JP5827648B2 - 塊成物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、５０％粒子径が２μｍ以下の微細な酸化鉄含有粉末を鉄源として有効利用する技術に関するものである。

鉄鉱石等の酸化鉄含有物質から還元鉄を製造する方法としては、例えば、天然ガスを利用したガス還元法が知られている。近年開発された還元鉄の製造方法としては、酸化鉄含有物質と、炭材等の炭素質還元剤を混合した塊成物を、１３００℃以上の高温で加熱して還元塊成物を製造するＦＡＳＴＭＥＴ法や、該還元塊成物を更に加熱してスラグと溶融分離し、粒状還元鉄を製造するＩＴｍｋ３法がある。

このように酸化鉄含有物質から還元鉄を製造するにあたっては、酸化鉄含有物質を原料として水やバインダーをミキサー内で混合し、造粒機で造粒してφ１３〜１８ｍｍの塊成物としたものが用いられる。

粉末の塊成化法としては、例えば、ペレタイジング法や焼結法が知られており、粉末の粒度範囲に応じて事前処理としての適切な造粒方法が定められている（例えば、非特許文献１）。具体的には、ペレタイジング法に於ける転動造粒法では、５０％粒子径が４μｍ以上であることが推奨され、焼結法では、５０％粒子径が約０．１１ｍｍ〜約３ｍｍ程度であることが推奨されている。

ところで、鉄以外の有価金属には、ＮｉやＡｌ、Ｔｉなどがある。これらの有価金属は、Ｎｉ含有鉱石やＡｌ含有鉱石（赤泥）、Ｔｉ含有鉱石（イルメナイト）などからＮｉ、Ａｌ、Ｔｉを分離回収している。

例えば、Ｎｉ含有鉱石からＮｉを分離回収する方法としては、ＨＰＡＬ法（High Pressure Acid Leach。高圧硫酸浸出）が知られている。この方法では、Ｎｉ含有鉱石を高温高圧状態の硫酸と安定的に反応させることによりＮｉを抽出回収できる。Ｎｉを抽出回収した後には、沈降分離産物（残渣）が生成する。この残渣には、酸化鉄（主にヘマタイト。Ｆｅ₂Ｏ₃）が多く含まれている。また、この残渣に含まれる水分量は２０％以上で、その形態は泥状で、５０％粒子径は約０．６μｍと非常に微細である。

「鉄と鋼」、鉱石の磨鉱特性とペレタイジング適正粒度の関係について、日本鉄鋼協会会誌、第４９年（１９６３）、第３号、Ｐ．３４６〜３４８

選鉱操作で目的成分を回収した残渣（以下、尾鉱ということがある。）には、上述したように、酸化鉄（例えば、ヘマタイト）が多く含まれていることがある。そのため尾鉱に含まれる酸化鉄を還元して鉄源として利用することが考えられる。しかし、尾鉱は、通常、非常に微細になっているため、上記の転動造粒法で造粒し、製鉄原料として用いることは困難である。即ち、粒子が非常に細かい場合には、混合機内における攪拌過程で粒子が相互に容易に粘着し、粒子が擬似粒子を形成する。この擬似粒子を造粒機で造粒すると、擬似粒子同士が結合して成長し、金平糖状のペレットが形成される。このような形状のペレットは、内部の組織が不均一となっており、また強度が低いため、製鉄原料として用いることはできない。従って尾鉱を塊成化して製鉄原料として用い、鉄源として有効利用することは難しい。

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、微細な酸化鉄含有粉末（具体的には、５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末）を製鉄原料として利用できるように造粒して塊成物を製造する方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、塊成化して得られた塊成物から還元鉄を製造する技術を提供することにある。

本発明者らは、微細な酸化鉄含有粉末を造粒して塊成化し、製鉄原料として用いるために鋭意検討を重ねてきた。その結果、５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を所定の温度で熱処理すれば、粒子が相互に焼結して粗大化するため造粒可能となり、塊成物を製造できることを見出し、本発明を完成した。

即ち、上記課題を解決できた本発明に係る塊成物の製造方法とは、５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を、加熱温度９００〜１２００℃で熱処理する工程と、得られた熱処理粉末を造粒して塊成物を製造する工程と、を含む点に要旨を有している。

前記造粒は、転動造粒法によって行えばよい。

前記熱処理は、前記熱処理粉末の５０％粒子径が４μｍ以上となるように行うことが好ましく、加熱時間は、例えば、３０分以上とすればよい。前記熱処理は、前記酸化鉄含有粉末を転動させつつ行うことが好ましい。

前記酸化鉄含有粉末としては、尾鉱を用いることができる。前記尾鉱としては、例えば、Ｎｉ含有鉱石からＮｉを回収した後の残渣を用いることができる。

本発明には、上記の製造方法で得られた塊成物を原料とし、これを加熱して酸化鉄を還元し、還元鉄を製造する方法も包含される。前記塊成物には、例えば、炭素質還元剤を更に含んでもよい。

本発明によれば、５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を、加熱温度９００〜１２００℃で熱処理することによって、粒子を粗大化できるため、従来の方法で造粒でき、球状の塊成物を製造できる。得られた塊成物は、製鉄原料として利用できる。

図１は、加熱温度４００℃で熱処理して得られた熱処理粉末を撮影した図面代用写真である。 図２は、加熱温度１２００℃で熱処理して得られた熱処理粉末を撮影した図面代用写真である。 図３は、熱処理粉末の粒度分布を示すグラフである。 図４は、加熱温度４００℃で熱処理して得られた熱処理粉末をボールミルで解砕した後、造粒した塊成物を撮影した図面代用写真である。 図５は、加熱温度１２００℃で熱処理して得られた熱処理粉末をボールミルで粉砕した後、造粒した塊成物を撮影した図面代用写真である。

本発明法は、
５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を、加熱温度９００〜１２００℃で熱処理する工程（以下、熱処理工程ということがある）と、
得られた熱処理粉末を原料として造粒して塊成物を製造する工程（以下、塊成化工程ということがある）と、
を含むものである。以下、各工程に沿って詳細に説明する。

[熱処理工程]
本発明法では、５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を用いることを前提としており、こうした微細な酸化鉄粉末を造粒して塊成化し、鉄源として有効活用することを目的としている。

上記５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末としては、尾鉱を用いることができる。

上記尾鉱とは、選鉱操作で目的成分を回収した残渣を意味し、選鉱前の鉱物の種類は特に限定されない。尾鉱としては、例えば、鉄鉱石からの選鉱後の残渣、Ａｌ含有鉱石からＡｌを回収した後の残渣、Ｔｉ含有鉱石からＴｉを回収した後の残渣、Ｎｉ含有鉱石からＮｉを回収した後の残渣、などを用いることができる。

Ａｌ含有鉱石としては赤泥、Ｔｉ含有鉱石としてはイルメナイト、Ｎｉ含有鉱石としてはサプロライトなどが用いられている。例えば、Ｎｉ含有鉱石からＮｉを回収する方法としては、上述したＨＰＡＬ法が知られており、Ｎｉを分離回収したあとの残渣は、５０％粒子径が２μｍ以下となる。

上記熱処理工程では、上記５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を、加熱温度９００〜１２００℃で熱処理する。この温度域で微細な酸化鉄含有粉末を熱処理することによって、酸化鉄含有粉末は酸化し、焼結して粗大化する。その結果、後記の工程で造粒可能な大きさに成長させることができる。

上記加熱温度が９００℃を下回ると、粗大化効果が得られず、造粒できないか、造粒できたとしても球状の塊成物は得られない。従って加熱温度は９００℃以上とし、好ましくは９５０℃以上、より好ましくは１０００℃以上とする。しかし加熱温度が１２００℃を超えると、粗大な塊成物を形成したり、塊成物が熱処理装置の表面に付着するという問題が生じる。従って加熱温度は１２００℃以下とし、好ましくは１１５０℃以下、より好ましくは１１００℃以下とする。

上記加熱温度は、炉内に熱電対を差し込み、炉の中央部における雰囲気温度を測定してこの温度に基づいて制御すればよい。

上記熱処理は、上記熱処理粉末の５０％粒子径が４μｍ以上となるように、上記加熱温度を考慮して加熱時間を制御すればよい。

上記加熱時間は、例えば、３０分間以上とすることが好ましい。加熱時間は、より好ましくは４０分間以上であり、更に好ましくは５０分間以上である。加熱時間の上限は特に限定されないが、加熱時間を長くしても粒子径粗大化効果は飽和する反面、生産性が低下するため、例えば、６０分間以下とすればよい。

上記熱処理は、酸化性雰囲気下で行えばよく、例えば、大気雰囲気で行えばよい。

上記熱処理は、上記酸化鉄含有粉末を均一に加熱するために、転動させつつ行うことが好ましい。上記加熱炉としては、回転式加熱炉を用いればよい。

上記回転式加熱炉とは、加熱面（炉面）が回転軸を中心に回転している炉であり、この回転軸は水平以上、垂直未満になっている炉を意味する。

[塊成化工程]
塊成化工程では、上記熱処理工程で得られた熱処理粉末を原料とし、造粒して塊成物を製造する。

上記熱処理粉末を造粒する方法としては、例えば、転動造粒法が挙げられる。

上記熱処理粉末は、塊成物の粒径が、例えば、１０〜１６ｍｍとなるように造粒することが好ましい。

上記熱処理粉末は、造粒するに先立って、解砕または粉砕してもよい。解砕機または粉砕機としては公知のものを用いることができ、例えば、ボールミル、ローラミル、ロールクラッシャなどを用いることができる。

[その他]
上記塊成化工程で得られた塊成物は、製鉄原料として用いることができる。例えば、得られた塊成物を加熱硬化処理後、高炉に投入したり、さらに加熱硬化物を還元性ガス雰囲気で加熱して酸化鉄を還元することによって、還元鉄を製造できる。

また、上記熱処理粉末に、更に炭素質還元剤やバインダーなどを配合して塊成物とし、これを加熱炉内で加熱することによって、還元鉄を製造できる。

以上、本発明によれば、５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を所定の温度域で熱処理することによって造粒可能な粒子径に粗大化できるため、熱処理により得られた熱処理粉末を原料として造粒すれば、熱処理粉末が雪だるま状に成長した均一な組織構造の塊成物を製造できる。

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。

５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を熱処理し、得られた熱処理粉末を造粒して塊成物を製造した。

上記５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末としては、Ｎｉ含有鉱石からＮｉを回収した後の残渣（尾鉱。水分量は約２７％）を屋外に放置して天日に曝し、水分量を約１９％としたものを用いた。

Ｎｉ回収後の残渣の成分組成を下記表１に示す。下記表１において、ＬＯＩは、イグニションロス量（灼熱減量）を示す。

水分量を約１９％に調整した尾鉱は、赤褐色であり、これを回転加熱装置に２ｋｇ装入し、尾鉱を転動させつつ熱処理して乾燥および焼結させた。熱処理時の加熱温度は、下記表２に示すように、４００℃、８００℃、１１００℃または１２００℃とした。加熱時間は、下記表２に示すように、加熱温度が４００℃の場合は約６０分間、加熱温度が８００℃、１１００℃または１２００℃の場合は約３０分間とした。加熱雰囲気は空気流通下とした。

熱処理して得られた粉末は、加熱温度を４００℃、８００℃または１１００℃とした場合は赤褐色のままであったが、加熱温度を１２００℃とした場合は黒褐色に変化した。参考として、加熱温度を４００℃として得られた粉末を撮影した図面代用写真を図１に示す。また、加熱温度を１２００℃として得られた粉末を撮影した図面代用写真を図２に示す。

熱処理後、室温まで冷却した熱処理粉末をボールミルで解砕または粉砕し、これを造粒用試料とした。加熱温度を４００℃、８００℃または１１００℃として得られた熱処理粉末については、ボールミルで約３０秒間解砕し、加熱温度を１２００℃として得られた熱処理粉末については、ボールミルで約２０分間粉砕した。

各熱処理粉末の粒度分布を測定し、結果を図３に示す。図３の横軸は粒子径（μｍ）、縦軸は積算篩下質量（質量％）を示している。

また、５０％粒子径（μｍ）、粒子径が１μｍ未満の積算篩下質量（質量％）、粒子径が１０μｍ未満の積算篩下質量（質量％）を夫々算出し、下記表２に示す。

図３および表２から明らかなように、加熱温度を４００℃または８００℃として熱処理して得られた粉末は、５０％粒子径は熱処理前の原料粉末とほぼ同じであり、粒子径が１μｍ未満の積算篩下質量もほぼ同じであった。従って原料粉末、加熱温度を４００℃または８００℃として熱処理して得られた粉末は、粒子径はいずれも１０μｍ未満であり、ほぼ同じ粒度構成であった。

これに対し、加熱温度を１１００℃として熱処理して得られた粉末は、５０％粒子径は熱処理前の原料粉末よりも約８．６倍大きくなっており、熱処理によって粒子が粗粒化していることが分かる。

加熱温度を１２００℃として熱処理して得られた粉末は、５０％粒子径は熱処理前の原料粉末よりも約５３．５倍大きくなっており、粒子径が１μｍ未満の積算篩下質量は４．４質量％にまで低減でき、熱処理によって粒子が粗粒化していることが分かる。

粒子の粗粒化は、粒子径が１μｍ未満の積算篩下質量および粒子径が１０μｍ未満の積算篩下質量の結果からも読み取れ、原料粉末や加熱温度を４００℃または８００℃としても、粒子径が１０μｍ未満の粉末のみであったのに対し、加熱温度を１２００℃として熱処理することによって、粒子径が１０μｍ未満の粉末の割合は２０．９％となり、粒子径が１０μｍ以上の粗大な粉末の割合を約８０％とすることができた。

次に、熱処理粉末の各粒度範囲別の粒度分布値に基づいて、粒子径を球状と仮定して比表面積（ｃｍ²／ｇ）を計算によって求めた。結果を下記表２に示す。

下記表２から明らかなように、加熱温度を４００℃または８００℃として熱処理して得られた粉末の比表面積（計算値）は２７４００〜２９３８０ｃｍ²／ｇであったのに対し、加熱温度を１１００℃として熱処理して得られた粉末の比表面積（計算値）は８５２０ｃｍ²／ｇ、加熱温度を１２００℃として熱処理して得られた粉末の比表面積（計算値）は１９２０ｃｍ²／ｇであった。この結果から、加熱温度を高くするほど、比表面積は小さくなり、粒子が粗大化していることが分かる。

次に、熱処理粉末を約φ３５ｃｍのゴムタイヤ製・造粒機に装入し、適量の水を加えて造粒した。その結果、加熱温度を４００℃または８００℃として得られた熱処理粉末のボールミル解砕物を用いた場合は、ペレットの形状は球状にはならず、金平糖のように表面に突起があるものとなった。加熱温度を４００℃として得られた熱処理粉末の解砕物を用いて造粒した塊成物を撮影した図面代用写真を図４に示す。

これに対し、加熱温度を１１００℃または１２００℃として得られた熱処理粉末の粉砕物を用いた場合は、ペレットの形状は球状になった。加熱温度を１２００℃として得られた熱処理粉末の粉砕物を用いて造粒したペレットを撮影した図面代用写真を図５に示す。

次に、加熱温度を１１００℃または１２００℃として得られた熱処理粉末を原料にして造粒して得られた湿潤ペレットについて、水分量（％）、塊成物１個あたりの圧潰強度（ｋｇ）、および空隙率（％）を測定した。結果を下記表２に示す。

圧潰強度は、２枚の平板間にペレットを１個設置し、ペレットが圧縮されるように平板に荷重を負荷してペレットの破壊時における荷重（圧潰荷重。単位はｋｇ）を強度試験機で測定した。なお、圧潰荷重の測定は、１０個のペレットについて行い、その平均値で示した。

空隙率(％)は、ペレットを水銀中に浸漬してその浮力で測定した見掛比重値と、混合原料粉末の真比重値とから計算して求めた。

加熱温度を１１００℃または１２００℃として得られた熱処理粉末を原料として造粒した場合には、得られる湿潤ペレットに含まれる水分量、圧潰強度、空隙率は、ペレタイジングプラントで製造される生ペレットとほぼ同等になることが確認できた。

これらのペレットを加熱硬化処理後、例えば、還元性ガス雰囲気で加熱すれば、還元鉄を製造できる。また、上記熱処理粉末に炭素質還元剤やバインダー等を配合してペレットを調製し、これを加熱しても還元鉄を製造できる。

以上の通り、本発明によれば、５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を、加熱温度９００〜１２００℃で熱処理することによって、造粒可能な粒度とすることができ、塊成物を製造できる。この塊成物は、鉄源として有効利用できる。

Claims (8)

1. ５０％粒子径が２μｍ以下の酸化鉄含有粉末を、加熱温度９００〜１２００℃で熱処理する工程と、
   得られた熱処理粉末を原料として造粒して塊成物を製造する工程と、
   を含み、
   前記熱処理は、前記熱処理粉末の５０％粒子径が４μｍ以上となるように行うことを特徴とする塊成物の製造方法。
2. 前記造粒は、転動造粒法によって行う請求項１に記載の製造方法。
3. 前記熱処理は、加熱時間を３０分以上とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記熱処理は、前記酸化鉄含有粉末を転動させつつ行う請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記酸化鉄含有粉末は、尾鉱である請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記尾鉱は、Ｎｉ含有鉱石からＮｉを回収した後の残渣である請求項５に記載の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法で得られた塊成物を加熱して還元鉄を製造することを特徴とする還元鉄の製造方法。
8. 前記塊成物は、炭素質還元剤を更に含む請求項７に記載の製造方法。