JP5803340B2 - 焼結原料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ドワイトロイド式焼結機によって焼結鉱を製造する際に、焼結鉱の安定した高い生産性ならびに高い強度を確保する上で有用な焼結鉱製造用原料、即ち焼結原料の製造方法に関する。

近年、製鉄業については、鉄の生産に当たって多量の炭酸ガスを排出することから地球温暖化への影響が問題視されており、ＣＯ_２排出量の削減が重要な課題となっている。このような課題に対し、最近の高炉操業では、低還元材比操業（溶銑１ｔ製造するために使用される、羽口吹き込み燃料と炉頂装入コークスとの合計量、以下、「ＲＡＲ」と言う）が推奨されている。高炉の低ＲＡＲ操業を行うためには、一般に、原料粒度を小さくして着熱効率や還元ガスとの反応界面積を増加させたり、原料性状を改善して還元性を向上させたり、高炉操業に当たって周辺ガス流を抑制してガス利用率の向上を図ったり、あるいは高炉炉体からの抜熱量を低減させることなどの方法が有効であると考えられている。

しかし、低ＲＡＲ操業時には、炉内の鉱石類原料とコークスとの比率（Ore／Coke）が大きくなり、炉上部での通気性の悪化、融着体の変形や肥大化による炉下部での通気性の悪化を招き、安定した高炉操業を行うことが困難になることが指摘されていた。それゆえに、安定した低ＲＡＲ操業を実現するためには、鉄鉱石類原料の約７割を占める焼結鉱の性状が非常に重要となってくる。

高炉用原料として用いられる焼結鉱は、一般に、以下に説明するような処理を経て製造されるのが普通である。即ち、まず、粒径が１０ｍｍ以下の鉄鉱石粉の他、珪石、蛇紋岩、各種製錬スラグなどからなるＳｉＯ_２含有原料や、石灰石などのＣａＯを含有する石灰石系原料からなる副原料、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を、適量の水分を添加してドラムミキサーにて混合し、造粒して造粒焼結原料を製造する。

このようにして得られた造粒焼結原料、即ち、造粒した配合焼結原料は、ドワイトロイド（ＤＬ）焼結機のパレット上に適当な厚さ、例えば５００〜７００ｍｍ程度になるように装入されたのち、表層部の固体燃料に着火し、着火後は下方に吸引する空気を利用して該固体燃料を燃焼させ、その燃焼熱によって焼結原料を焼結して焼結ケーキとする。次いで、その焼結ケーキは破砕され、整粒されて、一定粒径以上のものが成品焼結鉱とされている。なお、整粒後の粒径の小さいのものは返鉱として、焼結原料として再利用される。

一般に、高炉の操業を左右する因子の１つとして、前記成品焼結鉱（以下、単に「焼結鉱」という）の被還元性の問題がある。焼結鉱の被還元性は、高炉でのガス利用率とも関連して前記ＲＡＲとは良好な負の相関があり、焼結鉱の被還元性を向上させると、高炉でのＲＡＲは低下する。また、焼結鉱の場合、冷間強度も、高炉での通気性を確保する上で重要な因子であり、各高炉では、それぞれ冷間強度の下限基準を設けて操業を行っている。

焼結鉱の冷間強度を向上させるためには、焼結パレット上に焼結原料を均等に充填し、十分な焼結時間を確保して、緩やかに焼結することが重要である。しかし、近年、高炉は高出銑比操業により焼結鉱の使用量が増加傾向にあることや、原料品位の低下（高結晶水鉱石の増加、Ａｌ_２Ｏ_３鉱石の増加、微粉鉱石の増加など）により、焼結パレット上の堆積焼結原料の充填層（以下、「原料充填層」という）の良好な通気性の確保や、十分な焼結時間の確保が困難な状況となっており、それに起因する焼結機の生産性低下や歩留まりの低下、焼結鉱の冷間強度の低下などが懸念されている。

このような課題に対し、従来、原料充填層の通気性を改善するために、特に焼結原料の造粒方法について検討してきた。例えば、特許文献１では、粗粒および微粉を含有する焼結原料の１種または２種以上の配合物に水分を添加する前に、該焼結原料の吸水率および造粒前粒度分布から水分添加後の焼結原料が付着力を示す下限水分濃度、即ち、臨界水分濃度を算出しておき、擬似粒子の水分濃度が臨界水分濃度以上となるように、造粒ミキサーにおける水分の添加量を制御しながら造粒することにより、擬似粒子を製造する方法を開示している。

この点に関し、それ以前の焼結鉱の造粒方法では、焼結原料の変化に応じて予め適正水分量を決定して、造粒ミキサーにおける水分量の制御を行うことは困難であった。しかし、上記文献１に記載の方法によれば、粗粒に付着しない微粉の量を最小にできるから、擬似粒子の平均粒度の拡大および通気性の改善をもたらして、焼成速度が最大となり、焼結鉱の生産性が向上すると説明している。

また、特許文献２では、複数基の焼結原料槽に個別に収容されている焼結原料の、それぞれの飽和吸水率と造粒前粒度分布から、焼結原料が付着力を示す水分濃度の下限値である臨界水分濃度を焼結原料毎に予め算出しておき、複数基の前記焼結原料槽に収容された該焼結原料のうちで、少なくとも、前記飽和吸水率が大きな焼結原料に対して水分を添加し、飽和吸水率以上の水分濃度とし、その後、複数種の前記焼結原料を配合して、臨界水分濃度以上の水分濃度となるような水分を添加しながら造粒することにより、擬似粒子の造粒を行う方法を開示している。この方法により、ＤＬ焼結機へ装入する焼結原料に添加する水分量の制御が容易にできるようになり、生産性および歩留を低下させずに操業できるとしている。

また、特許文献３では、造粒後に乾燥処理する方法を開示しているが、その乾燥処理の過程で粉化してしまうため、大きな擬似粒子径のものを製造することはできない。

さらに、非特許文献１には、図２において、擬似粒子の添加水分量と充填層の通気性、及び擬似粒子の粒径との関係を開示している。この非特許文献１の開示内容によると、含有水分０〜７．５ｍａｓｓ％までについては、擬似粒子内への水分の吸収が徐々に飽和してゆき、粒子表面を濡らした水分がバインダー効果を生じ、造粒粒子の造粒粒子径が増加して通気性が改善されると報告している。

しかしながら、含有水分が７．５ｍａｓｓ％を超えると、該粒子は継続して増加傾向にあるにも拘らず、当該粒子間の空隙を過剰な水分が埋めるため、充填層を通過する空気の流れが妨げられるという問題が生じる。

特開平１１−６１２８１ 特開２０００―１７２５ 特開２００６−３３６０６４ 「鉄と鋼」日本鉄鋼協会６８（１９８２年）、p．２１７４

特許文献１、２に開示されている方法は、擬似粒子を製造する前に、予め適正水分を予想し、焼結原料品位の変動に速やかに対処するための手法である。しかしながら、近年の焼結原料の品位の悪化は著しく、また、微粉の増加による焼結原料の堆積層（以下、「焼結充填層」という）の通気性低下や、Ａｌ_２Ｏ_３増加による流動性の低下などにより、生産性低下を防ぐために適正水分に設定するというだけでは、何ら根本的な解決とはなっていない。

そこで、本発明の目的は、従来技術が抱えている上述した課題を解決し、焼結機の操業に際しての原料充填層の通気性を改善することで、強度や歩留の低下を招くことなく、焼結鉱生産率の向上を図る上で有効となる、焼結鉱製造のために用いられる焼結原料の製造方法を提案することにある。

上記課題を解決するため、本発明では、鉄鉱石類の粗粉および微粉を含む焼結原料を水添加の下に混合、造粒して擬似粒子化した造粒焼結原料を製造する方法において、上記の造粒に際し、まず、前記焼結原料を造粒するための適正水分値よりも過剰な水分を添加して造粒することで、該適正水分値の下で形成される粒径よりも大きな径をもつ膨径擬似粒子を造粒し、引き続いてこの粒子を乾燥処理して、その膨径擬似粒子の乾燥後水分値を前記適正水分値±１ポイント（ｍａｓｓ％）以内にまで低下させることを特徴とする焼結原料の製造方法を提案する。

即ち、本発明は、ＤＬ焼結機に装入する造粒焼結原料（擬似粒子）を製造する際、まず、混合造粒に適した適正水分値（造粒した焼結原料を、焼結機パレット上に装入堆積させたときに、原料充填層の通気性を悪化させることのない焼結原料を造粒するのに適した水分量）よりも高い水分値となるように、即ち、適正な水分値よりも過剰な水分を添加して膨径擬似粒子を造粒する方法である。このことにより、得られる擬似粒子の粒径を適正水分値のときに得られる粒径よりも増径した膨径擬似粒子を得ることができる。

そして、本発明においては、とくに、前記膨径擬似粒子を、養生などを施すことなく直ちに、該膨径擬似粒子の水分値を元の適正水分値相当になるまで加熱乾燥することが重要である。このような乾燥処理を行うことにより、得られる擬似粒子の粒径は、増径する一方で、水分については、粒子の膨径を招くことなく乾燥によって適正水分値程度にまで低下させることができる。その結果、擬似粒子は、まわりの微粉を吸着して膨径化したままの大きさが維持できることになる。

このように、水分を乾燥除去するものの、膨径化したままの多気孔状態の擬似粒子の場合、焼結操業時にも、従来のように増径化のために過剰に与えた水分による影響を受けるようなことがなく、つまり通気性の悪化を招くことなく、一方で粒子径増大の効果のみを享受できる。しかも、このことによって、成品焼結鉱は冷間強度や歩留まりの低下を招くことなく、焼結鉱の生産性を改善することができるようになる。

そして、本発明は、さらに以下のような構成にすることで、より好ましい実施の形態になる。
（１）造粒時の膨径擬似粒子の水分値を、前記適正水分値よりも１０〜５０ポイント（ｍａｓｓ％）多くすること、
（２）膨径擬似粒子は、外層に水分と凝集微粉とからなる含水微紛層を有すること、
（３）擬似粒子の適正水分とは、原料充填層の冷間通気性が最大となる造粒水分のことであって、配合原料に応じて約４．０〜９．５ｍａｓｓ％の範囲内のものであること。

前記のような構成を有する本発明によれば、一旦、擬似粒子の粒径を増大拡径させて膨径擬似粒子とし、次に、その膨径擬似粒子を造粒後に間を置くことなく、または間を置いたとしても擬似粒子が壊れることがないように乾燥処理することで、膨径化に寄与した過剰に加えた水分が除去されるので、過剰水分添加した場合に予想される焼結充填層の通気性の悪化を招くことなく、膨径擬似粒子の増径の効果のみを享受することができる。

そして、このような構成にすることにより、本発明では、原料充填層の通気性が改善され、ひいては焼結時間を短縮することができるので、成品焼結鉱の冷間強度や歩留の低下を招くことなく、焼結鉱の生産率を向上させることができる。

従来法に従う焼結試験プロセスの概要を示す図である。 造粒水分と通気性との関係を示す図である。 本発明法に従う焼結試験プロセスの概要を示す図である。 造粒水分と擬似粒子の調和平均径との関係を示す図である。 造粒水分と擬似粒子の粒度分布との関係を示す図である。 適正水分＋３．０ｍａｓｓ％で造粒し、乾燥した膨径擬似粒子の断面写真、それの模式図である。 適正水分＋５．０ｍａｓｓ％で造粒し、乾燥した膨径擬似粒子の断面写真、それの模式図である。 造粒水分と焼結時間の関係を示す図である。 造粒水分と生産率の関係を示す図である。 造粒水分と歩留の関係を示す図である。

初めに、発明者らは、焼結機パレット上の原料充填層の通気性や焼結鉱の生産率が向上するメカニズムを解明するため、実機焼結プロセスを模擬した図１に示すような造粒と焼結の試験を行った。この造粒試験においては、初めに粗粒鉄鉱石（８ｍｍ以下）および微粉鉄鉱石（０.１２５ｍｍ〜０.０６３ｍｍ）を含む鉄鉱石類原料に、塩基度調整用の珪石、生石灰や石灰石などからなる副原料を配合し、得られた配合焼結原料１をディスク形ミキサー２で混合し、次に、混合後の配合焼結原料をドラムミキサー３に移し、水分添加を行いながらそのドラムミキサー３を回転させて造粒し、擬似粒子を得た。

次に、発明者らは、まず、充填層の冷間通気性が最大となる適正水分値を見積もるため、表１に示すように、鉱石種とそれの配合率が異なる２水準について、造粒水分と通気性指数との関係を測定した。図２に測定した造粒水分と通気性指数との関係を示す。この図に見られるように、充填層の通気性は、使用する焼結原料の配合率によって大きく異なり、水準１では7.６％、水準２では５.５％において、その通気性は最大となることがわかった。

一般に、適正水分とは、原料充填層における冷間での通気性指数が最大となる造粒水分のことであって、配合原料種（鉱石の性状や配合率によって決まる）に応じて４．０〜９．５ｍａｓｓ％の範囲内のものである。

さらに、本発明の優位性を調査するため、適正水分よりも過剰な水分を加えて造粒した後、直ちに乾燥するという焼結原料製造試験を行った。この試験では、図１に示すドラムミキサー３に添加する水分の量を、表２に示す成分組成の焼結配合原料について、上述した適正水分に該当するＴ１：7.６ｍａｓｓ％を基準とし、これに対し、過剰に加えた水分値の例である、Ｔ２：８.６（＋１）ｍａｓｓ％、Ｔ３：９.６（＋２）ｍａｓｓ％、Ｔ４：１０.６（＋３）ｍａｓｓ％、Ｔ５：１１.６（＋４）ｍａｓｓ％、Ｔ６：１２.６（＋５）ｍａｓｓ％の６水準で試験した。

通常の焼結操業では、ドラムミキサー３で造粒した直後の造粒粒子は、図１に示すように、そのまま焼結機に装入している。しかし、この度の上記試験では、図３に示すように、造粒して得られる擬似粒子をバット４に入れ、これを直ちに２００℃に設定した乾燥機５内に入れて所定時間（５〜２０分）乾燥することにした。ただし、必要以上に、例えば、完全に乾燥させると、粒子の壊裂を招くので好ましくない。望ましい乾燥の時間は、原料の水分蒸発量の経時変化を予め測定しておき、乾燥後の擬似粒子の含有水分が、当初の適正水分値±１ｍａｓｓ％程度（約7.６ｍａｓｓ％に戻る近傍の値）にまで戻るように調節される。この適正水分±１ｍａｓｓ％の値は、乾燥しても膨径擬似粒子が壊裂を起さない程度にまで乾燥できる範囲である。

表２には、この試験で使用した配合焼結原料の組成、表３には、造粒時添加水分の割合と焼結試験直前に測定した乾燥後の擬似粒子の含有水分をそれぞれ示した。

図４に、ドラムミキサー３で造粒した後に測定した造粒粒子（過剰な水分を添加して造粒した膨径擬似粒子）の調和平均径、図５には、本来の適正造粒水分量：７．６ｍａｓｓ％に対し、１０．６ｍａｓｓ％や１２．６ｍａｓｓ％という適正水分量よりも過剰に水分を加えて造粒した造粒粒子、即ち、膨径擬似粒子の粒度分布を示す。その結果、図４に示すように、造粒時の水分値が７．６〜１１．６ｍａｓｓ％のものについては、粒子の調和平均径が造粒水分の増加に応じて増大している。この理由は、水分を過剰に加えて場合、擬似粒子内への水分吸収が飽和したときに、その過剰水分が粒子表面に滞留して水膜を形成し、その水分がバインダー作用を発揮して、その水膜部分に微粉が凝集し、含水微粉層を形造って造粒粒子径が増大するものと考えられる。

このことは、図５に示すところから明らかなように、７．６ｍａｓｓ％、１０．６ｍａｓｓ％、１２．６ｍａｓｓ％での各粒径分布割合のものを比較すると、造粒時の水分が増加すると、造粒水分１０．６ｍａｓｓ％の場合、８．０〜１．０ｍｍの粗粒割合が増大し、−１ｍｍの微粉の割合は減少している。一方、図４を見る限り１１．６ｍａｓｓ％超の領域については、造粒水分の増加に従い、擬似粒子の調和平均粒径が低下している。即ち、図４、５に示す結果から分かることは、適正水分値７．６ｍａｓｓ％に対し、＋５ｍａｓｓ％に当たる１２．６ｍａｓｓ％の過剰な水分添加では却って核粒子部分の崩壊を招き、むしろ、凝集しない微粉割合が増加することがわかる。従って、本発明の場合、過剰に加える水分の量としては、適正水分値よりも１０％（８．４ｍａｓｓ％）〜５０％（１１．６ｍａｓｓ％）程度の範囲内とすることが好ましいことがわかる。

図６は、プレパラート上に膨径擬似粒子径相当の半球状焼結原料を載せ、これに適正水分よりも過剰な水分を与えて造粒し、その後、適正水分相当（７．５ｍａｓｓ％）にまで乾燥脱水させたときの状況を示す該原料の断面写真とその説明図である。

図中、上段の写真は、本発明の範囲内の過剰水分量では、周囲に存在する微粉が乾燥過程で減少する水分の減少に伴って発生する対流に乗って擬似粒子（核粒子）表面に付着し、擬似粒子径を増大させる現象が観察できる。その結果、中段の写真および右側の模式図に示すとおりの膨径擬似粒子となる。

一方、最下段の図は、本発明の範囲内の過剰な水分を添加して造粒しそれを乾燥する際に、適正水分相当のレベルに戻すのではなく、本発明の範囲を超えて乾燥し過ぎた場合（−３ｍａｓｓ％程度）であって、この場合、擬似粒子（核粒子）周囲に微粉の落下を招き、擬似粒子（核粒子）の増径は認められることなく、却って径の減少が確認され、本発明の作用効果が生じなくなることが判明した。

次に、図７は、適正水分値よりも過剰に水分を添加し、適正水分値＋５．０ｍａｓｓ％に調整して造粒し、その後、乾燥させたときの例である。この例では、図中の中段の写真ならびに模式図に示すように、擬似粒子（核粒子）の周囲に存在する微粉が、乾燥過程での水分減少量が大きいため、水分の対流に追いつかず、図６に示すような水膜＋凝集微粉による含水微粉層に入りきらない微粉が発生し、擬似粒子径の増大に寄与しないことがわかる。それは最下段の写真、模式図に示すように、本発明の範囲を超えて（−３ｍａｓｓ％）乾燥したときには、より明解に顕れる。

次に、図８、図９は、本発明法に適合する方法を実施したときの造粒後の乾燥前と乾燥後の水分と焼結時間、生産率との関係をそれぞれ示したものである。これら図８、図９に示すように、造粒のための適正水分値：７．６ｍａｓｓ％に対し、造粒水分値が１０．６ｍａｓｓ％および１１．６ｍａｓｓ％と過剰に添加したものでは、焼結時間が短縮し、生産率も向上することがわかる。一方、この水分値が１１．６ｍａｓｓ％超から１２．６ｍａｓｓ％まで、即ち、過剰水分量が５０％を超えると、平均粒径の影響により通気性が悪化し、焼結時間が増加して生産率も低下している。

図１０は、前記の焼結試験後に調査した＋１０ｍｍの焼結鉱成品歩留への影響を示すものである。この図に見られるように、少なくとも本発明法に従って実施した過剰水分値約１０％（＋１ｍａｓｓ％）〜約５０％（＋４ｍａｓｓ％）の範囲については、歩留まりの低下は観測されなかったが、５０％超（１１．６ｍａｓｓ％超）では歩留が低下していた。

以上説明したように、本発明によれば、焼結機に装入する配合焼結原料の擬似粒子をドラムミキサーを使って水添加し乍ら造粒して製造する際に、造粒するために必要とされる本来の適正水分値よりも、過剰な水分を添加して擬似粒子を造粒することで、増径した膨径擬似粒子を形成し、次いで、その膨径擬似粒子を望ましくは直ちに、即ち、ヤード置きや養生を施すようなことなく乾燥処理し、次いで、本来の適正水分値相当の水分にまで乾燥除去した焼結原料とする。このことにより、焼結機の操業時には、パレット上での原料充填層の通気性が改善され、焼結鉱の冷間強度や歩留の低下を招くことなく、焼結鉱の生産性を改善することが可能になる。

（実施例１）
この実施例は、有効火格子面積：４１０ｍ^２、生産率：１．５ｔ／ｈ・ｍ^２の下方吸引式ＤＬ焼結機の操業において、本発明に従う方法について試験した。この試験では、ドラムミキサーを２基用い、１次ドラムミキサーに過剰な水分量に当たる１０．６ｍａｓｓ％（適正水分値：７．６ｍａｓｓ％に対し＋４０％）を添加して造粒し、適正水分値の下で得られる造粒粒子調和平均径：１．０８ｍｍを、１．２５ｍｍまで膨径させた擬似粒子をつくり、次に、２次ドラムミキサーでは３００℃の熱風を吹き込み、該膨径擬似粒子を乾燥させて適正水分値相当の７．９ｍａｓｓ％の水分値にまで乾燥によって脱水調節した。このとき、該擬似粒子の平均粒径は約１５％向上し、焼結充填層の通気性が向上して、焼結生産率は約６％も向上した。このことから、本発明方法により、焼結機パレット上での原料充填層の通気性が改善され、焼結鉱の冷間強度や歩留まりを低下させることなく、焼結生産性を改善することが可能になることがわかった。

本発明の技術は、例示したドラムミキサーによる擬似粒子の製造だけでなく、他の造粒機を使って造粒する場合にも適用できると共に、焼結原料以外のペレタイジングのような塊成化技術への適用も可能である。

１ 焼結原料
２ ミキサー
３ ドラムミキサー
４ バット
５ 焼結機

Claims (4)

1. 鉄鉱石類の粗粉および微粉を含む焼結原料を水添加の下に混合、造粒して擬似粒子化した造粒焼結原料を製造する方法において、
   上記の造粒に際し、まず、前記焼結原料を造粒するための適正水分値よりも過剰な水分を添加して造粒することで、該適正水分値の下で形成される粒径よりも大きな径をもつ膨径擬似粒子を造粒し、引き続いてこの粒子を乾燥処理して、その膨径擬似粒子の乾燥後水分値を前記適正水分値±１ポイント（ｍａｓｓ％）以内にまで低下させることを特徴とする焼結原料の製造方法。
2. 造粒時の膨径擬似粒子の水分値を、前記適正水分値よりも１０〜５０ポイント（ｍａｓｓ％）多くすることを特徴とする請求項１に記載の焼結原料の製造方法。
3. 膨径擬似粒子は、外層に水分と凝集微粉とからなる含水微紛層を有することを特徴とする請求項１または２に記載の焼結原料の製造方法。
4. 擬似粒子の適正水分は、原料充填層の冷間通気性が最大となる造粒水分のことであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の焼結原料の製造方法。

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