JP2022157632A - 塊成物製造用の原料粒子、塊成物製造用の原料粒子の製造方法、塊成物、塊成物の製造方法および還元鉄の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来よりも高い還元性を有する塊成物を製造することができる、塊成物製造用の原料粒子を提供する。【解決手段】還元鉄製造の原料となる塊成物を製造するための原料粒子であって、中心部１１と該中心部１１の周囲を覆う外周部１２とを備え、中心部１１は金属鉄含有物質または揮発物質を有し、外周部１２は、酸化鉄を有することを特徴とする。【選択図】図２
Description
本発明は、塊成物製造用の原料粒子、塊成物製造用の原料粒子の製造方法、塊成物、塊成物の製造方法および還元鉄の製造方法に関する。
鉄鋼業においては、長年、高炉法が銑鉄製造工程の主流を担ってきた。高炉法においては、高炉の炉頂から焼結鉱などの酸化鉄を含む原料およびコークスを高炉内に装入し、高炉下部の羽口から熱風を高炉内に吹き込む。これにより、吹き込まれた熱風が高炉内のコークスと反応して高温の還元ガス（主に一酸化炭素（ＣＯ）ガス）が発生し、原料を加熱しながら還元する。その後、原料は溶融してコークスによってさらに還元されながら高炉内を滴下し、最終的には溶銑（銑鉄）として炉床部に貯留する。貯留した溶銑は、出銑口から取り出され、次の製鋼プロセスに供される。このように、高炉法ではコークスなどの炭材を還元材として使用して、原料に含まれる酸化鉄を間接的に還元する。
ところで、近年、地球温暖化防止が叫ばれており、温室効果ガスの１つである二酸化炭素（ＣＯ２）の排出削減が強く要請されている。上述のように、高炉法では還元材として炭材を使用するため、大量のＣＯ２が発生する。そこで、還元材比（溶銑１トンあたりの還元材使用量）を削減した様々な高炉操業方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、原料に含まれる酸化鉄を直接還元する方法として、還元鉄の原料である、鉄鉱石粉の焼成ペレットや焼結体などの塊成物をシャフト炉などの還元炉の炉頂部から装入するとともに、還元剤としてガス（ＣＯガス、Ｈ２ガス）を還元炉の炉下部から導入して還元鉄を製造する方法があり（例えば、特許文献２）、ＭＩＤＲＥＸ（登録商標）（非特許文献１）などが知られている。この方法において、還元ガスとしてＨ２ガスのみを使用する場合、理論上はＣＯ２を排出しない還元鉄の製造が可能である。
厚，上村，坂口："ＭＩＤＲＥＸ(R)プロセス"神戸製鋼技報／Ｖｏｌ．６０ Ｎｏ．１（２０１０）
上記特許文献２または非特許文献１に記載された方法において、ＣＯ２の排出量を抑制するためには、ＣＯガスによる還元反応量を減らして、Ｈ２ガスによる還元反応量を増加させればよく、そのためには、使用する還元ガスのＨ２濃度を高めればよい。
しかしながら、ＣＯガスによる還元反応が発熱反応（＋６７１０ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ（Ｆｅ２Ｏ３））であるのに対して、Ｈ２ガスによる還元反応は吸熱反応（－２２８００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ（Ｆｅ２Ｏ３））である。したがって、還元ガスのＨ２濃度を高めると、吸熱反応が生じて炉内の温度が低下し、還元反応が停滞して還元性が低下する問題がある。
上述のような還元性の低下問題を解決するために、高い還元性を有する塊成物ひいては、こうした塊成物を製造することができる原料粒子が希求されている。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来よりも高い還元性を有する塊成物を製造することができる、塊成物製造用の原料粒子を提供することにある。
上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。
［１］還元鉄製造の原料となる塊成物を製造するための原料粒子であって、
中心部と、該中心部の周囲を覆う外周部とを備え、
前記中心部は金属鉄含有物質または揮発物質を有し、前記外周部は、酸化鉄を有することを特徴とする、塊成物製造用の原料粒子。
中心部と、該中心部の周囲を覆う外周部とを備え、
前記中心部は金属鉄含有物質または揮発物質を有し、前記外周部は、酸化鉄を有することを特徴とする、塊成物製造用の原料粒子。
［２］前記酸化鉄は、少なくとも４質量％超えの結晶水および／または１．５質量％超えのアルミナを含む、前記［１］に記載の塊成物製造用の原料粒子。
［３］前記中心部の粒径が２ｍｍ以上６ｍｍ以下である、前記［１］または［２］に記載の塊成物製造用の原料粒子。
［４］前記外周部の厚みが２ｍｍ以上５ｍｍ以下である、前記［１］～［３］のいずれか一項に記載の塊成物製造用の原料粒子。
［５］前記［１］～［４］のいずれか一項に記載の原料粒子を製造する方法であって、前記酸化鉄を有する原料を粉砕して原料粉とした後、分級して前記原料粉の粒径を調整する前処理工程と、
粒度が調整された前記原料粉と前記金属鉄含有物質または前記揮発物質とバインダーとを混合して造粒し、前記原料粒子を得ることを特徴とする、塊成物製造用の原料粒子の製造方法。
粒度が調整された前記原料粉と前記金属鉄含有物質または前記揮発物質とバインダーとを混合して造粒し、前記原料粒子を得ることを特徴とする、塊成物製造用の原料粒子の製造方法。
［６］前記造粒工程において、粒径が２ｍｍ以上６ｍｍ以下である前記金属鉄含有物質または前記揮発物質を用いる、前記［５］に記載の塊成物製造用の原料粒子の製造方法。
［７］前記造粒工程において、前記外周部の厚みを２ｍｍ以上５ｍｍ以下に調整する、前記［５］または［６］に記載の塊成物製造用の原料粒子の製造方法。
［８］前記［１］～［４］のいずれか一項に記載の原料粒子を焼成または焼結して塊成化された塊成物であって、
塊成化された前記原料粒子は、
焼成または焼結前の前記中心部が前記金属鉄含有物質を有する場合、前記中心部は前記金属鉄含有物質を有する第１部分と、該第１部分の周囲を覆う、前記金属鉄含有物質に含まれる金属鉄が酸化した第２部分とを有する３層構造を有し、
焼成または焼結前の前記中心部が前記揮発物質を有する場合、前記中心部は空隙である中空構造を有することを特徴とする塊成物。
塊成化された前記原料粒子は、
焼成または焼結前の前記中心部が前記金属鉄含有物質を有する場合、前記中心部は前記金属鉄含有物質を有する第１部分と、該第１部分の周囲を覆う、前記金属鉄含有物質に含まれる金属鉄が酸化した第２部分とを有する３層構造を有し、
焼成または焼結前の前記中心部が前記揮発物質を有する場合、前記中心部は空隙である中空構造を有することを特徴とする塊成物。
［９］前記［１］～［４］のいずれか一項に記載の原料粒子、または前記［５］～［７］のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された原料粒子を、１２００℃以上１３５０℃以下の酸化雰囲気下で焼成または焼結して塊成化し、塊成物を得ることを特徴とする、塊成物の製造方法。
［１０］前記［８］に記載の塊成物または前記［９］に記載の製造方法によって製造された塊成物を還元炉に装入するとともに、還元ガスを前記還元炉に導入し、前記還元ガスにより前記塊成物に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄を得ることを特徴とする還元鉄の製造方法。
［１１］前記還元ガスとして水素を主成分とするガスを使用する、前記［１０］に記載の還元鉄の製造方法。
本発明によれば、従来よりも高い還元性を有する塊成物を製造することができる、塊成物製造用の原料粒子を提供することができる。
（塊成物製造用の原料粒子）
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本発明による塊成物製造用の原料粒子は、還元鉄製造の原料となる塊成物を製造するための原料粒子であり、中心部と該中心部の周囲を覆う外周部とを備え、上記中心部は金属鉄含有物質または揮発物質を有し、上記外周部は、酸化鉄を有することを特徴とする。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本発明による塊成物製造用の原料粒子は、還元鉄製造の原料となる塊成物を製造するための原料粒子であり、中心部と該中心部の周囲を覆う外周部とを備え、上記中心部は金属鉄含有物質または揮発物質を有し、上記外周部は、酸化鉄を有することを特徴とする。
本発明者らは、従来よりも高い還元性を有する還元鉄製造の原料となる塊成物を製造することができる、塊成物製造用の原料粒子について鋭意検討した。図１は、従来の塊成物を構成する粒子の一例を示している。図１に示した粒子１００は、中心部１１０と該中心部１１０の周囲を覆う外周部１２０とを備える。粒子１００においては、中心部１１０は粗粒の酸化鉄で構成されており、外周部１２０は鉄鉱石の微粉（すなわち、酸化鉄）で構成されている。
本発明者らは、塊成物の還元性を高める方途について鋭意検討した。その結果、塊成物を構成する粒子について、中心部を還元が不要またはあまり必要ではない物質で構成することに想到した。
すなわち、上記粒子１００は、粒子全体が酸化鉄で構成されているが、中心部１１０の酸化鉄を還元するためには、還元ガスが外周部１２０を通過して中心部１１０に到達し、反応によって生成されるガスが粒子１００の表面から排出される必要がある。そのため、粒子１００の中心部１１０の酸化鉄を還元するには、外周部１２０の酸化鉄を還元する場合に比べて多くの時間を要する。これは、粒子全体の還元性の低下に繋がる。
そこで、本発明者らは、従来の粒子１００において還元に多くの時間を要する中心部１１０を、金属鉄の含有率が高い金属鉄含有物質や空隙などの還元が不要か、あまり必要ではない物質で構成することにより、粒子全体として還元に要する時間を低減して還元性を高めることができるのではないかと考えた。
そして、本発明者らは、上述のような塊成物は、中心部を上記金属鉄含有物質または高温で多くの割合が消失する揮発物質で構成し、外周部を鉄鉱石粉で構成した原料粒子を用いて製造することにより、塊成化工程（焼成工程または焼結工程）後に得られる塊成物を構成する粒子が、上述のような、中心部を還元不要あるいはあまり必要ではない状態にできることを見出し、本発明を完成させたのである。以下、本発明の各構成について説明する。
本実施形態の塊成物製造用の原料粒子は、還元ガスを用いた還元鉄製造の原料となる塊成物を製造するための原料粒子であり、一般にグリーンペレットと呼ばれるものである。図２は、本発明による塊成物製造用の原料粒子を示している。図２（ａ）に示した原料粒子１は、金属鉄含有物質を有する中心部１１と、酸化鉄を有する外周部１２とを備える。また、図２（ｂ）に示した原料粒子２は、揮発物質を有する中心部２１と、酸化鉄を有する外周部２２とを備える。
＜中心部＞
中心部１１（２１）は、原料粒子１（２）の核を構成する部分であり、本発明においては還元ガスによる還元不要物質あるいは還元があまり必要ではない物質で構成されている。具体的には、中心部１１（２１）は、金属鉄含有物質（揮発物質）で構成されている。
中心部１１（２１）は、原料粒子１（２）の核を構成する部分であり、本発明においては還元ガスによる還元不要物質あるいは還元があまり必要ではない物質で構成されている。具体的には、中心部１１（２１）は、金属鉄含有物質（揮発物質）で構成されている。
－金属鉄含有物質－
本発明において、金属鉄含有物質は、金属鉄の含有率が高い物質であり、具体的には、金属鉄の濃度が７０質量％以上の物質である。こうした金属鉄含有物質としては、還元鉄製造時に製造された還元不良品や還元ペレットの篩下品（ペレットチップ）、鋳鉄などの各種スクラップ屑などが挙げられ、金属鉄の濃度が７０質量％以上の物質を用いることができる。金属鉄の濃度が９０質量％以上の物質を用いることが好ましい。
本発明において、金属鉄含有物質は、金属鉄の含有率が高い物質であり、具体的には、金属鉄の濃度が７０質量％以上の物質である。こうした金属鉄含有物質としては、還元鉄製造時に製造された還元不良品や還元ペレットの篩下品（ペレットチップ）、鋳鉄などの各種スクラップ屑などが挙げられ、金属鉄の濃度が７０質量％以上の物質を用いることができる。金属鉄の濃度が９０質量％以上の物質を用いることが好ましい。
－揮発物質－
一方、揮発物質は、塊成化工程（焼成工程または焼結工程）において揮発する物質であり、具体的には、１０００℃で質量減少率が９０％以上の物質である。こうした揮発物質としては、古紙や有機物質など用いることができる。具体的には、ポリプロピレンや木質バイオマス系のペレット、古紙・製紙パルプ廃材から製造されたペレットなどを用いることができる。
一方、揮発物質は、塊成化工程（焼成工程または焼結工程）において揮発する物質であり、具体的には、１０００℃で質量減少率が９０％以上の物質である。こうした揮発物質としては、古紙や有機物質など用いることができる。具体的には、ポリプロピレンや木質バイオマス系のペレット、古紙・製紙パルプ廃材から製造されたペレットなどを用いることができる。
以下、還元鉄製造の原料となる塊成物全体の粒径をグリーンペレットとして使用される６～１６ｍｍとする場合の好適な粒構成について述べる。中心部１１の粒径は、２ｍｍ以上６ｍｍ以下とすることが好ましい。中心部１１の粒径が２ｍｍ以上であれば、原料粒子１が塊成化工程において焼成または焼結された場合にも、中心部１１の全てが酸化されずに金属鉄含有物質を残して、塊成物の還元性を高めることができる。また、中心部１１の粒径が６ｍｍ以下であれば、原料粒子１（２）の粒径を６～１６ｍｍとする場合、被覆層の厚みを十分確保し、還元鉄用の新原料をより多く配合することができる。
＜外周部＞
外周部１２（２２）は、原料粒子１（２）において、核である中心部１１（２１）の周囲を覆う被覆層を構成する。本発明では、外周部１２（２２）は、酸化鉄で構成できる。
外周部１２（２２）は、原料粒子１（２）において、核である中心部１１（２１）の周囲を覆う被覆層を構成する。本発明では、外周部１２（２２）は、酸化鉄で構成できる。
外周部１２（２２）の鉄源は、粉状の酸化鉄である酸化鉄粉で構成することが好ましい。これにより、塊成物を還元する際に、還元ガスを酸化鉄粉間の隙間を流通させて、酸化鉄を効率的に還元させることができる。また、外周部１２（２２）の構成には、ＣａＯやＭｇＯ等の副原料を含有させてもよい。
外周部１２（２２）が酸化鉄粉で構成されている場合、その粒径は１２５μｍ以下であることが好ましい。酸化鉄粉の粒径が１２５μｍ以下であれば、原料粒子１（２）の強度を低下させることなく、搬送時に崩壊する粉体間の空隙率を低下させた緻密な原料粒子１（２）を造粒製造することができる。より好ましくは、酸化鉄粉の粒径は、６３μｍ以下、さらに好ましくは４５μｍ以下である。
外周部１２の厚みは、２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。外周部１２の厚みが２ｍｍ以上であれば、焼成過程における外周部１２を構成する層の破れや崩壊を抑止することができる。また、外周部１２の厚みが５ｍｍ以下であれば、原料粒子１（２）の粒径を６ｍｍ～１６ｍｍの範囲に制御することが可能となり、還元炉における反応時間を確保することができる。
また、外周部１２（２２）における酸化鉄は、比較的低品質の原料で構成することができ、具体的には、少なくとも４質量％超えの結晶水および／または１．５質量％超えのアルミナを含むことができる。従来、還元炉を用いた還元鉄の製造プロセスにおいては、原料として酸化鉄の含有量が多い高品質のものが使用されてきた。しかしながら、近年、還元鉄の原料となる塊成物を製造するための鉄鉱石粉の品質が、高品質の鉄鉱石の枯渇によって低品位化している。低品位の鉄鉱石は結晶水や脈石（アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やシリカ（ＳｉＯ２））を多く含有しており、結晶水は塊成物の強度低下や焼成過程における爆裂の原因となり、また脈石は焼成過程において溶融して塊成物の強度を低下させる問題がある。
このような強度低下を補うために、乾燥工程において鉄鉱石に含まれる結晶水を低減したり、焼成熱量を増加したりすることが有効であるが、得られた塊成物が緻密な組織となるため、今度は塊成物の還元性が低下する問題が生じる。還元性が低下すると、還元鉄製造プロセスにおいて塊成物の還元により多くの時間を要することになるため、還元鉄の製造効率が低下する。このように、塊成物の強度と還元性とはトレードオフの関係にある。
塊成物の強度と還元性とを両立させる方法として、例えば、原料粒子のサイズを従来よりも小さくすることが考えられる。しかしこの場合、造粒工程において、焼成または焼結前の原料粒子を造粒する際に、造粒サイズを緻密に制御する必要があり、これは従来の造粒機を用いた操業では困難である。また、還元炉に装入した場合には細粒のペレットは通気性を阻害する可能性があるため、操業上好ましくない。
この点、本発明による原料粒子１（２）は、中心部１１（２１）を金属鉄含有物質（揮発物質）で構成しており、還元が不要またはあまり必要ではない物質で構成されている。そのため、低品位の鉄鉱石、具体的には、外周部を構成する酸化鉄が、少なくとも４質量％超えの結晶水および／または１．５質量％超えのアルミナを含む場合にも、緻密な塊成物を製造することによる還元性の低下を補うことができ、強度と還元性とを兼ね備えた塊成物を製造することができる。こうした酸化鉄としては、例えば不純物の比較的多い豪州産の鉄鉱石やインド産の鉄鉱石などを用いることができる。
原料粒子１（２）の粒径は、６ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることが好ましい。原料粒子１（２）の粒径が６ｍｍ以上であれば、原料粒子１（２）を塊成化して得られる塊成物に含まれる酸化鉄を還元する際に、炉内の通気性を確保しながら操業することができる。また、原料粒子１（２）の粒径が１６ｍｍ以下であれば、原料粒子１（２）内部における還元の遅延を最小限に留めて、高還元率の塊成物を製造することができる。好ましくは、原料粒子１（２）の粒径は９ｍｍ以上１６ｍｍ以下である。
また、原料粒子１全体に占める中心部１１の割合は、５質量％以上５０質量％以下であることが好ましい。中心部１１の割合が５質量％以上であれば、還元性の高い塊成物を得ることができる。また、中心部１１の割合が５０質量％以下であれば、被覆層である外周部１２の厚みを確保しつつ、還元鉄用の新原料をより多く配合することができる。より好ましくは、中心部１１の割合は、１０質量％以上２０質量％以下である。
（塊成物製造用の原料粒子の製造方法）
本発明による塊成物製造用の原料粒子の製造方法は、上述した本発明による原料粒子を製造する方法であって、酸化鉄を有する原料を粉砕して原料粉とした後、分級して上記原料粉の粒径を調整する前処理工程と、粒度が調整された原料粉と金属鉄含有物質または揮発物質とバインダーとを混合して造粒し、本発明による原料粒子を得ることを特徴とする。
本発明による塊成物製造用の原料粒子の製造方法は、上述した本発明による原料粒子を製造する方法であって、酸化鉄を有する原料を粉砕して原料粉とした後、分級して上記原料粉の粒径を調整する前処理工程と、粒度が調整された原料粉と金属鉄含有物質または揮発物質とバインダーとを混合して造粒し、本発明による原料粒子を得ることを特徴とする。
上述のように、本発明による塊成物製造用の原料粒子は、中心部を還元不要物質または還元があまり必要ではない物質で構成することによって、従来よりも高い還元性を有する塊成物を製造できることを特徴としている。上記本発明による原料粒子は、公知のグリーンペレットの製造方法を用いて製造することができる。以下、各工程について説明する。
まず、前処理工程では、後工程である造粒工程を行うために必要な前処理を行う。具体的には、高品質の鉄鉱石などの、４質量％以下の結晶水および／または１．５質量％以下のアルミナを含む酸化鉄を有する原料、あるいは低品質の鉄鉱石などの、４質量％超えの結晶水または１．５質量％超えのアルミナを含む酸化鉄を有する原料を粉砕し、得られた原料粉を分級してその粒径を調整する。鉄鉱石の原料の粉砕は、ボールミルなどを用いて行うことができる。また、分級については、回転ローターや篩いなどを用いて行うことができる。
次に、造粒工程では、前処理工程において粒径が調整された原料粉と、金属鉄含有物質または揮発物質と、生石灰やベントナイトなどのバインダーとを混合して造粒する。これらはＣａＯやＭｇＯの成分調整材でもある。これは、ディスクペレタイザーなどのペレタイザーやドラムミキサーなどを用いて行うことができる。こうして、塊成物製造用の原料粒子を製造することができる。
上記造粒工程において、粒径が２ｍｍ以上６ｍｍ以下である金属鉄含有物質または揮発物質を用いることが好ましいのは既述の通りである。また、造粒工程において、外周部の厚みを２ｍｍ以上５ｍｍ以下に調整することが好ましいのも既述の通りである。
（塊成物）
本発明による塊成物は、上述した本発明による塊成物製造用の原料粒子を焼成または焼結して塊成化された塊成物であって、塊成化された原料粒子は、焼成または焼結前の中心部が金属鉄含有物質を有する場合、中心部は金属鉄含有物質を有する第１部分と、該第１部分の周囲を覆う、金属鉄含有物質に含まれる金属鉄が酸化した第２部分とを有する３層構造を有し、焼成または焼結前の中心部が揮発物質を有する場合、中心部が空隙である中空構造を有することを特徴とする。
本発明による塊成物は、上述した本発明による塊成物製造用の原料粒子を焼成または焼結して塊成化された塊成物であって、塊成化された原料粒子は、焼成または焼結前の中心部が金属鉄含有物質を有する場合、中心部は金属鉄含有物質を有する第１部分と、該第１部分の周囲を覆う、金属鉄含有物質に含まれる金属鉄が酸化した第２部分とを有する３層構造を有し、焼成または焼結前の中心部が揮発物質を有する場合、中心部が空隙である中空構造を有することを特徴とする。
上述のように、本発明による塊成物製造用の原料粒子は、その中心部が金属鉄含有物質または揮発物質を有するように構成されている。原料粒子１の中心部１１が金属鉄含有物質を有する場合、原料粒子１が焼成または焼結されると、焼成工程または焼結工程の際の熱により、中心部１１のうち、外周部１２に隣接する部分の金属鉄が酸化され、内部は酸化されずに金属鉄含有物質のまま残る。その結果、図３（ａ）に示すように、塊成物を構成する粒子３は、金属鉄含有物質を有する第１部分３１ａと、該第１部分３１ａの周囲を覆う、金属鉄が酸化した第２部分３１ｂとを有し、外周部３２が酸化鉄を有する３層構造となる。
一方、原料粒子２の中心部２１が揮発物質を有する場合、原料粒子２が焼成または焼結されると、焼成工程または焼結工程の際の熱により、中心部２１の揮発物質が揮発する。その結果、図３（ｂ）に示すように、塊成物を構成する粒子４は、中心部４１が空隙であり、外周部４２が酸化鉄を有する中空構造となる。
上記図３（ａ）および３（ｂ）に示した粒子３、４は、中心部３１ａ、４１が還元不要な状態にあるため、こうした粒子３、４で構成された本発明による塊成物は、従来よりも高い還元性を有するものとなる。
また、粒子３については、原料粒子１の中心部１１を構成する金属鉄含有物質の酸化により生成した層（第２部分）３１ｂがシェルを形成するため、より強固な構造を有する。また粒子４については、粒子３の層（第２部分）３１ｂのようなシェルは形成しないものの、原料粒子２の中心部２１を構成する揮発物質の燃焼消失にともなう生成熱により、中空部分４１の内壁組織に緻密な焼成層が形成され、最初から中空の構造体に比べて、内部からの熱量が積極的に与えられる効果により、高い強度を有する。
（塊成物の製造方法）
本発明による塊成物の製造方法は、上述した本発明による原料粒子、または本発明による原料粒子の製造方法によって製造された原料粒子を、１２００℃以上１３５０℃以下の酸化雰囲気下で焼成または焼結して塊成化し、塊成物を得ることを特徴とする。
本発明による塊成物の製造方法は、上述した本発明による原料粒子、または本発明による原料粒子の製造方法によって製造された原料粒子を、１２００℃以上１３５０℃以下の酸化雰囲気下で焼成または焼結して塊成化し、塊成物を得ることを特徴とする。
上述した本発明による塊成物製造用の原料粒子、または本発明による原料粒子の製造方法によって製造された原料粒子は、その中心部が金属鉄含有物質または揮発物質を有し、外周部は酸化鉄を有する。こうした原料鉄粉を１２００℃以上１３５０℃以下の酸化雰囲気下で焼成または焼結して塊成化することにより、原料粒子の中心部が金属鉄含有物質を有する場合には、外周部に隣接する部分の金属鉄が酸化される一方、原料粒子の中心部が揮発物質を有する場合には、揮発する。その結果、塊成物を構成する粒子は、図３（ａ）に示したような３層構造を有するものか、図３（ｂ）に示した中空構造を有するものとなり、従来よりも高い還元性を有する塊成物を得ることができる。
上記原料粒子の焼成は、ロータリーキルンなどを用いて行うことができ、上述した本発明による塊成物製造用の原料粒子、または本発明による原料粒子の製造方法によって製造された原料粒子をロータリーキルンに装入して１２００℃以上１３５０℃以下の大気中などの酸化雰囲気下に置くことによって、焼成ペレットを得ることができる。
また、原料粒子の焼結は、焼結機を用いて行うことができ、上述した本発明による塊成物製造用の原料粒子、または本発明による原料粒子の製造方法によって製造された原料粒子と、従来の原料粒子を造粒した造粒粒子とを混合し、１２００℃以上１３５０℃以下の酸化雰囲気下に置くことによって、焼結鉱を得ることができる。
（還元鉄の製造方法）
本発明による還元鉄の製造方法は、上述した本発明による塊成物または本発明による塊成物の製造方法によって製造された塊成物を還元炉に装入するとともに、還元ガスを還元炉に導入し、塊成物に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄を得ることを特徴とする。
本発明による還元鉄の製造方法は、上述した本発明による塊成物または本発明による塊成物の製造方法によって製造された塊成物を還元炉に装入するとともに、還元ガスを還元炉に導入し、塊成物に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄を得ることを特徴とする。
上述のように、本発明による塊成物または本発明による塊成物の製造方法によって製造された塊成物は、従来よりも高い還元性を有するものである。こうした塊成物をシャフト炉などの還元炉に装入するとともに、還元ガスを導入することにより、還元鉄の製造を効率的に行うことができる。
本発明において、上記還元ガスとしては、コークス炉ガス、天然ガス（成分として炭化水素を含む）を改質したガス、ＣＯガスとＨ２ガスとの混合ガス、Ｈ２ガス（Ｈ２濃度が１００％のガス）などを用いることができるが、還元ガスとしてＨ２を主成分とするガスを使用することが好ましい。ここで、「Ｈ２を主成分とするガス」とは、Ｈ２濃度が５０体積％以上であるガスを意味している。これにより、ＣＯ２の排出削減を行うことができる。
上記還元ガスのＨ２濃度は、６５体積％以上が好ましい。これにより、ＣＯ２の排出削減効果をより高めることができる。還元ガスのＨ２濃度は、７０体積％以上がより好ましく、８０体積％以上がさらに好ましく、９０体積％以上がさらにまた好ましく、１００体積％、すなわち還元ガスとしてＨ２ガスを用いることが最も好ましい。還元ガスとしてＨ２ガスを用いることにより、ＣＯ２を排出することなく、還元鉄を製造することができる。
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されない。
（従来例１）
表１に成分組成を示すブラジル産の鉄鉱石を用いて、焼成ペレットを作製した。具体的には、まず、上記鉄鉱石を粉砕し、得られた鉄鉱石粉を分級して、粒径が－６３μｍの鉄鉱石粉を得た。次いで、上記鉄鉱石粉とバインダーとしての生石灰とを混合し、ペレタイザーを用いて調湿しながら直径１２ｍｍのグリーンペレットを作製した。そして、作製したグリーンペレットを大気中１３５０℃の雰囲気で６０分間焼成した。こうして、従来例１による塊成物としての焼成ペレットを製造した。得られた焼成ペレットについて、ＪＩＳ－Ｍ８７１３に従って被還元性の値を求めたところ、６０％であった。
表１に成分組成を示すブラジル産の鉄鉱石を用いて、焼成ペレットを作製した。具体的には、まず、上記鉄鉱石を粉砕し、得られた鉄鉱石粉を分級して、粒径が－６３μｍの鉄鉱石粉を得た。次いで、上記鉄鉱石粉とバインダーとしての生石灰とを混合し、ペレタイザーを用いて調湿しながら直径１２ｍｍのグリーンペレットを作製した。そして、作製したグリーンペレットを大気中１３５０℃の雰囲気で６０分間焼成した。こうして、従来例１による塊成物としての焼成ペレットを製造した。得られた焼成ペレットについて、ＪＩＳ－Ｍ８７１３に従って被還元性の値を求めたところ、６０％であった。
（従来例２）
ブラジル産の鉄鉱石と表１に成分組成を示す豪州産の鉄鉱石とを５０：５０の割合で混合した粉原料を用いて、焼結鉱を作製した。具体的には、まず、有姿の鉄鉱石を副原料の石灰石、返鉱および粉コークスとともに造粒して造粒粒子を作製した。作製した造粒粒子の平均径は３－４ｍｍ程度であり、この粒子の内部には最大１ｍｍ程度の核粒子（鉄の濃度：５７質量％）が含まれていた。このようにして得られた造粒粒子を小型焼結試験機に装入して焼結した。焼結には、充填層高さ６００ｍｍ、直径３００ｍｍの鉄製容器を用い、吸引負圧６．９ｋＰａで一定差圧の下で焼結した。得られた焼結鉱を２ｍ高さから４回落下させ、得られた焼結鉱の中で粒径が１９－２２ｍｍの焼結鉱粒子を選別した。こうして、従来例２による塊成物としての焼結鉱を製造した。得られた焼結鉱について、ＪＩＳ－Ｍ８７１３に従って被還元性の値を求めたところ、６５－７０％であった。
ブラジル産の鉄鉱石と表１に成分組成を示す豪州産の鉄鉱石とを５０：５０の割合で混合した粉原料を用いて、焼結鉱を作製した。具体的には、まず、有姿の鉄鉱石を副原料の石灰石、返鉱および粉コークスとともに造粒して造粒粒子を作製した。作製した造粒粒子の平均径は３－４ｍｍ程度であり、この粒子の内部には最大１ｍｍ程度の核粒子（鉄の濃度：５７質量％）が含まれていた。このようにして得られた造粒粒子を小型焼結試験機に装入して焼結した。焼結には、充填層高さ６００ｍｍ、直径３００ｍｍの鉄製容器を用い、吸引負圧６．９ｋＰａで一定差圧の下で焼結した。得られた焼結鉱を２ｍ高さから４回落下させ、得られた焼結鉱の中で粒径が１９－２２ｍｍの焼結鉱粒子を選別した。こうして、従来例２による塊成物としての焼結鉱を製造した。得られた焼結鉱について、ＪＩＳ－Ｍ８７１３に従って被還元性の値を求めたところ、６５－７０％であった。
（発明例１）
従来例１と同様に、発明例１による塊成物としての焼成ペレットを製造した。ただし、塊成物製造用のグリーンペレット（原料粒子）を製造する際に、還元鉄製造プロセスにおいて得られたＤＲＩ粉（鉄の濃度：８０．４質量％、粒径：３～５ｍｍ（５ｍｍの篩下で、３ｍｍの篩上）、金属化率（＝還元鉄比率／全鉄含有率）：８０％）を添加し、上記ＤＲＩ粉を中心部として備えるグリーンペレット（原料粒子）を作製した。その他の条件は、従来例１と全て同じである。得られた焼成ペレットの被還元性の値を求めたところ、８０％であった。
従来例１と同様に、発明例１による塊成物としての焼成ペレットを製造した。ただし、塊成物製造用のグリーンペレット（原料粒子）を製造する際に、還元鉄製造プロセスにおいて得られたＤＲＩ粉（鉄の濃度：８０．４質量％、粒径：３～５ｍｍ（５ｍｍの篩下で、３ｍｍの篩上）、金属化率（＝還元鉄比率／全鉄含有率）：８０％）を添加し、上記ＤＲＩ粉を中心部として備えるグリーンペレット（原料粒子）を作製した。その他の条件は、従来例１と全て同じである。得られた焼成ペレットの被還元性の値を求めたところ、８０％であった。
（発明例２）
従来例１と同様に、発明例２による塊成物としての焼成ペレットを製造した。ただし、塊成物製造用のグリーンペレット（原料粒子）を作製する際に、還元鉄製造プロセスにおいて得られたＤＲＩ粉（鉄の濃度：７５．２質量％、粒径：３～５ｍｍ（５ｍｍの篩下で、３ｍｍの篩上）、金属化率（＝還元鉄比率／全鉄含有率）：６５％）を添加し、上記ＤＲＩ粉を中心部として備えるグリーンペレット（原料粒子）を作製した。その他の条件は、従来例１と全て同じである。得られた焼成ペレットの被還元性の値を求めたところ、７８％であった。
従来例１と同様に、発明例２による塊成物としての焼成ペレットを製造した。ただし、塊成物製造用のグリーンペレット（原料粒子）を作製する際に、還元鉄製造プロセスにおいて得られたＤＲＩ粉（鉄の濃度：７５．２質量％、粒径：３～５ｍｍ（５ｍｍの篩下で、３ｍｍの篩上）、金属化率（＝還元鉄比率／全鉄含有率）：６５％）を添加し、上記ＤＲＩ粉を中心部として備えるグリーンペレット（原料粒子）を作製した。その他の条件は、従来例１と全て同じである。得られた焼成ペレットの被還元性の値を求めたところ、７８％であった。
（発明例３）
従来例２と同様に、発明例３による塊成物としての焼結鉱を製造した。ただし、造粒粒子の作製は、豪州産の鉄鉱石のみを用いて行い、得られた造粒粒子と、発明例１と同じ方法で作製したグリーンペレットとを混合して混合造粒原料を作製し、得られた混合造粒原料を小型焼結試験機に装入して焼結した。その他の条件は、従来例２と全て同じである。得られた焼結鉱の被還元性の値を求めたところ、９０％であった。
従来例２と同様に、発明例３による塊成物としての焼結鉱を製造した。ただし、造粒粒子の作製は、豪州産の鉄鉱石のみを用いて行い、得られた造粒粒子と、発明例１と同じ方法で作製したグリーンペレットとを混合して混合造粒原料を作製し、得られた混合造粒原料を小型焼結試験機に装入して焼結した。その他の条件は、従来例２と全て同じである。得られた焼結鉱の被還元性の値を求めたところ、９０％であった。
（発明例４）
発明例３と同様に、発明例４による塊成物としての焼結鉱を製造した。ただし、グリーンペレットは、発明例２と同じ方法で作製したものを用いた。その他の条件は、発明例３と全て同じである。得られた焼結鉱の被還元性の値を求めたところ、８４％であった。
発明例３と同様に、発明例４による塊成物としての焼結鉱を製造した。ただし、グリーンペレットは、発明例２と同じ方法で作製したものを用いた。その他の条件は、発明例３と全て同じである。得られた焼結鉱の被還元性の値を求めたところ、８４％であった。
（発明例５）
発明例１と同様に、発明例４による塊成物としての焼結鉱を製造した。ただし、グリーンペレットを製造する際に、ＤＲＩ粉に代えてポリプロピレン粒子（直径：３－５ｍｍ）を添加した。その他の条件は、発明例１と全て同じである。得られた焼成ペレットの被還元性の値を求めたところ、７９％であった。
発明例１と同様に、発明例４による塊成物としての焼結鉱を製造した。ただし、グリーンペレットを製造する際に、ＤＲＩ粉に代えてポリプロピレン粒子（直径：３－５ｍｍ）を添加した。その他の条件は、発明例１と全て同じである。得られた焼成ペレットの被還元性の値を求めたところ、７９％であった。
＜塊成物の還元性の評価＞
上述のように、従来例１および２については、焼結鉱の被還元性は６０－７０％程度であったのに対して、発明例１～５の焼結鉱の被還元性は７９％以上となり、従来例１および２よりも高い還元性を示した。また、発明例１と発明例２との比較、発明例３と発明例４との比較から、グリーンペレット（原料粒子）の中心部の金属化率が高い方が、被還元性の値も高くなることが分かる。
上述のように、従来例１および２については、焼結鉱の被還元性は６０－７０％程度であったのに対して、発明例１～５の焼結鉱の被還元性は７９％以上となり、従来例１および２よりも高い還元性を示した。また、発明例１と発明例２との比較、発明例３と発明例４との比較から、グリーンペレット（原料粒子）の中心部の金属化率が高い方が、被還元性の値も高くなることが分かる。
＜塊成物の強度の評価＞
発明例１～５による塊成物は、従来例１および２による塊成物と同程度の強度を有しており、還元鉄の製造に問題なく使用することができた。このように、発明例１～５による塊成物は、強度と還元性とを兼ね備えたものである。
発明例１～５による塊成物は、従来例１および２による塊成物と同程度の強度を有しており、還元鉄の製造に問題なく使用することができた。このように、発明例１～５による塊成物は、強度と還元性とを兼ね備えたものである。
本発明によれば、従来よりも高い還元性を有する塊成物を製造することができる、塊成物製造用の原料粒子を提供することができるため、製鉄業において有用である。
１，２ 原料粒子
３，４ 焼結鉱を構成する粒子
１１，２１，３１，４１ 中心部
１２，２２，３２，４２ 外周部
３１ａ 第１部分
３１ｂ 第２部分
３，４ 焼結鉱を構成する粒子
１１，２１，３１，４１ 中心部
１２，２２，３２，４２ 外周部
３１ａ 第１部分
３１ｂ 第２部分
Claims (11)
- 還元鉄製造の原料となる塊成物を製造するための原料粒子であって、
中心部と、該中心部の周囲を覆う外周部とを備え、
前記中心部は金属鉄含有物質または揮発物質を有し、前記外周部は、酸化鉄を有することを特徴とする、塊成物製造用の原料粒子。 - 前記酸化鉄は、少なくとも４質量％超えの結晶水および／または１．５質量％超えのアルミナを含む、請求項１に記載の塊成物製造用の原料粒子。
- 前記中心部の粒径が２ｍｍ以上６ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の塊成物製造用の原料粒子。
- 前記外周部の厚みが２ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の塊成物製造用の原料粒子。
- 請求項１～４のいずれか一項に記載の原料粒子を製造する方法であって、
前記酸化鉄を有する原料を粉砕して原料粉とした後、分級して前記原料粉の粒径を調整する前処理工程と、
粒度が調整された前記原料粉と前記金属鉄含有物質または前記揮発物質とバインダーとを混合して造粒し、前記原料粒子を得ることを特徴とする、塊成物製造用の原料粒子の製造方法。 - 前記造粒工程において、粒径が２ｍｍ以上６ｍｍ以下である前記金属鉄含有物質または前記揮発物質を用いる、請求項５に記載の塊成物製造用の原料粒子の製造方法。
- 前記造粒工程において、前記外周部の厚みを２ｍｍ以上５ｍｍ以下に調整する、請求項５または６に記載の塊成物製造用の原料粒子の製造方法。
- 請求項１～４のいずれか一項に記載の原料粒子を焼成または焼結して塊成化された塊成物であって、
塊成化された前記原料粒子は、
焼成または焼結前の前記中心部が前記金属鉄含有物質を有する場合、前記中心部は前記金属鉄含有物質を有する第１部分と、該第１部分の周囲を覆う、前記金属鉄含有物質に含まれる金属鉄が酸化した第２部分とを有する３層構造を有し、
焼成または焼結前の前記中心部が前記揮発物質を有する場合、前記中心部が空隙である中空構造を有することを特徴とする塊成物。 - 請求項１～４のいずれか一項に記載の原料粒子、または請求項５～７のいずれか一項に記載の塊成物製造用の原料粒子の製造方法によって製造された原料粒子を、１２００℃以上１３５０℃以下の酸化雰囲気下で焼成または焼結して塊成化し、塊成物を得ることを特徴とする、塊成物の製造方法。
- 請求項８に記載の塊成物または請求項９に記載の塊成物の製造方法によって製造された塊成物を還元炉に装入するとともに、還元ガスを前記還元炉に導入し、前記還元ガスにより前記塊成物に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄を得ることを特徴とする還元鉄の製造方法。
- 前記還元ガスとして水素を主成分とするガスを使用する、請求項１０に記載の還元鉄の製造方法。
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