JP7014127B2

JP7014127B2 - 焼結鉱の製造方法

Info

Publication number: JP7014127B2
Application number: JP2018199437A
Authority: JP
Inventors: 健太竹原; 哲也山本; 頌平藤原; 隆英樋口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: JP2020066766A

Description

本発明は、高炉用原料である焼結鉱の製造方法、特に造粒に供する焼結配合原料の粒子特性に着目した点に特徴を有する方法に関する。

焼結鉱は、通常、以下の工程により製造される。まず、複数種類の銘柄からなる粉鉄鉱石（一般に、－１０ｍｍ程度のシンターフィードと呼ばれているもの）に、石灰石や珪石、蛇紋岩等の副原料粉と、ダスト、スケール、返鉱等の雑原料粉と、粉コークス等の固体燃料とを適量ずつ配合して焼結配合原料を得る。次に、得られた焼結配合原料に水分を添加する。そして、水分を添加した焼結配合原料を混合－造粒して焼結用造粒原料を得る。次に、得られた焼結用造粒原料を焼結機に装入して焼成することによって、焼結鉱を得ている。その焼結配合原料は、一般に、水分を含むことで造粒時に互いに凝集して擬似粒子となる。そして、この擬似粒子化した焼結用造粒原料は、焼結機のパレット上に装入されたとき、焼結原料装入層の良好な通気を確保するのに役立ち、焼結反応を円滑に進める。

上述した焼結鉱の製造方法において、従来、造粒が困難な焼結原料を微粉化することで造粒性を向上させる種々の方法が提案されてきた。例えば、特許文献１では、焼結原料のうちの多孔質鉄鉱石を所定の粒度になるよう粉砕する焼結鉱の製造方法が開示されている。また、特許文献２では、粒度調整したペレットフィードを含む微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法が開示されている。さらに、特許文献３では、焼結原料を混練する際、所定の微粒子を添加して混練する焼結原料の事前処理方法が開示されている。さらにまた、特許文献４では、所定構成の竪型粉砕機によりペレットフィードを造粒した焼結原料の製造方法が開示されている。

特開２００７－１３８２４４号公報特開２０１３－３２５６８号公報特開２０１２－１６２７９６号公報国際公開第２０１３／０５４４７１号

しかしながら、これらの方法では、いずれも特定鉱石の処理のみで、特定鉱石以外の他の微粉化していない鉱石の性状を考慮できていなかった。そのため、そのような焼結配合原料を造粒した場合、その造粒性を適切に制御することができない問題があった。その結果、焼結配合原料を造粒して得た焼結用造粒原料を焼結機で焼結すると、焼結反応を円滑に進めることができず、得られた焼結鉱が十分な性能を発揮できない問題があった。

本発明の目的は、焼結配合原料の造粒に際し、微粉化した原料およびその他の媒体となる原料の包括的な造粒性評価指標を構築し、この造粒性評価指標を用いることで焼結配合原料の造粒性を改善し、その結果として十分な特性を示す焼結鉱とすることができる焼結鉱の製造方法を提案することにある。

前記の目的を実現するため、発明者らは、焼結配合原料中の付着粉となる微粉鉄鉱石（－０．５ｍｍ）の平均径および粒度分布の拡がりを考慮した粒度指標を用いることで、焼結配合原料自体の造粒性を評価することを考えることで、本発明の焼結鉱の製造方法を開発するに至った。そして、好適例として、この粒度指数指標から、微粉鉄鉱石中には－１μｍの微粉の割合が造粒性を左右することを見出し、とくに－１μｍの微粉割合が多い焼結配合原料を用いて、焼結配合原料の造粒性を改善する技術を開発した。

即ち、本発明は、複数種類の銘柄からなる鉄鉱石を含む焼結配合原料を造粒機にて造粒し、得られた焼結用造粒原料を焼結機にて焼成することにより焼結鉱を得る焼結鉱の製造方法において、
前記造粒機に入れる前記焼結配合原料として、粒径が０．５ｍｍ以下の部分の粒度指数（Ｉ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ）がＩ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ＞０．６を満たすことを特徴とする焼結鉱の製造方法：である。
なお、

である。

なお、前記のように構成される本発明に係る焼結鉱の製造方法においては、
（１）前記焼結配合原料として、前記粒径が０．５ｍｍ以下の部分の粒度指数がＩ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ＞０．８の範囲を満たすこと、
（２）前記焼結配合原料は、－１μｍのものが５～４０ｍａｓｓ％である微粉焼結配合原料を０．２５～６ｍａｓｓ％含むこと、
（３）前記焼結配合原料は、－１μｍのものが５～４０ｍａｓｓ％である前記微粉焼結配合原料として、水分が２０ｍａｓｓ％以上であるスラリーを用いること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

本発明に係る焼結鉱の製造方法によれば、焼結配合原料として、－０．５ｍｍの微粉鉄鉱石について粒度指数（Ｉ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ）を求め、求めた粒度指数がＩ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ＞０．６の範囲となるように制御した微粉鉄鉱石を用いることで、焼結配合原料中の微粉鉄鉱石の性状から、焼結配合原料の造粒性を評価することが可能となる。また、上述した粒度指標を用いることで焼結配合原料の造粒性を改善することが可能となる。

本発明の焼結鉱の製造方法における各工程の一例を説明するためのフローチャートである。本発明の試験で用いるせん断試験装置の構成を説明するための図である。せん断試験の結果を最大付着力と１／Ｄ_Ｐとの関係で示したグラフである。粒子間の付着力（σ）を説明するための図である。粒度指数（Ｉ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ）と付着力との関係を示すグラフである。通気性指数ＪＰＵの求め方を説明するための図である。

図１は、本発明の焼結鉱の製造方法における各工程の一例を説明するためのフローチャートである。図１に従って本発明の焼結鉱の製造方法の各工程を説明すると、まず、複数種類の銘柄からなる粉鉄鉱石について、これを０．５ｍｍの篩で篩って得られる－０．５ｍｍの微粉鉄鉱石を準備する（なお、明細書全体を通じて、－Ｘの微粉とはＸの篩で篩った微粉のことをいう）。この際、－０．５ｍｍの微粉鉄鉱石の粒度指数Ｉ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐを求め、求めた粒度指数がＩ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ＞０．６の範囲となるように制御する（ステップＳ１）。また、石灰石や珪石、蛇紋岩等の副原料粉、および、ダスト、スケール、返鉱等の雑原料粉、および、粉コークス等の固体燃料も準備する（ステップＳ２）。

なお、上記粒度指数を求めるために使用するＩ_ＳＰおよびＤ_Ｐは、「福武ら；鉄と鋼、57(1971)、p.1627-1634」で開示されたもので、

から求めることができる。

次に、ステップＳ１で準備した微粉鉄鉱石に、ステップＳ２で準備した副原料粉と、雑源流粉と、固体燃料を適量ずつ配合して焼結配合原料を得る（ステップＳ３）。次に、得られた焼結配合原料に、必要に応じて水分を添加してなる焼結配合原料を混合し、造粒して（ステップＳ４）、焼結用造粒原料を得る（ステップＳ５）。次に、得られた焼結用造粒原料を焼結機に装入して焼成することによって（ステップＳ６）、焼結鉱を得ている（ステップＳ７）。

上述した本発明の焼結鉱の製造方法の各工程のうち、ステップＳ１～Ｓ３の「焼結配合原料中の０．５ｍｍの篩で篩った－０．５ｍｍの微粉鉄鉱石の粒度指数（Ｉ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ）を求め、求めた粒度指数がＩ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ＞０．６の範囲となるように制御した微粉鉄鉱石を含む焼結配合原料を用いる」ことで、焼結配合原料中の微粉鉄鉱石の性状から、焼結配合原料の造粒性を評価することが可能となる。また、上述した粒度指標を用いることで焼結配合原料の造粒性を改善することが可能となる。

実際に以下の試験１～試験３を行い、本発明の焼結鉱の製造方法に必須の構成、および、好適な構成を検討した。

＜試験１＞
（微粉鉄鉱石の組み合わせと付着力との関係について）
粉粒状鉄鉱石などの造粒現象は、微粉鉄鉱石が核粒子表面に逐次的に付着していく現象である。そのため、造粒性には微粉鉄鉱石の付着力が重要である。そこで、造粒に影響を及ぼす付着力を測定するため、図２に示すせん断試験装置を用いて、せん断試験を行った。図２に示すせん断試験装置において、１は固定金型、２は可動金型、３はピストン、４はプルゲージである。

具体的に、このせん断試験では、まず、０．５ｍｍの篩で篩った－０．５ｍｍの微粉鉄鉱石５を固定金型１と可動金型２を合わせた容器（直径４３ｍｍ）内に装入し、上部のピストン３により、２００ｋｇｆで圧縮した。その後、ピストン３への垂直応力を低下させながら、可動金型２をプルゲージ４で水平方向に引っ張ることで、垂直応力に応じたせん断応力を測定した。ここで、付着力は、垂直応力が０ｋｇｆになったときの、せん断応力を付着力とした。この際、水分により、付着力は変化するため、水分を１％ずつ変更し、その中で最大の付着力を造粒の際の適正な微粉鉄鉱石の付着力と考え、この値を本発明でのサンプルの付着力とした。

せん断試験では、以下の表１に示すような成分の鉄鉱石から成るサンプルを用いて測定を行った。また、ＯｒｅＡ、ＯｒｅＢに関しては、ＯｒｅＣ、Ｄ、Ｅと５０ｍａｓｓ％：５０ｍａｓｓ％で混合を行い、その後付着力の測定を行った。従来、粉体の付着性は粒径が小さいほど大きくなると考えられており、本検討では粒径に反比例するとして評価をおこなった。せん断試験の結果を、以下の表２および表３に示す。

表２のせん断試験の結果から、微粉鉄鉱石を組合せていない場合に比べ、組み合わせた場合の方が、粒径に対する付着力の増加が大きいことが分かった。Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ５と比べＣａｓｅ１２の方が大きくなっており、付着力の単純な加重平均ではないことが分かった。また、付着力が６ｋＰａの部分までは、微粉鉄鉱石を組合せていない場合に比べ、組み合わせた場合、両者ともに同様の傾向を示すが、６ｋＰａ以降に大きな差が生じることが分かった。なお、表２に示すせん断試験の結果から、最大付着力と１／Ｄ_Ｐとの関係を図３に示す。

（粒度分布について）
次に、発明者らは、Ｃａｓｅ１ならびにＣａｓｅ５と、これらを５０：５０で混合したＣａｓｅ１２との間の、付着力と粒径との相関の差異を解明すべく鋭意調査した。まず、「S.M. Iveson et al., Powder Tech., 127(2002), 149」によると、粒子間の付着力（σ）は図４に示すようにして求められる。図４から分かるように、付着力は造粒物の空隙率(ε)の影響を受け、空隙率は粗大粒の間隙に微細粒が入り込む事により低下する事に着目し、粒度分布を比較調査した。

微粉鉄鉱石の粒度については、－０．５ｍｍ（－５００μｍ）のサンプルをレーザー回折・分散型の粒度分布計を用いて測定し、各５００～２５０μｍ、２５０～１２５μｍ、１２５～６３μｍ、６３～３１μｍ、３１～１５μｍ、１５－１０μｍ、１０～１μｍ、－１μｍの体積割合を求め、頻度分布を測定した。また平均径ついては、調和平均径を用い、その際の代表径としては各篩目の相乗平均を用い（大きい篩目から、３５４μｍ、１７７μｍ、８９μｍ、４３μｍ、２１μｍ、１２μｍ、３μｍ）、－１μｍについては０．５μｍの篩目を用いた。調和平均を用いた理由としては、付着性は粉体の粒子間の接触点数が重要であると考えられており、また接触点数は粉体の比表面積が多き程増える。調和平均径は、粒子の比表面積の影響を受けやすい評価法であるため、この平均を用いた。

表２に示したサンプルと同じサンプルについて、各粒度範囲における体積割合による粒度分布を求めた。結果を以下の表３に示す。

表３の結果から、単一の銘柄からなるＣａｓｅ１ならびにＣａｓｅ５について、Ｃａｓｅ１は、最大のピークが５００－２５０μｍにあり次いで低いピークが１０μｍ付近にあり、Ｃａｓｅ５は、最大のピークが３１－１５μｍにあり次いで低いピークが１０－１μｍにあり、いずれもピークの数は２以下であり、最大のピークと次大のピークの大きさの間には３：２以上の較差があった。一方、Ｃａｓｅ１とＣａｓｅ５とを５０：５０で混合したＣａｓｅ１２は、最大のピークが５００－２５０μｍにあり次いで同等の大きさのピークが３１－１５μｍにあり更にその８０％以上の大きさのピークが１０－１μｍにあり、ほぼ同等の大きさのピークが２つ有ると同時に第３のピークが存在することから、分布の形態はＣａｓｅ１ともＣａｓｅ５とも異なるものであった。つまり、Ｃａｓｅ１２はＣａｓｅ１ならびにＣａｓｅ５に比べて粒径分布が幅広く、粗大粒の間隙に微細粒が充填されて空隙率が低下し易い粒度構成と考えられた。こうして発明者らは、Ｃａｓｅ１２の付着力がＣａｓｅ１ならびにＣａｓｅ５よりも有意に強い事は、その空隙率の低さが付着力へ強く影響したものであることを解明した。

（本発明の粒度指数について）
そこで、発明者らは空隙率が付着力に及ぼす影響を定式化すべく鋭意検討した。従来の技術では、組み合わせる鉱石の粒度分布から粉体の空隙率を求めることは困難であった。しかしながら、発明者らは、高炉で報告がある粒度分布の拡がりを表すＩ_ＳＰを評価することで、空隙率の影響を考慮した。Ｉ_ＳＰは、「福武ら；鉄と鋼、57(1971)、p.1627-1634」で開示されたもので、Ｄ_Ｐ＝１／Σ（ｗ_ｉ／ｄ_ｉ）、ここでｗ_ｉ：粒子割合、ｄ_ｉ：粒径、Ｉ_Ｓ＝Ｄ_Ｐ ^２Σｗ_ｉ（１／ｄ_ｉ－１／Ｄ_Ｐ）^２、Ｉ_Ｐ＝（１／Ｄ_Ｐ）^２Σｗ_ｉ（ｄ

ここで、Ｉ_Ｓは粒径の逆数、即ち比表面積のばらつきを反映する指数であり、粒径ｄ_ｉの小さな範囲のばらつきに強く影響され、Ｉ_Ｐは粒径のばらつきを反映する指数であり、粒径の大きな範囲のばらつきに強く影響される。Ｉ_ＳとＩ_Ｐの相乗平均であるところのＩ_ＳＰは、粒径の小さな範囲のばらつきと粒径の大きな範囲のばらつきの双方を反映する指数であり、粒径の分布の幅広さが寄与する空隙率の指針として好適と考えられた。

発明者らは、Ｉ_ＳＰが大きいほど最大付着力が上昇する傾向が有ることを見出し、その影響の定式化を図った。図４の式より付着力は粒径に反比例することを利用して、[最大付着力×粒径の調和平均Ｄ_Ｐ]とＩ_ＳＰの関係を統計的に調査した。その結果、最大付着力がＩ_ＳＰの０．３乗と良好な直線関係を示すことを見出した。こうして、発明者らは、Ｉ_ＳＰの影響係数を精査した結果、従来の評価に用いていたＤ_ＰでＩ_ＳＰの０．３乗を除することにより、０．５ｍｍ以下の粒子の分布においてピークが複数であった分布がブロードな銘柄やそれらの混合物においても、最大付着力を統一的に評価可能である事を見出した。以下に発明者らが開発した、様々な粒度構成において最大付着力を統一的に評価できる粒度指数の式を示す。
粒度指数＝Ｉ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ

上記表３に記載の粒度指数（Ｉ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ）と付着力との関係を図５に示す。図５の結果から、微粉鉄鉱石を組み合わせた際に付着力６ｋＰａ以降に大きな差が生じることが分かる。このような微粉鉄鉱石の組み合せにより、粒度分布適正化する効果は６ｋＰａ以上で発現すると考えられるため、微粉鉄鉱石配合時、焼結配合原料中－０．５ｍｍの粒度指数を０．６以上にする必要があることが分かる。好ましくは、粒度指数を０．８以上にすると良い。

＜試験２＞
（－１μｍの微粉の影響について）
試験１を通して、粒度分布の拡がりを生むためには、－１μｍの粒度の影響が大きいと想到した。そこで、－１μｍを多く含む原料を微粉鉄鉱石に添加した試験を行った。媒体の微粉鉄鉱石としては付着性が大きくないＯｒｅＢを用い、ＯｒｅＢに対し製鉄所で発生するダストＦおよびボールミルを用いて粉砕したＯｒｅＣの各々を所定量添加した。結果を以下の表４に示す。

この結果、混合原料の粒度指数を０．３以上にすることで、付着力が改善可能であることがわかった。そのため、－１μｍの微粉を３５．２ｍａｓｓ％含むダストＦ、または－１μｍの微粉を５．８ｍａｓｓ％含む破砕したＯｒｅＣを０．５～５ｍａｓｓ％含む焼結配合原料を用いて粒度指数を向上させることで、付着力の改善が可能であることがわかった。

＜試験３＞
（微粉への水分添加について）
－１μｍの割合が多い微粉の添加効果を検証する造粒、原料層の通気性試験を行った。

以下の表５に示す配合原料のうち、ダストＦ以外をコンクリートミキサーで３分間混合し、その後、水分が７．５％になるように水とダストを添加してドラムミキサーで造粒を行ない、さらに、得られた造粒粒子を直径１５０ｍｍ、高さ３８０ｍｍの円筒容器に入れ、負圧７００ｍｍａｑで通気性を示すＪＰＵを評価した。図６に通気性指数ＪＰＵの求め方を説明する。また、表５に示すように、ダストＦについては、原料水分の影響を評価するため、ダストの水分を２０％～８０％に調整したものを用意した。Ｃａｓｅ２－３では４０％のものを、Ｃａｓｅ４では２０％のものを、Ｃａｓｅ５では８０％ものを添加した。通気性指数ＪＰＵの結果を以下の表６に示す。

この結果、－１μｍの微粉割合が多いダストＦを添加することで、造粒性は改善し、原料層の通気性が改善した。また、添加する際の水分が低い場合、通気の改善幅が少なく、これは、水分が低い場合、-1μｍの微粉の流動性が低く分散しないが、高水分にすることで流動性が改善するためであると考えられる。

本発明に係る焼結鉱の製造方法によれば、微粉化した原料およびその他の媒体となる原料の包括的な造粒性評価指標を構築し、この造粒性評価指標を用いることで焼結配合原料の造粒性を改善でき、この製造方法は例示のものの他、種々の焼結配合原料に対しても適用することが可能である。

１固定金型
２可動金型
３ピストン
４プルゲージ
５微粉鉄鉱石

Claims

複数種類の銘柄からなる鉄鉱石を含む焼結配合原料を造粒機にて造粒し、得られた焼結用造粒原料を焼結機にて焼成することにより焼結鉱を得る焼結鉱の製造方法において、
前記造粒機に入れる前記焼結配合原料として、粒径が０．５ｍｍ以下の鉄鉱石または鉄鉱石とダストとの混合物の粒度指数（Ｉ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ）がＩ_ＳＰ ^０．３／Ｄ_Ｐ＞０．８を満たすことを特徴とする焼結鉱の製造方法：
なお、

である。
前記焼結配合原料は、－１μｍのものが５～４０ｍａｓｓ％である微粉焼結配合原料を０．５～５ｍａｓｓ％含むことを特徴とする、請求項１に記載の焼結鉱の製造方法。
前記焼結配合原料は、－１μｍのものが５～４０ｍａｓｓ％である前記微粉焼結配合原料として、水分が２０ｍａｓｓ％以上であるスラリーを用いることを特徴とする、請求項２に記載の焼結鉱の製造方法。