JP4808819B2 - 高炉用の非焼成含炭塊成鉱およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2009年8月21日に、日本に出願された特願2009−191966号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
また、バインダーとして、生石灰やCaO系セメントが多く用いられるため、非焼成含炭塊成鉱中のCaO含有量が高くなる。このため、反応過程で非焼成含炭塊成鉱から生成する融液の粘度が過度に高くなる。これにより、生成メタルの凝集と溶け落ちが阻害される。以上により、高炉の炉下部の通気・通液性を悪化させるといった欠点があった。
例えば、非特許文献1では、焼結鉱の滴下温度はCaO/SiO2に対して非線形に変化し、CaO/SiO2=1.0付近が最も滴下温度が低くなること、及びMgOを増加させると滴下温度が低下することが報告されている。
本発明の一態様に係る高炉用の非焼成含炭塊成鉱は、含鉄原料、含炭原料、及び全原料に対して4〜10質量%のバインダーを混合、混練し、混練物を成形して成形体を得て、次いで前記成形体を養生して製造され、炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、かつ脈石成分のCaO含有量(質量%)が6〜10%、CaO含有量(質量%)とSiO 2 含有量(質量%)の比CaO/SiO 2 が1.0〜2.0であってもよい。
本発明の一態様に係る高炉用の非焼成含炭塊成鉱では、CaO含有量(質量%)、SiO2含有量(質量%)、Al2O3含有量(質量%)、MgO含有量(質量%)および炭素含有量(T.C)(質量%)により表される脈石量((CaO+SiO2+Al2O3+MgO)/(100−炭素含有量(T.C)))の値が0.25以下であり、かつMgO含有量が0.5質量%以上であってもよい。
本発明の一態様に係る高炉用の非焼成含炭塊成鉱の製造方法は、含鉄原料、含炭原料、及び全原料に対して4〜10質量%のバインダーを混合、混練し、混練物を成形して成形体を得る成形体の形成工程と、次いで前記成形体を養生して非焼成含炭塊成鉱を得る工程を有し、前記非焼成含炭塊成鉱の炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、かつ脈石成分のCaO含有量(質量%)が6〜10%、CaO含有量(質量%)とSiO 2 含有量(質量%)の比CaO/SiO 2 が1.0〜2.0となるように、前記成形体の形成工程において、鉱石銘柄、およびバインダー配合量からなる群から選ばれる1つ以上の配合条件を調整してもよい。
本発明の一態様に係る高炉用の非焼成含炭塊成鉱の製造方法では、前記非焼成含炭塊成鉱のCaO含有量(質量%)、SiO2含有量(質量%)、Al2O3含有量(質量%)、MgO含有量(質量%)および炭素含有量(T.C)(質量%)により表される脈石量((CaO+SiO2+Al2O3+MgO)/(100−炭素含有量(T.C)))の値が0.25以下であり、かつMgO含有量が0.5質量%以上となるように、前記成形体の形成工程において、前記配合条件を調整してもよい。
前記成形体の形成工程において、珪石、蛇紋岩、橄欖岩、ドロマイト、ニッケルスラグ、マグネサイト、ブルーサイトから選ばれる副原料、及び高SiO2含有鉱石のうちいずれか一方又は両方をさらに配合し、前記非焼成含炭塊成鉱の炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、脈石成分のSiO 2 含有量(質量%)が5.1〜10%、かつCaO含有量とSiO2含有量の比CaO/SiO2が1.0〜2.0となるように、前記副原料及び高SiO2含有鉱石のうちいずれか一方又は両方の配合量を調整してもよい。
前記成形体の形成工程において、珪石、蛇紋岩、橄欖岩、ドロマイト、ニッケルスラグ、マグネサイト、ブルーサイトから選ばれる副原料、及び高SiO 2 含有鉱石のうちいずれか一方又は両方をさらに配合し、前記非焼成含炭塊成鉱の炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、脈石成分のCaO含有量(質量%)が6〜10%、かつCaO含有量とSiO 2 含有量の比CaO/SiO 2 が1.0〜2.0となるように、前記副原料及び高SiO 2 含有鉱石のうちいずれか一方又は両方の配合量を調整してもよい。
このため、本発明の一態様に係る非焼成含炭塊成鉱を高炉用鉄含有原料の一部として使用すると、高炉操業時の炉下部において良好な通気性を実現できる。また、還元材比(コークス比)を大幅に低減できる。
炭素含有量が18%未満では、脈石成分を調整しても、還元材比を低減する効果が小さくなってしまう。炭素含有量が25質量%を超えると、高炉用に使用されるために必要な最低限の冷間圧潰強度を有することができなくなる。
CaO/SiO2を1.0〜2.0の範囲内の低い値にすることによって、メタル滴下率を向上させることができる。CaO/SiO2が2.0を超える場合、メタル滴下率が50%未満となる。CaO/SiO2が1.0未満の場合、メタル滴下率が向上する効果は飽和してしまう。
脈石量=(CaO+SiO2+Al2O3+MgO)/(100−炭素含有量(T.C))
なお、式中のCaO、SiO2、Al2O3、及びMgOは、それぞれ非焼成含炭塊成鉱中のCaO含有量(質量%)、SiO2含有量(質量%)、Al2O3含有量(質量%)、及びMgO含有量(質量%)を示す。
脈石量の値を0.25以下とすることによって、スラグ量を低下させ、滴下性をさらに改善できる。
使用する鉱石銘柄によって、鉄およびSiO2などの脈石成分の含有量が大きく異なる。したがって、使用する鉱石銘柄を選択することによって、CaO/SiO2値を調整できる。特に、CaO/SiO2値は、SiO2含有量の多い鉱石の配合量によって大きく影響する。
本実施形態で使用する鉱石銘柄としては、インドハイシリシャス、ローブリバー、ヤンディークージナ、リオドセ(イタビラ)、マラマンバなどが挙げられる。
従って、本実施形態の非焼成含炭塊成鉱において、バインダーの含有量は5〜10質量%であることが好ましく、これにより上記したように100kg/cm2以上の冷間圧潰強度が達成できる。
副原料としては、SiO2を主成分とする珪石、MgOを主成分とする蛇紋岩、橄欖岩、ドロマイト、ニッケルスラグ、マグネサイト、ブルーサイトなどが挙げられる。また、高SiO2含有鉱石は、SiO2含有量が3.5質量%以上の鉱石である。
CaO/SiO2は、配合される原料に含まれるCaO量及びSiO2量によって決定される。
本実施形態では、非焼成含炭塊成鉱中のCaO/SiO2が1.0〜2.0となれば、SiO2の添加形態(SiO2を含む原料の形態)に関わらず、一定の効果をもたらすことができる。また、MgOについても、MgO含有量が0.5質量%以上となれば、MgOの添加形態(MgOを含む原料の形態)に関わらず、一定の効果をもたらすことができる。
積極的にCaO/SiO2の値を低減したり、MgO含有量を0.5質量%以上とする場合には、珪石、蛇紋岩、橄欖岩、ドロマイト、ニッケルスラグ、マグネサイト、ブルーサイトなどの副原料や高SiO2含有鉱石を配合することが好ましい。これにより、前述したようにバインダー量に左右されることなく、CaO/SiO2の値やMgO含有量を調整できる。ただし、これら副原料や高SiO2含有鉱石を多量に配合すると、脈石量が増大することになる。このため、脈石量が0.25以下となるように、CaO/SiO2、MgOを調整することが好ましい。
CaO/SiO2が1.5であり、かつMgO含有量が1.5%である焼結鉱と非焼成含炭塊成鉱の1400℃における還元率を測定した。そして、未還元の鉄は全てFeOとしてスラグ中に存在すると仮定して、得られた還元率からスラグ中のFeO濃度を算出した。その結果、スラグ中のFeO濃度は、焼結鉱を使用した場合は34%であり、非焼成含炭塊成鉱を使用した場合は2%であることが分かった。このFeO濃度を用いて、焼結鉱と非焼成含炭塊成鉱について、CaO/SiO2の値又はMgO含有量と、スラグ融点との関係を調べた。なお、スラグ融点(CaO−SiO2−Al2O3−MgO−FeO)は、コンピュータによるシミュレーションから求めた。
図2から明らかなように、焼結鉱と非焼成含炭塊成鉱では、CaO/SiO2がスラグ融点に及ぼす影響の度合いが異なる。これは、高温での還元率(すなわちスラグ中のFeO濃度)の差に起因している。具体的には、焼結鉱では、CaO/SiO2が1.0低下すると、スラグ融点が278℃低下する。これに対して、非焼成含炭塊成鉱では、CaO/SiO2が1.0低下すると、スラグ融点が620℃低下する。このため、非焼成含炭塊成鉱におけるCaO/SiO2の影響は、焼結鉱におけるCaO/SiO2の影響よりも2倍以上大きい。
含鉄原料と含炭原料を粉砕し、バインダー、副原料と共に混合し、混練して混練物を得た。次いで混練物を成形し、成形体を所定期間養生して非焼成含炭塊成鉱を製造した。非焼成含炭塊成鉱の炭素含有量T.C(トータルカーボン)は20質量%とした。またCaO/SiO2とMgO含有量が所定の値となるように、含鉄原料と副原料の配合率を調整した。バインダー(セメント)の配合量は10質量%とした。
具体的には、脈石量((CaO+SiO2+Al2O3+MgO)/(100−炭素含有量(T.C)))を0.22で一定とし、MgO含有量を0.9質量%で一定として、CaO/SiO2が0.5〜2.5の範囲で所定の値となるように、ポルトランドセメントと微粉珪石の配合量を調整した。以上により、脈石成分のCaO/SiO2が0.5〜2.5の範囲でそれぞれ異なる非焼成含炭塊成鉱を製造した。
また、CaO/SiO2を2.0で一定とし、種々のMgO含有量を有する非焼成含炭塊成鉱を製造した。
実際の高炉使用を想定して、非焼成含炭塊成鉱を通常の焼結鉱(CaO/SiO2=1.8)に対して10%の割合で混合した。1600℃まで加熱して還元した段階で、るつぼから滴下したメタル量(率)を測定した。そして、以下の式で定義されるメタル滴下率(%)を計算した。
メタル滴下率(%)=滴下メタル量/(装入した総Fe量×0.95)×100
また焼結鉱のみについても、同様にメタル滴下率を測定した。なお、焼結鉱のメタル滴下率が50%未満となると、融着帯下面が下がり、下部滴下帯領域を狭める。このため、下部通気性が悪化し、安定した操業が困難となる。
得られた結果を表2、図4に示す。
また、図4においては、MgO含有量が1.5%の焼結鉱のCaO/SiO2とメタル滴下率との関係を表す測定結果も示されている。焼結鉱においても、CaO/SiO2の上昇に伴ってメタル滴下率が低下する傾向が見られる。しかし、その変化はゆるやかである。図4の結果からも、非焼成含炭塊成鉱塊と焼結鉱では、優れたメタル滴下性を達成するために具備すべき成分条件が異なることが確認できる。
以上のように、メタル滴下率の向上のためには、CaO/SiO2を1.0〜2.0とする必要がある。CaO/SiO2は、好ましくは1.4〜1.7であり、60%超のメタル滴下率が達成できる。
従って、MgO含有量は0.5質量%以上であることが好ましい。上限は特に設けない。
前述したように脈石量は、以下の式により算出した。
脈石量=(CaO+SiO2+Al2O3+MgO)/(100−炭素含有量(T.C))
得られた結果を表4、図6に示す。
以上の結果から、脈石量((CaO+SiO2+MgO+Al2O3)/(100−TC))が0.25以下となるように非焼成含炭塊成鉱の成分を調整することが好ましい。
MgOが1.0質量%で一定であり、脈石量が0.22で一定であり、CaO/SiO2が0.5、1.0、1.5、2.0、又は2.5、炭素含有量(T.C)が10、15、18、25、又は30質量%となるように、原料の配合比を調整して非焼成含炭塊成鉱を製造した。
前述した方法と同様にしてメタル滴下量(率)を測定した。得られた結果を図7に示す。
前述したように、高炉での安定した操業を実現するためには、メタル滴下率は50%以上である必要がある。CaO/SiO2が1.0〜2.0において、炭素含有量(T.C)が25質量%以下のとき、50%以上のメタル滴下率を達成できることが分かる。従って、炭素含有量(T.C)の上限値を25質量%とする必要がある。
これに対して、本実施形態の非焼成含炭塊成鉱を用いると、高炉内で鉄鉱石と共に本実施形態の非焼成含炭塊成鉱が存在することによって、特に鉱石層の上層での還元効率を大幅に向上させることができる。
しかし、炭素含有量が高い非焼成含炭塊成鉱では、前述したように、特に塩基度(CaO/SiO2)によるスラグ融点への影響が大きい(図2)。本実施形態では、前述した発明者等の研究結果に基づいて、炭素含有量(T.C)及びCaO/SiO2を規定することによって、良好なメタル滴下性を達成している。このため、滴下帯と炉芯部のスラグホールドアップ量が減少し、良好な通気性を確保できる。
さらに、前述したように、高炉内で鉄鉱石と共に本実施形態の非焼成含炭塊成鉱が存在することによって、特に鉱石層の上層での還元効率を大幅に向上させることができる。還元が行われ難い鉱石層の上層での還元効率を大幅に向上できるため、高炉全体での還元効率は大幅に向上することとなる。このため、本実施形態の非焼成含炭塊成鉱中の炭素量の余剰分と同量のコークス量よりも多い量の還元材を低減できる。
セメント(早強ポルトランドセメント)の配合比率が4〜9質量%であり、炭材および微粉状鉄含有原料の配合割合が種々の値となるように、原料の配合量を調整した。これら原料を水分と共に混合し、アイリッヒミキサーで混錬した。得られた混練物をパンペレタイザーで造粒(成形)して生ペレットを得た。次いで、生ペレットを、2週間、天日養生して非焼成含炭塊成鉱を製造した。なお、生ペレットの水分は、配合するセメント量に応じて10〜14質量%に調整した。
前述した方法により、非焼成含炭塊成鉱のスラグ融点及びメタル滴下率を測定した。
また、有効容積5500m3の高炉において、原料の一部として、50kg/tpの量の非焼成含炭塊成鉱を使用して、高炉の操業を行った。そして、高炉の操業における上部K値、下部K値、風圧変動、及び還元材比を測定し、約1ヶ月間の操業結果の平均値を求めた。結果を表6に示す。
このため、本発明の一態様に係る非焼成含炭塊成鉱を高炉用鉄含有原料の一部として使用すると、高炉操業時の炉下部において良好な通気性を実現でき、還元材比(コークス比)を大幅に低減できる。
従って、本発明の一態様は、高炉で使用される含炭塊成鉱に係る技術分野に好適に適用できる。
Claims (8)
- 含鉄原料、含炭原料、及び全原料に対して4〜10質量%のバインダーを混合、混練し、混練物を成形して成形体を得て、次いで前記成形体を養生して製造され、
炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、かつ脈石成分のSiO 2 含有量(質量%)が5.1〜10%、CaO含有量(質量%)とSiO2含有量(質量%)の比CaO/SiO2が1.0〜2.0であることを特徴とする高炉用の非焼成含炭塊成鉱。 - 含鉄原料、含炭原料、及び全原料に対して4〜10質量%のバインダーを混合、混練し、混練物を成形して成形体を得て、次いで前記成形体を養生して製造され、
炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、かつ脈石成分のCaO含有量(質量%)が6〜10%、CaO含有量(質量%)とSiO2含有量(質量%)の比CaO/SiO2が1.0〜2.0であることを特徴とする高炉用の非焼成含炭塊成鉱。 - CaO含有量(質量%)、SiO2含有量(質量%)、Al2O3含有量(質量%)、MgO含有量(質量%)および炭素含有量(T.C)(質量%)により表される脈石量((CaO+SiO2+Al2O3+MgO)/(100−炭素含有量(T.C)))の値が0.25以下であり、かつMgO含有量が0.5質量%以上である請求項1または請求項2に記載の高炉用の非焼成含炭塊成鉱。
- 含鉄原料、含炭原料、及び全原料に対して4〜10質量%のバインダーを混合、混練し、混練物を成形して成形体を得る成形体の形成工程と、
次いで前記成形体を養生して非焼成含炭塊成鉱を得る工程を有し、
前記非焼成含炭塊成鉱の炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、かつ脈石成分のSiO 2 含有量(質量%)が5.1〜10%、CaO含有量(質量%)とSiO2含有量(質量%)の比CaO/SiO2が1.0〜2.0となるように、前記成形体の形成工程において、鉱石銘柄、およびバインダー配合量からなる群から選ばれる1つ以上の配合条件を調整することを特徴とする高炉用の非焼成含炭塊成鉱の製造方法。 - 含鉄原料、含炭原料、及び全原料に対して4〜10質量%のバインダーを混合、混練し、混練物を成形して成形体を得る成形体の形成工程と、
次いで前記成形体を養生して非焼成含炭塊成鉱を得る工程を有し、
前記非焼成含炭塊成鉱の炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、かつ脈石成分のCaO含有量(質量%)が6〜10%、CaO含有量(質量%)とSiO2含有量(質量%)の比CaO/SiO2が1.0〜2.0となるように、前記成形体の形成工程において、鉱石銘柄、およびバインダー配合量からなる群から選ばれる1つ以上の配合条件を調整することを特徴とする高炉用の非焼成含炭塊成鉱の製造方法。 - 前記非焼成含炭塊成鉱のCaO含有量(質量%)、SiO2含有量(質量%)、Al2O3含有量(質量%)、MgO含有量(質量%)および炭素含有量(T.C)(質量%)により表される脈石量((CaO+SiO2+Al2O3+MgO)/(100−炭素含有量(T.C)))の値が0.25以下であり、かつMgO含有量が0.5質量%以上となるように、前記成形体の形成工程において、前記配合条件を調整する請求項4または請求項5に記載の高炉用の非焼成含炭塊成鉱の製造方法。
- 前記成形体の形成工程において、珪石、蛇紋岩、橄欖岩、ドロマイト、ニッケルスラグ、マグネサイト、ブルーサイトから選ばれる副原料、及び高SiO2含有鉱石のうちいずれか一方又は両方をさらに配合し、
前記非焼成含炭塊成鉱の炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、脈石成分のSiO 2 含有量(質量%)が5.1〜10%、かつCaO含有量とSiO2含有量の比CaO/SiO2が1.0〜2.0となるように、前記副原料及び高SiO2含有鉱石のうちいずれか一方又は両方の配合量を調整することを特徴とする請求項4に記載の高炉用の非焼成含炭塊成鉱の製造方法。 - 前記成形体の形成工程において、珪石、蛇紋岩、橄欖岩、ドロマイト、ニッケルスラグ、マグネサイト、ブルーサイトから選ばれる副原料、及び高SiO2含有鉱石のうちいずれか一方又は両方をさらに配合し、
前記非焼成含炭塊成鉱の炭素含有量(T.C)が18〜25質量%、脈石成分のCaO含有量(質量%)が6〜10%、かつCaO含有量とSiO2含有量の比CaO/SiO2が1.0〜2.0となるように、前記副原料及び高SiO2含有鉱石のうちいずれか一方又は両方の配合量を調整することを特徴とする請求項5に記載の高炉用の非焼成含炭塊成鉱の製造方法。
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