以下に添付図面を参照しながら、本発明� ��好適な実施形態について詳細に説明する。

 本発明は、上述の問題に鑑み、主原料と� ��る酸化鉄の被還元性に対する含有スラグ成� ��の影響に着目して、種々の検討を加えた結� ��をもとに構築した技術である。この技術に� ��り、酸化鉄系の主原料と炭素質の還元材と� ��混合した成型体を還元炉内で加熱して、金� ��鉄とスラグ成分とから成る還元鉄を製造す� ��に際し、主原料である酸化鉄の被還元性を� ��なうことなく、より高濃度の金属鉄を含有� ��る還元鉄を高い操業性及び生産性をもって� ��率よく製造する方法を提供する。

 まず、本発明の還元鉄の製造方法を説明� ��るに先立ち、本願発明者らが行った検討内� ��及び検討結果について、以下に詳細に説明� ��る。

 本発明の還元鉄を製造するために還元炉に� ��入する成型体の主原料となる酸化鉄は、ダ� ��ト類(例えば、転炉ダスト、電炉ダスト、溶 解炉ダスト、高炉ダスト等)、あるいは、焼� �工程や高炉で通気性を低下させて生産性を� �害する粉鉱石類である。前者のダスト類は� �溶解・還元・精錬工程での発生物であり、� �錬スラグの主成分であるCaO、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、MgO等の酸化物を含有している。また、後者 の粉鉱石類は、脈石成分として、主にSiO ₂ 、Al ₂ O ₃ 等の酸化物を含有している。

 これらの酸化鉄は、資源リサイクルの観� ��から、鉄原料として活用することが望まれ� ��いる。その方法として、石炭のような炭素� ��還元材を所定量混合し、ペレットやブリケ� ��トなどの成型体とし、加熱炉の中で一定時� ��保持することにより還元鉄を製造する方法� ��広く知られている。

 成型体とする際に、強度を保つためのバ� ��ンダーを所定量添加する。この種のバイン� ��ーの代表としては、コーンスターチのよう� ��澱粉質の粉末である。

 造粒、成型の過程では、これらの原料に� ��分を所定量加え、乾燥させることで、得ら� ��る成型体中の原料の組成が均一になり、微� ��子間の結合力を増大させて、成型体の強度� ��保つことができる。その結果、各工程間で� ��輸送運搬や炉内への装入時の成型体の機械� ��な破壊を防止できる。さらに、成型体を炉� ��へ装入した際に成型体中の水分の急激な蒸� ��に伴う爆裂粉化も防止できる。

 成型体を還元炉内で加熱して還元鉄を製� ��する過程において、加熱温度とスラグ成分� ��によっては、酸化鉄とスラグ成分とが反応� ��て低融点相を形成し、成型体の一部が溶融� ��る現象が起こる。この現象によって、酸化� ��の還元機構が固体の酸化物と炭素系還元材� ��ら発生する還元ガスとの間接反応から、溶� ��酸化物相と固体炭素系還元材との直接反応� ��移行し、還元速度が増大するという現象を� ��いだした。さらに、その際のスラグ成分が� ��化鉄の還元に影響を及ぼすことも見いだし� ��。

 本発明は、以上の知見を参考にして、炭素� ��還元材を内装する成型体における酸化鉄の� ��元に適用した。プロセスの一例を挙げると� ��ドーナツ状に配置した加熱炉の回転する床� ��に成型体を装入し、一定時間加熱の後に排� ��する回転炉床を用いた還元鉄の製造方法で� ��る。このようなプロセスでは、生成する溶� ��スラグ量が多い場合、床上に堆積物が著し� ��成長し、加熱炉と干渉し、回転の障害とな� ��て設備上の問題が発生することがある。そ� ��ため、生成する炉床上の堆積物の被削性を� ��上させる必要がある。前述の特許文献2には 、SiO ₂ を含有する酸化物系改質材を添加してスラグ の液相量を制御することにより、生産の障害 となる炉床上の堆積物の被削性を向上する方 法が開示されている。しかしながら、酸化鉄 とSiO ₂ との反応によりFayalite(=2FeO・SiO ₂ )と呼ばれる低融点の化合物が生成し、FeOの� �還元性が低下するため、高金属化率を有す� �還元鉄が製造し難い。

 本発明者らは、ダスト等の酸化鉄原料と炭� ��質還元材とから成る成型体における酸化鉄� ��還元を熱力学的観点から考察し、鋭意実験� ��重ねた結果、成型体中の酸化鉄の被還元性� ��、成型体を加熱することで生成する溶融ス� ��グ中のFeOの活量と相関があることを見出し� ��。換言すると、溶融スラグ中のFeOの活量は� ��存在するFeOの濃度と他成分の相互作用とに� ��って決まり、例えばSiO ₂ 等が存在する場合、FeOがより安定な状態にな り、被還元性が低下する。一方、CaOやMgOとい った塩基性成分が存在すると、FeOがより活性 な状態になり、被還元性が向上する。

 すなわち、溶融スラグ中のFeO濃度が同一� ��場合でも、FeOの活量が高い溶融スラグほど� ��FeOの被還元性が向上する。成型体中の酸化� ��の還元を効率よく進めるために、本発明者� ��はスラグ量とスラグ組成とに着目し、鋭意� ��究を重ねた結果、成型体中の酸化鉄の被還� ��性を高める方法を見出した。なお、この考� ��方は、プロセスに関わらず、鉄鉱石やダス� ��等の酸化鉄およびスラグ成分からなる物質� ��還元を目的とする場合に、共通して適用可� ��である。

 以下、本発明の条件について詳細に説明す� ��。
 先述した通り、FeOの還元を効率的に起こす� ��件として還元実験を行い、その結果に基づ� ��、スラグ塩基度(CaO+MgO)/SiO ₂ がFeOの還元に影響することを見出した。転炉 ダストと石炭および粒子径が2mm以下のCaO粉末 とMgO粉末とを所定量配合及び混練した後、30m mφ×17mmのサイズのタブレットに成型し、1250� �のN ₂ 雰囲気に制御した炉内で15分間保持した後、� ��れを取り出して化学分析に供した。なお、� ��の場合のCaO、SiO ₂ 、MgO、Al ₂ O ₃ の質量合計は、炭素質還元材を除いた成型体 全質量に対する質量%で、8~20%の範囲内であっ た。

 得られた還元鉄の金属化率(=M.Fe%/T.Fe%)と(CaO% +MgO%)/SiO ₂ %との関係を図1に示す。図1に示されるように 、還元鉄の金属化率とスラグ塩基度との間に は強い相関があり、還元鉄の金属化率は、ス ラグ塩基度が1.4~1.7程度で極大となった。こ� �塩基度条件(スラグ塩基度が1.4~1.7程度)のと� �、還元鉄の金属化率(極大値)は95%程度であっ た。

 得られた還元鉄の代表的な断面の光学顕微� ��写真を、図2及び図3に示す。これら図2及び� ��3の白い部分が金属鉄であり、灰色の部分が スラグである。図2に示すように、スラグ塩� �度を1.28に制御した場合、還元鉄の金属化率� ��95%であった。この還元鉄の組織は、ネット� ��ーク状に生成した金属鉄とその間隙に存在� ��るスラグとにより構成される。一方、図3に 示すように、スラグ塩基度を0.7に制御した場 合、還元鉄の金属化率は78%であった。この還 元鉄の組織は、粒状に点在する金属鉄とその 周囲に多く残留したスラグ相とにより構成さ れる。この断面を詳細に電子顕微鏡で観察し た結果を図4に示す。加えて、EDX(エネルギー� ��散型蛍光X線分析装置)で組織を分析した結� �を同図4に示す。溶融スラグ中にFayalite(2FeO・ SiO ₂ )が生成し、FeOと共に残留していることがわ� �った。

 これらの結果を整理し、(CaO+MgO)/SiO ₂ の比を0.9~3.0の範囲に制御することで、還元� �の金属化率が85%以上となることを見いだし� �。得られる還元鉄の金属化率は、高いほど� �ましい。これは、その後の還元鉄を溶解し� �溶鉄を製造する工程において、一部の残留� �化鉄は、還元に伴う吸熱反応により溶解効� �を低下させ、残りの残留酸化鉄は、スラグ� �して溶鉄歩留まりを低下させるためである� �従って、溶解効率を損なうことなく溶鉄が� �造可能な条件は、還元鉄の金属化率が85%以� �、すなわち、(CaO+MgO)/SiO ₂ が0.9~3.0の範囲である。

 この条件は、以下のようにして決定した。( CaO+MgO)/SiO ₂ が0.9以下であると、前述したようにSiO ₂ の影響によってFeOがより安定な状態となり、 被還元性が低下する。一方、(CaO+MgO)/SiO ₂ が3.0を超える場合は、CaOやMgOは単体でスラグ 成分の融点を上昇させるため、溶融スラグ量 が低下する。そのため、溶融酸化鉄と固体還 元材との反応、すなわち溶融還元の効果が損 なわれると考えられる。特に、(CaO+MgO)/SiO ₂ を1.4~2.2の範囲内に制御すれば、金属化率が90 %を超える還元鉄を得ることができ、極めて� �い溶解効率が期待できる。

 以上説明の酸化鉄とスラグとの相互作用を� ��現及び制御するためには、成型体中に所定� ��のスラグが必要である。このため、スラグ� ��成分であるCaO、SiO ₂ 、MgO、Al ₂ O ₃ の質量合計を、炭素質還元材を除いた成型体 全質量に対する質量%で8~20%の範囲に制御する 。スラグ量が7%未満では、FeOとの反応で溶融� ��るスラグ量が少ないため、その効果が低く� ��る。また、スラグ量が20%を超えると還元鉄� ��の鉄分量が低くなり、その後の還元鉄を溶� ��して溶鉄を製造する工程において、スラグ� ��解に消費される余剰なエネルギーが必要に� ��る。

 また、スラグ成分の一つであるAl ₂ O ₃ は、MgO含有酸化物と高融点で硬質な鉱物相で あるスピネル(MgO・Al ₂ O ₃ )を形成しやすいことが知られている。スピ� �ルの形成によりスラグ中のMgOが減少してス� �グの融点を高くするため、溶融スラグ量が� �少し、FeOの還元効率を下げる。そのため、Al ₂ O ₃ は、含有量として、CaO、SiO ₂ 、MgO、Al ₂ O ₃ のそれぞれの含有量の合計に対し、5~19質量%� ��範囲内に制御することが望ましい。

 スラグ組成の制御は、例えば、原料をブ� ��ケットやペレットのような成型体に成型す� ��際に、CaO源となる生石灰やMgO源となる軽焼� ��グネサイトやドロマイトを酸化鉄系原料と� ��素質還元材、必要に応じてバインダーと共� ��所定量配合、混合して、成型体中に均一に� ��散させる方法で行うと、より高い効果が得� ��れ望ましい。CaO、MgOの添加量は、成型体の� ��原料となる鉄鉱石、ダスト等の酸化鉄系主� ��料および炭素質の還元材について、成型前� ��予め化学分析を行い、その結果をもとに決� ��する。

 更に、それらの添加物は、加熱時の反応の� ��率性、均一性の点からは、粒子径がより微� ��である方が望ましく、塊状よりも粉末状で� ��加する方がより高い効果が得られる。具体� ��には、篩下80%粒子径は2mm以下であることが� ��ましい。より望ましくは、1.5mm以下である� �篩下80%粒子径とは、篩分けを行った場合に� �篩を通過した粉体が全体の質量の80%となる� �の粒径を意味する。ここで、転炉ダストと� �炭および粒子径の異なるMgOを所定量配合・� �練し、30mmφ×17mmのサイズのタブレットに成� �した。そのタブレットを1250℃のN ₂ 雰囲気に制御した炉内で15分間保持した後、� ��り出して化学分析に供した。図5は、(CaO+MgO) /SiO ₂ を1.56~1.58の範囲内に制御した場合のMgOの篩下 80%粒子径と還元鉄の金属化率との関係を示す 。図5に示すように、MgOの篩下80%粒子径が2mm� �下のときに、還元鉄の金属化率が大きくな� �ことが解る。

 また、篩下80%粒子径を2mm以下とする方法� ��して、例えば、一般的に2mm以上の粗大な粒� ��径を持つ軽焼マグネサイトはロッドミルや� ��ールミルで粉砕される。しかし、本発明に� ��けるこれらの添加物の粉砕方法はその方法� ��限定されるものではない。

 加えて、還元炉の操業温度は、還元によ� ��生成した金属鉄と溶融スラグとに分離する� ��めに必要とされる浸炭した金属鉄の溶融温� ��、例えば1400℃以下に制御することが好まし い。さらに言うと、還元温度は、より好まし くは1385℃以下、最も好ましくは1350℃以下と� ��るのがよい。金属鉄が溶融すると炉床堆積� ��中への金属鉄の混入量が増加して岩盤化す� ��ため、堆積物の切削性が著しく低下する。� ��の結果、還元炉の操業性および生産性が著� ��く低下する。

 なお、上述の説明では、CaOとMgOとの両方� ��添加してスラグ塩基度を制御する場合につ� ��て説明した。しかし、本発明は上述の例の� ��に限定されるわけではなく、CaOのみ、また� ��、MgOのみを添加してスラグ塩基度を制御し� ��もよい。