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炭材内装多孔質鉱石およびその製造方法 UPDATE

国内特許コード P190015874
整理番号 S2017-0851-N0
掲載日 2019年2月25日
出願番号 特願2017-121257
公開番号 特開2019-007036
出願日 平成29年6月21日(2017.6.21)
公開日 平成31年1月17日(2019.1.17)
発明者
  • 秋山 友宏
  • 能村 貴宏
  • 阿部 圭佑
  • 大橋 功一
  • アデ クルニアワン
出願人
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 炭材内装多孔質鉱石およびその製造方法 UPDATE
発明の概要 【課題】鉄鉱石の完全還元を可能とするレベルの炭素を含有する炭材内装多孔質鉱石を提供すること、および、炭材内装鉱石の短時間還元を実現すること。
【解決手段】本発明に係る炭材内装多孔質鉱石の製造方法で得られた炭素12を析出させた炭材内装多孔質鉱石10を酸素含有雰囲気中で熱処理すると、先ず表面に析出した炭素12が酸素と反応して熱を発生させる。その熱は鉱石内部に伝わり、細孔に充填されている炭素12の酸化を促進する。つまり、炭材内装多孔質鉱石が含有する炭素を利用した燃焼で発生した熱(Q4kJ)で、Q3kJ分の吸熱量を自己補償する。最終的には、局所的には炭素12や酸化鉄13が残留するものの、金属鉄を主成分とする鉱石が得られる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


近年、製鉄原料である鉄鉱石は、鉄を60%以上含有する高品位のものの資源が減少してきている。このような事情に伴い、その代替として、また、高品位鉄鉱石よりも安価であるという事情もあり、劣質鉱石である結晶水含有鉱石の使用量は益々増える傾向にある。結晶水含有鉱石を製鉄原料に用いた場合、酸化鉄の還元に時間がかかるだけでなく、還元剤であるコークスの消費量も増加する。



このような背景のもと、結晶水含有鉱石を製鉄原料として利用することを目的として、鉱石と炭材とが近接配置する炭材内装鉱石が注目されはじめた。この炭材内装鉱石を用いることとすると、低温還元が可能なために焼結などの高温前処理が不要となり、粉鉱石や炭材粉を利用できることに加え、炭材と鉱石粉を密に混合できるために生産性が向上する等の利点があることから、様々な炭材内装鉱石の製造法が提案され、また、炭材内装鉱石を用いた焼結プロセスを経ない還元方法についても検討がなされてきている。



例えば、高炉用装入原料としての炭材内装塊成化物の製造方法の発明を開示する特開2007-77484号公報(特許文献1)には、複数種類の鉄含有原料(鉄鉱石)を配合してなる粉状配合鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材(粉状石炭)との混合物を熱間成型して炭材内装塊成化物を製造する方法であって、マラマンバ鉱石やピソライト鉱石などの劣質鉱石を粉状配合鉄含有原料の配合原料として使用しても、炭材内装塊成化物の強度および被還元性をともに維持ないし向上しうる製造方法が開示されている。



この方法では、粉状配合鉄含有原料の比表面積を調整することにより、マラマンバ鉱石やピソライト鉱石などの劣質鉱石を粉状配合鉄含有原料の配合原料として使用しても、炭材内装塊成化物の強度および被還元性をともに維持ないし向上することができ、高炉への装入原料に適した炭材内装塊成化物を安価に製造することができるとされる。



しかし、特許文献1に開示の方法では、鉄鉱石は必要により粉砕されて最頻粒径が50μm程度の粉状配合鉄鉱石とされ、石炭も同様に必要により粉砕されて上記粉状配合鉄鉱石よりも最頻粒径が小さな粉状石炭とされるため、鉱石と炭材を粉砕する工程が必要になることに加え、鉱石と炭材の接触部分はμmオーダに留まり、鉄鉱石の完全還元を可能とするレベルの炭素を含有する炭材内装多孔質鉱石とするには十分とは言えない。



また、特開2008-95175号公報(特許文献2)は、製鉄・製鋼に用いる鉱石を処理する鉱石処理方法を開示する特許文献であり、「特定の元素の酸化物を含有する多孔質鉱石に、有機化合物を含む有機液体又は有機ガスを接触させることによって、有機化合物を前記多孔質鉱石に付着させることを特徴とする鉱石処理方法。」の発明を開示している。



特許文献2に開示の鉱石処理方法では、まず、結晶水を含有する鉱石を加熱し、結晶水を水蒸気として脱水させることによって、鉱石を多孔質化させた多孔質鉱石を生成する。次に、バイオマス資源等の有機物を乾溜した乾溜ガス、又はコールタール等の有機液体に多孔質鉱石を接触させ、タール等の有機化合物が付着した多孔質鉱石を生成する。更に、有機化合物が付着した多孔質鉱石を不活性雰囲気下で加熱し、含有する有用元素の酸化物が有機化合物中の炭素によって還元された鉱石を生成する。



特許文献2に開示の方法で得られる多孔質鉱石の平均細孔径は4nmとされ、この細孔壁に有機化合物の分子を付着させているが、その付着量(炭素析出量)は4wt%程度であり、この程度の炭素析出量では、鉄への完全還元は原理的に不可能である。



さらに、低品位の鉄鉱石と低品位の炭材を用いて還元鉄が得られる塊成物を製造する方法を開示する特開2012-62505号公報(特許文献3)には、「鉄鉱石と炭材を含む混合物を塊成化して製鉄用の塊成物を製造する方法であって、前記鉄鉱石として、結晶水を5質量%以上含有する鉄鉱石を加熱して脱水した脱水鉄鉱石、前記炭材として、沸点が200~500℃の物質を20質量%以上含む炭材を準備し、これらの混合物を塊成化することを特徴とする塊成物の製造方法」が開示されている。



この方法によれば、結晶水含有鉄鉱石を脱水することにより、鉄鉱石には開口直径が理想的には0.8nm程度の空隙が形成され、この空隙に炭材が吸着するため、鉱石と炭材のナノレベルでの近接が実現し、低温での高速還元が可能となるという利点がある。しかし、特許文献3に開示の方法によれば、追加還元剤および還元の熱補償用燃料が不要となるレベルの炭素析出量である18wt%以上の炭素析出が可能となる旨の記載まではなく、鉄鉱石の完全還元を達成することはできない。



ところで、結晶水含有鉱石のひとつにゲーサイト(α-FeOOH)鉱石がある。このゲーサイト鉱石は針鉄鉱とも呼ばれる水酸化鉱物の一種であり、鱗鉄鉱(γ-FeOOH)とともにいわゆる褐鉄鉱の主成分をなる鉱石であって、高品位鉄鉱石の代替材料として期待されている。



ゲーサイト鉱石は粉化し易く、高炉に投入するためには、コークスを用いた焼結プロセスにより粗大化する必要があるが、コークスそのものが石炭を高温で長時間蒸し焼きにして作製されるものであることに加え、上記の焼結プロセスそのものも1200℃以上の高温を長時間(20時間程度)必要とすることから、ゲーサイト鉱石を粗大化するための焼結プロセスは、極めて多くのエネルギを消費するプロセスとならざるを得ない。



また、ゲーサイト鉱石に上述した従来方法を適用しても、含有させることのできる炭素量には限界があり、鉄鉱石の完全還元に求められる18wt%以上を達成することができない。

産業上の利用分野


本発明は炭材内装多孔質鉱石に関し、より詳細には、鉄鉱石の完全還元を可能とするレベルの炭素を含有する炭材内装多孔質鉱石およびその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
内部に複数の細孔を有する多孔質鉱石であって、前記細孔の内径はナノメートルレベルであってその内部に炭材が充填されており、前記多孔質鉱石の表面は炭材で被覆されており、炭素含有量が18wt%以上である、
炭材内装多孔質鉱石。

【請求項2】
前記多孔質鉱石は多孔質のゲーサイト鉱石である、請求項1に記載の炭材内装多孔質鉱石。

【請求項3】
下記の工程を備えている炭材内装多孔質鉱石の製造方法。
工程1:結晶水含有鉱石を加熱して結晶水を脱離させ、該鉱石内部に内径がナノメートルレベルの細孔を形成する工程
工程2:工程1を経た鉱石をタール含有溶液中に含浸して、前記鉱石の表面をタール成分で被覆するとともに、前記細孔の内部にタール成分を充填する工程
工程3:工程2を経た鉱石を熱処理して、前記タール成分を炭化する工程

【請求項4】
前記工程1の加熱温度は800℃以下である、請求項3に記載の炭材内装多孔質鉱石の製造方法。

【請求項5】
前記工程3は不活性ガス中において500℃以下の温度で実行する、請求項3に記載の炭材内装多孔質鉱石の製造方法。

【請求項6】
前記結晶水含有鉱石はゲーサイト鉱石である、請求項3~5の何れか1項に記載の炭材内装多孔質鉱石の製造方法。

【請求項7】
下記の工程を備えている結晶水含有鉱石の還元方法。
工程1:結晶水含有鉱石を加熱して結晶水を脱離させ、該鉱石内部に内径がナノメートルレベルの細孔を形成する工程
工程2:工程1を経た鉱石をタール含有溶液中に含浸して、前記鉱石の表面をタール成分で被覆するとともに、前記細孔の内部にタール成分を充填する工程
工程3:工程2を経た鉱石を熱処理して、前記タール成分を炭化する工程
工程4:工程3を経た鉱石を熱処理して、前記炭化成分の燃焼熱を利用して前記鉱石を還元する工程

【請求項8】
前記工程1の加熱温度は800℃以下である、請求項7に記載の結晶水含有鉱石の還元方法。

【請求項9】
前記工程3は不活性ガス中において500℃以下の温度で実行する、請求項7に記載の結晶水含有鉱石の還元方法。

【請求項10】
前記工程4は1000℃以下の温度で実行される、請求項7に記載の結晶水含有鉱石の還元方法。

【請求項11】
前記結晶水含有鉱石はゲーサイト鉱石である、請求項7~10の何れか1項に記載の炭材内装多孔質鉱石の還元方法。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 公開
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