JP5958264B2 - 高炉用塊成鉱及びその製造方法 - Google Patents
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Description
圧縮成型には、ブリケッティングがある。ブリケッティングには、還元炉から排出された還元鉱石を高温状態のままの熱間で成型するホットブリケットアイアン(以下、HBIと記す。)と、常温までに冷却した後に成型するコールドブリケットアイアン(以下、CBIと記す。)がある。JISM8700−2004では650℃以上でブリケット化し5g/cm3以上の見掛け密度としたHBIと650℃未満でブリケット化し5g/cm3未満の見掛け密度としたCBIが規定されている。
熱間成型は、高温度で圧縮するので、高強度のブリケットが得られやすいが、温度制御や、設備の耐久性に困難性を伴う。一方、冷間成型は、熱間成型に比べ設備はシンプルで、運転も簡単であるが、ブリケット強度が低いという問題がある。高炉が要求する圧潰強度を得るため、バインダー等を添加することも考えられるが、無機系バインダーでは高炉のスラグ成分が増加し、有機系バインダーでは、熱分解によりタール等を発生し高炉操業にとって、好ましくない。
又、冷間成型、熱間成型に限らず、圧縮成型すると、還元により生成された還元鉱石内の気孔が閉塞し、還元率が減少するという問題がある。
以上のように、高強度で、かつ、還元性の優れた高炉用原料としての還元鉱石の製造は、困難性を伴う。
還元鉄の篩下は、圧縮により成型されるが、成型体の強度と被還元性についての言及は無い。
圧潰強度を高めるために還元鉱石をそのまま圧縮成型した場合、表層部の金属鉄の気孔は潰され、緻密な金属鉄になる。その結果、高炉内で、還元ガスは中への侵入が妨げられ、中核部の酸化鉄の還元が遅滞する。還元鉱石の圧潰強度を高めるための圧縮成型は、還元鉱石の還元性を悪化させるという課題がある。
前記塊成鉱の金属化率が40質量%以上80質量%以下であり、
酸化鉄が前記塊成鉱の表層に露出していることを特徴とする高炉用塊成鉱。
(2) 原料鉱石を還元して還元鉱石を製造する工程と、
前記還元鉱石を粉砕する工程と、
前記粉砕した還元鉱石を成型機により成型する工程を実施することを特徴とする高炉用塊成鉱の製造方法。
(3) 前記原料鉱石を還元して還元鉱石を製造する工程が、
金属化率が40質量%以上80質量%以下の還元鉱石を製造する工程であることを特徴とする(2)に記載の高炉用塊成鉱の製造方法。
(4) 前記還元鉱石を粉砕して、粉砕した還元鉱石を製造する工程が、粒度を1mm以下に粉砕して粉砕した還元鉱石を製造する工程であることを特徴とする(2)又は(3)に記載の高炉用塊成鉱の製造方法。
(5) 前記原料鉱石を還元して還元鉱石を製造する工程が、
塊鉱石、粉鉱石又はペレットの少なくともいずれかをシャフト炉による固気ガス還元プロセスにより還元鉱石を製造する工程であることを特徴とする(2)乃至(4)の少なくともいずれかに記載の高炉用塊成鉱の製造方法。
このように製造される塊成鉱自体も従来の高炉原料にない形態を有する。すなわち、1mm以下の粒子から成る気孔率20〜40%の塊成鉱であって、塊成鉱の金属化率が40〜80質量%かつ塊成鉱内部の金属化率分布が均一な高炉用の塊成鉱である。ここに、均一とは、粉砕された還元鉱石粒子を十分に混合することで達成される程度を意味する。
かかる塊成鉱は、還元鉱石を粉砕したうえで塊成化することで、表層を覆う金属鉄が破砕され、中核部にある未還元酸化鉄が表層に露出し、ガス還元が促進されること、さらに表層部に露出した酸化鉄の還元にともなう気孔の生成で、中心部へのガス拡散が促進され、中心部の還元も進行することができることを特徴としている。また、金属鉄を40質量%以上含有する還元鉱石を粉砕後成型することで、高炉に必要な圧潰強度も確保できることを特徴としている。
還元鉱石製造に用いられる酸化鉄原料は、Fe2O3を主体とする鉄鉱石又は粉状鉄鉱石の他、各種集塵装置等から回収される多種の含鉄、含炭ダストが用いられる。塊状鉄鉱石は、そのままの姿で、粉状鉄鉱石・ダスト類は、塊成化したペレット若しくはブリケットとして、シャフト炉、ロータリーキルン又は回転炉床炉に装入し、還元する。
この還元では、完全に金属鉄まで至らない程度に還元する。還元の程度、即ち還元鉱石の金属化率は、還元鉱石の圧潰強度が高炉使用の所要強度(1000N)を満たすために40質量%必要である。また、還元炉と高炉の総合的なエネルギー消費を低減させる観点から80質量%以下の範囲に定められる(特許文献1)。すなわち、金属化率が80質量%を越えると還元工程の生産性が急激に低下する。本願発明は、シャフト炉を用いてガス還元された還元鉱石に適用するのが好ましい。これは、還元炉内の還元反応がトポケミカルに進行するため、塊成鉱の表層部が金属鉄1、中核部は未還元の酸化鉄2という構造が顕著になるためである(図1参照)。
(還元鉱石の構造について)
トポケミカル形式では、還元反応に伴う膨張・収縮を無視するならば還元鉱石の半径と中核部の酸化鉄2の半径は、以下の式(1)のようになる。
r/R=(1‐M/100)1/3・・・・・(1)
ただし、R;還元鉱石の半径(mm)
r;中核部酸化鉄の半径(mm)
M;還元鉱石の金属化率(質量%)
即ち、還元鉱石の中核部は、半径rの酸化鉄2、その周りは(R−r)の厚みの金属鉄1から成る構造をとる。
緻密層を想定した時の金属鉄の比重は、同じく緻密層を想定した酸化鉄に対し、1.5倍(金属鉄の比重は7.8g/cm3、酸化鉄の比重は5.2g/cm3)程度となるため、生成した金属鉄層の気孔は増大する。鉱石をヘマタイトと仮定し気孔率をp(体積%)であるときの、膨張・収縮を無視したときの還元鉱石の金属鉄層の気孔率p’(体積%)は、以下の式(2)のようになる。
p' = 100‐(100‐p) × (55.85/79.85)×(5.2/7.8)・・・・(2)
ただし、55.85は鉄の原子量、79.85(55.85+16×3/2)はヘマタイトの鉄1原子あたりの式量、7.8は鉄の比重(g/cm3)、5.2はヘマタイトの比重(g/cm3)を示す。
それに対処する技術として、ブリケッティングがある、金属鉄を見掛け密度5g/cm3にブリケット化した時の気孔率は36%程度となるため強度は向上するものの、還元ガスの内部への拡散・浸透と未還元酸化鉄核の還元は阻害される。多孔質体の有効拡散係数は気孔率の二乗に比例するとみなせるため、ガスの有効拡散係数は約0.29倍(=36/67)2に低下することになる(鉄と鋼、53(1967)11, 1163、近藤ら)。そのため還元鉱をそのままブリケット化する従来の技術では、未還元酸化鉄核の被還元性は非常に悪化することになる。
還元鉱石の中心核は、金属鉄の発達が不十分であるため、強度が十分でない。強度を確保するため圧縮成型すると表面の金属鉄が緻密化し、表面の金属鉄緻密層により還元ガスの拡散が阻害され、内部の未還元酸化鉄の還元が抑制される。
還元鉱石の粉砕は、粒径1mm以下とする。粒度が1mm以上の場合は、圧縮が容易でなく、所望の強度が発現しないためである。粉砕機は特に限定しないが、ボールミルやロッドミルの使用ができる。
原料A(ブラジル産微粉鉄鉱石、平均粒度約0.02mm)と原料B(豪州産粉鉄鉱石、平均粒度約0.2mm)を用い、ロール直径700mm、ロール幅650mmのダブルロール圧縮成型機により、約7ccのピロー型ブリケットを成型した。
成型したブリケットをガス還元プロセスによって、金属化率55質量%に予備還元し、還元鉱石を製造した。製造した還元鉱石の組成を表1に示す。
次に、製造した還元鉱石を1mm以下に粉砕し、前記ダブルロール圧縮成型機により、再度、約7ccのピロー型ブリケットを成型し、粉砕後成型したブリケットを製造した。
粉砕後成型したブリケットを高温性状測定装置による還元試験を行い、ガス組成からソリューションロスカーボン量を求めた。求めたソリューションロスカーボン量から、RIST線図におけるB点を求め、高炉の還元剤比を求めることができる。高温性状測定によるソリューションロスカーボン量の測定は、高温性状測定装置を用いて以下のように行った(鉄と鋼、83(1997)2,97、細谷ら)。ルツボ径85mmのルツボに、コークス20mm、試料(焼結鉱及び還元鉱石)70mmをコークス、試料の順に繰り返し装入する。ルツボに還元ガスを導入し、試料を還元し、試料が滴下完了するまで実験を行い、ガス組成を分析する。排出ガスのCO+CO2とN2の比率から、ソリューションロス反応の反応速度を求めた。
還元条件を表2に示す。
FeOx + CO = FeOx-1 + CO2・・・・・(3)
FeOx + H2 = FeOx-1 + H2O・・・・・(4)
[数5]
CO2 + C = 2CO・・・・・(5)
H2O + C = CO + H2・・・・・(6)
FeO + C = Fe + CO・・・・・(7)
ソリューションロス反応速度(g-C/min)
=([排出ガスCO+CO2 (vol%)]/[排出ガスN2 (vol%)]−[導入ガスCO(vol%)]/[導入ガスN2 (vol%)])×[導入ガスN2(mol/min)]×12(g-C/mol)・・・・・(8)
ソリューションロスカーボン量(g-C/kg-Fe)
= [全試験時間でのソリューションロス反応量(g-C)]/ ([装入試料量(g)]×[装入時鉄分(wt%)]/100)×1000(g/kg)・・・・・(9)
ソリューションロスカーボン量(Kg-C/t-Fe)をさらにmol比率にすることで、RIST線図のB点、B´点を求めた。
ここで、B点は、ベース条件(燒結鉱100%使用の場合)における、固体炭素によって還元(FeO + C = Fe + CO)される酸化鉄酸素の量を示し、B´点は、還元鉱石を使用した場合の、固体炭素によって還元(FeO + C = Fe + CO)される酸化鉄酸素の量を示す。
ソリューションロスカーボン量から、図3に示すRIST線図を用いて高炉の還元材比を求めることができる(小野陽一:鉄と鋼,Vol.79(1993),No.9,N618 (Rist線図の概要)及び小野陽一:鉄と鋼,Vol.79(1993),No.9,N711 (還元鉄装入効果))。ソリューションロスカーボン量(モル比)からRIST線図のB点、B´点を求める。次に、RIST線図のP点、P´点は、高炉の送風条件により求めることができる。B点とP点を結ぶ勾配及びB´点とP´点を結ぶ勾配より、高炉の還元剤比を求めた。
ここで、P点は、ベース条件における、保存帯より高温部での挙動に伴う熱収支の送風量に対する不動点を示し、P´点は、還元鉱石を使用した場合の、保存帯より高温部での挙動に伴う熱収支の送風量に対する不動点を示す。
送風条件は、酸素富化率3%、送風湿分10g/Nm3、送風温度1200℃とした。又、微粉炭比150kg/t、溶銑温度1530℃、スラグ比300kg/tとし、他は標準的な条件に準じた。
求めた高炉の還元材比を表3に示す。
RAR;高炉の還元材比
実施例1は、比較例1に対し、ソリューションロスカーボンが低下し、高炉の還元剤比
が低減した。比較例2は、還元鉱石を20%使用した場合であり、実施例2は、粉砕後成型した塊成鉱を20%使用した。粉砕後成型していない比較例2に対し、粉砕後成型した実施例2は、ソリューションロスカーボンが低下し、高炉の還元剤比が低減した。
2…酸化鉄
B…ベース条件における、固体炭素によって還元(FeO + C = Fe + CO)される酸化鉄酸素の量、
B´…塊成鉱を使用した場合の、固体炭素によって還元(FeO + C = Fe + CO)される酸化鉄酸素の量、
P…ベース条件における、保存帯より高温部での挙動に伴う熱収支の送風量に対する不動点
P´…塊成鉱を使用した場合の、保存帯より高温部での挙動に伴う熱収支の送風量に対する不動点。
Claims (5)
- 還元鉱石が直径1mm以下に粉砕された粒子を気孔率が20%以上40%以下となるように塊成化した高炉用塊成鉱であって、
前記塊成鉱の金属化率が40質量%以上80質量%以下であり、
酸化鉄が前記塊成鉱の表層に露出していることを特徴とする高炉用塊成鉱。 - 原料鉱石を還元して還元鉱石を製造する工程と、
前記還元鉱石を粉砕する工程と、
前記粉砕した還元鉱石を成型機により成型する工程を実施することを特徴とする高炉用塊成鉱の製造方法。 - 前記原料鉱石を還元して還元鉱石を製造する工程が、
金属化率が40質量%以上80質量%以下の還元鉱石を製造する工程であることを特徴とする請求項2に記載の高炉用塊成鉱の製造方法。 - 前記還元鉱石を粉砕して、粉砕した還元鉱石を製造する工程が、粒度を1mm以下に粉砕して粉砕した還元鉱石を製造する工程であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の高炉用塊成鉱の製造方法。
- 前記原料鉱石を還元して還元鉱石を製造する工程が、
塊鉱石、粉鉱石又はペレットの少なくともいずれかをシャフト炉による固気ガス還元プロセスにより還元鉱石を製造する工程であることを特徴とする請求項2乃至請求項4の少なくともいずれかに記載の高炉用塊成鉱の製造方法。
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