JP4497419B2 - 微粉原料の造粒方法 - Google Patents
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Description
従来、この焼成の際に焼結原料中の通気性を良好に保ち、焼結機による焼結鉱の生産性を高く保つ目的で、焼結原料の造粒を事前に行っている。この造粒は、一般的に、円筒状のドラムミキサーを使用し、微粉から粗粒物までの幅広い粒度分布を有する焼結原料を一括して転動させ、核となる粗粒物の周囲に微粉を付着させる方法を用いている。そこで、従来から、このような転動造粒を良好に確保するための操作条件が検討されてきた。
例えば、特許文献1には、ドラムミキサーでの原料の占積率を8〜18%に保つことで、また特許文献2には、占積率を9%以上、フルード数を12.8×10-3以上とすることで、焼結原料の転動状態を良好に確保できることが開示されている。
Fr=u2/D/g=D×N2/g
また、特許文献1、2には、ドラムミキサーの焼結原料の占積率を正常転動域内に調整することで、焼結原料の転動状態が良好になるのに対し、占積率がこれより小さくなれば(スリップ域)、ドラムミキサーの内面に対して焼結原料がスリップを起こし、一方占積率が大きくなれば(飛び跳ね域)、ドラムミキサー内の焼結原料が飛び跳ね状態となって、良好な造粒ができないことが示されている。
このように、本願発明の対象とする微粉を主体とする焼結原料では、従来の適正条件においても、焼結原料がスリップ現象を引き起し、安定な転動を確保できないことが判明した。即ち、微粉を主体とする焼結原料の転動現象は、従来の転動現象と大きく異なることが判明し、その結果、微粉を主体とする焼結原料を安定に転動させて造粒する新たな造粒技術を確立する必要が生じた。
前記ドラムミキサーの静止状態で、該ドラムミキサー内の底部に溜まった前記焼結原料の積層厚みを30mm以下にする。
前記ドラムミキサーの前記内面からの前記滑り抑制部材の突出高さを30mm以下とし、前記ドラムミキサーの静止状態で、該ドラムミキサー内の底部に溜まった前記焼結原料の積層厚みを、前記滑り抑制部材の突出高さを超え300mm以下にする。
請求項2及びこれに従属する請求項3記載の微粉原料の造粒方法は、ドラムミキサーの内面に、微粉の焼結原料の滑りを抑制する滑り抑制部材を設け、しかもこの滑り抑制部材の突出高さを規定しているので、滑り抑制部材が無い場合よりも多くの焼結原料を造粒処理でき、造粒物の生産性を向上できる。
特に、請求項3記載の微粉原料の造粒方法は、製造する造粒物の水分含有量を規定するので、造粒物の水分含有量を焼結原料の造粒に適した量に調整でき、必要とする粒度を備えた造粒物の収率を更に向上できる。
ここで、図1は本発明の一実施の形態に係る微粉原料の造粒方法に使用するドラムミキサーの正断面図、図2は従来技術における造粒条件と造粒状況との関係を示す説明図、図3(A)は粗粒物と微粉が混在する原料の転動状態を示す説明図、(B)は微粉を主体とする原料の転動状態を示す説明図、図4は鉄鉱石原料の積層厚み及びドラムミキサーの直径と目標粒度の造粒物の収率との関係を示す説明図、図5はドラムミキサー内の鉄鉱石原料の積層状態を示す説明図、図6はドラムミキサー内の鉄鉱石原料の積層厚みと原料の造粒性との関係を示す説明図、図7は本発明の他の実施の形態に係る微粉原料の造粒方法に使用するドラムミキサーの正断面図、図8はリフター高さ及び鉄鉱石原料の積層厚みと目標粒度の造粒物の収率との関係を示す説明図である。
ここで、焼結原料10は、粒径250μm以下の粒子を60質量%以上含むものであり、鉄鉱石原料を主体(例えば、焼結原料の50質量%を超え、更に好ましくは60質量%〜70質量%程度である)とし、例えば、焼結鉱の微粉部分を再度焼結原料として使用する返鉱(約20質量%程度)、粉コークス等の燃料(5質量%弱、約4質量%程度)、生石灰及び蛇紋岩を含む副原料(約10質量%程度)を含むものである。
また、焼結原料を構成する鉄鉱石原料は、焼結原料と同様、粒径250μm以下の粒子を60質量%以上含むものであり、例えば、微粉を多量に含む原料、篩選別により前記構成に調整した原料、微粉のみを篩選別により分離した原料、更には粉砕した原料を使用できる。
この鉄鉱石原料は、例えば、褐鉄鉱(Fe2O3・nH2O)、磁鉄鉱(Fe3O4)、及び赤鉄鉱(Fe2O3)のいずれか1又は2以上である。なお、褐鉄鉱としては、例えば、マラマンバ鉱石(産地銘柄:ウエストアンジェラス)、ピソライト鉱石(産地銘柄:ヤンディー、ローブリバー)、及び高燐ブロックマン鉱石がある。なお、鉄鉱石原料の構成としては、例えば、塊状鉱石を篩った後の篩下粉と、微粉が多い輸入鉄鉱石(例えば、マラマンバ鉱石)とを、1対6の比率に配合したものがある。
このことから、本実施の形態では、粒径250μm以下、好ましくは220μm以下、更に好ましくは200μm以下の粒子を、60質量%以上、好ましくは70質量%以上、更に好ましくは80質量%以上含む焼結原料を混練の対象とする。なお、微粉の粒子量の上限を規定していないのは、全て微粉であってもよいためであり、焼結原料は、例えば、粒径が1mm以下の粒子が100質量%であってもよい。
このように、本実施の形態では、微粉を主体とする焼結原料を対象としているため、焼結原料に更に微粉の含鉄原料を含ませることもできる。この含鉄原料は、例えば、ダスト(混練ダスト又は粉塵ダスト)及びペレット原料(ペレットフィードともいう)のいずれか1又は2を使用できる。このダストの粒径は100μm以下程度であり、ペレット原料の粒径は250μm以下程度である。
前記した焼結原料を、ドラムミキサー12を使用して単に造粒しても、焼結機(図示しない)への供給に適した目標とする粒度分布3mm以上10mm以下(以下、単に目標粒度ともいう)の造粒物を高い収率(本実施の形態では50質量%以上)で得ることができない。そこで、目標粒度の造粒物を高い収率で得るため、以下の検討を行った。
この占積率は、ドラムミキサーによる造粒物の生産性を高くする場合、可能な限り大きくすることが好ましいが、良好な造粒を行うために、焼結原料の正常な転動を確保できる領域、即ち正常転動域に設定する必要がある。なお、この正常転動域は、従来の粗粒物から微粉までが混在した焼結原料の造粒操作では、占積率が8〜18%程度の範囲に相当する。
本願発明においては、微粉を主体とする焼結原料を用いることから、その影響で転動状況がどのように変化するかを実験用ドラムミキサーを用いて詳細に調査した。その結果、内面が平滑なドラムミキサーを用い、焼結原料の占積率が正常転動域になるように、ドラムミキサー内に焼結原料を積層した場合、焼結原料が転動せず、積層されたままドラムミキサーの内面を滑る状態となった。
このことから、ドラムミキサー内で微粉を主体とする焼結原料を転動させるためには、占積率を従来技術よりかなり低減する必要があった。これは、微粉を主体とした焼結原料を造粒するため、造粒に必要な水分レベルを従来より上げる必要があるが、これによって粉体の付着性が増し粉体層の凝集力が強くなるため、この粉体層を解砕して転動させるには、従来より大きな力を要することから推定される。
図3(A)に示すように、粗粒物と微粉が混在する原料の場合、粗粒物がドラムミキサーの内面からせん断力を受けて活発に転動することで、微粉も含めた粉体層全体の流動性が確保されるため、比較的大きな占積率でも原料の転動性を確保できると考えられる。
一方、図3(B)に示すように、微粉を主体とする原料の場合、ドラムミキサーの内面近傍の粒子は、せん断力を受けるため転動するものの、粒子個々の慣性力が小さいため、層全体へ転動力が伝わりにくくなる。また一方で、比表面積が相対的に大きいことから、原料の表面を湿潤させるのに要する水分量が多くなるため、原料同士の付着性が増し、団塊化し易くなり、一層転動しにくい条件になると考えられる。
また、ここで、原料の転動に及ぼすドラムミキサーの規模の影響を調査した結果を、図4を参照しながら説明する。なお、焼結原料はその主成分が鉄鉱石原料であり、その粒度分布は同様であるため、原料として鉄鉱石原料を使用し調査した(以下に示す図5、図6、及び図8についても同様)。また、ドラムミキサーとしては、直径0.55m(●)と直径1m(△)のものを使用した。ここで、ドラムミキサーの直径が0.55mの場合、その回転数を35rpm、造粒処理時間を2分とし、またドラムミキサーの直径が1mの場合、その回転数を20rpmとし、造粒処理時間を2分として、ドラムミキサーへの鉄鉱石原料の投入速度を種々変更することで、鉄鉱石原料の積層厚みh1を変え、水分含有量が9.5質量%の造粒物をそれぞれ製造した。また、評価は、最終的に得られる目標粒度を備えた造粒物の収率(目標値:50質量%)で行った。
ここで、焼結原料の代わりに使用した鉄鉱石原料の積層厚みh1が、ドラムミキサーの直径に関係なく決定される根拠を、図5、図6を参照しながら説明する。
図5は、ドラムミキサー12が停止した状態での鉄鉱石原料(焼結原料10)の積層状態を示しており、鉄鉱石原料の転動力は、鉄鉱石原料が接触するドラムミキサー12の内面11の面積Sから、体積Vの鉄鉱石原料に対して与えられると考えることができる。即ち、SとVのバランスを示す(V/S)が、鉄鉱石原料の転動状態(原料の造粒性)を決定すると考えられ、(V/S)が大きくなることで鉄鉱石原料の転動力が不足し、スリップ状態になると想定される。
以上のことから、内面11が平滑なドラムミキサー12を使用し、焼結原料10を造粒して造粒物を製造する場合、ドラムミキサー12の静止状態で、ドラムミキサー12内の底部13に溜まった焼結原料10の積層厚みh1を30mm以下にする。なお、最終的に得られる粒度3mm以上10mm以下の造粒物の収率を更に向上させるためには、積層厚みh1を25mm以下、更には20mm以下にすることが好ましい。一方、焼結原料の積層厚みh1が小さくなるに伴って、前記した造粒物の収率を向上できるため、下限値については規定していないが、造粒物の生産性を考慮すれば、焼結原料の積層厚みh1を5mm以上、更には10mm以上にすることが好ましい。
そこで、図7に示すように、ドラムミキサー15の内面16に設け、焼結原料10の滑りを抑制する複数のリフター(滑り抑制部材の一例)17を活用した。
このリフター17は、ドラムミキサー15の内側に、周方向に等間隔(等角度)に複数個、例えば、ドラムミキサー15の規模に応じて4個以上12以下(ここでは、8個)程度設けられ、しかもドラムミキサー15の長手方向に渡って直線的かつ連続的に設けられている。なお、リフターは、ドラムミキサーの軸心を中心として螺旋状に設けてもよく、また、ドラムミキサーの長手方向に渡って断続的に設けてもよい。
ここで、リフター17の突出高さHと鉄鉱石原料の積層厚みh2による目標粒度の造粒物の収率の変化を調査した結果を、図8を参照しながら説明する。なお、ここでは、ドラムミキサーとして、直径が1.0mのものを使用し、その回転数を20rpm、造粒処理時間を2分として、鉄鉱石原料の投入速度を種々変更することで、鉄鉱石原料の積層厚みh2を変え、水分含有量が9.5質量%の造粒物を製造した。
以上のことから、内面16に複数のリフター17が設けられたドラムミキサー15を使用し、焼結原料10を造粒して造粒物を製造する場合、リフター17の突出高さHを30mm以下とし、ドラムミキサー15の静止状態で、ドラムミキサー15内の底部18に溜まった焼結原料10の積層厚みh2を300mm以下にする。
また、目標粒度の造粒物の収率を更に向上させるためには、焼結原料の積層厚みh2を250mm以下、更には230mm以下にすることが好ましい。一方、焼結原料の積層厚みh2の下限値は、前記したように、ドラムミキサーの底部であって、ドラムミキサーの内面からリフターの上端までに存在する焼結原料が、リフターに阻まれて転動できないため、リフターの突出高さHよりも高くした。なお、目標粒度の造粒物を安定に製造し、しかもその収率を更に向上させるためには、焼結原料の積層厚みh2を、{(リフターの突出高さH)+20}mm以上、更には、100mm以上にすることが好ましい。
ここで、造粒物の水分含有量が8質量%未満の場合、水分不足に起因して造粒不足となり、一方、12質量%を超える場合、例えば、造粒過剰となって粗大粒が増加したり、またドラムミキサーの内面へ原料が付着する恐れがあるため、造粒性を保つことが困難となる。
以上の結果に基づき、ドラムミキサー12を使用して、焼結原料10を、例えば1分以上(上限は特にないが5分程度)造粒処理することにより、粒度分布3mm以上10mm以下の造粒物の収率を50質量%以上にできる。なお、製造した造粒物は、必要に応じて篩選別機で篩分けされた後、更に乾燥機(図示しない)で乾燥処理され、焼結機へ供給される。
ここでは、直径1mの実験用ドラムミキサーを使用して、(1)原料の積層厚みと目標粒度(3mm以上10mm以下)の造粒物の収率(目標50質量%以上)との関係、(2)リフターの突出高さ及び原料の積層厚みと目標粒度の造粒物の収率との関係を検討した結果と、この検討結果に基づき、実機用ドラムミキサーを使用して、前記(1)、(2)の関係を検討した結果について説明する。なお、実機用ドラムミキサーとしては、直径が、例えば、2m以上4m以下のものがあるが、ここでは、3mのものについて検討した。
まず、直径1mの実験用ドラムミキサーを使用し、その回転数を20rpm、造粒処理時間を2分として、原料の投入速度を種々変更することで、原料の積層厚みを変え、水分含有量が9.5質量%の造粒物を製造した結果について、表1を参照しながら説明する。なお、前記したように、焼結原料はその主成分が鉄鉱石原料であり、その粒度分布は鉄鉱石原料と同様であるため、原料として、粒径250μm以下の粒子を60質量%含む鉄鉱石原料を使用した。
一方、内面にリフターを備えたドラムミキサーを使用した場合、リフター高さが5mm以上30mm以下の範囲においては、鉄鉱石原料の積層厚みをリフター高さよりも高くすることで、目標粒度の造粒物の収率を従来よりも向上でき、特に100mm以上300mm以下までの範囲で、目標収率50質量%以上を得ることができた。しかし、鉄鉱石原料の積層厚みを400mmまで上昇させると、鉄鉱石原料の転動状態が悪化して造粒物の収率が低下した。また、リフター高さを30mmまで高くすると、鉄鉱石原料の掻き上げ傾向が顕著となって、目標粒度の造粒物の収率が低下する傾向が見られたが、目標収率50質量%以上は確保できた。
次に、この知見に基づいて、直径3mの実機用ドラムミキサーを使用し、その回転数を6.5rpm、造粒処理時間を2分として、鉄鉱石原料の投入速度を種々変更することで、鉄鉱石原料の積層厚みを変え、水分含有量が9.5質量%の造粒物を製造した結果について、表2を参照しながら説明する。なお、ここでは、従来方法との比較のため、ドラムミキサーの断面積に占める鉄鉱石原料の面積割合を示した数値、即ち占積率を併記した。
また、表2において、リフター無しのドラムミキサーを使用した場合、積層厚みが30mm以下で目標粒度の造粒物の収率は高められるが、鉄鉱石原料の占積率が1%未満であり、造粒物の生産性の観点からは好ましくなかった。しかし、リフター有りのドラムミキサーを使用することで、鉄鉱石原料の積層厚みを300mm(特に好ましくは230mm)、即ち占積率で5質量%程度(特に好ましくは3.5%)まで上昇させても、目標粒度の造粒物の収率50質量%を確保することができ、造粒物の生産性を向上できることを確認できた。
まず、リフター無しのドラムミキサーを使用し、積層厚み30mmと100mmにおける目標粒度の造粒物の収率を比較した。表2に示すように、微粉の粒子を60質量%含む鉄鉱石原料を使用した場合、積層厚みを100mmから30mmへと変えることで、目標粒度の造粒物の収率が12質量%から59質量%へと5倍程度増加した。一方、微粉の粒子を70質量%含む鉄鉱石原料を使用した場合、目標粒度の造粒物の収率が9質量%から65質量%へと7倍以上増加した。
このことから、本願発明の微粉原料の造粒方法は、微粉割合が増加するほど、その効果が顕著に現れることを確認できた。
このことから、目標粒度の造粒物の収率の更なる向上を図るには、造粒物の水分含有量を8質量%以上11質量%以下の範囲に設定することが好ましい。
以上の結果から、本願発明の微粉原料の造粒方法を使用することで、微粉を主体とする焼結原料から、目標とする粒度分布を備えた造粒物を、収率よく製造できることを確認できた。
Claims (3)
- 粒径250μm以下の粒子を60質量%以上含む焼結原料を、直径が0.55〜4m、回転数が6.5〜35rpmである、内面が平滑なドラムミキサーで造粒して造粒物を製造する方法であって、
前記ドラムミキサーの静止状態で、該ドラムミキサー内の底部に溜まった前記焼結原料の積層厚みを30mm以下にすることを特徴とする微粉原料の造粒方法。 - 粒径250μm以下の粒子を60質量%以上含む焼結原料を、内面から突出させて設けられ前記焼結原料の滑りを抑制する複数の滑り抑制部材を備え、直径が0.55〜4m、回転数が6.5〜35rpmであるドラムミキサーで造粒して造粒物を製造する方法であって、
前記ドラムミキサーの前記内面からの前記滑り抑制部材の突出高さを30mm以下とし、前記ドラムミキサーの静止状態で、該ドラムミキサー内の底部に溜まった前記焼結原料の積層厚みを、前記滑り抑制部材の突出高さを超え300mm以下にすることを特徴とする微粉原料の造粒方法。 - 請求項1及び2のいずれか1項に記載の微粉原料の造粒方法において、前記造粒物の水分含有量を8質量%以上11質量%以下の範囲にすることを特徴とする微粉原料の造粒方法。
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