移動型炉床炉による還元鉄の製造方法
【課題】還元鉄中の炭素濃度を制御することができるようにすると共に、精錬炉での溶解が容易な還元鉄を製造する方法を提案することにある。
【解決手段】移動する炉床上に、鉄含有酸化物、炭素系固体還元材および造滓材を含む混合原料を積載して加熱することにより、上記鉄含有酸化物を還元すると共に、溶融して銑滓分離を導くことで、還元鉄を製造する際に、上記混合原料として、鉄含有酸化物の平均粒径と、混合原料中の被還元酸素濃度および炭素濃度の比として表わされる炭材比との関係が０．５〜１．６になるように配合したものを用いる移動型炉床炉による還元鉄の製造。
【解決手段】移動する炉床上に、鉄含有酸化物、炭素系固体還元材および造滓材を含む混合原料を積載して加熱することにより、上記鉄含有酸化物を還元すると共に、溶融して銑滓分離を導くことで、還元鉄を製造する際に、上記混合原料として、鉄含有酸化物の平均粒径と、混合原料中の被還元酸素濃度および炭素濃度の比として表わされる炭材比との関係が０．５〜１．６になるように配合したものを用いる移動型炉床炉による還元鉄の製造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱炉内を移動する炉床上の原料を、この炉床が炉内を移動する過程で、その原料の加熱、還元を行うことのできる移動型炉床炉によって、例えば、鉄含有酸化物から還元鉄を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な粗鋼の製造方法としては、高炉−転炉による方法および電気炉法などによる方法がある。こられの方法のうち、電気炉法はスクラップや還元鉄を鉄原料として、これらを電気工ネルギーで加熱溶解し、場合によっては、さらに精錬して鋼にする方法である。現状では、スクラップを主な原料としているが、近年、スクラップ需給の逼迫化、電気炉法での製品の高級化が予想されることから、スクラップに換えて還元鉄の使用が検討されている。
【０００３】
還元金属に代表される還元鉄を製造する技術としては、特許文献１に開示されているような方法が知られている。この既知の方法としては、加熱炉内を水平方向に移動する移動炉床上に、鉄鉱石と固体還元材と積載し、その上方から輻射伝熱による加熱によって鉄鉱石を還元した後、その還元生成物を炉床上で溶融させて、スラグとメタルとを分離し、還元鉄とする移動型炉床炉法がよく知られている。
【０００４】
一般に、移動型炉床炉は、環状の軌道上を移動する回転移動形式をとるのが普通であり、それ故にこの形式の移動型炉床炉を、特に回転炉床炉と呼んでいる。図１は、代表的な回転炉床炉の例であり、予熱帯１０ａ、還元帯１０ｂ、溶融帯１０ｃおよび冷却帯１０ｄに区画された加熱炉炉体１０を有し、その炉体１０内に移動炉床１１が回転移動可能に配設された構造を有するものである。その移動炉床１１の上には、例えば、鉄鉱石と固体還元材等からなる混合原料１２が積載される。その混合原料１２としては、粉状の他に炭材内装ペレットなどの塊状のものが用いられる。ここで、移動炉床１１は、耐火物が内張りされた炉体１０によって覆われているが、特許文献１に開示されているように、炉床耐火物の保護のためにさらに、原料層の下に、床材として炭材、即ち固体還元材を敷き詰めておく場合もある。また、この炉体１０の上部側壁にはバーナー１３が設置されており、このバーナー１３を熱源として、移動炉床１１上の鉄鉱石の還元を行う。なお、図１において、１４は、混合原料を移動炉床１１上に装入し積載するための装入装置、１５は還元物を排出する排出装置である。加熱炉内の加熱雰囲気の温度は通常、１３００℃前後に保持されるが、とくに、溶融帯については１５００℃前後の高温にするのが普通である。
【０００５】
混合原料としての鉄含有酸化物、例えば鉄鉱石は通常、それの産地によって、量に差はあるものの多くの脈石成分を含んでいる。また、代表的な炭素系固体還元材である石炭や石炭チャー、コークスにもまた灰分が含まれている。そのために、加熱還元のみが進行する該移動型炉床炉法の操業では、製品である還元鉄に脈石の混入を避けることができず、さらには、製品に還元材からの灰分が混入するおそれもある。ただし、移動型炉床炉の操業では、還元後の原料を移動炉床上で溶融させるので、還元により生成したメタルと残滓であるスラグとは容易に分離させることができる。
【０００６】
メタルとスラグとの分離を促進させるための技術として、たとえば、特許文献２では、上記混合原料を塊状にして供給するという方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１７２３１２号公報
【特許文献２】特開２００２−３３９００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気炉で還元鉄を使用する場合、炭素濃度の高い還元鉄を使用することが有利である。その理由は以下のとおりである。
（１）炭素を多く含む還元鉄は融点が低くなり、溶解が容易である。
（２）還元鉄中に含まれる炭素分は、製鋼工程で行われる酸素吹き込み時に、燃焼によって溶鋼を加熱する熱源として利用される。これにより高価な電力の原単位を引き下げる助けとなり、コスト削減に寄与できる。
【０００９】
ところで、上掲の特許文献の開示を含め、従来の技術は、その多くが２〜４ｍａｓｓ％未満の炭素を含有する還元鉄を製造する技術であり、また、その還元鉄の炭素濃度を制御することは全く想定していない技術である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、還元鉄中の炭素濃度をある程度制御することができるようにすると共に、精錬炉での溶解が容易な還元鉄を製造することにあり、特に、高炉の溶銑と同程度の炭素濃度、即ち、４ｍａｓｓ％以上の炭素を含む還元鉄の製造技術を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的の実現に向けた研究の中で、発明者らは、下記の要旨構成に係る本発明に想到した。即ち、本発明は、移動型炉床炉の移動炉床上に、鉄含有酸化物、炭素系固体還元材および造滓材を含む混合原料を積載した状態で、その移動型炉床炉内を移動させながら加熱することにより、上記鉄含有酸化物を還元すると共に、溶融して銑滓分離を導くことにより、還元鉄を製造する方法において、上記混合原料として、鉄含有酸化物の平均粒径と、混合原料中の被還元酸素濃度および炭素濃度の比として表わされる炭材比と、の関係が下記式を満足するように配合したものを用いることを特徴とする移動型炉床炉による還元鉄の製造方法である。
０．５＜（炭材比）＜１．６ かつ
ｌｏｇ（１／ｒ）＜（−２．０×（炭材比）＋２．５）
ｒ ：鉄含有酸化物の半径
炭材比：（混合原料中の炭素濃度）／（混合原料中の被還元酸素濃度）／１２×１６
【００１２】
本発明においては、
（１）前記移動型炉床炉の加熱に際し、炉内に空気もしくは酸素を付加した空気を吹き込むことにより、還元反応時に発生するＣＯやＨ２を２次燃焼させること、
（２）移動炉床上にまず炭素含有物質を積載し、その上に粉状もしくは塊状の前記混合原料を積載して加熱還元を行うこと、
（３）前記鉄含有酸化物は、鉄鉱石、ダストあるいはスラッジのうちのいずれか１以上からなる粉状もしくは塊状のものを用いること、
（４）前記造滓材は、石灰石、ドロマイトおよび蛇紋岩のうちのいずれか１種以上を用いること、
が、より好ましい解決手段である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、混合原料中の炭素濃度と被還元酸素濃度とで表わされる炭材比、および混合原料中の鉄含有酸化物の平均粒径が一定の関係をもつようにすることにより、還元鉄の炭素濃度が４ｍａｓｓ％以上の高炭素含有還元鉄を確実にかつ容易に製造することができるようになる。その結果、電気炉等での還元鉄の溶解が容易になり、製品コストの低下に寄与できる。
【００１４】
また、本発明によれば、移動炉床上の混合原料層の下に、炭素含有物質を積載し、炉内に空気や酸素富化空気等を吹き込んで加熱処理するので、還元反応で発生するＣＯやＨ２を効率よく２次燃焼させることができ、エネルギーコストの低下に寄与する。
【００１５】
なお、本発明の作用効果は、直接、粉状原料を用いる場合だけでなく、ペレットやブリケットのような塊成化原料を使用する場合においても同様の効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】回転炉床炉の模式図である。
【図２】シュミレーションに用いた電気炉の模式図である。
【図３】電気炉加熱時の炉温、試料温度の推移を示すグラフである。
【図４】実験に用いた試料の概観および断面写真である。
【図５】溶融還元反応時の試料断面の模式図である。
【図６】炭素濃度と炭材比の関係を示すグラフである。
【図７】炭素濃度と１３５０℃における還元率の関係を示すグラフである。
【図８】還元率に与える炭材比と粒径（比表面積）との関係を示す図である。
【図９】実施例での炭素濃度推移を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
始めに、発明者らは、本発明を着想するに到った実験の内容について説明する。この実験は、移動型炉床炉における還元鉄の製造過程をシミュレートできるようにした小型電気炉を用いて加熱還元する実験である。この実験に用いた２０ＫＷ黒鉛電気炉の模式図を図２に示す。この電気炉は、円筒状の炉本体１内に、内径６０ｍｍの黒鉛るつぼ２とこれの昇降台３とを備え、炉本体１の外側にはヒーター４を配設してなるものである。この炉では、昇降台３を使ってるつぼ２が昇降（移動）し、たとえばこれを上昇させると、１５００℃に加熱した電気炉本体１内に黒鉛るつぼ２が入るようになる。なお、このるつぼ２内には、るつぼ２内への酸素の侵入を防止するために、窒素を１．８Ｎｍ３／Ｈで流通させた。
【００１８】
次に、この実験において用いた石炭と鉄鉱石の組成を表１に示す。直径７０ｍｍ、高さ６０ｍｍの黒鉛るつぼ２内には、まず、下層に石炭５を１０g敷いてから、その上に混合原料粉６を装入した。この実験では、鉄鉱石ＡおよびＢに、石炭を配合すると共に、混合原料粉６中にはＳｉＯ２濃度とＣａＯ濃度の比である塩基度が１．２となるように石灰石を配合した。ここで、本発明において、炭材比は以下のように定義し、その炭材比が０．５以上１．６未満となるように、原料配合を行い、実験を試みた。
炭材比＝（混合原料中の炭素濃度）／（混合原料中の被還元酸素濃度）／１２×１６
【００１９】
【表１】
【００２０】
表２は、鉄鉱石の粒径について示すものである。ここでは、以下の方法で面積基準の平均粒径を求めて、評価に供した。
【００２１】
【表２】
【００２２】
また、還元率は、試料の重量減少から、以下のようにして求めた．
（還元率）＝１−（Ｗ−Ｗ’−Ｗｍｉｎ）／（Ｗ０−Ｗ’−Ｗｍｉｎ）
Ｗ’ ：混合粉に含まれる水分、石炭揮発分、石灰石（ＣａＣＯ３）中のＣＯ２量
Ｗ０ ： 加熱前試料の質量
Ｗｍｉｎ：９００ｓｅｃ加熱後の試料の質量
【００２３】
図３は、この実験中に測定した試料温度の経時変化を示す図である。また、図４は、各時間の試料概観と断面の写真である。図４に示す写真からわかるように、実験開始後の５分間までは試料がそのまま混合物として存在しており、固体還元反応（ガス還元反応）が起こっていることがわかる。一方、７分後にはＦｅＯが融解する１３５０℃を超えて、溶融分離が始まっている。そして、溶融分離したスラグとメタルとは、９分後の写真にあるように還元溶融しており、多数のＣＯガス気泡を発生させている様子が窺える。図５は、溶融還元反応時の試料中で観察される気泡発生時の模式図を示す図である。
【００２４】
このようにして得られた還元鉄のうち、１５分後のメタルサンプルの一部を、化学分析に供し、炭素濃度を測定した。実験によって得られた炭材比と炭素濃度との関係について、表２に示す粒度と表１に示す鉱石銘柄（Ａ、Ｂ）ごとに図６に示す。
【００２５】
図６からわかるように、炭材比が高く、粒径が小さい条件（分布１、２）ほど炭素濃度は低くなった。炭材比が高く粒径が小さい条件とは、いわゆる固体還元反応が良好に行われるという条件である。そこで、溶融分離によって溶融還元反応から還元反応が変化するまでの７分後、１３５０℃の還元率と炭素濃度との関係を図７に示す。
【００２６】
以上の実験によって、発明者らは、鉱石銘柄、粒径、炭材比が異なる条件であっても、１３５０℃での還元率が高いほど炭素濃度が低下することを発見した。このことから、１３５０℃に到達する時点での還元率を制御することができれば、還元鉄の炭素濃度を制御できることが推測できた。ただし、還元率が低いということは、溶融開始時のスラグ中ＦｅＯ濃度が高いということである。それは、スラグ中のＦｅＯというのは、メタル中に浸炭した炭素を消費するためメタル中の炭素濃度を低下させる原因物質と考えられており、ともすれば、今回の知見と相反するとも考えられる。
【００２７】
そこで、このことに関し発明者らは、より詳しい観察を行った。その結果、溶融スラグは、図５に示すように、溶融還元反応によって発生する気泡７のために激しく泡立ち、かつ激しく流動する。そして、スラグ８が流動することにより、その下に存在している溶融メタル９が随伴流動することが観察された。
【００２８】
このことから、発明者らは、還元率と炭素濃度の関係について以下のような結論に達した。それは溶融メタル中への浸炭反応は、
（１）メタル−炭材界面での溶解過程、
（２）溶解した炭素原子が全体に拡散する拡散過程、
を経て進行すると考えられることから、
メタルの流動を伴う静置の状態に比べて、対流もしくは流動させた状態の方が拡散が促進されて、上記（２）の過程が飛躍的に促進されるということである。これにより、溶融還元反応による消費を上回る炭素原子が溶融金属中に供給されるようになり、メタル中の炭素濃度が上昇するものと考えられるである。
【００２９】
ところで、図７の関係について詳細に見ると、還元率９０％以上と９０％未満とでは還元率に対する炭素濃度の減少率がはっきりと変化していることがわかる。これは、還元率９０％未満では炭素濃度は４ｍａｓｓ％以上となり、炭素飽和濃度である５ｍａｓｓ％近くまで到達したため、浸炭反応速度が低下したためであると考えられる。
【００３０】
次に、発明者らは、１３５０℃における還元率９０％以下を達成するための操業条件について検討した。その結果、前述したように１３５０℃まではいわゆる固体還元反応によって還元が進行する。その固体還元反応は、固体還元材である床材（炭素含有物質）のガス分解によるＣＯガスやＮ２ガスの生成工程と、鉄鉱石とのガス還元反応工程とによって起こる。なお、一般にはガス還元過程が律速過程であると言われている。
【００３１】
そこで、発明者らは、鉱石Ａおよび鉱石Ｂについて、図８に示すように、炭材比（−）と比表面積ｌｏｇ（１／ｒ）とでマッピングを行った。この図８から明らかなように、還元率が９０％未満と９０％以上との領域は明らかに異なる。この実験結果から、還元率９０％以下の領域として下記の領域を定めた。
ｌｏｇ（１／ｒ）＜（−２．０×（炭材比）＋２．５）
ｒ：鉄含有酸化物の半径
（ただし、０．５＜炭材比＜１．６）
【００３２】
このように前述の関係を満たすことにより、還元率を９０％以下に抑えることが可能となり、それによって、生成する還元鉄の炭素濃度を４．０ｍａｓｓ％以上とすることが可能となる。
【００３３】
以上のことをまとめると、本発明方法のように、粒径や炭材比を適切に制御すれば、還元鉄の炭素濃度を制御することができるようになり、炭素濃度４ｍａｓｓ％以上の還元鉄を安定的に製造することができる。
【実施例】
【００３４】
本発明方法の有用性を確認するために、回転移動炉での実験操業を行った。
この操業には、表３に示す仕様の回転炉を用いた。鉱石および炭材は表１に示したものを用い、各鉄鉱石を整粒の上、表２に示す粒度ごとに配合した。回転移動炉には加熱中のサンプルを取る採取口を設け、全工程の５０％移動（回転）した炉温１３５０℃の位置でサンプルを採取した。このサンプルの化学分析を行って、還元率を算出し、“工程５０％還元率”として、表記した。
【００３５】
【表３】
【００３６】
加熱工程を終了した後の還元鉄は、化学分析を行って炭素濃度を測定した。また、一部の原料は有機系バインダーを添加した上で、ブリケットマシーンで塊成化して使用した。加えて、移動炉床上には床材として５０ｍｍの石炭を積載し、その上に混合原料を装入する実験もあわせて行った。
【００３７】
表４と図９に操業結果を示す。本発明に適合する方法を用いることで還元鉄中の炭素濃度を常に４ｍａｓｓ％以上と安定的に達成することができ、電気炉操業にて使いやすい還元鉄を提供できることがわかった。また、上記の実験操業の結果から、移動炉床上に炭素含有物質である石炭（床材）を積載した場合や粉末原料を塊成化した塊状混合原料であっても、効果を同じように発現させることが確かめられた。
【００３８】
【表４】
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、移動型炉床炉、とくに回転炉床炉による還元鉄の製造技術として有用であるが、他の金属の還元技術としてもまた有効な方法である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 炉本体
２ 黒鉛るつぼ
３ 昇降台
４ ヒーター
５ 石炭
６ 混合原料粉
７ 気泡
８ スラグ
９ 溶融メタル
１０ａ 予熱帯
１０ｂ 還元帯
１０ｃ 溶融帯
１０ｄ 冷却帯
１０ 炉体
１１ 移動炉床
１２ 混合原料
１３ バーナー
１４ 装入装置
１５ 排出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱炉内を移動する炉床上の原料を、この炉床が炉内を移動する過程で、その原料の加熱、還元を行うことのできる移動型炉床炉によって、例えば、鉄含有酸化物から還元鉄を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な粗鋼の製造方法としては、高炉−転炉による方法および電気炉法などによる方法がある。こられの方法のうち、電気炉法はスクラップや還元鉄を鉄原料として、これらを電気工ネルギーで加熱溶解し、場合によっては、さらに精錬して鋼にする方法である。現状では、スクラップを主な原料としているが、近年、スクラップ需給の逼迫化、電気炉法での製品の高級化が予想されることから、スクラップに換えて還元鉄の使用が検討されている。
【０００３】
還元金属に代表される還元鉄を製造する技術としては、特許文献１に開示されているような方法が知られている。この既知の方法としては、加熱炉内を水平方向に移動する移動炉床上に、鉄鉱石と固体還元材と積載し、その上方から輻射伝熱による加熱によって鉄鉱石を還元した後、その還元生成物を炉床上で溶融させて、スラグとメタルとを分離し、還元鉄とする移動型炉床炉法がよく知られている。
【０００４】
一般に、移動型炉床炉は、環状の軌道上を移動する回転移動形式をとるのが普通であり、それ故にこの形式の移動型炉床炉を、特に回転炉床炉と呼んでいる。図１は、代表的な回転炉床炉の例であり、予熱帯１０ａ、還元帯１０ｂ、溶融帯１０ｃおよび冷却帯１０ｄに区画された加熱炉炉体１０を有し、その炉体１０内に移動炉床１１が回転移動可能に配設された構造を有するものである。その移動炉床１１の上には、例えば、鉄鉱石と固体還元材等からなる混合原料１２が積載される。その混合原料１２としては、粉状の他に炭材内装ペレットなどの塊状のものが用いられる。ここで、移動炉床１１は、耐火物が内張りされた炉体１０によって覆われているが、特許文献１に開示されているように、炉床耐火物の保護のためにさらに、原料層の下に、床材として炭材、即ち固体還元材を敷き詰めておく場合もある。また、この炉体１０の上部側壁にはバーナー１３が設置されており、このバーナー１３を熱源として、移動炉床１１上の鉄鉱石の還元を行う。なお、図１において、１４は、混合原料を移動炉床１１上に装入し積載するための装入装置、１５は還元物を排出する排出装置である。加熱炉内の加熱雰囲気の温度は通常、１３００℃前後に保持されるが、とくに、溶融帯については１５００℃前後の高温にするのが普通である。
【０００５】
混合原料としての鉄含有酸化物、例えば鉄鉱石は通常、それの産地によって、量に差はあるものの多くの脈石成分を含んでいる。また、代表的な炭素系固体還元材である石炭や石炭チャー、コークスにもまた灰分が含まれている。そのために、加熱還元のみが進行する該移動型炉床炉法の操業では、製品である還元鉄に脈石の混入を避けることができず、さらには、製品に還元材からの灰分が混入するおそれもある。ただし、移動型炉床炉の操業では、還元後の原料を移動炉床上で溶融させるので、還元により生成したメタルと残滓であるスラグとは容易に分離させることができる。
【０００６】
メタルとスラグとの分離を促進させるための技術として、たとえば、特許文献２では、上記混合原料を塊状にして供給するという方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１７２３１２号公報
【特許文献２】特開２００２−３３９００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気炉で還元鉄を使用する場合、炭素濃度の高い還元鉄を使用することが有利である。その理由は以下のとおりである。
（１）炭素を多く含む還元鉄は融点が低くなり、溶解が容易である。
（２）還元鉄中に含まれる炭素分は、製鋼工程で行われる酸素吹き込み時に、燃焼によって溶鋼を加熱する熱源として利用される。これにより高価な電力の原単位を引き下げる助けとなり、コスト削減に寄与できる。
【０００９】
ところで、上掲の特許文献の開示を含め、従来の技術は、その多くが２〜４ｍａｓｓ％未満の炭素を含有する還元鉄を製造する技術であり、また、その還元鉄の炭素濃度を制御することは全く想定していない技術である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、還元鉄中の炭素濃度をある程度制御することができるようにすると共に、精錬炉での溶解が容易な還元鉄を製造することにあり、特に、高炉の溶銑と同程度の炭素濃度、即ち、４ｍａｓｓ％以上の炭素を含む還元鉄の製造技術を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的の実現に向けた研究の中で、発明者らは、下記の要旨構成に係る本発明に想到した。即ち、本発明は、移動型炉床炉の移動炉床上に、鉄含有酸化物、炭素系固体還元材および造滓材を含む混合原料を積載した状態で、その移動型炉床炉内を移動させながら加熱することにより、上記鉄含有酸化物を還元すると共に、溶融して銑滓分離を導くことにより、還元鉄を製造する方法において、上記混合原料として、鉄含有酸化物の平均粒径と、混合原料中の被還元酸素濃度および炭素濃度の比として表わされる炭材比と、の関係が下記式を満足するように配合したものを用いることを特徴とする移動型炉床炉による還元鉄の製造方法である。
０．５＜（炭材比）＜１．６ かつ
ｌｏｇ（１／ｒ）＜（−２．０×（炭材比）＋２．５）
ｒ ：鉄含有酸化物の半径
炭材比：（混合原料中の炭素濃度）／（混合原料中の被還元酸素濃度）／１２×１６
【００１２】
本発明においては、
（１）前記移動型炉床炉の加熱に際し、炉内に空気もしくは酸素を付加した空気を吹き込むことにより、還元反応時に発生するＣＯやＨ２を２次燃焼させること、
（２）移動炉床上にまず炭素含有物質を積載し、その上に粉状もしくは塊状の前記混合原料を積載して加熱還元を行うこと、
（３）前記鉄含有酸化物は、鉄鉱石、ダストあるいはスラッジのうちのいずれか１以上からなる粉状もしくは塊状のものを用いること、
（４）前記造滓材は、石灰石、ドロマイトおよび蛇紋岩のうちのいずれか１種以上を用いること、
が、より好ましい解決手段である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、混合原料中の炭素濃度と被還元酸素濃度とで表わされる炭材比、および混合原料中の鉄含有酸化物の平均粒径が一定の関係をもつようにすることにより、還元鉄の炭素濃度が４ｍａｓｓ％以上の高炭素含有還元鉄を確実にかつ容易に製造することができるようになる。その結果、電気炉等での還元鉄の溶解が容易になり、製品コストの低下に寄与できる。
【００１４】
また、本発明によれば、移動炉床上の混合原料層の下に、炭素含有物質を積載し、炉内に空気や酸素富化空気等を吹き込んで加熱処理するので、還元反応で発生するＣＯやＨ２を効率よく２次燃焼させることができ、エネルギーコストの低下に寄与する。
【００１５】
なお、本発明の作用効果は、直接、粉状原料を用いる場合だけでなく、ペレットやブリケットのような塊成化原料を使用する場合においても同様の効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】回転炉床炉の模式図である。
【図２】シュミレーションに用いた電気炉の模式図である。
【図３】電気炉加熱時の炉温、試料温度の推移を示すグラフである。
【図４】実験に用いた試料の概観および断面写真である。
【図５】溶融還元反応時の試料断面の模式図である。
【図６】炭素濃度と炭材比の関係を示すグラフである。
【図７】炭素濃度と１３５０℃における還元率の関係を示すグラフである。
【図８】還元率に与える炭材比と粒径（比表面積）との関係を示す図である。
【図９】実施例での炭素濃度推移を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
始めに、発明者らは、本発明を着想するに到った実験の内容について説明する。この実験は、移動型炉床炉における還元鉄の製造過程をシミュレートできるようにした小型電気炉を用いて加熱還元する実験である。この実験に用いた２０ＫＷ黒鉛電気炉の模式図を図２に示す。この電気炉は、円筒状の炉本体１内に、内径６０ｍｍの黒鉛るつぼ２とこれの昇降台３とを備え、炉本体１の外側にはヒーター４を配設してなるものである。この炉では、昇降台３を使ってるつぼ２が昇降（移動）し、たとえばこれを上昇させると、１５００℃に加熱した電気炉本体１内に黒鉛るつぼ２が入るようになる。なお、このるつぼ２内には、るつぼ２内への酸素の侵入を防止するために、窒素を１．８Ｎｍ３／Ｈで流通させた。
【００１８】
次に、この実験において用いた石炭と鉄鉱石の組成を表１に示す。直径７０ｍｍ、高さ６０ｍｍの黒鉛るつぼ２内には、まず、下層に石炭５を１０g敷いてから、その上に混合原料粉６を装入した。この実験では、鉄鉱石ＡおよびＢに、石炭を配合すると共に、混合原料粉６中にはＳｉＯ２濃度とＣａＯ濃度の比である塩基度が１．２となるように石灰石を配合した。ここで、本発明において、炭材比は以下のように定義し、その炭材比が０．５以上１．６未満となるように、原料配合を行い、実験を試みた。
炭材比＝（混合原料中の炭素濃度）／（混合原料中の被還元酸素濃度）／１２×１６
【００１９】
【表１】
【００２０】
表２は、鉄鉱石の粒径について示すものである。ここでは、以下の方法で面積基準の平均粒径を求めて、評価に供した。
【００２１】
【表２】
【００２２】
また、還元率は、試料の重量減少から、以下のようにして求めた．
（還元率）＝１−（Ｗ−Ｗ’−Ｗｍｉｎ）／（Ｗ０−Ｗ’−Ｗｍｉｎ）
Ｗ’ ：混合粉に含まれる水分、石炭揮発分、石灰石（ＣａＣＯ３）中のＣＯ２量
Ｗ０ ： 加熱前試料の質量
Ｗｍｉｎ：９００ｓｅｃ加熱後の試料の質量
【００２３】
図３は、この実験中に測定した試料温度の経時変化を示す図である。また、図４は、各時間の試料概観と断面の写真である。図４に示す写真からわかるように、実験開始後の５分間までは試料がそのまま混合物として存在しており、固体還元反応（ガス還元反応）が起こっていることがわかる。一方、７分後にはＦｅＯが融解する１３５０℃を超えて、溶融分離が始まっている。そして、溶融分離したスラグとメタルとは、９分後の写真にあるように還元溶融しており、多数のＣＯガス気泡を発生させている様子が窺える。図５は、溶融還元反応時の試料中で観察される気泡発生時の模式図を示す図である。
【００２４】
このようにして得られた還元鉄のうち、１５分後のメタルサンプルの一部を、化学分析に供し、炭素濃度を測定した。実験によって得られた炭材比と炭素濃度との関係について、表２に示す粒度と表１に示す鉱石銘柄（Ａ、Ｂ）ごとに図６に示す。
【００２５】
図６からわかるように、炭材比が高く、粒径が小さい条件（分布１、２）ほど炭素濃度は低くなった。炭材比が高く粒径が小さい条件とは、いわゆる固体還元反応が良好に行われるという条件である。そこで、溶融分離によって溶融還元反応から還元反応が変化するまでの７分後、１３５０℃の還元率と炭素濃度との関係を図７に示す。
【００２６】
以上の実験によって、発明者らは、鉱石銘柄、粒径、炭材比が異なる条件であっても、１３５０℃での還元率が高いほど炭素濃度が低下することを発見した。このことから、１３５０℃に到達する時点での還元率を制御することができれば、還元鉄の炭素濃度を制御できることが推測できた。ただし、還元率が低いということは、溶融開始時のスラグ中ＦｅＯ濃度が高いということである。それは、スラグ中のＦｅＯというのは、メタル中に浸炭した炭素を消費するためメタル中の炭素濃度を低下させる原因物質と考えられており、ともすれば、今回の知見と相反するとも考えられる。
【００２７】
そこで、このことに関し発明者らは、より詳しい観察を行った。その結果、溶融スラグは、図５に示すように、溶融還元反応によって発生する気泡７のために激しく泡立ち、かつ激しく流動する。そして、スラグ８が流動することにより、その下に存在している溶融メタル９が随伴流動することが観察された。
【００２８】
このことから、発明者らは、還元率と炭素濃度の関係について以下のような結論に達した。それは溶融メタル中への浸炭反応は、
（１）メタル−炭材界面での溶解過程、
（２）溶解した炭素原子が全体に拡散する拡散過程、
を経て進行すると考えられることから、
メタルの流動を伴う静置の状態に比べて、対流もしくは流動させた状態の方が拡散が促進されて、上記（２）の過程が飛躍的に促進されるということである。これにより、溶融還元反応による消費を上回る炭素原子が溶融金属中に供給されるようになり、メタル中の炭素濃度が上昇するものと考えられるである。
【００２９】
ところで、図７の関係について詳細に見ると、還元率９０％以上と９０％未満とでは還元率に対する炭素濃度の減少率がはっきりと変化していることがわかる。これは、還元率９０％未満では炭素濃度は４ｍａｓｓ％以上となり、炭素飽和濃度である５ｍａｓｓ％近くまで到達したため、浸炭反応速度が低下したためであると考えられる。
【００３０】
次に、発明者らは、１３５０℃における還元率９０％以下を達成するための操業条件について検討した。その結果、前述したように１３５０℃まではいわゆる固体還元反応によって還元が進行する。その固体還元反応は、固体還元材である床材（炭素含有物質）のガス分解によるＣＯガスやＮ２ガスの生成工程と、鉄鉱石とのガス還元反応工程とによって起こる。なお、一般にはガス還元過程が律速過程であると言われている。
【００３１】
そこで、発明者らは、鉱石Ａおよび鉱石Ｂについて、図８に示すように、炭材比（−）と比表面積ｌｏｇ（１／ｒ）とでマッピングを行った。この図８から明らかなように、還元率が９０％未満と９０％以上との領域は明らかに異なる。この実験結果から、還元率９０％以下の領域として下記の領域を定めた。
ｌｏｇ（１／ｒ）＜（−２．０×（炭材比）＋２．５）
ｒ：鉄含有酸化物の半径
（ただし、０．５＜炭材比＜１．６）
【００３２】
このように前述の関係を満たすことにより、還元率を９０％以下に抑えることが可能となり、それによって、生成する還元鉄の炭素濃度を４．０ｍａｓｓ％以上とすることが可能となる。
【００３３】
以上のことをまとめると、本発明方法のように、粒径や炭材比を適切に制御すれば、還元鉄の炭素濃度を制御することができるようになり、炭素濃度４ｍａｓｓ％以上の還元鉄を安定的に製造することができる。
【実施例】
【００３４】
本発明方法の有用性を確認するために、回転移動炉での実験操業を行った。
この操業には、表３に示す仕様の回転炉を用いた。鉱石および炭材は表１に示したものを用い、各鉄鉱石を整粒の上、表２に示す粒度ごとに配合した。回転移動炉には加熱中のサンプルを取る採取口を設け、全工程の５０％移動（回転）した炉温１３５０℃の位置でサンプルを採取した。このサンプルの化学分析を行って、還元率を算出し、“工程５０％還元率”として、表記した。
【００３５】
【表３】
【００３６】
加熱工程を終了した後の還元鉄は、化学分析を行って炭素濃度を測定した。また、一部の原料は有機系バインダーを添加した上で、ブリケットマシーンで塊成化して使用した。加えて、移動炉床上には床材として５０ｍｍの石炭を積載し、その上に混合原料を装入する実験もあわせて行った。
【００３７】
表４と図９に操業結果を示す。本発明に適合する方法を用いることで還元鉄中の炭素濃度を常に４ｍａｓｓ％以上と安定的に達成することができ、電気炉操業にて使いやすい還元鉄を提供できることがわかった。また、上記の実験操業の結果から、移動炉床上に炭素含有物質である石炭（床材）を積載した場合や粉末原料を塊成化した塊状混合原料であっても、効果を同じように発現させることが確かめられた。
【００３８】
【表４】
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、移動型炉床炉、とくに回転炉床炉による還元鉄の製造技術として有用であるが、他の金属の還元技術としてもまた有効な方法である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 炉本体
２ 黒鉛るつぼ
３ 昇降台
４ ヒーター
５ 石炭
６ 混合原料粉
７ 気泡
８ スラグ
９ 溶融メタル
１０ａ 予熱帯
１０ｂ 還元帯
１０ｃ 溶融帯
１０ｄ 冷却帯
１０ 炉体
１１ 移動炉床
１２ 混合原料
１３ バーナー
１４ 装入装置
１５ 排出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動型炉床炉の移動炉床上に、鉄含有酸化物、炭素系固体還元材および造滓材を含む混合原料を積載した状態で、その移動型炉床炉内を移動させながら加熱することにより、上記鉄含有酸化物を還元すると共に、溶融して銑滓分離を導くことにより、還元鉄を製造する方法において、上記混合原料として、鉄含有酸化物の平均粒径と、混合原料中の被還元酸素濃度および炭素濃度の比として表わされる炭材比と、の関係が下記式を満足するように配合したものを用いることを特徴とする移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
０．５＜（炭材比）＜１．６ かつ
ｌｏｇ（１／ｒ）＜（−２．０×（炭材比）＋２．５）
ｒ ：鉄含有酸化物の半径
炭材比：（混合原料中の炭素濃度）／（混合原料中の被還元酸素濃度）／１２×１６
【請求項２】
前記移動型炉床炉の加熱に際し、炉内に空気もしくは酸素付加空気を吹き込むことにより、還元反応時に発生するＣＯやＨ２を２次燃焼させることを特徴とする請求項１に記載の移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
【請求項３】
移動炉床上にまず炭素含有物質を積載し、その上に粉状もしくは塊状の前記混合原料を積載して加熱還元を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
【請求項４】
前記鉄含有酸化物は、鉄鉱石、ダストあるいはスラッジのうちのいずれか１以上からなる粉状もしくは塊状のものを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
【請求項５】
前記造滓材は、石灰石、ドロマイトおよび蛇紋岩のうちのいずれか１種以上を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
【請求項１】
移動型炉床炉の移動炉床上に、鉄含有酸化物、炭素系固体還元材および造滓材を含む混合原料を積載した状態で、その移動型炉床炉内を移動させながら加熱することにより、上記鉄含有酸化物を還元すると共に、溶融して銑滓分離を導くことにより、還元鉄を製造する方法において、上記混合原料として、鉄含有酸化物の平均粒径と、混合原料中の被還元酸素濃度および炭素濃度の比として表わされる炭材比と、の関係が下記式を満足するように配合したものを用いることを特徴とする移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
０．５＜（炭材比）＜１．６ かつ
ｌｏｇ（１／ｒ）＜（−２．０×（炭材比）＋２．５）
ｒ ：鉄含有酸化物の半径
炭材比：（混合原料中の炭素濃度）／（混合原料中の被還元酸素濃度）／１２×１６
【請求項２】
前記移動型炉床炉の加熱に際し、炉内に空気もしくは酸素付加空気を吹き込むことにより、還元反応時に発生するＣＯやＨ２を２次燃焼させることを特徴とする請求項１に記載の移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
【請求項３】
移動炉床上にまず炭素含有物質を積載し、その上に粉状もしくは塊状の前記混合原料を積載して加熱還元を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
【請求項４】
前記鉄含有酸化物は、鉄鉱石、ダストあるいはスラッジのうちのいずれか１以上からなる粉状もしくは塊状のものを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
【請求項５】
前記造滓材は、石灰石、ドロマイトおよび蛇紋岩のうちのいずれか１種以上を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の移動型炉床炉による還元鉄の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−７４４３８（Ｐ２０１１−７４４３８Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２６４７５（Ｐ２００９−２２６４７５）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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