炭材内装塊成化物およびその製造方法、ならびにそれを用いた還元鉄製造方法
【課題】移動炉床式還元炉内で加熱して還元鉄を得るに際して炉内で粉化を起こして粉が蓄積されることがなく、また得られた還元鉄が搬送されるに際して粉化して歩留まりが下がることを確実に防止しうる炭材内装酸化鉄塊成化物、および、その製造方法、ならびに、それを用いた還元鉄の製造方法を提供する。
【解決手段】当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下であり、かつ、当該塊成化物が前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理されて製造された還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下となるような炭材配合量であることを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物。
【解決手段】当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下であり、かつ、当該塊成化物が前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理されて製造された還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下となるような炭材配合量であることを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装塊成化物およびその製造方法、ならびにそれを用いた還元鉄製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鉱石や製銑・製鋼工程で発生する酸化鉄を多量に含有するダスト粉などの粉状の酸化鉄含有原料に、還元材として石炭やコークスを製造する際に発生する粉などの炭素を含有した炭材と水分やバインダー分を添加・混合し、ペレットまたはブリケットに成形し、その成形体（炭材内装酸化鉄塊成化物）を乾燥し、次いで、回転炉床炉で加熱して還元反応を起こさせて還元鉄を製造する技術が知られている。この成形体は、もともと微粉で構成されていることから未還元であればもとの粉が発生し、また還元が終了した段階でも還元に用いられなかった炭素分が含有されており、還元鉄が炉外へ排出される際に衝撃で割れて内部の炭素や還元鉄粒子および原料に含まれる酸化物成分が粉となって炉内に残留することがある。さらには排出された還元鉄もベルトコンベアなどの搬送機器で移送される際に還元鉄同士の摩擦やベルトコンベアなどの乗り継ぎの際の落下衝突により微粒分が発生する。
【０００３】
ところで、還元鉄を製造する際に回転床式還元炉内の加熱温度の変更や滞留時間の調整などの変更を行うだけでは還元された金属鉄の凝集に影響するスラグの形成を調整することが困難であり還元鉄の圧潰強度が弱くなる。このため還元鉄を回転床式還元炉から排出する時に紛化・破損し、回転床式炉からの排出が困難になるうえ、排出できなかった還元鉄粒子やスラグ分が炉内に残留し、炉床の耐火物と反応して損傷を引き起こしてしまう。 また排出時に紛化・破壊した還元鉄の一部は、炉内のガス気流中に浮遊して、回転床式還元炉内壁及び排ガス設備ダクト壁に付着することもある。さらに排出された還元鉄が、搬送中に紛化・破損するとダストとなって再度原料として使用する必要が生じる上、電気炉や高炉といった還元鉄を溶解して銑鉄とする工程においても歩留まりが低下する。
【０００４】
このため、炉内での還元過程や炉外への搬出および搬送の際において微粒分の発生を抑制ないし防止する技術が望まれている。
【０００５】
一方、製造された還元鉄は、高炉や転炉、電気炉などの鉄原料として使用されることから、炉のエネルギ効率を改善するためできるだけ高炭素含有量のものが望まれているものの、炭素含有量が高くなるほど、還元鉄の強度が低下することが知られている。
【０００６】
そこで、上記課題を解決するために、炭材内装酸化鉄塊成化物や還元鉄の強度を高める方策が種々検討されている。
【０００７】
例えば、これまでスラグ成分の溶融と固着によって還元鉄粒子を固めることに着眼し、スラグの塩基度調整用原料としてＣａＣＯ３などのＣａ含有化合物を用いて塩基度（ＣａＯ/ＳｉＯ２）比を０．３以上０．６以下とすることにより還元鉄の圧潰強度を向上させることで粉化を抑制する方法や塩基度を１．４〜１．６に調整し、塊成化物中の炭素を１０〜２０％として１２５０℃〜１３５０℃で加熱する方法が提案されている（特許文献１、２参照）。しかし鉄鉱石やダストといった鉄源にはＣａＯやＳｉＯ２以外にもＡｌ２Ｏ３やＭｇＯを含むものもあり、単に（ＣａＯ/ＳｉＯ２）比を制御するだけではスラグの溶融温度を精度良く制御することができず、確実に還元鉄の強度を高めることはできない。
【０００８】
また、炉内への装入過程において微粒分の発生を抑制するため、粉状鉄原料中のＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の合計量を塊成化物中に４〜１０質量％の範囲に調整して成形体の強度を高める技術が提案されている（特許文献３参照）。しかし、原料中のＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の合計を規定するだけではスラグの融点を精度良く制御することはできず、やはり圧潰強度を上げて粉化を防止できるものではない。
【０００９】
またさらに、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＳｉＯ２の存在量から（ＸＣａＯ+Ａｌ２Ｏ３+ＸＭｇＯ）／ＸＳｉＯ２を求め、この値が１〜５となるよう調整する方法も提案されている（特許文献４参照）。しかし、これは炉床に付着した付着物を除去しようとする際に容易に切削しうる付着物成分に着目したものであって、還元鉄自体の強度を高め、粉化を防止できるものではない。
【００１０】
また、（ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３)／ＳｉＯ２で計算される値が１．６以上とする方法やさらにＣａ含有物質としてカルシウムイオンを含む水和物を添加する方法が提案されている（特許文献５参照）。しかし、この方法では水和物を形成するのに３日かかるとされており、原料を３日以上保持するヤードが必要となる。
【００１１】
また、ＣａＦ２成分を添加するとともに、（ＣａＯ／ＳｉＯ２）比を０．３〜１．０とする方法が提案されている（特許文献６参照）。しかし近年、ＣａＦ２については環境への影響が懸念されるためにＣａＦ２を含有するスラグは廃棄が規制されるようになっており、ＣａＦ２の使用も制限されることが多い。
【００１２】
また、炉内でバースティングして粉が発生することを防ぐ目的で、（ＣａＯ／ＳｉＯ２）比を０．５〜１．５とし、結晶水と揮発分の合計量を１０．５質量％以下とし、付着水分の含有量を１．０%以下とする方法も提案されている（特許文献７参照）。しかし、酸化物原料中に結晶水を１０．５質量％を超えて含有する原料には適用できず、水分を１質量％以下に乾燥するには乾燥時間を多く必要とする。
【００１３】
（ＣａＯ−ＭｇＯ）／Ｔ.Ｆｅを０．１以下とし、かつ（ＣａＯ−ＭｇＯ）／ＳｉＯ２を２以下として酸化鉄原料の大きさを５０μｍ以下として還元帯内の一酸化炭素に対する二酸化炭素の比を０．３から１として、還元鉄の金属化率を５０〜８５％とし該還元鉄中の残留炭素を２質量％以下とする方法も提案されている（特許文献８参照）。しかし、この方法では酸化鉄原料が５０ミクロンを超えるものは粉砕工程が必要になり、大きな粒径のものほど粉砕に時間を要する上、炭素を多く含んだ還元鉄を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−１６９１４０号公報
【特許文献２】特開平１０−１４７８０６号公報
【特許文献３】特開平１１−１２６２６号公報
【特許文献４】特開２００６−２８３１３６号公報
【特許文献５】特開２００７−１９７７８３号公報
【特許文献６】特開２００８−５６９８６号公報
【特許文献７】特開２００９−３５８２０号公報
【特許文献８】特開２００９−８４６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明は、炭材内装酸化鉄塊成化物を移動炉床式還元炉内で加熱して還元鉄を得るに際して炉内で粉化を起こして粉が蓄積されることがなく、また得られた還元鉄が搬送されるに際して粉化して歩留まりが下がることを確実に防止しうる炭材内装酸化鉄塊成化物、および、その製造方法、ならびに、それを用いた還元鉄の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１に記載の発明は、還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物であって、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下であり、かつ、当該塊成化物が前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理されて製造された還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下となるような炭材配合量であることを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法であって、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下になるようにするとともに、かつ、当該塊成化物を前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理して製造した還元鉄中に残留する炭素が６％以下となるように、酸化鉄含有原料、炭材および副原料の配合割合を調整することを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記副原料として、酸化カルシウム含有物質および／または酸化珪素含有物質を用いる請求項２に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法である。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物、または、請求項２もしくは３に記載の製造方法で製造された炭材内装酸化鉄塊成化物を、前記移動炉床式還元炉内で加熱処理して還元鉄を製造する方法であって、下記式（１）で定義される炭素利用効率ηＣが０．０８〜０．１２の範囲内になるように、加熱処理温度を前記固相線温度より高く、前記液相線温度よりも低い温度範囲で調整することを特徴とする還元鉄製造方法である。
ηＣ＝ＮＣＯ２／（ＮＣＯ＋ＮＣＯ２） …式（１）
ここに、ＮＣＯおよびＮＣＯ２は、それぞれ、上記加熱処理の際に上記炭材内装酸化鉄塊成化物中から発生する、ＣＯの総モル量およびＣＯ２の総モル量である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、炭材内装酸化鉄塊成化物中のＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度を１３００℃以下にするとともに、該固相線温度より高く、液相線温度よりも低い温度で加熱処理して製造した還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下となるように原料配合した炭材内装酸化鉄塊成化物を用いることで、炭素を十分に含有しつつ、より高い圧潰強度を備えた還元鉄が製造できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】炭材内装酸化鉄塊成化物のスラグ組成と固相線温度との関係を説明するためのＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系状態図である。
【図２】還元試験に用いた小型高周波急速加熱炉の装置概要を示す縦断面図である。
【図３】還元試験における加熱パターンを模式的に示す図である。
【図４】還元試験に用いた炭材内装酸化鉄ペレットのスラグ組成と固相線温度との関係を説明するためのＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明について、さらに詳細に説明する。
【００２３】
（実施形態）
本発明は、炭材内装酸化鉄塊成化物（以下、単に「塊成化物」ともいう。）中のスラグ成分組成および炭材配合量を所定の範囲とすることを特徴とし、これにより、高炉や電気炉、転炉などの鉄原料としてより適した、炭素を十分に含有しつつ、圧潰強度がさらに高められた製品還元鉄が得られる。
【００２４】
具体的には、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下であり、かつ、当該塊成化物が移動炉床式還元炉（例えば回転炉床式還元炉）内において前記固相線温度より高く、液相線温度よりも低い温度で加熱処理されて製造された還元鉄中に残留する炭素が６％以下となるような炭材配合量とする。
【００２５】
以下に、上記各パラメータの数値限定根拠を説明する。
【００２６】
＜当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下＞
Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグを対象としたのは、塊成化物中に存在するスラグ成分は、主としてＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２で構成されることによる。
【００２７】
また、該３元系スラグの、液相線温度でなく、固相線温度を規定することとしたのは、以下の理由による。
【００２８】
すなわち、液相線温度はスラグが全量溶融状態となる温度であるのに対し、固相線温度は一部溶融状態のスラグが発生し始める温度である。つまり、スラグの液相線温度を規定し、この液相線温度より高い温度で加熱すると、スラグ成分が一挙に全量溶融してしまい、塊成化物内に空隙を多く作り、却って金属鉄の焼結の促進を妨げるため、高強度の還元鉄が得られない。これに対し、スラグの固相線温度を規定し、この固相線温度より高い温度で加熱すると、スラグ成分の全量ではなく一部が溶融した固液共存状態が得られることにより、スラグの溶融による空隙の形成を抑制しつつ、金属鉄の焼結を促進させることができることになる。要するに、還元鉄の強度発現は、スラグ相の形成によるものでなく、金属鉄の焼結構造によるものである。
【００２９】
また、固相線温度を１３００℃以下としたのは、回転炉床式還元炉で還元鉄を製造する場合、加熱温度としては１３００℃ないしそれ以下の温度を採用する例が多いことを考慮したものである。
【００３０】
ここで、Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度は、例えば以下のようにして決定することができる。
【００３１】
図１は、一般的に用いられるＣａＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３３元系複合酸化物の相平衡状態図（ＳＬＡＧ ＡＴＬＡＳ ２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ（１９９５），Ｖｅｒｌａｇ Ｓｔａｈｌｅｉｓｅｎ ＧｍｂＨ，ｐ．１０５）であるが、この図には液相線温度（ＴＬ）は記載されているものの、固相線温度（ＴＳ）は記載されていない。そこで、熱力学平衡計算ソフトウェア「ＦａｃｔＳａｇｅ」（Ｔｈｅｒｍｆａｃｔ ａｎｄ ＧＴＴ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）を用いて、上記３元系複合酸化物における固相線温度（ＴＳ）を算出し、同図上に固相線温度（ＴＳ）が１３００℃以下となる領域をハッチングで示した（点Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓで囲まれた領域；点Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓの各組成は下記表１に示すとおり。）。
【００３２】
【表１】
【００３３】
したがって、塊成化物中の上記３元系スラグの組成が上記領域内の組成となるように、酸化鉄含有原料、炭材および副原料の配合量を調整すればよい。なお、塊成化物中の炭材の配合量は、後述の還元鉄中の残留炭素量見合いで最終的に決定されるため、上記３元系スラグの組成は、主として酸化鉄含有原料と副原料の配合量で調整することになる。すなわち、上記３元系スラグの組成は、酸化鉄原料である、複数の異なるスラグ成分組成を有する製鉄ダストや鉄鉱石の配合割合の他、副原料である、石灰石、生石灰等の酸化カルシウム含有物質、および／または、珪石等の酸化珪素含有物質の添加量を調整することによって行うことができる。
【００３４】
＜当該塊成化物を前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、液相線温度より低い温度で加熱処理して製造した還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下＞
加熱処理温度を固相線温度より高く、液相線温度より低い温度としたのは、スラグを一部液相化して金属鉄の焼結を促進させるためである。ここに、加熱処理温度とは、移動炉床式還元炉内における最高雰囲気温度を意味するものとする。
【００３５】
また、上記特許文献８に記載の方法では、還元鉄中の残留炭素を２質量％以下に制限しているが、本発明では、上記のようにスラグ成分の溶融制御を適正に行うことで、さらに高い炭素含有量でも還元鉄強度を確保できる。ただし６質量％を超えると、金属鉄の凝集を阻害するため、還元鉄の圧潰強度が低下してしまう（後記実施例の表４を参照）。還元鉄強度を確保する観点からは、還元鉄中に残留する炭素は少ないほど好ましいが、上述したように、高炉や転炉、電気炉などのエネルギ効率を改善する観点からは、できるだけ高Ｃ含有量が好ましく、還元鉄中に残留する炭素は２質量％超、さらには３質量％以上とするのが推奨される。
【００３６】
還元鉄中の残留炭素量の調整は、炭材内装酸化鉄塊成化物中の炭材配合量（炭素含有量）を調整することよって行うことができ、例えば、炭材内装酸化鉄塊成化物の製造時において、炭素含有量の高い高炉ダストの配合割合や、石炭、コークス粉等の炭材の添加量を調整することによって行うことができる。
【００３７】
炭材内装酸化鉄塊成化物中の炭材配合量は、以下のような考え方で設定することができる。
【００３８】
すなわち、炭材として石炭などの揮発分と固定炭素分を含有するものを用いた場合には、回転炉床式還元炉内で塊成化物が加熱された際、まずその昇温過程にて５００〜６００℃で揮発分が除去されるが、この揮発分は酸化鉄の還元にはほとんど寄与しない。そして、さらに塊成化物の温度が上昇し、約７００℃に達したときに、固定炭素により酸化鉄の還元反応が実質的に開始されることが知られている。
【００３９】
したがって、塊成化物中の固定炭素質量Ｘｃは、下記式（２）に示すように、酸化鉄および酸化亜鉛を完全に金属まで還元するのに必要な炭素質量ＸｃＴと、還元後の還元鉄中の残留炭素質量ＸｃＲとの合計質量とみなすことができる。
【００４０】
Ｘｃ＝ＸｃＴ＋ＸｃＲ …式（２）
【００４１】
ここで、酸化鉄および酸化亜鉛を完全に金属まで還元するのに必要な炭素質量ＸｃＴは、下記式（３）で推定することができる。
【００４２】
ＸｃＴ＝（１２／１６）・Ｘｏ／（１＋ηＣ） …式（３）
ただし、Ｘｏは、炭材内装酸化鉄塊成化物中における、酸化鉄の酸素と酸化亜鉛の酸素の合計質量であり、ηＣは炭素利用効率（詳細は後述）である。
【００４３】
上記式（３）において、酸化鉄の他に酸化亜鉛の還元を考慮したのは、原料として製鉄ダストを用いる場合には、相当量の酸化亜鉛が含まれ、その還元に相当量の炭素質量を必要とするためである。ただし、鉛、アルカリ金属など他の非鉄金属の酸化物の含有量は酸化鉄や酸化亜鉛に比べて少ないので無視した。
【００４４】
また、上記式（３）中の１／（１＋ηＣ）の項は、還元反応により発生するＣＯ＋ＣＯ２ガス中のＣＯ２ガス成分の割合が高くなるにつれて酸化鉄および酸化亜鉛を完全に金属まで還元するのに必要な炭素質量が少なくなることを意味するものである。
【００４５】
ここに、炭材内装酸化鉄塊成化物を回転炉床式還元炉内で加熱処理した際の炭素利用効率ηＣは、後述の実施例で用いた小型高周波急速加熱炉で炭材内装酸化鉄塊成化物を不活性ガス雰囲気中で加熱処理して還元鉄を作製する試験を行い、その際に塊成化物から発生するＣＯ、ＣＯ２ガス組成を分析することにより求めることができる。その結果、炭素利用効率ηＣは、加熱処理温度により変化するものの、０．０８〜０．１２の範囲にあることがわかった。
【００４６】
したがって、まず、炭素利用効率ηＣを実際に用いる炉の加熱処理温度に応じて０．０８〜０．１２の間で設定し、上記式（３）を用いて酸化鉄の還元に必要な炭素量ＸｃＴを算出し、次いで、式（２）を用いて塊成化物中の固定炭素量Ｘｃを算出する。そして、この計算結果に基づいて塊成化物中の炭材配合量を設定することができる。
【００４７】
そして、上記のようにして製造された炭材内装酸化鉄塊成化物を、回転炉床式還元炉内で加熱処理するに際し、下記再掲式（１）で定義される炭素利用効率ηＣが０．０８〜０．１２の範囲内になるように、加熱処理温度を前記固相線温度より高く、前記液相線温度よりも低い温度範囲で調整すればよい。
【００４８】
ηＣ＝ＮＣＯ２／（ＮＣＯ＋ＮＣＯ２） …再掲式（１）
ここに、ＮＣＯおよびＮＣＯ２は、それぞれ、上記加熱処理の際に上記炭材内装酸化鉄塊成化物中から発生する、ＣＯの総モル量およびＣＯ２の総モル量である。
【００４９】
炭素利用効率ηＣは、加熱処理温度を前記固相線温度と前記液相線温度の間で調整することで変化させることが可能であり、例えば、加熱処理温度を高くするほど塊成化物内でカーボンソリューション反応（Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ）が促進されるので、炭素利用効率ηＣは低下する傾向を示す。
【００５０】
（変形例）
上記実施形態では、移動炉床式還元炉の炉形式として回転炉床炉を例示したが、直線炉を用いてもよい。
【実施例】
【００５１】
本発明の効果を確証するために、下記表２に示す原料を使用して、以下の試験を実施した。
【００５２】
【表２】
【００５３】
〔実験方法〕
本実施例では、炭材内装酸化鉄塊成化物の形態としてペレットを採用した。
【００５４】
表３に示すような種々の配合割合で配合した、酸化鉄含有原料（ａ）、炭材（ｂ）、および副原料（ｃ）に、結合剤として小麦粉を１．５質量％（一定）添加し、さらに適量の水分を添加してタイヤ型造粒機を用いて直径１７ｍｍの生ペレットに造粒した。この生ペレットを乾燥機中で１０５℃、２０時間乾燥して付着水を完全に除去した。乾燥後のペレット（炭材内装酸化鉄ペレット）の見掛密度は、１８００〜２０００ｋｇ／ｍ３の範囲内であった。
【００５５】
この乾燥後のペレット（炭材内装酸化鉄ペレット）を、図２に装置概要を示す小型高周波急速加熱炉（セキスイメディカル電子製：発振器の型式ＭＵ−１７００、炉の型式ＵＤ−２５０）で加熱処理を行った。なお、加熱スリーブとしては、ペレットを加熱した際に発生するＣＯ２含有ガスによる黒鉛の消耗を防止するため、アルミナで被覆した黒鉛チューブを使用した。
【００５６】
加熱パターンは、図３に示すように、室温〜１２５０℃は１５０℃／ｍｉｎの昇温速度、１２５０〜１３２０℃は１５℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱し、１３２０℃到達後、直ちに加熱を中止してＨｅガスにて急冷を行った。なお、加熱時の雰囲気としてはＮ２ガス３ＮＬ／ｍｉｎ、冷却時の雰囲気としてはＨｅガス３ＮＬ／ｍｉｎをそれぞれ用いた。
【００５７】
【表３】
【００５８】
上記加熱パターンにて加熱処理して得られた還元鉄について炭素含有量および厚潰強度を測定し、その結果を表４に示す。同表には還元前のペレット（炭材内装酸化鉄ペレット）中のＳｉＯ２、ＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の各含有量、ならびに、これら３元系スラグの固相線温度ＴＳ、液相線温度ＴＬおよび液相率を併記した。
【００５９】
なお、液相率とは、平衡状態図上では固相線と液相線の間に位置し、固体＋液体（すなわち、固相＋液相）中に占める液体の質量比率として定義されるものである（特開２００５−４８１９７号公報の段落［００３６］参照）。本実施例では、既述の熱力学平衡計算ソフトウェア「ＦａｃｔＳａｇｅ」を用いて、加熱処理温度（１３００℃）における、固相＋液相中に占める液相の質量比率（％）を算出した。
【００６０】
また、同表中の還元鉄の圧潰強度の単位ｋｇｆは９．８０６６５Ｎに相当する。
【００６１】
また、図１の３元系状態図上に発明例１〜４および比較例１〜５の各炭材内装酸化鉄ペレットのスラグ組成をプロットしたものを図４に示す。
【００６２】
なお、すべての発明例および比較例において、炭素利用効率は０．０８〜０．１２の範囲にあった。
【００６３】
発明例１〜４の炭材内装酸化鉄ペレットはいずれも、当該ペレット中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度ＴＳが１３００℃以下であり、かつ、この固相線温度ＴＳより高く、上記３元系スラグの液相線温度ＴＬよりも低い加熱温度である１３２０℃で加熱処理されて得られた還元鉄中の残留炭素量が６質量％以下（２質量％超でもある）であるので、本発明の要件を満足し、還元鉄の圧潰強度は１９ｋｇｆ／個を超える高い値が得られている。
【００６４】
これに対し、比較例１〜４の炭材内装酸化鉄ペレットはいずれも、ペレット中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度ＴＳが１３００℃を超えていることから、本発明の要件を満たしておらず、得られた還元鉄の圧潰強度は６ｋｇｆ／個未満に留まっている。
【００６５】
また、比較例５の炭材内装酸化鉄ペレットは、当該ペレット中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度ＴＳが１３００℃以下であるものの、この固相線温度ＴＳより高く、上記３元系スラグの液相線温度ＴＬよりも低い加熱温度である１３２０℃で加熱処理されて得られた還元鉄中の残留炭素量が６質量％を超えているので、本発明の要件を満たしておらず、得られた還元鉄の圧潰強度は約３ｋｇｆ／個と低い値に留まっている。
【００６６】
【表４】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装塊成化物およびその製造方法、ならびにそれを用いた還元鉄製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鉱石や製銑・製鋼工程で発生する酸化鉄を多量に含有するダスト粉などの粉状の酸化鉄含有原料に、還元材として石炭やコークスを製造する際に発生する粉などの炭素を含有した炭材と水分やバインダー分を添加・混合し、ペレットまたはブリケットに成形し、その成形体（炭材内装酸化鉄塊成化物）を乾燥し、次いで、回転炉床炉で加熱して還元反応を起こさせて還元鉄を製造する技術が知られている。この成形体は、もともと微粉で構成されていることから未還元であればもとの粉が発生し、また還元が終了した段階でも還元に用いられなかった炭素分が含有されており、還元鉄が炉外へ排出される際に衝撃で割れて内部の炭素や還元鉄粒子および原料に含まれる酸化物成分が粉となって炉内に残留することがある。さらには排出された還元鉄もベルトコンベアなどの搬送機器で移送される際に還元鉄同士の摩擦やベルトコンベアなどの乗り継ぎの際の落下衝突により微粒分が発生する。
【０００３】
ところで、還元鉄を製造する際に回転床式還元炉内の加熱温度の変更や滞留時間の調整などの変更を行うだけでは還元された金属鉄の凝集に影響するスラグの形成を調整することが困難であり還元鉄の圧潰強度が弱くなる。このため還元鉄を回転床式還元炉から排出する時に紛化・破損し、回転床式炉からの排出が困難になるうえ、排出できなかった還元鉄粒子やスラグ分が炉内に残留し、炉床の耐火物と反応して損傷を引き起こしてしまう。 また排出時に紛化・破壊した還元鉄の一部は、炉内のガス気流中に浮遊して、回転床式還元炉内壁及び排ガス設備ダクト壁に付着することもある。さらに排出された還元鉄が、搬送中に紛化・破損するとダストとなって再度原料として使用する必要が生じる上、電気炉や高炉といった還元鉄を溶解して銑鉄とする工程においても歩留まりが低下する。
【０００４】
このため、炉内での還元過程や炉外への搬出および搬送の際において微粒分の発生を抑制ないし防止する技術が望まれている。
【０００５】
一方、製造された還元鉄は、高炉や転炉、電気炉などの鉄原料として使用されることから、炉のエネルギ効率を改善するためできるだけ高炭素含有量のものが望まれているものの、炭素含有量が高くなるほど、還元鉄の強度が低下することが知られている。
【０００６】
そこで、上記課題を解決するために、炭材内装酸化鉄塊成化物や還元鉄の強度を高める方策が種々検討されている。
【０００７】
例えば、これまでスラグ成分の溶融と固着によって還元鉄粒子を固めることに着眼し、スラグの塩基度調整用原料としてＣａＣＯ３などのＣａ含有化合物を用いて塩基度（ＣａＯ/ＳｉＯ２）比を０．３以上０．６以下とすることにより還元鉄の圧潰強度を向上させることで粉化を抑制する方法や塩基度を１．４〜１．６に調整し、塊成化物中の炭素を１０〜２０％として１２５０℃〜１３５０℃で加熱する方法が提案されている（特許文献１、２参照）。しかし鉄鉱石やダストといった鉄源にはＣａＯやＳｉＯ２以外にもＡｌ２Ｏ３やＭｇＯを含むものもあり、単に（ＣａＯ/ＳｉＯ２）比を制御するだけではスラグの溶融温度を精度良く制御することができず、確実に還元鉄の強度を高めることはできない。
【０００８】
また、炉内への装入過程において微粒分の発生を抑制するため、粉状鉄原料中のＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の合計量を塊成化物中に４〜１０質量％の範囲に調整して成形体の強度を高める技術が提案されている（特許文献３参照）。しかし、原料中のＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の合計を規定するだけではスラグの融点を精度良く制御することはできず、やはり圧潰強度を上げて粉化を防止できるものではない。
【０００９】
またさらに、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＳｉＯ２の存在量から（ＸＣａＯ+Ａｌ２Ｏ３+ＸＭｇＯ）／ＸＳｉＯ２を求め、この値が１〜５となるよう調整する方法も提案されている（特許文献４参照）。しかし、これは炉床に付着した付着物を除去しようとする際に容易に切削しうる付着物成分に着目したものであって、還元鉄自体の強度を高め、粉化を防止できるものではない。
【００１０】
また、（ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３)／ＳｉＯ２で計算される値が１．６以上とする方法やさらにＣａ含有物質としてカルシウムイオンを含む水和物を添加する方法が提案されている（特許文献５参照）。しかし、この方法では水和物を形成するのに３日かかるとされており、原料を３日以上保持するヤードが必要となる。
【００１１】
また、ＣａＦ２成分を添加するとともに、（ＣａＯ／ＳｉＯ２）比を０．３〜１．０とする方法が提案されている（特許文献６参照）。しかし近年、ＣａＦ２については環境への影響が懸念されるためにＣａＦ２を含有するスラグは廃棄が規制されるようになっており、ＣａＦ２の使用も制限されることが多い。
【００１２】
また、炉内でバースティングして粉が発生することを防ぐ目的で、（ＣａＯ／ＳｉＯ２）比を０．５〜１．５とし、結晶水と揮発分の合計量を１０．５質量％以下とし、付着水分の含有量を１．０%以下とする方法も提案されている（特許文献７参照）。しかし、酸化物原料中に結晶水を１０．５質量％を超えて含有する原料には適用できず、水分を１質量％以下に乾燥するには乾燥時間を多く必要とする。
【００１３】
（ＣａＯ−ＭｇＯ）／Ｔ.Ｆｅを０．１以下とし、かつ（ＣａＯ−ＭｇＯ）／ＳｉＯ２を２以下として酸化鉄原料の大きさを５０μｍ以下として還元帯内の一酸化炭素に対する二酸化炭素の比を０．３から１として、還元鉄の金属化率を５０〜８５％とし該還元鉄中の残留炭素を２質量％以下とする方法も提案されている（特許文献８参照）。しかし、この方法では酸化鉄原料が５０ミクロンを超えるものは粉砕工程が必要になり、大きな粒径のものほど粉砕に時間を要する上、炭素を多く含んだ還元鉄を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−１６９１４０号公報
【特許文献２】特開平１０−１４７８０６号公報
【特許文献３】特開平１１−１２６２６号公報
【特許文献４】特開２００６−２８３１３６号公報
【特許文献５】特開２００７−１９７７８３号公報
【特許文献６】特開２００８−５６９８６号公報
【特許文献７】特開２００９−３５８２０号公報
【特許文献８】特開２００９−８４６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明は、炭材内装酸化鉄塊成化物を移動炉床式還元炉内で加熱して還元鉄を得るに際して炉内で粉化を起こして粉が蓄積されることがなく、また得られた還元鉄が搬送されるに際して粉化して歩留まりが下がることを確実に防止しうる炭材内装酸化鉄塊成化物、および、その製造方法、ならびに、それを用いた還元鉄の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１に記載の発明は、還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物であって、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下であり、かつ、当該塊成化物が前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理されて製造された還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下となるような炭材配合量であることを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法であって、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下になるようにするとともに、かつ、当該塊成化物を前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理して製造した還元鉄中に残留する炭素が６％以下となるように、酸化鉄含有原料、炭材および副原料の配合割合を調整することを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記副原料として、酸化カルシウム含有物質および／または酸化珪素含有物質を用いる請求項２に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法である。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物、または、請求項２もしくは３に記載の製造方法で製造された炭材内装酸化鉄塊成化物を、前記移動炉床式還元炉内で加熱処理して還元鉄を製造する方法であって、下記式（１）で定義される炭素利用効率ηＣが０．０８〜０．１２の範囲内になるように、加熱処理温度を前記固相線温度より高く、前記液相線温度よりも低い温度範囲で調整することを特徴とする還元鉄製造方法である。
ηＣ＝ＮＣＯ２／（ＮＣＯ＋ＮＣＯ２） …式（１）
ここに、ＮＣＯおよびＮＣＯ２は、それぞれ、上記加熱処理の際に上記炭材内装酸化鉄塊成化物中から発生する、ＣＯの総モル量およびＣＯ２の総モル量である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、炭材内装酸化鉄塊成化物中のＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度を１３００℃以下にするとともに、該固相線温度より高く、液相線温度よりも低い温度で加熱処理して製造した還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下となるように原料配合した炭材内装酸化鉄塊成化物を用いることで、炭素を十分に含有しつつ、より高い圧潰強度を備えた還元鉄が製造できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】炭材内装酸化鉄塊成化物のスラグ組成と固相線温度との関係を説明するためのＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系状態図である。
【図２】還元試験に用いた小型高周波急速加熱炉の装置概要を示す縦断面図である。
【図３】還元試験における加熱パターンを模式的に示す図である。
【図４】還元試験に用いた炭材内装酸化鉄ペレットのスラグ組成と固相線温度との関係を説明するためのＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明について、さらに詳細に説明する。
【００２３】
（実施形態）
本発明は、炭材内装酸化鉄塊成化物（以下、単に「塊成化物」ともいう。）中のスラグ成分組成および炭材配合量を所定の範囲とすることを特徴とし、これにより、高炉や電気炉、転炉などの鉄原料としてより適した、炭素を十分に含有しつつ、圧潰強度がさらに高められた製品還元鉄が得られる。
【００２４】
具体的には、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下であり、かつ、当該塊成化物が移動炉床式還元炉（例えば回転炉床式還元炉）内において前記固相線温度より高く、液相線温度よりも低い温度で加熱処理されて製造された還元鉄中に残留する炭素が６％以下となるような炭材配合量とする。
【００２５】
以下に、上記各パラメータの数値限定根拠を説明する。
【００２６】
＜当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下＞
Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグを対象としたのは、塊成化物中に存在するスラグ成分は、主としてＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２で構成されることによる。
【００２７】
また、該３元系スラグの、液相線温度でなく、固相線温度を規定することとしたのは、以下の理由による。
【００２８】
すなわち、液相線温度はスラグが全量溶融状態となる温度であるのに対し、固相線温度は一部溶融状態のスラグが発生し始める温度である。つまり、スラグの液相線温度を規定し、この液相線温度より高い温度で加熱すると、スラグ成分が一挙に全量溶融してしまい、塊成化物内に空隙を多く作り、却って金属鉄の焼結の促進を妨げるため、高強度の還元鉄が得られない。これに対し、スラグの固相線温度を規定し、この固相線温度より高い温度で加熱すると、スラグ成分の全量ではなく一部が溶融した固液共存状態が得られることにより、スラグの溶融による空隙の形成を抑制しつつ、金属鉄の焼結を促進させることができることになる。要するに、還元鉄の強度発現は、スラグ相の形成によるものでなく、金属鉄の焼結構造によるものである。
【００２９】
また、固相線温度を１３００℃以下としたのは、回転炉床式還元炉で還元鉄を製造する場合、加熱温度としては１３００℃ないしそれ以下の温度を採用する例が多いことを考慮したものである。
【００３０】
ここで、Ａｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度は、例えば以下のようにして決定することができる。
【００３１】
図１は、一般的に用いられるＣａＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３３元系複合酸化物の相平衡状態図（ＳＬＡＧ ＡＴＬＡＳ ２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ（１９９５），Ｖｅｒｌａｇ Ｓｔａｈｌｅｉｓｅｎ ＧｍｂＨ，ｐ．１０５）であるが、この図には液相線温度（ＴＬ）は記載されているものの、固相線温度（ＴＳ）は記載されていない。そこで、熱力学平衡計算ソフトウェア「ＦａｃｔＳａｇｅ」（Ｔｈｅｒｍｆａｃｔ ａｎｄ ＧＴＴ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）を用いて、上記３元系複合酸化物における固相線温度（ＴＳ）を算出し、同図上に固相線温度（ＴＳ）が１３００℃以下となる領域をハッチングで示した（点Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓで囲まれた領域；点Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓの各組成は下記表１に示すとおり。）。
【００３２】
【表１】
【００３３】
したがって、塊成化物中の上記３元系スラグの組成が上記領域内の組成となるように、酸化鉄含有原料、炭材および副原料の配合量を調整すればよい。なお、塊成化物中の炭材の配合量は、後述の還元鉄中の残留炭素量見合いで最終的に決定されるため、上記３元系スラグの組成は、主として酸化鉄含有原料と副原料の配合量で調整することになる。すなわち、上記３元系スラグの組成は、酸化鉄原料である、複数の異なるスラグ成分組成を有する製鉄ダストや鉄鉱石の配合割合の他、副原料である、石灰石、生石灰等の酸化カルシウム含有物質、および／または、珪石等の酸化珪素含有物質の添加量を調整することによって行うことができる。
【００３４】
＜当該塊成化物を前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、液相線温度より低い温度で加熱処理して製造した還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下＞
加熱処理温度を固相線温度より高く、液相線温度より低い温度としたのは、スラグを一部液相化して金属鉄の焼結を促進させるためである。ここに、加熱処理温度とは、移動炉床式還元炉内における最高雰囲気温度を意味するものとする。
【００３５】
また、上記特許文献８に記載の方法では、還元鉄中の残留炭素を２質量％以下に制限しているが、本発明では、上記のようにスラグ成分の溶融制御を適正に行うことで、さらに高い炭素含有量でも還元鉄強度を確保できる。ただし６質量％を超えると、金属鉄の凝集を阻害するため、還元鉄の圧潰強度が低下してしまう（後記実施例の表４を参照）。還元鉄強度を確保する観点からは、還元鉄中に残留する炭素は少ないほど好ましいが、上述したように、高炉や転炉、電気炉などのエネルギ効率を改善する観点からは、できるだけ高Ｃ含有量が好ましく、還元鉄中に残留する炭素は２質量％超、さらには３質量％以上とするのが推奨される。
【００３６】
還元鉄中の残留炭素量の調整は、炭材内装酸化鉄塊成化物中の炭材配合量（炭素含有量）を調整することよって行うことができ、例えば、炭材内装酸化鉄塊成化物の製造時において、炭素含有量の高い高炉ダストの配合割合や、石炭、コークス粉等の炭材の添加量を調整することによって行うことができる。
【００３７】
炭材内装酸化鉄塊成化物中の炭材配合量は、以下のような考え方で設定することができる。
【００３８】
すなわち、炭材として石炭などの揮発分と固定炭素分を含有するものを用いた場合には、回転炉床式還元炉内で塊成化物が加熱された際、まずその昇温過程にて５００〜６００℃で揮発分が除去されるが、この揮発分は酸化鉄の還元にはほとんど寄与しない。そして、さらに塊成化物の温度が上昇し、約７００℃に達したときに、固定炭素により酸化鉄の還元反応が実質的に開始されることが知られている。
【００３９】
したがって、塊成化物中の固定炭素質量Ｘｃは、下記式（２）に示すように、酸化鉄および酸化亜鉛を完全に金属まで還元するのに必要な炭素質量ＸｃＴと、還元後の還元鉄中の残留炭素質量ＸｃＲとの合計質量とみなすことができる。
【００４０】
Ｘｃ＝ＸｃＴ＋ＸｃＲ …式（２）
【００４１】
ここで、酸化鉄および酸化亜鉛を完全に金属まで還元するのに必要な炭素質量ＸｃＴは、下記式（３）で推定することができる。
【００４２】
ＸｃＴ＝（１２／１６）・Ｘｏ／（１＋ηＣ） …式（３）
ただし、Ｘｏは、炭材内装酸化鉄塊成化物中における、酸化鉄の酸素と酸化亜鉛の酸素の合計質量であり、ηＣは炭素利用効率（詳細は後述）である。
【００４３】
上記式（３）において、酸化鉄の他に酸化亜鉛の還元を考慮したのは、原料として製鉄ダストを用いる場合には、相当量の酸化亜鉛が含まれ、その還元に相当量の炭素質量を必要とするためである。ただし、鉛、アルカリ金属など他の非鉄金属の酸化物の含有量は酸化鉄や酸化亜鉛に比べて少ないので無視した。
【００４４】
また、上記式（３）中の１／（１＋ηＣ）の項は、還元反応により発生するＣＯ＋ＣＯ２ガス中のＣＯ２ガス成分の割合が高くなるにつれて酸化鉄および酸化亜鉛を完全に金属まで還元するのに必要な炭素質量が少なくなることを意味するものである。
【００４５】
ここに、炭材内装酸化鉄塊成化物を回転炉床式還元炉内で加熱処理した際の炭素利用効率ηＣは、後述の実施例で用いた小型高周波急速加熱炉で炭材内装酸化鉄塊成化物を不活性ガス雰囲気中で加熱処理して還元鉄を作製する試験を行い、その際に塊成化物から発生するＣＯ、ＣＯ２ガス組成を分析することにより求めることができる。その結果、炭素利用効率ηＣは、加熱処理温度により変化するものの、０．０８〜０．１２の範囲にあることがわかった。
【００４６】
したがって、まず、炭素利用効率ηＣを実際に用いる炉の加熱処理温度に応じて０．０８〜０．１２の間で設定し、上記式（３）を用いて酸化鉄の還元に必要な炭素量ＸｃＴを算出し、次いで、式（２）を用いて塊成化物中の固定炭素量Ｘｃを算出する。そして、この計算結果に基づいて塊成化物中の炭材配合量を設定することができる。
【００４７】
そして、上記のようにして製造された炭材内装酸化鉄塊成化物を、回転炉床式還元炉内で加熱処理するに際し、下記再掲式（１）で定義される炭素利用効率ηＣが０．０８〜０．１２の範囲内になるように、加熱処理温度を前記固相線温度より高く、前記液相線温度よりも低い温度範囲で調整すればよい。
【００４８】
ηＣ＝ＮＣＯ２／（ＮＣＯ＋ＮＣＯ２） …再掲式（１）
ここに、ＮＣＯおよびＮＣＯ２は、それぞれ、上記加熱処理の際に上記炭材内装酸化鉄塊成化物中から発生する、ＣＯの総モル量およびＣＯ２の総モル量である。
【００４９】
炭素利用効率ηＣは、加熱処理温度を前記固相線温度と前記液相線温度の間で調整することで変化させることが可能であり、例えば、加熱処理温度を高くするほど塊成化物内でカーボンソリューション反応（Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ）が促進されるので、炭素利用効率ηＣは低下する傾向を示す。
【００５０】
（変形例）
上記実施形態では、移動炉床式還元炉の炉形式として回転炉床炉を例示したが、直線炉を用いてもよい。
【実施例】
【００５１】
本発明の効果を確証するために、下記表２に示す原料を使用して、以下の試験を実施した。
【００５２】
【表２】
【００５３】
〔実験方法〕
本実施例では、炭材内装酸化鉄塊成化物の形態としてペレットを採用した。
【００５４】
表３に示すような種々の配合割合で配合した、酸化鉄含有原料（ａ）、炭材（ｂ）、および副原料（ｃ）に、結合剤として小麦粉を１．５質量％（一定）添加し、さらに適量の水分を添加してタイヤ型造粒機を用いて直径１７ｍｍの生ペレットに造粒した。この生ペレットを乾燥機中で１０５℃、２０時間乾燥して付着水を完全に除去した。乾燥後のペレット（炭材内装酸化鉄ペレット）の見掛密度は、１８００〜２０００ｋｇ／ｍ３の範囲内であった。
【００５５】
この乾燥後のペレット（炭材内装酸化鉄ペレット）を、図２に装置概要を示す小型高周波急速加熱炉（セキスイメディカル電子製：発振器の型式ＭＵ−１７００、炉の型式ＵＤ−２５０）で加熱処理を行った。なお、加熱スリーブとしては、ペレットを加熱した際に発生するＣＯ２含有ガスによる黒鉛の消耗を防止するため、アルミナで被覆した黒鉛チューブを使用した。
【００５６】
加熱パターンは、図３に示すように、室温〜１２５０℃は１５０℃／ｍｉｎの昇温速度、１２５０〜１３２０℃は１５℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱し、１３２０℃到達後、直ちに加熱を中止してＨｅガスにて急冷を行った。なお、加熱時の雰囲気としてはＮ２ガス３ＮＬ／ｍｉｎ、冷却時の雰囲気としてはＨｅガス３ＮＬ／ｍｉｎをそれぞれ用いた。
【００５７】
【表３】
【００５８】
上記加熱パターンにて加熱処理して得られた還元鉄について炭素含有量および厚潰強度を測定し、その結果を表４に示す。同表には還元前のペレット（炭材内装酸化鉄ペレット）中のＳｉＯ２、ＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の各含有量、ならびに、これら３元系スラグの固相線温度ＴＳ、液相線温度ＴＬおよび液相率を併記した。
【００５９】
なお、液相率とは、平衡状態図上では固相線と液相線の間に位置し、固体＋液体（すなわち、固相＋液相）中に占める液体の質量比率として定義されるものである（特開２００５−４８１９７号公報の段落［００３６］参照）。本実施例では、既述の熱力学平衡計算ソフトウェア「ＦａｃｔＳａｇｅ」を用いて、加熱処理温度（１３００℃）における、固相＋液相中に占める液相の質量比率（％）を算出した。
【００６０】
また、同表中の還元鉄の圧潰強度の単位ｋｇｆは９．８０６６５Ｎに相当する。
【００６１】
また、図１の３元系状態図上に発明例１〜４および比較例１〜５の各炭材内装酸化鉄ペレットのスラグ組成をプロットしたものを図４に示す。
【００６２】
なお、すべての発明例および比較例において、炭素利用効率は０．０８〜０．１２の範囲にあった。
【００６３】
発明例１〜４の炭材内装酸化鉄ペレットはいずれも、当該ペレット中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度ＴＳが１３００℃以下であり、かつ、この固相線温度ＴＳより高く、上記３元系スラグの液相線温度ＴＬよりも低い加熱温度である１３２０℃で加熱処理されて得られた還元鉄中の残留炭素量が６質量％以下（２質量％超でもある）であるので、本発明の要件を満足し、還元鉄の圧潰強度は１９ｋｇｆ／個を超える高い値が得られている。
【００６４】
これに対し、比較例１〜４の炭材内装酸化鉄ペレットはいずれも、ペレット中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度ＴＳが１３００℃を超えていることから、本発明の要件を満たしておらず、得られた還元鉄の圧潰強度は６ｋｇｆ／個未満に留まっている。
【００６５】
また、比較例５の炭材内装酸化鉄ペレットは、当該ペレット中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度ＴＳが１３００℃以下であるものの、この固相線温度ＴＳより高く、上記３元系スラグの液相線温度ＴＬよりも低い加熱温度である１３２０℃で加熱処理されて得られた還元鉄中の残留炭素量が６質量％を超えているので、本発明の要件を満たしておらず、得られた還元鉄の圧潰強度は約３ｋｇｆ／個と低い値に留まっている。
【００６６】
【表４】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物であって、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下であり、かつ、当該塊成化物が前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理されて製造された還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下となるような炭材配合量であることを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物。
【請求項２】
還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法であって、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下になるようにするとともに、かつ、当該塊成化物を前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理して製造した還元鉄中に残留する炭素が６％以下となるように、酸化鉄含有原料、炭材および副原料の配合割合を調整することを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法。
【請求項３】
前記副原料として、酸化カルシウム含有物質および／または酸化珪素含有物質を用いる請求項２に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物、または、請求項２もしくは３に記載の製造方法で製造された炭材内装酸化鉄塊成化物を、前記移動炉床式還元炉内で加熱処理して還元鉄を製造する方法であって、下記式で定義される炭素利用効率ηＣが０．０８〜０．１２の範囲内になるように、加熱処理温度を前記固相線温度より高く、前記液相線温度よりも低い温度範囲で調整することを特徴とする還元鉄製造方法。
式 ηＣ＝ＮＣＯ２／（ＮＣＯ＋ＮＣＯ２）
ここに、ＮＣＯおよびＮＣＯ２は、それぞれ、上記加熱処理の際に上記炭材内装酸化鉄塊成化物中から発生する、ＣＯの総モル量およびＣＯ２の総モル量である。
【請求項１】
還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物であって、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下であり、かつ、当該塊成化物が前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理されて製造された還元鉄中に残留する炭素が６質量％以下となるような炭材配合量であることを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物。
【請求項２】
還元鉄を製造するための移動炉床式還元炉の原料として用いられる炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法であって、当該塊成化物中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２含有量から定まるＡｌ２Ｏ３−ＣａＯ−ＳｉＯ２３元系スラグの固相線温度が１３００℃以下になるようにするとともに、かつ、当該塊成化物を前記移動炉床式還元炉内において前記固相線温度より高く、前記３元系スラグの液相線温度よりも低い温度で加熱処理して製造した還元鉄中に残留する炭素が６％以下となるように、酸化鉄含有原料、炭材および副原料の配合割合を調整することを特徴とする炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法。
【請求項３】
前記副原料として、酸化カルシウム含有物質および／または酸化珪素含有物質を用いる請求項２に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の炭材内装酸化鉄塊成化物、または、請求項２もしくは３に記載の製造方法で製造された炭材内装酸化鉄塊成化物を、前記移動炉床式還元炉内で加熱処理して還元鉄を製造する方法であって、下記式で定義される炭素利用効率ηＣが０．０８〜０．１２の範囲内になるように、加熱処理温度を前記固相線温度より高く、前記液相線温度よりも低い温度範囲で調整することを特徴とする還元鉄製造方法。
式 ηＣ＝ＮＣＯ２／（ＮＣＯ＋ＮＣＯ２）
ここに、ＮＣＯおよびＮＣＯ２は、それぞれ、上記加熱処理の際に上記炭材内装酸化鉄塊成化物中から発生する、ＣＯの総モル量およびＣＯ２の総モル量である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２０２２２７（Ｐ２０１１−２０２２２７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７０１７５（Ｐ２０１０−７０１７５）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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