JP2018053355A - 含炭塊成鉱の製造方法及び含炭塊成鉱 - Google Patents

Abstract

【課題】含炭塊成鉱の炭材量及び養生後強度を維持しつつ、水硬性バインダ量を低減することが可能な、新規かつ改良された含炭塊成鉱の製造方法及び含炭塊成鉱を提供する。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、炭材を、粒子径がメジアン径以上の炭材粒子を含む粗粒部と、粒子径がメジアン径未満の炭材粒子を含む細粒部の２区分に分級し、粗粒部、含鉄物質、及び水硬性バインダを含む配合原料を用いて含炭塊成鉱を作製することを特徴とする、含炭塊成鉱の製造方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、含炭塊成鉱の製造方法及び含炭塊成鉱に関する。

高炉においては、炉頂から鉄系原料（酸化鉄を含む原料。主として、焼結鉱）及びコークスを層状に装入し、高炉下部の羽口から熱風を送風する。これにより、高炉内を降下する酸化鉄を加熱するともに、主としてＣＯからなる還元ガスにより還元する。すなわち、銑鉄を製造する。

このような高炉操業において、省エネルギーなどの観点から還元材比を低減する技術について検討が重ねられている。ここで、還元材比は、例えば高炉に導入される全ての還元材の原単位、代表的には、コークスの原単位及び羽口から吹き込まれる微粉炭の原単位の総和として示される。

特許文献１〜３には、このような技術の一例として、含炭塊成鉱が開示されている。含炭塊成鉱は、含鉄物質、炭材、及び水硬性バインダを含む配合原料を水とともに造粒し、その後造粒物を養生することで作製される。養生時に水硬性バインダが水和し、固化する。したがって、水硬性バインダは含炭塊成鉱のバインダとして機能する。すなわち、含炭塊成鉱が高炉への輸送中、あるいは高炉への投入時に粉化すると、高炉内でガスの流動性が低下する可能性がある。粉化した含炭塊成鉱が高炉内で目詰りを起こす可能性があるからである。そこで、水硬性バインダを用いて含炭塊成鉱の強度（具体的には、養生後強度）を維持し、粉化を抑制している。

特開２００８−９５１７７号公報 特開２０１２−２１１３６３号公報 特開２０１４−２５１３５号公報

ところで、このような水硬性バインダは、高炉からスラグとして排出される。このため、スラグ量低減、及び含炭塊成鉱製造コスト削減の観点から、含炭塊成鉱中の水硬性バインダ量を低減することが求められていた。

この点、含炭塊成鉱中の水硬性バインダ量を単に減らしただけでは、含炭塊成鉱の養生後強度が低下してしまうという問題があった。含炭塊成鉱の養生後強度が低下すると、含炭塊成鉱が高炉への移送中、あるいは高炉への投入時に粉化する可能性が高くなってしまう。

一方、含炭塊成鉱中に含まれる炭材の量を減らすと、含炭塊成鉱の養生後強度が高まることが知られている。したがって、含炭塊成鉱中の炭材量を減らすことも考えられるが、この方法では、含炭塊成鉱の本来の目的である還元材比低減という目的を十分に達成することができない。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、含炭塊成鉱の炭材量及び養生後強度を維持しつつ、水硬性バインダ量を低減することが可能な、新規かつ改良された含炭塊成鉱の製造方法及び含炭塊成鉱を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、炭材を、粒子径がメジアン径以上の炭材粒子を含む粗粒部と、粒子径がメジアン径未満の炭材粒子を含む細粒部の２区分に分級し、粗粒部、含鉄物質、及び水硬性バインダを含む配合原料を用いて含炭塊成鉱を作製することを特徴とする、含炭塊成鉱の製造方法が提供される。

ここで、粗粒部は、粒子径が１５０μｍ以下の炭材粒子を４２質量％以下の割合で含んでいてもよい。

また、含鉄物質が、粒子径が４４μｍ以下の粒子を６０質量％以上の割合で含んでいても良い。

本発明の他の観点によれば、含鉄物質、炭材、及び水硬性バインダの水和物を含む含炭塊成鉱であって、炭材は、粒子径が１５０μｍ以下の炭材粒子を４２質量％以下の割合で含むことを特徴とする、含炭塊成鉱が提供される。

以上説明したように本発明によれば、炭材を粗粒部及び細粒部に分級し、粗粒部を用いて含炭塊成鉱を作製する。したがって、含炭塊成鉱中の炭材の表面積、言い換えれば結合強度の弱い炭材／水硬性バインダの水和物の界面の面積を小さくすることができる。したがって、含炭塊成鉱の養生後強度を高めることができる。このため、含炭塊成鉱の養生後強度をある目標値にするために必要な水硬性バインダ量を低減することができる。また、含炭塊成鉱の養生後強度を目標値にするために含炭塊成鉱中の炭材量を低減する必要がない。したがって、含炭塊成鉱の炭材量及び養生後強度を維持しつつ、水硬性バインダ量を低減することができる。

本発明の実施形態に係る含炭塊成鉱の製造方法の処理手順を示すフローチャートである。 各材料の粒子径分布を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．本発明者による検討＞
本発明者は、含炭塊成鉱に含まれる各成分の特性について鋭意検討し、この結果、本実施形態に係る含炭塊成鉱の製造方法に想到した。以下、本発明者による検討内容について説明する。

含炭塊成鉱は、含鉄物質及び炭材の粒子間に水硬性バインダの水和物が充填された構造を有する。したがって、含炭塊成鉱の養生後強度は、水硬性バインダの水和物自体の強度（すなわち、基質強度）、水硬性バインダの水和物／含鉄物質界面の結合力、及び水硬性バインダの水和物／炭材界面の結合力に依存すると考えられる。

ところで、炭材は疎水性を示すことが多い。このため、含鉄物質、炭材、及び水硬性バインダを含む配合原料を水とともに造粒した場合、造粒物中の炭材粒子の表面に存在する水は、含鉄物質粒子の表面に存在する水よりも少ないと考えられる。そして、水硬性バインダの水和反応は、水硬性バインダと水が存在する箇所で起こる。したがって、炭素の表面に形成される水硬性バインダの水和物の量は、含鉄物質の表面に形成される水硬性バインダの水和物の量よりも少ないと考えられる。したがって、水硬性バインダの水和物／炭材界面の結合力は、水硬性バインダの水和物／含鉄物質界面の結合力よりも弱いと考えられる。この理由により、含炭塊成鉱中に含まれる炭材の量を減らすと、含炭塊成鉱の養生後強度が高まると考えられる。

そこで、本発明者は、含炭塊成鉱中の炭材粒子の表面積を低減させることができれば、含炭塊成鉱の養生後強度を高めることができると考えた。そして、本発明者は、含炭塊成鉱中の炭材粒子の表面積を低減させる手段として、予め細粒部を除去した炭材を用いて含炭塊成鉱を作製することに想到した。本発明者は、このような知見に基づいて、本発明を完成させた。

＜２．含炭塊成鉱の製造方法＞
つぎに、図１に基づいて、本実施形態に係る含炭塊成鉱の製造方法について説明する。ステップＳ１０において、炭材を、粒子径がメジアン径以上の炭材粒子を含む粗粒部と、粒子径がメジアン径未満の炭材粒子を含む細粒部の２区分に分級する。

ここで、含炭塊成鉱の原料となる炭材の種類は特に制限されず、従来の含炭塊成鉱に使用される炭材を本実施形態でも好適に使用することができる。例えば、炭材としては、コークス、石炭、無煙炭、コークスダスト（コークスの製造過程で生じるダスト）、石炭チャー等が挙げられる。

炭材を分級する方法も特に制限されず、微細な粉体を分級する方法であれば本実施形態でも好適に使用することができる。炭材を分級する方法としては、例えば、湿式篩、乾式篩、風力分級、液体サイクロン分級等が挙げられる。湿式篩は、液体（例えば水）を用いて炭材を流動させながら篩に掛ける方法である。乾式篩は、このような流体を用いずに炭材を篩に掛ける方法である。乾式篩の例としては、電熱篩、ロータップ式篩等が挙げられる。電熱篩は、炭材を電気エネルギーで熱しながら篩に掛ける方法である。この方法では、炭材を熱して炭材中の水分を除去しながら炭材を分級するので、篩の目詰まりを防止できる。ロータップ式篩では、篩をハンマーによりタップしながら炭材を篩に掛ける。風力分級は、風力を用いて石炭粒子を分級する方法である。この方法では、石炭粒子の比重差により石炭粒子が分級される。液体サイクロン分級は、液体（例えば水）を用いた風力分級である。

粗粒部は、粒子径がメジアン径以上の炭材粒子を含み、細粒部は、粒子径がメジアン径未満の炭材粒子を含む。炭材のメジアン径は、炭材の粒子径分布から算出可能である。炭材の粒子径分布は、例えば、レーザ回折散乱法により測定することができる。例えば炭材を篩に掛けた場合、篩に残る炭材粒子は粗粒部となり、篩から落ちた炭材粒子は細粒部となる。篩の目開きは、分級する前の炭材粒子の最大粒子径よりも小さければ良い。篩の目開きがこの条件を満たす場合、篩には、メジアン径以上の粒子径を有する石炭が必ず残り、細粒部には、メジアン径未満の粒子径を有する炭材粒子が必ず含まれる。また、本実施形態では、粒子径は、いわゆる球相当直径を意味するものとする。また、粗粒部の最大粒子径は特に制限されないが、１ｍｍ未満であってもよい。このときの篩の目開きは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であってもよい。

ここで、粗粒部は、粒子径が１５０μｍ以下（以下、「１５０μｍ以下」を「−１５０μｍ」とも称する）の炭材粒子を４２質量％以下の割合で含むことが好ましい。さらに好ましくは、粗粒部は、−１５０μｍの炭材粒子を３６質量％以下の割合で含む。後述する実施例に示される通り、この条件が満たされる場合に、含炭塊成鉱の養生後強度がより向上する。なお、篩の目開き、風力分級の設定条件等を調整することで、粗粒部の粒子径分布を調整することができる。ここに、分級操作の特性上、用いる篩の篩目が小さいほど、また、時間当たりの処理量が多いほど分級後の篩上（粗粒部）の粒度は大きくなる。

ステップＳ２０において、含鉄物質、粗粒部、及び水硬性バインダを含む配合原料を水と混合し、混練する。このように、本実施形態では、炭材を粗粒部及び細粒部に分級し、粗粒部を用いて含炭塊成鉱を作製する。したがって、含炭塊成鉱中の炭材の表面積、言い換えれば結合強度の弱い炭材／水硬性バインダの水和物の界面の面積を小さくすることができる。したがって、含炭塊成鉱の養生後強度を高めることができる。このため、含炭塊成鉱の養生後強度をある目標値にするために必要な水硬性バインダ量を低減することができる。また、含炭塊成鉱の養生後強度を目標値にするために含炭塊成鉱中の炭材量を低減する必要がない。したがって、含炭塊成鉱の炭材量及び養生後強度を維持しつつ、水硬性バインダ量を低減することができる。

含鉄物質の種類は特に制限されず、従来の含炭塊成鉱に使用される含鉄物質を本実施形態でも好適に使用することができる。このような含鉄物質としては、例えば、鉄鉱石、高炉ダスト、製鉄の過程で生じる含鉄ダスト、スラッジ、スケール等が挙げられる。また、含鉄物質の粒子径は特に制限されず、含炭塊成鉱に求められる特性等に応じて適宜調整すれば良い。例えば、含鉄物質の粒子径は０．１ｍｍ未満であってもよい。

ここで、含鉄物質は、粒子径が４４μｍ以下の粒子を含鉄物質の総質量に対して６０質量％以上の割合で含むことが好ましい。なお、含鉄物質の粒子径分布は、例えば、レーザ回折散乱法により測定することができる。使用予定の含鉄物質の４４μｍ以下の粒子割合が６０質量％未満の場合には、含鉄物質を予めボールミルなどを用いて所望の粒度まで粉砕すればよい。このように含鉄物質の粒子径分布を調整することによって、含炭塊成鉱の還元後強度をさらに改善できる。これは、含炭塊成鉱の還元後強度が還元時に生成する金属鉄および配合原料に含まれる金属鉄の結合状態に依存し、金属鉄が細かく分散しているほど還元後強度が向上することに起因する。

水硬性バインダの種類も特に制限されず、従来の含炭塊成鉱に使用される水硬性バインダを本実施形態でも好適に使用することができる。例えば、水硬性バインダは、ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、アルミナセメント、高炉セメント等であってもよい。水硬性バインダには高炉スラグの粉末が含まれていてもよい。

含鉄物質、粗粒部、及び水硬性バインダを含む配合原料は、水と混合され、混練される。ここで、含鉄物質、粗粒部、水硬性バインダ、及び水の配合比は特に制限されず、含炭塊成鉱に求められる特性等に応じて適宜決定すれば良い。例えば、粗粒部の配合比は、含鉄物質、粗粒部、及び水硬性バインダの総質量に対して５〜３０質量％であってもよい。また、水硬性バインダは、含鉄物質、粗粒部、及び水硬性バインダの総質量に対して５〜１０質量％であってもよい。配合原料の残部（粗粒部及び水硬性バインダ以外の部分）は全て含鉄物質であってもよい。水は配合原料の総質量に対して１０質量％程度であってもよい。

ステップＳ３０において、配合原料の混練物を造粒することで、配合原料の造粒物を作製する。ここで、造粒方法は特に問われず、従来の含炭塊成鉱の造粒に使用される方法であれば本実施形態でも好適に使用される。例えば、造粒物は、パンペレタイザ、ドラムペレタイザ、成型用の凹みを有する１対の成型ロールなどであっても良い。ペレタイザによって作製される造粒物はいわゆるペレットであり、成型ロールによって作製される造粒物は、いわゆるブリケットである。

ステップＳ４０において、造粒物を養生する。これにより、水硬性バインダが水和反応を起こし、固化する。以上の工程により、含炭塊成鉱を作製する。

このように、本実施形態では、細粒部を除いた炭材を用いて含炭塊成鉱を作製するので、含炭塊成鉱中の炭材の表面積を小さくすることができる。したがって、含炭塊成鉱の養生後強度を高めることができる。言い換えれば、含炭塊成鉱の養生後強度をある目標値にするために必要な水硬性バインダ量を低減することができる。また、含炭塊成鉱の養生後強度を目標値にするために含炭塊成鉱中の炭材量を低減する必要がない。したがって、含炭塊成鉱の炭材量及び養生後強度を維持しつつ、水硬性バインダ量を低減することができる。

＜３．含炭塊成鉱の構成＞
上記工程の結果物として得られる含炭塊成鉱は、含鉄物質、炭材（具体的には、上述した粗粒部）、及び水硬性バインダの水和物を含む。炭材は、粒子径が１５０μｍ以下の炭材粒子を４２質量％以下の割合で含むことが好ましい。さらに好ましくは、炭材は、粒子径が１５０μｍ以下の炭材粒子を３６質量％以下の割合で含む。

（実験１）
つぎに、本実施形態の実施例を説明する。実験１では、まず、表１に示す原料を準備した。具体的には、コークス粉をロータップ式ふるい振とう機（回転数３００ｒｐｍ、ハンマー打数１５０ｔｐｍ）により２０分間乾式ふるい分けすることで、粒子径分布の異なる５種類のコークス粉を調製した。コークス粉Ａは篩目開き１０６μｍで篩分けした際の篩下で、コークス粉Ｄはその篩上である。コークス粉Ｂは粒子径調製していないものである。コークス粉Ｃは、コークス粉ＡおよびＤを１：９の質量比で混合したものである。コークス粉Ｅは篩目開き１２５μｍで篩分けした際の篩上である。図２に、各原料の粒子径分布をレーザ回折散乱法により測定したデータを示す。横軸は粒子径、縦軸は積算分布（質量％）を示す

ついで、早強ポルトランドセメント：炭材（コークス粉Ａ〜Ｅのいずれか）：含鉄物質を７：１０：８３の質量比で混合することで、配合原料を作製した。ここで、含鉄物質は、カナダ産鉱石Ａとブラジル産鉱石Ｂを質量比で３：１に混合したものを用いた。

ついで、配合原料に水を８質量％添加した後、混合攪拌機で混練することで、混練物を得た。ついで、この混練物をパンペレタイザで造粒することで、生ペレットを製造した。生ペレットは密閉容器に入れ、５０℃で２日間、養生した。これにより、含炭塊成鉱を作製した。

得られた含炭塊成鉱を、９．５〜１１．２ｍｍ（９．５ｍｍ以上１１．２ｍｍ未満）のの粒子径を有する含炭塊成鉱にふるい分けた。ついで、この範囲内の粒子径を有する含炭塊成鉱を１０個取得し、これらの圧潰強度を測定した。そして、測定値の平均値を養生後強度として採用した。圧潰強度試験方法はＪＩＳ Ｍ８７１８に準拠した。すなわち、含炭塊成鉱１個に規定の加圧盤速度で圧縮荷重をかけ、ペレットが破壊した時点の圧縮荷重の最大値を圧潰強度とした。なお、加圧盤速度は１２ｍｍ／ｍｉｎとした。また、各含炭塊成鉱のＴ．Ｆｅ（全鉄の質量％）を蛍光Ｘ線分析、Ｔ．Ｃ（炭素原子の質量％）を燃焼赤外線吸収法により測定した。表２に含炭塊成鉱の評価結果を示す。

比較例１は、コークス粉Ａ（炭材中の粗粒部を除去）を用いたもので、養生後強度が非常に低くなった。比較例２は、炭材を粒子径調製せずそのまま用いたもので、比較例１より養生後強度が向上しているものの依然として養生後強度が低かった。実施例１では、細粒部を除去しており、かつ、粒子径が−１５０μｍとなる炭材粒子の比率が３６質量％以下であった。したがって、養生後強度が非常に高くなった。実施例２では、実施例１よりも粒子径が−１５０μｍとなる炭材粒子の比率をさらに低下させた。このため、さらに養生後強度が大きくなった。実施例３では、粒子径が−１５０μｍとなる炭材粒子の比率が４２質量％以下であった。実施例３でも、細粒部を除去しているので、比較例１、２に比べて養生後強度が高くなった。しかし、−１５０μｍとなる炭材粒子の比率が３６質量％を超えているので、養生後強度が実施例１、２よりも低下した。

（実験２）
つぎに、実施例１において含炭塊成鉱の還元後強度を向上させるため、含鉄物質の粒度を調整した。含鉄物質の粒度はカナダ産鉱石Ａとブラジル産鉱石Ｂの配合比を変化させることで調整した。粒度分布は、レーザ回折散乱法により測定した。還元後強度測定は、特許文献３に記載の鉱石の荷重軟化試験方法に準じて行い、９００℃における還元後圧潰強度で評価した。圧潰強度は前記と同様の方法で測定した。結果を表３に示す。

実施例１は、カナダ産鉱石Ａとブラジル産鉱石Ｂを３：１の質量比で配合した含鉄物質を用いたもので、前述の（実験１）の実施例１に同じである。実施例１の含鉄物質中の−４４μｍ（４４μｍ以下）となる粒子の比率は概ね２１質量％であった。

実施例４は、カナダ産鉱石Ａとブラジル産鉱石Ｂを１：２の質量比で配合した含鉄物質を用いたもので、含鉄物質中の−４４μｍとなる粒子の比率が概ね５４質量％であった。還元後強度は実施例１の３．９ｄａＮからやや改善し、４．４ｄａＮだった。

実施例５は、カナダ産鉱石Ａとブラジル産鉱石Ｂを１：３の質量比で配合した含鉄物質を用いたもので、含鉄物質中の−４４μｍとなる粒子の比率が概ね６０質量％であった。還元後強度は実施例４の４．４ｄａＮから大幅に改善し、７．９ｄａＮに達した。

実施例６は、含鉄物質としてブラジル産鉱石Ｂのみを用いたもので、実施例５よりも含鉄物質中の−４４μｍとなる粒子の比率をさらに増加させた。このため、さらに還元後強度が向上した。尚、実験２において、含鉄物質の微細化にともなって、養生後強度も改善傾向であった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims (4)

1. 炭材を、粒子径がメジアン径以上の炭材粒子を含む粗粒部と、粒子径がメジアン径未満の炭材粒子を含む細粒部の２区分に分級し、
   前記粗粒部、含鉄物質、及び水硬性バインダを含む配合原料を用いて含炭塊成鉱を作製することを特徴とする、含炭塊成鉱の製造方法。
2. 前記粗粒部は、粒子径が１５０μｍ以下の炭材粒子を４２質量％以下の割合で含むことを特徴とする、請求項１記載の含炭塊成鉱の製造方法。
3. 前記含鉄物質が、粒子径が４４μｍ以下の粒子を６０質量％以上の割合で含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の含炭塊成鉱の製造方法。
4. 含鉄物質、炭材、及び水硬性バインダの水和物を含む含炭塊成鉱であって、
   前記炭材は、粒子径が１５０μｍ以下の炭材粒子を４２質量％以下の割合で含むことを特徴とする、含炭塊成鉱。
   
   

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