JP2013221185A

JP2013221185A - 塊成化還元鉄の製造方法

Info

Publication number: JP2013221185A
Application number: JP2012094017A
Authority: JP
Inventors: Etsuro Noda; 悦郎野田; Daisaku Jobe; 大策条辺; Junpei Kikuta; 淳平菊田
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】別途熱間又は冷間での成型をすることなく、高炉に投入可能な強度を有する塊成化還元鉄を回転炉床炉を用いて製造する方法を提供する。
【解決手段】回転炉床炉で製鉄ダストを還元処理して塊成化還元鉄を製造する方法において、粉砕したミルスケールを前記製鉄ダストに添加し、且つ添加する前記ミルスケールの粒度と添加割合を調整することにより、製造される前記塊成化還元鉄の強度を制御する。具体的には、前記塊成化還元鉄の原料に含まれる前記ミルスケールの割合をＸ質量％、前記ミルスケールの粒度分布における累積質量が５０％となる粒径Ｄ５０をＹμｍとすると、Ｙ＜５Ｘ−５０とする。但し、Ｘ＞１５である。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転炉床炉で製鉄ダストを還元処理して塊成化還元鉄を製造する方法に関する。

製鉄所で発生する製鉄廃棄物を還元処理して製鋼原料等に再利用するため、製鉄ダストや粉鉱石などの製鉄廃棄物と還元材やバインダを混練、造粒した成型物を回転炉床炉（ＲＨＦ）に装入して加熱還元することにより塊成化還元鉄を製造する技術が実用化されている。

この塊成化還元鉄の品質を向上させるため、特許文献１では、酸化鉄原料と還元材の混合物を篩下８０％粒径（篩下の質量が８０％となった篩い目の径）で７０μｍ〜５００μｍまで粉砕して混練し、混練後の混合物を塊成化して回転炉床炉で還元し、予備還元鉄（塊成化還元鉄）とする技術が開示されている。特許文献１によれば、この方法により、金属化率が高く成品化率が向上した予備還元鉄を製造することが可能であると記載されている。

また、特許文献２では、酸化金属及び炭素を含む粉体が、１０μｍ以下の粒径の粒子を２０〜８０質量％含むように調製してパン式造粒装置で球形のペレットを製造し、製造したペレットを分級した後に乾燥して、回転炉床炉で焼成還元する技術が開示されている。特許文献２によれば、この方法により、還元炉での使用に耐える強度の高い原料ペレットを製造することができると記載されている。

特許第４３４８３８７号公報特許第３６３５２５３号公報特開２０１１−０６３８３５号公報

高炉に投入する鉄原料には、一定レベル以上の強度と、炉内通気性を確保できる粒度とが要求される。そのため、鉄原料には、塊状化された焼結鉱が多く使用されている。しかし、原料コストが高いため、比較的安価な製鉄ダスト等から製造した還元鉄を鉄原料として利用することで、炭酸ガス排出量の削減や、鉄生産量の増加、資源枯渇への対応を図ることが検討されている（特許文献３の［背景技術］参照）。

還元鉄を高炉に投入する場合、炉内の通気性を確保するため、還元鉄を一定の強度を有する塊状にする必要がある。そこで、粉粒状還元鉄を成型（塊成化）することが従来から検討されており、粉粒状還元鉄の塊成化の方法として、ダブルロール型のブリケット化装置が広く用いられている。還元鉄のブリケット化については、回転炉床炉などの還元炉から排出された還元鉄を高温状態のままで熱間成型する方法と、常温まで冷却した後に冷間成型する方法とが知られている。

しかし、上記方法は、還元炉で還元鉄を製造した後に、さらに熱間あるいは冷間での成型が必要となるため、手間とコストが掛かるという問題がある。
一方、特許文献１記載の方法は、還元鉄の金属化率を向上させる方法であって、還元鉄の強度向上を目的としていない。また、特許文献２記載の方法は、還元炉での使用に耐える強度の高い原料ペレットを製造することを目的とし、高炉向けの還元鉄としての強度向上技術については記載されていない。
要するに、塊成化還元鉄の強度は、あくまでも原料による成り行きで決まっており、高炉に投入可能な高強度の塊成化還元鉄を得るためには、別途熱間又は冷間での成型が必要となっていた。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、別途熱間又は冷間での成型をすることなく、高炉に投入可能な強度を有する塊成化還元鉄を回転炉床炉を用いて製造する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、回転炉床炉で製鉄ダストを還元処理して塊成化還元鉄を製造する方法において、
粉砕したミルスケールを前記製鉄ダストに添加し、且つ添加する前記ミルスケールの粒度と添加割合を調整することにより、製造される前記塊成化還元鉄の強度を制御することを特徴としている。

本発明者等は、粉砕したミルスケールを製鉄ダストに添加して還元処理すると、製造される塊成化還元鉄の圧壊強度が上昇することを発見した。その際、ミルスケールの添加割合が大きいほど、またミルスケールの粒度が細かいほど、塊成化還元鉄の圧壊強度が上昇することを発見した。一方、原料全体を細かく粉砕しても、塊成化還元鉄の強度改善につながらないことも判明した。

これらのことから、本発明者等は、原料内に分散したミルスケールが還元処理によって塊成化還元鉄内で金属鉄のネットワークを形成し、この金属鉄のネットワークが塊成化還元鉄の圧壊強度を上昇させるのではないかと考えた。また、原料全体を細かく粉砕しても塊成化還元鉄の強度改善につながらないのは、原料に含まれる不純物が金属鉄のネットワーク化を阻害するからであると考えることができる。
上記知見に基づき、本発明者等は、原料中のミルスケールのみの粒度と添加割合を調整することにより、製造される塊成化還元鉄の強度を制御するという本発明に想到した。これにより、回転炉床炉での還元処理のみで塊成化還元鉄の強度が改善され、別途熱間又は冷間での成型が不要となる。

また、本発明に係る塊成化還元鉄の製造方法では、前記塊成化還元鉄の原料に含まれる前記ミルスケールの割合をＸ質量％、前記ミルスケールの粒度分布における累積質量が５０％となる粒径Ｄ５０をＹμｍとすると、前記Ｘと前記Ｙが（１）式を満足することを好適とする。
Ｙ＜５Ｘ−５０（１）
但し、Ｘ＞１５である。

塊成化還元鉄１個当たりの圧壊強度が４９０Ｎ以上あると、塊成化還元鉄を高炉用の鉄原料として使用することができる。塊成化還元鉄の原料に含まれるミルスケールの割合と、ミルスケールの粒度分布における累積質量が５０％となる粒径Ｄ５０（以下では、「平均粒径」と呼ぶ。）が上記条件を満足するとき、製造される塊成化還元鉄１個当たりの圧壊強度は４９０Ｎ以上となる。

また、本発明に係る塊成化還元鉄の製造方法では、前記ミルスケールに代えて、メタルＦｅ及び酸化鉄原料のいずれか一方又は双方を使用してもよい。
ここで、酸化鉄原料は、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４の１種又は２種以上からなる原料である。

本発明に係る塊成化還元鉄の製造方法では、製鉄ダストに添加するミルスケールの粒度と添加割合を調整することにより、製造される塊成化還元鉄の強度を制御するので、回転炉床炉での還元処理のみで塊成化還元鉄の強度が改善され、別途熱間又は冷間での成型が不要となる。

回転炉床炉及び関連設備の一例を示す模式図である。回転炉床炉内部の一例を示す模式図である。ミルスケールの平均粒径Ｄ５０をパラメータとして、塊成化還元鉄１個当たりの圧壊強度と原料に占めるミルスケールの割合との相関性を示したグラフである。図３のグラフに使用したミルスケールのうち、その代表例であるＤ５０＝３５μｍミルスケールの粒度分布を示したグラフである。ミルスケールの平均粒径Ｄ５０と原料に占めるミルスケールの割合をパラメータとして、塊成化還元鉄を高炉で使用可能なものと高炉で使用できないものに分類したグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態に付き説明し、本発明の理解に供する。

本発明は、回転炉床炉で製鉄ダストを還元処理して塊成化還元鉄を製造する際、粉砕したミルスケールを製鉄ダストに添加し、且つ添加するミルスケールの粒度と添加割合を調整することにより、製造される塊成化還元鉄の強度を制御することを特徴としている。
以下、本発明の一実施の形態に係る塊成化還元鉄の製造方法について説明する。

回転炉床炉１０及び関連設備の一例を図１に、回転炉床炉１０の内部の一例を図２に示す。製鉄ダスト、ミルスケール、及び還元材である炭材は、回転炉床炉１０の前段に配置された原料前処理部２０において所定の割合で混合された後、成型物Ｂに造粒される。

ミルスケールは、熱間圧延又は熱処理時に鋼材の表面に生成する酸化鉄を主成分とする酸化皮膜である。製鉄ダストに添加するミルスケールは、上記ミルスケールをボールミルなどの粉砕機（図示省略）で粉砕して粉末状にして使用する。使用するミルスケールの平均粒径Ｙ（μｍ）及び原料に占めるミルスケールの割合Ｘ（質量％）は（２）式を満足するように調整する。但し、Ｘは１５（質量％）超とする。
Ｙ＜５Ｘ−５０（２）

原料前処理部２０において造粒された成型物Ｂは、回転炉床炉１０の装入口１８から回転炉床炉１０内に装入される。回転炉床炉１０は、水平面内に配置されたドーナツ状の回転炉床１１と、回転炉床１１の内周縁と外周縁に沿ってそれぞれ配置された周壁部１２ａ及び天井部１２ｂからなるフード１２と、各周壁部１２ａに所定の間隔で配置されたバーナー１３とを備えている。図１では、回転炉床炉１０の内部を示すため、回転炉床１１の半分のみフード１２で覆われているように描かれているが、実際は、回転炉床１１全体がフード１２で覆われている。
回転炉床１１の直下には、全周に亘ってレール１４が配設されている（図２参照）。回転炉床１１は、車輪１５を介してレール１４に支持され、車輪１５が回転することにより一定速度でフード１２内を移動する。また、フード１２内（炉内）を外気から遮断するため、回転炉床１１と周壁部１２ａとの間には、水封手段１７が設けられている。

装入口１８から炉内に装入された成型物Ｂは、回転炉床１１の移動に伴って先ず加熱ゾーンで１０００℃以上まで加熱される。さらに、高温の還元ゾーンでは、成型物Ｂの反応温度は１１００℃以上に達し、含有炭素による酸化亜鉛や酸化鉄の還元反応が進行する。この反応により亜鉛等の揮発物が気化し、成型物Ｂから分離される。燃焼ガス及び反応ガスは、回転炉床１１に対し対向流となって排気ダクト２１から回転炉床炉１０外へ排出される。そして、冷却後、再度固化したガス中の亜鉛は集塵機２２で回収され、煙突２３から大気中へ放出される。一方、還元された成型物Ｂ（塊成化還元鉄）は排出口１９から排出され、高炉（図示省略）の鉄原料として利用される。

図３は、ミルスケールの平均粒径Ｄ５０をパラメータとして、塊成化還元鉄１個（１Piece）当たりの圧壊強度と原料に占めるミルスケールの割合との相関性を示したグラフである。なお、同図に示されている水平線は、高炉用の鉄原料として使用することができる塊成化還元鉄１個当たりの圧壊強度４９０Ｎを示している。

試験に使用した試料の配合を表１に示す。製鉄ダストには、高炉環境集塵、高炉１次ダスト、高炉２次スラッジ、及び転炉スラッジを使用し、転炉スラッジ及びミルスケールの配合を代えることにより５種類の試料を作製した。即ち、高炉環境集塵、高炉１次ダスト、高炉２次スラッジはそれぞれ８質量％、１０質量％、３２質量％とし、転炉スラッジ及びミルスケールの添加割合をそれぞれ０質量％〜５０質量％まで変化させた。その際、各試料のＴ−Ｆｅ（鉄原料）が５０質量％前後、Ｃ（炭材）が１２質量％〜１５質量％になるよう調整した。

本試験では、実炉ではなく、電気式のチューブ炉（図示省略）で炉内状況を再現して塊成化還元鉄を製造した。試験時の炉温は１２５０℃、還元時間は１５分とした。

チューブ炉は、炉内がパイプ状の電気炉であり、炉内に装入される試料を囲むようにヒータが配置されている。また、チューブ炉内には、炉内温度を計測する熱電対が挿入されている。試験に際しては、炉心管と呼ばれるパイプ状のものを炉内にセットする。そして、炉心管内に試料を装入し、窒素ガスを用いて炉心管内をガス置換しながらヒータで加熱する。なお、ガス置換するのは、空気中には酸素が存在するため、空気雰囲気下で加熱すると、高沸点の酸化物が生成され、化学形態が変化してしまうおそれがあるためである。窒素は不活性ガスで、他の物質と反応しにくいので余分な反応を起こす可能性が低い。

製造した塊成化還元鉄の圧壊強度は圧縮試験機を用いて計測した。具体的には、塊成化還元鉄が衝撃を受けにくいように、１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で塊成化還元鉄を１軸圧縮し、塊成化還元鉄が圧壊した時の荷重を計測した。なお、圧縮試験機は、ＪＩＳＢ７７２１「引張試験機・圧縮試験機−力計測系の校正方法及び検証方法」に規定された方法により校正した。

図３より、原料に占めるミルスケールの割合が大きくなるにつれて、塊成化還元鉄の圧壊強度が上昇することがわかる。また、ミルスケールの平均粒径が小さくなるにつれて、塊成化還元鉄の圧壊強度が上昇することがわかる。

図４は、代表例として、上記試験に使用したＤ５０＝３５μｍミルスケールの粒度分布を示したグラフである。
ミルスケールの粒度分布は、マイクロトラック（登録商標）などの粒度分布測定装置を用いてレーザー回折・散乱法により測定した。レーザー回折・散乱法とは、粒子にレーザー光を照射したときに、粒子径により回折・散乱光の光強度分布パターンが異なることを利用した測定方法である。
実際の粒度分布測定では、測定対象は単一の粒子ではなく多数の粒子からなる粒子群である。粒子群には大きさの異なる複数の粒子が混在しており、発せられる光強度分布パターンは各粒子からの回折・散乱光の重ね合わせとなる。この光強度分布パターンを検出して解析することで、どれくらいの大きさの粒子がどれくらいの割合で含まれているか（粒度分布）求めることができる。

図５は、ミルスケールの平均粒径Ｄ５０と原料に占めるミルスケールの割合をパラメータとして、塊成化還元鉄を高炉で使用可能なものと高炉で使用できないものに分類したグラフである。同図では、高炉で使用可能な塊成化還元鉄は○、高炉で使用できない塊成化還元鉄は×で示している。塊成化還元鉄が高炉で使用できるかできないかの判断は、塊成化還元鉄の圧壊強度試験結果に基づき、１個当たりの圧壊強度が４９０Ｎ以上のものを○、４９０Ｎ未満のものを×とした。
図中の直線は、高炉で使用可能な塊成化還元鉄グループと使用できない塊成化還元鉄グループとの境界域に存在するデータを用いて回帰分析により算出した回帰直線であり、Ｙ＝５Ｘ−５０である。なお、（２）式において、原料に占めるミルスケールの割合Ｘを１５超としたのは、Ｘが１０以下の場合、ミルスケールの平均粒径Ｙはゼロ以下となるため、安全を見てＸ＞１５としたものである。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、塊成化還元鉄の強度制御にミルスケールを使用しているが、ミルスケールに代えて、メタルＦｅ及び／又は酸化鉄原料を使用してもよい。

１０：回転炉床炉、１１：回転炉床、１２：フード、１２ａ：周壁部、１２ｂ：天井部、１３：バーナー、１４：レール、１５：車輪、１７：水封手段、１８：装入口、１９：排出口、２０：原料前処理部、２１：排気ダクト、２２：集塵機、２３：煙突、Ｂ：成型物

Claims

回転炉床炉で製鉄ダストを還元処理して塊成化還元鉄を製造する方法において、
粉砕したミルスケールを前記製鉄ダストに添加し、且つ添加する前記ミルスケールの粒度と添加割合を調整することにより、製造される前記塊成化還元鉄の強度を制御することを特徴とする塊成化還元鉄の製造方法。
請求項１記載の塊成化還元鉄の製造方法において、前記塊成化還元鉄の原料に含まれる前記ミルスケールの割合をＸ質量％、前記ミルスケールの粒度分布における累積質量が５０％となる粒径Ｄ５０をＹμｍとすると、前記Ｘと前記Ｙが（１）式を満足することを特徴とする塊成化還元鉄の製造方法。
Ｙ＜５Ｘ−５０（１）
但し、Ｘ＞１５である。
請求項１又は２記載の塊成化還元鉄の製造方法において、前記ミルスケールに代えて、メタルＦｅ及び酸化鉄原料のいずれか一方又は双方を使用することを特徴とする塊成化還元鉄の製造方法。