JP2001234210A

JP2001234210A - 海綿鉄の製造方法

Info

Publication number: JP2001234210A
Application number: JP2000148435A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Uenosono; 聡上ノ薗; Yoshitomo Suzuki; 良知鈴木
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2001-08-28

Abstract

(57)【要約】【課題】生産性の高い海綿鉄の製造方法を提案する。【解決手段】主原料である酸化鉄と、副原料である固
体還元剤とを耐熱容器に充填し、加熱するに際し、固体
還元剤を、炭素質粉と石灰粉と平均粒径１〜50μm の鉄
含有粉との混合物とする。鉄含有粉の混合量は、固体還
元剤の合計量に対し、１〜15質量％とするのが好まし
い。鉄含有粉としては鉄粉、鉄酸化物粉あるいはそれら
の混合物とするのが好ましい。加熱温度は1000℃以上13
00℃以下とすることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、海綿鉄の製造に係
り、とくに粉末冶金用鉄粉として好適な海綿鉄を能率良
く製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、粉末冶金用鉄粉として用いられる
海綿鉄は、例えば、図３に示すように、サガーと呼ばれ
る耐熱容器内に円筒状を呈するように、鉄鉱石やミルス
ケール等の酸化鉄と、コークス等の炭素質粉と石灰粉と
の混合物からなる固体還元剤とを充填し、その耐熱容器
をトンネル炉を使って加熱することにより、酸化鉄を粗
還元して製造されていた。この海綿鉄はFe分が90-97 ％
であり、さらに高純度化のため粗粉砕されて、90メッシ
ュ以下の粗還元鉄粒子とされ、さらに、非酸化性雰囲気
中で仕上げ還元されて、最終的にFe分が99.5％以上の高
純度の還元鉄粉とされる。海綿鉄および還元鉄粉の製造
工程を図２に示す。

【０００３】一般に、海綿鉄を仕上げ還元して得られる
還元鉄粉は、粒子形状が不規則形状で多孔質であり、成
形性や焼結性に優れ、粉末冶金用原料として、アトマイ
ズ鉄粉とともに使用されている。また、還元鉄粉は、ア
トマイズ鉄粉に比べると比表面積が大きく、酸素との反
応性が高く、カイロや脱酸素材などのような反応用鉄粉
としても広く使用されている。また、一般に、海綿鉄
は、図３に示すような円筒状のサガーと呼ばれる耐熱容
器に、固体還元層に挟まれるように酸化鉄層を充填し、
加熱して還元する方法で製造される場合が多かった。

【０００４】しかしながら、このような従来の海綿鉄製
造方法では、酸化鉄の還元に長時間を要し、生産性を高
めることが困難であった。このような問題に対し、固体
還元剤として、反応性の極めて良好な木炭を用いる方法
が提案されている。しかし、木炭を使用する方法には、
木炭が比較的高価なことに加え、酸化鉄粉が還元されな
い低温で木炭がCOガス化してその一部が消失し固体状の
木炭が少なくなり初期の酸化鉄粉の充填形状を維持する
ことが困難になり、その結果、酸化鉄粉が外側に拡がり
酸化鉄粉の層が厚くなって還元反応進行時間が長くなっ
たり、耐熱容器に酸化鉄が付着して海綿鉄の搬出がしに
くくなるといった問題があった。

【０００５】また、例えば、特公昭48-32885号公報に
は、予め酸化鉄粉中に灰分の少ない固体還元剤粉末を添
加混合して耐熱容器に充填し、さらにその周囲に灰分の
比較的多い固体還元剤粉末を充填して加熱し還元を行
い、ついで粉砕、脱炭、粉砕などの処理を行う高密度鉄
粉の製造方法が開示されている。また、特公昭57-17043
号公報には、円筒状に充填した酸化鉄粉の内側には、比
較的低温でCOガスの発生反応が著しく進行する還元材若
しくはこの還元材を含む充填材を充填し、外側には高温
でCOガスの発生反応が著しく進行する還元材若しくはこ
の還元材を含む充填材を充填して、酸化鉄の内側と外側
から同時にガス化させ、COガスの拡散を促進して酸化鉄
粉の還元を行う海綿鉄の製造方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公昭
48-32885号公報に記載された、酸化鉄粉中に灰分の少な
い固体還元剤のみを混合する方法では、酸化鉄粉と固体
還元剤との比重差が大きく、酸化鉄粉と固体還元剤を乾
燥状態で混合したのち耐熱容器の上から下に偏析なく均
一に充填することは極めて困難である。このため、比重
の軽い固体還元剤が多くなる上部層は還元反応の進行が
はやく還元後過浸炭傾向となり、一方、固体還元剤の少
ない下部層では還元不良となりやすいという問題があっ
た。

【０００７】また、特公昭57-17043号公報に記載された
技術では、酸化鉄粉の内と外でそれぞれガス発生温度が
異なる固体還元剤を充填するため、固体還元剤を再利用
するには別々の充填装置とホッパー等の収納設備が不可
欠となり、さらに、酸化鉄粉の内側に充填した低温でガ
ス化し易い固体還元剤が還元の初期段階で消失し、海綿
鉄層内径が小さくなり反応層が厚くなり、むしろ還元に
長時間を要するという問題があった。

【０００８】本発明は、上記した従来技術の問題を有利
に解決し、還元時間が短く、生産性の高い海綿鉄の製造
方法を提案することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】海綿鉄の生成反応は、次
の（１）〜（３）式に示される反応からなる。 CaCO₃ →CaO ＋CO₂ ……（１） CO₂ ＋Ｃ→ 2CO ……（２） FeO ＋CO→ Fe ＋CO₂ ……（３）まず、加熱により、（１）式にしたがい、固体還元剤層
内の石灰粉（CaCO₃ ）が分解し、CO₂ガスを発生する。
このCO₂ガスは、（２）式のブドアール反応により固体
還元剤層内の炭素質粉（Ｃ）と反応してCOガスを発生す
る。このCOガスは、酸化鉄層内に拡散し、（３）式の反
応にしたがい、酸化鉄（FeO ）を還元し、海綿鉄（ Fe
）を生成する。この時、同時に発生したCO₂ガスは、
酸化鉄層内から固体還元剤層まで拡散し、再度（２）式
のブドアール反応を起こし、COガスを発生させる。そし
て、このCOガスは、また酸化鉄層内に拡散し、酸化鉄
（FeO）を還元する。これらの海綿鉄生成反応の律速
は、COガスの酸化鉄層への拡散であると言われている．
本発明者らは、海綿鉄製造の生産性を向上させるため
に、酸化鉄の還元反応におよぼす各種要因について鋭意
考究した。その結果、本発明者らは、（２）式のブドア
ール反応を促進させて、酸化鉄、還元された鉄粉と固体
還元剤の境界のCO分圧を高めることが、COガスの、還元
された鉄粉および酸化鉄への拡散の作用を強めることに
なることに思い至った。そして、本発明者らは、適正な
大きさの、鉄粉、鉄酸化物粉等の鉄含有粉がいずれもブ
ドアール反応の触媒として作用することを見いだした。
そして、固体還元剤に、適正な大きさの、鉄粉、鉄酸化
物粉等の鉄含有粉を単独であるいはこれら粉末を混合し
て添加するとブドアール反応が促進して海綿鉄生成速度
が増加するという知見を得た。また、鉄酸化物粉として
は、FeO 粉、Fe₂O₃ 粉、Fe₃O₄粉が好ましいことを知見
した。

【００１０】本発明は上記した知見に基づき、さらに検
討して完成されたものである。すなわち、本発明は、耐
熱容器に、酸化鉄と固体還元剤とを充填したのち、該耐
熱容器を加熱炉に装入し、加熱して、前記酸化鉄を還元
し海綿鉄とする海綿鉄の製造方法において、前記固体還
元剤を、炭素質粉と石灰粉と平均粒径１〜50μm の鉄含
有粉との混合物とすることを特徴とする海綿鉄の製造方
法であり、また、本発明は、前記鉄含有粉の混合量を、
固体還元剤の合計量に対し、１〜15質量％とすることが
好ましく、また、本発明では、前記加熱を、1000℃以上
1300℃以下とすることが好ましい。また、本発明では、
前記鉄含有粉が、鉄粉、FeO 粉、Fe₂O₃ 粉、Fe₃O₄粉の
うちから選ばれた１種または２種以上からなる粉末とす
るのが好ましい。また、本発明では、前記石灰粉を、平
均粒径30〜 150μm の粉末とするのが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】まず、本発明では、耐熱容器に、
酸化鉄と固体還元剤とを充填する。例えば、図３に示す
ような円筒状のサガーと呼ばれるSiＣ製の耐熱容器に、
固体還元剤層に挟まれるように酸化鉄層を充填するのが
好ましい。酸化鉄としては、鉄鉱石、あるいは熱延工程
で発生するミルスケール等の酸化鉄粉を用いるのが好ま
しい。

【００１２】また、固体還元剤は、石灰粉（CaCO₃）、
炭素質粉（Ｃ）および鉄含有粉の混合物を使用する。石
灰粉は平均粒径が小さいほど短時間で分解し、CO₂ガス
の発生量を高めることになり（２）式のブドアール反応
を促進させることにもなり還元反応の促進に有利とな
る。本発明では、石灰粉は、平均粒径30〜 150μm の粉
末とするのが好ましい。石灰粉の平均粒径が30μm 未満
では、高価なうえ、炭素質粉末と分離しやすく、かえっ
て還元反応時間が長くなる。また、石灰粉の平均粒径が
150μmを超えると、還元反応時間が長くなる。なお、
石灰粉の混合量は、固体還元剤の合計量（石灰粉、炭素
質粉および鉄粉の合計量）に対し、５〜20質量％とする
のが好ましい。

【００１３】炭素質粉は、コークスあるいは無煙炭を用
いるのが好ましい。これらの混合したものを使用しても
何ら問題はない。なお、炭素質粉の平均粒径が小さいほ
ど還元反応が促進される。このため、炭素質粉の平均粒
径は10mm以下とするのが好ましい。また、炭素質粉の混
合量は、固体還元剤の合計量（石灰粉、炭素質粉および
鉄粉の合計量）に対し、70〜95質量％とするのが好まし
い。

【００１４】固体還元剤（石灰粉、炭素質粉）に添加混
合される鉄含有粉は、平均粒径：１〜50μm の粉末とす
る。鉄含有粉が細かいほど、海綿鉄の生産性は向上する
が、鉄含有粉の製造コストがかさみ実際的ではない。こ
のため、本発明で使用する鉄含有粉の平均粒径は１μm
以上とした。また、鉄含有粉の平均粒径が50μm を超え
ると、ブドアール反応の促進効果が少なくなり、海綿鉄
の生産性向上が認められなくなる。なお、本発明でいう
鉄含有粉の平均粒径は、マイクロトラック法で測定した
重量での累積頻度50％の粒径を意味するものとする。本
発明では、鉄含有粉は、鉄粉、鉄酸化物粉のうちから選
ばれた１種または２種以上からなる粉末（混合物）とす
るのが好ましい。なお、鉄酸化物粉としては、FeO 粉、
Fe₂O₃粉、Fe₃O₄粉が好ましい。

【００１５】鉄粉としては、還元鉄粉、アトマイズ鉄
粉、カルボニル鉄粉が使用可能である。市販の還元鉄粉
やアトマイズ鉄粉の平均粒径は80μm 程度であるため、
本発明においては、篩を用いて分離した微粉を使用する
のが好ましい。また、鉄含有粉として集塵鉄粉も使用可
能である。なお、集塵鉄粉は、製造した海綿鉄の粉砕時
に発生する微粉を集めたものであり、FeO が主成分で残
部Feからなる粉末である。

【００１６】なお、鉄含有粉の純度（FeとFeに化合した
Ｏの合計量）は、還元反応時間の観点から90質量％以上
とするのが好ましい。純度が90質量％未満では、還元時
間が若干長時間となる傾向を示す。また、鉄含有粉の混
合量は、固体還元剤の合計量（石灰粉、炭素質粉および
鉄含有粉の合計量）に対し、１〜15質量％の範囲とする
のが好ましい。鉄含有粉の混合量が１質量％未満では、
鉄含有物が触媒として働く作用が十分でなく、一方15質
量％を超えると、石灰粉、炭素質粉の含有比率が低下し
て固体還元剤全体としての還元作用が低下するため還元
時間が長くなり顕著な生産性の向上が認められない。

【００１７】上記したように酸化鉄と固体還元剤を充填
された耐熱容器は、ついでトンネル炉等の加熱炉に装入
され、加熱される。なお、加熱温度は1000℃以上1300℃
以下とするのが好ましい。加熱により、還元反応が進行
し、酸化鉄が固体還元剤により還元されて海綿鉄が生成
する。加熱温度が1000℃未満では、酸化鉄の還元が十分
進まず、生成する海綿鉄の純度が低下する。一方、1300
℃を超えると、粗還元と同時に進行する海綿鉄の焼結が
過度に進み、硬くなり、その後の粗粉砕での電力消費量
が増加したり、粉砕工具の損耗が著しく、製造コストが
増加する。このため、加熱温度は1000〜1300℃の範囲と
するのが好ましい。なお、より好ましくは、1050〜 120
0 ℃である。

【００１８】加熱後、海綿鉄と固体還元剤とを分離して
取り出す。取り出された海綿鉄は、仕上げ還元のため、
90メッシュ以下程度までに粗粉砕され、粗還元鉄粒子と
される。ついで、粗還元鉄粒子は、還元性雰囲気の仕上
げ還元炉中で仕上げ還元され、さらに粉砕されて、還元
鉄粉とされる。

【００１９】

【実施例】主原料の酸化鉄400gと、副原料の固体還元剤
300gを、図１（ｂ）に示すように、円筒状サガー（SiC
製耐熱容器）（φ73×φ46×100 ）に、副原料の固体還
元層が主原料の酸化鉄層を挟むように、充填した。主原
料の酸化鉄は、鉄鉱石あるいは熱間圧延工程で発生し、
スケールスルースに落下する薄片状のミルスケールを乾
燥し、粉砕して平均粒径0.6mm 以下としたものを使用し
た。

【００２０】また、副原料である固体還元剤は、表１に
示す配合量の石灰粉、炭素質粉および鉄含有粉の混合物
とした。石灰粉は平均粒径80μm の石灰粉を、炭素質粉
はコークスおよび／または無煙炭を用いた。コークスは
平均粒径85μm のもの、無煙炭は平均粒径2.4mm のもの
を使用した。また、鉄含有粉は表１に示す平均粒径、お
よび表１に示す種類の鉄含有粉を用いた。ここで、集塵
鉄粉は、製造した海綿鉄の粉砕時に発生する微粉を集塵
したものであり、その純度（FeとFeに化合したＯの合計
量）は90質量％以上ある。なお比較のため、純度の低い
集塵鉄粉（No.19 ）も使用した。鉄含有粉の残部はAl₂O
₃、SiO₂等の不純物である。副原料は、表１に示すそれ
ぞれの配合量となるように秤量し、予め均一に混合して
おいたものを使用した。

【００２１】ついで、図１（ａ）に示すように、主原料
および副原料を充填した耐熱容器（サガー）を、加熱炉
（還元炉）に装入し、SiC 製のサガー蓋をしたのち、表
１に示す加熱温度（粗還元温度）まで昇温した。なお、
昇温時間は３ｈ一定とした。また、サガー蓋の中央部に
５mmφの穴をあけ、炉外のガス流量計と接続したステン
レスパイプを挿入し、ガス流量計で炉内ガス発生量を測
定した。炉内ガス発生量が0.01l/min 以下になった時点
で還元終了とし実験を終了した。

【００２２】実験終了後に、耐熱容器から海綿鉄を取り
出し純度を測定した。海綿鉄の純度は、化学分析により
Fe含有量を測定して求めた。なお、昇温開始から還元終
了までの時間を還元時間とした。また、固体還元剤に鉄
含有粉を混合しない例を従来例とした。これらの結果を
表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】本発明例は、従来例にくらべ還元時間が短
くなり、しかも製造された海綿鉄の純度も97％以上と高
い。また、加熱温度が本発明の好適範囲を上回る本発明
例（No.14 ）では、還元時間は短くなるが、その後の粗
粉砕で消費される電力が若干多くなる傾向を示した。な
お加熱温度が本発明の好適範囲を下回る本発明例（No.
13）は、製造された海綿鉄の純度が86％と低く、また還
元時間が長くなる傾向を示している。また、固体還元剤
に添加混合する鉄含有粉の混合量が本発明の好適範囲を
上回る本発明例（No.17 、No.18 ）では、還元時間が若
干長くなる傾向を示している。本発明例のうち、鉄含有
粉の添加量が好適範囲より少ない例（No.16 ）は還元時
間が若干長い傾向を示している。

【００２５】一方、本発明の範囲を外れる比較例は、製
造された海綿鉄の純度が97％以上と高いが、従来例（N
o.15 ）にくらべて還元時間の顕著な短縮は見られな
い。固体還元剤に添加する鉄含有粉の平均粒径が本発明
の範囲を外れる比較例（No.11 、No.12 ）では、還元時
間が長い。また、固体還元剤に添加混合する鉄含有粉と
して、鉄粉以外のFeO 粉、Fe₂O₃粉、Fe₃O₄粉およびそ
れらの混合した混合粉を使用した本発明例（No.20 、N
o.21 、No.22 、No.23 ）では、還元時間、海綿鉄純度
は鉄粉を使用した場合と同等であった。なお、鉄含有粉
として、純度の低い集塵鉄粉を用いた本発明例（No.19
）では、還元時間が若干長くなる傾向を示している。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来に
くらべ、酸化鉄の還元時間が短縮でき、海綿鉄の生産性
が向上し、海綿鉄を安価に供給できるという、産業上格
段の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いた還元炉と耐熱容器の配
置状況（ａ）、主原料（酸化鉄層）と副原料（固体還元
剤層）の充填状況（ｂ）を説明する模式図である。

【図２】海綿鉄、還元鉄粉の製造工程の一例を示す説明
図である。

【図３】円筒状の耐熱容器への、炭素質粉および石灰粉
と、酸化鉄との従来の充填方法の一例を示す説明図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K001 AA10 BA02 BA15 CA18 CA19 CA20 CA23 HA01 KA06 4K012 DA05 4K017 AA03 BA06 DA09 EH01 FB04 FB08 FB09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耐熱容器に、酸化鉄と固体還元剤とを充
填したのち、該耐熱容器を加熱炉に装入し、加熱して前
記酸化鉄を還元し海綿鉄とする海綿鉄の製造方法におい
て、前記固体還元剤を、炭素質粉と石灰粉と平均粒径１
〜50μm の鉄含有粉との混合物とすることを特徴とする
海綿鉄の製造方法。
【請求項２】前記鉄含有粉の混合量を、固体還元剤の
合計量に対し、１〜15質量％とすることを特徴とする請
求項１に記載の海綿鉄の製造方法。
【請求項３】前記加熱の温度を1000℃以上1300℃以下
とすることを特徴とする請求項１または２に記載の海綿
鉄の製造方法。
【請求項４】前記鉄含有粉が、鉄粉、FeO 粉、Fe₂O₃
粉、Fe₃O₄粉のうちから選ばれた１種または２種以上か
らなる粉末であることを特徴とする請求項１ないし３の
いずれかに記載の海綿鉄の製造方法。