JP6228101B2

JP6228101B2 - 炭材内装鉱の製造方法

Info

Publication number: JP6228101B2
Application number: JP2014244483A
Authority: JP
Inventors: 諭弘中; 享太前野; 智郎山本
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: JP2016108580A

Description

本発明は、高炉で製鉄原料として使用される炭材内装鉱の製造方法に関する。

近年、高炉操業における還元材比の低減を目的として、炭材と酸化鉄含有原料とを混合し成形した炭材内装鉱が用いられている。

この種の炭材内装鉱は、焼結鉱やペレットに比べて被還元性に優れる点が大きな特徴であるが、高炉用の原料としては、５００〜６００℃の温度域における粉化の程度を示す指標である還元粉化指数（ＲＤＩ）が低く、還元粉化性に優れることも要求される。

そこで、鉱結晶水鉱石を含む鉄含有原料と、粉コークス等の粉状炭材と、セメント等の水硬性バインダとを混合し成形して、気孔率を２０〜３０％に制御することで、還元粉化性に優れた非焼成の含炭塊成鉱を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、スラグ量の多い無機バインダを使用せずに、炭材の熱間での流動性を利用して粉状の鉄含有原料と炭材とを熱間で成形することで、冷間圧潰強度の高い炭材内装塊成化物を製造する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第４８４２４０３号公報特開２００１−２９４９４４号公報

しかしながら、上述の特許文献１の方法では、成形後に一次養生および二次養生を行い、養生後の乾燥処理を行うため、多くの時間やコストがかかり、製造効率が悪いという問題がある。

また、バインダとしてＣａＯやＳｉＯ_２等の含有量が多いセメント等の無機バインダを使用するため、炭材内装鉱中のスラグ量が増加し、高炉での還元材比が上昇する可能性がある。

また、上述の特許文献２の方法では、無機バインダを使用しないため、スラグ量を少なく抑えられるが、原料を５００℃程度に加熱し熱間で成形する必要があるため、非焼成の場合に比べてエネルギロスが大きくなってしまうとともに、設備が複雑化し比較的に高価になってしまうという問題がある。

なお、この特許文献２の方法で製造された炭材内装鉱は、還元粉化性に優れるかどうかは明らかではない。

そこで、還元粉化性に優れた炭材内装鉱を効率的に製造できる方法が求められていた。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、還元粉化性に優れた炭材内装鉱を効率的に製造できる炭材内装鉱の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載された炭材内装鉱の製造方法は、粉状の酸化鉄含有原料と粉状の炭材とに有機バインダを添加し、水分調整し、混合および圧縮造粒する炭材内装鉱の製造方法であって、Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}を酸化鉄含有原料に含まれるヘマタイト含有量（質量％）とし、ａを炭材内装鉱において全体を１とした場合の酸化鉄含有原料の質量に関する比率とし、ｂを炭材内装鉱において全体を１とした場合の有機バインダの固形分換算での質量に関する比率とし、Ｗ_Ｃを有機バインダに含まれるＣ含有量（質量％）とし、Ｗ_Ｈを有機バインダに含まれるＨ含有量（質量％）とすると、酸化鉄含有原料および有機バインダは、（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３＜７０の式で示す関係を満たし、炭材の添加量は、質量に関する比率が酸化鉄含有原料と炭材と有機バインダとを含めた全原料に対して１６％以下であるものである。

請求項２に記載された炭材内装鉱の製造方法は、請求項１記載の炭材内装鉱の製造方法において、有機バインダの添加量は、固形分換算での質量に関する比率が酸化鉄含有原料と炭材と有機バインダとを含めた全原料に対して１％以上１０％以下であるものである。

本発明によれば、酸化鉄含有原料および有機バインダが（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３＜７０の式で示す関係を満たすため、ヘマタイトからマグネタイトへの還元量を抑えて還元粉化性を向上できるとともに、効率的に製造できる。

炭材内装鉱における有機バインダに含まれるＣ量およびＨ量とＲＤＩとの関係を示すグラフである。炭材内装鉱における酸化鉄含有原料のヘマタイト量とＲＤＩとの関係を示すグラフである。炭材内装鉱におけるヘマタイトからマグネタイトへの還元量とＲＤＩとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態の構成について図面を参照しながら詳細に説明する。

高炉で製鉄原料として使用される炭材内装鉱を製造する際には、粉状の酸化鉄含有原料と粉状の炭材とに有機バインダを添加し、水分調整し、混合して造粒する。

酸化鉄含有原料は、例えばペレット用の鉄鉱石、焼結用の鉄鉱石、焼結ダストおよびスケール等が適宜用いられる。

炭材は、例えば、粉コークス、一般炭、無煙炭、コークスダストおよび高炉１次灰等が適宜用いられる。

有機バインダは、パルプ廃液、糖蜜、各種ポリマ、澱粉およびカルボキシメチルセルロース等が適宜用いられる。

また、バインダとして、例えば生石灰やベントナイト等の無機バインダを原料中のスラグ量が増加しない範囲で上記有機バインダに加えてもよい。

造粒する際には、一対の成形ロールを有するブリケットマシン（ロール型圧縮造粒機）でピロー形ブリケットやアーモンド形ブリケットを製造する圧縮造粒法で造粒する。

なお、成形直後の非焼成炭材内装鉱は、高炉までの輸送の粉化および高炉装入時の粉化を防止するため、所定の強度を確保する必要がある。そのため、成形後の生の炭材内装鉱は、強度向上を目的として乾燥処理を行うことが好ましい。この乾燥処理の条件は適宜決定できるが、例えば、１００〜３００℃の熱風で水分含有量が３％以下になるように行うと好ましい。

ここで、スラグ量の低い有機バインダを使用して炭材内装鉱を製造すると、酸化鉄含有原料に含まれるヘマタイト量と、有機バインダに含まれるＣ（炭素）量およびＨ（水素）量とが還元粉化性に大きく影響する。そのため、これらの因子を制御することによって、高炉での製鉄原料として還元粉化性に優れた炭材内装鉱を製造できる。

高炉用原料の還元粉化は、原料中のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）がマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）に相変化する際に起こる体積膨張によってクラックが生成されることで引き起こされる。そのため、原料中のヘマタイト量が多いほど還元粉化しやすくなると考えられる。

また、有機バインダを使用すると、有機バインダに含まれるＣやＨによりマグネタイトへの還元が促進されて、還元粉化に影響を及ぼす可能性がある。

そこで、原料中のヘマタイト量や有機バインダ中のＣ含有量およびＨ含有量が、炭材内装鉱の還元粉化挙動に及ぼす影響を確認するため、表１に示す４種類の酸化鉄含有原料と、炭材としての粉コークスと、表２に示す３種類の有機バインダとを用いて炭材内装鉱を作製して、約５５０℃の温度域における粉化の程度を示す指標である還元粉化指数（ＲＤＩ）を測定した。なお、表１および表２の各成分の含有量は質量％で示しており、表２は無水ベースの値である。

炭材内装鉱を製造する際には、原料に水分を加えながら混練した後、ブリケットマシンを用いて圧縮成形した。造粒した生ブリケットは、Ｗ：２５ｍｍ×Ｄ：１８ｍｍ×Ｈ：１０ｍｍのアーモンド形である。

このような生ブリケットを１０５℃で２時間以上乾燥させた後、ＪＩＳＭ８７２０に基づいて還元粉化試験を行った。

すなわち、所定の粒度範囲内の炭材内装鉱の試料（ブリケット）を、静置状態でＣＯ（一酸化炭素）とＮ_２（窒素）とから構成される還元ガスを用いて５５０℃の温度で３０分間、等温還元を行った。また、還元後、試料を１００℃以下の温度に冷却し回転ドラムを用いて合計９００回、転動させた。その後、公称目開き２．８ｍｍのふるいを用いてふるい分けを行った。そして、試料の粒度区分が−２．８ｍｍの質量の転動試験前の試料の質量に対する質量分率でＲＤＩを表した。

以下、Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}を酸化鉄含有原料に含まれるヘマタイト含有量（質量％）とし、ａを炭材内装鉱において全体を１とした場合の酸化鉄含有原料の質量に関する比率とし、ｂを炭材内装鉱において全体を１とした場合の有機バインダの固形分換算での質量に関する比率とし、Ｗ_Ｃを有機バインダに含まれるＣ含有量（質量％）とし、Ｗ_Ｈを有機バインダに含まれるＨ含有量（質量％）とする。

図１には、酸化鉄含有原料として表１に示す南米産鉄鉱石Ａを用い、有機バインダの種類や添加量を変化させた場合の、炭材内装鉱のＲＤＩと、原料中の有機バインダに含まれるＣおよびＨ量との関係を示す。なお、図１のグラフにおけるｘ軸（横軸）は（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂの値を示し、ｙ軸（縦軸）はＲＤＩの値を示す。

図１に示すように、炭材内装鉱に含まれる有機バインダのＣ＋Ｈ量の増加に伴い、ＲＤＩが上昇して還元粉化性が悪化する。

この結果から、有機バインダ中のＣおよびＨが、ヘマタイトからマグネタイトへの還元を促進させて、還元粉化が進行しやすくなっていると考えられる。すなわち、還元粉化抑制という観点では有機バインダのＣ量およびＨ量が少ない方が好ましい。

図２には、バインダとして表２に示すパルプ廃液を固形分換算で３％添加し、酸化鉄含有原料の種類や比率を変化させた場合の、炭材内装鉱のＲＤＩと酸化鉄含有原料中のヘマタイト量とを関係を示す。なお、図１における横軸はＷ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａの値を示し、縦軸はＲＤＩの値を示す。

図２に示すように、ヘマタイト量の増加に伴い、ＲＤＩが上昇して、還元粉化性が悪化する。

この結果から、炭材内装鉱中のヘマタイト量が多いほど、炭材内装鉱においてマグネタイトに還元される量が相対的に多くなり、体積膨張によるクラック生成量も増加するため、還元粉化が進行しやすくなると考えられる。すなわち、還元粉化抑制という観点では、炭材内装鉱中のヘマタイト量が少ない方が好ましい。

図３には、表１および表２に示す酸化鉄含有原料および有機バインダを使用して作製した炭材内装鉱のＲＤＩ値を示す。

この結果から、酸化鉄含有原料中のヘマタイト量と、酸化鉄含有原料比率と、有機バインダ中のＣ含有量およびＨ含有量と、バインダ添加量とについて、（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３＜７０の式で示す関係を満たすように、酸化鉄含有原料および有機バインダを選定することで、ＲＤＩを抑えることができ、炭材内装鉱として良好なＲＤＩを確保できる。

なお、高炉用原料である炭材内装鉱としてのＲＤＩの値は、３０％以下であることが好ましい。

上記数式における左辺、すなわち（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３は、ヘマタイトからマグネタイトへの還元量を示す指標であり、この値が小さい程、還元粉化領域である５００〜６００℃でのヘマタイトからマグネタイトへの還元量が減少することを意味する。

そのため、上記式における左辺の値は、還元粉化性の観点から小さい程好ましく、実験によるデータに基づいて７０未満に抑えることとし、好ましくは６０未満である。

しかし、上記式における左辺の値が４０より小さいと、有機バインダの添加量が少なくなり圧潰強度が低下して、高炉用原料である炭材内装鉱として圧潰強度を確保できない可能性があるため、上記式における左辺の値は４０より大きいことが好ましい。

なお、高炉用原料である炭材内装鉱としての圧潰強度は、０．６ｋＮ以上であることが好ましい。

炭材の添加量は、質量に関する比率が酸化鉄含有原料と炭材と有機バインダとを含めた全原料に対して１６％以下とする。

有機バインダの添加量は、上記数式に対応するように適宜選択できるが、固形分換算で全原料に対して１％未満であると、高炉用原料である炭材内装鉱として必要な圧潰強度を確保できない可能性がある。一方、有機バインダの添加量が、固形分換算で全原料に対して１０％を超えると圧潰強度向上作用が飽和する可能性がありコストの増加を招く。したがって、有機バインダの添加量は、固形分換算での質量に関する比率が酸化鉄含有原料と炭材と有機バインダとを含めた全原料に対して１％以上１０％以下が好ましい。

次に、上記一実施の形態の作用および効果を説明する。

上記炭材内装鉱の製造方法によれば、酸化鉄含有原料および有機バインダの種類や配合比率を調整して、酸化鉄含有原料および有機バインダが（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３＜７０の式で示す関係を満たすため、ヘマタイトからマグネタイトへの還元量を抑えて還元粉化性を向上でき、炭材内装鉱として良好な還元粉化性を確保できる。

また、造粒後に必要に応じて乾燥処理するだけであるため、例えば上述の特許文献１のように養生する必要がないとともに、例えば上述の特許文献２のように熱間で成形する必要がなく、効率的に製造できる。

酸化鉄含有原料および有機バインダが４０＜（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３で示す関係を満たすことにより、有機バインダの添加量が不足することによる圧潰強度の低下を防止できる。

有機バインダの添加量は、固形分換算で全原料に対して１％以上１０％以下にすることで、炭材内装鉱として必要な圧潰強度をより確実に確保できるとともに、圧潰強度向上作用の飽和によるコストの増加を防止できる。

炭材内装鉱は、造粒後に例えば１００〜３００℃の熱風で水分含有量が３％以下になるように乾燥処理することにより、強度を向上できるため、高炉までの輸送の際の粉化および高炉へ装入する際の粉化を防止できる。

以下、本実施例および比較例について説明する。

表３に示す配合で酸化鉄含有原料と炭材と有機バインダとを水分加えながら混練した後、ブリケットマシンで圧縮成形して造粒した。

造粒した生ブリケットは、Ｗ：２５ｍｍ×Ｄ：１８ｍｍ×Ｈ：１０ｍｍのアーモンド形である。

この生ブリケットを１０５℃で２時間以上乾燥させた後、ＪＩＳＭ８７１８に基づいて圧潰強度測定に供し、また、ＪＩＳＭ８７２０に基づいて還元粉化試験に供した。なお、圧潰強度測定では、１０ｍｍ／ｍｉｎの一定加圧盤速度で生ブリケットに荷重をかけ、荷重が試験における最大荷重値の５０％以下になった場合、または、上部および下部圧縮の間隙が生ブリケットの平均粒度の５０％になるまで荷重をかけた場合に、加圧操作を終了した。そして、加圧操作で得られた圧縮荷重の最大値を圧潰強度とした。

各ブリケットの圧潰強度、ＲＤＩおよび（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３の値を表４に示す。

（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３が７０未満の本実施例であるＮｏ．１〜５は、圧潰強度が０．６ｋＮ以上で、かつ、ＲＤＩが３０％以下であるため、圧潰強度および還元粉化性が良好であった。

一方、（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３が７０以上の比較例であるＮｏ．６およびＮｏ．７は、圧潰強度は０．６ｋＮ以上と良好であるが、ＲＤＩが３０％より高く還元粉化性が劣っていた。

また、無機バインダであるベンナイトのみをバインダとして使用した比較例であるＮｏ．８は、ＲＤＩは３０％以下で還元粉化性が良好であるものの、圧潰強度が０．６ｋＮより低く、高炉用原料である炭材内装鉱としては強度不足であった。

以上の結果より、炭材内装鉱に用いられる酸化鉄含有原料のヘマタイト量や有機バインダに含まれるＣ量およびＨ量に応じて原料を選定することで、還元粉化性に優れた炭材内装鉱を効率的に製造できることが確認された。

Claims

粉状の酸化鉄含有原料と粉状の炭材とに有機バインダを添加し、水分調整し、混合および圧縮造粒する炭材内装鉱の製造方法であって、
Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}を酸化鉄含有原料に含まれるヘマタイト含有量（質量％）とし、
ａを炭材内装鉱において全体を１とした場合の酸化鉄含有原料の質量に関する比率とし、
ｂを炭材内装鉱において全体を１とした場合の有機バインダの固形分換算での質量に関する比率とし、
Ｗ_Ｃを有機バインダに含まれるＣ含有量（質量％）とし、
Ｗ_Ｈを有機バインダに含まれるＨ含有量（質量％）とすると、
酸化鉄含有原料および有機バインダは、（Ｗ_{Ｆｅ２Ｏ３}×ａ）×｛（Ｗ_Ｃ＋Ｗ_Ｈ）×ｂ｝^１／３＜７０の式で示す関係を満たし、
炭材の添加量は、質量に関する比率が酸化鉄含有原料と炭材と有機バインダとを含めた全原料に対して１６％以下である
ことを特徴とする炭材内装鉱の製造方法。
有機バインダの添加量は、固形分換算での質量に関する比率が酸化鉄含有原料と炭材と有機バインダとを含めた全原料に対して１％以上１０％以下である
ことを特徴とする請求項１記載の炭材内装鉱の製造方法。