JP2006063444A

JP2006063444A - 高炉用焼結鉱

Info

Publication number: JP2006063444A
Application number: JP2005219805A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Oyama; 伸幸大山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】確実に高い被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）および低い還元粉化性（ＲＤＩ）を示す高炉用焼結鉱を提供すること。
【解決手段】鉄鉱石と、炭材と、副原料とを含む焼結原料を焼結してなる高炉用焼結鉱であって、一次ヘマタイトの含有量が１５質量％以上であり、径が５００μｍ以下の気孔の量が０．０２ｃｍ^３／ｇ以上である。
【選択図】なし

Description

本発明は、鉄鉱石と炭材と石灰系副原料とを含む焼結原料を焼結してなる高炉用焼結鉱に関し、特に低還元材比操業に適した高炉用焼結鉱に関する。

高炉用原料として用いられる焼結鉱は、鉄鉱石と、炭材と、ＳｉＯ_２含有原料や石灰系原料等の副原料とを含む焼結原料を擬似粒子化し、これを焼結機を用いて焼結することにより得られる。

近時、高炉操業においては、排出ＣＯ_２濃度が高く、エネルギー効率の高い操業が求められており、そのために低還元材比操業が指向されている。このような低還元材比操業を行うためには、高炉でのガス利用率を高める必要があり、そのためには高炉用原料である焼結鉱として被還元性の高いものが求められる。被還元性の指標としては、通常、ＪＩＳＭ８７１３に規定されている９００℃における被還元率（ＪＩＳ−ＲＩ）が用いられる。

一方、高炉操業にとって、炉内の通気抵抗を低位に保つことが安定操業の基本である。通気性の良否は高炉内の充填層の空隙率に影響を受け、したがって高炉装入物としては粉発生量の少ないものが好ましく、このような観点から高炉装入物として、装入直後に還元粉化しにくい焼結鉱を用いることが望ましい。還元粉化の指標としては、通常、５５０℃における還元粉化する割合を示す還元粉化率（ＲＤＩ）が用いられる。

このように焼結鉱としては、高炉シャフト上部の通気性が求められる部分に相当する５５０℃では通気性が確保可能なように還元粉化性が低く、還元反応が求められる高炉の熱保存帯部分に相当する９００℃ではガス還元しやすいことが求められ、このようなことを考慮した技術としては、特許文献１に開示されたものがある。この技術は、粉状の鉄鉱石にバインダや石灰石を加えて造粒した後に、熱源である粉コークスを表面に被覆することでコークスの燃焼性を改善し、低温で焼結させることにより、被還元性を向上させかつ強度の高いカルシウムフェライトを多く生成させて焼結鉱自体を強化しようとするものである。

しかしながら、この技術では実際に何が焼結鉱の被還元性や還元粉化性を左右しているのかが必ずしも明確ではなく、事実、所望の被還元性や還元粉化性が得られない場合も多かった。
特開昭６３−１４９３３１号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、確実に高い被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）および低い還元粉化性（ＲＤＩ）を示す高炉用焼結鉱を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、焼結鉱の一次ヘマタイト含有量が一定量以上あり、径が５００μｍ以下の微細気孔の量が一定以上あれば、確実に高い被還元性および低い還元紛化性を示すことを見出した。つまり、ヘマタイトには低温で存在する一次ヘマタイトと溶融後に形成される二次ヘマタイトがあり、二次ヘマタイトの結晶粒子形状が角張っているため還元粉化しやすく、かつ微細気孔が少なく被還元性が必ずしも高くないが、一次ヘマタイトは結晶粒子の形状が丸みを帯びており、かつ本質的に５５０℃付近ではあまり反応性が高くなく温度上昇にともなって反応性が高くなる性質を有しており、さらに微細気孔が多いので、還元粉化し難くかつ被還元性が高い。このような一次ヘマタイトを所定量確保した上で、径が５００μｍ以下の微細気孔の量を所定値に規定することにより、確実に高い被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）および低い還元粉化性（ＲＤＩ）を示す焼結鉱を得ることができる。

本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、鉄鉱石と炭材と副原料とを含む焼結原料を焼結してなる高炉用焼結鉱であって、一次ヘマタイトの含有量が１５質量％以上であり、径が５００μｍ以下の気孔の量が０．０２ｃｍ^３／ｇ以上であることを特徴とする高炉用焼結鉱を提供する。

この場合に、焼結鉱の比表面積が１．０ｍ^２／ｇ以上であることが好ましく、一次ヘマタイトの含有量が２０質量％以上であることが好ましい。

なお、本発明が規定する鉄鉱石の平均気孔量および比表面積は、粒径４〜７ｍｍの鉄鉱石について、水銀圧入式細孔分布測定装置（押し込み圧力：０．００７〜４１２ＭＰａ）により測定した微細気孔量の平均値（Ｎ＝１０の平均値）と気孔を円柱形として仮定して計算した比表面積である。なお、上記押し込み圧力範囲は、細孔径０．０３５〜２００μｍの気孔量を測定可能な圧力であり、このような圧力範囲で測定することにより、一般的な水銀圧入式細孔分布測定装置を用いて、本発明が対象とする鉄鉱石の微細気孔量を正確に測定することができる。

本発明によれば、確実に高い被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）および低い還元粉化性（ＲＤＩ）を示す高炉用焼結鉱を得ることができ、低還元材比操業に適したものとなる。

以下、本発明についてより詳細に説明する。
本発明の高炉用焼結鉱は、鉄鉱石と炭材と石灰系副原料とを含む焼結原料を焼結してなるものであり、一次ヘマタイトの含有量が１５質量％以上であり、径が５００μｍ以下の気孔の量が０．０２ｃｍ^３／ｇ以上である。

一次ヘマタイトは低温で存在する鉱石由来のヘマタイトであり、結晶粒子は丸みを帯びた形状を有しており、微細気孔が多い性状を有している。また、本質的に５５０℃付近ではあまり反応性が高くなく温度上昇にともなって反応性が高くなる性質を有している。したがって、形状的に角張った形状の二次ヘマタイトよりも粉化し難く、しかも反応が生じやすい微細気孔が多いのでその分還元反応が生じやすい。さらに本質的に５５０℃付近では反応性が低く温度が上昇するに従って反応性が高くなる性質を有するため、還元粉化が生じてほしくない５５０℃付近では還元粉化が生じ難く、還元反応が生じてほしい９００℃では還元反応が活発となる。すなわち、一次ヘマタイトはＪＩＳ−ＲＩが高く、ＲＤＩが低い。

通常の焼結鉱には一次ヘマタイトおよび二次ヘマタイトが合計で４０〜６０質量％程度含まれており、そのうち一次ヘマタイトは高々１０質量％程度であるため、一次ヘマタイトの寄与分は小さく、したがって、ＲＤＩが高くＪＩＳ−ＲＩも十分とはいえない。

これに対して、本発明では、一次ヘマタイトの量を従来よりも多い１５質量％以上とするので、上記一次ヘマタイトの特性の焼結鉱への寄与が増大し、焼結鉱全体としてＪＩＳ−ＲＩが高くかつＲＤＩが低いという好ましい特性が得られる。より高いＪＩＳ−ＲＩでかつより低いＲＤＩを得る観点からは、一次ヘマタイトの量を２０質量％以上にすることが好ましく、さらには、２５質量％以上が好ましい。

一次ヘマタイトの量が増加することにより微細気孔が増加するが、十分な被還元性を得るために、径が５００μｍ以下の気孔の量を０．０２ｃｍ^３／ｇ以上とする。すなわち、このような微細気孔が多いとガスが焼結鉱内に拡散しやすくなり、還元反応の進行が促進される。好ましくは０．０３ｃｍ^３／ｇ以上である。

このような還元反応性は、焼結鉱の比表面積にも関係し、比表面積が大きいほど還元反応性が高くなり、被還元性が向上する。従来の焼結鉱の比表面積は０．８〜０．９ｍ^２／ｇ程度であったが、被還元性を十分なものとするには比表面積が１ｍ^２／ｇ以上であることが好ましい。なお、比表面積は気孔の大きさと相関があり、微細気孔の量が多いほど比表面積が大きくなる傾向がある。

ヘマタイトの他に焼結鉱に含まれる相としては、マグネタイト、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート等が挙げられる。これらのうちカルシウムフェライトとしては低温で存在する針状カルシウムフェライトと高温で存在する柱状カルシウムフェライトがあるが、これらのうち針状カルシウムフェライトは強度が高く被還元性も高いので、その含有量は２０質量％以上であることが好ましい。カルシウムシリケートは強度が低く被還元性も低いので、その含有量は２０質量％以下であることが好ましい。マグネタイトは、焼結過程で鉄鉱石が還元されて必然的に生成するものであり通常７〜１２質量％程度含まれる。

以上のような高炉焼結鉱を製造するためには、まず、粒径が１０ｍｍ以下の鉄鉱石と、ＳｉＯ_２含有原料およびＣａＯ含有原料を含む副原料と、粉コークスまたは無煙炭などの熱源となる固体燃料系粉原料（炭材）とを適当量の水分を添加しつつ混合・造粒して擬似粒子と呼ばれる造粒物を形成する。ＳｉＯ_２含有原料としては珪石、蛇紋岩または、ニッケルスラグなどが挙げられ、ＣａＯ含有原料としては石灰石や生石灰などが挙げられる。

この焼結原料である擬似粒子は焼結機により焼結され、これにより高炉用焼結鉱が製造される。焼結機としては、典型的にはドワイドロイド式焼結機が用いられる。この焼結機は、無端移動式の移動グレートを有しており、その移動グレートに載せられたパレット上に適当な厚さ例えば５００〜７００ｍｍになるように擬似粒子を装入して原料層を形成し、その表層部の固体燃料に着火し、着火後は下方に向けて空気を吸引しながら固体燃料を燃焼させ、その燃焼熱によって配合した焼結原料を焼結させて焼結ケーキとするものである。そして、この焼結ケーキを破砕・整粒することにより、一定の粒径以上の焼結鉱を得る。

これら原料を焼結する際に各温度で出現する相を図１に示す。ここで、焼結鉱中の一次ヘマタイトの割合を１５質量％以上にするためには、鉱石由来の一次ヘマタイトをできるだけ残留させることが必要である。

そのための一つの手法としては、擬似粒子を形成する際に、通常は粉鉱石と共に造粒される石灰石等のＣａＯ含有原料を外装することが挙げられる。この場合には、被還元性が高い一次ヘマタイトの周囲に局所的に高強度のカルシウムフェライトを生成することができるとともに、約１３５０℃以下の焼成が可能となるため、図１に示すように、二次ヘマタイトやカルシウムシリケートの晶出が抑制され、結果的に一次ヘマタイトの含有量が増加する。また、粗粒の石灰原料を使用して反応性を抑え、二次ヘマタイトの晶出を抑制する方法も効果的である。なお、ＣａＯ含有原料を外装する場合、コークス等の炭材とともに外装するようにしてもよい。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
ここでは、ドラムミキサにて粉鉱石およびＳｉＯ_２含有原料である蛇紋岩を造粒して造粒物を形成した後、ドラムミキサの出口側から石灰石および粉コークスを装入してこれらを造粒物に外装し、擬似粒子を得た。

この擬似粒子をドワイドロイド式焼結機の無端移動式の移動グレートに載せられたパレット上に装入して原料層を形成し、この原料層を焼結させて焼結ケーキとし、この焼結ケーキを破砕・整粒することにより、焼結鉱Ａを得た。また、比較のため、全ての原料を混合して造粒した擬似粒子も製造し、これについても同様に焼結して焼結鉱Ｂを得た。表１に、これら焼結鉱の鉱物組織、径５００μｍ以下の気孔の量および比表面積を示し、図２にこれら焼結鉱の気孔径分布を比較して示す。

表１に示すように、焼結鉱Ａは一次ヘマタイト量が２６質量％と多く、被還元性に著しく劣るカルシウムシリケートの量が少ない。これに対して、焼結鉱Ｂは一次ヘマタイト量が１１質量％と少なく、カルシウムシリケートの量が多い。また、カルシウムフェライトの量はＡとＢとであまり差はないが、組織観察の結果、焼結鉱Ａのほうが針状カルシウムフェライトが多いことが確認された。

図２から明らかなように、焼結鉱Ａは一次ヘマタイトが多い結果、微細孔が多く、径が５００μｍ以下の微細気孔の量が焼結鉱Ｂでは０．０１６ｃｍ^３／ｇであったのに対し、焼結鉱Ａで０．０２７ｃｍ^３／ｇであった。

次に、これら焼結鉱について、一界面未反応核モデルにより化学反応速度定数（Ｋｃ）と有効拡散係数（Ｄｅ）の温度依存性を求めた。その結果を図３および図４にそれぞれ示す。図３に示すように、焼結鉱Ａは、焼結鉱Ｂと比較して、低温での還元速度を支配する化学反応速度定数（Ｋｃ）の温度依存性が大きい。つまり、この図からわかるように、還元粉化が問題になる５５０℃付近では焼結鉱ＡのほうがむしろＫｃの値が低いことが予想され、したがって焼結鉱Ａは還元粉化性が低く、一方、被還元性が高いことが要求される９００℃付近では焼結鉱ＡのほうがＫｃの値が大きく、被還元性が高いことが推察される。また、図４に示すように、ガスの拡散による反応性を支配する有効拡散係数は、温度にかかわらず焼結鉱Ａのほうが大きいことがわかる。このことから、焼結鉱Ａは、焼結鉱Ｂと比較して、還元粉化性が低く被還元性が高いことが確認された。

次に、上記焼結鉱Ａおよび焼結鉱Ｂと同じ方法にて焼結鉱を実機生産し、これらの還元粉化性（ＲＤＩ）と被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）を把握するとともに、これらを用いて高炉操業をおこなった。その際の還元粉化性（ＲＤＩ）と被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）との関係を図５に示し、還元材比とガス利用率との関係を図６に示す。図５に示すように、従来の焼結鉱Ｂに比べて本発明の範囲内である焼結鉱Ａは低ＲＤＩで高ＪＩＳ−ＲＩが達成できていることが確認された。また、同じ還元材比であれば焼結鉱Ａを用いた場合のほうがガス利用率が高いことが確認された。

擬似粒子の焼結過程において各温度で存在する鉱物組織を示す図。本発明の焼結鉱と従来の焼結鉱の気孔径分布を比較して示す図。本発明の焼結鉱と従来の焼結鉱における化学反応速度定数（Ｋｃ）の温度依存性を示す図。本発明の焼結鉱と従来の焼結鉱における有効拡散係数（Ｄｅ）の温度依存性を示す図。本発明の焼結鉱と従来の焼結鉱における還元粉化性（ＲＤＩ）と被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）との関係を示す図。本発明の焼結鉱と従来の焼結鉱における還元材比とガス利用率との関係を示す図。

Claims

鉄鉱石と、炭材と、副原料とを含む焼結原料を焼結してなる高炉用焼結鉱であって、一次ヘマタイトの含有量が１５質量％以上であり、径が５００μｍ以下の気孔の量が０．０２ｃｍ^３／ｇ以上であることを特徴とする高炉用焼結鉱。
比表面積が１．０ｍ^２／ｇ以上であることを特徴とする請求項１に記載の高炉用焼結鉱。
一次ヘマタイトの含有量が２０質量％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉用焼結鉱。