JP6151169B2

JP6151169B2 - フェロコークスの製造方法および製造装置

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Publication number: JP6151169B2
Application number: JP2013260832A
Authority: JP
Inventors: 孝思庵屋敷; 藤本　英和; 英和藤本; 広行角; 佐藤　健; 健佐藤; 佐藤　秀明; 秀明佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: JP2014193999A

Description

本発明は、鉄鉱石等の鉄源原料と石炭とを原料として冶金用のフェロコークスを製造するフェロコークスの製造方法および製造装置に関する。

高炉の操業を効率よく行うために、石炭をコークス炉で乾留してコークスを製造し、コークスを高炉に投入することが行われている。高炉内でのコークスには、高炉内の通気をよくするためのスペーサーの役割、還元材としての役割、熱源としての役割などがある。

近年、コークスの反応性を向上させるという観点から、石炭に鉄鉱石を混合して冶金用のフェロコークスを得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。石炭に鉄鉱石を混合する際には、石炭リッチの配合比にするか、鉄鉱石リッチの配合比にするかは、コークス代替を目指すか、鉄源として利用するかによって定められている。

コークス代替として、石炭リッチな配合によるフェロコークスを製造する際には、基本原料（石炭、鉄鉱石）を成型機で塊成化する必要がある。塊成化する方法として、基本原料にバインダーを添加して成型する方法がある。例えば、特許文献２、３には、成型用原料（石炭、鉄鉱石、バインダー）を撹拌機で加熱しながら撹拌・混練し、その後、成型機で成型する方法が開示されている。

特開２００５−１５７００号公報特開昭６４−８１８８９号公報特開２００９−２３５２２２号公報

フェロコークスを製造する場合は、上述のように原料を撹拌機で加熱しながら混練し成型機で成型して塊成化する成型工程と、その後、塊成化された原料（成型物）を乾留炉で乾留して製品を得る乾留工程とがある。

したがって、フェロコークスを製造するに際して、塊成化された成型物のハンドリング強度（成型物強度）が高いことが要求されるとともに、製品（フェロコークス）は高炉に投入されるため、乾留後の製品の強度（製品強度：フェロコークス強度）も高いことが要求される。また、製造コストという点では、特に、成型工程における良好な成型物の歩留まり（成型物歩留まり）が重要となる。

しかし、一対の成型ロールを備えたダブルロール成型機を用いて成型する場合、両側の成型ロールの外周面に形成されている凹みに充填された原料が結合した形状の成型物が加圧成型されるが、成型条件によっては、未成型物として、成型ロールのそれぞれの凹みに充填された原料が互いに反発しあって結合しないで反発割れを起こし片方の成型ロールの凹みのみの形状に成型されたもの（反発割れ片）が発生し、成型物歩留まりの低下や成型物強度・製品強度の低下を招く可能性がある。しかも、これらの未成型物（反発割れ片）は、乾留炉に搬送されると、乾留炉内で装入物の棚つりを生じさせたり、乾留炉内の通気性を悪化させたりする原因となり、乾留工程に支障をきたす。

これに対して、上記特許文献２、３では、成型する温度や使用する原料の種類の検討が行われているが、反発割れ片の発生については考慮されていない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、石炭と鉄源原料とバインダーを含む成型用原料を撹拌機で加熱しながら混練してダブルロール成型機によって成型物に成型し、該成型物を乾留してフェロコークスを製造するに際して、反発割れ片の発生を抑止することによって、成型物強度・製品強度を確保しながら、成型物歩留まりの向上と乾留の円滑化を図ることができる効率的なフェロコークスの製造方法および製造装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明者は鋭意検討を行った結果、ダブルロール成型機を用いて成型する際に反発割れ片が発生する原因は、撹拌機で加熱しながら混練されて高温になった成型用原料がダブルロール成型機の成型ロールの凹みに付着したままになることであり、この現象を解消して、成型用原料が成型ロールの凹みから確実に剥離するようにするためには、成型ロールの表面温度を低温にすることが有効であることを見出した。

本発明は上記の知見に基づいており、以下の特徴を有している。

［１］石炭と鉄源原料とバインダーを含む成型用原料を撹拌機で加熱しながら混練してダブルロール成型機によって成型物に成型し、該成型物を乾留してフェロコークスを製造するフェロコークスの製造方法において、
成型用原料をダブルロール成型機によって成型物に成型する際に、前記攪拌機で混練した成型用原料の温度を１６０〜２４０℃とし、ダブルロール成型機の成型ロールの表面温度を８０℃以下にして成型することを特徴とするフェロコークスの製造方法。

［２］成型ロールの表面に冷却媒体を吹き付けて、成型ロールの表面温度を８０℃以下に冷却することを特徴とする前記［１］に記載のフェロコークスの製造方法。

［３］他方の成型ロールと対向しない側の成型ロール表面に冷却媒体を吹き付けることとし、成型ロールの半径をＲとした時に、成型ロールの回転軸心の高さ位置を基準にして、冷却媒体を吹き付ける成型ロール表面の高さ位置ｈを、−Ｒ≦ｈ≦Ｒ／２とすることを特徴とする前記［２］に記載のフェロコークスの製造方法。

［４］石炭と鉄源原料とバインダーを含む成型用原料を加熱しながら混練する撹拌機と、該撹拌機で混練された１６０〜２４０℃の成型用原料を成型物に成型するダブルロール成型機と、ダブルロール成型機の冷却後の成型ロールの表面温度を８０℃以下にする冷却手段を備えていることを特徴とするフェロコークスの製造装置。

本発明においては、成型用原料が成型ロールの凹みから確実に剥離するようにすることによって、成型物強度・製品強度を確保しながら、反発割れ片の発生を抑止して、成型物歩留まりの向上を図るとともに、乾留炉内での装入物の棚つり等を抑止して、乾留の円滑化を図ることが可能となり、効率的にフェロコークスの製造を行うことができる。

フェロコークスの製造設備を示す概略図である。撹拌機を示す図である。ダブルロール成型機を示す図である。ダブルロール成型機の成型ロールの斜視図である。空気吹き付け手段を示す図である。空気の吹き付け位置を示す図である。成型物の強度に及ぼす成型ロール表面温度の影響を示す図である（成型原料温度１８０℃）。フェロコークスの強度に及ぼす成型ロール表面温度の影響を示す図である（成型原料温度１８０℃）。成型物の強度に及ぼす成型ロール表面温度の影響を示す図である（成型原料温度１６０℃）。フェロコークスの強度に及ぼす成型ロール表面温度の影響を示す図である（成型原料温度１６０℃）。成型物の強度に及ぼす成型ロール表面温度の影響を示す図である（成型原料温度２００℃）。フェロコークスの強度に及ぼす成型ロール表面温度の影響を示す図である（成型原料温度２００℃）。成型物の強度に及ぼす成型ロール表面温度の影響を示す図である（成型原料温度２４０℃）。フェロコークスの強度に及ぼす成型ロール表面温度の影響を示す図である（成型原料温度２４０℃）。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、この実施形態におけるフェロコークスの製造設備を示している。

石炭２０と鉄源原料（ここでは、鉄鉱石２１）が、粉砕機（図示せず）にて所定の粒度以下に粉砕された後、所定の割合で配合される。例えば、石炭は２ｍｍ以下の粒度に、鉄源原料は０．５ｍｍ以下の粒度に粉砕される。そして、例えば、石炭６０〜９０質量％、鉄源原料１０〜４０質量％の割合で配合される。なお、鉄源原料としては、主に鉄鉱石が使用されるが、鉄鉱石の全部または一部の替わりに、高炉ダスト、転炉ダスト、圧延スラッジなどの製鉄所内で副生する鉄源原料を用いてもよい。

配合された石炭２０と鉄鉱石２１は混練機（撹拌機）１に投入され、加熱されながら撹拌・混練される。その際、撹拌機１には、バインダータンク５からバインダーが添加される。バインダーには通常使用されるＳＯＰ（軟ピッチ）、中ピッチ、ＰＤＡ（プロパン脱瀝アスファルト）、ＡＳＰ（アスファルトピッチ）などが使用され、１種類もしくは２種類以上を併用して使うこともできる。ちなみに、乾留後のフェロコークスの強度を高めるには、混練機１には、軟化点が１５０℃以上の高軟化点バインダーであるＡＳＰ、及び軟化点が１５０℃未満の低軟化点バインダーであるＳＯＰを添加するのがより好ましい。

撹拌機１から排出された混練後の原料（混合原料）は、ダブルロール成型機２で高圧成型される。ダブルロール成型機２は撹拌機１からの排出直後に混合原料を成型する。すなわち、撹拌機１から排出された原料は成型ロール１２で接触面から冷却されながら成型される。

その後、ダブルロール成型機２で成型された成型物は、篩い３によって篩い分けられ、成型物（篩い３の篩い上）は乾留用原料として成型物搬送ライン６を経由して乾留炉４に搬送され、乾留炉４で乾留されることで、フェロコークスが製造される。一方、未成型物（篩い３の篩い下）は未成型物搬送ライン７を経由して撹拌機１に搬送され、成型用原料として再利用される。

図２は、撹拌機１の詳細を示している。撹拌機１は、原料が装入される容器本体８と、この容器本体８の内部に設けられて原料を撹拌する撹拌羽根９を有している。石炭２０と鉄鉱石２１の分散性を考えると、スクリューで撹拌するスクリュー式の撹拌機よりも高速回転する撹拌羽根９で撹拌する撹拌羽根式の撹拌機１が望ましい。容器本体８の周囲には、加熱部として高温オイルまたは高圧水蒸気が流れ込むジャケット１０が設けられている。ジャケット１０は、バインダーの効果を効率よく発現させるために、原料が例えば１６０℃〜２４０℃の範囲（好ましくは、１８０℃〜２４０℃の範囲）になるように容器本体８を加熱する。撹拌・混練された混合原料は、排出部１１から排出される。バインダーは、石炭２０と鉄鉱石２１を撹拌機１に投入すると同時にもしくは撹拌の最中にバインダータンク５から添加される。

図３、図４は、ダブルロール成型機２の詳細を示している。図３に示すように、ダブルロール成型機２は、互いに反対方向に回転する一対の成型ロール１２を有し、図４に示すように、成型ロール１２の外周面には凹み１３が形成されている。

ダブルロール成型機２では、一対の成型ロール１２の接触点に成型圧がかかる。成型圧は、線圧（ｔｏｎ／ｃｍ）＝加圧力（ｔｏｎ）／ロール幅（ｃｍ）で表される。ダブルロール成型機２の線圧は２〜８ｔｏｎ／ｃｍが好ましく、特に４〜６ｔｏｎ／ｃｍが好ましい。成型圧が２ｔｏｎ／ｃｍよりも小さいと、成型物の密度が小さくなり、ハンドリング強度及び乾留後強度共に期待できない。成型圧が８ｔｏｎ／ｃｍより大きくなると、成型物の密度は高くなるが、反発割れが多くなり、成型歩留が下がる。

このようにして、一対の成型ロール１２の接触箇所で混合原料が加圧成型されて、凹み１３の形状に合わせた成型物２２が成型される。成型物のサイズは特に限定されるものではなく、３〜９５ｃｍ^３程度、好ましくは６〜６０ｃｍ^３程度である。高炉での使用用途によって、成型サイズは異なる。

ただし、上述したように、一対の成型ロール１２を有するダブルロール成型機２を用いて成型する場合、それぞれの成型ロール１２の外周面に形成されている凹み１３に充填された原料が結合した形状の成型物２２が加圧成型されるが、成型条件によっては、未成型物として、それぞれの成型ロール１２の凹み１３に充填された原料が互いに反発しあって結合しないで反発割れを起こし片方の成型ロール１２の凹み１３のみの形状に成型されたもの（反発割れ片）が発生し、成型物歩留まりの低下や成型物強度・製品強度の低下を招く可能性がある。しかも、反発割れにより発生する反発割れ片は、１０〜２０質量％にも達する場合があり、篩い３の篩い上になって乾留炉４に搬送された場合、乾留炉４内で装入物の棚つりを生じさせたり、乾留炉４内の通気性を悪化させたりする原因となり、乾留に支障をきたす。

このような反発割れ片の発生メカニズムは以下の如くであると考えられる。

すなわち、撹拌機１で成型用原料を撹拌する際に、バインダーの効果を効率よく発現させるために、成型用原料を撹拌機１で加熱しながら（撹拌機１に投入する前に予め加熱する場合も含む）撹拌するので、高温（例えば、１６０〜２４０℃（好ましくは、１８０℃〜２４０℃））になった成型用原料がダブルロール成型機２で成型されることになる。そのため、高温になった成型用原料の粘着力によって、成型用原料がダブルロール成型機２の成型ロール１２の凹み１３から離れずに付着したままの状態になる現象が生じる。この現象が生じると、凹み１３に成型用原料が付着したままの成型ロール１２に新たな成型用原料が供給された場合、それまでに比べて対向する凹み１３間の空間が狭くなった状態のところへ、それまでと同じ量の成型原料が供給されることになり、成型圧が急激に上昇し、対向する凹み１３に充填された原料が互いに反発しあって、反発割れが生じ、反発割れ片（片方の成型ロール１２の凹み１３のみの形状の未成型物）が発生することになる。

つまり、成型ロール１２の凹み１３からの成型用原料の離れ易さ（剥離性）を型離れと呼ぶとすると、成型用原料の型離れの悪化が反発割れ片の発生を招いているということになる。

そこで、この実施形態においては、成型用原料の型離れを良好にするために、成型用原料を成型する際の成型ロール１２の表面温度を低温になるようにしている。

具体的には、上述したように、ダブルロール成型機２で成型される際の成型用原料の温度が１６０〜２４０℃（好ましくは、１８０℃〜２４０℃）であるとすると、成型用原料からの熱伝導によって成型ロール１２の表面温度は８５℃以上に上昇する（放射温度計での測定結果）。そこで、成型ロール１２を強制冷却して、成型用原料を成型する際に、成型ロール１２の凹みに成型用原料が到達する直前の成型ロール１２の表面温度を８０℃以下になるようにする。好ましくは、８０℃以下６５℃以上（より好ましくは、８０℃以下７０℃以上）にする。

これによって、低温になった成型ロール１２の表面に接触した成型用原料は、それまでに比べて表面温度が低下して粘着力が減少すること等から、成型用原料の型離れが良好になる。その結果、反発割れ片の発生が抑止される。

なお、成型用原料を成型する際の成型ロール１２の表面温度を８０℃以下６５℃以上（さらには、８０℃以下７０℃以上）にするのが好ましいのは、この温度範囲であれば、適切な型離れが得られるともに、過剰な冷却によるエネルギーロス等を招かないからである。

ここで、図５（ａ）、（ｂ）に、成型ロール１２の表面を強制冷却するための冷却手段の例を示す。いずれも、成型ロール１２の表面に冷却媒体（ここでは、空気）を吹き付けることによって、成型ロール１２の表面温度を低下させるものである。図５（ａ）はパイプノズル１４であり、パイプの表面に所定の間隔ｐで複数の空気吹き付け口（空気吹き付け部）１５を備えたものである。また、図５（ｂ）はエアーナイフ１６であり、側面に空気吹き付けスリット（空気吹き付け部）１７を備えたものである。

そして、図６に示すように、冷却手段１４、１６で強制冷却する際には、他方の成型ロールと対向しない側の表面に空気を吹き付けることとし、成型ロール１２の半径をＲとした時に、成型ロール１２の回転軸心の高さ位置を基準にして、空気を吹き付ける成型ロール表面の高さ位置ｈを、−Ｒ≦ｈ≦Ｒ／２とするのが好ましい。成型用原料が成型ロール１２の上部より供給されるため、ｈ＞Ｒ／２とすると、吹き付けた空気によって成型用原料が吹き飛ばされ、成型ロール１２への成型用原料の供給量が減少したり、粉塵が発生して、環境上問題となったりする。これに対して、−Ｒ≦ｈ≦Ｒ／２とすることによって、型離れを促進し、安定した操業を実現することが可能となる。

なお、成型ロール１２の表面温度については、成型ロール１２の上方に温度計（例えば、放射温度計）１８を設置し、その温度計１８の測定結果に基づいて、所望の表面温度（例えば、８０℃以下６５℃以上（より好ましくは、８０℃以下７０℃以上））となるように、冷却手段１４、１６の冷却条件（空気吹き付け量等）を調整すればよい。

このようにして、この実施形態においては、成型用原料が成型ロールの凹みから確実に剥離するようにすることによって、成型物強度・製品強度を確保しながら、反発割れ片の発生を抑止して、成型物歩留まりの向上を図るとともに、乾留炉内での装入物の棚つり等を抑止して、乾留の円滑化を図ることが可能となり、効率的にフェロコークスの製造を行うことができる。

本発明の実施例として、上記の本発明の一実施形態に基づいて、以下の手順でフェロコークスを製造し、その品質評価を行った。なお、比較のために、成型ロールを強制冷却しないで、フェロコークスを製造した。

まず、フェロコークス用原料（石炭、鉄鉱石）の調整を行って、石炭はジョークラッシャーで粒径２ｍｍ以下（−２ｍｍ）に調整したものを使用し、この石炭に篩い目３ｍｍで篩った鉄鉱石（ペレットフィード）を３０質量％の割合で配合した。石炭には、揮発分１９．４質量％、灰分７．２質量％、固定炭素７３．４質量％の微粘炭と、揮発分１５．２質量％、灰分１０．７質量％、固定炭素７４．１質量％の非粘炭を５０％ずつ配合した配合炭を用いた。鉄鉱石には、ヘマタイト鉱石のペレットフィードを用いた。石炭と鉱石の性状をそれぞれ表１と表２に示す。

石炭と鉄鉱石を撹拌機に投入して加熱撹拌し、原料の排出直前にバインダーとして軟ピッチを５質量％添加してさらに撹拌を続け、１８０℃で原料を排出した。排出した原料を原料排出部の直下に設置されたダブルロール成型機により６ｃｍ^３の成型物に成型した。図６に示した位置の温度計で測定した成型時の成型ロールの表面温度は８５℃であった。成型物は乾留温度９００℃で２時間乾留して、フェロコークスを製造した。

次に、成型時の成型ロールの表面温度が、それぞれ８０℃、７５℃、７０℃、６５℃になるように、成型ロールの表面に図６に示した位置の冷却手段から空気を吹き付けながら、６ｃｍ^３の成型物を成型した。それらの成型物は乾留温度９００℃で２時間乾留して、フェロコークスを製造した。

表３に、成型開始から４時間経過後の成型ロールに付着した成型用原料の割合（付着率）を示す。なお、付着率Ｆは、成型用原料が付着した凹みの数Ｎと成型ロール表面の全凹み数Ｍとの比として、下記の式で算出した。

Ｆ（％）＝Ｎ／Ｍ×１００

そして、図７に、それぞれの条件で成型した成型物の強度を示す。また、図８に、それぞれの条件で成型・乾留して製造したフェロコークスの強度を示す。ここで強度としてはＩ型ドラム強度で評価した。Ｉ型ドラム強度は、径１３０ｍｍ、長さ７００ｍｍの円筒状の鉄製容器に試料を２０個投入し、円筒の長手方向中間位置（両端から３５０ｍｍ）の位置で長手方向に直交し、断面の円の中心を通る軸を中心軸として、２０ｒｐｍで６００回転させた後、容器内の試料を６ｍｍの篩で篩った時の、投入した試料の総重量に対する篩い上の重量割合を表し、数値が大きいほど強度が高いと評価できる。

同様に、加熱攪拌する成型用原料の温度を１６０℃、２００℃、２４０℃にして排出し、成型・乾留してフェロコークスを製造した。

成型用原料温度１６０℃、２００℃、２４０℃のそれぞれの付着率を表４、表５、表６に示す。また、成型用原料温度１６０℃の時の成型物の強度とフェロコークスの強度を図９、図１０に示し、成型用原料温度２００℃の時の成型物の強度とフェロコークスの強度を図１１、図１２に示し、成型用原料温度２４０℃の時の成型物の強度とフェロコークスの強度を図１３、図１４に示す。

比較のために行った、成型ロール表面温度が８５℃の場合は、成型用原料の付着率が１７〜２０％と高く、成型物強度とフェロコークス強度が低かった。

これに対して、本発明の一実施形態に基づいて、成型ロール表面温度が８０℃以下（８０℃、７５℃、７０℃、６５℃）の場合は、成型用原料の付着率が０〜２％と非常に低く、成型物強度とフェロコークス強度が高かった。

これによって、本発明の有効性が確認された。

１混練機（撹拌機）
２ダブルロール成型機
３篩い
４乾留炉
５バインダータンク
６成型物搬送ライン
７未成型物搬送ライン
８容器本体
９撹拌羽根
１０ジャケット
１１排出部
１２成型ロール
１３凹み
１４空気吹き付け手段（パイプノズル）
１５空気吹き付け部（空気吹き付け口）
１６空気吹き付け手段（エアーナイフ）
１７空気吹き付け部（空気吹き付けスリット）
１８温度計（放射温度計）
２０石炭
２１鉄鉱石
２２成型物

Claims

石炭と鉄源原料とバインダーを含む成型用原料を撹拌機で加熱しながら混練してダブルロール成型機によって成型物に成型し、該成型物を乾留してフェロコークスを製造するフェロコークスの製造方法において、
成型用原料をダブルロール成型機によって成型物に成型する際に、前記攪拌機で混練した成型用原料の温度を１６０〜２４０℃とし、ダブルロール成型機の成型ロールの表面温度を８０℃以下７０℃以上にして成型することを特徴とするフェロコークスの製造方法。
成型ロールの表面に冷却媒体を吹き付けて、成型ロールの表面温度を８０℃以下に冷却することを特徴とする請求項１に記載のフェロコークスの製造方法。
他方の成型ロールと対向しない側の成型ロール表面に冷却媒体を吹き付けることとし、成型ロールの半径をＲとした時に、成型ロールの回転軸心の高さ位置を基準にして、冷却媒体を吹き付ける成型ロール表面の高さ位置ｈを、−Ｒ≦ｈ≦Ｒ／２とすることを特徴とする請求項２に記載のフェロコークスの製造方法。
請求項１に記載のフェロコークスの製造方法に用いるフェロコークスの製造装置であって、石炭と鉄源原料とバインダーを含む成型用原料を加熱しながら混練する撹拌機と、該撹拌機で混練された１６０〜２４０℃の成型用原料を成型物に成型するダブルロール成型機と、ダブルロール成型機の冷却後の成型ロールの表面温度を８０℃以下７０℃以上にする冷却手段を備えていることを特徴とするフェロコークスの製造装置。