JP2024010513A - ニッケル酸化鉱石の製錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケル酸化鉱石を含む混合物を還元することによってフェロニッケルを製造する方法において、製錬コストを抑えながら、高品質なフェロニッケルを、ＣＯ２排出量の少ない方法で効果的に製造することができる技術を提供すること。【解決手段】原料鉱石であるニッケル酸化鉱石を含む混合物を還元することによってフェロニッケルを製造するニッケル酸化鉱石の製錬方法であって、前記ニッケル酸化鉱石と、炭素質還元剤と、を混合して塊状の混合物とし、前記混合物を、熱源として電気を用いた電気加熱式の還元炉１に装入し、還元炉１内で所定の還元温度に加熱して還元処理を施し、還元炉１は、不活性ガス供給部８０と排気ガス再供給部９０とを備え、前記還元処理の際に、不活性ガス供給部８０を介して還元炉１内に前記不活性ガスが供給され、かつ排気ガス再供給部９０を介して還元炉１内に前記排気ガスが供給される、ニッケル酸化鉱石の製錬方法。【選択図】図２

Description

本発明は、ニッケル酸化鉱石の製錬方法に関する。

リモナイト又はサプロライトと呼ばれるニッケル酸化鉱石の製錬方法として、熔錬炉を使用してニッケルマットを製造する乾式製錬方法、ロータリーキルン又は移動炉床炉を使用してフェロニッケルを製造する乾式製錬方法、オートクレーブを使用してミックスサルファイドを製造する湿式製錬方法等が知られている。

ニッケル酸化鉱石を製錬する場合、まず、その原料鉱石を塊状物化、スラリー化等するための前処理が行われる。具体的には、ニッケル酸化鉱石を塊状物化、すなわち粉や微粒状から塊状にする際には、そのニッケル酸化鉱石以外の成分、例えばバインダーや還元剤と混合して混合物とし、さらに水分調整等を行った後に、塊状物製造機に装入して１０～３０ｍｍ程度の塊状物（ペレット、ブリケット等を指す。以下、単に「ペレット」ともいう）とするのが一般的である。

このようにして形成されるペレットでは、水分を飛ばすため、ある程度の通気性が必要である。また、ペレット内で還元が均一に行われないと組成が不均一になり、メタルが分散し、偏在してしまう。このため、原料を均一に混合して混合物とすることや、ペレットを還元する際に可能な限り均一な温度で処理することが重要となる。

加えて、還元して生成するメタル（フェロニッケル）を粗大化させることも非常に重要な技術である。なぜならば、生成したフェロニッケルが、例えば数１０μｍ以下の大きさである場合、スラグと分離することが困難となり、フェロニッケルの収率が大きく低下してしまうからである。そのため、還元により生成するフェロニッケルを粗大化することによって、スラグとの分離性を高めて収率を向上させることが重要となる。

また、近年、ニッケル品位が高い鉱石や、メタル化したときに不純物が混入し難い鉱石が少なくなりつつあり、高品質のフェロニッケルを製造するためには、さらなる高い製錬技術が必要とされる。さらに、金属価格は乱高下することがしばしばあり、価格が下落した際でも採算が取れるような体制にしておかなくてはならず、製錬コストを如何に低く抑えられるかが重要な課題となっている。

以上述べたように、ニッケル酸化鉱石からニッケルを製錬する技術においては、多くの技術課題が残されている。一方で、近年では、環境負荷低減への要望が非常に高まっており、製錬分野においては特に、温室効果ガスの削減、具体的にはＣＯ_２削減への要望が非常に強くなっている。ＣＯ_２低減対策に関しては、各分野で様々な研究、開発が進められているが。一例として、ＣＯ_２排出量が多い鉄鋼製錬では、文献１「２０５０年における世界の鉄鋼部門からのＣＯ_２排出量削減ポテンシャルの推計」のような論文が出されており、ＣＯ_２排出量は２００５年比で６％～１２％増加すると推計されている。

ニッケル乾式製錬においてもＣＯ_２の排出量は多く、その一因として、還元工程での処理において、ロータリーキルンを用いるクルップレン法、予備還元にロータリーキルンを用いるエルケム法等の方法で、キルンの燃料として石炭を用いている点が挙げられる。

さらに、これら化石燃料やＬＮＧ等のガスでは、燃料自身に若干の水分が含まれているため、燃焼に伴って水蒸気が発生し、その発生した水蒸気が熱分解されて、還元工程での処理において還元物を再酸化させ、還元効率を著しく低下させることも知られている。

このように、ニッケル酸化鉱石を混合し、還元して、フェロニッケル等のメタルを製造する技術には、生成するメタルの高品質化のみならず、生産性の向上や製錬コストの抑制、そしてＣＯ_２排出量の削減等、多くの重要な課題がある。

土木学会論文集Ｇ（環境），Vol.70，No.6（環境システム研究論文 第42巻），II_239-II_247,2014

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、ニッケル酸化鉱石を含む混合物を還元することによってフェロニッケルを製造する方法において、製錬コストを抑えながら、高品質なフェロニッケルを、ＣＯ_２排出量の少ない方法で効果的に製造することができる技術を提供することを目的とする。

本発明者は、上述の課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、原料鉱石であるニッケル酸化鉱石と炭素質還元剤とを含む混合物を還元する際のエネルギーに電気を利用することによって、還元時に起こり得るその混合物の部分的な酸化を抑制することが可能となり、その結果、ニッケルメタル化率やニッケル含有率の高いフェロニッケルを製造でき、かつＣＯ_２排出量を大幅に削減できることを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は以下のものを提供する。

（１）本発明の第１の発明は、原料鉱石であるニッケル酸化鉱石を含む混合物を還元することによってフェロニッケルを製造するニッケル酸化鉱石の製錬方法であって、前記ニッケル酸化鉱石と、炭素質還元剤と、を混合して塊状の混合物とし、前記混合物を、熱源として電気を用いた電気加熱式の還元炉に装入し、該還元炉内で所定の還元温度に加熱して還元処理を施し、前記還元炉は、炉内部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、前記炉内部から排出された排気ガスを前記炉内部に再度供給する排気ガス再供給部とを備え、前記還元処理の際に、前記不活性ガス供給部を介して前記炉内部に前記不活性ガスが供給され、かつ前記排気ガス再供給部を介して前記炉内部に前記排気ガスが供給される、ニッケル酸化鉱石の製錬方法である。

（２）本発明の第２の発明は、第１の発明において、前記不活性ガスが、窒素及びアルゴンの１種以上を含む、ニッケル酸化鉱石の製錬方法である。

（３）本発明の第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記還元処理の還元温度は、１２００℃以上１５００℃以下である、ニッケル酸化鉱石の製錬方法である。

又は第２
（４）本発明の第４の発明は、第１又は第２の発明において、前記還元炉は、回転炉床炉である、ニッケル酸化鉱石の製錬方法である。

本発明によれば、ニッケル酸化鉱石を含む混合物を還元することによってフェロニッケルを製造する方法において、製錬コストを抑えながら、高品質なフェロニッケルを、ＣＯ_２排出量の少ない方法で効果的に製造することができる技術を提供することができる。

ニッケル酸化鉱石の製錬方法の流れの一例を示す工程図である。 実施形態に係る還元炉の一例を示す斜視図である。 図２の還元炉の一部を省略して示す平面図である。 図２のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 図４のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。 図２のＣ－Ｃ線に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態（以下、単に、「実施形態」ともいう）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。また、本明細書において、「Ｘ～Ｙ」（Ｘ、Ｙは任意の数値）との表記は、「Ｘ以上Ｙ以下」の意味である。
≪ニッケル酸化鉱石の製錬方法≫

本実施の形態に係るニッケル酸化鉱石の製錬方法は、原料鉱石であるニッケル酸化鉱石を炭素質還元剤等と混合し、その混合物に対して製錬炉（還元炉）内で還元処理を施すことによって、メタルとスラグとを生成させるものである。この製錬方法においては、少なくともニッケル酸化鉱石と炭素質還元剤とを混合して塊状の混合物とする。

そして、本実施の形態に係る製錬方法では、混合物を還元処理するにあたり、熱源として電気を用いた電気加熱式の還元炉を使用することを特徴としている。このように、電気加熱式還元炉内で還元処理を施すことによって、酸素による酸化の影響を効果的に低減でき、高い品質のフェルニッケルを製造することができる。

本実施の形態に係る製錬方法では、炉内に不活性ガスが供給され、かつ炉内から排出される排気ガスが炉内に供給されて再利用することによって、不活性ガスの使用量を大幅に削減することができる。

また、還元炉の加熱用燃料として石炭、コークス、ＬＮＧ、ＬＰＧ等の化石燃料を用いた場合と比較して、電力であれば、原理的に火力発電以外にも水力発電や、太陽光や風力等の再生可能エネルギーによっても得ることができるため、トータルとしてのＣＯ_２排出量を削減することができる。

以下では、原料鉱石であるニッケル酸化鉱石に含まれるニッケル（酸化ニッケル）と鉄（酸化鉄）を還元することで、鉄－ニッケル合金（フェロニッケル）のメタルを生成させ、さらにそのメタルを分離することによってフェロニッケルを製造する製錬方法を例に挙げてより具体的に説明する。

本実施の形態に係るニッケル酸化鉱石の製錬方法は、図１に示すように、ニッケル酸化鉱石を含む原料を混合する混合処理工程Ｓ１と、得られた混合物を所定の形状に成形する混合物成形工程Ｓ２と、成形された混合物を還元炉に装入し所定の還元温度で還元処理する還元工程Ｓ３と、を有する。また、還元処理により生成し、かつ成長したメタルとスラグとを分離してメタル（フェロニッケルメタル）を回収する分離工程Ｓ４を有する。

［混合処理工程］
混合処理工程Ｓ１は、ニッケル酸化鉱石を含む原料粉末を混合して混合物を得る工程である。具体的には、原料鉱石であるニッケル酸化鉱石と共に、炭素質還元剤を添加して混合し、また任意成分の添加剤として、鉄鉱石、フラックス成分、バインダー等の、例えば粒径が０．１ｍｍ～０．８ｍｍ程度の粉末を混合して混合物を得る。なお、混合処理は、混合機等を用いて行うことができる。

また、混合処理では、混合性を高めるために混練を行ってよい。例えば、二軸混練機等を用いて混合物を混練することで、混合物にせん断力を加え、炭素還元剤や原料粉末等の凝集を解いてより均一に混合できると共に、各々の粒子の密着性を高めて、還元工程Ｓ３にて均一な還元処理を行い易くすることができる。

原料鉱石であるニッケル酸化鉱石としては、特に限定されないが、リモナイト鉱、サプロライト鉱等を用いることができる。なお、ニッケル酸化鉱石は、構成成分として、酸化ニッケル（ＮｉＯ）と、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）と、を含有する。

本実施の形態においては、ニッケル酸化鉱石に対して、特定量の炭素質還元剤を混合して混合物とする。炭素質還元剤としては、特に限定されないが、例えば、石炭粉、コークス粉等が挙げられる。なお、炭素質還元剤は、上述の原料鉱石であるニッケル酸化鉱石の粒度と同等のものであることが好ましい。ニッケル酸化鉱石の粒度や粒度分布と同等の炭素質還元剤を用いて混合することで、均一に混合し易く、よって還元反応も均一に生じさせることができ好ましい。

炭素質還元剤の混合量としては、ニッケル酸化鉱石を構成する酸化ニッケルと酸化鉄とを過不足なく還元するのに必要な炭素質還元剤の量を１００質量％としたとき、５０．０質量％以下の割合とすることが好ましく、４０．０質量％以下の割合とすることがより好ましい。なお、酸化ニッケルと酸化鉄とを過不足なく還元するのに必要な炭素質還元剤の量とは、酸化ニッケルの全量をニッケルメタルに還元するのに必要な化学当量と、酸化鉄を鉄メタルに還元するのに必要な化学当量との合計値（以下、「化学当量の合計値」ともいう）と言い換えることができる。

このように、炭素質還元剤の混合量を、化学当量の合計値を１００質量％としたときに５０．０％質量以下の割合とすることで、還元反応を効率的に進行させることができる。

なお、炭素質還元剤の混合量の下限値としては、特に限定されないが、化学当量の合計値１００質量％に対して、１０．０質量％以上の割合とすることが好ましく、１５．０質量％以上の割合とすることがより好ましい。

また、上述のように、ニッケル酸化鉱石と炭素質還元剤のほか、任意成分として鉄鉱石、フラックス成分、バインダー等の添加剤を添加して混合することができる。

鉄鉱石としては、例えば、鉄品位が５０質量％程度以上の鉄鉱石、ニッケル酸化鉱石の湿式製錬により得られるヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）等を用いることができる。また、バインダーとしては、例えば、ベントナイト、多糖類、樹脂、水ガラス、脱水ケーキ等を挙げることができる。また、フラックス成分としては、例えば、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、二酸化珪素等を挙げることができる。

下記表１に、混合処理工程Ｓ１にて混合する、一部の原料粉末の組成（質量％）の一例を示す。なお、原料粉末の組成としてはこれに限定されない。

［混合物成形工程］
混合物成形工程Ｓ２は、混合処理工程Ｓ１で得られた混合物を成形する工程である。すなわち、原料粉末を混合して得られた混合物を、ある程度の大きさの塊状物（以下、「ペレット」ともいう）にする。なお、混合物は、成形して得られた塊状物の形態で、次工程の還元工程Ｓ３における還元処理に供され、還元炉内に装入される。

混合物を塊状化して得られるペレットの形状としては、直方体状、円柱状、球状等の種々の形状とすることができ、特に限定されない。その中でも、混合物を成形し易い形状とすることで、成形にかかるコストを抑えることができる。また、形状を単純化することで、不良品が出ることが殆どなくなり、成形における収率を高めることができる。

成形（塊状化）した混合物の体積（ペレットの体積）としては、特に限定されないが、８０００ｍｍ^３以上であってよい。ペレットの体積が小さすぎると、成形コストが高くなり、また、還元炉に装入するのに手間がかかる可能性がある。さらに、ペレットの体積が小さいと、ペレット全体に占める表面積の割合が高くなるため、還元処理を行ったときに表面と内部とで還元の差の現れ易くなって、高い品質のフェロニッケルが得られないこともある。その点、ペレットの体積が８０００ｍｍ^３以上となるように成形することで、成形コストを抑えることができ、また取扱いが容易となるだけでなく、高い品質のフェルニッケルを製造することが可能になる。

また、所定の形状に成形した後、その成形した混合物（塊状物）に対して乾燥処理を施してペレットとしてもよい。還元する前に乾燥処理を行っておくことで、還元処理においてペレットが急減に加熱され破裂するといった不具合を抑えることができる。乾燥処理において、その乾燥温度としては、１５０℃～４００℃程度とすることが好ましい。このような温度範囲で乾燥することで、混合物内での還元反応が進むこと無く、効果的に乾燥することが可能となる。

下記表２に、乾燥処理後の混合物（ペレット）における固形分中組成（質量％）の一例を示す。なお、混合物の組成としてはこれに限定されるものではない。

［還元工程］

還元工程Ｓ３では、混合物成形工程Ｓ２で得られた混合物（ペレット）を還元炉内に装入し、所定の還元温度に加熱して還元処理を施す。このような還元処理によって、製錬反応（還元反応）が進行し、メタル（フェロニッケルメタル）と、スラグと、が生成する。

還元処理においては、ニッケル酸化鉱石を含むペレットを還元炉の炉床上に載置し、そのペレットに対して、加熱する。加熱は、還元温度が、例えば１２００℃以上１５００℃以下、好ましくは１２５０℃以上１４００℃以下になるようにする。

このような還元処理によって、例えば１分程度のわずかな時間で、先ず還元反応の進み易いペレット表面近傍においてペレットに含まれる酸化ニッケル及び酸化鉄が還元されメタル化して鉄－ニッケル合金となり、シェル（以下、「殻」ともいう）を形成する。一方で、殻の中では、その殻の形成に伴ってペレット中のスラグ成分が徐々に溶融して液相のスラグが生成する。これにより、１個のペレットの中で、フェロニッケルメタル（以下、単に「メタル」ともいう）と、酸化物からなるスラグ（以下、単に「スラグ」という）とが分かれて生成する。そして、加熱による還元処理の処理時間が１０分程度を経過すると、還元反応に関与しない余剰の炭素質還元剤の炭素成分が、鉄－ニッケル合金に取り込まれて融点を低下させる。その結果、鉄－ニッケル合金は溶解して液相となる。

ここで、本実施の形態に係る製錬方法では、還元炉として、熱源に電気を用いた電気加熱式の還元炉を使用して還元処理を行うことを特徴としている。

従来、主として、加熱用燃料として石炭やコークス、ＬＮＧ、ＬＰＧ等の化石燃料を用いたバーナー炉（バーナー加熱式の還元炉）を使用して還元処理が行われていた。ところが、石炭のような固体はもちろん、重油等の液体を燃料として用いた場合、燃焼を１００％行うことは難しく、空気（酸素）を過剰に入れて燃焼加熱することが必要になる。さらに、ＬＮＧのようなガスでは、水素を含むため、燃焼時に多量の水が発生する。そのため、これらの化石燃料を熱源として用いた還元処理では、不可避的に多量の酸素や水が炉内に存在するようになり、還元反応が進まないことや、還元できたとしても生成したメタルが部分的に酸化（再酸化）してしまう等の問題が生じ、その結果、高品質なフェロニッケルが得られないことがある。

そこで、本実施の形態に係る製錬方法では、熱源に電気を用いた電気加熱式還元炉を使用して還元処理を行うようにしており、このように電気を熱源として用いた還元炉内での還元処理によって、炉内への酸素の混入や水の発生を無くことができ、不可避的に酸化してしまう混合物の酸化を極力抑えることができる。これにより、メタル化率やメタル中ニッケル含有量を向上させて、高い品質のフェロニッケルを製造することが可能となる。

具体的に、電気加熱式還元炉では、その炉内に不活性ガスを流しながら炉内をプラス圧（１気圧以上）に保った状態で、電気エネルギーにより所定の温度に加熱して還元処理を行う。このような電気加熱式還元炉では、実質的に炉内に酸素が存在しない状態を維持でき、また水も発生しない状態を実現することができる。そして、このような炉内雰囲気であることで、混合物に対して均一に還元処理が進行していき、生成したメタルが再酸化するおそれがなく、よって高い品質のフェロニッケルが得られる。

還元炉内は、酸素が混入しないようにするためにプラス圧にする必要がある。このため、通常、還元炉内に不活性ガスが供給されるが、環境的・経済的な観点から不活性ガスの供給量が小さいことが好ましい。また、還元炉内からは排気ガスが排出されるが、環境的・経済的な観点から排気ガスの排出量が小さいことが好ましい。

ところで、排気ガスは、還元炉での還元反応終了後に排出されるガスであるから、実質的に酸素を含まないために還元反応に悪影響を及ぼす可能性が小さく、かつ比較的高温のガスである。

本実施の形態に係る製錬方法では、後述の還元炉１等の還元炉を用いることで、還元炉１から排出された比較的高温の排気ガスＥＧを還元炉内に供給し、排気ガスＥＧを不活性ガスＩＧの代替成分として再利用する。このため、本実施の形態に係る製錬方法では、不活性ガスＩＧの使用量及び排気ガスＥＧの排出量を大幅に削減することができ、かつ還元炉の電気ヒーター５０での加熱のための電気の使用量を削減することができる。このため、本実施の形態に係る製錬方法によれば、低コストでフェロニッケルを製造することが可能になる。

なお、還元炉１への混合物Ｐの投入時には、混合物Ｐを投入する投入部２１において、混合物Ｐに加え空気（酸素）が還元炉１内に混入するおそれがある。このように還元炉内に空気（酸素）が混入されると、還元炉内での還元反応にバラツキが生じたり、還元反応で生成したメタルが再酸化されたりするおそれがある。本実施の形態に係る製錬方法では、還元炉１から排出された排気ガスＥＧ、及び不活性ガスＩＧを還元炉１に供給することにより還元炉１内をより高いプラス圧にし易いため、還元炉１内に空気（酸素）の混入するおそれが小さくなる。また、還元炉１から排出された排気ガスＥＧ、及び不活性ガスＩＧを、還元炉１の投入部２１に供給する場合は、投入部２１に混合物Ｐを投入する際に空気（酸素）が還元炉１内に混入するおそれをより小さくすることできるため好ましい。

不活性ガスＩＧとしては、例えば、窒素及びアルゴンの１種以上を含むガスが用いられる。

また、本実施の形態に係る製錬方法は、電気による加熱であることから、加熱時には二酸化炭素（ＣＯ_２）が発生することもない。したがって、加熱用燃料に石炭や重油、ＬＮＧ等を用いた場合と比較して、特に製錬所でのＣＯ_２排出量を有効に削減することができる。さらに、バーナーによる加熱方式と比較して、排気ガス量が非常に少なくなるため、排気ガスと共に持ち去られる熱エネルギーが極めて少なくなる。具体的に、電気を使用した場合では、石炭やＬＮＧ（液化天然ガス）等のバーナーを用いた場合と比較して、数１０～５０％程度のエネルギー消費を抑えることができ、極めて効率的な製錬操業を行うことが可能となる。

加えて、排気ガス量が少ないことから、ダストの発生を大きく抑えることができる。そのため、排気ガス処理やダスト回収にかかる費用や設備費を有効に低減できる。

さらに、電気による加熱では、温度を容易にかつ精度よく制御できるという利点がある。このことから、還元炉としてはより具体的に、一連の加熱や冷却処理を連続して行う移動炉床炉（電気加熱式の移動炉床炉）を用いることが特に適している。

移動炉床炉としては、特に限定されず、例えば、円形状であって複数の処理領域に区分けされた回転炉床炉を用いることができる。回転炉床炉では、所定の方向に回転しながら、各領域においてそれぞれの処理を行う。回転炉床炉では、各領域を通過する際の時間（移動時間、回転時間）を制御することで、それぞれの領域での処理温度、処理時間を調整することができ、回転炉床炉が１回転する毎に混合物が製錬処理される。また、移動炉床炉としては、ローラーハースキルン等を用いてもよい。

（還元炉）
以下、本発明で用いられる還元炉について詳述する。
図２は、実施形態に係る還元炉の一例を示す斜視図である。図３は、図２の還元炉の平面図である。図４は、図２のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図５は、図４のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図６は、図２のＣ－Ｃ線に沿った断面図である。

図２～図４に示すように、実施形態に係る還元炉１は、移動炉床炉の一種である回転炉床炉１０になっている。具体的には、回転炉床炉１０（還元炉１）は、ペレット状等に成形された混合物Ｐの還元処理が行われる円筒又は円柱状の炉床炉本体１１と、混合物Ｐを回転炉床炉１０（還元炉１）の炉内部１６に投入する投入部２１と、混合物Ｐの還元処理が行われた後に得られる生成物を回収する回収部２５と、炉内部１６に不活性ガスＩＧを供給する不活性ガス供給部８０と、炉内部１６から排出された排気ガスＥＧを炉内部１６に再度供給する排気ガス再供給部９０とを備える。

ここで、炉内部１６とは、還元炉１である回転炉床炉１０の内部を意味する。なお、炉床炉本体１１の内部を本体内部３６、投入部２１の内部を投入部内部２６、回収部２５の内部を回収部内部２７とする。炉内部１６は、本体内部３６と投入部内部２６と回収部内部２７との合計である。なお、不活性ガス供給部８０及び排気ガス再供給部９０の内部空間は、炉内部１６に含めないものとする。

図４に示すように、炉床炉本体１１の本体内部３６には、載置された混合物Ｐを矢印Ｍの方向に回転可能な回転炉床１２が設けられる。投入部２１の投入部内部２６、には、矢印Ｉ_Ｐの方向に導入された混合物Ｐを回転炉床１２上に搬送可能な搬送部３２１が設けられる。回収部２５の回収部内部２７には、混合物Ｐの還元処理が行われた後に得られる生成物を回転炉床１２から受け取り、矢印Ｏ_Ｓの方向に排出して回収するために搬送可能な搬送部３２５が設けられる。回転炉床炉１０では、投入部２１に投入された混合物Ｐを、炉床炉本体１１の回転炉床１２上で還元し、混合物Ｐの還元処理が行われた後に得られる生成物を回収部２５で回収することができるようになっている。

図５に示すように、回転炉床炉１０の炉床炉本体１１は、本体底部３１と、本体側面部３２のうちの内側側面である本体第１側面部３３と、本体側面部３２のうちの外側側面である本体第２側面部３４と、本体頂部３５と、で囲繞されることにより本体内部３６が形成されている。

炉床炉本体１１では、本体底部３１と、本体第１側面部３３と、本体第２側面部３４と、本体頂部３５とは、それぞれ、外部側に外面部材４１が配置され、本体内部３６側に断熱材４２が配置される。

図５に示すように、炉床炉本体１１では、本体側面部３２（３３、３４）と本体頂部３５とにおける本体内部３６の断熱材４２の表面に、電気ヒーター５０が設けられる。すなわち、還元炉１は、本体側面部３２（３３、３４）と本体頂部３５とにおける本体内部３６に、電気ヒーター５０が設けられる。

具体的には、炉床炉本体１１は、本体側面部３２のうちの本体第１側面部３３における本体内部３６に、電気ヒーター５０としての第１側面電気ヒーター５３が設けられる。また、炉床炉本体１１は、本体側面部３２のうちの本体第２側面部３４における本体内部３６に、電気ヒーター５０としての第２側面電気ヒーター５４が設けられる。さらに、炉床炉本体１１は、本体頂部３５における本体内部３６に、電気ヒーター５０としての頂部電気ヒーター５５が設けられる。

第１側面電気ヒーター５３、第２側面電気ヒーター５４、頂部電気ヒーター５５等の電気ヒーター５０の構造は特に限定されない。図５には、棒状の発熱体５８が図５の紙面の表裏にＵ字状の屈曲を複数回繰り返すことにより、図５の紙面の垂直方向に沿って全体的に略矩形になるように形成された構造の電気ヒーター５０を示した。図２～図４では、本体内部３６に配置された電気ヒーター５０を、破線の矩形や実線の矩形で示しているが、これらは、全体的に略矩形になるように形成された構造の電気ヒーター５０を示す。

電気ヒーター５０を構成する発熱体５８としては、例えば、炭化ケイ素ＳｉＣ発熱体、二ケイ化モリブデンＭｏＳｉＯ_２発熱体、グラファイト発熱体等が用いられる。このうち、炭化ケイ素ＳｉＣ発熱体及び二ケイ化モリブデンＭｏＳｉＯ_２発熱体は、混合物Ｐの還元処理に影響を及ぼすおそれが小さく、また取り扱いが容易であり、さらに耐久性が高く、比較的安価であるため好ましい。

電気ヒーター５０は、全体的に略矩形に形成された発熱体５８からなり、一般的に厚みが小さく、かつ非常に高い精度での温度制御が可能である。このため、本体側面部３２と本体頂部３５とに電気ヒーター５０を設けた回転炉床炉１０によれば、非常に高い精度で温度制御が可能な均熱帯域を、本体内部３６中で広くとることが容易である。したがって、本体側面部３２と本体頂部３５とに電気ヒーター５０を設けた回転炉床炉１０によれば、外形の大きさに比較して混合物Ｐの効率的な還元反応を行い易い。

これに対し、バーナーを用いる従来の回転炉床炉では、炉床上の混合物Ｐの周囲に均熱帯域を形成するための大きな均熱化補助領域が必要であり、また、均熱帯域を高い精度で温度制御することも困難である。例えば、バーナーを用いる従来の回転炉床炉では、炉床上の混合物Ｐの周囲に均熱帯域を形成するために加熱気体の安定した流れを形成する必要がある。このため、バーナーを用いる従来の回転炉床炉では、通常、炉床炉本体の本体内部に給気を行う給気部と、本体内部から排気を行う排気部とが、それぞれ、混合物Ｐから大きな距離を有するように形成される。すなわち、バーナーを用いる従来の回転炉床炉では、通常、混合物Ｐと炉床炉本体の給気部との間に大きな均熱化補助領域が必要であり、かつ混合物Ｐと炉床炉本体の排気部との間に大きな均熱化補助領域が必要である。

また、ＬＮＧバーナーを用いる従来の回転炉床炉では、通常、回転炉床炉の炉床炉本体の周囲にＬＮＧ供給装置や排気装置等の補機が設けられるため、回転炉床炉全体がさらに大型化する。さらに、微粉炭バーナーを用いる従来の回転炉床炉では、排気装置等の補機に加え、回転炉床炉の炉床炉本体の内周側面に投炭装置等の補機が設けられることで回転炉床炉全体がさらに大型化する。このように、バーナーを用いる従来の回転炉床炉は、回転炉床炉の大きさに比較して混合物Ｐの効率的な還元反応を行い難い。

なお、バーナー炉では加熱気体の流れを用いて均熱帯域を形成する。しかし、電気ヒーター５０を用いる電気炉では、加熱気体の流れを用いないために均熱帯域が電気ヒーター５０の近傍に形成される。このため、仮に、回転炉床炉１０において本体側面部３２及び本体頂部３５の一方のみに電気ヒーター５０を設けた場合は、均熱帯域を本体内部３６中で広くとることが困難になり易い。

これに対し、本体側面部３２と本体頂部３５とに電気ヒーター５０を設けた回転炉床炉１０によれば、均熱帯域を本体内部３６中で広くとることが容易であり、バーナー加熱式の従来の回転炉床炉に比較して、同じ大きさの炉であってもより多くの鉱石を処理することができる。そして、電気加熱方式の回転炉床炉１０によれば、非常に高い精度で温度制御が可能であり、高特性かつ品質ばらつきの小さいフェロニッケルを製造することができる。

なお、回転炉床炉１０では、本体側面部３２（３３、３４）と本体頂部３５とにおける本体内部３６の断熱材４２の表面に、電気ヒーター５０が設けられる例を示した。しかし、回転炉床炉１０の変形例として、本体底部３１に電気ヒーター５０がさらに設けられる回転炉床炉や、本体側面部３２の本体第１側面部３３及び本体第２側面部３４の一方だけに電気ヒーター５０が設けられる回転炉床炉としてもよい。

また、回転炉床炉１０では、第１側面電気ヒーター５３が１２個、第２側面電気ヒーター５４が２０個、頂部電気ヒーター５５が１２個設けられる例を示した。しかし、回転炉床炉１０の変形例として、第１側面電気ヒーター５３、第２側面電気ヒーター５４、及び頂部電気ヒーター５５の数を、それぞれ、適宜変更した回転炉床炉としてもよい。

さらに、回転炉床炉１０では、炉床炉本体１１のみに、電気ヒーター５０が設けられる例を示した。しかし、回転炉床炉１０の変形例として、投入部２１及び回収部２５の１種以上に電気ヒーター５０が設けられる回転炉床炉としてもよい。

＜処理ゾーン＞
還元炉１である回転炉床炉１０は、異なる反応温度に制御可能に仕切られた処理ゾーン６０を炉内部１６に複数個備える移動炉床炉１０になっている。具体的には、図３及び図４に示すように、回転炉床炉１０は、炉内部１６に、複数個の処理ゾーン６０として、投入ゾーン６１、昇温ゾーン６２、温度保持ゾーン６３、冷却ゾーン６４、及び回収ゾーン６５を含む。

より具体的には、図３及び図４に示すように、回転炉床炉１０は、投入部２１に設けられた投入ゾーン６１と、炉床炉本体１１に設けられた昇温ゾーン６２、温度保持ゾーン６３及び冷却ゾーン６４と、回収部２５に設けられた回収ゾーン６５とを含む。

処理ゾーン６０を異なる反応温度に制御可能にするため、隣接する処理ゾーン６０は仕切り部材１２０で仕切られている。具体的には、炉床炉本体１１において、隣接して設けられた昇温ゾーン６２、温度保持ゾーン６３及び冷却ゾーン６４は、それぞれ、仕切り部材１２２、１２３、１２４で仕切られている。より具体的には、炉床炉本体１１において、昇温ゾーン６２と温度保持ゾーン６３との間が仕切り部材１２２で仕切られ、温度保持ゾーン６３と冷却ゾーン６４との間が仕切り部材１２３で仕切られ、冷却ゾーン６４と昇温ゾーン６２との間が仕切り部材１２４で仕切られている。

また、回転炉床炉１０において、投入部２１に設けられた投入ゾーン６１と炉床炉本体１１に設けられた昇温ゾーン６２との間が仕切り部材１２１で仕切られ、炉床炉本体１１に設けられた冷却ゾーン６４と回収部２５に設けられた回収ゾーン６５との間が仕切り部材１２５で仕切られている。

図５に仕切り部材１２２を示し、図６に仕切り部材１２１を示す。なお、図５に示す仕切り部材１２２、及び図６に示す仕切り部材１２１は、共に、混合物Ｐよりも紙面奥側に配置されている。図５及び図６では、混合物Ｐよりも紙面奥側に配置された仕切り部材１２２及び仕切り部材１２１の表面を示している。

仕切り部材１２０の形状は、特に限定されないが、例えば、板状体が用いられる。仕切り部材１２０の材質は、十分な耐熱性を有する限り特に限定されないが、例えば、ＳｉＣ等の耐火セラミックス、アルミナ、シリカ、マグネシア等を主成分とする耐火煉瓦や耐火ボード、及び高温用金属が用いられる。

処理ゾーン６０を異なる反応温度に制御可能にするため、各電気ヒーター５０の出力を個別に制御可能になっている。なお、電気ヒーター５０の出力の制御は、電気ヒーター５０の１個以上において、必要により同一値に設定してもよい。電気ヒーター５０の出力の制御は、例えば、図示しない温度計で測定した値に基づいて行う。各処理ゾーン６０は、仕切り部材１２０及び各電気ヒーター５０の出力の制御により、それぞれ異なる反応温度に制御可能になっている。

なお、回転炉床炉１０では処理ゾーン６０が投入ゾーン６１、昇温ゾーン６２、温度保持ゾーン６３、冷却ゾーン６４、及び回収ゾーン６５を含む。しかし、回転炉床炉１０の変形例として、これらの１個以上の処理ゾーン６０を含まない態様、又は上記以外の処理ゾーン６０をさらに含む態様の回転炉床炉としてもよい。

＜不活性ガス供給部＞
図２及び図６に示すように、回転炉床炉１０は、炉内部１６に不活性ガスＩＧを供給する不活性ガス供給部８０を備える。不活性ガス供給部８０は、投入部２１を構成する外面部材２２１の上方から投入部２１内に不活性ガスＩＧを供給する不活性ガス導入管８１を備える。

不活性ガス供給部８０では、不活性ガス導入管８１を介して投入部２１の炉内部１６（投入部内部２６）内に不活性ガスＩＧを供給する。回転炉床炉１０（還元炉１）内に不活性ガスＩＧが供給されることにより、回転炉床炉１０（還元炉１）内がプラス圧になって酸素が混入され難くなる。

なお、回転炉床炉１０では、不活性ガス供給部８０が投入部２１に設けられた態様を示したが、不活性ガス供給部８０が設けられる場所は投入部２１に限定されない。例えば、回転炉床炉１０の変形例として、不活性ガス供給部８０が炉床炉本体１１に設けられた回転炉床炉とすることができる。

＜排気ガス再供給部＞
図２及び図６に示すように、回転炉床炉１０は、炉内部１６から排出された排気ガスＥＧを炉内部１６に再度供給する排気ガス再供給部９０を備える。排気ガス再供給部９０は、回収部２５の上方から排気ガスＥＧを排出する排気ガス排出管９１と、排気ガス排出管９１から排出された排気ガスＥＧを投入部２１内に供給する排気ガス導入管９２と、を備える。排気ガス導入管９２は、投入部２１を構成する外面部材２２１の上方に接続される。

排気ガス再供給部９０では、排気ガス排出管９１を介して回収部２５の炉内部１６（回収部内部２７）から排気ガスＥＧを排出し、この排気ガスＥＧを、排気ガス導入管９２を介して投入部２１の炉内部１６（投入部内部２６）内に供給する。排気ガスＥＧは、還元反応において不活性であるため不活性ガスＩＧの代替成分として利用可能であり、比較的高温であるため熱源としても利用可能である。回転炉床炉１０（還元炉１）から排出された比較的高温の排気ガスＥＧが再び回転炉床炉１０（還元炉１）内に導入されて再利用されることにより、回転炉床炉１０（還元炉１）内がプラス圧になって酸素が混入され難くなり、かつ回転炉床炉１０（還元炉１）内が加熱される。

なお、回転炉床炉１０では、排気ガス排出管９１が回収部２５に設けられた態様を示したが、排気ガス排出管９１が設けられる場所は回収部２５に限定されない。例えば、回転炉床炉１０の変形例として、排気ガス排出管９１が炉床炉本体１１に設けられた回転炉床炉とすることができる。

また、回転炉床炉１０では、排気ガス導入管９２が投入部２１に設けられた態様を示したが、排気ガス導入管９２が設けられる場所は投入部２１に限定されない。例えば、回転炉床炉１０の変形例として、排気ガス導入管９２が炉床炉本体１１に設けられた回転炉床炉とすることができる。

回転炉床炉１０（還元炉１）は、不活性ガス供給部８０及び排気ガス再供給部９０を備え、炉内部１６に不活性ガスＩＧ及び排気ガスＥＧが供給される。回転炉床炉１０では、前記還元処理の際に、不活性ガス供給部８０を介して還元炉１内に不活性ガスＩＧが供給され、かつ排気ガス再供給部９０を介して還元炉１内に排気ガスＥＧが供給される。排気ガスＥＧは、還元反応において不活性でかつ比較的高温であるため、不活性ガスＩＧの代替成分として利用可能であり、また熱源としても利用可能である。このため、回転炉床炉１０（還元炉１）を用いる本実施の形態に係る製錬方法では、不活性ガスＩＧの使用量及び排気ガスＥＧの排出量を大幅に削減することができ、かつ回転炉床炉１０（還元炉１）の電気ヒーター５０での加熱のための電気の使用量を削減することができる。

回転炉床炉１０（還元炉１）では、回転炉床炉１０に供給する不活性ガスＩＧと排気ガスＥＧとの合計量Ｔ中の排気ガスＥＧの利用割合（排気ガスＥＧ／合計量Ｔ）を、例えば５～８０％にすることができる。回転炉床炉１０によれば、排気ガスＥＧの利用割合を上記範囲内にしても、メタル中ニッケル含有量やメタル回収率を高く維持することができる。

［分離工程］
分離工程Ｓ４では、還元工程Ｓ３にて生成した還元物からスラグを分離して、メタル（フェロニッケル）を回収する。具体的には、ペレットに対する還元処理によって得られた、メタル相（メタル固相）とスラグ相（スラグ固相）とを含む混在物（還元物）から、メタル相を回収する。

固体として得られたメタル相とスラグ相との混在物からメタル相とスラグ相とを分離する方法としては、例えば、篩い分けによる不要物の除去に加えて、比重による分離や、磁力による分離等の方法を利用することができる。

また、得られたメタル相とスラグ相は、濡れ性が悪いことから容易に分離することができ、上述の還元工程Ｓ３における処理で得られた大きな混在物に対して、例えば、所定の落差を設けて落下させる、又は篩い分けの際に所定の振動を与える等の衝撃を与えることで、その混在物からメタル相とスラグ相とを容易に分離することができる。

以下、本発明の実施例を示してより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

［混合処理工程］
原料鉱石としてのニッケル酸化鉱石と、鉄鉱石と、フラックス成分である珪砂及び石灰石、バインダー、及び炭素質還元剤（石炭粉、炭素含有量：７５重量％、平均粒径：約６５μｍ）を、適量の水を添加しながら混合機を用いて混合して混合物を得た。炭素質還元剤は、ニッケル酸化鉱石に含まれる酸化ニッケルと酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）とを過不足なく還元するのに必要な量１００質量％に対して３３質量％の割合となる量で含有させた。

［混合物成形工程］
次に、得られた混合物を、パン型造粒機を用いて造粒してペレットとし、φ１５．０±０．６ｍｍの大きさに篩った。その後、篩ったペレット試料を５つに分け、各試料を次の還元工程に供した。

［還元工程］
各試料を図２に示す還元炉１（回転炉床炉１０）に装入して、下記表３に示す条件で還元処理を施した。
還元処理は、炉床炉本体１１のサイズが全て同じ大きさの電気加熱式の還元炉を用い、還元温度を１３８０℃、還元時間（すなわち１３８０℃での保持時間）を２５分とした。還元炉内には、その炉床に灰（主成分はＳｉＯ_２、その他の成分としてＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等の酸化物を少量含有する）を敷き、その上にペレットを載置するようにした。

より具体的に、実施例１～４では、内容積が８５００Ｌの大きさの炉内に不活性ガスとして純度が約９９．９％の窒素（約０．１％は酸素等の不純物ガス）を２５００Ｌ／ｍｉｎの流量で供給しながら炉から排出される排気ガスを表３に示す割合で繰り返して再度炉内に供給し再利用した。なお、全ての実施例において、供給する不活性ガス流量と再利用する排気ガス流量の合計量が同じになるようにした。

比較例１は不活性ガスの供給のみを行い、繰り返さず、ガス流量は実施例１～４と同じとした。

このようにして還元処理を行って得られた還元物について、ニッケル（Ｎｉ）メタル率、メタル中ニッケル（Ｎｉ）含有率を、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ－８１００）により分析して算出した。下記表３に、分析結果から算出した値を示す。

なお、ニッケルメタル率は［１］式、メタル中ニッケル含有率は［２］式で算出した。
Ｎｉメタル率＝ペレット中のメタル化したＮｉの量÷（ペレット中の全てＮｉの量）×１００（％） ・・・［１］式
メタル中Ｎｉ含有率＝ペレット中のメタル化したＮｉの量÷（ペレット中のメタルしたＮｉとＦｅの合計量）×１００（％） ・・・［２］式

また、得られた還元物については、湿式処理よる粉砕を行った後、磁力選別によってメタルを回収した。そして、投入したニッケル酸化鉱石のニッケル含有率と投入量、そして回収したニッケル量からニッケル（Ｎｉ）メタル回収率を算出した。なお、ニッケルメタルの回収率は［３］式のとおりである。
Ｎｉメタル回収率＝回収されたＮｉの量÷（投入した鉱石の量×鉱石中のＮｉ含有割合）×１００ ・・・・・［３］式

表３に示されるように、排気ガスを繰り返した実施例１～４は、繰り返さなかった比較例１と比べても良好な結果が得られた。すなわち、ニッケルメタル化率は９６.５％以上であり、メタル中ニッケル含有量は１７.６％以上であり、またメタル回収率は９６．７％以上であった。

つまり、実施例１～４は、排気ガスを繰り返して利用したことにより、繰り返さなかった比較例に比べて５～８０％の不活性ガスの使用量を減らすことができた。また利用した排気ガス温度は２５０～２８０℃であり不活性ガスを加熱するための電気エネルギーも削減することができた。

またニッケルメタル化率、メタル中ニッケル含有率及びメタル回収率についても実施例１～４は比較例１よりも高い値が得られた。この理由は排気ガスを繰り返すことにより実質的に酸素を含まないガスを炉内に供給できるため酸化が抑制された効果によるものと考えられる。

１ 還元炉
１０ 回転炉床炉（移動炉床炉）
１１ 炉床炉本体
１２ 回転炉床（炉床）
１６ 炉内部
２１ 投入部
２２ 昇温部
２３ 温度保持部
２４ 冷却部
２５ 回収部
２６ 投入部内部
２７ 回収部内部
３１ 本体底部
３２ 本体側面部
３３ 本体第１側面部（内側側面）
３４ 本体第２側面部（外側側面）
３５ 本体頂部
３６ 本体内部
４１ 外面部材
４２ 断熱材
５０ 電気ヒーター
５３ 第１側面電気ヒーター
５４ 第２側面電気ヒーター
５５ 頂部電気ヒーター
５８ 発熱体
６０ 処理ゾーン
６１ 投入ゾーン
６２ 昇温ゾーン
６３ 温度保持ゾーン
６４ 冷却ゾーン
６５ 回収ゾーン
８０ 不活性ガス供給部
８１ 不活性ガス導入管
９０ 排気ガス再供給部
９１ 排気ガス排出管
９２ 排気ガス導入管
１２０、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ 仕切り部材
２２１、２２５ 外面部材
３２１、３２５ 搬送部
Ｐ ペレット（混合物）
ＩＧ 不活性ガス
ＥＧ 排気ガス

Claims (4)

1. 原料鉱石であるニッケル酸化鉱石を含む混合物を還元することによってフェロニッケルを製造するニッケル酸化鉱石の製錬方法であって、
   前記ニッケル酸化鉱石と、炭素質還元剤と、を混合して塊状の混合物とし、
   前記混合物を、熱源として電気を用いた電気加熱式の還元炉に装入し、該還元炉内で所定の還元温度に加熱して還元処理を施し、
   前記還元炉は、炉内部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、前記炉内部から排出された排気ガスを前記炉内部に再度供給する排気ガス再供給部とを備え、
   前記還元処理の際に、前記不活性ガス供給部を介して前記炉内部に前記不活性ガスが供給され、かつ前記排気ガス再供給部を介して前記炉内部に前記排気ガスが供給される、
   ニッケル酸化鉱石の製錬方法。
2. 前記不活性ガスが、窒素及びアルゴンの１種以上を含む、
   請求項１に記載のニッケル酸化鉱石の製錬方法。
3. 前記還元処理の還元温度は、１２００℃以上１５００℃以下である、
   請求項１又は２に記載のニッケル酸化鉱石の製錬方法。
4. 前記還元炉は、回転炉床炉である、
   請求項１又は２に記載のニッケル酸化鉱石の製錬方法。
   
   

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