知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-04
(45)【発行日】2024-06-12
(54)【発明の名称】塊成鉱及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
C22B 1/243 20060101AFI20240605BHJP
C22B 1/14 20060101ALI20240605BHJP
C21B 15/00 20060101ALI20240605BHJP
【ＦＩ】
C22B1/243
C22B1/14
C21B15/00
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2023549746
(86)(22)【出願日】2022-09-22
(86)【国際出願番号】 JP2022035380
(87)【国際公開番号】W WO2023048232
(87)【国際公開日】2023-03-30
【審査請求日】2024-03-21
(31)【優先権主張番号】P 2021155671
(32)【優先日】2021-09-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100217249
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 耕一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100221279
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 健吾
(74)【代理人】
【識別番号】100207686
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 恭宏
(74)【代理人】
【識別番号】100224812
【弁理士】
【氏名又は名称】井口 翔太
(72)【発明者】
【氏名】水谷 守利
【審査官】中西 哲也
(56)【参考文献】
【文献】特開平０７－３１６６７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５８－１１７８３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－００７４１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２９１８１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２６９９７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第００／０４９１８４（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２１Ｂ ３／００－１５／００
Ｃ２２Ｂ １／００－ ５／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数種類の粒子が混合された成型物である塊成鉱であって、前記複数種類の粒子は、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を少なくとも含み、
少なくとも一部の酸化鉄粒子は、前記塊成鉱の表層に露出しており、
前記塊成鉱の気孔率は、２０％以上４０％以下であり、
前記塊成鉱に含まれるトータル鉄の質量に対する、金属鉄と炭化鉄中の鉄との合計質量の割合は、４０質量％以上８０質量％以下であり、
炭化鉄粒子中の炭素を含む炭素濃度は、１．０質量％以上４．５質量％以下である、
ことを特徴とする塊成鉱。
【請求項2】
前記複数種類の粒子は、金属鉄粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の塊成鉱。【請求項3】
原料鉱石を還元することにより、トータル鉄の質量に対する、金属鉄と炭化鉄中の鉄との合計質量の割合が４０質量％以上８０質量％以下である還元鉱石を製造する還元工程と、前記還元鉱石を炭化することにより、炭素濃度が１．０質量％以上４．５質量％以下である炭化鉱石を製造する炭化工程と、
前記炭化鉱石を粉砕し、篩目が０．５ｍｍである篩網を用いて粉砕後の前記炭化鉱石を選別して、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を少なくとも製造する粉砕工程と、
少なくとも炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を混合して成型機によって成型することにより、気孔率が２０％以上４０％以下である塊成鉱を製造する成型工程と、
を有することを特徴とする塊成鉱の製造方法。
【請求項4】
前記粉砕工程では、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子に加えて、金属鉄粒子を製造することを特徴とする請求項３に記載の塊成鉱の製造方法。【請求項5】
１つのシャフト炉内において、前記還元工程及び前記炭化工程を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の塊成鉱の製造方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高炉で用いられる塊成鉱と、この塊成鉱の製造方法に関する。
本願は、２０２１年９月２４日に、日本に出願された特願２０２１－１５５６７１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０２１年９月２４日に、日本に出願された特願２０２１－１５５６７１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、直径１ｍｍ以下の粒子を気孔率が２０％以上４０％以下となるように塊成化した高炉用塊成鉱であって、塊成鉱の金属化率を４０質量％以上８０質量％以下とし、塊成鉱内部の金属化率の分布を均一とした高炉用塊成鉱が記載されている。この高炉用塊成鉱によれば、圧潰強度を高くできるとともに、優れた還元性が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】日本国特開２０１４－８０６４９号公報
【文献】日本国特開平８－２５３８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、従来の塊成鉱よりも被還元性に優れた塊成鉱を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
（１）本発明の態様１の塊成鉱は、複数種類の粒子が混合された成型物である塊成鉱であって、複数種類の粒子は、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を少なくとも含み、少なくとも一部の酸化鉄粒子は、塊成鉱の表層に露出している。塊成鉱の気孔率は、２０％以上４０％以下である。塊成鉱に含まれるトータル鉄の質量に対する、金属鉄と炭化鉄中の鉄との合計質量の割合は、４０質量％以上８０質量％以下である。炭化鉄粒子中の炭素を含む炭素濃度は、１．０質量％以上４．５質量％以下である。
【0006】
（２）本発明の態様２は、態様１の塊成鉱において、複数種類の粒子には、金属鉄粒子を含めることができる。
【0007】
（３）本発明の態様３の塊成鉱の製造方法は、還元工程、炭化工程、粉砕工程及び成型工程を有する。還元工程では、原料鉱石を還元することにより、トータル鉄の質量に対する、金属鉄と炭化鉄中の鉄との合計質量の割合が４０質量％以上８０質量％以下である還元鉱石を製造する。炭化工程では、還元鉱石を炭化することにより、炭素濃度が１．０質量％以上４．５質量％以下である炭化鉱石を製造する。粉砕工程では、炭化鉱石を粉砕し、篩目が０．５ｍｍである篩網を用いて粉砕後の前記炭化鉱石を選別して、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を少なくとも製造する。成型工程では、少なくとも炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を混合して成型機によって成型することにより、気孔率が２０％以上４０％以下である塊成鉱を製造する。
【0008】
（４）本発明の態様４は、態様３の塊成鉱の製造方法において、粉砕工程では、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子に加えて、金属鉄粒子を製造することができる。
（５）本発明の態様５は、態様３または態様４の塊成鉱の製造方法において、１つのシャフト炉内において、還元工程及び炭化工程を行うことができる。
（５）本発明の態様５は、態様３または態様４の塊成鉱の製造方法において、１つのシャフト炉内において、還元工程及び炭化工程を行うことができる。
【発明の効果】
【0009】
本開示の塊成鉱は、従来の塊成鉱よりも被還元性に優れている。また、本開示の塊成鉱の製造方法によれば、従来の塊成鉱よりも被還元性に優れた塊成鉱が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施形態である塊成鉱の製造方法を説明するフローチャートである。
【図2】還元工程によって製造された還元鉱石の内部構造を示す概略図である。
【図3】炭化工程によって製造された炭化鉱石の内部構造を示す概略図である。
【図4】シャフト炉を用いて還元工程及び炭化工程を行うシステム（一例）の概略図である。
【図5】シャフト炉を用いて還元工程及び炭化工程を行うシステム（一例）の概略図である。
【図6】粉砕工程によって製造された粒子（金属鉄粒子、酸化鉄粒子及び炭化鉄粒子）を示す概略図である。
【図7】成型工程によって製造された塊成鉱の内部構造を示す概略図である。
【図8】炭素濃度（実施例、比較例及び参考例）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
（塊成鉱の構成）
本実施形態に係る塊成鉱は、高炉で用いられるものであり、具体的には、焼結鉱、ペレット、塊鉱石といった鉄源と共に高炉に装入されるものである。本実施形態に係る塊成鉱は、以下の構成（Ａ）～（Ｆ）のすべてを有する。
本実施形態に係る塊成鉱は、高炉で用いられるものであり、具体的には、焼結鉱、ペレット、塊鉱石といった鉄源と共に高炉に装入されるものである。本実施形態に係る塊成鉱は、以下の構成（Ａ）～（Ｆ）のすべてを有する。
【0012】
（Ａ）塊成鉱は、複数種類の粒子が混合された成型物である。
（Ｂ）複数種類の粒子は、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を少なくとも含む。
（Ｃ）少なくとも一部の酸化鉄粒子は、塊成鉱の表層に露出している。
（Ｄ）塊成鉱の気孔率は、２０％以上４０％以下である。
（Ｅ）塊成鉱に含まれるトータル鉄の質量に対する、金属鉄と炭化鉄中の鉄との合計質量の割合は、４０質量％以上８０質量％以下である。
（Ｆ）炭化鉄粒子中の炭素を含む炭素濃度は、１．０質量％以上４．５質量％以下である。
（Ｂ）複数種類の粒子は、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を少なくとも含む。
（Ｃ）少なくとも一部の酸化鉄粒子は、塊成鉱の表層に露出している。
（Ｄ）塊成鉱の気孔率は、２０％以上４０％以下である。
（Ｅ）塊成鉱に含まれるトータル鉄の質量に対する、金属鉄と炭化鉄中の鉄との合計質量の割合は、４０質量％以上８０質量％以下である。
（Ｆ）炭化鉄粒子中の炭素を含む炭素濃度は、１．０質量％以上４．５質量％以下である。
【0013】
（構成Ａ～Ｃ）
本実施形態に係る塊成鉱は、複数種類の粒子を混合した混合物を成型機によって成型した成型物である。複数種類の粒子を混合しておき、この混合物に対して成型機によって圧縮力を与えることにより、成型物を得ることができる。成型物の形状は、特に限定されるものではないが、例えば、球状とすることができる。
本実施形態に係る塊成鉱は、複数種類の粒子を混合した混合物を成型機によって成型した成型物である。複数種類の粒子を混合しておき、この混合物に対して成型機によって圧縮力を与えることにより、成型物を得ることができる。成型物の形状は、特に限定されるものではないが、例えば、球状とすることができる。
【0014】
複数種類の粒子には、少なくとも炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子が含まれる。炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子のそれぞれの最大直径は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。「最大直径が０．５ｍｍ以下である粒子」とは、篩目が０．５ｍｍである篩を用いて篩い分けを行い得られた粒子をいう。篩目が０．５ｍｍ以下であっても、粒子の形状によっては、直径（粒径）が０．５ｍｍ以上となる粒子が含まれる場合がある。その場合も、全粒子の９５％の粒子の粒径が０．５ｍｍ以下であればよい。塊成鉱内の粒子を評価する方法として、例えば塊成鉱の断面を光学顕微鏡や電子顕微鏡と撮影すると共に、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）や電子プローブマイクロアナライザ―（ＥＰＭＡ）により各粒子の元素濃度を取得し、粒子の画像の輝度や元素濃度から炭化鉄粒子と酸化鉄粒子を特定し、さらに画像解析により全粒子の最大直径を計測する手法がある。各粒子の元素濃度が酸素濃度で５～２８％、鉄濃度で７２～９５％であれ酸化化鉄粒子と判定し、炭素濃度で１～６．７％、鉄濃度で９３．３～９９％であれば炭化鉄粒子として判定する。
【0015】
炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子の最大直径が０．５ｍｍよりも大きい場合（篩目の篩目が０．５ｍｍよりも大きい場合）には、炭化鉄粒子の存在によって、成型機での成型が容易ではなく、塊成鉱に所望の強度を持たせることが困難になる場合がある。また、後述するように、本実施形態に係る塊成鉱では、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子による直接還元反応（吸熱反応）を進行させることにより、高炉内の熱保存帯温度を低下させて、還元材比を低減することができる。ここで、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子の最大直径が０．５ｍｍよりも大きい場合（篩目の篩目が０．５ｍｍよりも大きい場合）には、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子による直接還元反応が進行しにくくなる。
【0016】
したがって、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子のそれぞれの最大直径を０．５ｍｍ以下とすることにより、塊成鉱の成型性及び強度をより向上することができるとともに、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子による直接還元反応を進行させやすくすることができる。
【0017】
上述した効果を達成する上では、本実施形態に係る塊成鉱を構成するすべての粒子（成型前の粒子）の最大直径を０．５ｍｍ以下とすることが好ましいが、上述のように直径(粒径)が０．５ｍｍよりも大きい粒子が塊成鉱に含まれていてもよい。具体的には、直径（粒径）が０．５ｍｍよりも大きい粒子の含有量が全粒子の質量に対して、５質量％以下であれば、上述した効果を達成することができる。
【0018】
塊成鉱には、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子の他に、金属鉄粒子が含まれていてもよい。金属鉄粒子の最大直径は、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子と同様に、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。即ち、金属鉄粒子は、篩目が０．５ｍｍである篩を用いて篩い分けを行い得られた粒子であることが好ましい。なお、上述した効果（塊成鉱の成型性及び強度の確保）が得られる限りにおいて、直径（粒径）が０．５ｍｍよりも大きい金属鉄粒子が塊成鉱に含まれていてもよい。ここで、直径が０．５ｍｍよりも大きい炭化鉄粒子、酸化鉄粒子及び金属鉄粒子の合計の含有量は、全粒子の質量に対して、５質量％以下であることが好ましい。
【0019】
本実施形態に係る塊成鉱には、上述した粒子（炭化鉄粒子、酸化鉄粒子、金属鉄粒子）の他に、バインダが含まれていてもよい。バインダとしては、セメント、生石灰、コーンスターチ等の非助燃性のバインダを用いることができる。
【0020】
本実施形態に係る塊成鉱は、少なくとも炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を混合した成型物であるため、炭化鉄粒子は、塊成鉱の表層に露出していたり、塊成鉱の内部で分散していたりする。同様に、酸化鉄粒子は、塊成鉱の表層に露出していたり、塊成鉱の内部で分散していたりする。酸化鉄粒子が塊成鉱の表層に露出していることにより、特許文献１と同様に、塊成鉱の被還元性を向上させることができる。
【0021】
また、本実施形態に係る塊成鉱の表層に露出する酸化鉄粒子は、高炉内を流通する還元ガスによる還元作用を受けることにより、酸素の脱離と、酸化鉄から金属鉄への化学変化とが発生し、密度の変化（５．９ｇ／ｃｍ３から７．８６ｇ／ｃｍ３への変化）によって、塊成鉱の表層に気孔が生成される。この気孔は、高炉内の還元ガスを塊成鉱の内部に導いて拡散させることができ、塊成鉱の内部に存在する酸化鉄粒子も還元させることができる。結果として、塊成鉱の被還元性を向上させることができ、還元材比を低減することができる。
【0022】
さらに、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を混合することにより、酸化鉄粒子の周囲に炭化鉄粒子を存在させ、酸化鉄粒子及び炭化鉄粒子を互いに接触させることができる。これにより、高炉内の８００℃以下の温度領域において、下記の化学反応式（Ａ）で示すように、炭化鉄及び酸化鉄による直接還元反応を進行させることができる。
Ｆｅ３Ｃ＋ＦｅＯ ＝ ４Ｆｅ＋ＣＯ・・・（Ａ）
Ｆｅ３Ｃ＋ＦｅＯ ＝ ４Ｆｅ＋ＣＯ・・・（Ａ）
【0023】
上述した直接還元反応は吸熱反応であるため、高炉内の熱保存帯温度を低下させて、還元材比を低減させることができる。また、直接還元反応で発生したＣＯガスは、高炉内において塊成鉱の周囲に存在する鉄源（焼結鉱、ペレット、塊鉱石など）を還元させることができる。
【0024】
（構成Ｄ）
塊成鉱の気孔率は、例えば、ＪＩＳ Ｍ８７１６（１９９０）の規定に準じて測定することができる。塊成鉱の気孔率を４０％よりも高くすると、成型物が崩壊しやすくなり、塊成鉱が所定形状を維持することができず、塊成鉱の被還元性が低下する。また、塊成鉱の気孔率を２０％よりも低くすると、成型物が緻密な構造となりやすく、成型機内で粒子が閉塞状態となってしまい、塊成鉱の被還元性が低下する。そこで、塊成鉱の気孔率を２０％以上４０％以下とすることにより、塊成鉱の被還元性を向上させることができる。
塊成鉱の気孔率は、例えば、ＪＩＳ Ｍ８７１６（１９９０）の規定に準じて測定することができる。塊成鉱の気孔率を４０％よりも高くすると、成型物が崩壊しやすくなり、塊成鉱が所定形状を維持することができず、塊成鉱の被還元性が低下する。また、塊成鉱の気孔率を２０％よりも低くすると、成型物が緻密な構造となりやすく、成型機内で粒子が閉塞状態となってしまい、塊成鉱の被還元性が低下する。そこで、塊成鉱の気孔率を２０％以上４０％以下とすることにより、塊成鉱の被還元性を向上させることができる。
【0025】
（構成Ｅ）
塊成鉱に含まれるトータル鉄Ｔ．Ｆｅの質量は、例えば、ＪＩＳ Ｍ８２０５（２０００）の規定に準じて測定することができる。金属鉄Ｍ．Ｆｅの質量と、炭化鉄Ｆｅ３Ｃに含まれる鉄Ｆｅの質量とは、例えば、ＪＩＳ Ｍ８２１３（１９９５）の規定に準じて測定することができる。ＪＩＳ Ｍ８２１３（１９９５）による測定方法では、金属鉄Ｍ．Ｆｅの質量と、炭化鉄Ｆｅ３Ｃに含まれる鉄Ｆｅの質量との合計量を測定することができ、金属鉄Ｍ．Ｆｅの質量と、炭化鉄Ｆｅ３Ｃに含まれる鉄Ｆｅの質量とを区別して測定することはできない。
塊成鉱に含まれるトータル鉄Ｔ．Ｆｅの質量は、例えば、ＪＩＳ Ｍ８２０５（２０００）の規定に準じて測定することができる。金属鉄Ｍ．Ｆｅの質量と、炭化鉄Ｆｅ３Ｃに含まれる鉄Ｆｅの質量とは、例えば、ＪＩＳ Ｍ８２１３（１９９５）の規定に準じて測定することができる。ＪＩＳ Ｍ８２１３（１９９５）による測定方法では、金属鉄Ｍ．Ｆｅの質量と、炭化鉄Ｆｅ３Ｃに含まれる鉄Ｆｅの質量との合計量を測定することができ、金属鉄Ｍ．Ｆｅの質量と、炭化鉄Ｆｅ３Ｃに含まれる鉄Ｆｅの質量とを区別して測定することはできない。
【0026】
構成Ｅにおけるトータル鉄の質量に対する、金属鉄と炭化鉄中の鉄との合計質量の割合Ｒは、下記式（１）で表される。
【数1】
【0027】
上記式（１）において、Ｍ．Ｆｅは金属鉄の質量［ｇ］であり、Ｆｅ（Ｆｅ３Ｃ）は炭化鉄Ｆｅ３Ｃに含まれる鉄Ｆｅの質量［ｇ］であり、Ｔ．Ｆｅは塊成鉱に含まれるトータル鉄Ｔ．Ｆｅの質量［ｇ］である。割合Ｒは、特許文献１，２に記載の金属化率に相当する。
【0028】
特許文献１に記載されているように、塊成鉱の圧潰強度が高炉の使用で求められる強度（１０００Ｎ）を満たすためには、割合Ｒが少なくとも４０質量％である必要がある。また、被還元性を高めるためにも割合Ｒが少なくとも４０質量％である必要がある。すなわち、割合Ｒは４０質量％以上とする必要がある一方、特許文献２に記載されているように、金属化率が８０質量％よりも高くなると、トータルエネルギが上昇しやすくなり、かつ被還元性が低下するため、割合Ｒは８０質量％以下とする必要がある。ここで、トータルエネルギは、特許文献２に記載されているように、高炉所要エネルギ（高炉燃料比、熱風炉、発生高炉ガス及び送風に要するエネルギ）と、還元鉄所要エネルギ（還元ガス原単位、塊成化、輸送、各種ユーティリティー、設備建設、維持に要するエネルギ）との和である。上述した理由により、割合Ｒは、４０質量％以上８０質量％以下とする。
【0029】
（構成Ｆ）
塊成鉱の炭素濃度は、例えば、ＪＩＳ Ｚ２６１５（２０１５）の規定（ガス容量法）に準じて測定することができる。上述したように、塊成鉱には炭化鉄粒子が含まれるため、上述した炭素濃度には、炭化鉄粒子中の炭素の濃度も含まれる。
塊成鉱の炭素濃度は、例えば、ＪＩＳ Ｚ２６１５（２０１５）の規定（ガス容量法）に準じて測定することができる。上述したように、塊成鉱には炭化鉄粒子が含まれるため、上述した炭素濃度には、炭化鉄粒子中の炭素の濃度も含まれる。
【0030】
金属鉄から炭化鉄を製造するときには、炭化鉄の他に、グラファイト（Ｃ）が製造されることがあり、塊成鉱にグラファイトが含まれることがある。この場合には、上述した炭素濃度には、グラファイトの濃度も含まれる。塊成鉱に対して粉末Ｘ線分析を行い、Ｆｅ３Ｃ相のピークを検出することにより、炭化鉄の存在を確認することができる。ここで、グラファイト相のピークも検出すれば、グラファイトが塊成鉱に含まれていることを確認でき、グラファイト相のピークを検出しなければ、グラファイトが塊成鉱に含まれていないことを確認できる。一方、リートベルト解析によって、炭化鉄Ｆｅ３Ｃの定量分析を行うこともできる。
【0031】
炭素濃度が１．０質量％よりも低い場合には、本発明の効果（被還元性の向上）を得ることができない。一方、炭素濃度が４．５質量％よりも高い場合には、炭化鉄の量よりもグラファイトの量が多くなりやすくなり、グラファイトの存在によって成型物が得られにくくなる。すなわち、成型物としての塊成鉱を製造しようとしても、成型物としての形状を維持しにくくなる。上述した理由により、炭素濃度は１．０質量％以上４．５質量％以下とする必要がある。
【0032】
（塊成鉱の製造方法）
本実施形態である塊成鉱の製造方法について、図１に示すフローチャートを用いて説明する。図１に示すように、塊成鉱の製造方法には、還元工程Ｓ１０１、炭化工程Ｓ１０２、粉砕工程Ｓ１０３及び成型工程Ｓ１０４が含まれる。以下、各工程について説明する。
本実施形態である塊成鉱の製造方法について、図１に示すフローチャートを用いて説明する。図１に示すように、塊成鉱の製造方法には、還元工程Ｓ１０１、炭化工程Ｓ１０２、粉砕工程Ｓ１０３及び成型工程Ｓ１０４が含まれる。以下、各工程について説明する。
【0033】
（還元工程）
還元工程Ｓ１０１では、原料鉱石を還元することによって還元鉱石を製造する。原料鉱石としては、例えば、Ｆｅ２Ｏ３を主体とする鉄鉱石（塊状又は粉状）、各種集塵装置等から回収される多種の含鉄や含炭ダストが用いられるが、これに限られるものではない。塊状鉄鉱石はそのままの形態で用いることができ、粉状鉄鉱石やダスト類は、塊成化したペレット又はブリケットの形態で用いることができる。
還元工程Ｓ１０１では、原料鉱石を還元することによって還元鉱石を製造する。原料鉱石としては、例えば、Ｆｅ２Ｏ３を主体とする鉄鉱石（塊状又は粉状）、各種集塵装置等から回収される多種の含鉄や含炭ダストが用いられるが、これに限られるものではない。塊状鉄鉱石はそのままの形態で用いることができ、粉状鉄鉱石やダスト類は、塊成化したペレット又はブリケットの形態で用いることができる。
【0034】
還元工程Ｓ１０１で使用される反応器としては、例えば、交流移動層式反応器（シャフト炉）、流動層式反応器、固定層式反応器を用いることができる。そして、例えば、７００～１０００℃の温度環境において、還元ガスを原料鉱石に供給することによって還元工程Ｓ１０１を行うことができる。還元ガスとしては、例えば、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４及びＮ２の混合ガスを用いることができる。還元工程Ｓ１０１では、上述した割合Ｒが４０～８０質量％となるように還元鉱石を製造する。ここで、割合Ｒが４０～８０質量％から外れると、被還元性が低下してしまう。割合Ｒが４０～８０質量％となるように原料鉱石を還元する条件は還元ガスの種類に応じて適宜設定することができる。例えば、還元ガスの組成がＨ２ガス（９０ｖｏｌ％）とＮ２ガス（１０ｖｏｌ％）とを混合した気体である場合、還元ガスの温度を９８０℃とし、処理時間を４５ｍｉｎとしてもよい。
【0035】
還元工程Ｓ１０１によって、図２に示す還元鉱石２０が製造される。この還元工程Ｓ１０１では、原料鉱石の全体が完全に金属鉄に至らない程度に還元する。図２は、還元鉱石２０の内部構造を示す概略図である。還元工程Ｓ１０１では、原料鉱石の表面から内部に向かって還元反応が進行し、還元鉱石２０は、金属鉄（Ｆｅ）からなる表層部２と、酸化鉄（ＦｅＯ）からなる中心部１とを有する。ここで、還元工程Ｓ１０１の条件によって、表層部（金属鉄）２の厚みが変化する。
【0036】
（炭化工程）
炭化工程Ｓ１０２では、還元工程Ｓ１０１で製造された還元鉱石２０を炭化することによって炭化鉱石２０Ａを製造する。炭化工程Ｓ１０２で使用される反応器としては、例えば、交流移動層式反応器（シャフト炉）、流動層式反応器、固定層式反応器を用いることができる。そして、例えば、５００～６００℃の温度環境において、炭化ガスを還元鉱石２０に供給することによって炭化工程Ｓ１０２を行うことができる。例えば、反応温度が４５０℃の場合は、炭化反応が遅くなり、反応温度が６５０℃の場合は、炭化反応がしにくくなる。そのため、反応温度としては、５００℃～６００℃が好ましい。炭化ガスとしては、例えば、ＣＨ４ガス、ＣＯガス、ＣＨ４及びＣＯの混合ガスを用いることができる。炭化工程Ｓ１０２では、炭素濃度が１．０質量％以上４．５質量％以下となるように炭化鉱石２０Ａを製造する。炭化反応時の温度は、例えば、反応器内の最高温度としてもよい。また、処理時間は、炭化反応時の温度によって適宜調整することができる。処理時間は温度が５００℃の場合、例えば４５ｍｉｎ～１０５ｍｉｎである。処理時間は温度が５５０℃の場合、２０ｍｉｎ～７０ｍｉｎである。処理時間は温度が６００℃の場合、１０ｍｉｎ～３０ｍｉｎである。Ｎ２環境下で表３の温度が安定し、炭化ガスに切り替えてから、炭化ガスを停止しＮ２に切り替えるまでの時間を処理時間とする。
炭化工程Ｓ１０２では、還元工程Ｓ１０１で製造された還元鉱石２０を炭化することによって炭化鉱石２０Ａを製造する。炭化工程Ｓ１０２で使用される反応器としては、例えば、交流移動層式反応器（シャフト炉）、流動層式反応器、固定層式反応器を用いることができる。そして、例えば、５００～６００℃の温度環境において、炭化ガスを還元鉱石２０に供給することによって炭化工程Ｓ１０２を行うことができる。例えば、反応温度が４５０℃の場合は、炭化反応が遅くなり、反応温度が６５０℃の場合は、炭化反応がしにくくなる。そのため、反応温度としては、５００℃～６００℃が好ましい。炭化ガスとしては、例えば、ＣＨ４ガス、ＣＯガス、ＣＨ４及びＣＯの混合ガスを用いることができる。炭化工程Ｓ１０２では、炭素濃度が１．０質量％以上４．５質量％以下となるように炭化鉱石２０Ａを製造する。炭化反応時の温度は、例えば、反応器内の最高温度としてもよい。また、処理時間は、炭化反応時の温度によって適宜調整することができる。処理時間は温度が５００℃の場合、例えば４５ｍｉｎ～１０５ｍｉｎである。処理時間は温度が５５０℃の場合、２０ｍｉｎ～７０ｍｉｎである。処理時間は温度が６００℃の場合、１０ｍｉｎ～３０ｍｉｎである。Ｎ２環境下で表３の温度が安定し、炭化ガスに切り替えてから、炭化ガスを停止しＮ２に切り替えるまでの時間を処理時間とする。
【0037】
炭化工程Ｓ１０２によって、図３に示す炭化鉱石２０Ａが製造される。図３は、炭化鉱石２０Ａの内部構造を示す概略図である。炭化工程Ｓ１０２では、還元鉱石２０の表面から内部に向かって炭化反応が進行し、炭化鉱石２０Ａは、炭化鉄（Ｆｅ３Ｃ）からなる第２表層部３、金属鉄（Ｆｅ）からなる中層部２Ａと、酸化鉄（ＦｅＯ）からなる中心部１とを有する。ここで、炭化工程Ｓ１０２の条件によっては、還元鉱石２０の表層部（金属鉄）２の全体が炭化されることにより、中層部（金属鉄）２Ａが存在しないこともある。また、炭化工程Ｓ１０２の条件によっては、第２表層部（炭化鉄）３の表面にグラファイトの析出物が形成されることがある。
【0038】
上述した還元工程Ｓ１０１及び炭化工程Ｓ１０２は、別々の反応器を用いて行ってもよいし、１つの反応器を用いて行ってもよい。例えば、１つのシャフト炉内において、還元工程Ｓ１０１及び炭化工程Ｓ１０２を行ってもよい。以下、１つの反応器を用いて、還元工程Ｓ１０１及び炭化工程Ｓ１０２の両方を行う場合について、図４及び図５を用いて説明する。
【0039】
図４に示すシステム（一例）において、原料鉱石は、シャフト炉（交流移動層式反応器）１００の上部から装入される。シャフト炉１００の内部には、上部から下部に向かって、還元帯Ｚ１、遷移帯Ｚ２及び冷却帯Ｚ３が設けられている。遷移帯Ｚ２は、還元帯Ｚ１及び冷却帯Ｚ３の間に位置しており、還元帯Ｚ１から冷却帯Ｚ３に移行する領域である。
【0040】
還元帯Ｚ１では、下記反応式（Ｂ）で示すように、原料鉱石の還元が行われ、還元鉱石２０が製造される。下記反応式（Ｂ）では、還元ガスとして水素ガス（Ｈ２）を用いている。ここで、還元帯Ｚ１では、還元ガスの温度を７００～１０００℃とし、還元ガスの流量を１０００～１８００Ｎｍ３／ｔとすることができる。
Ｆｅ２Ｏ３＋３Ｈ２→２Ｆｅ＋３Ｈ２Ｏ・・・（Ｂ）
Ｆｅ２Ｏ３＋３Ｈ２→２Ｆｅ＋３Ｈ２Ｏ・・・（Ｂ）
【0041】
シャフト炉１００の上部からは、水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び水素ガス（Ｈ２）が排出され、冷却器１０１によって水蒸気が取り除かれる。冷却器１０１を通過した水素ガスは、コンプレッサ１０２によって圧縮された後、加熱器１０３に送られる。加熱器１０３は、水素ガスを加熱した後、シャフト炉１００の還元帯Ｚ１に供給する。加熱器１０３には、コンプレッサ１０２からの水素ガスに加えて、補充の水素ガスを供給することができる。加熱器１０３からシャフト炉１００に供給された水素ガスは、還元ガスとして原料鉱石の還元に用いられる。
【0042】
冷却帯Ｚ３では、還元帯Ｚ１で製造された還元鉱石２０に対して炭化が行われ、炭化鉱石２０Ａが製造される。この炭化鉱石２０Ａは、シャフト炉１００の下部から排出される。冷却帯Ｚ３では、炭化ガスの温度を０～１００℃とし、炭化ガスの流量を１００～４００Ｎｍ３／ｔとすることができる。ここでは、炭化ガスとしてメタンガス（ＣＨ４）を用いているため、下記反応式（Ｃ）で示す反応が進行する。
３Ｆｅ＋ＣＨ４→Ｆｅ３Ｃ＋２Ｈ２・・・（Ｃ）
３Ｆｅ＋ＣＨ４→Ｆｅ３Ｃ＋２Ｈ２・・・（Ｃ）
【0043】
シャフト炉１００の冷却帯Ｚ３からは、メタンガス（ＣＨ４）及び水素ガス（Ｈ２）が排出され、冷却器１０４に供給される。冷却器１０４を通過したメタンガス及び水素ガスは、コンプレッサ１０５によって圧縮された後、膜分離器１０６に供給される。膜分離器１０６では、メタンガス及び水素ガスが分離され、水素ガスは、加熱器１０３に供給され、メタンガスは、シャフト炉１００の冷却帯Ｚ３に供給される。膜分離器１０６での分離では、圧力を１．０～２．０ＭＰａとし、温度を０～１００℃とすることができる。冷却帯Ｚ３には、膜分離器１０６からのメタンガスに加えて、補充のメタンガス（ＣＨ４）を供給することができる。
【0044】
次に、図５に示すシステム（一例）において、原料鉱石は、シャフト炉（交流移動層式反応器）２００の上部から装入される。シャフト炉２００の内部には、上部から下部に向かって、還元帯Ｚ１、遷移帯Ｚ２及び冷却帯Ｚ３が設けられている。遷移帯Ｚ２は、還元帯Ｚ１及び冷却帯Ｚ３の間に位置しており、還元帯Ｚ１から冷却帯Ｚ３に移行する領域である。
【0045】
【0046】
シャフト炉２００の上部からは、水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び水素ガス（Ｈ２）が排出され、冷却器２０１によって水蒸気が取り除かれる。冷却器２０１によって取り除かれた水蒸気は、炭材のガス化に用いられる。炭材のガス化ではガス（ＣＯ，Ｈ２）が生成され、これらのガスは、膜分離器２０２によって分離され、水素ガス（Ｈ２）が加熱器２０３に供給されるとともに、一酸化炭素ガス（ＣＯ）がシャフト炉２００の冷却帯Ｚ３に供給される。膜分離器２０２での分離では、圧力を１．０～２．０ＭＰａとし、温度を０～１００℃とすることができる。
【0047】
冷却器２０１を通過した水素ガスは、コンプレッサ２０４によって圧縮された後、加熱器２０３に供給される。加熱器２０３は、水素ガスを加熱した後、シャフト炉２００の還元帯Ｚ１に供給する。加熱器２０３には、膜分離器２０２やコンプレッサ２０４からの水素ガスに加えて、補充の水素ガスを供給することができる。加熱器２０３からシャフト炉２００に供給された水素ガスは、還元ガスとして原料鉱石の還元に用いられる。
【0048】
冷却帯Ｚ３では、還元帯Ｚ１で製造された還元鉱石２０に対して炭化が行われ、炭化鉱石２０Ａが製造される。この炭化鉱石２０Ａは、シャフト炉２００の下部から排出される。冷却帯Ｚ３における炭化ガスの温度や流量は、図４に示すシステムと同様に設定することができる。ここでは、炭化ガスとしてメタンガス（ＣＨ４）及び一酸化炭素ガス（ＣＯ）を用いているため、下記反応式（Ｄ）～（Ｈ）で示す反応が進行する。
３Ｆｅ＋ＣＨ４→Ｆｅ３Ｃ＋２Ｈ２・・・（Ｄ）
３Ｆｅ＋２ＣＯ→Ｆｅ３Ｃ＋ＣＯ２・・・（Ｅ）
３Ｆｅ＋ＣＯ＋Ｈ２→Ｆｅ３Ｃ＋Ｈ２Ｏ・・・（Ｆ）
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２・・・（Ｇ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ・・・（Ｈ）
３Ｆｅ＋ＣＨ４→Ｆｅ３Ｃ＋２Ｈ２・・・（Ｄ）
３Ｆｅ＋２ＣＯ→Ｆｅ３Ｃ＋ＣＯ２・・・（Ｅ）
３Ｆｅ＋ＣＯ＋Ｈ２→Ｆｅ３Ｃ＋Ｈ２Ｏ・・・（Ｆ）
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２・・・（Ｇ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ・・・（Ｈ）
【0049】
シャフト炉２００の冷却帯Ｚ３からは、ガス（ＣＯ，ＣＨ４，Ｈ２）が排出され、冷却器２０５に供給される。冷却器２０５を通過したガス（ＣＯ，ＣＨ４，Ｈ２）は、コンプレッサ２０６によって圧縮された後、膜分離器２０７に供給される。膜分離器２０７では、ガス（ＣＯ，ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）とが分離され、水素ガスは、加熱器２０３に供給され、ガス（ＣＯ，ＣＨ４）は、シャフト炉２００の冷却帯Ｚ３に供給される。膜分離器２０７での分離では、圧力を１．０～２．０ＭＰａとし、温度を０～１００℃とすることができる。冷却帯Ｚ３には、膜分離器２０２からの一酸化炭素ガス（ＣＯ）や膜分離器２０７からのガス（ＣＯ，ＣＨ４）に加えて、補充のメタンガス（ＣＨ４）を供給することができる。
【0050】
（粉砕工程）
粉砕工程Ｓ１０３では、炭化工程Ｓ１０２で製造された炭化鉱石２０Ａを粉砕することによって、炭化鉄粒子や酸化鉄粒子を製造する。Ｓ１０３において、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子に加えて、金属鉄粒子を製造することが好ましい。図６には、炭化鉱石２０Ａを粉砕した後に製造された炭化鉄粒子（Ｆｅ３Ｃ）１１、酸化鉄粒子（ＦｅＯ）１２及び金属鉄粒子（Ｆｅ）１０の概略を示す。
粉砕工程Ｓ１０３では、炭化工程Ｓ１０２で製造された炭化鉱石２０Ａを粉砕することによって、炭化鉄粒子や酸化鉄粒子を製造する。Ｓ１０３において、炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子に加えて、金属鉄粒子を製造することが好ましい。図６には、炭化鉱石２０Ａを粉砕した後に製造された炭化鉄粒子（Ｆｅ３Ｃ）１１、酸化鉄粒子（ＦｅＯ）１２及び金属鉄粒子（Ｆｅ）１０の概略を示す。
【0051】
上述したように、炭化鉱石２０Ａが、炭化鉄（Ｆｅ３Ｃ）からなる第２表層部３、金属鉄（Ｆｅ）からなる中層部２Ａと、酸化鉄（ＦｅＯ）からなる中心部１とを有する場合（図３参照）には、第２表層部（炭化鉄）３の粉砕によって炭化鉄粒子１１が得られ、中層部（金属鉄）２Ａの粉砕によって金属鉄粒子１０が得られ、中心部（ＦｅＯ）の粉砕によって酸化鉄粒子１２が得られる。また、炭化鉱石２０Ａに金属鉄（中層部）２Ａが含まれていない場合には、この炭化鉱石２０Ａの粉砕によって、炭化鉄粒子１１及び酸化鉄粒子１２が得られる。さらに、炭化鉱石２０Ａの表面にグラファイト（Ｃ）の析出物が形成されている場合には、この炭化鉱石２０Ａの粉砕によって、グラファイト粒子が得られることがある。
【0052】
炭化鉱石２０Ａを粉砕する方法は、公知の方法を適宜用いることができる。例えば、ボールミルやロッドミルなどの粉砕機を用いて、炭化鉱石２０Ａを粉砕することができる。粉砕工程Ｓ１０３では、粉砕物（上述した炭化鉄粒子１１、酸化鉄粒子１２や金属鉄粒子１０）の粒径が０．５ｍｍ以下となるように、炭化鉱石２０Ａを粉砕する。粉砕工程Ｓ１０３では、次に、粉砕工程Ｓ１０３で製造された粉砕物（上述した炭化鉄粒子１１、酸化鉄粒子１２や金属鉄粒子１０）から、篩目が０．５ｍｍである篩網を用いて、粒径０．５ｍｍ以下の粉砕物を選別する。篩網の篩目を０．５ｍｍ以下とする理由は、後述する成型工程Ｓ１０４において、最大直径が０．５ｍｍ以下である粉砕物（上述した炭化鉄粒子１１、酸化鉄粒子１２や金属鉄粒子１０）を混合して成型するためである。
【0053】
（成型工程）
成型工程Ｓ１０４では、粉砕工程Ｓ１０３で選別された粉砕物を混合した後、この混合物に対して圧縮力を与えて成型することによって塊成鉱を製造する。成型工程Ｓ１０４において、少なくとも炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を混合して成型機によって成型することにより、気孔率が２０％以上４０％以下である塊成鉱を製造する。炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を混合する際にさらに金属鉄粒子を加えて混合してもよい。図７には、成型工程Ｓ１０４によって製造された塊成鉱の内部構造の概略を示す。
成型工程Ｓ１０４では、粉砕工程Ｓ１０３で選別された粉砕物を混合した後、この混合物に対して圧縮力を与えて成型することによって塊成鉱を製造する。成型工程Ｓ１０４において、少なくとも炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を混合して成型機によって成型することにより、気孔率が２０％以上４０％以下である塊成鉱を製造する。炭化鉄粒子及び酸化鉄粒子を混合する際にさらに金属鉄粒子を加えて混合してもよい。図７には、成型工程Ｓ１０４によって製造された塊成鉱の内部構造の概略を示す。
【0054】
混合される粉砕物については、直径（粒径）が０．５ｍｍ以下である粉砕物だけを用いることが好ましいが、直径が０．５ｍｍよりも大きい粉砕物が含まれていてもよい。具体的には、直径が０．５ｍｍよりも大きい粉砕物の含有量を５質量％以下とすることができる。
【0055】
成型工程Ｓ１０４で用いられる成型機は、粉砕物に対して圧縮力を与えることができるものであればよく、例えば、ロール型のブリケット成型機を用いることができる。ここで、粉砕物を成型するとき、金属鉄を酸化させるようなバインダ（水など）は使用しないことが好ましい。
【0056】
成型工程Ｓ１０４では、成型物としての塊成鉱の気孔率が２０％以上４０％以下となるように、粉砕物の混合物に圧縮力を与える。ここで、圧縮力と塊成鉱の気孔率との間には、所定の相関関係があるため、この相関関係に基づいて、塊成鉱の気孔率が２０％以上４０％以下となるように圧縮力を設定すればよい。上述したように、塊成鉱の気孔率を２０％以上４０％以下とすることにより、塊成鉱の被還元性を向上することができる。
【0057】
上述した還元工程Ｓ１０１では、割合Ｒが４０～８０質量％となるように還元鉱石２０を製造しているため、炭化工程Ｓ１０２、粉砕工程Ｓ１０３及び成型工程Ｓ１０４を経て製造された塊成鉱においても、割合Ｒは４０～８０質量％に維持される。これにより、割合Ｒが４０質量％以上８０質量％以下である塊成鉱を製造することができる。
【0058】
上述したように、粉砕物（上述した炭化鉄粒子１１、酸化鉄粒子１２や金属鉄粒子１０）を混合して成型することにより、図７に示すように、塊成鉱の表層に酸化鉄粒子１２が露出することになる。これにより、上述したように、高炉内を流通する還元ガスによって酸化鉄粒子１２を還元させて、塊成鉱の表層に気孔を生成することができ、この気孔を介した塊成鉱の被還元性を向上させることができる。
【0059】
また、粉砕物（上述した炭化鉄粒子１１、酸化鉄粒子１２や金属鉄粒子１０）を混合することにより、酸化鉄粒子１２の周囲に炭化鉄粒子１１を存在させることができ、酸化鉄粒子１２及び炭化鉄粒子１１を互いに接触させることができる。これにより、上述したように、高炉内の８００℃以下の温度領域において、炭化鉄及び酸化鉄による直接還元反応を進行させることができる。
【0060】
本実施形態に係る塊成鉱は、高炉に用いることが好ましいが、転炉、電気炉などに用いることができる。
【実施例】
【0061】
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明は、これに限られるものではない。
【0062】
（原料鉱石）
原料鉱石として、下記表１に示す化学組成を有するペレットＡ（１．０ｋｇ）を用いた。
原料鉱石として、下記表１に示す化学組成を有するペレットＡ（１．０ｋｇ）を用いた。
【0063】
【表1】
【0064】
（還元工程）
固定層電気炉を用いて、原料鉱石（ペレットＡ）の還元を行った。還元条件を下記表２に示す。還元工程を行った後の還元鉱石について、割合Ｒを求めたところ、割合Ｒは７０％であった。表２の還元工程の処理時間が１０ｍｉｎでは割合Ｒ：３０％となった（比較例４－３）。また、表２の還元工程の処理時間が９０ｍｉｎでは割合Ｒ：９０％となった（比較例４－４）。
固定層電気炉を用いて、原料鉱石（ペレットＡ）の還元を行った。還元条件を下記表２に示す。還元工程を行った後の還元鉱石について、割合Ｒを求めたところ、割合Ｒは７０％であった。表２の還元工程の処理時間が１０ｍｉｎでは割合Ｒ：３０％となった（比較例４－３）。また、表２の還元工程の処理時間が９０ｍｉｎでは割合Ｒ：９０％となった（比較例４－４）。
【0065】
【表2】
【0066】
（炭化工程）
固定層電気炉を用いて、還元工程によって製造された還元鉱石の炭化を行った。炭化条件を下記表３に示す。本実施例では、下記表３に示す温度（３つ）のそれぞれにおいて、処理時間を設定した。具体的には、５００℃の場合は、炭化工程の処理時間は、３０ｍｉｎ、４５ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ、１０５ｍｉｎ、１２０ｍｉｎとした。５５０℃の場合は、炭化工程の処理時間は、１０ｍｉｎ、２０ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、７０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ、１２０ｍｉｎとした。６００℃の場合は、炭化工程の処理時間は、５ｍｉｎ、１０ｍｉｎ、２０ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ、１２０ｍｉｎとした。なお、表３の温度は、固定層電気炉内の最高温度をいう。温度の測定位置は、固定層電気炉に設置した還元鉱石の１ｃｍ直上とした。Ｎ２環境下で表３に記載の温度（炭化ガスの温度）に安定し、炭化ガスに切り替えてから、炭化ガスを停止しＮ２に切り替えるまでの時間を処理時間とする。
固定層電気炉を用いて、還元工程によって製造された還元鉱石の炭化を行った。炭化条件を下記表３に示す。本実施例では、下記表３に示す温度（３つ）のそれぞれにおいて、処理時間を設定した。具体的には、５００℃の場合は、炭化工程の処理時間は、３０ｍｉｎ、４５ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ、１０５ｍｉｎ、１２０ｍｉｎとした。５５０℃の場合は、炭化工程の処理時間は、１０ｍｉｎ、２０ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、７０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ、１２０ｍｉｎとした。６００℃の場合は、炭化工程の処理時間は、５ｍｉｎ、１０ｍｉｎ、２０ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ、１２０ｍｉｎとした。なお、表３の温度は、固定層電気炉内の最高温度をいう。温度の測定位置は、固定層電気炉に設置した還元鉱石の１ｃｍ直上とした。Ｎ２環境下で表３に記載の温度（炭化ガスの温度）に安定し、炭化ガスに切り替えてから、炭化ガスを停止しＮ２に切り替えるまでの時間を処理時間とする。
【0067】
【表3】
【0068】
炭化工程によって製造された炭化鉱石と、炭化工程を行う前の還元鉱石とについて、炭素濃度を測定した。この炭素濃度の測定は、ＪＩＳ Ｚ２６１５（２０１５）の規定（ガス容量法）に準じて行った。下記表４には、各炭化条件での炭素濃度を示す。下記表４において、本発明に含まれるものを実施例とし、本発明に含まれないものを比較例とし、炭化工程を行う前のものを参考例とした。下記表４から分かるとおり、炭化条件を適宜設定することにより、炭素濃度を１．０質量％以上４．５質量％以下とすることができる。図８は、下記表４の内容を棒グラフとして表したものである。
【0069】
【表4】
【0070】
上記表４に示す参考例である還元鉱石および実施例である温度５５０℃、処理時間３０分で炭化処理した炭化鉱石（炭素濃度（合計）：１．４質量％）を用いて以下の処理を実施した。また、比較例４－１として、温度５５０℃、処理時間１０分で炭化処理した炭化鉱石（炭素濃度（合計）：０．５質量％）を用いて、以下の処理を行った。比較例４－２として、温度５００℃、処理時間１２０分で炭化処理した炭化鉱石（炭素濃度（合計）：４．６質量％）を用いて、以下の処理を行った。比較例４－３として、還元工程および炭化工程の条件を変えて、割合Ｒが３０質量％であり、炭素濃度（合計）が１．４質量％である炭化鉱石を作製し、以下の処理を行った。比較例４－４として、還元工程および炭化工程の条件を変えて、割合Ｒが９０質量％であり、炭素濃度（合計）が１．４質量％である炭化鉱石について、以下の処理を行った。
【0071】
（粉砕工程）
ボールミルを用いて、還元鉱石および炭化鉱石を粉砕した。粉砕した後の各粒子それぞれ、篩目が０．５ｍｍである篩を用いて篩い分けを行った。
ボールミルを用いて、還元鉱石および炭化鉱石を粉砕した。粉砕した後の各粒子それぞれ、篩目が０．５ｍｍである篩を用いて篩い分けを行った。
【0072】
（成型工程）
粉砕工程で篩い分けをした後の篩下の粒子（最大直径が０．５ｍｍ以下である粒子）を混合した後、成型工程を行った。成型工程では、ダブルロール圧縮成型機（ロール直径７００ｍｍ，ロール幅６５０ｍｍ）を用いて、約７ｃｃ（体積）のピロー型ブリケット（成型物）を成型した。比較例４－５として、温度５５０℃、処理時間３０分で炭化処理した炭化鉱石（炭素濃度（合計）：１．４質量％）を上記の通り粉砕し、粉砕後の成型条件を変えて、気孔率が１０％になるように、ピロー型ブリケットを成型した。比較例４－６として、温度５５０℃、処理時間３０分で炭化処理した炭化鉱石（炭素濃度（合計）：１．４質量％）を上記の通り粉砕し、粉砕後の成型条件を変えて、気孔率が５０％になるように、ピロー型ブリケットを成型した。なお、比較例４－１～４－４についても、粉砕後の成型条件を変えて、気孔率が３０％になるように、ピロー型ブリケットを成型した。実施例の塊成鉱について、ＥＤＳで分析したところ、少なくとも一部の酸化鉄粒子が塊成鉱の表層に露出していることを確認した。
粉砕工程で篩い分けをした後の篩下の粒子（最大直径が０．５ｍｍ以下である粒子）を混合した後、成型工程を行った。成型工程では、ダブルロール圧縮成型機（ロール直径７００ｍｍ，ロール幅６５０ｍｍ）を用いて、約７ｃｃ（体積）のピロー型ブリケット（成型物）を成型した。比較例４－５として、温度５５０℃、処理時間３０分で炭化処理した炭化鉱石（炭素濃度（合計）：１．４質量％）を上記の通り粉砕し、粉砕後の成型条件を変えて、気孔率が１０％になるように、ピロー型ブリケットを成型した。比較例４－６として、温度５５０℃、処理時間３０分で炭化処理した炭化鉱石（炭素濃度（合計）：１．４質量％）を上記の通り粉砕し、粉砕後の成型条件を変えて、気孔率が５０％になるように、ピロー型ブリケットを成型した。なお、比較例４－１～４－４についても、粉砕後の成型条件を変えて、気孔率が３０％になるように、ピロー型ブリケットを成型した。実施例の塊成鉱について、ＥＤＳで分析したところ、少なくとも一部の酸化鉄粒子が塊成鉱の表層に露出していることを確認した。
【0073】
（品質試験方法）
ピロー型ブリケットについて、気孔率、圧潰強度、割合Ｒ及び被還元性を測定した。気孔率は、ＪＩＳ Ｍ８７１６（１９９０）の規定に準じて測定した。圧潰強度は、ＪＩＳ Ｚ８８４１（１９９３）の規定に準じて測定した。割合Ｒは、上記式（１）から求めた。
ピロー型ブリケットについて、気孔率、圧潰強度、割合Ｒ及び被還元性を測定した。気孔率は、ＪＩＳ Ｍ８７１６（１９９０）の規定に準じて測定した。圧潰強度は、ＪＩＳ Ｚ８８４１（１９９３）の規定に準じて測定した。割合Ｒは、上記式（１）から求めた。
【0074】
被還元性の評価は、ＪＩＳ Ｍ８７１３の規定に準じて行い、ＪＩＳ－ＲＩ（到達ＪＩＳ還元率）を測定した。還元率は、所定の還元時間を経過したときに鉄酸化物から除去されている酸素の割合であり、還元前の鉄と結合した酸素に対して、除去された酸素の比率である。
【0075】
被還元性の評価では、還元温度を９００℃とし、還元時間を１８０ｍｉｎとし、還元ガスとして、ＣＯガス（３０ｖоｌ％）及びＮ２ガス（７０ｖоｌ％）の混合ガスを用いた。下記表５に、品質評価の結果を示す。
【0076】
【表5】
【0077】
（被還元性の評価）
上記表５から分かるとおり、参考例では、ＪＩＳ－ＲＩが９２質量％であったのに対して、実施例では、ＪＩＳ－ＲＩが９８質量％であった。また、気孔率、炭素濃度および割合Ｒのいずれかの条件を満たさない比較例４－１～４－６は、ＪＩＳ－ＲＩが９５質量％未満であった。このため、実施例については、参考例および比較例４－１～４－６よりも被還元性を向上させることができた。
上記表５から分かるとおり、参考例では、ＪＩＳ－ＲＩが９２質量％であったのに対して、実施例では、ＪＩＳ－ＲＩが９８質量％であった。また、気孔率、炭素濃度および割合Ｒのいずれかの条件を満たさない比較例４－１～４－６は、ＪＩＳ－ＲＩが９５質量％未満であった。このため、実施例については、参考例および比較例４－１～４－６よりも被還元性を向上させることができた。
【符号の説明】
【0078】
１００，２００：シャフト炉、１０１，１０４，２０１，２０５：冷却器
１０２，１０５，２０４，２０６：コンプレッサ
１０３，２０３：加熱器、１０６，２０２，２０７：膜分離器
１０２，１０５，２０４，２０６：コンプレッサ
１０３，２０３：加熱器、１０６，２０２，２０７：膜分離器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】