JP6044353B2

JP6044353B2 - 焼結鉱の製造方法

Info

Publication number: JP6044353B2
Application number: JP2013003862A
Authority: JP
Inventors: 矢部　英昭; 英昭矢部
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: JP2014133937A

Description

本発明は、焼結鉱の製造方法に関する。

焼結鉱製造プロセスは、粉鉄鉱石及び焼結工場系内、焼結工場系外で発生する篩下粉、ダスト、ミルスケール等の鉄分を含む原料（雑鉄源）並びに石灰石などの造滓材（副原料）を焼結原料とする。前記焼結原料に燃料としてコークス、石炭等の凝結材、および返鉱（成品粒度を満足しなかった焼結鉱で再度焼結処理を行うために循環しているもの）を加えて配合原料とする。現在、一般に行われているドワイトロイド（ＤＬ）式焼結機の焼結鉱製造プロセスでは、前記配合原料からなる充填層の下方を負圧とし、上方から下方に空気を流通させて配合原料中の凝結材を燃焼させる。発生した燃焼熱により焼結原料を焼結して塊成化した焼結鉱を製造する。この焼結鉱を高炉では主要な原料として使用する。

焼結鉱製造プロセスでは、揮発分の高い凝結材の使用ができない。揮発分の高い凝結材は、その燃焼により発生するタールその他の副生物が、焼結原料層の下部で再凝固し燃焼時の通気性を悪化させる原因と成り、又、焼結機の排気系統に付着し、支障をきたすからである。又、タールは、発がん性の特定化学物質の指定を受けており、タール除去の取り扱いは、厳重に管理されなければならない。そこで、現状、焼結鉱製造プロセスでは、揮発分の少ない粉コークスと無煙炭が、凝結材として使用されている。

粉コークスは、製鉄所で製造するコークスのうち、高炉の製造に適した整粒コークスを篩い出した後の粒径の小さなコークスである。しかし、高炉が使用する整粒コークスに対し、粉コークスの量は少なく、焼結鉱製造用コークスとして不足する。
一方、揮発分の少ない石炭、即ち、無煙炭は、その埋蔵量が枯渇してきている。

そこで、粉コークスや、無煙炭に代替する揮発分の低い凝結材が望まれている。製鉄所の焼結鉱製造プロセスは、大量生産のプロセスであるため、粉コークスや無煙炭に代替する揮発分の低い凝結材の原料としては、大量の入手が可能で安価な褐炭、亜瀝青炭のような低品位炭が考えられる。

高品位の瀝青炭である粘結炭を乾留した場合、石炭中の揮発分は、石炭ガス、タールとして放出され、残留後の固形分はコークスとなる。一方、低品位炭を加熱して熱分解すると、石炭中の揮発分は石炭ガスとして放出され、同時にタールも石炭ガスとともに放出され、残留後の残渣の固形分は、チャーとなる。チャーの形状は、残留後も、ほとんど原形のままであるが，多少の亀裂を生じて膨張または収縮し、砕けやすい性質となっている。成分的には，炭素分と灰分よりなり、焼結鉱製造プロセスの粉コークスや無煙炭に代替する揮発分の低い凝結材とすることができる。

コークスは、石炭を１２００℃〜１３００℃の高温で乾留し、揮発分を除去して製造されるのに対し、チャーは、一般に石炭を３００℃〜９００℃で熱分解して製造されるため、チャーに含まれる水素が多い。コークスに含有される水素は、０．２％程度であるのに対して、チャーに含有される水素は、１％〜２％である。
したがって、焼結鉱の製造において、粉コークスの替わりにチャーを用いれば、焼結工程から排出されるＣＯ_２が削減され、地球環境に対するＣＯ_２低減に寄与できる。

又、チャーは、一般的に燃焼速度が速いので、焼結工程において、生産性が上昇する効果が期待できる。さらに、焼結工程における焼結歩留まりへの影響も考えられる。

これまで、石炭を３００℃〜９００℃で熱分解して製造したチャーを焼結用炭材の全量または一部として使用する提案がある（特許文献１）。

循環流動層を用いて石炭（亜瀝青炭、褐炭）を６００℃〜９００℃で熱分解して製造したチャーを焼結用炭材として利用する提案がある（特許文献２）。

石炭を内部燃焼方式のロータリーキルンにより３００℃〜１１５０℃に加熱乾留し、チャーを製造する方法であって、石炭から発生する２５０μｍの微粉粒子を燃焼除去し、石炭を乾留する提案がある（特許文献３）。

特開平５−２３０５５８号公報特開２０１０−２５４９２９号公報特許４８４２４１０号公報

特許文献１の提案はＣＯ_２削減を主とするものであり、熱分解温度以外のチャー製造条件は全く提示されておらず、焼結鉱の生産性についての記載は無い。チャー中には粉コークスよりも水素分が多く含有されるため、チャー中の水素分を利用することがキーであり、焼結工程から排出されるＣＯ_２削減に寄与する。しかし、３００℃〜６００℃の比較的低温で製造したチャーを用いる方が好ましいとしているが、揮発分が高いと想定される。そして、焼結鉱生産性及び歩留に優れたチャーの製造に適した石炭に関しての検討はなされていない。
特許文献２の提案は、循環流動層を用いて石炭（亜瀝青炭、褐炭）を６００℃〜９００℃で熱分解して製造したチャーを焼結用炭材として利用する。低温側で熱分解を行い、揮発分が比較的多く残留したチャー（実施例では揮発分１３％を含有するチャー）を用いると、揮発分の燃焼熱により、焼結の歩留が向上し、好ましいとしている。しかし、チャー製造のための方法（リアクター）が循環流動層に限定されており、また、揮発分以外のチャーの性状については何ら言及されていない。
特許文献３の提案はチャーを製造する方法が、内燃キルンに限定しており、又、チャーを用いることにより焼結の生産性が向上すると述べているが、微粉を除去して通気性が良くなった影響であり、チャー自体の燃焼性についての言及はない。

焼結鉱製造プロセスにおいて、粉コークス及び無煙炭に代替する揮発分が低い凝結材が望まれているが、焼結鉱の製造に適したチャーの提供に課題がある。
本発明の目的は、石炭から製造したチャーを焼結機における凝結材として用いる際に、適切なチャーを選択することによって、焼結機の生産率を向上させる焼結鉱の製造方法を提供することである。

本発明者等は、種々の石炭を種々の条件で乾留して得たチャーを焼結用炭材として使用した際の焼結生産性向上効果を調べた。その結果、そのマイクロストレングスが一定の値以下にあるチャーを焼結機における凝結材として用いることによって、焼結機の生産率を向上させことができることを見出した。本発明は、これらの知見に基づくものである。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）石炭を熱分解して製造されたチャーを焼結機における凝結材として用いる焼結鉱の製造方法であって、
前記石炭を熱分解して製造されたチャーのマイクロストレングスを測定し、
前記マイクロストレングスの測定値が、０質量％を超え、１５質量％以下である褐炭を熱分解して製造されたチャーを用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
但し、マイクロストレングスは、鋼製シリンダー（内径２５．４ｍｍ、有効長さ３０４．８ｍｍ）に０．５ｍｍ〜１．０ｍｍのチャー２ｇと直径１０．５ｍｍ、重量３．５ｇの鋼球１２個を入れ、鉛直面を管と直角方向に２５ｒｐｍで８００回転させた後、７０メッシュで篩い分けし、篩い上質量を試料に対するパーセントで表示したものである。
（２）揮発分の含有量が１０質量％以下であるチャーを用いることを特徴とする（１）に記載の焼結鉱の製造方法。
（３）前記（１）又は（２）に記載のチャーを粉コークスの一部又は全部と置換して用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。

本発明によれば、褐炭から製造したチャーを焼結機における凝結材として用いることによって、焼結機の生産率を向上させることができる。

本発明者らは、種々の石炭を種々の条件で乾留して得たチャーを焼結用炭材として使用した際の焼結歩留・生産性向上効果を調べた。その結果、褐炭を熱分解して製造されたチャーであって、マイクロストレングスが、１５質量％以下のものを凝結材として用いると、焼結生産性の向上効果が得られることを見出した。本願は、かかる知見に基づいて発明されたものである。

本願第１発明の第１の構成要件は、褐炭を熱分解して製造されたチャーを凝結材として用いる焼結鉱の製造方法である。

第２の構成要件としては、石炭を熱分解して製造されたチャーのマイクロストレングスを測定し、このマイクロストレングスが、１５質量％以下である褐炭を熱分解して製造されたチャーを凝結材として用いる焼結鉱の製造方法である。
ここで、マイクロストレングスとは、鋼製シリンダー（内径２５．４ｍｍ、有効長さ３０４．８ｍｍ）に０．５ｍｍ〜１．０ｍｍのチャー２ｇと直径１０．５ｍｍ、重量３．５ｇの鋼球１２個を入れ、鉛直面を管と直角方法に２５ｒｐｍで８００回転させた後、７０メッシュで篩い分けし、篩い上重量を試料に対するパーセントで表示したものである（日本エネルギー学会編、コークスノート２０１０年版、Ｐ２０６に記載の方法を一部変更）。

チャー自身は、極めて多孔質であり、かつ粒子表面が平滑でなく凹凸の多い構造をしている。チャーのマイクロストレングスは、チャーの気孔壁を中心としたチャーの強度を表したものである。即ち、チャーの強度が小さいと、チャーは微粉砕されやすく、マイクロストレングスが小さくなる。その結果、その付着力と燃焼性が向上すると考えられる。
マイクロストレングスが１５％以下を示すチャーは、実施例で後述するように、褐炭由来のものに相当した。褐炭は、石炭化度が低く、水分、酸素分、揮発分が高く、炭素成分が低く、燃焼による発熱量も低い。揮発分の含有量は、４５質量％〜５５質量％程度あり、燃焼による発熱量は、１０〜２０ＭＪ/ｋｇ程度である。一方、通常の石炭（亜瀝青炭、瀝青炭）から得られるチャーは、一般的にマイクロストレングスが２０％〜６０％程度となった。これらのチャーでは、相対的に付着力、相対燃焼速度ともに低下した。

チャーの付着力と燃焼性が、焼結工程に及ぼす影響について述べる。
まず、チャーの付着力であるが、粒子表面の形態から付着力が大きく、原料の凝集力が増加すると考えられる。即ち、焼結原料の擬似粒子は、粗粒子の原料表面に微粒子の原料が付着し、形成される。マイクロストレングスが１５％以下のチャーは、付着力の強い微粒子となり粗粒子の表面に付着することにより、焼結原料の造粒性が向上すると考えられる。焼結原料の造粒性が向上し、微粒子の原料の少ない擬似粒子が形成されることにより、焼結原料層の通気性が向上し、焼結生産性を向上させる。
次に、チャーの燃焼性であるが、マイクロストレングスが小さいチャーは、多孔質で、かつ粒子表面が凹凸の多い構造であるので、焼結燃焼速度（ＦＦＳ（ｍｍ/ｍｉｎ））を速め、焼結生産性を向上させる。

本願第２発明は、揮発分の含有量が１０質量％以下であるチャーを用いることを特徴とする。前記の通り、焼結鉱製造プロセスでは、揮発分の低い凝結材の使用が好ましい。本発明においては、原炭として揮発分が４５質量％〜５５質量％の褐炭を用いるので、チャーの揮発分の含有量は、１０質量％以下とする。５質量％以下が、更に、好ましい。

本願の第３発明は、本願に係るチャーを粉コークスの１０％以上と置換して用いることを特徴とする。１０％未満では、付着力と燃焼性が向上したチャーを焼結工程に用いる効果が小さいからである。

（１）チャーの作成
各種の石炭を用い、チャーを作成した。用いた石炭の組成を表１に示す。参考として、粉コークス及び無煙炭についても示した。

表１に示すＡ炭、Ｂ炭及びＣ炭を６００℃及び８００℃で熱分解し、チャーを作成した。
作成したチャーのマイクロストレングス、付着力及び相対燃焼速度を表２に示す。参考として、粉コークス及び無煙炭についても示した。

付着力は、造粒性を示す指標であり、その測定方法は、粒径０．２５ｍｍ以下（平均４０μｍ）のチャーに水分５％〜３０％を加えサンプルを作成し、直径３０ｍｍ、長さ３０ｍｍの形状にサンプル成型後、その両端へ負荷を与える引っ張り破断法により測定した。なお、水分の添加量を変化させることによって付着力は変化するが、各々のサンプルにおける付着力の最大値をそのサンプルの付着力と定義した。
相対燃焼速度は、粉コークスの燃焼速度を基準とした時の燃焼速度の比であり、燃焼性を示す指標である。燃焼速度は以下のように定義した。即ち、熱天秤（リガク社製／熱分析装置Thermo Plus Evo２ 1500℃ 高温型赤外線加熱）に測定試料１０ｍｇを設置後アルミナ試料容器（深さ2.5ｍｍ×直径5ｍｍ）、窒素を２００ｍＬ／ｍｉｎ流通させた状態で、１００℃／ｍｉｎの昇温速度にて加熱を行い、試料温度が７００℃に到達・保持後、直ちに流通ガスを窒素から空気２００ｍｌ／ｍｉｎへ切り替え、その重量減少を測定し、その結果得られた反応時間tと反応率Ｘ（Ｘ=各時間における重量減少量／試料の初期重量）のデータから各反応率における反応速度dＸ/dｔを算出し、Ｘ＝０〜０.５までの平均値を算出するものとした。

表２において、Ａ炭（褐炭）を６００℃及び８００℃で熱分解したチャーは、マイクロ
ストレングスが１５質量％以下であり、付着力及び相対燃焼速度が大きいものが得られた。
これに対し、Ｂ炭（高揮発瀝青炭）を６００℃及び８００℃で熱分解したチャー並びにＣ炭（亜瀝青炭）を８００℃で熱分解したチャーは、マイクロストレングスが１５質量％を超え、付着力及び相対燃焼速度が小さいものであった。

（２）焼結鍋試験
表１に示すＡ炭を６００℃及び８００℃で熱分解したチャーを炭材として用いた実施例、Ｂ炭を８００℃で熱分解したチャーを炭材として用いた比較例、粉コークスを炭材として用いた参考例として、鍋試験を実施し焼結生産性を調査した。
表３に、用いた炭材の性状を示し、表４に、用いた炭材の粒度分布を示す。
表４に示す炭材粒度は、実施例、比較例及び参考例の全てにおいて、同一とした。また、炭材の配合量は、粉コークス使用の場合を、配合原料に対し４．５質量％（外数）とし、チャー使用の場合は、粉コークス使用の場合と固定炭素が同一になるようにした。

焼結試験装置は、直径３００ｍｍ、層高６００ｍｍであり、配合原料を装入する鍋、風箱、配管、除塵装置（サイクロン集塵機）、吸引ブロワー、煙突と配合原料の表層を加熱するためのプロパンバーナーとから構成されている。原料の装入量は約７０ｋｇで、床敷き層の厚みは約２０ｍｍ（約１．５ｋｇ）であり、グレートの上に床敷きの焼結鉱を、次いで原料を装入した。点火時間１．５分、吸引負圧１５３０ｍｍＡｑ（１４．７ｋＰａ）で焼成した。
試験に用いた焼結原料を表５に示す。

焼結鍋試験の結果を表６に示す。
鍋試験の結果、造粒性の改善で通気が良好になったことにより、燃焼進行速度（FFS）が大幅に向上した。一方、歩留は横ばいであるが、焼結進行速度（FFS）の向上により焼結の生産性が大幅に上昇した。また、焼結鉱の品質（RI）に関しても改善が認められた。

ここで、疑似粒度ＭＳは、試料を残存水分０．２％〜１．２％になるよう低温乾燥した後、ＪＩＳ標準篩でふるい分けし、１２０℃で２〜３時間乾燥後、秤量して粒度分布を測定し、平均粒径を算出したものである（第３版鉄鋼便覧２、製銑・製鋼Ｐ８４）。
また、ＪＰＵは、Ｅｒｇｕｎの式から導かれる焼結の装入原料層の通気性を表す指標である（第３版鉄鋼便覧２、製銑・製鋼Ｐ８６）。

チャーのマイクロストレングスを測定し、マイクロストレングスの測定値が、０質量％を超え、１５質量％以下である褐炭から製造したチャーを焼結機における凝結材として用いることによって、焼結機の生産率と焼結鉱の歩留の両方を向上させることできる。

Claims

石炭を熱分解して製造されたチャーを焼結機における凝結材として用いる焼結鉱の製造方法であって、
前記石炭を熱分解して製造されたチャーのマイクロストレングスを測定し、
前記マイクロストレングスの測定値が、０質量％を超え、１５質量％以下である褐炭を熱分解して製造されたチャーを用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
但し、マイクロストレングスは、鋼製シリンダー（内径２５．４ｍｍ、有効長さ３０４．８ｍｍ）に０．５ｍｍ〜１．０ｍｍのチャー２ｇと直径１０．５ｍｍ、重量３．５ｇの鋼球１２個を入れ、鉛直面を管と直角方向に２５ｒｐｍで８００回転させた後、７０メッシュで篩い分けし、篩い上質量を試料に対するパーセントで表示したものである。
揮発分の含有量が１０質量％以下であるチャーを用いることを特徴とする請求項１に記載の焼結鉱の製造方法。
請求項１又は請求項２に記載のチャーを粉コークスの一部又は全部と置換して用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。