JP5815196B2 - 焼結鉱の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、下方吸引式のドワイトロイド（ＤＬ）焼結機を用いて粉状の原料を塊成化し、製錬工程に適した原料を製造する焼結鉱の製造方法に関するものであり、特に焼結原料を焼結する際、焼結用空気に酸素を富化する焼結鉱の製造方法に関するものである。

高炉製銑法の主原料である焼結鉱は、一般に、鉄鉱石粉、製鉄所内回収粉、焼結鉱篩下粉、石灰石及びドロマイトなどの含ＣａＯ原料、生石灰等の造粒助剤、粉コークスや無煙炭などの炭材（固体燃料）を原料として無端移動床型火格子式焼結機であるドワイトロイド（ＤＬ）焼結機（以下、単に「焼結機」と記載する。）を用いて製造される。焼結鉱の原料は、ドラムミキサー等により適量の水を加えながら混合、続いて造粒され、３．０〜６．０ｍｍの平均径を有する擬似粒子である焼結原料が形成される。形成された焼結原料は、乾燥後、焼結機の無端移動式のパレット上に装入され、焼結ベッドとも呼ばれる装入層が形成される。装入層の厚さ（高さ）は４００〜８００ｍｍ前後である。その後、装入層の上方に設置された点火炉により、この装入層中の炭材に点火する。パレットの下に配設されているウインドボックスを介して装入層中の空気を下方に吸引することにより、装入層中の炭材は順次に燃焼し、その燃焼はパレットの移動につれて次第に下層にかつ前方に進行する。このときに発生する燃焼熱によって、焼結原料が燃焼、溶融し、焼結ケーキが生成する。その後、得られた焼結ケーキは、破砕後クーラーで冷却されて、整粒され、所定粒度（例えば、５．０ｍｍ以上）の塊成物からなる成品焼結鉱として回収される。

このような焼結鉱の製造において、生産率や歩留りを向上させるために、装入層に気体燃料を吹き込む技術が知られている（特許文献１）。特許文献１に記載の技術によれば、燃焼下限濃度以下に希釈された気体燃料を装入層の上から供給して、装入層内で前記気体燃料を燃焼させて、発生する燃焼熱によって、焼結ケーキを生成させることで、焼結鉱全体として冷間強度の高い成品焼結鉱を歩留良くかつ高い生産性を確保して製造することができるとされている。
特開２００８−９５１７０号公報

焼結鉱の品質を良好に保つには、装入層内の温度を所定の高温の範囲内に所定の時間保持して焼結することが好ましい。気体燃料は炭材に比較して着火温度が低く、装入層内のコークスが燃焼する位置よりも上部（表層部近く）で燃焼させることができる。これにより装入層の最高到達温度を上昇させることなく、高温度域保持時間を延長することができるため、装入層に気体燃料の供給を行なうことにより、焼結鉱の生産率や歩留りを向上できると考えられる。

気体燃料の供給により、製造される焼結鉱の強度が向上し、それに応じて歩留りも向上するが、生産率の向上については十分ではなく、よりいっそうの生産率の向上が望まれる。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、装入層への気体燃料の供給を行なって焼結鉱を製造する際に、より生産率を向上できる焼結鉱の製造方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）循環移動するパレット上に焼結原料を装入して前記パレット上に装入層を形成し、該装入層を焼結して焼結鉱を製造する焼結機を用い、
前記装入層を焼結する際に、酸素と空気と気体燃料とを前記装入層の上流側に上部から供給することを特徴とする焼結鉱の製造方法。
（２）装入層に供給される気体燃料が燃焼下限濃度以下に希釈されていることを特徴とする（１）に記載の焼結鉱の製造方法。

本発明によれば、焼結鉱の品質を向上させて、従来以上の高い生産率で焼結鉱を製造することが可能となる。

本発明者らは焼結機の操業において、気体燃料とともに酸素を富化した空気を供給することを検討した。酸素を富化することにより燃焼下限温度が低下するので、実質的に燃焼発熱し始める位置を装入層内の上方にできる。従って、燃焼・溶融帯の厚みを厚くすることができ、焼結鉱の品質を向上させることができる。

本発明者らの検討によれば、焼結鉱の品質を良好に保つには、装入層内の温度を１２００〜１４００℃の範囲内に所定の時間以上保持することが好ましい。焼結原料に添加する炭材の量を増やすことで、炭材の燃焼時間を長くすることも考えられるが、炭材の量が増えると装入層内の温度が上昇する。装入層内の温度が１４００℃を超えてしまうと、製造される焼結鉱の強度が低下する。しかし、焼結機へ吸引される空気への酸素富化と気体燃料の供給とを組み合わせると、燃焼速度を速めて生産率を向上させながら、装入層の高温度域を短縮させないですむことを見出して、本発明を完成した。

図２は装入層に気体燃料を供給する場合の効果を説明するグラフである。図２は装入層内の厚さ方向での温度分布を測定した一例であり、装入層高さ方向位置とは装入層下端を０とした高さ方向の位置を示す。図中の破線は、通常の空気を用い、炭材として粉コークスを５．０ｍａｓｓ％添加した場合を示す。図中の実線は、炭材の添加量を４．６ｍａｓｓ％として、空気に液化天然ガス（ＬＮＧ）を０．４体積％混合した場合を示す。ＬＮＧを供給することで、１２００〜１４００℃の間に保持される領域が長くなることが分かる。

気体燃料は粉コークスに比較して着火温度が低く、装入層内のコークスが燃焼する位置よりも上部（表層部近く）で燃焼させることができる。これにより装入層の最高到達温度を上昇させることなく、高温度域保持時間を延長することができると考えられる。したがって、酸素富化により生産率を向上させながら、酸素富化で短縮された高温度域保持時間を気体燃料の供給により延長して、焼結鉱の品質を高めつつ生産率を向上させることが可能となる。

気体燃料としては、燃焼下限濃度以下に希釈された可燃性ガスを用いることが好ましい。希釈された可燃性ガスを用いることで、焼結ベッド近傍で異常燃焼することなく、装入層中の所定領域位置での燃焼を調整することができる。気体燃料は、燃焼下限濃度の３／４以下の濃度に希釈された可燃性ガスを用いることが好ましい。より好ましくは、燃焼下限濃度の３／５以下の濃度に希釈された可燃性ガスであり、さらに好ましいのは、燃焼下限濃度の１／５以下の濃度に希釈された可燃性ガスである。なお、この際に下限としてはそれぞれ１／５０以上であることが好ましい。燃焼下限濃度の３／４以下まで希釈した可燃性ガスを使用することが好ましい理由は、下記の二点である。
（ａ）前記気体燃料の装入層上部への供給は、時として、爆発的燃焼を招くおそれがあるので、少なくとも常温では、火種があってもなお燃焼しない状態にする。
（ｂ）焼結機上（装入層中）で完全に燃焼することなく、未燃焼のままで焼結機の下流側にある電気集塵器等に達したとしても、電気集塵器の放電下で燃焼するおそれが全くない状態、即ち、燃焼下限濃度の３／４以下の条件で行なう。
一方で、燃焼下限濃度の１／５０以上の濃度であれば、装入層内が高温度域に保持される時間を延長する効果がある。なお、燃焼下限濃度とは点火して燃焼する濃度の下限値であり、高炉ガスで４０体積％、コークス炉ガスで５体積％、プロパンガスで２．２体積％、天然ガスで４．８体積％、メタンガスで４．９体積％である。

したがって、気体燃料の濃度を上記の範囲で炭材量（固体燃料）に応じて調節することで、装入層中の適切な位置で燃焼させることができ、装入層内が高温に保持される時間を延長することができる。気体燃料として具体的には、高炉ガス、コークス炉ガス、高炉・コークス炉混合ガス、プロパンガス、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、メタンガス等を用いることができる。

上述のように、希釈した気体燃料を供給することによって、装入層内に形成される燃焼・溶融帯の厚みを厚くすることができる。本発明においては、装入層最高到達温度を１４００℃以下とし、高温度域保持時間を調整するために、装入層中の燃焼・溶融帯の厚みが、少なくとも１５ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは２０ｍｍ以上、更に好ましくは３０ｍｍ以上になる条件下で希釈気体燃料の供給を行なう。通常操業（希釈燃料の供給をしない操業）において、装入層の上層部では燃焼・溶融帯の厚みが中層部や下層部よりも薄く、上層部での燃焼・溶融帯の厚みを厚くすることが効果的であり、本発明においては後述のように焼結前部（後述のＣ領域）において希釈気体燃料を供給するものである。燃焼・溶融帯より上層部の温度分布が上方に向かってなだらかになっている条件では（一般的には、燃焼・溶融帯幅が広いほど）、希釈気体燃料が着火して燃焼発熱し始める位置が高くなるので、コークスが着火して燃焼発熱するレベルより離れることとなり、希釈気体燃料吹き込みによる燃焼・溶融帯拡大効果は大きくなる。

空気の酸素富化率は、３〜９体積％とすることが好ましい。空気に酸素を３体積％以上富化することで生産率向上の効果があるが、酸素を富化する量が９体積％を超えると、装入層内の温度が高温になりすぎ、焼結鉱の歩留りが低下する場合がある。酸素富化により焼結原料に添加した炭材の燃焼性が向上するため、炭材の量は、酸素富化を行わない場合よりも減らすことが好ましい。

本発明では焼結機の装入層の上部から、原料装入側から排鉱側に向かって、前部（パレット上の装入層の上流側）に酸素と気体燃料の供給を行なうものである。図１を用いて本発明の一実施形態を説明する。

図１は焼結機の一例を示す概略構成図である。図１において、１は焼結機本体であり無端移動床型パレット（以下、「パレット」という）２とウインドボックス３とからなっている。焼結原料装入装置４からパレット２へ装入された粉状の焼結原料は、点火炉５で着火された後、上方の酸素・気体燃料供給フード６から供給されるガス、並びに吸引された空気の作用を受けると共に、焼結原料層（装入層）から出てくる排ガスが下部のウインドボックス３により下方に吸引・排風され、そして焼結が完了して排鉱される。酸素や気体燃料の供給は、フード内に供給されればどのような方法でも構わないが、フード内にガス種毎にそれぞれ吹き込む方法や予め混合したガスをフード内に吹き込むことなどが可能である。図１においては、酸素は予め酸素富化空気とし、気体燃料は別系統でフード内に供給している。なお、ここではパレット２を図１に示すように、原料装入側から排鉱側に向かって順にＡ：原料装入領域、Ｂ：点火領域、Ｃ：焼結前部、Ｄ：焼結後部に区分する。ここで、Ｃは上部から酸素および気体燃料が供給される領域であり、ＤはＣの領域の最後端から排鉱部までの領域である。１３は集塵機、１４は排風機、１５は煙突である。

先ず、焼結の生産性を向上させるために空気に酸素富化を行なう。この酸素富化は、Ｃ：焼結前部の領域に吹き込む空気に対して行なうものであり、酸素富化空気は酸素富化空気ライン８を経て酸素・気体燃料供給フード７から装入層に吹き込む。このＣ領域は、焼成有効グレート面積（Ｂ、Ｃ、Ｄの領域）から点火領域（Ｂの領域）を差し引いた領域（Ｃ＋Ｄの領域）に対して前部に占める７０％以下とすることが好ましい。７０％を超えると、装入層の下層部で焼成された焼結鉱の品質（強度、反応性）の低下が懸念されるからである。なお、通常の場合、２０〜５０％程度が更に好ましい。焼結機の前部で空気に酸素富化をした分に応じて焼結速度が向上し、焼結原料中の焼結面の降下が速くなる。そして酸素富化と同時に、気体燃料の吹き込みを行なう。気体燃料も焼結前部の領域（Ｃの領域）に吹き込むものであり、酸素・気体燃料供給フード７内で酸素富化空気と所定の濃度に混合し、装入層内へ吸引させる。気体燃料は気体燃料ライン９を経て酸素・気体燃料供給フード７に供給する。気体燃料は炭材（粉コークス）よりも着火温度が低いため、炭材が燃焼するよりも装入層内の上方で燃焼し、最高到達温度を上昇させることなく、高温度域保持時間の延長を図ることができる。Ｄ領域の比率は、Ｃ＋Ｄの領域に対して後部に占める３０％以上とする。

図１に示すような、焼結機の上流側に酸素・気体燃料供給フードを有する酸素と気体燃料を供給する酸素・気体燃料吹き込み装置を備えた焼結機を用いることで、本発明を好適に実施することができる。酸素富化空気・気体燃料吹き込み位置には、熱電対または着火検知センサーを設け、着火した場合には、インターロック機能により酸素と気体燃料の供給をストップして、酸素・気体燃料供給フード内を窒素ガスでパージして速やかに燃料吹込み操業を再開できる機能を備えることが好ましい。

図１に示すものと同様の下方吸引式のドワイトロイド焼結機を用いて焼結鉱の製造試験を行った。使用した焼結機の機長は、点火炉から排鉱部まで９０ｍ、幅５ｍである。この焼結機の点火炉の後方約１０ｍの位置に、長さ（パレット移動方向）３０ｍ、機幅全体をカバーする大きさの酸素・気体燃料供給フードを設けて、装入層上流側への酸素富化空気吹き込み、気体燃料吹き込みを行い、表１に示すＮｏ．１〜５の条件で、焼結鉱を製造した。

気体燃料としてはＬＮＧ（液化天然ガス）を用いた。気体燃料の吹き込み濃度は、酸素富化空気とともに吹き込む吸引空気量と気体燃料吹き込み量の総和に対する濃度であり、酸素・気体燃料供給フード内での濃度である。ＬＮＧの燃焼下限濃度は４．８体積％であり、酸素・気体燃料供給フード内で０．８体積％となるように吹き込みを行った。また、コークス配合量は、炭材として用いた粉コークスの割合であり、焼結原料（鉄鉱石、副原料、返鉱）総量に対する外数で示している。なお、ＬＮＧは天然ガスを液化して貯蔵・運搬するものであるが、本発明の実施にあたっては気化させた後に使用した。

表１においてＮｏ．１は酸素富化、気体燃料吹き込みを行わない従来方法の場合であり、Ｎｏ．２は装入層上流側に気体燃料吹き込みを行う場合、Ｎｏ．３〜５は本発明例であり、酸素富化率を変化させて装入層上流側に酸素富化空気と気体燃料吹き込みを行い操業を行なった場合である。それぞれの場合について、製造した焼結鉱の生産率、成品歩留り、成品強度、成品還元率、成品還元粉化率を測定した。結果を表１に併せて示す。

表１によれば、Ｎｏ．１に比較して、気体燃料吹込みのみを行なうＮｏ．２では生産率がわずかに向上し、成品歩留り、成品強度が向上した。成品還元率も向上し、成品還元粉化率はわずかに悪化した。これに対して酸素富化と気体燃料吹込みとを行なうＮｏ．３〜５では、生産率、成品歩留り、成品強度が大幅に向上した。成品還元粉化率はやや悪化したが、それ以上に成品還元率が向上した。気体燃料吹込みを行うことで、さらに気体燃料の発熱量から計算される以上に、コークスの配合量を減らすことができた。希釈気体燃料吹き込みなしの場合と比べて、本発明の場合、焼結燃焼・溶融帯が従来より上層部側に拡がる（コークスより先に希釈気体燃料の燃焼発熱が起きるため）とともに、希釈気体燃料が燃焼することによって空気の温度が高い状態でコークス燃焼帯に供給されることになるので、発熱量から計算される量以上にコークス配合量を削減しても、燃焼・溶融帯として必要な温度レベルである１２００〜１４００℃を確保できる。削減できるコ−クス量の発熱量は使用した希釈気体燃料の燃焼発熱量の２倍程度に相当している。即ち、プロセストータルのエネルギー消費量を低減できるとともに、炭酸ガス発生量およびコークス配合量も大幅に低減することができる。更に、装入層の下層部では、元々コークス原単位が必要量より多く熱過剰になっていたので、コークス配合量の削減により成品焼結鉱の反応性を向上させることもできた。

本発明の一実施形態を示す焼結機の概略構成図。 装入層内の温度変化の比較を示すグラフ。

符号の説明

１ 焼結機本体
２ パレット
３ ウインドボックス
４ 焼結原料装入装置
５ 点火炉
６ 酸素・気体燃料供給フード
８ 酸素富化空気ライン
９ 気体燃料ライン
１３ 集塵機
１４ 排風機
１５ 煙突
Ａ 原料装入領域
Ｂ 点火領域
Ｃ 焼結前部
Ｄ 焼結後部

Claims (1)

1. 循環移動するパレット上に焼結原料を装入して前記パレット上に装入層を形成し、該装入層を焼結して焼結鉱を製造する焼結機を用い、
   前記装入層を焼結する際に、酸素富化空気により燃焼下限濃度以下に希釈されている気体燃料を、前記装入層の焼成有効グレート領域から点火領域を差し引いた領域を１００％とした際の、点火領域との境界から２０％の部分ないし点火領域との境界から５０％の部分のみに上部から供給し、前記酸素富化空気の酸素含有率が、酸素富化前の空気における酸素含有率よりも３〜９体積％上昇していることを特徴とする焼結鉱の製造方法。

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