られる。また、アーモンド形状やピロー形状など、溶解工程に適したブリケット形状に塊状化することができる。なお、厳密にはロールの回転速度が変われば各ブリケットに加わる圧力は変化するが、通常のブリケットマシン運転のロール回転速度（２〜３０ｒｐｍ）では、ブリケットに加わる圧力はロール単位幅あたりの加圧力で代表できる。
【００１９】
前記被還元原料が、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化マンガン、酸化チタン等の金属酸化物を含むようにすることもできる。
【００２０】
このようにすれば、高炉ダストや転炉ダストなどの鉄・ニッケル等を含有する製鉄ダスト類を炭材内装塊成物に塊成化できるため、資源リサイクルが可能となる。なお、酸化チタンを含有する原料においては、不純物として混入している鉄などの酸化物は還元によって金属鉄などの還元金属となる。この還元金属を溶解炉等に供給すると、還元されない酸化チタンはスラグとなって、還元金属と分離するため、高濃度の酸化チタンと還元金属とを分離回収できるようになる。なお、酸化チタンと還元金属中の金属鉄の分離は必ずしも溶解炉で行なうだけでなく、後述の加熱溶融処理や凝集粒状化処理を行なうと還元鉄中の金属鉄は粒状になるため、この還元金属を粉砕することにより、金属鉄と酸化チタンとを分離することができる。
【００２１】
前記還元金属が１％以上の残留炭素を含むようにすることが望ましい。
【００２２】
前記回転炉床炉から排出された高温還元後の還元金属には、未還元の酸化金属も存在するため、下流工程の溶解炉で、還元金属中に存在する残留炭素によって、この未還元の酸化金属が還元される。そして、この残留炭素が、通常１％よりも少なくなると、未還元の酸化金属の還元が不充分となる。なお、残留炭素量は、炭材の揮発分の程度、即ち固定炭素量に基づき、酸化金属と炭材との混合比率を変化させることにより、調節が可能である。
【００２３】
前記炭材の一部または全部が加熱処理されない状態で前記被還元原料と混合することが望ましい。
【００２４】
上記加熱処理は、４００〜１０００℃程度の、乾留状態とする高温加熱処理を意味し、このような加熱処理を施さない場合には、炭材が硬化していない状態で塊成化できるため、気孔率が有効に低減して密度が増加し、所要の強度を有する炭材内装塊成物が得られる。なお、前記加熱処理は、炭材の粉砕工程や乾燥工程で、炭材の種類によって温度条件は異なるが、約２００℃以下で加熱する処理は含んでおらず、このような単なる乾燥程度の加熱であれば、実質的に乾留、硬化の影響は受けなく、許容される。
【００２５】
上記のいずれかの方法により製造された還元金属に、さらに加熱溶融処理を施すことが望ましい。
【００２６】
前記還元金属を加熱溶融させることにより、原料である炭材や被還元材料に含まれるスラグ成分と金属成分とを分離することができ、不要なスラグ成分を極力含まない還元金属を得ることが可能となる。この加熱溶融処理は、前記回転炉床炉内で、高温還元に引き続いて加熱することにより行うことができる。
【００２７】
上記の加熱溶融処理により溶融状態にある還元金属を、凝集させて粒状化することもできる。
【００２８】
前記還元金属は、粉砕した炭材と金属酸化物とを混合した原料を使用しているため、塊成物中に小さな還元金属粒子が分散した状態になっている。溶融状態にある還元金属は、冷却過程で表面張力の作用によりその還元金属粒子が凝集し、粒状の還元金属となる。このように粒状の還元金属とすることにより、搬送や溶解炉への装入などハンドリングが容易となる。なお、溶融還元金属の冷却は、回転炉床炉内での、単にバーナなどの加熱をしていない排出装置側域への移動による炉冷、または、炉天井に水冷ジャケットなどの冷却手段を設けた冷却域での炉冷、などにより行なうことができる。
【００２９】
炭材と金属酸化物を含有する被還元原料とからなる炭材内装塊成物を、前記炭材として３５％以上の揮発成分を含有する高ＶＭ炭を用い、加圧下での塊成化により、気孔率が３５％以下に減少するように形成することができる。
【００３０】
このように、加圧下での塊成化により、揮発成分を３５％以上含有する高ＶＭ炭を用いた炭材内装塊成物の気孔率をおよそ３５％以下に減少させれば、高温還元過程で塊成物中の伝熱が促進され、塊成物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、圧潰強度の高い還元金属の製造が可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
まず、炭材として揮発分を３５％以上含有する高ＶＭ炭を用い、この高ＶＭ炭と酸化金属である鉄鉱石とを粉砕機で粉砕し、これらを還元後の残留炭素量が１％以上、望ましくは２％以上となるように予め配合し、ミキサーにより混合した後、この混合物が高圧ロールプレスの一対のロール間に供給される。前記一対のロールの表面には、塊成物の母型であるポケットがそれぞれ刻まれている。そして、前記鉄鉱石と高ＶＭ炭の混合物は、高圧ロールプレスのロール単位幅（ｃｍ）あたり、２ｔ／ｃｍ以上、望ましくは３ｔ／ｃｍ以上の所要の加圧力が付加されて、気孔率がおよそ３５％以下に有効に低減され、ブリケットに成形される。
【００３２】
前記炭材内装塊成物は、通常、バーナにより加熱される回転炉床炉に装入され、１３００℃程度の高温域に加熱されて、還元反応が進行し、還元鉄となって回転炉床炉から排出される。そして、この還元鉄は電気炉や化石燃料を利用した溶解炉で溶解され、銑鉄が得られる。
【００３３】
また、高温還元により還元鉄となった状態では、粉砕した炭材と鉄鉱石とを混合した原料を使用しているため、ブリケット中に小さな還元鉄粒子が分散した状態になっている。この高温還元終了後、回転炉床炉内で引き続いて加熱することにより、得られた還元鉄を溶融させることができる。この溶融によって、原料である炭材や被還元原料である鉄鉱石に含まれるスラグ成分と金属成分とを分離することができ、不要なスラグ成分を極力含まない還元鉄を得ることが可能となる。
【００３４】
さらに、この溶融した還元鉄を回転炉床炉内で、バーナなどの加熱をしていない排出装置側域、または炉天井に水冷ジャケットなどの冷却手段を設けた冷却域で炉冷することにより、冷却過程での表面張力の作用で、溶融した還元鉄粒子を凝集させて粒状の還元鉄を得ることができる。
【００３５】
前記炭材内装塊成物は、前述の高圧成形によって高温還元前に気孔率が低下しており、上述の加熱溶融処理や凝集粒状化処理によっても還元鉄の気孔率は低くなる。この金属化した還元鉄は電気炉等で溶解されるが、気孔率が小さいため、還元鉄粒子は周辺の還元鉄粒子と容易に結合して凝集しやすく、大きな粒鉄を形成しやすくなる。この形成された粒鉄が大きいと、スラグ中に分散して回収が困難になる還元鉄粒子や、回転炉床炉から排出した後に、小さいために回収しにくい還元鉄粒子が少なくなるため、金属鉄とスラグとの分離が容易になり、かつ、鉄分の損失が減って歩留が高くなる。
【００３６】
前記炭材に流動性がある場合、前記高圧成形により炭材内装塊成物の気孔率を下げることにより、高温還元過程で炭材が鉄鉱石粒子間の結合がより密になるため、この塊成物内部の伝熱速度が上昇し、還元速度が速まり、かつ、固相状態でも焼結による還元鉄粒子の凝集が生じ、上述の加熱溶融後の凝集粒状化を促進することができる。
【００３７】
なお、還元鉄製品としては、通常のスポンジ状の還元鉄に限らず、粉状、粒状、板状の形態をとることができる。また、溶融金属の形態や溶解後固化させる固体金属の形態をとることができる。また、前記酸化金属は必ずしも鉄鉱石に限らず、従って、前記還元金属も還元鉄に限定するものではない。
【００３８】
また、酸化チタンを含有する原料においては、不純物として混入している鉄などの酸化物は還元によって金属鉄などの還元金属となる。この還元金属を溶解炉等に供給すると、還元されない酸化チタンはスラグとなって、還元金属と分離するため、高濃度の酸化チタンと還元金属とを分離回収できるようになる。なお、酸化チタンと金属鉄の分離は必ずしも溶解炉で行なうだけでなく、上述の加熱溶融処理や凝集粒状化処理を行なうと還元金属中の金属鉄は粒状になるため、この還元金属を粉砕することにより、金属鉄と酸化チタンに分離することができる。
【００３９】
さらに、前記炭材は揮発分の含有量が高いため、過剰に発生する揮発分を回収して、この回転炉床炉の必要な炉床部位に燃料としてリサイクルすることができ、本来の燃料が不要になるほどに節約することも可能である。
【００４０】
以下に、実施例について説明する。
【００４１】
【実施例１】
表１に組成を示す炭材の、高ＶＭ炭Ａ、高ＶＭ炭Ｂ、瀝青炭Ｃをそれぞれ２００メッシュ以下のものが８０％以上を占めるように粉砕し、また、鉄鉱石を、Ｂｌａｉｎｅ Ｉｎｄｅｘ１５００ｃｍ２／ｇ程度の粒度になるように粉砕し、還元鉄中の残留炭素量、即ちＤＲＩ残留炭素量を変化させるために、各炭材と鉄鉱石との配合比率を変化させて混合し、この混合物を、ピロー型のポケットが刻まれたロール径２２８ｍｍ、ロール幅（胴長）７０ｍｍの試験用ブリケットマシンを用いて、加圧力２．５ｔ／ｃｍ（ロール単位幅）で、縦３５ｍｍ×横２５ｍｍ×最大厚み１３ｍｍの、断面が楕円形状をした体積６ｃｍ３のピロー型の炭材内装ブリケットを形成した。
【００４２】
【表１】
【００４３】
図１は、この炭材内装ブリケットを、窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃の回転炉床炉で高温還元して得られた即ちＤＲＩ残留炭素量（％）と還元鉄（縦２８ｍｍ×横２０ｍｍ×最大厚み１１ｍｍ）の圧潰強度、即ちＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／ブリケット）との関係を示したものである。
【００４４】
図１から、いずれの炭材でも、炭材配合比率を下げてＤＲＩ残留炭素量を少なくすると、ＤＲＩ圧潰強度は上昇するが、同一ＤＲＩ残留炭素量の場合、高ＶＭ炭、即ち高ＶＭ炭Ａ、高ＶＭ炭Ｂのいずれについても、瀝青炭Ｃに比べてＤＲＩ圧潰強度は低い。また、高ＶＭ炭でも、固定炭素量が少ない高ＶＭ炭Ａの方が、同一ＤＲＩ残留炭素量にするには配合比率を高める必要があるため、ＤＲＩ圧潰強度は低くなる。このように、高ＶＭ炭を使用したＤＲＩの圧潰強度は低く、例えば、４０ｋｇ／ブリケットの所要のＤＲＩ圧潰強度を得るためには、高ＶＭ炭では、瀝青炭よりもＤＲＩ残留炭素量を低減する必要がある。しかし、前述のように、ＤＲＩ残留炭素量が少なくなると、下流工程の溶解炉での未還元の酸化金属、即ち酸化鉄の還元が不充分となるため、高ＶＭ炭の場合でも所要の残留炭素量が必要である。
【００４５】
次に、表１に組成を示した炭材の、高ＶＭ炭Ｂ、乾留炭Ｄおよび鉄鉱石をそれぞれ、全体の８０％程度がおよそ２００メッシュ以下になるように粉砕し、各炭材と鉄鉱石との配合比率を変化させて混合し、この混合物５グラムを内径２０ｍｍのシリンダ内に装入し、ピストンで加圧して、直径が２０ｍｍで高さが６．７〜８．８ｍｍの円筒形のタブレットに成形した。なお、タブレットの高さは成形圧により異なる。
【００４６】
図２は、前記円筒体への成形加圧力、即ちタブレット成形圧と、このタブレットを窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃の回転炉床炉に９分間在炉させ、高温還元して得られた還元鉄（直径１６〜１７ｍｍ、高さ５．５〜７．５ｍｍ）の圧潰強度、即ちＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／タブレット）との関係を示したものである。また、図３は、前記の高ＶＭ炭Ｂおよび乾留炭Ｄを用いた円筒形タブレットの成形圧とその気孔率との関係示したもので、図４は、タブレット成形圧とタブレット見掛け密度（ｋｇ／ｃｍ３）との関係を示したものである。なお、ＤＲＩ残留炭素量は約２％である。
【００４７】
図２、図３および図４から、高ＶＭ炭Ｂでは、タブレット成形圧を高めることによって気孔率が減少し、見掛け密度が増加するため、ＤＲＩ圧潰強度は上昇する。そして、気孔率および見掛け密度は、タブレット成形圧が５〜６ｔ／ｃｍ２（４９０ＭＰａ〜５８８ＭＰａ）で、略一定となる。図３から分かるように、タブレット成形圧を１ｔ／ｃｍ２（９８ＭＰａ）程度にまで高めると、気孔率は３５％程度に減少する。このように、１ｔ／ｃｍ２（９８ＭＰａ）程度の加圧力を付与すると、加圧力が５０ｋｇ／ｃｍ２（４．９ＭＰａ）と加圧力が殆んど付与されない場合の気孔率約４５％から、加圧力を高めて低減させ得る、最小の気孔率約２５％との差、即ち低減可能な気孔率のおよそ１／２が減少し、３５％程度の気孔率となる。
【００４８】
また、図２から分かるように、タブレット成形圧が１ｔ／ｃｍ２（９８ＭＰａ）以上では、ＤＲＩ圧潰強度は使用可能な１０ｋｇ／タブレットを超え、タブレット成形圧が２ｔ／ｃｍ２（１９６ＭＰａ）以上では、気孔率は半減以下となって、より望ましい圧潰強度１５ｋｇ／タブレットを超えることがわかる。このように、前記気孔率の減少が有効に作用し、塊成物中の伝熱が促進され、塊成物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、強度の高い還元鉄金属の製造が可能となる。
【００４９】
一方、瀝青炭Ｃでは、揮発分が少ないため気孔率が低く、タブレット成形圧が１ｔ／ｃｍ２（９８ＭＰａ）以下でも、ＤＲＩ圧潰強度は１５ｋｇ／タブレットを超える。これに対し、高ＶＭ炭Ｂを約４５０℃で乾留した石炭である乾留炭Ｄの場合には、乾留によって石炭の硬度が上昇するため、タブレット成形圧を高めても、気孔率を効果的に減少せず、見掛け密度が効果的に増加しないため、ＤＲＩ圧潰強度を高めることはできない。
【００５０】
なお、円筒形状のタブレットの圧潰強度は、ＩＳＯ４７００によれば、その側面に荷重をかけるため、円筒の長さによって、圧潰強度は異なる。タブレットの原料重量、即ち前記炭材と鉄鉱石の混合物の重量を５グラムと一定にしたため、前記炭材の種類によってタブレットの体積、即ちその円筒の長さは若干異なるものの、５グラムの原料で製造したタブレットの成形圧１ｔ／ｃｍ２あたりのＤＲＩ圧潰強度の増加は、前記体積６ｃｍ３のブリケットの成形圧１ｔ／ｃｍあたりのＤＲＩ圧潰強度の増加にほぼ一致することを、実試験により確認した。それにより、図２の横軸のタブレット成形圧（ｋｇ／ｃｍ２）は、ブリケット成形圧（ｋｇ／ｃｍ）と見なすことができる。
【００５１】
従って、図２は、ブリケット成形圧（ｋｇ／ｃｍ）とＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／タブレット）と見なすことができ、ブリケットマシンでタブレットを成形する場合には、ブリケット成形圧が２ｔ／ｃｍ以上で、より望ましいＤＲＩ圧潰強度１５ｋｇ／タブレットを超えると見なすことができる。また、成形圧が３ｔ／ｃｍ以上では、ＤＲＩ圧潰強度は２０ｋｇ／タブレットを超えると見なせるが、この強度域に達すると、還元鉄搬送時に受ける衝撃による粉化が大きく改善されるため、さらに望ましい成形圧力域である。
【００５２】
【実施例２】
実施例１に記した高ＶＭ炭Ｂおよび乾留炭Ｄを用い、高ＶＭ炭Ｂについては成形圧２．５ｔ／ｃｍおよび成形圧６．５ｔ／ｃｍで、それぞれ体積が６ｃｍ３の炭材内装ブリケットを形成した。図５は、この炭材内装ブリケットをそれぞれ、窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃の回転炉床炉に約９分在炉させて高温還元し、得られたＤＲＩ残留炭素量（％）とＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／ブリケット）との関係を示したものである。図５から、下流工程の溶解炉での未還元の酸化金属、即ち酸化鉄の還元に寄与する残留炭素量が同一でも、ブリケット成形圧が６．５ｔ／ｃｍと高い方がＤＲＩ圧潰強度も高いことがわかる。このことは、所要のＤＲＩ残留炭素量を確保するために、高ＶＭ炭を使用する場合に、その配合率を高めても、ブリケット化時の成形圧を上昇させることにより、圧潰強度の高い還元鉄が得られることを示している。例えば、表１に示した揮発分約４１％、固定炭素約５０％の高ＶＭ炭Ｂを使用して炭材内装ブリケットを作製した場合、６．５ｔ／ｃｍのブリケット成形圧を付与すれば、ＤＲＩ残留炭素量が５％の還元鉄で、所要のＤＲＩ圧潰強度４０ｋｇ／ブリケット程度のＤＲＩ圧潰強度が得られる。
【００５３】
なお、成形圧を高くすると、前記ロールプレスのロール摩耗量が多くなり、メインテナンス費用が高くなることから、最適な成形圧は、要求されるＤＲＩ圧潰強度レベルと製造コストの双方を考慮して設定することが重要で、２．５〜１０ｔ／ｃｍの範囲で設定することが望ましい。
【００５４】
【比較例】
表１に組成を示した炭材の、高ＶＭ炭Ｂ、瀝青炭Ｃおよび鉄鉱石をそれぞれ、全体の８０％程度がおよそ２００メッシュ以下になるように粉砕し、各炭材と鉄鉱石とを混合し、この混合物をペレタイザ（造粒機）によって、直径１７ｍｍのペレットに造粒した後、窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃の回転炉床炉で高温還元して還元鉄を得た。図６は、この還元鉄のＤＲＩ残留炭素量（％）とＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／ペレット）との関係を示したものである。揮発分の少ない瀝青炭Ｃでは、ＤＲＩ残留炭素量を少なくすると、ＤＲＩ圧潰強度は顕著に上昇し、所要の圧潰強度１５ｋｇ／ペレットを上回るが、揮発分の多い高ＶＭ炭Ｂでは、ＤＲＩ残留炭素量を少なくすると、ＤＲＩ圧潰強度は上昇する傾向にはあるが、造粒時の加圧力が小さく、気孔率の減少が少ないため、所要のＤＲＩ圧潰強度１５ｋｇ／ペレットは達成できていない。
【００５５】
【実施例３】
表２は、流動度が無い炭材を用いて炭材内装ブリケットを作製した場合の、酸化鉄中の１０μｍ以下の酸化粒子の割合と還元鉄の圧潰強度および還元鉄中の６ｍｍ以下の粉率を示したもので、同表には、用いた炭材の種類（表１参照）、炭材および鉄鉱石の配合率、還元鉄中の金属化率および残留炭素量も記した。なお、この炭材内装ブリケットの回転炉床炉での還元条件は、実施例１および２の場合と同様に、窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃で在炉時間が約９分であり、炭材はいずれも流動度が零である。
【００５６】
【表２】
【００５７】
前述のように、従来技術では流動度の無い石炭を使用する場合、還元鉄の６ｍｍ以下の粉率を実用上許容できる１０％以下にするためには、１０μｍ以下の酸化鉄微粒子が１５％以上必要であった。ブリケット成形圧が２．５ｔ／ｃｍの本実施例では、いずれの場合にも、１０μｍ以下の酸化鉄微粒子が１５％未満で、前記粉率は１０％以下であり、また、気孔率は３５％以下であり、ＤＲＩ圧潰強度も所要の４０ｋｇ／ブリケットを充分満たしている。これに対し、ブリケット成形圧が０．２ｔ／ｃｍと小さい比較例では、１０μｍ以下の酸化鉄微粒子が１５％未満であるため、前記粉率は約６８％と極めて高く、また、気孔率は４０％を超えており、圧潰強度も約３４ｋｇ／ブリケットと所要の４０ｋｇ／ブリケットに到達していない。
【００５８】
なお、前記被還元材料として、酸化ニッケルや酸化クロム、酸化マンガンを使用することもできる。また、被還元材料が酸化亜鉛や酸化鉛のような重金属を含有する場合にも、還元が可能であるが、亜鉛や鉛は還元すると揮発するため、バグフィルタ等で、高濃度の酸化亜鉛や酸化鉛として回収可能となる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、この発明では、炭材内装塊成物を３５％以上の揮発成分を含有する高ＶＭ炭を用い、少なくとも２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で塊成化し、前記塊成物内の気孔率が有効に低減するようにしたので、回転炉床炉での高温還元過程で、塊成物中の伝熱が促進されて塊成物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、圧潰強度の高い還元金属の製造が可能となる。また、流動性の無い炭材を用いた場合や、所要の残留炭素量を確保するために、高ＶＭ炭の配合率を高めた場合でも、圧潰強度の高い還元鉄が得られる。それにより、回転炉床炉から排出過程で、還元鉄が粉々にならず、再酸化や溶解炉内でスラグ層上へ浮いて溶解できないなどの問題が解消される。
【００６０】
このように、地球上に広く分布し、埋蔵量も多く安価な揮発分の多い高ＶＭ炭を用いた炭材内装塊成物から、強度に優れた還元鉄を製造でき、この還元鉄は製鋼用および合金鉄製造用の銑鉄として、または合金鉄製造時にスクラップとともに装入する予備還元材として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の還元鉄中の残留炭素量と圧潰強度との関係に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【図２】同上の塊成物の成形圧と還元鉄の圧潰強度との関係に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【図３】同上の塊成物の成形圧と気孔率との関係に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【図４】同上の塊成物の成形圧と見掛け密度との関係に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【図５】同上の還元鉄中の残留炭素量と圧潰強度との関係に及ぼす成形圧の影響を示す説明図
【図６】従来技術の還元鉄中の残留炭素量と圧潰強度に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄鉱石などの酸化金属と石炭との粉体状混合物を塊成化した炭材内装塊成物を用いた還元金属の製造方法に係り、詳しくは、高揮発分（ｖｏｌａｔｉｌｅ ｍａｔｔｅｒ）を含有する高ＶＭ炭を用いた、還元後の圧潰強度に優れた還元金属の製造方法とそれに用いる炭材内装塊成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
還元鉄の製造方法としては、向流シャフト炉を用いて、天然ガスを変成させた還元性ガスにより、粉鉱や塊鉱を固相のまま還元して還元鉄を得るミドレックス法がよく知られている。この方法は、還元剤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り、また、通常、プラントの立地が天然ガスの産地に限られるなどの制約がある。
【０００３】
このため、近年、還元剤を天然ガスから、比較的安価で、プラント立地の地理的制約も緩和される石炭に代替する還元鉄の製造プロセスが注目されている。この石炭を還元剤として使用する方法については、例えば、酸化鉄を含む金属酸化物を有する原料を炭質材料、即ち炭材と混合して、乾燥混合物を形成し、この乾燥混合物を、揮発物を発生させるに充分な条件で固まりにして、前記揮発物をバインダーとして機能させて乾燥混合物を結合させて圧粉体を形成する。そして、この圧粉体を回転炉床炉内に充填して、２１５０〜２３５０°Ｆ（１１７７℃〜１２８８℃）の温度域に、５〜１２分間加熱して圧粉体を還元して還元鉄を製造する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この方法では、石炭中の揮発物はバインダーの機能があり、揮発物の含有量が２０％よりも少ない場合には有機バインダーの添加が必要であり、揮発物が２０％〜３０％の範囲では、１０，０００Ｌｂ／ｉｎ２（７０３ｋｇ／ｃｍ２）を超える加圧と８００°Ｆ（４２７℃）の加熱が必要であり、揮発物が３０％以上の場合には、１０，０００Ｌｂ／ｉｎ２（７０３ｋｇ／ｃｍ２）を超える加圧のみでよいことが記載されている。また、前記炭質材料としては、固定炭素が多く、約２０％以上の揮発物を有する瀝青炭のような石炭が望ましいことが記載されている。
【０００５】
そして、前記回転炉床炉から排出される還元鉄圧分体が２〜１０％の過剰炭素を含み、この過剰炭素は、還元反応速度を向上し、還元の完全性を促進し、電気炉製綱で使用する炭素を提供することの利点があることが記載されている。
【０００６】
一方、前記炭材内装塊成物は多孔質であり、炭材と鉄鉱石などの酸化金属との接触は充分に大きくないため、塊成物内での熱伝導性がわるく、還元速度が低い。このため、炭材内装塊成物に使用する炭材の、回転炉床炉内での軟化溶融時の最高流動度が小さくなる程、酸化金属、即ち鉄鉱石中の１０μｍ以下の酸化鉄粒子の割合を多くして酸化鉄粒子間の接点数を増加させる方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この方法によれば、炭材の軟化溶融時の最高流動度が小さくても酸化鉄粒子同士の接触面積を増大し、炭材内装塊成物内の熱伝導性が向上し、加熱還元により金属化した粒子同士の結合接点数が増加し、焼結化が促進されて強度に優れた還元鉄が得られる。
【０００７】
【特許文献１】
特表平１１−５１１５１１（第２頁〜第４頁）
【特許文献２】
特許第３００４２６５号（［０００７］〜［００２９］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、１０，０００Ｌｂ／ｉｎ２（７０３ｋｇ／ｃｍ２）程度の加圧力で、２〜１０％程度の残留炭素を含む還元鉄を製造する場合、充分な還元鉄強度を確保するためには、通常、固定炭素分の高い炭材を使用して金属鉄との比率を高める必要があることから、特表平１１−５１１５１１号公報に開示された還元鉄の製造方法では、揮発物の含有量が３５％までの、固定炭素分の高い高度瀝青炭を主として対象としていると考えられる。
【０００９】
前記高度瀝青炭は、固定炭素分が高く、高品質であるが、埋蔵量が少ない原料炭で産地も限られるため、高価であるという問題を有する。一方、固定炭素分の少ない石炭、即ち亜瀝青炭以下の炭化度の低い石炭は埋蔵量が多く、産地の制約がなく安価であるために、製鉄への利用に対する要望は高い。しかし、鉄酸化物など金属酸化物の還元には固定炭素が寄与するために、固定炭素分が少ない亜瀝青炭や、さらに炭化度が低い褐炭を使用すると、鉄酸化物、即ち粉鉱に対する配合比率を高める必要がある。
【００１０】
このように、炭化度の低い石炭の配合比率を高めると、相対的に、圧粉体中に占める金属鉄の割合が下がり、還元による焼結化等の結合力が弱くなるために、還元鉄の強度が低下する。この強度低下により、回転炉床炉から排出される際の排出機等から受ける衝撃で、還元鉄が粉々になって比表面積が増大し、回転炉床炉内に存在する二酸化炭素や水蒸気などの酸化性ガスとの接触により、還元鉄は再酸化し、次工程への半製品としての価値を失い、かつ、粉体となるためにハンドリングが困難となる。また、粉々になった還元鉄を溶解炉で溶解する場合、粉体は密度が低いため、溶解炉内のスラグ層上に浮いてしまい、溶解できないという問題も発生する。
【００１１】
これに対し、固定炭素分が少ない炭材の配合比率を下げると、還元鉄の強度は上昇するが、還元反応に寄与する固定炭素量が不足するため、鉄酸化物などの酸化金属を充分に還元できない。また、還元鉄を溶解して溶銑を製造する際に、溶銑中に所要の炭素量を含有させるため、還元鉄中の残留炭素分が少ない場合には、炭材を添加する必要がある。この溶銑中への加炭は、歩留がわるく、炭材の消費量が増加するだけでなく、目標炭素濃度にまで加炭できない場合もある。
【００１２】
一方、特許第３００４２６５号に記載された還元鉄の製造方法では、炭材の最高流動度に応じた、１０μｍ以下の酸化鉄などの酸化金属粒子の配合が必要であり、工程が増加し、また、１０μｍを超える粗粒の酸化鉄粒子だけを配合した場合には、強度に優れた還元鉄を製造することはできない。
【００１３】
そこで、この発明の課題は、埋蔵量が豊富で、広く産出する安価な高ＶＭ炭を用い、酸化金属の微粒化を必要としない、還元後の強度に優れた炭材内装塊成物とそれを用いた還元金属の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１５】
即ち、揮発成分を３５％以上含有する高ＶＭ炭からなる炭材と金属酸化物を含有する被還元原料を２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で成形して炭材内装塊成物とし、この炭材内装塊成物を回転炉床炉で加熱し、高温還元して還元金属を製造するようにしたのである。
【００１６】
前記揮発成分を３５％以上含有する炭化度が比較的低い石炭は、世界的に広範囲に分布して埋蔵量も多いため、安価であり、炭材内装塊成物の製造コストを低減することができ、かつ、プラントの立地条件の制約がなくなる。また、揮発成分は、設置面積が小さく、被処理品の装入および取出しが容易にできるなどの特徴を有する回転炉床炉での炭材内装塊成物の加熱に燃料として利用できるため、バーナへ供給する燃料を節減できる。このような炭化度の比較的低い石炭を用いた炭材内装塊成物を、少なくとも２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で塊成化すれば、前記塊成物内の気孔率を有効に低減することができるため、塊成物中の伝熱が促進され、塊成物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、強度の高い還元金属の製造が可能となる。それにより、回転炉床炉から排出される際の排出機等から受ける衝撃で、還元鉄が粉々にならず、前記の再酸化や溶解炉内でスラグ層上に浮いて溶解できないなどの問題が解消される。
【００１７】
揮発成分を３５％以上含有する高ＶＭ炭からなる炭材と金属酸化物を含有する被還元原料と混合し、加圧ロール単位幅（ｃｍ）あたり２ｔ／ｃｍ以上の加圧力でブリケット状の炭材内装塊成物とし、この炭材内装塊成物を回転炉床炉で加熱し、高温還元して還元金属を製造することもできる。
【００１８】
例えば、高圧ロールプレスを用いた場合に、ロール単位幅（ｃｍ）あたり２ｔｏｎ以上の加圧力でブリケット状に塊成化すれば、気孔率がより有効に低減し、密度が大きく、粒形状が揃い、高温還元後に所要の強度を有する炭材内装塊成物が得られる。また、アーモンド形状やピロー形状など、溶解工程に適したブリケット形状に塊状化することができる。なお、厳密にはロールの回転速度が変われば各ブリケットに加わる圧力は変化するが、通常のブリケットマシン運転のロール回転速度（２〜３０ｒｐｍ）では、ブリケットに加わる圧力はロール単位幅あたりの加圧力で代表できる。
【００１９】
前記被還元原料が、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化マンガン、酸化チタン等の金属酸化物を含むようにすることもできる。
【００２０】
このようにすれば、高炉ダストや転炉ダストなどの鉄・ニッケル等を含有する製鉄ダスト類を炭材内装塊成物に塊成化できるため、資源リサイクルが可能となる。なお、酸化チタンを含有する原料においては、不純物として混入している鉄などの酸化物は還元によって金属鉄などの還元金属となる。この還元金属を溶解炉等に供給すると、還元されない酸化チタンはスラグとなって、還元金属と分離するため、高濃度の酸化チタンと還元金属とを分離回収できるようになる。なお、酸化チタンと還元金属中の金属鉄の分離は必ずしも溶解炉で行なうだけでなく、後述の加熱溶融処理や凝集粒状化処理を行なうと還元鉄中の金属鉄は粒状になるため、この還元金属を粉砕することにより、金属鉄と酸化チタンとを分離することができる。
【００２１】
前記還元金属が１％以上の残留炭素を含むようにすることが望ましい。
【００２２】
前記回転炉床炉から排出された高温還元後の還元金属には、未還元の酸化金属も存在するため、下流工程の溶解炉で、還元金属中に存在する残留炭素によって、この未還元の酸化金属が還元される。そして、この残留炭素が、通常１％よりも少なくなると、未還元の酸化金属の還元が不充分となる。なお、残留炭素量は、炭材の揮発分の程度、即ち固定炭素量に基づき、酸化金属と炭材との混合比率を変化させることにより、調節が可能である。
【００２３】
前記炭材の一部または全部が加熱処理されない状態で前記被還元原料と混合することが望ましい。
【００２４】
上記加熱処理は、４００〜１０００℃程度の、乾留状態とする高温加熱処理を意味し、このような加熱処理を施さない場合には、炭材が硬化していない状態で塊成化できるため、気孔率が有効に低減して密度が増加し、所要の強度を有する炭材内装塊成物が得られる。なお、前記加熱処理は、炭材の粉砕工程や乾燥工程で、炭材の種類によって温度条件は異なるが、約２００℃以下で加熱する処理は含んでおらず、このような単なる乾燥程度の加熱であれば、実質的に乾留、硬化の影響は受けなく、許容される。
【００２５】
上記のいずれかの方法により製造された還元金属に、さらに加熱溶融処理を施すことが望ましい。
【００２６】
前記還元金属を加熱溶融させることにより、原料である炭材や被還元材料に含まれるスラグ成分と金属成分とを分離することができ、不要なスラグ成分を極力含まない還元金属を得ることが可能となる。この加熱溶融処理は、前記回転炉床炉内で、高温還元に引き続いて加熱することにより行うことができる。
【００２７】
上記の加熱溶融処理により溶融状態にある還元金属を、凝集させて粒状化することもできる。
【００２８】
前記還元金属は、粉砕した炭材と金属酸化物とを混合した原料を使用しているため、塊成物中に小さな還元金属粒子が分散した状態になっている。溶融状態にある還元金属は、冷却過程で表面張力の作用によりその還元金属粒子が凝集し、粒状の還元金属となる。このように粒状の還元金属とすることにより、搬送や溶解炉への装入などハンドリングが容易となる。なお、溶融還元金属の冷却は、回転炉床炉内での、単にバーナなどの加熱をしていない排出装置側域への移動による炉冷、または、炉天井に水冷ジャケットなどの冷却手段を設けた冷却域での炉冷、などにより行なうことができる。
【００２９】
炭材と金属酸化物を含有する被還元原料とからなる炭材内装塊成物を、前記炭材として３５％以上の揮発成分を含有する高ＶＭ炭を用い、加圧下での塊成化により、気孔率が３５％以下に減少するように形成することができる。
【００３０】
このように、加圧下での塊成化により、揮発成分を３５％以上含有する高ＶＭ炭を用いた炭材内装塊成物の気孔率をおよそ３５％以下に減少させれば、高温還元過程で塊成物中の伝熱が促進され、塊成物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、圧潰強度の高い還元金属の製造が可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
まず、炭材として揮発分を３５％以上含有する高ＶＭ炭を用い、この高ＶＭ炭と酸化金属である鉄鉱石とを粉砕機で粉砕し、これらを還元後の残留炭素量が１％以上、望ましくは２％以上となるように予め配合し、ミキサーにより混合した後、この混合物が高圧ロールプレスの一対のロール間に供給される。前記一対のロールの表面には、塊成物の母型であるポケットがそれぞれ刻まれている。そして、前記鉄鉱石と高ＶＭ炭の混合物は、高圧ロールプレスのロール単位幅（ｃｍ）あたり、２ｔ／ｃｍ以上、望ましくは３ｔ／ｃｍ以上の所要の加圧力が付加されて、気孔率がおよそ３５％以下に有効に低減され、ブリケットに成形される。
【００３２】
前記炭材内装塊成物は、通常、バーナにより加熱される回転炉床炉に装入され、１３００℃程度の高温域に加熱されて、還元反応が進行し、還元鉄となって回転炉床炉から排出される。そして、この還元鉄は電気炉や化石燃料を利用した溶解炉で溶解され、銑鉄が得られる。
【００３３】
また、高温還元により還元鉄となった状態では、粉砕した炭材と鉄鉱石とを混合した原料を使用しているため、ブリケット中に小さな還元鉄粒子が分散した状態になっている。この高温還元終了後、回転炉床炉内で引き続いて加熱することにより、得られた還元鉄を溶融させることができる。この溶融によって、原料である炭材や被還元原料である鉄鉱石に含まれるスラグ成分と金属成分とを分離することができ、不要なスラグ成分を極力含まない還元鉄を得ることが可能となる。
【００３４】
さらに、この溶融した還元鉄を回転炉床炉内で、バーナなどの加熱をしていない排出装置側域、または炉天井に水冷ジャケットなどの冷却手段を設けた冷却域で炉冷することにより、冷却過程での表面張力の作用で、溶融した還元鉄粒子を凝集させて粒状の還元鉄を得ることができる。
【００３５】
前記炭材内装塊成物は、前述の高圧成形によって高温還元前に気孔率が低下しており、上述の加熱溶融処理や凝集粒状化処理によっても還元鉄の気孔率は低くなる。この金属化した還元鉄は電気炉等で溶解されるが、気孔率が小さいため、還元鉄粒子は周辺の還元鉄粒子と容易に結合して凝集しやすく、大きな粒鉄を形成しやすくなる。この形成された粒鉄が大きいと、スラグ中に分散して回収が困難になる還元鉄粒子や、回転炉床炉から排出した後に、小さいために回収しにくい還元鉄粒子が少なくなるため、金属鉄とスラグとの分離が容易になり、かつ、鉄分の損失が減って歩留が高くなる。
【００３６】
前記炭材に流動性がある場合、前記高圧成形により炭材内装塊成物の気孔率を下げることにより、高温還元過程で炭材が鉄鉱石粒子間の結合がより密になるため、この塊成物内部の伝熱速度が上昇し、還元速度が速まり、かつ、固相状態でも焼結による還元鉄粒子の凝集が生じ、上述の加熱溶融後の凝集粒状化を促進することができる。
【００３７】
なお、還元鉄製品としては、通常のスポンジ状の還元鉄に限らず、粉状、粒状、板状の形態をとることができる。また、溶融金属の形態や溶解後固化させる固体金属の形態をとることができる。また、前記酸化金属は必ずしも鉄鉱石に限らず、従って、前記還元金属も還元鉄に限定するものではない。
【００３８】
また、酸化チタンを含有する原料においては、不純物として混入している鉄などの酸化物は還元によって金属鉄などの還元金属となる。この還元金属を溶解炉等に供給すると、還元されない酸化チタンはスラグとなって、還元金属と分離するため、高濃度の酸化チタンと還元金属とを分離回収できるようになる。なお、酸化チタンと金属鉄の分離は必ずしも溶解炉で行なうだけでなく、上述の加熱溶融処理や凝集粒状化処理を行なうと還元金属中の金属鉄は粒状になるため、この還元金属を粉砕することにより、金属鉄と酸化チタンに分離することができる。
【００３９】
さらに、前記炭材は揮発分の含有量が高いため、過剰に発生する揮発分を回収して、この回転炉床炉の必要な炉床部位に燃料としてリサイクルすることができ、本来の燃料が不要になるほどに節約することも可能である。
【００４０】
以下に、実施例について説明する。
【００４１】
【実施例１】
表１に組成を示す炭材の、高ＶＭ炭Ａ、高ＶＭ炭Ｂ、瀝青炭Ｃをそれぞれ２００メッシュ以下のものが８０％以上を占めるように粉砕し、また、鉄鉱石を、Ｂｌａｉｎｅ Ｉｎｄｅｘ１５００ｃｍ２／ｇ程度の粒度になるように粉砕し、還元鉄中の残留炭素量、即ちＤＲＩ残留炭素量を変化させるために、各炭材と鉄鉱石との配合比率を変化させて混合し、この混合物を、ピロー型のポケットが刻まれたロール径２２８ｍｍ、ロール幅（胴長）７０ｍｍの試験用ブリケットマシンを用いて、加圧力２．５ｔ／ｃｍ（ロール単位幅）で、縦３５ｍｍ×横２５ｍｍ×最大厚み１３ｍｍの、断面が楕円形状をした体積６ｃｍ３のピロー型の炭材内装ブリケットを形成した。
【００４２】
【表１】
図１は、この炭材内装ブリケットを、窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃の回転炉床炉で高温還元して得られた即ちＤＲＩ残留炭素量（％）と還元鉄（縦２８ｍｍ×横２０ｍｍ×最大厚み１１ｍｍ）の圧潰強度、即ちＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／ブリケット）との関係を示したものである。
【００４４】
図１から、いずれの炭材でも、炭材配合比率を下げてＤＲＩ残留炭素量を少なくすると、ＤＲＩ圧潰強度は上昇するが、同一ＤＲＩ残留炭素量の場合、高ＶＭ炭、即ち高ＶＭ炭Ａ、高ＶＭ炭Ｂのいずれについても、瀝青炭Ｃに比べてＤＲＩ圧潰強度は低い。また、高ＶＭ炭でも、固定炭素量が少ない高ＶＭ炭Ａの方が、同一ＤＲＩ残留炭素量にするには配合比率を高める必要があるため、ＤＲＩ圧潰強度は低くなる。このように、高ＶＭ炭を使用したＤＲＩの圧潰強度は低く、例えば、４０ｋｇ／ブリケットの所要のＤＲＩ圧潰強度を得るためには、高ＶＭ炭では、瀝青炭よりもＤＲＩ残留炭素量を低減する必要がある。しかし、前述のように、ＤＲＩ残留炭素量が少なくなると、下流工程の溶解炉での未還元の酸化金属、即ち酸化鉄の還元が不充分となるため、高ＶＭ炭の場合でも所要の残留炭素量が必要である。
【００４５】
次に、表１に組成を示した炭材の、高ＶＭ炭Ｂ、乾留炭Ｄおよび鉄鉱石をそれぞれ、全体の８０％程度がおよそ２００メッシュ以下になるように粉砕し、各炭材と鉄鉱石との配合比率を変化させて混合し、この混合物５グラムを内径２０ｍｍのシリンダ内に装入し、ピストンで加圧して、直径が２０ｍｍで高さが６．７〜８．８ｍｍの円筒形のタブレットに成形した。なお、タブレットの高さは成形圧により異なる。
【００４６】
図２は、前記円筒体への成形加圧力、即ちタブレット成形圧と、このタブレットを窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃の回転炉床炉に９分間在炉させ、高温還元して得られた還元鉄（直径１６〜１７ｍｍ、高さ５．５〜７．５ｍｍ）の圧潰強度、即ちＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／タブレット）との関係を示したものである。また、図３は、前記の高ＶＭ炭Ｂおよび乾留炭Ｄを用いた円筒形タブレットの成形圧とその気孔率との関係示したもので、図４は、タブレット成形圧とタブレット見掛け密度（ｋｇ／ｃｍ３）との関係を示したものである。なお、ＤＲＩ残留炭素量は約２％である。
【００４７】
図２、図３および図４から、高ＶＭ炭Ｂでは、タブレット成形圧を高めることによって気孔率が減少し、見掛け密度が増加するため、ＤＲＩ圧潰強度は上昇する。そして、気孔率および見掛け密度は、タブレット成形圧が５〜６ｔ／ｃｍ２（４９０ＭＰａ〜５８８ＭＰａ）で、略一定となる。図３から分かるように、タブレット成形圧を１ｔ／ｃｍ２（９８ＭＰａ）程度にまで高めると、気孔率は３５％程度に減少する。このように、１ｔ／ｃｍ２（９８ＭＰａ）程度の加圧力を付与すると、加圧力が５０ｋｇ／ｃｍ２（４．９ＭＰａ）と加圧力が殆んど付与されない場合の気孔率約４５％から、加圧力を高めて低減させ得る、最小の気孔率約２５％との差、即ち低減可能な気孔率のおよそ１／２が減少し、３５％程度の気孔率となる。
【００４８】
また、図２から分かるように、タブレット成形圧が１ｔ／ｃｍ２（９８ＭＰａ）以上では、ＤＲＩ圧潰強度は使用可能な１０ｋｇ／タブレットを超え、タブレット成形圧が２ｔ／ｃｍ２（１９６ＭＰａ）以上では、気孔率は半減以下となって、より望ましい圧潰強度１５ｋｇ／タブレットを超えることがわかる。このように、前記気孔率の減少が有効に作用し、塊成物中の伝熱が促進され、塊成物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、強度の高い還元鉄金属の製造が可能となる。
【００４９】
一方、瀝青炭Ｃでは、揮発分が少ないため気孔率が低く、タブレット成形圧が１ｔ／ｃｍ２（９８ＭＰａ）以下でも、ＤＲＩ圧潰強度は１５ｋｇ／タブレットを超える。これに対し、高ＶＭ炭Ｂを約４５０℃で乾留した石炭である乾留炭Ｄの場合には、乾留によって石炭の硬度が上昇するため、タブレット成形圧を高めても、気孔率を効果的に減少せず、見掛け密度が効果的に増加しないため、ＤＲＩ圧潰強度を高めることはできない。
【００５０】
なお、円筒形状のタブレットの圧潰強度は、ＩＳＯ４７００によれば、その側面に荷重をかけるため、円筒の長さによって、圧潰強度は異なる。タブレットの原料重量、即ち前記炭材と鉄鉱石の混合物の重量を５グラムと一定にしたため、前記炭材の種類によってタブレットの体積、即ちその円筒の長さは若干異なるものの、５グラムの原料で製造したタブレットの成形圧１ｔ／ｃｍ２あたりのＤＲＩ圧潰強度の増加は、前記体積６ｃｍ３のブリケットの成形圧１ｔ／ｃｍあたりのＤＲＩ圧潰強度の増加にほぼ一致することを、実試験により確認した。それにより、図２の横軸のタブレット成形圧（ｋｇ／ｃｍ２）は、ブリケット成形圧（ｋｇ／ｃｍ）と見なすことができる。
【００５１】
従って、図２は、ブリケット成形圧（ｋｇ／ｃｍ）とＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／タブレット）と見なすことができ、ブリケットマシンでタブレットを成形する場合には、ブリケット成形圧が２ｔ／ｃｍ以上で、より望ましいＤＲＩ圧潰強度１５ｋｇ／タブレットを超えると見なすことができる。また、成形圧が３ｔ／ｃｍ以上では、ＤＲＩ圧潰強度は２０ｋｇ／タブレットを超えると見なせるが、この強度域に達すると、還元鉄搬送時に受ける衝撃による粉化が大きく改善されるため、さらに望ましい成形圧力域である。
【００５２】
【実施例２】
実施例１に記した高ＶＭ炭Ｂおよび乾留炭Ｄを用い、高ＶＭ炭Ｂについては成形圧２．５ｔ／ｃｍおよび成形圧６．５ｔ／ｃｍで、それぞれ体積が６ｃｍ３の炭材内装ブリケットを形成した。図５は、この炭材内装ブリケットをそれぞれ、窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃の回転炉床炉に約９分在炉させて高温還元し、得られたＤＲＩ残留炭素量（％）とＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／ブリケット）との関係を示したものである。図５から、下流工程の溶解炉での未還元の酸化金属、即ち酸化鉄の還元に寄与する残留炭素量が同一でも、ブリケット成形圧が６．５ｔ／ｃｍと高い方がＤＲＩ圧潰強度も高いことがわかる。このことは、所要のＤＲＩ残留炭素量を確保するために、高ＶＭ炭を使用する場合に、その配合率を高めても、ブリケット化時の成形圧を上昇させることにより、圧潰強度の高い還元鉄が得られることを示している。例えば、表１に示した揮発分約４１％、固定炭素約５０％の高ＶＭ炭Ｂを使用して炭材内装ブリケットを作製した場合、６．５ｔ／ｃｍのブリケット成形圧を付与すれば、ＤＲＩ残留炭素量が５％の還元鉄で、所要のＤＲＩ圧潰強度４０ｋｇ／ブリケット程度のＤＲＩ圧潰強度が得られる。
【００５３】
なお、成形圧を高くすると、前記ロールプレスのロール摩耗量が多くなり、メインテナンス費用が高くなることから、最適な成形圧は、要求されるＤＲＩ圧潰強度レベルと製造コストの双方を考慮して設定することが重要で、２．５〜１０ｔ／ｃｍの範囲で設定することが望ましい。
【００５４】
【比較例】
表１に組成を示した炭材の、高ＶＭ炭Ｂ、瀝青炭Ｃおよび鉄鉱石をそれぞれ、全体の８０％程度がおよそ２００メッシュ以下になるように粉砕し、各炭材と鉄鉱石とを混合し、この混合物をペレタイザ（造粒機）によって、直径１７ｍｍのペレットに造粒した後、窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃の回転炉床炉で高温還元して還元鉄を得た。図６は、この還元鉄のＤＲＩ残留炭素量（％）とＤＲＩ圧潰強度（ｋｇ／ペレット）との関係を示したものである。揮発分の少ない瀝青炭Ｃでは、ＤＲＩ残留炭素量を少なくすると、ＤＲＩ圧潰強度は顕著に上昇し、所要の圧潰強度１５ｋｇ／ペレットを上回るが、揮発分の多い高ＶＭ炭Ｂでは、ＤＲＩ残留炭素量を少なくすると、ＤＲＩ圧潰強度は上昇する傾向にはあるが、造粒時の加圧力が小さく、気孔率の減少が少ないため、所要のＤＲＩ圧潰強度１５ｋｇ／ペレットは達成できていない。
【００５５】
【実施例３】
表２は、流動度が無い炭材を用いて炭材内装ブリケットを作製した場合の、酸化鉄中の１０μｍ以下の酸化粒子の割合と還元鉄の圧潰強度および還元鉄中の６ｍｍ以下の粉率を示したもので、同表には、用いた炭材の種類（表１参照）、炭材および鉄鉱石の配合率、還元鉄中の金属化率および残留炭素量も記した。なお、この炭材内装ブリケットの回転炉床炉での還元条件は、実施例１および２の場合と同様に、窒素雰囲気下の炉内温度約１３００℃で在炉時間が約９分であり、炭材はいずれも流動度が零である。
【００５６】
【表２】
前述のように、従来技術では流動度の無い石炭を使用する場合、還元鉄の６ｍｍ以下の粉率を実用上許容できる１０％以下にするためには、１０μｍ以下の酸化鉄微粒子が１５％以上必要であった。ブリケット成形圧が２．５ｔ／ｃｍの本実施例では、いずれの場合にも、１０μｍ以下の酸化鉄微粒子が１５％未満で、前記粉率は１０％以下であり、また、気孔率は３５％以下であり、ＤＲＩ圧潰強度も所要の４０ｋｇ／ブリケットを充分満たしている。これに対し、ブリケット成形圧が０．２ｔ／ｃｍと小さい比較例では、１０μｍ以下の酸化鉄微粒子が１５％未満であるため、前記粉率は約６８％と極めて高く、また、気孔率は４０％を超えており、圧潰強度も約３４ｋｇ／ブリケットと所要の４０ｋｇ／ブリケットに到達していない。
【００５８】
なお、前記被還元材料として、酸化ニッケルや酸化クロム、酸化マンガンを使用することもできる。また、被還元材料が酸化亜鉛や酸化鉛のような重金属を含有する場合にも、還元が可能であるが、亜鉛や鉛は還元すると揮発するため、バグフィルタ等で、高濃度の酸化亜鉛や酸化鉛として回収可能となる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、この発明では、炭材内装塊成物を３５％以上の揮発成分を含有する高ＶＭ炭を用い、少なくとも２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で塊成化し、前記塊成物内の気孔率が有効に低減するようにしたので、回転炉床炉での高温還元過程で、塊成物中の伝熱が促進されて塊成物内の全域で還元金属間の焼結化が進行し、圧潰強度の高い還元金属の製造が可能となる。また、流動性の無い炭材を用いた場合や、所要の残留炭素量を確保するために、高ＶＭ炭の配合率を高めた場合でも、圧潰強度の高い還元鉄が得られる。それにより、回転炉床炉から排出過程で、還元鉄が粉々にならず、再酸化や溶解炉内でスラグ層上へ浮いて溶解できないなどの問題が解消される。
【００６０】
このように、地球上に広く分布し、埋蔵量も多く安価な揮発分の多い高ＶＭ炭を用いた炭材内装塊成物から、強度に優れた還元鉄を製造でき、この還元鉄は製鋼用および合金鉄製造用の銑鉄として、または合金鉄製造時にスクラップとともに装入する予備還元材として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の還元鉄中の残留炭素量と圧潰強度との関係に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【図２】同上の塊成物の成形圧と還元鉄の圧潰強度との関係に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【図３】同上の塊成物の成形圧と気孔率との関係に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【図４】同上の塊成物の成形圧と見掛け密度との関係に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
【図５】同上の還元鉄中の残留炭素量と圧潰強度との関係に及ぼす成形圧の影響を示す説明図
【図６】従来技術の還元鉄中の残留炭素量と圧潰強度に及ぼす炭材の種類の影響を示す説明図
Claims (9)
- 揮発成分を３５％以上含有する高ＶＭ炭からなる炭材と金属酸化物を含有する被還元原料と混合し、２ｔ／ｃｍ２以上の加圧力で成形して炭材内装塊成物とし、この炭材内装塊成物を回転炉床炉で加熱し、高温還元する還元金属の製造方法。
- 揮発成分を３５％以上含有する高ＶＭ炭からなる炭材と金属酸化物を含有する被還元原料と混合し、加圧ロール単位幅（ｃｍ）あたり２ｔ／ｃｍ以上の加圧力でブリケット状の炭材内装塊成物とし、この炭材内装塊成物を回転炉床炉で加熱し、高温還元する還元金属の製造方法。
- 前記被還元原料が、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化マンガン、酸化チタン等の金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
- 前記還元金属が１％以上の残留炭素を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の還元金属の製造方法。
- 前記炭材の一部または全部が加熱処理されない状態で前記被還元原料と混合されたことを特徴とする請求項１から４に記載の還元金属の製造方法。
- 請求項１から５のいずれかに記載の方法により製造された還元金属に、さらに加熱溶融処理を施す還元金属の製造方法。
- 請求項６に記載の加熱溶融処理により溶融状態にある還元金属を、凝集させて粒状化する還元金属の製造方法。
- 炭材と金属酸化物を含有する被還元原料とからなる炭材内装塊成物であって、前記炭材が３５％以上の揮発成分を含有する高ＶＭ炭であり、加圧下での塊成化により、気孔率を３５％以下に減少させたことを特徴とする炭材内装塊成物。
- 請求項８に記載の炭材内装塊成物を回転炉床炉で加熱し、高温還元した還元金属。
Priority Applications (11)
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