JP2021063270A - 焼結原料の事前造粒方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結時に発生するＮＯｘを低位維持するために、振動造粒プロセスを安定的に連続稼働させることが可能な、焼結原料の事前造粒方法を提供する。【解決手段】本発明に係る焼結原料の事前造粒方法では、凝結材と、該凝結材に対して３質量％以上（外数）の生石灰及び／又は消石灰とを、１軸又は複数軸の撹拌羽根を有する混練機１０に装入し、混練機１０に装入する原料の総量に対する水分の割合（内数）を１２質量％以上として混練して混練物を生成した後、複数の圧密媒体を水平円筒容器内に収納した振動造粒機１１に混練物を装入して造粒した振動造粒物を、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒する造粒機１２に装入、もしくは造粒機１２から排出された造粒物に添加する。【選択図】図１

Description

本発明は、焼結原料の事前造粒方法に関する。

鉄鋼製造に用いる焼結鉱は、原料となる鉄鉱石に凝結材及び石灰等を混合して造粒した造粒物を焼結機で焼成することにより製造される。この時、凝結材に含まれる窒素分の一部が窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と記載する。）となって排ガス中に混入する。
ＮＯｘは大気汚染物質であることから、大気へのＮＯｘの排出についてその濃度及び量に規制が設けられており、操業条件の調整などの制約が発生する。ＮＯｘを除去する排ガス処理装置の設置なども行われているが、多大な設備投資が必要となる。

そこで、特許文献１では、炭材（凝結材）表面に石灰系原料由来のＣａを３６質量％以上含有する被覆物（例えば生石灰や消石灰）を被覆することにより炭材燃焼時のＮＯｘを低減する技術が開示されている。

特許文献１記載の技術はＮＯｘ低減に優れた方法であるが、ＮＯｘの更なる低減が求められている。本発明者らは、焼結時に発生するＮＯｘを低減するため様々な検討を行い、例えば特許文献２に記載されているように、凝結材を主とする原料を生石灰及び／又は消石灰と共に、複数の圧密媒体を水平円筒容器内に収納した振動造粒機で造粒して緻密な造粒物を形成し（以下、「振動造粒プロセス」と呼ぶことがある。）、低温での凝結材酸化を抑制することによりＮＯｘの更なる低減が可能であることを見出している。

国際公開第２０１１／１２９３８８号 特開２０１５−２００００７号公報

しかしながら、本発明者らが特許文献２記載の技術を実施している際、設定した水分値から時折大きく外れ、造粒性が著しく悪化する場合があることが判明した。このような現象が発生すると、前記技術を実操業に適用した場合、ある頻度でＮＯｘが上昇してしまうこととなり、環境基準を遵守するため、焼結生産を停止せざるを得なくなる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、焼結時に発生するＮＯｘを低位維持するために、振動造粒プロセスを安定的に連続稼働させることが可能な、焼結原料の事前造粒方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る焼結原料の事前造粒方法では、
凝結材と、該凝結材に対して３質量％以上（外数）の生石灰及び／又は消石灰とを、１軸又は複数軸の撹拌羽根を有する混練機に装入し、前記混練機に装入する原料の総量に対する水分の割合（内数）を１２質量％以上として混練して混練物を生成した後、複数の圧密媒体を水平円筒容器内に収納した振動造粒機に前記混練物を装入して造粒した振動造粒物を、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒する造粒機に装入、もしくは前記造粒機から排出された造粒物に添加することを特徴としている。

凝結材は、焼結機における焼結反応を酸化発熱によって誘起する物質であり、通常炭素分を７割〜１０割含んでいる。

本発明者らは、凝結材を主とする原料を生石灰及び／又は消石灰（以下、「生石灰等」と称す。）と共に振動造粒機で造粒した際、凝結材に対する生石灰等の割合が３質量％以上、且つ凝結材及び生石灰等を有する原料の総量に対する水分の割合（以下、「設定水分」と称す。）が１２質量％以上であると、振動造粒機を構成する水平円筒容器の内周面上部に付着物が付着して造粒性が著しく悪化することを見出した。
そこで、本発明者らは、凝結材に対する生石灰等の割合が３質量％以上、且つ設定水分の割合が１２質量％以上の場合、凝結材と生石灰等を撹拌羽根を有する混練機に装入して事前混練した後、振動造粒機に装入して造粒することとした。凝結材と生石灰等を撹拌羽根を有する混練機に装入して事前混練すると、撹拌羽根のせん断力によって生石灰等及び水分が原料中に均一に分散される。

本発明に係る焼結原料の事前造粒方法では、凝結材に対する生石灰等の割合が３質量％以上、且つ設定水分の割合が１２質量％以上の場合、凝結材と生石灰等を撹拌羽根を有する混練機に装入して事前混練した後、振動造粒機に装入して造粒するので、振動造粒プロセスを安定的に連続稼働させることができる。その結果、ある頻度で起きるＮＯｘ上昇が抑制され、低ＮＯｘ状態を維持することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る焼結原料の事前造粒方法を適用した焼結プラントのフロー図である。 振動造粒プロセスにおける課題を説明するための模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

特許文献２に記載されている知見を有する本発明者らは、凝結材を生石灰等と共に水分の存在下で振動造粒機により振動造粒を行ったところ、次のような課題に直面した。即ち、連続運転中、水分値や生石灰等の割合が設定値から時折大きく外れ、著しく造粒性が悪化するという現象が一定の頻度で発生するという課題である。

上記トラブル時に振動造粒機１１の内部を観察したところ、図２に示すように、水平円筒容器２１の内周面上部に広範囲に亘って、生石灰等を主とする付着物１５が付着していた。その結果、ＮＯｘを抑制するため凝結材を振動造粒している際に、一定頻度でＮＯｘが増加してしまうことになり、環境基準を遵守するため、焼結生産を停止せざるを得なくなる。

振動造粒機１１は、水平円筒容器２１と、水平円筒容器２１内に収納された複数の圧密媒体２２と、水平円筒容器２１の両側部に配置された一対の重錘回転式振動モータ２３とから概略構成されている（図２参照）。圧密媒体２２には円柱状の鋼製ロッドが使用され、一対の重錘回転式振動モータ２３は同方向に同期回転する。

一対の重錘回転式振動モータ２３が例えば右回転すると、水平円筒容器２１が鉛直面内でループを描くように円振動する。これにより、水平円筒容器２１内に収納された各圧密媒体２２が右回転し、水平円筒容器２１と接触することにより全体として左方向に回転する。即ち、各圧密媒体２２は、水平円筒容器２１内を遊星歯車のように自転しながら回転する。この圧密媒体２２の圧密作用により、水との濡れ性が低い凝結材に生石灰等を好適に被覆することができる。
なお、振動造粒機１１の振動が他に伝搬しないようにするため、振動造粒機１１はベース２７上に空気バネ２６を介して防振支持されている。

振動造粒機１１の適正な運転条件下では、水平円筒容器２１の内周面の例えば下部に付着物が付着しても直ちにこそぎ落とされるが、水平円筒容器２１の内周面上部は圧密媒体２２が接触することがないので、付着物１５が形成成長しやすい。

凝結材に生石灰等を加えると、ＮＯｘ抑制効果が出るが、生石灰等の濃度が高くなるほど、振動造粒機１１の内周面上部への付着が顕著になる。ただし、低水分の場合は問題とならない。
凝結材に生石灰等を被覆する場合、凝結材が水との濡れ性が低い（悪い）ため、水分を高めとすることで強制的に濡れさせ、被覆を推進することが可能となる。しかし、水分値が高くなるほど、振動造粒機１１の内周面上部への生石灰等の付着が著しくなる。

凝結材に対する生石灰等の割合（外数）が３質量％以上、且つ設定水分の割合（内数）が１２質量％以上の場合、水との親和性が高い生石灰等が、水平円筒容器２１の濡れた内周面上部に優先的に付着する。内周面上部に付着した生石灰等が原料水分を吸収することにより更に生石灰等が内周面上部に付着して付着物１５の生成が促進されやすい状況となる。このような状況下においては、造粒に寄与する生石灰等及び水分が極端に減少し、上述したような造粒悪化現象が生じる。

そこで、本発明では、凝結材に対する生石灰等の割合（外数）が３質量％以上、且つ設定水分の割合（内数）が１２質量％以上の場合を対象とし、凝結材及び生石灰等を振動造粒機１１に装入する前に、１軸又は複数軸の撹拌羽根を有する混練機１０に凝結材及び生石灰等を装入して事前混練を行う（図１参照）。

振動造粒前に、１軸又は複数軸の撹拌羽根を有する混練機１０で凝結材及び生石灰等の事前混練を行うと、撹拌羽根のせん断力によって生石灰等及び水分を凝結材中に均一に分散させることができる。
高生石灰濃度、高水分条件の非常に粘凋な粉体の場合、転動式の混合機では事前混練の用を成さない。また、振動造粒機１１によって事前混練した場合、本発明の課題が発生するのみであり、課題解決にならない。

撹拌羽根を有する混練機１０による混練処理をしない場合、振動造粒機１１で処理される原料に生石灰等の凝集体が形成され、付着物１５の形成成長が促進される。従って、撹拌羽根を有する混練機１０による混練処理は極めて重要である。

混練機１０の羽根回転数は１５〜８０ｒｐｍ程度、滞留時間は３０秒〜１０分間程度とする。
混練機１０には、凝結材、生石灰等以外に、原料全体の４割以下程度の他の原料（例えば鉄鉱石、製鉄プロセスで発生したダスト等）を含んでもよい。ただし、鉄鉱石が約半分かそれ以上含まれる場合、凝結材を被覆する生石灰等が少なくなるため、ＮＯｘ低減効果が得にくい。

１軸又は複数軸の撹拌羽根を有する混練機１０で事前造粒された凝結材及び生石灰等の混練物は、振動造粒機１１に装入されて振動造粒される。振動造粒機１１によって生成された振動造粒物は、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒するドラムミキサ１２（造粒機の一例）に装入（ドラムミキサ１２の入側、出側のいずれから装入してもよい。）されて造粒された後、もしくはドラムミキサ１２から排出された造粒物に添加された後、焼結機１３に装入される。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒する造粒機はドラムミキサとしているが、パンペレタイザーなど他の造粒機でもよい。

本発明の効果について検証するため実施した凝結材の振動造粒試験について説明する。
（１）試験条件
凝結材には、一般に０．２５ｍｍアンダーの微粉が１５〜５０質量％程度含まれるものが使用される。そのため、本試験では、凝結材（コークス）として０．２５ｍｍアンダーの微粉を２５質量％含むものを使用した。
また、凝結材である粉コークスを１００質量％含有する原料に対し、生石灰（０．５ｍｍアンダーの微粉を３０質量％含むもの）を２〜２０質量％添加し、最終水分が１１〜２５質量％となるように水添加量を調整した後、振動造粒機で造粒した。

上記した凝結材及び生石灰の粒度調整は、事前に各原料を乾燥させた後（絶乾後）、ＪＩＳ Ｚ８８０１−１に記載の公称目開き（凝結材は０．２５ｍｍ、生石灰は０．５ｍｍ）のふるいに対し、６０秒間ロータップシェーカーによる機械ふるい分けを行って（分級して）、ふるい上とふるい下を測定し、以下に示す式で算出した粒径分布割合となるように粒度調整を行った。
粒径分布割合（質量％）＝（ふるい下の質量）／（ふるい上の質量＋ふるい下の質量）×１００
なお、凝結材に添加する水分及び生石灰割合の定義は以下の通りである。
水分［質量％］は、添加水量［ｋｇ］／全凝結材造粒物量［ｋｇ］（水、生石灰などを含む）×１００、生石灰割合［質量％］は、添加生石灰［ｋｇ］／凝結材の量［ｋｇ］×１００である。

凝結材の造粒に当たり、振動造粒機には、内容積６００Ｌ（リットル）の水平円筒容器に直径６０ｍｍの鋼製ロッド（圧密媒体）が３５本収納されたものを使用し、６Ｇ（Ｇは重力加速度）の振動加速度、３ｔｏｎ／ｈの処理量で連続造粒処理を行った。

凝結材の事前混練には、二軸スクリュー羽根が配置された連続式ダウミキサを使用した（羽根回転数１５〜８０ｒｐｍ、滞留時間３０秒〜１０分間）。また、同様の機能を持つと考えられる一軸のピンミキサやレディゲミキサでの事前混練試験も行った（それぞれ羽根回転数１５ｒｐｍ、滞留時間３０秒）。さらに、比較として、直径１ｍの連続式ドラムミキサ（回転数２０ｒｐｍ、処理量３ｔｏｎ／ｈ）、並びに、上述した運転条件下で振動造粒機により事前混練を行った。

（２）試験結果
試験結果の一覧を表１に示す。

全てのケースにおいて、振動造粒機から最初に造粒物が排出されたタイミングから１時間処理を行い、続く２時間の処理中に試験を行った。
試験は、５分置きに造粒物サンプリングを実施し、設定した水分（質量％）と造粒物水分（質量％）の差が３質量％を超えた回数が１回以下であれば合格（○）、２回以上であれば不合格（×）とした。

連続式混練機滞留時間（ｈ）は機内滞留量（ｔｏｎ）÷処理量（ｔｏｎ／ｈ）とした。
上記計算の際、重量は水分込みの重量を用いた。機内滞留量（ｔｏｎ）は以下のように調査した値を用いた。
混練機の定常運転を３０分以上行った後、混練機内への原料投入と運転を同時に停止した。そして、混練機内の原料を残すことなく回収し、その重量を測定した。

参考例１〜３のように、生石灰濃度が３質量％未満もしくは設定水分の割合が１２質量％未満である場合、振動造粒機内で付着トラブルが生じず、成品水分が安定し、造粒性も安定していた。

生石灰濃度が３質量％以上かつ設定水分の割合が１２質量％以上の場合、事前混練を行わなかった比較例１では、振動造粒機内で付着トラブルが生じ、成品水分が著しく低下した。その際、造粒物を観察すると、全く未造粒の状態となっていた。
事前混練に振動造粒機を用いた比較例２では、混練を行っている振動造粒機内で付着トラブルが生じ、成品水分の著しい低下が認められた。一方、混練後の振動造粒機では付着トラブルが生じなかった。
事前混練にドラムミキサを用いた比較例３では、比較例１と同様、振動造粒機内で付着トラブルが生じ、成品水分の著しい低下が認められた。

生石灰濃度が３〜２０質量％かつ設定水分の割合が１２〜２５質量％であっても、実施例１〜８のように、１軸又は複数軸の撹拌羽根を有する混練機を使用し、羽根回転数１５ｒｐｍ以上、滞留時間３０秒以上の条件で事前混練を行った場合、振動造粒機内での付着トラブルは生じず、造粒物水分も安定しており、造粒性も良好に維持できた。
なお、羽根回転数や滞留時間の上限は、撹拌効果をより享受できるため特に制約は無いものと考える。例えば、羽根回転数８０ｒｐｍや滞留時間６００秒であっても好適な結果が得られている。

１０：混練機、１１：振動造粒機、１２：ドラムミキサ（造粒機）、１３：焼結機、１５：付着物、２１：水平円筒容器、２２：圧密媒体、２３：重錘回転式振動モータ、２６：空気バネ、２７：ベース

Claims (1)

1. 凝結材と、該凝結材に対して３質量％以上（外数）の生石灰及び／又は消石灰とを、１軸又は複数軸の撹拌羽根を有する混練機に装入し、前記混練機に装入する原料の総量に対する水分の割合（内数）を１２質量％以上として混練して混練物を生成した後、複数の圧密媒体を水平円筒容器内に収納した振動造粒機に前記混練物を装入して造粒した振動造粒物を、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒する造粒機に装入、もしくは前記造粒機から排出された造粒物に添加することを特徴とする焼結原料の事前造粒方法。

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