JP2013040407A - 金属鉄ナゲットを生成するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】還元処理、たとえば金属鉄ナゲットの生成における、鉄ナゲットの大きさの制御、微小ナゲットの形成の制御、鉄ナゲット中の硫黄分の制御を提供する。
【解決手段】炉床材層の少なくとも一部の上に、還元性混合物（たとえば、還元性微小凝集体、還元剤および還元性鉄含有物質、溶剤といった添加剤を含む還元性混合物、成形体など）を供給する。複数のチャネル開口部が、複数のナゲット形成還元剤領域を画成するべく、還元性混合物の層を少なくとも部分的に延在する。このようなチャネル開口部は、ナゲット分離充填物質（たとえば炭素質物質）を、少なくとも部分的に充填してもよい。還元性混合物の層を熱処理することによって、一つ以上の金属鉄ナゲットの形成を結果として生じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属含有物質の還元（たとえば、鉄鉱石といった鉄含有物質の還元）に関する。

過去において、多くの異なる鉄鉱石還元処理が記載されおよび／または用いられてきた。伝統的に、処理は直接還元処理および溶融還元処理へと分類してもよい。一般的に、直接還元処理は、たとえば高炉（たとえば天然ガス系の高炉）の使用によって、鉄鉱石を固体状態の金属鉄形態へと変換し、一方、溶融還元は高炉の使用を伴わずに鉄鉱石を高温の溶銑へと変換する。

直接還元鉄（ＤＲＩ）の生成のための従来の還元処理の多くは、ガス系の処理または石炭系の処理のいずれかである。たとえば、ガス系の処理では、酸化鉄（たとえば鉄鉱石または酸化鉄の小球）の直接還元は、酸化鉄を還元しておよびＤＲＩを得るのに還元ガス（たとえば改質された天然ガス）の使用を採用する。ＤＲＩを作製する方法は、還元剤として炭素（たとえば、石炭、木炭など）を含有する物質の使用を採用してきた。たとえば、石炭系の方法は、参照文献：表題「地球の裏側での直接還元：ニュージーランドの場合（Ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｄｏｗｎ ｕｎｄｅｒ：ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｚｅａｌａｎｄ ｓｔｏｒｙ）」、Ｄ．Ａ．ボールド（Ｄ．Ａ．Ｂｏｌｄ）他、アイアンスチールインターナショナル（Ｉｒｏｎ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、第５０巻第３号、第１４５頁および第１４７〜５２頁（１９７７）にたとえば記載されるＳＬ−ＲＮ法、または、参照文献：ミヤガワ（Ｍｉｙａｇａｗａ）他による、表題「新しい直接還元処理としてのＦＡＳＴＭＥＴ（登録商標）の開発（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＦＡＳＴＭＥＴ（登録商標） ａｓ Ｎｅｗ Ｄｉｒｅｃｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ」、１９９８ ＩＣＳＴＩ／ＩＲＯＮＭＡＫＩＮＧ会議抄録（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）、第８７７〜８８１頁にたとえば記載されるファストメット（ＦＡＳＴＭＥＴ）（登録商標）法を含む。

ガス系または石炭系直接還元処理と溶融還元処理との間の別の還元処理は、融合還元と呼ばれることもある。融合還元処理は、たとえば参照文献：コバヤシ（Ｋｏｂａｙａｓｈｉ）他による表題「細かい鉄鉱石および石炭から直接鉄を賛成する新しい処理（Ａ ｎｅｗ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｉｒｏｎ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｆｒｏｍ ｆｉｎｅ ｏｒｅ ａｎｄ ｃｏａｌ）」、Ｉ＆ＳＭ、第１９−２２頁（２００１年９月）、および、たとえば参照文献：サワ（Ｓａｗａ）他による表題「ＥＡＦのための高品質ＤＲＩを生成するための新しい石炭形処理Ｈｉ−ＱＩＰ（Ｎｅｗ ｃｏａｌ−ｂａｓｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ， Ｈｉ−ＱＩＰ， ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｈｉｇｈ ｑｕｌｉａｔｙ ＤＲＩ ｆｏｒ ｔｈｅ ＥＡＦ）、ＩＳＩＪ インターナショナル（ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、第４１巻（２００１）、補遺、第Ｓ１７〜Ｓ２１頁に記載されてきた。一般的に、このような融合還元処理はたとえば、下記の一般化された処理工程：供給物の作製、乾燥、火炉負荷、予備加熱、還元、融合／融解、冷却、生成物の放出、および生成物の分離を伴う。

直接還元処理のために、様々な種類の炉床炉が記載されおよび／または用いられてきた。炉床炉一種類は、回転炉床炉（ＲＨＦ）と呼ばれ、石炭系生成のための炉として用いられてきた。たとえば、一実施形態では、回転炉床炉は、炉の供給側および放出側に沿って配置された、予備加熱ゾーン、還元ゾーン、融合ゾーン、および冷却ゾーンへと分割された環状の炉床を有する。環状の炉床は、回転可能に移動できるよう炉の中に支持されている。作動において、たとえば、たとえば鉄鉱石と還元物質との混合物を含有する原材料は、環状の炉床の上へと装入され、および予備加熱ゾーンに供給される。

予備加熱の後に回転によって、炉床の上の鉄鉱石混合物は還元ゾーンへと移され、還元ゾーンにおいて、鉄鉱石は還元物質の存在時に、一つ以上の熱源（たとえばガスバーナー）の使用によって、還元融解鉄（たとえば金属鉄ナゲット）へと還元される。還元処理の完了後に、還元融解生成物は、酸化を防止しおよび炉からの放出を促進するために、回転する炉床の上の冷却ゾーン中で冷却される。

直接還元処理での使用のための様々な回転炉床炉が記載されてきた。たとえば、このような炉の一つ以上の実施形態が、サワ（Ｓａｗａ）他に対して２０００年１０月３日に発行された米国特許第６，１２６，７１８号明細書、表題「還元金属を生成する方法および還元金属を生成するための移動式炉床炉（Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｍｅｔａｌ， ａｎｄ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｈｅａｒｔｈ Ｆｕｒｎａｃｅ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｓａｍｅ）に記載されている。さらに、たとえば、他の種類の炉床炉も記載されてきた。たとえば、対式直線炉床（ＰＳＨ）炉が、ルー（Ｌｕ）他に対して２００１年７月１０日に発行された米国特許第６，２５７，８７９号Ｂ１明細書、表題「金属酸化物の還元のための対式直線炉床（ＰＳＨ）炉（Ｐａｉｒｅｄ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｈｅａｒｔｈ （ＰＳＨ） ｆｕｒｎａｃｅｓ ｆｏｒ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）、ならびに直線炉床炉（ＬＨＦ）が、２００４年３月３１日に出願された米国暫定特許出願第６０／５５８，１９７号明細書であり、米国特許出願公開第２００５−０２２９７４８号Ａ１明細書として公開された、表題「直線炉床炉システムおよびそれに関する方法（Ｌｉｎｅａｒ ｈｅａｒｔｈ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｓａｍｅ）」に記載される。

天然ガス系直接還元鉄は、世界のＤＲＩ生成量の９０％強を占める。一般的に、石炭系の処理は直接還元鉄の残量を生成するのに用いられる。しかしながら、多くの地理的地域では、石炭価格は天然ガスの価格よりもより安定しうるので、石炭の使用のほうがより望ましいかもしれない。さらに、多くの地理的地域は、処理された生成物を用いる製鉄所からははるか遠く離れている。したがって、石炭系融合還元処理によって生成された金属化鉄ナゲット形状の鉄単位の出荷のほうが、溶融還元処理の使用よりもより望ましい。

一般的に、金属鉄ナゲットは、等級が高くおおむね１００％金属（たとえば、約９６％から約９７％の金属鉄）であることによって特徴付けられる。このような金属鉄ナゲットは、多くの状況で、たとえば少なくとも、酸素を３０％および脈石５％含有しうるタコナイトの小球と比較して、相対的に望ましい。金属鉄ナゲットは、二酸化ケイ素がスラグとして除去されたので、脈石が少ない。このようにして、金属鉄ナゲットによって、輸送する重量が少なくなる。さらに、従来の直接還元鉄とは異なり、金属鉄ナゲットは、固体金属でありおよび多孔率がほとんどないか全くないため、低い酸化速度を有する。加えて、一般に、このような金属鉄ナゲットは、鉄鉱石の小球とちょうど同程度に取り扱いが簡単である。

金属鉄ナゲットを生成するための一つの典型的な金属鉄ナゲット溶融処理はＩＴｍｋ３とよばれる。たとえばこのような処理では、鉄鉱石、石炭、および結合剤を用いて形成された乾燥球が、炉（たとえば回転炉床炉）に供給される。炉の内部で温度が上昇するにつれ、鉄鉱石濃縮物は還元され、および温度が１４５Ｏ℃から１５００℃に達すると融解する。結果として生じる生成物は冷却され、および次いで放出される。一般的に、冷却された生成物は、一般的に小球の大きさの金属鉄ナゲットおよび分裂しおよび分離したスラグを含む。たとえば、このような処理において生成された金属鉄ナゲットは、典型的には、約４分の１インチ（６．４ｍｍ）から８分の３インチ（９．５ｍｍ）の大きさであり、および約９６％から約９７％の金属鉄、および約２．５％から約３．５％の炭素を含むと分析されたと報告されている。たとえば、このような方法の一つ以上の実施形態が、ネガミ（Ｎｅｇａｍｉ）他に対して２０００年３月１４日に発行された、米国特許第６，０３６，７４４号明細書、表題「金属鉄を作製するための方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍａｉｉｎｇ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｉｒｏｎ）」、およびネガミ（Ｎｅｇａｍ）他に対して、２００３年７月１４日に発行された、米国特許第６，５０６，２３１号明細書、表題「金属鉄を作製するための方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍａｋｉｎｇ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｉｒｏｎ）」に記載されている。

さらに、別の金属鉄ナゲット処理もまた、金属鉄を生成するために用いられることが報告されてきた。たとえば、この処理では、粉状無煙炭の層が炉床の上方に広がり、およびディンプルの規則的なパターンが層の中に作製される。次いで、鉄鉱石と石炭との混合物の層が載せられ、および１５００℃まで加熱される。鉄鉱石は、金属鉄へと還元され、融解し、およびディンプルの中で鉄礫およびスラグとして収集される。次いで、鉄礫およびスラグは分裂しおよび分離する。このような処理の一つ以上の実施形態が、Ｔａｋｅｄａ（タケダ）他に対して２００１年８月７日に発行された米国特許第６，２７０，５５２号明細書、表題「酸化物を還元するための回転炉床炉、および炉を作動する方法（Ｒｏｔａｒｙ ｈｅａｒｔｈ ｆｕｒｎａｃｅ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｏｘｉｄｅｓ， ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｒｎａｃｅ）に記載されている。さらにたとえば、（Ｈｉ−ＱＩＰ処理とよばれる）この処理の、固体還元剤中のカップ形状の凹部を利用して、還元された金属を得る様々な実施形態が、サワ（Ｓａｗａ）他に対する米国特許第６，１２６，７１８号明細書に記載されている。

したがって、このような金属鉄ナゲット形成処理は、鉄含有物質および微粉（たとえば炭素質還元剤）の混合を伴う。たとえば、球を形成することを伴ったり伴わなかったりすることによって、鉄鉱石／石炭の混合物は炉床炉（たとえば回転炉床炉）に供給され、および伝えられるところによれば１４５０℃から約１５００℃へと加熱されて融解直接還元鉄（すなわち金属鉄ナゲット）およびスラグを形成する。金属鉄およびスラグは次いで、たとえば、弱い機械的作用および磁気分離技法の使用によって分離することができる。

還元鉄を生成するための別の還元処理が、たとえば、キクチ（Ｋｉｋｕｃｈｉ）他に対して２００１年４月３日に発行された、米国特許第６，２１０，４６２号明細書、表題「金属鉄を作製するための方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍａｋｉｎｇ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｉｒｏｎ）」、およびフジ（Ｆｕｊｉ）他に対する２００１年１１月８日に公開された米国特許出願公開第２００１／００３７７０３号Ａ１明細書、表題「還元鉄を精製するための方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｒｏｎ）に記載されている。たとえば、キクチ（Ｋｉｋｕｃｈｉ）他に対する米国特許第６，２１０，４６２号明細書は、金属鉄を形成するのに球の予備成形が必要とされない方法を記載している。

しかしながら、このような鉄ナゲット処理に関しては様々な懸念がある。たとえば、一つ以上のこのような処理の主要な一懸念は、このような処理中にスラグが炉床耐火物と反応するのを防止することに伴う。このような懸念は、スラグの浸透が炉床耐火物と反応するのを防止するために、粉コークスまたは他の炭素質物質の層を炉床耐火物の上に載せることによって解消してもよい。

このような金属鉄ナゲット生成処理に関する別の懸念は、処理を完了するには非常に高い温度が必要であるということである。たとえば、報告されるように、このような温度は１４５０℃から約１５００℃の範囲内にある。この温度は、約１２８８℃から約１３１６℃の範囲の温度で実行されるタコナイトの小球化と比較して、かなり高いと一般に考えられている。このような高温は、炉の耐火物、保守コスト、およびエネルギー要件に悪影響を及ぼす。

さらに別の問題は、硫黄が鉄鋼の中の主たる望ましくない不純物であることである。しかしながら、一般的に、金属鉄ナゲット形成処理に利用された炭素質還元剤は、形成されたナゲット中の不純物中に結果として生じる硫黄を含む。

さらに、少なくともＩＴｍｋ３処理では、結合剤を利用する球形成前処理が採用される。たとえば、鉄鉱石は、粉コークスおよび結合剤と混合され、球形にされ、および次いで加熱される。結合剤を利用するこのような前処理（たとえば球形成）工程は、金属鉄ナゲット生成処理に望ましくないコストを加える。

さらに、様々な鉄鋼生成処理は、特定の大きさのナゲットを好む。たとえば、従来のスクラップ装入の慣習を採用する炉の作動では、大きなサイズの鉄ナゲットのほうがより良く供給されるように思われる。鉄物質のために直接噴射システムを採用する他の作動は、大きさを組み合わせることがそれらの作動には重要であるかもしれないことを示している。

球形の供給物から開始する前に記載された金属鉄ナゲット生成方法は、乾燥球の最大直径が約４分の３インチ（１９．０ｍｍ）の球形の鉄鉱石を用いる。これらの球は、還元処理中における酸素の鉄からの損失によって、ガス化による石炭の損失によって、脈石および灰のスラグ除去による重量の損失によって、および多孔性の損失によって、大きさが約８分の３インチ（９．５ｍｍ）の鉄ナゲットとなるまで縮む。多くの状況ではこのような大きさのナゲットは、特定の炉作動では望ましい大きなナゲットに起因する利点を提供しないかもしれない。

本発明による方法およびシステムは、還元処理、たとえば金属鉄ナゲットの生成における別の一つの様々な利点を提供する。たとえば、このような方法およびシステムは、鉄ナゲットの大きさの制御（たとえば、チャネルが炭素質物質で少なくとも部分的に充填された供給混合物のマウンドを用いて）を提供してもよく、（たとえば、炉床材層の処理による）微小ナゲットの形成の制御を提供してもよく、（たとえば、供給混合物への溶剤の添加による）鉄ナゲット中の硫黄分の制御を提供してもよい。

本発明による金属鉄ナゲットの生成における使用のための方法の一実施形態は、耐火材を含む炉床を供給すること、および耐火材の上に炉床材層を供給すること（たとえば、炉床材層は、炭素質物質、またはＡｌ（ＯＨ）_３でコーティングされた炭素質物質を少なくとも含む）を含む。還元性混合物の層が炉床材の層の少なくとも一部の上に供給されている（たとえば、還元性混合物は、少なくとも還元剤と還元性鉄含有物質とを含む）。複数のチャネル開口部が、複数のナゲット形成還元剤領域を画成するべく、還元性混合物の層を少なくとも部分的に延在する。（たとえば、複数のナゲット形成還元剤領域のうち一つ以上は、還元性混合物のドーム形またはピラミッド形のマウンドのような、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む還元性混合物のマウンドを含んでもよい。）複数のチャネル開口部は、ナゲット分離充填物質で少なくとも部分的に充填されている。（たとえば、ナゲット分離充填物質は、少なくとも炭素質物質を含む。）還元性混合物の層は熱処理されて、複数のナゲット形成還元剤領域のうち一つ以上の中に、一つ以上の金属鉄ナゲット（たとえば、最大の断面を横切るとともに、約０．２５インチ（６．４ｍｍ）よりも大きくおよび約４．０インチ（１０２ｍｍ）よりも小さい最大の長さを含む金属鉄ナゲット）を形成する。（たとえば、複数のナゲット形成還元剤領域のうち一つ以上のそれぞれの中に単一の金属鉄ナゲットを形成する。）

様々な実施形態では、還元性混合物の層は、（たとえば、還元性混合物の層の少なくとも５０％が、約２ｍｍ以下の平均大きさを有する微小凝集体を含む）還元性微小凝集体の層であってもよく、または、成形体の層（たとえば、ブリケット、半ブリケット、圧縮成形されたマウンド、還元剤の層の中に形成された成形体の形状、など）であってもよい。

さらに、炉床材層の上の還元性混合物の層は、形成された少なくとも一つの層の還元性微小凝集体の平均大きさが過去に供給された微小凝集体の平均大きさと相対的に異なる、複数の層を含んでもよい。（たとえば、形成された層のうち少なくとも一つの層の還元性微小凝集体の平均大きさは、炉床材層の上に形成された第一の層の微小凝集体の平均大きさよりも小さい。）

加えて、還元剤の化学量論的量は、所定量の還元性鉄含有物質からの金属鉄ナゲットの完全な金属化および形成のために必要な量である。本方法の一つ以上の実施形態では、炉床材層の上に還元性混合物の層を供給することは、炉床材の層の上に、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な前記化学量論的量の約７０％から約９０％の還元物質とを含む、還元性混合物の第一の層を供給すること、および、還元性混合物の、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な還元剤の前記化学量論的量の約１０５％から約１４０％の還元物質とを含む、一つ以上の追加的な層を形成することを含んでもよい。

本発明のさらに別の実施形態では、還元性混合物の層を熱処理することは、還元性混合物の層を摂氏１４５０度未満の温度で熱処理して、その結果、ナゲット形成還元剤領域の中の還元性混合物が縮められおよび他の隣接するナゲット形成還元剤領域から分離されることを含む。より好ましくは、温度は１４００℃未満であり；さらにより好ましくは、温度は１３９０℃未満であり；さらにより好ましくは、温度は１３７５℃未満であり；および最も好ましくは、温度は１３５０℃未満である。

さらに本方法の一つ以上の実施形態では、還元性混合物は、酸化カルシウム、熱分解時に酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の化合物（たとえば石灰石）、酸化ナトリウム、および熱分解時に酸化ナトリウムを生成することができる一つ以上の化合物から成る群から選択される、少なくとも一つの添加剤をさらに含んでもよい。加えて、一つ以上の実施形態では、還元性混合物は、ソーダ灰、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３、ＮａＯＨ、ホウ砂、ＮａＦ、および／またはアルミニウム製錬工業用スラグを含んでもよい。さらに別には、還元性混合物の一つ以上の実施形態は、ホタル石、ＣａＦ_２、ホウ砂、ＮａＦ、およびアルミニウム製錬工業用スラグから成る群から選択される、少なくとも一つの溶剤を含んでもよい。

本発明による金属鉄ナゲットの生成における使用のための別の方法は、耐火材を含む炉床を設けること、および耐火材の上に炉床材層を形成すること含む。（たとえば、炉床材層は少なくとも炭素質物質を含んでもよい。）還元性微小凝集体の層が、炉床材層の少なくとも一部の上に形成され、還元性微小凝集体の層の少なくとも５０％が、約２ｍｍ以下の平均大きさを有する微小凝集体を含む。還元性微小凝集体は、少なくとも還元剤と還元性鉄含有物質とから形成される。還元性微小凝集体の層は熱処理されて、一つ以上の金属鉄ナゲットを形成する。

本方法の一つ以上の実施形態では、還元性微小凝集体の層は、炉床材層の上の還元性微小凝集体の第一の層によって、および第一の層の上に還元性微小凝集体の一つ以上の追加的な層を供給することによって、供給されている。供給された追加的な層のうち少なくとも一つの層の還元性微小凝集体の平均大きさは、過去に供給された微小凝集体の平均大きさと相対的に異なる。（たとえば、供給された追加的な層のうち少なくとも一つの層の還元性微小凝集体の平均大きさは、第一の層の微小凝集体の平均大きさよりも小さい。）

さらに、本方法の一つ以上の実施形態では、炉床材層の上の還元性微小凝集体の第一の層は、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な前記化学量論的量の約７０％から約９０％の還元物質とを含み、および、還元性微小凝集体の供給された追加的な層は、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な還元剤の前記化学量論的量の約１０５％から約１４０％の還元物質を含む。

さらに、本方法の一つ以上の実施形態では、還元性微小凝集体の層を形成することは、少なくとも水、還元剤、還元性鉄含有物質、および、酸化カルシウム、熱分解時に酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の化合物、酸化ナトリウム、および熱分解時に酸化ナトリウムを生成することができる一つ以上の化合物をから成る群から選択される一つ以上の添加剤を用いて、還元性微小凝集体を形成することを含む。さらに、還元性微小凝集体は、ソーダ灰、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３、ＮａＯＨ、ホウ砂、ＮａＦ、およびアルミニウム製錬工業用スラグから成る群から選択される少なくとも一つの添加剤、または、ホタル石、ＣａＦ_２、ホウ砂、ＮａＦ、およびアルミニウム製錬工業用スラグから成る群から選択される少なくとも一つの溶剤を含んでもよい。

好ましい一実施形態では、耐火材を含む炉床を設け；耐火材の上に炉床材層を形成し、炉床材層はＡｌ（ＯＨ）_３、ＣａＦ_２のうち一つでコーティングされた少なくとも炭素質物質を含み、炉床材層の少なくとも一部の上に還元性混合物の層を形成することであって、還元性混合物の少なくとも一部は少なくとも還元剤と還元性鉄含有物質とを含み、還元性混合物が、酸化カルシウム、熱分解時に酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の化合物、酸化ナトリウム、および熱分解時に酸化ナトリウムを生成することができる一つ以上の化合物から成る群から選択される少なくとも一つの添加剤を含み、約２．４より小さい密度を有する複数のナゲット形成還元剤領域を画成するべく、還元性混合物の層を少なくとも部分的に延在する複数のチャネル開口部を形成し、少なくとも炭素質物質を含むナゲット分離充填物質で、複数のチャネル開口部を少なくとも部分的に充填し、および複数のナゲット形成還元剤領域のうち一つ以上の中に、一つ以上の金属鉄ナゲットを形成するべく、還元性混合物の層を１４５０℃未満の温度で熱処理することを含む金属鉄ナゲットの生成に使用する方法が提供されている。

本発明による金属鉄ナゲットの生成に使用するためのさらに別の方法は、耐火材を含む炉床を設けること、および耐火材の少なくとも一部の上に炉床材層を形成すること（たとえば、炉床材層は少なくとも炭素質物質を含んでもよい）を含む。還元性混合物は、炉床材層の少なくとも一部の上に形成されている。（たとえば、還元性混合物は少なくとも還元剤と還元性鉄含有物質とを含む。）還元剤の化学量論的量は、所定量の還元性鉄含有物質からの金属鉄ナゲットの完全な金属化および形成のために必要な量である。一実施形態では、炉床材層の上に還元性混合物を供給することは、炉床材層の上に、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な前記化学量論的量の約７０％から約９０％の還元物質とを含む還元性混合物の第一の層を形成すること、および、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な還元剤の前記化学量論的量の約１０５％から約１４０％の間の還元性混合物の一つ以上の追加的な部分とを供給することを含む。還元性混合物は次いで熱処理されて一つ以上の金属鉄ナゲットを形成する。特定の用途の場合、炉床層は用いなくてもよく、または炉床層は炭素質物質を含有しなくてもよい。

本方法の一実施形態では、複数のチャネル開口部が還元性混合物を少なくとも部分的に延在し、および、複数のナゲット形成還元剤領域を形成し、さらに、チャネル開口部がナゲット分離充填物質で少なくとも部分的に充填されている。

本発明のさらに別の実施形態では、炉床材層の上に還元性混合物の第一の部分を供給することは、炉床材層の上に還元性微小凝集体の第一の層を形成することを含み、および、一つ以上の追加的な部分を供給することは、第一の層の上に還元性微小凝集体の一つ以上の追加的な層を形成することを含み、形成された追加的な層のうち少なくとも一つの層の還元性微小凝集体の平均大きさは、過去に供給された微小凝集体の平均大きさと相対的に異なる。

別の実施形態では、炉床材層の上に還元性混合物を供給することは、還元性混合物の成形体を供給することを含む。たとえば、一つ以上の成形体のそれぞれの第一の層は、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な前記化学量論的量の約７０％から約９０％の還元物質とを含み、および、一つ以上の成形体のそれぞれの一つ以上の追加的な部分は、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な還元剤の前記化学量論的量の約１０５％から約１４０％の還元物質とを含む。

さらに、本発明の別の実施形態では、成形体は、ブリケット（たとえば、三層のブリケット）、半ブリケット（たとえば、二層の圧縮成形された還元性混合物）、球、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む圧縮成形された還元性混合物のマウンド、圧縮成形された還元性混合物のドーム形のマウンド、および圧縮成形された還元性混合物のピラミッド形のマウンドの少なくとも一つを含んでもよい。還元性混合物は、還元性混合物の多層球であってもよい。一実施形態では、マウンドは約１．９から２の密度を有し、球は約２．１の密度を有し、およびブリケットは約２．１の密度を有する。一実施形態では、還元剤は約２．４より小さい密度を有する。好ましい実施形態では、還元剤は約１．４から２．２の間の密度を有する。

さらに別には、金属鉄ナゲットの生成における使用のためのさらに別の方法が本明細書中に記載されている。本方法は、耐火材を含む炉床を設けること、および耐火材の少なくとも一部の上に炉床材層を形成することを含む。炉床材層は、少なくとも炭素質物質を含む。還元性混合物は、炉床材層の少なくとも一部の上に供給されている。還元性混合物は、還元剤、還元性鉄含有物質、酸化カルシウム、熱分解時に酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の化合物、酸化ナトリウム、および熱分解時に酸化ナトリウムを生成することができる一つ以上の化合物から成る群から選択される一つ以上の添加剤、およびホタル石、ＣａＦ_２、ホウ砂、ＮａＦ、およびアルミニウム製錬工業用スラグから成る群から選択される少なくとも一つの溶剤を含む。還元性混合物は（たとえば、摂氏約１４５０℃未満の温度で）熱処理されて、一つ以上の金属鉄ナゲットを形成する。

本方法の一つ以上の実施形態では、還元性混合物は、酸化カルシウムと石灰石とから成る群から選択される少なくとも一つの添加剤を含んでもよい。本方法の他の実施形態では、還元性混合物は、ソーダ灰、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３、ＮａＯＨ、ホウ砂、ＮａＦ、およびアルミニウム製錬工業用スラグから成る群から選択される少なくとも一つの添加剤を含んでもよい。さらに、炉床材層は、Ａｌ（ＯＨ）_３でコーティングされた炭素質物質を含んでもよい。

さらに、本方法の一つ以上の実施形態では、還元性混合物は、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む還元性混合物の一つ以上のマウンドを含んでもよく；還元性微小凝集体または異なる組成の還元性微小凝集体の複数の層を含んでもよく；ブリケット、半ブリケット、球、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む圧縮成形された還元性混合物のマウンド、圧縮成形された還元性混合物のドーム形のマウンド、および圧縮成形された還元性混合物のピラミッド形のマウンドのうち一つなど、成形体を含んでもよく；または球（たとえば乾燥球）または複数層から成る球を含んでもよい。

金属鉄ナゲットの生成における使用のためのシステムもまた本明細書中に記載されている。たとえば、本発明によるシステムの一実施形態は、炉床材層を受容するための耐火材を含有する炉床（たとえば、炉床材層は少なくとも炭素質物質を含んでもよい）、および、炉床材層の少なくとも一部の上に還元性混合物の層を形成するよう作動可能な装入装置を含んでもよい。還元性混合物は、少なくとも還元剤および還元性鉄含有物質を含んでもよい。システムは、複数のナゲット形成還元剤領域を画成するべく還元性混合物の層を少なくとも部分的に延在する複数のチャネル開口部を作成するよう作動可能なチャネル画成器、および複数のチャネル開口部をナゲット分離充填物質で少なくとも部分的に充填するよう作動可能なチャネル充填装置（たとえば、ナゲット分離充填物質は少なくとも炭素質物質を含んでもよい）をさらに含む。作動可能な炉もまた設けられ、還元性混合物の層を熱処理して、複数のナゲット形成還元剤領域のうち一つ以上の中に、一つ以上の金属鉄ナゲットを形成する。

本システムの一つ以上の実施形態では、チャネル画成器は、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む還元性混合物のマウンドを形成する（たとえば、還元性混合物のドーム形のマウンドまたはピラミッド形のマウンドを形成する）よう作動可能であってもよい。

金属鉄ナゲットの生成における使用のためのさらにまた別の方法では、本方法は、耐火材を含む炉床を設けること、および耐火材の少なくとも一部の上に炉床材層（たとえば、少なくとも炭素質物質）を形成することを含む。還元性混合物は、炉床材層の少なくとも一部の上に供給される。還元性混合物は還元剤および還元性鉄含有物質を少なくとも含む。還元剤の化学量論的量は、所定量の還元性鉄含有物質からの金属鉄ナゲットの完全な金属化および形成のために必要な量である。還元性混合物の少なくとも一部は、所定量の還元性鉄含有物質と、完全な金属化のために必要な前記化学量論的量の約７０％から約９０％の還元物質とを含む。本方法は、一つ以上の金属鉄ナゲットを形成するべく、還元性混合物を熱処理することをさらに含む。

本方法の一実施形態では、炉床材層の少なくとも一部の上に還元性混合物を供給することは、炉床材層の上に還元性混合物の一つ以上の層を形成すること含む。還元性混合物の層を少なくとも部分的に延在し、および複数のナゲット形成還元剤領域を画成する複数のチャネル開口部が画成される。さらに、チャネル開口部は、ナゲット分離充填物質（たとえば炭素質物質）で少なくとも部分的に充填されている。

さらに、本方法の一つ以上の実施形態では、還元性混合物は、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む還元性混合物の一つ以上のマウンドを含んでもよく；還元性微小凝集体または異なる組成の微小凝集体の層を含んでもよく；ブリケット（たとえば、複数層のブリケット）、半ブリケット、球、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む圧縮成形された還元性混合物のマウンド、圧縮成形された還元性混合物のドーム形のマウンド、および圧縮成形されたピラミッド形の還元性混合物のマウンドのうち一つなど成形体を含んでもよく；または球（たとえば乾燥球）または複数層から成る球を含んでもよい。

さらに、本方法の一つ以上の実施形態では、還元性混合物は、酸化カルシウム、熱分解時に酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の化合物、酸化ナトリウム、および熱分解時に酸化ナトリウムを生成することができる一つ以上の化合物から成る群から選択される一つ以上の添加剤を含んでもよい。さらに、還元性混合物は、ソーダ灰、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３、ＮａＯＨ、ホウ砂、ＮａＦ、およびアルミニウム製錬工業用スラグから成る群から選択される少なくとも一つの添加剤、または、ホタル石、ＣａＦ_２、ホウ砂、ＮａＦ、およびアルミニウム製錬工業用スラグから成る群から選択される少なくとも一つの溶剤を含んでもよい。

さらに、本方法の一実施形態は成形体を供給することを含んでもよく、およびさらに、成形体の少なくとも一部に隣接する追加的な還元剤を供給する。

本発明の別の実施形態では、還元剤；還元性鉄含有物質；酸化カルシウム、熱分解時に酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の化合物、酸化ナトリウム、および熱分解時に酸化ナトリウムを生成することができる一つ以上の化合物から成る群から選択される一つ以上の添加剤；およびホタル石、ＣａＦ_２、ホウ砂、ＮａＦ、およびアルミニウム製錬工業用スラグから成る群から選択される少なくとも一つの溶剤：を含む還元性混合物が提供されている。

上記の発明の概要は、本発明のそれぞれの実施形態または本発明のすべての実施を記載するようには意図されていない。下記の詳細な説明および請求項、ならびに添付の図面と関連付けることによって、本発明の完全な理解とともに、本発明の利点は明らかとなりおよび理解されるであろう。

本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の一般的な実施形態のブロック図を示す。 本発明の図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理を実施するための、炉システムの一般化されたブロック図である。 本明細書に記載される一つ以上の実施例に採用された処理のような、本明細書中に記載される一つ以上の処理を実施するのに用いられてもよい二つの実験用の炉（たとえば、それぞれチューブ炉および角炉）および直線炉床炉の図である。 本明細書に記載される一つ以上の実施例に採用された処理のような、本明細書中に記載される一つ以上の処理を実施するのに用いられてもよい二つの実験用の炉（たとえば、それぞれチューブ炉および角炉）および直線炉床炉の図である。 本明細書に記載される一つ以上の実施例に採用された処理のような、本明細書中に記載される一つ以上の処理を実施するのに用いられてもよい二つの実験用の炉（たとえば、それぞれチューブ炉および角炉）および直線炉床炉の図である。 一般化された断面図であり、本発明の図１に概略示される金属鉄ナゲット処理の一実施形態の各段階を示す。 一般化された断面図であり、本発明の図１に概略示される金属鉄ナゲット処理の一実施形態の各段階を示す。 一般化された断面図であり、本発明の図１に概略示される金属鉄ナゲット処理の一実施形態の各段階を示す。 一般化された上面図であり、本発明の図１に概略示される金属鉄ナゲット処理の一実施形態の各段階を示す。 一般化された上面図であり、本発明の図１に概略示される金属鉄ナゲット処理の一実施形態の各段階を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における、時間が金属ナゲット形成に与える影響の図解を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における、時間が金属ナゲット形成に与える影響の図解を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における、時間が金属ナゲット形成に与える影響の図解を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における、時間が金属ナゲット形成に与える影響の図解を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理のための還元性混合物の層におけるチャネル開口部の一実施形態の上面図を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理のための還元性混合物の層におけるチャネル開口部の一実施形態の側断面図を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における使用のための還元性混合物の層中のチャネル開口部の代替的な実施形態の上面図をそれぞれ示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における使用のための還元性混合物の層中のチャネル開口部の代替的な実施形態の側断面図をそれぞれ示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における使用のための還元性混合物の層中のチャネル開口部の別の実施形態の上面図を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における使用のための還元性混合物の層中のチャネル開口部の別の実施形態の側断面図を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における使用のためのチャネル形成器の一実施形態の上面図を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における使用のためのチャネル形成器の一実施形態の側断面図を示す。 図１に概略示されるような、金属鉄ナゲット処理における使用のためのチャネル形成器の別の実施形態の上面図を示す。 図１に概略示されるような、金属鉄ナゲット処理における使用のためのチャネル形成器の別の実施形態の側断面図を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における使用のためのチャネル形成器のさらに別の実施形態の側断面図を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理における使用のためのチャネル形成器のさらに別の実施形態の側断面図を示す。 金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の形成技法のまた別の実施形態の側断面図を示す。 金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の形成技法のまた別の実施形態の側断面図を示す。 金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の形成技法のまた別の実施形態の側断面図を示す。 図１１Ａ〜１１Ｂは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の予成形された球を示す。図１１Ａは、還元性混合物の多層球を示す。 異なる組成の層を有する多層球の断面図を示す。 図１１Ｃ〜１１Ｄは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の成形体（たとえばブリケット）を形成する際の使用のための形成器の典型的な実施形態を示す。図１１Ｃは、三層成形体の形成を示す。 二層成形体の形成を示す。 図１１Ｅ〜１１Ｆは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の成形体（たとえばブリケット）を形成する際の使用のための別の形成器の典型的な実施形態を示す。図１１Ｅは、二層成形体の形成を示す。 三層成形体の形成を示す。 図１２Ａ〜１２Ｃは、本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、１２に仕切られた等寸法のドーム形の型、および黒鉛トレイ中の還元性混合物を示す。図１２Ａは型を示す。 図１２Ａの型によって形成された１２に仕切られたチャネルパターンを示す。 粉状ナゲット分離充填物質（たとえばコークス）で少なくとも部分的に充填された溝を備えた１２に仕切られたチャネルパターンを示す。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態によるチャネル中のナゲット分離充填物質が及ぼす影響を示す。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態によるチャネル中のナゲット分離充填物質が及ぼす影響を示す。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態によるチャネル中のナゲット分離充填物質が及ぼす影響を示す。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態によるチャネル中のナゲット分離充填物質が及ぼす影響を示す。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、チャネル中のナゲット分離充填物質（たとえばコークス）のレベルが及ぼす影響を図解する。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、チャネル中のナゲット分離充填物質（たとえばコークス）のレベルが及ぼす影響を図解する。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、チャネル中のナゲット分離充填物質（たとえばコークス）のレベルが及ぼす影響を図解する。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、チャネル中のナゲット分離充填物質（たとえばコークス）のレベルが及ぼす影響を図解する。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、チャネル中のナゲット分離充填物質（たとえばコークス）のレベルが及ぼす影響を図解する。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、チャネル中のナゲット分離充填物質（たとえばコークス）のレベルが及ぼす影響を図解する。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、チャネル中のナゲット分離充填物質（たとえばコークス）のレベルが及ぼす影響を図解する。 本発明による金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態による、チャネル中のナゲット分離充填物質（たとえばコークス）のレベルが及ぼす影響を図解する。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理の一つ以上の典型的な実施形態における、炉床材層の処理を説明する際に使用するための、様々な金属鉄ナゲット処理中に生成された微小ナゲットの相対量の表を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理で用いる、および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理で用いる、還元性混合物の供給方法の一つの典型的な実施形態のブロック図を示す。 本発明の図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の典型的な実施形態に対して、様々な石炭添加レベルの使用が及ぼす影響を示す。 本発明の図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の典型的な実施形態に対して、様々な石炭添加レベルの使用が及ぼす影響を示す。 本発明の図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理に対して、様々な石炭添加レベルの使用が及ぼす影響を説明する際に用いるための図解を示す。 本発明の図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理に対して、様々な石炭添加レベルの使用が及ぼす影響を説明する際に用いるための図解を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理における一つ以上の添加剤の還元性混合物への使用を説明する際に用いるための様々なスラグ組成を示すＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３相図を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理における一つ以上の添加剤の還元性混合物への使用を説明する際に用いるための様々なスラグ組成を示す表を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理における、フッ化カルシウムまたはホタル石の還元性混合物への添加の影響を説明する際に用いるための表を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理における、フッ化カルシウムまたはホタル石の還元性混合物への添加の影響を説明する際に用いるための表を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理における、フッ化カルシウムまたはホタル石の還元性混合物への添加の影響を説明する際に用いるための表を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の典型的な実施形態において、Ｎａ_２ＣＯ_３およびＣａＦ_２添加剤が及ぼす還元性混合物への影響を硫黄レベルの制御との関連で示す際に用いるための図解を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の典型的な実施形態において、Ｎａ_２ＣＯ_３およびＣａＦ_２添加剤が及ぼす還元性混合物への影響を硫黄レベルの制御との関連で示す際に用いるための図解を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の典型的な実施形態において、Ｎａ_２ＣＯ_３およびＣａＦ_２添加剤が及ぼす還元性混合物への影響を硫黄レベルの制御との関連で示す際に用いるための図解を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の典型的な実施形態において、Ｎａ_２ＣＯ_３およびＣａＦ_２添加剤が及ぼす還元性混合物への影響を硫黄レベルの制御との関連で示す際に用いるための表を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の典型的な実施形態において、Ｎａ_２ＣＯ_３およびＣａＦ_２添加剤が及ぼす還元性混合物への影響を硫黄レベルの制御との関連で示す際に用いるための別の表を示す。 図１に概略示されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理に対して還元性混合物を供給する際に用いるための、微小凝集体形成処理の一実施形態のブロック図を示す。 図２８の処理によって形成された微小凝集体のような、水分含有量が微小凝集体の大きさの分布に及ぼす影響を示すグラフである。 図２８に示される処理によって形成された微小凝集体のような微小凝集体の終端速度を、大きさおよび気流速度の関数として説明する表を示す。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態で、微小凝集した還元性混合物を用いることが及ぼす影響の図解を示す。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態で、微小凝集した還元性混合物を用いることが及ぼす影響の図解を示す。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の実施形態に用いられ得る様々な炭素質の還元剤物質の分析を提供する表を示す。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の実施形態に用いられ得る様々な炭素質の還元剤物質の分析を提供する表を示す。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の実施形態に用いられ得る様々な炭素質の還元剤物質の分析を提供する表を示す。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の実施形態に用いられ得る様々な炭素質の還元剤物質の灰分析を提供する表を示す。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の実施形態に用いられ得る一つ以上の鉄鉱石の化学組成を提供する表を示す。 図１に概略記載されるような金属鉄ナゲット処理および／または金属鉄ナゲットを形成する他の処理の一つ以上の実施形態に用いられ得る一つ以上の添加剤の化学組成を提供する表を示す。 図２Ｄに示されるような直線炉床炉を採用する一つ以上の試験を、および典型的な試験の結果として生じる生成物を、説明する際に用いられる、パレット内部における相異なる供給混合物の配置を示す。 図２Ｄに示されるような直線炉床炉を採用する一つ以上の試験を、および典型的な試験の結果として生じる生成物を、説明する際に用いられる、パレット内部における相異なる供給混合物の配置を示す。 図２Ｄに示されるような直線炉床炉を採用する一つ以上の試験を説明する際に用いられる、炉頂ガスの分析結果を示す表である。 このような炉を採用する一つ以上の試験を説明する際に用いられる、図２Ｄに示されるような直線炉床炉様々な領域中のＣＯの濃度を示すグラフである。 図２Ｄに示されるような直線炉床炉を採用する一つ以上の試験を説明する際に用いられる、還元処理へのスラグ組成の影響を示す表である。 図２Ｄに示されるような直線炉床炉を採用する一つ以上の試験を説明する際に用いられる、鉄ナゲットおよびスラグの分析結果を示す表である。 図２Ｄに示されるような直線炉床炉を採用する一つ以上の試験を説明する際に用いられる、還元処理への温度の影響を示す表である。 図２Ｄに示されるような直線炉床炉を採用する一つ以上の試験を説明する際に用いられる、還元処理中の微小ナゲットの形成への、石炭およびホタル石の添加、およびまた炉温度の影響を示す表である。

本発明の一つ以上の実施形態を、図１〜４を参照しながら概略説明する。本発明の様々な他の実施形態およびこのような様々な実施形態を裏付ける実施例を図５〜４１を参照して説明する。

本明細書中に記載される一つ以上の実施形態からの要素または処理段階が、本明細書中に記載される一つ以上の他の実施形態からの要素または処理段階と組み合わせて用いられてもよいこと、および本発明は本明細書中に提供された具体的な実施形態に限定されず、しかし添付の請求項においてのみ規定されることは、当業者にとって明らかである。たとえば、および本発明の限定として考えられることなく、還元性混合物への一つ以上の添加剤（たとえばホタル石）の添加を、微小凝集体としての還元性混合物の供給と組み合わせて用いてもよく、チャネル内のナゲット分離充填物質を微小凝集体としての還元性混合物の供給と組み合わせて用いてもよく、還元性混合物のチャネルおよびマウンドを形成するための成形処理は、チャネル内のナゲット分離充填物質とともにおよび／または微小凝集体としての還元性混合物の供給と組み合わせて用いられてもよい。

さらに、様々な金属鉄ナゲット処理は公知であり、および／または一つ以上の参照文献中に記載されてきた。たとえば、このような処理は、たとえば、ネガミ（Ｎｅｇａｍｉ）他に対する米国特許第６，０３６，７４４号明細書および／またはネガミ（Ｎｅｇａｍｉ）他に対する米国特許第６，５０６，２３１号明細書に示されるＩＴｍｋ３処理；たとえば、タケダ（Ｔａｋｅｄａ）他への米国特許第６，２７０，５５２号明細書および／またはサワ（Ｓａｗａ）他への米国特許第６，１２６，７１８号明細書に示されるＨｉ−ＱＩＰ処理；または、たとえば、キクチ（Ｋｉｋｕｃｈｉ）他への米国特許第６，２１０，４６２号明細書、フジ（Ｆｕｊｉ）他への米国特許出願公開第２００１／００３７７０３号Ａ１明細書、およびキクチ（Ｋｉｋｕｃｈｉ）他への米国特許第６，２１０，４６２号明細書に記載される他の金属ナゲット処理を含む。本明細書中に記載される一つ以上の実施形態は、このような金属ナゲット処理の一つ以上の実施形態に由来する要素および／または処理段階と組み合わせて用いられてもよい。たとえば、および本発明の限定として考えられることなく、この還元性混合物および／または本明細書中に記載される任意の還元性混合物への一つ以上の添加剤（たとえばホタル石）の添加は、予成形された球として、粉状炭素質の層中のディンプルを充填するのに用いられる還元性混合物として、一つ以上の成形体（たとえばブリケット）の一部として、還元性混合物の供給と組み合わせて用いてもよく、または、一つ以上の他の様々な成形技法においてこのような金属鉄ナゲット形成処理の一部として用いられてもよい。このように、本明細書中の一つ以上の実施形態に記載された概念および技法は、図１を参照して本明細書中に概略記載された金属鉄ナゲット処理のみとの使用に限定されず、様々な他の処理にも同様に適用可能である。

図１は、本発明による金属鉄ナゲット処理１０の一つ以上の一般化された例示的な実施形態のブロック図を示す。ブロック図に示される金属鉄ナゲット処理１０を、図３Ａ〜３Ｅおよび図４に示されるより詳細な実施形態をさらに参照しながら説明する。当業者は、金属鉄ナゲット処理１０を参照して記載された処理段階の一つ以上は、随意的であってもよいことを認識するであろう。たとえば、ブロック１６、２０、および２６は随意的に提供されていると分類されている。しかしながら、図１に記載された他の処理段階、たとえば、ブロック２２を参照して記載されたチャネル開口部の供給も、一つ以上の実施形態において随意的であってもよい。このように、金属鉄ナゲット処理１０は一般化された例示的な実施形態であり、および、本発明は本明細書中に記載されるいずれの特定の実施形態にも限定されず、しかし、添付の請求項に記載されるようにのみ限定されることが認識されるであろう。

本発明は、本明細書の後の部分により詳細に記載されるように、下記の利点または特徴のうち一つ以上を提供するのに用いられてもよい。たとえば、本発明は、本明細書中に記載される金属鉄ナゲットの大きさを制御するのに用いられてもよい。供給混合物としての従来の乾燥球は、ほぼ８分の３インチ（９．５ｍｍ）程度の小さい大きさの鉄ナゲットにつながる。還元性混合物のマウンド（たとえば、チャネルが炭素質物質で部分的に充填された台形およびドーム形のマウンド）の使用は、鉄ナゲットの大きさを直径４インチ（１０２ｍｍ）まで増加させることができる。様々な形状のマウンド（たとえば台形のマウンド）のほうが、等しい大きさのドーム形のマウンドよりも、完全に融解した鉄ナゲットを形成させるよりも長い時間を必要とするかもしれない。

さらにたとえば、微小凝集を用いて供給炉（たとえば回転または直線炉床炉）中の粉塵損失を最小化してもよく；大きさ、供給物の組成（たとえば、石炭の化学量論的パーセント比率は異なってもよい）などに関して、微小凝集体は炉床層の上方の層の中に置かれてもよく；および、ＣＯ_２分が高くおよび乱流度の高い炉頂ガス雰囲気に鑑みて、特に本明細書中に記載される直線炉床炉中では、炉床層の上に供給物を置いた後の供給混合物の圧縮成形（または、一つ以上の実施形態では、炉床の上に載せる前に、一つ以上の層を含むブリケットを形成するなどのために行う圧縮成形）が、望ましいかもしれない。

さらにたとえば、本発明は、微小ナゲットの形成を制御するのに用いられてもよい。本明細書中に記載されるように、還元性供給混合物の金属化のための化学量論的要件を上回る過剰な石炭の使用、および供給混合物のための所定のスラグ組成（たとえばスラグ組成（Ｌ））を上回る過剰な石灰の使用によって、微小ナゲットの量が増加した。

本明細書中にさらに記載されるように、たとえば、図２１ＡのＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３相図および図２１Ｂの表に示されるように、スラグ組成（Ｌ）は、相図の低溶融温度トラフ中に位置している。さらに、他のスラグ組成が図２１ＡのＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３相図上に示され、線図は、スラグ組成（Ａ）、（Ｌ）、（Ｌ_１）、および（Ｌ_２）を示している。しかしながら、本発明はいずれの特定のスラグ組成にも限定されない。簡単にするために、本明細書中での記載は、多くの事例において定義されたスラグ組成（Ｌ）およびそのスラグ組成に関連する略字を用いて、一般的な発明の概念を定義する。

スラグ組成は、たとえば、用いられる追加的な石灰の量を％で接尾辞として示すことによって略され、たとえば、（Ｌ_１）および（Ｌ_２）は、それぞれ、スラグ組成（Ｌ）よりも重量比１％および２％の追加的な石灰が供給混合物に添加されていることを表す。言い換えれば、供給混合物は、スラグ組成（Ｌ）の供給混合物よりも、重量比１％および２％の追加的な石灰をそれぞれ含む。さらに、たとえば、スラグ組成は本明細書中でさらに略されて、供給混合物中の他の原子または化合物の存在を示す。たとえば、添加される化学物質ＣａＦ_２（ＣＦと略される）のパーセントでの量は、接尾辞として示され、たとえば、（Ｌ_０．５ＣＦ_０．２５）は、供給混合物がスラグ組成（Ｌ_０．５）を含む重量比０．２５％のＣａＦ_２を表す。

Ａｌ（ＯＨ）_３でコーティングされたコークスならびにコークス−アルミニウム混合物を含む炉床層の使用は、本明細書中に記載される微小ナゲットの形成を還元するのに用いられてもよい。さらに、たとえば、ホタル石のような特定の添加剤の供給物への添加は、供給混合物の処理中に生成された微小ナゲットの量を減少させるかもしれない。

さらに、本発明は、たとえば、本明細書中に記載されるように、本発明に従って作製された鉄ナゲット中の硫黄分を制御するのに用いられてもよい。たとえば高炉中において、金属鉄から硫黄を除去するために、還元性雰囲気のもとで石灰をスラグに添加することによってスラグの塩基性を増加させることは、鉄鋼業界では一般的な慣行である。石灰をスラグ組成（Ｌ）から（Ｌ_１．５）および（Ｌ_２）へと増加させることは硫黄分を（たとえば、本明細書中に記載されるように、０．０８４％からわずかそれぞれ０．０５８％および０．０５０％へと）低下させるかもしれないが、しかし、本明細書中に記載されるように、生成された微小ナゲットの量とともに溶融温度を増加させる。ホタル石のようなスラグ溶融温度を低下させる溶剤添加剤の使用は、鉄ナゲット形成の温度を低下させるだけでなく、鉄ナゲット中の硫黄分も減少させること、および、とりわけ、微小ナゲットの量を減少させるのに効果的であることがわかった。

ホタル石（ＦＳ）の添加が増加するにつれ、たとえば、スラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_{０．５−４}）および（Ｌ_２ＦＳ_{０．５−４}）の鉄ナゲット中の硫黄は、本明細書中にさらに記載されるようにホタル石４％の添加時に、それぞれ０．０１３％および０．００９％まで堅調に低下した。特にホタル石と組み合わせたソーダ灰の使用は、鉄ナゲット中の硫黄分を低下させるのに効果的であったが、しかし、これも本明細書中にさらに記載されるように、ソーダ灰の使用は微小ナゲットの量を増加させる傾向があった。

図１のブロック１２に示されるように、炉床４２が設けられている（図３Ａを参照）。図３Ａに示されるように炉床４２は、本明細書中にさらに詳しく記載される金属鉄ナゲット処理１０、または本明細書中に記載される一つ以上の特徴を組み入れた一つ以上の他の金属ナゲット処理を実施する際の使用のために作動可能な（たとえば、図２Ａに概略示されるような）炉システム３０との使用に適した任意の炉床であってもよい。たとえば炉床４２は、回転炉床炉、直線炉床炉中での使用に適した炉床（たとえば、図３５Ａに示されるような炉の大きさのパレット）、または、金属鉄ナゲット処理の実施のために作動可能な任意の他の炉システムであってもよい。

概して、炉床４２は、処理するべき物質（たとえば供給物質）が受容される耐火材を含む。たとえば、一つ以上の実施形態では、耐火材は炉床を形成するのに用いてもよく（たとえば、炉床は耐火材から形成される容器であってもよい）、および／または炉床は、たとえば、耐火材を支える支持小構造（たとえば耐火材で内張りされた炉床）を含んでもよい。

一実施形態では、たとえば、支持小構造は、たとえば、ステンレス鋼、炭素鋼、または炉処理のための所要の高温特性を有する他の金属、合金、またはそれらの組み合わせといった一つ以上の異なる材料から形成されてもよい。さらに耐火材は、たとえば、耐火性の板材、耐火性のれんが、セラミックのれんが、またはカスタブルの耐火物であってもよい。さらにたとえば、耐火性の板材および耐火性のれんがの組み合わせは、下層をなす小構造に最大の熱保護を提供するよう選択されてもよい。

本発明の一実施形態では、たとえば、直線炉床炉システムは、２００４年３月３１日に出願され、米国特許出願公開第２００５０２２９７４８号Ａ１明細書として公開された、米国暫定特許出願第６０／５５８，１９７号明細書に記載されているような炉処理のために用いられ、および炉床４２は（たとえば図３５Ａに示されるような）トレイといった容器である。たとえばこのような容器は、金属容器（たとえばトレイ）の中に支持される、比較的薄型で軽量の耐火性の炉床を含んでもよい。しかしながら、炉処理のために必要な機能を提供することができる任意の適切な炉床４２が、本発明に従って用いられてもよい。

図１のブロック１４および図３Ａをさらに参照すると、炉床４２の上に炉床材層４４が形成されている。炉床材層４４は少なくとも一つの炭素質物質を含む。

本明細書中に用いられるように、炭素質物質は、炭素質還元剤としての使用に適した任意の炭素含有物質のことをいう。たとえば炭素質物質は、石炭、チャー、またはコークスを含んでもよい。さらに、たとえば、このような炭素質還元剤は、図３２Ａ〜３２Ｃに（重量比％で）示される表中に掲載および分析された還元剤を含んでもよい。

たとえば、図３２Ａ〜３２Ｃに示されるように、炉床層４４には、無煙炭、低揮発性瀝青炭炭素質還元剤、中揮発性瀝青炭炭素質還元剤、高揮発性瀝青炭炭素質還元剤、亜瀝青炭炭素質還元剤、コークス、黒鉛、および他の亜瀝青炭チャー炭素質還元剤物質のうち一つ以上が用いられてもよい。図３２Ｄは、図３２Ａ〜３２Ｃの表に示される炭素質還元剤に対する灰分析をさらに提供する。いくつかの低、中、および高揮発性瀝青炭は、それ自体では炉床層としての使用に適さないかもしれないが、しかし、粉状瀝青炭チャーに対する構成材料として用いられてもよい。

炉床材層４４は、スラグが炉床材層４４を浸透しおよび炉床４２の耐火材と接触するのを防止するのに必要な厚さを含む。たとえば炭素質物質は、スラグのこのような浸透を十分防止できる程度に粉状であってもよい。当業者によって認識されるように、接触が防止されなければ、金属鉄ナゲット処理１０中のスラグの接触は、炉床４２の耐火材への望まない損傷を生成する。

図１のブロック１６によって示されるように、炉床材層４４の一部として用いられる炭素質物質は、本明細書中でさらに論じられるような一つ以上の利点を提供するように、随意的に処理されるかまたはそうでなければ修正されてもよい。たとえば、炉床材層４４の炭素質物質は、本明細書中にさらに記載されるような微小ナゲットの形成を還元するように、水酸化アルミニウムでコーティングしてもよい。一つ以上の特に有利な実施形態によると、炉床材層４４は無煙炭、コークス、チャーまたはそれらの混合物を含む。

一実施形態では、炉床材層４４は、０．２５インチ（６．４ｍｍ）より大きくおよび１．０インチ（２５．４ｍｍ）より小さい厚さを有する。また、さらに別の実施形態では、炉床材層４４は０．７５インチ（１９．０ｍｍ）より小さくおよび０．３７５インチ（９．５ｍｍ）より大きい厚さを有する。

さらに、図１のブロック１８および図３Ａを参照して、還元性混合物４６の層が、下層をなす炉床材層４４の上に形成されている。還元性混合物の層は、還元性鉄含有物質および鉄金属ナゲットの生成のための還元物質を少なくとも含む。（たとえば、他の還元剤は、たとえば、ニッケル鉄ナゲットのためのニッケル含有ラテライトおよびガーニュライト鉱石の使用など、一つ以上の同様の処理を用いて、他の種類の金属ナゲットの生成に用いられるであろう）。

本明細書中に用いられるように、鉄含有物質は、図１を参照して記載された工程１０などの金属鉄ナゲット処理を介して金属鉄ナゲットへと形成されることができる任意の物質を含む。たとえば鉄含有物質は、酸化鉄物質、鉄鉱石濃縮物、再生利用可能な鉄含有物質、小球状の工場廃棄物および小球状のふるいにかけられた微粒子を含んでもよい。さらに、たとえば、このような小球状の工場廃棄物および小球状のふるいにかけられた微粒子は大量のヘマタイトを含んでもよい。さらにたとえば、このような鉄含有物質は、マグネタイト濃縮物、酸化鉄鉱石、製鋼工場廃棄物（たとえば、高炉煤塵、塩基性酸素炉（ＢＯＦ）煤塵および黒皮）、ボーキサイト処理由来の赤泥、チタン含有砂鉄、マンガン含有鉄鉱石、アルミナ工場廃棄物、またはニッケル含有酸化物鉄鉱石を含んでもよい。

少なくとも一実施形態では、このような鉄含有物質は、本発明による処理のために−１００メッシュ（０．１４９ｍｍ）以下の大きさへと粉砕される。本明細書中に提示される様々な実施例は、他に規定されない限り−１００メッシュ（０．１４９ｍｍ）へと粉砕された鉄含有物質を用いる。しかしながら、より大きな大きさの鉄含有物質も用いられてもよい。たとえば、小球状のふるいにかけられた微粒子および小球状の工場廃棄物は公称値の大きさが一般に約０．２５インチ（６．４ｍｍ）である。このような物質は、直接用いられてもよく、または処理中に炭素質還元剤と良好に接触するために−１００メッシュ（０．１４９ｍｍ）以下へと粉砕されてもよい。

好ましい実施形態では、石炭を化学量論的量の８０％で含有する成形体では、還元剤のマウンドは、約１．９〜２．０の密度を有し、球は約２．１の密度を有し、およびブリケットは約２．１の密度を有する。

図３３の表に示される一つ以上の鉄鉱石の化学組成（すなわち、酸素含有量を除く）は、図１を参照して記載された工程１０のような金属鉄ナゲット処理１０によって処理される適切な鉄含有物質を供給する。その中に示すように、三つの磁性濃縮物、三つの浮遊濃縮物、小球状の工場廃棄物および小球状のふるいにかけられた微粒子が、化学組成書式に示される。

本明細書中に用いられるように、還元性混合物４６の層の中に用いられる還元剤は少なくとも一つの炭素質物質を含む。たとえば、還元剤は少なくとも一つの石炭、チャー、またはコークスを含んでもよい。還元剤と還元性鉄含有物質との混合物の中の還元剤の量は、採用されている炉処理中の還元反応を完了させるために必要な化学量論的量に依存するであろう。下記にさらに記載するように、このような量は用いられる炉（たとえば、還元反応が発生する雰囲気）に応じて異なってもよい。一つ以上の実施形態では、たとえば、鉄含有物質の還元を実施するのに必要な還元剤の量は、還元を実施するために理論上必要な還元剤の化学量論的量の約７０％から９０％の間にある。他の実施形態では、鉄含有物質の還元を実施するのに必要な還元剤の量は、還元を実施するために理論上必要な還元剤の化学量論的量の約７０％から１４０％の間にある。

少なくとも一実施形態では、このような炭素質物質は、本発明による処理のために、１００メッシュ（０．１４９ｍｍ）以下の大きさへと粉砕される。別の実施形態では、このような炭素質物質は−６５メッシュ（０．２３０ｍｍ）から−１００メッシュ（０．１４９ｍｍ）の範囲で提供されている。たとえば、このような炭素質物質は、異なる化学量論的レベル（たとえば、鉄含有物質の還元のために必要な化学量論的量の８０％、９０％、および１００％）で用いられてもよい。しかしながら、−２００メッシュ（０．０７４ｍｍ）から−８メッシュ（２．３８ｍｍ）の範囲の炭素質物質もまた用いられてもよい。より粗い炭素質物質（たとえば石炭）を使用すると、還元工程を実施するためにより多くの石炭の量を必要とするかもしれない。より細かい粉砕された炭素質物質も還元工程では同等に効果的であるかもしれないが、しかし、微小ナゲットの量が増加するかもしれず、したがって、あまり望ましくない。本明細書中に提示される様々な実施例は、他に規定されない限り、−１００メッシュ（０．１４９ｍｍ）に粉砕された炭素質物質を用いる。しかしながら、より大きな大きさの炭素質物質もまた用いられてもよい。たとえば、公称大きさが約８分の１インチ（３ｍｍ）の炭素質物質が用いられてもよい。このようなより大きな物質は、直接用いられてもよく、または、処理中に鉄含有還元剤とより良好に接触するために、−１００メッシュ（０．１４９ｍｍ）以下に粉砕されてもよい。他の添加剤もまた還元性混合物に添加される場合、このような添加剤は、必要に応じて、−１００メッシュ（０．１４９ｍｍ）以下の大きさへと粉砕されてもよい。

還元剤と還元性鉄含有物質との還元性混合物を供給する際に、様々な炭素質物質が本発明に従って用いられてもよい。たとえば、本発明による少なくとも一実施形態では、東海岸の無煙炭および瀝青炭が炭素質還元剤として用いられてもよい。しかしながら、北ミネソタのアイアンレンジ上など一部の地理的地域では、西海岸の亜瀝青炭石炭の使用は経済的に魅了的な代替方法を提供する。その理由は、このような石炭は、輸送システムがすでに整備されており、加えてコストが低くおよび硫黄分が低いためより容易に入手可能であるからである。このように西海岸の亜瀝青炭石は、本明細書中に記載されるような一つ以上の処理に用いられてもよい。さらに、亜瀝青炭の直接使用に対する代替方法は、亜瀝青炭石炭をその使用の前に、たとえば９００℃で、炭化するためであってもよい。

一実施形態では、還元性混合物４６は０．２５インチ（６．４ｍｍ）より大きくおよび２．０インチ（５１ｍｍ）より小さい厚さを有する。さらに、さらに別の実施形態では、還元性混合物４６は１インチ（２５．４ｍｍ）より小さくおよび０．５インチ（１２．７ｍｍ）より大きい厚さを有する。還元性混合物の厚さは一般的に、混合物の効果的な熱浸透およびより高い熱伝達を可能にする還元性混合物（たとえば、本明細書中に記載されるようなドーム形の還元性混合物）のより大きな表面積によって限定され、および／またはそれらに依存性である。

還元剤（たとえば、石炭またはチャー）および還元性鉄含有物質（たとえば、酸化鉄物質または鉄鉱石）に加えて、図１のブロック２０に示されるような一つ以上の目的のために、様々な他の添加剤が還元性混合物に随意的に供給されてもよい。たとえば、スラグ塩基性を制御するための添加剤、結合剤または結合剤機能を提供する他の添加剤（たとえば、石灰は、湿っている場合、本明細書中に記載される微小凝集体構造の中で弱い結合剤として作用できる）、スラグ溶融温度を制御するための添加剤、微小ナゲットの形成を還元する添加剤、および／または、金属鉄ナゲット処理１０によって形成された結果として生じた鉄ナゲット中の硫黄分を制御するための添加剤が用いられてもよい。

たとえば、図３４の表に示される添加剤は、還元性混合物４６の層の一つ以上の実施形態で用いられてもよい。図３４の表は、たとえば、Ａｌ（ＯＨ）_３、ボーキサイト、ベントナイト、Ｃａ（ＯＨ）_２、消石灰、石灰石、焼成ドロマイト、およびポルトランドセメントとなどの化学組成を含む、様々な添加剤の化学組成を示す。しかしながら、ＣａＦ_２、Ｎａ_２ＣＯ_３、ホタル石、ソーダ灰等といった、本明細書中にさらに詳しく記載される他の添加剤も用いてもよい。金属鉄ナゲット処理１０に用いられる場合、このような添加剤のうち一つ以上は、別々にまたは互いに組み合わせることによって、有益な結果をもたらしうる。

図１を参照して記載された処理とは一態様または別の態様で異なる金属鉄ナゲット処理（たとえば、ＩＴｍｋ３工程、Ｈｉ−ＱＩＰ工程など）を参照して本明細書中で論じられるように、還元性混合物は同じ物質（すなわち、組成の種類）を含んでもよいが、しかし、炉床の上の還元性混合物の形態は異なってもよい。たとえば、還元性混合物が取ってもよい形態は、予成形された球であってもよく、粉状炭素質の層中のディンプルを充填してもよく、ブリケットまたは他の種類の成形体（たとえば、圧縮成形された層を含む）であってもよい、などである。このように、還元性混合物の組成は、図１を参照して本明細書中に概略記載された金属鉄ナゲット処理に対してのみではなく、複数の種類の金属鉄ナゲット処理に有益である。

図１、およびとりわけブロック２２、および図３Ｂをさらに参照すると、チャネル開口部５０が、還元性混合物４６の層の中に画成されるかまたはそれ以外の方法で設けられて、たとえば、図３Ｄの上面図中の破線正方形領域によって示されるように、金属鉄ナゲット形成還元剤領域５９を画成する。このようなチャネル画成工程は、図３Ａ〜３Ｅを一般的に参照して最も良く示されおよび記載される。チャネル画成は、本明細書中に提供される様々な実施形態を参照して記載された、金属鉄ナゲットの大きさを制御する少なくとも一つの態様を提供する。

図３Ｂに示されるように、チャネル５０が図３Ａの還元性混合物４６の層の中に設けられて、還元性混合物４８の形成された層を形成する。このようなチャネル５０は、還元性混合物４６の中の深さ５６まで画成される。深さ５６は、還元性混合物４６の層の上面から炉床４２に向かう方向に延びる深さとして画成される。一つ以上の実施形態では、チャネル５０の深さは、炉床材層４４までの距離の一部のみ延びてもよい。しかしながら、一つ以上の他の実施形態では、チャネル深さは炉床材層４４へと（または、層４４が十分厚ければ層４４の内部までにさえも）延びてもよい。

図３Ａ〜３Ｅに示される実施形態では、還元性混合物４６の層の中に画成されるチャネル開口部５０は、開口部５０によって画成されたナゲット形成還元剤領域５９（図３Ｄを参照）の中に、マウンド５２（図３Ｂ中のドーム形のマウンドを参照）を形成するような態様で設けられる。図３Ｂ〜３Ｄに示されるように、チャネル開口部５０のマトリクスが、還元性混合物４６の層の中に作成される。還元性混合物の形成された部分、すなわち、マウンド５２のそれぞれは、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分６１を含む。たとえばマウンド５２は、ピラミッド、頂部を切断したピラミッド、円形のマウンド、頂部を切断した円形のマウンド、または任意の他の適切な形状または構成として形成されてもよい。たとえば一実施形態では、一つ以上のナゲット形成還元剤領域５９のそれぞれに、一つの金属ナゲットの形成を結果として生じる任意の適切な形状または構成が、用いられてもよい。一つ以上の実施形態では、効果的な熱伝達のために大きな露出表面積を提供する形状（たとえば、形成されているナゲットの形状に類似したドーム形のマウンド）が用いられる。

さらに、本明細書中での記載から明らかと思われるように、形成された部分、すなわちマウンド５２の形状に応じて、チャネル開口部５０はマウンドと関連した形成または構成を有するであろう。たとえば、もし、マウンド５２がピラミッド構造、頂部を切断したピラミッド構造、または台形形状のマウンドならば、開口部５０はＶ字型の構成へと形成されてもよい。このような異なる種類のチャネル開口部のうち一つ以上は、図５〜１０を参照して本明細書中においてさらに説明される。

チャネル開口部は、任意の適切なチャネル画成器を用いて形成されてもよい。たとえば、一つ以上の様々なチャネル画成器が、本明細書の図８〜１０を参照して記載される。

さらに、図１を参照して、およびブロック２６に随意的に示されるように、チャネル開口部５０は、図３Ｃ〜３Ｄに示されるように、ナゲット分離充填物質５８で少なくとも部分的に充填されている。ナゲット分離充填物質５８は少なくとも炭素質物質を含む。たとえば一つ以上の実施形態では、炭素質物質は粉コークスまたは粉状チャー、粉状無煙炭、またはそれらの混合物を含む。

少なくとも一実施形態では、このようなチャネル開口部を充填するのに用いられる粉状物質は、本発明による処理のために、大きさが−６メッシュ（３．３６ｍｍ）以下へと粉砕される。少なくとも一実施形態では、チャネル開口部を充填するのに用いられるこのような粉状物質は−２０メッシュ（０．８４０ｍｍ）以上である。−２０メッシュを上回るより細かな粉状物質（たとえば−１００メッシュ（０．１４９ｍｍ））は、微小ナゲットの形成量を増加させるかもしれない。しかしながら、より大きな物質も用いられてもよい。たとえば、公称大きさが約４分の１インチ（６ｍｍ）の炭素質物質が用いられてもよい。

図３Ｃに示されるように、それぞれのチャネル５０の深さ５６は、ナゲット分離充填物質５８で部分的にのみ充填される。しかしながら、このようなチャネル５０は完全に充填されてもよく、および、一つ以上の実施形態では、追加的な炭素質物質が、たとえばマウンドの上方にあるとともに充填され画成されたチャネルの上方にある層として形成されてもよい。少なくとも一実施形態では、チャネル深さ５６の少なくとも約４分の１が、ナゲット分離充填物質５８で充填される。さらに別の実施形態では、チャネル深さ５６の約４分の３未満が、ナゲット分離充填物質５８で充填される。チャネル開口部５０が少なくとも炭素質物質で充填されることによって、および、概ね均一なナゲット形成還元剤領域５９の形成によって、均一な大きさのナゲットが金属鉄ナゲット処理１０によって生成することができる。のちに認識されるように、ナゲット形成還元剤領域５９がより大きくなればなるほど（たとえば、還元性混合物のマウンド５２がより大きくなればなるほど）、工程１０によって形成されるナゲットはますます大きくなる。言い換えれば、ナゲットの大きさは制御することができる。

チャネル開口部５０がナゲット分離充填物質５８で少なくとも部分的に充填されているため、還元性混合物の形成された層４８（たとえばマウンド５２）は、図１のブロック２４に示されるように、適切な条件のもとで熱処理されて、還元性鉄含有物質を還元し、および、一つ以上の画成された金属鉄ナゲット還元剤領域５９の中に、一つ以上の金属鉄ナゲットを形成する。たとえば図３Ｅの実施形態に示されるように、一つの金属鉄ナゲット６３は、ナゲット形成還元剤領域５９のそれぞれの中に形成される。実質的に同じ量の還元性混合物が形成されおよび処理されて、ナゲット６３のそれぞれを生成したため、このようなナゲット６３は大きさが概ね均一である。

図３Ｅにさらに示されるように、炉床材層４４の上に結果として生じるスラグ６０が、一つ以上の金属鉄ナゲット６３とともに示されている（たとえば、鉄ナゲット６３とは分離しているかまたは鉄ナゲット６３に付着した、炉床材層４４の上のスラグビーズ）。図１のブロック２８をさらに参照すると、金属ナゲット６３およびスラグ６０（たとえば付着したスラグビーズ）は炉床４２から放出され、および放出された金属ナゲットは次いでスラグ６０から分離される（ブロック２９）。

形成された還元性混合物層４８の熱処理中（ブロック２４）の鉄ナゲット形成のメカニズムが、図４Ａ〜４Ｄを参照してここで説明される。図４Ａ〜４Ｄは、１４００℃の温度での、還元炉中の時間（すなわち、本明細書中に記載され、チューブ炉といわれる還元炉）がナゲット形成に及ぼす影響を示す。還元性混合物の組成は、５．７％の酸化ケイ素濃縮物、８０％化学量論的要件での中揮発性瀝青炭、および二つの別々のマウンド６７へと形成されたスラグ組成（Ａ）を用いることを含んだ。スラグ組成（Ａ）は、図２１Ａの相図および図２１Ｂの表から、識別することができる。

図４Ａは、ナゲット７１を炉床の上に形成した、ナゲットの形成処理の段階を示し、図４Ｂこのようなナゲットの上面図を提供し、図４Ｃはこのようなナゲットの側面図を提供し、および図４Ｄはこのようなナゲットの断面を提供する。言い換えれば、図４Ａ〜４Ｄは、鉄ナゲット形成の順序の一実施形態を示し、順序は、金属海綿鉄の形成、金属化された粒子の溶解、混入したスラグを圧縮しおよび搾り出すことによる溶解した金属鉄粒子の凝集を伴う。このような図４Ａ〜４Ｄは、約５〜６分後に完全に融解した固体鉄ナゲット７１の形成を示す。マウンド６７を形成するために還元性混合物中に溝６９が存在することは、個々の島構造中の鉄ナゲット７１を誘発して、互いに縮みおよび個々のナゲットへと分離させる。

このような処理は、本明細書中の発明の背景の項に記載されたような乾燥した鉄鉱石／石炭混合物の球を用いるすでに提案および記載されたメカニズムとは全く異なる。球とともに用いられるメカニズムは、炭素含有球の還元による直接還元鉄の形成、当初の円形形状の表面の上に、融解スラグが金属から分離され、および内部に大きな空隙を有する密度の高い金属鉄の鉄殻の形成、および、その後の鉄相の融解および溶融金属からのスラグの分離を伴うと報告されている。

金属鉄ナゲット処理１０は、図２Ａ中に概略示されるような炉システム３０によって実施されてもよい。他の種類の金属鉄ナゲット処理を、このようなシステムの一つ以上の成分を単独または他の適切な装置と組み合わせて用いて、実施してもよい。概して炉システム３０は、炉床材層４４の少なくとも一部の上に還元性混合物４６の層を形成するよう作動可能な装入装置３６を含む。装入装置は、炉床材層４４の上に還元性混合物４６を供給するための任意の適切な装置を含んでもよい。たとえば、制御可能な供給物のシュート、レベリング装置、供給方向装置などが、炉床４２の上にこのような供給混合物を供給するのに用いられてもよい。

チャネル画成器３５は、次いで還元性混合物４６の層を少なくとも部分的に通過して延びて、複数のナゲット形成還元剤領域５９を画成する複数のチャネル開口部５０を作成するよう作動可能（たとえば、手動および／または自動作動；市販の装置またはシステムでは典型的には自動作動）である。チャネル画成器３５は、還元性混合物４６の層の中にチャネル開口部５０を作成する（たとえば、マウンド５２を形成する、還元性混合物４６を押圧する、開口部を切るなど）ための、任意の適切な装置（たとえば、チャネル切断装置、マウンド成形プレス、など）であってよい。たとえば、チャネル画成器３５は、一つ以上の型、刃具、片削り工具、ドラム、シリンダー、バーなどを含んでもよい。一つ以上の適切なチャネル画成器を、図８〜１０を参照して説明する。しかしながら、本発明は、ナゲット形成還元剤領域５９の形成の際にチャネル開口部５０を作成するためのいずれの特定の装置にも限定されない。

炉システム３０は、複数のチャネル開口部５０をナゲット分離充填物質５８で少なくとも部分的に充填するよう作動可能なチャネル充填装置３７をさらに含む。このような分離充填物質５８をチャネル５０に供給するための任意の適切なチャネル充填装置３７が用いられてもよい（たとえば手動および／または自動作動）。たとえば、材料を一つ以上の場所に制限しおよび位置決めする供給装置が用いられてもよく、材料は、少なくとも部分的に開口部を充填するまで、ドーム形のマウンドを転がり落ちることができてもよく、チャネル内に材料を供給するのに噴霧装置が用いられてもよく、または、チャネル画成器と同期する装置が用いられてもよい。（たとえば、マウンドとして少なくとも部分的に充填されたチャネルが形成されている。）

形成された還元剤４８が炉床材層４４の上に供給され、およびナゲット分離充填物質５８が複数のチャネル開口部５０を少なくとも部分的に充填するよう供給された状態で、還元炉３４は、還元性混合物４８の形成された層を熱処理して、複数のナゲット形成還元剤領域５９のうち一つ以上の中に一つ以上の金属鉄ナゲット６３を生成するために供給されている。還元炉３４は、その結果、一つ以上の金属鉄ナゲット６３が形成されるよう、還元性混合物４６を処理するための適切な条件（たとえば雰囲気および温度）を提供するための、任意の適切な炉領域またはゾーンを含んでもよい。たとえば、回転炉床炉、直線炉床炉、または還元性混合物４６の熱処理を実行することができる任意の他の炉が用いられてもよい。

図２Ａにさらに示されるように、炉システム３０は、炉システム３０による処理中に形成された金属ナゲット６３およびスラグを除去するとともに、このような成分（たとえばナゲット６３およびスラグ）をシステム３０から放出するのに用いられる放出装置３８を含む。放出装置３８は、任意の数の、重力型放出（たとえば、ナゲットおよびスラグを含むトレイの傾斜）を含む様々な放出技法、または、スクリュー放出装置またはレーキ放出装置を用いた技法を含んでもよい。任意の数の異なる種類の放出装置３８は、ナゲット６３（たとえば、鉄ナゲット６３およびスラグビード６０凝集体）のこのような放出を供給するために適切であってもよく、および、本発明はそのいかなる特定の構成にも限定されないことが認識されるであろう。さらに分離装置は次いで、スラグビーズ６０から金属鉄ナゲット６３を分離するのに用いられてもよい。たとえば、ドラム中で転がす、スクリーニング、ハンマーミル、などといった鉄ナゲットおよびスラグビード凝集体を破壊する任意の方法が用いられてもよい。しかしながら、任意の適切な分離装置（たとえば磁気分離装置）が用いられてもよい。

一つ以上の異なる還元炉が、本発明の用途に応じて、本発明に従って用いられてもよい。たとえば、本明細書中の一つ以上の実施形態では、実験用の炉が熱処理を実行するのに用いられてきた。実験用の炉を見れば、大量生成レベルのスケーリングを実行することができること、および本発明はこのようなスケーリングを意図することが認識されるであろう。このように、本明細書中に記載される様々な種類の装置は、より大規模の処理、またはこのような処理をより大きな規模で実行するのに必要な生産装置に用いられてもよいことを認識するであろう。

鉄ナゲット処理の炉頂ガス組成の任意の他の情報が存在しない場合、本明細書中に記載される実験室試験の大部分は、Ｎ_２が６７．７％およびＣＯが３３．３％の雰囲気中で実行された。これは、１０００℃より高い温度でのブドワー（または炭素溶液）反応（ＣＯ_２＋Ｃ＝２ＣＯ）による炭素質還元剤および炉床層物質の存在時に、天然ガス−燃焼バーナーガス中のＣＯ_２がＣＯへと急速に変換され、およびＣＯリッチな雰囲気が少なくとも還元剤の近傍において優勢であると仮定した。

炉雰囲気中にＣＯが存在することが、Ｎ_２のみの雰囲気と比較して、溶融工程を幾分加速した一方、炉雰囲気中にＣＯ_２が存在することは、鉄ナゲットの溶解挙動を遅延させた。１３２５℃（２４１７°Ｆ）では、炉雰囲気中のＣＯ_２が鉄ナゲット形成に及ぼす影響は顕著であった。この温度は、溶解した鉄ナゲットを形成する寸前の温度である。ＣＯ_２が及ぼす影響は温度がより高くなると顕著でなくなり、実際のところ、１４００℃（２５５２°Ｆ）を越えると影響は実質的になくなった。本明細書中に提供された実施例では、他に示されない限り、Ｎ_２およびＣＯ雰囲気中に主としてに観察されるような知見の顕著な特徴が提供される。

本明細書中に用いられる一つ以上の技法および／または概念に到達するのに用いられる二つの還元炉は、たとえば、図２Ｂに示されるような実験用チューブ炉、および図２Ｃに示されるような実験用角炉を初めとする、実験用試験炉を含む。このような炉に関する詳細は、本明細書中に記載される一つ以上の典型的な試験に対する補足情報として提供される。他に指示されない限り、このような実験用試験炉は、本明細書中に提供された様々な実施例を実施するのに用いられた。

本明細書中に記載される複数の試験状況に用いられるような実験用チューブ炉５００（図２Ｂ）には、定格８ｋＷの４個の炭化ケイ素発熱体、および直径２インチ（５１ｍｍ）×長さ４８インチ（１２２０ｍｍ）のムライト管の付いたウェスト２０７０温度調節器を備えた、直径２インチ（５１ｍｍ）、高さ１６インチ（４０６ｍｍ）×幅２０インチ（５０８ｍｍ）×長さ４１インチ（１０４０ｍｍ）の水平チューブ炉などがある。その該略図が図２Ｂに示される。燃焼管５０１の一つの端部には、Ｒ型熱電対５０３およびガス入口管５０５が配置され、および他端では、水冷チャンバ５０７が取り付けられ、水冷チャンバにはガス出口ポートおよび捕集ポート５０９が接続されている。ＣＯが用いられる場合は、排ガスが燃え上がり、および排気管システムへと除去される。Ｎ_２、ＣＯ、およびＣＯ_２は、それぞれの浮子式流量計を介した様々な組み合わせで、燃焼管を通って供給され、炉雰囲気を制御する。当初は、長さ５インチ（１２７ｍｍ）×幅４分の３インチ（１９．０ｍｍ）×高さ１６分の７インチ（１１．１ｍｍ）のアランダムボートが用いられた。

温度が１３００℃（２３７２°Ｆ）に設定された場合のチューブ炉の典型的な温度プロファイルが、下記のとおり示される。

チューブ炉の温度プロファイル、１３００℃（２３７２°Ｆ）に設定
中心からの距離
（インチ）（ｍｍ） 温度測定値（℃）
−５＊ （−１２７） １２９２
−４ （−１０２） １２９６
−３ （−７６） １２９９
−２ （−５１） １３００
−１ （−２５．４） １３０１
０ （０） １３００
＋１ （２５．４） １２９８
＋２ （５１） １２９５
＋３ （７６） １２９１
＋４ （１０２） １２８６
＋５ （１２７） １２７９
＊−から＋へのガス流の方向
炉の中心から１インチ（２５．４ｍｍ）上流にある定温ゾーンは、長さ４インチ（１０２ｍｍ）の黒鉛ボート５１１を覆って延びるには十分であった。

還元試験が、１３２５℃（２４１７°Ｆ）から１４５０℃（２６４２°Ｆ）の範囲の温度へと加熱し、および異なる時間保持することによって、および多くの試験では雰囲気制御のために、Ｎ_２が２Ｌ／分およびＣＯが１Ｌ／分のガス流量で実施した。特定の試験では、雰囲気は異なる濃度のＣＯ_２の含有するように変化した。炉温度を、二つの異なる較正熱電対で確認し、および測定値が５℃以内に一致していることがみとめられた。

還元試験のために、黒鉛ボート５１１が水冷チャンバ５０７に導入され、ガスはＮ_２−ＣＯ混合物またはＮ_２−ＣＯ−ＣＯ_２混合物のいずれかに切り替えられ、および１０分間浄化された。ボート５１１が定温ゾーンへと移されおよび定温ゾーンから除去された。次いで、鉄ナゲットおよびスラグが選び出されて残りは２０メッシュ（０．８４０ｍｍ）スクリーンの上で分離され、および大きすぎるものおよび小さすぎるものは磁気的に分離された。大きすぎるほうの磁気画分は、主として金属鉄の微小ナゲットを含んでいたが、一方、小さすぎるほうの磁気画分は、ほとんどの場合、鉄鉱石からの、または添加された石炭の鉄含有不純物からの磁気物質の一部の付着したコークス粒子を主として含むことが観察された。

さらに、高さ３９インチ（９９１ｍｍ）×幅３３インチ（８３８ｍｍ）×長さ５２インチ（１３２０ｍｍ）の実験用の電気的に加熱された角炉６００（図２Ｃ）は、炉のそれぞれのチャンバの内部の両側に４個のらせん形の炭化ケイ素の発熱体を有した。二つのチャンバ内部の全部で１６個の発熱体の定格は１８ｋＷであった。角炉の該略図が図２Ｃに示される。炉６００は、１２インチ（３０５ｍｍ）×１２インチ（３０５ｍｍ）×１２インチ（３０５ｍｍ）の二つの加熱チャンバ６０２、６０４を含み、この二つのチャンバは、二つのクロマロックス２１０４制御装置を用いて温度を１４５０℃まで独立して制御することができる。Ｓ型熱電対は、上面からそれぞれの空隙の中央の、それぞれのチャンバ内の底床から４．５インチ（１１４ｍｍ）上方に懸架されていた。第二のチャンバ６０４の典型的な温度プロファイルが下記のとおり提供される。

角炉の温度プロファイル、１４００℃（２５５２°Ｆ）に設定
中心からの距離
（インチ）（ｍｍ） 温度測定値（℃）
−４＊ （−１０２） １３９２
−３ （−７６） １３９４
−２ （−５１） １３９６
−１ （−２５．４） １３９７
０ （０） １３９７
＋１ （２５．４） １３９６
＋２ （５１） １３９５
＋３ （７６） １３９３
＋４ （１０２） １３９２
＊−から＋へのガス流の方向

長さ６インチ（１５２ｍｍ）のトレイ６０６上方の温度のばらつきは、２、３度以内であった。炉６００の前には、高さ１６インチ（４０６ｍｍ）×幅１３インチ（３３０ｍｍ）×長さ２４インチ（６１０ｍｍ）の冷却キャンバ６０８であり、冷却キャンバ６０８は、幅５インチ（１２７ｍｍ）×長さ６インチ（１５２ｍｍ）×高さ１．５インチ（３８ｍｍ）、厚さ８分の１インチ（３．２ｍｍ）の黒鉛トレイ６０６が通るサイドドア６２０と、および上面の覗き窓６１０を備えた。ガス入口ポート６１４、別の小さな覗き窓６１２、および捕集トレイ６０６を炉６００へ移動させるプッシュロッド用ポート６１６が、チャンバの外壁の上に配置された。炉への取り付け側には、跳ね上げドア６２２が設置され、放射熱が通過するのを遮蔽した。跳ね上げドア６２２の中の２分の１インチ（１２．７ｍｍ）の穴によって、ガスがこの穴を通過し、およびプッシュロッドがトレイ６０６を炉６００の中に移動させることができる。炉の反対側の端部では、炉頂ガス排気ポート６３０、ガス捕集ポート６３２、および炉６００からトレイ６０６を移動させるプッシュロッド６３４のためのポートが、配置された。

炉雰囲気を制御するため、Ｎ_２、ＣＯ、およびＣＯ_２は、それぞれの浮子式流量計を介した様々な組み合わせで、燃焼管を通って供給された。総ガス流量は、１０から５０Ｌ／分の範囲で調節することができた。ほとんどの試験では黒鉛トレイ６０６が用いられたが、しかし、いくつかの試験では、高温ファイバーボード製の厚さ２分の１インチ（１２．７ｍｍ）のトレイが用いられた。トレイ６０６を冷却キャンバ６０８へと導入した後、炉は、空気を交換するのにＮ_２で３０分間、その後、Ｎ_２−ＣＯ混合物またはＮ_２−ＣＯ−ＣＯ_２混合物のいずれかの試験で用いられたガス混合物で３０分間浄化され、その後捕集トレイ６０６が炉へと押圧される。

当初は、トレイは、跳ね上げドア６２２のまさに内側へと押され、３分間そこに保持され、次いで、典型的には１２００℃で、５分間、予備加熱のために第一のチャンバ６０２へと押され、および、鉄ナゲット形成のために第二のチャンバへと、典型的には１４００℃〜１４５０℃へと、１０〜１５分間移された。試験の後、ガスはＮ２へと切り替えられ、および、トレイ６０６はドア６２２の背面に押圧されおよびそこに３分間保持され、および次いで冷却キャンバ６０８へと押された。１０分間冷却した後、観察のためにトレイ６０６が冷却キャンバ６０８から除去された。

次いで、鉄ナゲットおよびスラグが選び出されて、および、残りは２０メッシュ（０．８４０ｍｍ）スクリーンの上で分離され、および大きすぎるものおよび小さすぎるものは磁気的に分離された。大きすぎるほうの磁気画分は、主として金属鉄の微小ナゲットを含んでいたが、一方、小さすぎるほうの磁気画分は、ほとんどの場合、鉄鉱石からの、または添加された石炭の鉄含有不純物からの磁気物質の一部が付着したコークス粒子を主として含んでいた。＋２０メッシュ（＋０．８４０ｍｍ）の磁気画分が分類され、および本明細書中では「微小ナゲット」とよばれる。および−２０メッシュ（−０．８４０ｍｍ）が分類され、および本明細書中では「−２０メッシュ（−０．８４０ｍｍ）磁気粒子」とよばれる。このように、本明細書中に用いられるように、微小ナゲットは、処理中に形成された親ナゲットよりも小さいが、しかし、２０メッシュスクリーンを通過するには大きすぎるナゲット、言い換えれば、＋２０メッシュ（＋０．８４０ｍｍ）物質のことをいう。

さらに、本明細書中に前述したように、２００４年３月３１日に出願された、米国特許出願公開第２００５０２２９７４８号Ａ１明細書として公開された米国暫定特許出願第６０／５５８，１９７号明細書、表題「直線炉床炉システムおよび方法」に記載されたような、直線炉床炉も用いられてもよい。その明細書に記載された直線炉床炉の概要は下記のとおりである。このような直線炉床炉の典型的な一実施形態が、図２Ｄ中に概略示されており、および、実施形態は、内部バッフル壁７４６によって分離された三つの加熱ゾーン７２８、７３０、７３１を含むとともに最終冷却部７３４も含む、長さ４０フィート（１２．２ｍ）のウオーキングビーム鉄還元炉７１２であってもよい。バッフル壁７４６は、たとえば、水冷却されたまぐさによって冷却され、これら環境中で耐火性を持続させる。本明細書中に記載されるように、この直線炉床炉を用いた様々な試験も実施され、およびその結果が図３５〜４１を参照して記載される。

ゾーン７２８は、初期加熱および還元ゾーンとして記載される。このゾーンは、１０９３℃の温度に到達可能な二つの天然ガス燃焼バーナー（４５０，０００ＢＴＵ）（４７５ＭＪ）７３８の上で作動してもよい。このゾーンの壁および屋根は、定格１３１６℃の６インチ（１５２ｍｍ）のセラミックファイバーの耐火物で内張りされている。その目的は、乾燥し、炭化水素を液化しおよび還元段階を開始するために十分な温度へと試料の温度を上昇させることである。バーナーは亜化学量論的に作動し、酸素レベルを最小にする。

ゾーン７３０は、還元ゾーンとして記載される。このゾーンは、１３１６℃の温度に到達可能な二つの天然ガス燃焼バーナー（４５０，０００ＢＴＵ）（４７５ＭＪ）７３８の上で作動してもよい。このゾーンの壁および屋根は、１３１６℃の定常作動温度を持続すると格付けされた１２インチ（３０５ｍｍ）のセラミックファイバーの耐火物で内張りされている。供給混合物の還元はこのゾーン７３０中で発生する。

ゾーン７３１は、融解または融合ゾーンとして記載される。このゾーンは、１４２６℃の温度で持続可能な二つの天然ガス燃焼バーナー（１００，０００ＢＴＵ）（１０５５ＭＪ）７３８の上で作動してもよい。その壁および屋根は、１４２６℃の定常作動温度で持続する定格の１２インチ（３０５ｍｍ）のセラミックファイバーの耐火物で内張りされている。このゾーンの機能は、還元を完了させ、鉄を金属鉄の小塊または「ナゲット」へ融合することである。この炉が直接還元鉄または海綿鉄を作製するのに用いられている場合、このゾーン中の温度は低下し、融解または融合なしに完全な還元が促進される。

最終ゾーン７３４、すなわち冷却ゾーンは、長さ約１１フィート（３．７ｍ）のウォータージャケットの付いた炉の部分である。窒素を用いてブランケットを作成するのに用いることができるよう、一連のポートは第３のゾーンと冷却部との間に設置された。このゾーンの目的は、捕集トレイが安全に取り扱うことができるよう捕集トレイ７１５を冷却することおよび炉からの除去のために金属鉄ナゲットを凝固させることである。

ゾーン７２８、７３０および７３１は、温度、圧力および供給速度に従って個々に制御され、それによって、この炉７１２はいくつかの鉄還元処理および作動条件をシミュレーションできる。ウオーキングビーム機構７２４用のオートメーション−ダイレウトＰＬＣに接続されるアレンブラッドレーＰＬＣマイクロ論理コントローラ７１８は、ユーザーフレンドリーなＰＣインタフェースを介して炉を制御する。

正圧下での炉の作動によって、還元された酸素のレベルまで（たとえば０．０％まで）、それぞれのゾーンの中の雰囲気の制御を可能にする。捕集トレイ７１５は、粉コークスまたは他の炭素質の炉床材層で充填されて、炉雰囲気をさらに強化する。高温かしめを用いて、すべての露出表面上の縫い目を封止して、浸入を最小にした。

供給速度は、炉７１２を通ってトレイ７１５を前進させるオートメーション−ダイレクトＰＬＣ制御油圧ウオーキングビーム機構７２４によって制御される。この装置は、供給速度を調整しながら、それぞれのゾーンの中の時間を監視し、および、ウオーキングビーム機構７２４に応じてトレイ７１５を前進させる。トレイの炉供給速度および位置は、ＰＬＣとの通信によって、操作スクリーン上に表示される。隣り合う一対のカスタブルの耐火性ウオーキングビームは、炉７１２の長さを伸ばす。それらは、ＰＬＣによって作動される一対の油圧シリンダーによって、前方および後方に駆動される。ビームは、ローラーの上の一連の傾斜（くさび）の上にある、１対の第二の油圧シリンダーでビームアセンブリを押し上げおよび押し下げる。ビーム機構の起動によって、ビームアセンブリを一つのトレイと均等分、合計５回、すなわち１サイクルにつき３０インチ（７６２ｍｍ）の回転によってそれらを移動させる。

捕集トレイ７１５は、試験を開始する前に手動で準備される。炉雰囲気を調整するために、コークスまたは炭素系還元剤で覆われた追加的なトレイを用いてもよい。ロールプレートプラットフォームエレベータ７５２は、空気圧シリンダーによって上下し、トレイ挿入用の炉の供給部７２０の上で捕集トレイ７１５を整列させるよう設計されている。エレベータ７５２を上げることによって、ばね式供給ドアを押し開け、トレイを挿入するために炉の供給部を雰囲気に露出する。ひとたび適当な高さおよび整列が達成されると、トレイは炉に挿入される。自動化トレイ供給システムは、空気圧シリンダーで捕集トレイを供給するのに用いられる。

ウオーキングビーム７２４は、トレイ７１５を炉の反対側端部７２２へと運搬し、反対側端部では、トレイは類似のプラットフォーム（ローラー球プレート）エレベータ７５４の上に放出される。安全メカニズムが、炉の放出地点での加熱されたトレイの位置を監視するために設置された。放出ローラーは、プラットフォームエレベータへとトレイを駆動し、トレイは、プラットフォームエレベータにおいて、取り除かれるかまたは炉に再挿入することができる。放出ローラーは、トレイが放出用の位置にあり、プラットフォームエレベータが「ｕｐ」位置にあり、およびウオーキングビームが、加熱されたトレイが偶然放出するのを防止するよう下がっていない限り、機能しない。段状のコンベアローラーが炉の放出点に配置され、捕集パレットを取り除き、冷却されるまで保存する。トレイを炉に再び挿入するために、炉の下方にある加熱されたトレイを供給端部にあるプラットフォームエレベータへと輸送するよう戻し用カートが、設計されてきた。

排気ガスシステム７４７が、炉ＰＬＣによって制御されるＶＦＤを備えた換気扇７５３に接続されている。換気扇７５３はこの用途には大きすぎるので、手動で制御されるライン内減衰装置または圧力制御７５５を用いて、換気扇７５３の能力を低下させてゾーン圧制御を改善する。安全防止措置として、レベル制御された水槽中の大気脚が、任意の突然の圧力変化を吸収するために共通のヘッダと換気扇との間に設置される。排気ガスは、換気扇７５３から４０フィート（１２．２ｍ）の排気スタック７５７まで放出される。排気ダクトは、炉の外壁に耐火性に内張りされ、外壁では、排気ダクトは、廃ガスを冷却するための水スプレーノズル７４９が付いた高温ステンレス鋼（ＲＡ６０２ＣＡ）にと変化する。それぞれのゾーンからの水性ガスの温度は、ライン内熱電対で、および、それぞれのウォータースプレーの組に取り付けられた手動制御される水流量計によって制御される。ひとたびガスが十分に冷却されると、ステンレスダクトの後に標準炭素鋼が続く。共通ヘッダの中の熱電対は、排気ガスの温度を監視しおよび換気扇ベアリングへの熱を最小にするのに用いられる。

（図３５Ａに示すように）捕集トレイまたはパレット７１５は、ウオーキングビーム機構７２４によって炉を通過して運搬される平底を有する３０インチ（７６２ｍｍ）角の耐火性裏地が付いた皿を備えている。トレイの枠は、３０３ステンレス鋼合金または炭素鋼から成ってもよい。トレイは、側壁を有する高温耐火性レンガまたはセラミックファイバー板によって内張りされて、供給混合物を含有してもよい。

上述の炉システムは、ナゲット形成処理１０をさらに説明しおよび本明細書に報告された試験およびその結果に関する特定の詳細を提供するだけのための例示的な目的のために提供されている。本明細書中に記載されている金属鉄ナゲット形成処理の一つ以上の実施形態を実施できる任意の適切な炉システムが、本発明に従って用いられてもよいことが認識されるであろう。

図１および図３Ｂを参照して概略記載されるように、チャネル開口部５０は複数の構成および深さであってもよい。図３Ｂに示されるように、チャネル開口部５０は、ナゲット形成還元剤領域５９のそれぞれの中に、還元性混合物のマウンド５２を形成する（図３Ｄ）。チャネル開口部５０がその深さ５６を還元性混合物４６の層へと延ばしているため、マウンド５２は、たとえば、ドーム形または球面の形状を有してもよい。代替的なチャネル開口部構成のための複数の代替的な実施形態が、図５〜７、ならびに、図８〜１０に示される。さらに図８〜１０には、このようなチャネル開口部（たとえば、複数のナゲット形成還元剤領域のそれぞれの中で、マウンドの形成と関連するチャネル開口部）を形成するのに用いることができる、代替的な種類のチャネル画成器３５に示される。

図５Ａ〜５Ｂは、一つの代替的なチャネル開口部の実施形態の上面図および側断面図を示す。図面の中に示すように、チャネル開口部７４のマトリクスが還元性混合物７２の層の中に形成される。それぞれのチャネル開口部７４は、還元性混合物７２の層へと部分的に延び、および炉床材層７０には完全には延びない。チャネル開口部７４の格子（たとえば、実質的に同じ大きさで水平および垂直の両方に並ぶチャネル開口部）は、長方形または正方形のナゲット形成還元剤領域７３を形成する。図５Ｂに示されるように、チャネル開口部７４は、基本的には還元性混合物７２の層へのわずかなへこみ（たとえば細長いくぼみ）である。チャネル開口部７４のそれぞれは、ナゲット分離充填物質７６で全体が充填されている。また図５Ｂに示されるように、チャネル開口部７４は、還元性混合物７２の厚さの約半分の深さまで延びる。

図６Ａ〜６Ｂは、チャネル開口部構成のさらに別の実施形態の上面図および側断面図を示す。図面の中に示すように、チャネル開口部８４の第一の組は第一の方向に並び、およびチャネル開口部８４の追加的な組は、第一の方向に直角である第二の方向に並ぶ。このようにして、長方形のナゲット形成還元剤領域８３が形成される。還元性混合物８２のマウンドは、開口部チャネルがＶ字型の溝８４であるため、略ピラミッド形状である。図６Ｂに示されるように、Ｖ字型の溝８４は炉床材層８０まで延び、およびチャネル開口部８４はナゲット分離充填物質８６で充填される。ナゲット分離充填物質８６は、Ｖ字型の溝チャネル８４の深さの半分未満まで充填される。

図７Ａ〜７Ｂは、チャネル開口部構成のさらに別の実施形態の上面図および側断面図を示し、Ｖ字型の溝の格子は、長方形のナゲット形成還元剤領域９３を形成する。概して、Ｖ字型のチャネル開口部９４は、ナゲット形成還元剤領域９３のそれぞれの中に、還元性混合物９２の頂部を切断したピラミッド形のマウンドを形成する。ナゲット分離充填物質９６は、Ｖ字型の溝９４のそれぞれを完全に充填する。Ｖ字型のチャネル開口部９４は、炉床材層９０まで延びる。

複数の実施形態に示されるように、チャネル開口部が、還元性混合物の層全体を通過して炉床材層まで、または還元性混合物の層を部分的にのみ延在するよう形成されてもよいことが認識されるであろう。さらに、ナゲット分離充填物質は、チャネル開口部のそれぞれを完全に充填してもよく、またはこのような開口部を部分的にのみ充填してもよいことが認識されるであろう。

図８Ａ〜８Ｂは、チャネル開口部構成のさらに別の実施形態の上面図および側断面図をそれぞれ示す。加えて、図８Ａ〜８Ｂは、炉床材層１００の上に供給された還元性混合物１０２の層の中にチャネル開口部１０４を形成する際の使用のための画成器１０６を示す。チャネル開口部１０４は、チャネル画成器１０６によって還元性混合物１０２の層の中に形成された略細長い溝である。

チャネル画成器１０６は、第一の細長い要素１０８および細長い要素１０８から直角に延びる一つ以上の延出要素１１０を含む。方向を示す矢印１０７、１０９によって示されるように、チャネル画成器１０６および／または還元性混合物１０２は、チャネル開口部１０４を作成するのに十分な還元性混合物の材料を移動させるために、ｘ軸およびｙ軸に沿って移動してもよい。たとえば、要素１０８および／または還元性混合物１０２が、矢印１０７によって表される方向に移動させられる場合は、画成器１０６が方向１０９に移動させられる場合に作成されるチャネルと直角のチャネルが作成される。一実施形態では、細長い要素１０８は矢印１０７によって表される方向に移動させられる必要はない。その理由は、還元性混合物１０２の層は、たとえば右に向かって、図１０Ａに示される連続形成処理中のように一定の速度で移動しているからである。

図９Ａ〜９Ｂは、さらに別の代替的なチャネル開口部構成を、炉床材層１２０の上に供給された還元性混合物１２２の層の中にチャネル開口部１２４を形成するためのチャネル画成器１２６とともに、上面図および断面図でそれぞれ示す。チャネル開口部１２４は、互いに直角な第一のおよび第二の方向に延び、およびの長方形のナゲット形成還元剤領域１３１のマトリクスを概して形成する、細長い溝のマトリクスを含む。

チャネル画成器１２６は、細長い軸要素１２８に対して直角に取り付けられた複数の間隔をあけた円板要素１２７を含む第一の細長い回転軸要素１２８を含む。一つの典型的な実施形態では、還元性供給混合物１２２が方向１３３に移動する場合、円板要素１２７は適所で回転して溝を作成する。言い換えれば、二方向の矢印１３２は軸要素１２８の回転、および、（還元性混合物１２２の層が方向１３３に移動する場合）円板要素１２７が第一の方向に（すなわち矢印１３３の方向に）延びる溝形状のチャネル１２４を生成するような円板要素１２７の回転を示す。一実施形態では、チャネル画成器１２６は、円板要素１２７間の回転軸要素１２８に接続された一つ以上の平刃１３０をさらに含む。平刃１３０（たとえば、図９Ｂに示されるように、１８０度離して取り付けられた二つの刃、１２０度離して取り付けられた三つの刃など）は、還元性混合物１２２の層がたとえば図１０Ａに示される連続形成処理中のような一定の速度で移動するにつれ、断面（すなわち、矢印１３３の方向に直角な）方向に還元性混合物１２２を刻み込む。

方向１３３に延びるチャネル開口部１２４は、開口部と直角に作成されたチャネル画成器と同じかまたは異なるチャネル画成器によって作成されてもよいことが認識されるであろう。たとえば、チャネル画成器１２６は、方向１３３に沿ってチャネル１２４を作成するために用いられてもよく、一方、チャネル画成器１０６は、図８Ａ〜８Ｂを参照して示されるように、チャネル画成器１０６に直角に延びるチャネル１２４を形成するのに用いられてもよい。言い換えれば、同一かまたは複数種類のチャネル画成器は、本明細書中に記載される一つ以上の異なる代替的なチャネル開口部構成の中に、チャネル開口部を作成するのに用いられてもよく、および、本発明はいかなる特定のチャネル画成器または画成器の組み合わせに限定されない。

図１０Ａは、チャネル画成器１４６と組み合わせたさらに別の代替的なチャネル開口部構成の例示的な側断面図である。図１０Ａに示されるように、チャネル画成器１４６は、還元性混合物１４２の層の中に、図３Ｂ〜３Ｃ中に概略示されたものと類似したマウンド１４５を形成する。チャネル画成器１４６、たとえば矢印１５２の方向におよび還元性混合物１４２の層にわたって回転させられて、還元性混合物１４２の層が矢印１５３の方向に移動させられるにつれて、型表面１５０に対応した形状のマウンド１４５を形成する。

言い換えれば、チャネル画成器１４６は、該画成器１４６が回転する軸に沿って延びる細長い要素１４８を含む。一つ以上の型表面１５０は、軸１４８から径方向位置に形成されている。図１０Ａに示されるように、このような型表面１５０は、軸１４８からの半径方向距離の全周囲に沿って、および（図示しないものの）軸１４８にも沿って延びる。型表面１５０は、炉床材層１４０の上に供給された還元性混合物１４２の層の中に形成されたマウンド１４５の形状に直接に対応するチャネル開口部１４４の形状を形成するべく、任意の特定の構成で形成されてもよい。マウンドは、球面形状であったり曲面を有したりする必要はなく、しかし、ピラミッド形に成形されたマウンド、頂部を切断したピラミッド形のマウンドなど任意の他の形状であってもよいことが認識されるであろう。

図１０Ｂは、図１０Ａを参照して記載されたように形成されたチャネル開口部およびマウンドと実質的に類似したチャネル開口部１６４およびマウンド１６５を、還元性混合物１６２の層の中に形成するためのチャネル画成器１６６のさらに別の実施形態を示す。図１０Ｂに示されるように、チャネル画成器１６６は、プレス成形本体部材１６８の下部に複数の型表面１６９を有するプレス成形装置の形態である。型表面１６９は、型表面によって形成されるチャネル開口部１６４およびマウンド１６５の形状に対応している。プレス成形本体部材１６８から延びる細長い要素１６７および矢印１６３によって概略表されるように、力がプレス成形装置に印加されて、成形された表面１６９を還元性混合物１６２の上へと下げることによってマウンド１６５を形成する。プレス成形装置の上昇、および矢印１６５によって概略表された方向へのプレス成形装置のための還元性混合物の移動後ただちに、チャネル画成器は還元性混合物１６２の別の領域へと移動して、および次いで、再度また下降させられて、追加的なマウンド１６５およびチャネル開口部１６４を形成してもよい。

本明細書中に記載されるように、様々なチャネル画成器が、本発明によるマウンドおよび関連するチャネル開口部を形成するのに用いられてもよい。しかしながら、一実施形態では、図１０Ａ〜１０Ｂおよび図３Ｂ〜３Ｃに示されるマウンドのような、ドーム形のまたは略球面のマウンドが形成される。このような図に示されるように、還元性混合物の層の中で一定の深さまで延在する開口部は、炉床材層まで延在してもよく、または還元性混合物を部分的に通過するのみであってもよい。さらに、このような図に示されるように、このようなドーム形のマウンドを形成するチャネルは、部分的にまたは完全にナゲット分離充填物質で充填されてもよい。一つの特定の実施形態では、ナゲット分離充填物質は、このようなドーム形または球面形状のマウンドを形成するチャネル開口部のためのチャネル深さの約４分の３未満に供給されている。

図１０Ｃ〜１０Ｅが、金属鉄ナゲット形成処理の一つ以上の実施形態において、制御パラメーターとしての圧力または圧縮の使用を図解するために提供される。還元性混合物の形成技法の一つ以上の例示的な実施形態は、炉床の上の還元性混合物に圧力または圧縮を印加して、金属ナゲットの核形成および成長処理に追加された制御パラメーターを提供する。たとえば、制御パラメーターとしての圧力または圧縮の使用によって、炉床の上に、より大きな小塊を核生成、配置、および成長させることができる。所定の温度では、結果として金属鉄のナゲットを生じる小塊は、圧縮または圧力が最高の地点で核生成しおよび成長する。

圧力または圧縮の使用は、本明細書中に記載された任意の実施形態と組み合わせてもよく、またはその代替方法としてでもよい。たとえば、および本明細書中に記載されるように、炉床材の上のチャネルの形成または還元性混合物の形成の際に、圧縮または圧力（たとえば、一つ以上のチャネル画成器を用いたプレス成形）を用いて、ナゲット形成処理を改正してもよい。このような圧縮された還元性混合物は、単独で、または圧縮または圧力によって形成された開口部に供給されているナゲット分離充填物質と組み合わせて用いられてもよい。

さらに、たとえば、圧縮装置（たとえば、練炭製造シリンダーまたはロール、または練炭製造成形機）は、形成されたナゲットの大きさおよび／または形状を最適化するのに用いられてもよい。圧縮装置は、たとえば、還元性混合物（たとえば鉄含有微粒子および還元剤）の層の中にパターンを刻印するよう構成されてもよい。刻印がより深くなればなるほど、特定の領域での圧縮はより大きくなるであろう。このような圧縮の結果、ナゲット形成処理にとって、より大きな処理量が生じるかもしれない。さらに、ナゲットの大きさを、凝固速度および他の物理的なパラメーターが、金属ナゲットの形成およびスラグ分離を制限する程度まで、増加することができるかもしれない。

均一な温度環境では、圧縮のより大きな領域は、加熱および拡散を増強するはずであり、これによって金属ナゲットのための核形成および捕集部位として作用し、炉床の上のどこにナゲットを形成するか位置決めする方法を提供する。さらに、圧縮または圧力によってもたらされた付加的な自由度を制御パラメーターとして用いて、炉の幾何構造（たとえばエッジ効果）および炉内の熱源位置の結果として生じうる炉床全体にわたる非均一な温度プロファイルの悪影響に対抗することができるかもしれない。さらに、反応速度を制御するための（すなわち金属ナゲットの形成の際の）圧力の使用に加えて、圧力を粒子の大きさと組み合わせて用いることによって、還元ガスの拡散速度を可変させて、ガスが形成された物質に浸入するための経路を制御することができる。同様に、粒子状物質固体反応速度もまた、熱伝達および冶金拡散メカニズムによって支配されるように、可変することができる。

様々な圧縮形状が図１０Ｃ〜１０Ｅに示される。しかしながら、このような形状は、圧力および圧縮を用いて形成されうる多くの異なる成形体の単なる例示にすぎない。成形体とは、所望の形状に形成される場合に圧力が加えられた任意の圧縮された還元性混合物または他の供給物質のことをいう（たとえば、炉床の上にマウンドを形成するのに用いられる、還元剤の層の中に一つ以上の圧縮形状を供給するのに用いられる、または、圧縮または圧力を用いて予成形されおよび処理のために炉床に供給された乾燥球またはブリケットのような圧縮された球または圧縮された長方形の物体を形成するのに用いられる圧縮または圧力）。成形体の形成中の加圧が異なると、異なる処理特性を結果として生じうることが認識されるであろう。

図１０Ｃ〜１０Ｅは、その上に炉床材層２２２がさらに形成されている炉床２２０を示す。圧縮された還元性混合物の層２２４、２２６、および２２８が、それぞれの図１０Ｃ〜１０Ｅに示される。図１０Ｃは、還元性混合物２２４の層中の円弧形状の圧縮された凹部２３０を含み、図１０Ｄは、図１０Ｃよりも高い圧力が印加される還元性混合物２２６中の層中の円弧形状の圧縮された凹部２３２を含み、および図１０Ｅは、還元性混合物２２８の層中のよりテーパ形の真直壁構成の圧縮された凹部２３４を含む。しかしながら、任意の圧縮されたパターンが、ナゲット形成処理の際の使用のために還元性混合物の層の中に形成されてもよく、および図１０Ｃ〜１０Ｅは例示のためのみに提供されていることが認識されるであろう。

さらに、図１１Ａ〜１１Ｅは、本明細書中に記載される一つ以上の組成を有する還元性混合物を形成するのに圧縮形成を用いてもよい様々な他の例示を示す。たとえば、図１１Ａ〜１１Ｂは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための還元性混合物の予成形された球（たとえば、圧縮された、またはそうでなければ、結合剤材料の使用との併用など圧縮または圧力を伴わずに形成された）を示し、図１１Ａは還元性混合物の多層球を示し、およびさらに、図１１Ｂは異なる組成の層を有する多層球を示す。図１１Ｃ〜１１Ｄは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の成形体（たとえばブリケット）を供給するのに用いられる圧縮を示し、図１１Ｃは、三層成形体の形成を示し、およびさらに、図１１Ｄは二層成形体の形成を示す。さらに、図１１Ｅ〜１１Ｆは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の成形体（たとえばブリケット）を供給する際の使用のための、圧縮（たとえば成形処理を介した）の使用を示し、図１１Ｅは二層成形体の形成を示し、およびさらに、図１１Ｆは三層成形体の形成を示す。図１１Ａ〜１１Ｅは、還元剤（たとえば炭素質物質）の異なる％レベル、または、形成された還元性混合物の異なる層中の還元剤の他の成分（たとえば添加剤）を用いて参照して、本明細書中にさらに記載される。

図１２〜１５は、本発明の一つ以上の典型的な実施形態およびチャネル開口部に用いられるナゲット分離充填物質の量が及ぼす影響を図解する。還元性混合物の層の炉雰囲気への露出表面積を増加するために、混合物を単純な形状へと形成することは、還元性混合物の層が個々のナゲットへ分離する助けとなり、およびまた、完全に溶解した鉄ナゲットを形成するのに必要な時間最小にする。

図１２Ａによる一実施例に示されるように、それぞれの空洞部の頂点での１２に仕切られた、等寸法の、１と８分の３インチ（３５ｍｍ）×１と８分の３インチ（３５ｍｍ）×深さ１インチ（２５．４ｍｍ）の、ドーム形の木製型が作成され、および黒鉛トレイ（すなわち、５インチ（１２７ｍｍ）×６インチ（１５２ｍｍ）の大きさを有する）中に５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、およびスラグ組成（Ａ）での金属化のための化学量論的要件の８０％の中揮発性瀝青炭を含んだ還元性混合物の層を形成するのに用いられた。還元性混合物が、粉コークス層の上方に均一な厚さで載せられ、および木製の型は、還元性混合物に押圧されて、図１２Ｂに示されるような、還元性混合物の単純なドーム形の島構造を形成した。還元性供給混合物のドーム形の島構造どうしの間のチャネル開口部または溝がいかなるナゲット分離充填物質またはコークスも伴わずに残存する場合、および角炉中において、１４５０℃で６分間、８０％Ｎ_２−２０％ＣＯ雰囲気中で処理した後、ナゲットが形成された。しかしながら、処理した後に結果として生じたナゲット生成物は、溶鉄の制御不可能な癒着（たとえば、ナゲットは効果的に分離せず、および大きさが均一でなかった）を含んでいた。

図１２Ｃの実施例に示されるように、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、スラグ組成（Ａ）での化学量論的量の８０％の中揮発性瀝青炭を含む、成形された１２に仕切られた還元性供給混合物のパターンが形成された。１２に仕切られたパターンは、粉コークスで完全に充填されたパターンの溝を有し、および角炉中において、１４５０℃で、６分間、８０％Ｎ_２−２０％ＣＯ雰囲気中で処理された。このような処理の結果が、下記に記載される図１３Ａおよび１４Ａに示される。

図１３Ａ〜１３Ｄおよび図１４Ａ〜１４Ｄは、１２に仕切られた、ドーム形の供給混合物の溝またはチャネル開口部中のコークスレベルが及ぼす影響を示す。図１３Ａは、満杯レベル（たとえば、上述のような全チャネル開口部深さ）まで粉コークスで充填された、１２に仕切られたドーム形の供給混合物の溝中のコークスレベルが及ぼす影響を示し、図１３Ｂは、このような溝またはチャネル開口部が半分のレベルまで充填される場合の影響を示し、図１３Ｃは、このような溝またはチャネル開口部が４分の１のレベルまで充填される場合の影響を示し、および図１３Ｄは、図１２Ｂを参照して上述されたような、コークスまたはナゲット分離充填物質がチャネル開口部に供給されていない場合の影響を示す。

これら図の中に示すように、および対応する図１４Ａ〜１４Ｄにおいても、溝がコークスで充填されなかったまたは４分の１充填された場合、鉄ナゲットの一部は組み合わせられてより大きくなり、およびそれらの大きさは制御できなかった。溝が半分のレベルまで充填された場合、それぞれの部分は大きさを維持して、完全に溶融した鉄ナゲットを形成した。

鉄ナゲットを形成するための熱処理は、電気角炉にて、温度１４５０℃で、６分間実行された。５．５分の時点で、中心の鉄ナゲットが完全な融合の寸前である兆候を示した。したがって、５．５分が、成形されたパターンでの完全な融合に必要な最小時間であったと結論付けることができるであろう。

図１５Ａ〜１５Ｄに示される実施例は、還元性混合物層のチャネル開口部の中に炉床ナゲット分離充填物質を用いることが及ぼす影響をさらに示す。溝またはチャネル開口部にこのような炉床ナゲット分離充填物質を供給することは、それぞれの領域中の還元性混合物（たとえば還元性混合物の長方形領域）を、互いに縮ませおよび個々の鉄ナゲットへと分離させると考えられている。長方形の大きさおよび還元性混合物の層の厚さは、結果として生じるナゲットの大きさを制御する。

図１５Ａに示されるように、鉄ナゲットの大きさを制御することは、還元性混合物の層の中の溝の長方形パターンを切断することによって達成されてもよい。この場合、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物およびスラグ組成（Ａ）での化学量論的量の８０％の中揮発性瀝青炭を含む混合物が供給されている。ナゲット形成還元性混合物領域を形成する溝が炭素質物質で充填されなければならない程度は、深さ１３ｍｍの溝を有する厚さ１６ｍｍの還元性混合物の層をプレス成形して、図１５Ａ〜１５Ｄに示されるような１２個の正方形のパターンを形成することによって、実証される。

図１５Ａの還元性混合物の中の溝は空のまま残され、および、別の試験実施形態では、図１５Ｃに示されるように、溝は２０／６５メッシュ（０．８４０／０．２３０ｍｍ）のコークスで充填された。トレイは、角炉中にて、１４５０℃で、１３分間、８０％Ｎ_２−２０％ＣＯ雰囲気中で加熱された。結果が図１５Ｂおよび１５Ｄにそれぞれ示される。溝の中に粉コークスまたは炭素質物質はないため、一部の正方形は縮んで個々の鉄ナゲットを形成したが、一方、他は結合してより大きな鉄ナゲットを形成した。ナゲット分離充填物質（たとえば炭素質物質）がチャネル開口部または溝に用いられない場合、鉄ナゲットの大きさはほとんど制御されなかった。溶鉄の個々の正方形が自重によって広がるにつれ、それらは互いに接触し、およびより大きくなるよう融合した。自重による拡散力と表面張力による規制力との間のバランスによって決定されるように、より大きな溶鉄は最終的には一定の厚さに近づいていく。

図１５Ｄに示されるように、ナゲット分離充填物質（たとえば、粉コークスなど炭素質物質）が溝またはチャネル開口部の中に置かれた場合、個々の鉄ナゲットは分離したまま保たれ、および均一な大きさの鉄ナゲットが入手できた。溝をコークス粒子で充填することは、還元剤のそれぞれのマウンドが個々の溶鉄ナゲットを分離しておよび均一に形成する助けとなった。

上記の典型的な例示は、図１を参照して記載されたような、金属鉄ナゲット形成領域（ブロック２２）を画成するために、還元性混合物の層の中でチャネル開口部を設けるための支援をもたらす。還元剤のこのような形状の領域の熱処理の結果として、一つ以上の金属鉄ナゲットが生じる。

さらに、本発明による少なくとも一つ以上の実施形態では、チャネル開口部は、本明細書中の実施例に記載されるようなナゲット分離充填物質（たとえば炭素質物質）で少なくとも部分的に充填される（ブロック２６）。このようなチャネル開口部５０および開口部内のナゲット分離充填物質５８の使用によって、たとえば、図３Ｂ〜３Ｃに図示されるように、実質的に均一な大きさの金属鉄ナゲット６３が、チャネル開口部５０によって画成されたそれぞれのナゲット形成還元剤領域５９の中に形成されている。

一実施形態では、および図４Ａ〜４Ｃに示されるように、一つ以上の金属鉄ナゲットのそれぞれは、最大の断面を含む。金属鉄ナゲットのうち一つ以上は、約０．２５インチ（６．４ｍｍ）よりも大きくおよび約４．０インチ（１０２ｍｍ）よりも小さい、最大の断面を横切る最大の長さを含む。さらに別の実施形態では、最大の断面を横切る最大の長さは、約０．５インチ（１２．７ｍｍ）よりも大きくおよび約１．５インチ（３８ｍｍ）よりも小さい。

さらに、図１を参照して示されおよび記載されるように、ブロック１４によって概して供給された炉床材層４４の炭素質物質は、一つ以上の異なる態様で修正されてもよい。前に記載したように、炭素質物質は、一般に十分細かく、スラグ炉床材層４４を透過せず、炉床４２が耐火材と望まない反応をきたすことはない。

炉床材層４４（たとえばその大きさの分布）は、還元性混合物４６の層の還元処理中に生成される小ナゲットおよび微小ナゲットの量に影響を及ぼすかもしれない。たとえば少なくとも一実施形態では、炉床材層４４は、「粉砕された」コークスの＋６５メッシュ（０．２３０ｍｍ）分画の大きさ分布を有する粉コークス層を含む。別の実施形態では、「粉砕された」コークスの＋２８メッシュ（０．６５０ｍｍ）分画は炉床材層として用いられる。このような炉床材層４４の上で、図３Ｂに示されるような（たとえば還元性混合物のドーム形のパターン）マウンド５２を使用することによって、熱処理によって還元性混合物の島構造が縮みナゲットを形成するため、一部の磁気濃縮物は、炉床材層４４（たとえば粉コークス層）の隙間に捕捉され、および本明細書中で前に定義された微小ナゲットを形成する。

過剰な炭素の存在により、微小ナゲットは、ナゲット形成還元剤領域５９中の親ナゲットとは、または微小ナゲットどうしは融合しない。微小ナゲットのこのような形成は望ましくなく、および、本発明により記載された処理のような処理中に微小ナゲットの形成を還元する方法が望ましい。

ドーム形のマウンドパターンが用いられる場合、粉コークスを含みうる炉床材層４４が大量の微小ナゲットを生成しうる一方、粉状アルミナ層はそれらの量を最小にすることがわかってきた。アルミナの使用が、微小ナゲットを生成する際の炭素質の炉床材層４４によって果たされる役割を実証するものの、スラグとの反応性を理由に、粉状アルミナは、炉床材層４４として用いることはできない。

チャネル開口部が画成したマウンド本発明に従って処理される場合に微小ナゲットの生成を最小にするために、異なる種類の炉床材層４４が及ぼす影響が比較され、炉床材の層またはその炭素質物質が、本発明による金属鉄ナゲット処理１０での使用のために随意的に修正されてもよい（図１のブロック１６）ことを示した。形成された微小ナゲットの量は下記によって推定できる：
％ 微小ナゲット＝重量_{微小ナゲット}／（重量_ナゲット＋重量_{微小ナゲット}）×１００
一つ以上の典型的な例示的な試験実施形態の結果が、図１６の表に示される。表では、コークスとアルミナとの混合物、またはＡｌ（ＯＨ）_３でコーティングされたコークスが、金属鉄ナゲット処理１０中に掲載される微小ナゲットのパーセント比率を下げるのに本発明に従って用いられてもよいことが注目される。図１６の表に示される結果は、下記のとおりの例示的な試験実施形態の結果であった。

図１６に示される「１２個の細長いドーム形」のデータの場合、溝が半分のレベルまで粉コークスで充填された、１２に仕切られた、細長いドーム形の供給混合物のパターンが、１４５０℃（２６４２°Ｆ）で角炉中にて５．５分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱されて、個々の完全に溶融した鉄ナゲットを生成した。図１６の表に示されるように、炉床材層のみが修正された。

図１６の「１２個および１６個の球」のデータでは、等しい重量のスラグ組成（Ａ）での供給混合物が等しい大きさの球を形成するのに用いられ、およびこのような球は、１４５０℃（２６４２°Ｆ）で角炉中にて５．５分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱することによって処理され、個々の完全に溶融した鉄ナゲットを生成した。球の処理の結果、ほとんどわずかしか微小ナゲットを形成しなかった（たとえば、０．４％および０．８％）。

炉床層材が及ぼす影響の二つの極端な例が図１６の表に対比される。粉コークスの炉床材層が大量の微小ナゲット生成した（１３．９％）が、一方、粉状アルミナ層は微小ナゲットの量（３．７％）を最小にした。しかしながら、上記に示したように、粉状アルミナは、実際には、炉床層材として用いることはできない。

コークスのみおよび等しい重量（５０：５０）のコークスとアルミナの炉床層としての混合物が用いられた場合の結果が比較される。微小ナゲットの量は、炉床材層中のアルミナの存在によって半分未満へと低減された。

さらに、粉コークスは、Ａｌ（ＯＨ）_３の水性スラリー中でコークス４０ｇを混合することによってＡｌ（ＯＨ）_３でコーティングし、乾燥し、および６５メッシュ（０．２３０ｍｍ）で選別して、過剰なＡｌ（ＯＨ）_３を除去した。コークスは、６％重量比のＡｌ（ＯＨ）_３を獲得した。Ａｌ（ＯＨ）_３でコーティングされたコークスが炉床材層として用いられた。微小ナゲットの量は顕著に減少した（３．９％）。

さらに、粉コークスは、Ｃａ（ＯＨ）_２の水性スラリー中でコークス４０ｇを混合することによってＣａ（ＯＨ）_２でコーティングし、乾燥し、および６５メッシュ（０．２３０ｍｍ）で選別して、過剰なＣａ（ＯＨ）_２を除去した。コークスは、１２％重量比のＣａ（ＯＨ）_２を獲得した。Ｃａ（ＯＨ）_２でコーティングされたコークスが炉床材層として用いられた。一見したところ、Ｃａ（ＯＨ）_２のコーティングは、微小ナゲットの生成に対して実質的に影響を及ぼさなかった（１４．２％）。

前に図１を参照して説明したように、本発明による金属鉄ナゲット処理１０での使用のための還元性混合物４６の層は、還元剤および還元性鉄含有物質（たとえば、還元性酸化鉄物質）と組み合わせて、一つ以上の添加剤を含んでもよい。（随意的な添加剤を伴う）還元性混合物４６を供給するための一方法２００が、図１７のブロック図に示される。本方法は、少なくとも還元剤（たとえば、コークスまたはチャー石炭などの炭素質物質）と還元性酸化鉄物質（たとえば、図３３に示されるような鉄含有物質）との混合物を供給することを含む（ブロック２０２）。随意的に、たとえば、酸化カルシウム、または熱分解時に酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の化合物（ブロック２０４）が、還元性混合物に添加されてもよい。さらに、随意的に、酸化ナトリウム、または熱分解時に酸化ナトリウムを生成する一つ以上の化合物が、還元性混合物の他の成分と組み合わせて供給されてもよい（ブロック２０６）。さらに、一つ以上の溶剤が、還元性混合物中での使用のために随意的に供給されてもよい（ブロック２０８）。

還元性混合物（ブロック２０８）との使用のために供給されてもよい一つ以上の溶剤は、任意の適切な溶剤、たとえば、還元性混合物の溶融温度を低下させることによって溶融処理を援助するか、または還元性混合物の流動性を増加させる物質を含んでもよい。一実施形態では、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）またはホタル石（たとえばＣａＦ_２の鉱物形態）が溶剤として用いられてもよい。さらに、たとえば、ホウ砂、ＮａＦ、またはアルミニウム製錬工業用スラグが溶剤として用いられてもよい。溶剤としてのホタル石の使用に関して、約０．５％〜約４％の重量比の量の還元性混合物が用いられてもよい。

たとえば、一つ以上の他の溶剤だけでなく、ホタル石を使用することも、形成されている鉄ナゲットの溶融温度を低下させ、および微小ナゲットの生成を最小にする。ホタル石は、ナゲット形成温度を低下させるだけでなく、生成された微小ナゲットの量を減少させる際に固有に効果的であることがわかった。

本明細書中に以降さらに説明されるように、スラグの硫黄除去能力を改善しようとする試みにおいて、石灰の、または酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の他の化合物のレベルが、図２１ＡのＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３相図上に示されるように、典型的には組成（Ｌ）を超えて増加する。線図は、（Ａ）、（Ｌ）、（Ｌ_１）、および（Ｌ_２）のスラグ組成を示す。前に言及したように、組成（Ｌ）は、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３相図中の低溶融温度のトラフに位置している。さらに、前に示したように、スラグ組成は、用いられる追加的な石灰の量を接尾辞として％で表すことによって略され、たとえば、（Ｌ_１）および（Ｌ_２）は、組成（Ｌ）の量に、それぞれ１％および２％の石灰が添加されていることを示す（図２２の表を参照）。添加された化学物質ＣａＦ_２（ＣＦと略される）のパーセントでの量も、接尾辞として示され、たとえば、（Ｌ_０．５ＣＦ_０．２５）は、重量比０．２５％のＣａＦ_２がスラグ組成（Ｌ_０．５）を有する供給混合物に添加されたことを表す。

一般に、図２２は、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、金属化のための化学量論的要件の８０％の中揮発性瀝青炭、および、スラグ組成（Ｌ_０．５）を含む供給混合物へのＣａＦ_２の添加が、ボート中の２つに区分されたパターン中の、１４００℃で７分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱された生成物の重量分布に対して及ぼす影響を示す。重量比０．２５％のＣａＦ_２のスラグ組成（Ｌ_０．５）を有する供給混合物への添加によって、微小ナゲットの量を１１％から２％へと減少させた、および重量比約２％の量のＣａＦ_２の添加によってこの量は、約１％と最小を維持していた。

一般に、図２３は、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、金属化のための化学量論的要件の８０％の中揮発性瀝青炭、および石灰組成を増加させるスラグ組成を含む供給混合物へのＣａＦ_２および／またはホタル石（略してＦＳ）の添加が、生成された微小ナゲットの量に及ぼす影響を示す。ボート中の２つに区分されたパターン中の試料が、異なる温度（たとえば、１４００℃、１３５０℃、および１３２５℃）で、７分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱された。ホタル石とＣａＦ_２とは、完全に溶融した鉄ナゲットを形成する温度を低下させるにあたって、および微小ナゲットの形成を最小にするにあたって、略同一に挙動したことが示される。表では、ホタル石の添加によって、作動温度を７５℃低下させたことが注目される。完全に溶融した鉄ナゲットを形成するための最低温度は、重量比約１％から約４％のホタル石の添加によって１３２５℃の低さまで減少した。ホタル石の添加によっても、微小ナゲットの生成も約１％にと最小にした。

一般に図２４は、ホタル石の添加が、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、金属化のための化学量論的要件の８０％の中揮発性瀝青炭、およびスラグ組成（Ｌ_１）、（Ｌ_１．５）、および（Ｌ_２）を含む供給混合物から形成された鉄ナゲットの分析結果に及ぼす影響を示す。ボート中の２つに区分されたパターンの試料が、１４００℃で７分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱された。

ホタル石は、製鋼スラグ中では特別に効果的な脱硫剤ではないと報告されているものの、図２４は、ホタル石の添加量が増加するにつれ、鉄ナゲット中の硫黄分は、スラグ組成（Ｌ_１．５）および（Ｌ_２）でのほうが、（Ｌ_１）でよりもより効果的に低下したことを示している。スラグ組成（Ｌ_１．５）および（Ｌ_２）では、鉄ナゲットは、重量比０．０５８％の硫黄分および重量比０．０５０％の硫黄分をそれぞれ含むと分析された。一方では、４％のホタル石の添加時に、硫黄は重量比０．０１３％および０．００９％の低さまでそれぞれ着実に減少した。したがって、ホタル石の使用によって、作動温度および鉄ナゲット中の硫黄が低下しただけでなく、微小ナゲットの生成を最小にするという予想外の利点も示した。

図１７をさらに参照して、ブロック２０４に示されるように、酸化カルシウムおよび／または熱分解時に酸化カルシウムを生成することができる一つ以上の化合物が用いられてもよい。たとえば、酸化カルシウムおよび／または石灰が還元性混合物への添加剤として用いられてもよい。一般に、石灰の添加によるスラグの塩基性を増加させることは、鉄鉱石の直接還元において硫黄分を制御するための従来のアプローチである。スラグ組成Ｌ_２からの石灰の使用を増加することによって、鉄ナゲット中の硫黄分を０．０８４％から０．０５％へと減少させる。硫黄含有量がさらに減少することは、一部の用途にとっては、望ましくなるかもしれない。しかしながら、石灰の使用を増加することは、より高い温度を要し、および完全に溶融した鉄ナゲットを形成するための温度ではより長い時間を要する。このように、高温度もまたより非経済的な金属鉄ナゲットの生成をきたすため、大量の石灰は好ましくない。

図１７にさらに示されるように、たとえば、形成された金属鉄ナゲット中の硫黄分を最小にするなどのために、石灰に加えて、酸化ナトリウムおよび／または熱分解時に酸化ナトリウムを生成することができる一つ以上の化合物が、用いられてもよい（ブロック２０６）。たとえば、ソーダ灰、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３、ＮａＯＨ、ホウ砂、ＮａＦおよび／またはアルミニウム製錬工業用スラグが、（たとえば、還元性混合物中に用いられる）金属鉄ナゲット中の硫黄分を最小にするために用いられてもよい。

ソーダ灰が溶銑の外部脱硫における脱硫剤として用いられる。高炉への供給物質中のナトリウムは再循環し、および高炉内に蓄積して、炉および補助機器の内張りに操作上の問題および損害を加える。回転炉床炉では、ナトリウムの再循環および蓄積はより発生しにくく、および、このために、高炉中よりも、より大量のナトリウムを供給物質中に許容してもよい。

図２５Ａ〜２５Ｃは、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、金属化のための化学量論的要件の８０％の中揮発性瀝青炭、およびスラグ組成（Ｌ_０．５）を含む供給混合物へのソーダ灰の添加が、ボート中の２つに区分されたパターン中に形成され、チューブ炉中にて１４００℃で７分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱されて形成された生成物に及ぼす影響を示す。図２５Ａは組成（Ｌ_０．５）に対応し、図２５Ｂは組成（Ｌ_０．５ＳＣ_１）に対応し、および図２５Ｃは組成（Ｌ_０．５ＳＣ_２）に対応する。

図２６の表は、Ｎａ_２ＣＯ_３およびＣａＦ_２の添加が、異なるレベルで石灰を添加した鉄ナゲットの硫黄分析に及ぼす影響を示し、この鉄ナゲットは、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、金属化のための化学量論的要件の８０％の中揮発性瀝青炭、およびスラグ組成（Ｌ_ｍＣＳ_１またはＬ_ｍＦＳ_１）を含む供給混合物から形成された。供給混合物は、チューブ炉中にて１４００℃で７分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱された。

ＣａＦ_２を伴わないＮａ_２ＣＯ_３の添加によって、鉄ナゲット中の硫黄分をＣａＦ_２と同等に効果的に、またはＣａＦ_２よりも効果的に減少させたが、しかし、図２５Ａ〜２５Ｃに示されるように、生成された微小ナゲットの量が増加した。Ｎａ_２ＣＯ_３と一緒にＣａＦ_２が用いられた場合、鉄ナゲット中の硫黄含有量はさらに減少し、および微小ナゲットの量は約１％と最小のままであった。注目すべき別の点は、鉄ナゲットの溶融温度を低下させる際のＣａＦ_２が及ぼす影響は、スラグ組成（Ｌ_１）、（Ｌ_１．５）、および（Ｌ_２）でのほうが、スラグ組成でＬおよびＬ_０．５におけるよりも顕著であったことである。この分析データは、少なくともこの実施形態では、硫黄分の減少は、石灰の添加量を増加させることよりも、ソーダ灰によるほうがより顕著であったことを示す。

図２７の表は、供給混合物から形成された鉄ナゲットの分析結果に温度が及ぼす影響を示す。供給混合物は、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、金属化のための化学量論的要件の８０％の中揮発性瀝青炭、およびスラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_１ＳＣ_１）を含んでいた。供給混合物は、チューブ炉中で指示された温度で７分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱された。図２７の表に示されるように、１４００℃で０．０２９％Ｓから１３２５℃で０．０１３％Ｓへと、温度が低下するのに伴い鉄ナゲット中の硫黄分は顕著に減少した。１〜２％のＣａＦ_２と一緒にＮａ_２ＣＯ_３を添加することは、鉄ナゲット中の硫黄分を０．０５％よりも十分低く低下させるだけでなく、作動温度を低下させ、および微小ナゲットの生成を最小にする。したがって、処理温度を低下させることは、エネルギーコストおよび保守を減少させることに加えて、硫黄を低下させるという追加的な利益を有するようである。

本明細書中の発明の背景の項に示されるように、形成されたおよび／または乾燥された球を用いる金属鉄還元処理のような、以前のおよび様々な金属鉄還元処理では、炭素質還元剤が、典型的には、融点を低下させる目的で金属鉄の浸炭を促進するために酸化鉄を還元するのに必要な理論的な量よりも大量に添加される。このように、球中の炭素質還元剤の量は、酸化鉄を還元するために必要な量ならびに金属鉄を浸炭するのに必要な量、および酸化に関連した損失の量を含むと主張される。

本明細書中に記載される処理の多くでは、還元剤の化学量論的量もまた、所定量の還元性鉄含有物質からの金属鉄ナゲットの完全な金属化および形成のために理論上必要である。たとえば、一つ以上の実施形態では、還元性混合物は、所定量の還元性鉄含有物質、および、金属鉄ナゲットの完全な金属化のために必要な還元剤（たとえば炭素質還元剤）の化学量論的量の約７０％から約１２５％の間を含んでもよい。（たとえば、還元性供給混合物は、マウンド中に形成された場合のように、還元性混合物の全体にわたって均一な石炭含有量を有する。）

しかしながら、本発明による一つ以上の実施形態では、図１８〜１９に示されるように、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の炭素質還元剤を使用することは、還元性混合物の小ナゲットへの分裂および大量の微小ナゲットの生成につながるかもしれない。図１８〜１９は、５．７％のＳｉＯ_２濃縮物、中揮発性瀝青炭、およびスラグ組成（Ａ）を含む供給混合物が用いられる場合の、化学量論的石炭レベルがナゲット形成に及ぼす影響を示す。供給混合物は、チューブ炉にて、１４００℃で１０分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱される。図中に示されるように、化学量論的要件の１００％レベルおよび／またはそれを超える過剰な炭素質還元剤の添加の結果として、小および微小ナゲットの形成を生じるかもしれない。

図２０Ａ〜２０Ｂもまた、５．７％のＳｉＯ_２濃縮物、亜瀝青炭、およびスラグ組成（Ａ）および（Ｌ）を含む供給混合物が用いられる場合の、化学量論的石炭レベルがナゲット形成に及ぼす影響を示す。供給混合物は、チューブ炉にて、１４００℃で１０分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱される。

図１８〜２０に見られるように、理論量の約７０％から約９０％の添加によって、微小ナゲットの形成を最小にした。さらなる還元および溶融金属の炭化に必要な炭素は、次いで、たとえば、炉雰囲気中のＣＯおよび／または下層をなす炭素質の炉床材層４４から由来するであろう。

完全な金属化処理に理論上必要な化学量論的量にもとづく還元性混合物の中で還元剤の量を制御すること（ならびに、本明細書中に記載される様々な添加剤を使用すること）は、他のナゲット形成処理、ならびに、図１を参照して記載された方法に適用されてもよい。たとえば、予成形された（成形体のまたは非成形体の、さもなければそれ以外の方法で形成された）球による方法、または（たとえば、圧力または圧縮またはブリケットによって形成されたマウンド）成形体の形成は、本明細書中に記載されるこのような還元剤制御技法および／または添加剤技法を用いてもよい。

たとえば、適切な還元性混合物の中での完全な金属化のために理論上必要な炭素質還元剤の７０％から９０％を採用する成形体が用いられてもよい。たとえば、このような成形体は、溶剤および石灰石が適切に添加されていてもよく、および／または、炉床の上に補助的な還元物質をさらに含んでもよく、または部分的に成形体を覆って、ナゲット金属化および大きさの制御を効果的に提供してもよい。言い換えれば、本明細書中に記載された化学量論的制御は、本明細書中で提供された組成物（たとえば添加剤、石灰など）におけるばらつきとあいまって、成形体（たとえば、ブリケット、半ブリケット、マウンド圧縮物など）とともに用いられてもよい。成形体の使用は、図１を参照して記載されたようなナゲット分離物質を使用する必要性も緩和することができる。たとえば、ブリケットまたは他の種類の成形体の中で、圧力、温度およびガス拡散を制御することによってこのような利点を提供しうる。

しかしながら、上述のように、図１８〜２０に示されるこのようなデータは、本明細書中に記載されるＮ_２−ＣＯ雰囲気中にて電気チューブ炉を用いた化学処理の結果として生じ、および一般的に（たとえば、本明細書中に記載される直線炉床炉など）天然ガス燃焼炉中の雰囲気は考慮しない。このような直線炉床炉の雰囲気では、雰囲気は、８〜１０％の二酸化炭素、および３〜４％の一酸化炭素、および炉の最高温度ゾーン中の乱流度の高いガス流を含んでもよい。これは、雰囲気が成分の導入によって制御されている電気チューブおよび角炉とは異なる。このようにして、図２Ｄに記載して本明細書中に記載されたようなおよび下記に提供されるような直線炉床炉中で、様々な試験が行われた。試験および試験の結果が、本明細書中の図３５〜４１を参照して要約される。

直線炉床炉試験
一般に図２Ｄを参照して記載されたような、三つの加熱ゾーン（Ｚ１〜Ｚ３）および冷却部を含む、長さ４０フィート（１２．２ｍ）の天然ガス燃焼直線炉床炉を用いて、試験が実施された。試験に用いられる（図３５Ａ中に図解されるような）捕集トレイ２２３またはパレットは、３０インチ（７６２ｍｍ）四方の炭素鋼枠から成り、および、試料（たとえば、還元性混合物２２８および処理の完了後にそこから結果として生じる生成物）を含有するための側壁を備えた高温ファイバーボード２２５で内張りされていた。トレイ２２３は、図２Ｄを参照して記載された油圧駆動ウオーキングビームシステムによって炉を通って運搬された。図３５Ａ中の矢印２２９は、炉を通過するパレット移動の方向を示す。

トレイ２２３の上の還元性供給混合物２２８は、実験用角炉試験のために６つに区分されたドーム形の形状に形成され、（１）から（４）として分類された四つの四分円のそれぞれの中の−１０メッシュ（２．００ｍｍ）コークス層の上に置かれた。６×６に区分された四分円中のドーム形のそれぞれは、幅１と４分の３インチ（４４ｍｍ）、長さ２インチ（５１ｍｍ）の寸法を有し、および高さが１６分の１１インチ（１７．５ｍｍ）であり、および、化学量論的量の指示された割合での（下記の様々な試験実施例を参照）および指示されたスラグ組成での（下記の様々な試験実施例を参照）中揮発性瀝青炭および含有した。

直線炉床炉試験の結果として生じる生成物に関して考慮する二つの領域は、処理によって形成された金属鉄ナゲット中の硫黄分の量、および微小ナゲット形成の量であった。本明細書中に記載される実験用チューブおよび角炉での試験は、スラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_１）および化学量論的量の８０％での中揮発性瀝青炭の使用によって、鉄ナゲット中の硫黄分を最小にし、および微小ナゲットの形成を最小にしたことを示した。しかしながら、直線炉床炉試験によって、予想外に高いＣＯ_２レベルおよび処理中の供給物に隣接する乱流度の高い炉頂ガスは、ゾーン１および２において添加された石炭（たとえば、還元性鉄含有物質に添加された添加された還元剤）の大部分を消費したこと、および、高温ゾーン（ゾーン３）には、金属鉄の浸炭および融解のための十分な還元剤（たとえば還元剤）が残っていなかったことを明らかにした。化学量論的量の１０５から１２５％の石炭の使用が、下記に提供される試験１４および１７に示されるような、完全に溶融した金属鉄ナゲットを形成するために必要であった。

直線炉床炉試験１４では、一般に図３５Ａに示されるような、６つに区分されたドーム中に異なる供給混合物の配置を有するパレットが用いられた。供給混合物は、四分円中に、指示された化学量論的量のパーセント比率でのおよびスラグ組成で（Ｌ_１．５ＦＳ_１）の中揮発性瀝青炭を含み、該混合物は−１０メッシュ（２．００ｍｍ）コークス層の上に置かれた。四分円の指示されたパーセント比率は、四分円（１）は１１０％石炭；四分円（２）は１１５％石炭；四分円（３）は１２０％石炭；および四分円（４）は１２５％石炭であった。

直線炉床炉試験１７では、一般に図３５Ａに示されるような、６つに区分されたドーム中に異なる供給混合物の配置を有するパレットが用いられた。供給混合物は、四分円中に、指示された化学量論的量のパーセントでおよびスラグ組成で（Ｌ_１．５ＦＳ_２）および（Ｌ_１．５ＦＳ_３）での中揮発性瀝青炭を含み、該混合物は−１０メッシュ（２．００ｍｍ）コークス層の上に置かれた。四分円の指示されたパーセント比率は、四分円（１）は１１５％石炭、２％ホタル石；四分円（２）は１１０％石炭、２％ホタル石；四分円（３）は１０５％石炭、２％ホタル石：四分円（４）は１１５％石炭、３％ホタル石であった。

試験１４および１７では、化学量論的量の１０５％から１２５％の石炭添加およびスラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_１〜３）を用いて、鉄ナゲットが形成された。図３５Ｂは、試験１７から結果として生じる生成物を示す。典型的なガス組成は、Ｏ_２が低かった場合、ＣＯ_２は約１０％でありおよびＣＯは２％から４％へと徐々に増加したことを示した。このようなデータは図３６中に提供され、データは、直線炉床炉中のゾーンに対して供給された炉頂ガス、ならびに試験１７用のこのようなゾーンの温度の分析結果を示す。試験１４では、各ゾーンでは同じ温度が用いられた。

ＣＯ＋ＣＯ_２のパーセント比率で表された、ＣＯの濃度は、図３７に示されるような、酸化鉄還元および炭素溶液（ブドワー）反応の平衡濃度図中にプロットした。ゾーン１（１７５０°Ｆ）中のＣＯ濃度は、Ｆｅ_３０_４の安定領域にあり、および、ゾーン２（２１００°Ｆ）およびゾーン３（２６００°Ｆ）中のＣＯ濃度は、ＦｅＯの安定領域の低範囲にあった。すべての点は、炭素溶液反応の十分下方にあり、添加された石炭が直線炉床炉中で急速に失われるという考えを裏付けていた。直線炉床炉のガス捕集ポートは、パレット表面より約８インチ（２０３ｍｍ）上方にある炉壁上に配置された。炉頂ガスの高い乱流度を理由として、４％のＣＯ濃度十分混合された値を表すであろう。図３７中の２６００°Ｆでの矢印は、ゾーン３で時間に伴ってＣＯが増加することを示す。

直線炉床炉試験１４および１７の鉄ナゲットおよびスラグの分析結果が、別の試験１５のこのような結果とともに、図３８中に提供される。直線炉床炉試験１５では、一般に図３５Ａに示されるような、ドーム中に供給混合物の配置を有するパレットが用いられた。試験１５の供給混合物は、化学量論的量の１１５％および１１０％でおよびスラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_１）での中揮発性瀝青炭を含み、該混合物は、−１０メッシュ（２．００ｍｍ）コークス層の上に置かれた。

図３８に示されるように、鉄ナゲット中の硫黄分は０．１５２から０．２６６％の範囲にあり、すなわち、前に図２４を参照して図示されおよび記載されたように、実験用チューブおよび角炉の中で同じ供給混合物で形成された鉄ナゲット中の硫黄分よりも数倍、さらには桁違いに高かった。スラグを分析して、石灰量が高いことを確認した。ＣａＯ／ＳｉＯ_２比が、１．４８から１．７１の範囲にわたっていたが、スラグはＦｅＯ量が、６．０から６．７％の範囲と高かったことが注目された。実験用チューブおよび角炉の中での同一のスラグ組成でのスラグのＦｅＯ分析の結果、ＦｅＯは１％未満であった。直線炉床炉中の（たとえば、ガスバーナーの使用の結果として生じる）多量のＣＯ_２および乱流度の高い炉頂ガスは、多量のＦｅＯスラグの形成を引き起こし、脱硫との干渉によって、鉄ナゲット中の硫黄分がより高いことの原因となっていたと思われた。パーセント比率が増加した石炭のパーセント比率を使用したこと、ならびに、実験用試験での低い硫黄コークス分（０．４０％Ｓ）と比較して高い硫黄コークス分（０．６５％Ｓ）を炉床層として使用したことは、鉄ナゲット中の高い硫黄分に寄与したかもしれない。

図３９では、直線炉床炉試験１４、１５、および１７、ならびに追加的な試験２１および２２の鉄ナゲットおよびスラグの分析結果が、示されている。このような試験での、鉄ナゲット中の炭素および硫黄、およびスラグ中の鉄、ＦｅＯおよび硫黄が要約されている。直線炉床炉試験２１および２２では、一般に図３５Ａに示されるような、６つに区分されたドーム中に異なる供給混合物の配置を有するパレットが用いられた。供給混合物は、図３９に示されるような指示された化学量論的量のパーセント比率での、および図３９に示されるような指示されたスラグ組成での、中揮発性瀝青炭を含み、該供給混合物は−１０メッシュ（２．００ｍｍ）コークス層の上に置かれた。試験２１および２２では、ゾーン３中の温度は、２５°Ｆ（１４℃）高い２６２５°Ｆ（１４４１℃）に設定された。

図３９に示されるように、結果として生じる鉄ナゲット中の硫黄分の減少に伴って、ホタル石の添加が２％へと増加した場合、スラグ中のＦｅＯは半分になった。ホタル石の添加が２％での試験１７の結果に鑑みて、より少量のＦｅＯは、より高い温度２６２５°Ｆ（１４４１℃）の結果であったかもしれない。

図４０は、試験１６〜２２に対する、ゾーン３中での温度がＣＯ濃度に及ぼす影響を示す表である。試験１４〜１５、１７、および２１〜２２に用いられた供給混合物は、すでに前に記載済である。直線炉床炉試験１６では、幅３．５インチ（８９ｍｍ）、長さ５インチ（１２７ｍｍ）（および高さ１６分の１１インチ（１７．５ｍｍ））の台形のマウンド中に供給混合物の配置を有するパレットが用いられた。試験１５の供給混合物は、化学量論的量の１００％から１１５％でのおよびスラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_１）での中揮発性瀝青炭を含み、−１０メッシュ（２．００ｍｍ）コークス層の上に置かれた。直線炉床炉試験１８では、供給混合物は、化学量論的量の１００％から１１５％での、およびスラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_０．５）での中揮発性瀝青炭を含み、−１０メッシュ（２．００ｍｍ）コークス層の上に置かれた。直線炉床炉試験１９では、供給混合物は、化学量論的量の１１５％および１２０％でのおよびスラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_１）での中揮発性瀝青炭を含み、−１０メッシュコークス層の上に置かれた。直線炉床炉試験２０では、供給混合物は、化学量論的量の１１５％および１２０％でのおよびスラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_１）で中揮発性瀝青炭を含み、−１０メッシュ（２．００ｍｍ）コークス層の上に置かれた。

図４０に示されるように、２６００°Ｆ（２４２７℃）でと２６２５°Ｆ（１４４１℃）でのＣＯ濃度には差がある。初期の数値は、炉の温度が２６００°Ｆへと回復した場合のＣＯ測定値である。ＣＯ濃度は、時間の経過とともに漸近的に増加し、および試験の終了に近づくにつれ最終数値へと近づいた。初期数値および最終数値の両方とも、２６００°Ｆでのほうが２６２５°Ｆでよりも高いことは明らかである。温度が２５°Ｆ増加したことによって、バーナーはより多くの燃焼ガスを発して温度を維持し、したがって、炭素溶液反応によって生成されたＣＯを希釈し、これによって金属鉄の浸炭を阻害する。実際のところ、２６２５°Ｆでの生成物は、２６００°Ｆでよりも、より少量の完全に溶融した鉄ナゲットが形成されるようである。このようにして、炉頂ガスの移動の抑制が必要となるかもしれない。

直線炉床炉試験での微小ナゲットの量もまた、図４１に要約されるように、たとえば、１０から１５％の範囲と大量であった。図４１の表は、ホタル石および石炭の添加のレベル、ならびに温度が及ぼす影響を示す。微小ナゲットの形成と相関を示した顕著なパラメーターはなかった。実験用チューブおよび角炉試験では、図２３を参照して示されおよび記載されるように、スラグ組成（Ｌ_１．５ＦＳ_{０．５〜４}）での微小ナゲットの量は、数％よりも少なかった。大量のＣＯ_２および乱流度の高い炉頂ガスによって、化学量論的量よりも過剰な石炭の使用が必要とされるかもしれず、および、コークスの炉床層の近傍の供給混合物中の石炭分は、処理中高いままであった可能性があり、これによって大量の微小ナゲットの量の形成をきたす。

上記に鑑みて、本発明の一実施形態では、微小ナゲットの形成を最小にするために、炉床層の隣で半化学量論的量の石炭を含有する供給混合物が使用され、さらに、その上に、炭素溶液反応による損失を可能にするよう化学量論的量よりも過剰な量の石炭を含有する供給混合物が重ねられる。言い換えれば、化学量論的量の還元剤（たとえば石炭）は、所定量の還元性鉄含有物質からの、金属鉄ナゲットの完全な金属化および形成のために理論上必要であり、還元剤（たとえば石炭）および鉄含有物質は、本明細書中に記載される一つ以上の実施形態による処理のために還元性供給混合物を供給している。半化学量論的量の炭素質物質を含有する供給混合物の特定の用途では、炉床層は用いなくてもよく、または炉床層は炭素質物質を何ら含有しなくてもよい。

本発明による一実施形態は、還元性混合物の、第一の層を炉床材層の上に含む、還元性供給混合物を用いることを含んでもよい。該第一の層は、所定量の還元性鉄含有物質を有するが、しかし、微小ナゲットの形成のための潜在能力を低下させるべく、完全な金属化のために必要な化学量論的量の約７０％から約９０％のみの還元剤を有する（たとえば、角およびチューブ炉を用いて処理が達成された場合に提示されるような）。還元性鉄含有物質の当初量は、還元性鉄含有物質が炉床の層の上に配置される時に、確定されまた大きく変化してもよい。引き続き、所定量の還元性鉄含有物質、および完全な金属化のために必要な化学量論的量の約１０５％から約１４０％の還元剤を含む還元性混合物の一つ以上の追加的な層が用いられるであろう。このように、還元性供給混合物は、異なる化学量論的量の還元剤を有する混合物の層を含むであろう。（たとえば、化学量論的パーセント比率は、炉床層から移動して離れるにつれて増加する。）

上記に論じたように、（たとえば、ＣＯ_２分が高くおよび乱流度の高いガス雰囲気を含む天然ガス燃焼炉のような）特定の炉では、（たとえば、本明細書中に記載される還元性混合物のような）供給混合物中に添加された炭素質物質（たとえば石炭）は、炉の特定のゾーン（たとえば、予備加熱および還元ゾーン）中の炭素溶液（ブドワー）反応によって失われる。損失を補償するためには、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量よりも過剰な還元剤（たとえば炭素質物質）を添加することも必要かもしれない。しかしながら、本明細書中に記載されるように、このような化学量論的量よりも過剰な還元剤（たとえば石炭）の添加は、大量の微小ナゲットの形成にもつながるかもしれない。このような微小ナゲットの形成は、炉床層の近傍の処理中に高いままである領域中の還元剤の量に関連しているように思われる。

本明細書中に記載されたように、化学量論的量よりも幾分少ない量の還元剤の添加によって、このような微小ナゲットの形成を最小にする。このようにして、半化学量論的量の還元剤（たとえば石炭）を含有して、炉床層の隣にある供給混合物（たとえば還元性混合物）に、微小ナゲットの形成を最小にするために完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量よりも過剰な還元剤を含有する還元性混合物が重ねられたものが、本明細書中に記載されている。さらに、炭素溶液反応による処理中の添加された還元剤（たとえば石炭）の損失は、様々な方法で還元性混合物を圧縮成形すること（たとえば、還元性混合物からの成形体またはブリケットの形成）によって最小化された。図１１Ａ〜１１Ｆは、圧縮成形によって供給混合物（たとえば還元性混合物）を形成する様々な方法を示し、一方、炉床層の近傍の領域に半化学量論的量の還元剤を用いる考え方を組み入れている。たとえば、このように形成された還元性混合物は、本明細書中に記載される任意の組成を含んでもよく、または、要件を満たす他の供給混合物の組成を含んでもよい。該要件は、少なくとも一つの物質の半化学両論的量、および還元性混合物の完全な金属化のために理論上必要な還元剤の化学両論的量を超える還元剤の量を含有する物質の少なくとも一つである。

図１１Ａ〜１１Ｂは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の前形成された複数層の乾燥した球２８０を示す。図１１Ａは、還元性混合物の多層球２８０の平面図を示し、および図１１Ｂは多層の球２８０の断面を示す。図１１Ｂに示されるように、球２８０は還元剤の複数の層２８４〜２８５を含む。わずか二層のみが示されているものの、二層より多い層も可能である。球２８０の層２８４は、半化学量論的量（たとえば、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の７０％から９０％の）の還元剤を含有する還元性混合物から形成され、一方、球２８０の層２８５（たとえば球２８０の内部）は、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量よりも過剰な（たとえば、１００％より大きく約１４０％より小さいなど、１００％より大きな）還元剤を含有する還元性混合物から形成される。球２８０がこのような態様で形成されたため、微小ナゲットの形成を最小にするために炉床層の隣の半化学量論的量の還元剤（たとえば石炭）を含有する供給混合物の使用が達成される一方、十分な還元剤が維持されて完全な金属化が達成される。球２８０は、室温または低温で（たとえば、室温から３００℃までの温度で）圧縮または圧力を伴わずに形成されてもよいが、結合剤の利用を伴うことが認識されるであろう。

一実施形態では、直径４分の３インチ（１９．０ｍｍ）以下の大きさを有する二層球が作製される。直径４分の３インチ（１９．０ｍｍ）以下の球に関して、たとえば、１６分の１インチ（１．５ｍｍ）の厚さを有する外側の層は、外側の層中の球の総重量の４０％以上を意味し、一方、厚さ８分の１インチ（３．２ｍｍ）は、総重量の約６０％以上を意味する。このようにして、外側の層が半化学量論的量（たとえば、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の７０％から９０％）の還元剤を含有するため、中核部（すなわち内側部）は、たとえば、複数の層を含むマウンドが用いられる場合よりも、還元剤（たとえば石炭）の含有量は、認知できるほどに高い必要があるであろう。（たとえば、中核部は、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の１２５％より高い必要があるかもしれない。）一実施形態では、球の内部は、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の１０５％より過剰であるが約１４０％未満である還元剤を含有する還元性混合物から形成される。

図１１Ｃ〜１１Ｄは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の成形体（たとえばブリケット）を供給する際の使用のための、形成工具２８６〜２８７の典型的な実施形態を示す。二つの比較的平坦な面を備えたブリケットが形成されている。図１１Ｃに示されるように、ブリケットは三つの層２９０〜２９２を含む。二つの外側（または上層および下層）２９１〜２９２は、半化学量論的量（たとえば、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の７０％から９０％）の還元剤を含有する還元性混合物から形成される一方、中央層２９０（たとえば内側層）は、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量よりも過剰な（たとえば、１００％より大きく約１４０％より小さいなど、１００％より大きな）還元剤を含有する還元性混合物から形成される。ブリケットがこのような態様で形成されているため、半化学量論的量の還元剤（たとえば石炭）を含有する供給混合物を含む面（たとえば外側の層）は、微小ナゲットの形成を最小にするために炉床層の隣に存在するであろう。ブリケットは、室温または低温で（たとえば、室温から３００℃までの温度で）、要素２８７を介して圧力を印加することによって形成されてもよいことが認識されるであろう。

図１１Ｄは、形成されうる二層のブリケットの形成を示す。ブリケットは層２９３〜２９４を含む。層２９３のうち一つは、半化学量論的量（たとえば、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の７０％から９０％）の還元剤を含有する還元性混合物から形成され、一方、他の層２９４は、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量よりも過剰な（たとえば、１００％より大きく約１４０％より小さいなど、１００％より大きな）還元剤を含有する還元性混合物から形成される。ブリケットがこのような態様で形成されているため、炉床の上への適切な装填によって、半化学量論的量の還元剤（たとえば石炭）を含有する供給混合物を含む層は、微小ナゲットの形成を最小にするために炉床層の隣に配置することができる。

図１１Ｅ〜１１Ｆは、金属鉄ナゲット処理の一つ以上の実施形態での使用のための、還元性混合物の成形体（たとえば、ドーム形の混合物およびドーム形のブリケット）を供給する際の使用のための、形成器２８８および２８９の典型的な実施形態を示す。図１１Ｅに示されるように、ドーム形の成形体３００は、層２９５〜２９６から形成される部分を含む。層２９６のうち一つは、半化学量論的量の（たとえば、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の７０％から９０％の）還元剤を含有する還元性混合物が形成され、一方、他の層２９５は、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量よりも過剰な（たとえば、１００％より大きく約１４０％より小さいなど、１００％より大きな）還元剤を含有する還元性混合物から形成される。ドーム形の成形体３００がこのような態様で形成されたため、半化学量論的量の還元剤（たとえば石炭）を含有する供給混合物の層は、微小ナゲットの形成を最小にするために炉床層２８１の隣に位置する。成形体３００を形成する器具として示される形成器２８８は、図１０Ａを参照して記載された装置と類似してもよい。さらに、一実施形態では、成形体３０２は、プレス成形することによって、炉の予備加熱ゾーンで（たとえば７００℃から１０００℃で）原位置で形成される。

図１１Ｆに示されるように、ドーム形の成形体３０２は、三層２９７〜２９９から形成される部分（たとえば、室温で形成されたブリケット）を含む。二つの外側（または上層および下層）２９７、２９９が、半化学量論的量（たとえば、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量の７０％から９０％）の還元剤を含有する還元性混合物から形成される一方、中央層２９８（たとえば内側層）は、完全な金属化のために理論上必要な化学量論的量よりも過剰な（たとえば、１００％より大きく約１４０％より小さいなど、１００％より大きな）還元剤を含有する還元性混合物から形成される。成形体がこのような態様で形成されているため、半化学量論的量の還元剤（たとえば石炭）を含有する供給混合物を含む面（たとえば外側の層）は、微小ナゲットの形成を最小にするために炉床層の隣に存在するであろう。一実施形態では、成形体３０２を形成する際の使用のために示された形成器２８９のそれぞれの部分は、図１０Ａを参照して記載された装置に類似してもよい。

一実施形態では、成形体３０２は、図１１Ｃ〜１１Ｄに示されたプレス成形のようなプレス成形を用いて形成されているが、異なる形状の成形面を備える。たとえば、一実施形態では、図１１Ｅに示されるような成形体は、還元性混合物を高温（たとえば、７００℃から１０００℃）でプレス成形することによって形成されている。特定の種類の還元剤（たとえば石炭）は、一部の温度で軟化しおよび結合剤として作用してもよく、または、一部の低融点の添加剤の使用は、透過性の低い成形体を開発する助けになるかもしれない。たとえば、下記の低融点添加剤：ホウ砂（融点７４１℃）；炭酸ナトリウム（融点８５１℃）；二ケイ酸ナトリウム（融点８７４℃）；フッ化ナトリウム（融点９８０〜９９７℃）：および水酸化ナトリウム（融点３１８．４℃）のうち一つ以上が用いられてもよい。

微小ナゲットの形成を最小にするために炉床層の隣に半化学量論的量の還元剤（たとえば石炭）を含有する供給混合物を有することの利益を維持しながら、様々な構成の成形体が用いられてもよいことが認識されるであろう。本明細書中に記載される構成は、例示のみのために提供される。

図１をさらに参照すると、ブロック１８に概略示されるような、供給された還元性混合物の層は、一つ以上の様々な態様（たとえば、鉄鉱石と混合した粉コークス）で供給されてもよい。図２８に示されるように、還元性混合物は、微小凝集体形成処理２５０に従って微小凝集体を形成することによって（ブロック２５２）、供給されてもよい。本発明による少なくとも一実施形態では、還元性混合物は還元性微小凝集体の層である。さらに、少なくとも一実施形態では、還元性微小凝集体の層の少なくとも５０％が、平均大きさが約２ｍｍ以下の微小凝集体を含む。

微小凝集体は、還元性鉄含有物質（たとえば、鉄鉱石など酸化鉄物質）の供給によって（ブロック２６０）、および還元剤の使用によって（ブロック２５６）形成されている（ブロック２５２）。随意的に、一つ以上の添加剤（ブロック２５８）は、還元性鉄含有物質と、および別の実施形態に関して本明細書中の記載されるような（たとえば、石灰、ソーダ灰、ホタル石など）還元剤と追加的に混合してもよい。次いで、微小凝集体の形成に水が添加された（ブロック２５４）。たとえば一実施形態では、小さい微小凝集体構造が形成されるまで、成分をすべて混合するのに、（たとえば、市販の台所用のミキサーのような）ミキサーを用いてもよい。

ガス燃焼炉中でのタコナイト濃縮物および粉コークスといった細かい乾燥した粒子の直接供給は、炉頂ガスの移動によって煤塵として吹き飛ばされる大量の粒子を結果として生じるであろう。したがって、供給混合物の微小凝集が望ましい。たとえば、タコナイト濃縮物の湿式濾過ケーキと乾燥して粉砕した石炭の直接混合に、水を最適に添加することによって、ピケーミキサー、ペダルミキサーまたはリボンミキサーといった適切な混合技法によって、微小凝集体を生成することができる。異なるレベルの水分の関数としての微小凝集体の典型的な大きさの分布が図２９に示される。

微小凝集体を炉床表面に供給することは、いくつかの利点を有する。微小凝集体は、破損することなしに、最小の粉塵損失で、および炉床表面の上方に均一に広がって、炉床表面に供給することができる。次いで、微小凝集体はひとたび炉床の上に置かれると、本明細書中に記載されるような、（たとえば、ピラミッド形の形状、円形のマウンド、ドーム形状の構造など）マウンド形の構造へと圧縮成形されてもよい。

図３０の表は、微小凝集体の見かけの密度が２．８でありおよび空気の温度が１３７１℃（２５００°Ｆ）であると仮定して計算された、大きさおよび気流速度の関数としての、微小凝集体の終端速度を示す。終端速度が空気速度より小さい粒子の大きさでは、ガス燃焼炉中では煤塵として吹き飛ばされるであろう。粉塵損失を防止するために、少なくとも一実施形態では、還元性微小凝集体の層の少なくとも５０％が、約２ｍｍ以下の平均大きさを有する微小凝集体を含有することが望ましい。図２９を参照すると、このような場合、このような微小凝集体の分布を達成するのに、微小凝集体は約１２％の水分から形成されるべきであることが留意される。

微小凝集体のための所望の特性をもたらす水分含有量は、様々な因子に依存するであろう。たとえば、微小凝集体の水分含有量は供給混合物の微粉度（または粗粉度）および水吸収挙動に少なくとも依存するであろう。供給混合物のこのような微粉度に応じて、水分含有量は、約１０％から約２０％の範囲にあってもよい。

図３１は、完全に溶融した鉄ナゲットは、マイクロ凝集体供給物から形成されるが、しかし、同じ条件下での乾燥した粉末からの生成物と比較して、微小ナゲットの生成にはほとんど影響を及ぼさなかったことを示す。マイクロ凝集された供給物は、５．７％のＳｉＯ_２磁気濃縮物、金属化のための化学量論的要件の８０％での、およびスラグ組成（Ａ）の中揮発性瀝青炭から作製された。微小凝集供給物では、水分含有量は約１２％であった。同一の供給混合物が、乾燥した供給物のために用いられた。（しかし、水分は添加されなかった。）結果として生じる生成物は、ボート中の２つに区分されたパターンに形成され、チューブ炉中で、１４００℃で７分間、Ｎ_２−ＣＯ雰囲気中で加熱された。

図３１Ａは、乾燥供給物の還元性混合物の使用の結果を示し、一方、図３１Ｂは、微小凝集した供給混合物の結果を示す。図の中に示すように、有意な追加的な微小ナゲットは形成されず、および形成された金属鉄ナゲットは、乾燥供給混合物および微小凝集された供給物の両方について、実質的に同一に形成された。しかしながら、微小凝集の使用によって、煤塵の制御が提供される。

微小凝集体の任意の種類の層形成が用いられてもよい。たとえば、還元性微小凝集体は、炉床材層の上に還元性微小凝集体の第一の層を形成することによって供給されてもよい。引き続き、還元性微小凝集体の一つ以上の追加的な層が、第一の層の上に形成されてもよい。形成された追加的な層のうち少なくとも一つの層の還元性微小凝集体の平均大きさは、過去に供給された微小凝集体の大きさとは相対的に異なりうる。たとえば、大きさは、前に形成された層よりも大きくても小さくてもよい。一実施形態では、微小凝集体の供給が、下面ではより粗い凝集体を有する層中で行われ、および、上面に向けて大きさが減少することによって、鉄鉱石／石炭の混合物と下層をなす炉材料層（たとえば粉コークス層）との混合を最小にすることができ、これによって微小ナゲットの生成を最小にすることができる。

異なる化学量論的量の還元剤を有する還元性供給混合物層の使用は、本明細書中に記載される微小凝集体の使用と有利に組み合わせてもよい。（たとえば、炉床層から移動して離れるほど、化学量論的パーセント比率は増加する。）たとえば、より大きな微小凝集体（たとえばより粗い凝集物）が、より低い化学量論的パーセント比率の還元剤とともに、炉床層に隣接する物質のために用いられてもよい。より化学量論的パーセント比率が高くおよびより小さな微小凝集体（たとえば、より細かい凝集物）を有する追加的な層が、次いで、炉床の層の上に供給されたより粗くおよびよりパーセント比率の低い微小凝集体に対して形成されてもよい。

本明細書中に引用されるすべての特許、特許文献、および参照文献は、それぞれが別々に組み入れられたものであるかのように、その全体が本明細書に組み入れられる。この発明は、例示的な実施形態を参照して記載され、および限定された意味で解釈されるよう意味していない。前に記載されたとおり、本明細書によって生成された粒子の有益な特性を利用するために、他の様々な例示的な適用もまた本明細書中に記載されるような技法を用いてもよいことを理解するであろう。例示的な実施形態の様々な変形、ならびに、本発明の追加的な実施形態は、この記載の参照によって、当業者には明らかとなるであろう。

Claims (24)

1. 耐火材からなる炉床を設ける工程と、
   耐火材の上に炉床材層を設ける工程であって、炉床材層は少なくとも炭素質物質からなる工程と、
   炉床材層の少なくとも一部の上に還元性混合物の層を形成する工程であって、還元性混合物の少なくとも一部は少なくとも還元剤と還元性鉄含有物質とを含む工程と、
   還元性混合物の内部に複数のチャネル開口部を形成する工程であって、該チャネル開口部は該還元性混合物の層を延在して複数のナゲット形成還元剤領域を画成する工程と、
   ナゲット分離充填物質を前記複数のチャネル開口部に少なくとも部分的に充填する工程であって、該ナゲット分離充填物質は少なくとも炭素質物質を含む工程と、そして
   還元性混合物の層を熱処理して複数のナゲット形成還元剤領域のうち一つ以上の中に、融解によって一つ以上の金属鉄ナゲットを形成する工程と
   を含む金属鉄ナゲットの生成に使用する方法。
2. 還元性混合物の層を熱処理する工程は、複数のナゲット形成還元剤領域のうち一つ以上の中に、単一の金属鉄ナゲットを形成する請求項１に記載の方法。
3. 還元性混合物の層を熱処理する工程は、還元性混合物の層を１４５０℃未満の温度で処理することを含む請求項１に記載の方法。
4. 還元性混合物の層を熱処理する工程は、還元性混合物の層を１４００℃未満の温度で処理することを含む請求項１に記載の方法。
5. 還元性混合物の層を熱処理する工程は、還元性混合物の層を１３７５℃未満の温度で処理することを含む請求項１に記載の方法。
6. 還元性混合物の層を熱処理する工程は、還元性混合物の層を１３５０℃未満の温度で処理することを含む請求項１に記載の方法。
7. 複数のナゲット形成還元剤領域のそれぞれが、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む還元性混合物のマウンドを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 複数のナゲット形成還元剤領域のそれぞれが還元性混合物のドーム型のマウンドを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
9. 複数のナゲット形成還元剤領域のそれぞれが還元性混合物のピラミッド型のマウンドを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
10. 炉床材層の上に還元性混合物の層を形成する工程と、複数のチャネル開口部を形成する工程は、還元性混合物を含む成形体の層を形成することを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
11. 所定量の還元性鉄含有物質と、前記還元性鉄含有物質の完全な鉄還元のために必要な前記化学量論的量の７０％から９０％の還元剤とを有する成形体を形成する工程を含む請求項１０に記載の方法。
12. 複数のチャネル開口部は還元性混合物の層をチャネル深さまで延在し、およびチャネル深さの少なくとも４分の１がナゲット分離充填物質で充填されている請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
13. 複数のチャネル開口部は還元性混合物の層をチャネル深さまで延在し、およびチャネル深さの４分の３未満がナゲット分離充填物質で充填されている請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
14. 一つ以上の形成された金属鉄ナゲットのそれぞれが最大断面を有し、および該一つ以上の金属鉄ナゲットが最大断面において０．２５インチ（６．４ｍｍ）よりも大きくおよび４．０インチ（１０２ｍｍ）よりも小さい最大直径を有する請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 一つ以上の金属鉄ナゲットが最大断面において０．５インチ（１２．７ｍｍ）よりも大きくおよび１．５インチ（３８ｍｍ）よりも小さい最大直径を有する請求項１４に記載の方法。
16. 還元性混合物の層を熱処理する工程は、還元性混合物の層を摂氏１４５０度未満の温度で熱処理することによって、ナゲット形成還元剤領域の少なくとも一部の中の還元性混合物を、縮ませおよび他の隣接するナゲット形成還元剤領域から分離させる請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記還元性混合物が所定量の還元性鉄含有物質と、前記還元性鉄含有物質の完全な鉄還元のために必要な前記化学量論的量の７０％から９０％の還元剤とを含む請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 上に炉床材層を受容するための耐火材を含む移動炉床であって、炉床材層は少なくとも炭素質物質を含む移動炉床と、
    炉床材層の少なくとも一部の上に還元性混合物の層を形成する装入装置であって、還元性混合物の少なくとも一部は少なくとも還元剤と還元性鉄含有物質とを含む装入装置と、
    複数のナゲット形成還元剤領域を画成するべく還元性混合物の層へと少なくとも部分的に延在する複数のチャネル開口部を還元性混合物の内部に作成するチャネル画成器と、
    ナゲット分離充填物質を前記複数のチャネル開口部に少なくとも部分的に充填するチャネル充填装置であって、前記ナゲット分離充填物質は少なくとも炭素質物質を含むチャネル充填装置と、
    複数のナゲット形成還元剤領域のうち一つ以上の中に、一つ以上の金属鉄ナゲットを形成するべく、還元性混合物の層を熱処理する炉と
    からなる金属鉄ナゲットの生成における使用のための装置。
19. チャネル画成器は、少なくとも一つの湾曲または傾斜した部分を含む還元性混合物のマウンドを作成する請求項１８に記載の装置。
20. チャネル画成器は、還元性混合物のドーム型のマウンドを形成する請求項１９に記載の装置。
21. チャネル画成器は、還元性混合物のピラミッド型のマウンドを形成する請求項１９に記載の装置。
22. 複数のチャネル開口部は還元性混合物の層をチャネル深さまで延在し、およびチャネル充填装置は、複数のチャネル開口部をチャネル深さの少なくとも４分の１までナゲット分離充填物質で充填する請求項１８から２１のいずれか一項に記載の装置。
23. 複数のチャネル開口部は還元性混合物の層をチャネル深さまで延在し、および、チャネル充填装置は、複数のチャネル開口部をチャネル深さの４分の３未満までナゲット分離充填物質で充填する請求項１８から２１のいずれか一項に記載の装置。
24. 炉は還元性混合物の層を摂氏１４５０度未満の温度で熱処理し、これによってナゲット形成還元剤領域の少なくとも一部の中の還元性混合物を縮ませおよび他の隣接するナゲット形成還元剤領域から分離させる請求項１８から２３のいずれか一項に記載の装置。

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