JP4996105B2

JP4996105B2 - 竪型炉用炭材内装塊成鉱

Info

Publication number: JP4996105B2
Application number: JP2006032736A
Authority: JP
Inventors: 昭人笠井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP2007211296A

Description

本発明は、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料として用いることができる、ハンドリング強度に優れた竪型炉用炭材内装塊成鉱に関する。

本発明者らは、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料として用いることを目的として、粉鉱石と軟化溶融性を有する炭材の混合物を熱間成形することにより、従来の炭材内装コールドペレット等のようにセメントなどのバインダを添加せずとも高強度が得られる炭材内装塊成化物を開発した。

このような炭材内装塊成鉱は、粉状鉄鉱石をロータリキルン等で４００〜８００℃に加熱するとともに、軟化溶融性を有する粉状炭材を別途ロータリドライヤ等で軟化溶融が起こらない２５０℃未満の温度で乾燥したのち、この粉状炭材と粉状鉄鉱石とを二軸型のミキサ等で混合して粉状炭材が軟化溶融する温度である２５０〜５５０℃の混合物とする。そして、この混合物を双ロール型成形機等で熱間成形してブリケット化することにより高強度の成形物である炭材内装塊成鉱が得られる。そして、このようにして熱間成形された炭材内装塊成鉱は、熱間成形の際の加熱により炭材に含有されるタール分がほとんど除去されているため高炉などの竪型炉での使用上問題とならないことを示唆した（例えば、特許文献１参照）。

その後、本発明者らは、さらなる検討の結果、熱間成形後の炭材内装塊成鉱をさらに成形温度ないしそれ以上の温度で５分以上加熱して脱ガス処理（熱処理）を行うことにより、炭材内装塊成鉱からタール分をより完全に除去することができるとともに、炭材内装塊成鉱の圧潰強度がさらに上昇し、高炉内での粉化がより確実に防止できることを示唆した（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、上記脱ガス処理（熱処理）の最適条件範囲については明確でなく、高炉などの竪型炉の装入原料により適した、さらに高強度でかつよりタール分の少ない竪型炉用炭材内装塊成鉱が求められていた。

そこで、本発明は、高炉などの竪型炉の装入原料により適した、さらに高強度でかつよりタール分の少ない竪型炉用炭材内装塊成鉱を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、質量割合で８２：１８〜７８：２２の粉状鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材との混合物を４００〜５５０℃、成形圧力１０〜５０ｋＮ／ｃｍで熱間成形して作製した成形物を、さらに５５０〜８００℃、５〜６０ｍｉｎの範囲で、かつ不活性ガス雰囲気下で熱処理を行い、その後、４００℃以下まで冷却して得られる、還元率が３〜１７％、かつタール含有量が０．０５質量％以下であることを特徴とする竪型炉用炭材内装塊成鉱である。

なお、「軟化溶融性を有する粉状炭材」とは、ｌｏｇＭＦ（ここに、ＭＦはギーセラ最高流動度である。）が１．０以上の石炭、ＳＲＣ、タイヤチップ、プラスチック、アスファルト、タール、ＡＳＰ、ハイパーコールなど軟化溶融性を有する炭素質物質を少なくとも１種含むものであって、粉状のものの総称である。なお、この「軟化溶融性を有する粉状炭材」は、上記軟化溶融性を有する炭素質物質に加えて、さらにコークス、一般炭、無煙炭、オイルコークスなど軟化溶融性を実質的に有しない炭素質物質を１種以上混合したものであってもよい。また、「粉状鉄含有原料」とは、鉄鉱石、製鉄ダスト（高炉ダスト、転炉ダスト、電気炉ダスト、ミルスケールなど）、雑鉱、ペレット篩下など主として酸化鉄を含有する原料、またはこれらの原料の２種以上の混合物であって、粉状のものの総称である。

また、上記「還元率」は、炭材内装塊成鉱中の全鉄分がヘマタイトであると仮定したときを基準（還元率０％）とする。

本発明によれば、所定の製造条件で製造した竪型炉用炭材内装塊成鉱（以下、単に「炭材内装塊成鉱」または「塊成鉱」ともいう。）の還元率を３％以上に規定したことで、炭材内装塊成鉱からのタール分のより完全な除去が達成されるとともに、炭材内装塊成鉱の還元率を１７％以下に規定したことで、炭材内装塊成鉱の気孔率の増加が抑制され、炭材の固化による強度上昇効果が十分に発揮され、より圧潰強度の高い竪型炉用炭材内装塊成鉱が得られる。

（実施形態）
図１に本発明の一実施形態に係る竪型炉用炭材内装塊成化物の製造フローの概念図を示す。以下、粉状鉄含有原料として粉状鉄鉱石を代表例として説明する。炭材のうち軟化溶融性を有する炭材（例えば、粘結炭、ＳＲＣ等）は、粉状鉄鉱石および軟化溶融性を実質的に有しない炭材との混合状態を良好に保つために１ｍｍ以下程度に粉砕するのが望ましい。また、上記軟化溶融性を有する炭材との充填性を上げるため、鉄鉱石と、炭材のうち軟化溶融性を実質的に有しない炭材（例えば、コークス粉、一般炭、無煙炭、オイルコークス等）は、必要な場合には粉砕して使用する。粉砕粒度は、その上限は成形が可能な粒度であるが、下限は特に限定されないものの、軟化溶融性を有する炭材と同程度が望ましい。

〔炭材乾燥加熱工程〕
このようにして粒度調整された粉状炭材Ａは、炭材乾燥加熱設備（例えば、ロータリドライヤ）１で、炭材Ａが実質的に軟化溶融しない例えば３５０℃以下の温度で乾燥・加熱し、付着水分を除去する。ここで、粉状炭材の乾燥加熱温度は、従来技術（特許文献１参照）では炭材が軟化溶融しない「２５０℃未満」としていたが、発明者らのその後の検討により「３５０℃」まで乾燥加熱温度を上昇させても実質上軟化溶融しない炭材も存在することが判明したため、「例えば３５０℃以下」とした。

〔原料加熱工程〕
一方、粉状鉄鉱石Ｂは、粉状炭材Ａと混合したときに目標温度の２５０〜５５０℃となるように、原料加熱設備（例えば、ロータリキルン）２で４００〜８００℃に予熱する。ロータリキルン２のバーナから吹き込む燃料としては固体燃料である微粉炭、液体燃料である重油、気体燃料である天然ガス、ＣＯＧ等いずれも使用できる。

〔混合工程〕
乾燥した粉状炭材Ａと予熱した粉状鉄鉱石Ｂとの混合には、混合設備として、粉状炭材Ａの無機化および／または炭材軟化による不要な造粒を抑制するために短時間で混合できるこの業種で常用されている、例えば竪形混合槽３を用いる。また、この竪形混合槽３は成形温度を確保するために断熱および／または保温する。

〔熱間成形工程〕
粉状炭材Ａと粉状鉄鉱石Ｂからなる混合物Ｃは、成形設備として例えば熱間成形用の双ロール型成形機４を用いて加圧成形し、成形物Ｄとなす。加圧成形は、成形物Ｄを熱処理して得られた塊成化物Ｅが成形機４から竪型炉（例えば、高炉）への装入までのハンドリングに耐え得るに十分な強度である０．５ｋＮ／個以上が得られるよう、成形加圧力を１０ｋＮ／ｃｍ以上とする。

このようにして成形された成形物Ｄは、粉状鉄鉱石Ｂの空隙に、溶融した軟化溶融性を有する炭材Ａが浸入し、この炭材Ａが潤滑剤として作用して、成形物Ｄの表面に加えられた成形加圧力が成形物Ｄの内部にまでほぼ均一に及ぶため、表面近傍のみが圧密されることが防止され、成形物Ｄ内の気孔率分布が平均化され、加熱時に爆裂が起こらない塊成化物Ｅが得られる。

また、固化後の炭材Ａは、粉状鉄鉱石Ｂの粒子同士を強固に連結するとともに、粉状鉄鉱石Ｂとの接触面積も大きくなっており、このようにして得られた塊成化物Ｅは、高強度で、かつ被還元性に優れたものとなる。

〔熱処理工程〕
この成形物Ｄを熱処理設備（例えば、シャフト炉）５内に装入し、熱処理して得られる塊成鉱Ｅの還元率が３〜１７％の範囲となるように、５００〜８００℃、５〜６０ｍｉｎの範囲で処理温度および／または処理時間を調整して熱処理を行う。すなわち、塊成鉱Ｅの還元率の調整は、熱処理設備５での処理温度を一定にして処理時間を変更することにより行ってもよいし、逆に処理時間を一定にして処理温度を変更することによって行ってもよいし、さらに処理温度と処理時間をともに変更することによって行ってもよい。

このように、塊成鉱の還元率を３〜１７％の範囲に規定したのは以下の理由による。すなわち、熱処理により、成形物Ｄ中に残存する揮発分およびタール分が除去され、得られた塊成鉱Ｅが収縮して緻密化するとともに、炭材がコークス化して固化する。一方、成形物Ｄ中の粉状鉄鉱石Ｂが炭材Ａで還元され、得られた塊成鉱Ｅの気孔率が増加する。塊成鉱Ｅの緻密化および炭材の固化は、塊成鉱Ｅの強度を上昇させる方向に作用するが、気孔率の増加は、逆に塊成鉱Ｅの強度を低下させる方向に作用する。したがって、熱処理の進行とともに、塊成鉱Ｅの圧潰強度は、当初は揮発分等の除去による成形物の緻密化および炭材固化による強度向上効果のほうが優勢なため上昇するが、やがて揮発分等の除去がほぼ完了し、気孔率の増加による強度低下効果が優勢となるため、最高値を示した後、低下する傾向を示す。また、熱処理の進行度合いを表す指標として、塊成鉱Ｅの還元率を用いることができ、後記実施例に示すように、還元率と圧潰強度との間に一定の関係が認められる。塊成鉱Ｅの還元率が３％未満では、熱処理が不足して熱間成形後の成形物Ｄ中に残存する揮発分およびタール分の除去が十分に行われず、塊成鉱の緻密化および炭材の固化が不十分となり圧潰強度の上昇効果が小さい。他方、塊成鉱の還元率が１７％を超えると、揮発分およびタール分の除去が実質的に完了して塊成鉱の緻密化および炭材の固化による強度向上効果が飽和する一方、気孔率の増加による強度低下効果が優勢となる。よって、塊成鉱の還元率の範囲は３〜１７％とする。なお、好ましい範囲は５〜１５％、より好ましい範囲は７〜１３％である。

このように、熱間成形後に、さらに熱処理を施すことにより得られた還元率３〜１７％の塊成化物Ｅは、竪型炉に装入されて加熱された際においても、もはや炭材が軟化することがなく、かつ熱処理時に気孔率の増加が抑制されているため強度が維持される。

また、熱処理後の塊成鉱Ｅに残留するタール含有量は、できるだけ少なくするのが望ましいが、０．０５質量％以下とすれば十分であり、これにより竪型炉内でのタール分の発生が非常に少なくなり竪型炉の排ガス系統にタールが固着する等のトラブルの発生を防止できる。

熱処理温度を５００〜８００℃としたのは、５００℃を下回ると揮発分やタール分の除去速度が遅く、これらの除去が非常に困難となるためであり、他方８００℃を超えると還元速度が著しく上昇し還元率を上記規定範囲内（３〜１７％）に制御することが困難になるためである。なお、熱処理温度の好ましい範囲は５５０〜７００℃であり、特に好ましい温度は約６００℃である。

熱処理時間を５〜６０ｍｉｎとしたのは、５ｍｉｎ未満では揮発分やタール分の除去が十分に行えなかったり、塊成鉱の品質がはらつきやすくなったりするためであり、他方６０ｍｉｎを超えると熱処理設備が過大になり設備コストが上昇するためである。なお、熱処理時間の好ましい範囲は１０〜５０ｍｉｎ、さらに好ましい範囲は２０〜４０ｍｉｎである。

また、熱処理時に還元された塊成鉱が空気などの酸化性ガスにより再酸化されると強度が低下してしまうため、シャフト炉５内は窒素ガス等により不活性ガス雰囲気としておくことが好ましい。

また、揮発分やタール分の除去を促進するために、シャフト炉５内を負圧に制御することも有効な手段の一つである。

シャフト炉５で熱処理された塊成鉱Ｈは、熱いまま大気中に排出すると発火や燃焼のおそれがあるため、シャフト炉５の下部で窒素ガスなどの不活性ガスにより４００℃以下まで冷却してから排出するのが望ましい。

なお、シャフト炉５で発生する炭材Ａの熱分解ガス（揮発分）は炭化水素が主成分であるので、このガスをエジェクタ等を用いて吸引回収し、回収したガスはロータリキルン２等の加熱燃料として利用することができる。

（変形例）
上記実施形態では、炭材乾燥加熱工程にロータリドライヤを用いる例を示したが、流動層式ドライヤ、チューブドライヤ、外熱式多筒型ロータリドライヤ、気流式ドライヤ、流動層式ドライヤなどを用いてもよく、これらを複数組み合わせて用いてもよい。

また、上記実施形態では、原料加熱工程にロータリキルンを用いる例を示したが、流動層式加熱炉、チューブ式加熱炉、外熱式多筒型キルン、加熱固体による間接加熱炉などを用いてもよく、これらを複数組み合わせて用いてもよい。

また、上記実施形態では、混合工程に竪型混合槽を用いる例を示したが、容器回転型混合槽や横型混合槽などを用いてもよく、これらを複数組み合わせて用いてもよい。また、連続式の混合方式だけでなく、混合槽の前段にホッパを設置し断続的に稼動させるバッチ式の混合形方式を採用してもよく、さらに連続式とバッチ式とを組み合わせて用いてもよい。

また、上記実施形態では、熱間成形工程に双ロール型成形機を用いる例を示したが、押出し成形機や打錠機などを用いてもよい。

また、上記実施形態では、熱処理工程にシャフト炉を用いる例を示したが、ロータリキルン、回転炉床炉、外熱式多筒型キルン、バッチ炉などを用いてもよく、これらを複数組み合わせて用いてもよい。

また、上記実施形態では、シャフト炉の下部に冷却部を設けた例を示したが、シャフト炉と別に冷却設備を設けてもよい。

〔塊成鉱の還元率と圧潰強度との関係〕
塊成鉱の圧潰強度に及ぼす還元率の影響を調査するため、以下のような熱間成形実験および熱処理実験を行った。

図２に本熱間成形実験で用いた熱間成形機の概要を示す。原料として、表１に示す２種類の粉状石炭および表２に示す４種類の粉状鉄鉱石を種々組み合わせて用いた。なお、粉状石炭の粒度は７４μｍ以下、６０〜８０質量％程度、粉状鉄鉱石の粒度は−１ｍｍ、１００質量％とした。

そして、粉状石炭と粉状鉄鉱石を１８：８２〜２２：７８の質量割合で、粉状鉄鉱石のみを図示しない電気炉で６００〜８００℃に予熱した後、オイルヒータで約２００℃に保温されたミキサに装入し混合して４００〜５５０℃とし、この混合物を熱いまま双ロール型成形機に供給し、ロール回転速度４〜８ｒｐｍ、成形圧力１０〜５０ｋＮ／ｃｍの条件で３０ｍｍ×２５ｍｍ×１７ｍｍの卵形のブリケット（成形物）に成形した。そして、このブリケットを窒素雰囲気下、５００〜８００℃、３０〜９０ｍｉｎの範囲で処理温度および処理時間を種々変更して熱処理を行った。

熱処理後の各ブリケット（塊成鉱）について、還元率と圧潰強度を測定し、その結果を図３および４に示す（ただし、鉱石Ｃ／石炭Ｂの組み合わせについては、圧潰強度のみ測定し、還元率は測定しなかったため、図３にのみ■［黒塗り四角］のプロットで示した。）。なお、これらの図において圧潰強度は、熱処理前のブリケット（成形物）の圧潰強度を基準として相対圧潰強度（＝熱処理後のブリケットの圧潰強度／熱処理前のブリケットの圧潰強度）で表示した。

図３より塊成鉱の圧潰強度は、熱処理温度を５００℃から上昇させていくと当初は上昇するが、６００℃近辺で最高値を示し、それを超えると低下する傾向を示し、８００℃で熱処理前とほぼ同等のレベルに戻ることがわかる。なお、本実施例では熱処理時間を３０ｍｉｎ以上としたため、８００℃では塊成鉱の還元が過剰となり圧潰強度が熱処理前のレベルまで低下しているが、熱処理時間を適正とすることにより、塊成鉱の還元を制限することができ、圧潰強度を熱処理前の値より高くすることは十分可能と考えられる。

また、図４より、塊成鉱の圧潰強度は、塊成鉱の還元率が増加していくと当初は上昇するが、炭種と鉱石種の組合せの違いによって異なるものの還元率５〜１５％の範囲で最高値に達し、その後低下する傾向を示し、還元率約２０％以上になると熱処理前とほぼ同等のレベルに戻ることがわかる。

〔塊成鉱のタール含有量〕
つぎに、上記塊成鉱のタール含有量を測定するため、熱処理後の各ブリケット（塊成鉱）を、高炉内のヒートパターンを模擬した条件で昇温加熱し、発生するガス、水分、揮発分およびタールを回収する実験を行った。そして、回収物のうちベンゼン可溶分を重量測定し、これをタール量とした。

図５に、熱処理温度と塊成鉱のタール含有量との関係を示す。なお、比較のため、熱処理前のブリケット（成形物）のタール含有量と、実高炉に装入実験を行った廃タイヤのタール含有量を併せて示した。

図５より明らかなように、熱処理前のブリケット（成形物）のタール含有量は炭種により異なるものの０．２〜０．０２５質量％程度の範囲にあり、廃タイヤの約３５質量％に比べ１／１００〜１／１０００のオーダーと大幅に少なく、実高炉に相当多量に装入してもタール発生によるトラブルはほとんど生じないと考えられる。しかしながら、この成形物にさらに熱処理を施すことで、塊成鉱のタール含有量を炭種によらずつねに０．０５質量％以下とすることができ、竪型炉内でのタール発生によるトラブルをより確実に防止できることが確認できた。

本発明の実施に係る竪型炉用炭材内装塊成化物の製造フローの概念図である。実施例で用いた熱間成形機の概要を示すフロー図である。熱処理温度と竪型炉用炭材内装塊成化物の圧潰強度との関係を示すグラフ図である。竪型炉用炭材内装塊成化物の還元率と圧潰強度との関係を示すグラフ図である。熱処理温度と竪型炉用炭材内装塊成化物のタール含有量との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１：炭材乾燥加熱設備（ロータリドライヤ）
２：原料加熱設備（ロータリキルン）
３：混合設備（竪形混合槽）
４：成形設備（双ロール型成形機）
５：熱処理設備（シャフト炉）
Ａ：粉状炭材（粉状石炭）
Ｂ：粉状鉄含有原料（粉状鉄鉱石）
Ｃ：混合物
Ｄ：成形物（熱処理前のブリケット）
Ｅ：炭材内装塊成鉱（熱処理後のブリケット）

Claims

質量割合で８２：１８〜７８：２２の粉状鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材との混合物を４００〜５５０℃、成形圧力１０〜５０ｋＮ／ｃｍで熱間成形して作製した成形物を、さらに５５０〜８００℃、５〜６０ｍｉｎの範囲で、かつ不活性ガス雰囲気下で熱処理を行い、その後、４００℃以下まで冷却して得られる、還元率が３〜１７％、かつタール含有量が０．０５質量％以下であることを特徴とする竪型炉用炭材内装塊成鉱。