海绵铁的制造方法、还原铁粉及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及海绵铁以及还原铁粉及其制造方法，尤其涉及作为粉末冶金和凯洛(カイロ)等的化学反应用铁粉合适的具有低表观密度的还原铁粉及其制造方法、以及还原铁粉的原材料海绵铁的制造方法。背景技术
以前，作为化学反应乃至粉末冶金用铁粉所使用的海绵铁，例如象图1所示那样，将氧化铁2填充到被称为烧箱的呈圆筒形的耐热容器1内并被夹在固体还原剂3之间，通过使用隧道炉加热其耐热容器1来还原氧化铁2从而制造出来。该海绵铁的Fe量为90～97质量％，经粉碎制成90目以下的粗还原铁粉，作为这种状态的铁粉形成化学反应用铁粉。粉末冶金用铁粉，还要进一步在以氢为代表的非氧化性气氛中还原，最终制成Fe量在99.5质量％以上的高纯度的还原铁粉。一般地，作为氧化铁2，使用铁矿石、轧制铁鳞，作为固体还原剂3使用焦炭等碳质粉与石灰粉的混合物。海绵铁以及还原铁粉的制造工序示于图2。
一般地，粉碎海绵铁或者进一步还原得到的还原铁粉，粒子形状为不规则形状，呈多孔性，成形性和烧结性能优异，作为粉末冶金用原料与雾化铁粉一起使用。又，还原铁粉的空穴很多，与雾化铁粉相比较，比表面积大，与氧的反应性高，因此可以广泛用作凯洛(カイロ)和脱氧材料等之类的化学反应用铁粉。
但是，将还原轧制铁鳞所得到的海绵铁粉碎，进一步还原得到的还原铁粉，一般纯度高，但表现密度比较高，为2.40～2.80Mg/m3，具有成形性低的问题。
又，将还原铁矿石所得到地海绵铁粉碎，进一步还原得到的还原铁粉，表观密度较低，为1.70～2.50Mg/m3，可以作为含油轴承用铁粉使用，但具有压缩性低的问题。又，铁矿石的氧化铁纯度低，SiO2和Al2O3等脉石成分分别含有1～2质量％和0.2～1质量％左右的情况较多，这些SiO2和Al2O3等作为夹杂物残存在还原铁粉中，担心导致轴承的性能降低。
对于这样的问题，例如在特开昭53-26710号公报中提出了将轧制铁鳞粉中混合有5～40质量％的铁矿石的原料进行粗还原制成海绵铁，然后进一步粉碎该海绵铁除去杂质后，进行精还原、粉碎，制成表观密度在2.0～2.6Mg/m3的成形性和压缩性优异的粉末冶金用还原铁粉的制造方法。
但是，采用特开昭53-26710号公报所记载的技术制造的还原铁粉，表观密度的确变低，但是使用铁矿石，纯度仍然较低，担心在还原铁粉中残存有夹杂物。发明的公开
本发明的目的在于：有利地解决上述的现有技术的问题，提供可得到比用铁矿石制造的铁粉纯度高、表观密度低的还原铁粉的海绵铁的制造方法以及还原铁粉及其制造方法。
再者，在本发明中所说的“表观密度低”的铁粉，是指表观密度在2.40Mg/m3以下的铁粉。又，本发明中的表观密度是根据日本粉末冶金工业会标准JPMA P06-1992测定的值。
海绵铁的生成反应，由以下的(1)～(3)式所示的反应构成。
…… (1)
…… (2)
…… (3)
首先，经加热根据(1)式，固体还原剂层内的石灰粉(CaCO3)分解，产生CO2气体。该CO2气体通过(2)式的波杜(ブドア-ル)反应与固体还原剂层内的碳质粉(C)反应产生CO气体。该CO气体向氧化铁层内扩散，根据(3)式的反应还原氧化铁(FeO)，生成海绵铁(Fe)。此时同时产生的CO2气体从氧化铁层内扩散到固体还原剂层，再次发生(2)式的波杜反应，使其产生CO气体。然后，该CO气体又向氧化铁层内扩散，还原氧化铁(FeO)，生成海绵铁(Fe)。与该氧化铁的还原反应同时进行生成的海绵铁的烧结反应。
本发明者们为了达到上述的目的，首先从生成表观密度低的海绵铁是重要的这一观点出发，研讨了上述的海绵铁的生成反应。其结果，想到抑制生成的海绵铁的烧结反应，使海绵铁内部产生很多空穴是较好的。然后，在这一想法的基础上进一步锐意研究的结果，本发明者们发现，为了抑制生成的海绵铁的烧结反应，在铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末中混合微细的赤铁矿粉末，进行还原，制成海绵铁是理想的。
本发明是根据上述的见解进一步研讨而完成的。
即，本发明是一种海绵铁的制造方法，其特征在于：在将氧化铁与固体还原剂一起加热，还原氧化铁制成海绵铁的海绵铁的制造方法中，作为氧化铁使用赤铁矿粉末与铁矿石粉末的混合粉或者赤铁矿粉末与轧制铁鳞粉末的混合粉，作为赤铁矿粉末使用具有2.0m2/g以上的比表面积的粉末，并且赤铁矿粉末的混合量占氧化铁总量的5～45质量％。又，在本发明中，铁矿石粉末是平均粒径在30μm～1mm的铁矿石粉末为宜，又，在本发明中，轧制铁鳞粉末是平均粒径在30μm～1mm的轧制铁鳞粉末为宜。再者，在本发明中，赤铁矿粉末是氧化焙烧氯化铁水溶液而制成的赤铁矿粉末为宜。又，作为氧化铁，使用轧制铁鳞粉末、铁矿石粉末以及赤铁矿粉末的混合粉为宜。
又，本发明是一种还原铁粉的制造方法，其特征在于：将采用上述任何一种制造方法制造的海绵铁粉碎，制成还原铁粉。又，本发明是用还原气氛进一步还原上述还原铁粉的还原铁粉的制造方法。附图的简单说明
图1是表示在圆筒形的耐热容器中碳质粉末以及石灰粉与氧化铁的填充方法的一个例子的说明图。
图2是表示海绵铁、还原铁粉的制造工序的一个例子的说明图。<符号说明>
1耐热容器
2氧化铁
3固体还原剂
实施发明的最佳形态
就本发明的海绵铁的制造方法以及还原铁粉的制造方法进行说明。
在本发明中，向耐热容器内填充氧化铁和固体还原剂。例如，向图1所示的圆筒状的被称为烧箱的SiC制的耐热容器1中填充氧化铁2层使其夹在固体还原剂3层中间为宜。
在本发明中，作为氧化铁2，使用将铁矿石粉末与赤铁矿粉末进行混合的混合粉或者将轧制铁鳞粉末与赤铁矿粉末进行混合的混合粉。
又，当然，作为氧化铁2，使用轧制铁鳞粉末、矿石粉末以及赤铁矿粉末的混合粉也可以。
作为铁矿石粉末，使用磁铁矿质或赤铁矿质为宜。又，铁矿石粉末使用平均粒径30μm～1mm的粉末为宜。当铁矿石粉末的平均粒径超过1mm时，在粉碎海绵铁的过程中生产效率显著地降低。另一方面，铁矿石粉末的平均粒径越细，越能提高海绵铁的生产效率，但平均粒径不到30μm时，铁矿石粉末的粉碎成本增高，应用并不实际。
作为轧制铁鳞粉末，使用热轧工序产生的轧制铁鳞为宜。又，轧制铁鳞粉末为平均粒径30μm～1mm的粉末为宜。当轧制铁鳞粉末的平均粒径超过1mm时，在粉碎海绵铁的过程中，生产效率显著地降低。另一方面，轧制铁鳞粉末的平均粒径越细小，越能提高海绵铁的生产效率，但平均粒径不到30μm时，铁矿石粉末的粉碎成本增高，应用并不实际。
再者，在本发明中所说的“平均粒径”是指用筛分法(日本粉末冶金工业会标准JPMA P02-1992)测定的按质量计的累计频度为50％的粒径。
作为氧化铁粉末，在本发明中除了上述的铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末以外，还使用赤铁矿粉末。赤铁矿粉末是比表面积在2m2/g以上的微细的粉末。即，通过在上述的铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末的基础上混合微细的赤铁矿粉末，作为最终产品的还原铁粉的表观密度降低。可以认为，该机理如下。
微细的赤铁矿粉末存在于铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末的粒子之间，抑制铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末被还原而生成的还原铁(起因于铁矿石粉末的还原铁或起因于轧制铁鳞粉末的还原铁)彼此间的烧结的进行。铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末与赤铁矿粉末的粒子之间相互接触，因此可以较为容易地烧结起因于铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末的还原铁与起因于赤铁矿粉末的还原铁。起因于铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末的还原铁彼此间的烧结被抑制的结果，产生的海绵铁中的空穴经过随后的粉碎、还原、粉碎工序成为还原铁粉以后，也以空穴的形式残存，因此推测表观密度降低。
当赤铁矿粉末的比表面积不到2.0m2/g时，赤铁矿粉末粗大，不能有效地抑制起因于铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末的还原铁彼此间的烧结，不能得到还原铁粉表现密度的显著降低。又，当赤铁矿粉末的比表面积超过10m2/g时很难处理，因此理想情况是比表面积10m2/g以下的粉末为宜。又，在本发明中所说的粉末的“比表面积”，是采用使用氮作为吸附气体的BET法测定的值。
作为氧化铁2的一部分而混合的赤铁矿粉末的量，相对于氧化铁2的总量为5～45质量％。当赤铁矿粉末的混合量不足5质量％时，最终得到的还原铁粉的表观密度变高。另一方面，当赤铁矿粉末的混合量超过45质量％时，还原速度降低，海绵铁的生产效率下降。因此，赤铁矿粉末的混合量相对于氧化铁的总量为5～45质量％。
在本发明中作为氧化铁2的一部分使用的赤铁矿粉末与上述的赤铁矿质的铁矿石不同。赤铁矿粉末是氧化焙烧氯化铁水溶液而制得的赤铁矿粉末为宜。氧化焙烧氯化铁水溶液制得的赤铁矿粉末是市售品，直接使用市售品没有任何问题。市售品，例如川崎制铁公司生产的氧化铁KH-DS、KH-DC等，粉末的比表面积为2～5m2/g，又，作为夹杂物成为问题的SiO2的含量在300质量ppm以下、Al2O3的含量在30质量ppm以下，都非常低，对本发明的实施很适宜。
在本发明中，作为氧化铁2，除了铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末与赤铁矿粉末以外，使用进一步混合磁铁矿粉末的混合粉也可以。
另一方面，固体还原剂3，使用石灰粉(CaCO3)与碳质粉(C)的混合物为宜。
石灰粉的平均粒径越小，越可以在短时间内分解，提高了CO2气体的发生量，促进了(2)式的波杜反应，对促进还原反应有利。又，石灰粉的混合量相对于固体还原剂3的合计量(石灰粉与碳质粉的合计量)为5～30质量％为宜。
碳质粉使用焦炭、煤或无烟煤为宜。使用它们的混合粉没有任何问题。又，碳质粉的平均粒径越小，越能促进还原反应。因此，碳质粉的平均粒径在10mm以下为宜。又，碳质粉的混合量相对于固体还原剂3的合计量(石灰粉与碳质粉的合计量)为70～95质量％为宜。
象上述那样填充氧化铁2(将铁矿石粉末或轧制铁鳞粉末与赤铁矿粉末混合的混合粉)与固体还原剂3的耐热容器1，接着装入隧道炉等加热炉内进行加热。加热温度在1000℃以上、1300℃以下为宜。通过加热进行还原反应，氧化铁2被固体还原剂3还原，生成海绵铁。
当加热温度不到1000℃时，氧化铁2的还原不能充分地进行，生成的海绵铁的纯度降低。另一方面，如果超过1300℃，则与还原同时进行的海绵铁的烧结过度地进行，变硬，在随后的粉碎中增加电力消耗，粉碎工具的磨耗显著，制造成本增加。因此，加热温度在1000～1300℃的范围为宜。又，最好是在1050～1200℃。
加热后，分离海绵铁与固体还原剂3并取出。被取出的海绵铁粉碎到90目以下左右，成为粗还原铁铁粉。该粗还原铁粉主要可以作为化学反应用使用。又，粗还原铁粉在还原性气氛的精还原炉中进一步还原，再经过粉碎制成还原铁粉产品。该还原铁粉可主要用于粉末冶金。
根据本发明的制造方法能够容易地得到表观密度低的还原铁粉。如后述那样，表观密度低的还原铁粉在烧结时成为空穴多的烧结状态，能够得到含油性能高的烧结部件。另外，在作为化学反应用的铁粉使用时，比表面积增大，因此反应速度变大，化学反应工序的效率提高。<实施例><实施例1>
将主原料氧化铁(铁矿石粉末与赤铁矿粉末的混合粉)250kg与副原料固体还原剂190kg如图1所示那样填充到直径400mm、高1800mm的圆筒形烧箱(SiC制耐热容器1)内，使副原料固体还原剂3层夹住主原料氧化铁2层。
作为主原料使用的粉末的组成示于表1。
将上述组成的铁矿石粉末、轧制铁鳞粉末、赤铁矿粉末以表2所示的混合比例混合，将所得的混合粉作为主原料。
铁矿石粉末，使用将作为制铁原料容易得到的MBR-PF进行了干燥的粉末。又，赤铁矿粉末使用市售的氧化焙烧氯化铁水溶液制得的赤铁矿粉末(川崎制铁公司生产的氧化铁：商品名「KH-DS」、「KH-DC」)。赤铁矿粉末的比表面积根据吸附气体为氮的BET法进行测定。又，在一部分试样中，将这些赤铁矿粉末在800℃进行预烧，进行粉碎，将所得的赤铁矿粗粉(比表面积：0.5m2/g)作为赤铁矿粉末使用。另外，在一部分试样中，作为主原料使用将热轧工序中产生的鳞片(氧化皮)干燥和粉碎了的粉末。
又，作为副原料的固体还原剂3，为表2所示的混合量的石灰粉与碳质粉的混合物。石灰粉使用平均粒径80μm的石灰粉，碳质粉使用焦炭、无烟煤。焦炭使用平均粒径85μm的粉末、无烟煤使用平均粒径2.4mm的粒子。副原料按照表2所示的各自的混合量进行称量，使用预先均匀混合的粉末。
其次，如图1所示，将填充了主原料以及副原料的耐热容器1(烧箱)装入加热炉(未图示出)中，盖好SiC制的烧箱盖后升温到表2所示的为了制造海绵铁的加热温度。升温时间为20hr，保温时间为44hr，保温后进行冷却。
再者，将得到的海绵铁粉碎到90目以下制成粗还原铁粉，再于露点40℃的氢气氛中实施900℃×1hr的还原，进一步粉碎制成还原铁粉。
对于得到的还原铁粉，通过化学分析测定SiO2含量、Al2O3含量以及氧含量。又，对于得到的还原铁粉，根据日本粉末冶金工业会标准JPMA P06-1992测定表观密度。这些结果示于表2。
发明例的表现密度为1.55～1.85Mg/m3，与历来例相比较，具有低的表观密度。另一方面，不使用赤铁矿粉末的历来例(试样编号10及11)、赤铁矿粉末的比表面积较低而偏离本发明的范围的比较例(试样编号12)，还原铁粉的表观密度变高。<实施例2>
将主原料氧化铁(轧制铁鳞粉末与赤铁矿粉末的混合粉)250kg与副原料固体还原剂190kg如图1所示那样填充到直径400mm、高1800mm的圆筒形烧箱(SiC制耐热容器1)内，使副原料固体还原剂3层夹住主原料氧化铁2层。
作为主原料使用的粉末的组成示于表1。
将上述组成的铁矿石粉末、轧制铁鳞粉末、赤铁矿粉末按照表3所示的混合比例混合，将所得的混合粉作为主原料。
轧制铁鳞粉末使用将在轧制工序中产生的鳞片干燥后再进行粉碎的粉末。又，赤铁矿粉末使用市售的氧化焙烧氯化铁水溶液而形成的赤铁矿粉末(川崎制铁公司生产的氧化铁：「KH-DS」、「KH-DC」)。赤铁矿粉末的比表面积采用吸附气体为氮的BET法测定。又，一部分试样，是将这些赤铁矿粉末于800℃预烧并粉碎，将所得的赤铁矿粗粉(比表面积：0.5m2/g)作赤铁矿粉末使用。又，一部分试样，作为主原料使用表1所示的组成的铁矿石粉末。
又，作为副原料的固体还原剂3，是表2所示的配合量的石灰粉、碳质粉的混合物。石灰粉使用平均粒径80μm的石灰粉，碳质粉使用焦炭粉和/或无烟煤。焦炭使用平均粒径85μm的粉末，无烟煤使用平均粒径为2.4mm的粒子。副原料使用按照表2所示的各自的配比量进行称量并预先均匀混合的副原料。
其次，如图1所示，将填充主原料以及副原料的耐热容器1(烧箱)装入加热炉(还原炉)中盖好SiC制的烧箱盖后，升温到表3所示的为了制造海绵铁的加热温度。升温时间为20hr，保温时间为44hr，保温后进行冷却。
再者，将得到的海绵铁粉碎到90目以下制成粗还原铁粉，接着于露点40℃的氢气氛中实施900℃×1h的精还原，再粉碎制成还原铁粉。
对于得到的还原铁粉，通过化学分析测定SiO2含量、Al2O3含量以及氧含量。又，对于得到的还原铁粉，根据日本粉末冶金工业会标准JPMA P06-1992测定表观密度。这些结果示于表3。
发明例的表观密度为2.0～2.4Mg/m3，与历来例(试样编号20以及21)相比较，具有低的表现密度。又，发明例的SiO2和Al2O3含量均比历来例(试样No.21)低，为高纯度。
另一方面，赤铁矿粉末的比表面积较低而偏离本发明的范围的比较例(试样编号22)，其还原铁粉的表观密度变高，为2.57Mg/m3。又，赤铁矿粉末的混合量较高而偏离本发明的范围的比较例(试样编号23)，还原速度慢，还原不足，氧含量增高。
表1主原料的种类 成分(质量％)合计量的 Fe SiO2 Al2O3轧制铁鳞粉末 75.0 0.05 0.04赤铁矿粉末种类A 66.5 0.012 0.005种类B 67.0 0.02 0.004铁矿石粉末 71.0 1.5 0.6赤铁矿粉末 种类A：川崎制铁公司生产的氧化铁；商品名KH-DS
B：川崎制铁公司生产的氧化铁；商品名KH-DC
表2试样编号 主原料(混合物)副原料(固体还原剂) 为制造 海绵铁 的还原 还原铁粉 备注 铁矿石粉末 赤铁矿粉末石灰粉 碳质粉 表观 密度 (Mg/m3) 氧量 (mass％) 含有的氧化物 的种类与纯度平均粒径 (μm)混合量 *(mass％) 种类 *** 比表 面积 (m2/g) 混合量 * (mass％) 焦炭无烟煤 加热 温度 (℃) SiO2 (mass％) Al2O3 (mass％)混合量 **(mass％) 混合量 ** (mass％)混合量 **(mass％)1120 93 A 2.3 7 10 90 - 1050 1.85 0.40 2.0 0.83发明例2120 90 B 2.6 10 15 70 15 1100 1.80 0.35 1.9 0.813120 85 A 2.3 15 17 63 20 1150 1.77 0.35 1.8 0.774120 80 B 2.6 20 20 40 40 1050 1.73 0.38 1.7 0.735120 75 B 2.6 25 15 75 10 1100 1.68 0.38 1.6 0.706120 70 A 2.3 30 16 79 5 1150 1.61 0.37 1.4 0.647120 65 B 2.6 35 12 73 15 1050 1.55 0.37 1.3 0.588120 76 D 4.3 24 18 62 20 1050 1.75 0.37 1.7 0.759120 81 D 7.5 19 21 59 20 1050 1.74 0.36 1.6 0.7410120 100 - - - 15 75 10 1100 2.05 0.41 2.1 0.86历来例11- - **** 15 75 10 1100 2.57 0.35 0.07 0.0512120 90 C 0.5 10 15 70 15 1100 2.01 0.38 1.9 0.81比较例
*)相对于混合粉合计量的质量％
**)相对于固体还原剂合计量的质量％
***)A：赤铁矿粉末(以崎制铁公司生产的氧化铁；商品名KH-DS)
B：赤铁矿粉末(以崎制铁公司生产的氧化铁；商品名KH-DC)
C：赤铁矿粗粒
D：赤铁矿粉末(实验室生产)
****)轧制铁鳞粉末(平均粒径100μm)
表3试样编号 主原料(混合粉) 副原料(固体还原剂)为制造海绵铁的还原 还原铁粉备注 铁矿石粉末 轧制铁鳞 粉末 赤铁矿粉末石灰粉碳质粉 表现 密度 Mg/m3 纯度平均粒径μm配合量 *质量％ 平均 粒径 μm配合量 *质量％ 种类 ***比表面面积m2/g 配合量 *质量％配合量 **质量％焦炭配合量**质量％无烟煤配合量质量％氧量质量％SiO2质量％Al203质量％加热温度℃ 13 - - 100 93 A 2.3 7 10 90 - 1050 2.33 0.26 0.08 0.05发明例 14 - - 55 90 B 2.6 10 15 70 15 1100 2.21 0.27 0.08 0.05 15 - - 60 85 A 2.3 15 17 63 20 1150 2.19 0.26 0.07 0.05 16 - - 190 80 B 2.6 20 20 40 40 1050 2.10 0.25 0.07 0.04 17 - - 120 75 B 2.6 25 15 75 10 1100 2.05 0.22 0.07 0.05 18 - - 68 70 A 2.3 30 16 79 5 1150 2.00 0.28 0.07 0.04 19 - - 111 65 B 2.6 35 12 73 15 1050 1.95 0.26 0.06 0.05 20 - - 87 100 - - - 15 75 10 1100 2.57 0.35 0.07 0.05历来例 21 120 100 - - - - - 15 75 10 1100 1.94 0.41 2.1 0.86 22 - - 90 90 C 0.5 10 15 70 15 1100 2.40 0.26 0.08 0.05比较例 23 - - 72 40 A 2.3 60 15 70 15 1100 1.55 1.03 0.03 0.03
*)相对于混合粉合计量的质量％
**)相对于固体还原剂合计量的质量％
***)A：赤铁矿粉末(川崎制铁公司生产的氧化铁；商品名KH-DS)
B：赤铁矿粉末(川崎制铁公司生产的氧化铁；商品名KH-DC)
C：赤铁矿粗粒产业上的利用可能性
根据本发明，能够提供具有比以往低的表观密度的海绵铁的制造方法、还原铁粉及其制造方法，获得产业上显著的效果。