JP5445032B2

JP5445032B2 - 還元鉄粉の製造方法

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Publication number: JP5445032B2
Application number: JP2009247142A
Authority: JP
Inventors: 泰彦阪口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP2011094172A

Description

本発明は、機械部品や磁性材料などの焼結製品、あるいは化学反応用やカイロ用等の粉末のままで使用される鉄粉製品などの原料として用いられる還元鉄粉の製造方法に関するものである。

還元鉄粉の製造においては、図１および図２に示すような、サガーと呼ばれる耐火物製円筒状の反応容器１内に、ミルスケールや鉄鉱石粉などの粉状酸化鉄２とコークス粉や石炭粉などの粉状還元剤３とが層別された状態に充填される。充填の方法としては、図１に示す粉状酸化鉄２を円筒状に充填する方法や、図２に示すラセン状に充填する方法がある。

そして、粉状酸化鉄２と粉状還元剤３とが充填されたサガーをトンネル炉などの焼成炉に装入して、１０００〜１３００℃の温度に加熱し、粉状酸化鉄２から還元鉄粉を製造する。

上述したサガーを利用した還元鉄粉の製造技術が、特許文献１、特許文献２および非特許文献１に開示されている。

特開２００２−２４１８２２号公報特開２００５−３６３０７号公報

「鉄鋼便覧第３版」第５巻第４５７頁右欄１０〜１３行

サガーを利用した従来の上記還元鉄粉製造技術にあっては、図1および図2に示すように、粉状酸化鉄２のまわりを粉状還元剤３が取り囲むように充填されている。この結果、原料の充填後に反応容器１が加熱されると、反応容器１内で生成した一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスの粉状酸化鉄２や粉状還元剤3内への拡散が、還元反応の進行を律速することとなる。

ところが、図１や図２に示した充填構造をとる方法にあっては、粉状酸化鉄２と粉状還元剤３の層が隔離されているので、一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスの拡散距離が大きくなり、その分、還元に必要な時間が長く掛かるという問題がある。

例えば、加熱にトンネル炉を使用する工業生産規模の製造工程では、トンネル炉を１０００〜１２００℃に加熱し、サガーと呼ばれる反応容器１のトンネル炉内の滞留時間が９０〜１００時間である。これは、還元反応効率（ガス利用効率）が低いため、トンネル炉内での滞留時間が長くなり、原料の充填から製品の抜き出しまでを加算すると1週間を要し、生産性が低い製造プロセスであり、また、還元に要する加熱エネルギーの消費も著しく大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決でき、ガス反応効率がよく、生産性が高い還元鉄粉の製造方法を提供することにある。

サガーを利用した従来の上記還元鉄粉製造技術にあっては、原料の充填後に反応容器１が加熱されると、まず、一番初期の段階で、粉状還元剤３の層の空隙部に存在する酸素が、粉状還元剤３中の炭素と反応して生成する二酸化炭素ガスや、粉状還元剤に添加されている石灰石が分解して生成する二酸化炭素ガスが前記粉状還元剤３中の炭素と式（１）に示す反応によって、還元ガスである一酸化炭素ガスを生成する。

Ｃ＋ＣＯ_２ → ２ＣＯ・・・（１）
そして、このようにして発生した一酸化炭素ガスは、粉状還元剤３層から粉状酸化鉄２堆積層に達し、式（２）に示す反応によって、粉状酸化鉄２を還元するとともに、二酸化炭素ガスを発生する。

ＦｅＯｎ＋ｎＣＯ → Ｆｅ＋ｎＣＯ_２・・・（２）
さらに、この二酸化炭素ガスは、生成した鉄層中を拡散して再び粉状還元剤3の層に達し、式(1)に示す反応により炭素と反応し、一酸化炭素ガスに変わる。

そして、この生成した一酸化炭素ガスは再び鉄層内を拡散し、未還元の酸化鉄と式（２）に示す反応を起こし、鉄を生成するとともに二酸化炭素ガスを生成する。

すなわち、式（１）と式（２）との反応を繰り返すことによって、すべての酸化鉄が還元される。また、この還元反応と同時に還元鉄同士の焼結も進行して海綿状還元鉄となる。

このように、従来技術の特徴は、反応容器１内で生成した一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスの海綿鉄や粉状還元剤３内への拡散が、還元反応の進行を律速していることである。そして、従来技術での充填方法（図１および図２）では、粉状酸化鉄２と粉状還元剤３の層が隔離されているため、一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスの拡散距離が大きくなり、その分、還元に必要な時間が長く掛かるということを知見し、さらに検討をかさねて本発明に至った。本発明の要旨は以下の通りである。

第一の発明は、粉状還元剤と粉状酸化鉄とを交互に積層充填し、最下層と最上層には粉状還元剤を充填した反応容器を加熱炉内で加熱するとともに、前記反応容器の底部から水素ガスを吹き込んで、粉状酸化鉄を還元することを特徴とする還元鉄粉の製造方法である。

第二の発明は、前記粉状還元剤として炭素を主成分とする還元剤を用いることを特徴とする第一の発明に記載の還元鉄粉の製造方法である。

第三の発明は、前記炭素を主成分とする還元剤として、コークス、石炭および木炭の中から選ばれる１種または２種以上を用いることを特徴とする第二の発明に記載の還元鉄粉の製造方法である。

第四の発明は、反応容器の加熱温度を８００℃〜１３００℃とすることを特徴とする第一の発明乃至第三の発明のいずれかに記載の還元鉄粉の製造方法である。

本発明によれば、粉状還元剤と粉状酸化鉄とを交互に充填し、最下層および最上層には粉状還元剤を充填した反応容器の下部から水素ガスを吹き込むようにしたので酸化鉄の還元時間を短縮することができる。

円筒状の原料充填状態を示す図である。ラセン状の原料充填状態を示す図である。本発明の原料充填状態を示す図である。層厚と還元反応の時間との関係を示す図である。

本発明の方法では、反応容器の底部から水素ガスを吹き込み、この水素ガスを強制的に粉状還元剤層、粉状酸化鉄層を通過させる方式を採用している。従来法では、粉状還元剤層で発生した一酸化炭素が粉状還元剤層での拡散によって反応界面に到達し、粉状酸化鉄の還元反応が進むため、非常に時間が掛かる。これに対して、本発明では水素ガスを粉状酸化鉄層内に吹き込むことにより、水素ガス（還元ガス）の供給が速やかに行われるので、粉状酸化鉄の還元反応が短時間で進むこととなる。

また、従来の方法では一酸化炭素が粉状還元剤層から粉状酸化鉄層に拡散し、還元反応で発生した二酸化炭素は粉状酸化鉄層から粉状還元剤層に拡散するために、逆方向の気体の流れが発生し、これがガスの移動の抵抗となっている。一方、本発明では強制的に水素ガスを流す結果、気体の流れは下から上への一方向の流れだけであるので、従来法に比べて短時間で還元反応が進行することとなる。

本発明における水素ガスと粉状酸化鉄との還元反応は式（３）に示す反応によって進む。

ＦｅＯ_ｎ＋ｎＨ_２ → Ｆｅ＋ｎＨ_２Ｏ・・・（３）
ここで、発生した水蒸気は、粉状還元剤層を通過することにより、再び式(4)の反応により水素ガスとなる。

Ｃ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋Ｈ_２・・・（４）
８００℃以上の温度で式（４）の反応は進みやすく、粉状還元剤層を通過することにより常に高濃度の水素ガスを粉状酸化鉄層へ供給することができる。

式（４）で生成した一酸化炭素も、気体の流れに沿って粉状酸化鉄層に移動し、酸化鉄を還元する（反応式は式（２））。

水素ガスや粉状還元剤層で発生した一酸化炭素を強制的に粉状酸化鉄層に供給することにより、従来法に比べて酸化鉄の還元反応の効率が向上する。

更に、従来の粉状還元剤を用いる方法では一酸化炭素と酸化鉄との反応が１０００℃以上でないと進行しにくいため、加熱炉の温度を１０００〜１３００℃で管理していたが、本発明による水素ガスと酸化鉄との反応では８００℃以上の温度で反応が進行しやすくなるので、従来法に比べて低温でも高効率での還元反応が進行する。このため、本発明は、８００〜１３００℃の範囲で実施できる。

本発明を用いた例を図３に示す。反応容器１３の下部にフィルター１５が敷かれ、その上に粉状還元剤３と粉状酸化鉄２が交互に充填され，充填を完了すると、反応容器１３には蓋１７がされる。この反応容器１３は反応炉１１に装入され、ヒーター１２により酸化鉄の還元が進行する所定温度まで昇温加熱される。

そして、ヒーターによる加熱が始まると、還元気体（水素ガス）１６が導入管１４から反応容器１３の底部に導入され、フィルター１５を通して、充填された粉状還元剤および粉状酸化鉄内を流れ、還元反応が進行する。反応後の気体１９は排出管１８を通って、容器外に排出される。

また、従来法の還元では、前記の式（２）の反応が進行しやすい温度が１０００℃以上であるため、反応容器１３の温度を１０００℃以上に保持する必要があり、この結果、還元された鉄は焼結し、強固な塊となる。

一方、本発明の場合は、水素ガスによる酸化鉄の還元は６００℃くらいから始まり、８００℃以上で実用上十分に還元反応が進み、１０００℃以上では還元反応速度はほとんど変わらなくなる。８００〜１０００℃の範囲での還元では、還元鉄の焼結が進まず、得られた還元鉄の粉砕、微粉化は容易に行える。このため、８００〜１０００℃で還元させることが好ましい。

発明例では、図３に示した反応容器１３を用いた。反応容器１３の底部に孔径３μｍを有したフィルター１５を敷き、その上に粉状還元剤３と粉状酸化鉄２とを所定の厚さに交互に充填した。なお、使用した原料は、発明例、比較例とも粉状酸化鉄２としては平均粒径が０．１ｍｍ以下に粉砕したミルスケールを、粉状還元剤３としては平均粒径が１ｍｍ以下のコークスを用いた。

充填完了後に加熱炉に反応容器１３を装入し、底部から水素ガスが吹き込んだ。その後、この反応容器１３を１０５０℃に加熱、保持し、排ガス中のＣＯガス濃度を測定し、ＣＯ濃度が０％になるまで、加熱を続けた。炉温が１０５０℃に到達してから加熱が完了するまでの時間を反応時間とする。

図４に粉状酸化鉄層の厚さによる反応時間への影響を示す。発明例の方法で厚さを変えたものを発明例◇で示す。実施例の反応時間は粉状酸化鉄層の厚さの影響がほとんどなく、３００〜５００分であった。

得られた還元鉄を粗粉砕し３ｍｍ以下の粒径にした後、ハンマーミルを用いて１００μｍ以下まで粉砕した。このときのハンマーミルでの粉砕速度は５．７２Ｋｇ／Ｈｒであった。

なお、発明例として上記した装置、試験方法により、粉状酸化鉄層の厚さ４０ｍｍで炉温９５０℃とした場合の反応時間は５００分であった。この場合のハンマーミルの粉砕速度は７．５６Ｋｇ／Ｈｒであった。

さらに、発明例として粉状酸化鉄層の厚さ４０ｍｍで炉温８００℃とした場合の反応時間は７５０分であった。この場合のハンマーミルの粉砕速度は９．３７Ｋｇ／Ｈｒであった。

次に、比較例として円筒状の耐火物製容器（サガー）１を用いて図1に示すように、サガー１内に、粉状酸化鉄２を所定の厚さに円筒形に充填し、中心部および外周部には粉状還元剤３を充填した。充填後、サガー１を加熱炉に入れ、１０５０℃まで加熱・保持し、排ガス中のＣＯ濃度が０％になるまで加熱を続けた。

比較例での粉状酸化鉄層の厚さの反応時間への影響を図４の比較例□に示す。比較例では、厚さが厚くなるほど反応時間は長くなり、通常、工業的に用いられている厚さ５０ｍｍでは反応時間は３０００分掛かった。

得られた還元鉄を発明例と同様の方法で粉砕したところ、ハンマーミルでの粉砕速度は５．０７Ｋｇ／Ｈｒであった。
図２で示した螺旋充填の場合でもほぼ同じであった。

なお、比較例として、発明例で用いた図３に示した反応容器１３を用いて、粉状酸化鉄層の厚さ４０ｍｍで炉温７５０℃の場合について試験を行ったが、ＣＯガスがほとんど発生せず、７５０℃到達後１０００分たった後の金属Ｆｅは１０％で還元反応が進んでいなかった。

本発明は、機械部品などを粉末冶金で製造ずる産業や磁性材料用などの焼結製品を製造する産業、あるいは化学反応用鉄粉、カイロ用鉄粉、脱酸素剤用鉄粉などの粉末のままで使用される鉄粉を製造する産業において使用される還元鉄粉の製造工程に利用でき、還元鉄粉の生産性が向上するという効果を奏する。

１円筒状の耐火物製容器（サガー）
２粉状酸化鉄（ミルスケール、鉄鉱石粉等）
３粉状還元剤（コークス、石炭、木炭、チャー等）
４充填装置
５酸化鉄排出口
６還元剤排出口
１１炉
１２ヒーター
１３反応容器
１４ガス導入菅
１５フィルター
１６水素ガス
１７蓋
１８排気菅
１９反応後の気体

Claims

粉状還元剤と粉状酸化鉄とを交互に積層充填し、最下層と最上層には粉状還元剤を充填した反応容器を加熱炉内で加熱するとともに、前記反応容器の底部から水素ガスを吹き込んで、粉状酸化鉄を還元することを特徴とする還元鉄粉の製造方法。
前記粉状還元剤として炭素を主成分とする還元剤を用いることを特徴とする請求項１記載の還元鉄粉の製造方法。
前記炭素を主成分とする還元剤として、コークス、石炭および木炭の中から選ばれる１種または２種以上を用いることを特徴とする請求項２記載の還元鉄粉の製造方法。
反応容器の加熱温度を８００℃〜１３００℃とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の還元鉄粉の製造方法。