JP2006206981A

JP2006206981A - 半還元焼結鉱の製造方法

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Publication number: JP2006206981A
Application number: JP2005022387A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Machida; 智町田; Koichi Ichikawa; 孝一市川; Hideaki Sato; 秀明佐藤; Tatsuro Ariyama; 達郎有山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: JP4797388B2

Abstract

【課題】焼結過程での反応を安定化し、高い還元率および高い金属鉄含有率を達成することができる半還元焼結鉱の製造方法を提供すること。
【解決手段】焼結原料としての鉄鉱石と炭素源と副原料とを造粒して擬似粒子とし、この擬似粒子の上にさらに燃料としての炭素源を被覆して焼結機に投入して焼成することにより鉄鉱石の一部を炭素源により還元して半還元焼結鉱を製造するにあたり、前記擬似粒子を構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲の割合を５０質量％以上とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、焼結プロセスを用いて、高炉原料として使用される、酸化鉄の一部を還元した半還元焼結鉱を製造する方法に関する。

従来から高炉原料として、焼結原料である粉鉄鉱石、媒溶材（副原料）、および粉炭材等を混合し、造粒した後、焼結することにより得られる焼結鉱が用いられている。

このような焼結鉱に関して、従来、原料配合や造粒工程を調整して通気性を改善することや、擬似粒子の表面に粉コークスを付着させて燃焼性を良好にすること、配合原料や擬似粒子の構造を調整して燃料効率を高めること等、種々の試みがなされている。

特に、従来高炉で行われてきた還元反応の一部を焼結反応過程で補い、焼結と高炉総計での炭素原単位の低減を図ることができる半還元焼結鉱が注目されている。例えば、特許文献１には、粉鉱石に粉コークス・無煙炭を配合造粒して内層とし、また、粉鉱石、副原料および粉炭材・無煙炭を混合コーティングして外層として２層構造の擬似粒子を形成し、この擬似粒子を焼結原料の一部として混合・造粒したのち焼結機で焼結して焼結鉱を製造する技術が開示されており、この焼結過程で擬似粒子の外層から生成する融液と内層の粉炭材や無煙炭中の固形炭素との直接還元により焼結鉱の一部が還元される。この技術では、１１００℃の高温になってから、初めて生成した融液と粉コークス・無煙炭のＣが直接還元反応を起こし、焼結鉱の一部に金属鉄が生成される。

このような半還元焼結鉱は、還元率が高いほど、また同じ還元率では金属化率すなわち金属鉄含有率が高いほど炭素原単位の低減効果が大きい。

しかしながら、上記特許文献１の技術においては、鉄鉱石と炭素源である粉コークスとの接触が不十分となって高い還元率および金属化率が得られない場合がある。
特開平４−２１０４３２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、焼結過程での反応を安定化し、高い還元率および高い金属鉄含有率を達成することができる半還元焼結鉱の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく炭素源の粒径を変化させて鉄鉱石の還元性について基礎検討を行った。その結果、炭素源の粒径が鉄鉱石の還元性に大きな影響を及ぼし、鉄鉱石の還元に適した粒径範囲および鉄鉱石の還元に適さない粒径範囲があることを見出した。具体的には、鉄鉱石の還元に適した炭素源の粒径は４５μｍ以上１２５μｍ以下であり、実際の操業においてはこの粒度範囲の炭素源が５０質量％以上あればよいこと、逆に鉄鉱石の還元に適さない炭素源の粒径は４５μｍ未満であり、実際の操業においてはこの粒度範囲の炭素源が３０質量％以下が好ましいことを見出した。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、以下の（１）〜（４）を提供する。

（１）焼結原料としての鉄鉱石と炭素源と副原料とを造粒して擬似粒子とし、この擬似粒子の上にさらに燃料としての炭素源を被覆して焼結機に投入して焼成することにより鉄鉱石の一部を炭素源により還元して半還元焼結鉱を製造するにあたり、前記擬似粒子を構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲の割合を５０質量％以上とすることを特徴とする半還元焼結鉱の製造方法。

（２）上記（１）において、前記擬似粒子を構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ未満の範囲の割合を３０質量％以下とすることを特徴とする半還元焼結鉱の製造方法。

（３）焼結原料としての鉄鉱石と炭素源と副原料のうち、鉄鉱石の一部および炭素源の一部、または鉄鉱石の一部、炭素源の一部および副原料の一部を予め加圧成型して加圧成型体とし、これらの残部を造粒して擬似粒子とし、この擬似粒子の上にさらに燃料としての炭素源を被覆して前記加圧成型体と混合し、焼結機に投入して焼成することにより鉄鉱石の一部を炭素源により還元して半還元焼結鉱を製造するにあたり、前記加圧成型体および前記擬似粒子のそれぞれにおいて、それぞれを構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲の割合を５０質量％以上とすることを特徴とする半還元焼結鉱の製造方法。

（４）上記（３）において、前記加圧成型体および前記擬似粒子のそれぞれを構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ未満の範囲の割合を３０質量％以下とすることを特徴とする半還元焼結鉱の製造方法。

本発明によれば、擬似粒子を構成する炭素源のうち、鉄鉱石の還元に適した粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲の割合を５０質量％以上とするので、鉄鉱石の還元率および金属化率を高くすることができる。特に、炭素源の粒径を上記範囲とした上で、焼結原料としての鉄鉱石と炭素源と副原料のうち、鉄鉱石の一部および炭材の一部、または鉄鉱石の一部、炭素源の一部および副原料の一部を予め加圧成型して加圧成型体とし、これらの残部を造粒して擬似粒子とし、この擬似粒子の上にさらに燃料としての炭素源を被覆して前記加圧成型体と混合し、焼結機に投入して焼成する方法を採用することにより、鉄鉱石と炭素源との接触面積が増加して焼結過程での還元率をより上昇させることができ、しかも加圧成型体は緻密化しているので外気と遮断され、金属鉄の酸化が抑制されてより高い金属鉄含有率を得ることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
半還元焼結鉱の製造における鉄鉱石の還元反応は、高炉内と同様に、鉄鉱石中の酸化鉄は（１）式で示されるコークス等の炭材中の炭素との反応（直接還元）と、（２）式で示されるＣＯガスとの反応（間接還元）により進行する。なお、間接還元で発生したＣＯ_２ガスはソリューション・ロス反応と呼ばれる（３）式で示される反応によりＣＯガスとなる。
Ｆｅ_２Ｏ_３＋３／２Ｃ＝２Ｆｅ＋３／２ＣＯ_２（１）
Ｆｅ_２Ｏ_３＋３ＣＯ＝２Ｆｅ＋３ＣＯ_２（２）
ＣＯ_２＋Ｃ＝２ＣＯ
（３）

これらの還元反応は、温度が９００〜１１００℃では間接還元が支配的であり、１２００℃以上では直接還元が支配的である。半還元焼結鉱の製造では原料層温度は１４００℃に到達し、９００〜１１００℃での滞留時間より１２００℃以上の滞留時間のほうが長いため、直接還元が支配的となる。したがって、鉄鉱石と還元材としての炭素源との接触面積を増大させることにより焼結鉱の還元が促進される。

そこで、本発明では、焼結原料としての鉄鉱石と炭素源と副原料とを造粒して擬似粒子とし、この擬似粒子の上にさらに燃料としての炭素源を被覆して焼結機に投入して焼成することにより鉄鉱石の一部を炭素源により還元して半還元焼結鉱を製造するにあたり、擬似粒子を構成する炭素源のうち粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲の割合を５０質量％以上とする。

このような粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲の炭素源は、鉄鉱石の還元に適したものであるため、この範囲の炭素源を５０質量％以上用いることにより、高還元率の半還元焼結鉱を得ることが可能となる。好ましくは、８０質量％以上である。

逆に、擬似粒子を構成する炭素源のうち粒径４５μｍ未満のものは、鉄鉱石の還元に適さないものであるため、この範囲の炭素源は３０質量％以下とすることが好ましい。さらに好ましくは２０質量％以下である。

また、炭素源として粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下のものが５０質量％以上含まれていれば、粒径１２５μｍ以上のものが含まれていてもよく、その含有量は必然的に５０質量％以下となる。

本発明において、鉄鉱石としては、反応性を良好に維持する観点から、粒径８ｍｍ以下のものが８０％以上の粉鉄鉱石が好ましい。また、炭素源としては粉コークスが好適であるが、無煙炭またはコークス冷却設備の集塵粉等他の炭素源を用いることもできる。副原料としては石灰系副原料、例えば石灰石、生石灰が用いられる。

造粒して得られる擬似粒子の組成は、鉄鉱石および副原料１００質量部に対し還元材としての炭素源が１０〜２０質量部のものが好適である。副原料の含有量は４〜１０質量部であることが好ましい。擬似粒子は、単一層であってもよいし、２層以上の複合層であってもよい。例えば、鉄鉱石、副原料および炭材からなる内層の外側に鉄鉱石からなる外層を形成した２層構造のものであってもよい。さらには、副原料からなる最外層を形成して３層構造にしてもよい。擬似粒子の外側には、燃料（凝結剤）としての炭素源が被覆される。

ここで、擬似粒子の炭素源量を鉄鉱石および副原料１００質量部に対し１０〜２０質量部としたのは、この範囲であれば、擬似粒子中の鉄鉱石を有効に還元することができ、しかも未反応の炭素源が残存し難いからである。また、擬似粒子に外装される炭素源量を鉄鉱石および副原料のトータル１００質量％に対し１〜４質量％とすることにより、鉄鉱石の焼結を適切に進行させることができる。

造粒方法としては、従来から焼結原料である擬似粒子を製造する方法として知られているドラムミキサーやディスクペレタイザー等による転動造粒を用いることが好適である。造粒する際には、上記原料に、水および／またはバインダーを適宜の量添加し、混合した後に転動造粒を行うことが好ましい。

焼結機としては、下方吸引式無端移動型焼結機を用いることが好ましい。この下方吸引式無端移動型焼結機は、無端移動式の移動グレートを有しており、その移動グレート上に、焼結原料を造粒した擬似粒子が供給され、原料層が形成されるようになっている。移動グレートの移動経路に点火炉が設けられ、原料層が点火炉を通過する際に点火されて焼結が行われる。移動グレートの直下には、複数の風箱が配列されており、焼結の際に各風箱を介して原料層上方のガスが下方に吸引される。

鉄鉱石の還元率および金属化率を一層高めるためには、上述のように炭素源の粒径を規定することに加えて、焼結原料としての鉄鉱石と炭素源と副原料のうち、鉄鉱石の一部および炭材の一部、または鉄鉱石の一部、炭素源の一部および副原料の一部を予め加圧成型して加圧成型体とし、これらの残部を上述のようにして造粒して擬似粒子とし、この擬似粒子の上にさらに燃料としての炭素源を被覆して前記加圧成型体と混合し、焼結機に投入して焼成することが好ましい。この場合に、擬似粒子を構成する炭素源および加圧成型体を構成する炭素源のいずれも上記粒径範囲を満たすものを用いる。

このように、鉄鉱石の一部および炭素源の一部、または鉄鉱石の一部、炭素源炭材の一部および副原料の一部を加圧成型することにより、鉄鉱石と炭素源とが圧密されてこれらの接触面積が大きくなるので、このような加圧成型体を原料の一部として焼結機に装入することにより鉄鉱石の還元をより促進させることができる。

また、加圧成型体は原料が加圧により緻密化しているため、焼結鉱となった場合にも擬似粒子と比較して原料が緻密に存在しており、外気と遮断され、直接還元により発生した金属鉄の酸化が抑制される。

したがって、このような加圧成型体を擬似粒子とともに焼結機に投入して半還元焼結鉱を製造することにより、より高い還元率および金属鉄含有率が実現される。

本発明において、加圧成型体とは、適宜の加圧成型手段により塊成化され、単一粒子の圧潰強度が４ｋｇ以上とされたものをいう。加圧成型方法は特に限定されないが、ブリケットマシンでブリケット化する方法が好適である。

加圧成型体の組成は、擬似粒子と同様、鉄鉱石および副原料１００質量部に対し還元材としての炭素源が１０〜２０質量部のものが好適である。副原料の含有量は４〜１０質量部であることが好ましい。また、加圧成型体は、最薄部分の幅が８ｍｍ以上２０ｍｍ以下、体積が１０ｃｍ^３以下であることが好ましい。この範囲とすることにより最適な通気性が得られる。これよりもサイズが拡大すると通気性が過剰となる傾向となり、また未焼成部分が発生しやすくなる。

また、加圧成型体の外側に燃料としての炭素源を被覆してもよい。この場合、燃料として被覆される炭素源は、鉄鉱石および副原料のトータル１００質量部に対し１〜４質量部であることが好ましい。

この場合の焼結機への焼結原料の装入は、加圧成型体と造粒物とを混合してから行ってもよいし、両方別々に装入し、原料層を形成する際に混合するようにしてもよい。以下に説明するように加圧成型体の装入に分布を持たせるような場合には、別々に装入するようにすることが好ましい。例えば、図１に示すように、造粒物である擬似粒子１を搬送手段例えばベルトコンベア９により上方から供給するとともに、原料層２の適宜の位置に加圧成型体用ホッパー７から装入位置を調整可能なシュート３を介して加圧成型体４を供給するようにすればよい。なお、符号５は床敷鉱、６は焼結パレット、８は加圧成型体用定量切出装置、１０は偏析装入ワイヤーである。

加圧成型体を焼結機に装入するに際しては、焼結機の原料層下部３／４以下の領域に装入することが好ましい。原料層の表面に近い領域では、焼結時の温度が比較的低く、高温の保持時間も短い。また、この領域へ加圧成型体を装入することにより通気性が改善されるため、この傾向はさらに顕著となる。その結果、成型体の還元反応は、充填層の下層と比べ不十分な状態で終了してしまう。

加圧成型体を用いる場合は、焼結機に装入される擬似粒子に対する加圧成型体の混合比を１より小さくすることが好ましい。この混合比が１以上、すなわち加圧成型体が造粒物と同じ割合かまたは造粒物より高い割合となると、通気性が過剰となる傾向となり、未焼成部分が発生しやすくなる。

以下に本発明の効果を確認するために実施した試験の結果について説明する。
ここでは、鉄鉱石としてペレットフィードを用い、副原料としてＣａＯ源である石灰石および生石灰を用い、炭素源として粉コークスを用いた。これらの組成を表１に示す。

上記焼結原料を用い焼結鍋試験を行った。原料の事前処理にて表２に示すような原料配合の擬似粒子を、表３のように粉コークス（内装コークス）の粒度を変えて作製した。各擬似粒子とも外側に凝結剤として装入原料の３質量％となるように粉コークスを被覆した（外装コークス）。なお、内装コークスは予め、４５μｍ未満、４５〜１２５μｍ、１２５〜１０００μｍの粒度で篩い分け、所定の割合で配合した。また、外装コークスは上記３つの粒度を１／３ずつ配合した。なお、焼結鍋試験では、原料の事前処理は同一の混合・造粒条件で行い、原料充填層は直径２７０ｍｍ×高さ３００ｍｍとし、吸引負圧６ｋＰａにて実施した。試験結果を表３に示す。

表３中、比較例１は、内装コークスとして全て粒度が４５μｍ以下のものを用いた場合であり、本発明の範囲外である。この場合には、焼成中に擬似粒子が溶融し、未燃焼領域も発生し、安定な焼成ができなかったため、生産率および焼結鉱の還元率ともに低かった。

本発明例１は、内装コークスとして全て粒度が４５〜１２５μｍのものを用いた場合であり、本発明の範囲内である。この場合には、安定した焼成により比較的高い生産率と還元率とが得られ、この範囲が還元反応に適していることが確認された。

本発明例２は、内装コークスとして４５μｍ以下が２０質量％、４５〜１２５μｍが８０質量％のものを用いた場合であり、本発明の範囲内である。この場合には、焼成が比較的安定し、生産性および焼結鉱の還元率がともに高かった。

比較例２は、内装コークスとして４５〜１２５μｍが４０質量％、１２５〜１０００μｍが６０質量％のものを用いた場合であり、本発明の範囲外である。この場合には、４５〜１２５μｍの割合が低いため、生産率は高いが還元率が低いという結果となった。

本発明例３は、内装コークスとして４５〜１２５μｍが５０質量％、１２５〜１０００μｍが５０質量％のものを用いた場合であり、本発明の範囲内である。この場合には、比較例２に比べて焼成が安定しており、生産率および焼結鉱の還元率はともに高かった。

次に、同じ焼結原料を用いて擬似粒子と加圧成型体とを作製し、同様の焼結鍋試験を行った。擬似粒子の配合は上記本発明例３と同じとした。加圧成型体としては、表４に示す原料配合のものを用い、表５のように粉コークスの粒度を変えて作製した。なお、加圧成型体の配合率は擬似粒子および加圧成型体の合計量のうち１５質量％とした。試験結果を表５に示す。

表５中、比較例３は、加圧成型体中のコークスとして全て粒度が４５μｍ以下のものを用いた場合であり、本発明の範囲外である。この場合には、加圧成型体が溶融し消失した。

本発明例４は、加圧成型体中のコークスとして全て粒度が４５〜１２５μｍのものを用いた場合であり、本発明の範囲内である。この場合には、安定した焼成により比較的高い還元率が得られ、この粒度域は擬似粒子と同様に還元反応に適していることがわかった。

本発明例５は、加圧成型体中のコークスとして４５μｍ未満が２０質量％、４５〜１２５μｍが８０質量％のものを用いた場合であり、本発明の範囲内である。この場合には、還元が比較的安定であり、還元率が高かった。

比較例４は、加圧成型体中のコークスとして４５〜１２５μｍが４０質量％、１２５〜１０００μｍが６０質量％のものを用いた場合であり、本発明の範囲外である。この場合には、４５〜１２５μｍの割合が低いため、還元率が低いという結果となった。

本発明例６は、加圧成型体中のコークスとして４５〜１２５μｍが５０質量％、１２５〜１０００μｍが５０質量％のものを用いた場合であり、本発明の範囲内である。この場合には、比較例４に比べ還元率は高かった。

焼結原料の装入方法の一例を説明するための図。

符号の説明

１擬似粒子
２原料層
３シュート
４加圧成型体
５床敷鉱
６焼結パレット
７加圧成型体用ホッパー
８加圧成型体用定量切出装置
９ベルトコンベア
１０偏析装入ワイヤー

Claims

焼結原料としての鉄鉱石と炭素源と副原料とを造粒して擬似粒子とし、この擬似粒子の上にさらに燃料としての炭素源を被覆して焼結機に投入して焼成することにより鉄鉱石の一部を炭素源により還元して半還元焼結鉱を製造するにあたり、前記擬似粒子を構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲の割合を５０質量％以上とすることを特徴とする半還元焼結鉱の製造方法。
前記擬似粒子を構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ未満の範囲の割合を３０質量％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の半還元焼結鉱の製造方法。
焼結原料としての鉄鉱石と炭素源と副原料のうち、鉄鉱石の一部および炭素源の一部、または鉄鉱石の一部、炭素源の一部および副原料の一部を予め加圧成型して加圧成型体とし、これらの残部を造粒して擬似粒子とし、この擬似粒子の上にさらに燃料としての炭素源を被覆して前記加圧成型体と混合し、焼結機に投入して焼成することにより鉄鉱石の一部を炭素源により還元して半還元焼結鉱を製造するにあたり、前記加圧成型体および前記擬似粒子のそれぞれにおいて、それぞれを構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲の割合を５０質量％以上とすることを特徴とする半還元焼結鉱の製造方法。
前記加圧成型体および前記擬似粒子のそれぞれを構成する炭素源のうち、粒径４５μｍ未満の範囲の割合を３０質量％以下とすることを特徴とする請求項３に記載の半還元焼結鉱の製造方法。