JP6337737B2 - 焼結鉱の製造方法 - Google Patents
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このため、微粉原料を使用した造粒技術として、微粉原料を造粒することに特化した副造粒ラインと、残りの原料を従来の方法で造粒する主造粒ラインと、を並列で有し、それぞれをあわせて焼結機に充填・焼成する方法が知られている(以下、分割造粒法という。)。
この分割造粒法では、主造粒ラインとは別に、微粉原料の造粒を行うための副造粒ラインを設けることで、造粒物の生産性を向上させている。
また、最近、鉄鉱石を10μm以下に微粉砕して得られる破砕鉱石がバインダーとして作用すること、それと消石灰とを併用することで、造粒効果が高まることが開示されている(特許文献1参照)。また、破砕鉱石と消石灰との併用効果は、実機での短時間試験で確認されている(非特許文献1参照)。更に、鉄鉱石の具体的な破砕方法として、タワーミルの使用が提案されている(特許文献2参照)。
(1)焼結原料を主焼結原料群と、微粉原料と生石灰又は消石灰と破砕用鉱石を含む副焼結原料群とに分け、それぞれを混合・造粒する、主造粒工程と、副造粒工程とを並列で有し、前記主造粒工程と前記副造粒工程で製造したそれぞれの造粒物を合わせ、前記合わせた造粒物を焼成するに際し、前記副造粒工程は、前記副焼結原料群の破砕用鉱石を生石灰又は消石灰とともに湿式破砕してスラリーを製造する湿式混合破砕工程と、前記副焼結原料群の内、前記微粉原料が含まれる残りの焼結原料と前記スラリーとを混合・造粒する混合・造粒工程と、を有することを特徴とする焼結鉱の製造方法。
(2)前記スラリーを製造する原料として、前記破砕用鉱石、および、前記生石灰又は前記消石灰に代えて、脱硫スラグを使用することを特徴とする(1)に記載の焼結鉱の製造方法。
(3)前記スラリー中の固形物の粒度が、10μm以下の割合が60質量%以上であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の焼結鉱の製造方法。
(4)前記スラリーの前記固形物に対する水の質量比率が、1.3以上であることを特徴とする(1)から(3)までのいずれか一項に記載の焼結鉱の製造方法。
図1に本実施形態における分割造粒法を示す。
図1に示すように、本実施形態の焼結鉱の製造方法は、焼結原料を主焼結原料群と、副焼結原料群とに分け、それぞれを混合・造粒する、主造粒工程1と、副造粒工程2とを並列で有し、主造粒工程1と副造粒工程2で製造したそれぞれの造粒物を合わせ、合わせた造粒物を焼成するものである。
副造粒工程2では、先ず、副焼結原料群の鉄鉱石の一部(破砕用鉱石)と生石灰等とを湿式粉砕機に投入し、水を加えて、これらを同時に湿式破砕することで、スラリーを調製する(湿式混合破砕工程3)。次に、副焼結原料群の残りの焼結原料と上記湿式混合破砕工程で得たスラリーとを混合し、造粒することで造粒物を製造する(混合・造粒工程4)。副造粒工程2で得られる造粒物には、粉鉱石の周りに微粉原料が付着して形成された疑似粒子と、微粉原料だけで形成された疑似粒子との2形態がある。
混合・造粒工程4では、残りの焼結原料(図1では、微粉原料と粉鉱石)と、スラリーとを高速撹拌混練機で強撹拌する。そして、高速撹拌混練機で強撹拌された原料を更にパンペレタイザーで造粒する。なお、混合・造粒工程4では、パンペレタイザーの代わりにドラムミキサーを用いても構わない。
そして、副造粒工程2で造粒した造粒物と、主造粒工程1で造粒した造粒物とを、図示しない焼成工程までにあわせ、あわせた造粒物を下方吸引型焼結機に充填して、焼成する。
副焼結原料群は、造粒を強化するために副造粒工程で処理する対象とする微粉原料、バインダーとして湿式混合粉砕に供する生石灰等および破砕用鉱石を含む。さらに、造粒の核として作用させることで微粉原料の造粒を促進するための粉鉱石を加えてもよい。また、微粉原料の造粒を阻害しない範囲で適時種々の焼結原料を含めることができる。
〔微粉原料〕
本実施形態において、微粉原料は、−2mm以下の粒度比率が99%以上又は平均粒径が500μm以下の微粉鉱石をいう。例えば、カナダ産の選鉱処理後の微粉(精鉱)やブラジル産のPF等が挙げられる。副造粒工程2において微粉原料を使用するのは、主造粒工程1で造粒機として用いられるドラムミキサーが、微粉原料の造粒に不向きなためである。
〔粉鉱石〕
粉鉱石としては、通常焼結鉱の製造で使用されるシンターフィード(SF)、ピソライト系鉱石などが挙げられる。
微粉原料と粉鉱石との質量割合は、3:1〜1:1が好ましい。上記割合が3:1よりも微粉原料の量が多くなると、微粉原料だけで形成された疑似粒子の量が増加し、粉鉱石の周りに微粉原料が付着して形成された疑似粒子の量が減少する。微粉原料だけで形成された疑似粒子は強度が弱いため、造粒して得られる焼結鉱の強度も弱くなる。そうすると、操業時の炉内圧によって焼結鉱が圧壊し易くなるため、結果として焼結層の通気性が悪化する不具合が生じる。他方、上記割合が1:1よりも微粉原料の量が少なくなると、全焼結原料中の微粉鉱石の使用量が増加した場合に対応できない。
生石灰は、造粒時のバインダーとして作用する。
本実施形態では、生石灰の代替えとして消石灰を使用できる。消石灰を使用する場合、生石灰の使用量とCa分が同量になる量を使用する。例えば、生石灰を15質量%配合するとき、Ca分で、15質量%の生石灰に相当する消石灰は、1.32倍(74/56)の20質量%になる。
また、生石灰又は消石灰に代えて、製鋼スラグを使用してもよい。本実施形態において、製鋼スラグは、製鋼の脱硅、脱硫、脱炭の各工程において生成するスラグである。このうち、脱硫スラグは、FeOとCaOの含有率が高く、これを湿式破砕することで、破砕された鉱石成分と生石灰成分とが混合状態のスラリーを得ることが可能となるため、特に好ましい。
破砕用鉱石は、上記生石灰等とともに、造粒時のバインダーとして作用する。
破砕用鉱石は、ゲーサイトを多く含む高結晶水鉱石が好ましく、なかでもピソライト系鉱石がより好ましい。これは、ヘマタイト鉱石等と比較して、ゲーサイト鉱石の硬度は小さいので破砕が容易であること、造粒時にバインダーとしての水中分散性が高いこと、及び、付着力が高いため強固な疑似粒子が製造可能なことによる。
図2に鉱石の各銘柄における等電点測定結果を示す。
図2から明らかなように、ゲーサイト鉱石(ローブリバー鉱石、ヤンディ鉱石、ピルバラブレンド鉱石(PB))の等電点はpH4〜5と低く、造粒水の等電点との差が大きい。このため、ゲーサイト鉱石は、造粒水の等電点との差が小さいヘマタイト鉱石(SFOT;SFツバロン)に比べて、水中分散性が高いことが確認できる。
図3から明らかなように、ゲーサイト鉱石(ローブリバー鉱石、ヤンディ鉱石、ピルバラブレンド鉱石(PB))は、ヘマタイト鉱石(PFIT;PFツバロン)に比べて付着力が高いことが確認できる。ゲーサイト鉱石は、一般的に粘土質脈石(Al2O3やSiO2)量が高く、付着力も高くなる銘柄が多い。付着力測定結果はこの傾向を裏付けるものである。
なお、付着力測定結果は、以下に説明する一面剪断試験にて行ったものである。
図4に一面剪断試験の概要を示す。
図4に示す、一面剪断試験で使用される試験装置10は、固定セル11と、その上部に配置され、可動可能な可動セル12と、荷重測定手段13と、以下図示しない垂直応力付加手段と、剪断応力付加手段とを備えている。なお、固定セル11及び可動セル12は、直径が60mmの円柱形状である。
先ず、測定試料は、各銘柄の鉄鉱石を事前に−0.25mmに粉砕しておく。
次に、固定セル11の上面、即ち、固定セル11と可動セル12との接触面(剪断面)に測定試料を載せ、その上部から可動セル12を載置する。次に、垂直応力付加手段により、固定セル11及び可動セル12に対して、下記に示す所定の垂直応力σを加える。この状態で、剪断応力付加手段により、可動セル12を約3.0mm/minの速度一定で水平方向に移動させる。このときの剪断面方向の荷重を荷重測定手段13により測定する。得られた測定値を剪断強度τとする。なお、垂直応力σは、1測定試料あたり49kPa、98kPa及び147kPaの3種類の応力でそれぞれ行う。そして、下記式(1)に示すモール・クーロンの破壊規準の関係式から内部摩擦係数と付着力を算出する。
τ=σtanφ+C …(1)
なお、上記式(1)中、τは剪断応力(kPa)、σは垂直応力(kPa)、φは内部摩擦角(°)、tanφは内部摩擦係数(−)、Cは付着力(kPa)である。
生石灰等の配合割合は、焼結機へ供給する全ての焼結原料に対して、生石灰を使用する場合は、0質量%を超え4質量%以下、消石灰を使用する場合は、0質量%を超え5.2質量%以下が好ましい。また、破砕用鉱石の配合割合は、0質量%を超え10質量%以下が好ましい。
スラリー中の固形物に対する生石灰の質量比率は、30%程度が望ましい。
なお、生石灰等に代えて、製鋼スラグを使用する場合は、製鋼スラグを単独で使用しても、破砕鉱石と生石灰とを使用した場合の組成と同程度の組成が得られる。
また、湿式混合破砕工程3で得られたスラリーの固形物に対する水の質量比率は、スラリー中の固形物に対し、1.3以上であることが好ましい。スラリー中の水の比率が1.3以上であれば、造粒に適した水分量が供給できる。
また、固形物の粒度は、10μm以下の割合が60質量%以上であることが好ましい。60質量%未満では、バインダー能が低下するからである。なお、粒度測定方法として、レーザー散乱回折法、湿式篩分け法等があるが、手法は問わない。
湿式混合破砕工程3で使用される湿式粉砕機としては、湿式ボールミルが挙げられる。湿式ボールミルは、縦型ミル内部に破砕媒体である鉄球が充填された構成である。
上記構成の湿式ボールミルを用いた粉砕では、先ず、縦型ミル内部へ水とともに原料(破砕用鉱石と生石灰等)を投入する。そして、縦型ミルを回転させることによって、ミル内でボールと原料とを移動させる。これにより、原料同士或いは原料と鉄球との間に剪断力や圧縮力が作用することで、原料が微粉砕される。なお、投入した原料のうち、微粉砕によって粒径が低下した原料は、原料層の上方へと徐々に移動するので、粗粒状態の原料が鉄球近傍に位置することになる。このため、湿式ボールミルでは、粗粒状態の原料が選択的に破砕されるので、結果として効率的な作業が行われる。
タワーミルは、回転駆動する鉛直中心軸にスクリュー翼を備えた円筒容器からなる粉砕部と、重力及び遠心力の作用により分級する分級部と、分級部で分級したアンダーフローを粉砕部の円筒容器に循環させる循環部を備える。また、円筒容器内には粉砕媒体として鉄球が装入されている。
上記構成のタワーミルによる微粉砕では、先ず、円筒容器内へ水とともに原料(破砕用鉱石と生石灰等)を投入する。投入された原料は、スクリュー翼によって持ち上げられて上方に巻き上げられ、また、侍従によって下方に落下する運動を繰り返す。これらの複合的な運動により、原料同士或いは原料と鉄球との間に剪断力や圧縮力が作用することで、原料が微粉砕される。微粉砕された原料は、水と懸濁してスラリーを形成する。微粉砕された原料を含むスラリーは分級部へと移動され、ここで、粗分級される。分級された粗粒の原料を含むスラリーは、循環部により、粉砕部へと送られ、そこで再度粉砕される。
副造粒工程2の混合・造粒工程4で使用される高速撹拌混練機としては、アイリッヒミキサー型、レディゲミキサー型、ダウミキサー等を用いることができる。
レディゲミキサーは、円筒内に設けられた1軸シャフトに鋤状ショベルを有し、かつ円筒内面に複数のチョッパーを有する構造であり、回転する鋤状ショベルと、複数のチョッパーによって原料を混練するように構成されたものである。ダウミキサーは、混練用翼を有するシャフトを2本備え、これらのシャフトの回転速度を不等速にすることで、原料を混練するように構成されたものである。
本発明の効果を造粒試験及び焼結鍋試験より確認した。
〔スラリーの製造〕
スラリー原料として、比較例1では、豪州ピソライト鉱石(ローブリバー;高Al2O3)を選択した。比較例2では、豪州ピソライト鉱石(ヤンディ;低Al2O3)を選択した。実施例1では、豪州ピソライト鉱石(ヤンディ)と生石灰とを選択した。なお、破砕用鉱石と生石灰の質量比率は5:2となるように配分した。実施例2では、製鋼脱硫スラグを選択した。この製鋼脱硫スラグのCaO成分割合は31.9質量%、酸化鉄成分割合は6.0質量%であった。
湿式粉砕機は、全量循環式(バッチ式)のタワーミル(日本アイリッヒ社製)を使用した。タワーミルの円筒容器内に直径20mmの鉄球及び破砕対象のスラリー原料、並びに水を装入して、スラリー原料を破砕した。タワーミルの破砕時間は、スラリー中に含まれる固形物の破砕後の粒度が、−10μm比率60質量%以上となるように調整した。
ここで、設備制約上、スラリー中に含まれる水分量の下限値は57質量%である。換言すれば、固形物に対する水の質量比率は1.3以上必要となる。
今回の実験における破砕並びに水和反応を経て得られたスラリーの固形物に対する水の質量比率は、比較例1および比較例2は1.84、実施例1は1.37、実施例2は1.92と設定した。スラリー原料の配合を以下の表1に示す。なお、表1におけるスラリー原料の割合は、副焼結原料群の合計量に対する割合で示している。
造粒試験の配合を以下の表2に示す。副焼結原料群の残りの焼結原料として、微粉鉱石(キャロルレイク)と、粉鉱石(SF;ヤンディ)とを用意した。そして、微粉鉱石と、粉鉱石とを質量比が3:1となるように配合した。これに、バインダーとして、上記調製したスラリーを添加した。なお、比較例1,2及び実施例2では生石灰を原料として配合し、全ての例で生石灰等を起因とするCa分が同量になるように調整した。
また、水分量は、副焼結原料群の全てを混合した後の、原料比率で11.0%を目標に配合した。なお、スラリー中に含まれる水分量だけでは上記目標水分量に達しない例では、スラリー中に含まれる水分量とは別に、上記目標水分量となるように、水を添加した。
造粒フローを図1及び図5に示す。図1が本実施形態の分割造粒、図5が比較例の分割造粒である。比較例1,2では図5のフローにより造粒した。図5では、主造粒工程101と副造粒工程102とを有し、副造粒工程102において破砕用鉱石のみが湿式破砕される(湿式破砕工程103)。そして、鉄鉱石その他の焼結原料とスラリーとを高速撹拌混練機、パンペレタイザーに投入して混合・造粒している(混合・造粒工程104)。実施例1では図1のフローにより造粒した。なお、実施例2では、図1のフローにおいて、生石灰等及び破砕用鉱石の代わりに、製鋼脱硫スラグを使用した。
混合・造粒工程4,104では、微粉原料、粉鉱石、及びスラリーを、高速撹拌ミキサー(日本アイリッヒ社製アイリッヒミキサー)で1分間混合処理したのちに、パンペレタイザーで4分間バッチ処理して、造粒物を得た。
焼結鍋試験の配合を以下の表3に示す。焼結機へ供給する全ての焼結原料に対して、副造粒工程2,102における、造粒試験に供した造粒物の比率を16.0質量%とした。
なお、主造粒工程1,101における原料は、商業用焼結機から粉コークスを除いた配合原料を実機ラインから抜き出して使用した。また、その配合割合は、以下の表4に示す通り、商業用焼結機の標準的な配合に基づいて決定した。
主造粒工程1,101の造粒は、ドラムミキサーにより行い、配合原料(粉コークス除き)に粉コークスを添加した後に、水分7.0%で4分間造粒し、前述の造粒に供した造粒物を添加して更に15秒間混合した。
直径300mm、高さ600mmの焼結用試験鍋に上記造粒後の焼結原料を装入した。層厚は床敷20mm、原料層485mmとした。そして、試験鍋の鍋下負圧を約9.8kPa(1000mmAq換算)に調整して、充填層上部に着火させた。なお、点火時間は1分とした。点火終了後、鍋下負圧約9.8kPa(1000mmAq換算)一定で、充填層上部より大気吸引して、焼結反応を進行させた。また、鍋下の風箱(WB)内へ設置した熱電対により排ガス温度を計測した。この排ガス温度が最大となった時刻を焼結完了時刻とした。即ち、焼結時間を点火開始から排ガス温度到達までとした。
焼結完了後のケーキを、2mの高さから4回落下させたのちの+5mm産物を成品と定義して、歩留及び生産率を評価した。
下記表5に試験結果を示す。
(1)造粒試験
表5から明らかなように、破砕用鉱石のみを湿式破砕して得られたスラリーを、鉄鉱石その他の焼結原料へ配合する例(比較例1,2)に比べて、実施例1では、未造粒粉率が低い結果が得られており、造粒性向上が確認された。
また、実施例2のように、製鋼脱硫スラグを湿式破砕して得られたスラリーを、焼結用原料へ配合しても、未造粒粉率が低い結果が得られた。これは、製鋼脱硫スラグはCaO成分と酸化鉄成分の双方を有しており、鉄鉱石と生石灰との混合破砕と同様以上の効果が得られたものと推察される。
(2)焼結鍋試験
表5から明らかなように、実施例1は、比較例1,2と比べて、生産率の面でも優れていた。また、製鋼脱硫スラグを破砕した実施例2も、高い生産率を示した。その要因としては、未造粒粉率低下に伴うFFS(燃焼前線降下速度)向上効果によるところが大きかったと推察される。
Claims (4)
- 焼結原料を主焼結原料群と、微粉原料と生石灰又は消石灰と破砕用鉱石を含む副焼結原料群とに分け、それぞれを混合・造粒する、主造粒工程と、副造粒工程とを並列で有し、
前記主造粒工程と前記副造粒工程で製造したそれぞれの造粒物を合わせ、前記合わせた造粒物を焼成するに際し、
前記副造粒工程は、
前記副焼結原料群の破砕用鉱石を生石灰又は消石灰とともに湿式破砕してスラリーを製造する湿式混合破砕工程と、
前記副焼結原料群の内、前記微粉原料が含まれる残りの焼結原料と前記スラリーとを混合・造粒する混合・造粒工程と、を有する
ことを特徴とする焼結鉱の製造方法。 - 前記スラリーを製造する原料として、前記破砕用鉱石、および、前記生石灰又は前記消石灰に代えて、脱硫スラグを使用す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。
- 前記スラリー中の固形物の粒度が、10μm以下の割合が60質量%以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の焼結鉱の製造方法。
- 前記スラリーの前記固形物に対する水の質量比率が、1.3以上であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の焼結鉱の製造方法。
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