JP5671426B2 - 粒状金属鉄の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒状金属鉄の製造方法に関するものであり、詳細には、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を移動炉床式加熱還元炉で加熱して直接還元し、粒状金属鉄を製造する方法に関するものである。

鉄鉱石や酸化鉄等の酸化鉄含有物質から鉄を生産する方法としては、高炉法が主流である。その一方で、比較的小規模で、多品種・少量生産向きの製鉄法として、上記の酸化鉄含有物質と、石炭やコークス等の炭素質還元剤（以下、炭材ということがある）とを含む原料混合物（あるいは該原料混合物を押し固めた簡易成形体、更にはペレットやブリケットなどに成形した炭材内装成形体）を移動炉床式の加熱還元炉（例えば、回転炉床炉など）の炉床上に装入し、該原料混合物が該炉内を移動する間に、加熱バーナーによる熱や輻射熱で加熱することによって該原料混合物中の酸化鉄を炭素質還元剤で直接還元し、得られた金属鉄（還元鉄）を続いて浸炭・溶融させ、次いで副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状の金属鉄（還元鉄）を製造する直接還元製鉄法が開発されている（特許文献１〜３など）。直接還元製鉄法では高炉等の大規模な設備が不要になるため、実用化に向けて研究が盛んに行われている。しかし工業的規模で実施するには、操業安定性や安全性、経済性、粒状金属鉄（製品）の品質などを含めて更に改善しなければならない課題も多い。

当該課題の１つは、炭素質還元剤として最も汎用性の高い石炭を使用した場合に、石炭中に多く含まれる硫黄分が粒状金属鉄に不可避的に混入するのを防止することが挙げられる。本発明者らが確認したところによると、炭素質還元剤として石炭を配合した原料混合物を加熱還元した場合、石炭に含まれる硫黄分のうち７０％程度以上は、加熱還元によって生成する粒状金属鉄内に取り込まれ、該粒状金属鉄中の硫黄量（以下、粒状金属鉄中の硫黄量を［Ｓ］、スラグ中の硫黄量を（Ｓ）と表わすことがある）は０．１％以上、用いる石炭の銘柄によっては０．２％以上にも達することがある。この様に高い硫黄含有量では製品価値が著しく損なわれ、用途も著しく制限されることになる。特に直接還元製鉄法によって得られた粒状金属鉄は、電気炉や転炉のような既存の製鋼設備へ送られ、鉄源としても使用されるため、粒状金属鉄中の硫黄量をできるだけ低減することが望まれる。

そこで本出願人は、上記方法によって得られる粒状金属鉄の硫黄含有量を可及的に低減するために改良研究を進めた。その結果、金属鉄を溶融させたときに副生するスラグに含まれるＣａＯ量、ＭｇＯ量、およびＳｉＯ₂量から求められる塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］を１．３〜２．３の範囲とすると共に、スラグ中のＭｇＯ量を５〜１３％の範囲に制御すれば、粒状金属鉄に含まれる硫黄量を低減でき、且つ、最終的に生成するスラグ−粒状金属鉄間の硫黄分配比（Ｓ）／［Ｓ］（以下、単に硫黄分配比ということがある。）を高められることを見出し、特許文献４に記載の方法を提案した。

また、本出願人は、粒状金属鉄に含まれる硫黄量を一段と低減するために上記特許文献４の技術を改良し、特許文献５を提案した。特許文献５では、金属鉄を溶融させたときに副生するスラグに含まれるＣａＯ量、ＭｇＯ量、およびＳｉＯ₂量から求められる塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］を１．４〜２．３の範囲とすると共に、原料混合物に、Ｎａ₂Ｏ供給物質、Ｋ₂Ｏ供給物質およびＬｉ₂Ｏ供給物質よりなる群から選ばれる少なくとも１種を添加し、スラグ中のＮａ₂Ｏ、Ｋ₂ＯおよびＬｉ₂Ｏ含有量を所定値以上に制御している。また、特許文献５には、スラグ中のＭｇＯ量を５〜２２％の範囲に制御すれば、スラグの塩基度が比較的高い領域でもスラグの凝集能を改善でき、高歩留まりで粒状金属鉄を製造できることを開示している。

ところで、上記直接還元製鉄法を工業的規模で実施するには、副生するスラグを速やかに溶融させると共に凝集させることによって、加熱還元による粒状金属鉄の溶融を促進し、粒状金属鉄の生産性を高めることが求められる。高炉等に対して省スペース化でき、しかも粒状金属鉄の高品質化（低硫黄化）が実現できたとしても、生産性が悪ければ工業的規模で実施することはまず不可能だからである。

そこで本出願人は、粒状金属鉄に含まれる硫黄量を低減し、且つ生産性を高める技術を特許文献６に提案した。特許文献６では、金属鉄を溶融させたときに副生するスラグに含まれるＣａＯ量、ＭｇＯ量、およびＳｉＯ₂量から求められる塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］を１．３〜２．３の範囲とすると共に、スラグ中のＭｇＯ量を５〜２２％の範囲に制御している。

特開平２−２２８４１１号公報 特開２００１−２７９３１３号公報 特開２００１−２４７９２０号公報 特開２００４−２８５３９９号公報 特開２００９−７６２１号公報 特開２００９−７６１９号公報

上記特許文献６に開示した技術によって、粒状金属鉄に含まれる硫黄量の低減と生産性の向上を両立できたが、近年では、とりわけ生産性の更なる向上が求められていた。

本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、移動炉床式加熱還元炉で酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を加熱して粒状金属鉄を製造する際に、粒状金属鉄に混入する硫黄量を可及的に抑えて硫黄含有量が低減された粒状金属鉄を歩留まり良く製造でき、しかも生産性を向上できる粒状金属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る本発明に係る粒状金属鉄の製造方法とは、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を、移動炉床式加熱還元炉の炉床上に装入して加熱し、該原料混合物中の酸化鉄を前記炭素質還元剤により還元し、生成する金属鉄を副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状金属鉄を製造する方法において、
（１）前記原料混合物に含まれるＣａＯ供給物質、ＭｇＯ供給物質およびＳｉＯ₂供給物質の量を調整することによって、
前記スラグ中のＣａＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ₂の含有量から求められる該スラグの塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］を１．２〜１．５の範囲とし、且つ
前記スラグ中のＭｇＯ量を５％（質量％の意味、以下同じ）以下（０％を含まない）とし、
（２）前記原料混合物にＣａＦ₂供給物質を配合することによって前記スラグ中のＣａＦ₂量を２％以上
とする点に要旨を有している。

前記ＣａＦ₂供給物質としては、例えば、蛍石を配合することが好ましい。ＣａＯとＭｇＯの供給物質としては、例えば、ドロマイト鉱石を配合することが好ましい。

前記原料混合物に含まれる前記ＣａＯ供給物質以外のＣａＯ供給物質、および／または前記原料混合物に含まれる前記ＭｇＯ供給物質以外のＭｇＯ供給物質を更に配合してもよい。前記原料混合物に含まれる前記ＣａＯ供給物質以外のＣａＯ供給物質としては、例えば、石灰石および／または炭酸カルシウムを配合することが好ましい。前記原料混合物に含まれる前記ＭｇＯ供給物質以外のＭｇＯ供給物質としては、例えば、ＭｇＯおよび／または炭酸マグネシウムを配合することが好ましい。

本発明によれば、スラグの塩基度を適切な範囲に制御したうえで、スラグに含まれるＭｇＯ量を５％以下に抑制し、且つスラグに含まれるＣａＦ₂量を２％以上に制御しているため、粒状金属鉄に不可避的に混入する硫黄量の増大を可及的に抑えて硫黄含有量の少ない高品質の粒状金属鉄を高歩留まりで、生産性良く製造できる。

図１は、スラグ中のＣａＦ₂量およびＭｇＯ量がスラグの液相線温度に及ぼす影響を示すグラフである。 図２は、スラグ中のＣａＦ₂量およびＭｇＯ量がスラグの液相線温度に及ぼす影響を示すグラフである。 図３は、回転炉床式の加熱還元炉の一構成例を示す概略説明図である。

まず、本発明を完成するに至った経緯を説明する。直接還元製鉄法で粒状金属鉄を製造するにあたり、原料混合物に含まれる脈石成分が多い場合には、副生するスラグ量が増大してその凝集性が悪化し、得られる粒状金属鉄の純度や歩留まり率が低下することが知られている。また、原料混合物にＳｉＯ₂が多量に含まれる場合は、スラグの塩基度を調整するために、原料混合物にＣａＯ含有物質（例えば、ＣａＣＯ₃）を添加することがある。また、ＣａＯ含有物質は、硫黄含有量の多い炭素質還元剤を使用したときの脱硫材として添加されることもある。しかしＣａＯ含有物質等の副原料を添加すると、副生するスラグ量は更に増大し、副生スラグの凝集性は一段と悪化する。副生スラグの凝集性が低下すると、加熱還元により生成する粒状金属鉄が副生スラグと分離し難くなり、金属鉄の粒状化や塊状化が充分に進まず、粒状金属鉄がスラグを抱き込んだものとなったり、或いは極めて微細な粒状金属鉄が多量に生成し、副生スラグとの分離が困難となり、製品として適正粒度範囲のものが歩留り良く得られ難くなる。

また、原料混合物として配合する酸化鉄含有物質や炭素質還元剤の種類によっては、その中に含まれる脈石成分が少ないものもあるが、その種類や組成によっては副生スラグの凝集性が劣悪になることがしばしば観察される。

そこで、本発明者らは、原料混合物を加熱したときに副生するスラグの凝集性を改善することを目指して検討した。その結果、スラグの融点を低下させれば、スラグの凝集性が向上すること、これにより加熱還元して得られた金属鉄の凝集性も高まるため、粒状金属鉄の生産性も向上することが明らかになった。そして、スラグの融点を低下させるには、上記スラグの塩基度を１．２〜１．５の範囲に制御したうえで、スラグ中のＭｇＯ量を所定値以下に抑え、且つスラグ中のＣａＦ₂量が所定値以上となるように原料混合物の成分調整を行えばよいこと、これによりスラグの融点がおおむね１４００℃以下となり、移動炉床式加熱還元炉を操業するときの一般的な温度である１５５０℃程度よりも格段に低下できることが明らかになった。

即ち、上記特許文献４〜６では、スラグの塩基度を本発明で規定する範囲と重複領域に制御したうえで、スラグのＭｇＯ量を５％以上に制御していた。ＭｇＯを添加することによって、スラグの凝集性を高めるためである。しかし、本発明者らが検討したところ、スラグの塩基度が１．２〜１．５の比較的低い領域では、ＭｇＯ添加による凝集性向上効果は充分に発揮されず、むしろスラグの融点を高めて生産性を劣化させる方向に作用することが分かった。そこで本発明では、スラグ中のＭｇＯ量を５％以下に抑えている。

ところがスラグ中のＭｇＯ量を低減すると、硫黄分配比が低下し、粒状金属鉄の硫黄含有量が高くなった。そこで本発明では、粒状金属鉄の硫黄含有量を低減するために、スラグ中のＣａＦ₂量が所定値以上（具体的には、２％以上）となるように原料混合物にＣａＦ₂供給物質を配合している。

本発明に係る粒状金属鉄の製造方法は、
（１）原料混合物に含まれるＣａＯ供給物質、ＭｇＯ供給物質およびＳｉＯ₂供給物質の量を調整することによって、
スラグ中のＣａＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ₂の含有量から求められる該スラグの塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］を１．２〜１．５の範囲としたうえで、
前記スラグ中のＭｇＯ量を５％以下（０％を含まない）に抑え、且つ
（２）前記原料混合物にＣａＦ₂供給物質を配合することによってスラグ中のＣａＦ₂量を２％以上とすることによって、
硫黄含有量の少ない高品質の粒状金属鉄を高歩留まりで、しかも生産性良く製造できることを見出したところに特徴がある。

副生するスラグが上記要件を満足するように成分調整を行った原料混合物を移動炉床式加熱還元炉内で加熱すると、スラグ形成成分が速やかに溶解し、これが凝集してスラグが素早く形成されるようになる。スラグが素早く形成されると、残った金属鉄は粒状に凝集し易くなるため、結果として、Ｆｅ歩留まり率が向上すると考えられる。また、スラグにＣａＦ₂を含有させることによって、最終的に生成するスラグ−粒状金属鉄間の硫黄分配比［（Ｓ）／［Ｓ］］が著しく向上し、粒状金属鉄の硫黄含有量［Ｓ］を大幅に低減できる。

上記（１）、（２）の範囲は、本発明者らが種々実験を行った結果、導出されたものである。即ち、本発明者らは、スラグの塩基度（ここでは、スラグに含まれるＣａＯ量とＳｉＯ₂量から求められる比［ＣａＯ／ＳｉＯ₂］を意味している。）を１．３、スラグに含まれるＡｌ₂Ｏ₃量を約５％とし、スラグに含有させるＭｇＯ量を０〜１０％、ＣａＦ₂量を０〜１０％としてスラグの液相線温度をＦａｃｔＳａｇｅ（ソフトウェア名）で計算した。その結果、図１、図２に示す結果が得られた。図１および図２は、スラグ中のＣａＦ₂量およびＭｇＯ量がスラグの液相線温度に及ぼす影響を示すグラフであり、図１では、横軸をＣａＦ₂量、図２では、横軸をＭｇＯ量としてプロットしている。

図１から明らかなように、スラグ中のＣａＦ₂量が２％未満の場合には、スラグ中のＭｇＯ量によらず、スラグ中のＣａＦ₂量が減少するに連れてスラグの液相線温度が急激に上昇する傾向が読み取れる。一方、スラグ中のＣａＦ₂量を２％以上にすると、スラグ中のＣａＦ₂量が増加するに連れてスラグの液相線温度は低くなる傾向が読み取れ、スラグ中のＭｇＯ量を低減した方がスラグの液相線温度は低くなる傾向が読み取れる。

図２から明らかなように、スラグ中のＣａＦ₂量が２％未満の場合には、スラグ中のＭｇＯ量によらず、スラグの液相線温度が１４００℃を超えることが分かる。一方、スラグ中のＭｇＯ量を５％以下、ＣａＦ₂量を２％以上にすると、スラグの液相線温度は１４００℃以下に抑えられることが分かる。

以下、本発明で規定している各範囲について説明する。

［（１ａ）スラグの塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］：１．２〜１．５］
本発明で「スラグの塩基度」を規定している意義は、前述した特許文献４〜６と実質的に同じである。即ち、スラグの塩基度は、粒状金属鉄の歩留まり向上、および粒状金属鉄に不可避的に混入する硫黄量［Ｓ］の低減化に寄与するパラメータである。本発明では、スラグの塩基度の下限を１．２とした。スラグの塩基度が１．２を下回ると、スラグそのものによる脱硫能が低下してしまう。本発明を実施する上で好ましいスラグの塩基度は１．２５以上、より好ましくは１．３以上である。但し、スラグの塩基度が高くなり過ぎると、スラグの粘性（流動性）が増大して還元鉄の凝集が阻害され、球形に近い好適形状の粒状金属鉄が得られ難くなるほか、粒状金属鉄の歩留りが却って低下する傾向が見られる。従ってスラグの塩基度の上限は１．５とした。スラグの塩基度は、好ましくは１．４５以下、より好ましくは１．４以下である。

なお、本明細書において、「スラグの塩基度」とは、特に断らない限り、スラグ中のＣａＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ₂の含有量（質量％）から求められる（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂の比を意味する。

［（１ｂ）スラグ中のＭｇＯ量：５％以下（０％を含まない）］
本発明で「スラグ中のＭｇＯ量」を規定している意義についても、前述した特許文献４〜６と実質的に同じであり、良好な硫黄分配比（Ｓ）／［Ｓ］を得るために設定されたものである。但し、前述した特許文献４〜６では、「硫黄量の極低減化」を最優先課題として掲げ、硫黄分配比を高めるためにＭｇＯ量の下限を５％に定めていたのに対し、本発明では、粒状金属鉄の生産性を高めるという観点から、ＭｇＯ量の上限を５％とした。ＭｇＯ量は好ましくは４．５％以下であり、より好ましくは４．０％以下である。生産性の更なる向上という観点からすれば、ＭｇＯ量は少ない方が良いが、上記原料混合物には、不可避的にＭｇＯを含有しているため、０％は含まない。

［（２）スラグ中のＣａＦ₂量：２％以上］
ＣａＦ₂は、上記原料混合物を加熱したときに生成するスラグの融点を低下させると共に、スラグの流動性を高めてスラグの凝集性を向上させる作用を有している。また、スラグの融点を低下させることによって、酸化鉄の溶融も促進されるため、粒状金属鉄の生産性を向上する作用も有している。しかもＣａＦ₂は、脱硫材として有効に作用するため、粒状金属鉄の硫黄含有量を低減できる。従って本発明では、スラグ中のＣａＦ₂量を２％以上とする。スラグ中のＣａＦ₂量は、好ましくは２．５％以上、より好ましくは３％以上である。但し、ＣａＦ₂は、フッ素を含有しているため、自然環境を保護する観点からはその使用量を抑制することが望まれる。従ってスラグ中のＣａＦ₂量は１０％以下に抑えることが好ましく、より好ましくは８％以下、更に好ましくは５％以下である。

上記スラグの融点を１４００℃以下に調整するには、スラグに含まれるＣａＯ量やＡｌ₂Ｏ₃量、ＳｉＯ₂量等も併せて調整することが推奨される。スラグの融点は、これらの酸化物の量にも多少影響を受けるからである。スラグに含まれるＣａＯ量は例えば４０〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃量は例えば２０％未満、ＳｉＯ₂量は例えば４０％未満に調整することが好ましい。

上述したスラグの塩基度とスラグ中のＭｇＯ量は、原料である酸化鉄含有物質と炭素質還元剤の配合量を適切に調整することによって制御できる。酸化鉄含有物質や炭素質還元剤は、通常、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ₂の脈石成分を含んでいるため、ＣａＯ供給物質、ＭｇＯ供給物質およびＳｉＯ₂供給物質となるからである。なお、酸化鉄含有物質の代表例である鉄鉱石や、炭素質還元剤の代表例である石炭やコークスは天然物であり、種類に応じてＣａＯやＭｇＯ、ＳｉＯ₂の各含有量も変化するため、それらの配合量を一律に規定することは困難であるが、鉄鉱石等の成分組成と、石炭等の成分組成を考慮し、適切に調整することが好ましい。また、炭素質粉末を床敷材として装入する場合は、該炭素質粉末の成分とその量も考慮して、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤の配合量を調整することによって、上記スラグの塩基度や該スラグ中のＭｇＯ量を制御すればよい。

本発明に用いられる原料混合物は、前述した酸化鉄含有物質および炭素質還元剤のほかに、これら以外の「他のＣａＯ供給物質」（酸化鉄含有物質および炭素質還元剤から見れば、外添物質）を含んでいてもよい。この場合は、当該「他のＣａＯ供給物質」の成分組成とその配合量も考慮して酸化鉄含有物質と炭素質還元剤の量を調整することによって、最終的に、上記スラグの塩基度や該スラグに占めるＣａＯ量を制御する。

上記「他のＣａＯ供給物質」の種類は特に制限されないが、例えば、石灰石（ＣａＯ）や炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）などが挙げられる。石灰石と炭酸カルシウムは、夫々単独で配合してもよいし、併用して配合してもよい。

また、本発明に用いられる原料混合物は、前述した酸化鉄含有物質および炭素質還元剤のほかに、これら以外の「他のＭｇＯ供給物質」（酸化鉄含有物質および炭素質還元剤から見れば、外添物質）を含んでいてもよい。この場合は、当該「他のＭｇＯ供給物質」の成分組成とその配合量も考慮して酸化鉄含有物質と炭素質還元剤の量を調整することによって、最終的に、上記スラグの塩基度や該スラグ中のＭｇＯ量を制御する。

上記「他のＭｇＯ供給物質」の種類は特に制限されないが、例えば、ＭｇＯ粉末や天然鉱石や海水などから抽出されるＭｇ含有物質、或いは炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ₃）などが挙げられる。好ましくはＭｇＯ粉末や炭酸マグネシウムであり、これらは夫々単独で配合してもよいし、併用して配合してもよい。

上記原料混合物は、ＣａＯとＭｇＯの供給物質を含んでいてもよい。ＣａＯとＭｇＯの供給物質としては、例えば、ドロマイト鉱石を配合すればよい。ドロマイト鉱石は、「他のＭｇＯ供給物質」でもあり、且つ「他のＣａＯ供給物質」でもある。

上述したスラグ中のＣａＦ₂量は、上記原料混合物に配合するＣａＦ₂供給物質量を適切に調整することによって制御できる。上記ＣａＦ₂供給物質量としては、例えば、蛍石を配合すればよい。

次に、図３を参照しながら、本発明に係る移動炉床式加熱還元炉を用いた粒状金属鉄の製造方法を詳細に説明する。図３は、本発明の製造方法に好ましく用いられる移動炉床式加熱還元炉の一例を示しているが、本発明はこれに限定する趣旨ではない。図３は、移動炉床式加熱還元炉のうち、回転炉床式の加熱還元炉Ａの一構成例を示す概略説明図である。なお、炉の内部構造を示すために、炉の一部を切り欠き、内部を示している。

回転炉床式の加熱還元炉Ａには、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物１とＣａＦ₂供給物質が、原料投入ホッパー３を通して、回転炉床４上へ連続的に装入される。酸化鉄含有物質としては、通常、鉄鉱石（例えば、マグネタイト鉱石）や酸化鉄などが用いられる。また、炭素質還元剤としては、通常、石炭やコークスなどが用いられる。

上記原料混合物１を供給するときの形態は特に限定されず、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、およびＣａＦ₂供給物質などを適度に混合したものを供給すればよい。特に、酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、およびＣａＦ₂供給物質などを押し固めて得られた簡易成形体を供給するか、または酸化鉄含有物質、炭素質還元剤、およびＣａＦ₂供給物質などをペレットやブリケットなどに成形した炭材内装成形体を供給するのがよい。また、前記簡易成形体や前記炭材内装成形体と併せて、炭素質粉末２を供給してもよい。

本発明法では、必要に応じて、上記原料混合物とＣａＦ₂供給物質以外の物質（例えば、ＭｇＯ供給物質やＣａＯ供給物質、或いはＣａＯとＭｇＯの供給物質など）を装入してもよい。

次に、ＣａＦ₂供給物質を含む原料混合物１を加熱還元炉Ａに装入するときの手順を具体的に説明する。前記原料混合物１の装入に先立って、原料投入ホッパー３から回転炉床４上に炭素質粉末２を床敷として装入して敷き詰めておき、その上に上記原料混合物１を装入するのがよい。

上記酸化鉄含有物質と炭素質還元剤以外に配合され得るＭｇＯ供給物質やＣａＯ供給物質の添加法にも格別の制限はなく、原料混合物の調整段階で配合したり、床敷材と共に、或いはこれとは独立に回転炉床上へ予め装入しておき、或いは原料混合物の装入と同時もしくは装入後に上方から別途装入する方法、等を適宜採用できる。

上記原料混合物には、バインダーとして少量の多糖類（例えば、小麦粉等の澱粉）を配合してもよい。

図３に示した例では、１つの原料投入ホッパー３を炭素質粉末２の装入と、上記原料混合物１を装入するために共用する例を示しているが、ホッパーを２つ以上用いて上記炭素質粉末２と上記原料混合物１を別々に装入することも勿論可能である。

なお、床敷材として炉床上に装入される炭素質粉末２の使用は必ずしも必須ではなく、装入を省略してもよいが、炉床上に炭素質粉末２を床敷材として装入すれば、炉内の還元ポテンシャルがより効率的に高められ、金属化率の向上と硫黄含有量の低減の両作用をより一層効果的に発揮させることができるので好ましい。こうした床敷材としての作用をより確実に発揮させるには、炉床上へ２ｍｍ程度以上の厚みで炭素質粉末２を敷いておくことが望ましい。炭素質粉末２を床敷材としてある程度の厚みを持った層状に敷き詰めておけば、該床敷層が原料混合物と炉床耐火物の緩衝材となり、或いは副生スラグ等に対する炉床耐火物の保護材となり、炉床耐火物の寿命延長にも役立つ。

但し、上記床敷層の厚みは、７．５ｍｍ程度以下に抑えることが望ましい。床敷層が厚くなり過ぎると、原料混合物が炉床上の床敷層内へ潜り込んで還元の進行が阻害される等の問題を生じることがある。

上記床敷材として用いる炭素質粉末の種類は特に限定されず、通常の石炭やコークス等を粉砕し、好ましくは適度に粒度調整したものを使用すればよい。石炭を使用する場合は、流動性が低く且つ炉床上で膨れや粘着性を帯びることのない無煙炭を使用することが好適である。上記床敷材として装入する炭素質粉末は、上記原料混合物１に配合されている炭素質還元剤よりも硫黄含有量が少ないものを用いることが好ましい。

図３に戻って説明する。図３に示した加熱還元炉Ａの回転炉床４は、反時計方向に回転されている。回転炉床４の回転速度は、加熱還元炉Ａの大きさや操業条件によって異なるが、通常は８分から１６分程度で１周する速度である。加熱還元炉Ａにおける炉体８の壁面には加熱バーナー５が複数個設けられており、該加熱バーナー５の燃焼熱あるいはその輻射熱によって炉床部に熱が供給される。加熱バーナー５は、炉の天井部に設けてもよい。

耐火材で構成された回転炉床４上に装入された上記原料混合物１は、該回転炉床４上で加熱還元炉Ａ内を周方向へ移動する中で、加熱バーナー５からの燃焼熱や輻射熱によって加熱される。そして当該加熱還元炉Ａ内の加熱帯を通過する間に、当該原料混合物１内の酸化鉄は還元された後、副生する溶融スラグと分離しながら、且つ残余の炭素質還元剤による浸炭を受けて溶融しながら粒状に凝集して粒状金属鉄１０となり、回転炉床４の下流側ゾーンで冷却固化された後、スクリューなどの排出装置６によって炉床上から順次排出される。このとき副生したスラグも排出されるが、これらはホッパー９を経た後、任意の分離手段（例えば、篩目や磁選装置など）により金属鉄とスラグの分離が行われる。なお、図３中、７は排ガス用ダクトを示している。

以上の通り、本発明では、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物にＣａＦ₂供給物質を配合したものを加熱還元して副生する（１ａ）スラグの塩基度と、（１ｂ）スラグ中のＭｇＯ量と、（２）スラグ中のＣａＦ₂量を適切に調整し、スラグの融点と硫黄分配比（Ｓ）／［Ｓ］をうまくコントロールすることによって、低硫黄含有量の粒状金属鉄を高歩留まりで、生産性良く確実に製造することが可能となる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。なお、下記実施例では、小型の実験用加熱還元炉を用いて試験を行った結果を示す。

酸化鉄含有物質として鉄鉱石を用い、炭素質還元剤として石炭を用い、これらを混合して原料混合物を得た。鉄鉱石の成分組成を下記表１に、石炭の成分組成を下記表２に示す。下記表２において、分析値の「その他」とは固形炭素質を意味する。

上記原料混合物には、酸化鉄含有物質と炭素質還元剤の他にバインダー、スラグ組成調整用副原料、ＣａＦ₂供給物質を配合して配合物を得た。上記バインダーとしては、小麦粉を配合した。上記スラグ組成調整用副原料としては、ＭｇＯとＣａＯの供給物質としてドロマイト鉱石（主成分はＣａＣＯ₃・ＭｇＣＯ₃で、詳細な成分組成を下記表３に示す。）、ＣａＯ供給物質として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）を配合した。配合物の成分組成を下記表４に示す。上記ＣａＦ₂供給物質としては、蛍石を配合した。

得られた配合物に適量の水を添加し、タイヤ型造粒機を用いて直径約１９ｍｍの生ペレットに造粒した。得られた生ペレットを乾燥機に装入し、１８０℃で１時間加熱して付着水を完全に除去して原料成形体を得た。

次に、得られた原料成形体を小型の実験用加熱還元炉内へ装入して加熱還元した。炉床上には、床敷材として下記表２に示す成分組成の石炭（炭素質粉末）を５ｍｍ程度の厚みで敷いた。炉内温度は１４５０℃に調整した。

加熱還元炉の炉床上に装入された原料成形体中の酸化鉄は、約１０分かけて炉内で加熱される間に固体状態を維持しながら還元され、生成した還元鉄は、還元後に残っている炭素質粉末による浸炭を受けながら融点降下して相互に凝集した。このとき副生するスラグも、部分的、もしくはほぼ完全に溶融して相互に凝集し、溶融状態の粒状金属鉄と溶融スラグに分離した。その後、これら溶融状態の粒状金属鉄と溶融スラグを冷却して融点以下に降温（具体的には、１１００℃程度までに冷却）して凝固させ、固体状態の粒状金属鉄またはスラグとして炉外へ排出した。このとき上記原料成形体を実験用加熱還元炉内へ装入した後、該加熱還元炉内の様子を目視で観察し、視界内に認められる成形体が全て溶解するまでにかかった時間（溶解完了時間）を測定した。溶解完了時間を下記表４に示す。

また、得られた粒状金属鉄と副生したスラグの成分組成を下記表５に示す。また、スラグに含まれるＣａＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ₂量からスラグの塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］を算出し、結果を下記表５に示す。また、粒状金属鉄に含まれる硫黄量［Ｓ］に対するスラグに含まれる硫黄量（Ｓ）の比（硫黄分配比（Ｓ）／［Ｓ］）を算出し、結果を下記表５に示す。また、配合物の成分組成に基づいて求められるＦｅ量に対して、凝集して粒状金属鉄として得られたＦｅ量の歩留まり率（％）を算出し、結果を下記表５に示す。

下記表５から次のように考察できる。Ｎｏ．１、２から明らかなように、スラグの塩基度、スラグ中のＭｇＯ含有量、およびスラグ中のＣａＦ₂含有量を本発明の範囲内とすることによって、溶解完了時間を１０分以下に短縮でき、粒状金属鉄の生産性を向上できる。また、硫黄分配比（Ｓ）／［Ｓ］が１０以上となって粒状金属鉄の硫黄含有量を０．０８％以下に抑えることができる。更に、Ｆｅ歩留まり率を９９．０％以上に高めることができる。

一方、Ｎｏ．３は、スラグの塩基度が本発明の範囲を外れており、またスラグ中のＭｇＯ含有量が多過ぎるため、溶解完了時間を短縮できず、生産性を向上できていない。また硫黄分配比が低く、粒状金属鉄の硫黄含有量を低減できていない。しかもＦｅ歩留まり率も低くなっている。

Ｎｏ．４は、ＣａＦ₂供給物質を配合していない例であり、スラグの凝集性が劣化しているため、溶解完了時間を短縮できず、生産性を向上できていない。また硫黄分配比が低く、粒状金属鉄の硫黄含有量を低減できていない。しかもＦｅ歩留まり率も低くなっている。

Ｎｏ．５は、スラグの塩基度、スラグ中のＭｇＯ含有量、スラグ中のＣａＦ₂量の全てが本発明の範囲を外れている従来例である。スラグ中のＣａＦ₂量を５％を超えて多めに設定すれば、スラグの塩基度およびスラグ中のＭｇＯ含有量が本発明の範囲を外れていても粒状金属鉄の生産性を向上でき、また粒状金属鉄の硫黄含有量を抑えることができ、更にＦｅ歩留まり率を高められることが分かる。

Ａ 回転炉床式の加熱還元炉
１ 原料混合物
２ 炭素質粉末
３ 原料投入ホッパー
４ 回転炉床
５ 加熱バーナー
６ 排出装置
７ 排ガス用ダクト
８ 炉体
９ ホッパー
１０ 粒状金属鉄

Claims (5)

1. 酸化鉄含有物質と炭素質還元剤を含む原料混合物を、移動炉床式加熱還元炉の炉床上に装入して加熱し、該原料混合物中の酸化鉄を前記炭素質還元剤により還元し、生成する金属鉄を副生するスラグと分離しつつ粒状に凝集させた後、冷却凝固させて粒状金属鉄を製造する方法において、
   （１）ＣａＯとＭｇＯの供給物質として、ドロマイト鉱石を配合した前記原料混合物に含まれるＣａＯ供給物質、ＭｇＯ供給物質およびＳｉＯ₂供給物質の量を調整することによって、
   前記スラグ中のＣａＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ₂の含有量から求められる該スラグの塩基度［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ₂］を１．２〜１．５の範囲とし、且つ
   前記スラグ中のＭｇＯ量を５％（質量％の意味、以下同じ）以下（０％を含まない）とし、
   （２）前記原料混合物にＣａＦ₂供給物質を配合することによって前記スラグ中のＣａＦ₂量を２％以上とすることを特徴とする粒状金属鉄の製造方法。
2. 前記ＣａＦ₂供給物質として、蛍石を配合する請求項１に記載の製造方法。
3. 前記原料混合物に含まれる前記ＣａＯ供給物質以外のＣａＯ供給物質、および／または前記原料混合物に含まれる前記ＭｇＯ供給物質以外のＭｇＯ供給物質を更に配合する請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記原料混合物に含まれる前記ＣａＯ供給物質以外のＣａＯ供給物質を配合するときは、
   前記原料混合物に含まれる前記ＣａＯ供給物質以外のＣａＯ供給物質として、石灰石および／または炭酸カルシウムを配合する請求項３に記載の製造方法。
5. 前記原料混合物に含まれる前記ＭｇＯ供給物質以外のＭｇＯ供給物質を配合するときは、
   前記原料混合物に含まれる前記ＭｇＯ供給物質以外のＭｇＯ供給物質として、ＭｇＯおよび／または炭酸マグネシウムを配合する請求項３または４に記載の製造方法。

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