JP2015063740A - 粒状鉄の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄が移動床式加熱炉内で再酸化することを防止し、粒状鉄の品質を向上できる粒状鉄の製造方法を提供する。【解決手段】酸化鉄および炭素質還元剤を含む塊成物を移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元、溶融した後、得られた粒状鉄を炉外へ排出して回収する粒状鉄の製造方法であって、前記塊成物は、表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を有している粒状鉄の製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は、酸化鉄（例えば、鉄鉱石）および炭素を含有する還元剤（以下、「炭素質還元剤」ということがある）を含む塊成物を加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元、溶融して粒状鉄を製造する方法に関するものである。

酸化鉄および炭素質還元剤を含む塊成物を加熱して粒状鉄を製造する方法としては、例えば、特許文献１の技術が知られている。この文献には、金属軸受化合物を含む炭素から固体金属製品を製造する方法として、炭素と金属軸受化合物を含んでいる成形体の表面を処理物質で被覆し、これを炉床上へ供給して加熱すること、被覆層には、炭素質物質を含有させることが記載されている。

米国特許第６２１４０８７号明細書

ところで、移動床式加熱炉の炉床上に装入した塊成物は、炉に設けられた加熱バーナーによるガス伝熱や輻射熱によって加熱され、該塊成物に含まれる酸化鉄が炭素質還元剤により還元されて粒状鉄を生成する。しかし、加熱バーナーを加熱手段として用いると、炉内には雰囲気ガスの気流が発生する。この雰囲気ガスには、二酸化炭素や水蒸気などの酸化性ガスが含まれるため、塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄を溶融、凝集して得られた粒状鉄は、この酸化性ガスにより再酸化することがある。還元鉄や粒状鉄が再酸化すると、還元鉄の生成時に副生するスラグ中のＦｅＯ量が増大するため、粒状鉄中の硫黄量［Ｓ］に対するスラグ中の硫黄量（Ｓ）の比（以下、硫黄分配比と呼ぶことがあり、（Ｓ）／［Ｓ］と表記することがある。）が低下する。粒状鉄中の硫黄量が増大すると、粒状鉄の品質が劣化する。また、スラグ中のＦｅＯは、生成する（半）溶融鉄に含まれる炭素［Ｃ］と反応し、これを脱炭するため、粒状鉄中の炭素量が減少する。また、脱炭反応に伴い、スラグには、細かなＣＯガス気泡が多数内在し、大きく膨張する結果、激しいスラグフォーミングを発生し、凝集途上にある（半）溶融状態の粒状鉄を覆いつくす。そのため、加熱炉の上方から供給される熱を遮断し、反応時間が大幅に長くなり、生産性を低下させるという問題も生じる。また、スラグフォーミングが発生すると、粒状鉄の形状が異形となったり、粒状鉄と一部のスラグとの分離が不充分な状態となり、粒状鉄の品質を低下させるという問題も生じる。

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、塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄が移動床式加熱炉内で再酸化することを防止し、粒状鉄の品質を向上できる粒状鉄の製造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粒状鉄の製造方法とは、酸化鉄および炭素質還元剤を含む塊成物を移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元、溶融した後、得られた粒状鉄を炉外へ排出して回収する粒状鉄の製造方法であって、前記塊成物は、表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を有している点に要旨を有している。

前記炭材は、瀝青炭、亜瀝青炭、および褐炭よりなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることができる。前記被覆層の平均厚みは、０．３０ｍｍ超であることが好ましい。

前記塊成物は、第１の造粒機で酸化鉄および炭素質還元剤を含む混合物を塊成化して核部を形成した後、得られた核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を第２の造粒機で形成することにより製造できる。

前記塊成物を加熱している間は、前記被覆層の頂部が前記粒状鉄の頂部よりも低くならないことが好ましい。

前記被覆層は、前記塊成物を加熱している間に殻状のコークスとなることが好ましい。前記塊成物は、前記炉床上に１層となるように装入することが好ましい。前記塊成物を前記炉床上に装入するに先立って、該炉床上に炭素質還元剤を敷くことが好ましい。

前記粒状鉄は、Ｃ量が２．５質量％以上であるか、および／または、Ｓ量が０．１２０質量％以下であることが好ましい。

塊成物に含まれる酸化鉄を加熱、還元、溶融して粒状鉄を製造するにあたり、本発明によれば、酸化鉄および炭素質還元剤を含む核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を有している塊成物を用いているため、該被覆層は、該塊成物を加熱している間に膨張変成し、いわゆるコークス化し、花弁状の殻状のコークスを形成する。この殻状のコークスは、雰囲気ガスが核部を酸化するのを防止し、核部を保護するための防風壁として作用する。その結果、塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄の再酸化が抑えられ、粒状鉄の生成時に副生するスラグ中のＦｅＯ量の増加が抑えられる。そのため、粒状鉄に含まれる硫黄量を低減でき、粒状鉄の品質を向上できる。さらには、スラグ中のＦｅＯ量が増加しないことから、生成する（半）溶融鉄に含まれる炭素［Ｃ］の脱炭を抑制でき、粒状鉄の炭素量を高めることができるうえ、激しいスラグフォーミングも防ぐことができるため、異形の粒状鉄の発生を防ぎ、粒状鉄とスラグの分離も向上し、粒状鉄の品質を向上できる。

図１は、加熱炉の炉床上に装入した塊成物を加熱したときの様子を示した模式図である。 図２は、図１における（４）の段階をより詳細に示した模式図である。 図３の（１）〜（３）は、塊成物を加熱炉内で実際に加熱したときの塊成物を撮影した図面代用写真である。 図４の（１）は、固体還元の後期において回収した還元鉄の断面を光学顕微鏡で撮影した図面代用写真であり、図４の（２）は、図４の（１）を画像処理した図面代用写真である。 図５の（１）は、溶融、凝集直前において回収した還元鉄の断面を光学顕微鏡で撮影した図面代用写真であり、図５の（２）は、図５の（１）を画像処理した図面代用写真である。 図６の（１）は、従来技術に属する被覆層を有しない塊成物を加熱したとき、溶融、凝集完了後の粒状鉄を、激しくフォーミングしたスラグが覆っている状態を撮影した図面代用写真、図６の（２）は、回収した粒状鉄を撮影した図面代用写真、図６の（３）は、回収したスラグを撮影した図面代用写真を夫々示している。 図７の（１）は、核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を形成して得られた塊成物について、溶融、凝集完了後の様子を撮影した図面代用写真、図７の（２）は、回収した粒状鉄を撮影した図面代用写真、図７の（３）は、回収したスラグを撮影した図面代用写真、を夫々示している。 図８の（１）〜（４）は、被覆層の厚みを変えたときに、塊成物を加熱している間に形成される花弁状の殻状のコークスの断面を示した模式図である。 図９の（１）は、表５に示したＮｏ．４を加熱還元処理した直後に撮影した図面代用写真、図９の（２）は、表５に示したＮｏ．５を加熱還元処理した直後に撮影した図面代用写真、図９の（３）は、表５に示したＮｏ．６を加熱還元処理した直後に撮影した図面代用写真、を夫々示している。

本発明者らは、塊成物に含まれる酸化鉄を加熱、還元、溶融して得られる粒状鉄の再酸化を防止し、粒状鉄の品質を向上（特に、粒状鉄に含まれる硫黄量を低減すること、粒状鉄に含まれる炭素量を増加すること、および異形の粒状鉄の発生を防ぎ、粒状鉄とスラグの分離も向上すること）するために、鋭意検討を重ねてきた。その結果、酸化鉄および炭素質還元剤を含む核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を有している塊成物を用いれば、上記課題が見事解決できることを見出し、本発明を完成した。

まず、本発明に係る粒状鉄の製造方法において、粒状鉄の再酸化を防止でき、粒状鉄の品質を向上できる機構（メカニズム）について、図面を用いて説明する。図１は、加熱炉の炉床上に装入した塊成物を加熱したときの様子を示した模式図である。図２は、図１における（４）の段階をより詳細に示した模式図である。図３の（１）は、塊成物を加熱炉内に装入した直後に被覆層が膨張しコークス化した状態を撮影した図面代用写真であり、図３の（２）および図３の（３）は核部の表面に被覆層を有している塊成物を加熱、溶融、凝集させたものについて、花弁状の殻状のコークスとその内部の粒状鉄とスラグ粒を撮影した図面代用写真である。

本発明の製造方法では、酸化鉄および炭素質還元剤を含む核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を有している塊成物を、移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱する。加熱炉に装入する塊成物の模式図を図１の（１）に示す。図１の（１）において、１は核部、２は被覆層、３は塊成物を夫々示している。

核部１は、酸化鉄および炭素質還元剤を含んでおり、更に、必要に応じて、フラックスやバインダーを含んでいてもよい。核部１の成分組成は、従来と同じであり、後で詳述する。

被覆層２は、流動性を有する炭材を含んでおり、更に、必要に応じて、バインダーを含んでいてもよい。被覆層２の成分組成および厚みについては、後で詳述する。

上記移動床式加熱炉内は、通常、加熱バーナーにより１３５０〜１５５０℃程度に加熱保持されている。この加熱炉内の炉床上に塊成物３を装入すると、該塊成物３は、加熱バーナーによるガス伝熱や輻射熱によって加熱される。このとき、被覆層２は、一旦流動化し、図１の（２）に示すように、全体として膨張し、速やかに固体状の殻状のコークスを形成する。この殻状コークスの頂部には、亀裂が発生するが、全体としては連結しており、殻状の球状体を形成する。

被覆層２が加熱により膨張し、塊成物の頂部における被覆層２に亀裂が生じているときの様子を図３の（１）に示す。図３の（１）に示すように、被覆層２には多くの亀裂が生成しているが、全体としては連結しており、殻状の球状体を形成している。この殻状の球状体は、固体状のコークスで構成されているため、伝熱性に優れている。従って、殻状の球状体が、加熱炉内の輻射熱により加熱されると、伝熱により核部１も加熱される。

更に加熱を続けると、図１の（３）に示すように、核部１においては、炭素質還元剤の作用により酸化鉄の還元が進み、固体状の還元鉄が形成される。このとき、核部１を構成している酸化鉄の還元は、核部１の頂部側から進み、還元鉄４が生成する。

そして更に加熱を続けると、図１の（４）に示すように、核部１を構成している酸化鉄は充分に還元され、還元鉄からなる粒状鉄６と、該粒状鉄６が生成するときに副生するスラグ７に分離する。このときの様子を図３の（３）に示す。

一方、上記核部１を覆っている被覆層２については、図１の（３）や図１の（４）に示すように、核部１の周囲に殻状の球状体を形成し、この被覆層２は、雰囲気ガスに含まれる酸化性ガスにより徐々に酸化消耗し、薄くなる。このとき、被覆層２頂部は、底部よりも早く酸化消耗し、徐々に消失するため、被覆層厚みが薄い場合は、図１の（３）や図１の（４）に示すように、頂部に開口が形成される。このときの様子を撮影した図面代用写真を図３の（２）に示す。図３の（２）に示すように、頂部に開口が形成された被覆層２から形成された殻状のコークスは、花弁状を呈していることが分かる。なお、被覆層が厚くなると、形成される殻状のコークスも厚くなるため、殻状のコークスの上部が開放されることなく、核部を包み込んだ状態で反応が完了する。そのため、雰囲気ガスによる再酸化防止に、より有効的に作用することは明らかである。殻状のコークスの上部が開放される場合および開放されない場合のいずれも本発明の範囲に入る。

図１の（４）に示すように、頂部に開口が形成された被覆層２に由来して形成された殻状のコークスは、粒状鉄６の周囲に、該粒状鉄６を包み込むように形成されるため、該殻状のコークスは、核部を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄が加熱炉内の雰囲気ガスにより再酸化するのを防止する作用を有している。このことを図２を用いてより詳しく説明する。

図２において示した矢印は、雰囲気ガスの流れを示している。本発明の製造方法によれば、核部１に含まれる酸化鉄の固体還元が終了し、溶融、凝集が進む間は、図２に示すように、核部を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄６とスラグ７を包み込むように被覆層２に由来して殻状のコークスが形成される。そのため、加熱炉内の雰囲気ガスは、核部の表面に被覆層を有している塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄６に直接接触し難くなる。また、雰囲気ガスには、二酸化炭素ガス（ＣＯ₂ガス）や水分（Ｈ₂Ｏ）が含まれるが、二酸化炭素ガスが、被覆層２に由来して形成される殻状のコークスに接触すると、該二酸化炭素ガスは、殻状のコークスにより還元され、下記式（１）に示すように、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を生成する。また、雰囲気ガスに含まれる水分が、被覆層２に由来して形成される殻状のコークスに接触すると、該水分は殻状のコークスにより還元され、下記式（２）に示すように、水素ガス（Ｈ₂）と一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を生成する。その結果、被覆層２に由来して形成される殻状のコークスの周辺における雰囲気ガスの還元度ＲＤは高くなり、核部の表面に被覆層を有している塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られる粒状鉄の再酸化が防止される。なお、雰囲気ガスの還元度ＲＤは、下記式（３）で求められる。
ＣＯ₂＋Ｃ＝２ＣＯ ・・・（１）
Ｈ₂Ｏ＋Ｃ＝Ｈ₂＋ＣＯ ・・・（２）
ＲＤ＝［（ＣＯ＋Ｈ₂）／（ＣＯ＋Ｈ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ）］×１００ ・・・（３）

本発明の製造方法によれば、核部の表面に被覆層２を有している塊成物を加熱している間は、該塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄を、被覆層２に由来して形成された殻状のコークスが酸化性ガスから充分に保護しており、上記還元鉄や上記粒状鉄の再酸化を防止できる。この被覆層２に由来して形成された殻状のコークスは、上記塊成物を加熱している間に花弁状となっており、被覆層２に由来して形成された殻状のコークスの高さは、一定ではなく、一部が欠けていても本発明の効果は得られる。

これに対し、従来のように、流動性を有する炭材を含む被覆層を形成していない核部１のみを、加熱炉で加熱すると、固体還元期において、核部１全体の還元は進行するものの、核部１自体が雰囲気ガスに直接曝されるため、該雰囲気ガスに含まれる酸化性ガスにより、該核部１を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄の一部は再酸化する。

流動性を有する炭材を含む被覆層を形成していない核部１のみを加熱して得られる還元鉄を撮影した図面代用写真を図４と図５に示す。図４は、固体還元の後期において回収した還元鉄の断面を光学顕微鏡で撮影した図面代用写真を示している。図５は、溶融、凝集直前において回収した還元鉄の断面を光学顕微鏡で撮影した図面代用写真を示している。また、図４、図５において、（１）は、断面を撮影した顕微鏡写真を示しており、（２）は、（１）に示した断面において、還元された部分と再酸化した部分を色分けして示した模式図を示している。

図４の（２）、図５の（２）に示すように、還元鉄の上部は、一旦生成した金属鉄の一部が再酸化し、ＦｅＯになっていることが分かる。

再酸化により生成したＦｅＯは、溶融、凝集期に、分離生成するスラグに速やかに溶融し、スラグ中のＦｅＯ濃度を高める。また、ＦｅＯがスラグに溶融する際には、生成する（半）溶融鉄に含まれる炭素［Ｃ］と反応し、これを脱炭するため、スラグには、細かなＣＯガス気泡が多数内在し、大きく膨張する結果、激しいスラグフォーミングを発生し、凝集途上にある（半）溶融状態の粒状鉄を覆いつくす。そのため、加熱炉の上方から供給される熱を遮断し、反応時間が大幅に長くなり、生産性を低下させるという問題も生じる。また、スラグフォーミングが発生すると、粒状鉄の形状が異形となったり、粒状鉄と一部のスラグとの分離が不充分な状態となり、粒状鉄の品質を低下させるという問題も生じる。この酸化性ガスは、加熱炉内を加熱するときの燃焼バーナーや、還元反応に伴って発生する可燃ガスの燃焼、ならびに漏れ込み空気などがその発生源である。

なお、本発明の製造方法のように、流動性を有する炭材を含む被覆層を有している塊成物を用いた場合には、塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄の再酸化が防止されるため、溶融・凝集期に粒状鉄とスラグは、別々に溶融合体して分離する。その結果、スラグフォーミングは発生しない。

以上説明したように、本発明の製造方法では、酸化鉄および炭素質還元剤を含む核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を有している塊成物を用いているところに最大の特徴がある。

上記流動性を有する炭材とは、３５０〜４００℃で熱軟化性を示す炭材を意味する。

「熱軟化性を示す炭材」とは、ＩＳＯ １０３２９（２００９年）で規定されている方法で炭材の軟化溶融点を測定したときに、軟化溶融点が３５０〜４００℃の炭材を意味している。

上記流動性を有する炭材としては、例えば、流動性を有する瀝青炭、流動性を有する亜瀝青炭、および流動性を有する褐炭よりなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましく、２種以上を用いても良い。これらの炭材のなかでも、瀝青炭を用いることがより好ましい。

なお、炭材には、無煙炭もあるが、この無煙炭は流動性を有していない。従って、被覆層２に無煙炭を含有させると、粒状鉄の周囲に殻状の球状体は形成されない。そのため、核部は、加熱炉内の雰囲気ガスに曝されてしまい、塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄は再酸化する。

上記被覆層２の平均厚みは、特に限定されないが、例えば、０．３０ｍｍ超であることが好ましい。被覆層２の平均厚みを０．３０ｍｍ超とすることにより、粒状鉄の再酸化抑制効果をより強固なものとし、花弁状の外殻を形成することができる。また、被覆層２の強度を高め、塊成物全体の強度を高めるのにも有効に作用する。被覆層２の平均厚みが、０．３０ｍｍ以下では、被覆層２の強度が低くなり、また、被覆層２が加熱されることにより形成する殻状の球状体（コークス花弁）の厚みが薄くなるため、加熱時間の経過と共に酸化消耗し、粒状鉄の溶融、凝集までその形状を維持することは困難となる。従って、被覆層２の平均厚みは、より好ましくは０．５０ｍｍ以上であり、更に好ましくは０．７０ｍｍ以上であり、特に好ましくは１．００ｍｍ以上である。

被覆層２の平均厚みの上限も特に限定されないが、厚くなり過ぎると、炭材の使用量が増加するため、塊成物全体に含まれる鉄量が減少し、生産性が低下する。また、経済的にも無駄である。従って、被覆層２の平均厚みは、好ましくは２．００ｍｍ以下、より好ましくは１．８０ｍｍ以下、更に好ましくは１．５０ｍｍ以下である。

上記被覆層２の厚みは、塊成物の断面を光学顕微鏡で観察することにより測定すればよい。

以上、本発明の製造方法を特徴づける塊成物について説明した。

次に、本発明に係る粒状鉄の製造方法について説明する。

本発明に係る粒状鉄の製造方法は、
酸化鉄および炭素質還元剤を含む混合物を塊成化して核部を形成する工程（以下、核部形成工程ということがある）と、
得られた核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を形成する工程（以下、表面被覆工程ということがある）と、
得られた塊成物を移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元、溶融する工程（以下、還元溶融工程ということがある）と、
得られた粒状鉄を炉外へ排出して回収する工程（以下、回収工程ということがある）
をこの順で含んでいる。

［核部形成工程］
核部形成工程では、酸化鉄および炭素質還元剤を含む混合物を塊成化して塊成物の核部を製造する。

上記酸化鉄としては、具体的には、鉄鉱石、砂鉄、製鉄ダスト、非鉄精錬残渣、製鉄廃棄物などの酸化鉄源を用いることができる。

上記炭素質還元剤としては、炭素を含有する還元剤、例えば、石炭やコークスなどを用いることができる。石炭を用いる場合は、流動性を有する石炭を用いても良いし、流動性を有さない石炭を用いてもよい。

上記混合物には、更にフラックスを配合してもよい。上記フラックスとは、酸化鉄源中の脈石や、炭素質還元剤中の灰分と融合し、最終的なスラグの融点や、流動性を調整する役割を有する。

上記フラックスとしては、例えば、ＣａＯ供給物質、ＭｇＯ供給物質、Ａｌ₂Ｏ₃供給物質、ＳｉＯ₂供給物質、蛍石（ＣａＦ₂）などを用いることができる。

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用いることができる。

上記ＭｇＯ供給物質としては、例えば、ＣａＭｇ（ＣＯ₃）₂（ドロマイト）、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してもよい。

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できる。

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。

上記混合物には、酸化鉄、炭素質還元剤、およびフラックス以外の成分として、バインダーなどを更に配合してもよい。

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。

なお、以下では、フラックスおよびバインダーをまとめて添加剤ということがある。

上記酸化鉄および炭素質還元剤、並びに必要に応じて配合する添加剤は、回転容器形の混合機や固定容器形の混合機等を用いて混合すればよい。

上記混合機で得られた混合物は塊成化し、塊成物の核部を製造する。上記核部の平均直径は特に限定されないが、例えば、１８〜２２ｍｍであることが推奨される。

上記混合物を塊成化する際に用いる第１の造粒機としては、例えば、皿形造粒機（ディスク形造粒機）、円筒形造粒機（ドラム形造粒機）、双ロール型ブリケット成型機、押し出し機などを用いることができる。

上記核部の形状は特に限定されず、例えば、ペレット状やブリケット状などであればよい。

［表面被覆工程］
表面被覆工程では、上記核部形成工程で得られた核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を形成する。

上記被覆層を形成するにあたっては、上記流動性を有する炭材以外に、バインダーを含んでいてもよい。

上記バインダーとしては、上記に例示したものを用いることができる。

上記被覆層に含有させるバインダーと、上記核部に含有させるバインダーの種類は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

上記核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を形成する際に用いる第２の造粒機としては、例えば、皿形造粒機（ディスク形造粒機）や円筒形造粒機（ドラム形造粒機）などを用いることができる。

上記第１の造粒機と上記第２の造粒機は、同じ種類のものを用いてもよいし、異なる種類のものを用いてもよい。

上記塊成物（即ち、核部の表面に流動性を有する炭材を含む被覆層を形成した塊成物）の大きさも特に限定されないが、粒径（最大粒径）は５０ｍｍ以下であることが好ましい。塊成物の粒径を過剰に大きくしようとすると、造粒効率が悪くなる。また、塊成物が大きくなり過ぎると、塊成物の下部への伝熱が悪くなり、生産性が低下する。なお、塊成物の粒径の下限値は５ｍｍ程度である。

塊成物の乾燥は、後述する還元溶融工程における加熱炉での加熱で乾燥を兼ねてもよいが、還元溶融工程の前に乾燥させることが推奨される。また、乾燥は、核部の表面に、被覆層を形成した後に行うことが好ましいが、核部を造粒した後に、一旦乾燥してから被覆層を形成してもよい。

［還元溶融工程］
還元溶融工程では、上記表面被覆工程で得られた塊成物を移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱することによって、該塊成物中の酸化鉄を還元、溶融することによって還元鉄からなる粒状鉄を製造する。

上記移動床式加熱炉とは、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、例えば、回転炉床炉やトンネル炉が挙げられる。

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、炉床上に装入された塊成物に含まれる酸化鉄は、炉内を一周する間に加熱還元されて還元鉄を生成し、引き続き溶融、凝集して粒状鉄とスラグを生成する。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装入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。上記トンネル炉とは、炉床が直線方向に炉内を移動する加熱炉である。

上記塊成物は、１３５０℃以上で加熱することが好ましい。加熱温度が１３５０℃を下回ると、還元鉄やスラグが溶融しにくく、高い生産性が得られないことがある。従って加熱温度は、１３５０℃以上とすることが好ましく、より好ましくは１４００℃以上である。しかし、加熱温度が１５５０℃を超えると、排ガス温度が高くなるため、排ガス処理設備が大掛かりなものとなって設備コストが増大する。従って加熱温度は１５５０℃以下とすることが好ましく、より好ましくは１５００℃以下である。

上記塊成物は、上記炉床上に１層となるように装入することが好ましい。炉床上に、塊成物を２層以上に積層すると、下層の塊成物が充分に加熱されず、還元、溶融が不充分となり、粒状鉄を製造することが困難となる。なお、１層とは、炉床に対して塊成物が縦方向に積層しないことを意味し、塊成物の横方向には空隙があってもよいことを意味している。即ち、塊成物は、密集して充填されていなくてもよい。また、部分的には塊成物同士の重なりが発生することがあるが、部分的な重なりは本発明の効果を打ち消すものではない。

上記塊成物を上記炉床上に装入するに先立って、該炉床上に炭素質還元剤を床敷材として敷くことが好ましい。床敷材を敷くことにより、炉床を保護できる。

上記床敷材の粒径は、塊成物やその溶融物が潜り込まないように３ｍｍ以下であることが好ましい。上記床敷材の粒径の下限については、バーナーの燃焼ガスによって吹き飛ばされないように０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

［回収工程］
回収工程では、上記還元溶融工程で得られた粒状鉄を炉外へ排出し、粒状鉄を回収する。

また、上記粒状鉄を炉外へ排出する際には、粒状鉄の他、副生するスラグや、床敷材が含まれているため、炉外において、例えば、篩分けや磁選分離機を用いて粒状鉄を回収すればよい。

本発明の製造方法では、Ｃ量が２．５質量％以上の粒状鉄を製造することが可能となる。

また、本発明の製造方法では、Ｓ量が０．１２０質量％以下の粒状鉄を製造することが可能となる。

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］
本実験例では、表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を有している塊成物と、当該被覆層を有していない塊成物を準備し、これらを加熱炉で加熱し、得られた粒状鉄の再酸化が抑えられているかどうかを調べた。

まず、酸化鉄および炭素質還元剤を含む塊成物を製造した。

上記酸化鉄としては、下記表１に示す成分組成の鉄鉱石を用いた。表１において、Ｔ．Ｆｅは全鉄を意味している。鉄鉱石としては、粒径４４μｍ以下のものが６７質量％となるように粉砕したものを用いた。

上記炭素質還元剤としては、下記表２に示す成分組成の炭材を用いた。表２において、Ｔ．Ｃは全炭素、Ｆ．Ｃは固定炭素を意味している。炭材としては、粒径７５μｍ以下のものが約５５質量％となるように粉砕したものを用いた。

上記酸化鉄（鉄鉱石）および炭素質還元剤（炭材）を含む混合物に、更にバインダー、添加剤、および適量の水を配合し、これらを第１の造粒機で塊成化して核部となる生ペレットに造粒した。バインダーとしては、小麦粉を用いた。添加剤としては、石灰石、ドロマイト、蛍石を用いた。第１の造粒機としては、皿形造粒機を用いた。核部（生ペレット）の平均直径は２１ｍｍ（一定）とした。酸化鉄（鉄鉱石）、炭素質還元剤（炭材）、バインダー、および添加剤の配合割合を下記表３に示す。

得られた核部（生ペレット）の一部は、乾燥機に装入し、１６０〜１８０℃で約１．０時間加熱して付着水を除去し、球状の乾燥ペレットを製造した。

一方、得られた核部（生ペレット）の一部は、乾燥せずに、その表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を形成した。即ち、上記流動性を有する炭材としては、流動性を有する瀝青炭を準備し、上記核部（生ペレット）を第２の造粒機に装入した後、瀝青炭と少量のバインダー（小麦粉）を混合した混合物を供給し、核部の表面に被覆層を形成した。第２の造粒機としては、皿形造粒機を用いた。核部の表面に被覆層を形成して得られた生ペレットを切断し、断面を光学顕微鏡で観察し、被覆層の平均厚みは１．０ｍｍであることを確認した。次に、表面に被覆層を形成した核部（生ペレット）を乾燥機に装入し、１６０〜１８０℃で約１．０時間加熱して付着水を除去し、球状の乾燥ペレット（即ち、塊成物）を製造した。

次に、被覆層を形成していない球状の乾燥ペレットと、被覆層を形成した球状の乾燥ペレットを、夫々、約１４５０℃に保持した加熱炉（実験炉）に装入して加熱し、乾燥ペレット中の酸化鉄を還元、溶融した。

加熱炉内の雰囲気は、実機を模擬して、高酸化性雰囲気とした。具体的には、酸化性ガスは二酸化炭素で代表し、二酸化炭素を４０体積％、窒素を６０体積％含む混合ガス雰囲気とした。その結果、上記乾燥ペレットを加熱炉へ装入すると、被覆層は膨張し、核部の周囲には、被覆層に含まれる炭材がコークス化した花弁が形成された。この花弁は、雰囲気ガスが核部に接触するのを防ぐ防風壁として作用していた。

加熱炉内で、酸化鉄を還元、溶融した後、得られた粒状鉄を炉外へ排出して粒状鉄を回収した。このとき粒状鉄の生成時に副生したスラグも併せて回収した。得られた粒状鉄およびスラグの成分組成を下記表４に示す。

また、下記表４には、粒状鉄に含まれるＳ量［Ｓ］に対する、スラグに含まれるＳ量（Ｓ）の比（硫黄分配比）を算出し、併せて示した。

表４に基づいて次のように考察できる。

（被覆層無し）
被覆層を形成していない場合は、下記表４に示すように、スラグ中のＦｅＯ量が６．５３質量％と多くなった。その結果、硫黄分配比が１．５６となり、粒状鉄に含まれるＳ量は０．１７１質量％となり、粒状鉄の品質を向上できなかった。

スラグ中のＦｅＯ量が増加した理由は、次のように考えられる。即ち、固体還元期において、被覆層を形成していない乾燥ペレットは、その上部から還元鉄が生成するものの、雰囲気中の酸化性ガスによりその一部が再酸化（Ｆｅ＋ＣＯ₂＝ＦｅＯ＋ＣＯ）され、生成したＦｅＯが溶融スラグ中に溶解し、高ＦｅＯ含有溶融スラグを生成する。その後、溶融凝集期に、溶融還元反応を伴い、その結果、スラグ中のＦｅＯと溶融粒状鉄中の［Ｃ］との反応（脱炭反応）を引き起こし、激しいスラグフォーミング現象が発生する。脱炭反応は吸熱反応であるため、鉄への伝熱が著しく遅れ、反応時間が大幅に延びるという欠点を有している。また、フォーミングしたスラグは、凝集途上の半溶融鉄を覆い尽くし、上部からの熱輻射を阻害するため、これによっても鉄への伝熱が著しく遅れ、反応時間が大幅に延びる。最終的には溶融粒状鉄と溶融スラグを形成するものの、スラグは大きく発泡し、スラグに含まれるＦｅＯは依然として高い値を維持しているため、生成する粒状鉄中の［Ｓ］は、０．１７１質量％となった。また、生成する粒状鉄中の［Ｃ］は、目標とする２．５質量％を下回り、２．４９質量％となった。従って、製品となる粒状鉄の品質を著しく劣化させる結果となっている。また、激しいスラグフォーミングのため、溶融粒状鉄の温度上昇が妨げられ、所定の反応時間内では完全に凝集することなく、高い比率で一部スラグを取り込んだ異形状の粒状鉄を形成し、形状的にも製品粒鉄の価値を著しく落とす結果となっている。

ここで、溶融、凝集完了後の粒状鉄を撮影した図面代用写真を図６の（１）に示す。また、回収した粒状鉄を撮影した図面代用写真を図６の（２）に示す。また、回収したスラグを撮影した図面代用写真を図６の（３）に示す。

本実験例では、反応時間（炉内滞留時間）を充分確保したため、図６の（２）に示すように、回収された粒鉄は異形状であるものの、粒状鉄とスラグに分離されていることが分かる。しかし、実機においては、生産性の観点から炉内滞留時間を充分に確保することが困難であり、凝集が完全に完了する前に炉外へ搬出せざるを得ないのが実情である。そのため、粒状鉄形状の更なる劣化と、一部スラグとメタルの分離が不十分な状態で炉外に排出され、製品粒鉄品質と歩留の低下が避けられない状況にあった。

（被覆層有り）
被覆層を形成した乾燥ペレットを加熱反応場に装入すると、被覆層に含まれる炭材は、速やかにコークス化する。このとき、被覆層には大きな亀裂（クラック）が発生するが、被覆層が剥離落下することはなく、図２に示すように、コークス壁を形成し、核部を包み込む極めて特徴ある現象が確認された。このコークス壁は、核部に含まれる酸化鉄の還元反応を進行させると共に、上部は、雰囲気ガスにより徐々に酸化消耗（Ｃ＋ＣＯ₂＝２ＣＯ、Ｃ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ＋Ｈ₂）しながら、上部が解放された花弁状になる場合があることが判明した。更に、固体還元が完了すると、核部の内部に生成した粒状鉄と、その他の酸化物は、花弁状のコークス壁内の底部で溶融しながら凝集し、溶融粒状鉄と溶融スラグに分離し、反応が完了する。

この様に、花弁状のコークス壁は、核部を酸化性雰囲気ガスから保護する極めて有意な役割を果たし、核部は、固体還元期から溶融、凝集期のほぼ全期間に亘って雰囲気ガスによる再酸化が大幅に抑制され、反応が完了する等、従来の被覆層を形成していない乾燥ペレットの反応挙動と比べて顕著な差が確認された。

ここで、溶融、凝集完了後の様子を撮影した図面代用写真を図７の（１）に示す。また、回収した粒状鉄を撮影した図面代用写真を図７の（２）に示す。また、回収したスラグを撮影した図面代用写真を図７の（３）に示す。

この結果、本発明法によれば、図７の（２）に示すように、ほぼ同一形状の粒状鉄が得られると共に、併せて回収されるスラグとの分離性も良好となる（図７の（３））。また、表４に示すように、スラグに含まれるＦｅＯ量は、０．２９質量％となり、粒状鉄の再酸化は抑制されていることが分かる。また、硫黄分配比は、１４．６４となり、粒状鉄に含まれるＳ量は、０．０５９質量％まで低減できた。

［実験例２］
本実験例では、核部の表面に形成する被覆層の厚みを変えた塊成物を製造し、これを加熱炉で加熱し、得られた粒状鉄の再酸化が抑えられているかどうかを調べた。

まず、上記実験例１の手順に従って、核部の表面に、被覆層の厚みを変えて被覆層を形成した生ペレットを製造した。被覆層を形成した核部を切断し、断面を光学顕微鏡で観察して被覆層の厚みを確認した。その結果、被覆層の平均厚みは０．３０〜２．００ｍｍであった。

核部の表面に被覆層を形成して得られた生ペレットは、乾燥機に装入し、１６０〜１８０℃で約１．０時間加熱して付着水を除去し、球状の乾燥ペレット（即ち、塊成物）とした。

次に、球状の乾燥ペレットを、約１４５０℃に保持した加熱炉（実験炉）に装入して加熱し、乾燥ペレット中の酸化鉄を還元、溶融した。加熱炉内の雰囲気は、実機を模擬して、高酸化性雰囲気とした。具体的には、二酸化炭素を４０体積％、窒素を６０体積％含む混合ガス雰囲気とした。その結果、上記乾燥ペレットを加熱炉へ装入すると、被覆層は膨張し、核部の周囲には、被覆層に含まれる炭材がコークス化した花弁が形成された。この花弁の高さは、サンプル毎に異なっていたが、いずれも雰囲気ガスが核部に接触するのを防ぐ防風壁として作用していた。

加熱炉内で、酸化鉄を還元、溶融した後、得られた粒状鉄を炉外へ排出して粒状鉄を回収した。このとき粒状鉄の生成時に副生したスラグも併せて回収した。得られた粒状鉄およびスラグの成分組成を下記表５に示す。

一方、下記表５には、比較例として、表面に被覆層を形成していない生ペレットをそのまま乾燥機に装入し、表面に被覆層を形成した場合と同じ条件で乾燥して球状の乾燥ペレットを製造した。

得られた球状の乾燥ペレットを、表面に被覆層を形成した場合と同じ条件で加熱し、乾燥ペレット中の酸化鉄を還元、溶融した。得られた粒状鉄およびスラグの成分組成を下記表５に示す。

また、下記表５には、粒状鉄に含まれるＳ量［Ｓ］に対する、スラグに含まれるＳ量（Ｓ）の比（硫黄分配比）を算出し、併せて示した。

表５に基づいて次のように考察できる。

Ｎｏ．８は、核部の表面に被覆層を形成していないため、還元して得られた粒状鉄の再酸化を防止できず、スラグに含まれるＦｅＯ量が６．５３質量％と多くなり、硫黄分配比が１．５６と小さくなった。その結果、粒状鉄に含まれるＳ量は、０．１７１質量％と高くなり、粒状鉄の品質を改善できなかった。

これに対し、Ｎｏ．１〜７は、核部の表面に被覆層を形成したため、塊成物に含まれる酸化鉄を還元して得られた還元鉄や粒状鉄が加熱炉内において再酸化するのを防止でき、スラグに含まれるＦｅＯ量が０．１８〜２．２３質量％と少なくなり、硫黄分配比は、４１．６４〜２．９６と大きくなった。その結果、粒状鉄に含まれるＳ量は、０．０２２〜０．１３９質量％と低くなり、粒状鉄の品質を改善できた。また、表５から明らかなように、被覆層の厚みを大きくするほど、スラグに含まれるＦｅＯ量は少なくなり、硫黄分配比は、大きくなる傾向が読み取れる。従って、被覆層の厚みを大きくするほど、粒状鉄に含まれるＳ量は低減できることが分かる。特に、Ｎｏ．１〜６については、粒状鉄に含まれるＳ量を０．１２０質量％以下に抑えることが可能であった。

一方、核部の表面に被覆層を形成していないＮｏ．８では、粒状鉄に含まれる炭素量は、２．４９質量％と低い値となったが、核部の表面に被覆層を形成したＮｏ．１〜７では、粒状鉄に含まれる炭素量は、２．６５〜３．４９質量％と高くなり、核部の表面に被覆層を形成することによって、粒状鉄の品質を改善できることが分かる。

なお、被覆層の平均厚みが大きくなるほど、加熱還元処理後に形成されている花弁の高さは高く維持される傾向があることが分かった。

被覆層の厚みを変えたときに、塊成物を加熱している間に形成され、粒状鉄が得られた後に残存している花弁状の壁面の高さを示した模式図を図８に示す。

図８の（１）は、被覆層の平均厚みが、例えば、１．３０〜２．００ｍｍの場合を示しており、図８の（２）は、被覆層の平均厚みが、例えば、０．８０〜１．２０ｍｍの場合を示しており、図８の（３）は、被覆層の平均厚みが、例えば、０．６０〜０．８０ｍｍの場合を示しており、図８の（４）は、被覆層の平均厚みが、例えば、０．３０〜０．５０ｍｍの場合を示している。図８において、２は被覆層、６は粒状鉄、７はスラグを夫々示している。

また、表５に示したＮｏ．４を加熱還元処理した直後に撮影した図面代用写真を図９の（１）に、表５に示したＮｏ．５を加熱還元処理した直後に撮影した図面代用写真を図９の（２）に、表５に示したＮｏ．６を加熱還元処理した直後に撮影した図面代用写真を図９の（３）に、夫々示す。

また、被覆層の平均厚みが０．３０ｍｍの場合は、小規模のスラグフォーミングが発生していたが、被覆層の平均厚みが０．５０ｍｍの場合は、スラグフォーミングの発生は認められなかった。一方、核部の表面に被覆層を形成しない場合は、極めて激しいスラグフォーミングが発生していた。

［実験例３］
本実験例では、核部の表面に形成する被覆層に配合する炭材として、流動性を有さないものを用いて塊成物を製造し、これを加熱炉で加熱し、得られた粒状鉄の再酸化が抑えられているかどうかを調べた。

まず、上記実験例１の手順に従って、核部の表面に、平均厚みが０．５０ｍｍの被覆層を形成した生ペレットを製造した。このとき、流動性を有する炭材（流動性を有する瀝青炭）の代わりに、流動性を有しない炭材として、無煙炭を用いた。この無煙炭の成分組成を下記表６に示す。

次に、表面に被覆層を形成した核部（生ペレット）を乾燥機に装入し、１６０〜１８０℃で約１．０時間加熱して付着水を除去し、球状の乾燥ペレット（即ち、塊成物）とした。

次に、被覆層を形成していない球状の乾燥ペレットと、被覆層を形成した球状の乾燥ペレットを、夫々、約１４５０℃に保持した加熱炉（実験炉）に装入して加熱し、乾燥ペレット中の酸化鉄を還元、溶融した。

加熱炉内の雰囲気は、実機を模擬して、高酸化性雰囲気とした。具体的には、二酸化炭素を４０体積％、窒素を６０体積％含む混合ガス雰囲気とした。

その結果、上記乾燥ペレットを加熱炉へ装入すると、被覆層は膨張したが、亀甲状に割れ、薄い破片として核部の上に堆積し、コークスの花弁は形成されなかった。核部の上に堆積した破片は、時間の経過とともに核部の周辺に落下し、核部の頂部は、雰囲気ガスに曝される結果となった。

加熱炉内で、酸化鉄を還元、溶融した後、得られた粒状鉄を炉外へ排出して粒状鉄を回収した。このとき粒状鉄の生成時に副生したスラグも併せて回収した。得られた粒状鉄およびスラグの成分組成を下記表７に示す。

また、下記表７には、粒状鉄に含まれるＳ量［Ｓ］に対する、スラグに含まれるＳ量（Ｓ）の比（硫黄分配比）を算出し、併せて示した。

表７に基づいて次のように考察できる。核部の表面に被覆層を形成した場合であっても、該被覆層に配合する炭材が、流動性を有しない場合は、塊成物を加熱還元して得られた還元鉄や、該還元鉄が溶融、凝集して得られた粒状鉄の再酸化を防止できず、スラグに含まれるＦｅＯ量を低減できないことが分かる。その結果、硫黄分配比が小さくなり、粒状鉄に含まれる硫黄量は高くなり、品質を改善できないことが分かる。

１ 核部
２ 被覆層
３ 塊成物
４ 還元鉄
６ 粒状鉄
７ スラグ

Claims (10)

1. 酸化鉄および炭素質還元剤を含む塊成物を移動床式加熱炉の炉床上に装入して加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元、溶融した後、得られた粒状鉄を炉外へ排出して回収する粒状鉄の製造方法であって、
   前記塊成物は、表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を有していることを特徴とする粒状鉄の製造方法。
2. 前記炭材は、瀝青炭、亜瀝青炭、および褐炭よりなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１に記載の製造方法。
3. 前記被覆層の平均厚みは、０．３０ｍｍ超である請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記塊成物は、
   第１の造粒機で酸化鉄および炭素質還元剤を含む混合物を塊成化して核部を形成した後、
   得られた核部の表面に、流動性を有する炭材を含む被覆層を第２の造粒機で形成したものである請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記塊成物を加熱している間は、前記被覆層の頂部が前記粒状鉄の頂部よりも低くならない請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記被覆層は、前記塊成物を加熱している間に殻状のコークスとなる請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
7. 前記塊成物は、前記炉床上に１層となるように装入する請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
8. 前記塊成物を前記炉床上に装入するに先立って、該炉床上に炭素質還元剤を敷く請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
9. 前記粒状鉄は、Ｃ量が２．５質量％以上である請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
10. 前記粒状鉄は、Ｓ量が０．１２０質量％以下である請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法。