JP2017088946A - 焼結ペレットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結ペレットの製造方法であって二重殻構造のペレットの生成を抑止することが可能な方法を提供する。
【解決手段】提供される方法は、２７３０ｃｍ^２／ｇ以上３２２０ｃｍ^２／ｇ以下のブレーン指数をもつヘマタイト鉱石とその他の添加物とを混合して造粒することにより重量比にして０．５％以下の内装石炭の含有率をもつペレット粒を生成するペレット粒生成工程と、生成された前記ペレット粒を乾燥室４１、離水室４２および予熱室４３を有するトラベリンググレートと当該トラベリンググレートに繋がるロータリキルン５０とを含むグレートキルン炉Ｘ２によって焼成するペレット焼成工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鉱石を含むペレット粒を焼成することにより焼結ペレットを製造するための方法に関するものである。

従来、鉄鉱石を含むペレット粒を造粒してこれを焼成することにより、高炉や還元炉等の原料として投入される焼結ペレットを製造することが行われている。ここで、前記ペレット粒には、一般に熱源として石炭が内装される。

特開２００５−６０７６２号公報

本発明者らは、種々の条件での造粒及び焼成により製造された焼結ペレットの性状を調べた結果、表面のみが焼結して内側部分の焼成が不足することでいわば二重殻構造を有するに至ったペレットが製造される場合が存在することを確認した。このようなペレットは、焼結された外殻部分とその内側の焼結不足部分との間に界面が存在するため構造的に不安定であり、特に当該界面での応力集中のために、高い圧潰強度を有することは難しい。このようなペレットが後段の設備（例えば高炉やその他の還元炉）に投入されると、当該ペレットが圧潰して粉体を発生させ、これにより当該設備の還元ガスの通気性が損なわれ良好な運転を阻害するおそれがある。

本発明は、鉄鉱石を含む焼結ペレットの製造方法であって、前記のような二重殻構造をもつペレットの生成を有効に抑止することが可能なものを、提供することを目的とする。

本発明者らは、前記目的を達成すべく、前記二重殻構造をもつペレットが生成される要因について精査した結果、少なくとも次の条件を満たす場合に前記二重殻構造が高い確率で発生することを確認した。

（ａ）当該鉄鉱石の比表面積が小さいこと。具体的にはブレーン指数が２７３０ｃｍ^２／ｇ以上であること。ここでブレーン指数とは、粒子の比表面積を表す指標であって、ＪＩＳ Ｒ ５２０１で規定されるブレーン（ｂｌａｉｎｅ）空気透過試験により測定された値、具体的には、対象となる粉末圧縮体中を空気が通過する際に生じる抵抗の測定値、に相当する。

（ｂ）ペレット粒に内装される石炭の含有率が高いこと。

このような条件を満たす場合、次のメカニズムで二重殻構造が生ずるものと考えられる。

１ 内装石炭の含有率が高いペレットを加熱すると当該ペレット粒のうちの表面部分の石炭が急速に燃焼し、これにより当該表面部分の焼結反応が内側部分よりも先行して急激に進行する。

２ さらに、鉄鉱石の比表面積が小さいとその気孔も小さいため、前記表面部分の気孔が前記焼結によって早期に塞がってしまう。

３ 図２に模式的に示すように、前記のように先行焼結して気孔が塞がれたペレット１００の表面部分１１０は、その内側の部分１２０に酸素が進入することを阻み、これにより当該内側部分１２０の焼成不足を引き起こす。

４ さらに、前記鉄鉱石がヘマタイト鉱石である場合、前記内側部分での石炭の不完全燃焼により発生した一酸化炭素は、当該内側部分のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）の一部をマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）に還元する。この還元は吸熱反応であるため、前記内側部分の焼成不足を助長する。

このようにして、先行焼結した表面部分（外殻部分）１１０と、焼成が不足した内側部分１２０と、の間に界面１３０が生じてしまうものと考えられる。また前記メカニズムにより、このような二重殻構造ペレットは、表面部より中心部にマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）からなる層が多い特徴を有することとなる。

従って、前記条件（ａ）及び（ｂ）のいずれかを回避するようなペレットの焼結を行えば、前記二重殻構造のペレットの生成を防ぐことができるが、鉄鉱石の比表面積に関する条件（ａ）の回避は、原料である鉄鉱石の選択に著しい制約を与えることになり、好ましくない。そこで、条件（ｂ）を回避すること、つまり内装石炭の含有率を低く抑えること、が考えられるが、当該石炭はペレット粒の内部燃焼によってその焼成を促進するために内装されるものであるため、当該内装石炭の含有率の抑制によりペレット全体の焼成不足が生じることが懸念される。特に、前記鉄鉱石がヘマタイト鉱石である場合、マグネタイト鉱石のようにそれ自身の酸化反応によって発熱することがないので、前記ペレット粒には多くの石炭を内装することがこれまで行われてきた。

しかしながら、本発明者らは、当該ペレット粒をトラベリンググレートとロータリキルンとを併有するグレートキルン炉に投入することにより、前記内装石炭を抑えながら十分な焼成を行うことか可能であることに想到した。具体的に、本発明者らは、焼結されるペレット粒の内装石炭の含有率を重量比にして０．５％以下に抑えることと、当該ペレット粒の焼成手段としてグレートキルン炉を用いることと、の組み合わせにより、ブレーン指数が２７３０ｃｍ^２／ｇ以上であるような比表面積の大きいヘマタイト鉱石を原材料として用いながらも、二重殻構造をもたない良好な焼結ペレットが製造可能であることを見出した。

本発明は、このような観点からなされたものである。すなわち、本発明により提供されるのは、鉄鉱石を含む焼結ペレットを製造するための方法であって、２７３０ｃｍ^２／ｇ以上３２２０ｃｍ^２／ｇ以下のブレーン指数をもつヘマタイト鉱石とその他の添加物とを混合して造粒することにより重量比にして０．５％以下の内装石炭の含有率をもつペレット粒を生成するペレット粒生成工程と、生成された前記ペレット粒を乾燥室、離水室、および予熱室を有するトラベリンググレートと当該トラベリンググレートに繋がるロータリキルンとを含むグレートキルン炉によって焼成するペレット焼成工程と、を含む。

以上のように、本発明によれば、鉄鉱石を含む焼結ペレットの製造方法であって、二重殻構造をもつペレットの生成を有効に抑止することが可能なものが、提供される。

本発明の実施の形態に係る焼結ペレットの製造のための装置を示す図である。 二重殻構造をもつペレットの断面を模式的に示した図である。 前記装置におけるロータリキルンの内部構造を示す断面図である。 比較例であるストレートグレート方式での焼成を示す図である。 実施例に係るペレット粒の石炭配合比と当該ペレット粒から生成された焼結ペレットの圧潰強度との関係を示すグラフである。 実施例に係るペレット粒の石炭配合比と当該ペレット粒から生成された焼結ペレットの残留ＦｅＯとの関係を示すグラフである。 焼成温度１３２０°Ｃで加熱されることにより生成された焼結ペレットの断面を示す写真である。 焼成温度１３２０°Ｃで焼成されたペレットの各半径方向位置における比Ｏ／Ｆｅを示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る焼結ペレットの製造方法を実施するための装置の一例を示す。この装置は、ペレット粒を生成するペレット粒生成工程を実施するためのペレット粒生成部Ｘ１と、生成されたペレット粒を焼成するペレット焼成工程を実施するためのグレートキルン炉Ｘ２と、を備える。前記ペレット粒生成部Ｘ１は、副原料ホッパ２０と、鉄鉱石ホッパ１０と、ペレタイザ３０と、を含み、前記グレートキルン炉Ｘ２は、加熱装置であるトラベリンググレート４０と、ロータリキルン５０と、キルンバーナー６０と、クーラー７０と、を含む。

以下、この装置を用いて行われる焼結ペレットの製造のための方法について、詳述する。この方法は、前記のペレット粒生成工程及びペレット焼成工程を含む。

（１）ペレット粒生成工程
この工程では、ヘマタイト鉱石からなる鉄鉱石とその他の添加物である副原料とが混合され、造粒されることにより、焼成前のペレット粒が生成される。具体的に、前記装置では、鉄鉱石ホッパ１０および副原料ホッパ２０からそれぞれ前記鉄鉱石及び前記副原料がペレタイザ３０に投入され、当該ペレタイザ３０は前記鉄鉱石及び前記副原料を混合してペレット粒を生成する。

前記鉄鉱石ホッパ１０は、前記鉄鉱石を貯留するとともに、当該鉄鉱石ホッパ１０の底から前記ペレタイザ３０に当該鉄鉱石を投入する。同様に、前記副原料ホッパ２０は、焼結ペレットの原料の一部である副原料を貯留するとともに、当該副原料ホッパ２０の底から副原料を流出させる。この副原料には、ベントナイト、石灰石等が含まれ、場合により内装用の石炭が含まれる。

前記ペレタイザ３０は、前記両ホッパ１０，２０から投ぜられる鉄鉱石と副原料とを混合して造粒することにより、焼成前のペレット粒を生成する。このペレット粒は、例えば、図略のシードスクリーンによってスクリーニングされ、所定の外径以下の外径を有するペレット粒のみが前記グレートキルン炉に投入される。

このペレット粒生成工程において、前記内装石炭の配合比は重要である。前記鉄鉱石として、ブレーン指数が２７３０ｃｍ^２／ｇ以上の細かいヘマタイト鉱石が用いられる場合であっても、前記石炭の含有量を０．５％以下（０％も含む）に抑えることにより、後のペレット焼成工程において二重殻構造のペレットが生成されることが防がれる。しかも、このように石炭の含有量を低く抑えているにもかかわらず、前記グレートキルン炉Ｘ２の使用によって、焼成不足のペレットを残すことなく全ペレットを均一にかつ良好に焼成することが可能である。

（２）ペレット焼成工程
前記ペレット粒生成部Ｘ１で生成されたペレット粒は、グレートキルン炉Ｘ２のトラベリンググレート４０において加熱処理された後、ロータリキルン５０において焼成されることにより焼結ペレットとなり、当該焼結ペレットがクーラー７０において所定の温度まで冷却される。

前記トラベリンググレート４０は、前記ペレット粒を前記ロータリキルン５０に向けて搬送しながらその加熱処理を行うことにより、当該ペレット粒の乾燥と、焼成の前段階における当該ペレット粒の固さの調整と、を行う。当該トラベリンググレート４０は、前記ペレット粒の搬送方向の上流側から順に、乾燥室４１、離水室４２及び予熱室４３を有する。乾燥室４１では、ペレット粒の加熱により当該ペレット粒に含まれる水分が蒸発し、離水室４２は、ペレット粒の加熱により当該ペレット粒中の鉄鉱石に含まれる結晶水が蒸発する。予熱室４３では、ペレット粒の加熱により、後述するロータリキルン５０内のペレット粒の転動による粉体の発生を十分に抑止するように当該ペレット粒の固さを調整すること、つまりペレット粒の予熱、が行われる。

前記ロータリキルン５０は、前記予熱室４３で予熱されたペレット粒を受け入れ、これらを前記キルンバーナー６０から噴射される火炎によって当該ペレット粒１４０を焼成することにより、焼結ペレットを生成する。前記ロータリキルン５０は、前記トラベリンググレート４０の予熱室４３に繋がる流入口５１と、後述するクーラー７０に繋がる流出口５２と、を有しており、流入口５１から流出口５２に向けて下方に傾斜するように配置されている。前記キルンバーナー６０による火炎は前記流出口５２を通じてロータリキルン５０内に導入される。

ロータリキルン５０は、図３に示すような円筒状の内周面５４を有し、その内側にペレット粒１４０を収容しながら回転することにより当該ペレット粒１４０を当該内周面５４上で転動させる。このように転動するペレット粒１４０に対して前記キルンバーナー６０による火炎６２からの輻射熱が万遍なく与えられる。前記内周面５４は耐火物により保護されている。このようにして焼成されたペレットは、クーラー７０で冷却された後、炉外に排出される。

前記のようにペレット粒における内装石炭の含有量を抑えるにあたり、前記グレートキルン炉Ｘ２の使用は重要である。

例えば、前記のようなロータリキルンを含まずにトラベリンググレートのみでペレットの焼成を行う、いわゆるストレートグレート方式の炉では、内装石炭の含有量を抑えることは難しい。すなわち、当該ストレートグレート方式では、模式的に図４に示すように、グレートカーと呼ばれる、ペレット運搬のための金属製の運搬部２００の上に当該運搬部２００の熱保護を目的として既に焼成されたペレット２１０が床敷きされ、その上に生ペレット粒が積まれた状態で、さらにその上を流れるプロセスガスからの熱の供給により各ペレットの焼成が行われるので、前記ペレット粒のうち最上層部分２２０のペレット粒は過度に加熱されやすく、逆に下層部分２３０のペレット粒には熱が伝わりにくく当該不通路の焼成が不十分となるおそれがある。このようないわゆる焼ムラを抑止して焼成が不十分なペレットを残さないためには、各ペレット粒に十分な石炭を内装して当該石炭を内部燃焼させる必要がある。石炭を内装しない場合は、減じた石炭の熱源補償のためにより高温のプロセスガスを流し、下層部分２３０のペレット粒を１３００°Ｃレベルの高温で焼成させる必要があるが、この場合金属製の運搬部２００が熱的に耐えられない。このように加熱温度の著しい制約を受けるストレートグレート方式において焼きムラを抑止して焼成が不十分なペレットを残さないためには、十分な石炭の内装が必須となる。従って、当該ストレートグレート方式ではペレットの二重殻構造を引起しやすい運転をせざるを得ない。

これに対して前記ロータリキルン５０では、図３に示すようにキルン内周面５４上をペレット粒１４０が転動するために、当該ペレット粒１４０には火炎６２からの放射熱が均等に与えられる。従って、各ペレット粒１４０の内装石炭の含有量が小さくても、あるいは内装石炭が含有されていなくても、キルン内周面５４上で当該ペレット粒１４０の確実な焼成が可能である。

つまり、この実施の形態に係る焼結ペレットの製造においては、ペレット粒における石炭の含有量の抑制と、ロータリキルン５０を含むグレートキルン炉Ｘ２の使用と、の組み合わせが、原料である鉄鉱石としてブレーン指数の高いヘマタイト鉱石が用いられるにもかかわらず、二重殻構造をもつペレットの生成を回避することを可能にする。

（Ａ）焼結ペレットの製造実験について
本発明者らは、二重殻構造をもつペレットの生成の可能性がある鉄鉱石の比表面積（粉末度）と、当該二重殻構造をもつペレットの生成を防ぐための石炭の含有量と、の特定を行うために、互いにブレーン指数の異なる複数種のヘマタイト鉱石（試料１〜４）を用いて図１に示される装置により焼結ペレットの製造の実験を行った。当該実験での焼成温度は試料１，２, ４は１３２０°Ｃ、試料３は１２６０℃である。

当該実験の結果を表１に示す。

表１に示されるように、前記実験はブレーン指数が２８６０ｃｍ^２／ｇである試料３をメインに行われ、この試料３については内装石炭の配合比が０，０．５及び１．０（いずれも乾燥重量％）のそれぞれの場合について焼成されたペレットの構造の目視による確認と、圧潰強度及び残留ＦｅＯの測定と、が行われた。ここで言う残留ＦｅＯとはペレットの焼結中にヘマタイトからマグネタイトに還元されかつ最終的に焼結ペレットに残留した当該マグネタイトの含有率を指す。また、試料１，２，４についても特定の内装石炭配合比で同様の実験及び焼成ペレットの確認が行われた。
（Ｂ）考察
（Ｂ−１）試料３について
まず、メインの試料３に着目すると、内装石炭を含まない場合及びその配合比が０．５％の場合のいずれにおいても、焼成されたペレットに二重殻構造は認められない。事実、内側部分の焼成が十分であるためペレット内に残留するＦｅＯの含有率も０．４％、１．０％とそれぞれ低い（図５）。つまり、内装石炭の含有率が低い場合には、二重殻構造の判断の目安となる残留マグネタイトの含有率が少なく、実際の目視でも二重殻構造は確認されていない。このように、二重殻構造が存在しないために、得られる圧潰強度（それぞれ３３５ｋｇ、３０８ｋｇ）も高い（図６）。これに対し、前記配合比が１．０％の場合には、焼成されたペレットに二重殻構造が認められる。事実、前記配合比が１．０％の場合のＦｅＯの含有率は４．２％と非常に高い値となっている（図５）。当該二重殻構造のために、得られる焼結ペレットの圧潰強度も２０９ｋｇと低くなっている（図６）。このような低い圧潰強度をもつ焼結ペレットが例えば高炉や還元炉等に投入されると、当該高炉や還元炉等内での当該焼結ペレットの圧潰によって多量の粉体が炉内に発生してその正常な運転を阻害するおそれがある。

さらに、本発明者らは、前記試料３の前記配合比を１．０％とした場合において、二重殻構造がみられた場合の焼成ペレットの断面観察を行い、表面と中心部のＦｅＯ含有率の関係を調査した。その結果を図７及び図８に示す。

図７は、焼成温度Ｔｂが１３２０°Ｃの場合において、焼結ペレットの断面を撮影した写真である。当該写真から明らかに二重殻構造が確認される。

図８は、図７の焼結ペレットの半径方向の位置（Ｄ／８，Ｄ／４及びＤ／２：Ｄはペレットの直径であり、例えばＤ／８はペレット直径Ｄの１／８の直径をもつ球面上の位置を示す。）における酸化度合いを示す比Ｏ／Ｆｅ（鉄に対する酸素のモル比）の測定結果を示したグラフである。Ｏ／Ｆｅが低いということは焼結ペレット中の酸化鉄が還元されていることを表し、マグネタイト化が進んでいることを示す。図８によれば、半径方向位置Ｄ／８にあるペレット表面部に比べ、半径方向位置Ｄ／４及びＤ／２にあるペレット中心部ではＯ／Ｆｅが低い。このことから、ペレット表面部よりもペレット中心部においてヘマタイトの還元によるマグネタイト化が進んでいることが確認できる。前記還元は吸熱反応であることから、中心部では焼結不足となっていると言える。

以上の結果は、上述した二重殻構造のペレットの生成のメカニズムの妥当性を如実に示していると言える。

（Ｂ−２）試料１，２及び４について
さらに、他の試料１，２及び４について着目すると、試料３よりも低いブレーン指数（２７７０ｃｍ^２／ｇ）をもつ試料２、及び、試料３よりも高いブレーン指数（３２２０ｃｍ^２／ｇ）をもつ試料４、のいずれにおいても、少なくとも内装石炭配合比が０．５％以下の場合には焼結ペレットに二重殻構造が認められず、また十分な圧潰強度が得られている。残留ＦｅＯの比率も小さい。一方、最も低いブレーン指数（２７３０ｃｍ^２／ｇ）をもつ試料１でも、内装石炭配合比が１．０％である場合には二重殻構造が発生し、得られる圧潰強度も低くなっている。

以上の結果から、少なくともブレーン指数が２７３０ｃｍ^２／ｇ以上３２２０ｃｍ^２／ｇのヘマタイト鉱石を用いて焼結ペレットを製造する場合について、焼成されるペレット粒における内装石炭配合比を０．５重量％以下にすることにより、二重殻構造のペレットの生成を回避することができる、という結論を導くことができる。

Ｘ１ ペレット粒生成部
Ｘ２ グレートキルン炉
１０ 鉄鉱石ホッパ
２０ 副原料ホッパ
３０ ペレタイザ
４０ トラベリンググレート
４１ 乾燥室
４２ 離水室
４３ 予熱室
５０ ロータリキルン
６０ キルンバーナー
１００ ペレット
１１０ 表面部分
１２０ 内側部分
１３０ 界面

Claims (1)

1. 鉄鉱石を含むペレット粒を焼成することにより焼結ペレットを製造するための方法であって、
   ２７３０ｃｍ^２／ｇ以上３２２０ｃｍ^２／ｇ以下のブレーン指数をもつヘマタイト鉱石とその他の添加物とを混合して造粒することにより重量比にして０．５％以下の内装石炭の含有率をもつペレット粒を生成するペレット粒生成工程と、
   生成された前記ペレット粒を乾燥室、離水室、および予熱室を有するトラベリンググレートと当該トラベリンググレートに繋がるロータリキルンとを含むグレートキルン炉によって焼成するペレット焼成工程と、を含む、焼結ペレットの製造方法。
   
   
   

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