JP6992734B2

JP6992734B2 - 炭材内装粒子の製造方法および炭材内装焼結鉱の製造方法

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Publication number: JP6992734B2
Application number: JP2018219089A
Authority: JP
Inventors: 一洋岩瀬; 哲也山本; 隆英樋口; 友司岩見; 頌平藤原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2038-11-22
Also published as: JP2020084258A

Description

本発明は、高炉などで製鉄原料として使用される焼結鉱の製造技術に関するものであり、具体的には、炭材を内装した炭材内装粒子の製造方法および当該炭材内装粒子を焼結原料の一部として製造される炭材内装焼結鉱の製造方法に関する。

高炉製鉄法では、鉄源として焼結鉱や鉄鉱石、ペレットなどの鉄含有原料を主に用いている。ここで、焼結鉱は、塊成鉱の一種であり、以下の手順にて製造される。まず、粒径が１０ｍｍ以下の鉄鉱石やダスト等の鉄含有原料と、石灰石や生石灰、製鋼スラグなどの石灰含有原料と、精錬ニッケルスラグ、ドロマイト、蛇紋岩などのＭｇＯ含有原料と、珪石などからなるＳｉＯ_２含有原料と、粉コークスや無煙炭などからなる凝結材と、から構成される造粒原料に適量の水を添加し、ドラムミキサーなどを用いて混合、造粒して擬似粒子とする。次いで、擬似粒子とした造粒原料を、焼結機の循環移動するパレットに装入し、造粒原料に含まれる凝結材を燃焼させて焼結ケーキとする。その後、焼結ケーキを、破砕、冷却、整粒し、一定の粒径以上のものを成品焼結鉱として回収している。

従来、焼結ベッド全体を均一に液相焼結する方法が主体であったが、近年、従来通り液相焼結主体の部分と、液相生成を抑えた部分とを焼結ベッドに混在させ、あえて不均一な構造を指向する焼結方法が検討されている。その理由は、融点が高く溶融しにくい部分は、焼成後には多くの細かい気孔が残存し、還元性ガスとの接触面積が増え、還元されやすい焼結鉱組織を形成できるからである。

このような塊成鉱の製造方法として、特許文献１には、高融点で液相生成を抑えたものとして、炭材を鉄鉱石粉とＣａＯ含有原料で被覆した湿潤ペレットを作製し、これを従来の液相焼結主体の焼結原料に混合後、下方吸引型焼結機において焼結する方法が開示されている。

特許第５７９０９６６号公報

特許文献１に開示されたように、炭材内装焼結鉱は、炭材核を有する炭材内装粒子を、炭材核を有しない通常の造粒粒子に混合して焼結原料とし、焼結機で焼結することで製造される。しかしながら、炭材内装粒子が造粒機で造粒され、焼結機へ搬送、装入される工程で崩壊してしまうと、液相生成を抑えた部分が生成されず、還元されやすい焼結鉱組織を形成させることができない。本発明は上記課題を鑑みてなされたものであって、その目的は、焼結機へ搬送され、焼結機に装入される工程において炭材内装粒子の崩壊を抑制できる炭材内装粒子の製造方法を提供することにある。

このような課題を解決できる本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）粉状の鉄含有原料と、石灰含有原料と、有機バインダーおよびベントナイトのうち少なくとも１種と、セメント粉と、を混合して混合粉とし、前記混合粉と、炭材とを造粒して、炭材核の周囲に前記混合粉からなる外層が形成された炭材内装粒子を製造する、炭材内装粒子の製造方法。
（２）前記混合粉に対する有機バインダーおよびベントナイトのうち少なくとも１種の混合割合が０．１質量％以上３質量％以下であり、前記混合粉に対するセメント粉の混合割合が４質量％以上１０質量％以下になるように、前記有機バインダーおよびベントナイトの少なくとも１種と、前記セメント粉とを混合する（１）に記載の炭材内装粒子の製造方法。
（３）（１）または（２）に記載の炭材内装粒子の製造方法で製造された炭材内装粒子を、鉄含有原料と、副原料と、凝結材と、を混合、造粒した造粒粒子に配合して焼結原料とし、前記焼結原料を焼結機のパレットに装入して焼結する、炭材内装焼結鉱の製造方法。

本発明の炭材内装焼結鉱の製造方法を実施することで、搬送工程での落下衝撃に対する耐性や、圧潰強度の高い炭材内装粒子を製造できるので、造粒されたのち焼結機に装入される工程において、崩壊する炭材内装粒子を少なくできる。これにより、その後の焼結工程で液相生成を抑えた部分が生成され、還元されやすい焼結鉱組織が形成された炭材内装焼結鉱を高い歩留で製造できる。

本実施形態に係る炭材内装粒子の製造方法が実施できる炭材内装粒子の製造工程１０の一例を示す模式図である。混練機２８での混合時間と、造粒機３８で造粒された炭材内装粒子の圧潰強度分布との関係を示すグラフである。造粒機３８に存在する混合粉３０、コークス粒子３２（成長途中の炭材内装粒子を含む）および炭材内装粒子４０を示す写真である。炭材内装焼結鉱の製造方法が実施できる炭材内装焼結鉱の製造工程１００の一例を示す模式図である。ＰＶＡの混合割合と炭材内装粒子の落下強度との関係を示すグラフである。養生期間と炭材内装粒子の圧潰強度との関係を示すグラフである。セメント粉の混合割合と炭材内装粒子の圧潰強度との関係を示すグラフである。セメント粉の混合割合と炭材内装焼結鉱の気孔率との関係を示すグラフである。実施例および比較例の焼結鉱のＲＩを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を通じて本発明を説明する。図１は、本実施形態に係る炭材内装粒子の製造方法が実施できる炭材内装粒子の製造工程１０の一例を示す模式図である。図１を用いて、本実施形態に係る炭材内装粒子の製造方法を説明する。

炭材内装粒子の製造工程１０では、まず、貯蔵槽１４に貯蔵された鉄含有原料１２と、貯蔵槽１８に貯蔵された石灰含有原料１６と、貯蔵槽２２に貯蔵された有機バインダー２０またはベントナイト２１と、貯蔵槽２４に貯蔵されたセメント粉２３とがそれぞれの貯蔵槽から搬送機２５に所定量切り出される。鉄含有原料１２、石灰含有原料１６、有機バインダー２０またはベントナイト２１およびセメント粉２３は、搬送機２５によってインテンシブミキサーなどの混練機２８に搬送される。鉄含有原料１２、石灰含有原料１６、有機バインダー２０またはベントナイト２１およびセメント粉２３は、混練機２８で適量の水２６とともに混合されて混合粉３０となる。

本実施形態において、鉄含有原料１２は、粉状の鉄含有原料の一例であり、例えば、粒径が１５０μｍ以下、比表面積が２０００ｃｍ^２／ｇ程度の鉄鉱石粉や、製鉄所内で発生するダストやスラッジ等である。石灰含有原料１６としては、生石灰、石灰石および消石灰の何れか１つ以上を用いてもよい。但し、混合粉３０を造粒するという観点から、造粒効果の高い生石灰や消石灰を用いることが好ましい。また、焼結時に生じる融液の粘度を増加させるドロマイト［ＣａＭｇ（ＣＯ_３）_２］を石灰含有原料１６に添加してもよい。すなわち、石灰含有原料とは、生石灰、消石灰、石灰石およびドロマイトの何れか１つ以上を含有する原料である。有機バインダー２０は、水と作用して造粒物に可塑性を付与する機能を有する材料であり、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）や澱粉である。ベントナイト２１も、有機バインダーと同様に、水と作用して造粒物に可塑性を付与する機能を有する材料である。ベントナイト２１は造粒物中のスラグ分を増加させるので、水と作用して造粒物に可塑性を付与する材料としては、ベントナイトを用いるよりもスラグ分を含まない有機バインダー２０を用いることが好ましい。セメント粉２３は、水硬性のセメントであって、例えば、ポルトランドセメント、混合セメント、高炉スラグセメントなどである。なお、セメント粉２３には酸化カルシウム（ＣａＯ）も含まれるので、セメント粉２３を加える場合には、セメント粉２３に含まれる酸化カルシウムの分だけ生石灰の切り出し量を減少させる。なお、以下の実施形態ではセメント粉２３として、以下の表１に示すポルトランドセメントを用いた。セメントは種類によって数か月の長期強度に差が有るが、本発明の用途では４週間かそれ以内の強度があればよく、数か月の長期強度は求められていない。このため、本実施形態では、いずれの種類のセメントも用いることができる。なお、寒冷地などではアルミナセメントを用いることでさらに短時間で強度が発現するので、より好ましい。

混練機２８では各原料を混練機２８で十分に混合し、各原料を均一に分散させることが好ましい。これにより、炭材内装粒子４０の品質を安定させることができる。例えば、生石灰の分散が不十分となり、炭材内装粒子に設定品位よりも生石灰が過剰に混合されると、後の焼結工程で炭材核の周囲の外層が溶融してしまい炭材内装焼結鉱を得られない場合がある。また、有機バインダー２０やセメント粉２３の分散が不十分となり、炭材内装粒子に混合される有機バインダー２０やセメント粉２３の混合量が設定品位よりも不足すると、搬送等のハンドリングに耐える十分な強度が得られず、歩留りが低下するおそれがある。さらに、水２６の均一化が不十分となると、後の造粒機３８による造粒に支障をきたすおそれがある。

図２は、混練機２８での混合時間と、造粒機３８で造粒された炭材内装粒子の圧潰強度分布との関係を示すグラフである。図２において、横軸は、セメント養生４週間後の炭材内装粒子の圧潰強度（Ｎ／個）であり、縦軸は頻度（個）である。図２の点線は、混練機２８で各原料を混合せずに造粒機３８を用いて炭材内装粒子に造粒し、その後、セメント養生を４週間行った後の炭材内装粒子の圧潰強度の分布を示す。破線は、混練機２８で各原料を１０秒間混合した混合粉を、造粒機３８を用いて炭材内装粒子に造粒し、その後、セメント養生を４週間行った後の炭材内装粒子の圧潰強度の分布を示す。実線は、混練機２８で各原料を６０秒間混合した混合粉を、造粒機３８を用いて炭材内装粒子に造粒し、その後、セメント養生を４週間行った後の炭材内装粒子の圧潰強度の分布を示す。なお、混練機２８に各原料が連続的に装入され、混練が連続的になされる場合の混合時間は、混練機２８内部の各原料の滞留量を装入速度で除することで算出できる。

図２に示すように、混合を全く行わない場合、圧潰強度の分布幅が広くなり、比較的低強度の炭材内装粒子が多く確認された。混合を１０秒間行うと、混合を全く行わない場合よりも低強度の炭材内装粒子が減少した。混合を６０秒間行うと、さらに、低強度の炭材内装粒子が減少して高強度の炭材内装粒子が増加し、圧潰強度の分布幅も狭くなった。この時の混合仕事率は３３０Ｗ／ｋｇであった。なお、混合仕事率は、混合機の消費電力÷混合物の質量から算出した。また、混合を１０秒間行った場合の混合エネルギーは、３３００Ｊ／ｋｇであり、混合を６０秒間行った場合の混合エネルギーは、１９８００Ｊ／ｋｇであった。この結果から、混練機２８で各原料を混合し、均一に分散させることで、炭材内装粒子の強度品質を高めることができるとともに強度品質を均一化でき、炭材内装粒子の品質を安定化できることがわかる。なお、各原料を十分に混合できる混合時間は、炭材内装焼結鉱の製造に用いる原料、混練機および造粒機を用いて図２に示したような混合時間と圧潰強度の分布との関係を確認することで定めることができる。

次に、混練機２８で混合された混合粉３０と、貯蔵槽３４に貯蔵されたコークス粒子３２と、が搬送機３６に所定量切り出され、造粒原料となる。本実施形態では、造粒原料に対するコークス粒子３２の混合割合が１質量％以上５質量％以下、より好ましくは、２質量％以上４質量％以下になるように、混合粉３０およびコークス粒子３２を切り出している。

本実施形態において、コークス粒子３２は、炭材の一例であり、当該炭材は、周囲に混合粉３０からなる外層が形成されて炭材核となる。炭材として無煙炭等を用いてもよい。コークス粒子および無煙炭は揮発分が少ないので、これらを用いることで焼結時に炭材から生じるガスが少なくなり、当該炭材内装粒子を用いて製造される炭材内装焼結鉱の強度低下が抑制される。これにより、炭材内装焼結鉱の歩留低下を抑制できる。

造粒原料は、搬送機３６によってディスクペレタイザーなどの造粒機３８に搬送される。造粒原料は、造粒機３８で適量の水２６とともに転動され、水の架橋力等によってコークス粒子３２が炭材核となり、その周囲に混合粉３０からなる外層が形成された炭材内装粒子４０が製造される。

図３は、造粒機３８に存在する混合粉３０、コークス粒子３２（成長途中の炭材内装粒子を含む）および炭材内装粒子４０を示す写真である。図１に示した炭材内装粒子の製造工程１０に従って炭材内装粒子４０が製造されるが、炭材内装粒子４０の強度が低いと、炭材内装粒子４０を次工程へ搬送する過程で崩壊する。このため、本実施形態に係る炭材内装粒子の製造方法では、造粒直後の炭材内装造粒粒子へ落下衝撃に対する耐性を付与するために、鉄含有原料１２および石灰含有原料１６に有機バインダー２０またはベントナイト２１を混合している。これにより、コークス粒子３２の周囲に外層として形成される混合粉３０の落下衝撃耐性が高められ、次工程へ搬送される過程における炭材内装粒子４０の崩壊を抑制できる。また、本実施形態では製造した炭材内装粒子を一度ヤードで保管し、一定期間の養生を経たのち焼結機へ搬送し、装入する。これは炭材内装粒子の在庫にバッファーを持たせ、焼結機への操業影響を最小限に抑えることと、一定の養生期間中に炭材内装粒子の更なる強度向上を目的としたものである。このため、本実施形態に係る炭材内装粒子の製造方法では、養生期間中に強度を向上させるため、鉄含有原料１２および石灰含有原料１６にセメント粉２３を混合している。これにより、ヤードでの養生期間中、セメントと炭材内装粒子中の水が水和反応を起こし、コークス粒子３２の周囲に外層として形成される混合粉３０の強度が高められ、焼結機へ搬送し、焼結機に装入される工程における炭材内装粒子４０の崩壊を抑制できる。

図４は、炭材内装焼結鉱の製造方法が実施できる炭材内装焼結鉱の製造工程１００の一例を示す模式図である。炭材内装焼結鉱の製造工程１００では、図１に示した炭材内装粒子の製造工程１０と平行して、粒径が１０ｍｍ以下の鉄鉱石やダスト等の鉄含有原料と、石灰石、生石灰、製鋼スラグなどのＣａＯ含有原料を含む副原料と、粒径３ｍｍ未満の粉コークスや無煙炭等からなる凝結材と、を含む原料５０を、ドラムミキサー等の造粒機５２で造粒して造粒粒子とする。なお、副原料には、精錬ニッケルスラグ、ドロマイト、蛇紋岩などのＭｇＯ含有原料や、珪石などからなるＳｉＯ_２含有原料が含まれてもよい。

次いで、原料５０を造粒した造粒粒子に、炭材内装粒子４０を配合して焼結原料とする。焼結原料のうち、原料５０を造粒した造粒粒子が液相焼結主体の部分となり、炭材内装粒子４０が液相生成を抑えた部分となる。焼結原料に対する炭材内装粒子４０の配合割合が１０質量％以上３０質量％以下になるように、造粒粒子に炭材内装粒子４０を配合することが好ましい。これにより、焼結原料の通気性が向上し、炭材内装焼結鉱の生産性が向上する。

炭材内装粒子が配合された焼結原料は、下方吸引式焼結機６０のサージホッパーに搬入される。焼結原料は、サージホッパーから無端移動式のパレットに装入され、装入層が形成される。装入層は、上方に設置された点火炉によって点火され、下方に設置されたウインドボックスから上方のガスを下方に吸引されることで装入層は順次燃焼、焼結される。装入層は、当該燃焼により発生する燃焼熱で焼結されて焼結ケーキとなる。焼結ケーキは、排鉱部で破砕および整粒され、粒径４ｍｍ以上の塊成物が成品の炭材内装焼結鉱として回収される。このようにして製造された炭材内装焼結鉱が高炉７０の製鉄原料として使用される。なお、本実施形態における粒径とは、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｚ８８０１－１に準拠した公称目開きの篩を用いて篩分けされた粒径であり、例えば、粒径４ｍｍ以上とは、ＪＩＳＺ８８０１－１に準拠した公称目開き４ｍｍの篩を用いて篩上に篩分けされる粒径をいう。

本実施形態に係る炭材内装粒子の製造方法で用いるコークス粒子３２の粒径は、２ｍｍ以上であることが好ましい。粒径が２ｍｍ以上のコークス粒子を用いることで、炭材内装粒子を配合した焼結原料を焼結機で焼結する工程でコークス粒子が消失してしまうことを抑制できる。コークス粒子３２の粒径は、３ｍｍ以上であることがより好ましい。粒径が３ｍｍ以上の炭材を用いることで、コークス粒子の消失をさらに抑制できる。

一方、粒径が大きいコークス粒子を用いると、焼結時にコークスから発生する燃焼ガス量が増加し、炭材内装焼結鉱においてコークス粒子を被覆する外層に亀裂が生じる。コークス粒子を被覆する外層に亀裂が生じると炭材内装焼結鉱の強度が大きく低下し、この結果、炭材内装焼結鉱の歩留が大きく低下する。このため、コークス粒子３２の粒径は、８ｍｍ以下であることが好ましく、６ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、製造される炭材内装粒子４０の粒径は、８ｍｍ以上１８ｍｍ以下であることが好ましい。上述したように、粒径が４ｍｍ以上の炭材内装焼結鉱が成品焼結鉱として回収され、粒径４ｍｍ未満の焼結鉱は、焼結原料にリサイクル（返鉱）される。また、炭材内装粒子４０は、焼結機で焼結すると水分の蒸発や部分的な溶融によって体積が小さくなる。従って、炭材内装粒子４０がそのまま焼結されたとしても返鉱にならないように、炭材内装粒子４０の粒径は、８ｍｍ以上であることが好ましく、１０ｍｍ以上であることがより好ましい。

一方、炭材内装粒子４０に形成されたコークス粒子３２の外層の厚さが５ｍｍを超えると、限られた焼結時間内に炭材内装粒子４０の全ての外層を焼結することが困難になる。焼結が不十分な部分が炭材内装焼結鉱に存在すると、炭材内装焼結鉱の強度は低下し、炭材内装焼結鉱の歩留が低下する。従って、炭材内装粒子４０の外層の厚さは５ｍｍ以下であることが好ましく、例えば、コークス粒子３２の粒径が８ｍｍであって外層の厚さが５ｍｍである場合の炭材内装粒子の粒径は１８ｍｍになる。このため、炭材内装粒子４０の粒径は１８ｍｍ以下であることが好ましい。

本実施形態に係る炭材内装粒子の製造方法では、混合粉に有機バインダー２０またはベントナイト２１、および、セメント粉２３を混合し、これにより、製造される炭材内装粒子４０の強度を高めている。

次に、炭材内装粒子４０の強度について説明する。炭材内装粒子４０が製造されてから下方吸引式焼結機６０に装入されるまでに、炭材内装粒子４０は、複数の搬送コンベアを乗り継ぎ、ヤードで保管され、一定期間養生されたのち焼結機へ搬送される。このため、炭材内装粒子４０は、複数の搬送コンベアの乗り継ぎと、下方吸引式焼結機６０のパレット装入時の衝撃に耐える強度を有することが好ましい。まず、落下強度を変えた炭材内装粒子を試験的に製造し、搬送コンベアの乗り継ぎを行った後における炭材内装粒子の崩壊状況を確認した。その結果、炭材内装粒子の落下強度を５回以上にすることでセメント養生ヤードまで搬送したとしても崩壊せず、セメント養生後の炭材内装粒子は複数の搬送コンベアの乗り継ぎと下方吸引式焼結機６０のパレット装入時の衝撃に耐え、下方吸引式焼結機６０への直送が可能になることが判明した。なお、本実施形態において、落下強度とは、４５ｃｍの高さから炭材内装粒子を落下させて、粒子が崩壊するまでに要した落下回数である。

粒物に可塑性を付与することのできる有機バインダー２０やベントナイト２１を用いることで、造粒直後の炭材内装粒子の落下強度を早期に高めることができる。有機バインダー２０は造粒物中の水に溶解して水の粘度を向上させる。この粘度が向上した水が造粒物中の空隙を埋めることで造粒物に可塑性が付与され、落下衝撃に対する耐性が向上する。また、ベントナイト２１は、造粒物中の水を取り込んで膨潤し、造粒物中の空隙を埋めることで造粒物に可塑性が付与され落下衝撃に対する耐性が向上する。そこで、炭材の周囲に形成される外層の混合粉３０に有機バインダーの一種であるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）粉を混合し、炭材内装粒子の落下強度を５回以上にできるか否かを確認するべく、図１に示した炭材内装粒子の製造工程１０に従って、炭材内装粒子の製造を行った。

炭材内装粒子の製造は、以下の手順にて実施した。まず、粒径１５０μｍ以下であってＢｌａｉｎｅ比表面積が約１５００ｃｍ^２／ｇの鉄鉱石粉と、生石灰と、粒径１５０μｍ以下のＰＶＡ粉とを、質量比で９５：４：１の割合で混合し、インテンシブミキサーを用いて均一に混合して混合粉とした。この混合粉と、粒径２ｍｍ以上８ｍｍ以下のコークス粒子を質量比９８：２の割合で混合した造粒原料とした。この造粒原料を、ディスクペレタイザーを用いて転動させて造粒原料を造粒し、炭材の周囲に混合粉からなる外層が形成された炭材内装粒子を製造した。造粒原料の造粒に必要な水は、インテンシブミキサーおよびディスクペレタイザー内へ適量噴霧して供給した。

図５は、ＰＶＡの混合割合と炭材内装粒子の落下強度との関係を示すグラフである。図５において、横軸はＰＶＡの混合割合（質量％）であり、縦軸は炭材内装粒子の４５ｃｍ落下強度（回）である。図５に示すように、ＰＶＡの混合割合を増加させると炭材内装粒子の落下強度は向上した。図５から、炭材内装粒の落下強度を目標の５回以上にするにはＰＶＡの混合割合を０.１質量％以上にすればよいことがわかる。一方、ＰＶＡの混合割合を２質量％より高くしても炭材内装粒子の落下強度があまり向上せず、飽和傾向が見られた。さらに、混合粉に対するポリビニルアルコール粉の混合割合が３質量％以上となるようにポリビニルアルコール粉を混合すると、鉄鉱石粉の持ち込み水および造粒時に供給される水にポリビニルアルコール粉が溶け込み、粘度が上昇して安定した造粒が困難になった。これらの結果から、混合粉に対するＰＶＡの混合割合が０.１質量％以上３質量％以下となるようにＰＶＡを混合することが好ましく、混合粉に対するＰＶＡの混合割合が０.１質量％以上２質量％以下となるようにＰＶＡを混合することがさらに好ましい。また、有機バインダーであるＰＶＡに代えて、または、有機バインダーとともにベントナイトを用いてもよい。有機バインダーおよびベントナイトによる強度の向上は、有機バインダーやベントナイトを焼結原料の粒子間に必要最小限の厚さで行き渡らせることで発現する。このため、これらの種類に関わらず、混合粉に対して０.１質量％以上３％質量％以下の混合割合で混合することで、同様の強度向上効果が得られる。

また、混合原料にセメント粉を混合することでも炭材内装粒子の強度は向上する。セメント粉は安価なので、焼結鉱の製造といった大量生産プロセスに用いることで製造コスト抑制効果が大きくなる。まず、目標とする強度を確認するため、圧潰強度を変えた炭材内装粒子を試験的に製造し、搬送コンベアの乗り継ぎとパレット装入を行った後における炭材内装粒子の崩壊状況を確認した。その結果、炭材内装粒子の圧潰強度を４９Ｎ／個以上にすることで、重機やリクレーマーでハンドリングしたとしても崩壊せず、複数の搬送コンベアの乗り継ぎと下方吸引式焼結機６０のパレット装入時の衝撃に耐え、下方吸引式焼結機６０への直送が可能になることが判明した。そこで、炭材の周囲に形成される外層の混合粉３０にセメント粉を混合して炭材内装粒子の圧潰強度を４９Ｎ／個以上にできるか否かを確認するべく、図１に示した炭材内装粒子の製造工程１０に従って、炭材内装粒子の製造を行った。なお、本実施形態において、圧潰強度とは、圧縮試験機を用いて、圧縮速度１ｍｍ／ｍｉｎで炭材内装粒子を圧縮して測定される最大強度である。

炭材内装粒子の製造は、以下の手順にて実施した。まず、粒径１５０μｍ以下であってＢｌａｉｎｅ比表面積が約１５００ｃｍ^２／ｇの鉄鉱石粉と、生石灰と、セメント粉とを、質量比で９５：１：４の割合で混合し、インテンシブミキサーを用いて均一に混合させて混合粉とした。この混合粉と、粒径２ｍｍ以上８ｍｍ以下のコークス粒子を質量比９８：２の割合で混合した造粒原料とした。この造粒原料を、ディスクペレタイザーを用いて転動させて造粒原料を造粒し、炭材の周囲に混合粉からなる外層が形成された炭材内装粒子を製造した。造粒原料の造粒に必要な水は、インテンシブミキサーおよびディスクペレタイザー内へ適量噴霧して供給した。

図６は、養生期間と炭材内装粒子の圧潰強度との関係を示すグラフである。図６において、横軸は養生期間（Ｗｅｅｋ）であり、縦軸は炭材内装粒子の圧潰強度（Ｎ／個）である。また、図６において、（）内の値は、炭材内装粒子の水分含有割合（質量％）を示し、白丸プロットは圧潰強度の実測値を示し、黒丸プロットは圧潰強度の平均値を示す。図６に示すように、養生後に重機やリクレーマーでハンドリングしたとしても崩壊しない圧潰強度である４９Ｎ／個以上にするには、養生期間を３週間以上にすればよいことがわかった。

この結果から、混合粉に対するセメント粉の混合割合が４質量％となるようにセメント粉を混合することで、炭材内装粒子の圧潰強度を４９Ｎ／個以上の圧潰強度を有する炭材内装粒子を製造できることが確認された。一方、セメント粉を混合しない場合には、炭材内装粒子の圧潰強度は２．０～３．９Ｎ／個となり、４９Ｎ／個以上の圧潰強度にできなかった。

次に、混合原料に対するセメント粉の混合割合について説明する。混合原料に対するセメント粉の混合割合を０～６質量％に変えて炭材内装粒子を製造し、各炭材内装粒子の圧潰強度を測定した。なお、セメント粉の混合割合を増やした場合には、その分だけ、鉄鉱石粉の混合割合を減じて調整した。炭材内装粒子の圧潰強度の測定結果を図７に示す。

図７は、セメント粉の混合割合と炭材内装粒子の圧潰強度との関係を示すグラフである。図７において、横軸は混合粉に対するセメント粉の混合割合（質量％）であり、縦軸は炭材内装粒子の４週間後の圧潰強度（Ｎ／個）である。図７に示すように、混合粉に対するセメント粉の混合割合を高くすることで、炭材内装粒子の圧潰強度は向上する。図７に示すように、圧潰強度を４９Ｎ／個以上にするには、セメント粉の混合割合を４質量％以上にすればよいことがわかる。

次に、セメント粉の配合割合を０～１２質量％に変えて製造した炭材内装粒子を含む焼結原料を用いて炭材内装焼結鉱を製造し、各炭材内装焼結鉱の中から炭材内装粒子に由来する部分を抜き出した。炭材内装焼結鉱の中の炭材内装粒子に由来する部分の気孔率をＪＩＳＲ１６５５：２００３に規定される方法で測定した。各炭材内装焼結鉱の中の炭材内装粒子に由来する部分の気孔率の測定結果を図８に示す。

図８は、セメント粉の混合割合と炭材内装焼結鉱の中の炭材内装粒子に由来する部分の気孔率との関係を示すグラフである。図８において、横軸は混合粉に対するセメント粉の混合割合（質量％）であり、縦軸は炭材内装焼結鉱の中の炭材内装粒子に由来する部分の気孔率（％）である。図８に示すように、混合粉に対するセメント粉の混合割合を高くすると、炭材内装焼結鉱の中の炭材内装粒子に由来する部分の気孔率は低下する。炭材内装焼結鉱の中の炭材内装粒子に由来する部分の気孔率が高い方が高炉における還元反応性に有利となる。さらに、セメント粉の混合割合を高くすると、高炉原料におけるスラグ分が増えることになり好ましくない。このため、セメント粉の混合割合はなるべく低いことが好ましく、これらのことから、セメント粉の混合割合を１０質量％以下にすることが好ましく、６質量％以下にすることがより好ましい。

混合粉に対するセメント粉の混合割合を高めることで炭材内装粒子の圧潰強度を高めることができる。しかしながら、セメント粉の混合割合を高め過ぎると、炭材内装粒子のスラグ成分が増加する。さらに、セメント粉の混合割合を高め過ぎると、セメント粉と水との水和反応で生成する析出物が炭材内装粒子内の気孔を閉塞し、炭材内装粒子の気孔率が低下する。このスラグ成分の増加抑制と、一定以上の気孔率を確保するために、混合粉に対するセメント粉の混合割合は、４質量％以上１０質量％以下であることが好ましく、４質量％以上６質量％以下であることがより好ましい。

以上説明したように、有機バインダーを用いることで早期に炭材内装粒子の強度を早期に向上できる。一方、セメント粉は安価であるが強度を高めるには所定期間の養生が必要になる。本実施形態における炭材内装粒子の製造方法では、混合粉に有機バインダーとセメント粉とを混合する。混合粉に有機バインダーを混合することで炭材内装粒子の落下強度を早期に高めることができ、且つ、セメント粉を混合することで所定期間経過後に炭材内装粒子の強度をさらに高めることができる。この結果、焼結原料が造粒されたのち焼結機に装入される工程において崩壊する炭材内装粒子が少なくなり、炭材内装焼結鉱を高い歩留で製造できる。

また、混合粉に有機バインダーを０.１質量％以上混合し、セメント粉を４質量％以上混合することが好ましい。このように、混合粉に有機バインダーを０.１質量％以上混合することで落下強度が５回以上になり、炭材内装粒子をセメント養生ヤードまで高い歩留で搬送できる。さらに、混合粉にはセメント粉が４質量％以上混合されているので、セメント養生ヤードで養生された後は、重機やリクレーマーでハンドリングしたとしても崩壊せず、その後の複数の搬送コンベアの乗り継ぎと下方吸引式焼結機６０のパレット装入時の衝撃に耐えられる強度になる。これにより、焼結機に装入される工程において崩壊する炭材内装粒子がさらに少なくなり、炭材内装焼結鉱をさらに高い歩留で製造できる。

次に炭材内装粒子を含む焼結原料を焼結して製造された炭材内装焼結鉱の還元反応性を確認した結果を説明する。図９は、実施例および比較例の焼結鉱のＲＩを示すグラフである。ＲＩは、焼結鉱の被還元性を示す指標であって、ＪＩＳＭ８７１３に準拠して測定される値である。

図９に示した比較例では、ＰＶＡおよびセメント粉が混合されず、焼結機へ搬送、装入される工程で炭材内装粒子が崩壊したことを模擬し、炭材内装粒子を含まない焼結原料を６５０ｔ／ｈの投入速度で焼結機へ投入して焼結鉱を製造した。一方、実施例では、ＰＶＡおよびセメント粉が混合され、焼結機へ搬送、装入される工程で炭材内装粒子が崩壊しないとして、炭材内装粒子を内数で約７質量％（約５０ｔ／ｈ相当）配合した焼結原料を６５０ｔ／ｈの投入速度で焼結機へ投入して焼結鉱を製造した。

図９に示すように、実施例の炭材内装焼結鉱のＲＩは、比較例の焼結鉱のＲＩより３％高くなることが確認された。この結果から、本実施形態に係る炭材内装粒子の製造方法を用いて圧潰強度の高い炭材内装粒子を製造し、焼結機へ搬送、装入される工程で崩壊する炭材内装粒子を少なくすることで、被還元性が向上された炭材内装焼結鉱を高い歩留で製造できることがわかる。

１０炭材内装粒子の製造工程
１２鉄含有原料
１４貯蔵槽
１６石灰含有原料
１８貯蔵槽
２０有機バインダー
２１ベントナイト
２２貯蔵槽
２３セメント粉
２４貯蔵槽
２５搬送機
２６水
２８混練機
３０混合粉
３２コークス粒子
３４貯蔵槽
３６搬送機
３８造粒機
４０炭材内装粒子
５０原料
５２造粒機
６０下方吸引式焼結機
７０高炉
１００炭材内装焼結鉱の製造工程

Claims

粉状の鉄含有原料と、石灰含有原料と、水に溶解して水の粘度を向上させる有機バインダーおよびベントナイトのうち少なくとも１種と、セメント粉と、を混合して混合粉とし、前記混合粉に対する前記有機バインダーおよび前記ベントナイトのうち少なくとも１種の混合割合が０．１質量％以上３質量％以下であり、前記混合粉に対する前記セメント粉の混合割合が４質量％以上１０質量％以下になるようにし、前記混合粉と、炭材とを造粒して、炭材核の周囲に前記混合粉からなる外層が形成された炭材内装粒子を製造する、炭材内装粒子の製造方法。
請求項１に記載の炭材内装粒子の製造方法で製造された炭材内装粒子を、鉄含有原料と、副原料と、凝結材と、を混合、造粒した造粒粒子に配合して焼結原料とし、前記焼結原料を焼結機のパレットに装入して焼結する、炭材内装焼結鉱の製造方法。