JP2020041187A - 焼結鉱の強度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産段階に入る前の試験段階において極めて簡易な方法で焼結鉱の強度を推定する方法を提供する。【解決手段】焼結鉱の強度推定方法であって、複数種の鉄鉱石と副原料を混合したものを圧粉成型させてなるタブレット１０に対しそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片２０を得た後、その試験片２０の強度を測定して求め、熱量に対する試験片２０の強度の関係から焼結鉱の強度を推定する。【選択図】図６

Description

本発明は、生産段階に入る前の試験段階において焼結鉱の強度を推定する方法に関するものである。

通常、焼結鉱の生産は、鉄鉱石や石灰石といった焼結用原料と炭材をミキサー内で水分を添加しながら混合・造粒後、造粒物を焼結機のパレット上に装入して形成された焼結原料層内に存在する炭材に点火して、下向きに空気を吸引することで上層から下層に順次焼結原料を凝結（焼結）するようにして行われる。

そして、焼結鉱を管理する上で冷間強度は実機における操業を安定させるための重要な指標の一つであり、これに基づいて原料の配合を効率的に設計することができる。
冷間強度が低い焼結鉱は、高炉装入時の割れや高炉炉内の降下時に受ける衝撃によって粉化が著しくなり、高炉内の空隙率が低下することによって通気性が悪くなるといった問題がある。

焼結鉱強度の評価方法としては、回転強度試験（ＪＩＳ−Ｍ８７１２）や落下強度試験（ＪＩＳ−Ｍ８７１１）が用いられるが、いずれも製造後の品質評価であるためリアルタイムでの対応を図ることはできない。
これに対して、実機によるテストの前段階で実機を模擬した鍋試験を行って影響を確認することが多いが、鍋試験に多くの原料と時間を必要とすることから多くのパターンについて検証するには数日を要し、また１人で鍋試験をすることは困難である。

また、焼結鉱の強度を推定する方法として様々な方法が開示されている（特許文献１及び２参照）。
特許文献１に記載の発明は、焼成したタブレットの断面を観察して得られる空隙の面積率と固体部内気孔の面積率の和から焼結鉱の強度を推定する方法である。
また、特許文献２に記載の発明は、配合原料のうち粒径１ｍｍ以下の部分を取り出して焼成したタブレットの焼成前後の体積比から焼結鉱の強度を推定する方法である。

特開平５−２９５４５５号公報 特開平５−２９５４５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、焼成したタブレットから断面組織像が撮影できる大きさのものに切断し、さらに断面がダイヤモンド仕上げになるまで研磨する必要があるため非常に手間がかかるといった問題がある。
また、特許文献２に記載の発明においても、焼成したタブレットの体積を水銀法によって測定するものであるので特許文献１と同様に非常に手間がかかる。

そこで、本発明の目的とするところは、生産段階に入る前の試験段階において極めて簡易な方法で焼結鉱の強度を推定する方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、焼結鉱の強度推定方法であって、複数種の鉄鉱石と副原料を混合したものを圧粉成型させてなるタブレット（１０）に対しそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片（２０）を得た後、その試験片（２０）の強度を測定して求め、前記熱量に対する前記試験片（２０）の強度の関係から前記焼結鉱の強度を推定することを特徴とする。

また、本発明は、前記タブレット（１０）に混合される前記複数種の鉄鉱石の配合自体を変えたもの、あるいは、配合は同じでも比率を変えたものに対しそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片（２０）を得ることを特徴とする。

また、本発明は、前記試験片（２０）の強度を、間接引張強度試験によって実施することを特徴とする。

なお、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

本発明の焼結鉱の強度推定方法によれば、複数種の鉄鉱石と副原料を混合したものを圧粉成型したタブレットに対しそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片を得た後、その試験片の強度を測定して求め、熱量に対する試験片の強度の関係から焼結鉱の強度を推定するものであるので、生産段階に入る前の試験段階において、配合毎の焼結鉱の強度を相対的に極めて簡易に評価することができる。
その結果、これに基づいて原料の配合を効率的に設計することができる。

なお、本発明のように、複数種の鉄鉱石と副原料を混合したものを圧粉成型させてなるタブレットに対しそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片を得た後、その試験片の強度を測定して求め、熱量に対する試験片の強度の関係から焼結鉱の強度を推定するようにした点は、上述した特許文献１及び２には全く記載されていない。

本発明の実施形態に係るタブレットを示す斜視図である。 図１のタブレットの製造工程を示す斜視図である。 図２に示すタブレットの製造工程時に混合する原料の配合割合Ａを示す表であり、（ａ）は粉コークスを混合しないもの、（ｂ）は（ａ）に対して粉コークスを混合したものを示す。 図２に示すタブレットの製造工程時に混合する原料の配合割合Ｂを示す表であり、（ａ）は粉コークスを混合しないもの、（ｂ）は（ａ）に対して粉コークスを混合したものを示す。 本発明の実施形態に係る試験片の強度を間接引張強度試験によって測定する工程を示す模式図である。 図３（ａ）及び図４（ａ）の原料の配合割合Ａ，Ｂの場合における、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示すグラフである。 図３（ｂ）及び図４（ｂ）の原料の配合割合Ａ，Ｂの場合における、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示すグラフである。 図３（ａ）及び図３（ｂ）の原料の配合割合Ａの場合における、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示すグラフである。 図４（ａ）及び図４（ｂ）の原料の配合割合Ｂの場合における、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る焼結鉱の強度推定方法（本試験）と鍋試験の時間，要員，原料使用量を比較した表である。

図面を参照して、本発明の実施形態に係る焼結鉱の強度推定方法について説明する。

焼結鉱の強度推定方法は、主に、図１に示すような円柱状のタブレット１０を成形するタブレット成形工程と、タブレット１０を焼結処理することで試験片２０を得る試験片製造工程と、その試験片２０の強度を測定して求める試験片強度測定工程と、熱量に対する試験片２０の強度の関係から焼結鉱の強度を推定する焼結鉱強度推定工程からなる。
ここでは、実機において使用される粉コークスを含まない場合と、粉コークスを含む場合に分けて焼結鉱の強度を推定する方法について説明する。

Ａ．粉コークスを含まない場合

（１）タブレット成形工程
このタブレット成形工程では、複数種の鉄鉱石と副原料、例えば、図３（ａ）に示したような配合割合Ａ（粉コークス無）の場合、４種類の鉄鉱石ＯｒｅＡ，鉄鉱石ＯｒｅＢ，鉄鉱石ＯｒｅＥ，鉄鉱石ＯｒｅＦと副原料を混合したものを圧粉成型する。配合割合は、鉄鉱石ＯｒｅＡを２７．４％，鉄鉱石ＯｒｅＢを２０％，鉄鉱石ＯｒｅＥを１０％，鉄鉱石ＯｒｅＦを２５％，そして副原料を１７．６％とした。副原料としては、石灰石，ドロマイト，珪石などがあり、ここに粉コークスは一切含まれていない。

圧粉成型は、図２に示すように、成形されるタブレット１０と同じ径の円柱状の第一凹部３１が中央部に形成された第一べース部材３０の凹部３１に、対象となる鉄鉱石ＯｒｅＡ，鉄鉱石ＯｒｅＢ，鉄鉱石ＯｒｅＥ，鉄鉱石ＯｒｅＦの粒子と、副原料の粒子を充填した後に、凹部３１にその凹部３１の径３１ａに対応した大きさの径３５ａの棒部材３５を圧入することで圧粉成形される。
このとき圧粉する圧力は１０〜３０ｋＰａで行い、凹部３１の内部で所定の高さが得られる圧力にてプレスを行う。
これにより成形されたタブレット１０の直径は１５ｍｍで高さも１５ｍｍであった。

（２）試験片製造工程
この試験片製造工程では、タブレット成形工程によって成形された複数のタブレット１０に対して、縦型炉を用いてそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片２０を得るものである。
与える熱量については、炉内雰囲気温度と保持時間（タブレット１０の温度が１３００℃に到達してからの保持時間）を変えることで調整した。炉内雰囲気温度は、１４００℃，１４５０℃，１５００℃と三段階の場合とし、保持時間としては、３０秒（Ｓ），６０秒（Ｓ），９０秒（Ｓ），１２０秒（Ｓ）とした。

そして、熱量は、タブレット１０が焼結したときの融液が発生する、１１００℃以上の温度域と時間からなる関数、すなわち、温度（℃）×時間（ｍｉｎ）の関数にて評価した。
ここで、温度（℃）とは、１１００℃以上となる範囲内での温度の平均値（℃）から１１００（℃）を減算した値（温度の平均値−１１００）（℃））を示すものであり、また、時間（ｍｉｎ）とは、１１００℃以上の時間を示す。

（３）試験片強度測定工程
この試験片強度測定工程では、試験片製造工程で得られた試験片２０の一つ一つについて強度を測定する。
測定は、図５に示すように、試験片２０の強度を間接引張強度試験によって測定するものであり、円柱状の試験片２０の側面部（外周面部）が上方になるように配置して上部から径方向に圧力をかけて、試験片２０に亀裂が生じた瞬間の圧力を計測する。

そして、計測した圧力を、試験片２０の断面積で除したものを間接引張強度（ＭＰａ）として評価した。

（４）焼結鉱強度推定工程
この焼結鉱強度推定工程では、試験片製造工程で評価した熱量と、試験片強度測定工程で評価した試験片２０の強度の関係から焼結鉱の強度を推定する。
ここでは、図６に示したように、図３（ａ）に示した配合割合Ａ（粉コークス無）の場合における、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示すグラフ（線形Ａ）と、配合割合Ａ（粉コークス無）とは異なる配合割合、例えば、図４（ａ）に示した配合割合Ｂ（粉コークス無）の場合における、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示すグラフ（線形Ｂ）から焼結鉱の強度を推定する。

なお、配合割合Ｂ（粉コークス無）の場合は、４種類の鉄鉱石ＯｒｅＡ，鉄鉱石ＯｒｅＢ，鉄鉱石ＯｒｅＣ，鉄鉱石ＯｒｅＤと副原料を混合したもの（配合割合は、鉄鉱石ＯｒｅＡを３５．２％，鉄鉱石ＯｒｅＢを２５％，鉄鉱石ＯｒｅＣを１０％，鉄鉱石ＯｒｅＤを１０％，そして副原料を１９．８％とした。副原料としては、石灰石，ドロマイト，珪石などがあり、ここに粉コークスは一切含まれていない。）を圧粉成型してタブレット１０とし、その後、配合割合Ａ（粉コークス無）と同様に、試験片製造工程で得られた試験片２０の強度を試験片強度測定工程で測定したものである。

これによれば、配合割合Ａの線形と配合割合Ｂの線形を比較した場合、実機における通常の熱量は、５００（℃×ｍｉｎ）よりもかなり大きいので、配合割合Ａの方が配合割合Ｂよりも間接引張強度（ＭＰａ）が高いことがわかる。
さらに、配合割合Ａの場合と、配合割合Ｂの場合では、鉄鉱石ＯｒｅＡと鉄鉱石ＯｒｅＢが配合されている点では共通しているものの、配合割合Ａの場合では、鉄鉱石ＯｒｅＥと鉄鉱石ＯｒｅＦが配合されている点が、配合割合Ｂの場合のように、鉄鉱石ＯｒｅＣと鉄鉱石ＯｒｅＤが配合されている点と異なるため、配合割合Ａの場合のように、鉄鉱石ＯｒｅＥと鉄鉱石ＯｒｅＦが配合されている方が、配合割合Ｂの場合のように、鉄鉱石ＯｒｅＣと鉄鉱石ＯｒｅＤが配合されているものよりも強度が高いものと推定することができる。

以上のように、本発明の実施形態の焼結鉱の強度推定方法によれば、生産段階に入る前の試験段階において、配合毎の焼結鉱の強度を相対的に極めて簡易に評価することができ、これに基づいて原料の配合を効率的に設計することができる。

Ｂ．粉コークスを含む場合

ここでは、配合割合として、図３（ｂ）及び図４（ｂ）で示すように、粉コークスを含むようにしたものである。粉コークスを含むようにしたのは、実機においても粉コークスを含むため、より一層、実機に近い状態にするためである。
図３（ａ）及び図４（ａ）で示したものと比較して、図３（ｂ）及び図４（ｂ）で示したものでは粉コークスを多く含むことになるので、鉄鉱石と副原料の合計を１００％として、粉コークスはその合計に対して外掛けで、４．０％（図３（ｂ）），３．８％（図４（ｂ））配合した。
粉コークスについては、タブレット成形工程で混合するものであり、その後に試験片製造工程，試験片強度測定工程，焼結鉱強度推定工程をこの順で行うことは同様である。

特に焼結鉱強度推定工程では、図７に示したように、図３（ｂ）に示した配合割合Ａ（粉コークス有）の場合における、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示すグラフ（線形Ａ）と、図４（ｂ）に示した配合割合Ｂ（粉コークス有）の場合における、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示すグラフ（線形Ｂ）から焼結鉱の強度を推定するものであり、より実機での状況に近いものとなる。

ここで、図８に、配合割合Ａの場合において、図３（ａ）のように粉コークスを含まない場合と、図３（ｂ）のように粉コークスを含む場合で、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示し、図９に、配合割合Ｂの場合において、図４（ａ）のように粉コークスを含まない場合と、図４（ｂ）のように粉コークスを含む場合で、熱量に対する試験片２０の強度の関係を示した。

これによると、配合割合Ａと配合割合Ｂのいずれの場合でも、熱量が高くなると、粉コークスを含まない線形の方が、粉コークスを含む線形よりも間接引張強度は高いものであったが、実機を模擬した鍋試験の結果（図８では白三角で示し、図９では黒三角で示した）は、いずれも粉コークスを含む線形に沿うものであり、粉コークスを含むものの方がより一層実機に近い状態であることが確認された。
なお、この鍋試験では、直径３００ｍｍで高さが８００ｍｍの鍋を使用して鍋下圧力を一定の条件として行った。そして、得られた焼結鉱の高さ方向を２分割し、上部の方から２５個の試料をランダムに取り出して測定した強度を平均したものと、下部の方から２５個の試料をランダムに取り出して測定した強度を平均したものをさらに平均したものである。

これによれば、配合割合Ａの線形と配合割合Ｂの線形を比較した場合、実機における通常の熱量は、５００（℃×ｍｉｎ）よりもかなり大きいので、配合割合Ａの方が配合割合Ｂよりも間接引張強度（ＭＰａ）が高いことがわかることに加えて、粉コークスを含むものは、一層実機に近い状態であるので、間接引張強度（ＭＰａ）の絶対値についても推定することができる。
よって、生産段階に入る前の試験段階において、配合毎の焼結鉱の強度自体を極めて簡易に評価することができるので、これに基づいてより一層実機に沿った原料の配合を効率的に設計することができる。

このときの焼結鉱の強度推定方法（本試験）と鍋試験の時間，要員，原料使用量を比較したものを、図１０に示す。
本試験の場合、要員１人で準備に３時間，試験に１時間，原料使用量は約１０ｇであったのに対して、これを鍋試験した場合には、要員３人で準備に２日，試験に２日，原料使用量は約１００ｋｇであり、本試験による評価方法は極めて簡易で低コストである。

なお、本実施形態では、タブレットに混合される複数種の鉄鉱石の配合自体を、配合割合Ａ，配合割合Ｂといったように鉄鉱石の銘柄を変えたものを組合せたものを示して説明したが、配合する鉄鉱石の銘柄は同じものとし、それらの比率を変えたものに対してそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片を得た後、試験片の強度を測定し、それらから焼結鉱の強度を推定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、試験片強度測定工程において試験片の強度を、間接引張強度試験によって測定するようにしたが、その他の試験であってもよい。

１０ タブレット
２０ 試験片
３０ ベース部材
３１ 凹部
３１ａ 凹部の径
３５ 棒部材
３５ａ 棒部材の径

Claims (3)

1. 焼結鉱の強度推定方法であって、
   複数種の鉄鉱石と副原料を混合したものを圧粉成型させてなるタブレットに対しそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片を得た後、その試験片の強度を測定して求め、前記熱量に対する前記試験片の強度の関係から前記焼結鉱の強度を推定することを特徴とする焼結鉱の強度推定方法。
2. 前記タブレットに混合される前記複数種の鉄鉱石の配合自体を変えたもの、あるいは、配合は同じでも比率を変えたものに対しそれぞれ異なる熱量を与えて焼結処理して試験片を得ることを特徴とする請求項１に記載の焼結鉱の強度推定方法。
3. 前記試験片の強度を、間接引張強度試験によって実施することを特徴とする請求項１又は２に記載の焼結鉱の強度推定方法。