JP2014136818A

JP2014136818A - 高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法

Info

Publication number: JP2014136818A
Application number: JP2013005748A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kogure; 聡小暮; Koichi Yokoyama; 浩一横山; Kenichi Higuchi; 謙一樋口
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2014-07-28
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: JP6056492B2

Abstract

【課題】成型後の生強度が高い高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法を提供すること。
【解決手段】鉄含有原料と炭材含有原料を原料とする高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法であって、前記鉄含有原料と前記炭材含有原料を混合し、粒径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の割合が１０質量％以上４０質量％以下となるように粒径を調整して、粒径調整原料を製造する工程と、前記粒径調整原料に、粘結剤と水分を添加し混合、造粒して、塊成鉱を製造する工程を実施することを特徴とする高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法に関する。

鉄鉱石又は、製鉄所で発生する酸化鉄含有集塵粉を原料とて成型し、製造した塊成鉱をシャフト炉、ロータリーキルン炉又は回転炉床炉において還元して、還元鉄を製造する直接還元鉄法がある。又、前記塊成鉱を高炉の原料として銑鉄を製造する高炉操業法もある。このような塊成鉱に炭材を含有させると、炭材が直接還元炉又は高炉において酸化鉄の還元に寄与する。このことより、炭材含有量を高めた含炭塊成鉱の検討が進められてきた。

ところが、炭材を含有させた含炭塊成鉱は、成型後の強度が低下する。そこで、炭材の含有量を１０〜３０％に制限すると共に、強度を確保するためのバインダー及び、強度を確保するための鉱石、コークスの粒度構成の検討がされてきた。
酸化鉄及び炭材は、混合後、バインダーと水を添加し、ペレタイザーまたは、ダブルロール式成型機等により成型される。成型後の含炭塊成鉱は、直接還元炉又は、高炉に輸送し、鉱石槽に入れ、槽から切り出し、炉に装入するという一連のハンドリングがあり、ハンドリングに耐える必要がある。そのため、含炭塊成鉱は養生又は乾燥して、冷間強度を確保する。更に、高炉に使用される含炭塊成鉱は、高炉内の高温雰囲気に耐える高温強度も必要である。

一方、成型直後の成型物も、養生ヤードへの輸送とその後のハンドリングに耐えるために、一定の生強度が必要である。
以上より、含炭塊成鉱には、一定の生強度及び冷間強度が必要であり、高炉に用いる場合には、更に、一定の熱間強度が必要と成る。
本発明は、含炭塊成鉱の生強度、冷間強度又は熱間強度のうち、特に、生強度に関するものである。

含炭塊成鉱において、バインダーとして蛋白質を２〜１３質量％含有する澱粉を用い、塊成物の水分が、６質量％以上残留するように乾燥することで落下強度の優れた回転炉床炉用の塊成物を製造することができるとする発明の記載がある（特許文献１）。

乾燥したグリーンボールの圧潰強度・変形率・落下強度は、粘土系バインダーであるベントナイトの添加量が増すほど大きくなる旨の記載がある（非特許文献１）。

原料の粒度構成をロジンラムラーで表現し、ロジンラムラー式の均等数n（粒度の幅）が一定数以下では粗粒を配合した造粒が可能である。粒度特性数Deが大きい場合（粗粒の場合）は、均等数nを小さく選ぶことで、粗粒配合の造粒が広範囲で可能である。すなわち、粗粒でも粒度幅を大きくすることで、生強度の高い造粒が可能である旨の記載がある（非特許文献２）。

ペレットの生強度は、原料中の１０μｍ以下の分布率と強い相関関係があり、１０μｍ以下の微粒子を所定量確保すれば全体を細粒とする必要がない旨の記載がある（非特許文献３）。

特開２０１２−０４６７９９号公報

小島鴻次郎ら：鉄と鋼,５２（１９６６），２３４狐崎寿夫ら：鉄と鋼,６３（１９７７),Ｓ４７７高橋愛和ら：鉄と鋼,７０(１９８４),３７

特許文献１に記載の発明によれば、バインダとして蛋白質を２〜１３質量％含有する澱粉を用い、塊成物の水分が、６質量％以上残留するように乾燥することで落下強度の優れた塊成物の製造が可能であると考えられる。しかし、当該特許文献では、乾燥機に導入するまでの塊成化後の生強度の記載は無く、又、乾燥機を導入するための高額の設備費が必要であるという問題がある。

非特許文献１の記載によれば、ベントナイト添加量の増加により、乾燥したグリーンボールについての圧潰強度・変形率・落下強度は増すが、生のグリーンボールについての圧潰強度・変形率・落下強度の増加は見られない。

非特許文献２の記載によれば、原料が粗粒でも粒度幅を大きくすることで、生強度の高い造粒が可能であることを示唆している。しかし、細粒原料に積極的に粗粒を配合することにより生強度が高い造粒物を得るという考えには至っていない。

非特許文献３の記載によれば、原料中の１０μｍ以下の微粒子を所定量確保すれば生強度の確保が確保できる。しかし、原料中の１０μｍ以下の微粒子に粗粒をどの程度配合すべきかについての言及はない。

高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造において、成型直後の成型物が、養生ヤードへの輸送とその後のハンドリングに耐えるに必要な生強度の確保が課題である。
本発明の目的は、製造後の生強度が高い高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法を提供することである。

本発明者は、鉄含有原料と炭材含有原料を原料とする高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法において、原料の微粒に一定の粗粒を配合することにより、生強度が高い高炉用非焼成含炭塊成鉱を得ることができることを見出した。

本発明は、この知見に基づいて上記の課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。

（１）鉄含有原料と炭材含有原料と結合剤を原料とする高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法であって、
前記鉄含有原料と前記炭材含有原料を混合した場合に粒径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の割合が１０質量％以上４０質量％以下となるように、使用する原料の粒径を調整する原料準備工程と、
前記原料準備工程で準備された原料と、結合剤とを水分を添加して混合する混合工程と
前記混合された原料を造粒して、塊成鉱を製造する塊成化工程を有する高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法。
（２）前記結合剤が、水硬性バインダーと、澱粉バインダー又は粘土系バインダーの少なくともいずれかであることを特徴とする前記（１）に記載の高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法。
（３）前記粒径を調整された原料に対する外数比率で、前記水硬性バインダーが３質量％以上１０質量％以下であり、かつ、前記澱粉バインダー及び／又は前記粘土系バインダーが０．３質量％以上５質量％以下であることを特徴とする前記（２）に記載の高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法。

成型後の生強度が高い高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法を提供することができる。

本発明に係る高炉用非焼成含炭塊成鉱には、例えば、非焼成含炭ペレット、非焼成含炭ブリケット等がある。
非焼成含炭ペレットとしては、例えば、ディスクペレタイザーにより球状に成型するものがあり、非焼成含炭ブリケットとしては、くぼみの型を備えた相対する一対の成型ロールで成型する左右対称のピロー型ブリケットやアーモンド型ブリケットがあるがこれらに限定されるものではない。

成型直後の成型物は、養生ヤードへの輸送とその後のハンドリングに耐えるために、一定の生強度が必要である。
また、養生後の含炭塊成鉱は、直接還元炉又は、高炉に輸送し、鉱石槽に入れ、槽から切り出し、炉に装入するという一連のハンドリングがあり、ハンドリングに耐える必要がある。そのため、含炭塊成鉱は養生又は乾燥して、冷間強度を確保する。養生又は乾燥後の冷間圧潰強度としては、非焼成含炭ペレット（直径約１０〜１５ｍｍ）では、５０００ｋＮ／ｍ²以上が好ましく、非焼成含炭ブリケット（約２０〜２５ｃｃ）では、１０００Ｎ/サンプル以上が好ましい。

本発明は、鉄含有原料と炭材含有原料の混合原料が、粒径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の割合が１０質量％以上４０質量％以下となるように粒径を調整して、結合剤と水分を添加して混合、造粒することを特徴とする高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法である。
即ち、細粒原料に粗粒原料を配合し、原料の粒度構成を調整することにより含炭塊成鉱の生強度と冷間強度を確保することに特徴がある。

前記鉄含有原料としては、粉鉄鉱石、ペレットフィード及び製鉄所内で回収されるダスト又はスラジなどの鉄酸化物を含む鉄系原料の粉体がある。
前記炭材含有原料としては、粉コークス、粉石炭及びコークスダスト並びに粉コークスを含有する高炉一次灰などの粉状の固形炭材などがある。
炭材含有原料は、原料全質量に対し、１０％以上３０％以下が好ましい。１５％以上がより好ましく、１８％以上が特に好ましい。３０％を超えると、冷間強度の確保が困難となる。

前記炭材含有原料は、高炉用非焼成含炭塊成鉱を高炉で使用する際に、塊成鉱中の酸化鉄を還元し、さらに余剰な炭素のガス化により、高炉内にて、塊成鉱以外の鉄原料（例えば焼結鉱）の還元を促進し、省エネルギー化、低ＣＯ_２化が期待できる。

前記鉄含有原料及び前記炭材含有原料は、一般的に細粒が多い粉体であり、塊成鉱の生強度及び冷間強度の確保が困難である。細粒原料の場合、粒子間の空隙が小さく、粘結剤と水が粒子間に行き渡らず、生強度及び冷間強度の確保が困難になると考えられる。
そこで、本発明者等は、原料の粒度構成を調整することにより、造粒初期の粒子間の空隙を確保することを考えた。それによって、造粒初期に酸化鉄粒子と炭材粒子の間隙にバインダーが短時間に分散し、その結果、その後の造粒後期の緻密化過程で、より強固に結合された構造を有する造粒物となる。このため、圧潰強度を維持することができる。
その結果、鉄含有原料と炭材含有原料の混合原料が、粒径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の割合が１０質量％以上４０質量％以下となるように粒径を調整すると、生強度及び冷間強度の確保が可能であることが分かった。

粘結剤としては、水硬性バインダー、澱粉バインダー又は粘土系バインダーがある。
水硬性バインダーは、原料中に含有する水分や添加水分との水和反応により硬化することにより造粒物の養生後の冷間圧潰強度を高める機能を有するバインダーである。鉄含有原料に炭材含有原料の量を増加していくと、冷間圧潰強度の確保が難しくなる。そこで、微鉄含有原料と炭材含有原料に、前記水硬性バインダーを添加し、水分を加えて混合、造粒することにより、高炉用非焼成含炭塊成鉱の冷間圧潰強度を確保する。

前記水硬性バインダーとしては、高炉水砕スラグを主成分とする微粉末とアルカリ刺激剤からなる時効性バインダーや、ポルトランドセメント、アルミナセメント、高炉セメント等があるが、これらに限定されるものではない。

前記水硬性バインダーの量は、冷間強度の発現状況に合せてて適宜増減されるが、通常、原料全質量に対して、３質量％以上、１０質量％以下であることが好ましい。３質量％未満では、バインダーとしての作用・効果が発揮できず、前記養生後の圧潰強度が期待できない。また、水硬性バインンダーを１０％以上添加することは、工業的なコストの増大、および高炉へのスラグ、結晶水の装入量を増加させることからも好ましくない。また、過剰な水硬性バインダーの導入は、高炉内のシャフト部での温度低下による還元停滞域（低温熱保存帯）を引き起こし、高炉のスラグ量が増加し、必要エネルギーの増加、発生ＣＯ_２量の増加となる面からも好ましくない。

澱粉バインダーとしては、コーンスターチがある。澱粉バインダーは水を加えるとゲル状になり、粒子同士の摩擦力を低下させる。この状態で圧縮成型、あるいは押出し成型することで、粒子同士の再配列を促し、充填密度が密になる。また、水の粘性を増加させる。これらの作用により、澱粉バインダーは造粒物の生強度をも改善する。
澱粉バインダーの添加量は、生強度の発現状況に合せて適宜増減されるが、通常、０．３〜５．０％とすることが望ましい。澱粉バインダーを０．３％未満とすると、強度の向上が小さく、５．０％を超えると強度の向上の効果は飽和する。

粘土系バインダーとしては、ベントナイト、粘土がある。その作用は、上記澱粉バインダーと同様である。ベントナイトの添加量は、生強度の発現状況に合せて適宜増減されるが、通常、０．３〜５．０％とすることが望ましい。ベントナイトが０．３％未満とすると、強度の向上が小さく、５．０％を超えると強度の向上の効果は飽和する。
澱粉バインダー及び粘土系バインダーの上記効果は、原料とこれらバインダーを十分に混練すればすれほど高まる。本願発明における原料中への粗粒混入は、造粒時にこれらバインダーの分散を促進して混練作用を高め、前記粒子再配列をより加速する。つまり、粗粒と前記バンダーは造粒物の強度に相乗効果を及ぼすと言える。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明は、これに限られるものではない。

本願発明の効果を確認する実験を以下の要領で行った。尚、以下の説明では、コーンスターチを用いた例を示したが、コーンスターチに代えてベントナイトを用いても同様の効果が得られている。
ロ−ブリバー鉱石から、粉砕と篩分けにより、その細粒鉱石と粗粒鉱石を作成した。また、焼結用の粉コークスから、粉砕と篩分けにより、細粒粉コークスと粗粒粉コークスを作成した。表１に最初に準備した粉砕・篩分け前のロ−ブリバー鉱石及び粉コークスの粒度分布を示す。表２に粉砕・篩分けにより作成した細粒鉱石及び細粒粉コークスの粒度分布を示す。表３に粉砕・篩分けにより作成した粗粒鉱石及び粗粒粉コークスの粒度分布を示す。

次に、前記細粒鉱石（質量７４％）と前記細粒粉コークス（質量２６％）を混合して、細粒原料を作成し、また、前記粗粒鉱石（質量７４％）と前記粗粒粉コークス（質量２６％）を同様の比率で混合して、粗粒原料を作成した。
最後に、前記細粒原料と前記粗粒原料を表４に示す種々の割合で混合することで、原料中の粗粒比率を０質量％から５０質量％まで変化させた配合原料を作成した。この配合原料について、Blaine Index (BI)を用いて原料空隙比を測定した。
前記配合原料にポートランドセメント５質量％とコーンスターチ０．５質量％及び水分７％（いずれも外数％）を加え、ディスクペレタイザーを用いて径１３ｍｍペレットを作成した。このペレットについては、生の落下強度と２週間養生後の圧潰強度を測定した。

配合原料の原料空隙比は、Blaine Index (BI)を用いて測定を行った。BIは、円形状の筒に試料を充填し、一定量の空気を通過させ、充填層の負圧を測定し、Kozeny-Carmanの式（（１）式）からブレーン値（比表面積）が求める装置である。当該装置により供試料を測定することで、原料重量(g)、及び原料軽充填時の見かけ体積(V₁)が求まり、あらかじめ測定した原料真密度(ρ)を使用して、真体積(V₂)が求まる。そして空隙比は、見かけ体積(V₁)と真体積(V₂)を用い、(２)式にて求めた。

Sw：比表面積＝ブレーン値（cm²/g） A：充填層断面積(cm²)
ΔP：充填層差圧（Pa） ε：充填層空隙比（-）
ρ：粉体密度(g/cm³) k：係数（=5.0）
η：空気粘度（1.82×10^-5Pa・S） L：充填層厚(cm)
Q：通過空気量（cm³） t：空気通過時間

[数２]
空隙比＝Ｖ_２／Ｖ_１・・・（２）

空隙比が大きいと、原料の粒子間の空隙が大きいことから、粘結剤と水が粒子間に行き渡たり、生強度及び冷間強度が向上すると考えられる。
作成したペレットの生落下強度の測定は、成型ペレットを４００ｍｍの高さから３回落下させ、５ｍｍ以上の歩留りで評価した。落下強度の目標値は、ハンドリング性に優れる５ｍｍ以上８９％以上が好ましい。

作成したペレットの養生後冷間圧潰強度の測定は、ＪＩＳＭ８７１８「鉄鉱石ペレット圧潰強度試験方法」に準じて、試料１個に対して、規定の加圧速度で圧縮荷重をかけることにより、破壊した時の荷重値を測定した。

原料の空隙比、並びに、当該原料から作成したペレットの生落下強度及び冷間圧潰強度を表４に示す。

ただし、細粒原料;0-0.5mm, 粗粒原料;0.5mm-2mm

表４で、実験３〜実験６（実施例）は、ペレットの生落下強度が目標の８９％以上である。この時、養生後の冷間強度も所要の１０００Ｎ／ｐを満足した。これに対し、実験１、２及び７（比較例）は、ペレットの生落下強度が目標の８９％以下であった。また、実験７に見られるように、過大な粗粒の配合は生強度および冷間強度とも低下させた。
以上のように、粗粒子配合割合が１０質量％〜４０質量％の場合に生落下強度が目標の８９％以上であることを確認した。

高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造において、成型直後の成型物が、養生ヤードへの輸送とその後のハンドリングに耐えるに必要な生強度の確保が課題である。製造後の生強度が高い高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法を提供することができる。

Claims

鉄含有原料と炭材含有原料と結合剤を原料とする高炉用非焼成塊成鉱の製造方法であって、
前記鉄含有原料と前記炭材含有原料を混合した場合に粒径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の割合が１０質量％以上４０質量％以下となるように、使用する原料の粒径を調整する原料準備工程と、
前記原料準備工程で準備された原料と、結合剤とを水分を添加して混合する混合工程と
前記混合された原料を造粒して、塊成鉱を製造する塊成化工程を有する高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法。
前記結合剤が、水硬性バインダーと、澱粉バインダー又は粘土系バインダーの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法。
前記粒径を調整された原料に対する外数比率で、前記水硬性バインダーが３質量％以上１０質量％以下であり、かつ、前記澱粉バインダー及び／又は粘土系バインダーが０．３質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項２に記載の高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法。