JP6028939B2 - 製鋼スラグの造粒方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼結原料をドワイトロイド式焼結機で焼結して高炉用焼結鉱を製造する際、上記焼結原料の一部に製鋼スラグの造粒粒子を用いるときの、製鋼スラグの造粒方法に関するものである。

下方吸引のドワイトロイド式焼結機で高炉用焼結鉱を製造するときには、焼結原料として、主原料となる鉄鉱石（粉鉱石）とＣａＯ系やＳｉＯ_２系の副原料に（以下、これらを「通常原料」ともいう）、適度の水分（造粒水）を添加して混合し、適度な大きさに造粒して擬似粒子（造粒粒子）とした後、該造粒粒子の表面に、石灰石粉や、焼結熱源となるコークスや無煙炭等の固体燃料（凝結材、炭材ともいう）を外装したものを用いるのが普通である。

また、製鉄所内で発生するスラグやダスト、副産物等も、その含有成分に応じて、許容できる範囲で焼結鉱の原料として再使用している。たとえば、製銑工程の高炉で発生したダストを電気集塵機やサイクロン集塵機等で回収した乾燥ダストや、製銑工場や製鋼工場の側溝などから回収した煤塵、熱間圧延工程で発生したミルスケールをシックナー等の排水処理設備で回収した湿潤ダストには、鉄分やカーボンが多く含まれているため、成分調整した後、焼結原料の鉄分やカーボン分の代替品として使用されている。また、製鋼工程で発生する脱硫予備処理スラグや、転炉スラグ（脱Ｐスラグ、脱炭スラグ）等の「製鋼スラグ」には、鉄分の他、Ｃａ分が多く含まれているため、焼結原料に添加されるＣａＯの代替品としても使用されている。

上記製鋼スラグの具体的な再利用技術としては、例えば、特許文献１には、焼結配合原料に転炉スラグを用いるに際して、ミルスケールを混合することで焼結鉱の品質を向上する技術が開示されている。この技術は、上記混合物を、粘結剤（バインダー）を用いて固化した後、乾燥し、粉砕し、粒度調整する工程を必要とする。しかし、ミルスケールの表面は、鉄鉱石と比べて凹凸が少ないため、固化するために多量のバインダーを添加する必要がある。一方、バインダーの添加量を少なくすると、一般的な焼結原料の算術平均粒径である３〜４ｍｍより粒径が小さくなるため、篩い下粉の発生率が増加してしまう。したがって、バインダーコストが高く、均一な粒度の焼結原料を得難いという問題がある。

また、特許文献２には、石灰石と比較して鉄鉱石との反応性に劣る転炉スラグの粒度を細かくすることで反応面積を大きくし、反応速度を改善することで、フラックスとして使用する技術が開示されている。しかし、この技術は、細粒化による反応性向上の代償として、焼結原料の平均粒径を低下させ必要があるため、パレット上に装入した焼結原料装入層の通気性を低下させるという問題がある。

また、特許文献３には、焼結鉱の品質低下を招く難焼結性のドロマイトを易焼結性の製鋼スラグと選択的に組み合わせることで、焼結鉱の品質低下を防止しつつ、効率的に製鋼スラグをリサイクルする技術が開示されている。しかし、この技術は、ドロマイトの使用を前提としており、ドロマイト中の遊離ＣａＯ分が少ないことによる焼結生産性の低下が懸念される。すなわち、（ＭｇＯ／ＣａＯ）比の高い原料であるドロマイトを選択しても、ドロマイト中のＣａＯに相当する石灰石の配合割合を低下させなくてはならないため、焼結操業としては減産方向に向かうという問題がある。
以上のように、製鋼スラグに関しては、溶融性の向上と造粒性の確保を両立する方法を採用する必要があるが、それらを共に満足する有効な操業方法を見出す必要があった。

そこで、上記問題点を回避する技術として、特許文献４には、製鋼スラグと、製鋼スラグ以外の原料とを別々に造粒し、比較的大きめに造粒した製鋼スラグの造粒粒子を、製鋼スラグ以外の原料（通常原料）の造粒粒子中に配合し、該造粒粒子中に混在させて焼結機のパレット上に装入することによって、Ａｌ_２Ｏ_３成分を製鋼スラグの造粒粒子内に封じ込め、Ａｌ_２Ｏ_３成分が通常原料の造粒粒子に及ぼす悪影響を最小限に抑制する技術が提案されている。

特開昭５９−２０５４２１号公報 特開平０５−０５１６５３号公報 特開平１１−２２９０４６号公報 特開２０１２−１１７０８２号公報

ところで、上記特許文献４のように、製鋼スラグを通常原料とは別に造粒する場合、その造粒機には、ドラムミキサーやパンペレタイザーが用いられている。製鋼スラグは、通常原料と比較して難造粒性であるため、造粒する際には、バインダーとしての水分（造粒水）を通常原料よりも多く添加する必要がある。しかし、製鋼スラグを上記造粒機で造粒しようとすると、添加した水分が均一に混ざらず、製鋼スラグの一部だけの造粒が進んで、粒度分布の広い造粒粒子ができ易いという問題がある。粒度分布が広くなると、小さな粒子が、大きな粒子の空隙を埋めて空隙率を減少させるため、焼結機に装入した焼結原料層の通気性を悪化させる原因となる。

また、小さな粒径の造粒粒子を減らすためには、水分を多量に添加することが有効である。しかし、過剰な水分の添加は、小さな粒子同士が凝集した「凝集粒子」を核とし、さらにその周囲に小さな粒子が付着した粗大粒子を形成されやすくする。この粗大粒子は、焼結ベッド（焼結原料層）内の通気の偏流を引き起こし、焼結反応の進行を不均一にする。その結果、製品焼結鉱の歩留り低下や強度の低下を引き起こし、生産性を低下させる。さらに、水分を多量に添加すると、焼結機に持ち込まれる水分量が増加し、焼結時における焼結原料層の湿潤帯の形成を促進するため、通気性を低下させる。そのため、過剰な水分の添加は好ましくない。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、過剰な水分の添加を行うことなく製鋼スラグの造粒を可能とするとともに、造粒粒子の粒度分布の広がりを抑えることができる製鋼スラグの造粒方法を提案することにある。ここで、本発明が対象とする上記製鋼スラグは、溶銑予備処理、転炉精錬を含む製鋼工程で発生する製鋼スラグのことをいう。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討を重ねた、その結果、製鋼スラグを造粒する前に、混合・撹拌を実施することで、製鋼スラグの粒子を一旦壊砕し、凝集粒子を破砕して細粒化するとともに、製鋼スラグ内部の水分を均一に分散させ、その後、造粒することによって、比較的粗粒の核の周りに細粒が付着して形成される、いわゆる「擬似粒子」への造粒が促進され、粒径が比較的大きくかつ均一な造粒粒子を得ることができることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、製鋼スラグに水分を添加し、造粒して焼結原料とする製鋼スラグの造粒方法において、製鋼スラグを混合・撹拌して製鋼スラグ内の水分を均一に分散した後、さらに該混合・撹拌後の製鋼スラグに、造粒に必要な適正含水率まで水分を添加して造粒するとともに、上記製鋼スラグの混合・攪拌前に、上記適正含水率の５０〜８０％まで水分を添加し、残りの水分を造粒工程で添加することを特徴とする製鋼スラグの造粒方法を提案する。

本発明の上記製鋼スラグの造粒方法は、上記製鋼スラグの混合・攪拌時の含水率を、上記適正含水率より低くすることを特徴とする。

本発明によれば、凝集粒子の生成を抑止しつつ、製鋼スラグの造粒を可能とし、かつ、造粒粒子の粒度分布の広がりを抑制することができるので、該造粒粒子を焼結原料の一部として焼結機に装入したときの焼結時のおける原料装入層の空隙率の低下や湿潤帯形成による通気性の低下を抑制することが可能となる。したがって、本発明によれば、製鋼スラグを焼結原料の一部として用いても、生産性よく焼結鉱を製造することができる。

実施例１で用いた製鋼スラグの造粒方法を説明する図である。 実施例１において、本発明の造粒方法と比較例の造粒方法で得られた造粒粒子の粒度分布を対比して示すグラフである。 実施例２の焼結実験に用いた試験鍋を説明する図である。 実施例２の焼結実験の結果を示すグラフである。

前述したように、製鋼スラグは、鉄源として粉鉱石のみを用いる通常原料と比較して難造粒性であるため、造粒する際には、バインダーとしての水分（造粒水）を通常原料よりも多く添加する必要があった。しかし、製鋼スラグに水分を添加し、そのまま造粒しようとすると、添加した水分が均一に混ざらず、粒度分布の広い造粒粒子となってしまう。そのため、これを焼結原料の一部として用いると、原料装入層の空隙率が低下し、通気性を悪化させる原因となる。また、この問題を解消するため、製鋼スラグ全体に水分を供給するべく水分を多量に添加すると、細粒同士が集合したいわゆる「凝集粒子」と称される粗大粒子が形成されて通気の偏流を引き起こし、焼結反応が不均一となったり、焼結時の結露が激しくなり、装入層内に形成される湿潤帯が発達し、通気性が低下したりするという問題がある。

発明者らは、上記問題点を解消するべく、過剰な水分を添加することなく、造粒を容易化するとともに、得られた造粒粒子の粒度分布の広がりを抑えることができる製鋼スラグの造粒方法について、鋭意検討を重ねた。その結果、製鋼スラグを造粒する前の段階で、製鋼スラグにバインダーとしての水分（造粒水）を適正な含水率となる量添加した後、混合・撹拌して製鋼スラグを破砕して細粒化するとともに、製鋼スラグ内に水分を均一に分散することで、造粒が促進されて、比較的粒径が大きく、かつ、粒径分布の狭い均一な造粒粒子を得ることができることを見出した。

製鋼スラグを造粒する前に水分を添加し、混合・撹拌することで、上記の効果が得られる理由について、発明者らは、以下のように考えている。
製鋼スラグは、溶融した製鋼スラグを固化した後、１〜１０ｍｍ程度の大きさに破砕したものであり、粗粒と細粒とが混在している。また、破砕後、原料ヤードなどで保管しているが、このヤード保管で細粒同士が結合して粗粒の凝集粒子が形成されるが、発明者らの調査では、粗粒側に多くにの水分が含まれていることが明らかとなっている。これは、水分を吸収しやすい細粒同士が凝集化することで、高水分の粗大粒子が形成されるためである。

そのため、このような製鋼スラグに造粒水を添加し、そのまま造粒すると、水分が均一に分散していないため、一部だけの造粒が進行する。また、多くの水分が含まれている凝集粒子にはさらに細粒が付着して成長し、その結果、得られる造粒粒子は、平均粒径は同じでも、粒径分布の広いものとなってしまう。また、細粒同士が集合した「凝集粒子」と称される粗大粒子により、焼結過程の通気の偏流を引き起こして焼結反応が不均一となったり、多量に添加した水分による焼結時の多量結露によって、装入層内に形成される湿潤帯が発達し、通気性が低下したりするという問題もある。さらに、凝集粒子は細粒同士が結合しているため、粗流の周りに細粒が結合して形成される擬似粒子にくらべて強度が弱く、焼結原料層内で変形・崩壊を起こしやすく、装入層内の通気性を悪化させるという問題を引き起こす。

しかし、製鋼スラグを何らかの手段で撹拌した場合には、粗大な製鋼スラグは破砕されて細粒となるとともに、含有している水分が、攪拌により製鋼スラグ内に均一に分散するようになる。その結果、攪拌した後、造粒に必要な含水量とし、これを造粒した場合には、比較的大きな粒子を核とし、その周囲に細粒の粒子が付着し、大きな造粒粒子に成長する。その結果、過剰な水分の添加を必要とすることなく、比較的大きな粒径で、かつ、粒径分布の狭い造粒粒子を得ることができる。

ここで、製鋼スラグを造粒するのに必要な水分量（適正含水率）は、一般的には、製鋼スラグに対して１９〜２３ｍａｓｓ％の範囲であるといわれている。１９ｍａｓｓ％より低い含水率では、造粒粒子中に細粒が多くなり造粒不良となり、一方、２３ｍａｓｓ％より高い含水率では水分過多となり、これも造粒不良となるからである。なお、上記含水率とは、製鋼スラグ内に当初から存在する水分をも含む、水分添加後の水分量（造粒時の水分量）のことであり、添加する水分量のことではない。したがって、当初から存在する水分量が多い場合には、添加する水分量は少なくなる。

しかし、本発明では、製鋼スラグを造粒する前に、製鋼スラグに水分（造粒水）を添加し、撹拌・混合して製鋼スラグ内に予め水分を均一に分散させるので、水分を有効利用でき、造粒に必要な適正含水率は、上記した従来の適正含水率より５ｍａｓｓ％程度低くしても、すなわち、含水率が１４〜１８ｍａｓｓ％程度でも容易に造粒することができる。そのため、本発明の方法で製造した製鋼スラグの造粒粒子は、従来の方法で製造した製鋼スラグの造粒粒子よりも含水率が低くできる、すなわち、水分添加量を低減できるので、焼結時に原料装入層内に形成される湿潤帯の成長を抑制できるという効果がある。

なお、製鋼スラグへの水分の添加は、造粒の前工程で全ての量を添加する必要はなく、例えば、水分の添加を２回に分けて行い、造粒前の１回目の水分添加で、造粒前の攪拌に必要な最低限の水分まで添加し、具体的には、上記適正含水率の５０％以上、８０％以下の範囲まで添加し、続く造粒工程で、残りの水分を添加して、最終的に造粒に必要な適正含水率となるようする。このように、２回に分けて添加することにより、１回目の水分添加の結果を見て２回目の水分量を調整することができるので、製鋼スラグ中の含水率を精度よく調整することが可能となるという利点がある。

なお、造粒前の攪拌時に造粒に必要な水分まで添加して攪拌すると、攪拌過程で造粒が生じ、凝集粒子の破砕が不足することになる。従って攪拌前に添加する水分は、造粒に必要な水分（適正含水率）の８０％以下に制限するのが好ましい。また、造粒に必要な適正含水率の５０％以上とする理由は、撹拌・混合して製鋼スラグ内にあらかじめ水分を均一に分散させた時、水分量が低いと、造粒時に加える水分添加量が多くなるため、造粒時の水分偏差が大きくなり易いからである。

また、製鋼スラグの造粒粒子を、焼結原料の一部として使用する場合には、通常原料の造粒粒子中に均一に分散させて用いることが好ましく、その配合量は焼結原料の１０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。１０ｍａｓｓ％を超えると、製鋼スラグの弊害が顕在化し、焼結鉱の強度が低下するようになる他、焼結鉱の成分（塩基度）調整のために添加する副原料の石灰石を減配する必要があるため、焼結反応性が著しく低下し、生産性を維持することが困難となる。さらに、製鋼スラグ中に含まれる不純物によって、溶銑中の不純物元素濃度が上昇し、溶銑としての許容範囲を超えてしまうおそれがあるからである。より好ましくは６ｍａｓｓ％以下である。

また、製鋼スラグの造粒粒子を、焼結原料の一部として使用する場合には、造粒粒子の表面に、石灰石粉（ＣａＯ）および粉コークス、無煙炭等の炭材（凝結材）を外装するのが好ましい。このときのＣａＯの添加量は、製品焼結鉱の塩基比（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が１．８〜２．２の範囲となるよう調節するのが好ましい。また、粉コークスは、気体燃料等その他の熱源を投入しない場合には、焼結原料全体に対して３．５〜４．５ｍａｓｓ％の範囲で添加するのが好ましいが、気体燃料やその他の熱源を投入する場合には、その燃焼熱分以上の粉コークスを削減するのが好ましい。

平均粒径が１．９６ｍｍの製鋼スラグ（脱炭炉スラグ；溶融温度１５００℃）を、図１に示したＡ〜Ｃの３方法（比較例１，２および発明例）で造粒して粒径が３．０〜６．７ｍｍの造粒粒子とした。
ここで、上記Ａ〜Ｃの造粒方法について説明すると、造粒方法Ａ（比較例１）およびＢ（比較例２）は、従来技術と同様、製鋼スラグを造粒前に撹拌することなくドラムミキサーに造粒水と共に添加し、そのまま造粒して粒径が３．０〜６．７ｍｍの造粒粒子とする方法である。なお、上記造粒水の添加量は、造粒時の製鋼スラグ中の含水率が、Ａは１９ｍａｓｓ％、Ｂは２３ｍａｓｓ％となるように調整した。
また、造粒方法Ｃ（発明例）は、製鋼スラグを造粒水とともに撹拌機に投入し、混合・撹拌し、製鋼スラグを破砕するとともに、製鋼スラグ中に水分を均一に分散した後、ドラムミキサーで造粒し、造粒粒子とする方法である。なお、この場合の水分の添加量は、製鋼スラグ中の含水率が１９ｍａｓｓ％となるように調整した。

上記Ａ〜Ｃの方法で造粒した造粒粒子について、粒径分布を測定し、その結果を表１に示すとともに、含水率を１９ｍａｓｓ％としたＡ（比較例１）とＣ（発明例）についての粒径分布を図２に示した。これらの結果から、製鋼スラグの造粒に本発明の方法を適用することで、造粒粒子の平均粒径を増大できるとともに、３．０〜６．７ｍｍの粒径割合を高めることができること、したがって、粒径が大きくかつ粒度分布の幅が狭い、均一な粒径の造粒粒子を得ることができることがわかる。

上記実施例１で得たＡ〜Ｃ３種類の製鋼スラグの造粒粒子を、鉄源として粉鉱石のみを用いる通常原料を造粒した造粒粒子中に配合率が９ｍａｓｓ％となる量、分散して混在させた焼結原料を用意し、試験鍋を用いて焼結実験を行った。ここで、上記通常原料の造粒粒子は、通常原料をドラムミキサーで粒径３．０〜６．７ｍｍに造粒する際、ドラムミキサーの排出部近傍のミキサー内滞留時間が３０秒となる位置で、石灰石粉および粉コークスをドラムミキサー内に投入して造粒粒子の表面に外装したものである。なお、このときの石灰石粉の投入量は、焼結原料全体の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が２．０となる量に、また、粉コークスの焼結原料全体に対する添加量は４．８ｍａｓｓ％となるように調整した。

次いで、用意した上記Ａ〜Ｃ３種類の焼結原料を、図３に示した焼結原料装入部の大きさが内径３００ｍｍφ×高さ４００ｍｍの試験鍋に、層厚が４００ｍｍとなるよう充填した後、上記充填層の上表面に点火し、鍋下方から−７００ｍｍＡｑで吸引して、充填層内に空気を導入して粉コークスを燃焼させた。この際、各焼結原料の焼結が進行している間の平均風量および焼結に要した時間（焼結時間）および得られた焼結鉱の成品歩留り（排鉱部で破砕後における粒径５ｍｍ以上の比率（ｍａｓｓ％））を測定し、これらの値から生産率（単位炉床面積（ｍ^２）、単位時間（ｈｒ）当たりの焼結鉱生産量（ｔ））を求めた。なお、参考例として、通常原料の造粒粒子のみを焼結原料とする条件についても焼結実験（Ｄで表示）を行った。

上記の焼結実験の結果を表２および図４に示した。この結果から、従来の方法で造粒した製鋼スラグの造粒粒子（Ａ，Ｂ）を焼結原料の一部に用いた場合には、参考例のＤと比較して、製鋼スラグに起因して焼結鉱の歩留りが低下していることに加えて、焼結時の平均風量が低下し、焼結時間が延長しているため、生産率が大きく低下している。これに対して、本発明の方法で造粒した製鋼スラグの造粒粒子（Ｃ）を焼結原料の一部に用いた場合には、参考例のＤと比較して、焼結鉱の歩留りは低下しているものの、焼結時の平均風量および焼結時間はほとんど遜色がないため、生産率の低下は、焼結鉱の歩留り低下により低下に止まっていることがわかる。

上記説明では、焼結熱源として、固体系燃料（粉コークス）を用いて焼結鉱を製造する方法について説明したが、本発明の技術は、上記例に限定されるものではなく、例えば、固体系燃料に加えて気体燃料を供給して焼結鉱を製造する方法および／または酸素を付加して焼結鉱を製造する方法の焼結原料にも適用することができる。

Claims (2)

1. 製鋼スラグに水分を添加し、造粒して焼結原料とする製鋼スラグの造粒方法において、
   製鋼スラグを混合・撹拌して製鋼スラグ内の水分を均一に分散した後、さらに該混合・撹拌後の製鋼スラグに、造粒に必要な適正含水率まで水分を添加して造粒するとともに、上記製鋼スラグの混合・攪拌前に、上記適正含水率の５０〜８０％まで水分を添加し、残りの水分を造粒工程で添加することを特徴とする製鋼スラグの造粒方法。
2. 上記製鋼スラグの混合・攪拌時の含水率を、上記適正含水率より低くすることを特徴とする請求項１に記載の製鋼スラグの造粒方法。

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