JP2010168630A

JP2010168630A - 焼結鉱の低温還元粉化評価方法

Info

Publication number: JP2010168630A
Application number: JP2009013125A
Authority: JP
Inventors: Chieko Fukumoto; 千恵子福元; Takeshi Sato; 健佐藤; Tetsuya Yamamoto; 哲也山本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】従来のJIS M 8720に規定されたJIS-RDI試験では、必ずしも正確に測定することが難しい高炉内焼結鉱の還元粉化量評価方法を提供する。
【解決手段】JIS M 8720に規定されたJIS-RDI試験において、COの配合量を30vol％一定とし、さらに、CO₂濃度５〜50vol％の範囲のCO、CO₂、およびN₂混合ガスを、還元粉化量評価時の還元ガスとして用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、鉱石系原料である焼結鉱の高炉内における低温還元粉化の評価方法に関するものであり、特にJISに規定された低温還元粉化量の測定精度を向上させようとするものである。

鉄鉱石から銑鉄を取り出すための炉である高炉の安定操業において、シャフト部の通気確保はたいへん重要である。しかし、シャフト上部において、焼結鉱が低温還元粉化した場合、発生した粉がシャフト部の通気を阻害する。そのため、従来より、焼結鉱の低温還元粉化を管理する指標として、JIS-RDI試験（JIS M 8720：2001年、以下年は省略する）が使用されている。

上述したJIS-RDI試験の還元試験条件は、焼結鉱粒径：16〜19mm、焼結鉱重量：500g、還元温度：550℃、還元時間：30分、還元ガス組成は、CO:N₂＝30：70である。JIS-RDI試験では、還元の後、ドラム試験と呼ばれる所定径の筒での回転粉化が行われ、その後、篩分けを行い、2.8mm角の網を通過したもの（以下-2.8mmとする）の割合を測定し、その値がJIS-RDI値となる。
ここで、JIS-RDI試験条件と高炉内温度・ガス測定結果を図１に示す。図中、●印の位置がJIS-RDIの温度および雰囲気である。一方、(1)BF(RAR:445)は、還元剤比445kg/t・時の高炉内ガス組成、(2)BF(RAR:452)は、還元剤比452kg/t・時の高炉内ガス組成、(3)BF(RAR:486)は、還元剤比486kg/t・時の高炉内ガス組成、を表していて、いずれも雰囲気中にCO₂が含まれている。同図から明らかなように、JIS-RDI試験のガス組成は、550℃における高炉内ガス組成と大きく異なっている。そのため、このJIS-RDI値では、正確に高炉内における低温還元粉化を評価することは難しいと考えられる。

そこで、特許文献１および２には、高炉操業計画や原料鉄鉱石の性状の変動に対応し、各々の変動に応じたJIS-RDI上限管理値の決定方法が提案されている。同じく、特許文献３には、高炉内の所定位置における温度およびガス組成を測定し、この温度およびガス組成の測定結果に基づいて高炉中のヘマタイトの減少量を求め、高炉内における焼結鉱の還元粉化量を推定する方法が提案されている。さらに、特許文献４には、微粉炭吹込み高炉操業条件下における焼結鉱の還元粉化温度域での滞留時間および雰囲気ガスの還元ポテンシャルを正確に評価することで、まず、還元試験条件を設定し、その条件を用いて低SiO₂焼結鉱の還元粉化性を評価するという方法が示されている。

しかし、特許文献１および２では、焼結鉱銘柄による還元粉化量の差を検出することが非常に煩雑でかつ困難という問題があった。

また、特許文献３の高炉内の所定位置の温度およびガス組成に基づいて、ヘマタイト減少量を求める方法については、ある焼結鉱種における、各位置の実際の還元粉化量の大小は検出できるが、別の焼結鉱種による還元粉化量の差は推定できないという問題があった。
さらに、特許文献４の微粉炭吹込み高炉操業条件下における焼結鉱の還元粉化温度域での滞留時間および雰囲気ガスの還元ポテンシャルを正確に評価して還元条件を設定する方法は、その対象が低SiO₂含有焼結鉱であり、高炉の操業条件もパラメータとして影響するため、結果として操業条件ごとの試験が必要となるという問題があった。
つまり、特許文献１〜４をはじめとして、従来の技術では、必ずしも焼結鉱の低温還元粉化量を正確に測定することが難しかった。

特開昭６１−１１９６２６号公報特開昭６０−１３１９３１号公報特開平１−１４２０３５号公報特開平１１−６１２８４号公報

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、従来のJIS M 8720に規定されるJIS-RDI試験を用いて低温還元粉化量の測定精度の向上を図ることができる焼結鉱の低温還元粉化評価方法を提供することを目的とする。

以下、本発明の解明経緯について説明する。
発明者らは、まず、JIS-RDI値のばらつきの原因につき検討した。その結果、図２に示すように、JIS-RDI値と還元率には明確な相関があることが分かった。そこで、JIS-RDI値の異なる３種類の焼結鉱を用い、還元率と低温還元粉化量に及ぼす影響を調査した。図３に、この調査に用いた還元装置を示す。図中１ははかり（balance）、２はエアシリンダ（Air Cylinder）、３はロードセル（Load cell）、４は排気ガス分析（Exhaust gas analysis）、５は熱電対（Thermocouple）、６は試料（Sample）、７はアルミナボール（Alumina ball）、８は電気ヒータ（Electric heater）である。
図４にJIS-RDI試験およびCO₂混合試験の条件を示す。図４の「experiment」の欄にJIS-RDI試験条件と比較した本試験条件を示す。同図に示したとおり、還元管の径(Reduction tube diameter)、試料サイズ(Sample size)、試料質量(Sample mass)および還元温度(Reduction temperature)は、JIS-RDI試験条件に準拠した。また、雰囲気(Reduction gas composition)は、vol％でCO／N₂＝30/70およびCO／CO₂／N₂＝22.5/22.5/55とし、時間(Reduction time)を30分とした。さらに、図５に本試験に用いた原料(sample)の性状を示す。

ついで、JIS-RDI試験条件に準じて、ドラムテストおよび篩分テストを行った。
図６に還元率とRDI値の関係を示す。JIS-RDI試験条件であるCO還元については、還元率4.5％までは還元の進行と共にRDI値は増加するが、還元率4.5％以降はRDI値が一定となる結果が得られた。

ここで、図２を再び確認すると、還元率に２〜６％と幅があることがわかる。つまり、従来のJIS-RDI試験条件下では、平衡還元率である4.5％に満たない範囲についても、-2.8mm粉率を測定し評価していることになる。
この結果より、低温還元粉化量をより正しく評価するためには、それぞれの平衡還元率まで還元を行う必要があることが分かった。

そこで、JIS-RDI試験を好適に平衡還元率まで導くべく種々の検討を行った。その結果、還元性雰囲気ガスについて、不活性ガスのN₂を、CO₂／N₂に変更した場合に低温還元粉化量が安定化することを突き止めた。
図４の「experiment」の欄にJIS-RDI試験条件と比較した本実験条件を併記する。また、本実験条件により求められた値をRDI´値とする。
図６に還元率とRDI´値の関係を併記する。同図に示したとおり、2.5％以降はRDI´値が一定となった。このことから、550℃の還元において、CO還元の場合は還元率4.5％、CO₂混合還元の場合は還元率2.5％に到達すると還元粉化が終了することがわかる。また、同図に示したとおり、同じ還元率でもCO₂混合還元の方がCO単独還元よりも還元粉化が促進されることが分かった。
そこで、還元後の焼結鉱を断面観察し、還元ガスが還元挙動に及ぼす影響について調査を行った。上記した試験条件は、ヘマタイトがマグネタイトに還元される条件であるため、ヘマタイトは焼結鉱中に出現する鉱物のうちでは、最も明るいという好物特性を利用した。画像処理によりヘマタイト組織を鮮明化し、ヘマタイトの存在位置を特定して還元挙動を推察した。図7にCO還元後（還元率5.0％）およびCO₂混合還元後（還元率2.0％）の焼結鉱の断面組織中ヘマタイトを鮮明化した写真を示す。CO還元後の断面組織中ヘマタイトは、中心部に存在している。このことから、この還元反応は、局所的にトポケミカルに進行したものと考えられる。一方、CO₂混合還元後の断面組織中ヘマタイトは、全体的に分散して存在している。このことから、この還元反応は、広域的に均一反応して進行したものと考えられる。

以上の観察結果および考察から、還元された周辺部にクラックが発生して粉化現象が生じるため、CO還元は、局所的な還元しかなされず、CO₂混合還元は、全体的な広域反応によって還元反応が生じているために、CO還元に比べて粉化が促進されるものと考えられる。
この還元範囲の差は、CO還元とCO₂混合還元との還元反応の挙動が異なることを示唆しており、粉化の挙動が異なることにもつながっている。その結果、CO₂混合還元は、還元粉化が飽和するための還元率も低く、かつ、短時間で安定した還元値に到達するために、再現性が高く、その適用効果も大きい。従って、低温還元粉化量を正しく評価するためには、CO₂混合還元で行った方が有利であることが分かる。
以上のような知見を得て、本発明を完成させた。

すなわち、上記知見に基づく本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）鉱石系原料である焼結鉱の高炉内における低温還元粉化量を測定するJIS M 8720に規定されたJIS-RDI試験に基づく低温還元粉化の評価方法であって、該評価方法に用いる還元ガスとしてCO、CO₂、およびN₂からなる混合ガスを用い、上記COを30vol％の一定とし、上記CO₂を５〜50vol％の範囲で混合させたことを特徴とする焼結鉱の低温還元粉化評価方法。

（２）前記評価方法において、還元温度を500〜600℃の範囲とすることを特徴とする前記（１）に記載の低温還元粉の粉化率評価方法。

本発明は、焼結鉱の低温還元粉化が飽和するまでの還元を短時間で確実に行うことができる。そのため、焼結鉱の低温還元粉化現象により生じる粉化量を、安定してより正しく評価できる。

JIS-RDI試験条件と高炉内温度・ガス測定結果を、温度（Temperature）とCO/(CO＋CO₂)の関係で示した図である。 JIS-RDI試験で得られた還元率(Reduction degree)とJIS-RDIの関係を示した図である。実験で使用した還元装置の模式図である。実験{還元テスト(Reduction test)、ドラムテスト(Dram test)、篩テスト(screen test)} 条件を示した図である。実験に使用した焼結鉱の性状を示した図である。本発明に従う還元率と還元粉化量（RDI´）の関係を、従来のJIS-RDI試験に従う還元率(Reduction degree)と還元粉化量（RDI´）の関係と比較して示した図である。 CO還元後およびCO＋CO₂還元後の焼結鉱断面組織中ヘマタイトを比較して示した図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明によれば、JIS M 8720に示された低温還元粉化試験に準ずるものであるが、特に雰囲気ガス中のN₂を、CO₂とN₂の混合ガスに変更することが本発明の最も重要なところである。
この変更が還元能力の向上をもたらす理由は解明されていないが、還元ガスであるCOについて考察すると、COは、CO₂と酸素を介して平衡状態を作ることが知られている。この平衡状態を作ることが、雰囲気ガスの還元能力の安定化につながり、その結果として、雰囲気ガス中の還元能力の向上に寄与しているものと考えられる。

そこで、CO₂濃度(vol％)をパラメータとし、以下の試験条件で低温還元粉化試験を実施した。
本試験に用いる還元試験装置は、従来公知のJIS-RDI試験装置で良く、焼結鉱試料は、図５中の試料Ｂ、粒径：16〜20mm、重量：500ｇ（＝Ｗ_initial）を用いた。また、還元条件としては、還元温度：550℃、およびCO を30vol％一定で、還元ガス：CO／CO₂／N₂とし、CO₂濃度：０〜50vol％、還元時間：30分とした。ついでJIS M 8720に準拠した条件でドラム試験を行い、-2.8mmの粉率を求めた。以上の試験を３回繰り返して実施した。その試験結果を表１に示す。

同表に示したσ（標準偏差）等の結果から、RDI値と比べて、CO₂濃度の値が５〜50vol％の範囲で繰返し精度がよい。さらに、好ましい範囲は、５〜40vol％であり、より好ましい範囲は、10〜30vol％であることが分かる。

上記したとおり、本発明に従い還元雰囲気中にCO₂ガスを混合することにより、試験粉の到達還元率を下げることができる。本発明のCO₂濃度：５〜50vol％の範囲では、この到達還元率の値は、2.5±1.2％である。
この到達還元率に到達する手段としては、焼結鋼中のT.FeとFeOの比が予め分かっているものはその値を使用すれば良く、分かっていない場合にはJIS M 8212「鉄鉱石−全鉄定量方法」：2005年、JIS M 8213「鉄鉱石−酸可溶性鉄 (II) 定量方法」：1995年等によって、焼結鋼中のT.FeとFeOの割合を測定し、例えば、還元率2.5％に到達する重量減少量（Ｗ_2.5）を計算すれば良い。ついで、還元試験装置に、熱天秤等の試料重量測定器を設置する。還元試験中の焼結鉱重量がＷ_initial−Ｗ_2.5となったところで、還元試験を終了すれば、安定して目標還元率2.5％を得ることができ、従来法で見られた還元不足による再試験を行う必要はなくなる。

本発明の還元温度は、500〜600℃が望ましい。JIS規格では、550℃に定められているが、本発明に従い雰囲気ガス中にCO₂ガスを混合した場合には、CO₂ガス量に応じて適正処理温度が幾分変化する。そこで、本発明では、500〜600℃の温度範囲で適切な処理温度を選択することとした。
また、還元時間については、特に制限はないが40〜60分程度で十分である。
なお、CO/(CO＋CO₂)が高くなると、還元は早く進行するが、粉化が終了する還元率が高くなるため、還元時間が長くなる。一方、CO/(CO＋CO₂)が低くなると還元の進行が遅くなるため、還元時間を長く設定する必要がある。

本試験に用いる還元試験装置は、従来公知のJIS-RDI試験装置で良く、焼結鉱試料は、図５中の試料Ａ、粒径：16〜20mm、重量：500ｇ（＝Ｗ_initial）を用いた。また、還元条件としては、還元温度：550℃、およびCO を30vol％一定で、還元ガス：CO／CO₂／N₂とし、CO₂濃度：0〜50vol％、還元時間：40分とした。ついでJIS M 8720に準拠した条件でドラム試験を行い、-2.8mmの粉率を求めた。以上の試験を５回繰り返して実施した。その試験結果を表２に示す。

同表に示したσ（標準偏差）等の結果から、本発明に従うRDI´値はいずれも、従来例であるRDI値と比べてばらつきが小さく、測定精度が極めて良いことが分かる。

本発明は、焼結鉱の還元粉化量を再現よく正確に評価できるため、高炉操業時の還元粉化量管理として適用することで、安定した高炉操業、ひいては、安定した焼結鉱の品質を確保することができる。

１はかり
２エアシリンダ
３ロードセル
４排気ガス分析
５熱電対
６試料
７アルミナボール
８電気ヒータ

Claims

鉱石系原料である焼結鉱の高炉内における低温還元粉化量を測定するJIS M 8720に規定されたJIS-RDI試験に基づく低温還元粉化の評価方法であって、該評価方法に用いる還元ガスとしてCO、CO₂、およびN₂からなる混合ガスを用い、上記COを30vol％の一定とし、上記CO₂を５〜50vol％の範囲で混合させたことを特徴とする焼結鉱の低温還元粉化評価方法。
前記評価方法において、還元温度を500〜600℃の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の焼結鉱の低温還元粉化評価方法。