JP6798079B2 - 酸化鉱石の製錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、ニッケル酸化鉱等の酸化鉱石と、還元剤とから製造されるペレットを、還元炉にて高温下で還元加熱することによって製錬し、フェロニッケル等の還元物を得る製錬方法に関する。

リモナイトあるいはサプロライトと呼ばれるニッケル酸化鉱の製錬方法として、熔錬炉を使用して硫黄とともに硫化焙焼してニッケルマットを製造する乾式製錬方法、ロータリーキルンあるいは移動炉床炉を使用して炭素質還元剤を用いて還元し鉄−ニッケル合金（以下、「フェロニッケル」ともいう）を製造する乾式製錬方法、オートクレーブを使用して硫酸でニッケルやコバルトを浸出して得た浸出液に硫化剤を添加して混合硫化物（ミックスサルファイド）を製造する湿式製錬方法等が知られている。

上述した種々の製錬方法の中で、炭素源とともに還元してニッケル酸化鉱を製錬する場合、先ず、その原料鉱石を塊状物化やスラリー化等するための前処理が行われる。具体的に、ニッケル酸化鉱を塊状物化、すなわち粉状や微粒状から塊状にする際には、そのニッケル酸化鉱を、バインダーや還元剤等と混合し、さらに水分調整等を行った後に塊状物製造機に装入して、例えば１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の塊状物（ペレット、ブリケット等を指す。以下、単に「ペレット」という）とするのが一般的である。

このペレットには、含有する水分を「飛ばす」ために、ある程度の通気性が必要となる。また、ペレット内で均一に還元が進まないと、得られる還元物の組成が不均一になり、メタルが分散したり偏在したりする等の不都合が生じるため、混合物を均一に混合し、またペレットを還元処理する際には可能な限り均一な温度を維持することが重要となる。

加えて、還元されて生成したフェロニッケルを粗大化させることも非常に重要な技術である。なぜなら、生成したフェロニッケルが、例えば数１０μｍ〜数１００μｍ以下の細かな大きさであった場合、同時に生成したスラグと分離することが困難となり、フェロニッケルとしての回収率（収率）が大きく低下してしまうためである。このことから、還元後のフェロニッケルを粗大化する処理が必要となる。

また、製錬コストを如何に低く抑えることができるかについても重要な技術的事項であり、コンパクトな設備で操業できる連続処理が望まれている。

例えば、特許文献１には、金属酸化物と炭素質還元剤とを含む塊成物を、移動床型還元溶融炉の炉床上に供給して加熱し、金属酸化物を還元溶融させる粒状金属の製造方法において、塊成物同士の距離を０としたときの塊成物の炉床への最大投影面積率に対する、塊成物の炉床への投影面積率の相対値を敷密度としたとき、平均直径が１９．５ｍｍ以上３２ｍｍ以下の塊成物を、敷密度が０．５以上０．８以下になるように炉床上に供給して加熱する方法が開示されている。この方法では、塊成物の敷密度と平均直径とを併せて制御することで、粒状金属鉄の生産性を高められることが記載されている。

しかし、特許文献１に開示されている方法は、塊成物の外側で起こる反応を制御するための技術であり、還元反応において最も重要な因子である、塊成物の内部で起きる反応の制御については着目していない。他方で、塊成物の内部で起きる反応を制御することで、反応効率を高め、還元反応をより均一に進めることで、より高品質のメタル（金属、合金）を得ることが求められていた。

また、特許文献１にあるような、特定の直径を有するものを塊成物として用いる方法は、特定の直径を有しないものを取り除く必要があるため、塊成物を作製する際の収率が低いものであった。また、特許文献１にある方法は、塊成物の敷密度を０．５以上０．８以下に調整する必要があり、塊成物を積層させることもできないため、生産性の低い方法であった。これらの理由により、特許文献１にある方法は、製造コストが高いものであった。

このように、酸化鉱石を混合及び還元して金属や合金を製造する技術には、生産性を高め、製造コストを低減させ、メタルの品質を高める点で、多くの課題があった。

特開２０１１−２５６４１４号公報

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、酸化鉱石からペレットを形成して金属又は合金を製造する方法において、生産性や効率性が高く、ハンドリング性に優れ、且つ高品質のメタルを安価に製造することができる酸化鉱石の製錬方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、酸化鉱石と炭素質還元剤を含んだ混合物から形成されるペレットを積層してペレット積層体を形成することによって、ハンドリング性の低下を抑えながらも、１度の還元工程で処理できる混合物の量が増加し、且つより高品質のメタルが得られることを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は以下のものを提供する。

（１）本発明の第１の発明は、酸化鉱石からペレットを形成し、該ペレットを還元することによって金属又は合金を製造する酸化鉱石の製錬方法であって、少なくとも前記酸化鉱石と炭素質還元剤とを混合する混合処理工程と、得られる混合物を成形してペレットとする混合物成形工程と、前記ペレットを還元炉にて所定の還元温度で加熱する還元工程と、を有し、前記還元工程では、前記ペレットを積層してペレット積層体を形成し、前記ペレット積層体を前記還元炉に装入して前記加熱を行う、酸化鉱石の製錬方法である。

（２）本発明の第２の発明は、第１の発明において、前記混合物成形工程では、前記混合物を立方体、直方体又は円柱の形状に成形する、酸化鉱石の製錬方法である。

（３）本発明の第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記混合物成形工程では、前記混合物を８０００ｍｍ^３以上の体積に成形する、酸化鉱石の製錬方法である。

（４）本発明の第４の発明は、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記還元工程では、前記還元炉として移動炉床炉を用い、該移動炉床炉の炉床にペレット積層体を装入して前記加熱を行う、酸化鉱石の製錬方法である。

（５）本発明の第５の発明は、第１乃至第４のいずれかの発明において、前記還元工程における還元温度は、１２５０℃以上１４５０℃以下である、酸化鉱石の製錬方法である。

（６）本発明の第６の発明は、第１乃至第５のいずれかの発明において、前記還元工程を行った後のペレット積層体から、スラグを分離して金属又は合金を得る分離工程をさらに有する、酸化鉱石の製錬方法である。

（７）本発明の第７の発明は、第１乃至第６のいずれかの発明において、前記酸化鉱石がニッケル酸化鉱である、酸化鉱石の製錬方法である。

（８）本発明の第８の発明は、第７の発明において、前記合金としてフェロニッケルを得る、酸化鉱石の製錬方法である。

本発明によれば、酸化鉱石からペレットを形成して金属又は合金を製造する方法において、生産性や効率性が高く、ハンドリング性に優れ、且つ高品質のフェロニッケルを安価に製造することができる酸化鉱石の製錬方法を提供することができる。

酸化鉱石の製錬方法の流れの一例を示す工程図である。 混合物成形工程における処理の流れの一例を示す処理フロー図である。 還元工程における処理の流れの一例を示す処理フロー図である。 ペレット積層体を模式的に示す斜視図である。 炉床が回転する回転炉床炉の構成例を示す図（平面図）である。

以下、本発明の具体的な実施形態（以下、「本実施の形態」という）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。また、本明細書において、「Ｘ〜Ｙ」（Ｘ、Ｙは任意の数値）との表記は、「Ｘ以上Ｙ以下」の意味である。

≪酸化鉱石の製錬方法≫
本実施の形態に係る酸化鉱石の製錬方法は、原料鉱石である酸化鉱石を含んだ原料の混合物からペレットを形成し、そのペレットを積層したものを製錬炉（還元炉）に装入して還元処理を施すことによって、メタルとスラグとを生成させるものである。より具体的には、少なくともニッケル酸化鉱石と炭素質還元剤との混合物を成形して、例えば直方体又は円柱の形状等のペレットを形成し、そのペレットを積層することによってペレット積層体とし、そのペレット積層体に対して製錬炉（還元炉）内で還元処理を施すものである。

ここで、「ペレット」とは、酸化鉱石と、炭素質還元剤との混合物から製造される塊状の成形体（ペレット、ブリケット等）を意味する。そして、該ペレットの形状は限定されず、立方体、直方体、円柱又は球の形状であってよい。

以下では、原料鉱石である酸化鉱石としてニッケル酸化鉱をペレット化し、そのペレット中のニッケル（酸化ニッケル）と鉄（酸化鉄）を還元することで、鉄−ニッケル合金のメタルを生成させ、さらに、そのメタルを分離することによってフェロニッケルを製造する製錬方法を例に挙げて説明する。

具体的に、本実施の形態に係る酸化鉱石の製錬方法は、図１に示すように、酸化鉱石を含む原料を混合する混合処理工程Ｓ１と、得られる混合物を所定の形状に成形してペレットとする混合物成形工程Ｓ２と、得られたペレットを還元炉にて所定の還元温度で加熱する還元工程Ｓ３と、還元工程Ｓ３にて生成したメタルとスラグとを分離してメタルを回収する分離工程Ｓ４とを有する。

＜１．混合処理工程＞
混合処理工程Ｓ１は、ニッケル酸化鉱を含む原料粉末を混合して混合物を得る工程である。具体的には、この混合処理工程Ｓ１では、原料鉱石であるニッケル酸化鉱に、炭素質還元剤を添加して混合し、また任意成分の添加剤として、鉄鉱石、フラックス成分、バインダー等の、例えば粒径が０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の粉末を混合して混合物を得る。ここで、ニッケル酸化鉱を含む原料粉末の混合は、混合機等を用いて行うことができる。

原料鉱石であるニッケル酸化鉱としては、特に限定されないが、リモナイト鉱、サプロライト鉱等を用いることができる。なお、このニッケル酸化鉱は、構成成分として、酸化ニッケル（ＮｉＯ）と酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）とを含有する。

本実施の形態においては、原料鉱石に対して特定量の炭素質還元剤を混合して混合物を得る。炭素質還元剤としては、特に限定されないが、例えば、石炭粉、コークス粉等が挙げられる。なお、この炭素質還元剤は、上述した原料鉱石であるニッケル酸化鉱の粒度や粒度分布と同等のものであることが好ましい。粒度や粒度分布が同等であることにより、均一に混合し易くなり、還元反応も均一に生じることになるため好ましい。

炭素質還元剤の混合量、すなわち成形によってペレット内に含まれることになる炭素質還元剤の量としては、ニッケル酸化鉱を構成する酸化ニッケルと酸化鉄とを過不足なく還元するのに必要な炭素質還元剤の量を１００％としたとき、５０．０％以下の割合とすることが好ましく、４０．０％以下とすることがより好ましい。なお、酸化ニッケルと酸化鉄とを過不足なく還元するのに必要な炭素質還元剤の量とは、ペレット内に含まれる酸化ニッケルの全量をニッケルメタルに還元するのに必要な化学当量と、ペレット内に含まれる酸化鉄を鉄メタルに還元するのに必要な化学当量との合計値（以下、「化学当量の合計値」ともいう）と言い換えることができる。

このように、混合物に含まれる炭素質還元剤の量（炭素質還元剤の混合量）を、化学当量の合計値を１００％としたときに５０．０％以下の割合とすることで、還元反応を効率的に進行させることができる。

なお、炭素質還元剤の混合量の下限値としては、特に限定されないが、化学当量の合計値を１００％としたときに、１０．０％以上の割合とすることが好ましく、１５．０％以上の割合とすることがより好ましい。このように、炭素質還元剤の混合量を１０．０％以上にすることで、ニッケル品位の高い鉄−ニッケル合金を製造し易くすることができる。

ニッケル酸化鉱と炭素質還元剤のほか、任意成分として添加する添加剤である鉄鉱石としては、特に限定されないが、例えば、鉄品位が５０％程度以上の鉄鉱石、ニッケル酸化鉱の湿式製錬により得られるヘマタイト等を用いることができる。

また、バインダーとしては、例えば、ベントナイト、多糖類、樹脂、水ガラス、脱水ケーキ等を挙げることができる。また、フラックス成分としては、例えば、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、二酸化珪素等を挙げることができる。

下記表１に、混合処理工程Ｓ１にて混合する、一部の原料粉末の組成（重量％）の一例を示す。なお、原料粉末の組成としてはこれに限定されない。

原料粉末を混合して混合物を得る際、混合性を高めるために原料粉末を混練してもよい。これにより、混合物にせん断力が加えられ、炭素還元剤や原料粉末等の凝集が解けてより均一に混合できるとともに、各々の粒子の密着性が上がるため、均一な還元処理を行い易くすることができる。

＜２．混合物成形工程＞
混合物成形工程Ｓ２は、混合処理工程Ｓ１にて得られた原料粉末の混合物を成形し、必要に応じて乾燥させてペレットを得る工程である。図２は、混合物成形工程Ｓ２における処理の流れを示す処理フロー図である。この図２に示すように、混合物成形工程Ｓ２は、酸化鉱石を含む原料の混合物を塊状物に成形する塊状化処理工程Ｓ２１と、得られた塊状物を乾燥する乾燥処理工程Ｓ２２とを有する。

（１）塊状化処理工程
塊状化処理工程Ｓ２１は、混合処理工程Ｓ１にて得られた、酸化鉱石を含む原料の混合物を、所定の形状及び大きさの塊に成形する工程である。

混合物を成形する形状、すなわちペレットの形状としては、還元炉の炉床に積層できる形状であればよいが、立方体、直方体、円柱又は球の形状であることが好ましく、立方体、直方体又は円柱の形状であることがより好ましく、立方体又は直方体の形状であることがさらに好ましい。混合物を立方体、直方体、円柱又は球の形状に成形することで、混合物の成形が容易になるため、成形にかかるコストを抑えることができる。また、成形する形状が複雑でないため、成形不良のペレットの発生を低減することができる。

特に、混合物を立方体、直方体又は円柱の形状に成形することにより、平面を互いに接触させて高さ方向に積層することが可能になり、安定した積層が可能になるため、均一な品質のペレットを得易くすることができる。また、還元炉の炉内に効率よく収納することが可能になるため、単体のペレットの形状を巨大化しなくても、一度の還元加熱処理によって還元処理される量を増加させることができる。さらに、還元炉に装入する際等に、ペレット積層体が崩れ落ち難くなるため、不良品の発生を低減させることができる。

その中でも、混合物を立方体又は直方体の形状に成形することにより、特に炉床と平行な方向にペレットを並べたときにも、隣接するペレットとの接触面積を大きくすることができ、これにより隣接するペレットが対向している箇所でのシェルの形成が低減されるため、より大型で高品位のメタルを得易くすることができる。

混合物を成形（塊状化）したペレットの大きさは、８０００ｍｍ^３以上の体積であることが好ましい。ペレットの体積を８０００ｍｍ^３以上にすることで、ペレットへの成形コストを抑えられ、また、取扱いを容易にしてペレット積層体とする際の工数を低減させることができる。また、ペレット全体に占める表面積の割合が小さくなり、これによりペレット積層体の表面と内部での還元速度の差が小さくなるため、高い品質のフェロニッケルを得易くすることができる。

他方で、ペレットの大きさの上限は特に限定されないが、還元炉等の特徴や製造条件に応じて最適な形状、体積を選定すればよい。具体的な例として、ペレットの質量が大きくなることによるハンドリング性の低下を抑える観点から、例えば１×１０^６ｍｍ^３以下であってもよく、１×１０^５ｍｍ^３以下であってもよい。

塊状化処理工程Ｓ２１では、例えば、ペレット成形装置を用いて混合物を成形することができる。ペレット成形装置としては、特に限定されないが、高圧、高せん断力で混合物を混練して成形できるものであることが好ましく、特に、二軸スクリュータイプの混練機（二軸混練機）を備えたものであることが好ましい。高圧、高せん断で混合物を混練することにより、原料粉の混合物の凝集を解くことができ、また効果的に混練することができるうえ、得られるペレットの強度を高めることができる。また、二軸混練機を備えたものを用いることにより、高圧、高せん断で混練できるだけでなく、連続的に高い生産性を保ちながらペレットを製造することができ、特に好ましい。

なお、ブリケットプレスを用いて成形することも可能であるが、高いせん断を加えることができず、ペレットの強度が十分に向上しない可能性があり、これにより、処理中にクラックが発生したり、崩壊したりしやすくなり、また形状もバラつきが生じて広い範囲での粒度分布ができてしまう。また、ブリケットプレスを用いた場合には、成形したペレットからはみ出した部分（金型との間からはみ出すもので、いわゆる「耳」と呼ばれる部分）ができてしまい、品質や収率の低下を避けることが困難になる。

（２）乾燥処理工程
乾燥処理工程Ｓ２２は、塊状化処理工程Ｓ２１にて得られた塊状物を乾燥処理する工程である。ここで、塊状化処理により得られた塊状物は、その水分が例えば５０重量％程度と過剰に含まれている。そのため、過剰の水分を含むペレットを急激に還元温度まで昇温すると、水分が一気に気化し、膨張して塊状物が破壊することがある。

したがって、得られた塊状物に対して乾燥処理を施し、例えば塊状物の固形分が７０重量％程度で、水分が３０重量％程度となるようにすることで、次工程の還元工程Ｓ３における還元加熱処理において、塊状物からなるペレットが崩壊することを防ぐことができ、それにより還元炉からの取り出しが困難になることを防ぐことができる。また、塊状物は、過剰な水分によりべたべたした状態となっていることが多いため、これに乾燥処理を施すことで、取り扱いを容易にすることができる。

具体的に、乾燥処理工程Ｓ２２における塊状物に対する乾燥処理としては、特に限定されないが、例えば２００℃〜４００℃の熱風を塊状物に対して吹き付けて乾燥させる。なお、この乾燥処理時における塊状物の温度としては１００℃未満とすることが、ペレットが破壊されにくくなり好ましい。

ここで、特に体積の大きな塊状物を乾燥させる場合、乾燥前や乾燥後の塊状物にひびや割れが入っていてもよい。塊状物の体積が大きい場合には、還元時に塊状物が溶融して収縮するため、ひびや割れが生じることが多い。しかしながら、塊状物の体積が大きい場合には、ひびや割れによって生じる表面積の増加等の影響は僅かであるため、大きな問題は生じ難い。そのため、還元前の塊状物にひびや割れがあってもよい。

なお、還元炉でのペレット積層体の形成等の取り扱い時や還元加熱処理時に、ペレットに破壊が生じない態様となっていれば、乾燥処理工程Ｓ２２における乾燥処理を省略してもよい。

下記表２に、乾燥処理後のペレットにおける固形分中組成（重量部）の一例を示す。なお、ペレットの組成としては、これに限定されるものではない。

＜３．還元工程＞
還元工程Ｓ３では、混合物成形工程Ｓ２で得られたペレットを積層してペレット積層体を形成し、このペレット積層体を還元炉に装入して、所定の還元温度に還元加熱する。図３は、還元工程Ｓ３における処理の流れを示す処理フロー図である。この図３に示すように、還元工程Ｓ３は、ペレットを積層してペレット積層体を形成するペレット積層工程Ｓ３１と、ペレット積層体を還元加熱する加熱処理工程Ｓ３２とを有する。

（１）ペレット積層工程
ペレット積層工程Ｓ３１は、ペレットを積層してペレット積層体を形成する工程である。このように、ペレット積層体を形成することで、一度の還元加熱処理によって還元処理されるペレットの量が増加するとともに、小分けされたペレットを還元炉の炉床等の所定の場所に配置してペレット積層体を形成できるため、ペレットを還元炉に設置する際のハンドリング性を高めることができる。なお、図４に、ペレットを積層することによって得られるペレット積層体の一例を示す。

ペレットを積層する際の高さ方向の段数は、２段以上であればよく、３段以上であることがより好ましい。ペレットを積層する際の段数を増加させることで、より高品質のメタルを得ることができる。また、回収されるメタルの粒径を大きくすることができ、且つ、メタルの回収率を高めることができる。特に、ペレットを３段以上積層させるときは、ペレットの体積を大きくすることで、より一層、炉内雰囲気中の酸素等の影響を低減させることができ、また、炉内におけるペレット占有率が増して均一な処理がし易くなるため、メタルの回収率をより高めることができる。

なお、ペレットを積層する際の段数は、ペレット積層体の最大高さが、ペレットの最大高さの１倍超２倍以下であるときを「２段」とし、２倍超３倍以下であるときを「３段」としてもよい。

ペレットを積層する際、炉床と平行な方向に隣りあうペレットは、互いに接するように配置することが好ましい。ペレットを互いに隣接するように配置することで、隣りあうペレットが対向している箇所でのシェルの形成が低減されるため、より大型で高品位のメタルを得易くすることができる。なお、炉床と平行な方向とは、ペレットを積層する高さ方向に対して垂直な方向、すなわち、水平方向をいう。

また、ペレットを積層する際、例えば図４に示すように、下段よりも上段のペレット１１の数が少なくなるようにペレット１１を配置し、ペレット積層体１を形成してもよい。他方で、下段と上段のペレット１１の数が同じになるようにペレット１１を配置し、ペレット積層体１を形成してもよい。

ペレット積層工程Ｓ３１では、ペレット積層体を還元炉に装入するにあたって、予めその還元炉の炉床に炭素質還元剤（以下、「炉床炭素質還元剤」ともいう）を敷き詰めて、その敷き詰められた炉床炭素質還元剤の上にペレットを載置してペレット積層体を形成してもよい。また、炉床炭素質還元剤上に載置したペレット積層体を、さらにその炭素質還元剤を用いて覆い隠す状態にすることができる。このように、炉床に炭素質還元剤が敷き詰められた還元炉にペレット積層体を装入し、さらにペレット積層体を覆い隠すように炭素質還元剤で包囲させた状態で還元加熱処理を施すことで、ペレット積層体を構成するペレットの強度がより効果的に維持されるため、ペレットの崩壊を抑制しながら、効果的に製錬反応を進行させることができる。

（２）加熱処理工程
加熱処理工程Ｓ３２は、ペレット積層体を還元炉に装入して、所定の還元温度に還元加熱する。ペレット積層体を加熱処理することにより、製錬反応（還元反応）が進行して、メタルとスラグとが生成する。なお、加熱処理工程Ｓ３２では、予め還元炉外でペレット積層体を形成した上でそのペレット積層体を還元炉内に装入して処理する態様に限られず、還元炉内に一つ一つのペレットを装入し、その還元炉の内部にてペレットを積層してペレット積層体を形成させて処理するようにしてもよい。

本実施の形態においては、ペレット積層体に対して還元加熱処理を行うことで、一度の還元加熱処理によって処理されるペレットの量が増加するため、還元加熱処理における処理効率を格段に高めることができる。また、還元加熱処理を行う際のペレットの見かけ上の体積が増加するため、組成のばらつきが非常に小さく、より高品質のメタルを得易くすることができる。

加熱処理工程Ｓ３２における還元加熱処理は、還元炉等を用いて行われる。具体的には、ニッケル酸化鉱を含むペレット積層体を、例えば１２５０℃〜１４５０℃の還元温度、より具体的には１３００℃〜１４００℃程度の還元温度に加熱した還元炉に装入することによって還元加熱する。なお、本実施の形態における「還元温度」は、炉内において温度が最も高くなる部分の温度を意味する。例えば、移動炉床炉の場合、幅方向（炉床移動方向に対して直角に交わる方向であり、ペレット積層体が置かれる面内にある方向）において実質的に中心になる箇所における温度である。特に、ロータリーハース炉等の回転炉床炉の場合であれば、幅方向（回転炉床の中心軸からの径方向であり、ペレット積層体が置かれる面内にある方向）における中心付近の温度である。

加熱処理工程Ｓ３２における還元加熱処理では、例えば１分程度のわずかな時間で、先ず還元反応の進みやすいペレット積層体の表面近傍においてペレット積層体に含まれる酸化ニッケル及び酸化鉄が還元されメタル化して、鉄−ニッケル合金となり、シェル（以下、「殻」ともいう）を形成する。一方で、殻の中では、その殻の形成に伴ってペレット積層体中のスラグ成分が徐々に熔融して液相のスラグが生成する。これにより、１個のペレット積層体の中で、フェロニッケル等の合金や金属からなるメタル（以下、単に「メタル」という）と、酸化物からなるスラグ（以下、単に「スラグ」という）とが分かれて生成する。

そして、加熱処理工程Ｓ３２における還元加熱処理の処理時間が１０分程度経過すると、還元反応に関与しない余剰の炭素質還元剤の炭素成分が、鉄−ニッケル合金に取り込まれて融点を低下させる。その結果、鉄−ニッケル合金は溶解して液相となる。

還元炉において還元加熱処理を行う時間は、還元炉の温度に応じて設定されるが、１０分以上であることが好ましく、１５分以上であることがより好ましい。他方で、還元加熱処理を行う時間の上限は、製造コストの上昇を抑える観点から、５０分以下としてもよく、４０分以下としてもよい。

本実施の形態においては、還元加熱処理を行った後のペレット積層体は、大きな塊のメタルとスラグとの混成物になる。見かけ上の体積の大きなペレット積層体に対して還元加熱処理を行うことで、大きな塊のメタルが形成され易くなるため、還元炉から回収する際における回収の手間を低減させることができ、また、メタル回収率の低下を有効に抑えることができる。

上述したように、還元加熱処理によって、ペレット積層体から形成されるスラグは熔融して液相となっているが、既に分離して生成したメタルとスラグとは混ざり合うことがなく、その後の冷却によってメタル固相とスラグ固相との別相として混在する混在物となる。この混在物の体積は、装入するペレット積層体と比較すると、５０％〜６０％程度の体積に収縮している。

還元加熱処理に用いる還元炉としては、特に限定されないが、移動炉床炉を用いることが好ましい。還元炉として移動炉床炉を使用することにより、ペレット積層体の炉床への組み上げを炉外で行い、組み上がったペレット積層体を移動炉床炉に装入させることができるため、還元炉をより効率的に運用することができる。また、移動炉床炉を用いることで、連続的に還元反応が進行し、一つの設備で反応を完結させることができ、各工程における処理を別々の炉を用いて行うよりも処理温度の制御を的確に行うことができる。さらに、各処理間でのヒートロスを低減して、より効率的な操業が可能となる。つまり、別々の炉を使用して反応を行った場合、ペレット積層体を炉と炉との間で移動させる際に、温度が低下してヒートロスが生じ、また反応雰囲気に変化を生じさせてしまうため、炉に再装入したときに即座に反応が進まない。これに対して、移動炉床炉を使用して一つの設備で各処理を行うことで、ヒートロスが低減されるとともに炉内雰囲気も的確に制御できるため、反応をより効果的に進行させることができる。これらのことにより、より効果的に、ニッケル品位が高い鉄−ニッケル合金を得ることができる。

移動炉床炉としては、特に限定されず、回転炉床炉や、ローラーハースキルン等を用いることができる。このうち回転炉床炉としては、例えば、図５に示すような、円形状であって複数の処理室２０ａ〜２０ｄに区分けされた回転炉床炉（ロータリーハース炉）２を用いることができる。回転炉床炉２では、所定の方向に回転しながら、各領域においてそれぞれの処理を行う。このとき、各領域を通過する際の時間（移動時間、回転時間）を制御することで、それぞれの領域での処理温度を調整することができ、回転炉床が１回転する毎にペレット積層体１を構成している混合物が製錬処理される。ここで、回転炉床炉２は、炉外に予熱室２１が設けられ、ペレット積層体１が予熱室２１に移動して予熱処理され、予熱処理後のペレット積層体１が回転炉床炉２内に順次移されるようになっていてもよい。また、回転炉床炉２は、炉外に冷却室４０が設けられ、処理室２０ａ〜２０ｄを経て得られた還元物が冷却室４０にて冷却処理されるようになっていてもよい。

＜４．分離工程＞
分離工程Ｓ４では、還元工程Ｓ３にて生成したメタルとスラグとを分離してメタルを回収する。具体的には、ペレットに対する還元加熱処理によって得られた、メタル相（メタル固相）とスラグ相（スラグ固相）とを含む混在物からメタル相を分離して回収する。

固体として得られたメタル相とスラグ相との混在物からメタル相とスラグ相とを分離する方法としては、例えば、篩い分けによる不要物の除去に加えて、比重による分離や、磁力による分離等の方法を利用することができる。

また、得られたメタル相とスラグ相は、濡れ性が悪いことから容易に分離することができ、上述した還元工程Ｓ３によって得られる大きな混在物に対して、例えば、所定の落差を設けて落下させ、あるいは篩い分けの際に所定の振動を与える等の衝撃を付与することで、その混在物から、メタル相とスラグ相とを容易に分離することができる。

特に、本実施の形態では、還元工程Ｓ３において、ペレットを積層させたペレット積層体に対して還元加熱処理を施すことにより、還元された金属がペレット積層体の中を沈降することで、より大きなフェロニッケルメタルが生成される。そのため、製造効率の面でのロスを抑制しながらも、磁選等の処理によって簡易にフェロニッケルメタルを分離することができ、しかも高い回収率でメタルを回収することができる。

このようにしてメタル相とスラグ相とを分離することによって、メタル相を回収する。

以下、本発明の実施例を示してより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

［原料粉末の混合］
原料鉱石としてのニッケル酸化鉱と、鉄鉱石と、フラックス成分である珪砂及び石灰石、バインダー、及び炭素質還元剤（石炭粉、炭素含有量：８５重量％、平均粒径：約１９０μｍ）を、適量の水を添加しながら混合機を用いて混合して混合物を得た。炭素質還元剤は、原料鉱石であるニッケル酸化鉱に含まれる酸化ニッケルと酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）とを過不足なく還元するのに必要な量を１００％としたときに、２５．０％の割合となる量で含有させた。

［混合物の成形］
次に、得られた混合物から、表４〜表５に示す体積の試料を、各試料の積層数に応じた個数になるように取り分け、それぞれ所定の形状に成形した。具体的には、圧縮成形機を用いて、実施例１〜６、１３〜１８、比較例１、２、５、６の試料については直方体の形状に成形し、実施例７〜１２、１９〜２４、比較例３、４、７、８の試料については円柱の形状に成形した。

次に、試料の各々に対して、固形分が７０重量％程度、水分が３０重量％程度となるように、２００℃〜２５０℃の熱風を吹き付けて乾燥処理を施した。下記表３に、乾燥処理後の混合物（ペレット）の固形分組成（炭素を除く）を示す。

［ペレットに対する還元加熱処理］
乾燥処理後の試料のペレットを、実質的に酸素を含まない窒素雰囲気にした還元炉に各々装入した。なお、還元炉内の装入時の温度条件は、５００±２０℃とした。

次に、表４〜表５に示す温度及び時間で、混合物のペレットに対して還元加熱処理を施した。還元処理後は、窒素雰囲気中で速やかに室温まで冷却して、試料を大気中へ取り出した。

ここで、ペレットの還元炉への装入は、予め、還元炉の炉床に、灰（主成分はＳｉＯ_２であり、その他の成分としてＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等の酸化物を少量含有する）を敷き詰め、その上にペレットを載置することで行った。また、実施例１〜３、７〜９、１３〜１５、１９〜２１においては、図４に示すように高さ方向に２段となるようにペレットを積層し、実施例４〜６、１０〜１２、１６〜１８、２２〜２４においては、高さ方向に３段となるようにペレットを積層して、ペレット積層体を形成した。他方で、比較例１〜８においては、高さ方向に１段となるように、すなわち、ペレットを積層させずに還元炉の炉床に載置した。

還元加熱処理を施した各試料について、還元後の混合物を樹脂に埋め込み、金属顕微鏡で表面に析出したメタルの観察を行い、メタルの平均粒径を測定した。ここで、平均粒径は、各試料に析出しているメタル粒子の任意の１００個についての、断面の最大長さの平均値とした。

また、還元加熱処理後の各試料について、ニッケルメタル化率、メタル中ニッケル含有率を、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００型）により分析して算出した。

ニッケルメタル化率、メタル中のニッケル含有率は、以下の式により算出した。
ニッケルメタル化率＝
混合物中のメタル化したＮｉ量÷（混合物中の全てのＮｉ量）×１００（％）
メタル中のニッケル含有率＝
混合物中のメタル化したＮｉ量÷（混合物中のメタルしたＮｉとＦｅの合計量）
×１００（％）

また、還元加熱処理後の各試料について、湿式処理よる粉砕後、磁力選別によってメタルを回収した。そして、還元炉に装入したペレット積層体におけるニッケル酸化鉱の含有量と、ニッケル酸化鉱におけるニッケル含有率と、そして回収されたニッケル量から、ニッケルメタル回収率を算出した。

ニッケルメタル回収率は、以下の式により算出した。
ニッケルメタル回収率＝
回収されたＮｉ量÷（装入した酸化鉱石の量×酸化鉱石中のＮｉ含有率）
×１００（％）

下記表４〜表５に、それぞれの試料における、ニッケルメタルの平均粒径、ニッケルメタル化率、メタル中のニッケル含有率、ニッケルメタル回収率を示す。

表４〜表５の結果に示されるように、混合物のペレットを高さ方向に２段以上で積層してペレット積層体を形成させて還元処理を行うことで、ニッケルメタル化率は９７．２％以上と高く、メタル中のニッケル含有量も１９．０％以上と高い、高品位のフェロニッケルを製造することができることが分かった（実施例１〜実施例２４）。これらの実施例では、混合物からのメタル回収率も９１．１％以上と高いことが分かった。また、メタルの平均粒径に関しては、積層前のペレットの厚みが厚くなる（高さが高くなる）ほど、粒子が成長して大きくなることが分かった。

このように、高品位のフェロニッケルを製造することができた理由としては、混合物のペレットを積層することによって還元処理における処理量を大幅に高めることができ、また、混合物の体積が全体として大きくなることでメタルが多く存在するようになり、凝集し易くなって大きな粒子が得られたことが考えられる。その結果、メタル回収率についても、高い値が得られるようになったと考えられる。

これに対して、比較例１〜比較例８の結果に示されるように、混合物のペレットを積層せずに還元処理を行った場合、ニッケルメタル化率は高くても８９．６％であり、メタル中ニッケル含有量は高くても１６．８％であり、またメタル回収率は高くても８４．３％であり、実施例と比較して低い値であった。

１ ペレット積層体
１１ ペレット
２ 回転炉床炉
２０ａ〜２０ｄ 処理室
２１ 予熱室
４０ 冷却室

Claims (7)

1. ニッケル酸化鉱からペレットを形成し、該ペレットを還元することによってフェロニッケルを製造するニッケル酸化鉱の製錬方法であって、
   少なくとも前記ニッケル酸化鉱と炭素質還元剤とを混合する混合処理工程と、
   得られる混合物を成形してペレットとする混合物成形工程と、
   前記ペレットを還元炉にて所定の還元温度で加熱する還元工程と、を有し、
   前記還元工程では、前記ペレットを積層してペレット積層体を形成し、前記ペレット積層体を前記還元炉に装入して前記加熱を行い、前記ペレット積層体の表面に、ペレット積層体中の酸化ニッケル及び酸化鉄をメタル化してシェルを形成するとともに、ペレット積層体中のスラグ成分から液相のスラグを生成して、１個のペレット積層体中に、フェロニッケルメタルと酸化物からなるスラグとを分けて生成させる
   ニッケル酸化鉱の製錬方法。
2. 前記混合処理工程では、前記ニッケル酸化鉱を構成する酸化ニッケルと酸化鉄とを過不足なく還元するのに必要な炭素質還元剤の量を１００％としたとき、当量比で１０．０％以上５０．０％以下の割合になるように、前記ニッケル酸化鉱と前記炭素質還元剤とを混合する
   請求項１に記載のニッケル酸化鉱の製錬方法。
3. 前記混合物成形工程では、前記混合物を立方体、直方体又は円柱の形状に成形する
   請求項１又は２に記載のニッケル酸化鉱の製錬方法。
4. 前記混合物成形工程では、前記混合物を８０００ｍｍ^３以上の体積に成形する
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のニッケル酸化鉱の製錬方法。
5. 前記還元工程では、前記還元炉として移動炉床炉を用い、該移動炉床炉の炉床にペレット積層体を装入して前記加熱を行う
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のニッケル酸化鉱の製錬方法。
6. 前記還元工程における還元温度は、１２５０℃以上１４５０℃以下である
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のニッケル酸化鉱の製錬方法。
7. 前記還元工程を行った後のペレット積層体から、スラグを分離してフェロニッケルを得る分離工程をさらに有する
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のニッケル酸化鉱の製錬方法。

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