JP5505576B2 - 高反応性高炉用原料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高反応性高炉用原料の製造方法に関し、特に、低還元材比の高炉操業や低ＣＯ_２高炉操業を実現するために用いるときに有用な高炉用原料を製造する方法である。

近年、製鉄業は、地球温暖化防止の観点から、ＣＯ_２排出量を削減することが求められている。それは、製鉄業の場合、他の産業に比べてＣＯ_２の排出量が多いからであり、中でも、高炉からのＣＯ_２排出量は製鉄工場全体の約７０％にもなることから、高炉でのＣＯ_２排出量の削減はとりわけ注目度が高い。

ところで、高炉におけるＣＯ_２排出量の削減は、高炉で使用する還元材（コークス、微粉炭、天然ガスなど）の使用を削減することで可能になる。近年の研究では、高炉における還元材使用量の削減は、酸化鉄を含有する高炉原料と還元材とを近接配置することによってコークスガス化反応および酸化鉄還元反応の促進が可能になると考えられている。従来、還元材の使用量を削減する技術としては、従来、下記のような提案がある。

特許文献１は、鉱石とコークスとを混ぜて装入して高炉操業を行なう方法を提案している。この方法では、鉱石層中にコークスを予め混合しておくことができるので、通気性の改善を図って、コークス使用量の削減を実現している。

特許文献２は、粉状鉄粉および石炭粉に粘結材を添加して混合、成型し、これを乾留することで得られる高炉原料、いわゆるフェロコークスを使用することにより、コークス使用量を削減する方法を提案している。なお、フェロコークスは、酸化鉄原料と石炭粉を予混合することにより高反応性とした原料である。

特許文献３は、酸化鉄原料と炭材とにバインダーを加えて混練、成型、養生してカーボン内装型塊成鉱を製造することにより、コークス使用量を削減する方法を提案している。このカーボン内装型塊成鉱は、従来の高炉用原料に比べて高い反応性をもつことが特徴である。

特許文献４は、高炉用原料を有機高分子化合物を含む液体中に浸漬することにより、有機化合物を含む高炉用原料を製造することによって、コークス使用量を削減する方法について提案している。この方法によると、得られた高炉用原料は高分子化合物の被覆により低温域では高炉原料の粉化を抑制する一方、高温域では皮膜が炭化してカーボン層を形成するために還元速度が向上し、それによってコークス使用量を削減することができる。

特開昭６２-１２７４１３ 特開昭６３-１３７９８９ 特許第４１１８６０４ 特開２００９-１９２５２

特許文献１に開示の方法は、炉内通気性の改善およびそれに伴う還元材比の低減効果は認められるものの、コークスや鉱石の粒径が大きいので接触面積が小さくなって反応の促進が望めないので、コークス使用量の大幅な削減にはつながらない。

フェロコークスやカーボン内装型塊成鉱などのように、炭材と鉄鉱石粉とを混合して成形物を製造する方法（特許文献２、３）は、該成形物中の炭素成分と鉱石類との接触性が向上して反応の促進は望めるが、成形物を製造するための高価な設備が必要になる。また、これらの方法は、高炉用原料としての搬送性や炉内での耐粉化特性を確保するために、特殊な熱間成形プロセスや乾留プロセス、または高価なバインダー類の使用が必要となるなど、コスト高になるという問題がある。

高炉用原料を液状の有機高分子化合物中に浸漬して、その表面に有機化合物の皮膜を形成したり、有機化合物を気孔中に含浸させる方法（特許文献４）は、高炉用原料の表面に微細な粉が単に付着しているだけで離脱しやすく、高炉内に持ち込まれる粉が却って増加して通気性の悪化を招きやすい。また、この方法では、ブロワーによって該高炉用原料を乾燥してその弊害を除去しようとしているものの、高炉原料の水分を短時間で除去するためにはロータリーキルンのような大型かつ高価な乾燥設備が必要となり、コストの上昇を招くという問題がある。

そこで、本発明の主な目的は、低還元材比および低ＣＯ_２高炉操業のために有利な高反応性高炉用原料の製造方法を提案すること、特に、焼結鉱の表面が炭素含有物で被覆された原料を製造するための方法を提案することにある。

本発明の他の目的は、高価な付帯設備が不要で、簡易な方法によって焼結鉱などの高炉用原料の表面に、炭素を強固にかつ均一に融着させて被覆してなる高炉用原料を製造するための方法を提案することにある。

本発明は、従来技術が抱えている前述の課題を解決できる技術を確立するために開発されたものである。即ち、本発明は、焼結鉱の表面に、有機高分子化合物を被覆してなる高炉用原料の製造方法において、焼結機クーラー排出直後の焼結鉱の表面に、有機高分子化合物の微粉末を撒布すると同時に、該焼結鉱製造直後の顕熱および／または焼結機クーラーの排熱によって、該有機高分子化合物の微粉末を融着させて被覆することを特徴とする高反応性高炉用原料の製造方法である。

なお、本発明において、
（１）前記焼結鉱製造直後が焼結機クーラー排出直後であること、
（２）前記有機高分子化合物微粉末として、トナー微粉末を用いること、
（３）前記有機高分子化合物微粉末は、平均粒径が１００μｍ以下の大きさのものであること
（４）焼結鉱のもつ顕熱および／または焼結機クーラーの排熱は、１００℃〜３００℃の温度であること、
（５）焼結鉱と有機高分子化合物粉末の質量比を、１/５以下とすること、
が、望ましい解決手段である。

本発明によれば、焼結鉱自体がもつ製造直後の顕熱や焼結機クーラーの排熱など、いわゆる製鉄所内で発生する未利用熱を用いて、該焼結鉱の表面に炭素を含有する有機高分子化合物微粉末を融着（強固に接着）させることにより、炭材被覆高反応性高炉用原料を安価に製造することができる。

本発明によれば、有機高分子化合物微粉末中に含まれる炭素成分と酸化鉄との近接配置が実現されるため、高炉内における還元反応の促進に大きく寄与することができる。

本発明によれば、３００℃以上の温度において、炭素を含有する有機高分子化合物微粉末から揮発生成する還元性ガスにより、高炉内において当該高炉原料の還元反応を促進することができる。

また、本発明によれば、有機高分子化合物微粉末（トナー粉末）を軟化、溶融させて焼結鉱の表面に融着させるため、粉末用溶媒（バインダー）が不要となり、高炉用原料を安価に製造することが可能になる。

本発明に係る実施形態を説明する略線図である。 有機高分子化合物粉末を加熱したときの質量の経時変化を示すグラフである。 トナーの付着収率を示すグラフである。 鉱石の到達還元率を示すグラフである。

本発明は、従来あまり有効活用されてこなかった焼結鉱製造直後の該焼結鉱のもつ顕熱または焼結機クーラーから排出される排熱を、炭素含有有機高分子化合物微粉末を軟化させるための熱源として利用することにより、高炉原料（焼結鉱）の表面にその有機高分子化合物微粉末を、単に付着させるだけではなく、さらに融着させることにより、高反応性の高炉用原料を製造する方法である。

焼結機から排出された直後の焼結鉱は約８００℃であり、焼結機クーラーによって２００℃〜３００℃程度に冷却された後、高炉の原料装入系統へ移送される。本発明は、このときの焼結鉱のもつ顕熱、焼結機クーラーの排熱を利用する方法である。

ここで、前記炭素含有有機高分子化合物は、約９０ｍａｓｓ％が有機高分子化合物で構成されているため、１００℃程度で軟化をはじめ、３００℃以上で主成分であるプラスチックの分解によって揮発分を放出する物質である。

例えば、焼結機クーラーから排出された焼結鉱の顕熱および焼結鉱冷却用クーラーファンから出る排熱は、前記有機高分子化合物微粉末を焼結鉱の表面に融着させるには最も好適な温度条件を備えているものと考えられる。

特に、焼結機クーラーから排出された高温の焼結鉱は、その表面に有機高分子化合物の微粉末、例えば、トナー（ｔｏｎｅｒ；レーザプリンタや複写機で使用される帯電性を有するプラスチック粒子の表面に、黒鉛等を付着させてなるミクロンサイズの粒子）などが撒布されると、該トナー粉末は焼結鉱と接触すると同時に焼結鉱のもつ顕熱によって直ちに軟化しさらには溶融して焼結鉱の表面に融着しやすい。その結果、焼結鉱の表面は、トナーの微粉で強固に被覆された状態となり、本発明で目指す高反応性高炉用原料が得られる。

即ち、焼結鉱は、その表面に幅５０〜２００μｍ程度の凹部を多数有する。なお、この凹部は焼結鉱内に多数存在する気孔のうち、焼結鉱表面に形成されたものである。前記有機高分子化合物の微粉末がその凹部に付着して被覆した状態のものになる。しかも、前記焼結鉱のもつ顕熱によって該有機高分子化合物微粉末が溶融することで、付着物の収率が向上する。従って、前記有機高分子化合物の微粉末は、前記５０〜２００μｍの凹部の中央値をもつ平均粒径が１００μｍ以下の大きさのものがよい。好ましくは凹部に入り込む５０μｍ以下がよい。なお、下限は微粉末である点が好ましいため制約を受けないが、取り扱いなど飛散性を考慮したとき５μｍ以上とすることが好ましい。その点で、廃トナー（複写機の残留トナー）は好適である。

本発明の好適実施形態では、図１に示すように、焼結機１の出側に設置されている焼結機クーラー２の排出部の、焼結鉱３が落下するその位置に臨んで、炭素含有有機高分子化合物（トナー微粉末）貯蔵用ホッパー４を配設すると共に、移送用パンコンベヤ５を延在配置してなる設備を使用する。

この設備において、冷却されて２００〜３００℃となった焼結鉱３が焼結機クーラーの排出部２ａからパンコンベヤ５に移るその瞬間に、上方から前記炭素含有有機高分子化合物であるトナー微粉末６を焼結鉱の表面に撒布すると、分散状態で落下する該焼結鉱３の表面に該トナー微粉末が比較的均一に付着し、同時に、該焼結鉱のもつ顕熱（２００〜３００℃）によって軟化し、さらに溶融した該トナー微粉末の少なくとも一部が万遍なく融着して、これらが付着した状態の高炉用原料３ａが得られる。

このようにして製造された高炉用原料３ａは、焼結鉱表面に炭材が直接被覆される結果、所謂、近接配置の状態となる結果、高反応性の高炉用原料となる。なお、この高炉用原料３ａは、篩により微粉（-５ｍｍ）を除去し、その後、通常の高炉用原料とともに高炉内へ装入される。

本発明による作用効果を検証するため、発明者らは以下の実験を行なった。
表１は、この実験で用いた炭素含有有機高分子化合物微粉末であるトナー微粉末の工業分析値である。この有機高分子化合物微粉末（廃トナー）は固定炭素（Ｆ．Ｃ．）を含み帯電性を有するため、この微粉末を焼結鉱の表面に付着−融着させることで、炭素と酸化鉄の近接配置を実現することができることがわかる。また、この有機高分子化合物微粉末は多量の揮発分（Ｖ．Ｍ．）を含んでいることがわかる。

図２は、窒素雰囲気下で前記有機高分子化合物微粉末を加熱した際の質量の経時変化を示すものである。この図からわかるように、３００℃以上の温度では有機高分子化合物粉末の質量が急激に減少する。この質量減少は、有機高分子化合物の熱分解に起因するものである。このことから、該有機高分子化合物微粉末が酸化鉄含有高炉原料と接触するときの温度としては１００℃〜３００℃にすることが好ましい。

酸化鉄含有高炉原料（焼結鉱）と有機高分子化合物微粉末（トナー微粉末）とを質量比（トナー微粉／焼結鉱：１/５、１/１０、１/３０の３水準）で混合したものを、るつぼ内に装入し窒素雰囲気下で２００℃、３０分の加熱処理を行ない、トナー微粉末の付着性を評価した。図３に、焼結鉱１粒子あたりの有機高分子化合物粉末付着量を示すが、高い付着量を示していることがわかる。

ここで、付着量は以下の式で定義した。
（付着処理後鉱石質量−初期鉱石質量）／装入トナー量
ただし、質量比１/５水準の条件では、該有機高分子化合物微粉末がるつぼ内で融着して鉱石全量が一体化した。従って、酸化鉄含有高炉原料と炭素含有有機高分子化合物微粉末の質量比は、高炉原料／有機高分子化合物＝１/５未満、好ましくは１/１０以下となるようにすることが望ましい。

次に、得られた炭素含有有機高分子化合物微粉末被覆高炉用原料を、窒素雰囲気下で１０００℃まで加熱し、その反応性を評価した。図４は、実験後の鉱石の到達還元率を示す。付着量が多いものほど（水準１／１０、１／３０）よく還元されていることがわかる。従って、酸化鉄含有高炉原料に炭素含有有機高分子化合物微粉末（トナー微粉末）を付着−融着させて被覆してなる焼結鉱は、高反応性の高炉用原料であることが確かめられた。

本発明の技術は、高炉用原料としてだけでなく、他の冶金炉用原料の製造技術としても有用である。

１ 燒結機
２ 焼結機クーラー
２ａ 排出部
３ 焼結鉱
３ａ 高炉用原料
４ 有機高分子化合物（トナー粉末）貯蔵用ホッパー
５ パンコンベヤ
６ トナー微粉末

Claims (6)

1. 焼結鉱の表面に、有機高分子化合物を被覆してなる高炉用原料の製造方法において、焼結機クーラー排出直後の焼結鉱の表面に、有機高分子化合物の微粉末を撒布すると同時に、該焼結鉱製造直後の顕熱および／または焼結機クーラーの排熱によって、該有機高分子化合物の微粉末を融着させて被覆することを特徴とする高反応性高炉用原料の製造方法。
2. 前記焼結鉱製造直後が焼結機クーラー排出直後であること特徴とする請求項１に記載の高反応性高炉用原料の製造方法。
3. 前記有機高分子化合物微粉末として、トナー微粉末を用いること特徴とする請求項１または２に記載の高反応性高炉用原料の製造方法。
4. 前記有機高分子化合物微粉末は、平均粒径が１００μｍ以下の大きさのものであること特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の高反応性高炉用原料の製造方法。
5. 焼結鉱のもつ顕熱および／または焼結機クーラーの排熱は、１００℃〜３００℃の温度であること特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の高反応性高炉用原料の製造方法。
6. 焼結鉱と有機高分子化合物粉末の質量比を、１/５以下とすること特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の高反応性高炉用原料の製造方法。

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