還元金属の製造方法
【課題】金属分の含有率が低い金属含有原料からの還元金属の有利な製造を可能にする還元金属の製造技術を提案する。
【解決手段】金属含有物および固体還元材を含む混合原料を、移動型炉床炉の水平移動する炉床上に直接、または固体還元材層を介して装入し、その炉床が炉内で移動する間に前記混合原料を加熱還元して、還元金属を製造する方法において、前記混合原料として、造粒した原料と、この造粒原料とは異種の金属酸化物含有微粉原料との２種類を用いることを提案する。
【解決手段】金属含有物および固体還元材を含む混合原料を、移動型炉床炉の水平移動する炉床上に直接、または固体還元材層を介して装入し、その炉床が炉内で移動する間に前記混合原料を加熱還元して、還元金属を製造する方法において、前記混合原料として、造粒した原料と、この造粒原料とは異種の金属酸化物含有微粉原料との２種類を用いることを提案する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動型炉床炉を使って金属含有物から還元金属を製造する方法に関し、とくに炉内を水平移動する炉床上に堆積させた金属含有物を、その炉床が炉内を移動する間に加熱還元することによって還元金属を連続的に製造する方法について提案する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属含有物から還元金属を製造する方法として、移動型炉床炉を用いる方法が研究されている。この方法は、特許文献１にも開示されているように、原料として、炭材を内装したペレットを用いるのが普通である。この炭材内装ペレットというのは、金属含有物（以下、「酸化鉄」の例で説明する）を還元するのに必要な炭素量として、化学量論的必要量（以下、「化学当量」という）よりも多く含有させたものが用いられている。その理由は、酸化鉄の還元および還元後の再酸化を防止するためである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ただし、この技術の場合、次のような問題点があった。それは、還元金属（以下、「還元鉄」の例で述べる）を炉床上で溶融させると、その炉床の耐火物に溶融メタルが融着するだけでなく、炉床耐火物に発生した微細な割れ目などに侵入し、その溶融メタルが凝固後のメタル排出時に、炉床耐火物を損傷するといった問題が生じるからである。また、原料成分が変動した場合に、正確な還元材量の調整が求められること、そして、過剰の還元材は操業負荷を大きくするという問題が生じるからである。
【０００４】
このような問題点を解決するために、従来、溶融メタルが炉床耐火物に直接接触することがないように、炉床耐火物上にあらかじめ粉状の固体還元材などのスペーサーを堆積させることにより、内装還元材の使用量を抑制する方法が提案されている。たとえば、特許文献２では、炉内の炉床上にまず固体還元材を床敷材として装入し、その固体還元材層の上に、内装還元材（炭材）の量を酸化鉄を還元するのに必要な化学当量よりも少なくした造粒原料を装入して操業する方法が提案されている。
【特許文献１】特開昭６３−１０８１８８号公報
【特許文献２】特開２００１−１８１７１９号公報
【０００５】
しかしながら、上掲の従来技術についてはなお、次のような問題があった。それは、酸化鉄含有原料が、たとえば製鉄ダストや製鉄スラッジなどのように、多くの炭素分を含有するために、Ｆｅ分の含有量が相対的に低いものである場合には、Ｆｅ量が少ない分だけ溶融メタルの凝集が起らないままに還元溶融が進行し、そのために、粒径が小さいままの還元鉄が多数生成するということがある。このような場合、還元鉄の用途によって粒径が制約されるようなとき、例えば、ある程度大きい粒径のものが必要な精錬方法に用いる場合には、粒径が小さすぎて原料として適さないため、生成した還元鉄の製品としての回収率が低下するという問題があった。
従って、従来の移動型炉床炉における酸化鉄含有物の処理方法では、酸化鉄含有原料中に内装される固体還元材、即ち該原料中の炭素含有量が酸化鉄の還元に必要な理論炭素量よりも多くすると、とくに特許文献２に記載の方法による限り、上記問題の有効な処理方法が存在しないという課題が残った。
【０００６】
そこで、本発明は、移動型炉床炉の操業における上述した問題点を解決することを目的として、とくに金属成分の含有量が低くかつ炭材含有率の高い金属含有原料からの還元金属の製造を可能にする還元金属の製造技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、従来技術が抱えていた上述した課題を克服し、上記目的を実現できる方法として、下記の課題解決手段を開発した。
すなわち、本発明は、金属含有物および固体還元材を含む混合原料を、移動型炉床炉の水平移動する炉床上に装入し、その炉床が炉内を移動する間に前記混合原料を加熱還元し、少なくとも一度は溶融状態に導くことによって、メタルとスラグとが分離した状態の還元金属を製造する方法において、前記混合原料中の金属含有物として、粒径が１ｍｍ以上の造粒原料と、この造粒原料とは成分組成の異なる１ｍｍ未満の粒径をもつ金属酸化物含有微粉原料との２種類を用いることを特徴とする還元金属の製造方法である。前記造粒原料と成分組成の異なる１ｍｍ未満の粒径をもつ金属酸化物含有微粉原料とは、１ｍｍ未満の粒径が主体であることを意味し、具体的には１ｍｍ未満が８０ｍａｓｓ％以上であれば、本発明の効果を発現できる。
【０００８】
本発明においては、
ａ．固体還元材を装入堆積させ、その固体還元材層の上に前記混合原料を装入堆積させること、
ｂ．前記造粒原料は、金属酸化物含有湿原料に乾燥粉と固化剤とを加えて造粒したものであること、
ｃ．前記混合原料中に含まれる固体還元材は、炭素の含有量が金属含有物の還元に必要な理論炭素量の０．８から４．０倍であること、
ｄ．金属酸化物含有の微粉原料は、前記造粒原料よりも溶融しやすい成分組成を有すること、
ｅ．造粒原料よりも溶融しやすい成分組成の金属酸化物含有微粉原料は、該造粒原料よりもＦｅ分が高くＣ分が低い材料であること、
ｆ．前記造粒原料が、製鉄所で発生するダストやスラッジ、あるいはその混合物などの造粒物からなり、一方、前記金属酸化物含有微粉原料がミルスケールや酸化鉄の粉であること、
ｇ． 前記混合原料の装入に当たり、先にまず、造粒原料を移動型炉床炉の炉床上に装入し、その造粒原料堆積層の上を覆うように金属酸化物含有微粉原料を装入すること、
ｈ．前記造粒原料と金属酸化物含有微粉原料との配合割合は、造粒原料１００ｍａｓｓ％に対し、１〜４０ｍａｓｓ％を添加してなること、
より有効と考えられる解決手段となり得るものである。
【発明の効果】
【０００９】
上記要旨構成にかかる本発明の製造方法によれば、加熱還元工程を経て生成する溶融メタルや溶融スラグの粒が互いに凝集しやすく、そのために大きな粒状に塊成化した状態となって排出されるようになるから、還元金属の回収が容易かつ効率よく行われるようになる。従って、本発明により得られた還元金属は、溶製金属製造用原料として、また、焼結金属用原料として、あるいはその他の原料として有用であり、これらの原料を低コストで製造することができる。さらに、本発明によれば、炭素含有量が高く一方では鉄分の少ない、製鉄所で発生する各種のダストなどから、従来技術の下では得られないような低コストで、使いやすい高品質の還元金属を有利に製造することができるようになる。
【００１０】
このように、本発明によれば、造粒原料の他にこれとは異種の微粉状金属含有物を添加することで、脈石、灰分の混入がない還元金属鉄、すなわち電気炉等で精錬する際の原料として評価の高い還元金属を得ることができる。さらに、生成したメタルは粒状でハンドリングが極めて容易な粒径になることから、電気炉の原料として好適な還元金属を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の基本的な考え方は、移動炉床上に装入堆積させる混合原料として、粒径が相対的に大きい造粒原料（粒径≧１ｍｍ）と、この造粒原料とは粒径ならびに成分組成が異なる微粉原料（粒径＜１ｍｍ）との２種類の原料を用い、とくに前記造粒原料層の上を、前記微粉原料が覆うように装入して堆積層を形成させる点に特徴がある。このような原料を装入して還元金属で製造すると、還元金属製造用移動型炉床炉の効率的な操業が可能になる。
【００１２】
ところで、発明者らが知見したところによれば、移動型炉床炉の操業において、移動する炉床上に装入する混合原料として、粒径の大きい造粒物のみを使用することもできるが、このような方法は得策ではない。以下、このことを、造粒物と粉の関係を示す伝熱モデルによって検討してみる。一般に、粒径の大きい造粒物は、造粒過程において圧縮されるため、粉原料に比べて見かけ密度が大きい。その一方で、粒径分布は均一になり、積載時の空隙率が増加するため、かさ密度は低下することが知られている。
【００１３】
本発明者らの研究によると、混合原料として、粒径の大きい造粒物のみを使用すると問題があることがわかった。即ち、発明者らは、造粒物のみを使用した場合と造粒物と粉を混合して用いた場合とについて、単一面積あたり同一装入量を処理した時に必要な処理時間について伝熱モデルを用いて検討した。
【００１４】
図１（ａ）は、造粒物のみを積載した場合の模式図を示すものである。モデル計算は、単位面積上に、面積占有率Ｓｓ、高さＨ０、見かけ密度ρｓの造粒物が置かれている例を仮定する。この時の空隙率は、１−Ｓｓで表わされ、かさ密度ρｐは、式１で表わすことができる。
（式１）
かさ密度＝Ｓｓ・ρｓ
【００１５】
また、図１（ｂ）は、造粒物と粉を積載した場合であり、粉の高さ（Ｈｐ）が造粒物の高さ（Ｈｓ）より低い場合の模式図を示している。この場合の密度は、高さＨｐ、かさ密度ρｐの粉が空隙に装入されると仮定すると、式２で表わされる。
（式２）
かさ密度＝（Ｈｓ・Ｓｓ・ρｓ＋Ｈｐ・（１−Ｓｓ）・ρｐ）／Ｈｓ
【００１６】
また、図１（ｃ）は、造粒物と粉を積載した場合であり、ＨｐがＨｓより高い場合の模式図を示している。この場合のかさ密度は、空隙を満たした粉が造粒物上に乗ったモデルを考えると、式３で表わされる。
（式３）
かさ密度＝
（Ｈｓ・Ｓｓ・ρｓ＋Ｈｐ・（１−Ｓｓ）・ρｐ）／（Ｈｐ−Ｈｓ）・ρｐ／Ｈｐ
【００１７】
ここで、単位面積あたりの装入量が常に一定であるとすると、造粒原料のみを使用したとき、以下の式４、式５に従う。
（式４）
Ｈ０・Ｓｓ・ρｓ
＝Ｈｓ・Ｓｓ・ρｓ＋Ｈｐ・(１−Ｓｓ)・ρｐ （Ｈｓ＞Ｈｐ）
（式５）
Ｈ０・Ｓｓ・ρｓ
＝Ｈｓ・Ｓｓ・ρｓ＋Ｈｓ・(１−Ｓｓ)・ρｐ＋（Ｈｐ−Ｈｓ） （Ｈｓ＜Ｈｐ）
また、この時の粉率は以下の式６に従う。
（式６）
Ｒｐ＝１−Ｈｓ／Ｈ０
【００１８】
そこで、それぞれのかさ密度を、表１の値を用いて、計算すると、図２に示すようになる。この図に示すように、造粒物に粉を混合したものでは、かさ密度は粉率５０ｍａｓｓ％程度で最大値をもつことがわかる。
【００１９】
【表１】
【００２０】
なお、発明者らの研究や他の研究者らの報告によると、移動型炉床炉において、装入原料の加熱を行う場合、原料層中の伝熱が律速となることが知られている。一般に、粉状原料は、造粒物に比べて、熱伝導度が低いのが普通である。従って、粉率が上昇しすぎると伝熱が遅くなり、粒鉄製造時間が長くなって、生産性が落ちる。一方で、粉率の上昇は原料のかさ密度を増加させ、層厚を低下させることで、生産性の増加が見込める可能性もある。以下、このことについてさらに検討する。
【００２１】
ここで、層内の伝熱速度は、以下の非定常位置次元伝熱方程式のようにモデル化することができる。
（式７）
【００２２】
ここでＴ：温度（Ｋ）、ｔ：時間（ｓ）、ｋ：熱伝導度（Ｗ／ｍＫ）、ρ：密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｃｐ：比熱（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）、ｘ：表面からの距離（ｍ）である。今、初期温度Ｔ１、層厚Ｈのシートを温度Ｔ０の炉に装入したときの、ｔ秒後の層内温度を考える。なお、底面は断熱とする。式１０の初期条件は、
ｔ＝０、ｘ−０において、Ｔ＝Ｔ１
境界条件は、
ｔ＝∞、ｘ＞０において、Ｔ＝Ｔ０
ｘ＝０、ｔ＞０において、Ｔ＝Ｔ０
ｘ＝Ｈ、ｔ＞０において、δＴ／δｘ＝０
である。これらの式を無次元化し、
【００２３】
式７に代入して整理すると式８のようになる。
（式８）
また初期条件、境界条件はそれぞれ以下のようになる。
θ＝０、ω＞０において、φ＝１
θ＝∞、ω＞０において、φ＝０
ω＝０、θ＞０において、φ＝０
ω＝１、θ＞０において、δφ／δω＝０
【００２４】
なお、式８にはφ、θ、ω以外の変数は含まれず、無次元温度φと無次元位置ωの関係、すなわち無次元温度分布を決定するのは無次元時間θ＝βｔのみである。この無次元化により、βの定義から層内の昇温速度はＨ−２と、ｋ／ρＣｐに比例することがわかる。
【００２５】
以上のことから、装入される原料の量を一定とすれば、ρＣｐは一定とみなすことができるので、造粒物のみを装入した時の粒鉄製造時間をｔ０、造粒物のみを装入した場合の層厚をＨ０、造粒物の熱伝導度をｋｓ、粉の熱伝導度をｋｐとすると、粒鉄製造時間ｔは以下のように表わすことができる。
【００２６】
即ち、粉率Ｒｐの時の粒鉄製造時間ｔは下記の式９のようになる。
（式９）
（式１０）
Ｔ＝（Ｈｐ／Ｈ０）２・（ｋｓ／ｋｐ）ｔ０
【００２７】
図３は、表２に示す値を用いて計算した粉率Ｒｐと粒鉄製造時間ｔの関係を示すものである。この図に示すように、粒鉄製造時間ｔｅは一度、低下したあとに増加することがわかる。これは、粉率が上昇したことによる層厚低下の効果によるものと考えられる。
【００２８】
【表２】
【００２９】
つまり、粉原料はこれまで、熱伝導度が小さいため、粒鉄製造時間を遅らせる作用があると考えられていたが、むしろある程度の粉を含有していた方が原料のかさ密度が上昇して、伝熱が速くなり、粒鉄製造時間が短縮されると考えられる。
【００３０】
そこで、発明者らは、上記伝熱モデルの有効性を確かめるため、粒径の大きい造粒原料に対し、酸化鉄含有微粉を加えてなる混合原料を用いて、上記移動型炉床炉による加熱還元実験を行った。この実験の結果によると、微粉を含む混合原料の還元では、粒径の小さい溶融物（メタル粒、スラグ粒）の生成比率が低くなり、大粒の品質のよいメタルが生成することが確認された。
【００３１】
ところで、造粒された酸化鉄含有原料は、一般に、微粉状原料に比べて粒径が大きい（粒径≧１ｍｍ）のが特徴である。ここで、粒径≧１ｍｍとは１ｍｍの篩い目で分級した際の篩上として定義することができる。このような粒径の大きい造粒原料が加熱されると、含有する揮発分および水分が蒸発することにより、その粒径は次第に小さくなり、隣り合う粒子どうしの間隔が大きくなって離れた状態になる。その後、この原料の表面が溶融し始めると、融液自体の表面張力により、該融液は粒子表面に保持されたままになる。そして、反応が進行するにつれ、溶融メタルと溶融スラグの凝集が始まるものの、原料層の表面全体に拡がるようなことはなく、炉床上に散在したままの状態となり、いわゆる小粒状のメタルが分散した状態になる。
【００３２】
このような小粒状のメタルが生成する（回収が難しく生産性が低下する）のを防止するために、本発明では、上述したように、混合原料の装入に際し、造粒原料に対して、これらの表面に微粉原料をまぶすように添加したものを装入するか、まず造粒原料を炉床上へ直接または固体還元材層を介して間接的に装入した後、その上から微粉原料を撒布するように装入することにした。混合原料をこのようにして装入すると、小粒径メタルの生成を抑制できることができる。
【００３３】
このような小粒径メタルが生成する理由は、また、次のようにも説明できる。
（１）造粒物が加熱されると、その造粒物粒子内の温度が上昇し、それに伴って還元反応が進行する結果、ＦｅＯスラグ融液が生成する。
（２）このＦｅＯスラグ融液は、隣接する造粒粒子との接点があれば、その接点を介して濡れ拡がる性質があり、その濡れ拡がりの程度は、融液の物性、造粒物粒子どうしの接触状態等に依存する。
（３）そこで、粒子どうしの接触箇所が多いと、複数の造粒物粒子からの融液どうしが集まりやすく、融液どうしが十分な量まで集合すると、炉床上の窪み内に凝集し、適度な粒径でメタルとスラグに分離する。もし、粒子どうしの接触箇所が少ないと、融液は隣接粒子をまたがって拡がることできなくなり、粒子上に留まりやすい。そのため、生成するメタル−スラグの粒径は、前者に比べて小さくなる。
（４）また、鉄分含有率が低く炭素含有率の高い製鉄ダストなどの造粒物は、鉄分含有率が高い原料に比べると、生成するＦｅＯスラグ融液の量が少ない。従って、還元の進行によって、溶融メタルが生成したとき、それらの周囲に過剰な炭材が残り、メタル周囲に残留する。一般に、スラグ・メタルと炭材との濡れ性は悪いものの、その炭材はメタル分が濡れ拡がることを防止するため、メタル・スラグの集合および凝集が妨害され、小粒径メタル生成原因となると考えられる。
【００３４】
このような小粒径メタルが生成するという課題を解決するには、上述したように、造粒物粒子どうしの接触箇所を増やし、融液の量を増やす等の対策が有効と考えられる。この点、本発明では、造粒物原料の装入に際して、造粒物粒子間の空隙を埋める“のり”の働きを有する溶けやすい粉体を、造粒原料表面にまぶして添加することで、造粒物粒子どうしが粉体を介して接触し、さらに融液の増加を促して、小粒径メタルの生成を抑制できるようにしたのである。
【００３５】
このように、本発明では、造粒原料に対し微粉原料を添加するようにしたが、この場合、その微粉原料の粒径は小さい程、添加の効果が顕著になると考えられる。それは、微粉原料の場合、粒径が小さい分だけ熱が粒子内部まで伝わりやすく、そのため、供給される熱量が同じであれば、粒径の小さい原料表面ほど早く昇温して溶融するからである。すなわち、粒径の小さい原料表面では、隣接する粒子どうしの距離は小さく、部分的に溶融が始まると、その溶融部分は原料表面全体に速く広がる。そして、この融液は反応の進行にともない、小区画毎に凝集し、適度な粒径のメタル及びスラグに分離すると同時に、造粒原料どうしの間に入って、これらの粒子を溶融物でつなぎとめる作用を発揮する。
【００３６】
即ち、粒径が相対的に大きい造粒原料に対して、粒径が相対的に小さい微粉状原料を混合すると、該造粒原料どうしの間に生成する間隙が、これらの粉状原料によって埋め合わされ、その微粉原料の溶融が始まると、隣接する造粒粒子にまたがって融液が発生する。そのため、造粒原料のみ使用する場合に比べて、より多数の造粒粒子が連なった状態で溶融する。その結果、より大きい粒径のメタルが生成するのである。
【００３７】
次に、酸化鉄造粒原料中に内装すべき固体還元材の含有量について説明する。
混合原料中に含まれる金属含有物の還元に必要な理論炭素量をＡ、原料中に含まれる固体還元材中の炭素の含有量をＢとし、Ａに対するＢの割合（Ｂ／Ａ）を炭材比とする。たとえば、ミルスケールのようにＦｅ分が多くＣ分の少ない、いわゆる炭材比の小さい原料は、溶融しやすく、生成するメタルの量も多いので、小粒メタルの生成量は少なくなる。たとえば、ダストのように炭材比の大きい原料の場合、溶融しにくく生成するメタルの重量が小さいので小粒メタルの生成量が多くなる。しかし、これを解消しようとすると、原料の装入堆積層の層厚を大きくする必要がある。そうすると原料装入層の伝熱が不十分となり、操業負荷が増大するので好ましくない。
【００３８】
そこで、本発明においては、炭材比０．８から４．０までの原料を使用することにした。その理由は、炭材比が０．８未満では、溶融物の還元に時間がかかり、生産性が低下するからであり、一方、炭材比が４．０を超えると還元生成物の溶融が困難となり、さらには原料装入層の層厚が大きくなり、操業負荷が増大するからである。
【００３９】
次に、造粒原料について説明する。本発明に用いる造粒原料としては、製鉄ダストや製鉄スラッジなどの含水酸化鉄原料に、焼結ダストのような乾ダストとセメントなどの固化剤とを、ディスク型ペレタイザーなどの造粒機に入れて、粒径が１〜２０ｍｍ、好ましくは２〜３ｍｍ程度の大きさに造粒してグリーンペレットを得る。この造粒に当たって、湿原料粉の他に、乾原料粉を加える理由は、湿粒子の上に乾粉をまぶすように付着させて肥大化させることによって、固化剤介在の下で擬似粒子を作りやすいからである。
【００４０】
次に、微粉状金属含有物（鉄含有物）の添加量について説明する。本発明において、前記造粒原料と微粉状鉄含有物の配合割合としては、造粒原料１００ｍａｓｓ％に対し、微粉状鉄含有物を１〜４０ｍａｓｓ％程度加えることが望ましい。その理由は、この微粉状鉄含有物の割合が１ｍａｓｓ％未満では、添加の効果がなく、一方、４０ｍａｓｓ％を超えると、板状の溶融物が生成し、バーナーからの幅射熱やガス流れが阻害され、下層原料の反応が遅れるという問題が生じるからである。
なお、この微粉状鉄含有物の例としては、鉄分含有量の多いミルスケールや酸化鉄粉などの高Ｆｅ含有物等を用いる。即ち、鉄分含有率が高く、その他のたとえば炭材含有量が多く、低温で溶融しやすい形態のものを用いることが望ましい。
【００４１】
次に、前記造粒原料と微粉状鉄含有物原料との、移動炉床上への装入形態について説明する。図４は、本発明において特徴的な、造粒原料と微粉状原料との混合方法を従来方法と対比して説明する図である。
【００４２】
この図に示すように、従来方法（ａ）では、単に造粒原料のみを移動炉床上に直接、または固体還元材層を介してその上に装入して堆積させるだけである。この従来方法の場合、造粒用鉄原料が、製鉄ダストのようにＦｅ分が２５〜４０ｍａｓｓ％程度と少なく、一方でＣ分が２０〜４０ｍａｓｓ％もあるようなものだと、加熱還元によって溶融物が生成するとき、図示したように、あまりにＦｅ分が少ないため、これらが溶融したときに凝集することなく分散状態になる。そして、この溶融物が冷却されて還元鉄のメタル粒になったとき、小粒径のものにしか成長しない。即ち、この場合、小粒径メタルの生成比率が高くなるのである。
【００４３】
これに対し、本発明方法に適合する混合方法の場合、造粒原料相互間の間隙ならびにその上部に、Ｆｅ分の高い微粉原料が混入、撒布されて、各造粒原料粒子の表面にまぶしたように装入されて堆積する。その結果、これらの原料が加熱、還元されるとき、まず、前記微粉原料の溶融が始まり、次いで造粒原料の溶融が起るので、その最初に溶融した微粉原料の融液が造粒原料相互間をつなぐように存在し、その融液の表面張力により、溶融物どうしの凝集力が増大し、溶融物の粗大化が起り、図示のように大粒径の還元鉄メタルが生成するようになる。
【００４４】
この意味において、本発明で用いる前記微粉原料は、前記造粒原料よりも、Ｆｅ分の多い、たとえば、ミルスケール（Ｆｅ：７０〜９５ｍａｓｓ％、Ｃ：１〜２０ｍａｓｓ％）を用いることが好ましいと言える。それは、Ｆｅ含有量が高い分、溶融還元が速く、未溶融の造粒原料どうしの間をつなぎ止める作用に優れているからである。
【００４５】
従って、本発明において、造粒原料と微粉原料とは、成分組成の異なるものどうしを組み合わせること、とくに、造粒原料のＦｅ分は小さく、一方で微粉原料のＦｅ分が多い場合に、より効果的であると言える。
【００４６】
なお、本発明において、造粒原料に対し微粉原料を事前に混合する理由は、造粒原料のまわりに微粉原料をまぶすように混合する上で有利であり、本発明の作用効果が顕著になるが、造粒原料層の上から、微粉原料を撒布するように装入する方法でもよく、この場合、設備構成が簡素化できる利点がある。
なお、後で撒布する外装法（造粒原料を先に装入し、その表面に微粉原料を装入する方法）は、微粉状金属含有物の装入量が少量になる利点がある。
【００４７】
なお、本発明の実施形態において、炉床上に固体還元材を敷き詰め、その上に前記混合原料を装入して加熱還元する場合もまた、基本的には上述した説明に従って反応するものと考えられる。ここで、炉床上に装入する固体還元材は、上記混合原料中に内装する固体還元材（いわゆる内装炭材）と同じものでもよいし、異なる種類の固体還元材であってよい。また、これらの各種固体還元材のうちの一種あるいは二種以上を混合したものを用いてもよい。なお、本発明では、炉床上に、床敷として堆積させた固体還元材層の上に装入し堆積させる前記混合原料は、炉内バーナーからの熱を直接に受けるので、熱的に効率のよい処理が行われる。しかも、固体還元材層上に装入堆積させた金属含有混合原料は、これが加熱されて溶融すると、メタル分とスラグ分との分離が比較的円滑に行われ、各々の表面張力により溶融メタルあるいは溶融スラグとしてそれぞれに凝集しやすい傾向がある。
【実施例】
【００４８】
この実施例は、移動型炉床炉として、図５に示すような直径２．２ｍの回転テーブル上（移動炉床）に、アルミナ系耐火物を取り付けた移動炉床１と、その移動炉床上を環状の炉体にて覆うと共にバーナー１３を設置してなる回転炉床炉１０を用いて、還元鉄を製造する操業例である。
図５に示す回転炉床炉は、予熱体１０ａ、還元帯１０ｂ、溶融帯１０ｃおよび冷却帯１０ｄに区画されている。また、この回転炉炉床１０の移動炉床上には、鉄系原料とコークスとを含む混合原料を堆積した原料層２が形成されている。
【００４９】
なお、移動炉床に生成したメタルおよびスラグの排出に当たっては、これらを固体還元材層の上層部分と共に炉外に排出し、篩によってメタルとスラグと固体還元材とに分離し、固体還元材については再び固体還元材層として利用した。また、炉内の予熱帯〜冷却帯間の温度パターンは変更せず、排出装置１１の位置でのスラグ、メタルの分離状況を確認し、分離が十分できる速度に移動炉床１の速度を設定した。
また、炉の供給口における原料の積みつけ方法は、移動炉床１上の装入装置１２により、該移動炉床１上には予め固体還元材層を形成しておき、その上に混合原料を積みつけた。さらに、原料層２の表面には、凸部のあるローラーにて原料層表面に多数の凹部を形成させた。
【００５０】
原料の造粒については、造粒器に、主原料の湿製鉄ダスト、乾焼結ダスト、セメントおよび水分を適量添加して、ディスク状ペレタイザーで粒径１〜１０ｍｍのペレットを造粒した。このペレットは、乾燥機または野積み養生にて含有水分１０ｍａｓｓ％以下まで乾燥させた。次に、このペレットを節い目１ｍｍのグリズリーで篩い分けし、篩い下は、返鉱コンベアにて再びペレタイザ一に戻し、篩い上のみを移動炉床１上に装入した。
【００５１】
（比較例）
比較例は、図４（ａ）に示す態様で造粒原料のみを装入して操業した例である。この場合、生成したメタルの−５ｍｍ重量比率（小粒径メタル比率）は、１５ｍａｓｓ％であった。
【００５２】
（実施例１）
この実例では、微粉状酸化鉄含有物としてミルスケールを使用した。このミルスケールの造粒原料への添加割合は１０ｍａｓｓ％として事前混合して操業した。この操業においては生成した小粒径メタルの比率は１０ｍａｓｓ％であった。
【００５３】
（実施例２）
この実施例では、実施例１の微粉状酸化鉄含有物（ミルスケール）の添加割合を４０ｍａｓｓ％に変更した場合である。この場合の操業結果において、生成した小粒径メタルの比率は７ｍａｓｓ％であった。
【００５４】
（実施例３）
この実施例では、実施例１の微粉状酸化鉄含有物の種類を変更した場合である。ここでは酸化鉄粉を添加した操業において、生成した小粒径メタルの比率は６ｍａｓｓ％であった。
【００５５】
（実施例４）
この実施例では、実施例１の添加方法と添加割合の双方を変更した場合である。外装方法にて添加割合１ｍａｓｓ％の微粉原料を撒布した操業において、生成した小粒径メタルの比率は７ｍａｓｓ％であった。
表３は比較例、実施例１〜４をまとめたものである。
【００５６】
【表３】
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、製鉄所で発生するダストやスラッジの如き副生物から還元金属を製造する方法だけでなく、鉄鉱石の還元操業において、ハンドリングの容易な電気炉等への原料用粒状メタルの製造技術として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】伝熱モデルの模式図である。
【図２】粉率と密度との関係を示すグラフである。
【図３】粉率と還元鉄の生成時間との関係を示すグラフである。
【図４】原料装入方法について、従来例（ａ）と本発明例（ｂ）とを対比して示す説明図である。
【図５】回転炉床炉の一例を示す略線図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 移動炉床
２ 原料層
１０ａ 予熱帯
１０ｂ 還元帯
１０ｃ 溶融帯
１０ｄ 冷却帯
１１ 排出装置
１２ 装入装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動型炉床炉を使って金属含有物から還元金属を製造する方法に関し、とくに炉内を水平移動する炉床上に堆積させた金属含有物を、その炉床が炉内を移動する間に加熱還元することによって還元金属を連続的に製造する方法について提案する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属含有物から還元金属を製造する方法として、移動型炉床炉を用いる方法が研究されている。この方法は、特許文献１にも開示されているように、原料として、炭材を内装したペレットを用いるのが普通である。この炭材内装ペレットというのは、金属含有物（以下、「酸化鉄」の例で説明する）を還元するのに必要な炭素量として、化学量論的必要量（以下、「化学当量」という）よりも多く含有させたものが用いられている。その理由は、酸化鉄の還元および還元後の再酸化を防止するためである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ただし、この技術の場合、次のような問題点があった。それは、還元金属（以下、「還元鉄」の例で述べる）を炉床上で溶融させると、その炉床の耐火物に溶融メタルが融着するだけでなく、炉床耐火物に発生した微細な割れ目などに侵入し、その溶融メタルが凝固後のメタル排出時に、炉床耐火物を損傷するといった問題が生じるからである。また、原料成分が変動した場合に、正確な還元材量の調整が求められること、そして、過剰の還元材は操業負荷を大きくするという問題が生じるからである。
【０００４】
このような問題点を解決するために、従来、溶融メタルが炉床耐火物に直接接触することがないように、炉床耐火物上にあらかじめ粉状の固体還元材などのスペーサーを堆積させることにより、内装還元材の使用量を抑制する方法が提案されている。たとえば、特許文献２では、炉内の炉床上にまず固体還元材を床敷材として装入し、その固体還元材層の上に、内装還元材（炭材）の量を酸化鉄を還元するのに必要な化学当量よりも少なくした造粒原料を装入して操業する方法が提案されている。
【特許文献１】特開昭６３−１０８１８８号公報
【特許文献２】特開２００１−１８１７１９号公報
【０００５】
しかしながら、上掲の従来技術についてはなお、次のような問題があった。それは、酸化鉄含有原料が、たとえば製鉄ダストや製鉄スラッジなどのように、多くの炭素分を含有するために、Ｆｅ分の含有量が相対的に低いものである場合には、Ｆｅ量が少ない分だけ溶融メタルの凝集が起らないままに還元溶融が進行し、そのために、粒径が小さいままの還元鉄が多数生成するということがある。このような場合、還元鉄の用途によって粒径が制約されるようなとき、例えば、ある程度大きい粒径のものが必要な精錬方法に用いる場合には、粒径が小さすぎて原料として適さないため、生成した還元鉄の製品としての回収率が低下するという問題があった。
従って、従来の移動型炉床炉における酸化鉄含有物の処理方法では、酸化鉄含有原料中に内装される固体還元材、即ち該原料中の炭素含有量が酸化鉄の還元に必要な理論炭素量よりも多くすると、とくに特許文献２に記載の方法による限り、上記問題の有効な処理方法が存在しないという課題が残った。
【０００６】
そこで、本発明は、移動型炉床炉の操業における上述した問題点を解決することを目的として、とくに金属成分の含有量が低くかつ炭材含有率の高い金属含有原料からの還元金属の製造を可能にする還元金属の製造技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、従来技術が抱えていた上述した課題を克服し、上記目的を実現できる方法として、下記の課題解決手段を開発した。
すなわち、本発明は、金属含有物および固体還元材を含む混合原料を、移動型炉床炉の水平移動する炉床上に装入し、その炉床が炉内を移動する間に前記混合原料を加熱還元し、少なくとも一度は溶融状態に導くことによって、メタルとスラグとが分離した状態の還元金属を製造する方法において、前記混合原料中の金属含有物として、粒径が１ｍｍ以上の造粒原料と、この造粒原料とは成分組成の異なる１ｍｍ未満の粒径をもつ金属酸化物含有微粉原料との２種類を用いることを特徴とする還元金属の製造方法である。前記造粒原料と成分組成の異なる１ｍｍ未満の粒径をもつ金属酸化物含有微粉原料とは、１ｍｍ未満の粒径が主体であることを意味し、具体的には１ｍｍ未満が８０ｍａｓｓ％以上であれば、本発明の効果を発現できる。
【０００８】
本発明においては、
ａ．固体還元材を装入堆積させ、その固体還元材層の上に前記混合原料を装入堆積させること、
ｂ．前記造粒原料は、金属酸化物含有湿原料に乾燥粉と固化剤とを加えて造粒したものであること、
ｃ．前記混合原料中に含まれる固体還元材は、炭素の含有量が金属含有物の還元に必要な理論炭素量の０．８から４．０倍であること、
ｄ．金属酸化物含有の微粉原料は、前記造粒原料よりも溶融しやすい成分組成を有すること、
ｅ．造粒原料よりも溶融しやすい成分組成の金属酸化物含有微粉原料は、該造粒原料よりもＦｅ分が高くＣ分が低い材料であること、
ｆ．前記造粒原料が、製鉄所で発生するダストやスラッジ、あるいはその混合物などの造粒物からなり、一方、前記金属酸化物含有微粉原料がミルスケールや酸化鉄の粉であること、
ｇ． 前記混合原料の装入に当たり、先にまず、造粒原料を移動型炉床炉の炉床上に装入し、その造粒原料堆積層の上を覆うように金属酸化物含有微粉原料を装入すること、
ｈ．前記造粒原料と金属酸化物含有微粉原料との配合割合は、造粒原料１００ｍａｓｓ％に対し、１〜４０ｍａｓｓ％を添加してなること、
より有効と考えられる解決手段となり得るものである。
【発明の効果】
【０００９】
上記要旨構成にかかる本発明の製造方法によれば、加熱還元工程を経て生成する溶融メタルや溶融スラグの粒が互いに凝集しやすく、そのために大きな粒状に塊成化した状態となって排出されるようになるから、還元金属の回収が容易かつ効率よく行われるようになる。従って、本発明により得られた還元金属は、溶製金属製造用原料として、また、焼結金属用原料として、あるいはその他の原料として有用であり、これらの原料を低コストで製造することができる。さらに、本発明によれば、炭素含有量が高く一方では鉄分の少ない、製鉄所で発生する各種のダストなどから、従来技術の下では得られないような低コストで、使いやすい高品質の還元金属を有利に製造することができるようになる。
【００１０】
このように、本発明によれば、造粒原料の他にこれとは異種の微粉状金属含有物を添加することで、脈石、灰分の混入がない還元金属鉄、すなわち電気炉等で精錬する際の原料として評価の高い還元金属を得ることができる。さらに、生成したメタルは粒状でハンドリングが極めて容易な粒径になることから、電気炉の原料として好適な還元金属を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の基本的な考え方は、移動炉床上に装入堆積させる混合原料として、粒径が相対的に大きい造粒原料（粒径≧１ｍｍ）と、この造粒原料とは粒径ならびに成分組成が異なる微粉原料（粒径＜１ｍｍ）との２種類の原料を用い、とくに前記造粒原料層の上を、前記微粉原料が覆うように装入して堆積層を形成させる点に特徴がある。このような原料を装入して還元金属で製造すると、還元金属製造用移動型炉床炉の効率的な操業が可能になる。
【００１２】
ところで、発明者らが知見したところによれば、移動型炉床炉の操業において、移動する炉床上に装入する混合原料として、粒径の大きい造粒物のみを使用することもできるが、このような方法は得策ではない。以下、このことを、造粒物と粉の関係を示す伝熱モデルによって検討してみる。一般に、粒径の大きい造粒物は、造粒過程において圧縮されるため、粉原料に比べて見かけ密度が大きい。その一方で、粒径分布は均一になり、積載時の空隙率が増加するため、かさ密度は低下することが知られている。
【００１３】
本発明者らの研究によると、混合原料として、粒径の大きい造粒物のみを使用すると問題があることがわかった。即ち、発明者らは、造粒物のみを使用した場合と造粒物と粉を混合して用いた場合とについて、単一面積あたり同一装入量を処理した時に必要な処理時間について伝熱モデルを用いて検討した。
【００１４】
図１（ａ）は、造粒物のみを積載した場合の模式図を示すものである。モデル計算は、単位面積上に、面積占有率Ｓｓ、高さＨ０、見かけ密度ρｓの造粒物が置かれている例を仮定する。この時の空隙率は、１−Ｓｓで表わされ、かさ密度ρｐは、式１で表わすことができる。
（式１）
かさ密度＝Ｓｓ・ρｓ
【００１５】
また、図１（ｂ）は、造粒物と粉を積載した場合であり、粉の高さ（Ｈｐ）が造粒物の高さ（Ｈｓ）より低い場合の模式図を示している。この場合の密度は、高さＨｐ、かさ密度ρｐの粉が空隙に装入されると仮定すると、式２で表わされる。
（式２）
かさ密度＝（Ｈｓ・Ｓｓ・ρｓ＋Ｈｐ・（１−Ｓｓ）・ρｐ）／Ｈｓ
【００１６】
また、図１（ｃ）は、造粒物と粉を積載した場合であり、ＨｐがＨｓより高い場合の模式図を示している。この場合のかさ密度は、空隙を満たした粉が造粒物上に乗ったモデルを考えると、式３で表わされる。
（式３）
かさ密度＝
（Ｈｓ・Ｓｓ・ρｓ＋Ｈｐ・（１−Ｓｓ）・ρｐ）／（Ｈｐ−Ｈｓ）・ρｐ／Ｈｐ
【００１７】
ここで、単位面積あたりの装入量が常に一定であるとすると、造粒原料のみを使用したとき、以下の式４、式５に従う。
（式４）
Ｈ０・Ｓｓ・ρｓ
＝Ｈｓ・Ｓｓ・ρｓ＋Ｈｐ・(１−Ｓｓ)・ρｐ （Ｈｓ＞Ｈｐ）
（式５）
Ｈ０・Ｓｓ・ρｓ
＝Ｈｓ・Ｓｓ・ρｓ＋Ｈｓ・(１−Ｓｓ)・ρｐ＋（Ｈｐ−Ｈｓ） （Ｈｓ＜Ｈｐ）
また、この時の粉率は以下の式６に従う。
（式６）
Ｒｐ＝１−Ｈｓ／Ｈ０
【００１８】
そこで、それぞれのかさ密度を、表１の値を用いて、計算すると、図２に示すようになる。この図に示すように、造粒物に粉を混合したものでは、かさ密度は粉率５０ｍａｓｓ％程度で最大値をもつことがわかる。
【００１９】
【表１】
【００２０】
なお、発明者らの研究や他の研究者らの報告によると、移動型炉床炉において、装入原料の加熱を行う場合、原料層中の伝熱が律速となることが知られている。一般に、粉状原料は、造粒物に比べて、熱伝導度が低いのが普通である。従って、粉率が上昇しすぎると伝熱が遅くなり、粒鉄製造時間が長くなって、生産性が落ちる。一方で、粉率の上昇は原料のかさ密度を増加させ、層厚を低下させることで、生産性の増加が見込める可能性もある。以下、このことについてさらに検討する。
【００２１】
ここで、層内の伝熱速度は、以下の非定常位置次元伝熱方程式のようにモデル化することができる。
（式７）
【００２２】
ここでＴ：温度（Ｋ）、ｔ：時間（ｓ）、ｋ：熱伝導度（Ｗ／ｍＫ）、ρ：密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｃｐ：比熱（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）、ｘ：表面からの距離（ｍ）である。今、初期温度Ｔ１、層厚Ｈのシートを温度Ｔ０の炉に装入したときの、ｔ秒後の層内温度を考える。なお、底面は断熱とする。式１０の初期条件は、
ｔ＝０、ｘ−０において、Ｔ＝Ｔ１
境界条件は、
ｔ＝∞、ｘ＞０において、Ｔ＝Ｔ０
ｘ＝０、ｔ＞０において、Ｔ＝Ｔ０
ｘ＝Ｈ、ｔ＞０において、δＴ／δｘ＝０
である。これらの式を無次元化し、
【００２３】
式７に代入して整理すると式８のようになる。
（式８）
また初期条件、境界条件はそれぞれ以下のようになる。
θ＝０、ω＞０において、φ＝１
θ＝∞、ω＞０において、φ＝０
ω＝０、θ＞０において、φ＝０
ω＝１、θ＞０において、δφ／δω＝０
【００２４】
なお、式８にはφ、θ、ω以外の変数は含まれず、無次元温度φと無次元位置ωの関係、すなわち無次元温度分布を決定するのは無次元時間θ＝βｔのみである。この無次元化により、βの定義から層内の昇温速度はＨ−２と、ｋ／ρＣｐに比例することがわかる。
【００２５】
以上のことから、装入される原料の量を一定とすれば、ρＣｐは一定とみなすことができるので、造粒物のみを装入した時の粒鉄製造時間をｔ０、造粒物のみを装入した場合の層厚をＨ０、造粒物の熱伝導度をｋｓ、粉の熱伝導度をｋｐとすると、粒鉄製造時間ｔは以下のように表わすことができる。
【００２６】
即ち、粉率Ｒｐの時の粒鉄製造時間ｔは下記の式９のようになる。
（式９）
（式１０）
Ｔ＝（Ｈｐ／Ｈ０）２・（ｋｓ／ｋｐ）ｔ０
【００２７】
図３は、表２に示す値を用いて計算した粉率Ｒｐと粒鉄製造時間ｔの関係を示すものである。この図に示すように、粒鉄製造時間ｔｅは一度、低下したあとに増加することがわかる。これは、粉率が上昇したことによる層厚低下の効果によるものと考えられる。
【００２８】
【表２】
【００２９】
つまり、粉原料はこれまで、熱伝導度が小さいため、粒鉄製造時間を遅らせる作用があると考えられていたが、むしろある程度の粉を含有していた方が原料のかさ密度が上昇して、伝熱が速くなり、粒鉄製造時間が短縮されると考えられる。
【００３０】
そこで、発明者らは、上記伝熱モデルの有効性を確かめるため、粒径の大きい造粒原料に対し、酸化鉄含有微粉を加えてなる混合原料を用いて、上記移動型炉床炉による加熱還元実験を行った。この実験の結果によると、微粉を含む混合原料の還元では、粒径の小さい溶融物（メタル粒、スラグ粒）の生成比率が低くなり、大粒の品質のよいメタルが生成することが確認された。
【００３１】
ところで、造粒された酸化鉄含有原料は、一般に、微粉状原料に比べて粒径が大きい（粒径≧１ｍｍ）のが特徴である。ここで、粒径≧１ｍｍとは１ｍｍの篩い目で分級した際の篩上として定義することができる。このような粒径の大きい造粒原料が加熱されると、含有する揮発分および水分が蒸発することにより、その粒径は次第に小さくなり、隣り合う粒子どうしの間隔が大きくなって離れた状態になる。その後、この原料の表面が溶融し始めると、融液自体の表面張力により、該融液は粒子表面に保持されたままになる。そして、反応が進行するにつれ、溶融メタルと溶融スラグの凝集が始まるものの、原料層の表面全体に拡がるようなことはなく、炉床上に散在したままの状態となり、いわゆる小粒状のメタルが分散した状態になる。
【００３２】
このような小粒状のメタルが生成する（回収が難しく生産性が低下する）のを防止するために、本発明では、上述したように、混合原料の装入に際し、造粒原料に対して、これらの表面に微粉原料をまぶすように添加したものを装入するか、まず造粒原料を炉床上へ直接または固体還元材層を介して間接的に装入した後、その上から微粉原料を撒布するように装入することにした。混合原料をこのようにして装入すると、小粒径メタルの生成を抑制できることができる。
【００３３】
このような小粒径メタルが生成する理由は、また、次のようにも説明できる。
（１）造粒物が加熱されると、その造粒物粒子内の温度が上昇し、それに伴って還元反応が進行する結果、ＦｅＯスラグ融液が生成する。
（２）このＦｅＯスラグ融液は、隣接する造粒粒子との接点があれば、その接点を介して濡れ拡がる性質があり、その濡れ拡がりの程度は、融液の物性、造粒物粒子どうしの接触状態等に依存する。
（３）そこで、粒子どうしの接触箇所が多いと、複数の造粒物粒子からの融液どうしが集まりやすく、融液どうしが十分な量まで集合すると、炉床上の窪み内に凝集し、適度な粒径でメタルとスラグに分離する。もし、粒子どうしの接触箇所が少ないと、融液は隣接粒子をまたがって拡がることできなくなり、粒子上に留まりやすい。そのため、生成するメタル−スラグの粒径は、前者に比べて小さくなる。
（４）また、鉄分含有率が低く炭素含有率の高い製鉄ダストなどの造粒物は、鉄分含有率が高い原料に比べると、生成するＦｅＯスラグ融液の量が少ない。従って、還元の進行によって、溶融メタルが生成したとき、それらの周囲に過剰な炭材が残り、メタル周囲に残留する。一般に、スラグ・メタルと炭材との濡れ性は悪いものの、その炭材はメタル分が濡れ拡がることを防止するため、メタル・スラグの集合および凝集が妨害され、小粒径メタル生成原因となると考えられる。
【００３４】
このような小粒径メタルが生成するという課題を解決するには、上述したように、造粒物粒子どうしの接触箇所を増やし、融液の量を増やす等の対策が有効と考えられる。この点、本発明では、造粒物原料の装入に際して、造粒物粒子間の空隙を埋める“のり”の働きを有する溶けやすい粉体を、造粒原料表面にまぶして添加することで、造粒物粒子どうしが粉体を介して接触し、さらに融液の増加を促して、小粒径メタルの生成を抑制できるようにしたのである。
【００３５】
このように、本発明では、造粒原料に対し微粉原料を添加するようにしたが、この場合、その微粉原料の粒径は小さい程、添加の効果が顕著になると考えられる。それは、微粉原料の場合、粒径が小さい分だけ熱が粒子内部まで伝わりやすく、そのため、供給される熱量が同じであれば、粒径の小さい原料表面ほど早く昇温して溶融するからである。すなわち、粒径の小さい原料表面では、隣接する粒子どうしの距離は小さく、部分的に溶融が始まると、その溶融部分は原料表面全体に速く広がる。そして、この融液は反応の進行にともない、小区画毎に凝集し、適度な粒径のメタル及びスラグに分離すると同時に、造粒原料どうしの間に入って、これらの粒子を溶融物でつなぎとめる作用を発揮する。
【００３６】
即ち、粒径が相対的に大きい造粒原料に対して、粒径が相対的に小さい微粉状原料を混合すると、該造粒原料どうしの間に生成する間隙が、これらの粉状原料によって埋め合わされ、その微粉原料の溶融が始まると、隣接する造粒粒子にまたがって融液が発生する。そのため、造粒原料のみ使用する場合に比べて、より多数の造粒粒子が連なった状態で溶融する。その結果、より大きい粒径のメタルが生成するのである。
【００３７】
次に、酸化鉄造粒原料中に内装すべき固体還元材の含有量について説明する。
混合原料中に含まれる金属含有物の還元に必要な理論炭素量をＡ、原料中に含まれる固体還元材中の炭素の含有量をＢとし、Ａに対するＢの割合（Ｂ／Ａ）を炭材比とする。たとえば、ミルスケールのようにＦｅ分が多くＣ分の少ない、いわゆる炭材比の小さい原料は、溶融しやすく、生成するメタルの量も多いので、小粒メタルの生成量は少なくなる。たとえば、ダストのように炭材比の大きい原料の場合、溶融しにくく生成するメタルの重量が小さいので小粒メタルの生成量が多くなる。しかし、これを解消しようとすると、原料の装入堆積層の層厚を大きくする必要がある。そうすると原料装入層の伝熱が不十分となり、操業負荷が増大するので好ましくない。
【００３８】
そこで、本発明においては、炭材比０．８から４．０までの原料を使用することにした。その理由は、炭材比が０．８未満では、溶融物の還元に時間がかかり、生産性が低下するからであり、一方、炭材比が４．０を超えると還元生成物の溶融が困難となり、さらには原料装入層の層厚が大きくなり、操業負荷が増大するからである。
【００３９】
次に、造粒原料について説明する。本発明に用いる造粒原料としては、製鉄ダストや製鉄スラッジなどの含水酸化鉄原料に、焼結ダストのような乾ダストとセメントなどの固化剤とを、ディスク型ペレタイザーなどの造粒機に入れて、粒径が１〜２０ｍｍ、好ましくは２〜３ｍｍ程度の大きさに造粒してグリーンペレットを得る。この造粒に当たって、湿原料粉の他に、乾原料粉を加える理由は、湿粒子の上に乾粉をまぶすように付着させて肥大化させることによって、固化剤介在の下で擬似粒子を作りやすいからである。
【００４０】
次に、微粉状金属含有物（鉄含有物）の添加量について説明する。本発明において、前記造粒原料と微粉状鉄含有物の配合割合としては、造粒原料１００ｍａｓｓ％に対し、微粉状鉄含有物を１〜４０ｍａｓｓ％程度加えることが望ましい。その理由は、この微粉状鉄含有物の割合が１ｍａｓｓ％未満では、添加の効果がなく、一方、４０ｍａｓｓ％を超えると、板状の溶融物が生成し、バーナーからの幅射熱やガス流れが阻害され、下層原料の反応が遅れるという問題が生じるからである。
なお、この微粉状鉄含有物の例としては、鉄分含有量の多いミルスケールや酸化鉄粉などの高Ｆｅ含有物等を用いる。即ち、鉄分含有率が高く、その他のたとえば炭材含有量が多く、低温で溶融しやすい形態のものを用いることが望ましい。
【００４１】
次に、前記造粒原料と微粉状鉄含有物原料との、移動炉床上への装入形態について説明する。図４は、本発明において特徴的な、造粒原料と微粉状原料との混合方法を従来方法と対比して説明する図である。
【００４２】
この図に示すように、従来方法（ａ）では、単に造粒原料のみを移動炉床上に直接、または固体還元材層を介してその上に装入して堆積させるだけである。この従来方法の場合、造粒用鉄原料が、製鉄ダストのようにＦｅ分が２５〜４０ｍａｓｓ％程度と少なく、一方でＣ分が２０〜４０ｍａｓｓ％もあるようなものだと、加熱還元によって溶融物が生成するとき、図示したように、あまりにＦｅ分が少ないため、これらが溶融したときに凝集することなく分散状態になる。そして、この溶融物が冷却されて還元鉄のメタル粒になったとき、小粒径のものにしか成長しない。即ち、この場合、小粒径メタルの生成比率が高くなるのである。
【００４３】
これに対し、本発明方法に適合する混合方法の場合、造粒原料相互間の間隙ならびにその上部に、Ｆｅ分の高い微粉原料が混入、撒布されて、各造粒原料粒子の表面にまぶしたように装入されて堆積する。その結果、これらの原料が加熱、還元されるとき、まず、前記微粉原料の溶融が始まり、次いで造粒原料の溶融が起るので、その最初に溶融した微粉原料の融液が造粒原料相互間をつなぐように存在し、その融液の表面張力により、溶融物どうしの凝集力が増大し、溶融物の粗大化が起り、図示のように大粒径の還元鉄メタルが生成するようになる。
【００４４】
この意味において、本発明で用いる前記微粉原料は、前記造粒原料よりも、Ｆｅ分の多い、たとえば、ミルスケール（Ｆｅ：７０〜９５ｍａｓｓ％、Ｃ：１〜２０ｍａｓｓ％）を用いることが好ましいと言える。それは、Ｆｅ含有量が高い分、溶融還元が速く、未溶融の造粒原料どうしの間をつなぎ止める作用に優れているからである。
【００４５】
従って、本発明において、造粒原料と微粉原料とは、成分組成の異なるものどうしを組み合わせること、とくに、造粒原料のＦｅ分は小さく、一方で微粉原料のＦｅ分が多い場合に、より効果的であると言える。
【００４６】
なお、本発明において、造粒原料に対し微粉原料を事前に混合する理由は、造粒原料のまわりに微粉原料をまぶすように混合する上で有利であり、本発明の作用効果が顕著になるが、造粒原料層の上から、微粉原料を撒布するように装入する方法でもよく、この場合、設備構成が簡素化できる利点がある。
なお、後で撒布する外装法（造粒原料を先に装入し、その表面に微粉原料を装入する方法）は、微粉状金属含有物の装入量が少量になる利点がある。
【００４７】
なお、本発明の実施形態において、炉床上に固体還元材を敷き詰め、その上に前記混合原料を装入して加熱還元する場合もまた、基本的には上述した説明に従って反応するものと考えられる。ここで、炉床上に装入する固体還元材は、上記混合原料中に内装する固体還元材（いわゆる内装炭材）と同じものでもよいし、異なる種類の固体還元材であってよい。また、これらの各種固体還元材のうちの一種あるいは二種以上を混合したものを用いてもよい。なお、本発明では、炉床上に、床敷として堆積させた固体還元材層の上に装入し堆積させる前記混合原料は、炉内バーナーからの熱を直接に受けるので、熱的に効率のよい処理が行われる。しかも、固体還元材層上に装入堆積させた金属含有混合原料は、これが加熱されて溶融すると、メタル分とスラグ分との分離が比較的円滑に行われ、各々の表面張力により溶融メタルあるいは溶融スラグとしてそれぞれに凝集しやすい傾向がある。
【実施例】
【００４８】
この実施例は、移動型炉床炉として、図５に示すような直径２．２ｍの回転テーブル上（移動炉床）に、アルミナ系耐火物を取り付けた移動炉床１と、その移動炉床上を環状の炉体にて覆うと共にバーナー１３を設置してなる回転炉床炉１０を用いて、還元鉄を製造する操業例である。
図５に示す回転炉床炉は、予熱体１０ａ、還元帯１０ｂ、溶融帯１０ｃおよび冷却帯１０ｄに区画されている。また、この回転炉炉床１０の移動炉床上には、鉄系原料とコークスとを含む混合原料を堆積した原料層２が形成されている。
【００４９】
なお、移動炉床に生成したメタルおよびスラグの排出に当たっては、これらを固体還元材層の上層部分と共に炉外に排出し、篩によってメタルとスラグと固体還元材とに分離し、固体還元材については再び固体還元材層として利用した。また、炉内の予熱帯〜冷却帯間の温度パターンは変更せず、排出装置１１の位置でのスラグ、メタルの分離状況を確認し、分離が十分できる速度に移動炉床１の速度を設定した。
また、炉の供給口における原料の積みつけ方法は、移動炉床１上の装入装置１２により、該移動炉床１上には予め固体還元材層を形成しておき、その上に混合原料を積みつけた。さらに、原料層２の表面には、凸部のあるローラーにて原料層表面に多数の凹部を形成させた。
【００５０】
原料の造粒については、造粒器に、主原料の湿製鉄ダスト、乾焼結ダスト、セメントおよび水分を適量添加して、ディスク状ペレタイザーで粒径１〜１０ｍｍのペレットを造粒した。このペレットは、乾燥機または野積み養生にて含有水分１０ｍａｓｓ％以下まで乾燥させた。次に、このペレットを節い目１ｍｍのグリズリーで篩い分けし、篩い下は、返鉱コンベアにて再びペレタイザ一に戻し、篩い上のみを移動炉床１上に装入した。
【００５１】
（比較例）
比較例は、図４（ａ）に示す態様で造粒原料のみを装入して操業した例である。この場合、生成したメタルの−５ｍｍ重量比率（小粒径メタル比率）は、１５ｍａｓｓ％であった。
【００５２】
（実施例１）
この実例では、微粉状酸化鉄含有物としてミルスケールを使用した。このミルスケールの造粒原料への添加割合は１０ｍａｓｓ％として事前混合して操業した。この操業においては生成した小粒径メタルの比率は１０ｍａｓｓ％であった。
【００５３】
（実施例２）
この実施例では、実施例１の微粉状酸化鉄含有物（ミルスケール）の添加割合を４０ｍａｓｓ％に変更した場合である。この場合の操業結果において、生成した小粒径メタルの比率は７ｍａｓｓ％であった。
【００５４】
（実施例３）
この実施例では、実施例１の微粉状酸化鉄含有物の種類を変更した場合である。ここでは酸化鉄粉を添加した操業において、生成した小粒径メタルの比率は６ｍａｓｓ％であった。
【００５５】
（実施例４）
この実施例では、実施例１の添加方法と添加割合の双方を変更した場合である。外装方法にて添加割合１ｍａｓｓ％の微粉原料を撒布した操業において、生成した小粒径メタルの比率は７ｍａｓｓ％であった。
表３は比較例、実施例１〜４をまとめたものである。
【００５６】
【表３】
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、製鉄所で発生するダストやスラッジの如き副生物から還元金属を製造する方法だけでなく、鉄鉱石の還元操業において、ハンドリングの容易な電気炉等への原料用粒状メタルの製造技術として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】伝熱モデルの模式図である。
【図２】粉率と密度との関係を示すグラフである。
【図３】粉率と還元鉄の生成時間との関係を示すグラフである。
【図４】原料装入方法について、従来例（ａ）と本発明例（ｂ）とを対比して示す説明図である。
【図５】回転炉床炉の一例を示す略線図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 移動炉床
２ 原料層
１０ａ 予熱帯
１０ｂ 還元帯
１０ｃ 溶融帯
１０ｄ 冷却帯
１１ 排出装置
１２ 装入装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属含有物および固体還元材を含む混合原料を、移動型炉床炉の水平移動する炉床上に装入し、その炉床が炉内を移動する間に前記混合原料を加熱還元し、少なくとも一度は溶融状態に導くことによって、還元金属を製造する方法において、
前記混合原料中の金属含有物として、粒径が１ｍｍ以上の造粒原料と、この造粒原料とは成分組成の異なる１ｍｍ未満の粒径をもつ金属酸化物含有微粉原料との２種類を用いることを特徴とする還元金属の製造方法。
【請求項２】
前記炉床上には、まず、固体還元材を装入堆積させ、その固体還元材層の上に前記混合原料を装入堆積させることを特徴とする請求項１に記載の還元金属の製造方法。
【請求項３】
前記造粒原料は、金属酸化物含有湿原料に乾燥粉と固化剤とを加えて造粒したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項４】
前記混合原料中に含まれる固体還元材は、炭素の含有量が金属含有物の還元に必要な理論炭素量の０．８から４．０倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項５】
前記金属酸化物含有微粉原料は、前記造粒原料よりも溶融しやすい成分組成を有することを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項６】
造粒原料よりも溶融しやすい成分組成の金属酸化物含有微粉原料は、該造粒原料よりもＦｅ分が高くＣ分が低い材料であることを特徴とする請求項５に記載の還元金属の製造方法。
【請求項７】
前記造粒原料は、製鉄所で発生するダストやスラッジ、あるいはその混合物などの造粒物であり、一方、前記金属酸化物含有微粉原料は、ミルスケールや酸化鉄の粉であることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項８】
前記混合原料の装入に当たっては、まず、造粒原料を移動型炉床炉の炉床上に装入し、その造粒原料堆積層の上を覆うように金属酸化物含有微粉原料を装入することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の還元金属の製造方法。
【請求項９】
前記造粒原料と金属酸化物含有微粉原料との配合割合は、造粒原料１００ｍａｓｓ％に対し、１〜４０ｍａｓｓ％を添加してなることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項１】
金属含有物および固体還元材を含む混合原料を、移動型炉床炉の水平移動する炉床上に装入し、その炉床が炉内を移動する間に前記混合原料を加熱還元し、少なくとも一度は溶融状態に導くことによって、還元金属を製造する方法において、
前記混合原料中の金属含有物として、粒径が１ｍｍ以上の造粒原料と、この造粒原料とは成分組成の異なる１ｍｍ未満の粒径をもつ金属酸化物含有微粉原料との２種類を用いることを特徴とする還元金属の製造方法。
【請求項２】
前記炉床上には、まず、固体還元材を装入堆積させ、その固体還元材層の上に前記混合原料を装入堆積させることを特徴とする請求項１に記載の還元金属の製造方法。
【請求項３】
前記造粒原料は、金属酸化物含有湿原料に乾燥粉と固化剤とを加えて造粒したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項４】
前記混合原料中に含まれる固体還元材は、炭素の含有量が金属含有物の還元に必要な理論炭素量の０．８から４．０倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項５】
前記金属酸化物含有微粉原料は、前記造粒原料よりも溶融しやすい成分組成を有することを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項６】
造粒原料よりも溶融しやすい成分組成の金属酸化物含有微粉原料は、該造粒原料よりもＦｅ分が高くＣ分が低い材料であることを特徴とする請求項５に記載の還元金属の製造方法。
【請求項７】
前記造粒原料は、製鉄所で発生するダストやスラッジ、あるいはその混合物などの造粒物であり、一方、前記金属酸化物含有微粉原料は、ミルスケールや酸化鉄の粉であることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【請求項８】
前記混合原料の装入に当たっては、まず、造粒原料を移動型炉床炉の炉床上に装入し、その造粒原料堆積層の上を覆うように金属酸化物含有微粉原料を装入することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の還元金属の製造方法。
【請求項９】
前記造粒原料と金属酸化物含有微粉原料との配合割合は、造粒原料１００ｍａｓｓ％に対し、１〜４０ｍａｓｓ％を添加してなることを特徴とする請求項１または２に記載の還元金属の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２３１４１８（Ｐ２００７−２３１４１８Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１５７９（Ｐ２００７−２１５７９）
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１３年新エネルギー・産業技術総合開発機構基盤技術研究促進事業（民間基盤技術研究支援制度）、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【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１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１３年新エネルギー・産業技術総合開発機構基盤技術研究促進事業（民間基盤技術研究支援制度）、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]