專利名稱：海棉鐵和還原鐵粉的制造方法、海棉鐵和裝入裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及把鐵粉作為制造原料用的海綿鐵的制造方法、和使用以上述方法制造的海綿鐵的還原鐵粉的制造方法。
上述還原鐵粉除了直接使用粉末以外，也可以作為機械部件和磁性材料等的燒結產品的原料使用。
本發(fā)明還涉及用上述海綿鐵的制造方法的制造海綿鐵用原料的裝入裝置，以及用此制造方法可以制造的高純度海綿鐵。
向反應容器裝入原料(charge)由于習慣上稱為原料的填充(但是譯成英文時譯為charge)，所以在本說明書中也效仿此例，后面主要使用“填充”、“填充裝置”等詞匯。
背景技術：
圖1A和圖1B表示一般的海綿鐵的制造方法。其中圖1A為表示容器內原料填充狀態(tài)的斷面圖，圖1B為其水平斷面圖。
在制造海綿鐵時，在下面可以裝蓋的圓筒形耐火材料制的反應容器1(耐火箱)中，把氧化鐵粉末2和還原劑粉末3分層填充成同心圓筒形，使用隧道爐等把各容器加熱(間接加熱)到1050～1200℃。通過前期加熱，上述反應容器1內的氧化鐵2被還原(粗還原)，同時被燒結，成為海綿狀的金屬鐵，也就是海綿鐵。
其中氧化鐵粉末2可以使用破碎后的軋制氧化鐵皮粉末和鐵礦石粉末等。此外還原劑粉末3可以使用焦炭粉和煤粉等。根據(jù)需要可以在還原劑粉末3中添加石灰粉末等。
上述的技術發(fā)表在“鋼鐵便覽”第3版第5卷第457頁～459頁(主要是第457頁右欄第10～13行)和特開2002-241822號等文獻中。
如圖1A、B所示，在現(xiàn)有的海綿鐵制造技術中，氧化鐵粉末2在反應容器1內被填充為圓筒形(下面稱為圓筒形氧化鐵層)，還原劑粉末3被填充包圍此圓筒形氧化鐵層的周圍。在此圓筒形氧化鐵層的上下和中心都填充還原劑粉末3。
其結果，填充原料后，把反應容器1加熱，首先，在最初的階段，存在于還原劑填充層空隙中的氧與還原劑中的碳反應生成的CO2氣體，添加在還原劑中的石灰石等分解后生成的CO2氣體與還原劑中的碳發(fā)生(1)式的反應，在還原劑粉末3的填充層(還原劑層)生成還原性氣體的CO。
………(1)式而這樣生成的CO氣體從還原劑層到達氧化鐵粉末2的填充層(氧化鐵層)，通過下述(2)式反應，將氧化鐵還原，產生CO2(二氧化碳)氣體。
………(2)式此外，此CO2氣體一部分擴散到被還原的氧化鐵層中，再到達還原劑層，在此層內，通過(1)式反應將碳變成CO。而此生成的CO氣體再擴散到氧化鐵層，與未還原的氧化鐵發(fā)生(2)式的反應生成鐵，同時生成CO2氣體。
其結果，填充到上述反應容器1內的氧化鐵粉末2通過在一定時間內反復進行(1)式和(2)式的反應，全部還原成鐵粉。此外在與此還原反應的同時，被還原的鐵彼此間也進行燒結，成為圓筒形的海綿鐵(燒結體)。圖2表示用現(xiàn)有技術得到的海綿鐵的外觀形狀(下部省略)。
其中要使氧化鐵全部還原需要的CO氣體的量從(2)式看理論上摩爾比(＝CO氣體中的碳原子的摩爾數(shù)/氧化鐵中的氧原子的摩爾數(shù))為1。因此要使氧化鐵全部還原需要的還原劑的量摩爾比(＝還原劑中的碳原子的摩爾數(shù)/氧化鐵中的氧原子的摩爾數(shù))為1.0。下面把還原劑中的碳原子的摩爾數(shù)/氧化鐵中的氧原子的摩爾數(shù)稱為“碳量/氧量(摩爾比)”。
在上述的還原方法中，認為在反應容器1內生成的CO氣體和CO2氣體向氧化鐵粉末2和還原劑粉末3的層內的擴散是決定還原反應進行速率的主要因素。然而，在圖1所示的獲得填充結構的方法中，存在著CO和CO2氣體的擴散距離大，還原所需時間長的問題。
還原需要長時間的話，例如在使用隧道爐進行加熱的工業(yè)生產規(guī)模的生產工序中，會導致反應效率(氣體利用效率)降低，從原料填充到取出制品需要數(shù)天，關系到生產率的降低。不僅如此，還原所需要的加熱的能量消耗也顯著增加。
也就是在如圖1A、B所示的填充方式中，要增加制造的海綿鐵的量，必須把氧化鐵粉末2的層厚(半徑方向)增厚，于是，還原時間變長?；蛟S可以說，要縮短還原時間，把氧化鐵粉末2的層厚變薄的話，由于每個反應容器1可以制造的海綿鐵量減少，未必能提高單位時間的產量。
因此存在的問題是，首先要(唯一地)確定生產量最大的氧化鐵粉末2的層厚和還原時間的組合，不僅生產量受到限制，調整產量的自由度也小。
此外，在圖1A、B那樣的填充方式中，在上述反應中生成的CO氣體具有流經(jīng)密度更低層的還原劑粉末3層的一方，有跑到反應容器1外的傾向。因此CO氣體不會有助于有效進行還原反應。
在反應容器1和氧化鐵粉末2之間和圓筒形氧化鐵層的內側必須填充過剩的還原劑粉末3，使在燒結階段氧化鐵粉末2的層不崩潰。
因上述的情況，在現(xiàn)有的方法中存在有還原劑粉末3必須多于摩爾比2.0，還原劑的單產消耗惡化的問題。
此外圓筒形氧化鐵層的下部因自重而脹大。因此，還有在預定的還原時間內脹大部分的氧化鐵還原不能充分進行，殘存有沒有反應的部分的問題。
本發(fā)明的目的是有利于解決現(xiàn)有技術存在的上述各種問題。也就是本發(fā)明之目的在于，提出容易提高生產率、調整產量的海綿鐵的制造方法。
本發(fā)明另外的目的在于提出在實施上述制造方法時便于使用的向反應容器內填充原料的裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明人持續(xù)專心研究的結果，發(fā)現(xiàn)通過在把氧化鐵粉末和還原劑粉末填充到反應容器內的方式想些辦法，可以有效解決上述的課題，完成了本發(fā)明。
也就是本發(fā)明的第1個方案是一種海棉鐵的制造方法，具有把氧化鐵粉末和還原劑粉末填充到反應容器內的填充工序、從上述反應容器外加熱，使上述反應容器內的上述氧化鐵粉末還原(粗還原)，制成塊狀海綿鐵的還原工序，在上述填充工序中，填充上述氧化鐵粉末和上述還原劑粉末，堆積成相互交錯而且成螺旋形的層。
在上述第1個方案中，也可把下述(1)～(8)中1個或2個以上的適合的條件任意組合加以采用。
(1)在上述填充工序中，在上述反應容器內的容器側面(稱為外周部分)和垂直中心軸部分形成由還原劑粉末構成的層，同時在除此層以外的其余部分(稱為中間部分)填充成上述相互交錯而且成螺旋形的層。在容器的平面斷面圖上外周部分、中心軸部分分別對應周邊部分、中心部分。中間部分希望使圓筒形或圓柱形。此外反應容器是圓筒形的情況下，所謂垂直中心軸部分是此圓筒的軸心部分。
(2)上述氧化鐵粉末使用從鐵礦石、軋制的氧化皮和從酸洗廢液中回收的氧化鐵粉中選擇至少一種的粉末。
(3)上述還原劑粉末使用從焦炭、木炭和煤中至少選擇一種的粉末。
(4)在上述還原劑粉末中添加二氧化碳生成源。二氧化碳生成源特別適合使用石灰石(包括熟石灰)。此外這種情況下填充的還原劑粉末稱為在還原劑粉末中添加二氧化碳生成源粉末后混合的物質。
(5)使在上述還原工序中的上述加熱溫度在1000℃以上1300℃以下。
(6)在上述填充工序中，形成螺旋形層，控制氧化鐵粉末的層和還原劑粉末的層的層厚可以改變。其中所謂控制可以改變包括在各反應容器中至少某個層中可以設定不同的厚度，以及在1個反應容器中的位置上至少可以使某個層的厚度可以改變的兩個方面的含義。
(7)在上述填充工序中，把上述反應容器內的上述氧化鐵粉末的量和上述還原劑粉末的量控制成在上述還原劑粉末中所含的碳量相對于上述氧化鐵粉末中所含的氧量摩爾比在1.1以上。其中希望摩爾比在1.15以上，更希望摩爾比在1.2以上。
(8)在滿足上述(1)和(7)的填充工序中，把填充成層狀的部分中的上述氧化鐵粉末量和上述還原劑粉末量控制成在上述還原劑粉末中所含的碳量相對于含在上述氧化鐵粉末中所含的氧量的摩爾比在0.5以上。其中所謂“填充成層狀的部分”是指堆積成螺旋形的氧化鐵粉末和還原劑粉末層的圓筒形區(qū)域，一般相當于從整個填充區(qū)域除去在(1)中所述的各“由還原劑粉末構成的層”的部分。
本發(fā)明的第2個方案是一種還原鐵粉的制造方法，把用本發(fā)明的第1個方案制造的海綿鐵粉碎后還原(精還原)，然后粉碎。
可以適用于在本發(fā)明的第1個發(fā)明中適合條件(1)～(8)的任意組合。
本發(fā)明的第3個方案是燒結成螺旋(helix)狀塊的海綿鐵，希望是金屬鐵含量為97質量％以上的高純度的海綿鐵。高純度的海綿鐵在本發(fā)明的第1個方案中，例如適用在適合條件(7)通過充分的時間的還原處理，可以制造重量100kg以上的塊狀海綿鐵。
本發(fā)明的第4個方案是制造海綿鐵用原料的填充裝置，是在容器內填充氧化鐵粉末和還原劑粉末的填充裝置，具有插入到上述容器內，在容器內可以旋轉和上下移動的插入部分、和設置在上述插入部分下端，可以與上述插入部分一起旋轉的氧化鐵粉末排出口和還原劑排出口。
本發(fā)明的第4個方案是在本發(fā)明的第1個方案的制造海綿鐵的方法中，適合用于在反應容器內把上述氧化鐵粉末和上述還原劑粉末填充成相互交替而且成螺旋狀的層。
在本發(fā)明的第4個方案中，希望上述氧化鐵粉末排出口和上述還原劑粉末排出口的開口面積可以改變。在本發(fā)明的第1個方案中，這樣的結構可以用于特別是滿足適合條件(6)的情況。
此外，在本發(fā)明的第4個方案中，上述插入部分具有其直徑為上述容器內徑的85％以下的圓筒形主體部分、以及其直徑為上述容器內徑的90～95％的水平斷面為圓形的圓筒的一部分構成的下端部分，而且希望上述下端部分的水平斷面形狀為含有上述圓的中心和部分圓周的扇形，或包括此扇形的形狀。在本發(fā)明的第1個方案中，這樣的結構適用于適合條件(1)中所述的在外周部形成薄的還原劑粉末層的目的。此外在反應容器內即使生成附著物的凸起，也不會對它產生干擾，可以把上述插入部分插入到反應容器內。


圖1A為說明現(xiàn)有的氧化鐵粉末和還原劑粉末填充方式的斷面圖。
圖1B為表示圖1A的IB-IB′斷面的水平斷面圖。
圖2為表示用現(xiàn)有方法得到的海綿鐵外觀形狀的透視圖。
圖3A為說明本發(fā)明的氧化鐵粉末和還原劑粉末的填充方式的一個示例的斷面圖。
圖3B為表示圖3A的IIIB-IIIB′斷面的水平斷面圖。
圖4A為表示本發(fā)明的插入部分(旋轉裝入筒)結構的一個示例的簡圖。
圖4B為表示使用圖4A的旋轉裝入筒情況下的填充狀態(tài)的斷面圖。
圖5為表示本發(fā)明的插入部分(旋轉裝入筒)結構的另一個示例的簡圖。
圖6為說明本發(fā)明的氧化鐵粉末和還原劑粉末的填充方式的另一個示例的斷面圖。
圖7為表示用本發(fā)明得到的海綿鐵外觀形狀的透視圖。
圖8為說明把氧化鐵粉末和還原劑粉末水平堆積成多層的填充方式的試驗例的斷面圖。
圖9為表示對于幾個不同氧化鐵層厚，相互交替填充方式的整個反應容器內碳量/氧量(摩爾比)(橫軸)和需要的還原時間(縱軸)關系的圖示。
圖10為說明把氧化鐵粉末和還原劑粉末水平堆積成多層的填充方式的另一試驗例的斷面圖。
圖11為表示對于幾個不同氧化鐵層厚，另一個相互交替填充方式的相互交替填充部分的碳量/氧量(摩爾比)(橫軸)和需要的還原時間(縱軸)關系的圖示。
圖12為表示對于幾個不同氧化鐵層厚，另一個相互交替堆積方式的整個反應容器內的碳量/氧量(摩爾比)(橫軸)和需要的還原時間(縱軸)關系的圖示。
圖13為表示螺旋形相互交替填充(剖面線)和圓筒形填充(空白)中氧化鐵增加量(％重量、橫軸)和通過還原得到的金屬鐵純度(質量％、縱軸)關系的圖示。
圖14A為表示本發(fā)明的插入部分(旋轉裝入筒)結構的另一個示例的斷面圖。
圖14B為表示圖14A的XIVB-XIVB′斷面的向視圖(壁厚省略)。
具體實施例方式本發(fā)明在向反應容器內填充原料的方法有其特點。其中原料為氧化鐵粉末和還原劑粉末，根據(jù)需要也可以把石灰石等與上述還原劑一起添加。
也就是，現(xiàn)有技術如圖1所示的方法，例如采用在立式圓筒形耐火材料制的反應容器1內，沿軸向把氧化鐵粉末2和還原劑粉末3填充成同心圓形的方法?？墒窃诒景l(fā)明中取代上述方法，把氧化鐵粉末和還原劑粉末填充成相互交替而且都成螺旋形，也就是采用填充成兩者在容器內堆積的結構為氧化鐵粉末的螺旋層和還原劑粉末的螺旋層相互交替的層疊狀態(tài)(下面成為“螺旋形相互交替填充”)的方法。
采用螺旋形相互交替填充法的話，氧化鐵粉末和還原劑粉末同時填充，而且可以連續(xù)進行。因此可以使各層的厚度(填充量)一定。因此，還原劑層和氧化鐵層的厚度比能保持一定。此層厚比根據(jù)目的和情況可以在各反應容器中設定任意的比例。
另一方面，層厚比也可以在裝料中任意而且隨時進行變更。
因此，螺旋形相互交替填充法是大大有助于改善生產率和提高產量的方法。
圖3A、圖3B表示本發(fā)明的一個示例。希望本發(fā)明的原料填充使用原料裝入裝置14同時把氧化鐵粉末12和還原劑粉末12裝入，填充到SiC等耐火材料構成的圓筒形的反應容器11(耐火箱)內。
希望原料裝入裝置14的結構如下。
原料裝入裝置14以插入反應容器11內的旋轉裝入筒14b(裝入部分)為主構成。旋轉裝入筒14b的筒形主體的軸方用中間隔板14a分成2部分，在被分隔開的空間也就是在氧化鐵粉末存放部分17和還原劑粉末存放部分18可以裝入氧化鐵粉末12和還原劑粉末13(各存放部分內的粉末在未圖示)。此外，在旋轉裝入筒14b的下端(下端或下端附近)設置有分別對應于存放部分17、18的氧化鐵粉末排出口15和還原劑粉末排出口16的開口部分。雖未圖示，希望各排出口用滑動閘門的閘門可以調整開口度(例如開口高度a)，也就是希望可以調整開口的面積。排出口的位置和朝向可以根據(jù)需要確定，可以把旋轉裝入筒14b的底面、側面或設在底面等上的切口的任意面作為開口部分。原則上，各原料粉末的排出希望利用裝在存放部分的原料粉末的自重進行(排出)。
圖4A為表示上述旋轉裝入筒14b的詳細圖的一個示例的圖示。在此示例中，在筒的下端延伸位置上設置有垂直于隔板14a突出的方筒形卸出部分14c。卸出部分14c中在對角的側壁上設置有與上述存放部分17、18連接的排出口(開口)15、16。使用這樣的旋轉裝入筒情況下填充工序的斷面圖如圖4B所示。
作為它的一種變化形式，可以考慮把氧化鐵粉末用的卸出部分和還原劑粉末卸出部分的水平斷面形狀分別以大體4分之1圓的扇形相互成對角設置。這種情況下，2個排出口15、16中至少一部分可以設置成在相當于扇形的直線部分的側面在同一平面上，夾在旋轉裝入筒14b的軸線兩側(變成圖3的斷面圖的狀態(tài))。
圖5為表示上述旋轉裝入筒14b的另一示例的祥圖。
為了可靠地控制裝入的原料粉末遍布反應容器11的圓周部位，希望使旋轉裝入筒14b(特別是它的下端)的直徑為接近于反應容器11的內徑的值?？墒怯捎诜磻萜鞣磸褪褂?，以及有時把多個圓筒的部件層疊后作為反應容器，所以被還原的鐵和還原劑中的灰分等附著在反應容器內，形成突起。此外，由于反復使用產生的變形，容器也有一些傾斜。因此旋轉裝入筒14b的下端與反應容器11的內徑剛剛相配的話，在裝入旋轉裝入筒14b時，有可能造成與反應容器11接觸，導致破損。
可是使旋轉裝入筒14b的下端直徑接近反應容器11的內徑的目的是在各排出口確保從反應容器中心附近到圓周附近的開口。因此在排出口的位置上下工夫的話，沒有必要使旋轉裝入筒14b的下端的水平斷面形狀成完全的圓形，是此圓(假想圓)的一部分的扇形或至少內部包括此扇形的形狀的話就可以。
圖5是把下端作成扇形的示例，氧化鐵粉末排出口15和還原劑粉末16被設置成非對稱形。其中，氧化鐵粉末排出口15和還原劑粉末16被設置在與圖4相同的卸出部分14c的側面(相當于扇形邊的位置)。再有，在卸出部分14c的底面也開口，但是堆積的粉末替代了底面，各粉末12、13主要從側面排出。19a、19b為抑制板。
扇形的中心角可以是任意的，希望約180°(也就是半圓)或更小，使下端足夠緊湊。還希望，卸出部分的水平斷面形狀的最大直徑比假想圓的直徑要小。
此外，從生產率的觀點看，下端假想圓直徑越接近反應容器的內徑越好，希望在反應容器內徑的約90％以上。另一方面從操作性能的觀點看，希望適當減小假想圓的直徑，希望在反應容器內徑的約95％以下。
此外，希望使旋轉插入筒14b的主體直徑為反應容器內徑的約85％以下，確保在容器內的水平移動的余地，避免接觸。此外，從確保裝入的原料粉末的輸送通路的觀點看，希望主體直徑為反應容器內徑的約30％以上。
使用這樣的原料裝入裝置14，要把原料填充成相互交替的螺旋形，調整上述排出口15、16的開口面積(開口度)，把上述旋轉裝入筒14b從上方插入上述反應容器11內。通過使上述旋轉裝入筒14b(因此使排出口15、16)邊旋轉邊以一定速度提升，可以使氧化鐵層和還原劑層以一定的比率相互纏繞成螺旋形通過此排出口填充(相互交替填充)。這樣在反應容器11內氧化鐵粉末12和還原劑粉末13一起形成相互堆積成交替的螺旋形的填充層。
向各存放部分17、18裝入原料，可以根據(jù)需要，在向反應容器填充前或填充中進行。
圖6為表示本發(fā)明的填充方法的另一示例。其中原料裝入裝置14簡單表示。
如圖6所示，在把原料粉末填充到反應容器內時，也可以使螺旋形相互交替填充的位置限定在除了沿圓筒形反應容器11的軸向的外周以外的區(qū)域。此外，也可以使螺旋形相互交替填充的位置處于除了沿反應容器11的軸方向的軸心部以外的區(qū)域。此外，也可以使螺旋形相互交替填充的位置處于除了沿反應容器1軸方向的軸心和外周兩部分以外的區(qū)域。各種情況下，把螺旋形相互交替填充的區(qū)域都稱為圓筒形中間部分。再有外周部分、軸心部分在容器的平面斷面圖上，分別相當于周邊部分和中心部分。
從防止原料裝入裝置14的旋轉裝入部分14b和反應容器11干擾的觀點和防止氧化鐵粉末與反應容器接觸部分的燒結觀點看，有時不得已設有上述外周部分的還原劑層。此外，有時因從容器取出海綿鐵時的操縱上的便利而設定上述軸心部分的還原劑層?？墒?，在外周或軸心部分只存在還原劑層，形成反應氣體的通路，因此，在反應容器內的氣體擴散順暢而且均勻，也可以預料到具有提高還原反應速度的效果。此外，在外周由還原劑層構成的情況下，也可以防止向制品的外壁溶敷。因此，希望根據(jù)需要，考慮還原劑的成品率和碳量/氧量(摩爾比)等，使層厚(半徑方向)適當，設置這些還原劑層。
圓筒形容器的情況下，使外周部分為容器內徑(內面的直徑)的約2.5％以上、5％以下的層厚(半徑方向)是合適的。另一方面希望軸心部分的直徑約為250mm以下。
例如，要在外周形成還原劑層，在旋轉裝入筒14a的側面設有開口，可以從此開口排出形成外周部分的還原劑粉末。此外，要在軸心部分形成還原劑層，在圖4等中，在設有中間隔板14c的位置，還形成中心筒部分，在此中心筒部分的下端設有開口，可以從此開口排出形成軸心部分的還原劑粉末。
這些開口可以與用于形成螺旋層的排出口16連接，也可以單獨使用。
圖14A表示可以進行圖6的填充的旋轉裝入筒的一個示例。圖14B為圖14A的XIVB-XIVB′位置的斷面圖。(為了簡化，省略了壁的厚度)。在此示例中，在旋轉裝入筒14b的底面設置有旋轉交替填充等的交替填充用還原劑粉末排出口16。此外，在旋轉裝入筒14b的下部側面設有開口，構成朝向外周的還原劑粉末排出口16a。再有在旋轉裝入筒14b的軸心位置底面設有朝向軸心的還原劑粉末排出口16b，利用中間隔板14d引導一部分還原劑粉末。
如圖3A所示，一般為了確保最下面的氧化鐵層的還原和防止氧化鐵層與反應容器的燒結，希望在最下層只形成還原劑粉末(和石灰石等)層。希望在最上層同樣也是只形成還原劑粉末層。在上述原料裝入裝置14中，利用關閉氧化鐵粉末排出口15(開口度為零)或停止向旋轉裝入筒14b提供氧化鐵粉末等方法可以形成這些還原劑層。
在本發(fā)明中，在使用上述裝置進行螺旋形交替填充時，希望可以控制改變氧化鐵層和還原劑層的厚度。也就是在一個反應容器內希望各層的厚度可以控制為一定，例如希望根據(jù)原料的不同可以對層厚進行適當調整。
例如，通過對上述旋轉裝入筒14b的旋轉速度、上升速度和上述排出口15、16的開口度的某一個或2個以上進行調整，可以實現(xiàn)層厚的這種變化。尤其是，通過對閘門的開閉來控制排出口15、16的開口度，不會導致氣體擴散阻力增加和還原時間延長，不會導致產量降低，可以在確保穩(wěn)定操作的基礎實現(xiàn)，所以是理想的方法。
理論上，在立式反應容器11的高度方向例如靠近底部、中部、上部可以連續(xù)或間斷改變層厚，本發(fā)明不排除這樣的使用方式。例如在具有還原反應進行快的傾向的上部，可以考慮增加氧化鐵層的厚度等的使用方式。
此外堆積成螺旋形的氧化物層和還原劑層的厚度希望各層約5mm以上，兩者各1層之和約10mm以上。更希望在40mm以上。層厚過薄的話，由于層厚的波動容易產生不穩(wěn)定的部分。希望的下限各層約10mm以上，各1層之和約30mm以上。
另一方面，層厚過厚的話，由于會導致還原處理時間的增加和原料效率的降低，希望各層約在100mm以下，各1層之和約在200mm以下。希望的上限各層約為80mm以下，各1層之和約為150mm以下。
氧化鐵層和還原劑層的層厚一般不是用厚度，而是用碳量/氧量(摩爾比)表示。關于適當?shù)谋嚷蕦⒃诤竺娼榻B。
以上說明的原料裝入裝置是一個示例，其結構主要有可以上下移動和轉動的插入部分，而且在此插入部分設有氧化鐵粉末和還原劑粉末的排出口，在與此插入部分轉動的同時轉動和移動，通過插入到反應容器內使此插入部分邊轉動邊提升，從上述排出口把氧化鐵粉末和還原劑粉末堆積成雙重螺旋形進行填充。
例如，插入部分的圓筒形是有利的，但并不限定于此。例如根據(jù)反應容器的形狀，斷面形狀可以是扇形、星形、菊花形等形狀的筒。此外，存放部分無須做成隔板，形狀和位置也是任意的。氧化鐵粉末存放部分和還原劑粉末存放部分沒有必要容積相同。
在排出口15和16的周邊為了引導從排出口填充的原料粉末到目標方向，適宜設置固定的或可動的導板、抑制板等。
在本發(fā)明的海綿鐵制造方法中，填充到反應容器內的原料必須至少有氧化鐵粉末和還原劑粉末，希望氧化鐵粉末使用把鐵礦石或在鋼的熱軋工序中產生的軋制的氧化皮制成的粉末。此外用鹽酸等的酸去除鋼材表面的氧化物等或在酸洗工序中產生廢酸(酸洗廢液)，把這些酸洗廢液焙燒等得到的氧化鐵粉末也可以作為氧化鐵粉末使用。這些氧化鐵粉末的適合的平均粒徑約為0.05mm～10mm。
希望把比上述更細的氧化鐵粉末，例如把比表面積在2m2/g以上而且粒度在0.01μm以上的工業(yè)上可以控制粒徑的赤鐵礦粉末等混合在上述軋制的氧化皮和鐵礦石等粉末中使用，使海綿鐵的質量提高。
還原劑粉末使用含碳的碳質粉末。焦炭粉末、木炭(高揮發(fā)性炭的一種)、煤粉(希望是非粘結性的)、無煙煤粉末、木炭粉末等適合作為碳質粉末使用。再有從還原效率的觀點看，希望碳質粉末中的碳含量在60％以上。還原劑粉末適宜的平均粒徑也約為0.05mm～10mm。
作為還原劑粉末根據(jù)需要混合添加二氧化碳氣體生成源的粉末作為構成還原劑層的一部分使用也沒有任何問題。最好使用石灰石(包括熟石灰)的粉末作為二氧化碳氣體的生成源。
把這些氧化鐵粉末12和還原劑粉末13(包括添加混合二氧化碳氣體生成源粉末)用圖3A、B等所示的原料裝入裝置14成螺旋形交替填充到上述反應容器11內。反應容器11希望使用例如稱為耐火箱的圓筒形的SiC制的反應容器。反應容器11的形狀沒有限制，但認為圓筒形最好。此外反應容器的尺寸也沒有特別的限制，但在圓筒形的情況下，它的內面的斷面直徑約200mm～800mm左右、高度約100mm～2000mm左右范圍是合適的。希望用一個容器制造的海綿鐵塊的重量在約10kg以上，從生產率的觀點看，希望在約50kg以上，更希望在約100kg以上。
然后，填充了氧化鐵粉末12、還原劑粉末13、以及根據(jù)需要使用的石灰石等的上述反應容器11在放在臺車等上的狀態(tài)下被裝入隧道爐等的燒結爐內，填充在容器內的原料連容器一起要被加熱規(guī)定的用于還原的時間，此還原被稱為粗還原，要求的純度(金屬鐵占還原后的海綿鐵的含量)取決于還原鐵粉末的用途，但至少要在約90質量％以上，要求高純度用途的約97質量％以上。純度的目標值沒有上限，但現(xiàn)狀，在成本允許范圍內可以達到的純度最大約為99.5質量％左右。
上述用于還原的加熱溫度不夠的話，氧化鐵的還原不能充分進行，海綿鐵的純度降低。希望加熱溫度的下限約為1000℃。另一方面，加熱溫度過高的話，在與還原同時進行的海綿鐵的燒結會過度，海綿鐵變硬，擔心導致隨后的粗破碎的電力消耗增加，以及隨破碎工具的損耗導致制造成本增加。希望加熱溫度的上限為1300℃。因此希望的加熱溫度為1000～1300℃范圍。
在把隧道爐作為燒結爐使用的情況下，放在臺車上可以在此燒結爐內移動的上述反應容器1(和它內部的氧化鐵)首先需要用24小時左右(合適的范圍為20小時以上、28小時以下)通過溫度逐漸增高的預熱帶區(qū)，然后在約1000℃～約1300℃的燒結帶區(qū)保持60小時左右(適合的范圍為36小時以上最好在56小時以上，此外要在72小時以下，最好在64小時以下)。此后，經(jīng)過溫度逐漸降低的冷卻帶區(qū)(適合于用20小時～28小時通過)，完成還原處理。從保護反應容器(耐火材料)等的觀點看，希望使預熱帶區(qū)的入口側溫度和冷卻帶區(qū)的出口側溫度約為200℃(約20℃～400℃)，預熱帶區(qū)的出口側溫度和冷卻帶區(qū)的入口側溫度約為900℃(燒結帶溫度-450℃～燒結帶溫度-50℃左右)。
通過此加熱造成的還原反應，氧化鐵被還原劑還原，變成塊狀的海綿鐵。當然得到的海綿鐵是螺旋形的塊。圖7表示用本發(fā)明的方法得到的海綿鐵外觀形狀的一個示例(上端和下端被省略)。
得到的海綿鐵塊的高度(軸向)越高越好，但是考慮到受反應容器尺寸的制約，以及使反應容器的高度增加的情況下燒結爐變大，造成熱效率降低，所以希望尺寸在2000mm以下。
采用本發(fā)明的方法可以得到純度97質量％以上高純度海綿鐵。在純度在97質量％以上的情況下，有利于保證機械部件和磁性材料等的燒結部件或直接使用粉末的還原鐵粉的產品的特性。但是，本發(fā)明的方法，還有除了純度以外的優(yōu)點，所以并不限定使純度在97質量％以上的或高純度海綿鐵的制造方法。也就是，可以全部適用于純度90質量％以上的一般的粗還原。此外，除了金屬鐵成分以外，一般含有鐵氧化物和總計1質量％以下的雜質(Si、Mn、P、S等)。
粗還原的加熱后生成的海綿鐵與還原劑分離后從反應容器11中取出。從反應容器11中取出的海綿鐵為了再進行精還原，一般粗破碎至約150μm以下，制成粗還原顆粒。然后，此粗還原顆粒被裝入還原性氣氛的精還原爐中進行精還原，再破碎后變成還原鐵粉。
當把原料填充到反應容器內時，進行上述螺旋形交替填充時的氧化鐵量和還原劑量(固體還原劑)的比例，特別是相對于氧化鐵中的氧含量需要的還原劑中的碳含量的比例，已經(jīng)與上述(2)式一起介紹了。也就是氧化鐵的還原反應決定于還原劑中的1個C原子和氧化鐵中的1個O原子反應后進行的程度(碳量/氧量(摩爾比)＝1.0)?？墒?，一般還原劑需要比氧化鐵中氧量多的碳量。在現(xiàn)有的方法中，由于已經(jīng)介紹過的原因，預先填充了過剩的還原劑，填充了2.0～2.5倍的還原劑(碳量/氧量(摩爾比)＝2.0～2.5)。這種情況下的還原率(要求的海綿鐵的純度)金屬鐵在90質量％以上，希望在97質量％以上。
本發(fā)明人等用以下的試驗研究了本發(fā)明的螺旋形交替填充方式中碳量/氧量(摩爾比)和需要的還原時間的關系。
如圖8所示，在試驗中為了簡化不是螺旋形，采用了水平交替填充的方式，交替填充成大體水平填充的氧化鐵粉末12的層(氧化鐵層)和還原劑粉末的層(還原劑層)。水平交替填充由于經(jīng)還原得到的海綿鐵是多張圓板形，操作麻煩，在實際設備上使用時，螺旋形交替填充要好，但是在碳量/氧量(摩爾比)和進行還原反應的關系中，與螺旋形交替填充是相同的。下面把螺旋形交替填充和水平交替填充統(tǒng)稱為交替填充。
在試驗中使用的反應容器的內徑為370mm，填充的高度為1400mm。此外，氧化鐵粉末和還原劑粉末使用了與后述的實施例1相同的材料。還原處理在最高溫度為1150℃的情況下進行。還原時間是指在此最高溫度保持的時間。
圖9為表示在氧化鐵層厚度不同的多個水平交替填充方式中，在氧化鐵中碳量對氧量的(摩爾比)和要得到97質量％鐵(金屬鐵)的海綿鐵需要的還原時間的關系的曲線。上述摩爾比是容器內全部氧化鐵和全部還原劑的比例。
在圖9中，使用現(xiàn)有方法的圓筒形填充方式(圖1)，進行同樣的還原處理的結果的一個示例用圓點(現(xiàn)有例●)表示。此現(xiàn)有方法使氧化鐵層的厚度為55mm，使碳量/氧量(摩爾比)為2.2，還原時間需要53小時。
另一方面，用層狀交替填充(圖8)分別對使氧化鐵層的厚度為15mm(試驗例4×形標記)、20mm(試驗例3三角形標記▲)、30mm(試驗例2方形標記(■))、50mm(試驗例1菱形標記(◆))的情況下進行還原試驗，其結果，通過使氧化鐵層的厚度減薄，可使還原的時間變短。此外，在厚度2.0mm以上的情況下，上述摩爾比在1.2以上的話，還原時間幾乎是一定的，無須象現(xiàn)有方法那樣，要確保摩爾比在2.0以上。
在上述摩爾比小于1.2的情況下，還原時間有變長的傾向，但是把圓筒形填充方式改變成(螺旋)交替填充方式和減小層厚的效果超過上述的傾向。也就是由于螺旋方式可以多填充氧化鐵，例如在本例中，用氧化鐵層厚30mm的螺旋交替填充方式幾乎可以填充與現(xiàn)有例的圓筒形填充方式相同量的氧化鐵。因此，在試驗范圍為摩爾比1.1以上區(qū)域可以充分得到本申請的效果。此外，如果摩爾比在1.15以上的話，由于還原時間增加的程度比較小，在1.15以上的話更有效。當然，摩爾比在1.2以上的情況下更能得到縮短還原時間的效果。
在氧化鐵層厚度為15mm的情況下，摩爾比在1.6以上，其還原時間幾乎是一定的。進一步改變條件，反復進行試驗，其結果，還搞清了在氧化鐵厚度小于20mm的情況下，下述關系成立。
摩爾比×氧化鐵層厚度(mm)＝2.3～2.5………(3)式在氧化鐵層的厚度小于20mm的情況下，若通過按滿足上述(3)式的方式進行填充，確定氧化鐵層的厚度的話，可以單一確定還原時間，操作穩(wěn)定，此外，得到的海綿鐵的質量也穩(wěn)定。但是，此關系由于本質上是以反應速度為基礎的關系，還原劑層變薄可能成為層厚管理困難的原因，因此期待著層厚控制技術的提高的同時，緩解上述的限制。
從還原劑合格率的觀點看，希望不增加碳量/氧量(摩爾比)。摩爾比小于2.0的話，與現(xiàn)有圓筒形填充方式相比有優(yōu)點，希望在1.8以下。
如圖6所示，在容器內的外周部位或軸心部位設有還原劑層的情況下，僅規(guī)定容器內整體的碳量/氧量(摩爾比)，把還原劑層和氧化鐵層的層厚比作為設計的目標是否充分，本發(fā)明人等認為有必要進行研究。
所以本發(fā)明人等對把反應容器內原料堆積層部分(圓筒形的中間部分)的還原劑需要量作為氧化鐵和還原劑的層厚比，是否能發(fā)現(xiàn)還原行為有什么變化趨勢進行了試驗研究。
下面說明此試驗及其結果。
也就是，使在填充到反應容器中的還原劑中的碳量對氧化鐵中氧量的摩爾比固定為1.2，把反應容器壁附近(外周部位)和軸中心部位的還原劑部分取出，對所謂的兩者層狀堆積部分進行了改變還原劑中碳量對氧化鐵中氧量的試驗。
試驗與上述的試驗相同，以水平填充方式替代使用。圖10表示試驗使用的填充方式的斷面示意圖。覆蓋圓筒形中間部分的上面和下面的還原劑層，也包括于它的中間部分。原料和試驗條件與前面的試驗相同。
圖11為表示對于不同的幾個氧化鐵層厚的碳量/氧量(摩爾比)的還原時間變化圖示。圖中的圓點(●)為未設外周部位和軸心部位的還原劑層的用圖8疊層方式情況下的值。
如圖11所示，使氧化鐵層的厚度為60mm(試驗例11菱形標記(◆))、50mm(試驗例12方形標記(■))、30mm(試驗例1 3三角形標記▲)、20mm(試驗例14×形標記)的4個標準進行還原。其結果可以看出，利用使氧化鐵層減薄可以使還原時間縮短，以及碳量/氧量(摩爾比)在0.5以上的話，還原時間幾乎是一定的，但小于0.5的情況下還原時間變長。
因此，可以看出，為了最大限度地確保容器整體的碳量/氧量(摩爾比)在1.2以上的效果，希望使螺旋填充層部分(交替填充部分)的上述圓筒形中間部分的碳量/氧量(摩爾比)在0.5以上。
為了確認這一點，使上述圓筒形中間部分的還原劑中碳量對氧化鐵中的氧量的摩爾比固定為0.8，進行了改變填充在反應容器的軸心部分和外周部分的還原劑量的試驗。關于試驗的結果，在圖12中，以還原時間相對于反應容器整體的填充的全碳量/全氧量(摩爾比)的變化曲線表示。所用的標號與圖11相同的板原相對應。
從圖12可以看出，反應容器內整體的碳量/氧量的摩爾比在1.2以上的話，還原時間幾乎固定不變，小于1.2的情況下還原時間變長。
但是，如已經(jīng)說明的那樣，即使小于1.2，在1.1以上，希望在1.15以上，也能充分得到本發(fā)明的效果。
總之，在本發(fā)明中，當向反應容器11內交替層狀填充(螺旋形交替填充等)氧化鐵和還原劑時，使這些原料在包括此反應容器11內的軸心部分、外周部分和圓筒形中間部分的反應容器11內整體的氧化鐵和還原劑的裝入比例，設還原劑中全碳量對氧化鐵中的氧量的比例為摩爾比，希望在1.1以上，更希望在1.15以上，最好在1.2以上。
另外，關于把原料填充成螺旋層狀的上述圓筒形中間部分的氧化鐵和還原劑的層厚比，把還原劑中的碳量對氧化鐵中的氧量的比例用摩爾比表示時，希望在0.5以上。
(實施例1)在此實施例中，設定如表1所示的各試驗標準，用適合于上述標準的方法把氧化物層和還原劑層填充到SiC制的反應容器11內，進行粗還原處理，制造了海綿鐵。也就是，表中的標準A～C和H為圖1所示圓筒形填充方法的示例，標準D～F為圖6所示的螺旋形交替填充方法的示例，標準G為水平交替填充方法的示例。
其中所謂的標準A、D填充量的增加量20％是指在反應容器11中的軋制的氧化皮的層厚合計增加20％，所謂的水平B、E填充量的增加量40％是指在反應容器11中的軋制的氧化皮的層厚合計增加40％，所謂的水平C、F填充量的增加量60％是指在反應容器11中的軋制的氧化皮的層厚合計增加60％。各條件的詳細內容記載在表2中。在這些條件下，對填充的各標準進行研究，找出了填充方法、適合的層厚和純度。
在此試驗中，主要原料的氧化鐵使用把熱軋工序中產生的氧化鐵皮干燥后破碎篩選，經(jīng)調整得到通過60μm篩孔的顆粒約占40質量％的軋制的氧化皮粉末(確認平均粒徑在0.05mm～10mm之間)。此外，輔料的還原劑使用石灰石粉末和碳質粉末的混合物。碳質粉末是把焦炭和無煙煤以約7∶3的比例混合后使用，焦炭使用平均粒徑為85μm的焦炭，無煙煤使用平均粒徑為2.4mm的無煙煤。此外，添加相對還原劑粉末為約14質量％的平均粒徑80μm的石灰石粉末。
反應容器為內徑400mm的圓筒形容器，在圓筒形填充的情況下，填充氧化鐵層，填充成外徑為320mm、厚度為表2的各數(shù)值、高度(軸向)約1500mm的圓筒形。螺旋形填充的情況下，形成軸心部分直徑約80mm、外周部分的厚度約15mm的還原劑層，其余的圓筒形中間部分按表2進行螺旋交替填充，填充到高度(軸向)約1500mm。容器內和圓筒形中間部分的碳量/氧量(摩爾比)分別為1.2以上和0.5以上。
表1

表2

水平交替填充是為了確認填充效率的目的進行的。也就是，使用與螺旋形交替填充相同的原料裝入裝置，僅填充氧化鐵粉末和還原劑粉末中的任一種，同時使旋轉裝入筒旋轉，把此旋轉裝入筒提升后，用同樣的方法填充另一種粉末，反復實施上述順序的操作。如表1所示，水平交替填充不能連續(xù)填充，與圓筒形填充、螺旋交替填充相比填充時間長。在螺旋交替填充的情況下，填充時間可以縮得最短。
把按各試驗標準填充了原料的各個反應容器11放在同一個臺車上，裝入隧道爐。裝入的臺車大約用1天時間通過預熱帶區(qū)(200℃～900℃)，要用大約3天時間通過燒結帶區(qū)(1150℃)。此后約用1天時間通過冷卻帶區(qū)(200℃～900℃)，使臺車從隧道爐出爐，再從容器中把海綿鐵取出，測定了它的純度。此外，所有的海綿鐵重量都在200kg以上。
海綿鐵的純度利用氧分析法求出的化學成分，換算成金屬鐵的含量求出。其結果示于圖13。
如圖13所示，螺旋交替填充(陰影線)的情況下，發(fā)現(xiàn)氧化鐵層的層厚一直到60mm還原良好，也就是生產率提高量到40％還原良好，得到純度超過97質量％或98質量％的高純度海綿鐵，可以通過調整層厚使生產率增加現(xiàn)有技術的40％。另一方面圓筒形填充的情況下，以提高生產率20％為目標的話，層厚要達到75mm之厚，純度也為95.65質量％，生產率的提高不可能達到螺旋交替填充的程度。
(實施例2)用下述的發(fā)明例1～5和現(xiàn)有例1的方法制造了海綿鐵。另外，填充方式實際采用圖3A，碳量/氧量(摩爾比)在1.2以上。
在此實施例中，以使氧化鐵層厚為50mm、還原劑層厚為50mm的等厚比，螺旋交替填充在反應容器內。使用的反應容器為高度1.8m、內徑40cm的圓筒形容器。還原劑粉末使用在粒徑在1mm以下的焦炭粉末中混合16質量％的石灰石(平均粒徑約95μm)的混合物。此外，氧化鐵粉末使用把破碎到0.1mm以下的軋制的氧化皮(粉碎后過篩，經(jīng)調整得到通過60μm篩孔的顆粒約占40質量％)。軋制的氧化皮粉末、焦炭粉末平均直徑都在0.05mm～10mm范圍內。
原料裝入裝置使用圖4A所示的原料裝入裝置，把氧化鐵粉末排出口15的開口高度調整到50mm，把還原劑粉末排出口16的開口高度調整到50mm，以旋轉裝入筒14b的旋轉速度為每分鐘4轉，上升速度為400mm/分鐘進行填充。
填充的結果，得到氧化鐵層厚50mm、固體還原劑層厚50mm的17圈的螺旋交替填充層。此時的氧化鐵的填充量為339kg。
在此實施例中，以使氧化鐵層厚為35mm、還原劑層厚為65mm的等厚比，螺旋交替填充在反應容器內。使用與發(fā)明例1相同的反應容器、原料粉末和原料裝入裝置，填充氧化鐵和固體還原劑。把氧化鐵粉末排出口15的開口高度調整到35mm，把還原劑粉末排出口16的開口高度調整到65mm，以旋轉裝入筒14b的旋轉速度為每分鐘4轉，上升速度為400mm/分鐘進行填充。
填充的結果，得到氧化鐵層厚35mm、固體還原劑層厚65mm的17圈的螺旋交替填充層。此時的氧化鐵的填充量為237kg。
在此實施例中，是以使氧化鐵層厚為60mm、還原劑層厚為40mm的等厚比，螺旋交替填充在反應容器內的示例。使用與發(fā)明例1相同的反應容器、原料粉末和原料裝入裝置，填充氧化鐵和還原劑。把氧化鐵粉末排出口15的開口高度調整到60mm，把還原劑粉末排出口16的開口高度調整到40mm，以旋轉裝入筒14b的旋轉速度為每分鐘4轉，上升速度為400mm/分鐘進行填充。
填充的結果，得到氧化鐵層厚60mm、固體還原劑層厚50mm的17圈的螺旋交替填充層。此時的氧化鐵的填充量為406kg。
在此實施例中，是以使氧化鐵層厚為25mm、還原劑層厚為25mm的等厚比，螺旋交替填充在反應容器內的示例。使用與發(fā)明例1相同的反應容器、原料粉末和原料裝入裝置填充氧化鐵和還原劑。把氧化鐵粉末排出口15的開口高度調整到25mm，把還原劑粉末排出口16的開口高度調整到25mm，以旋轉裝入筒14b的旋轉速度為每分鐘4轉，上升速度為200mm/分鐘進行填充。
填充的結果得到氧化鐵層厚25mm、固體還原劑層厚25mm的34圈的螺旋交替填充層。此時的氧化鐵的填充量為339kg。
在此實施例中，是以使氧化鐵層厚為57.5mm、還原劑層厚為50mm填充在反應容器內的示例。使用與發(fā)明例1相同的反應容器、原料粉末和原料裝入裝置，填充氧化鐵和還原劑。把氧化鐵粉末排出口15的開口高度調整到57.5mm，把還原劑粉末排出口16的開口高度調整到50mm，以旋轉裝入筒14b的旋轉速度為每分鐘4轉，上升速度為430mm/分鐘進行填充。
填充的結果，得到氧化鐵層厚57.5mm、固體還原劑層厚50mm的16圈的螺旋交替填充層。此時的氧化鐵的填充量為366kg。
此例是根據(jù)圖1所示的現(xiàn)有方法進行圓筒形填充的示例，使用與例1相同的反應容器，形成厚度57.5mm、外徑φ310mm的圓筒形氧化鐵粉末層，同時在此氧化鐵層周圍(包括圓筒內部)填充還原劑粉末。使用與發(fā)明例1相同的反應容器和原料粉末。容器內的碳量/氧量(摩爾比)約為2.2。
還原處理使用隧道爐進行，調查了還原所需要的時間。
把上述的結果匯總示于表3。
其中，所謂還原所需要的時間是指，為了得到純度95％以上的海綿鐵在燒結帶區(qū)(1150℃)保持的時間。此外，所謂單位時間的生產率用還原所需要的時間去除裝入的氧化鐵重量的值。
從表3的結果可以看出，在本發(fā)明方法的情況與現(xiàn)有方法相比，能大幅度提高生產率。
表3

(實施例3)[發(fā)明例6]使用在圖4A中所示的原料裝入裝置，在反應容器11底部堆積30mm厚的還原劑粉末13(焦炭粉)。在它的上面通過使具有氧化鐵粉末排出口15和還原劑粉末排出口16的旋轉裝入筒14b邊旋轉邊順序向上壓，在反應容器內以螺旋形交替方式連續(xù)填充成厚度40mm的氧化鐵粉末12(軋制的氧化皮)和厚度50mm的還原劑粉末13。最后，在反應容器11的上端填充還原劑粉末(焦炭粉)13。利用這樣的填充，還原劑中的碳量和氧化鐵中的氧量的摩爾比為1.6。除了上述以外的條件與實施例2相同。
使用圖8所示的水平填充方式進行同樣的填充。此例的填充程序是首先在圖4A的原料裝入裝置14中在反應容器11的底部填充50mm厚的還原劑粉末(焦炭粉)13，然后在它的上面卸下并堆積40mm厚的氧化鐵粉末(軋制的氧化皮)12，用這樣的填充程序反復填充直到反應容器1的上端。在反應容器11的上端填充還原劑粉末(焦炭粉)13。利用這樣的填充，還原劑中的碳量和氧化鐵中的氧量的摩爾比為1.6。
使用圖1A、B所示圓筒形填充方式進行同樣的填充。除了使碳量/氧量(摩爾比)為2.5以外，條件與實施例2的現(xiàn)有例1相同。
然后，把填充了原料的上述耐火材料制的反應容器11放在臺車上，利用使它通過隧道爐進行氧化鐵的加熱、還原。使用的隧道爐全長100m，其中中間部位的40m區(qū)域的氣氛溫度被調整到1150℃。在這樣的條件下，進行制造鐵的比例為97質量％的海綿鐵的操作，其結果匯總表示在表4中。
從表4可以看出，在本發(fā)明的實施例中，臺車速度為1.3m/hr，與現(xiàn)有例的1.1m/hr相比快了18％。填充的軋制的氧化皮量為256kg/容器，與現(xiàn)有例的220kg相比增加了16％。其結果，生產率提高了38％。不僅如此，加熱需要的單位質量海綿鐵的熱量可以從11470MJ/ton減少至8820MJ/ton，減少了約30％。
表4

(實施例4)使用圖5所示的原料裝入裝置，制造海綿鐵。使用的原料與實施例2相同。卸出部分14c為半圓形(中心角約為180°的扇形)。使用內徑400mm、高2000mm的反應容器，熔融附著的反應生成渣造成的凸起部分(最高高度約20mm)有意不除去，插入旋轉裝入筒。旋轉裝入筒主體的外形為310mm(容器內徑的77.5％)、卸出部分的平面斷面中假想圓的直徑為360mm(容器內徑的90％)。
旋轉裝入筒的前端即使與上述凸起部分和反應容器輕輕接觸，可以向相反一側移動，所以反應容器的最下端可以毫無問題地插入，原料粉的插入不是問題。在反應容器中可以毫無問題地填充260kg的氧化鐵粉末(氧化鐵層厚50mm、還原劑層厚30mm)。
填充后，用隧道爐進行與實施例2相同的還原，沒有特別的問題，可以得到純度95質量％以上的螺旋形的海綿鐵塊。
(實施例5)利用以下的發(fā)明例7～11、比較例2和現(xiàn)有例3的方法制造了海綿鐵。填充方式按圖6。
在此實施例中，主要原料的氧化鐵粉末使用軋制的氧化皮和鐵礦石粉末，適當?shù)仄扑楹驼{整粒度。還原劑粉末是把從焦炭粉、木炭、煤粉、木炭粉等單獨或混合物中任1種以上的材料進行適當?shù)仄扑楹驼{整粒度后使用。使平均粒徑都在70μm～90μm范圍內。
使用具有圖14所示的旋轉裝入筒的裝置，當操作開始時，首先在反應容器11的底部鋪設還原劑粉末13，使原料裝入裝置14的旋轉裝入筒14b旋轉，同時以一定的速度提升，成螺旋形交替狀把氧化鐵粉末12和還原劑粉末13裝在它的上面，一直進行到容器1的上端。而在反應容器11內的頂部填充覆蓋還原劑粉末13。為了取出制品(海綿鐵)和防止海綿鐵附著在容器上，而且為了提高反應氣體的擴散效率，軸心部分和容器壁附近的外周部分只填充還原劑。
此例是圖1所示的現(xiàn)有填充方法。也就是在耐火材料制的反應容器1(內徑400mm、長度1800mm)內填充外徑310mm內徑200mm、長度1600mm的氧化鐵層(但是，其他的部位是還原劑)。使容器內的碳量/氧量(摩爾比)為2.2時，目標純度為97.0質量％的還原時間(1150℃、以下相同)為53小時。
在此例中，采用螺旋形交替填充方式，使氧化鐵為外徑390mm、內徑60mm、層厚60mm的螺旋形，使還原劑為層厚45mm、其余相同的螺旋形，兩者同時填充。在圓筒形中間部分的氧化鐵和還原劑的碳量/氧量(摩爾比)為0.8，整個填充原料中的碳量/氧量(摩爾比)為1.2。在此例中，首先，填充量比現(xiàn)有例3增加了35％，還原時間到60小時停止。海綿鐵附著在容器的內面，可以很容易地取出。
在此例中，采用螺旋形交替填充方式，使氧化鐵為外徑365mm、內徑100mm、層厚60mm的螺旋形，使還原劑為層厚28mm、其余相同的螺旋形，兩者同時填充。在圓筒形中間部分的氧化鐵和還原劑的碳量/氧量(摩爾比)為0.5，對整個填充的摩爾比為1.2。在此例中，首先，填充量比現(xiàn)有例3增加了35％，還原時間到59小時停止。海綿鐵附著在容器的內面，可以很容易地取出。
在此例中，采用螺旋形交替填充方式，使氧化鐵為外徑350mm、內徑100mm、層厚60mm的螺旋形，使還原鐵為層厚17mm、其余相同的螺旋形，兩者同時填充。在圓筒形中間部分的氧化鐵和還原劑的碳量/氧量(摩爾比)為0.3，對整個填充的摩爾比為1.2。在此例中，首先，填充量比現(xiàn)有例1增加了35％，還原時間用了70小時。海綿鐵附著在容器的內面，可以很容易地取出。但是，即使考慮到增加產量分額，還原時間也與現(xiàn)有方法3是同等的程度。
在此例中，采用螺旋形交替填充方式，使氧化鐵為外徑375mm、內徑100mm、層厚60mm的螺旋形，使還原劑為層厚45mm、其余相同的螺旋形，兩者同時填充。在圓筒形中間部分的氧化鐵和還原劑的碳量/氧量(摩爾比)為0.8，對整個填充的摩爾比為1.5。在此例中，首先，填充量比現(xiàn)有例3增加了20％，還原時間到59小時停止。海綿鐵附著在容器的內面，可以很容易地取出。容器內碳量/氧量(摩爾比)低的發(fā)明例7單位還原時間的生產率高，即使是本例也得到比現(xiàn)有的方法更好的結果。
在此例中，采用螺旋形交替填充方式，使氧化鐵為外徑395mm、內徑40mm、層厚60mm的螺旋形，使還原劑為層厚45mm、其余相同的螺旋形，兩者同時填充。在圓筒形中間部分的氧化鐵和還原劑的碳量/氧量(摩爾比)為0.8，對整個填充的摩爾比為1.1。填充量比現(xiàn)有例3增加了40％，還原時間用了78小時。海綿鐵附著在容器的內面，可以很容易地取出。在此例中，還原時間稍稍延長，即使考慮增加產量分額，還原時間也與現(xiàn)有方法3是同等的程度。
以上的結果匯總表示在表5中。
表5

*)氧化鐵重量(相對比值)/還原時間(h)產業(yè)上利用的可能性如以上說明的那樣，采用本發(fā)明的話，通過采用螺旋形交替填充技術，可以在確保高生產率和高質量(例如純度在97％以上)的基礎上生產海綿鐵。而且，由于可以任意、容易而且迅速地改變向反應容器內填充原料的構成，所以容易調整質量、產量、還原時間等，可以實現(xiàn)使生產率顯著提高。進而可以便宜地制造高純度的海綿鐵。
權利要求
1.一種海綿鐵的制造方法，具有把氧化鐵粉末和還原劑粉末裝入到反應容器內的裝入工序、和從所述反應容器外加熱，使所述反應容器內的所述氧化鐵粉末還原，制成塊狀海綿鐵的還原工序，在所述裝入工序中，裝入所述氧化鐵粉末和所述還原劑粉末，堆積成相互交錯而且成螺旋形的層。
2.如權利要求1所述的海綿鐵的制造方法，在所述裝入工序中，以在所述反應容器內的容器側面(稱為外周部分)和垂直中心軸部分形成由還原劑粉末構成的層，同時在除此層以外的其余部分(稱為中間部分)形成所述相互交錯而且成螺旋形的層的方式進行裝入。
3.如權利要求1所述的海綿鐵的制造方法，所述氧化鐵粉末使用從鐵礦石、氧化鐵皮和從酸洗廢液中回收的氧化鐵粉中選擇的至少一種粉末。
4.如權利要求1所述的海綿鐵的制造方法，所述還原劑粉末使用從焦炭、木炭和煤中選擇的至少一種粉末。
5.如權利要求1所述的海綿鐵的制造方法，在所述還原劑粉末中添加二氧化碳氣體生成源。
6.如權利要求1所述的海綿鐵的制造方法，在所述還原工序中，使所述加熱溫度在1000℃以上1300℃以下。
7.如權利要求1所述的海綿鐵的制造方法，在所述裝入工序中，形成螺旋形層時，控制氧化鐵粉末的層和還原劑粉末的層的層厚可以改變。
8.如權利要求1所述的海綿鐵的制造方法，在所述裝入工序中，把所述反應容器內的所述氧化鐵粉末的量和所述還原劑粉末的量控制成在所述還原劑粉末中所含的碳量相對于所述氧化鐵粉末中所含的氧量的摩爾比在1.1以上。
9.如權利要求2所述的海綿鐵的制造方法，在所述裝入工序中，把所述反應容器內的所述氧化鐵粉末的量和所述還原劑粉末的量控制成在所述還原劑粉末中所含的碳量相對于所述氧化鐵粉末中所含的氧量的摩爾比在1.1以上。
10.如權利要求9所述的海綿鐵的制造方法，在所述裝入工序中，把所述中間部分的所述氧化鐵粉末的量和所述還原劑粉末的量控制成在所述還原劑粉末中所含的碳量相對于含在所述氧化鐵粉末中所含的氧量的摩爾比在0.5以上。
11.一種把用權利要求1所述的方法制造的海綿鐵粉碎后還原，然后再粉碎的還原鐵粉的制造方法。
12.一種呈螺旋(helix)狀成塊的海綿鐵。
13.如權利要求12所述的海綿鐵，金屬鐵含量在97質量％以上。
14.一種海綿鐵制造用原料的裝入裝置，即在容器內裝入氧化鐵粉末和還原劑粉末的裝入裝置，具有插入到所述容器內，在容器內可以旋轉并上下移動的插入部分、和設置在所述插入部分下端，可以與所述插入部分一起旋轉的氧化鐵粉末排出口和還原劑排出口。
15.如權利要求14所述的制造海綿鐵用原料的裝入裝置，所述氧化鐵粉末排出口和所述還原劑粉末排出口的開口面積可以改變。
16.如權利要求14所述的制造海綿鐵用原料的裝入裝置，所述插入部分，具有其直徑為所述容器內徑的85％以下的圓筒形主體部分、以及由其直徑為所述容器內徑的90～95％的水平斷面為圓形的圓筒的一部分構成的下端部分，而且所述下端部分的水平斷面形狀為含有所述圓的中心和部分圓周的扇形，或包括此扇形的形狀。
全文摘要
本發(fā)明提出一種使氧化鐵粉末和還原劑粉末以交替而且成螺旋形堆積的方式裝入反應容器內，利用進行還原處理、氣體反應效率高、而且不僅質量高、生產率高，還不受還原時間制約可以調整裝入量、在調整生產上有利的海棉鐵制造方法和裝入裝置的方法。希望還原劑中的碳量對反應容器內氧化鐵中的氧量的摩爾比在1.1以上。
文檔編號C21B13/00GK1697885SQ20048000015
公開日2005年11月16日 申請日期2004年1月29日 優(yōu)先權日2003年1月31日
發(fā)明者鈴木良知, 園部秋夫, 黑木隆, 阪口泰彥, 板谷宏, 三角四雄, 船津功 申請人:杰富意鋼鐵株式會社