JP6403268B2 - 還元鉄の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の還元鉄原料を移動式炉床還元溶融炉内に装入して処理することにより還元鉄を製造するための方法及び装置に関する。

従来、還元鉄を製造するための方法として、炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の還元鉄原料を移動式炉床還元溶融炉内に装入して処理するものが、知られている。例えば特許文献１には、前記複数の還元鉄原料として多数の球状のペレットを用意することと、これらを移動式炉床還元溶融炉内に順次挿入して加熱することと、この加熱により生成された還元鉄（金属鉄）とスラグとを分離して前記還元溶融炉の外部に排出することと、を含む方法が記載されている。

前記移動式炉床還元溶融炉は、特定方向に移動可能な炉床と、その上方に位置する天井と、を有し、これらは煉瓦等の耐火物により構成される。また、前記炉床上には、前記耐火物を保護するための床敷材が設けられる。すなわち、前記炉床上では、前記酸化鉄の一連の処理、すなわち、還元、浸炭、溶融、凝集、及びスラグの分離が連続して行われるため、このように処理される酸化鉄と前記炉床を構成する耐火物との直接的な接触を阻止するべく、当該炉床上に前記床敷材が適当な層厚でもって敷設される。

この還元溶融炉内に前記各ペレットを装入する手段として、前記特許文献１の図８には、前記天井に設けられた複数の供給部を通じて前記各ペレットを当該天井から前記炉床上、具体的には前記床敷材上、に順次自由落下させることが開示されている。

一方、特許文献２には、還元溶融炉の天井から降下するように傾動可能な装入口を備えた装入装置が開示されている。前記装入口は、上部入口と、ペレットを降下させる通路と、下部出口と、を有し、この下部出口が炉床に近接する位置まで傾きながら降下することが可能である。

特開２０１２−０５２７４１号公報 特開２０００−１０９９１４号公報

前記のような移動床式還元溶融炉内で前記複数の還元鉄原料から還元鉄の製造を行うにあたっては、当該還元鉄原料をなるべく短時間で効率よく処理することが望ましい。その有効な手段として、本発明者らは、各還元鉄原料とその周囲の高熱ガスとの接触面積、及び、還元鉄原料の表面積のうち輻射により当該還元鉄原料に与えられる熱を受ける面積である受熱面積を確保して良好な入熱を促すことに着目するとともに、かかる観点から、前記特許文献１及び２に記載される従来技術には重要な課題が存することを見出した。

具体的に、特許文献１に記載されるように自由落下によって溶融炉内に順次装入される還元鉄原料の中には、前記粉状の床敷材内に少なくとも一部が埋まり込んだものや、先行する還元鉄原料の上に積み重なるものが少なからず存在し、このような還元鉄原料の埋まり込みや積み重ねが当該還元鉄原料と炉内の高温ガスとの接触面積や、還元鉄原料の表面積のうち輻射により当該還元鉄原料に与えられる熱を受ける面積である受熱面積を減少させ、ひいては当該還元鉄原料への良好な入熱を妨げるおそれがある。

一方、特許文献２に記載される技術では、ペレット装入口の下部出口が炉床に近接することが可能であるが、この技術において、前記のような炉床を保護するための粉状の床敷材を付加することは難しい。仮に、この技術において当該床敷材を炉床上に敷設した場合、当該床敷材と前記ペレット装入口の下部出口とが近接することによりこの部分でのガスの流れが著しく乱れ、却って前記床敷材の著しい飛散及びこれによるペレット（還元鉄原料）の埋まり込みを招くおそれがある。さらに、天井の下方には高温のガスが存在しており、その高温に耐え得るだけの耐熱性をもった材料によって天井から前記のようなペレット装入口を下方に大きく延長させることは著しいコストの増大を伴う。また、耐熱性材料を使用したとしても、高温環境下では装入設備の信頼性の低下は免れ得ない。

本発明は、炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の還元鉄原料を移動床式還元溶融炉内に装入して処理することにより還元鉄を製造するための方法及び装置であって、装入設備の信頼性の低下または著しいコストの上昇を招くことなく、天井から粉状の床敷材上に供給される各還元鉄原料への当該床敷材上での入熱を良好にしてその処理効率を高めることが可能なものを提供することを目的とする。

本発明が提供する還元鉄の製造方法は、炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の球状の還元鉄原料を、特定方向に移動する炉床、前記炉床の上方に位置する天井、及び前記炉床上に敷設された粉体からなる床敷材を有する還元溶融炉内に順次装入して前記床敷材上にセットする工程と、前記炉床の移動に伴って当該床敷材上で前記各還元鉄原料を順次還元処理することにより還元鉄を生成して当該還元溶融炉の外部に排出する工程と、を含む。前記還元鉄原料を前記床敷材上にセットする工程は、前記還元鉄原料に前記炉床の移動方向と同じ方向の水平方向の速度であって当該炉床の移動速度よりも大きな水平方向の速度を与えながら当該還元鉄原料を前記天井の下面からその下方に放出して前記床敷材上に落下させることによりその水平方向の速度の向きに当該床敷材上で当該還元鉄原料を転動させることを、含む。

なお、ここでいう「球状の還元鉄原料」とは、当該還元鉄原料を完全な球体であるものに限定する趣旨ではない。厳密には球体でないものであっても、粉状の床敷材上で転動することが可能な程度まで真球に近いもの、例えば、当該還元鉄原料の中心を通る任意の断面の真円度が前記条件を満たす程度まで高いものであれば、本発明にいう「球状の還元鉄原料」に含まれる。

当該還元鉄原料の床敷材上での転動は、先行する還元鉄原料への後続の還元鉄原料の積み重なりや、床敷材内への還元鉄原料の埋まり込みを有効に抑止し、これにより、各還元鉄原料への良好な入熱を可能にする。具体的に、前記床敷材上に順次供給される還元鉄原料は、その落下地点からさらに炉床移動方向に転動することにより、当該還元鉄原料の上に後続の還元鉄原料が積み重なるのを有効に回避することができる。また、当該転動は、前記落下地点での還元鉄原料の埋まり込みを抑止できるだけでなく、当該還元鉄原料が先行する還元鉄原料の上に誤って落下することにより当該先行する還元鉄原料を床敷材上に押し込むことによる埋まり込みや、当該還元鉄原料の落下に伴って飛散する粉状の床敷材が先行する還元鉄原料の上に被さることに起因する当該先行する還元鉄原料の埋まり込みも、有効に抑止することを可能にする。

しかも、前記還元鉄原料は天井の下面から放出されるので、当該天井の下面からさらに下方に還元鉄原料の供給のための部材を延ばすものと異なり、装入設備の信頼性の低下やコストの著しい上昇、あるいは前記粉状の床敷材の近傍でのガスの乱れを伴うことがない。

前記水平方向の速度の大きさは、前記床敷材上への前記還元鉄原料の入射角度を６０°以下とするものが、好ましい。当該入射角度によれば、床敷材上に還元鉄原料が落下する時点で当該還元鉄原料はその入射速度の１／２以上の水平速度を有するので、床敷材上への着地後の当該還元鉄原料の転動がより確実になる。

当該水平方向の速度の付与は、例えば、前記天井の内部に前記炉床の移動方向に下って傾斜するとともに当該天井の下面またはそれよりも上側に位置する下端を有する傾斜面を設けてこの傾斜面上で前記還元鉄原料を転動させて当該傾斜面に沿って降下させた後に当該傾斜面の下端から当該還元鉄原料を放出するものが、好適である。このように、耐火物からなる天井の内部に傾斜面を設けてそこから還元鉄原料を放出することは、当該天井から床敷材に向けてさらに供給部を下方に延設する場合と異なり、高温雰囲気下に装入設備を設置する必要がないため、当該装入設備の信頼性の低下を伴わない。また、耐熱性の高い高価な材料で装入設備を構成することを要しないので著しいコストの増大を伴わない。また、炉内のガスの流れに対する影響もほとんどない。なお、前記傾斜面上での前記還元鉄原料の転動には、多少の滑りの要素が含まれていてもよい。

この方法は、前記傾斜面をさらに天井の上側に延長することを除外しない。特に、前記天井の上に当該天井の内部の傾斜面と連続する延長傾斜面をもった延長部材を設け、当該延長傾斜面及び前記天井の内部の傾斜面に順次沿って還元鉄原料を降下させてから当該還元鉄原料を放出する方法であれば、天井の厚みが限られている場合でも十分な助走距離を確保することができる。しかも、前記延長部材は天井の上に設けられるものであるから、高い耐熱性を要さず、また炉内のガスの流れに影響を与えることもない。さらに、当該延長部材の交換やメンテナンスのための作業も、前記天井の上方において容易に行うことが可能である。

また本発明は、炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の球状の還元鉄原料を加熱処理して還元鉄を製造するための装置を提供する。この装置は、特定方向に移動可能な炉床、前記炉床の上方に位置する天井、及び、前記炉床上に敷設された粉体からなる床敷材を有し、この床敷材上にセットされた還元鉄原料を前記炉床の移動に伴って順次加熱処理することにより還元鉄を生成する還元溶融炉と、この還元溶融炉内に前記複数の還元鉄原料を順次装入して前記床敷材上にセットする原料装入部と、前記還元溶融炉内で生成された還元鉄を排出する排出部と、を備える。前記原料装入部は、前記還元鉄原料に前記炉床の移動方向と同じ方向の水平方向の速度であって当該炉床の移動速度よりも大きな水平方向の速度を与えながら当該還元鉄原料を前記天井の下面からその下方に放出して前記床敷材上に落下させることによりその水平方向の速度の向きに当該床敷材上で当該還元鉄原料を転動させる。

前記原料装入部は、具体的には、前記天井の内部に設けられ、前記炉床の移動方向に下って傾斜する傾斜面であって、天井の下面またはそれよりも上側に位置する下端を有するものと、この傾斜面に前記複数の還元鉄原料を順次供給して当該還元鉄原料を当該傾斜面に沿って降下させ、当該傾斜面の下端から天井の下方に放出させる原料供給部と、を含むものが、好適である。

前記原料装入部は、前記天井の内部に設けられる傾斜面に加えて天井の外部、すなわちその上方または下方に延長された傾斜面をさらに含むものであってもよい。具体的には、前記天井の上に設けられ、前記天井の内部の傾斜面と連続する延長傾斜面を有する延長部材をさらに含み、前記原料供給部は当該延長傾斜面に前記還元鉄原料を供給して当該還元鉄原料を前記延長傾斜面及び前記天井の内部の傾斜面に順次沿わせて降下させてから放出させるものであってもよい。

前記傾斜面の角度は、適宜設定可能である。一般には、当該角度は３６°以上６０°以下であることが、好ましい。３６°以上の傾斜角度は、供給された還元鉄原料が傾斜面上で止まって滞留するのを有効に抑止する。また、６０°以下の傾斜角度は、還元鉄原料が当該還元鉄原料と傾斜面との接触を確実に維持しながら当該傾斜面に沿って降下することを可能にする。

以上のように、本発明によれば、炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の還元鉄原料を移動床式還元溶融炉内に装入して処理することにより還元鉄を製造するための方法及び装置であって、装入設備の信頼性の低下または著しいコストの上昇を伴うことなく、天井から粉状の床敷材上に供給される各還元鉄原料への当該床敷材上での入熱を良好にしてその処理効率を高めることが可能なものが、提供される。

本発明の実施の形態に係る還元鉄製造装置の平面図である。 前記還元鉄製造装置における移動床式還元溶融炉の半径方向に沿った断面を示す図である。 前記還元溶融炉をその炉床の移動方向に沿って展開した断面図である。 前記還元鉄製造装置に含まれる複数の原料装入部の配置を示す平面図である。 前記原料装入部及びその近傍の前記還元溶融炉の部位を示す断面図であって当該還元溶融炉の幅方向の中心線に沿った断面を示す図である。 図５に示される部位の要部を示す断面図である。 比較例に係る還元鉄製造装置の要部を示す断面図である。 還元溶融炉に装入された後の還元鉄原料の状態の例を示す断面図である。 後続の還元鉄原料が先行の還元鉄原料の上に落下することによる当該先行の還元鉄原料の埋まり込みを説明するための、当該落下前の状態を示す断面図である。 後続の還元鉄原料が先行の還元鉄原料の上に落下することによる当該先行の還元鉄原料の埋まり込みを説明するための、当該落下前の状態を示す断面図である。 後続の還元鉄原料が先行の還元鉄原料の近傍に落下することに伴う床敷材の飛散による当該先行の還元鉄原料の埋まり込みを説明するための、当該落下前の状態を示す断面図である。 後続の還元鉄原料が先行の還元鉄原料の近傍に落下することに伴う床敷材の飛散による当該先行の還元鉄原料の埋まり込みを説明するための、当該落下前の状態を示す断面図である。 前記実施形態及び前記比較例における還元鉄原料の敷き密度係数と埋まり込み比率との関係を示すグラフである。

本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１〜図３は、本発明の実施の形態に係る還元鉄製造装置を示す。この還元鉄製造装置は、多数の還元鉄原料２であってそれぞれが炭素質還元剤と酸化鉄とを含有するものを順次加熱処理して還元鉄を製造するためのものである。各還元鉄原料２は、球状に形成されているが、完全な球体でなくてもよい。この点については後に言及する。また、各還元鉄原料２は事前に乾燥処理されていることが、好ましい。

前記還元鉄製造装置は、移動床式の還元溶融炉１０と、複数の原料装入部１２と、排出部１４と、を備える。前記還元溶融炉１０は、その内部に装入された還元鉄原料２の処理により、還元鉄（金属鉄）の生成を行う。具体的には、当該還元溶融炉１０内において、前記酸化鉄の昇温、還元、溶融、凝集、スラグの分離、冷却等が行われる。前記各原料装入部１２は、互いに異なる複数の位置から前記還元溶融炉１０内に前記各還元鉄原料２を順次装入する。前記排出部１４は、前記還元溶融炉１０内で生成された還元鉄及びスラグを当該還元溶融炉１０の外部に排出する。

前記還元溶融炉１０は、炉床１６と、床敷材１８と、炉体２０と、図示されない炉床駆動装置と、を備える。前記炉床１６及び前記炉体２０は、例えばアルミナを主成分とする耐火物により構成される。

前記炉床１６は、内側に円形空間を囲む円環状をなし、その半径方向に沿う一定の幅を有する。前記炉床駆動装置は、前記炉床１６がその中心軸である垂直軸回りに所定方向（図２では反時計回り方向）に所定の速度で回転するように当該炉床１６を駆動する。従って、この実施の形態に係る前記炉床１６は、その回転周方向に沿って所定速度で移動することが可能である。

前記床敷材１８は、前記炉床１６の保護、具体的には当該炉床１６と還元鉄原料２との直接的な接触の阻止、のために当該炉床１６上に敷設される。当該床敷材１８は、多数の粉体により構成される。当該床敷材１８は、炉床１６を構成する耐火物へのスラグの浸潤を防ぎ、かつ更新可能なものであればよく、例えば、酸化マグネシウム化合物、酸化ケイ素化合物、酸化アルミニウム化合物、酸化鉄化合物及び炭素物質よりなる群から選択される少なくとも１種の化合物が、好適である。前記各原料装入部１４により還元溶融炉１０内に装入される各還元鉄原料２は、後に詳述するように前記床敷材１８上にセットされる。

前記炉体２０は、内側壁２２と、外側壁２３と、天井２４と、を一体に有する。内側壁２２及び外側壁２３は前記炉床１６の内側縁及び外側縁からそれぞれ立ち上がる。炉床１６は両側壁２２，２３に対して当該炉床１６の回転方向（炉床移動方向）に相対変位となるように接続されている。前記天井２４は、両側壁２２，２３の上端に跨るようにして前記炉床１６の上方に位置し、一定の厚みを有する。炉床１６の上面（正確には前記床敷材１８の上面）から前記天井２４の下面２４ａまでの上下方向の寸法、すなわち天井高さは、炉内ガスの流速の増加による床敷材１８の飛散や付着物等による閉塞を防止する観点から、設定される。当該天井高さは、少なくとも１００ｍｍ以上、一般には２００ｍｍ以上、であることが好ましい。

この還元鉄製造装置は、図１及び図３に示される床敷材補給装置２６をさらに備える。この床敷材補給装置２６は、前記排出部１４において前記金属鉄及び前記スラグとともに排出される床敷材１８の分に相当する新しい床敷材１８を炉床１６上に適宜補給する。

この還元溶融炉１０は、さらに、複数のバーナ２８を備える。これらのバーナ２８は、前記炉床１６の移動方向に沿って並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられ、各位置において燃料の燃焼を行う。この燃焼による熱は、輻射等により、炉内に順次装入される各還元鉄原料２に伝達され、当該還元鉄原料２の還元および溶融に寄与する。

図３に示すように、前記還元溶融炉１０は複数の仕切り壁３１，３２，３３を含み、これらの仕切り壁３１〜３３は前記還元溶融炉１０の内部空間を前記炉床１６の移動方向に沿って並ぶ複数のゾーンに区画する。当該複数のゾーンは、昇温ゾーンＺ１、還元ゾーンＺ２、溶融ゾーンＺ３及び冷却ゾーンＺ４を含む。昇温ゾーンＺ１内では、装入された還元鉄原料２の温度が高められ、還元ゾーンＺ２内で当該還元鉄原料２の還元が行われる。溶融ゾーンＺ３内で、当該還元鉄原料２がさらに加熱されて溶融し、これにより、還元鉄がスラグと分離されるとともに凝集して粒状の溶融金属鉄となる。この溶融金属鉄は、冷却ゾーンＺ４内に設けられた冷却装置３４により冷却されて固化する。各ゾーンＺ１〜Ｚ４における還元鉄原料２の処理はすべて前記床敷材１８上で行われる。

前記排出部１４は、前記冷却ゾーンＺ４の下流側に設けられる。排出部１４は、例えばスクリューコンベアを含み、当該冷却ゾーンＺ４で固化した金属鉄及びスラグ等を還元溶融炉１０の外部に排出する。排出された金属鉄及びスラグ等は、排出ホッパー３６に投入され、図略の分離装置により互いに分離される。以上の一連の工程により、スラグ成分含量の極めて少ない粒状の金属鉄が製造される。

次に、前記各原料装入部１２の詳細を、図４〜図６を参照しながら説明する。

図４に示すように、この実施の形態に係る原料装入部１２は、還元溶融炉１０の天井２４において千鳥状に並ぶ複数の位置に、それぞれ配置され、当該位置で前記還元鉄原料２の装入を行う。しかし、本発明に係る還元鉄製造装置における原料装入部の具体的な個数及び配置は限定されない。例えば、全ての還元鉄原料が単一の原料装入部によって還元溶融炉内に挿入されてもよい。

前記各原料装入部１２は、前記天井２４の内部に形成された傾斜面４０と、この傾斜面４０からさらに上向きに傾斜面を延長するための延長部材４２と、原料供給部４４と、を含む。

前記傾斜面４０は、この実施の形態では平面であり、前記炉床１６の移動方向に沿って下るように傾斜する。この実施の形態では、傾斜面４０の下端が天井２４の下面２４ａと合致しているが、当該下端は当該下面２４ａより上側に位置してもよい。すなわち傾斜面４０は下面２４ａよりも上側の位置で途切れてもよい。前記各還元鉄原料２は、この傾斜面４０上を転動（滑りが含まれていてもよい）するようにして当該傾斜面４０に沿って降下することが可能であり、その後に天井２４の下面２４ａから下方に放出される。この放出の際には当該還元鉄原料２に前記傾斜面４０の傾斜角度に対応した水平方向の速度が与えられる。この実施の形態では、前記傾斜角度で前記天井２４を貫通する貫通穴４６が形成され、この貫通穴４６の下側に位置する面が前記傾斜面４０を構成する。

この傾斜面４０は、前記天井２４を構成する耐火物の表面によって構成されてもよいし、当該耐火物の表面を被覆する被覆材によって構成されてもよい。被覆材を用いる場合、その材質の選定によって、各還元鉄原料２の降下状態を調節することが可能である。例えば、還元鉄原料２に対する傾斜面４０の動摩擦係数を小さくしたり（例えば０．４以下）、反発係数を小さくしたりすることにより、傾斜面４０上での還元鉄原料２のバウンドを抑制して当該還元鉄原料２の床敷材１８上の落下位置を安定させることが、可能である。

前記延長部材４２は、この実施の形態では角筒状の管材からなり、その下面が延長傾斜面４８を構成する。この延長部材４２は、前記貫通穴４６の上部に斜め向きに差し込まれ、これにより、前記延長傾斜面４８が前記傾斜面４０と連続する。具体的には、前記貫通穴４６の上部とそれよりも下側との部位との間に前記延長部材４２の肉厚に相当する段が与えられ、これにより両傾斜面４８，４０の連続性が担保されている。この延長部材４２は適宜省略することが可能である。

前記傾斜面４０及び前記延長傾斜面４８は、必ずしも平面に限らない。例えば、還元溶融炉１０の側方からみて曲線状をなす曲面であってもよい。この場合、当該傾斜面の接線方向が下方に向かうに従って水平に近づくような形状の曲面上であると、天井２４の下面２４ａから放たれる還元鉄原料２の進行方向を通常の安息角よりも水平方向に近い角度に向けることが可能である。また、当該傾斜面４０，４８をその傾斜に沿う方向からみた形状は、水平な直線であってもよいし、凹凸を含む直線や曲線であってもよい。例えば、当該形状は、それぞれが前記還元鉄原料２が通過することが可能な幅をもつ複数の溝が横向きに配列されたものでもよい。いずれの場合も、前記延長傾斜面４８は前記傾斜面４０の形状と対応して相互連続することが可能な形状を有することが、好ましい。

傾斜面４８，４０の傾斜角度は、任意に設定が可能であるが、当該傾斜面４８，４０が平面である場合、安息角以上の角度、すなわち、傾斜面４８，４０上での還元鉄原料２の滞留を確実に回避できる角度以上の角度、一般には３６°以上の角度であることが好ましい。また、当該傾斜角度は、還元鉄原料２が傾斜面４８，４０から確実に反力を受けることが可能な角度、つまり、当該還元鉄原料２と当該傾斜面４８，４０との接触を確実に維持できる角度であることが好ましく、一般には６０°以下であることが、好ましい。また、３６°未満の傾斜角度であっても、還元鉄原料２の傾斜面上での滞留を防止する手段、例えば当該傾斜面に沿った還元鉄原料２の降下をアシストする手段、を付加することにより、当該還元鉄原料２を天井１８の下面１８ａから確実に放出することが可能である。

前記原料供給部４４は、前記傾斜面４８，４０に前記還元鉄原料２を順次供給して当該傾斜面４８，４０に沿って降下させるものである。この実施の形態に係る原料供給部４４は、前記多数の還元鉄原料２を受け入れる供給ホッパー５０と、この供給ホッパー５０から供給される還元鉄原料２を受け入れるとともに前記延長部材４２に接続されるフィーダトレイ５２と、このフィーダトレイ５２に振動を与えて当該フィーダトレイ５２から前記延長部材４２に順次還元鉄原料２を落とす加振装置５４と、を含む。

前記延長部材４２と前記フィーダトレイ５２との接続のための構造は、特に限定されない。図６に示す例では、両者がフランジ５６を介して結合されているが、両者間にウォータシールが設けられてもよい。また、前記延長部材４２が省略される場合は、前記天井２４に直接原料供給部が接続されてもよい。

次に、この還元鉄製造装置の作用、換言すれば、当該装置を用いて行われる還元鉄製造方法、について説明する。

まず、多数の還元鉄原料２、すなわち、炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の球状の材料、が用意される。ここでいう「球状」とは、後に述べるように前記還元鉄原料２が還元溶融炉１０内の床敷材１８上に着地した後に転動できる程度の球状であればよく、当該還元鉄原料２は完全な球体である必要はない。一般には、還元鉄原料２は、その中心を通る任意の断面が０．７以上の真円度を有するのが、好ましい。このように高い真円度をもつ断面を有する還元鉄原料２は、傾斜面４８，４０上においても円滑に転動できることから、その床敷材１８上への落下位置も安定する。

還元鉄原料２の直径は適宜設定されることが可能であり、特に限定されない。一般には、１９ｍｍ以上２７ｍｍ以下であることが、好ましい。１９ｍｍ以上の粒径をもつ還元鉄原料２は、飛散する床敷材１８の量に対して相対的に大きいサイズを有するため、当該還元鉄原料２の埋まり込み度合いは小さくなる。また、２７ｍｍ以下の粒径は、炉床上単位面積当たりの還元鉄重量の増加率よりも還元・溶融・凝集・スラグ分離までにかかる時間の延長幅が勝ることを抑止し、これに起因する生産性の低下を抑えることができる。

このようにして用意された多数の還元鉄原料２は、供給ホッパー５０内に投入され、フィーダトレイ５２を通じて順次延長部材４２（延長部材４２が省略される場合には天井２４の傾斜面４０）に供給される。供給された還元鉄原料２は、炉床１６の移動方向に向かって傾斜する傾斜面４８，４０上を転動しながら当該傾斜面４８，４０に沿って降下し、その後、天井２４の下面２４ａに至った時点から傾斜面４８，４０の拘束を離れ、すなわち放出され、床敷材１８上に着地する。

前記放出の際、還元鉄原料２には、重力による下向きの速度に加え、前記傾斜面４８，４０の傾斜角度に対応した水平方向の速度が与えられる。この水平方向の速度が炉床１６の移動速度よりもある程度高い速度であれば、前記還元鉄原料２は、図５及び図６に示すように、前記床敷材１８に着地した後に前記炉床１６の移動方向に転動する、つまり着地位置からさらに炉床１６の移動方向に逃げることが可能である。従って、この転動は、当該還元鉄原料２の上に後続の還元鉄原料２が積み重なることや、当該後続の還元鉄原料２の落下に起因して先行する還元鉄原料２が床敷材１８内に埋まり込むことの回避を可能にする。

換言すれば、前記還元鉄原料２に与えられるべき水平速度の大きさは、当該還元鉄原料２が前記床敷材１８上に着地した後の転動を確保できる程度に設定されればよい。具体的には、当該還元鉄原料２の大きさ、比重、天井２４の下面２４ａからの鉛直方向の放出速度、床敷材１８までの落下距離、床敷材１８の材質、等の諸条件に応じて設定されればよい。

このような水平速度が付与されながら天井２４の下面２４ａから着地した後の還元鉄原料２の転動による効果を、図７に示すような比較例に係る装置との対比において説明する。図７に示す装置は、原料供給部４４から順次供給される還元鉄原料２をそのまま天井２４の貫通穴４７を通じて床敷材１８上に鉛直方向に自由落下させるものである。この装置では、各還元鉄原料２の供給ピッチに比して炉床１６の移動速度が低い場合、先行する還元鉄原料２に対して後続の還元鉄原料２が衝突しやすい。これにより、図８に示される還元鉄原料２Ａ，２Ｂのような積み重なりや、還元鉄原料２Ａ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅのような床敷材１８内への埋まり込みが、生じやすくなる。当該積み重なりや埋まり込みは、還元鉄原料２Ａ〜２Ｅと炉内高温ガスとの接触面積や、還元鉄原料２Ａ〜２Ｅの表面積のうち輻射により当該還元鉄原料に与えられる熱を受ける面積である受熱面積を著しく減少させ、処理効率を下げる要因となる。

前記還元鉄原料の埋まり込みは、それ自身の床敷材１８上への落下のみならず、後続の還元鉄原料の落下に起因しても生じ得るものであり、むしろ後者の方が顕著である。図９〜図１２は、後続の還元鉄原料２Ｇの床敷材１８上への落下が先行する還元鉄原料２Ｆの床敷材１８内への埋まり込みを生じさせるメカニズムを示している。図９に示すように、先行する還元鉄原料２Ｆの上に後続の還元鉄原料２Ｇが落下すると、当該還元鉄原料２Ｇが当該還元鉄原料２Ｆを床敷材１８内に押し込んで埋まり込みを生じさせてしまう。さらに、図１１に示すように、先行する還元鉄原料２Ｆの上ではないがその近傍に後続の還元鉄原料２Ｇが落下する場合にも、その落下に伴って飛散する床敷材１８の一部１８ａが先行する還元鉄原料２Ｆの上に被さることにより、結果的に当該還元鉄原料２Ｆの埋まり込みを生じさせる。

これに対し、前記のような水平方向の速度が与えられた還元鉄原料２の炉床移動方向への転動は、図９〜図１２に示されるようなメカニズムによる埋まり込みをいずれも回避することを可能にする。すなわち、炉床移動速度が多少遅くても、後続の還元鉄原料２Ｇが床敷材１８上に落下する頃には先行する還元鉄原料２Ｆがその転動によって前方に大きく退避しているため、当該還元鉄原料２Ｆ上へのあるいはその近傍への還元鉄原料２Ｇの落下に起因する埋まり込みは生じにくい。後続の還元鉄原料２Ｇは、その転動によって先行の還元鉄原料２Ｆに近づくが、仮にその転動による衝突があってもその衝突は弱くかつ方向は水平であり、また当該転動が床敷材１８の著しい飛散を伴うこともない。従って、当該衝突や床敷材１８の飛散に起因する先行還元鉄原料２Ｆの埋まり込みは生じにくい。

このようにして還元鉄原料２同士の積み重なりや埋まり込みを有効に抑止した当該還元鉄原料２の装入は、当該還元鉄原料２への良好な入熱を可能にする。この入熱によって当該還元鉄原料２は各ゾーンＺ１〜Ｚ３において短時間で良好な加熱処理（昇温、還元及び溶融処理）を受けることが可能であり、その後に冷却ゾーンＺ４で冷却された還元鉄は、高品質の金属鉄として排出部１４により排出されることができる。

具体的に、還元鉄原料の反応時間（炉内に投入されて加熱され始めてから還元鉄とスラグとの分離が完全に終了するまでの時間）について測定を行ったところ、前記床敷材１８内への埋り込みがない還元鉄原料に比べて、半分が埋り込んだ還元鉄原料の処理には約１．３５倍の反応時間を要することが確認された。従って、当該埋り込みを防ぐことにより、前記反応時間の著しい短縮を図ることが可能である。

以上のように、この実施の形態に係る方法及び装置によれば、床敷材１８上での還元鉄原料２の転動が短時間で高品質の金属鉄を製造することを可能にするが、その転動のためには、当該還元鉄原料２が当該床敷材１８上に６０°以下の角度で入射し得る程度の大きさの水平方向の速度が与えられることが好ましい。当該６０°以下の入射角度は、水平方向の速度の大きさが入射速度の１／２以上であることを意味し、このことは、還元鉄原料２の床敷材１８上への落下による当該床敷材１８内への沈み込みに打ち勝って当該還元鉄原料２が炉床移動方向に転動することをより確実にする。従って、かかる観点から前記傾斜面４０あるいは傾斜面４８，４０の傾斜角度が設定されるのが、よい。

また、前記のような水平方向の速度を還元鉄原料に付与する手段は、前記傾斜面上での還元鉄原料の転動に限らない。例えば、天井の下面から鉛直方向に放出される還元鉄原料に対して水平方向に高圧ガスを吹き付けることによっても水平方向の速度を与えることが可能である。ただし、前記のように天井内に設けられた傾斜面上での還元鉄原料の転動は、当該天井の下方の高温領域内に耐熱性を要する複雑または大規模な設備を増設することなく、当該天井の下面から放出される還元鉄原料に対して水平方向の速度を与えることを可能にし、これにより、装入設備の信頼性の低下や著しいコストの上昇を伴うことなく、また天井下面の下方の炉内のガスの流れに著しい悪影響を及ぼすことなく、還元鉄原料同士の積み重なりや床敷材内への埋まり込みを抑止できる利点がある。

本発明に係る実施例及び比較例として、図５，６に示される前記実施形態に係る装置と、図７に示されるように自由落下式の装置と、のそれぞれについて次の条件下で実験を行った。
（１）還元鉄原料
任意の断面の真円度：０．８以上（共通）
直径：１５ｍｍ，１８ｍｍ及び２３ｍｍの３種類（実施例）
直径：１５ｍｍ及び２３ｍｍの２種類（比較例）
（２）床敷材
材質：無煙炭（共通）
粒径：３．３５ｍｍ以下 １００Ｗｔ％（共通）
層厚：１５ｍｍ（共通）
（３）鉛直方向の落下距離
比較例の場合：９００ｍｍ
実施例の場合：１４００ｍｍ
（４）炉床移動速度
原料直径２３ｍｍの場合：７．６ｍ／ｍｉｎ（共通）
原料直径１９ｍｍの場合：９．２ｍ／ｍｉｎ（実施例のみ）
原料直径１５ｍｍの場合：１１．６ｍ／ｍｉｎ（共通）
（５）傾斜面（実施例のみ）
傾斜角度：４５°
材質：耐火物（天井と同じ）
長さ：１０００ｍｍ

前記実験では、床敷材上での還元鉄原料の敷き密度係数と埋まり込み比率との関係についてデータの採取を行った。ここで「敷き密度係数」は、最大敷き密度、すなわち床敷材上に最密状態で還元鉄原料を並べたときの当該還元鉄原料の敷き密度（単位面積当たりの重量）、に対する実際の敷き密度の比である。また、埋まり込み比率は、供給された還元鉄原料の総重量に対する、半分以上が床敷材内に埋まり込んだ還元鉄原料（図８に示す例では還元鉄原料２Ａ，２Ｅ）の重量の比である。

当該実験の結果を図１３に示す。この図１３は、同じ敷き密度係数で比較した場合に、当該敷き密度係数の大小にかかわらず、また、還元鉄原料の直径の大小にかかわらず、還元鉄原料を自由落下させる比較例に対して、当該還元鉄原料の放出方向に傾斜を与えた実施例の埋まり込み比率が著しく低いことを明らかに示している。この効果は、各還元鉄原料の転動が、図９〜図１２に示すような還元鉄原料同士の衝突や床敷材の飛散に起因する先行還元鉄原料の埋まり込みを有効に抑止していることによるものと考えられる。

２ 還元鉄原料
１０ 還元溶融炉
１２ 原料装入部
１４ 排出部
１６ 炉床
１８ 床敷材
２４ 天井
４０ 天井内に設けられた傾斜面
４２ 延長部材
４４ 原料供給部
４８ 延長傾斜面

Claims (9)

1. 還元鉄を製造するための方法であって、
   炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の球状の還元鉄原料を、特定方向に移動する炉床、前記炉床の上方に位置する天井、及び前記炉床上に敷設された粉体からなる床敷材、を有する還元溶融炉内に順次装入して前記床敷材上にセットする工程と、
   前記炉床の移動に伴って当該床敷材上で前記各還元鉄原料を順次還元処理することにより還元鉄を生成し、前記還元溶融炉の外部に排出する工程と、を含み、
   前記還元鉄原料を前記床敷材上にセットする工程は、前記還元鉄原料に前記炉床の移動方向と同じ方向の水平方向の速度であって当該炉床の移動速度よりも大きな水平方向の速度を与えながら当該還元鉄原料を前記天井の下面から下方に放出して前記床敷材上に落下させることによりその水平方向の速度の向きに当該床敷材上で当該還元鉄原料を転動させることを、含む、還元鉄の製造方法。
2. 請求項１記載の還元鉄の製造方法であって、前記還元鉄原料を前記床敷材上にセットする工程では、前記床敷材上への前記還元鉄原料の入射角度を６０°以下とする大きさの水平方向の速度を前記還元鉄原料に与える、還元鉄の製造方法。
3. 請求項１または２記載の還元鉄の製造方法であって、前記水平方向の速度の付与は、前記天井の内部に前記炉床の移動方向に下って傾斜するとともに前記天井の下面またはそれよりも上側に位置する下端を有する傾斜面を設けてこの傾斜面上で前記還元鉄原料を転動させて当該傾斜面に沿って降下させてから当該傾斜面の下端から放出することにより、行われる、還元鉄の製造方法。
4. 請求項３記載の還元鉄の製造方法であって、前記天井の上に前記天井の内部の傾斜面と連続する延長傾斜面をもった延長部材を設け、当該延長傾斜面及び前記天井の内部の傾斜面に順次沿わせて還元鉄原料を降下させてから当該還元鉄原料を放出する、還元鉄の製造方法。
5. 炭素質還元剤と酸化鉄とを含有する複数の球状の還元鉄原料を加熱処理して還元鉄を製造するための装置であって、
   特定方向に移動可能な炉床、前記炉床の上方に位置する天井、及び、前記炉床上に敷設された粉体からなる床敷材を有し、この床敷材上にセットされた還元鉄原料を前記炉床の移動に伴って順次加熱処理することにより還元鉄を生成する還元溶融炉と、
   この還元溶融炉内に前記複数の還元鉄原料を順次装入して前記床敷材上にセットする原料装入部と、
   前記還元溶融炉内で生成された還元鉄を排出する排出部と、を備え、
   前記原料装入部は、前記還元鉄原料に前記炉床の移動方向と同じ方向の水平方向の速度であって当該炉床の移動速度よりも大きな水平方向の速度を与えながら当該還元鉄原料を前記天井の下面から下方に放出して前記床敷材上に落下させることによりその水平方向の速度の向きに当該床敷材上で当該還元鉄原料を転動させる、還元鉄の製造装置。
6. 請求項５記載の還元鉄の製造装置であって、前記原料装入部は、前記天井の内部に設けられ、前記炉床の移動方向に下って傾斜するとともに、天井の下面またはそれよりも上側に位置する下端を有する傾斜面と、この傾斜面に前記複数の還元鉄原料を順次供給して当該還元鉄原料を当該傾斜面に沿って降下させ、当該傾斜面の下端から放出させる原料供給部と、を含む、還元鉄の製造装置。
7. 請求項６記載の還元鉄の製造装置であって、前記原料装入部は、前記天井の内部に設けられる傾斜面に加えて天井の上側に延長された傾斜面をさらに含む、還元鉄の製造装置。
8. 請求項７記載の還元鉄の製造装置であって、前記天井の上に設けられ、前記天井の内部の傾斜面と連続する延長傾斜面を有する延長部材をさらに含み、前記原料供給部は当該延長傾斜面に前記還元鉄原料を供給して当該還元鉄原料を前記延長傾斜面及び前記天井の内部の傾斜面に順次沿わせて降下させる、還元鉄の製造装置。
9. 請求項６〜８のいずれかに記載の還元鉄の製造装置であって、前記傾斜面の角度は、３６°以上６０°以下である、還元鉄の製造装置。