本発明に係る還元鉄成形体の製造方法、及� ��銑鉄の製造方法の実施形態を以下に説明す� ��。
 本実施形態では、酸化鉄と炭素を含む粉体� ��原料として使用する。酸化鉄は、酸化第一� ��(ウスタイト、FeO)、三四酸化鉄(マグネタイ� ��、Fe ₃ O ₄ )、酸化第二鉄(ヘマタイト、Fe ₂ O ₃ )のいずれでも良く、これらが混合したもの� �使用できる。また、金属鉄粉が混合してい� �も良い。酸化鉄源は、鉄鉱石、砂鉄などの� �石類と、製鉄所などで発生する酸化鉄含有� �ストなどである。炭素源は、粉コークス、� �炭、石油コークスなどを用いる。還元反応� �は、1000℃以上でも揮発しない固定炭素(FC)が 寄与することから、固定炭素の比率が多いも のが望ましい。この観点からは、粉コークス 、石油コークス、無煙炭、中揮発分炭などが 良い。また、製鉄業の炭素分を多く含むダス トなどを利用することも良い。

 原料には、鉄鉱石、酸化鉄含有ダスト、� ��ークス、石炭などの不純物が混入している� ��これらは、酸化ニッケル、酸化マンガン、� ��化クロム、酸化亜鉛等の容易に還元される� ��属酸化物と、酸化珪素、酸化カルシウム、� ��化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化� ��タン等の容易に還元されない金属酸化物が� ��る。炭素源を除く、粉体の全鉄含有率(トー タル鉄(T.Fe)含有率)は40%以上が良い。トータ� �鉄が40%以下の場合は、還元後の金属鉄比率� �50%以下になることがあり、ホットブリケッ� �化を良好に行える条件を外れることがある� �なお、ここでトータル鉄含有率とは、酸化� �中の鉄含有量と金属鉄量の合計を粉体総量� �割った値である。

 原料の粉体は、平均粒子径が100ミクロン� ��下のものを用いる。平均粒子径が100ミクロ� ��以上であると、粒子内の物質移動が遅くな� ��、還元のための時間がかかりすぎるため、1 00ミクロン以上の粒子は好ましくない。また� ��造粒操作においても、粒子径が小さいもの� ��ど、成形体を製造しやすいため、この観点� ��らも粒子は細かい方が良い。

 原料中の酸化鉄と炭素の比率を適正な条件� ��して、原料を配合する。RHFでの反応は、MO+C =M+CO及びMO+CO=M+CO ₂ である。ここでMは金属元素を表す記号であ� �。本発明者らは、RHFの内部での反応を調査� �た結果は以下のとおりである。酸化鉄、酸� �ニッケル、酸化マンガン、酸化クロム、酸� �亜鉛等の1300℃で一酸化炭素によって還元さ� ��る金属は、RHF内で金属化される。その金属� ��率は、RHFの操業条件等で決まる。一方、酸� ��珪素、酸化カルシウム、酸化アルミニウム� ��酸化マグネシウム、酸化チタン等の1300℃で 一酸化炭素によって還元されない金属は、RHF 内で還元されずに、酸化物として残る。

炭素配合量は、酸化鉄、酸化ニッケル、酸 化マンガン、酸化クロム、酸化亜鉛等の容易 に還元される金属と化合している酸素(以下� �活性酸素と称する)との比率で決める。また� ��酸化鉄等の還元反応は約1000℃を越えた時点 で起きるため、還元反応に寄与する炭素は固 定炭素である。従って、活性酸素と固定炭素 の比率を調整すれば、RHF内で良好な反応を起 こせることを見出した。その条件は、活性酸 素の原子モル量に対して原子モル量の固定炭 素の比率(C/O)が、0.7~1.5であることである。C/O が0.7以下の場合は、RHFでの還元条件に関らず 、炭素不足で、還元が不十分になることから 、多くの場合で鉄の金属化率が55%以下となる 。この条件では、還元後の金属鉄比率が50%以 下になり、ホットブリケット処理を良好に行 える条件を外れる。また、C/Oが1.5以上の場合 は、還元反応に対して、極めて多い量の炭素 が配合されているため、還元後に炭素が大量 に、還元生成物当り5質量%程度、残留する。� ��の炭素は、ホットブリケット工程で、鉄粒� ��同士の接触を妨げ、成形処理の阻害要因と� ��ることから、残留炭素が5質量%以上残る条� �であるC/Oが1.5以上は避ける。

この原料粉体をRHFで還元する方法を、図1� �び図2を用いて説明する。まず、原料粉体を� ��合装置(図2のボールミル11)にて混合した後� �これを造粒装置12にて粒状の成形体を製造す る。混合装置は、ボールミルに限定されるも のではなく、ニーダー式、流動層式、水中混 合等の装置でも良い。造粒装置としては、デ ィスク式造粒粒装置(ペレタイザー)、ローラ� ��式圧縮成形装置(ブリケッター)、押出式成� �装置などがある。この成形体を回転炉13の炉 床4の上に、均一に敷きつめられるように供� �する。炉床4上の成形体の層数は2層以下が良 い。これは伝熱を良好にするための条件であ る。成形体の大きさは、球状のもので、平均 直径8~20mm、その他の形状のもので、平均換算 径が7~22mmのものが良い。小さ過ぎるものは、 炉床4の上の成形体の厚みが薄くなりすぎて� �生産性が低下する問題があり、また、大き� �ぎるものは、成形体内部の伝熱が悪化する� �題がある。回転炉13の内部では、炉床4の回� �とともに成形体が炉内の加熱帯から還元帯� �移動する。成形体は高温ガスの輻射により� �還元帯内部では1200~1420℃に加熱されて、成� �体内で炭素と酸化金属が反応して、還元鉄� �生成する。成形体の炉内の滞在時間は10~30分 間であり、加熱時間を除いた還元時間は6~25� �間である。

 この反応で生成した還元鉄含有物は、還元� ��(被還元金属の酸素原子の除去率)が65~90%で� �り、鉄の金属化率55~85%のものである。この� �元鉄含有物は金属鉄比率を50質量%以上含み� �かつ、その炭素比率は5質量%以下となる。還 元温度を1200℃以上とする理由は、これ以下� �温度であれば、酸化鉄の還元反応が極めて� �く、反応時間が30分以上かかってしまい、工 業的に経済性のある条件で還元鉄を製造でき ないためである。また、還元温度を1420℃以� �にする理由は、これ以上の温度であると、� �え反応後の残留炭素が5質量%以下であっても 、残留(混在)した炭素が金属鉄の結晶内に侵� ��する浸炭現象が速くなり、還元鉄の浸炭比� ��が2質量%以上となるためである。なお、浸� �比率が2質量%以上となると、鉄粒子の中にセ メンタイト(Fe ₃ C)が相当量存在する結果、常温から800℃にか� ��て鉄の延性が悪化して、ホットブリケット� ��理時に、鉄粒子が延びなくなることが問題� ��なる。また、浸炭量は、炉内温度と反応時� ��によっても影響されるため、還元鉄含有物� ��残留炭素と金属鉄の比率が0.02対1から0.06対1 の範囲で、かつ炉内ガスの最高温度が1420℃� �下の場合は、炉内でガス温度が1200℃以上の� ��分の平均温度と1200℃以上のガス温度の部分 に成形体が存在する時間との関係が、本発明 者らの実験で求められた式の関係:浸炭上限� �間t<0.13*exp(7,800/T)を満たすことが望ましい( ただし、t:1200℃以上のガス温度の時間(分)、T :1200℃以上の平均炉内温度(K)である)。

 本発明の方法で製造される還元鉄ペレッ� ��は、その構造が、酸化鉄とその他酸化物と� ��混合体間に金属鉄粒子が適度に分散してい� ��状態を形成している特徴を持つ。更に、金� ��鉄には炭素が過剰に存在しないことが重要� ��ある。また、場合によっては、金属鉄粒子� ��ットワークを形成することもある。従って� ��本発明の方法は、従来法の製造方法に対し� ��、還元率が極端には上げないことが操業上� ��特徴である。このために、RHF炉内の還元帯� ��雰囲気を弱還元性とする。雰囲気が強還元� ��であると、炭素と酸化鉄との反応による還� ��に加えて、ガス中の一酸化炭素と酸化鉄の� ��応が進行して、炭素が還元鉄ペレット内に� ��留しやすくなる。この場合は、セメンタイ� ��が形成されてしまう。

本発明者らの実験では、還元帯ガス中の一酸 化炭素の二酸化炭素に対する比(CO/CO ₂ 比)は、1.2以下が良く、また望ましくは1.0以� �が良い。ただし、CO/CO ₂ 比が0.3以下であると、酸化鉄の還元が正常に 進まない。ここで、還元帯とは、還元鉄ペレ ットの中心温度が1000℃以上である炉内の位� �であり、また、ここでのガス成分の定義は� �形体から300mm以上の炉内空間の平均値である 。成形体から300mm以下では、酸化鉄の還元反� ��により発生する一酸化炭素の影響を受けて� ��るため、ガス全体の組成との偏差があるこ� ��から、この部分のガス組成は本発明のガス� ��成の定義から外す。

 RHFで製造された還元鉄含有物が含んでい� ��酸化物総量は、原料の不純物混入比率と、� ��の還元率(残量酸化鉄比率)とにより決まる� �不純物を多く含んでいる場合や、鉄の金属� �率が85%以下の場合は、不純物としての容易� �還元されない金属酸化物に加えて、未還元� �酸化鉄も残留する。このため、還元鉄含有� �の酸化物総量が5~30質量%となる。この場合は 、酸化物が接着の阻害要因となるため、ホッ トブリケット処理が困難であることから、前 述したように還元鉄含有物中の金属鉄の炭素 含有率を2質量%以下とする。更に、ホットブ� ��ケット処理が最も容易とするためには、還� ��鉄含有物が70マイクロメートル以下である� �粒子を粒子の状態のもの、又は、鉄粒子が� �結したネットワーク構成物の状態のものか� �構成されるものとする。

 還元ペレット内に残る酸化物の形態も還� ��鉄含有物の金属鉄の構造と密度に影響する� ��この酸化物の融点が低く、炉内で溶融又は� ��化すると、冷却後の還元鉄含有物の酸化物� ��子が粗大化する。この結果、還元鉄粒子と� ��化物が分離してしまい、還元鉄含有物の全� ��的な結合状態が悪化する。その結果、還元� ��含有物の密度が低下する問題が起きる。本� ��明では、酸化物粒子の大きさを5~100ミクロ� �に制御する。5ミクロン以下では、酸化物粒� ��と金属鉄粒子が分離してしまい、密な構造� ��ならない。また、100ミクロン以上では、粗� ��な酸化物粒子に内部に金属鉄粒子が取り込� ��れてしまい、還元鉄含有物の熱間での成形� ��が低下する。なお、ここで、酸化物の大き� ��とは、単独で存在する場合は、この大きさ� ��あり、焼結体である場合は、ここの粒子径� ��ある。

 この現象を防止し、酸化物粒子の大きさ� ��適正にするためには、低融点の酸化物化合� ��を生成しない原料の化学組成とすることが� ��い。低融点の酸化物は、カルシウムフェラ� ��トやカルシウムシリケートに不純物が混在� ��ているものなどがある。これらが生成しな� ��原料化学組成を調査したところ、酸化カル� ��ウムと酸化鉄の比率と酸化カルシウムと酸� ��珪素の比を制御すれば良いことが判った。� ��た、酸化マグネシウムは、カルシウムフェ� ��イトやカルシウムシリケートの生成を抑制� ��ることも判明した。実験により、1200~1400℃� ��酸化物が溶融又は軟化しない条件として、� ��化珪素に対する酸化カルシウムの質量比が2 .2以下であることが良いことが判明した。ま� ��、いっそうの改善のためには、指数A{(CaO質� ��%)-(MgO質量%)}/(T.Fe質量%)<0.1、かつ 指数B{(C aO質量%)-(MgO質量%)}/(SiO質量2%)<2.0であると良 いことが求められた。また、フッ素と塩素は 酸化物の融点を低下させる元素であることか ら、(F質量%)+0.4(Cl質量%)<0.25%の条件である� �良い。ここで、塩素濃度に係る係数は、塩� �の原子量差と軟化に関る影響度を考慮する� �めのものである。特に、製鉄ダストなどの� �サイクルを行う場合は、酸化物組成を限定� �ることが重要な手段となる。

 上記の方法で製造した還元鉄含有物を熱� ��成形(ホットブリケット処理)する。熱間成� �の方法そのものの原理は、一般的なホット� �リケット法と同様であり、図3に示す装置で� ��形処理する。フィーダー21から、還元鉄22(� �状と粒状の混合物の還元鉄含有物)を500~800℃ の状態で、凹状モールド23のある一対のロー� ��ー24の間に挟みこみ、凹状モールド23の内部 で圧縮して、密度の高い還元鉄成形体25を製� ��する。還元鉄成形体25は、水冷装置26で常温 まで冷却される。成形されずに粉として残っ たものは、熱いままで、返送装置26を経由し� ��、フィーダー21に戻される。

 本発明における成形の条件は、以下に記� ��されるとおりである。ローラー24に供給さ� �る還元鉄含有物の温度を500~800℃とする。特� ��良好な範囲は、500~650℃である。本発明者ら の実験では、500℃以下の還元鉄は延性が低い ため、圧縮成形時に互いに圧着することが少 なく、還元鉄成形体の製造が上手く行かず、 強度が不足するとともに、還元鉄成形体から 欠けて粉になる部分が多くなる問題が生じる 。また、RHFで製造した還元鉄含有物の場合は 、800℃以上の場合は、その中の一部の酸化物 が軟化してしまい金属鉄粒子の同士の接着面 に入り込んで、その接着効果が小さくなる問 題が起きる。これは、この還元鉄含有物は、 金属酸化物を多く含むことから、アルカリ金 属の塩化物や酸化物が、金属酸化物との無機 複合となって、その融点を下げることの影響 が大きいためである。また、800℃以上では、 凹状モールド23の磨耗が大きくなる問題も起� ��る。これらの問題は、還元鉄含有物の温度� ��650℃以下とすることで、更に改善される。

 RHFから排出される還元鉄含有物の温度は1 000~1200℃であることから、まず還元鉄含有物� ��500~800℃に冷却する。冷却中の再酸化が起き ないように、望ましくは、窒素を混入するな どの方法で5容積%以下の低酸素濃度の雰囲気� ��作り、この内でRHFから排出された還元鉄含� ��物を冷却する。冷却のために還元鉄含有物� ��直接水をかけると、水が還元されて水素が� ��生して好ましくないことから、水を用いな� ��冷却方法を実施する。冷却する装置として� ��、外部水冷の回転式ドラムクーラーなどの� ��部雰囲気を制御できる装置が良い。

 本発明での熱間成形の原料以下に記載の� ��おりである。金属鉄を50質量%以上含み、か� ��、その炭素比率は5質量%以下である還元鉄� �有物を使用する。本発明者らが行った種々� �実験によって、50質量%以下の金属鉄の還元� �含有物を成形する場合は、成形体のバイン� �ーとなる金属鉄が不足して、成形体の強度� �不十分になることが解明された。

 また、RHFによって製造された還元鉄含有物� ��、金属鉄以外の含有物(不純物であり、圧縮 時の延性がない)が多いため、圧縮時の成形� �強度が発現しづらい。本発明者らは、塊状� �元鉄含有物においては、その容積減少率の� �形体強度に対する影響が大きいことを見出� �た。高い容積減少率の塊状還元鉄含有物で� �、たとえ鉄粒子が偏在していても、圧縮さ� �る間に、混在する酸化物の間を鉄粒子が移� �して、空隙部を鉄粒子が埋めることができ� �。この結果、空隙率が高い還元鉄含有物で� �、還元鉄成形体の強度が発現しやすくなる� �そこで、酸化物総量が5~30質量%となる場合な どの成形のための条件が悪い場合は、稠密で ない還元鉄含有物が良く、嵩比重が3.0g/cm ³ 以下、望ましくは2.8g/cm ³ 以下、のものであることが望ましい。一方、 還元鉄含有物の嵩比重が小さくなると、還元 鉄含有物が凹状モールド23の中に十分に充填� ��れずに、還元鉄成形体の密度が低くなる問� ��が起き、その結果、還元鉄成形体の強度が� ��下する。これは、嵩比重の値で決まるもの� ��あり、嵩比重が1.4g/cm ³ 以上であることも重要な条件である。ここで 、嵩比重とは、定容積の容器に充填された物 質の質量を容器の容積で割った値である。

 また、このような酸化物総量の多い還元� ��含有物では、前述したように、望ましくは� ��元鉄に浸炭した炭素が金属鉄に対して2質量 %以下であるものを使用すると良い。これは� �炭素含有率が2質量%以下の鉄粒子は鉄粒子中 にセメンタイト(低延性物質)の析出が少なく� ��800℃以下で延性を大きく保つことができる� ��めである。この結果、成形時の金属鉄の密� ��性を向上する。

 更に、良好な成形条件とするためには、� ��元鉄含有物が70マイクロメートル以下であ� �鉄粒子を粒子の状態、又は鉄粒子が焼結し� �ネットワーク構成物の状態とする。この条� �であれば、微細な鉄粒子が還元鉄含有物全� �に多数存在して、これが圧縮成形時に粒子� �士が結合する機会が増えるためであり、こ� �結果、高強度の成形体を製造できる。特に� �圧縮時の延性がない酸化物が5~30質量%と多く 含まれる場合で、この条件の鉄粒子を含む還 元鉄含有物を用いることが良い。

 凹状モールド23では、正方形又は長方形� �、厚み方向の中央が盛り上がった形状とな� �成形体を製造する。基本的には、その成形� �は、いずれのサイズでも良いが、高炉で使� �する用途向けには、2辺が10mm角、厚み5mm程度 の大きさ以上、2辺が40mmと120mm、厚み25mm程度� ��大きさ以下のものを製造する。換算径で表� ��すると7~45ミリメートルの還元鉄成形体が高 炉に適したものである。ここで、換算径とは 、還元鉄成形体の容積の1/3乗の値で定義され るものである。

 還元鉄成形体の密度は、見掛け密度で4.2g/cm ³ 以上が望ましい。RHFで製造した還元鉄成形体 においては、この見掛け密度以下では、還元 鉄成形体の強度が低く、長期保管や搬送に耐 えられないからである。なお、この見掛け密 度が一般的なHBIの見掛け密度よりも低いが、 この理由は、RHFで製造した還元鉄には、金属 鉄よりも低比重である残留酸化物と炭素が多 く含まれるためである。ただし、高炉向けの 還元鉄成形体の見掛け密度が高すぎても問題 が生じる。つまり、本発明の還元鉄成形体は 、完全に還元されていないため、高炉の炉内 でも還元鉄成形体内の酸化鉄を還元する必要 がある。還元鉄成形体の高炉炉内での還元速 度を高くするためには、還元鉄成形体内への ガス浸透が良好な条件である、高密度すぎな いものが良い。本発明者らの実験では、還元 鉄成形体の見掛け密度が5.8g/cm ³ 以下であると、気孔からガスが入りやすく、 この結果、還元が進みやすいことが判明した 。また、還元鉄成形体の見掛け密度が5.0g/cm ³ 未満であると、更に還元が進みやすいことも 解明した。従って、RHFで製造した還元鉄成形 体を高炉で使用する場合は、見掛け密度が4.2 ~5.8g/cm ³ 、望ましくは4.2~5.0g/cm ³ 、であることが良い。ここで、見掛け比重と は、成形体の質量を成形体の容積で割った値 である。

 以上に説明した還元鉄成形体を高炉で還元� ��解する。高炉原料としては、本発明の還元� ��成形体、塊鉱石、焼結鉱、焼成ペレット等� ��鉄源と冶金用コークスを、炉上部のベルを� ��由して、高炉炉内に供給する。高炉に供給� ��る還元鉄成形体は、前述したように、金属� ��比率50質量%以上、かつ、炭素比率5質量%以� �の還元鉄含有物を圧縮成形したものである� �その換算径は7~45ミリメートル、かつ見掛け� ��度が4.2~5.8g/cm ³ 、望ましくは4.2~5.0g/cm ³ 、のものである。換算径が7mm以下のものは、 他の装入物と層状に炉内に充填された場合に 、この充填物のガス通過圧力損出が増加して 、操業しづらくなるため、避けるべきである 。また、換算径が45mm以上のものは、還元速� �と溶解速度が低いため、固体の状態で炉下� �まで降下することから、炉下部の反応が不� �性になる問題が起きる。見掛け密度の条件� �、前述したとおりの理由である。

 高炉炉内での還元鉄成形体の供給位置も� ��要な技術である。本発明者らは、還元鉄成� ��体を、高炉を上から見た外周円の内部にお� ��て、炉中心から直径に2/3以内の位置に、65%� ��上の還元鉄成形体を供給することが良いこ� ��を見出した。還元鉄成形体を高炉の外周側� ��多く入れると、還元鉄成形体は鉱石等と比� ��して還元・溶解が速いため、外周部の充填� ��(バーダン)の降下速度が大きくなりすぎて� �まう。この結果、還元の遅い外周部の鉱石� �未還元のままで炉下部に到達してしまい、� �下部が過冷却されてしまう問題が出る。ま� �、還元鉄成形体を炉中心部に多く供給する� �、炉中心部のガス流れが促進されるととも� �、充填物の降下の促進される効果が出る。� �れは、還元鉄成形体が還元粉化しないため� �充填物中のガス圧力損出を低減できること� �、還元鉄成形体の降下速度が大きいことが� �因である。この結果、中心部でのガス流れ� �促進されて、送風量を増加することができ� �かつ、中心部での充填物が短時間で還元さ� �る。この結果、高炉での銑鉄生産性(生産t/d) を向上できる。

 以上に記載した還元鉄成形体を製鉄用高� ��に供給する量は、溶銑1トン当り150kg以下比� ��とすることにより、高炉の銑鉄生産性を向� ��できる良い条件となる。当然、これ以上の� ��を高炉に装入しても良いが、この場合は、� ��炉シャフト融着帯の位置が下がりすぎて、� ��元鉄装入による銑鉄生産性の向上効果が小� ��くなる。

 本発明を実施する場合には、RHFでは、鉄� ��金属化率が55~85%の還元鉄含有物を製造して� ��これを熱間成形した還元鉄成形体を高炉で� ��元・溶解することが良い。RHFでは、還元速� ��が高く短時間に酸化鉄を還元することがで� ��る。しかし、プロセスの特性として、炉内� ��囲気ガスに二酸化炭素がある比率で混入し� ��しまう。この結果、鉄の金属化率で85%以上� ��高還元を実施するためには、炉内温度を1420 ℃以上、反応後の還元鉄含有物中に残留炭素 を5質量%以上とすることが必要となる。この� ��果、鉄の金属化率を80%から90%に向上するた� ��に、エネルギー消費が30%増加し、経済的な� ��業を実施できない。従って、鉄の金属化率� ��85%以下、望ましくは80%以下とすることが良� ��。