JP2018172761A - 焼結鉱の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二段点火焼結法において、オリビン系の難還元性鉱物の生成を抑制し、焼結鉱の被還元性を向上させる焼結鉱の製造方法を提供すること。【解決手段】ドワイトロイド式焼結機を構成するパレットに、含鉄原料、副原料、カーボン系凝結材を混合して造粒した第１の配合原料を供給して下段層１０を形成し、下段層１０の上部から点火し、下方から空気を吸引することにより前記下段層１０の焼結を開始し、点火後の下段層１０上に、含鉄原料、副原料、カーボン系凝結材を混合して造粒した第２の配合原料をさらに供給して上段層２０を形成し、上段層２０に点火し、下方から空気を吸引することにより上段層２０の焼結を開始し、その後も下方から空気を吸引することにより、上段層２０および下段層１０を焼結する二段点火焼結法による焼結鉱の製造方法であって、第１の配合原料に含まれるカーボン系凝結材の粒度を平均粒径３．０ｍｍ以上とする焼結鉱の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、焼結鉱の製造方法に関する。

現在、高炉製銑の主原料は、焼結鉱である。この焼結鉱は、通常、次のように製造される。まず、原料となる鉄鉱石（粉）、返鉱、製鋼ダスト等の含鉄原料、酸化ケイ素等を含むフラックス、ＣａＯを含む石灰等の副原料、燃料であり燃焼熱によって焼結鉱を焼結（凝結）させる凝結材である炭材を所定の割合で混合し、混合物を、造粒して配合原料とする。次に、造粒された配合原料を、ホッパより下方吸引式のドワイトロイド（ＤＬ）式焼結機のパレット上に原料充填層を形成するように載置し、載置した原料充填層に上部（表面層）から原料充填層中の炭材に点火する。そして、パレットを連続的に移動させながらパレットの下方から空気を吸引することにより酸素を供給し、原料充填層中の炭材の燃焼が上部から下部に向けて進行することにより、炭材の燃焼熱により順次焼結させる。得られた焼結部（シンターケーキ）は、所定の粒度に粉砕、篩分け等により整粒して高炉製銑の原料である焼結鉱となる。

このようなＤＬ式焼結機による焼結鉱の製造方法において、原料充填層の形成と点火を二段以上の多段で行う多段点火焼結法が提案されている（特許文献１〜３）。
多段点火焼結法は、配合原料を焼結機の層高方向に順次に積荷して多段の原料充填層を形成するとともに下方から空気を吸引することにより各原料層表面に点火し、各層の焼結反応を多発的に進行させて焼結する方法である。

二段で点火する二段点火焼結法について図１により説明する。
最初に、焼結鉱製造用の配合原料を造粒するために、別系統で、含鉄原料に、副原料、炭材である粉コークス等のカーボン系凝結材を添加し、水分を加え、第１のドラムミキサー１Ａ、第２のドラムミキサー２Ａによりそれぞれ造粒する。
第１のドラムミキサー１Ａにより造粒された第１の配合原料を第１のホッパ１Ｂにより、図示を省略しているが床敷鉱を敷きつめたパレット上に装入し、下段層１０を形成する。
パレット上に形成された下段層１０は、パレットを下流方向５へ移動させることにより、第１の点火器１Ｃ下まで移動し、上部から第１の点火器１Ｃにより燃料のカーボン系凝結材に点火し、図示を省略したパレット下の風箱を用いて、下方から空気を吸引する下方吸引６により、燃焼帯１０Ａが形成され、下段層１０の焼結が開始する。
焼結が開始された下段層１０は、燃焼帯１０Ａが下降しつつ焼結が進行し、さらに、第２の点火器２Ｃ下まで移動し、第２のドラムミキサー２Ａにより造粒された第２の配合原料を、第２のホッパ２Ｂにより点火後の下段層１０上に装入し、上段層２０を形成する。
形成された上段層２０の上部から第２の点火器２Ｃにより燃料のカーボン系凝結材に点火し、下方吸引６により、燃焼帯２０Ａが形成され、上段層２０の焼結を開始する。
その後も下方吸引６を行うことにより下段層１０、上段層２０のそれぞれの燃焼帯１０Ａ、２０Ａが下降して焼結が進行し、燃焼帯１０Ａ、２０Ａがそれぞれの層の最下部まで到達すると、カーボン系凝結材の燃焼による焼結が終了し、焼結部３となる。焼結部３は、カーボン系凝結材の燃焼後も余熱により焼結が進行するが、最終的に焼結が完了した焼結部３は、パレット終端より排鉱される。

特許文献１には、多段点火焼結法は、各層の原料の供給比率を変えることができるため、上段層２０と下段層１０の粒度差から生じる通気性阻害等による焼結歩留の低下をカバーでき、歩留が向上する旨が記載されている。
特許文献２には、多段点火焼結法のうち、二段で点火する二段点火焼結法において、下段層１０における焼結強度が低下するとの問題点を指摘している。このため、下段層１０の焼結鉱の焼結強度を向上させるべく、焼結しようとする製鉄原料中の固定炭素濃度を全層平均で３．３％以下とし、かつ上段層２０の固定炭素濃度を低く、下段層１０の固定炭素濃度を高くすることが記載されている。
特許文献３には、特許文献２とは逆に、二段点火焼結法において、上段層２０の固定炭素濃度をそのままに、下段層１０の固定炭素濃度を上段層２０よりも低くする実施例が記載されている。

特開昭４７−２６３０４号公報 特開昭６２−６０８２９号公報 特開昭６１−２３５５１８号公報

下村 泰人、"総説−焼結過程の解析（第１報）" 富士製鉄技法，Ｖｏｌ．９（１９５９），Ｎｏ．４，ｐ．３８９−４００

二段点火焼結法においては、下段層１０の焼結のために供給される空気は、上段層２０を焼結させたことで酸素分圧が低下したガスとして供給されている。このため、下段層１０ではガス中酸素分圧の不足によりカーボン系凝結材（粉コークス）が不完全燃焼となって温度が低下しやすい。その結果、焼結に必要な熱量が不足しがちなため、特許文献２にも指摘されるように、下段層１０の焼結強度が低下しやすい。

さらに、下段層１０の焼結において酸素不足となると、焼結鉱の被還元性が低下する問題点が明らかとなった。焼結の際に酸素不足となると、鉄が還元され、鉄の酸化状態が三価よりも二価になりやすくなる。鉄の酸化状態が二価となると、副原料の石灰、フラックス、および脈石成分と反応し、二価の酸化鉄を含むＦｅＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系（オリビン系）の難還元性鉱物が形成しやすくなるため、被還元性が低下する。特に、上段層２０のコークス配合比を通常配合される炭材の必要量（上段層および下段層の含鉄原料および副原料合計に対し、３．５質量％から５．５質量％）から下げない場合、上段層２０において吸引空気の酸素がより多く消費されるため、下段層１０に供給されるガスの酸素分圧が低下する。

特許文献２の方法では、固定炭素濃度の全層平均濃度に上限を設け、さらに上段層２０のコークス配合比を低下せしめたが、このために特に上段層２０への供給熱量が低下し、上段層２０での焼結鉱の冷間強度低下を招くため、実施困難であった。
一方、特許文献３に記載されているように、特段の対策を施さずに下段層１０の固定炭素濃度を上段層２０よりも低くすると、二段点火焼結法においては、特許文献２にも指摘されているように、下段層１０での焼結鉱の強度が極端に低下するため好ましくない。

本発明の目的は、ＦｅＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系（オリビン系）の難還元性鉱物の生成を抑制し、焼結鉱の被還元性を向上させる焼結鉱の製造方法を提供することにある。

本発明は、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）ドワイトロイド（ＤＬ）式焼結機を構成するパレットに、
含鉄原料、副原料、カーボン系凝結材を混合して造粒した第１の配合原料を供給して下段層を形成し、
前記下段層の上部から点火し、下方から空気を吸引することにより前記下段層の焼結を開始し、
点火後の前記下段層上に、含鉄原料、副原料、カーボン系凝結材を混合して造粒した第２の配合原料をさらに供給して上段層を形成し、
前記上段層に点火し、下方から空気を吸引することにより前記上段層の焼結を開始し、
その後も下方から空気を吸引することにより、前記上段層および前記下段層を焼結する二段点火焼結法による焼結鉱の製造方法であって、
前記第１の配合原料に含まれる前記カーボン系凝結材の粒度を平均粒径３．０ｍｍ以上
とすることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
（２）さらに、前記第１の配合原料と前記第２の配合原料の総量中、前記含鉄原料と前記副原料の合計に対し、前記第１の配合原料に配合される前記カーボン系凝結材の配合比は３．０質量％以下とすることを特徴とする（１）に記載の焼結鉱の製造方法。
（３）さらに、第１の配合原料は高速撹拌ミキサーおよび／または皿型造粒機で造粒されたことを特徴とする（１）または（２）に記載の焼結鉱の製造方法。

本発明によれば、焼結鉱の強度低下を招くことなく、下段層の焼結が低酸素濃度下である条件においても、焼結鉱の被還元性が向上する。

二段点火焼結法に使用するＤＬ式焼結機の全体概要図。 二段点火焼結法に使用するＤＬ式焼結機において、高速撹拌ミキサーまたは皿型造粒機により第１の配合原料とする態様を示す図。 二段点火焼結法に使用するＤＬ式焼結機において、高速撹拌ミキサーおよび皿型造粒機により第１の配合原料とする態様を示す図。

従来、通常焼結（一段）では、適切な焼結の最高温度を得るためには、粉コークスの適正粒度は３．０ｍｍ以下とされている（非特許文献１）。これは、粒度が小さいほど焼結温度を高くできるためである。しかしながら、本発明においては、下段層１０における粉コークス等のカーボン系凝結材の大きさは、３．０ｍｍ以上の大きさのものを含むメディアン径（メジアン径＝中央値）で平均粒径３．０ｍｍ以上と粗粒化することを特徴とする。

下段層１０におけるカーボン系凝結材を粗粒化すると、燃焼速度が低下し、燃焼に伴う下段層１０へ供給される酸素濃度は一定でも、下段層における燃焼速度低下によってガス中の酸素分圧が低下しにくい。そのため下段層１０でのＣＯ_２／ＣＯが上昇するので、鉄の酸化状態が三価となりやすくなり、二価の酸化状態の鉄の生成の抑制により、ＦｅＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系（オリビン系）の難還元性鉱物の生成を抑制できる。上記方策によって、ＦｅＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系（オリビン系）鉱物の形成が抑制されて、比較的被還元性の良好な酸化鉄（ヘマタイト）を主体とする鉱物が形成されるので、被還元性が改善される。

ここで、カーボン系凝結材とは、燃焼用の炭材であり、粉コークス、無煙炭のいずれか１種以上を意味する。また、平均粒径は、質量基準のメディアン径を採用し、篩を使用した粒度測定（ＪＩＳ Ｚ ８８０１−１、ＪＩＳ Ｚ ８８００−２）により決定する。

本発明における、下段層１０を形成するための第１の配合原料は、鉄鉱石、返鉱、製鋼ダスト等の含鉄原料に、石灰、フラックス等の副原料、粉コークス等のカーボン系凝結材を燃料として添加して造粒したものである。ヘマタイト、マグネタイト等の酸化鉱の他にも、ゲーサイト等の水酸化物を含む鉄鉱石等、どのような鉄鉱石でも使用することができる。一方、上段層２０を形成するための第２の配合原料についても、第１の配合原料と同様の原料を造粒したものを使用する。第１の配合原料と、第２の配合原料は同じ原料であってもよいし、各々種類の異なる鉄鉱石や、副原料等を、各々異なる配合比で造粒したものでもよい。ただし、下段層１０を形成する第１の配合原料中の鉄鉱石は、ヘマタイトやマグネタイトを含むことが好ましく、上段層２０を形成する第２の配合原料中の鉄鉱石はゲーサイトを含むことが好ましい。ヘマタイトやマグネタイトは、ポーラスなゲーサイトに比べれば被還元性が悪い焼結鉱となりやすい。下段層１０は上段層２０に比べて、粉コークス等のカーボン系凝結材の燃焼速度が低いため、ガス中の酸素分圧が低下しにくい。その結果、上記のようなＦｅＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系（オリビン系）の難還元性鉱物の生成を抑制できるので被還元性を向上させやすい。したがって、ヘマタイトやマグネタイトは下段層１０に配置する、第１の配合原料に添加することが好ましい。

また、本発明の下段層１０は、上段層２０と下段層１０の合計厚さを１００％とした際、２０％から８０％の厚さで下段に配置されることが好ましい。

本発明の焼結鉱の製造方法において、下段層１０と上段層２０をそれぞれ形成する、第１の配合原料と第２の配合原料の総量中、含鉄原料と副原料の合計に対し、第１の配合原料に配合されるカーボン系凝結材の配合比は、３．０質量％以下とすることが好ましい。第１の配合原料に配合されるカーボン系凝結材の配合比を３．０質量％以下とすることにより、下段層１０のＯ_２分圧の低下をさらに抑制して、ＦｅＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系（オリビン系）の難還元性鉱物の生成を抑制できるので、被還元性をさらに向上させることができる。また、焼結強度の低下をより抑制でき、生産性も合わせて向上させることができる。なお、第１の配合原料に配合するカーボン系凝結材の配合比の下限は、焼結鉱を凝結させる燃焼燃料として必要な熱量を得るために必要な量を配合すればよく、たとえば２．０質量％以上が好ましく、２．５質量％以上がより好ましい。

一方、第２の配合原料に配合されるカーボン系凝結材の配合比は、下段層１０と上段層２０をそれぞれ形成する、第１の配合原料と第２の配合原料の総量中、含鉄原料と副原料の合計に対し、３．５から５．５質量％とすることが好ましい。カーボン系凝結材の配合比を３．５質量％以上とすることで、より焼結強度を向上させることができる。また、上段層２０に供給される空気は、酸素分圧が大きいので、３．５質量％以上でもＦｅＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系（オリビン系）の難還元性鉱物は生成しにくい。しかしながら、５．５質量％を超えると、ＦｅＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系（オリビン系）の難還元性鉱物が生成しやすくなるので、配合比の上限は５．５質量％以下が好ましい。なお、上段層２０を形成する第２の配合原料に配合されるカーボン系凝結材は、通常通り、最大粒径が３．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、下段層１０を形成するための第１の配合原料は、高速撹拌ミキサーおよび／または皿型造粒機で造粒されたことが好ましい。高速撹拌ミキサーおよび／または皿型造粒機を採用すれば、撹拌力が高いので造粒強度が向上し、下段層１０の通気性が向上する。その結果、さらに生産性が向上する。特に、図３に示したように、高速撹拌ミキサー１Ａ１により造粒した後に、さらに、皿型造粒機１Ａ２で造粒することで、第１の配合原料が造粒されていると生産性がより一層向上する。もちろん、図２に示したように、高速撹拌ミキサー１Ａ１または皿型造粒機１Ａ２のいずれか一方のみで造粒してもよい。高速撹拌ミキサー１Ａ１としては、たとえば、アイリッヒミキサー（商品名）が使用でき、皿型造粒機１Ａ２としては、たとえば、パンペレタイザーが使用できる。

ドワイトロイド（ＤＬ）式焼結機による焼結鉱の製造方法を模擬し、以下の条件のφ３００ｍｍの焼結鍋試験により、本発明の二段点火焼結法の効果を検証した。
１）焼結条件
下段層および上段層はどちらも層高３００ｍｍで装入した。すなわち、３００ｍｍの厚さの層を２層、合計６００ｍｍの厚さで装入した。
二段点火では直径３００ｍｍ層高３００ｍｍの円柱形鍋を２本準備し、それぞれ第１の配合原料（下段層）および第２の配合原料（上段層）を装入しておく。まず第１の配合原料を装入した鍋を下段にセットして、１１００℃１分間点火した。点火終了後、直ちに第２の配合原料を装入した鍋を下段にセットした鍋の上段にセットして、１１００℃１分間点火した。吸引圧は、点火開始から１０００ｍｍＡｑ（９．８ｋＰａ）一定とした。

２）配合原料
原料の配合条件を表１に示す。
ケース１から３は、すべて下段層用の第１の配合原料と、上段層用の第２の配合原料を別系統で造粒した二系統造粒ケースである。カーボン系凝結材としては、粉コークスを使用した。
下段層を形成する第１の配合原料中の粉コークスの粒度は、ケース１において平均粒径（メジアン径）１．１ｍｍ、ケース２、３において平均粒径３．０ｍｍとした。第１の配合原料中（下段層）の粉コークスの配合比はケース１、２において５．０％、ケース３において２．７％とした。ヘマタイトＡ、Ｄの銘柄の違い、ゲーサイトＢ、Ｃの銘柄の違いは産地の違いによる。

試験条件として、配合条件、造粒条件を表２の上段に示す。
３）配合条件
比較例１は、配合を表１に示したケース１とした。すなわち、上段層、および下段層のコークス粒度は、共に通常の粒度である平均粒径１．１ｍｍとした。
発明例１は、配合を表１に示したケース２とした。すなわち、上段層のコークス粒度は通常通り平均粒径１．１ｍｍとし、下段層のコークス粒度は、粗粒とした平均粒径３．０ｍｍとした。
発明例２から４は、配合を表１に示したケース３とした。すなわち、上段層のコークス粒度は通常通り平均粒径１．１ｍｍとし、下段層のコークス粒度は、粗粒とした平均粒径３．０ｍｍとした。

４）造粒条件
第１の配合原料と第２の配合原料を別々に造粒する二系統造粒を行った。
Ｉ）上段層を形成する第２の配合原料は、すべての発明例、比較例で、ドラムミキサーで４分間混合後水分を添加してさらにドラムミキサーで処理することにより造粒した。水分は７．０％とした。
ＩＩ）下段層を形成する第１の配合原料は以下の３通りの方法により造粒した。
比較例１、発明例１、２では、ドラムミキサーで４分間混合後水分を添加してさらにドラムミキサーで処理することにより造粒した。水分は７．８％とした。
発明例３では、図３に示したように、アイリッヒミキサー（商品名）で３０秒間混合後水分を添加してさらにアイリッヒミキサー（商品名）で３０秒間処理した。さらにパンペレタイザーを使用し、５分間処理することにより造粒した。水分は７．８％とした。
発明例４では、図２に示した場合のうち、アイリッヒミキサー（商品名）のみで造粒した。アイリッヒミキサー（商品名）で３０秒間混合後水分を添加してさらにアイリッヒミキサー（商品名）で３０秒間処理することにより造粒した。水分は７．８％とした。
ここで、各々の造粒機の仕様は以下のとおりである。ドラムミキサーの設備仕様は、直径６００ｍｍ回転数２５ｒｐｍである。アイリッヒミキサー（商品名）の設備仕様は、パン直径８００ｍｍに撹拌羽根が１本内臓されており、回転速度は、パンは２０ｒｐｍ撹拌羽根は３００ｒｐｍである。パンペレタイザーの設備仕様は、パン直径８００ｍｍ深さ１５０ｍｍ傾斜角４５°、回転速度２０ｒｐｍである。

５）評価方法
各実施例について、生産性、被還元性、焼結強度の指標として、生産率、被還元性ＲＩ、還元粉化指数ＲＤＩを評価した。
被還元性ＲＩは、粒径１９−２１ｍｍの焼結鉱５００ｇを、９００℃において、還元ガス（ＣＯ［３０体積％］／Ｎ_２［７０体積％］）１５ｌ（１５リットル）にて３時間処理した後の重量変化から算出される脱酸素量を酸化鉄中の酸素量で除して求めた。
還元粉化指数ＲＤＩは、ＪＩＳ Ｍ８７２０（２００９年）に準じて測定した。具体的には、１６．０ｍｍ超過２０ｍｍ以下に篩分けられた５００ｇの成品を、５５０℃のもとで還元ガス（ＣＯ：３０体積％、Ｎ_２：７０体積％）により３０分間還元した。そして、還元後の成品を回転ドラムに充填し、９００回転させた後、２．８３ｍｍ以下の粒度を有する焼結鉱と他の焼結鉱とに篩分けた。そして、２．８３ｍｍ以下の粒度を有する焼結鉱の総質量（５００ｇ）に対する割合を耐還元粉化指数とした。
生産率は、点火開始から排ガス温度がピークに到達するまでに要した時間を焼結時間として、成品量を焼結時間と鍋底面積で割って算出した。

６）試験結果
試験結果を表２の下段に示す。以下に結果を詳述する。
（１）被還元性
比較例１と発明例１を対比すると、二段点火焼結法において、下段層に平均粒径３．０ｍｍ以上の粗粒炭材を使用することによって、還元粉化性をさほど悪化させずに、被還元性が２％以上向上したことがわかる。
また、発明例１と発明例２を対比すると、下段層の粉コークス配合比を３．０質量％以下に低下させるとさらに被還元性が向上したことがわかる。
これは、粉コークスの粗粒化や減配によって、下段層のＯ_２濃度低下を抑制されたためである。
発明例２から４は、造粒方法の比較であるが、被還元性に及ぼす影響は極めて小さかった。
（２）焼結強度
発明例１と発明例２を対比すると、下段層の粉コークス配合比を３．０質量％以下に低下させると還元粉化指数ＲＤＩの低下はさらに抑制されることがわかる。
発明例２から４は、造粒方法の比較であるが、還元粉化指数ＲＤＩに及ぼす影響は極めて小さかった。
（３）焼結生産性
比較例１と発明例１を対比すると、下段層に平均粒径３．０ｍｍ以上の粗粒炭材を使用することによって、生産率が向上したことがわかる。また、発明例１と発明例２を対比すると、下段層の粉コークス配合比を３．０質量％以下に低下させると生産率はさらに向上することがわかる。さらに、発明例１、２と発明例３、４を対比すると、アイリッヒミキサー（商品名）の採用、アイリッヒミキサーおよびパンペレタイザーを併用して造粒すると、造粒が強化され、生産率が１０％程度顕著に向上することがわかる。

本発明によれば、二段点火焼結法において、焼結鉱の被還元性を向上させることができるので、鉄鋼製造における後の製銑工程での還元が容易となり、省エネルギーおよび低コスト化が可能となるという特段の産業上の利用性を有する。

１Ａ…第１のドラムミキサー、１Ａ１…高速撹拌ミキサー、１Ａ２…皿型造粒機、１Ｂ…第１のホッパ、１Ｃ…第１の点火器、１０…下段層、１０Ａ…下段層燃焼帯、２Ａ…第２のドラムミキサー、２Ｂ…第２のホッパ、２Ｃ…第２の点火器、２０…上段層、２０Ａ…上段層燃焼帯、３…焼結部、５…下流方向、６…下方吸引

Claims (3)

1. ドワイトロイド（ＤＬ）式焼結機を構成するパレットに、
   含鉄原料、副原料、カーボン系凝結材を混合して造粒した第１の配合原料を供給して下段層を形成し、
   前記下段層の上部から点火し、下方から空気を吸引することにより前記下段層の焼結を開始し、
   点火後の前記下段層上に、含鉄原料、副原料、カーボン系凝結材を混合して造粒した第２の配合原料をさらに供給して上段層を形成し、
   前記上段層に点火し、下方から空気を吸引することにより前記上段層の焼結を開始し、
   その後も下方から空気を吸引することにより、前記上段層および前記下段層を焼結する二段点火焼結法による焼結鉱の製造方法であって、
   前記第１の配合原料に含まれる前記カーボン系凝結材の粒度を平均粒径３．０ｍｍ以上
   とすることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
2. さらに、前記第１の配合原料と前記第２の配合原料の総量中、前記含鉄原料と前記副原料の合計に対し、前記第１の配合原料に配合される前記カーボン系凝結材の配合比は３．０質量％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の焼結鉱の製造方法。
3. さらに、前記第１の配合原料は高速撹拌ミキサーおよび／または皿型造粒機で造粒されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の焼結鉱の製造方法。

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