JP2021001379A - 塊鉱石の前処理方法及び高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 塊鉱石の種類によっては、塊鉱石に付着している付着粉を除去することにより、塊鉱石の高温還元性状を改善できる。【解決手段】 塊鉱石の前処理方法は、所定の組成を有する塊鉱石について、高炉に装入する前に、塊鉱石から付着粉を除去する。この塊鉱石は、ＳｉＯ２の含有量が４.５質量％以下であり、Ａｌ２Ｏ３の含有量が３重量％以下であり、かつ、ＳｉＯ２の含有量に対するＡｌ２Ｏ３の含有量の比が０．５以上である。上述した前処理方法によって得られた塊鉱石を高炉に装入して、高炉の操業を行うことができる。【選択図】図２

Description

本発明は、高炉に装入する前の塊鉱石に対して付着粉を除去する前処理を行う方法と、この前処理方法によって得られた塊鉱石を高炉に装入する高炉の操業方法に関する。

特許文献１では、塊状鉱石を含む処理原料（鉄原料）を加熱処理して乾燥し、乾燥した処理原料を炉頂から炉内に装入する前に、篩選別処理によって、処理原料に付着した微粉鉱石を除去している。微粉鉱石を除去することにより、微粉鉱石によって炉内の空隙率が低下することを抑制し、炉内圧力の変動を抑制するようにしている。

特開２００７−０３９７４７号公報

特許文献１では、高炉の上部に形成される処理原料層（鉱石層）の空隙率に着目し、この空隙率の低下を抑制するために、処理原料に付着している微粉鉱石を除去している。本発明者は、塊鉱石の種類によっては、塊鉱石に付着している付着粉を除去することにより、塊鉱石の高温還元性状を改善できることを見い出し、本発明を完成するに至った。高温還元性状とは、鉄原料の軟化が開始される炉下部における還元性状であり、高温還元性状を改善することにより、高炉の操業を改善することができる。

本発明である塊鉱石の前処理方法は、所定の組成を有する塊鉱石について、高炉に装入する前に、塊鉱石から付着粉を除去する。この塊鉱石は、ＳｉＯ_２の含有量が４.５質量％以下であり、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が３重量％以下であり、かつ、ＳｉＯ_２の含有量に対するＡｌ_２Ｏ_３の含有量の比が０．５以上である。

付着粉の除去を行う前の塊鉱石の質量に対して、塊鉱石に残存する付着粉の質量が占める割合が２質量％未満となるまで、付着粉の除去を行うことができる。また、付着粉の除去を行う前に、塊鉱石を乾燥することができる。

本発明である高炉の操業方法は、上述した前処理方法によって得られた塊鉱石を高炉に装入する。

本発明によれば、塊鉱石を炉内に装入する前に、上述した組成を有する塊鉱石から付着粉を除去することにより、炉内における塊鉱石の高温還元性状を改善することができる。

ＦｅＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２の平衡状態図である。 ４種類の塊鉱石について、付着粉量及び高温還元率の関係を示す図である。

本実施形態である塊鉱石の前処理方法では、所定の組成を有する塊鉱石について、塊鉱石を高炉に装入する前に、塊鉱石に付着した付着粉を除去する。また、本実施形態である高炉の操業方法では、上述した前処理方法によって得られた塊鉱石を高炉に装入する。塊鉱石は、焼結鉱やペレットと同様に鉄原料として用いられ、コークスと交互に炉頂から炉内に装入される。また、付着粉とは、直径が３ｍｍ以下の微粉鉱石である。

本実施形態が対象とする塊鉱石は、ＳｉＯ_２の含有量が４．５質量％以下であり、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が３質量％以下であり、かつ、ＳｉＯ_２の含有量に対するＡｌ_２Ｏ_３の含有量の質量比（すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量をＳｉＯ_２の含有量で除算した値、以下、質量比Ａ／Ｓという）が０．５［−］以上である。この組成を満たす塊鉱石としては、例えば、ピルバラブレンド鉱石が挙げられる。この塊鉱石について、付着粉を除去した後に高炉に装入することにより、高温（１１００℃〜１２００℃）での塊鉱石の還元性状を改善することができる。

塊鉱石の高温還元性状は、塊鉱石自体（付着粉を除いたもの）の還元性と、塊鉱石に付着している付着粉の量に依存することが分かった。そして、塊鉱石自体の還元性及び付着粉の量の関係に着目したところ、上述した組成を満たす塊鉱石については、塊鉱石の高温還元性状を改善する上で、付着粉を除去することの意義が大きいことが分かった。以下、上述した塊鉱石の組成の意義について説明する。

塊鉱石自体の還元性は、ＳｉＯ_２の含有量及びＡｌ_２Ｏ_３の含有量に依存する。図１に示すＦｅＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２の平衡状態図において、質量比Ａ／Ｓが０．５未満であるとき、１２００℃において２ＦｅＯ・ＳｉＯ_２系融液が生成される領域がある。２ＦｅＯ・ＳｉＯ_２系融液が低温で生成されると、塊鉱石の軟化収縮によって還元反応が遅延してしまう。一方、質量比Ａ／Ｓが０．５以上であれば、図１に示す平衡状態図において、２ＦｅＯ・ＳｉＯ_２系融液が生成される領域が存在しない。このため、質量比Ａ／Ｓは０．５以上とする必要がある。

また、質量比Ａ／Ｓが０．５以上であっても、ＳｉＯ_２の含有量が増加すると、２ＦｅＯ・ＳｉＯ_２系融液の生成量が増加することにより、塊鉱石が軟化収縮しやすくなり還元反応が遅延しやすくなる。この点を考慮して、本実施形態では、ＳｉＯ_２の含有量を４．５質量％以下とした。ここで、ＳｉＯ_２の含有量は、４．０質量％以下であることが好ましく、３．５質量％以下であることが更に好ましい。ＳｉＯ_２の含有量は、ＪＩＳ Ｍ８２１４の規定に準じて測定することができる。

また、質量比Ａ／Ｓが０．５以上であっても、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が増加すると、２ＦｅＯ・ＳｉＯ２−Ａｌ_２Ｏ_３系融液の生成量が増加することにより、塊鉱石が軟化収縮しやすくなり還元反応が遅延しやすくなる。この点を考慮して、本実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量を３質量％以下とした。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は２．５質量％以下であることが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は、ＪＩＳ Ｍ８８５６の規定に準じて測定することができる。

塊鉱石から付着粉を除去する処理（以下、除去処理という）としては、公知の処理を適宜採用することができる。この除去処理では、少なくとも一部の付着粉を塊鉱石から除去すればよい。除去処理では、例えば、塊鉱石を水洗することにより付着粉を除去したり、塊鉱石に振動を与えることにより付着粉を除去したりすることができる。振動によって付着粉を除去する場合には、加熱処理などにより塊鉱石を事前に乾燥することが好ましい。塊鉱石を乾燥することにより、付着粉を除去しやすくなる。また、高炉に装入される塊鉱石について、加熱処理などにより塊鉱石の水分量が所定量以下となるまで乾燥すれば、塊鉱石を高炉に装入したときに、水分の蒸発熱を低減して炉内温度が低下することを抑制できる。したがって、高炉の安定操業の上では、乾燥処理が行われた塊鉱石を高炉に装入することが好ましい。

塊鉱石から付着粉を除去する操作を定量的に表すために、次の指標を用いる。
除去処理を行う前の塊鉱石の質量（付着粉を含む） Ｗｔ
除去処理で除去される付着粉の質量 Ｗｐｄ
除去処理後の塊鉱石に残留する付着粉の質量 Ｗｐｒ
付着粉の総質量（＝Ｗｐｄ＋Ｗｐｒ） Ｗｐｔ

除去処理を行った後において、塊鉱石に付着したままとなる付着粉の残存割合Ｒｐｒは、２質量％未満であることが好ましい。

ここに、残存割合Ｒｐｒとは、下記（１）式で定義する。
Ｒｐｒ＝１００×（Ｗｐｒ／Ｗｔ） ・・・（１）

ここに、Ｗｐｒ＝Ｗｐｔ−Ｗｐｄであるから、Ｒｐｒは下記（２）式から計測できる。
Ｒｐｒ＝１００×（（Ｗｐｔ−Ｗｐｄ）／Ｗｔ） ・・・（２）

なお、質量Ｗｔの代わりに付着粉を除いた塊鉱石の質量Ｗо（Ｗｔ−Ｗｐｄ、或いは、Ｗｔ−Ｗｐｔ）を用い、残存割合Ｒｐｒ（Ｒｐｒ＝１００×（Ｗｐｒ／Ｗо））を規定することもできる。

塊鉱石から除去する付着粉の質量Ｗｐｄは、除去処理の時間に依存する。すなわち、除去処理時間が長いほど、質量Ｗｐｄが多くなるため、除去処理時間及び質量Ｗｐｄの間には、所定の相関関係が成り立つ。この相関関係を予め求めておけば、除去処理時間を調整することにより、質量Ｗｐｄを調整することができる。そして、質量Ｗｔ，Ｗｐｔを予め測定しておけば、上記（２）式によって、除去処理時間を調整することにより、残存割合Ｒｐｒを調整することができる。このため、残存割合Ｒｐｒが２質量％未満となるまでの除去処理時間を予め決めておき、この時間だけ除去処理を行えば、残存割合Ｒｐｒを２質量％未満とすることができる。

上述した組成を有する塊鉱石については、残存割合Ｒｐｒが低いほど、高温還元性状を改善しやすくなるが、塊鉱石の高温還元率Ｒ_１１００をより高くする上では、残存割合Ｒｐｒを２質量％未満とすることが好ましい。高温還元率Ｒ_１１００は、鉄原料の被還元性の指標となる値であり、１１００℃における鉄原料の還元率である。

４種類の塊鉱石Ａ（ピルバラブレンド）、塊鉱石Ｂ（ローブ）、塊鉱石Ｃ（ゴア）、塊鉱石Ｄ（ヤンディ）について、残存割合Ｒｐｒ及び高温還元率Ｒ_１１００の関係を調べた。各塊鉱石Ａ〜Ｄとしては、篩い分けによって直径が１０〜１５ｍｍの粒度に調整した。下記表１には、各塊鉱石Ａ〜Ｄにおける化学成分及び質量比Ａ／Ｓと総付着粉割合Ｒｐｔとを示す。

ここに、全鉄Ｔ．Ｆｅは、ＪＩＳ Ｍ８２１２の規定に準じて測定し、結晶水ＣＷは、カールフィッシャー法によって測定した。

総付着粉割合Ｒｐｔとは、上述した総付着粉の質量Ｗｐｔを水洗処理で除去された粉の質量と見做し（Ｗｐｔ＝Ｗｐｄ，Ｗｐｒ＝０）、その水洗処理を行う前の塊鉱石の質量Ｗｔに対する、水洗処理で除去された粉の質量の割合（Ｒｐｔ＝１００×（Ｗｐｄ／Ｗｔ））である。

総付着粉割合Ｒｐｔの測定では、まず、水洗処理を行う前に、塊鉱石（付着粉を含む）の質量Ｗｔを測定する。次に、水洗処理を行うことにより、塊鉱石に付着している、すべての付着粉を除去し、除去された付着粉の質量Ｗｐｄ（＝Ｗｐｔ）を測定する。これにより、総付着粉割合Ｒｐｔが求められる。

残存割合Ｒｐｒ及び高温還元率Ｒ_１１００の関係については、残存割合Ｒｐｒを異ならせながら、残存割合Ｒｐｒ毎に高温還元率Ｒ_１１００を測定した。高温還元率Ｒ_１１００は、論文「焼結鉱の軟化溶融性状評価法の開発」（細谷ら，鉄と鋼，Ｖｏｌ．８３（１９９７），９７−１０２）に記載された測定方法に基づいて測定し、その結果から、温度が１１００℃に到達した時点の還元率を高温還元率Ｒ_１１００とした。この論文では焼結鉱を用いているが、焼結鉱の代わりに塊鉱石を用いて、高温還元率Ｒ_１１００を測定することができる。還元率Ｒ_１１００の測定条件は上記論文に記載されたとおりであり、高温還元率Ｒ_１１００の算出方法も公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

各塊鉱石Ａ〜Ｄの残存割合Ｒｐｒを異ならせる処理について、以下に説明する。

まず、乾燥器内に各塊鉱石Ａ〜Ｄを設置し、１１０℃の雰囲気で１日中放置した。この乾燥処理の後、篩目が２．７ｍｍである篩が設置されたロータップ振盪器を用いて各塊鉱石Ａ〜Ｄを振盪させることにより、各塊鉱石Ａ〜Ｄから付着粉を除去した。そして、各塊鉱石Ａ〜Ｄから除去した付着粉について、除去割合Ｒｐｄを測定した。

除去割合Ｒｐｄとは、ロータップ振盪器によって振盪を行う前の塊鉱石の質量（上述した質量Ｗｔに相当する）に対して、振盪によって除去された付着粉の質量Ｗｐｄの割合（Ｒｐｄ＝１００×（Ｗｐｄ／Ｗｔ））である。振盪を行う前の塊鉱石の質量Ｗｔを測定するとともに、振盪によって除去された付着粉の質量Ｗｐｄを測定すれば、除去割合Ｒｐｄが求められる。

上述したように、質量Ｗｐｄ（言い換えれば、除去割合Ｒｐｄ）は、ロータップ振盪器の振盪時間（上述した除去処理時間）に依存するため、振盪時間を調整することにより、質量Ｗｐｄ（除去割合Ｒｐｄ）を調整することができる。除去割合Ｒｐｄを調整すれば、塊鉱石に付着したままとなる付着粉の残存割合Ｒｐｒを調整することができる。残存割合Ｒｐｒは、上記（２）式から分かるように、総付着粉割合Ｒｐｔから除去割合Ｒｐｄを減算した値となる。各塊鉱石Ａ〜Ｄについて、複数の残存割合Ｒｐｒを設定しておき、残存割合Ｒｐｒ毎に、各塊鉱石Ａ〜Ｄの高温還元率Ｒ_１１００を測定することにより、残存割合Ｒｐｒ及び高温還元率Ｒ_１１００の関係が得られる。

図２には、各塊鉱石Ａ〜Ｄについて、残存割合Ｒｐｒ及び高温還元率Ｒ_１１００の関係（実測値）を示す。図２から分かるように、残存割合Ｒｐｒが低下するほど、高温還元率Ｒ_１１００が上昇する。ここで、残存割合Ｒｐｒの低下量に対する高温還元率Ｒ_１１００の上昇量の割合、言い換えれば、図２に示す各近似直線の傾きは、塊鉱石Ａ〜Ｄの種類に応じて異なることが分かった。

図２によれば、塊鉱石Ａについて、残存割合Ｒｐｒの低下量に対する高温還元率Ｒ_１１００の上昇量の割合が最も大きくなった。塊鉱石Ａ〜Ｄのうち、実施形態で説明した組成を満たす塊鉱石は、塊鉱石Ａだけとなる。このことから、塊鉱石の高温還元性状を向上させる上では、塊鉱石Ａについて除去処理を行うことが効果的であることが分かる。

残存割合Ｒｐｒの低下量に対する高温還元率Ｒ_１１００の上昇量の割合だけに着目すると、塊鉱石Ａ，Ｄは同様の挙動を示すが、高温還元率Ｒ_１１００に着目すると、塊鉱石Ａの高温還元率Ｒ_１１００は塊鉱石Ｄの高温還元率Ｒ_１１００よりも高くなるため、高温還元性状については、塊鉱石Ｄよりも塊鉱石Ａのほうが優れていることになる。また、塊鉱石Ａについて、残存割合Ｒｐｒを２質量％未満にすれば、塊鉱石Ａ〜Ｄのなかで、高温還元率Ｒ_１１００が最も高くなる。このことから、塊鉱石Ａから付着粉を除去するときには、残存割合Ｒｐｒを２質量％未満とすることが好ましいことが分かる。

尚、前述の２質量％未満とした塊鉱石Ａの好ましい残存割合Ｒｐｒは、付着粉の除去処理を行う前の塊鉱石Ａの質量Ｗｔに対する、除去処理後の塊鉱石Ａに残留する付着粉の質量Ｗｐｒの比率（上記（１）式）で表記した数値である。付着粉を除いた塊鉱石の質量Ｗо（すなわち、Ｗｔ−Ｗｐｔ）に対して残存割合Ｒｐｒを定義した場合では、塊鉱石Ａの総付着粉割合Ｒｐｔが８．９質量％であるから、残存割合Ｒｐｒは２．２質量％（＝２質量％／（１−（８．９／１００）））未満であることが好ましい。

Claims (4)

1. ＳｉＯ_２の含有量が４.５質量％以下であり、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が３重量％以下であり、かつ、ＳｉＯ_２の含有量に対するＡｌ_２Ｏ_３の含有量の比が０．５以上である塊鉱石について、高炉に装入する前に、前記塊鉱石から付着粉を除去することを特徴とする塊鉱石の前処理方法。
2. 付着粉の除去を行う前の前記塊鉱石の質量に対して、前記塊鉱石に残存する付着粉の質量が占める割合が２質量％未満となるまで、付着粉の除去を行うことを特徴とする請求項１に記載の塊鉱石の前処理方法。
3. 付着粉の除去を行う前に、前記塊鉱石を乾燥することを特徴とする請求項１又は２に記載の塊鉱石の前処理方法。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の前処理方法によって得られた塊鉱石を高炉に装入することを特徴とする高炉の操業方法。