JP6844336B2 - ニッケル酸化鉱の製錬方法 - 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の混合物から製造されるペレット等の塊状物を、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成形装置に装入して、例えば１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の塊状の成形体（ペレット、ブリケット等を指す。以下、単に「ペレット」という場合がある。）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、酸化鉱石を含む混合物を還元することによっ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、還元炉内の温度分布に応じて、酸化鉱石と炭素質還元剤を含んだ塊状物の厚みを調整することによって、還元反応の効率が高く、組成ばらつきの少ないフェロニッケルを製造できることを見出し、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、成形された酸化鉱石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塊状物とする混合物成形工程と、前記塊状物を還元炉に装入して所定の還元温度で加熱する還元工程と、を有し、前記混合物成形工程では、前記還元炉内の温度分布に応じた厚みに前記混合物を成形し、前記還元工程では、前記還元炉内の温度分布に応じた箇所に、厚みを調整した前記塊状物を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、前記還元工程では、前記塊状物に対する加熱に先立ち、前記還元炉を前記還元温度で空焚きすることによって該還元炉内の温度分布を測定する、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、前記塊状物としてペレットに成形する、酸化鉱石の製錬方法である。

（４）本発明の第４の発明は、第３の発明において、前記還元工程では、前記還元炉内の温度分布において最高温度になる箇所に、厚みが最大となる前記ペレットを装入する、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、前記還元工程では、前記還元炉内の温度分布における最高温度になる箇所に装入する前記塊状物の厚みを１００％としたときに、該温度分布における温度が１．０℃下がるごとに、前記塊状物の厚みを０．２０％以上０．８０％以下の範囲で減少するように調整した該塊状物を該還元炉に装入する、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。

（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、前記還元工程を行った後の塊状物から、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。

（８）本発明の第８の発明は、第１乃至第７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。

（９）本発明の第９の発明は、第８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、酸化鉱石を含む混合物を還元することによっ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。 還元炉の炉床における温度分布の一例を表すグラフである。 実施例１における塊状物の厚みの分布を表すグラフである。 実施例２における塊状物の厚みの分布を表すグラフである。 実施例３における塊状物の厚みの分布を表すグラフである。 比較例１における塊状物の厚みの分布を表すグラフである。 比較例２における塊状物の厚みの分布を表すグラフである。 比較例３における塊状物の厚みの分布を表すグラフである。

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を成形してなるペレット等の塊状物を、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、還元炉内の温度分布に応じた厚みに混合物を成形し、還元炉内の温度分布に応じた箇所に、厚みを調整した塊状物を装入して加熱を行うものである。例えば、還元炉内の温度分布において最高温度になる箇所において、装入される塊状物の厚みが最大となるように、塊状物を装入して加熱する。

以下では、原料鉱石である酸化鉱石であるニッケル酸化鉱に含まれるニッケル（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（還元メタル）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、前記酸化鉱石を含む原料を混合する混合処理工程Ｓ１と、混合処理工程Ｓ１で得られる混合物を成形とする混合物成形工程Ｓ２と、混合物成形工程Ｓ２で得られる塊状物を還元炉に装入し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、すなわち成形後にペレット等の塊状物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、塊状物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、塊状物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二軸混練機等を用いて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ることで、ペレットやブリケット等の塊状物を得る工程である。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。

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成形する成形処理工程Ｓ２１と、成形処理工程Ｓ２１により得られる成形体を乾燥して塊状物とする任意の乾燥処理工程Ｓ２２と、を有する。

（１）成形処理工程
成形処理工程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に成形する工程である。

成形処理工程Ｓ２１では、成形体の厚さが、還元炉内の温度分布に応じた厚さになるように、成形（塊状化）を行う。これにより、後述する還元工程Ｓ３で、還元炉内の温度分布に応じた箇所に、厚さが調整された塊状物を装入することが可能になる。

ここで、本実施の形態において、「還元炉内の温度分布」は、還元炉のうちペレット等の塊状物を装入する部分の温度分布とすることができる。特に、塊状物を平面状の炉床に装入する態様では、炉床を構成する平面の温度分布とすることができる。この「還元炉内の温度分布」は、還元炉での還元加熱処理に先立って、その還元温度で還元炉を空焚きした際に測定される温度分布としてもよく、また、その還元炉を用いて塊状物を還元させたときの経験的な温度分布としてもよい。

成形処理工程Ｓ２１では、還元炉内の温度分布において最高温度になる箇所に装入する成形体の厚みが最大になるように成形することが好ましい。特に、ペレットのような比較的小型の塊状物を形成する場合には、還元炉内の温度分布における温度が低い箇所に装入する成形体ほど、厚みが小さくなるように成形することが好ましい。また、ブリケットのような比較的大型の塊状物を形成する場合には、還元炉内で温度が最も高い箇所と、成形される成形体の厚みが最も大きい箇所とを重ねたときに、還元炉内の温度分布における温度が低いほど成形体の厚みが減少するように成形することが好ましい。

また、厚みが最も大きい箇所における成形体の厚みを１００％としたときに、上述した還元炉内の温度分布における温度が１．０℃下がるごとに、成形体の厚みが０．２０％以上０．８０％以下の範囲で減少するような形状にすることが好ましい。特に、温度分布における温度が１．０℃下がるごとの、成形体の厚みの減少は、０．２０％以上が好ましく、０．４０％以上がより好ましく、０．５０％以上がさらに好ましい。他方で、温度分布における温度が１．０℃下がるごとの、成形体の厚みの減少は、０．８０％以下が好ましく、０．７０％以下がより好ましい。このような厚みを有する成形体を形成することで、効果をより一層顕著に現すことができる。

また、還元炉の幅方向の全体において、温度分布における温度が１．０℃下がるごとに、装入される塊状物の厚み減少値が略一定になるように、成形体を成形することがより好ましい。これにより、還元炉の幅方向の大きさを横軸としたときの、還元炉内の温度分布と、成形体の厚み分布とが似た形状の曲線になることで、高温になる箇所の塊状物が厚くなり、低温になる箇所の塊状物が薄くなるため、均一な還元処理を行い易くすることができる。

なお、還元炉内の温度分布において温度が１．０℃下がるごとの厚み減少値は、還元炉内で温度が最も高い箇所と最も低い箇所における、温度の差に対する塊状物の厚みの差の比率から求められる。特に、温度が最も高い箇所や、最も低い箇所が複数ある場合は、温度差に対する厚みの平均値の差の比率から求められる。

成形処理工程Ｓ２１において形成する成形体の平面形状は、特に限定されないが、例えば略直方体又は略円柱の形状に成形することができる。混合物を略直方体又は略円柱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、成形に要す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、成形不良の発生を低減することができる。

成形処理工程Ｓ２１では、必要に応じて塊状化に必要な水分を混合物に添加した上で、例えば塊状物製造装置（圧縮成形機、押出成形機等）等を使用して混合物を塊状物に成形することができる。このとき、混合物をペレット状やブリケット状に成形してもよく、特に球状のペレット状に成形する場合には、パン型等の造粒機を使用してもよい。

塊状物製造装置としては、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、塊状物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成形体を得ることができ、特に好ましい。

（２）乾燥処理工程
乾燥処理工程Ｓ２２は、成形処理工程Ｓ２１にて得られた成形体を乾燥処理する工程である。

混合物の成形体からなる塊状物に過剰に水分が含まれている場合、塊状物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、塊状物が破壊されることがある。そのため、成形体に対して乾燥処理を施して塊状物にし、例えば塊状物における固形分が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。

具体的に、乾燥処理工程Ｓ２２における、成形体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。

ここで、特に体積の大きなブリケット状の成形体を乾燥させる場合、乾燥前の成形体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。また、還元前の塊状物にひびや割れがあってもよい。

なお、還元炉での取り扱い時や還元加熱処理時に、成形体の状態でも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することで、成形体をそのまま塊状物にしてもよい。

下記表２に、乾燥処理後の塊状物における、固形分中組成（重量部）の一例を示す。なお、塊状物の組成としては、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で得られた塊状物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、所定の厚さになるように塊状物を装入する装入工程Ｓ３１と、装入された塊状物を還元加熱する加熱処理工程Ｓ３２とを有する。

（１）装入工程
装入工程Ｓ３１は、還元炉内の温度分布に応じた箇所に、混合物成形工程Ｓ２において厚みを調整した塊状物を装入する工程である。還元炉内のうち、還元温度が高い箇所では、還元温度が低い箇所よりも熱エネルギーが多く供給され、それにより還元反応が相対的に進み易い。そのため、還元炉内において還元温度が高い箇所では塊状物が厚くなるようにし、また、還元温度が低い箇所では塊状物が薄くなるように塊状物を装入することで、還元炉内で均一に還元反応を進めることができるため、高品質のフェロニッケルを製造することができる。

装入工程Ｓ３１において還元炉内に装入される塊状物は、還元炉内の温度分布において最高温度になる箇所に、厚みが最大となるように装入することが好ましい。特に、ペレットのような比較的小型の塊状物を装入する場合には、還元炉内の温度分布において最高温度になる箇所に、厚みが最大となる塊状物を装入することが好ましい。また、ブリケットのような比較的大型の塊状物を装入する場合には、還元炉内で温度が最も高い箇所と、塊状物の厚みが最も大きい箇所とが重なるようにした上で、前記温度分布における温度が低いほど塊状物の厚みが減少するようにすることが好ましい。このように塊状物を装入することで、後述する還元工程Ｓ３において還元炉の高温になる箇所に装入される塊状物の厚みが大きくなるため、均一な還元処理を行い易くすることができる。

装入工程Ｓ３１における塊状物の装入は、温度分布との間で所定の関係を有する厚さに成形した塊状物を、還元炉のうち塊状物を装入する所定の箇所、例えば炉床に装入することで行うことができる。

ここで、塊状物を装入する際、ブリケット状の塊状物を１個装入してもよく、より小型のペレット状の塊状物を複数並べて装入してもよい。特に、ブリケット状の塊状物を装入させることで、還元炉への装入を行い易くすることができ、且つ、１回の還元処理における処理量を多くすることができる。また、１回の還元処理における処理量が多くなることで、より大きなメタルを生成させることができ、また、組成のばらつきが非常に小さく、高い品質のフェロニッケルを得ることができる。

また、塊状物を装入する際、塊状物を２段以上重なるように装入してもよい。このように塊状物を２段以上積層させることによって、１回の還元処理における処理量を格段に高めることができる。

装入工程Ｓ３１では、予め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塊状物を載置してもよい。また、塊状物を還元炉に装入した後、炭素質還元剤を用いて塊状物を覆い隠す状態にすることもできる。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塊状物を装入し、又は、塊状物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、塊状物の崩壊を抑制しながら、製錬反応をより速く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、還元炉に装入された塊状物を、所定の還元温度に還元加熱する工程である。塊状物に対して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。

加熱処理工程Ｓ３２における還元温度の下限は、好ましくは１２００℃、より好ましくは１２５０℃にすることができる。他方で、加熱処理工程Ｓ３２における還元温度の上限は、好ましくは１４５０℃、より好ましくは１４００℃にすることができる。なお、本実施の形態における「還元温度」とは、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、塊状物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、塊状物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において所定の還元温度に達すると、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、塊状物の表面近傍において、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（フェロニッケル）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塊状物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、塊状物の中で、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。

加熱処理工程Ｓ３２における処理時間は、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、２０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、６０分以下としてもよく、５０分以下としてもよい。

本実施の形態においては、還元反応が理想的に進行した場合、還元加熱処理を行った後の塊状物は、大きな塊のメタルとスラグとの混成物になる。このとき、大きな塊のメタルが形成されることで、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、塊状物の内部に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、装入する塊状物と比較すると、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、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、別々の炉を使用した反応を行った場合、塊状物が装入されている炉床を、炉と炉との間を移動させる際に、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、円形状であって複数の処理領域に区分けされた回転炉床炉（ロータリーハース炉）を用いることができる。この回転炉床炉では、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回転するごとに混合物が製錬処理される。

なお、移動炉床炉を用いる場合の炉内の温度分布は、最も温度が高い領域での温度分布とすることができる。

＜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、塊状物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、還元炉内の温度分布に応じて厚さを調整して成形した酸化鉱石の混合物からなる塊状物を、還元炉内におけるその温度分布に応じた箇所に装入し、そのように載置した塊状物に対して還元加熱処理を施すことにより、還元反応のより効率的に進行させることができ、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、２６．０％の割合となる量で含有させた。

［混合物の成形］
混合物を成形するにあたり、還元温度と同じ１３５０℃で還元炉内を空焚きして温度分布を求めた。図４に、試料を載置する還元炉の炉床のうち、温度が最も高くなる位置（炉内の幅方向の位置において中心の位置）を０［ｃｍ］としたときの温度分布の結果を示す。ここで、図４の横軸は炉内の幅方向における位置［ｃｍ］であり、縦軸は炉床の温度［℃］である。なお、１３５０℃で還元炉を空焚きした際の還元炉の炉床のうち、試料が載置される範囲において、温度が最も低くなる部分の温度は１２５０℃であった。

次に、得られた混合物から６個の試料を取り分け、平面形状が幅方向３００ｍｍ×進行方向４００ｍｍの長方形である略直方体の形状に、混合物を成形した。ここで、混合物の平面形状の「進行方向」は、還元炉である移動炉床炉に載置したときに、混合物が進行する方向である。

このうち、実施例１〜３の試料については、最も厚い箇所が幅方向の中心になり、最も薄い箇所が幅方向の端になるように成形した。ここで、最も厚い箇所と最も薄い箇所の厚みは表４に示す相対値になるようにし、最も厚い箇所と最も薄い箇所との間の厚みは、図４に示される温度分布と同様に、中心から離れるごとに薄くなるようにした。他方で、比較例１〜３の試料については、厚みが均一になるように混合物を成形した。図５〜１０に、実施例１〜３及び比較例１〜３の各々について、試料の幅方向における中心を０［ｃｍ］とし、実施例１〜３の試料の幅方向の中心における厚みを１００％としたときの、試料の厚みの相対値の大きさを示す。なお、図５〜１０の横軸は試料の幅方向（還元炉に装入した際の炉内の幅方向）における位置［ｃｍ］であり、縦軸は実施例１〜３の試料の幅方向の中心における厚みを１００％としたときの、試料の厚みの相対値［％］である。

次に、実施例１〜３と比較例１〜３の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（塊状物）の固形分組成（炭素を除く）を示す。

［混合物に対する還元加熱処理］
乾燥処理後に得られる塊状物について、塊状物の幅方向における中心と、還元炉の炉床のうち温度が最も高くなる位置とが重なるようにしながら、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１個ずつ装入した。塊状物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、その上に塊状物を載置することで行った。なお、還元炉への装入時の温度条件は、５００±２０℃とした。

次に、炉内に装入された塊状物の表面のうち、温度が最も高くなる部分の温度（還元温度）が１３５０℃になるまで還元炉を昇温させ、表４に示す時間にわたり、塊状物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大気中へ取り出した。

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（％）

下記表４に、それぞれの試料における、ニッケルメタル化率、メタル中のニッケル含有率を示す。なお、表４中の試料の最低温度とは、温度分布がある還元炉内での還元加熱処理（還元温度：１３５０℃）により加熱された試料の最も低い温度をいい、最低還元温度とも言い換えられる。

表４の結果に示されるように、還元炉を空焚きした際の還元炉の温度分布に応じて、塊状物の厚さを調整することで、ニッケルメタル化率は９７．７％以上と高く、メタル中のニッケル含有量も１９．２％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３）。

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、還元炉内の温度分布に応じて塊状物の厚さを調整したことで、還元反応が均一に進行するようになったことが考えられる。

これに対して、比較例１〜比較例３の結果に示されるように、装入する塊状物の厚さを、還元炉内の温度分布によらず均一にして還元処理を行った場合、ニッケルメタル化率は高くても９５．６％であり、メタル中ニッケル含有量は高くても１６．３％であり、いずれも実施例と比較して低い値であった。

Claims (6)

1. ニッケル酸化鉱を含む混合物の成形物を還元炉で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、前記還元炉内の温度分布で温度が低い箇所ほど厚みが小さくなる形状に成形して塊状物とする混合物成形工程と、
   前記塊状物を、前記還元炉内の温度分布で温度が最も高い箇所と、成形される成形体の厚みが最大になる箇所とが重なるように前記還元炉に装入して、加熱により還元反応を進める還元工程と、を有する、
   ニッケル酸化鉱の製錬方法。
2. 前記還元工程では、前記塊状物に対する加熱に先立ち、前記還元炉を空焚きすることによって該還元炉内の温度分布を測定する
   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、前記塊状物としてペレットに成形する
   請求項１又は２に記載のニッケル酸化鉱の製錬方法。
4. 前記還元工程では、前記還元炉内の温度分布における最高温度になる箇所に装入する前記塊状物の厚みを１００％としたときに、該温度分布における温度が１．０℃下がるごとに、前記塊状物の厚みを０．２０％以上０．８０％以下の範囲で減少するように調整した該塊状物を該還元炉に装入する
   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. 前記還元工程における還元温度は、１２５０℃以上１４５０℃以下である
   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. 前記還元工程を行った後の塊状物から、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５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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