JP5292845B2

JP5292845B2 - 焼結機への原料装入方法

Info

Publication number: JP5292845B2
Application number: JP2008038510A
Authority: JP
Inventors: 智町田; 伸幸大山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP2009197264A

Description

本発明は、焼結機への原料装入方法に関し、詳しくは、下方吸引のドワイトロイド式焼結機で高炉用焼結鉱を製造するに際して、焼結ベッド全体の熱バランスを適正化して焼結鉱の強度を高め、もって成品歩留まりや生産性を向上することができる焼結機への原料装入方法に関するものである。

高炉の操業を安定かつ高効率で行うには、冷間強度や被還元性、耐還元粉化性などの諸特性に優れた高品質の焼結鉱を用いることが不可欠である。しかし、このような高品質の焼結鉱の製造には、高品位の鉄鉱石や造粒助剤である生石灰が必要であるため、製造コストが高くなるという問題がある。そこで、焼結鉱の製造コストを低減するため、成品歩留まりの向上や生産性の向上を図ることが求められている。

焼結鉱は、ドワイトロイド式焼結機においては、一般に次のような方法で製造される。
まず、１０ｍｍ程度以下の大きさの粉鉄鉱石に石灰石などのＣａＯ含有副原料、ニッケルスラグ等のＳｉＯ_２含有副原料およびコークスなどの固体燃料を加えて混合し、さらにこれに適当な量の水分を加えて造粒し、焼結原料とする。次いで、この粒状の焼結原料を、循環移動しているパレット上に、原料供給装置を介して粉コークスと共に装入して焼結原料装入層（以下、単に「装入層」とも言う）を形成する。次いで、上記原料供給装置の下流にある着火装置により、装入層の表層部の固体燃料に着火する。着火された装入層中の固体燃料は、下方に吸引される空気の作用により上層から下層に向かって順次燃焼し、その燃焼熱によって焼結原料が焼結し、焼結ケーキとなる。得られた焼結ケーキは、その後、破砕され、整粒されて、一定粒径以上のものが成品焼結鉱となり、一定粒径未満（通常、５ｍｍ未満）のものは、返鉱として再度焼結原料の一部として使用される。

ところで、焼結原料の装入層を上層部、中層部および下層部に３等分したとき、一般に、上層部は、中層部や下層部に比べて焼結時の到達温度が低く、かつ高温に保持される時間も短い。そのため、上層部で生成した焼結ケーキは、溶融結合度が弱く、強度が低くなるため、焼結鉱の成品歩留まりが悪いという問題がある。そこで、この問題を解決するため、従来から、焼結原料を供給（装入）する方法として、パレット上に堆積した装入層の厚さ方向における原料の粒度分布やカーボン含有率を意識的に変えて装入する、所謂、偏析装入法が提案されている。例えば、特許文献１にはワイヤー方式を、特許文献２には磁気ブレーキ方式を採用することにより、焼結原料中に比較的粒径の小さい粉コークスを偏析装入させる装置が開示されている。特に、特許文献１に記載されたワイヤー装入装置では、下層に対する上層の濃度差が０．４％に達する技術が開示されている。そして、これらの技術により、それなりの効果が得られている。
特許第２７１４２７６号公報特許第３２０１７２６号公報

上記従来技術では、焼結原料装入層中のコークスの含有率が上層部、中層部、下層部の順に高い、所謂、正偏析となるよう装入している。しかしながら、発明者らの調査によれば、上記偏析装入法を採用しても、実機焼結機におけるコークス含有率の分布は、中層部より下層部の方が多い、あるいは、上層部より中層部の方が多い、所謂、不正偏析を示す場合が多々あることが確認された。

そこで、発明者らは、高結晶水鉄鉱石を３０ｍａｓｓ％配合した鉄鉱石を焼結原料に用いて、中層部のコークス含有率が下層部よりも低い不正偏析の場合を模擬して、５０ｋｇ規模の焼結実験を行ったところ、表１に示したように、不正偏析の場合には、正偏析を示す場合に比べて、焼結鉱の歩留まりが低下しており、中でも中層部の歩留まり低下が大きいことが確認された。したがって、実機焼結機においても、同様の歩留まり低下が起こっている可能性がある。

さらに、近年では、高品位の鉄鉱石の枯渇化に伴い、リモナイト鉱石やゲーサイト鉱石、ピソライト鉱石のように結晶水を多量に含有する鉄鉱石の使用量が増加する傾向がある。高結晶水鉄鉱石は、結晶水を約５〜１２ｍａｓｓ％含有しているため、これらを多量に配合した原料を用いて焼結鉱を製造する場合、焼結過程で高結晶水鉄鉱石粒子が脱水を起こして、気孔率が増大する。そのため、鉄鉱石粒どうしの結合に悪影響を及ぼし、焼結鉱の強度が低くなって、成品歩留りの低下や生産性の低下を招いたりするという問題がある。そこで、高結晶水鉄鉱石を多量に含む鉄鉱石を原料として焼結鉱を製造する場合には、特別の配慮が必要となる。

そこで、本発明の目的は、下方吸引のドワイトロイド式焼結機において、焼結原料の装入層中のコークス含有率の分布を常に正偏析とすることにより、焼結鉱の強度を高めて、成品歩留りや生産性を向上することができる焼結機への原料装入方法を提案することにある。

発明者らは、従来技術が抱えている上記問題点を解決するため、様々な確認実験を行った。その結果、上述した不正偏析が発生する原因は、焼結原料を焼結機のパレットに装入した際に起こる焼結原料装入層の斜面表層の崩壊現象（雪崩現象）であること、そして、この崩壊現象の発生頻度と大きさがコークス偏析に大きく影響していることを見出した。そしてさらに、装入層のコークス含有率の分布を正偏析とするには、上記崩壊現象の発生頻度を適正範囲まで高めて大規模な崩壊の発生を抑制することが有効であり、そのためには焼結原料の装入角度や装入速度等の装入条件を制御することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、下方吸引のドワイトロイド式焼結機の装入部からパレット上に、高結晶水鉄鉱石の配合割合が１０〜５０ｍａｓｓ％である焼結原料を装入して装入層を形成する原料装入方法において、上記装入層を垂直方向に上層部、中層部および下層部に３等分し、その上層部のコークス含有率をＣ_{ｕｐｐｅｒ}、中層部のコークス含有率をＣ_{ｍｉｄｄｌｅ}および下層部のコークス含有率Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}としたとき、装入部からパレットへの原料装入条件を、焼結原料の装入角度５０〜５５°、装入速度２．５〜３．５ｍ／秒とし、
パレット移動速度と、装入層上面の山と山の間隔とから下記式；
崩壊頻度（回／分）＝（パレットの移動速度（ｍ／分））／（山と山の間隔（ｍ））
で求められる装入層斜面表層の崩壊頻度を３５〜５０回／分の範囲とすることによって、
装入層中のコークスの分布が、
Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}＞Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}＞Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}
の関係を満たすようにすることを特徴とする焼結機への原料装入方法である。

また、本発明は、上記中層部のコークス含有率Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}と下層部のコークス含有率Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}とが、
０≦（Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}−Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}）≦０．１５（ｍａｓｓ％）
の関係を満たし、かつ、
上記上層部のコークス含有率Ｃ _{ｕｐｐｅｒ} と中層部のコークス含有率Ｃ _{ｍｉｄｄｌｅ} とが、
０≦（Ｃ _{ｕｐｐｅｒ} −Ｃ _{ｍｉｄｄｌｅ} ）≦０．３（ｍａｓｓ％）
の関係を満たすようにすることを特徴とする。

本発明によれば、焼結原料の装入層中の厚さ方向におけるコークスの分布を改善して正偏析とすることで、焼結鉱の強度を高めて高品質化することができるので、焼結鉱の成品歩留まりや生産性の向上を図ることができる。特に本発明は、高結晶水鉄鉱石を多量に配合された鉄鉱石を焼結原料として用いる場合に用いて好適である。

発明者らは、上述したように、様々な確認実験を行った結果、装入層中のコークスの不正偏析は、焼結原料をパレットに装入する際に起こる装入層斜面表層の崩壊現象（雪崩現象）が原因であることを突き止めた。すなわち、焼結原料は、装入部からの装入角度（シュート角度）に沿って焼結機のパレット上に堆積して装入層を形成する。そして、偏析装入技術では、上記装入層中のコークスの分布を、上層部で含有率が高く、下層部で低い正偏析となるよう焼結原料を装入する。ここで、上記正偏析とは、焼結機に装入した装入層を垂直方向（厚さ方向）に３等分し、その上層部のコークス含有率をＣ_{ｕｐｐｅｒ}、中層部に含まれるコークス含有率をＣ_{ｍｉｄｄｌｅ}および下層部に含まれるコークス含有率をＣ_{ｂｏｔｔｏｍ}としたとき、Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}＞Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}＞Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}というコークス分布を示すことを意味する。

しかし、原料を装入し続けた場合、図１に示すように、装入層の傾斜角度が安息角αを超えて不安定な堆積層となることがある。そして、この角度が装入層を形成する限界である限界角度βとなった時に、装入層の斜面表層部が崩壊を起こして雪崩のように装入層斜面を流れ落ち、また、安息角α近傍での堆積層となる。その後、その装入層斜面の上には引き続き焼結原料が装入されるが、暫くして、また、上記と同様にして崩壊現象を起こす。そして、この崩壊現象を絶えず一定間隔で起こすことにより、コークス含有量が高い上層部の原料が下層部に移動し、図２に示すように、下層部のコークス含有率が、中層部あるいは上層部より高い、不正偏析を引き起こすことになる。ここで、上記不正偏析を上記と同様にして式で表すと、Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}≦Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}および／またはＣ_{ｍｉｄｄｌｅ}≦Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}であるコークス分布を示すことを意味する。

また、上記崩壊現象は、図３に示すように、低頻度で大崩壊が起きる場合には、上層部から下層部に流れ込む原料の量が多く、そのため、上層部のコークス含有量の高い原料が下層部に流れ込み、下層部の原料中に含まれるコークスの量が大きく増加し、不正偏析が発生し易い。しかし、図４に示すように、高頻度で崩壊を繰り返す場合には、上層部から下層部に流れ込む原料の量が比較的少ないため、下層部の原料中に含まれるコークスの増加量は小さく、不正偏析とはなり難いことが確認された。さらに、崩壊の頻度が高いほど、崩壊によって形成される装入層上表面のうねりの山高さおよび山間隔が小さくなることも確認された。

すなわち、上記調査結果によれば、装入層中のコークス含有率を正偏析とするためには、装入層斜面表層で発生する崩壊頻度を高くすることが望ましいことになる。ここで、上記崩壊頻度は、パレット移動速度（ｍ／分）と、装入層上表面に崩壊によって形成された山と山の間隔（ｍ）とから下記式；
崩壊頻度＝（パレットの移動速度）／（山と山の間隔）
で求めることができる。

そして、この崩壊の発生頻度と装入層中のコークス含有率の分布との関係を調べた結果、崩壊頻度が３５回／分以上である場合に、装入層中のコークス含有率の分布が正偏析を示すことが明らかとなった。ただし、装入層の崩壊頻度が５０回／分を超えても、良好な焼結機操業は可能であるが、山と山の間隔からの崩壊頻度の評価は困難である。したがって、崩壊頻度は３５〜５０回／分の範囲に制御することが好ましい。

さらに、崩壊現象の発生は、造粒した原料の粒度分布や形状、造粒原料同士の付着力等が影響し、配合する原料の粒度や気孔率、比重などの性状も関係するため、設備仕様が同じ焼結機でも、使用する鉱石種が変わることで崩壊の頻度や規模が変化する。特に、近年では、結晶水を多量に含有する鉄鉱石の使用量が増加し、その結果、焼結鉱の強度が低くなるだけでなく、歩留りや生産性の低下を招くという問題がある。従って、そのようなときでも、焼結鉱の製品品質を維持するためには、装入層中における厚さ方向のコークス含有率をより適正に制御する必要がある。

そこで、高結晶水鉄鉱石を、鉄鉱石及び返鉱の合計に対して１０〜５０ｍａｓｓ％と多量に含む焼結原料を用いて焼結鉱を製造する場合において、焼結鉱の品質を確保するためのコークス含有率の分布条件を調査した。その結果、中層部のコークス含有率Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}と下層部のコークス含有率Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}とが、
０＜Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}−Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}≦０．１５（ｍａｓｓ％）
の関係を満たすときに、強度が高く高品質の焼結鉱が得られることが明らかとなった。これは、中層部のコークス含有率Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}が下層部のコークス含有率Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}よりも０．１５ｍａｓｓ％を超えて多いと、中層部の焼結熱量が過剰あるいは下層部の焼結熱量が不足となり、高品質の焼結鉱の製造には好ましくないからである。

さらに、高結晶水鉄鉱石の含有量の多少にかかわらず、上層部のコークス含有率Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}と中層部のコークス含有率Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}とが、
０（ｍａｓｓ％）＜Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}−Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}≦０．３（ｍａｓｓ％）
の関係を満たす場合には、より安定して高品質の焼結鉱を得ることができることを見出した。これは、上層部のコークス含有率Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}が下層部のコークス含有率Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}よりも０．３ｍａｓｓ％を超えて多いと、上層部の焼結熱量が過剰あるいは下層部の焼結熱量が不足となり、好ましくないからである。

次に、上記原料装入層の崩壊頻度を制御する方法について説明する。
図１に示すように、崩壊現象は、焼結原料粒子が焼結機のパレット上に装入されたときの落下衝撃が引き金となって起こることから、原料の装入角度と装入速度が大きく影響し、装入角度が大きいほど、また、装入速度が大きいほど崩壊頻度は増加する。さらに、焼結原料が、装入層の斜面表面に広範囲に亘って分散供給される場合と狭い範囲に供給される場合とでは、装入時の落下衝撃も変化し、装入範囲が狭いほど衝撃が大きくなって崩壊頻度は増加する。

そこで、本発明では、下方吸引のドワイトロイド式焼結機に焼結原料を装入する際に、装入部からパレットへの原料装入条件、すなわち、装入角度、装入速度および装入範囲のいずれか１以上を適正に制御することによって装入層斜面表層の崩壊頻度を制御し、もって装入層中のコークス含有率の分布を正偏析となるように制御することにした。

なお、上記焼結原料の装入条件は、発明者らの調査では、装入角度は５０〜５５°、装入速度は２．５〜３．５ｍ／秒の範囲であることが好ましい。装入角度が５０°未満、装入速度が２．５ｍ／秒未満では、装入装置の上に乗っている時間が長く、原料の偏析が大きくなる。一方、装入角度が５５°超、装入速度が３．５ｍ／秒超では、落下時の衝撃が大き過ぎて、却って、コークスの正偏析を形成することができなくなる。また、焼結原料の装入範囲は、焼結原料の飛び跳ね等をできるかぎり防止して、焼結原料の流れをスムーズにすることが好ましい。なお、適正な装入条件は、設備仕様や使用する原料によっても変化するので、実機に適用するに当たっては、予備実験等を行い、事前に適正な操業条件を確認しておくことが好ましい。

不正偏析対策として、図５に示すように、装入部シューター表面の原料付着による凹凸を除去してシューター表面を平滑化し、シューター表面での焼結原料の飛び跳ねを防止することにより、焼結原料装入層の斜面上に焼結原料が狭い範囲で集中して装入されるようにした。

その結果、表２に示したように、装入層斜面表層の大きな崩壊の発生を抑制し、崩壊頻度を１３回／ｍｉｎから４２回／ｍｉｎに高めることができ、装入層上表面に形成された山と山の間隔を２４０ｍｍから８２ｍｍに小さくすることができた。また、装入層内の粉コークスの分布（偏析）は、図６に示すように、改善前は不正偏析であったが、改善後は正偏析を示すようになった。

さらに、上記改善の結果、焼結機の操業実績は、図７に示すように、焼結鉱の回転強度が０．５％、成品歩留まりが０．４％それぞれ上昇し、さらに生産性は１．６５ｔ／ｈｒ・ｍ^２から１．７１ｔ／ｈｒ・ｍ^２に高めることができた。なお、上記焼結鉱の回転強度は、ＪＩＳＭ８７１２に規定された回転ドラム試験により測定した値であり、成品歩留まりは、篩い分け後の１０ｍｍ以上の質量％で評価した。

適正なコークス偏析（正偏析）を得るために必要な装入角度を決定するため、実機焼結機を用いて、装入角度（シュート傾斜角度）のみを変化させ、それ以外の条件は一定として、それぞれの条件で１２時間以上の実操業を行い、そのときの装入層の形成状況（崩壊頻度、山間隔）、偏析発生状況（コークス含有率の分布）および操業実績（焼結鉱の回転強度、成品歩留まり、生産性）を調査した。なお、焼結鉱の回転強度は、実施例１と同様、ＪＩＳＭ８７１２に規定された回転ドラム試験により測定し、成品歩留まりは、篩い分け後の５ｍｍ以上の質量％とした。

上記調査結果を表３に示した。
Ｎｏ．１の例は、シュート傾斜角度が４７°の場合であり、中層部に含まれるコークス含有率と下層部に含まれるコークス含有率との差（Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}−Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}）が−０．０５ｍａｓｓ％を示しており、コークス含有率が下層部で多く中層部で少ない不正偏析が発生している。
Ｎｏ．２の例は、シュート傾斜角度が５０°の場合であり、Ｎｏ．１の例に比べて、パレット上に装入されるときの装入速度が速く、落下時の衝撃が増しているため、崩壊現象が起こる頻度が増加している。その結果、装入層中層部と下層部のコークス含有率の差（Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}−Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}）および装入層上層部と中層部のコークス含有率の差（Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}−Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}）はいずれも０．０９％以上で、コークス含有量が上層部、中層部および下層部の順に減少する正偏析を示している。その結果、焼結鉱の回転強度、成品歩留まりおよび生産性率のいずれも、Ｎｏ．１の例と比較して改善されている。
Ｎｏ．３の例は、シュート傾斜角度が５５°の場合であり、Ｎｏ．２の例に対して原料装入速度が速くなっているが、コークスの含有量の分布は正偏析を示している。その結果、焼結鉱の回転強度、成品歩留まりおよび生産性は、Ｎｏ．２の例と同様、良好である。
Ｎｏ．４の例は、シュート傾斜角度が６０°の場合であり、Ｎｏ．２および３の例に対し、原料装入速度がさらに速くなっているため、装入層の形成が不安定化したため、上層と中層のコークス濃度差（Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}−Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}）が−０．０２％となり、上層部のコークス含有量が中層部より少ない不正偏析が発生している。その結果、焼結鉱の回転強度、成品歩留まりおよび生産性は、いずれもＮｏ．２および３の例の値を下回っている。

装入層斜面表層の崩壊現象を説明する図である。崩壊現象が装入層中のコークス含有率の分布に及ぼす影響を示すグラフである。崩壊頻度が低いときに発生する大規模崩壊を説明する図である。崩壊頻度が高いときに発生する小規模崩壊を説明する図である。装入部の改善前後における原料装入状況の変化を説明する図である。装入部の改善前後における装入層中のコークス含有率の分布の変化を示すグラフである。装入部の改善前後における焼結機の操業実績を比較したグラフである。

Claims

下方吸引のドワイトロイド式焼結機の装入部からパレット上に、高結晶水鉄鉱石の配合割合が１０〜５０ｍａｓｓ％である焼結原料を装入して装入層を形成する原料装入方法において、
上記装入層を垂直方向に上層部、中層部および下層部に３等分し、その上層部のコークス含有率をＣ_{ｕｐｐｅｒ}、中層部のコークス含有率をＣ_{ｍｉｄｄｌｅ}および下層部のコークス含有率Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}としたとき、装入部からパレットへの原料装入条件を、
焼結原料の装入角度５０〜５５°、装入速度２．５〜３．５ｍ／秒とし、
パレット移動速度と、装入層上面の山と山の間隔とから下記式；
崩壊頻度（回／分）＝（パレットの移動速度（ｍ／分））／（山と山の間隔（ｍ））
で求められる装入層斜面表層の崩壊頻度を３５〜５０回／分の範囲とすることによって、
装入層中のコークスの分布が、
Ｃ_{ｕｐｐｅｒ}＞Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}＞Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}
の関係を満たすようにすることを特徴とする焼結機への原料装入方法。
上記中層部のコークス含有率Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}と下層部のコークス含有率Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}とが、
０≦（Ｃ_{ｍｉｄｄｌｅ}−Ｃ_{ｂｏｔｔｏｍ}）≦０．１５（ｍａｓｓ％）
の関係を満たし、かつ、
上記上層部のコークス含有率Ｃ _{ｕｐｐｅｒ} と中層部のコークス含有率Ｃ _{ｍｉｄｄｌｅ} とが、
０≦（Ｃ _{ｕｐｐｅｒ} −Ｃ _{ｍｉｄｄｌｅ} ）≦０．３（ｍａｓｓ％）
の関係を満たすようにすることを特徴とする請求項１に記載の焼結機への原料装入方法。