JP2007063605A

JP2007063605A - 炭材内装塊成化物の製造方法

Info

Publication number: JP2007063605A
Application number: JP2005249802A
Authority: JP
Inventors: Akito Kasai; 昭人笠井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP4441461B2

Abstract

【課題】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熱間成型して炭材内装塊成化物を製造する方法において、粉状鉄含有原料および粉状炭材の粒度構成を最適化することにより、さらに高強度の炭材内装塊成化物を製造できる方法を提供する。
【解決手段】粉状鉄含有原料Ａの最頻粒径Ｄｏに対する粉状炭材Ｂの最頻粒径Ｄｃの比Ｄｃ／Ｄｏが０．２〜０．８となるように粒度調整した粉状鉄含有原料Ａと粉状炭材Ｂとを用い、これらを混合して得られた混合物Ｃを２５０〜５５０℃で熱間成型して炭材内装塊成化物Ｅを得る。ここに、最頻粒径はレーザ散乱・回折式粒度分布計で測定した粒度分布から求めた最も頻度の大きい粒径である。
【選択図】図１

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の炭材内装塊成化物の製造方法に関する。

本出願人は、炭材内装セメントボンドコールドペレットあるいはブリケットに代わりうる竪型炉の装入原料として、粉鉱石と粘結炭の混合物を熱間成型後、加熱処理することによりセメントなどのバインダを添加せずとも高強度の炭材内装塊成化物（ブリケット）を製造できる方法を開発した（特許文献１参照）。

さらに、本発明者らは上記炭材内装塊成化物の製造方法の改良に取り組み、粉状炭材のギーセラ最高流動度および体積配合比率を規定することにより高価な粘結炭の使用量を低減できる方法（特許文献２参照）、粉鉱石と粉状炭材の混合物に振動を加えて密充填にした後に熱間成型をすることにより炭材内装塊成化物を確実に高強度化できる方法（特許文献３参照）を完成し、それぞれ特許出願を行った。

しかしながら、炭材内装塊成化物の強度に影響を及ぼすと考えられる粉鉱石および粉状炭材の最適粒度構成については、いまだ詳細な検討を行っておらず、上記特許文献１および２にて「粉状鉄鉱石の粒度は７４μｍ以下を７０％以上とし、粉状炭材の粒度は１ｍｍ以下とするのが好ましい。」といった程度の開示に留まっており、上記炭材内装塊成化物の製造方法にはさらなる改良の余地があった。
特開平１１−０９２８３３号公報（特許請求の範囲等）特許第３５０２００８号公報（特許請求の範囲等）特許第３５０２０１１号公報（特許請求の範囲等）

そこで本発明は、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熱間成型して炭材内装塊成化物を製造する方法において、粉鉱石（粉状鉄含有原料）および粉状炭材の粒度構成を最適化することにより、さらに高強度の炭材内装塊成化物を製造できる方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、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２５０〜５５０℃で熱間成型して炭材内装塊成化物を製造する方法において、前記粉状鉄含有原料の最頻粒径Ｄｏに対する前記粉状炭材の最頻粒径Ｄｃの比Ｄｃ／Ｄｏが０．２〜０．８であることを特徴とする炭材内装塊成化物の製造方法である。ここに、最頻粒径はレーザ散乱・回折式粒度分布計で測定された粒度分布から求められた最も頻度の大きい粒径である。

請求項２に記載の発明は、前記粉状炭材の前記混合物に対する体積割合が４５〜６５％である請求項１に記載の炭材内装塊成化物の製造方法である。

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［ＪＩＳＭ８８０１参照］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）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。

本発明によれば、粉状鉄含有原料より細かい所定粒度を有する粉状炭材を用いることで混合時に粉状鉄含有原料の間隙に粉状炭材が万遍なく配置され、より高強度の炭材内装塊成化物が得られる。

図１に本発明の一実施形態に係る炭材内装塊成化物（以下、「塊成化物」と略称することもある。）の製造フローの概念図を示す。以下、鉄含有原料として鉄鉱石を、軟化溶融性を有する炭材としてｌｏｇＭＦ≧１．０の石炭を、それぞれ代表例として説明する。

鉄鉱石は、必要な場合（例えば、粒度が粗い場合）は粉砕して例えば最頻粒径（レーザ散乱・回折式粒度分布計で測定した粒度分布から求めた最も頻度の大きい粒径、以下同じ）Ｄｏが５０μｍ程度の粉状鉄鉱石（粉状鉄含有原料）とする。あるいは粉砕する代わりにもともと粒度の細かい鉄鉱石を混ぜて上記粒度に調整するようにしてもよい。

石炭は、必要な場合（例えば、粒度が粗い場合）粉砕して粉状石炭（粉状炭材）とし、その最頻粒径Ｄｃが、粉状鉄鉱石の最頻粒径Ｄｏの０．２〜０．８倍の範囲（すなわち、Ｄｃ／Ｄｏ＝０．２〜０．８）となるようにする（Ｄｃ／Ｄｏ＝０．２〜０．８とする理由は、下記〔混合工程〕にて詳述する。）。あるいは粉砕する代わりにもともと粒度の細かい石炭を混ぜて上記粒度に調整するようにしてもよい。

〔炭材乾燥加熱工程〕
このようにして粒度調整された粉状石炭Ａは、炭材乾燥加熱設備（例えば、ロータリドライヤ）１で、石炭Ａが実質的に軟化溶融しない３５０℃以下の温度で乾燥・加熱し、付着水分を除去する。ここで、粉状石炭の乾燥加熱温度は、従来技術（特許文献２，３参照）では石炭が軟化溶融しない「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石炭は実質上軟化溶融しないことが判明したため、「３５０℃以下」とした。

〔原料加熱工程〕
一方、粉状鉄鉱石Ｂは、粉状石炭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。

〔混合工程〕
乾燥した粉状石炭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、粉状石炭Ａの無機化および／または石炭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。この竪形混合槽３は成型温度を確保するために断熱および／または保温するとよい。

ここで、粉状石炭Ａの粒度を粉状鉄鉱石Ｂの粒度より細かくし、最頻粒径の比Ｄｃ／Ｄｏで０．２〜０．８としているので、粉状石炭Ａの粒子数が多くなるとともに、粉状石炭Ａの粒径が、粉状鉄鉱石Ｂの粒子のみで形成されると仮定した充填層の空隙の径とほぼ同等ないし小さくなるため、混合により粉状石炭Ａの粒子が上記粉状鉄鉱石Ｂの粒子の間隙に万遍なく配置されることとなる（図２（ａ）発明例参照）。さらに、粉状石炭Ａの粒径が小さくなることで、高温の粉状鉄鉱石Ｂとの混合により石炭粒子が急速昇温されてその溶融量が増加するので、粉状鉄鉱石Ｂの粒子同士を結合する力が大きくなり、塊成化物Ｅの強度が高まる効果が得られる。

これに対し、粉状石炭Ａの粒度を粗くして最頻粒径の比Ｄｃ／Ｄｏが０．８を超えると、粉状石炭Ａの粒子数が少なくなるとともに、その粒径が上記粉状鉄鉱石Ｂの空隙径より過度に大きくなるため、粉状石炭Ａの粒子は上記粉状鉄鉱石Ｂの空隙に疎らにないしは偏って配置されることとなる（図２（ｂ）比較例参照）。さらに、粉状石炭Ａの粒径が大きくなることで、石炭粒子の昇温速度が低下してその溶融量も減少するので、粉状鉄鉱石Ｂの粒子同士を結合する力が小さくなり、塊成化物Ｅの強度が不十分となりやすい。いっぽう、粉状石炭Ａの粒度を細かくしすぎて最頻粒径の比Ｄｃ／Ｄｏが０．２を下回ると、上記石炭細粒化による塊成物Ｅの強度向上効果が飽和するため、粉砕コストの上昇による不利益が大きくなる。なお、Ｄｃ／Ｄｏの好ましい範囲は０．２〜０．７、さらには０．２〜０．６である。

また、粉状石炭の配合割合は、粉状石炭Ａと粉状鉄鉱石Ｂからなる混合物Ｃに対する体積割合で４５〜６５％、さらには５０〜６０％とするのが好ましい。ここに、粉状石炭Ａおよび粉状鉄鉱石Ｂの体積は、内部の気孔体積を含んだ見掛けの体積を意味し、混合物Ｃの体積は、これら粉状石炭Ａと粉状鉄鉱石Ｂのそれぞれの見掛け体積を単に合計したものを意味するものとする（すなわち、加熱による石炭Ａの溶融による体積変化等を考慮しない。）。

上記堆積割合が４５％を下回ると上記粉状鉄鉱石Ｂの間隙への粉状石炭Ａの充填量（すなわち、融液量）が不足し、塊成化物Ｅの強度が低下する傾向にあり、いっぽう６５％を超えると上記粉状鉄鉱石Ｂの間隙への粉状石炭Ａの充填量が過剰になって、かえって粉状鉄鉱石Ｂの粒子間の距離を遠ざけることとなり、やはり塊成化物Ｅの強度が低下する傾向にあるためである（後記実施例参照）。

〔熱間成型工程〕
粉状石炭Ａと粉状鉄鉱石Ｂからなる混合物Ｃは、成型設備として例えば熱間成型用の双ロール型成型機４を用いて加圧成型し、成型物Ｄとなす。加圧成型は、成型物Ｄを熱処理して得られた塊成化物Ｅが成型機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、成型加圧力を１０ｋＮ／ｃｍ以上とする。

このようにして成型された成型物Ｄは、粉状鉄鉱石Ｂの間隙に溶融した石炭Ａが万遍なく浸入し、この溶融した石炭Ａが潤滑剤として作用して、成型物Ｄの表面に加えられた成型加圧力が成型物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、成型物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、固化後の石炭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〕
この成型物Ｄを上記熱間成型温度（２５０〜５５０℃）以上８００℃以下の温度に調整した熱処理設備（例えば、シャフト炉）５内に装入し、成型物Ｄ中に残存する揮発分およびタール分を除去し、石炭を固化させる。これにより、成型物Ｄが熱処理されて得られた塊成化物Ｅが竪型炉に装入されて加熱された際に、もはや石炭が軟化することがなく塊成化物Ｅの強度が維持されるとともに、タール分が多量に発生することがなく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。シャフト炉５内温度の下限を成型温度としたのは成型温度を下回ると揮発分やタール分の除去は非常に困難となるためであり、上限を８００℃としたのは成型物Ｄ中の鉄分がシャフト炉５内で不必要に還元されて塊成化物Ｈの強度が低下してしまうのを防止するためである。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化物Ｅは、熱いまま大気中に排出すると発火や燃焼、再酸化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、ロータリドライヤ１、竪形混合槽３、成型機４およびシャフト炉５は外部からの大気（酸素）の侵入を防止する構造とし、これらの設備で発生する炭材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。なお、このガス中には粉塵や高沸点タールなどの有害成分も含有されるため、排ガス処理設備（例えば、安水スクラバ）９により除塵・清浄後に用いるのが望ましい。

本発明の効果を確認するため以下のラボ実験を実施した。粉状鉄鉱石としては、南米産シンターフィード（鉱石Ａ）を１．４ｍｍ以下に篩い分けたものを用いた。いっぽう粉状石炭としては、ｌｏｇＭＦ＝１．５〜３．４の範囲の流動性を有する種々の石炭をそれぞれボールミルにて粉砕時間を種々変化させて粉砕したものを用いた。

そして、上記各試料の粒度分布をレーザ回折散乱法を測定原理とする粒度分布測定装置（日機装株式会社製、マイクロトラック（登録商標）Ｍｏｄｅｌ９２２０ＦＲＰ）にて測定し、その粒度分布に基づいて最頻粒径を求めた。

ついで、上記粉状鉄鉱石を小型加熱炉で所定温度に加熱し、これに上記粉状石炭を混合物に対する体積割合で５５％添加・混合して４２０℃（目標）の混合物を作成し、これを直ちに圧潰強度試験機にて８００ｋｇｆ／ｃｍ^２（≒７８．５ＭＰａ）の加圧力で直径ｄ＝２０ｍｍ，高さｈ＝２０ｍｍのタブレット状の炭材内装塊成化物に成型した。

そして、このタブレットを室温まで冷却した後、コンクリートの引張強度試験方法（ＪＩＳ−Ａ１１１３）に準じて、上記圧潰強度試験機にてタブレットの直径方向に圧縮荷重を掛けて破壊荷重Ｐを測定し、これをσ＝２Ｐ／（πｄｈ）の関係式を用いてタブレット高さ方向の引張強度σに換算した。

測定結果を図３に示す。同図に示すように、タブレット（炭材内装塊成化物）の引張強度は、Ｄｃ／Ｄｏが０．８を超えると５ｋｇｆ／ｃｍ^２（≒０．５ＭＰａ）を下回るが、Ｄｃ／Ｄｏが０．８以下になると５ｋｇｆ／ｃｍ^２（≒０．５ＭＰａ）を超えて急激に上昇し、０．４〜０．６で平均約８ｋｇｆ／ｃｍ^２（≒０．８ＭＰａ）という高い値が得られるのがわかった。

また同図から明らかなように、ｌｏｇＭＦ＝３．０〜３．４の高流動性石炭を用いＤｃ／Ｄｏ＝０．８とした場合（図中の白抜きの○、△のプロット参照）より、ｌｏｇＭＦ＝２．０〜２．５の中流動性石炭を用いてもＤｃ／Ｄｏ＝０．４〜０．６と粉状石炭の粒度をさらに細かくした場合（図中の灰色の○、△、□、◇のプロット参照）のほうがタブレットの引張強度がさらに高くなることがわかった。

つぎに、粉状鉄鉱石としては、上記実施例１で用いた南米産シンターフィード（鉱石Ａ）の他、別の南米産シンターフィード（鉱石Ｂ）および豪州産マラマンバ鉱石２銘柄（鉱石Ｃ、鉱石Ｄ）をそれぞれ１．４ｍｍ以下に篩い分けたものを用いた。いっぽう粉状石炭としては、ｌｏｇＭＦ＝２．０の石炭をボールミルにて粉砕し、Ｄｃ／Ｄｏを０．４〜０．７の範囲とした。
そして、上記実施例１と同様の条件にてラボ実験を行い、タブレットの引張強度に及ぼす粉状石炭の混合物に対する体積割合の影響を調査した。

測定結果を図４に示す。同図に示すように、タブレット（炭材内装塊成化物）の引張強度は、粉状石炭の混合物に対する体積割合が４５〜６５％の間で平均約５ｋｇｆ／ｃｍ^２（≒０．５ＭＰａ）以上が得られ、５０〜６０％の間で平均約６ｋｇｆ／ｃｍ^２（≒０．５ＭＰａ）以上の高い値が得られるのがわかった。

本発明の実施に係る炭材内装塊成化物の製造フローの概念図である。粉状石炭と粉状鉄鉱石の混合状態を説明する模式図であり、（ａ）は発明例、（ｂ）は比較例を示す。粉状石炭と粉状鉄鉱石の最頻粒径の比Ｄｃ／Ｄｏとタブレット（炭材内装塊成化物）の引張強度との関係を示すグラフ図である。粉状石炭の混合物に対する体積割合とタブレット（炭材内装塊成化物）の引張強度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：成型設備（双ロール型成型機）
５：熱処理設備（シャフト炉）
９：排ガス処理設備（安水スクラバ）
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：成型物
Ｅ：炭材内装塊成化物

Claims

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２５０〜５５０℃で熱間成型して炭材内装塊成化物を製造する方法において、前記粉状鉄含有原料の最頻粒径Ｄｏに対する前記粉状炭材の最頻粒径Ｄｃの比Ｄｃ／Ｄｏが０．２〜０．８であることを特徴とする炭材内装塊成化物の製造方法。ここに、最頻粒径はレーザ散乱・回折式粒度分布計で測定された粒度分布から求められた最も頻度の大きい粒径である。
前記粉状炭材の前記混合物に対する体積割合が４５〜６５％である請求項１に記載の炭材内装塊成化物の製造方法。