JP2014214330A - 金属鉄の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化鉄含有物質および炭材を含む塊成物を加熱して金属鉄含有焼結体を製造し、得られた金属鉄含有焼結体を粉砕し、スラグを除去して金属鉄を製造するにあたり、金属鉄とスラグに分離するときの分離性を高め、効率良く金属鉄とスラグに分離できる金属鉄の製造方法を提供する。【解決手段】金属鉄含有焼結体は、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含されており、表面温度が１０００℃以下であるものとし、この金属鉄含有焼結体を粉砕する第一粉砕工程、前記第一粉砕工程で得られた粉砕物を篩ａを用いて篩分けする工程、前記篩ａ上に残留した粗粒を更に粉砕する第二粉砕工程、前記第二粉砕工程で得られた粉砕物から磁選機で選別してスラグを除去し、磁着物として金属鉄を回収する工程、を含む金属鉄の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、酸化鉄含有物質および炭材を含む塊成物を加熱して金属鉄含有焼結体を製造し、得られた金属鉄含有焼結体を粉砕し、スラグを除去して金属鉄を製造する方法に関するものである。

鉄鉱石などの酸化鉄含有物質から還元鉄（金属鉄）を製造する方法としては、例えば、
（１）鉄鉱石と炭材（固体還元材）とを混合して塊成化した塊成物を移動炉床炉（ロータリーハース）に供給して約１３００℃で加熱し、該塊成物に含まれる酸化鉄を還元する方法（ＦＡＳＴＭＥＴ法と呼ばれることがある）や、
（２）鉄鉱石と炭材（固体還元材）とを混合して塊成化した塊成物を移動炉床炉に供給して加熱し、該塊成物に含まれる酸化鉄を還元したのちに、さらに約１４５０℃まで加熱して還元鉄を溶融させ、表面張力の差などにより還元鉄とスラグに分離する方法（ＩＴｍｋ３法と呼ばれることがある）、
等が知られている。こうした還元鉄の製造方法について、例えば、特許文献１〜３の技術が知られている。

上記（１）の方法について、例えば、特許文献１に、鉄原料と石炭とを含有する混合物を高温度雰囲気下で加熱還元処理し、得られた還元鉄を粉砕処理し、次いで所定の粒径を境に粒度選別することが記載されている。具体的には、粒度選別機にて平均粒径１００μｍを超える粒子と平均粒径１００μｍ以下の粒子に分離・選別している。そして平均粒径１００μｍ以下の還元鉄粒子を、磁力により、鉄分を多く含む強磁着物粒子と鉄分の少ない弱磁着物粒子とに分離し、粒度選別された上記所定粒径を超える還元鉄粒子と上記強磁着物粒子とを還元鉄として用いている。一方、弱磁着物粒子には、鉄分は少なく、スラグを多く含むため、そのままセメントやアスファルトとして再利用されている。

上記（２）の方法について、例えば、特許文献２や特許文献３の技術が知られている。これらのうち特許文献２には、複数種のダストおよび炭材で構成される含炭ペレットを製造し、これを回転炉床方式の焼成炉で１２５０〜１３５０℃の温度で還元処理することにより、ペレット内部のダストは炭材で還元され、粒内物質移動によって凝集したメタリック鉄粒子が、ダストの脈石から生成したＦｅＯを含む低融点のスラグ部分から、自然に分離する作用を利用してメタリック鉄粒子を抽出し高品位粒状還元鉄を製造する製鉄ダストからの高品位還元鉄の製造方法が記載されている。この文献には、回転炉床方式の焼成炉で得られた還元鉄をスクリーンを用いて篩分けし、直径５ｍｍ以上の還元鉄を製品として回収することが記載されている。また、特許文献３には、鉄鉱石および炭材で構成される含炭ペレットを製造し、これを回転炉床方式の焼成炉で１２５０〜１３５０℃の温度で還元した後に、さらに炉内温度を１４００〜１５００℃に上昇させ溶融し、金属鉄を凝集させることで高純度の粒状金属鉄を得る方法が記載されている。

また、上記（１）、（２）の方法について、特許文献４には、加熱還元により金属鉄外皮を生成且つ成長させ、内部には酸化鉄が実質的に存在しなくなるまで還元を進めると共に、内部に生成スラグの凝集物を形成する金属鉄の製法が提案されている。

ところで特許文献５には、鉄鉱石を７００℃以上で直接還元した後、粉砕、分離して鉄フレークと耐火物粒を得ることが記載されている。この文献では、２０メッシュ篩で分離した篩上のフレーク及び篩下の脈石をそれぞれ粉砕した後、精製鉄を分離回収している。

特開２００２−３６３６２４号公報 特開平１０−１４７８０６号公報 特開２００２−３０３１９号公報 特開平９−２５６０１７号公報 米国特許第６０４８３８２号公報

上記特許文献１〜５には、酸化鉄含有物質と炭材とを含む混合物を加熱し、得られた金属鉄とスラグを分離する技術が開示されている。しかし、金属鉄とスラグの分離性を高めることについては検討されていなかった。また、金属鉄とスラグに分離するときの分離性を高めた金属鉄含有焼結体を、効率良く金属鉄とスラグに分離できる金属鉄の製造方法の開発が求められていた。

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、酸化鉄含有物質および炭材を含む塊成物を加熱して金属鉄含有焼結体を製造し、得られた金属鉄含有焼結体を粉砕し、スラグを除去して金属鉄を製造するにあたり、前記金属鉄含有焼結体は、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含されており、表面温度が１０００℃以下であるものとし、この金属鉄含有焼結体から、スラグを除去して効率良く金属鉄を製造できる方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る金属鉄の製造方法とは、酸化鉄含有物質および炭材を含む原料混合物からなる塊成物を加熱炉内で加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元することによって、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含されており、表面温度が１０００℃以下である金属鉄含有焼結体を製造し、得られた金属鉄含有焼結体を粉砕し、スラグを除去して金属鉄を製造する方法であって、前記金属鉄含有焼結体を粉砕する第一粉砕工程、前記第一粉砕工程で得られた粉砕物を篩ａを用いて篩分けする工程、前記篩ａ上に残留した粗粒を更に粉砕する第二粉砕工程、前記第二粉砕工程で得られた粉砕物からスラグを除去して金属鉄を回収する工程、を含む点に要旨を有している。なお、以下では、金属鉄と粒状金属鉄をまとめて、「（粒状）金属鉄」と表記することがある。

前記金属鉄を回収する工程では、前記第二粉砕工程で得られた粉砕物を磁選機で選別し、磁着物を金属鉄として回収することが好ましい。前記磁選機で選別された非磁着物は、更に磁選機で選別して磁着物を金属鉄として回収してもよい。

前記金属鉄を回収する工程では、前記第二粉砕工程で得られた粉砕物を、前記篩ａの目開きと同じであるか、或いは前記篩ａの目開きよりも目開きが大きい篩ｂを用いて篩分けを行い、該篩ｂ上に残留した粗粒を金属鉄として回収することも好ましい態様である。前記篩ｂとしては、目開きが１〜８ｍｍのものを用いることが好ましい。前記篩ｂを通過した細粒は、磁選機で選別し、磁着物を金属鉄として回収してもよい。

前記篩ａとしては、目開きが１〜８ｍｍのものを用いることが好ましい。

前記第一粉砕工程では、（Ａ）ジョークラッシャーを用いて粉砕することや、（Ｂ）ロールプレスを用い、ロール間の隙間を前記塊成物の短径に対して６０〜９０％として粉砕することや、（Ｃ）ハンマーミルを用い、ロストルのない状態で粉砕することが好ましい。

前記第二粉砕工程では、（ａ）ロールプレスを用い、ロール間の隙間を３ｍｍ以下として粉砕することや、（ｂ）ハンマーミルを用い、ロストルのない状態で粉砕することが好ましい。

前記原料混合物には、更に融点調整剤を配合してもよい。前記融点調整剤は少なくともＣａＯ供給物質を含み、前記塊成物に配合するＣａＯ供給物質の量を、前記塊成物中のＣａＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が０．２〜０．９となるように調整することが好ましい。前記ＣａＯ供給物質としては、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）₂、およびＣａＣＯ₃よりなる群から選ばれる少なくとも一つを配合することが好ましい。

前記篩ａを通過した細粒は、磁選機で選別し、磁着物を金属鉄として回収することが好ましい。もしくは、前記篩ａを通過した細粒は、粉砕してから前記磁選機で選別することが好ましい。また、前記磁選機で選別された非磁着物は、更に磁選機で選別して磁着物を金属鉄として回収することが好ましい。

本発明によれば、酸化鉄含有物質および炭材を含む塊成物を加熱して得られる金属鉄含有焼結体を、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含されており、表面温度が１０００℃以下であるものとし、この金属鉄含有焼結体を、粉砕と篩を用いた分級を組み合わせて処理しているため、金属鉄含有焼結体からのスラグ除去率を高めることができ、スラグ含有量の少ない金属鉄を製造できる。

図１は、本発明に係る金属鉄の製造方法を説明するための流れ図である。 図２は、本発明に係る金属鉄の製造方法を説明するための他の流れ図である。 図３は、本発明に係る金属鉄の製造方法を説明するための他の流れ図である。

本発明者らは、酸化鉄含有物質および炭材を含む塊成物を加熱炉内で加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元することによって得られる金属鉄含有焼結体を、金属鉄とスラグに分離するときの分離性を高める技術を先に提案している（特願２０１２−９９１６５号）。この技術は、金属鉄含有焼結体を、温度が１０００℃以下の状態で、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含された構造とするところに特徴がある。

そして本発明者らは、上記特願２０１２−９９１６５号の技術を提案した後も、上記金属鉄含有焼結体からのスラグ除去率を高め、スラグ含有量の少ない金属鉄を製造するために、鋭意検討を重ねてきた。その結果、粉砕と篩を用いた分級を組み合わせて処理すれば、低スラグ含有量の金属鉄を製造できることを見出し、本発明を完成した。

以下、本発明に係る金属鉄の製造方法を図１を参酌しつつ説明する。図１は、本発明に係る金属鉄の製造方法を説明するための流れ図である。

本発明に係る金属鉄の製造方法は、酸化鉄含有物質および炭材を含む原料混合物からなる塊成物を製造する工程と（以下、塊成化工程ということがある）、得られた塊成物を加熱炉内で加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元することによって、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含されており、表面温度が１０００℃以下である金属鉄含有焼結体を製造する工程１と（以下、加熱工程ということがある）、得られた金属鉄含有焼結体を粉砕する工程２と（以下、第一粉砕工程ということがある）、前記第一粉砕工程で得られた粉砕物を篩ａを用いて篩分けする工程３と（以下、篩分け工程ということがある）、前記篩ａ上に残留した粗粒を更に粉砕する工程４と（以下、第二粉砕工程ということがある）、前記第二粉砕工程で得られた粉砕物からスラグを除去して金属鉄を回収する工程５（以下、金属鉄回収工程ということがある）を含むところに特徴を有している。

まず、上記金属鉄含有焼結体について説明する。上記金属鉄含有焼結体の構造自体は、本発明者らが先に提案した特願２０１２−９９１６５号に開示した金属鉄含有焼結体の構造と同じである。即ち、上記金属鉄含有焼結体を構成している上記外殻は、金属鉄とスラグを含んでいる。外殻にスラグを含むことによって、金属鉄のみで構成されるよりも外殻の強度が小さくなるため、粉砕し易くなる。一方、上記外殻の内側には、粒状金属鉄とスラグを含む混合物を内包している。上記外殻に内包させる混合物（以下、内包物ということがある）を、粒状金属鉄とスラグとを含む混合物とすることによって、該内包物も容易に粉砕できる。そのため外殻と内包物を分離し、外殻からスラグを除去すれば、金属鉄を効率良く回収できる。また、内包物からスラグを除去すれば、粒状金属鉄を効率良く回収できる。

上記金属鉄含有焼結体は、表面温度が１０００℃以下である。表面温度１０００℃以下とは、上記塊成物を加熱炉内で加熱した後、冷却されていることを意味している。即ち、上記金属鉄含有焼結体は、酸化鉄含有物質と炭材とを含む塊成物を加熱炉内で加熱して得られるが、加熱炉では、後述するように１０００〜１５００℃程度で加熱される。そのため、表面温度１０００℃以下とは、加熱後に冷却された状態を意味している。

上記金属鉄含有焼結体は、外殻に包含されている内部の混合物（内包物）を漏出させないために、全体が外殻で覆われている必要がある。また、金属鉄含有焼結体の強度は、加熱炉からディスチャージャー等で排出する際に形状を維持できる範囲であれば良い。そこで外殻部分の断面積割合は、金属鉄含有焼結体の中心を通るように切断した断面において、おおよそ５０面積％以上あればよい。

上記外殻は、金属鉄がネットワーク状（網目状）に形成されており、多孔質のように空隙が存在していることが好ましい。

上記外殻は、金属粒が繋がってできたネットワーク状の組織と、その組織の隙間の少なくとも一部にスラグが存在していることが推奨される。ネットワーク状の組織の隙間の少なくとも一部にスラグが存在することによって、外殻の強度は、金属鉄のみで構成されているよりも小さくなり、粉砕し易くなる。

次に、本発明に係る金属鉄の製造方法について説明する。

（塊成化工程）
塊成化工程では、酸化鉄含有物質および炭材を含む原料混合物からなる塊成物を製造する。

上記酸化鉄含有物質としては、具体的には、鉄鉱石、砂鉄、製鉄ダスト、非鉄精錬残渣、製鉄廃棄物などを用いることができる。

本発明では、上記酸化鉄含有物質として、従来では通常用いることのなかった低品位な酸化鉄含有物質を用いることができる。

即ち、鉄鉱石には、脈石が含まれている。脈石とは、鉱山で採掘された鉄鉱石（粗鉱）を構成している成分のうち、有用金属を含む鉱物以外の成分であり、通常、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃などの酸化物で構成されている。鉄鉱石に含まれる脈石量は、鉄鉱石が採掘される産地によって異なり、脈石量の少ない鉄鉱石は、高品位鉄鉱石と呼ばれ、脈石量の多い鉄鉱石は、低品位鉄鉱石と呼ばれる。

そして金属鉄を製造する際に低品位鉄鉱石を用いると、次のような問題が生じ易くなる。即ち、上記（１）の方法で低品位鉄鉱石を用いると、鉄鉱石に含まれる脈石と炭材に含まれている灰分とが相俟って、塊成物に含まれるスラグ成分量が多くなるため、得られる還元鉄にスラグを多く含有し鉄品位が低下する。上記（２）の方法で低品位鉄鉱石を用いると、溶融させた際に生成するスラグ量が多くなり、溶融したスラグが未溶融の還元鉄を覆ってしまうため、還元鉄に熱が加わることが阻害されて、還元鉄とスラグの十分な分離が行えないことがある。また、上記（１）、（２）の方法で得られた還元鉄は、例えば、電気炉精錬の原料として用いることができるが、電気炉内へ同時に持ち込まれる脈石量は少ないことが要求される。脈石量が多くなると、電気炉精錬時にスラグが多量に発生し、精錬に必要となるエネルギーが増加するためである。

このように、金属鉄を製造する際に用いる鉄鉱石としては、脈石含有量の少ない高品位なものを用いることが推奨される。しかし、高品位な鉄鉱石の供給源は限られているにもかかわらず、世界の鉄鋼生産量は増加傾向にあるため、高品位な鉄鉱石の供給量は不足することが懸念されている。

一方、本発明によれば、酸化鉄含有物質と炭材を含む塊成物を加熱して得られる金属鉄含有焼結体の構造を、上述したように、外殻と内包物で構成しており、また、後述するように、粉砕と篩を用いた分級を組み合わせている。そのため、低品位な酸化鉄含有物質を用いても、金属鉄含有焼結体からスラグを効率良く除去できる。

上記低品位な酸化鉄含有物質とは、本明細書では、全鉄量（Ｔ．Ｆｅ）の質量に対するＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃との合計質量の割合［（ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃）／Ｔ．Ｆｅ×１００）］が５％以上のものを意味している。ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃は、酸化鉄含有物質（例えば、鉄鉱石）に含まれる種々の脈石のうち、含有率が相対的に高い物質であり、本明細書では、これらを脈石の代表物質としている。そして、全鉄量の質量に対するＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃との合計質量の割合を脈石率と定義し、脈石率が５％以上の酸化鉄含有物質を低品位なものとしている。上記脈石率は、１１％以上であってもよく、１２％以上であってもよい。

上記炭材としては、例えば、石炭やコークスなどを用いることができる。上記炭材は、上記酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元できる量の固定炭素を含有していればよい。具体的には、上記酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元できる固定炭素量に対して、０〜５質量％の範囲で余剰に含有していればよい。

上記酸化鉄含有物質および炭材を含む上記原料混合物には、更に融点調整剤を配合することが好ましい。

上記融点調整剤とは、鉄の融点に影響する物質は除くこととし、塊成物に含まれる鉄以外の成分（特に、脈石）の融点に影響する物質を意味する。即ち、上記原料混合物として融点調整剤を配合することによって、塊成物に含まれる酸化鉄以外の成分（特に、脈石）の融点に影響を与え、例えばその融点を降下させることができる。それにより脈石は、溶融が促進され、溶融スラグを形成する。このとき酸化鉄の一部は溶融スラグに溶解し、溶融スラグ中で還元されて金属鉄となる。溶融スラグ中で生成した金属鉄は、固体のまま還元された金属鉄と接触することにより、固体の還元鉄として凝集する。

上記融点調整剤としては、少なくともＣａＯ供給物質を含むものを用いることが好ましい。

上記ＣａＯ供給物質としては、例えば、ＣａＯ（生石灰）、Ｃａ（ＯＨ）₂（消石灰）、ＣａＣＯ₃（石灰石）、およびＣａＭｇ（ＣＯ₃）₂（ドロマイト）よりなる群から選ばれる少なくとも一つを配合することが好ましい。

上記融点調整剤としては、上記ＣａＯ供給物質のみを用いても良いし、上記ＣａＯ供給物質に加えて、例えば、ＭｇＯ供給物質、Ａｌ₂Ｏ₃供給物質、ＳｉＯ₂供給物質などを用いることができる。ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、およびＳｉＯ₂も、上記ＣａＯ同様、塊成物に含まれる鉄以外の成分（特に、脈石）の融点に影響する物質である。

上記ＭｇＯ供給物質としては、例えば、ＭｇＯ粉末、天然鉱石や海水などから抽出されるＭｇ含有物質、ＭｇＣＯ₃よりなる群から選ばれる少なくとも一つを配合することが好ましい。上記Ａｌ₂Ｏ₃供給物質としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ボーキサイト、ベーマイト、ギブサイト、ダイアスポアなどを配合することが好ましい。上記ＳｉＯ₂供給物質としては、例えば、ＳｉＯ₂粉末や珪砂などを用いることができる。

上記塊成物は、酸化鉄含有物質、炭材、および融点調整剤以外の成分として、バインダーなどが更に配合されていてもよい。

上記バインダーとしては、例えば、多糖類など（例えば、コーンスターチや小麦粉等の澱粉など）を用いることができる。

上記酸化鉄含有物質、炭材、および融点調整剤は、混合する前に予め粉砕しておくことが好ましい。例えば、上記酸化鉄含有物質は平均粒径が１０〜６０μｍ、上記炭材は平均粒径が１０〜６０μｍ、上記融点調整剤は平均粒径が５〜９０μｍとなるように粉砕することが推奨される。

上記酸化鉄含有物質等を粉砕する手段は特に限定されず、公知の手段を採用できる。例えば、振動ミル、ロールクラッシャ、ボールミルなどを用いればよい。

上記原料混合物を混合する混合機としては、例えば、回転容器形混合機や固定容器形混合機を用いることができる。上記回転容器形混合機としては、例えば、回転円筒形、二重円錐形、Ｖ形などの混合機を用いることができる。上記固定容器形混合機としては、例えば、混合槽内に回転羽（例えば、鋤など）を設けた混合機を用いることができる。

上記原料混合物を塊成化する塊成機としては、例えば、皿形造粒機（ディスク形造粒機）、ドラム形造粒機（円筒形造粒機）、双ロール型ブリケット成型機などを用いることができる。

上記塊成物の形状は特に限定されず、例えば、塊状、粒状、ブリケット状、ペレット状、棒状などであればよく、好ましくはペレット状やブリケット状であればよい。

（加熱工程）
加熱工程では、上記塊成化工程で得られた塊成物を加熱炉内で加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元することによって、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含されており、表面温度が１０００℃以下である金属鉄含有焼結体を製造する。

本発明者らは、上記金属鉄含有焼結体の構造に着目し、該金属鉄含有焼結体を構成している外殻部分と、該外殻の内側に包含されている混合物（内包物）部分（以下、中心部分ということがある。）の夫々について、（粒状）金属鉄とスラグに分離するときの分離性を向上させるために検討したところ、外殻部分と中心部分の形態は次のように変化することが分かった。

塊成物を加熱炉内に送入すると、外部から輻射熱により加熱されて、次の反応が起こり、金属鉄が生成する。
Ｆｅ₂Ｏ₃＋２ＣＯ→２Ｆｅ＋２ＣＯ₂

［外殻部分］
加熱初期においては、輻射熱による加熱が不充分であるため、外殻部分の表面温度は低い。このとき、例えば、１２５０℃未満の温度では、微細な金属鉄と微細な半溶融状態のスラグが混在している状態となる（以下、組織Ａということがある）。従って金属鉄とスラグとの分離性は極めて悪い。こうした形態は、加熱時間が不足した場合や、熱供給が少ない塊成物の下部（炉床近傍）に認められる。

塊成物の加熱が進み、外殻部分の表面温度がやや高くなると（例えば、１２５０℃以上、１３３０℃未満）、金属鉄が焼結して網目状となり、溶融スラグはやや大きく成長し、網目状の金属鉄の中に溶融スラグが分散した状態となる（以下、組織Ｂということがある）。この形態では、溶融スラグの成長が充分ではないため、金属鉄とスラグとの分離性は、良いとは言えない。こうした形態は、塊成物のうち、特に、外殻部の上部に認められる。

塊成物の加熱が更に進み、外殻部分の表面温度が一層高くなると（例えば、１３３０℃以上）、金属鉄が板状に連なり、溶融スラグが大きく成長して溶融スラグが点在した状態となる（以下、組織Ｃということがある）。この形態では、溶融スラグが充分に成長しているため、金属鉄とスラグとの分離性は良好となる。こうした形態は、塊成物のうち、特に、外殻部の上部に認められる。

上記組織Ａと組織Ｂは、加熱の初期段階において、塊成物の外殻部全体に認められるが、上記組織Ｃは、昇温速度が大きく、炭材の消費量が大きい外殻部の上部のみに認められる。即ち、加熱炉内の温度を、例えば、１３００℃以上に高めても、塊成物の温度分布は均一とはならず、外殻部の上部と下部で温度差が生じるため、外殻部の上部は、組織Ｃとなる部分が多いが、外殻部の下部は、組織Ａや組織Ｂにしかならないことが多い。

［中心部分］
中心部分は、外殻部からの伝熱によって加熱され、金属鉄が網目状に生成した後に、スラグが溶融する。この溶融スラグ中には、ＦｅＯは殆ど存在しない。その後、金属鉄へ炭素が浸炭すると、金属鉄は粒状になる（以下、組織Ｄということがある）。

一方、塊成物の内部に炭素とＦｅＯが残っている状態で昇温させると、溶融スラグ中のＦｅＯと炭素が反応して微細な粒状金属鉄が溶融スラグ中に生成する（以下、組織Ｅということがある）。即ち、スラグが溶融し始めたときにＦｅＯが近傍に存在すると、ＦｅＯがスラグ中へ溶解してスラグの融点を低下し、スラグ量を増加させる。この状態で近傍に炭素が存在すると、下記式に示される溶融還元が起こり、非常に微細な金属鉄が生成する。これが、組織Ｅの状態である。この組織Ｅは、固体金属鉄の生成が遅れた状態で温度上昇する塊成物内部に見られる。
２ＦｅＯ（ｌ）＋Ｃ→２Ｆｅ（ｓ）＋ＣＯ₂（ｇ）

金属鉄とスラグの分離性を高めるために、外殻部分を組織Ｃの形態とするように加熱温度を高く設定して塊成物を一気に加熱すると、中心部分も急速に加熱されるため、組織形態は組織Ｅとなる。そのため、組織Ｃとなっている外殻部分からは、大きく成長した溶融スラグを良好に除去できるが、組織Ｅとなっている中心部分は、粒状金属鉄が非常に微細になっているため、スラグとの分離性が悪い。

金属鉄とスラグの分離性を高めるために、中心部分を組織Ｄの形態とするには、脈石成分は溶融させるが、金属鉄は溶融させないことが必要である。金属鉄の溶融状態は、金属鉄への浸炭開始温度と浸炭量に依存する。炭素配合過多の場合は、スラグが充分に溶融しない温度で金属鉄の浸炭が進み、金属鉄が溶融するため、微小な球状の粒になる。よって脈石成分の溶融温度を１３００℃未満に調整することが推奨される。

本発明では、加熱炉内に送入した塊成物の約２０ｍｍ上方の位置における温度を、加熱炉内の温度と同等と評価する。

上記加熱炉としては、公知の炉を用いればよく、例えば、移動炉床式加熱炉を用いればよい。上記移動炉床式加熱炉とは、炉床がベルトコンベアのように炉内を移動する加熱炉であり、具体的には、回転炉床炉が例示できる。上記回転炉床炉は、炉床の始点と終点が同じ位置になるように、炉床の外観形状が円形（ドーナツ状）に設計されており、炉床上に供給された塊成物は、炉内を一周する間に加熱還元されて（粒状）金属鉄を生成する。従って、回転炉床炉には、回転方向の最上流側に塊成物を炉内に供給する装入手段が設けられ、回転方向の最下流側（回転構造であるため、実際には装入手段の直上流側になる）に排出手段が設けられる。

（第一粉砕工程）
第一粉砕工程では、上記加熱工程で得られた金属鉄含有焼結体を粉砕し、金属鉄含有焼結体の外殻部分と、内包物部分に分離する。即ち、上記第一粉砕工程では、金属鉄含有焼結体の外殻部分に過度の力がかからず、外殻部分自体が微粉砕されないように粉砕を行い、外殻部分と内包物部分を分離する必要がある。

上記第一粉砕工程において上記金属鉄含有焼結体を粉砕する方法としては、例えば、ジョークラッシャー、ロールプレス、ハンマーミル（ハンマークラッシャー）などを用いればよい。

ロールプレスを用いる場合には、ロール間の隙間を上記塊成物の短径に対して６０〜９０％として粉砕することが好ましい。上記塊成物の短径とは、塊成物１０個の粒径を測定して算出した平均値を意味する。なお、平均値を求めるにあたっては、割れた状態の塊成物やチップ状に変形した塊成物は除外し、健全な形状（例えば、球状）を保持している塊成物の粒径に基づいて平均値を求めればよい。

上記ロール間の隙間が、上記塊成物の短径に対して９０％を超えると、金属鉄含有焼結体は殆ど粉砕されないため、外殻部分と内包物部分に分離することが困難となる。従ってロール間の隙間は、上記塊成物の短径に対して９０％以下とすることが好ましく、より好ましくは８５％以下、更に好ましくは８０％以下である。しかしロール間の隙間が、上記塊成物の短径に対して６０％を下回ると、外殻部分に過度な力が加わるため、外殻部分も粉砕されてしまい、内包物部分との分離が困難となる。従ってロール間の隙間は、上記塊成物の短径に対して６０％以上とすることが好ましく、より好ましくは６５％以上、更に好ましくは７０％以上である。

なお、上記塊成物の短径は、少なくとも１０個の塊成物について短径を測定し、これを平均した値を基準とすればよい。

ハンマーミルを用いる場合には、できるだけ大きな衝撃力を付与することが好ましいが、鉄を粉砕するような衝撃力を付与する必要はなく、スラグのみが割れる衝撃力を付与すればよい。また、ハンマーミルを用いる場合は、ロストルのない状態で粉砕することが好ましい。

（篩分け工程）
篩分け工程では、上記第一粉砕工程で得られた粉砕物を篩ａを用いて篩分けし、外郭部分と内包物部分に分離する。即ち、上記第一粉砕工程では、金属鉄含有焼結体を粉砕して外殻部分と内包物部分に分離しているため、この第一粉砕工程に続く篩分け工程では、篩ａを用いて外殻部分と内包物部分に分離する。外殻部分と内包物部分に分離するにあたっては、通常、外殻部分よりも内包物部分の方が相対的に小さくなるため、外殻部分と内包物部分に分離できるように上記篩ａの目開きを調整すればよい。

上記篩ａは、目開きが、例えば、１ｍｍ未満の篩を用いてもよいが、目詰まりを起こしやすいため、目開きは１ｍｍ以上とすることが好ましい。上記篩ａの目開きの上限は、例えば、８ｍｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５ｍｍ以下、更に好ましくは３．５ｍｍ以下である。

上記篩ａ上に残留した粗粒は、後述する第二粉砕工程で、更に粉砕する。

一方、上記篩ａを通過した細粒は、例えば、磁選機で磁着物と非磁着物に選別し、磁着物を金属鉄として回収すればよい。

上記篩ａを通過した細粒は、磁選機で選別するに先立って、粉砕することが好ましい。粉砕してから磁選することによって、磁着物に含まれるＴ．Ｆｅを一層高めることができる。

また、上記磁選機で選別された非磁着物は、例えば、更に磁選機で磁着物と非磁着物に選別し、磁着物を金属鉄として回収すればよい。なお、非磁着物を更に選別して金属鉄を回収する工程は、必要に応じて複数回繰り返してもよい。

（第二粉砕工程）
第二粉砕工程では、上記篩分け工程で、篩ａ上に残留した粗粒を更に粉砕する。篩ａ上に残留した粗粒とは、主に、上記金属鉄含有焼結体を構成していた外殻部分に相当しており、第二粉砕工程では、この外殻部分を、金属鉄とスラグに分離するために粉砕する。このとき、金属鉄含有焼結体を構成していた外殻部分のうち、組織Ｂや組織Ｃとなっている部分は、殆どが金属鉄で構成されているため、第二粉砕工程では、粉砕されるよりも、むしろ延伸される。そのため後述する金属鉄回収工程において、金属鉄を延伸された大きな塊として回収できる。一方、外殻部分のうち、組織Ａとなっている部分は、スラグが多量に混入しているため、第二粉砕工程で粉砕され、金属鉄とスラグに分離される。そのため後述する金属鉄回収工程において、粉砕物からスラグが除去され易くなり、金属鉄を効率よく回収できる。

上記第二粉砕工程において上記金属鉄含有焼結体を粉砕する方法としては、例えば、ロールプレス、ハンマーミル（ハンマークラッシャー）などを用いることができ、特に、ロールプレスを好適に採用できる。ロールプレスを用いることによって、外殻部分に含まれる金属鉄を延伸させることができるため、金属鉄を大きな形状のまま回収できる。金属鉄は大きいほど、スラグとの分離性が向上するため、金属鉄の回収効率が高くなる。

ロールプレスを用いる場合には、ロール間の隙間を３ｍｍ以下として粉砕することが好ましい。ロール間の隙間は、試料の大きさに応じて広がるため、０ｍｍに設定してもよい。

第二粉砕工程においてハンマーミルを用いる場合には、ロストルのある状態で粉砕してもよいし、ロストルのない状態で粉砕してもよい。ハンマーの周速は、例えば、３０〜４０ｍ／秒とすることが好ましい。なお、ロストルのある状態で粉砕すると、ロストル間隔以上の大きさの試料は、繰り返しハンマーで粉砕されるため、ハンマーは適当な時間で運転を止めればよい。本発明者らの経験によれば、ハンマーは１０秒以内に停止することが好ましいことが分かっている。

（金属鉄回収工程）
金属鉄回収工程では、上記第二粉砕工程で得られた粉砕物からスラグを除去して金属鉄を回収する。即ち、上記第二粉砕工程で得られた粉砕物とは、金属鉄含有焼結体のうち、外殻部分を粉砕して得られた金属鉄とスラグの混合物（粉砕物）であり、金属鉄回収工程では、この粉砕物からスラグを除去して金属鉄を回収している。

上記粉砕物からスラグを除去する方法は特に限定されないが、例えば、磁選機を用いる方法や、篩を用いる方法が挙げられる。

［磁選］
磁選機を用いる場合には、上記二粉砕工程で得られた粉砕物を磁選機で磁着物と非磁着物に選別し、磁着物を金属鉄として回収すればよい。

上記磁選機で選別された非磁着物は、更に磁選機で選別して磁着物を金属鉄として回収してもよい。非磁着物は、スラグが主体であるが、非磁着物には、通常、金属鉄が若干混入するため、金属鉄の歩留まりを高めるために、非磁着物から金属鉄を回収することが推奨される。なお、非磁着物を更に磁選機で選別して金属鉄を回収する工程は、必要に応じて複数回繰り返してもよい。

［篩分け］
篩を用いる場合には、上記第二粉砕工程で得られた粉砕物を、前記篩ａの目開きと同じであるか、或いは前記篩ａの目開きよりも目開きが大きい篩ｂを用いて篩分けを行い、該篩ｂ上に残留した粗粒を金属鉄として回収すればよい。

上記篩ｂとしては、例えば、目開きが１〜８ｍｍのものを用いることが好ましく、より好ましくは２〜５ｍｍであり、最も好ましくは２〜３．５ｍｍである。目開きが１ｍｍ未満では、上記第一粉砕工程で、充分に粉砕されていない外殻部分（特に、組織Ａ）が混入するため、Ｆｅの歩留まりが悪くなる。一方、目開きが３．３５ｍｍ以上の篩を用いて篩分けを行うと、篩上に残留する粗粒は、Ｆｅ濃度が高くなるため、より高いＦｅ濃度を有する回収物を得ることができる。しかし、目開きを８ｍｍより大きくすると、篩上に残留する粗粒量が少なくなり過ぎるため、金属鉄を回収できない。

なお、上記篩の目開きは、還元前におけるペレットの短径を１９ｍｍと設定したときの値であり、ペレットの大きさを変えた場合には、篩の目開きも変更すればよい。

一方、上記篩ｂを通過した細粒は、例えば、磁選機で磁着物と非磁着物に選別し、磁着物を金属鉄として回収すればよい。なお、非磁着物を更に磁選機で選別して金属鉄を回収する工程は、必要に応じて複数回繰り返してもよい。

上記磁選機としては、公知のものを用いることができるが、乾式のドラム磁選機を好適に用いることができる。湿式の磁選機を用いると、還元鉄が水と接触して酸化することがあるため、還元鉄の純度が低下する恐れがある。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（実験例１）
酸化鉄含有物質および炭材を含む原料混合物からなる塊成物を加熱炉内で加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元することによって、金属鉄含有焼結体を製造した。

上記酸化鉄含有物質としては、下記表１に示す成分組成の鉄鉱石を用いた。表中、Ｔ．Ｆｅは全鉄量を意味している。上記炭材としては、下記表２に示す成分組成の石炭を用いた。上記鉄鉱石および石炭に、更に融点調整剤として石灰石およびＡｌ₂Ｏ₃粉末、バインダーとして小麦粉を配合したものを原料混合物とし、これに少量の水を加えて転動造粒により短径が１９ｍｍの炭材内装ペレットを製造した。

得られた炭材内装ペレットを１８０℃で乾燥し、乾燥ペレット（塊成物）を製造した。乾燥ペレットの成分組成を下記表３に示す。また、下記表３に示した乾燥ペレットの成分組成に基づいて、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）、およびＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂の比（Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂）を算出し、併せて示す。

上記加熱炉として横型電気炉を準備し、上記乾燥ペレットを横型電気炉内で、１２００℃、１３５０℃、１３７０℃と３段階に温度を変化させて昇温し、合計で１１分間加熱し、還元反応を起こさせた後、冷却ゾーンへ取り出して室温まで冷却して金属鉄含有焼結体を製造した。横型電気炉内の雰囲気と、冷却ゾーンの雰囲気は、二酸化炭素ガスと窒素ガスを、体積率で、７５％：２５％で混合した混合ガス雰囲気とした。

得られた金属鉄含有焼結体の形態は、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含されており、表面温度が１０００℃以下であった。金属鉄含有焼結体の平均短径は１５ｍｍであった。

得られた金属鉄含有焼結体を粉砕し、スラグを除去して金属鉄を製造した。このときの流れ図を図２に示し、以下、図２を参酌しつつ説明する。なお、上記図１に対応している箇所には、同一の符号を付した。

上記金属鉄含有焼結体１（９ｋｇ）を、図２中に２で示すジョークラッシャーを用いて粉砕した後（第一粉砕工程）、粉砕物を図２において３で示す篩ａを用いて篩分けを行った（篩分け工程）。篩ａとしては、目開きが１ｍｍの篩を用いた。

篩ａを通過した細粒は、磁選機７を用いて磁着物１１と非磁着物１２に選別し、磁着物１１を金属鉄として回収した。磁着物の質量は２．３８ｋｇであり、Ｔ．Ｆｅは７２．８％であった。

一方、篩ａ上に残留した粗粒は、振動フィーダーを用いて試料供給速度を０．１ｋｇ／分としてロールプレス４ａへ供給し、ロールプレス４ａ（ロール間の隙間は１ｍｍ）を用いて粉砕した後（第二粉砕工程）、磁選機５ａを用いて磁着物と非磁着物に選別した。

磁選機５ａで選別して得られた磁着物は、ロールプレス４ｂ〜４ｄによる粉砕と磁選機５ｂ〜５ｄによる選別を更に３回繰り返して磁着物を金属鉄として回収した（金属鉄回収工程）。即ち、磁選機５ａで選別された磁着物は、ロールプレス４ｂ（ロール間の隙間は０．１５ｍｍ）を用いて粉砕した後、磁選機５ｂを用いて磁着物と非磁着物に選別し、磁選機５ｂで選別された磁着物は、ロールプレス４ｃ（ロール間の隙間は０．１５ｍｍ）を用いて粉砕した後、磁選機５ｃを用いて磁着物と非磁着物に選別し、磁選機５ｃで選別された磁着物は、ロールプレス４ｄ（ロール間の隙間は０．１５ｍｍ）を用いて粉砕した後、磁選機５ｄを用いて磁着物と非磁着物に選別し、磁選機５ｄで選別された磁着物を金属鉄として回収した。磁選機５ｄで選別された磁着物の質量は３．９ｋｇであり、Ｔ．Ｆｅは８８．１％であった。

磁選機５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄで選別された非磁着物は、手動式の磁選機６で磁着物９と非磁着物１０に選別し、磁着物９を金属鉄として回収した。磁着物９の質量は１．２３ｋｇであり、Ｔ．Ｆｅは７５．９％であった。

以上の結果から、本発明によれば、金属鉄含有焼結体の質量（９ｋｇ）に対して８３．４％［（２．３８＋３．９＋１．２３）／９×１００］を金属鉄として回収できた。

（実験例２）
上記実験例１で得られた金属鉄含有焼結体を、別の手順で粉砕し、スラグを除去して金属鉄を製造した。このときの流れ図を図３に示し、以下、図３を参酌しつつ説明する。なお、上記図１、図２に対応している箇所には、同一の符号を付した。図３において、１３はドラム磁選機、１４は粉砕手段、１５は磁選機、１８は非磁着物を示している。

上記金属鉄含有焼結体１（３４．５ｋｇ）を、図３中に２で示すロールプレスを用いて粉砕した後（第一粉砕工程）、粉砕物を図３において３で示す篩ａを用いて篩分けを行った（篩分け工程）。篩ａとしては、目開きが１ｍｍの篩を用いた。

篩ａを通過した細粒は、ディスクミル１６で粉砕した後、磁選機７を用いて磁着物１１と非磁着物１２に選別し、磁着物１１を金属鉄として回収した。磁選機７で選別された磁着物１１の質量は６．２８ｋｇであり、Ｔ．Ｆｅは７５．２５％であった。

なお、上記篩ａを通過した細粒を、ディスクミル１６で粉砕せずに、そのまま磁選機７を用いて磁着物１１と非磁着物１２に選別し、磁着物１１を金属鉄として回収した場合は、磁選機７で選別された磁着物１１のＴ．Ｆｅは７１．２６％であった。ディスクミル１６で粉砕することによって、磁着物に含まれるＴ．Ｆｅを約４％高められることが分かる。

一方、篩ａ上に残留した粗粒は、ハンマーミル４へ供給して粉砕し、篩５ａ（目開きは２．３８ｍｍ）を用いて篩５ａ上に残留する粗粒と、篩５ａを通過する細粒に分級した。

篩５ａ上に残留した粗粒は、スプリッター１７へ供給して貯留し、一部は上記ハンマーミル４へ返送して再度粉砕を行い、一部は篩５ｂへ供給し、篩５ｂ（目開きは４．７６ｍｍ）を用いて篩５ｂ上に残留する粗粒と、篩５ｂを通過する細粒に分級した。

篩５ｂ上に残留した粗粒は、上記ハンマーミル４へ返送して再度粉砕した。篩５ｂ上に残留した粗粒を上記ハンマーミル４へ返送して再度粉砕する工程を３回繰り返した。その結果、１回目に篩５ｂを通過して得られた細粒の質量は７．０ｋｇ、この細粒に含まれる非磁着率は２．５％、スラグ率は１７．８％、２回目に篩５ｂを通過して得られた細粒の質量は２．０ｋｇに含まれる非磁着率は１．５％、スラグ率は１６．４％、３回目に篩５ｂを通過して得られた細粒の質量は１．１ｋｇに含まれる非磁着率は１．０％、スラグ率は１４．７％であった。

篩５ｂを通過した細粒は、篩５ｃへ供給し、篩５ｃ（目開きは２．３８ｍｍ）を用いて篩５ｃ上に残留する粗粒と、篩５ｃを通過する細粒に分級した。篩５ｃ上に残留する粗粒８を金属鉄として回収した。回収した粗粒８の質量は１５．７ｋｇであり、Ｔ．Ｆｅは７８％であった。

Claims (18)

1. 酸化鉄含有物質および炭材を含む原料混合物からなる塊成物を加熱炉内で加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元することによって、金属鉄およびスラグを含む外殻の内側に、粒状金属鉄およびスラグを含む混合物が包含されており、表面温度が１０００℃以下である金属鉄含有焼結体を製造し、得られた金属鉄含有焼結体を粉砕し、スラグを除去して金属鉄を製造する方法であって、
   前記金属鉄含有焼結体を粉砕する第一粉砕工程、
   前記第一粉砕工程で得られた粉砕物を篩ａを用いて篩分けする工程、
   前記篩ａ上に残留した粗粒を更に粉砕する第二粉砕工程、
   前記第二粉砕工程で得られた粉砕物からスラグを除去して金属鉄を回収する工程、
   を含むことを特徴とする金属鉄の製造方法。
2. 前記金属鉄を回収する工程では、前記第二粉砕工程で得られた粉砕物を磁選機で選別し、磁着物を金属鉄として回収する請求項１に記載の製造方法。
3. 前記磁選機で選別された非磁着物を、更に磁選機で選別して磁着物を金属鉄として回収する請求項２に記載の製造方法。
4. 前記金属鉄を回収する工程では、前記第二粉砕工程で得られた粉砕物を、前記篩ａの目開きと同じであるか、或いは前記篩ａの目開きよりも目開きが大きい篩ｂを用いて篩分けを行い、該篩ｂ上に残留した粗粒を金属鉄として回収する請求項１に記載の製造方法。
5. 前記篩ｂとして、目開きが１〜８ｍｍのものを用いる請求項４に記載の製造方法。
6. 前記篩ｂを通過した細粒を磁選機で選別し、磁着物を金属鉄として回収する請求項４または５に記載の製造方法。
7. 前記篩ａとして、目開きが１〜８ｍｍのものを用いる請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
8. 前記第一粉砕工程では、ジョークラッシャーを用いて粉砕する請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
9. 前記第一粉砕工程では、ロールプレスを用い、ロール間の隙間を前記塊成物の短径に対して６０〜９０％として粉砕する請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
10. 前記第一粉砕工程では、ハンマーミルを用い、ロストルのない状態で粉砕する請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
11. 前記第二粉砕工程では、ロールプレスを用い、ロール間の隙間を３ｍｍ以下として粉砕する請求項１〜１０のいずれかに記載の製造方法。
12. 前記第二粉砕工程では、ハンマーミルを用い、ロストルのない状態で粉砕する請求項１〜１０のいずれかに記載の製造方法。
13. 前記原料混合物に、更に融点調整剤を配合する請求項１〜１２のいずれかに記載の製造方法。
14. 前記融点調整剤は少なくともＣａＯ供給物質を含み、前記塊成物に配合するＣａＯ供給物質の量を、前記塊成物中のＣａＯ量およびＳｉＯ₂量から求められるスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が０．２〜０．９となるように調整する請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記ＣａＯ供給物質として、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）₂、およびＣａＣＯ₃よりなる群から選ばれる少なくとも一つを配合する請求項１４に記載の製造方法。
16. 前記篩ａを通過した細粒を磁選機で選別し、磁着物を金属鉄として回収する請求項１〜１５のいずれかに記載の製造方法。
17. 前記篩ａを通過した細粒を、粉砕してから前記磁選機で選別する請求項１６に記載の製造方法。
18. 前記磁選機で選別された非磁着物を、更に磁選機で選別して磁着物を金属鉄として回収する請求項１６または１７に記載の製造方法。

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