JP5891761B2 - 鉱石事前処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉に装入する鉱石の事前処理方法に関し、特に高炉内において粉化しやすい塊鉱石の事前処理方法に関する。

高炉では、鉄鉱石、コークス、造滓剤を原料として炉頂から炉内へ装入し、炉下部から高温空気あるいは酸素を富化した高温空気を炉内へ吹き込むことによりコークスを燃焼し、この燃焼により発生する熱とＣＯガスを利用して鉄鉱石の還元、溶融を行なうことで、溶銑を製造している。
炉頂から装入される原料は数ｍｍから数十ｍｍの粒状に調整されて、炉内へ装入されるので、炉下部でコークスの燃焼によって発生する燃焼ガスは炉内に充填された粒状の原料の間隙を炉頂へ向けて上昇することになる。
原料への熱供給は主としてこの燃焼ガスからの伝熱により行われるために、炉内における燃焼ガスの流れが適正な状態でないと、原料の昇温が不安定となり、鉄鉱石の還元、溶融に支障をきたすことになる。
したがって、炉内のガス流を適正なものとするために、炉頂における原料の炉内装入時に、炉内の適正な位置へ適正な粒度の原料を装入するための、炉頂装入装置や炉頂装入方法の開発が鋭意進められている。

しかしながら、このような原料装入装置や方法の工夫を精緻に行っていても、原料そのものに粉が混入または／および付着したり、結晶水を含有した塊鉱石が炉内で300℃以上に昇温されたときに、結晶水の分解によりできた空隙を起点に塊鉱石自体が粉化または割れるという熱割れを起こした場合には、炉内の原料充填層に粉が侵入する。侵入した粉は、炉内の原料充填層の間隙を流れ、場合によっては粒原料同士の間隙に粉原料が溜まって炉内のガス流を阻害するため、充填層全体または局部に通気抵抗の高い部分が生じ、上記したガス流の適正化が難しくなってしまう。
換言すれば、以上のような炉内に侵入する粉を低減することにより、高炉の操業は安定化し、出銑能力の増加、還元材比の低下を実施することができる。
したがって、炉内に侵入する粉を低減する技術は、高炉炉内への原料装入技術と同等に重要な技術であるといえる。

高炉内への粉の侵入を低減する先行技術としては、例えば特許文献１に開示された高炉操業方法がある。特許文献１に開示された高炉操業方法は、「高炉の炉頂から固体還元材と鉄原料を装入しながら、前記高炉の羽口から熱風と共に微粉炭を吹込む高炉操業法において、塊状鉱石を含む処理原料を加熱処理して乾燥し、該乾燥した処理原料を前記鉄原料として前記高炉へ炉頂から装入する前に、篩選別処理して該処理原料に付着した微粉鉱石を除去することを特徴とする。」（特許文献１の請求項１参照）というものである。そして、特許文献１においては、塊状鉱石を含む処理原料の加熱処理温度として、８０℃以上２００℃以下としている。

また、特許文献２に開示された製錬炉装入原料の事前処理方法には、「焼結機の焼成ストランドを出て破砕された高温の焼結鉱に鉱石または／およびペレットを投入し、焼結機クーラー部において上記高温焼結鉱と投入された鉱石または／およびペレットとの混合物を冷却し、その後篩による分級を行って篩上産物を製錬炉装入用に、篩下産物を焼結原料用に仕分ける」（特許文献２の特許請求の範囲（１）参照）技術が記載されているが、その目的は湿潤鉱石を乾燥することにより、分級効率を上げて、4〜8mmのサイズの湿潤鉱石を高炉に直接装入可能とするものである。一方で、「粒径８mm以上の鉱石はそのまま高炉に装入できるものであるが、これをクーラーに入れると、温度の上昇による崩壊、いわゆる熱割れをおこし、これが搬送により発生する割れに加わり細粒の増加を招く。」との問題も指摘している。

特開２００７−３９７４７号公報 特公平６−２９１２号公報

特許文献１では鉱石と接触させる焼結鉱の温度を80℃以上200℃以下としている。しかしながら、鉱石に接触させる焼結鉱の温度が300℃以下の場合は鉱石の結晶水を分解することはできないため、上記の温度で事前乾燥をしたとしても熱割れによる高炉内への粉の持ち込みを抑制することができない。また、結晶水を含む塊鉱石を高炉内に装入すると結晶水が分解する際に分解熱を奪われ、その分多くの還元材が必要となる問題も有る。

また、特許文献２においては、焼結機の排鉱端から焼結クーラ設備の入り口までの間に鉱石を装入し、高温の焼結鉱に直接接触させている。このため、結晶水を含有する塊鉱石が過度に崩壊し、必要以上に粉が発生し焼結機に返す篩下の量が増えるという問題が有る。
また、投入する鉱石または／およびペレットを予め分級し、その粒子径８mm以上のものまたは／および粒子径４mm以下のものの割合を少なくするとしているが、発明者らの知見によると鉱石の粒径が大きくなるほど結晶水の分解による粉化の影響を受けるため、上記の粒度範囲では高炉内での粉化抑制効果は低下する。
さらに、焼結クーラの排熱利用効率が低下し、例えば排熱をボイラー蒸気で回収するとすればボイラー蒸気回収能力を低下させるという問題がある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、塊鉱石中の結晶水を事前に除去し、塊鉱石を高炉に装入した際に熱割れによる高炉内への粉の侵入を防止できる塊鉱石の事前乾燥方法を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る塊鉱石の事前処理方法は、高炉に装入する塊鉱石の事前処理方法であって、結晶水の含有比率が３質量％以上の塊鉱石を、焼結機におけるクーラ部で、かつ焼結鉱層の温度が３００〜６００℃の部分に装入して事前乾燥することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記クーラ部では、前記焼結鉱層の上部に塊鉱石層を形成して、冷却ガスを上方吸引することを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記クーラ部は焼結鉱から排熱を回収する排熱回収装置を有し、塊鉱石は前記排熱回収装置の下流側に装入することを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記事前乾燥後の塊鉱石を３〜６ｍｍの篩を通し、篩上を高炉装入原料とすることを特徴とするものである。

本発明においては、結晶水の含有比率が３質量％以上の塊鉱石を、焼結機におけるクーラ部で、かつ焼結鉱の温度が３００〜６００℃の部分に装入して事前乾燥するようにしたので、塊鉱石の結晶水含有率を低減することができ、このような事前に結晶水含有率を低減した塊鉱石は、高炉に装入することで、高炉内での塊鉱石の熱割れによる粉化を抑制することができ、還元材比の低減という効果を奏することができる。

本発明の一実施の形態に係る塊鉱石の事前乾燥方法の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る塊鉱石の事前乾燥方法に用いる焼結機のクーラ部の説明図である。 図２の矢視Ａ−Ａ断面図である。 発明の一実施の形態に係る塊鉱石の事前乾燥方法の効果確認の実験における焼結鉱温度、塊鉱石温度及び通過ガス量と経過時間の関係を示すグラフである。 結晶水割合と粉化割合との関係を調査する実験方法の説明図である。 結晶水割合と粉化割合との関係を示すグラフである。 塊鉱石を乾燥する温度と粉化割合との関係を示すグラフである。

図１は本実施の形態に係る塊鉱石の事前乾燥方法に関連する装置の概要を説明する説明図である。まず、図１に基づいて焼結鉱の生成方法と塊鉱石の事前乾燥方法の概要を説明する。
図１に示されるように、焼結機１の原料投入ホッパ３から焼結ストランド５に投入された焼結原料７が焼結ストランド５によって焼成されケーキ状の焼結鉱９になり、焼結鉱９は図示しないクラッシャーにて破砕された後、クーラ部１１に搬送され、クーラ部１１の排熱回収装置１３にて排熱回収され、さらに第２クーラファン１５、第３クーラファン１７、第４クーラファン１９によって冷却され、高炉へと搬送される。
本実施の形態に係る塊鉱石の事前乾燥方法は、上記のような焼結鉱の生成過程において、結晶水の含有比率が３〜６質量％の塊鉱石を、焼結機１におけるクーラ部１１で、かつ焼結鉱の温度が３００℃〜６００℃の部分である排熱回収装置１３の直後に装入して事前乾燥することを特徴とするものである。
以下詳細に説明する。

焼結機１のクーラ部１１の構成を図２に基づいて詳細に説明する。
クーラ部１１は、排熱回収装置１３と、第２クーラファン１５、第３クーラファン１７、第４クーラファン１９を備えている。焼結鉱投入部２１から第４クーラファン１９に至る経路が円形に構成されている。排熱回収装置１３の下流側には塊鉱石を投入する塊鉱石投入部２３が設けられている。塊鉱石は塊鉱石送りコンベア２５によって塊鉱石投入部２３に搬送されて、投入部から投入される。第４クーラファン１９を出た焼結鉱及び乾燥された塊鉱石は高炉側へ続くパンコンベア２７で搬送される。

第２クーラファン１５設置部における断面の状態は、図３に示されるように、焼結鉱９の上面に塊鉱石２９が敷き詰められた状態になっている。
クーラ部１１に投入される焼結鉱の温度は約８００℃であり、排熱回収装置１３を通過する間に約６００℃に下がる。したがって、塊鉱石２９は約６００℃の焼結鉱９の上方に敷き詰められて乾燥されることになる。乾燥は、図３に示すように、焼結鉱９の下方から冷風を送風し、焼結鉱９によって加温された空気を塊鉱石２９に当てることによって行われる。
このように、塊鉱石を焼結鉱と混合するのではなく、冷却ガスを上方吸引する焼結クーラの焼結鉱層の上部に塊鉱石層を形成することで、焼結鉱層を通過する際に加熱された空気を伝熱媒体として塊鉱石を間接的に加熱乾燥することができる。そして、高温の焼結鉱との直接混合で塊鉱石が急激に温度上昇することなく、過度の崩壊を防止しつつ効率的に結晶水を除去することが可能となる。

本実施の形態の事前乾燥方法によって塊鉱石の乾燥が可能かどうかの実験を行ったので、これについて説明する。
実験条件は、焼結鉱８０％（層厚320ｍｍ）、ピルバラ塊鉱石２０％（層厚80ｍｍ）の割合として、６００℃に加熱した焼結鉱層上に塊鉱石層を形成し、通風して（クーラ部１１に装入時と同等条件）塊鉱石を昇温した。そして、塊鉱石の乾燥前後の水分、結晶水の含有率を測定した。
焼結鉱層中間部の温度、塊鉱石層中間部の温度及び通過ガス量と経過時間の関係を図４に示す。図４に示すグラフは、縦軸（左）が温度（℃）、縦軸（右）がガス流量（ｍ³/min）であり、横軸が経過時間（分）である。
焼結鉱層中間部の温度は、焼結鉱層表面から、160ｍｍの深さに熱電対を装入して測定した温度であり、塊鉱石層中間部の温度は、塊鉱石層表面から、40ｍｍの深さに熱電対を装入して測定した温度である。
図４のグラフに示すように、焼結鉱層中間部の温度は約６００℃から徐々に低下して、２０分経過時には２００℃以下になっている。他方、塊鉱石層中間部の温度は６〜７分経過時に最高温度（約６００℃）となり、その後、徐々に低下して２７分経過時には約２００℃となっている。
塊鉱石の乾燥前後の水分、結晶水の含有率の変化を表１に示す。

表１に示されるように、上記の乾燥によって、水分及び結晶水共に約４％の低減が実現されている。
上記の実験結果から、焼結機１のクーラ部１１における排熱回収後の焼結鉱によって塊鉱石の乾燥が可能であることが実証された。

本実施の形態の塊鉱石は、結晶水の含有比率が３質量％以上のものを使用することにしているが、この点について説明する。
乾燥前の結晶水割合と乾燥後の粉化割合について実験を行った。実験方法を図５に示す。
塊鉱石を容器３１に入れて、５５０℃の窒素ガスを通流させて昇温し、回転ドラム３３によって３０ｒｐｍで３０分（９００回転）して、その試料を篩装置３５によって粒径が３ｍｍアンダーのものと３ｍｍオーバーのもとに篩分けした。
実験に用いた塊鉱石は、ピルバラ塊鉱石（結晶水含有率５．２％）、マック塊鉱石（結晶水含有率５．６％）、ローブリバー塊鉱石（結晶水含有率９．５％）、ヤンディ塊鉱石（結晶水含有率９．６％）である。

実験結果を図６に示す。図６のグラフは、縦軸が粉化したもの（３ｍｍアンダーのもの）の割合であり、横軸が乾燥前の結晶水割合（％）を示している。このグラフから、結晶水割合が大きくなるほど、粉化の傾向が大きいことが分かる。そして、結晶水含有率が３質量％以上の塊鉱石であれば、高炉内で粉化する分の粉を高炉装入前に事前に除去できることが分かる。
したがって、結晶水含有率が３質量％以上の塊鉱石を用いた場合において本発明の効果が得られる。

上記の実験では、塊鉱石の昇温条件として５５０℃としていたが、温度による粉化割合の変化についても調査した。
調査は、ヤンディ塊鉱石、マック塊鉱石、ローブリバー塊鉱石、ピルバラ塊鉱石を用いて、前処理として、105±5℃で乾燥後、15〜20ｍｍにサイジングしたもの500ｇを使用した。
実験条件と方法は以下の通りである。
(1)窒素ガスを20Nm/minで通風しながら目標温度Tに昇温
（T=150、250、350、450、550℃）
(2)目標温度にて約11分（焼結機想定）保持
(3)窒素ガスにて常温まで冷却
(4)試料を計量
(5)30ｒｐｍで900回転後、15mmアンダー（-15mm）、3mmアンダー(-3mm)を測定

調査結果を図７に示す。図７のグラフは、縦軸が粉化割合（％）を示し、横軸が温度（℃）を示している。
図７から分かるように、ピルバラ塊鉱石及びマック塊鉱石の場合、温度が５５０℃であっても、粉化割合が１０％以下である。これに対して、ローブリバー塊鉱石では温度上昇と共に粉化率が上昇し、５５０℃では約２５％となっている。また、ヤンディー塊鉱石では、２５０℃〜３５０℃で急激に粉化率が上昇し、５５０℃では約３０％となっている。これらは、結晶水の分解温度である約300℃以上に塊鉱石を昇温することで、塊鉱石中の結晶水を事前に除去し、高炉内で発生する粉を事前に低減できることを示している。

以上説明したように、本実施の形態に係る塊鉱石の事前処理方法においては、結晶水の含有比率が３質量％以上の塊鉱石であるピルバラ塊鉱石（結晶水含有率５.２％）、マック塊鉱石（結晶水含有率５.６％）、ローブリバー塊鉱石（結晶水含有率９．５％）、ヤンディ塊鉱石（結晶水含有率９．６％）を、焼結機１におけるクーラ部１１で、かつ焼結鉱の温度が約６００℃の部分である排熱回収装置１３の直後に装入して事前乾燥することによって結晶水含有率を１％以下にすることができる。そして、このような塊鉱石は、焼結鉱と共に３〜６ｍｍの篩を通し、篩上を高炉に装入することで、高炉内での粉化を抑制することができ、還元材比の低減に効果を奏することができる。篩下は、焼結原料等に再利用される。

２種類の塊鉱石の配合条件について、本実施の形態に示した方法により事前乾燥した塊鉱石を用いて高炉操業を行い、高炉還元材比を求めその効果を確認した（表２の実施例１、２）。比較例として、同じ配合条件の塊鉱石を事前乾燥しないで用いた場合の高炉還元材比を求めた（表２の比較例１、２）。
表２に高炉装入原料の配合比率と高炉操業結果を示した。

実施例１と比較例１を比較すると、塊鉱石を事前乾燥しないで用いた比較例１の高炉還元材比が496kg/t-pであったのに対して本実施の形態に示した方法で事前乾燥した塊鉱石を用いた実施例１の高炉還元材比は492kg/t-pとなり、4kg/t-pの高炉還元材比低減が実現された。
また、実施例２と比較例２を比較すると、塊鉱石を事前乾燥しないで用いた比較例２の高炉還元材比が494kg/t-pであったのに対して本実施の形態に示した方法で事前乾燥した塊鉱石を用いた実施例２の高炉還元材比は491kg/t-pとなり、3kg/t-pの高炉還元材比低減が実現された。
このように、いずれの配合比率の場合であっても、本実施の形態の方法による塊鉱石の事前乾燥を行うことによって、高炉還元材比を低減することができる。

１ 焼結機
３ 原料投入ホッパ
５ 焼結ストランド
７ 焼結原料
９ 焼結鉱
１１ クーラ部
１３ 排熱回収装置
１５ 第２クーラファン
１７ 第３クーラファン
１９ 第４クーラファン
２１ 焼結鉱投入部
２３ 塊鉱石投入部
２５ 塊鉱石送りコンベア
２７ パンコンベア
２９ 塊鉱石
３１ 容器
３３ 回転ドラム
３５ 篩装置

Claims (3)

1. 高炉に装入する塊鉱石の事前処理方法であって、
   結晶水の含有比率が３質量％以上の塊鉱石を、焼結機におけるクーラ部で、かつ焼結鉱層の温度が３００〜６００℃の部分に装入し、該クーラ部では、前記焼結鉱層の上部に塊鉱石層を形成して、冷却ガスを上方吸引して事前乾燥することを特徴とする塊鉱石の事前処理方法。
2. 前記クーラ部は焼結鉱から排熱を回収する排熱回収装置を有し、塊鉱石は前記排熱回収装置の下流側に装入することを特徴とする請求項１記載の塊鉱石の事前処理方法。
3. 前記事前乾燥後の塊鉱石を３〜６ｍｍの篩を通し、篩上を高炉装入原料とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の塊鉱石の事前処理方法。