JP4379097B2 - 焼結用擬似粒子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、焼結用擬似粒子およびその製造技術に関し、特に、高炉用焼結鉱を製造する下方吸引の焼結機に供される焼結用擬似粒子の製造等に適用して有効な技術に関する。
高炉用原料として用いられる焼結鉱は、一般的に次のような焼結原料の処理方法を経て製造されている。図６に示すように、まず、粒径が１０ｍｍ以下の鉄鉱石１、および珪石、蛇紋岩または、ニッケルスラグなどからなるＳｉＯ２含有原料２、石灰石などのＣａＯを含有する石灰石系粉原料３、および粉コークスまたは無煙炭などの熱源となる固体燃料系粉原料４をドラムミキサー５を用いて、これに適当量の水分を添加して混合、造粒して擬似粒子と呼ばれる造粒物を形成する。この造粒物からなる配合原料は、ドワイドロイド式焼結機のパレット上に適当な厚さ例えば５００〜７００ｍｍになるように装入して表層部の固体燃料に着火し、着火後は下方に向けて空気を吸引しながら固体燃料を燃焼させ、その燃焼熱によって配合した焼結原料を焼結させて焼結ケーキとする。この焼結ケーキは破砕、整粒され、一定の粒径以上の焼結鉱を得る。一方、それ未満の粒径を有するものは返鉱となり、焼結原料として再利用される。
現在、この焼結プロセスに望まれるものとしては、同じ高炉装入原料であるベレットや塊状の鉄鉱石に対して、価格と品質での優位性を維持すべく、その生産性の向上と高炉の操業を大きく左右する因子である被還元性（ＪＩＳ Ｍ８７１３で定義）と冷間強度の改善が挙げられる。
近年、焼結性に優れるヘマタイト系鉱石（Ｆｅ２Ｏ３）の枯渇に伴い、劣質のリモナイト系鉱石（Ｆｅ２Ｏ３とｎＨ２Ｏ）が増加する傾向にあり、これに伴い、焼結鉱の生産性が低下し、他の高炉装入原料に対する経済的な優位性の確保だけでなく、資源の有効利用の観点からも、焼結鉱の生産性の向上技術が望まれていた。
また、焼結鉱の被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）と、高炉で焼結鉱を還元して銑鉄を製造するのに使用するコークス比との間には高い相関があることは良く知られている。焼結鉱の被還元性を向上させると、高炉での燃料比を低減できるため、被還元性の向上は、経済的な観点ばかりでなく、最近、地球的な規模で問題となっている炭酸ガスの排出削減の観点からも大変有効なものである。
さらに、製造された成品焼結鉱の冷間強度も高炉での通気性を確保する上での重要な因子であり、各々の高炉では、冷間強度の下限基準を設けて、操業を行っている。したがって、高炉にとって望ましい焼結鉱とは、被還元性に優れ、冷間強度が高いものであると言える。
表１に焼結鉱を形成する主要鉱物組織であるカルシウムフェライト（ＣＦ）：ＣａＯ・ｎＦｅ２Ｏ３、ヘマタイト（Ｈｅ）：Ｆｅ２Ｏ３、カルシウムシリケート（ＣＳ）：ＣａＯ・ＳｉＯ２、マグネタイト（Ｍｇ）：Ｆｅ３Ｏ４の４つの被還元性、引張強度を示す。この表１に示すように、被還元性の高いものはヘマタイト（Ｈｅ）であり、引張強度の高いものはカルシウムフェライト（ＣＦ）である。
以上のようなことから、望ましい焼結鉱組織とは、塊表面に強度の高いカルシウムフェライト（ＣＦ）を、塊内部に向かっては被還元性の高いヘマタイト（Ｈｅ）を選択的に生成させたものであり、被還元性や強度が低いカルシウムシリケ‐卜（ＣＳ）は可能な限り生成させないようにすべきである。
しかし、従来は、前述したように鉄鉱石、ＳｉＯ２含有原料、石灰石系粉原料、固体燃料系粉原料を同時に混合・造粒しているため、参考技術として図７に示すように、擬似粒子構造では粗粒の核鉱石の周囲に粉鉱石、石灰、コークスが混在しており、焼結により得られた焼結鉱構造ではヘマタイト（Ｈｅ）、カルシウムフェライト（ＣＦ）、カルシウムシリケート（ＣＳ）、マグネタイト（Ｍｇ）の４つの鉱物組織が混在することになる。
そこで、これまでにカルシウムフェライト（ＣＦ）とヘマタイト（Ｈｅ）を多く生成する方法が試みられてきた。例えば、カルシウムシリケート（ＣＳ）は高温で焼結した場合に多く生成することから、特許文献１では粉状の鉄鉱石にバインダーや石灰石を加えて造粒した後に、熱源である粉コークスを表面に被覆することでコークスの燃焼性を改善し、低温で焼結させて被還元性を向上する技術が提案されている。
しかしながら、前記特許文献１に提案された従来方法では、ＣａＯと鉄系原料中のＳｉＯ２やＳｉＯ２系原料が近接しているため、どうしてもカルシウムシリケート（ＣＳ）が多く生成してしまい、カルシウムフェライト（ＣＦ）とヘマタイト（Ｈｅ）を主体とする構造には必ずしもならない場合も多かった。
このため、本発明者らは、鉄鉱石とＳｉＯ２含有原料を、石灰石系原料と固体燃料系原料から分離して段階的に擬似粒子にすることにより、塊表面には強度の高いカルシウムフェライト（ＣＦ）を、一方、塊内部に向かっては被還元性の高いヘマタイト（Ｈｅ）を選択的に生成させた構造の焼結鉱を製造し、冷間強度を向上させ、かつ、焼結鉱の被還元性を改善する技術を提案した（特許文献２）。
ところで、上記特許文献２では、擬似粒子の冷間強度が向上するものの、常に十分とは言えず、冷間強度の要求レベルが比較的高い高炉の場合には、冷間強度の下限基準を満たすことができない懸念がある、という技術的課題があった。
本発明の目的は、段階的な擬似粒子の製造にて得られる焼結原料の被還元性や生産率を大きく損なうことなく、冷間強度を向上させることが可能な焼結用擬似粒子の製造技術を提供することにある。
本発明の第１の観点は、焼結鉱を製造するための擬似粒子であって、平均粒径が２ｍｍ以上の粗粒の鉄鉱石からなる核粒子およびこの核粒子を被覆する平均粒径が２ｍｍ未満の鉄鉱石を主体とする第１被覆層からなる造粒粒子と、前記造粒粒子を被覆する石灰石系副原料および炭材からなる第２被覆層とを有し、前記第１被覆層は、前記造粒粒子全体の０．１質量％以上、２質量％以下の石灰石系副原料を含むことを特徴とする焼結用擬似粒子を提供する。
本発明の第２の観点は、焼結鉱を製造するプロセスの事前処理として、ドラムミキサーの装入口から鉄鉱石を主体とする原料を装入して造粒すると共に、前記鉄鉱石を主体とする原料が前記ドラムミキサーの排出口に到達するまでの領域で石灰石系副原料および炭材を添加することでさらに造粒して擬似粒子を製造するに際し、最初に前記ドラムミキサーの装入口から装入する前記鉄鉱石を主体とする原料中に、当該鉄鉱石を主体とする原料の全体の０．１質量％以上、２質量％以下の石灰石系副原料を混在させることを特徴とする焼結用擬似粒子の製造方法を提供する。
本発明の第３の観点は、焼結鉱を製造するプロセスの事前処理として、鉄鉱石を主体とする原料を造粒する第１工程と、炭材および石灰石系副原料で前記第１工程で造粒した造粒粒子を被覆する第２工程とを実施することで擬似粒子を製造する焼結用擬似粒子の製造方法であって、前記第１工程では、前記鉄鉱石を主体とする原料に当該鉄鉱石を主体とする原料の全体の０．１質量％以上、２質量％以下の石灰石系副原料を混在させることを特徴とする焼結用擬似粒子の製造方法を提供する。
上記特許文献２に示すように、鉄鉱石とＳｉＯ２含有原料を、石灰石系原料と固体燃料系原料から分離して段階的に擬似粒子にすることにより、塊表面には強度の高いカルシウムフェライト（ＣＦ）を、一方、塊内部に向かっては被還元性の高いヘマタイト（Ｈｅ）を選択的に生成させた構造の焼結鉱を製造し、冷間強度を向上させ、かつ、焼結鉱の被還元性を改善することが可能であるが、本発明者らの研究によれば、核となる粒子部分に石灰石系副原料を全く含まない場合には、冷間強度の最大値が得られず、核粒子部分の全体に対して２質量％以下の範囲に冷間強度のピークが存在するという知見が得られた。
すなわち、鉄鉱石とＳｉＯ２含有原料を、石灰石系原料と固体燃料系原料から分離して段階的に擬似粒子にする場合において、必要に応じて、核粒子部分にその２質量％以下の石灰石系副原料を含ませることにより、段階的な擬似粒子の製造にて得られる焼結原料の被還元性や生産率を大きく損なうことなく、冷間強度の下限値が比較的高い高炉に供される焼結用擬似粒子の製造が可能となる。
本発明の擬似粒子の製造技術によれば、段階的な擬似粒子の製造にて得られる焼結原料の被還元性や生産率を大きく損なうことなく、冷間強度を向上させることができる、という効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である焼結用擬似粒子の製造方法における造粒工程の一例を示す概念図である。
本実施の形態の場合、ドラムミキサー５は、基本的に、装入口５ａから供給された粉体を回転動作にて造粒しつつ、排出口５ｂから排出する動作を行う。
本実施の形態の場合、装入口５ａからは、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２、さらにはこれらの２質量％以下の割合の石灰石系粉原料３（石灰石系副原料）が供給される。また、必要に応じて適量の水が添加される。この状態でドラムミキサー５を用いてこれら原料を造粒し、図４に示す平均粒径が２ｍｍ以上の粗粒の鉄鉱石からなる核粒子１１の外側を覆うように、平均粒径が２ｍｍ未満の鉄鉱石を主体とし、さらにＳｉＯ２含有原料を含む第１被覆層１２を形成して、造粒粒子とする。一方、石灰石系粉原料３の残部および固体燃料系粉原料４（炭材）が排出口５ｂの側から供給され、これらが上記造粒粒子に被覆されて図４に示す第２被覆層１３を構成する。
図１は、本発明の一実施の形態である焼結用擬似粒子の製造方法における造粒工程の一例を示す概念図である。
本実施の形態の場合、ドラムミキサー５は、基本的に、装入口５ａから供給された粉体を回転動作にて造粒しつつ、排出口５ｂから排出する動作を行う。
本実施の形態の場合、装入口５ａからは、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２、さらにはこれらの２質量％以下の割合の石灰石系粉原料３（石灰石系副原料）が供給される。また、必要に応じて適量の水が添加される。この状態でドラムミキサー５を用いてこれら原料を造粒し、図４に示す平均粒径が２ｍｍ以上の粗粒の鉄鉱石からなる核粒子１１の外側を覆うように、平均粒径が２ｍｍ未満の鉄鉱石を主体とし、さらにＳｉＯ２含有原料を含む第１被覆層１２を形成して、造粒粒子とする。一方、石灰石系粉原料３の残部および固体燃料系粉原料４（炭材）が排出口５ｂの側から供給され、これらが上記造粒粒子に被覆されて図４に示す第２被覆層１３を構成する。
なお、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２には、たとえば原料ヤードで混入するコークス粉末等の炭材が若干量（たとえば、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２の全量に対して１．５質量％以下）含まれていても良い。また、ＳｉＯ２含有原料は必須なものではない。
石灰石系粉原料３の全体の配合割合は、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２の合計量の７〜１８質量％であり、固体燃料系粉原料４の配合割合は、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２の合計量の３．０〜６．０質量％であることが好ましい。
石灰石系粉原料３の全体の配合割合は、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２の合計量の７〜１８質量％であり、固体燃料系粉原料４の配合割合は、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２の合計量の３．０〜６．０質量％であることが好ましい。
上記特許文献２に記載されているように、ＳｉＯ２を多く含有する鉄鉱石１やＳｉＯ２含有原料２を、石灰石系粉原料３と固体燃料系粉原料４から分離して造粒することにより、まず核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子を形成すること、及び石灰石系粉原料３と固体燃料系粉原料４を造粒の後半の過程で添加してさらに造粒することで、石灰石系粉原料３と固体燃料系粉原料４を焼結原料の外装部に第２被覆層１３として付着・形成させることにより、図４（ａ）に例示される構造の擬似粒子１０を形成し、この擬似粒子１０を焼結工程に供することにより、焼結過程におけるＣａＯとＳｉＯ２の反応を遅らせ、被還元性が悪く、冷間強度も低いカルシウムシリケート（ＣＳ）の生成を抑制することができる。これにより、図４（ｂ）に例示されるように、焼結鉱表面に強度の高いカルシウムフェライト相１０ａ（ＣＦ）を、焼結鉱内部に向かっては被還元性の高いヘマタイト相１０ｂ（Ｈｅ）を選択的に生成させた好ましい構造を有する焼結鉱が形成される。なお、図４（ｂ）の焼結鉱の各相には焼結時に形成された気孔１０ｃが分散して存在している。
しかし、核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子に、全く石灰石系粉原料３を添加しない場合、被還元性や生産率の向上の観点からは好ましいものの、冷間強度が要求レベルを満たさない場合が生じる。
すなわち、個々の高炉によって冷間強度の下限値は様々であり、たとえば、冷間強度の下限値として、７０ＴＩが要求される高炉の場合には、核粒子１１に対して石灰石系粉原料３が無添加の擬似粒子１０は焼結原料として用いることができない、という問題を生じる。
図３は、核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子に内装する石灰石系副原料（石灰石系粉原料３）の含有量（質量％）と冷間強度（タンブラー強度：ＴＩ）との関係を示すグラフである。この図３からわかるように、核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子の全体に対して石灰石系副原料を内装すると、ほぼ１．０質量％の添加量付近まで冷間強度が急激に上昇し、そこをピーク（ほぼ、７２．０ＴＩ）として漸減する。
そこで、本実施の形態の場合には、たとえば高炉毎に要求される冷間強度の下限値等に応じて、核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子の全体質量に対して、２．０質量％以下の石灰石系粉原料３を適宜添加して、当該核粒子１１の造粒を行うことで、個々の高炉にて要求される冷間強度の下限値を満たすように、冷間強度の向上を図る。
すなわち、本実施の形態では、図４（ａ）、（ｂ）の基本構造を維持したまま、冷間強度のさらなる向上を図ったものである。
すなわち、本実施の形態では、図４（ａ）、（ｂ）の基本構造を維持したまま、冷間強度のさらなる向上を図ったものである。
核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子に対する石灰石系粉原料３の添加量の上限値として、２．０質量％と規定したのは、得られる焼結鉱の被還元性（ＪＩＳ−ＲＩ）および焼結工程での生産率の低下との兼ね合いに基づくものである。すなわち、核粒子１１に対して２．０質量％超の石灰石系粉原料３を添加しても、冷間強度向上の効果は低く、被還元性や生産率の低下による弊害が顕著となり、内装される石灰石系粉原料３も無駄になるからである。
この場合、核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子の造粒時における石灰石系粉原料３の添加量の下限は、実操業上において、核粒子１１の原料である何万トンもの大量の鉄鉱石１やＳｉＯ２含有原料２に対する石灰石系粉原料３の均一な添加の制御精度の限界から、０．１質量％以上であり、冷間強度の向上の効果や、添加量の制御精度等の観点から、工業的には、０．５質量％以上が好ましい。
図３から明らかなように、この本実施の形態の下限値である０．１質量％から１．０質量％までは冷間強度が急峻に増加する範囲であり、下限値の近傍でも十分に高い冷間強度が得られる。換言すれば、石灰石系粉原料３の核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子に対する添加量を１．０質量％以下の下限値近傍に抑制しても、被還元性や生産率を損なうことなく、目的とする高い冷間強度を得ることが可能になる。
なお、擬似粒子１０の造粒方法としては、単独のドラムミキサー５にて造粒することに限らず、図２に例示されるように、複数のドラムミキサー５およびドラムミキサー６を直列に配置して行っても良い。
すなわち、前段のドラムミキサー５では、鉄鉱石１およびＳｉＯ２含有原料２、さらには石灰石系粉原料３を装入口５ａから供給して核粒子１１および第１被覆層１２までの造粒を行い、この第１被覆層１２まで造粒された粒子を、排出口５ｂから、後段のドラムミキサー６の装入口６ａに、石灰石系粉原料３および固体燃料系粉原料４とともに装入して造粒することで、第２被覆層１３を形成し、排出口６ｂから最終的に擬似粒子１０を得るようにしてもよい。
また、図５に、本実施の形態において擬似粒子１０のような構造とし、核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子に石灰石系粉原料３を２．０質量％以下で添加することによって得られる各種の効果の関係の一例を示す。まず、核粒子１１および第１被覆層１２からなる造粒粒子に２．０質量％以下、望ましくは１．０質量％以下の石灰石系粉原料３を添加することにより、コア部分に適量形成される冷間強度の高いカルシウムフェライト（ＣＦ）の作用により、上述の図３に示すように、高い冷間強度を得ることができる。これにより、冷間強度の下限値が比較的高い高炉においても、操業の安定化等を実現できる。
焼結鉱の被還元性の向上に関しては、前述のように、石灰石の外装化により残留ヘマタイトを増加させるとともに、コークスを外装化することで、コークスと吸引空気との接触確率を増加させて、コークスの燃焼性を改善し、焼結過程でのコークス比の低減を図り、これも残留ヘマタイトの増加による被還元性の向上を図るものである。
また、焼結鉱の生産性の向上に関しては、石灰石の外装化による焼結過程での生成融液の流動性の改善による熱間の通気性改善とともに、コークスの外装化による燃焼性の改善と擬似粒子径の増加による冷間の通気性の改善を狙うものである。
本発明は、高炉に製鉄原料として供される一般の焼結原料に広く適用することができる。
１…鉄鉱石
２…ＳｉＯ２含有原料
３…石灰石系粉原料（石灰石系副原料）
４…固体燃料系粉原料（炭材）
５…ドラムミキサー
５ａ…装入口
５ｂ…排出口
６…ドラムミキサー
６ａ…装入口
６ｂ…排出口
１０…擬似粒子
１１…核粒子
１２…第１被覆層
１３…第２被覆層
１０ａ…カルシウムフェライト相
１０ｂ…ヘマタイト相
１０ｃ…気孔
２…ＳｉＯ２含有原料
３…石灰石系粉原料（石灰石系副原料）
４…固体燃料系粉原料（炭材）
５…ドラムミキサー
５ａ…装入口
５ｂ…排出口
６…ドラムミキサー
６ａ…装入口
６ｂ…排出口
１０…擬似粒子
１１…核粒子
１２…第１被覆層
１３…第２被覆層
１０ａ…カルシウムフェライト相
１０ｂ…ヘマタイト相
１０ｃ…気孔
Claims (4)
- 焼結鉱を製造するための擬似粒子であって、平均粒径が２ｍｍ以上の粗粒の鉄鉱石からなる核粒子およびこの核粒子を被覆する平均粒径が２ｍｍ未満の鉄鉱石を主体とする第１被覆層からなる造粒粒子と、前記造粒粒子を被覆する石灰石系副原料および炭材からなる第２被覆層とを有し、前記第１被覆層は、前記造粒粒子全体の０．１質量％以上、２質量％以下の石灰石系副原料を含むことを特徴とする焼結用擬似粒子。
- 焼結鉱を製造するプロセスの事前処理として、ドラムミキサーの装入口から鉄鉱石を主体とする原料を装入して造粒すると共に、前記鉄鉱石を主体とする原料が前記ドラムミキサーの排出口に到達するまでの領域で石灰石系副原料および炭材を添加することでさらに造粒して擬似粒子を製造するに際し、最初に前記ドラムミキサーの装入口から装入する前記鉄鉱石を主体とする原料中に、当該鉄鉱石を主体とする原料の全体の０．１質量％以上、２質量％以下のの石灰石系副原料を混在させることを特徴とする焼結用擬似粒子の製造方法。
- 焼結鉱を製造するプロセスの事前処理として、鉄鉱石を主体とする原料を造粒する第１工程と、炭材および石灰石系副原料で前記第１工程で造粒した造粒粒子を被覆する第２工程とを実施することで擬似粒子を製造する焼結用擬似粒子の製造方法であって、
前記第１工程では、前記鉄鉱石を主体とする原料に当該鉄鉱石を主体とする原料の全体の０．１質量％以上、２質量％以下の石灰石系副原料を混在させることを特徴とする焼結用擬似粒子の製造方法。 - 造粒機としてドラムミキサーを用い、前記ドラムミキサーの装入口から前記鉄鉱石を主体とする原料および前記石灰石系副原料を装入して造粒する前記第１工程と、前記ドラムミキサーの出口側から石灰石系副原料および炭材を供給して前記第１工程で造粒された造粒粒子を被覆する前記第２工程とを行うことを特徴とする請求項３に記載の焼結用擬似粒子の製造方法。
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