JP6295791B2

JP6295791B2 - 焼結鉱製造方法、及び、石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法

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Publication number: JP6295791B2
Application number: JP2014078047A
Authority: JP
Inventors: 矢部　英昭; 英昭矢部
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: JP2015199976A

Description

本発明は、焼結鉱製造方法、及び、石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法に関する。

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）を焼結用の新原料とする。上記新原料に燃料として焼結用炭材（凝結材）、及び返鉱（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、上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配合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。

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。粉コークスの揮発分は１％以下、無煙炭の揮発分は５％程度である。
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。製鉄所内でのバランス上、粉コークスが不足する場合には、無煙炭を選択して使用する必要がある。一方で、揮発分の少ない無煙炭は、その埋蔵量が枯渇してきている。

粉コークスや無煙炭の代替燃料として、半無煙炭や瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭などの石炭を焼結用炭材として用いることが検討されている。
しかしながら、半無煙炭や瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭などの石炭は、揮発分が１０〜５０％と多く、そのまま使用した場合には、石炭中の揮発分が焼結ベッド内で燃焼せずに排ガス中へ同伴してしまい、排ガスブロアの不具合や最終的に煙突から排出される排ガスが着色するなどのトラブルを引き起こす。
したがって、これらの石炭を、焼結用炭材として用いるためには、何らかの手段によってチャー化を行い、揮発分を１０％未満、好ましくは５％程度に減少させる必要がある。

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又は一部として使用する提案がある（特許文献１）。
また、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）。
また、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）。
さらに、揮発分の含有量が３０質量％以上、５１質量％以下の石炭から製造するチャーの平均燃焼速度が、粉コークスに対して１．０５倍以上、１．２２倍以下であることを特徴とする焼結鉱の製造方法の提案がある（特許文献４）。

特開平５−２３０５５８号公報特開２０１０−２５４９２９号公報特許第４８４２４１０号公報特開２０１３−０８７３４２号公報

しかしながら、粉コークスを代替する揮発分が低い凝結材として、上記特許文献１〜４に記載のチャーだけでなく、それ以外の選択肢についても望まれている。

本発明の目的は、凝結材として使用可能な炭材の種類を増やすことができ、かつ焼結鉱の生産性へ及ぼす悪影響を回避することが可能な、焼結鉱製造方法、及び、石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法を提供することである。

これまで炭材中の揮発分は、いわゆる工業分析（ＪＩＳ−Ｍ８８１２）で定義される分析手法によって得られた数値に基づいて評価されていた。上記分析手法では、空気を遮断した状態で９００℃まで加熱した際の重量減少から揮発分を算出する。
このため、上記分析手法により評価された、揮発分が比較的大きな炭材は、排ガス中へ流出する揮発分が問題となるため、焼結用炭材には適当ではないと考えられていた。ここで、上記分析手法により評価された、揮発分が比較的大きな炭材としては、高揮発分炭材と称される、いわゆる無煙炭以外の半無煙炭を含む原炭や、比較的低温で製造した石炭チャーなどが挙げられる。

しかし、焼結用炭材としての使用を想定した場合、上記工業分析によって測定される揮発分がすべて排ガス中へ飛散同伴してしまうわけではない。確かに、炭材が燃焼を開始するまでに揮発する揮発分は排ガス中に同伴される。しかし、炭材が燃焼を開始した以降も残存していた揮発分は、焼結ベッド内で炭材の燃焼とともに燃焼されよう。したがって、かかる揮発分は排ガス中に同伴されることがなく、何ら問題が起こらないと推察される。
上記推察に基づき、本発明者は、焼結ベッド内において有効に燃焼利用される揮発分と、排ガス中へ同伴される揮発分とに着目した。そして、炭材が燃焼を開始するまでに揮発する揮発分を新たに規定し、その規定に従って炭材を選択・使用することにより、焼結鉱の生産性へ及ぼす悪影響を回避でき、また、凝結材としての使用が可能な種類を増やす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）石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いる焼結鉱製造方法であって、窒素雰囲気下において、焼結時の焼結原料の昇温速度と同等の速度で加熱し、６５０℃における質量減少量の初期質量に対する百分率（以下、脱揮発割合という）が所望値以下の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭（工業分析における揮発分が５質量％以下を除く）を焼結用炭材として用いることを特徴とする焼結鉱製造方法。
（２）石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いる焼結鉱製造方法であって、
窒素雰囲気下において、焼結時の焼結原料の昇温速度と同等の速度で加熱し、石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の６５０℃における質量減少量の初期質量に対する百分率を測定し、前記百分率が所望値以下の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いることを特徴とする焼結鉱製造方法。
（３）石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法であって、窒素雰囲気下において、焼結時の焼結原料の昇温速度と同等の速度で加熱し、６５０℃における脱揮発割合を測定し、前記百分率が所望値以下の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材としての使用可能と判断することを特徴とする石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法。

本発明によれば、脱揮発割合が所定の範囲の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いることによって、凝結材として使用できる炭材の種類を増やすことができ、かつ焼結鉱の生産性へ及ぼす悪影響を回避することができる。

炭材Ａの昇温速度と脱揮発割合との関係を示す図である。各炭材の昇温速度と脱揮発割合との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（焼結鉱製造方法）
本実施形態の焼結鉱製造方法は、石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の脱揮発割合を算出し、石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を選択的に焼結用炭材として使用することを特徴とするものである。
本発明で、石炭チャーとは、石炭（褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭）を３００〜９００℃で熱分解して得られ、焼結用原料として使用するものをいう。また、無煙炭、半無煙炭とは、石炭化度が高く、揮発分含有量が比較的少ない石炭であって、焼結用原料として使用するものをいう。
ここでは、工業分析における揮発分（ドライ石炭質量基準）が１０％未満である石炭を無煙炭として定義し、揮発分（ドライ石炭質量基準）が１０％以上１５％以下である石炭を半無煙炭として定義する。

ここで脱揮発割合とは、以下の評価手法を用いて算出されたものである。
先ず、熱天秤に測定試料１０ｍｇを設置する。そして、装置内部を充分に窒素によってパージした後、窒素を２００ｍｌ／ｍｉｎ流通させた状態で昇温し、１２０℃において３０分間維持して測定試料を充分に乾燥させる。次に、１００℃／ｍｉｎの昇温速度にて急速加熱を行い、試料温度が６５０℃に到達した際の重量減少を計測する。脱揮発割合［質量％］は、上記計測結果に基づき、以下の式（１）から算出する。

式中、Ａは１００℃／ｍｉｎ急速昇温開始時の試料重量（ｍｇ）であり、Ｂは６５０℃における試料重量（ｍｇ）であり、Ａ−Ｂは６５０℃までに揮発した揮発分である。

上記評価手法は、急速昇温が可能な熱天秤を用い、窒素などの不活性ガス雰囲気下で急速加熱することによって、各温度レベルにおける炭材の脱揮発挙動を測定するものである。焼結用炭材は、通常６００℃〜６５０℃程度の温度域で燃焼を開始することが多い。このため、上記評価手法では、６５０℃における脱揮発割合を炭材評価指標としている。

また、炭材の脱揮発挙動は昇温速度に応じて変化するが、一般的な焼結ベッド内におけるヒートパターン（焼結原料の昇温速度）は１００〜３００℃／ｍｉｎ程度である。このため、上記評価手法では、昇温速度を焼結時の焼結原料の昇温速度と同等の速度としている。
図１に、炭材Ａの昇温速度と脱揮発割合との関係を示す。図１に示すように、昇温速度１００℃／ｍｉｎで加熱した結果よりも、低い昇温速度である１０℃／ｍｉｎで加熱した結果の方が、脱揮発割合が高い結果が得られている。この結果から明らかなように、１００℃／ｍｉｎよりも低速の昇温速度で加熱した場合、６５０℃における脱揮発割合が見かけ上、大きくなってしまうことが判る。したがって、低い昇温速度では、焼結ベッド内における炭材の脱揮発挙動が正確に再現されないおそれがある。
このうち、昇温速度は、１００℃／ｍｉｎ以上３００℃／ｍｉｎ以下がより好ましく、１００℃／ｍｉｎが特に好ましい。昇温速度が１００℃／ｍｉｎ未満であると、上述のように、脱揮発割合が過小に評価されてしまうおそれがある。他方、昇温速度が３００℃／ｍｉｎを超えると、脱揮発割合が過大に評価されてしまうおそれがある。

本実施形態の焼結鉱の製造方法では、脱揮発割合が所望値以下の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いる。前記所望値は、焼結操業管理上の諸要因を勘案して決定、管理すればよいが、５質量％が好ましい。ここに、勘案すべき諸要因には、排ガスの有機塩素物質量、ダスト油分、ブロアーの振動等であり、これらが管理値以内となるように前記所望値を定める。
脱揮発割合が所望値以下の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いることによって、炭材中に含有される揮発分が焼結ベッド内で燃焼せずに排ガス中へ同伴する割合を削減することが可能となる。このため、排ガス中へ同伴された揮発分に起因する各種設備トラブルを回避できる。また、炭材が燃焼を開始するまでに放出される揮発分以外の部分については、焼結ベッド内で燃焼利用されるため、結果として、より少ない炭材の使用量で焼結反応に必要な熱量を賄うことが可能となる。なお、脱揮発割合が所望値を超えると排ガス中へ同伴される揮発分に付随するトラブルが大きくなる可能性があり、かつ相対的に焼結ベッド内で燃焼利用される揮発分量が少なくなり、焼結に必要な熱量が賄えなくなる可能性がある。
工業分析の揮発分が５質量％以下の無煙炭や石炭チャーの焼結用炭材としての使用はこれまでも報告されていた。しかし、これまで焼結用炭材として使用することが難しいと考えられていた揮発分が５質量％を超える無煙炭、半無煙炭や高揮発分を含有する石炭チャーについても、上記脱揮発割合を満たす評価が得られれば、焼結用炭材として使用することが可能になる。このため、本実施形態によれば、焼結用炭材として使用できる炭材の種類を増やすことができる。

（石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法）
本実施形態の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法は、石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の６５０℃迄の脱揮発割合を測定することを特徴とするものである。この評価方法によれば、これまで工業分析で定義された揮発分の値によって漠然と判断していた焼結用炭材としての使用可否を、簡便な手法によって判断できるようになる。

次に実施例により本発明をさらに詳しく説明する。そこで、脱揮発割合が５質量％以下が好ましいとする根拠を示す。尚、本発明はこれらの例によって何ら制限されるものではない。

（各炭材の性状及び脱揮発割合）
各炭材の性状及び脱揮発割合を次の表１に示す。また、各炭材の昇温速度と脱揮発割合との関係を図２に示す。
各炭材の脱揮発割合は、以下の手法により測定した。
先ず、熱天秤（リガク社製／ＴｈｅｒｍｏＰｌｕｓＥｖｏ２ＴＧ−ＤＴＡ８１２０／Ｈ−ＩＲスマートローダ赤外線加熱式）に測定試料１０ｍｇを設置（アルミナ試料容器（深さ２．５ｍｍ×直径５ｍｍ））した。そして、装置内部を充分に窒素によってパージした後、窒素を２００ｍｌ／ｍｉｎ流通させた状態で昇温し、１２０℃において３０分間維持して測定試料を充分に乾燥させた。次に、１００℃／ｍｉｎの昇温速度にて急速加熱を行い、試料温度が６５０℃に到達した際の重量減少を計測し、上記式（１）から脱揮発割合を算出した。
図２において、三角の記号で示している、６５０℃迄の脱揮発割合が５質量％以下の炭材（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）は焼結用炭材として使用することが好ましい範囲である。このうち、炭材Ｅは炭材Ｆよりも揮発分含有量は大きいが、６５０℃迄の脱揮発割合が少ないため、焼結用炭材として好ましい炭材であると評価できる。

（焼結実験）
上記表１に示す炭材（粉コークス、無煙炭、半無煙炭、石炭チャー）を用い、焼成鍋試験を実施し、焼結鉱生産性及び排ガス中に含有される揮発分（タール）量を確認した。
焼成鍋試験に用いた原料配合を以下の表２に示す。また、用いた炭材の粒度分布を表３に示す。全ての試験において、炭材の粒度分布は同一とした。炭材の使用量は、ベース（参考例）を乾燥済みの粉コークス４．５質量％（外数）とし、炭材Ａ〜Ｇの使用時は、乾燥後の炭材重量が、ベースと同様になるように、コークスの全量を炭材Ａ〜Ｇで置換した。

焼結鍋試験は、配合原料を直径１ｍのドラムミキサーを用いて１分間混合したのち４分間造粒して擬似粒子原料を作成し、焼結鍋試験装置（直径：３００ｍｍ、層高：６００ｍｍ）に充填し、点火９０秒、吸引負圧１５ｋＰａ一定の条件で焼成した。評価項目は、燃焼進行速度、成品歩留、生産率、及び排ガス中揮発分含有量とした。排ガス中揮発分含有量の測定方法を以下に示す。

（排ガス中揮発分含有量の測定方法）
（１）鍋試験実施中（点火から焼結完了まで）の排ガスを吸収液としてジクロロメタンを投入した吸収瓶内へ１．０〜３．０Ｌ／ｍｉｎで吸引する。
（２）ガス吸引後の吸収液をろ過してダスト分を除去する。明らかに水分が多く含まれる場合にはデカンテーションによって水分の除去を行う。
（３）吸収液を８０℃以下のホットプレート上で加熱することによってジクロロメタンを蒸発させた後、恒量となった時点での残留物重量を排ガス中の揮発分（タール）含有量とし、先に吸収液中へ吸引したガス量で除することによって排ガス中の揮発分（タール）濃度を算出する。

焼結鍋試験の結果を表４に示す。
炭材Ｂはすでに広く焼結用として使用されている無煙炭であって、その排ガス中揮発分含有量は０．０７ｇ／Ｎｍ^３であった。これと比較して炭材Ａ、Ｃ〜Ｅのそれは概ね同等ないしそれ以下であることから、焼結での使用可能と判定した。一方、炭材Ｆ、Ｇのそれは炭材Ｂのそれの倍以上であった。かかる結果に基づいて、脱揮発割合の所望値は５質量％が好ましいとした。
尚、実施例１〜５は、粉コークスを用いた参考例と比較して、炭材の燃焼性などが異なることに起因して燃焼進行速度ＦＦＳ及び成品歩留がそれぞればらつく結果となったが、生産率に関しては参考例を大きく下回ることはなかった。一方で、炭材Ｆ，Ｇを用いた比較例１，２は、参考例と比較して、成品歩留が大幅に低下した。これは、明らかに熱不足の状況であった。
また、排ガス中に含有される揮発分の含有量は、比較例１，２が最も多く、比較例１，２の炭材Ｆ，Ｇでは、焼結ベッド内で燃焼せずに放出される揮発分量が多いことが示唆された。

脱揮発割合が所定の範囲の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いることによって、凝結材として使用できる炭材の種類を増やすことができ、かつ焼結鉱の生産性へ及ぼす悪影響を回避することができる。

Claims

石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いる焼結鉱製造方法であって、
窒素雰囲気下において、焼結時の焼結原料の昇温速度と同等の速度で加熱し、６５０℃における質量減少量の初期質量に対する百分率が所望値以下の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭（工業分析における揮発分が５質量％以下を除く）を焼結用炭材として用いることを特徴とする焼結鉱製造方法。
石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いる焼結鉱製造方法であって、
窒素雰囲気下において、焼結時の焼結原料の昇温速度と同等の速度で加熱し、石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の６５０℃における質量減少量の初期質量に対する百分率を測定し、前記百分率が所望値以下の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材として用いることを特徴とする焼結鉱製造方法。
石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法であって、
窒素雰囲気下において、焼結時の焼結原料の昇温速度と同等の速度で加熱し、６５０℃における質量減少量の初期質量に対する百分率を測定し、前記百分率が所望値以下の石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭を焼結用炭材としての使用可能と判断することを特徴とする石炭チャー、又は無煙炭若しくは半無煙炭の評価方法。