JP2022169935A - 焼結鉱の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パレット側壁近傍を含めて焼結原料をパレットの幅方向に均一に焼成できる、焼結鉱の製造方法を提供する。
【解決手段】循環移動するパレット１５に焼結原料を装入して装入層を形成させ、装入層の表層を点火炉２０で点火し、空気を下方に吸引しながら焼結原料を焼成するドワイトロイド式焼結機１０を用いた焼結鉱の製造方法であって、パレットの側壁から８００ｍｍ以内を含む装入層上方のパレットの幅方向の風速を測定し、幅方向の風速偏差が予め設定された範囲内となるようにドワイトロイド式焼結機の運転条件を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉用原料である焼結鉱の製造方法に関する。

高炉用原料である焼結鉱は、一般に、鉄鉱石粉、製鉄所内回収粉、焼結鉱篩下粉などの鉄含有原料と、石灰石及びドロマイトなどの含ＣａＯ原料と、粉コークスや無煙炭などの炭材（固体燃料）とを焼結原料として、無端移動型焼結機であるドワイトロイド式焼結機（以下、「焼結機」と記載する場合がある。）を用いて製造される。焼結原料は、焼結機の無端移動式のパレットに装入され、装入層が形成される。装入層の厚さ（高さ）は４００～８００ｍｍ程度である。その後、装入層の上方に設置された点火炉により、装入層表層の炭材に点火される。パレットの下に配設されている風箱を介して空気を下方に吸引することにより、装入層中の炭材を順次燃焼させる。この燃焼は、パレットの移動につれて次第に下層にかつ前方に進行する。このときに発生する燃焼熱によって、焼結原料が燃焼、溶融し、焼結ケーキが生成される。その後、得られた焼結ケーキは、排鉱部において破砕され、クーラーで冷却され、整粒されて成品焼結鉱となる。

上述した焼結機では、パレットの幅方向に均一に炭材を燃焼させ、焼結ケーキを破砕する前の排鉱部において、焼結原料がパレットの幅方向に均一に焼成されていることが焼結鉱の強度、歩留り向上の観点から好ましい。パレットの幅方向に均一な焼成を行なう検討は、従来からなされている。例えば、特許文献１には、排鉱部におけるパレットの幅方向に分割された一の領域における赤熱部分の上面高さと、赤熱部分全体の平均上面高さとの差が予め定められた範囲内になるように、パレットの幅方向における分割ゲートの開度を制御して装入層の層厚を調整する焼結鉱の製造方法が開示されている。特許文献２には、パレット上に設置した風速測定装置を用いて風速を測定し、焼結鉱の焼成ムラを改善する技術が開示されている。

特開２０１７－５７４８１号公報 特開昭６１－２５０１２０号公報

Ｍ．ラッフェル、外２名著、岡本孝司、外２名訳、「ＰＩＶの基礎と応用－粒子画像流速測定法－」、初版、シュプリンガー・フェアラーク東京株式会社、２０００年６月２０日

特許文献１では、排鉱部の焼結ケーキ破断面に観察される赤熱部分の高さに基づいてパレットの幅方向における分割ゲートの開度を制御して装入層の層厚を調整している。パレットに焼結原料が装入されてから赤熱部分の高さが焼結ケーキ破断面で観察されるまでに、２５～３０分程度の時間が必要になるので、パレットの幅方向に均一な焼成を行うための装入層の層厚調整を迅速に実施できないという課題があった。

一方、特許文献２に開示されているように、パレット上に設置された風速測定装置で測定される風速を用いることで装入層の層厚調整を迅速に実施できる。しかしながら、特許文献２では、パレット上にパレットの幅方向に３つの風速測定装置を設置し、当該風速測定装置をパレットとともに移動させて風速を測定しているので、当該風速測定装置の寸法上の制約からパレット側壁近傍の風速の測定が困難となり当該部分の層厚調整が行なえず、パレット側壁近傍ではパレット幅方向に均一な焼成が実現できない、という課題があった。

上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
［１］循環移動するパレットに焼結原料を装入して装入層を形成させ、前記装入層の表層を点火炉で点火し、空気を下方に吸引しながら焼結原料を焼成するドワイトロイド式焼結機を用いた焼結鉱の製造方法であって、前記パレットの側壁から８００ｍｍ以内を含む前記装入層上方の前記パレットの幅方向の風速を測定し、前記幅方向の風速偏差が予め設定された範囲内となるように前記ドワイトロイド式焼結機の運転条件を調整する、焼結鉱の製造方法。
［２］前記パレットの幅方向にレーザーを照射し、照射位置を複数回撮像して風速を測定する、［１］に記載の焼結鉱の製造方法。
［３］前記風速を前記パレットの移動方向に異なる２以上の位置で測定する、［１］または［２］に記載の焼結鉱の製造方法。
［４］測定される風速から前記パレットの側壁からの距離に応じて定められる風速基準値を減じた実効風速を用いる、［１］から［３］のいずれか１つに記載の焼結鉱の製造方法。
［５］前記運転条件は、前記装入層における前記パレットの幅方向の層厚分布である、［１］から［４］のいずれか１つに記載の焼結鉱の製造方法。

本発明に係る焼結鉱の製造方法の実施により、風速の測定が困難であったパレット側壁近傍を含むパレット幅方向の風速を測定するので、パレット側壁近傍を含めて焼結原料をパレットの幅方向に均一に焼成できる。これにより、パレット幅方向全体において焼結原料を均一に焼成できるようになり、焼結鉱の歩留まり向上が実現する。

本実施形態に係る焼結鉱の製造方法に用いるドワイトロイド式焼結機１０の給鉱部側の一例を示す斜視図である。 パレットの幅方向の位置と風速基準値との関係を示すグラフである。 ドワイトロイド式焼結機１０を用いた別の焼結鉱の製造方法の一例を示す斜視図である。 風量と焼結鉱のＴＩ強度との関係を示すグラフである。 パレット幅方向の位置と風速との関係を示すグラフである。

以下、本発明を本発明の実施形態を通じて説明する。図１は、本実施形態に係る焼結鉱の製造方法に用いるドワイトロイド式焼結機１０の給鉱部側の一例を示す斜視図である。鉄鉱石と炭材とを含み、擬似粒子に造粒された焼結原料は、ドワイトロイド式焼結機１０のサージホッパー１２からロールフィーダー１４で切り出されて、循環移動する無端移動式のパレット１５に装入され、焼結原料の装入層が形成される。このとき、装入層の層厚は、パレット１５の幅方向に複数設置された分割ゲート１６の開度によって調整される。本実施形態において、分割ゲート１６は、例えば、図１に示すように８つに分割されており、それぞれの分割ゲート１６にはパレット１５の幅方向の位置の順に対応付けてゲート番号（１～８）が割り振られている。

装入層は、パレット１５とともにドワイトロイド式焼結機１０の下流（図１の矢印方向）に向かって移動する。レベル計１８は、装入層の層厚を計測し、測定したデータを制御装置３０に出力する。レベル計１８は、分割ゲート１６の分割数と同じ８個設けられ、それぞれの分割ゲート１６の下流側に１つ設けられている。それぞれのレベル計１８には、上流側に設けられた分割ゲートのゲート番号と同じ番号が割り振られており、レベル計１８は、同じ番号が割り振られている分割ゲート１６によって調整された装入層の層厚をそれぞれ測定する。本実施形態では、レベル計１８として超音波レベル計を用いた。

点火炉２０によって、装入層の上表層が点火される。さらに、ブロワー（不図示）によって空気が吸引され、パレット１５の下方の機長方向に複数設けられた風箱２２を通じて装入層内の空気が下方に吸引されるとともに上方から装入層内に空気が導入され、焼結原料に含まれる炭材が燃焼する。

炭材の燃焼による燃焼熱によって焼き固められた焼結原料は、焼結鉱の塊である焼結ケーキとなる。焼結ケーキは、排鉱部から排出される。排鉱部から排出される焼結ケーキは、パレット１５から落下する直前にパレット１５の幅方向に亀裂が生じて破断する。その後、焼結ケーキは、破砕され、クーラーで冷却されて、整粒され、例えば、粒径５．０ｍｍ超えの塊成物からなる成品焼結鉱となる。なお、図１に示した例においては、装入層の上方から気体燃料および酸素富化空気を供給しない例を示したが、これに限らない。装入層の上方から気体燃料および酸素富化空気を供給し、装入層に導入させてもよい。気体燃料は、高炉ガス、コークス炉ガス、高炉およびコークス炉混合ガス、転炉ガス、都市ガス、天然ガス、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、シェールガスおよびこれらの混合ガスのうちから選ばれるいずれかの可燃性ガスである。

装入層上方の風速は、平均で０．５ｍ／ｓ程度であり、最大風速で２．０ｍ／ｓ程度である。このため、装入層上方の風速を測定するには、測定精度が０．１ｍ／ｓ以下の風速計を用いることが好ましい。本実施形態に係る焼結鉱の製造方法では、非特許文献１に記載の粒子画像流速測定法（ＰＩＶ法：Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）を用いて装入層上方の風速を測定する。粒子画像流速測定法とは、気体の流れに追従するダスト等の微粒子にレーザー光源２４からレーザーを平面的に照射し、デジタルカメラ２６によって所定の間隔で少なくとも２回撮像された２つ以上の画像における微粒子の位置の変化から風速を求める方法である。デジタルカメラ２６の撮像間隔は、レーザー光源をパルスレーザーとしてその照射パルス周期の設定によって定めてもよく、レーザー光源を連続的に照射し、デジタルカメラ２６の撮像周期の設定によって定めてもよい。以下では、レーザー光源２４としてパルスレーザーを用い、照射パルス周期でパレット１５の幅方向にレーザーを平面的に照射し、照射パルス周期と同期させてデジタルカメラ２６で照射位置を撮像する例を用いて本実施形態を説明する。なお、パレット１５の側壁近傍（側壁から８００ｍｍ以内）の風速の測定は、側壁から８００ｍｍ以内に寸法８００ｍｍ以下の小型の風速測定装置を設置することによっても実現できる。

装入層の層厚は分割ゲート１６によって調整されるので、隣り合う分割ゲートの同士の開度が異なると装入層の表層に段差が生じる。さらに、パレット１５の幅方向の端部に設けられる分割ゲート１６は側壁との干渉を防ぐため、また、側壁と分割ゲート１６との間に焼結原料が挟まり込むことを防ぐために当該分割ゲート１６と側壁との間には隙間が設けられている。側壁から当該隙間までの装入層の層厚は厚くなるので、その部分に対応した装入層の表層と分割ゲート１６によって調整される部分の装入層の表層との間に段差が生じる。このように装入層の表層に段差が生じる場合に、上述した風速測定装置を設置して装入層上方の風速を測定すると、装入層の表層と当該風速測定装置との間に当該段差による隙間が生じて風速測定精度が低下する場合がある。

粒子画像流速測定法は、遠隔から非接触で、広い範囲の風速を高速で測定できる。また、デジタルカメラ２６の解像度の範囲内であれば測定位置を任意に設定できるので、狭い間隔でパレット１５の幅方向の各位置の風速を測定できる。このため、粒子画像流速測定法を装入層上方の風速測定に用いることで、下記１～４の効果が得られる。
１．パレット１５の側壁近傍（側壁から８００ｍｍ以内）の風速が測定できる。
２．１組のレーザー光源２４とデジタルカメラ２６とで、パレット１５の幅方向に広範囲にわたる風速を測定できる。
３．パレット１５の幅方向に狭い間隔で連続的に風速を測定できる。
４．パレット１５の幅方向の風速を任意のタイミングで測定できる。

制御装置３０は、制御部３２と格納部３４とを有する。制御装置３０は、例えば、ワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータである。制御部３２は、例えば、ＣＰＵ等であって、格納部３４に格納されたプログラムやデータを用いてドワイトロイド式焼結機１０、レーザー光源２４およびデジタルカメラ２６の動作を制御する。格納部３４は、例えば、更新記録可能はフラッシュメモリ、内蔵あるいはデータ通信端子で接続されたハードディスク、メモリーカード等の情報記録媒体およびその読み書き装置である。格納部３４には、本実施形態に係る焼結鉱の製造方法の実施に必要なプログラムや、当該プログラム実行中に使用するデータ等が予め格納されている。

レーザー光源２４は、照射パルス周期でパレット１５の幅方向に向けてレーザーを平面的に２回照射する。デジタルカメラ２６は、当該照射と同期して照射位置の平面を撮像して２つの画像データを生成する。デジタルカメラ２６は２つの画像データを制御部３２に出力する。制御部３２は、デジタルカメラ２６から取得した２つの画像データから得られる微粒子の移動量とデジタルカメラ２６の撮像間隔とから、パレット１５の側壁から８００ｍｍ以内の範囲を含む装入層上方の風速を算出する。制御部３２は、分割ゲート１６のパレット幅方向の位置に対応した８つの領域における装入層上方の風速を算出する。上記８つの領域のうちパレット幅方向の両端部となる領域には、パレット１５の側壁から８００ｍｍ以内の範囲が含まれる。粒子画像流速測定法では、装入層の表層に接する風速測定装置を用いないのでパレット１５の側壁から８００ｍｍ以内の範囲での風速を容易に測定できる。また、装入層の表層に段差が生じた場合であっても風速測定精度は低下しないので、装入層上方の風速測定には粒子画像流速測定法を用いることが好ましい。

制御部３２は、上記８つの領域の風速を算出すると、これら８つの領域の風速偏差が予め設定された範囲内になるように分割ゲート１６の開度を調整し、装入層の層厚分布を調整する。制御部３２は、まず、分割ゲート１６の各位置に対応した８つの領域における平均風速を算出する。次いで、パレット１５の幅方向全体の平均風速を算出し、各領域の平均風速が全体の平均風速の１１０％以上となる領域、および、全体の平均風速の９０％以下となる領域を特定する。装入層の通気性が高いと装入層上方の風速は速くなり、装入層の通気性が低いと装入層上方の風速は遅くなる。このため、制御部３２は、装入層上方の平均風速が全体の平均風速の１１０％以上となる領域であると特定すると、当該領域と同じ幅方向の位置に設けられている分割ゲート１６の開度を広げて装入層の層厚を厚くする。これにより、当該領域における装入層の通気性が低下し、当該領域における風速が遅くなり、パレット１５の幅方向の風速偏差は小さくなる。例えば、風速が平均値の１１０％となる領域に対しては、装入層の層厚が３ｍｍ厚くなるように分割ゲート１６の開度を広げる。

一方、制御部３２は、装入層上方の平均風速が全体の平均風速の９０％以下となる領域に対しては、当該領域と同じ位置に設けられている分割ゲート１６の開度を狭めて装入層の層厚を薄くする。これにより、当該領域における装入層の通気性が向上し、当該領域における風速が速くなり、パレット１５の幅方向の風速偏差は小さくなる。例えば、風速が平均値の９０％となる領域に対しては、装入層の厚さが３ｍｍ薄くなるように分割ゲート１６の開度を狭める。このようにして、８つの領域の風速偏差が全体の平均風速の±１０％以内になるように装入層の層厚分布が調整される。なお、全体の平均風速の±１０％は、予め設定された範囲の一例である。

制御部３２は、レベル計１８から装入層の層厚を示すデータをレベル計１８に割り振られたゲート番号とともに取得する。制御部３２は層厚を示すデータと層厚の設定値とを比較し、分割ゲート１６の開度をフィードバック制御する。

このように、分割ゲート１６の開度を調整してパレット１５の幅方向の風速偏差を小さくすると、装入層の通気性の偏差が小さくなり、パレット１５の幅方向の焼成進行速度の変動も小さくなる。この結果、パレット側壁近傍を含めて焼結原料をパレット１５の幅方向に均一に焼成できるようになり製造される焼結鉱の強度向上および歩留まり向上が実現する。なお、分割ゲート１６の開度の調整は、ドワイトロイド式焼結機１０における運転条件の調整の一例である。運転条件の調整は、風速調整につながるものや、通気性によって変化する強度や歩留まりに影響するものであればよい。例えば、分割ゲート１６の開度の調整に代えて、通気棒の差し込みを行ってもよい。通気棒とは、上方から装入層に差し込まれる棒であり、通気棒を装入層に差し込むことで通気棒の周囲の通気性が高まるので、その上方の風速も高められる。さらに、風速の速い領域の焼結鉱強度を高めることを目的として、気体燃料および酸素富化空気の供給位置を調整してもよい。風速の速い領域に気体燃料および酸素富化空気を上方から供給することで、当該領域の焼結原料を適正な焼結温度により長く保持できるので、焼結鉱の強度を高めることができる。

パレット１５の幅方向の両端となるパレット１５の側壁から８００ｍｍ以内は、焼結原料と当該側壁との間隙が焼結原料間の間隙よりも大きく、当該間隙を通過する外気の影響により、装入層上方の風速が速くなる場合がある。このため、当該間隙を通過する外気の影響を風速基準値として予め把握しておき、風速として、測定された風速から当該風速基準値を減じた実効風速を用いることが好ましい。

図２は、パレット１５の幅方向の位置と風速基準値との関係を示すグラフである。図２において、横軸はパレット１５の幅方向の位置（ｍ）であり、縦軸は風速基準値（ｍ／ｓ）である。風速基準値は、冷間での試験測定によって求めることができるが、排鉱部での焼結断面の観察により、焼結の進行が良好であると認められた部分での測定結果を風速基準値として用いてもよい。図２に示すように、風速基準値はパレット１５の側壁からの距離に応じて定められるので、パレット１５の幅方向に測定されるそれぞれの風速から、対応する幅方向の位置の風速基準値を減じた実効風速を用いることで、パレット１５の側壁から８００ｍｍ以内の部分に対して、パレットの幅方向にさらに均一に焼結原料を焼成できるようになる。

風速測定位置の間隔は、パレット１５の幅寸法の二分の一以下であればよく、側壁の影響を考慮すると、パレット１５の幅寸法の四分の一以下であることが好ましく、十分の一以下であることがより好ましい。風速測定位置の間隔は狭いほど好ましいが、風速測定位置の間隔を焼結原料の擬似粒子径である５ｍｍより狭くしても得られる情報は増えない。したがって、風速の測定位置の間隔は５ｍｍ以上であってパレットの幅寸法の二分の一以下であればよい。

図３は、ドワイトロイド式焼結機１０を用いた別の焼結鉱の製造方法の一例を示す斜視図である。図３に示すように、風速の測定は、パレット１５の移動方向に異なる４つの位置で測定することが好ましい。このようにパレット１５の移動方向に異なる４つの位置でパレット幅方向の風速を測定し、４つの位置での風速の平均値を用いることで、仮に１つの風箱２２に詰まりが発生し、その部分の装入層の上方の風速が局所的に変化したとしてもその影響が小さくなるので、誤った調整を行うことが抑制される。なお、図３に示した例では、パレット１５の移動方向に異なる４つの位置で風速を測定する例を示したが、これに限らない。風速の測定は、パレット１５の移動方向に異なる２以上の位置で実施すればよく、これにより、誤った調整を行うことが抑制されるという効果が得られる。

図４は、風量と焼結鉱のＴＩ強度との関係を示すグラフである。図４において、横軸は風量（ｍ^３／ｍｉｎ）であり、縦軸は焼結鉱のＴＩ強度（％）である。ＴＩ強度は、ＪＩＳ Ｋ ２１５１に準拠して測定される焼結鉱のタンブラー強度である。試験焼結装置を用いて吸引風量を変えて焼結鉱を製造し、粒子画像流速測定法を用いて、試験焼結装置の機上の風量を測定した。この結果、図４に示すように、風量が多い（風速が速い）ほど焼結鉱の強度は低下した。

この結果から、焼結鉱の強度を上昇させるには風量を少なくすればよいことがわかる。これは、風量が少ないと焼結の進行が低速で進み、焼結原料が焼結温度（１２００℃以上）により長い時間保持されるからである。一方、風量を少なくして焼結の進行を低速にすることは焼結鉱の生産能率の低下を招く。このため、高炉への輸送装置や装入条件によって定まる焼結鉱の必要強度と、市況などによって定まる必要生産量と、焼結機の寸法や機能によって定まる定格生産能力などの諸条件を勘案して適正な風量を目標として定めればよい。

図１に示したドワイトロイド式焼結機において、ある点を基準としてパレットの幅方向に１０００ｍｍにわたって１０ｍｍ間隔で装入層上方の風速を測定し、実効風速を求めた。図５は、パレット幅方向の位置と実効風速との関係を示すグラフである。図５において、横軸はパレットの幅方向の位置（ｍｍ）であり、縦軸は実効風速（ｍ／ｓ）である。

図５に示すように、装入層上方の実効風速はパレットの幅方向に短い間隔で変動した。このため、実効風速が平均値（図５の破線）より１０％高い部分が５０ｍｍ以上継続した領域に対して装入層の層厚を３ｍｍ増加させた所、返鉱原単位が１０質量％減少した。返鉱原単位は、焼結、破砕、冷却の後の篩工程において、例えば目開き５ｍｍの篩を通過するものを高炉への装入に適さない返鉱として、該返鉱の質量を篩上となった成品焼結鉱の質量で除することで算出される値である。返鉱原単位は、焼結原料の焼成が不均一になると増加し、焼結原料の焼成が均一になるほど減少する。また、返鉱原単位が減少するということは、整粒後に粒径の大きい成品焼結鉱が多く製造されることを意味するので、焼結鉱の歩留まりは向上し、焼結鉱の強度も向上する。

一方、特許文献２に開示された方法では、風速測定装置を用いて風速を測定しているので、その寸法上の制約からパレットの側壁近傍の風速が測定できない。このため、パレット幅方向両端部（特に４５０～５００ｍｍの範囲）の風速の変動を把握できず、上述した層厚調整が実施できないので、返鉱原単位の減少量は少なくなる。これに対し、本実施形態に係る焼結鉱の製造方法ではパレット側壁近傍を含むパレット幅方向の風速を測定し、当該幅方向の風速偏差が予め設定された範囲内となるように装入層の層厚を調整する。これにより、パレット側壁近傍を含めて焼結原料をパレットの幅方向に均一に焼成でき、この結果、焼結鉱の歩留まりの向上および焼結鉱の強度の向上が実現できる。

１０ ドワイトロイド式焼結機
１２ サージホッパー
１４ ロールフィーダー
１５ パレット
１６ 分割ゲート
１８ レベル計
２０ 点火炉
２２ 風箱
２４ レーザー光源
２６ デジタルカメラ
３０ 制御装置
３２ 制御部
３４ 格納部

Claims (5)

1. 循環移動するパレットに焼結原料を装入して装入層を形成させ、前記装入層の表層を点火炉で点火し、空気を下方に吸引しながら焼結原料を焼成するドワイトロイド式焼結機を用いた焼結鉱の製造方法であって、
   前記パレットの側壁から８００ｍｍ以内を含む前記装入層上方の前記パレットの幅方向の風速を測定し、前記幅方向の風速偏差が予め設定された範囲内となるように前記ドワイトロイド式焼結機の運転条件を調整する、焼結鉱の製造方法。
2. 前記パレットの幅方向にレーザーを照射し、照射位置を複数回撮像して風速を測定する、請求項１に記載の焼結鉱の製造方法。
3. 前記風速を前記パレットの移動方向に異なる２以上の位置で測定する、請求項１または請求項２に記載の焼結鉱の製造方法。
4. 測定される風速から前記パレットの側壁からの距離に応じて定められる風速基準値を減じた実効風速を用いる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の焼結鉱の製造方法。
5. 前記運転条件は、前記装入層における前記パレットの幅方向の層厚分布である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の焼結鉱の製造方法。

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