JP2016222957A - 還元鉄の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が高い還元鉄の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の還元鉄の製造方法は、酸化鉄含有物質及び炭素質還元剤を含む混合物を塊成化することにより塊成物を作製する工程と、前記塊成物を加熱することにより、該塊成物中の酸化鉄を還元して還元鉄を作製する工程とを含み、前記塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率をＯ_FeOとし、前記塊成物に含まれる全固定炭素量の質量率をＣ_fixとし、前記炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率をＸ_under105とすると、下記の式（Ｉ）を満たすことを特徴とする。
Ｃ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeO≦５１ ・・・（Ｉ）
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鉱石等の酸化鉄源（「酸化鉄含有物質」とも記す）と、石炭等の炭素を含む炭素質還元剤と、を含む塊成物を加熱することにより、該塊成物中の酸化鉄を還元して還元鉄を製造する方法に関する。

酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造する方法として直接還元製鉄法が開発されている。直接還元製鉄法は、酸化鉄含有物質及び炭素質還元剤を含む塊成物を加熱し、該塊成物中の酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造する方法である。この具体的手順は、第１に、酸化鉄含有物質及び炭素質還元剤を混合して混合物を作製する。第２に、上記混合物に水を加えてタイヤ型造粒器に投入して塊成物を作製する。第３に、上記塊成物を加熱炉に装入し、炉内で加熱バーナーによってガス加熱するか又は輻射熱によって加熱する。この加熱により塊成物中の炭素質還元剤に由来する還元性ガスが発生する。この還元性ガスが酸化鉄を還元することにより還元鉄を得ることができる。

上記直接還元製鉄法を使用するメリットとして、高炉等の大規模な設備が不要なこと、炭素質還元剤としてコークスの代わりに比較的容易に入手できる石炭を利用できること、粉末状の鉄鉱石を酸化鉄含有成分として利用できること、酸化鉄含有成分に近接して炭素質還元剤を配置できるため酸化鉄を速やかに還元できること、還元鉄に含まれる炭素含有量を調整しやすいこと等が挙げられる。

一方で、上記直接還元製鉄法を工業的規模で実施するために、操業安定性、経済性、還元鉄の品質等のように改善しなければならない課題も多い。このような課題を解決するための試みとして、特許文献１〜９の技術が提案されている。

上記課題の中でも、近年は還元鉄の歩留まりの向上が特に重要視されている。なぜなら歩留まりが悪ければコストが高くなって工業的規模で生産できないからである。還元鉄の歩留まりは、酸化鉄含有成分をいかに効率的に還元するかというところも重要ではあるが、製品として使いにくい微細な粒状還元鉄の生成率を減らし、粗大な還元鉄の生成率を増やすこともまた重要である。このような還元鉄の歩留まりを向上する試みとして、特許文献１０及び１１の技術が提案されている。

特許文献１０は、平均粒子径が４０〜１６０μｍであって粒子径が４００μｍ以上の粒子を２質量％以上含む炭素質還元剤を用いることを開示している。

また別の試みとして、例えば特許文献１１は、４８メッシュ未満のサイズの第１炭素質還元剤と、３メッシュから４８メッシュのサイズで第１炭素質還元剤の平均粒子径よりも大きな平均粒子径の第２炭素質還元剤とを含む塊成物を開示している。この第１炭素質還元剤は、酸化鉄含有物質を還元鉄にするために必要な化学量論比の６５％〜９５％含まれており、かつ第２炭素質還元剤は、酸化鉄含有物質を還元鉄にするために必要な化学量論比の２０％〜６０％含まれている。

特開２００３−１３１２５号公報 特開２００４−２８５３９９号公報 特開２００９−７６１９号公報 特開２００９−２７０１９３号公報 特開２００９−２７０１９８号公報 特開２０１０−１８９７６２号公報 特開２０１３−１４２１６７号公報 特開２０１３−１７４００１号公報 特開２０１３−３６０５８号公報 特開２０１４−６２３２１号公報 米国特許第８６９０９８８号

特許文献１０に開示の塊成物は、４００μｍ以上の粒子径の炭素質還元剤を含むことにより、粒子径の大きな還元鉄の歩留まりを向上させることができる。しかしながら、４００μｍ以上の粒子径の炭素質還元剤を用いると、加熱前の塊成物を作製しにくくなることがある。

特許文献１１に開示の塊成物は、２種の粒子径の炭素質還元剤を準備する必要があるため、炭素質還元剤の粉砕設備を２台準備する必要がある。これにより製造設備のコストが高くなるというデメリットがある。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生産性が高い還元鉄の製造方法を提供することである。

本発明者らは上記目的を達成するため、塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量と、塊成物中の炭素質還元剤の分量及び粒子径との関係を調べた。その結果、塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量に対して塊成物中の炭素質還元剤が過多である場合、つまり酸化鉄の還元に必要な炭素量を超えて固定炭素を含有する場合、還元鉄が十分に凝集せず、還元鉄の歩留まりが低下することが明らかとなった。

また、従来は、炭素質還元剤が微粒化するほど得られる還元鉄の粒子径が大きくなるものと考えられていたが、炭素質還元剤の粒子径が小さい場合、炭素質還元剤の分量を調整しても、還元鉄が十分に凝集しにくくなることがわかった。この原因は、酸化鉄粒子間に粒子径の小さい炭素質還元剤が存在することにより、還元鉄が酸化鉄粒子間を浸透できなくなって還元鉄の凝集が阻害されることによるものと考えられる。

そこで、炭素質還元剤の粒子径と、塊成物中に含まれる全固定炭素量と、塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量との関係について鋭意検討を重ねた。その結果、１０５μｍ以下の粒子径の炭素質還元剤の割合を低減させることで還元鉄が炭素質還元剤の粒子間を浸透しやすくなること、塊成物中に含まれる全固定炭素量の質量率を低減させることで還元鉄が凝集しやすくなること、及び塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量が多いほど還元鉄の歩留まりが向上することを見出し、以下に示す本発明を完成した。

すなわち、本発明の還元鉄の製造方法は、酸化鉄含有物質及び炭素質還元剤を含む混合物を塊成化することにより塊成物を作製する工程と、前記塊成物を加熱することにより、該塊成物中の酸化鉄を還元して還元鉄を作製する工程とを含み、前記塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率をＯ_FeOとし、前記塊成物に含まれる全固定炭素量の質量率をＣ_fixとし、前記炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率をＸ_under105とすると、下記の式（Ｉ）を満たすことを特徴とする。

Ｃ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeO≦５１ ・・・（Ｉ）
上記式（Ｉ）を満たすことにより、塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率Ｏ_FeOと、塊成物に含まれる全固定炭素量の質量率Ｃ_fixと、１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率をＸ_under105とが適正な割合で含まれるため、還元鉄の歩留まりを向上させることができ、還元鉄の生産性を高めることができる。なお、還元鉄の歩留まりは、塊成物中に含まれる鉄の合計質量に対する直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄の質量割合であり、［（直径が３．３５ｍｍ以上の還元鉄の質量／塊成物中に含まれる鉄の合計質量）×１００］で算出する。

上記構成において、好ましくは、Ｘ_under105が１質量％以上６５質量％以下である。Ｘ_under105が上記範囲にあることにより、還元鉄が炭素質還元剤の粒子間を浸透しやすくなり、還元鉄の凝集を促進することができる。

上記構成において、好ましくは、炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１２０μｍ以上２５０μｍ以下の粒子径の粒子の質量率が３０質量％以上８０質量％以下である。上記粒子径の粒子を上記の範囲で含むことにより、酸化鉄含有物質中の酸化鉄を効率よく還元することができ、かつ還元鉄同士が凝集して大型化しやすい。

本発明によれば、生産性が高い還元鉄の製造方法を提供することができる。

各実施例及び各比較例のＣ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeOと鉄歩留まり（質量％）との相関を示すグラフであり、縦軸は鉄歩留まり（質量％）であり、横軸はＣ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeOである。 各実施例及び各比較例のＣ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeOと粉発生率（質量％）との相関を示すグラフであり、縦軸は粉発生率（質量％）であり、横軸はＣ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeOである。 実施例３（Ａ−５）、比較例１（Ａ−１）及び比較例２（Ａ−４）で用いる石炭の粒径分布であり、縦軸は頻度（質量％）であり、横軸は粒子径（μｍ）である。 実施例４（Ａ−７）、比較例３（Ａ−６）及び比較例４（Ｂ−１）で用いる石炭の粒径分布であり、縦軸は頻度（質量％）であり、横軸は粒子径（μｍ）である。 実施例１（Ａ−２）、実施例２（Ａ−３）、実施例７（Ｂ−３）、実施例８（Ｂ−４）及び比較例５（Ｂ−２）で用いる石炭の粒径分布であり、縦軸は頻度（質量％）であり、横軸は粒子径（μｍ）である。

以下、本発明の還元鉄の製造方法を具体的に説明する。

本発明の還元鉄の製造方法は、酸化鉄含有物質及び炭素質還元剤を含む混合物を塊成化することにより塊成物を作製する工程（以下「塊成化工程」とも記す）と、前記塊成物を加熱することにより、該塊成物中の酸化鉄を還元して還元鉄を作製する工程（以下、「還元工程」とも記す）とを含む。そして、塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率をＯ_FeOとし、塊成物に含まれる全固定炭素量の質量率をＣ_fixとし、炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率をＸ_under105とすると、下記の式（Ｉ）を満たすことを特徴とする。

Ｃ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeO≦５１ ・・・（Ｉ）

上記（Ｉ）を満たすことにより、炭素質還元剤の粒子間を還元鉄が浸透して還元鉄が凝集しやすくなる。これにより還元鉄同士が合体し、直径３．３５ｍｍ以上の粗大な還元鉄の回収率を高めることができる。上記式（Ｉ）の左辺が４５以下であることがより好ましく、さらに好ましくは４０以下である。上記式（Ｉ）の左辺を５１以下とする方法は、特に限定されず、塊成物に含まれる全固定炭素量の質量率Ｃ_fixを減少させてもよいし、塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率Ｏ_FeOを増加させてもよいし、炭素質還元剤を構成する粒子のうちの１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率Ｘ_under105を下げてもよいし、これらの手法を組み合わせてもよい。また、式（Ｉ）の左辺を５１以下とするために、炭素質還元剤の粒度分布に応じて酸化鉄含有物質及び炭素質還元剤の配合量を調整してもよい。

式（Ｉ）中の「塊成物に含まれる全固定炭素量の質量率Ｃ_fix」は、炭素質還元剤に含まれる固定炭素量の質量率と、バインダーを含む場合はそのバインダーに含まれる固定炭素量の質量率との和によって算出される。炭素質還元剤に含まれる固定炭素量の質量率は、ＪＩＳ Ｍ８８１２で規定される固定炭素質量分率算出方法によって算出した値を採用する。バインダーに含まれる固定炭素量の質量率は、炭素質還元剤に含まれる固定炭素量と同様の方法によって算出することができる。

式（Ｉ）中の「塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率Ｏ_FeO」は、酸化鉄含有物質中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率と、炭素質還元剤の成分のうちの灰分中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率との和によって算出される。塊成物中の酸化鉄は、マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）又はヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）として含まれるため、これらの含有割合を特定してからそれぞれの酸化鉄に含まれる酸素量の質量率に換算することによって酸化鉄に含まれる酸素量の質量率を算出する。炭素質還元剤に含まれる灰分の割合は、ＪＩＳ Ｍ８８１２で規定される灰分定量法で定量した値を採用し、灰分中の酸化鉄の割合は高周波誘導結合（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）発光分光分析法で定量した値を採用する。

式（Ｉ）中の「炭素質還元剤を構成する粒子のうちの１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率Ｘ_under105」は、レーザー回折式粒度分布測定装置（Ｌｅａｄｓ ａｎｄ Ｎｏｒｔｈｒｕｐ製マイクロトラックＦＲＡ９２２０）を用いて炭素質還元剤の粒度分布を測定し、全粒子径の質量に対する体積平均粒子径が１０５μｍ以下の粒子径の質量の質量％を算出した値である。なお、上記測定装置による測定では体積率の値が算出されるが、体積率は質量率と等しいものとする。

本発明の還元鉄の製造方法を構成する各工程を説明する。

［塊成化工程］
塊成化工程では、酸化鉄含有物質及び炭素質還元剤を含む混合物を塊成化することにより塊成物を製造する。

混合物は、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤等の原料粉末を混合機で混合することにより得ることができる。上記混合物に、融点調整剤及びバインダーのいずれか一方若しくは両方をさらに混合してもよい。

上記混合物を作製する混合機は、回転容器形又は固定容器形のいずれを用いてもよい。回転容器形の混合機としては、例えば回転円筒形、二重円錐形、Ｖ形等が挙げられる。固定容器形の混合機としては、例えば内部に鋤等の回転羽を設けた混合槽が挙げられる。

＜塊成物＞
塊成物は、上記混合物を塊成化する塊成機を用いて作製される。塊成機としては、例えば、皿形造粒機、円筒形造粒機、双ロール型ブリケット成型機等を用いることができる。塊成物の形状は、特に限定されず、ペレット状、ブリケット状等であればよい。塊成物の成型方法としては、ペレット成型、ブリケット成型又は押し出し成型を用いることができる。

塊成物の大きさは特に限定されないが、５０ｍｍ以下の粒子径であることが好ましく。より好ましくは４０ｍｍ以下の粒子径である。このような粒子径の塊成物を用いることにより、造粒効率を高めることができるし、加熱時に塊成物の全体に熱を行き渡らせやすい。一方、塊成物の大きさは５ｍｍ以上の粒子径であることが好ましく、より好ましくは１０ｍｍ以上の粒子径である。このような粒子径であることにより塊成物が取り扱いやすくなる。

＜酸化鉄含有物質＞
酸化鉄含有物質は、マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）、ヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）等の酸化鉄を含有し、後の加熱工程で炭素質還元剤とともに加熱されることにより還元鉄を生成する。式（Ｉ）のＯ_FeO（塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率）は、酸化鉄含有物質の割合を増減させることによって調整することができる。
このような酸化鉄含有物質としては、鉄鉱石、砂鉄、製鉄ダスト、非鉄精錬残渣、製鉄廃棄物等を用いることができる。上記鉄鉱石としては、例えば、豪州産又はインド産のヘマタイト鉱石を用いることが好ましい。

上記酸化鉄含有物質は、混合する前に予め粉砕することが好ましく、より好ましくは平均粒子径が１０〜６０μｍとなるように粉砕することが好ましい。上記酸化鉄含有物質の粉砕方法は特に限定されず、振動ミル、ロールクラッシャ、ボールミル等の公知の手段を採用することができる。

＜炭素質還元剤＞
炭素質還元剤は、酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄を還元するものであり、塊成物に固定炭素を供給するために添加される。式（Ｉ）のＣ_fix（塊成物に含まれる全固定炭素量の質量率）は、炭素質還元剤の割合を増減させることによって調整することができる。上記炭素質還元剤としては、例えば、石炭、コークス、製鉄ダスト等を用いることができる。

炭素質還元剤は、塊成物中に含まれる全固定炭素量Ｃ_fixに対する塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素原子Ｏ_FeOとの原子モル比（Ｏ_FeO／Ｃ_fix）が０．８以上２以下になるようになるように添加されることが好ましい。上記原子モル比Ｏ_FeO／Ｃ_fixの下限は０．９以上が好ましく、より好ましくは１．０以上、さらに好ましくは１．１以上である。また原子モル比Ｏ_FeO／Ｃ_fixの上限は１．８以下であることが好ましく、より好ましくは１．７以下である。炭素質還元剤の添加量が多いと、加熱前の塊成物の強度が低下してハンドリング性が低下する。一方、炭素質還元剤の添加量が少ないと、酸化鉄の還元不足が生じて還元鉄の歩留まりが低下する。

炭素質還元剤の平均粒子径の上限は１０００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは７００μｍ以下であり、さらに好ましくは５００μｍ以下である。平均粒子径が１０００μｍ以下であることにより、酸化鉄含有物質に含まれる酸化鉄の還元を万遍なく進行させることができる。平均粒子径の下限は１００μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１５０μｍ以上であり、さらに好ましくは２００μｍである。上記平均粒子径は、５０％体積粒子径を意味する。

炭素質還元剤の粒子径が７１０μｍ以上の粒子は、ＪＩＳに規定の標準篩を用いて粒度分布を測定した値を用い、粒子径が７１０μｍ未満の粒子は、レーザー回折式粒度分布測定装置（Ｌｅａｄｓ ａｎｄ Ｎｏｒｔｈｒｕｐ製マイクロトラックＦＲＡ９２２０）で測定した値を用いる。

従来は炭素質還元剤の上記平均粒子径が還元鉄の生産性に影響すると考えられていたが、本発明者らは、炭素質還元剤の平均粒子径よりもむしろ粒径分布が還元鉄の生産性に影響することを見出した。つまり、本発明者らは、炭素質還元剤の平均粒子径が大きかろうが小さかろうが、そのことが還元鉄の歩留まりに大した影響を及ぼすわけではなく、それよりもむしろ炭素質還元剤に含まれる１０５μｍ以下の粒子の割合を減らすことこそが還元鉄の歩留まりを向上させることを見出した。この理由は、１０５μｍ以下の粒子の炭素質還元剤が炭素質還元剤の粒子間を埋めることで、３．３５ｍｍ以上の粗大な大きさまで還元鉄が凝集しにくくなるからと考えている。

このため、炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率Ｘ_under105が６５質量％以下であることが好ましく、５０質量％以下であることがより好ましく、さらに好ましくは２５質量％以下である。一方、Ｘ_under105は１質量％以上であることが好ましく、より好ましくは３質量％以上であり、さらに好ましくは５質量％以上である。上記炭素質還元剤の粒径分布は、その平均粒子径を測定した測定装置と同一のものを用いて得ることができる。

また炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する１２０μｍ以上２５０μｍ以下の粒子径の粒子の質量率Ｘ_120〜250は３０質量％以上８０質量％以下であることが好ましい。上記粒子径の粒子を上記質量率で含むことにより、炭素質還元剤の粒子間に適度な空隙が生まれ、かかる空隙に還元鉄が流れこんで互いに凝集し、粗大な還元鉄を製造することができる。２５０μｍを超える粒子径の粒子の質量率が増えると塊成物を塊成化しにくくなり、逆に１２０μｍ未満の粒子径の粒子の割合が増えると還元鉄が微細化する傾向がある。Ｘ_120〜250は４５質量％以上であることがより好ましく、さらに好ましくは５０質量％以上である。またＸ_120〜250は７５質量％以下であることが好ましい。

＜融点調整剤＞
融点調整剤は、酸化鉄含有物質中の脈石の融点及び炭素質還元剤中の灰分の融点を下げる作用を示す成分である。かかる融点調整剤を配合することにより、加熱時に脈石が溶融して溶融スラグとなる。この溶融スラグに酸化鉄の一部が溶解し、溶融スラグ中で還元されて金属鉄となる。この金属鉄は、固体のまま還元された金属鉄と接触して固体の金属鉄として凝集する。

上記融点調整剤としては、ＣａＯ供給物質、ＭｇＯ供給物質、ＳｉＯ₂供給物質等を用いることができる。ＣａＯ供給物質はＣａＯ（生石灰）、Ｃａ（ＯＨ）₂（消石灰）、ＣａＣＯ₃（石灰石）及びＣａＭｇ（ＣＯ₃）₂（ドロマイト）からなる群より選ばれる１種以上を用いることができる。ＭｇＯ供給物質としては、ＭｇＯ粉末、天然鉱石又は海水等から抽出されるＭｇ含有物質、ＭｇＣＯ₃等が挙げられる。上記ＳｉＯ₂供給物質としては、例えばＳｉＯ₂粉末、珪砂等が挙げられる。

融点調整剤は、混合する前に予め粉砕することが好ましい。融点調整剤は平均粒子径が５μｍ以上９０μｍ以下となるように粉砕することが好ましい。この粉砕方法は上記酸化鉄含有物質と同様の粉砕方法を用いることができる。

＜バインダー＞
バインダーとしては、例えば、コーンスターチや小麦粉等の澱粉などの多糖類を用いることができる。

［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することにより還元鉄を作製する。

加熱工程は、加熱炉に塊成物を装入し、炉内を昇温することにより塊成物を１３００℃以上１５００℃以下に加熱することが好ましい。上記加熱温度が１３００℃以上であることにより、金属鉄が溶融しやすくなり、生産性を高めることができる。加熱温度が１５００℃以下であることにより、排ガスの温度が高くなることを抑制し、排ガス処理設備のコストを抑制することができる。

上記塊成物を加熱炉に装入する前に、炉床に床敷材を敷くことにより炉床を保護することが好ましい。床敷材としては、炭素質、耐火セラミックス、耐火性粒子、又は上述の炭素質還元剤に用いる材料が挙げられる。床敷材を構成する材料は０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の粒子径のものを用いることが好ましい。０．５ｍｍ以上であることにより床敷材が炉内のバーナーの燃焼ガスで飛ぶことを抑制することができる。３ｍｍ以下であることにより、塊成物やその溶融物が床敷材に潜り込みにくくなる。

上記加熱炉としては、電気炉又は移動炉床式加熱炉を用いることが好ましい。移動炉床式加熱炉は、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、トンネル炉等が挙げられる。

回転炉床炉は、炉床の外観形状が円形又はドーナツ状に設計されており、炉床の始点と終点が同じ位置になる。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に排出手段が設けられる。なお、回転構造であるため、排出手段は装入手段の直上流側に設けられる。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。

［その他］
上記粒状化工程で得られた粒状金属鉄は、副生したスラグや、必要に応じて敷かれた床敷材等と共に炉内から排出される。このように排出された粒状金属鉄は、篩や磁選機等を用いて選別することにより所望の大きさの還元鉄を回収することができる。以上のようにして還元鉄を製造することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１〜８及び比較例１〜５）
表１に示す配合比率で、鉄鉱石（酸化鉄含有物質）と、石炭（炭素質還元剤）と、石灰石（融点調整剤）と、小麦粉（バインダー）とを配合することにより混合物を作製した。石炭は、後掲の表２及び表３に示すように粒径分布及び組成が異なる１１種（Ａ−１〜Ａ−７及びＢ−１〜Ｂ−４）を用いた。上記混合物に適量の水を加えてタイヤ型造粒機によってφ１９ｍｍの大きさの生ペレット（塊成物）を造粒した。この生ペレットを乾燥機を用いて１８０℃で１時間加熱することにより生ペレットを乾燥させペレットを得た。

次に、加熱炉の炉床を保護するために加熱炉の炉床に最大粒子径が２ｍｍ以下の炭材（無煙炭）を配置し、その炭材上に乾燥ペレットを配置した。そして、加熱炉に４０体積％の窒素ガスと６０体積％の二酸化炭素ガスとを含む混合ガスを、２２０ＮＬ／分のガス流量で導入しながら加熱炉内を１４５０℃で１１．５分間加熱することにより酸化鉄を還元して被加熱ペレットを作製した。なお、加熱炉に導入する混合ガスの成分及び流量を変えても、後述する歩留まり及び粉発生率の値は変化しないことを確認している。

上記被加熱ペレットを加熱炉内から取り出して磁選した上で、３．３５ｍｍの目開きの篩を用いて篩分けし、直径３．３５ｍｍ以上の大きさの還元鉄を回収した。

表１における「全固定炭素量の質量率Ｃ_fix」は、ペレット中の炭素質還元剤及びバインダーに含まれる固定炭素の合計質量率（％）である。炭素質還元剤及びバインダーに含まれる固定炭素は、ＪＩＳ Ｍ８８１２で規定される固定炭素質量分率算出方法によって算出した値を採用した。

表１における「酸化鉄中酸素量Ｏ_FeO」は、酸化鉄含有物質中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率と、炭素質還元剤の成分のうちの灰分中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率との合計質量率（％）である。酸化鉄含有物質中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率は、酸化鉄含有物質中のマグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）及びヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）のそれぞれに含まれる酸素量の質量率の和によって算出した。算出方法の詳細は後述する。炭素質還元剤に含まれる灰分の割合は、ＪＩＳ Ｍ８８１２で規定される灰分定量法で定量した。

表１における「１０５μｍ以下質量率（％）Ｘ_under105」は、炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率（％）である。この質量率は、レーザー回折式粒度分布測定装置（Ｌｅａｄｓ ａｎｄ Ｎｏｒｔｈｒｕｐ製マイクロトラックＦＲＡ９２２０）を用いて炭素質還元剤を構成する粒子の粒度分布を測定することにより算出した。

表１における「１２０〜２５０μｍ質量率（％）Ｘ_120〜250」は、炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１２０〜２５０μｍの粒子径の粒子の質量率（％）である。この質量率は、上記レーザー回析式粒度分布測定装置によって測定することにより算出した。

表１における「式（Ｉ）Ｃ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeO」は、全固定炭素量の質量率Ｃ_fix、酸化鉄に含まれる酸素量の質量率Ｏ_FeO、及びＸ_under105をそれぞれ、式（Ｉ）に代入することによって算出された値である。

表１における「鉄歩留り」は、加熱炉に装入したペレット中の鉄の合計質量に対する篩上の還元鉄の質量割合であり、以下の式で算出された値である。鉄歩留まりの値が高いほど生産性が高いことを示している。
歩留まり（％）＝（篩上の還元鉄の質量／加熱炉に装入したペレット中の鉄の合計質量）×１００

表１における「粉発生率」は、加熱炉に装入したペレット中の鉄の合計質量に対する、篩上に残留しなかった微粉鉄の質量割合であり、以下の式で算出された値である。粉発生率が低いほど生産性が高いことを示している。
粉発生率（％）＝（（加熱炉に装入したペレット中の鉄の合計質量−篩上の還元鉄中の微粉鉄の質量）／加熱炉に装入したペレット中の鉄の合計質量）×１００

図１は、各実施例及び各比較例のＣ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeOと鉄歩留り（質量％）との相関を示すグラフであり、図２は、各実施例及び各比較例のＣ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeOと粉発生率（質量％）との相関を示すグラフである。

図１及び図２並びに表１に示す結果から、式（Ｉ）の左辺の値が５１以下である実施例１〜８の製造方法では、鉄歩留りが９０質量％以上であり、かつ粉発生率が１０質量％以下であった。これに対し、式（Ｉ）の左辺の値が５１を超える比較例１〜５の製造方法では、鉄歩留りが８０質量％未満であり、かつ粉発生率が２０質量％を超えていた。この結果から、式（Ｉ）の左辺の値を５１以下にすることにより、高い生産性で還元鉄を製造できることが明らかとなり、本発明の効果が示された。

図３〜図５は、Ａ−１〜Ａ−７及びＢ−１〜Ｂ−４の石炭の粒度分布のグラフである。図３は粒径分布が２山型となっている石炭の粒径分布であり、図４は平均粒子径は異なるが粒径分布の山なりの形状が似ている石炭の粒径分布であり、図５は、平均粒子径が１山型となっている石炭の粒径分布である。図３〜図５に示すように粒径分布の形状が１山型でも２山型でも還元鉄の生産性が高い場合もあるし低い場合もあることがわかる。このことから、粒径分布の形状が１山型であるか２山型であるかということよりも、炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率が重要であることが示された。

なお、表１中の塊成物に含まれる各原料としては下記のものを用いた。

＜鉄鉱石（酸化鉄含有物質）＞
酸化鉄含有物質としては、６２．５２質量％の鉄（Ｔ．Ｆｅ）と、１．５１質量％のＦｅＯと、５．９８質量％のＳｉＯ₂と、０．８２質量％のＡｌ₂Ｏ₃と、０．１０質量％のＣａＯと、０．０７質量％のＭｇＯとを含む成分組成のヘマタイト系鉄鉱石を用いた。上記Ｔ．Ｆｅ及びＦｅＯの含有量は、ニクロム酸カリウム滴定法で定量した値を採用した。

酸化鉄含有物質はヘマタイト系鉄鉱石であるため、酸化鉄含有物質に含まれる鉄（Ｔ．Ｆｅ）のうちＦｅＯはマグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）として存在し、それ以外の鉄はヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）として存在すると仮定した。この仮定に基づいてマグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）及びヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）の質量％を下記の計算式によって算出した。

マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）量＝（ＦｅＯ分析値）／（ＦｅＯ分子量）×（Ｆｅ₃Ｏ₄分子量）
ヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）量＝（（Ｔ．Ｆｅ分析値）−（Ｆｅ₃Ｏ₄量／Ｆｅ₃Ｏ₄分子量×鉄原子量×３））／（鉄原子量×２）×（Ｆｅ₂Ｏ₃分子量）
酸化鉄に含まれる酸素量（Ｏ_FeO）＝Ｆｅ₂Ｏ₃量×酸素原子量×３＋Ｆｅ₃Ｏ₄量×酸素原子量×４
上記計算により、酸化鉄は、８４．３５質量％のヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）と、４．８７質量％のマグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）とを含み、これら酸化鉄に含まれる酸素量の質量率（Ｏ_FeO）は２６．７質量％と算出された。

＜石炭（炭素質還元剤）＞
炭素質還元剤としては、粒度分布及び組成が異なる１１種（Ａ−１〜Ａ−７及びＢ−１〜Ｂ−４）の石炭を用いた。各石炭の粒度分布及び組成はそれぞれ表２及び表３に示す。

表２は、レーザー回折式粒度分布測定装置（Ｌｅａｄｓ ａｎｄ Ｎｏｒｔｈｒｕｐ製マイクロトラックＦＲＡ９２２０）を用いて下記の測定条件で測定したＡ−１〜Ａ−７及びＢ−１〜Ｂ−４の石炭に含まれる各粒子径（μｍ）に対する頻度（質量％）である。なお、レーザー回折法では、粒度分布が体積％で測定されるが、体積％を質量％と等しいと仮定した。

＜測定条件＞
測定方式：レーザー回析／散乱式
測定範囲：０．１２〜７１０μｍ
溶媒：純水

表３における「固定炭素（Ｃ_carbon）」、「揮発分」及び「灰分」はそれぞれ、石炭中の固定炭素、揮発分及び配分をＪＩＳ Ｍ ８８１２で規定される固定炭素質量分率算出方法、揮発分定量方法及び灰分定量方法によって定量した値である。固定炭素（Ｃ_carbon）は、全体（１００）から灰分及び揮発分の質量を引くことによって算出した。

表３における「灰分」の成分組成のうちのＳ以外（Ｆｅ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ）はＩＣＰ発光分光分析法で定量し、Ｓは燃焼赤外線吸収法で定量した。なお、表３中の「全炭素（Ｔ．Ｃ）」も燃焼赤外線吸収法を用いて定量した。

表３中の「石炭中の酸化鉄に含まれる酸素量」は、（灰分分析値）×（灰分中Ｆｅ₂Ｏ₃分析値）／１００／（Ｆｅ₂Ｏ₃の分子量）×酸素原子量×３によって算出した値である。

＜石灰石（融点調整剤）＞
融点調整剤としては、０．２３質量％のＳｉＯ₂と、５７．０１質量％のＣａＯと、０．１６質量％のＡｌ₂Ｏ₃と、０．１７質量％のＭｇＯとを含む成分組成の石灰石を用いた。なお、融点調整剤の成分組成は、上記炭素質還元剤と同一の手法で定量した。

＜小麦粉（バインダー）＞
バインダーとしては、７１．７７質量％の全炭素と、９．３２質量％の固定炭素と、９０．０２質量％の揮発分と、０．６６質量％の灰分とを含む成分組成の小麦粉を用いた。なお、小麦粉の成分組成は、上記炭素質還元剤と同一の手法で定量した。

今回開示された実施形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

Claims (3)

1. 酸化鉄含有物質及び炭素質還元剤を含む混合物を塊成化することにより塊成物を作製する工程と、
   前記塊成物を加熱することにより、該塊成物中の酸化鉄を還元して還元鉄を作製する工程とを含み、
   前記塊成物中の酸化鉄に含まれる酸素量の質量率をＯ_FeOとし、
   前記塊成物に含まれる全固定炭素量の質量率をＣ_fixとし、
   前記炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１０５μｍ以下の粒子径の粒子の質量率をＸ_under105とすると、下記の式（Ｉ）を満たすことを特徴とする還元鉄の製造方法。
   Ｃ_fix×Ｘ_under105／Ｏ_FeO≦５１ ・・・（Ｉ）
2. 前記Ｘ_under105が１質量％以上６５質量％以下である、請求項１に記載の還元鉄の製造方法。
3. 前記炭素質還元剤を構成する粒子の全質量に対する、１２０μｍ以上２５０μｍ以下の粒子径の粒子の質量率は、３０質量％以上８０質量％以下である、請求項１又は２に記載の還元鉄の製造方法。

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