JP2007119601A - フェロコークスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原料コストを大幅に増加させることなく、高強度を有するフェロコークスの製造方法を提供すること。
【解決手段】石炭および鉄鉱石を混合した混合物を原料とし、該混合物を乾留してフェロコークスを製造する際に、前記鉄鉱石中の粒径０．１２５ｍｍ以上、３ｍｍ以下の鉄鉱石粒子が原料中の石炭質量に対して１６質量％以上であり、前記鉄鉱石中のＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分との合計量が原料中の石炭質量に対して２質量％以上であるように原料を混合することを特徴とするフェロコークスの製造方法を用いる。原料として、さらに粘結材を混合することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、高炉原料として用いるのに好適な、石炭および鉄鉱石を原料として乾留して製造するフェロコークスの製造方法に関する。

原料石炭に粉鉄鉱石を配合し、この混合物を通常の室炉式コークス炉で乾留してフェロコークスを製造する技術としては、ａ）、石炭と粉鉄鉱石との粉体混合物を室炉式コークス炉に装入する方法、ｂ）、石炭と鉄鉱石を冷間、すなわち室温で成型し、その成型物を室炉式コークス炉に装入する方法などが検討されてきた（例えば、非特許文献１参照。）。しかし通常の室炉式コークス炉は珪石煉瓦で構成されているので、鉄鉱石を装入した場合に鉄鉱石が珪石煉瓦の主成分であるシリカと反応し、低融点のファイヤライトが生成して珪石煉瓦の損傷を招く。このため室炉式コークス炉でフェロコークスを製造する技術は、工業的には実施されていない。

近年室炉式コークス製造法に替わるコークス製造方法として、連続式成型コークス製造法が開発されている。連続式成型コークス製造法では、乾留炉として、珪石煉瓦ではなくシャモット煉瓦にて構成される竪型シャフト炉を用い、石炭を冷間で所定の大きさに成型後、シャフト炉に装入し、循環熱媒ガスを用いて加熱することにより成型炭を乾留し、成型コークスを製造する。資源埋蔵量が豊富で安価な非微粘結炭を多量に使用しても、通常の室炉式コークス炉と同等の強度を有するコークスが製造可能なことが確認されているが、使用する石炭の粘結性が高い場合にはシャフト炉内で成型炭が軟化融着し、シャフト炉操業が困難になると共に変形や割れ等のコークス品質低下を招く。

連続式成型コークス製造法でのシャフト炉内での融着抑制のために、石炭に鉄鉱石を全体量の１５〜４０％となるように添加し、冷間で成型物を製造し、シャフト炉に装入する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、鉄鉱石には粘結性がないので、冷間の状態で成型物を製造するために高価なバインダを添加する必要があるので、石炭と鉄鉱石を加熱した熱間の状態で塊成型物に成型する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

上記のように石炭と鉄鉱石とを混合した成型物を熱処理して、強度に優れた成型コークス（フェロコークス）を製造するためには、鉄鉱石に最適な粒度があり、２ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の粗粒割合を最適化した成型コークスの製造方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。また、石炭と鉄鉱石とを混合したペレットについても、還元後の強度に優れた炭材内装ペレットとして、鉄鉱石中の１０μｍ以下の微粉割合を最適化したものが知られている（例えば、特許文献４参照。）。
特開平６−６５５７９号公報 特開２００４−２１７９１４号公報 特開平８−０１２９７５号公報 特開２０００−１６０２１９号公報 燃料協会 「コークス技術年報」１９５８年、ｐ．３８

しかし、従来の技術で製造されたフェロコークスは、高炉原料として使用するには強度が不十分である場合がある。したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、原料コストを大幅に増加させることなく、高強度を有するフェロコークスの製造方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）石炭および鉄鉱石を混合した混合物を原料とし、該混合物を乾留してフェロコークスを製造する際に、前記鉄鉱石中の粒径０．１２５ｍｍ以上、３ｍｍ以下の鉄鉱石粒子が原料中の石炭質量に対して１６質量％以上であり、前記鉄鉱石中のＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分との合計量が原料中の石炭質量に対して２質量％以上であるように原料を混合することを特徴とするフェロコークスの製造方法。
（２）原料として、さらに粘結材を混合することを特徴とする（１）に記載のフェロコークスの製造方法。

本発明によれば、原料コストを上昇させることなく、高炉使用に耐え得る高強度のフェロコークスの製造が可能となる。また、Ａｌ₂Ｏ₃成分の含有率の高い鉄鉱石をフェロコークス製造原料として使用できるので、その分、焼結鉱原料として使用する割合を低減可能であり、焼結鉱が高品位化する。今後、良質な焼結原料の供給量が減少した場合にも、低品位な鉄鉱石をフェロコークス原料として使用することが可能であり、資源拡大効果が期待される。

石炭および鉄鉱石を混合し、乾留して得られるフェロコークスは、石炭の軟化溶融物によって石炭粒子と鉄鉱石粒子とが結合された多孔材料であり、通常のコークスと同様に粒子の接着状況が製品の強度を決定する。粒子の接着状況は接着対象となる粒子の形状の他に、軟化溶融性の阻害因子の影響も考えられる。そこで、これら２つの要因の最適化を図ることにより、強度に優れたフェロコークスを製造する方法を検討した。なお、原料を混合後乾留前に原料の混合物を成型しておくとフェロコークスの強度が向上するので、通常の場合フェロコークス製造の際には成型行程を有することが多い。

まず、粒子形状として鉄鉱石の粒子形状を検討した。鉄鉱石の粒子形状としては粒径がもっとも影響し、最適な粒度があると考えた。粒径が大きすぎる場合、小さすぎる場合ともに、下記に示すように多量の軟化溶融物の補填が必要となり、原料コスト増加につながるためである。

鉄鉱石の粒径が大の場合は、粒子の界面に働く熱応力が大きくなるため、石炭軟化溶融物による接着部分が破壊され、欠陥が形成し、フェロコークスの強度は低くなる。例えば石炭粒子の場合には、粒径が３〜６ｍｍ以上で粒子界面に亀裂が発生し強度が低下することが知られており、これを回避するためには、多量の軟化溶融物を補填する必要がある。従って、鉄鉱石の粒径も所定の粒径以下であることが望ましい。

また、鉄鉱石の粒径が小の場合は、被接着粒子の比表面積が大きくなるため、粒子接着に必要な石炭軟化溶融物の量が多く必要となる。特に、成型物の大きさが大きくなるほど（例えば１８ｃｃ以上）質量が大きくなるため、より大きな強度を有する必要があり、そのためには多量の軟化溶融物を補填する必要がある。従って、鉄鉱石の粒径は所定の粒径以上であることが望ましい。

次に、軟化溶融性の阻害因子を検討した。鉄鉱石中の無機成分（Ｆｅ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃など）が石炭の軟化溶融性に与える影響を調べるために、石炭に無機成分を５質量％添加した場合の最大流動度（ＭＦ）を測定した結果を図１に示す。図１によれば、鉄鉱石中の無機成分（Ｆｅ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃）について、Ｆｅ₂Ｏ₃は石炭の軟化溶融性を大幅に阻害し、ＳｉＯ₂は石炭の軟化溶融性をあまり阻害せず、Ａｌ₂Ｏ₃も石炭の軟化溶融性をあまり阻害しないことが分かった。そこで、石炭の軟化溶融をあまり阻害しない成分を多く含む鉄鉱石を使用すれば、必要となる軟化溶融物の量が減り、原料コストの削減につながると考えた。

以上の知見を用い、実験を重ねた結果、原料として石炭および鉄鉱石を混合した混合物を乾留して得られるフェロコークスにおいては、０．１２５ｍｍ以上、３ｍｍ以下の粒径の鉄鉱石粒子を原料中の石炭質量に対して１６質量％以上含有し、さらに、鉄鉱石中のＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分の合計量の割合が原料中の石炭質量に対して２〜４質量％となるように鉄鉱石を配合してフェロコークスを製造することで、高強度を有するフェロコークスを製造できることを見出した。

０．１２５ｍｍ以上、３ｍｍ以下の粒径の鉄鉱石粒子が原料中の石炭質量に対して１６質量％以上含有されていれば、フェロコークスの強度は向上し、含有量が多いほど強度向上効果は大きい。しかし、鉄鉱石として粒径０．１２５ｍｍ以上、３ｍｍ以下のものを原料として多量に用いることはコスト高であり、工業的に実施が容易であるという点では、０．１２５ｍｍ以上、３ｍｍ以下の粒径の鉄鉱石粒子が原料中の石炭質量に対して１６〜３０質量％となるように原料を配合することが現実的である。

鉄鉱石中のＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分の合計量が２質量％未満の場合は、後述する図５に示すように、フェロコークスとして十分な強度を有さない。

鉄鉱石中のＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分の合計量の割合が高くなりすぎると、鉄元素に起因する触媒効果が小さくなり、フェロコークスに大きく期待される高い反応性が十分に得られなくなる場合がある。また、還元率の高いＦｅを高炉に供給する役割が不十分となるので、鉄鉱石中のＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分の合計量の割合は、原料中の石炭質量に対して４質量％以下とすることが好ましい。

フェロコークスの強度をさらに向上させるためには、原料としてさらに粘結材を混合することが好ましい。粘結材とは、ピッチ、軟ピッチ、中ピッチなどの石炭系粘結材、ＡＳＰやＰＤＡなどの石油系粘結材、膨潤炭などの溶剤処理炭、その他、芳香族性が高く、軟化溶融する高分子系の物質等である。揮発分が多いものを多量に混合すると強度が低下する場合があるため、粘結材を混合する場合はフェロコークス全体の１０質量％以下程度とすることが好ましい。

図２は、各種の原料を用いてフェロコークスを製造した際の、原料中の石炭質量に対する粒径０．１２５〜３ｍｍの鉄鉱石粒子の割合と、原料中の石炭質量に対するＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分の合計量の割合の関係を示すグラフである。図２の右上の四角で囲んだ部分が、製造したフェロコークスのドラム強度（ＤＩ１５０／６）が８２以上であり、高強度を有するフェロコークスを製造可能な範囲に相当する。

フェロコークス原料中の鉄鉱石の粒度およびその割合、鉄鉱石中の無機成分（ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃：ＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分の合計量）の割合がフェロコークス品質に及ぼす影響について調べるために、フェロコークスの製造試験を行なった。尚、フェロコークスの製造および品質評価は以下の手順で実施した。

まず、フェロコークス用の原料調整を行なった。石炭と鉄鉱石の配合割合、および石炭と鉄鉱石の種類を各種変更した原料を調整した。石炭と鉄鉱石を混合したのち、成型機により１８ｃｃの成型物を製造した。この成型物を熱処理炉で乾留してフェロコークスを得た。

製造したフェロコークスの品質評価はドラム試験機で行なった。ＪＩＳではコークスの強度評価には１５０回転１５ｍｍ指数（ＤＩ１５０／１５）を使用することになっているが、フェロコークスは通常のコークスと比較すると密度が高いため体積破壊よりも表面破壊により破壊が進行する。したがって、１５０回転６ｍｍ指数（ＤＩ１５０／６）を用いて強度評価を行なった。尚、フェロコークスの基準強度を１５０回転６ｍｍ指数で８２と設定し、強度８２以上を本発明で製造したフェロコークスに必要な強度とした。

まず、鉄鉱石の粒径の影響を調べた。使用する鉄鉱石の粒度を、粒径０．１２５ｍｍ以下１００質量％、０．１２５〜０．５ｍｍ１００質量％、０．５〜３ｍｍ１００質量％、３〜８ｍｍ１００質量％、８ｍｍ以上１００質量％で整粒したものを鉄鉱石原料として使用し、石炭７０質量％、鉄鉱石３０質量％の割合（質量比７：３）で配合した原料でフェロコークスを製造した。結果を図３に示す。図３によれば、鉄鉱石粒度で０．１２５〜０．５ｍｍ及び０．５〜３ｍｍを使用したフェロコークスで目標強度を達成できることが分かった。

次に、鉄鉱石の０．１２５〜３ｍｍの粒径の粒子割合の影響を調べた。鉄鉱石中の０．１２５〜３ｍｍ粒径の粒子割合が原料中の石炭質量に対して異なる石炭、鉄鉱石混合試料を作成し、この原料を使用してフェロコークスを製造した。石炭と鉄鉱石の混合割合は質量比７：３で行った。結果を図４に示す。図４によれば、０．１２５〜３ｍｍ粒径の粒子割合の増加にともないフェロコークス強度は増加することが分かる。さらに、０．１２５〜３ｍｍ粒径の粒子割合が原料中の石炭質量に対して１６質量％以上で目標強度のフェロコークスを得ることができることが分かった。

次に、鉄鉱石中の無機成分割合の影響を調べた。鉄鉱石中のＳｉＯ₂組成とＡｌ₂Ｏ₃組成の合計量（ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃）の割合が原料中の石炭質量に対して異なる石炭、鉄鉱石混合試料を作成し、この原料を使用してフェロコークスを製造した。結果を図５に示す。図５によれば、ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃の割合の増加にともないフェロコークス強度は増加することが分かる。さらに、ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃の組成割合が２質量％以上で目標強度のフェロコークスを得ることができることが分かった。

石炭に無機成分を５質量％添加した場合の最大流動度（ＭＦ）の変化を示すグラフ。 原料中の石炭質量に対する粒径０．１２５〜３ｍｍの鉄鉱石粒子の割合と、原料中の石炭質量に対するＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分の合計量の割合の関係を示すグラフ。 原料中の鉄鉱石粒度と、フェロコークス強度の関係を示すグラフ。 原料中の石炭質量に対する粒径０．１２５〜３ｍｍの鉄鉱石粒子の割合と、フェロコークス強度の関係を示すグラフ。 原料中の石炭質量に対するＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分の合計量の割合と、フェロコークス強度の関係を示すグラフ。

Claims (2)

1. 石炭および鉄鉱石を混合した混合物を原料とし、該混合物を乾留してフェロコークスを製造する際に、前記鉄鉱石中の粒径０．１２５ｍｍ以上、３ｍｍ以下の鉄鉱石粒子が原料中の石炭質量に対して１６質量％以上であり、前記鉄鉱石中のＳｉＯ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分との合計量が原料中の石炭質量に対して２質量％以上であるように原料を混合することを特徴とするフェロコークスの製造方法。
2. 原料として、さらに粘結材を混合することを特徴とする請求項１に記載のフェロコークスの製造方法。

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