JP7111284B1 - 塊成鉱の評価方法および塊成鉱 - Google Patents

Abstract

高水素濃度で還元した場合の送風顕熱による熱補償を考慮した還元鉄のクラスタリングを評価できる塊成鉱の評価方法を提供する。塊成鉱を１０００℃以上１２００℃以下で所定の加重を加えながら還元させて還元後凝集物を作製し、回転試験機を用いて前記還元後凝集物を回転処理し、下記（１）式で算出される前記還元後凝集物のクラスター強度ＣＳを測定し、クラスター強度ＣＳを用いて塊成鉱のクラスタリング性を評価する。ＣＳ＝（Ｗ’／Ｗ）×１００・・・（１）ここで、ＣＳはクラスター強度（質量％）であり、Ｗは前記塊成鉱の最大粒径以上となる還元後凝集物の質量（ｇ）であり、Ｗ’は前記塊成鉱の最大粒径以上となる前記回転試験機で回転処理後の還元後凝集物の質量（ｇ）である。

Description

本発明は、塊成鉱のクラスタリングを評価する塊成鉱の評価方法および塊成鉱に関する。

ＣＯ_２の増加による地球温暖化が、国際的な問題として大きく取り上げられており、その排出量を削減することが全世界的な課題となっている。世界の粗鋼生産約１９億トンの内、約１４億トンが、高炉－転炉法により生産されている。高炉－転炉法では、石炭を使用するため、２ｔ－ＣＯ_２／ｔ－Ｆｅと大量のＣＯ_２を排出する。残りの約５億トンが、高炉－転炉法以外の方法である直接還元プロセスにより生産されている。直接還元プロセスのうち６０％以上を占めるＭＩＤＲＥＸ（登録商標）に代表されるシャフト炉固体還元＋電炉法であれば、１．１～１．２ｔ－ＣＯ_２／ｔ－Ｆｅ程度までＣＯ_２排出量を削減できる。製鉄業からのＣＯ_２排出量を減らすためには高炉－転炉法から直接還元プロセスへシフトし、さらには水素による還元割合を増やしていくことが必要である。

直接還元プロセスで使用される原料は、高炉－転炉法に比べて鉄品位が高くなる傾向にある。特に、シャフト炉による還元では、炉内の通気性を確保するため、粒度の揃ったペレットが原料として使用される。還元が進行し原料が炉内を降下してくると、シャフト炉下部の羽口前の高温部に堆積した原料からの荷重を受けて、還元鉄粒子どうしが固着するクラスタリングが発生することが知られている。クラスタリングが発生すると、還元鉄をシャフト炉から排出できなくなり問題である。クラスタリングを防ぐためには、シャフト炉へ装入する原料性状の管理が重要となる。

従来、非特許文献1に記載のＭＩＤＲＥＸ ｈｏｔ ｌｏａｄ ｔｅｓｔにて、塊成化原料が還元時にどの程度固着するか評価が行われている。非特許文献１によれば、２０００ｇの試料を炉内に充填し、８５０℃の等温環境下４５％Ｈ_２＋３０％ＣＯ＋１５％ＣＯ_２＋１０％Ｎ_２組成の気流４０Ｌ／ｍｉｎ中で、還元率９５％まで還元させている。還元開始６０分後に１４７ｋＰａの荷重を試料の充填層表面にかける。冷却後還元生成したクラスターを１ｍのタンブラー試験機で１０回転させた後、＋２５ｍｍ粒子をクラスターと定義してその割合をクラスター指標として評価している。

L. Lu, J. Pan, D. Zhu 「Quality requirements of iron ore for iron production」 Iron Ore, Elsevier Ltd, p.475-504 金子伝太郎、外２名、「酸化鉄の還元過程におけるクラスター生成現象に関する研究」、鉄と鋼、第６４年(１９７８)、第６号、ｐ．６８１－６９０

非特許文献１に記載のクラスター評価方法では、ガス中にＣＯやＣＯ_２が入っているため、純水素中で還元した時の装入物の凝集性については十分に評価できていない。水素による還元反応の高速化により還元が早期に完了し、金属鉄が増えることで炉内充填物のクラスタリングが激しくなる場合に、その解砕性を評価できない可能性がある。ガス成分にＣＯやＣＯ_２が入っていると還元鉄への浸炭が発生しクラスタリングしづらくなるため（非特許文献２のＦｉｇ６）、従来の評価法ではクラスタリングが抑制されてしまい、水素還元シャフト炉内のクラスタリング現象を正しく評価できない可能性がある。

また、酸化鉄の還元で、ＣＯ還元は発熱反応であるのに対してＨ_２還元は吸熱反応であるため、ＣＯ還元を減らしてＨ_２還元の割合を増やすと系内への熱補償が必要となる。この熱補償の方法として、送風温度と送風流量を上げることが考えられる。この場合には、羽口前には還元の完了した粒子が存在し、粒子温度が送風ガス温度近くまで上昇した粒子が存在すると考えられる。したがって、従来法の９５％還元時点では、水素還元時に熱の吸収があり粒子温度が低下することと、試験温度が８５０℃と低いことからクラスタリングしづらくなる。このため、従来の評価方法では、Ｈ_２還元の割合が高く送風顕熱で熱補償を行った場合の水素還元シャフト炉内のクラスタリングを正しく評価できない可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高水素濃度で還元した場合の送風顕熱による熱補償を考慮した還元鉄のクラスタリングを評価できる塊成鉱の評価方法を提供するとともに、その評価方法に基づく塊成鉱を提供することにある。

本発明は、塊成鉱を１０００℃以上１２００℃以下で所定の加重を加えながら還元させて還元後凝集物を作製し、回転試験機を用いて前記還元後凝集物を回転処理し、下記（１）式で算出される前記還元後凝集物のクラスター強度ＣＳを測定し、前記クラスター強度ＣＳを用いて前記塊成鉱のクラスタリング性を評価することを特徴とする、塊成鉱の評価方法である。
ＣＳ＝（Ｗ’／Ｗ）×１００・・・（１）
ここで、ＣＳはクラスター強度（質量％）であり、Ｗは前記塊成鉱の最大粒径以上となる還元後凝集物の質量（ｇ）であり、Ｗ’は前記塊成鉱の最大粒径以上となる前記回転試験機で回転処理後の還元後凝集物の質量（ｇ）である。

なお、前記のように構成される本発明に係る塊成鉱の評価方法においては、
（１）Ｃ原子を有する化合物を含まない還元ガスを用いて、前記還元後凝集物を作製すること、
（２）Ｈ_２を７０体積％以上含む還元ガスを用いて、前記還元後凝集物を作製すること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

また、本発明は、上述した塊成鉱の評価方法において、１０００℃で還元された前記還元後凝集物と、前記還元後凝集物を３０ｒｐｍで３０回転させた前記回転処理後の還元後凝集物と、を用いて測定されるクラスター強度ＣＳ_３０が０質量％であることを特徴とする、塊成鉱である。

なお、前記のように構成される本発明に係る塊成鉱においては、
（１）粒径が８ｍｍ以上であること、
（２）トータルＦｅが６４．５質量％以下であること、
（３）下記（２）式を満足すること、
Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２≧３．５質量％・・・（２）
ここで、Ａｌ_２Ｏ_３は塊成鉱におけるＡｌ_２Ｏ_３の成分濃度（質量％）であり、ＳｉＯ_２は塊成鉱におけるＳｉＯ_２の成分濃度（質量％）である。
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

上述したように構成される本発明によれば、従来よりも高温でクラスタリング評価を行うので、水素還元における送風顕熱による熱補償を考慮して塊成鉱のクラスタリングを評価できる塊成鉱の評価方法を得ることができる。これにより、シャフト炉内のクラスタリングを正しく評価でき、本発明の評価方法に基づき良好な特性の塊成鉱を得ることができる。

実施例１～６および比較例１のクラスター強度ＣＳ_０（質量％）とＣＳ_３０（質量％）とを示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

＜本実施形態の塊成鉱の評価方法について＞
本実施形態の塊成鉱の評価方法について、具体的な評価方法を以下に説明する。
まず、塊成化した製鉄原料（塊成鉱）５００ｇ±５ｇをふるいにかけ粒度分布を測定し、塊成鉱の最大粒径を決定する。次に、塊成鉱をＮ_２雰囲気において１０００℃（この温度は１０００℃～１２００℃の所定の温度であり、ここでは１０００℃とする）まで５℃／ｍｉｎで昇温する。その際、１０００℃到達時に１ｋｇ／ｃｍ^２の荷重がかかるように徐々に負荷をかける。次に、１０００℃で１ｋｇ／ｃｍ^２の荷重をかけたままＮ_２－２０体積％Ｈ_２にガスを切り替え、このガスを２４Ｌ／ｍｉｎの流量で流して３時間保持する。次に、Ｎ_２雰囲気に切り替えて室温まで冷却する。このようにして還元後凝集物を作製する。

次に、還元前の塊成鉱の最大粒径の篩目の篩を用い還元後凝集物を篩い、篩上の還元後凝集物と篩下の還元後凝集物との秤量を行う。このとき、篩上の還元後凝集物の質量をＷ（ｇ）とする。次に、篩上の還元後凝集物をＩ型回転試験機（１３２ｍｍφ×７００ｍｍ）に供し、３０ｒｐｍで３０回転させる。次に、取り出した還元後凝集物を同じ篩にかけて、篩上の還元後凝集物と篩下の還元後凝集物との秤量を行う。このとき、篩上の還元後凝集物の質量をＷ’_３０（ｇ）とする。その後、得られたＷとＷ’_３０とを用い、以下の（３）式からクラスター強度ＣＳ_３０（質量％）を測定する。
ＣＳ_３０＝（Ｗ’_３０／Ｗ）×１００・・・（３）

Ｉ型回転試験機の回転数および回転回数は、還元に用いるシャフト炉で焼成鉱に加えられる衝撃に対応させて適宜調整してよい。当該衝撃に対応させた回転数および回数回数で処理した場合のクラスター強度をＣＳとすると、上記ＷとＩ型回転試験機で回転処理した後の篩上の還元後凝集物の質量Ｗ’とを用い、以下の（１）式からクラスター強度ＣＳ（質量％）を測定できる。
ＣＳ＝（Ｗ’／Ｗ）×１００・・・（１）
このように、１０００℃以上１２００℃以下で還元後凝集物を作製することで、送風顕熱による熱補償を実施しながら水素還元を行った場合のクラスタリングを正しく評価できる。

上述したように、ガス成分にＣＯやＣＯ_２、メタンなどＣ原子を有する化合物が入っていると還元鉄への浸炭が発生しクラスタリングしづらくなる。このため、Ｃ原子を有する化合物のガス濃度が低く、Ｈ_２濃度を高めた還元ガスを用いた還元におけるクラスタリングの評価が正しく行えない場合がある。これに対し、本実施形態では、Ｎ_２－２０体積％Ｈ_２ガスであってＣ原子を有する化合物を含有しない還元ガスを用いてクラスタリングを評価する。これにより、Ｃ原子を有する化合物を含有しない還元ガスを用いた場合のクラスタリングを正しく評価できる。さらに、このような還元ガスを用いることで、従来よりも使用するガス種が少なく簡便に評価できる。以上の観点から、本実施形態の塊成鉱の評価方法では、Ｃ原子を有する化合物を含まない還元ガスを用いて、還元後凝集物を作製することが好ましい。さらに、Ｈ_２を７０体積％以上含む還元ガスを用いて還元後凝集物を作製することが好ましい。これにより、Ｈ_２濃度を７０体積％以上に高めた還元ガスを用いた塊成鉱の還元を模擬でき、当該還元におけるクラスタリングを評価できる。

＜本実施形態の塊成鉱について＞
本実施形態の塊成鉱は、上述した本発明に係る塊成鉱の評価方法で測定されるクラスター強度ＣＳ_３０が０質量％であることを特徴とする。クラスター強度ＣＳ_３０が０質量％であれば、塊成鉱の高温での解砕性が良好であることがわかる。そのため、この塊成鉱を用いてシャフト炉などで還元鉄を製造すれば、Ｈ_２濃度を高めた還元ガスを用いても、クラスタリングを好適に抑制できる。

なお、本実施形態の塊成鉱において、塊成鉱の粒径は８ｍｍ以上であることが好ましい。粒径を８ｍｍ以上とすることで、粒子間の接触面積を小さくできるので、クラスタリングをより抑制できる。ここで、粒径８ｍｍ以上とは目開き８ｍｍの篩で篩上となる塊成鉱の粒径である。また、塊成鉱のトータルＦｅは６４．５質量％以下であることが好ましい。ここでトータルＦｅとは、金属ＦｅならびにＦｅ化合物（酸化鉄、カルシウムフェライト、硫化鉄など）に含まれるＦｅの成分濃度（質量％）である。トータルＦｅが６４．５質量％以下の製鉄原料を用いることでクラスタリングをより抑制できる。さらに、塊成鉱が、以下の（２）式を満たすことが好ましい。
Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２≧３．５質量％・・・（２）
ここで、Ａｌ_２Ｏ_３は塊成鉱におけるＡｌ_２Ｏ_３の成分濃度（質量％）であり、ＳｉＯ_２は塊成鉱におけるＳｉＯ_２の成分濃度（質量％）である。

クラスタリングは金属鉄同士が固相接合することで発生する。塊成鉱に含まれるＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２といった脈石分の成分濃度が増えると、還元鉄粒子表面の鉄濃度が低下するので金属鉄同士の固相接合が抑制され、これによりクラスタリングが抑制される。このように、Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２≧３．５質量％を満足する脈石分を多く含む塊成鉱は、Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２＜３．５質量％となる従来の塊成鉱よりもクラスタリングが抑制されるので、当該塊成鉱を水素還元鉄の製造に用いることが好ましい。

以下に、発明の実施例について詳細に説明する。
上述した塊成鉱の評価方法に従って実施例１～６の塊成鉱および比較例１のペレットのクラスタリングを評価した。実施例１～６の塊成鉱および比較例１のペレットの焼成温度および成分組成を下記表１に示す。なお、比較例１としては、従来より用いられている原料から作製されたペレットを用いた。

クラスタリングの評価として評価前のクラスター強度ＣＳ_０と３０回転後のクラスター強度ＣＳ_３０とを求めた。ＣＳ_０は回転処理前なので１００．０質量％になる。評価結果を下記表２および図１に示す。また、還元温度および還元ガス組成を以下の表２に示す。

図１および表２に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２≧３．５質量％を満足する実施例１～６の塊成鉱はいずれもクラスター強度ＣＳ_３０が０質量％となり、クラスター強度ＣＳ_３０が５７．０質量％と高い比較例１と比べて、解砕性が良好であることがわかった。この結果から、Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２≧３．５質量％を満足する実施例１～６の塊成鉱は、クラスタリングが抑制できる塊成鉱であるといえ、当該塊成鉱をシャフト炉を用いた水素還元用に用いることが好ましいことが確認された。

本発明の塊成鉱の評価方法によれば、従来よりも高温でのクラスタリングを評価するので、水素還元における送風顕熱による熱補償を考慮して塊成鉱のクラスタリングを評価でき、産業上有用である。また、これにより、シャフト炉内のクラスタリングを正しく評価でき、本発明の評価方法に基づき良好な特性の塊成鉱を得ることができる点でも産業上有用である。

Claims (7)

1. 塊成鉱を１０００℃以上１２００℃以下で所定の加重を加えながら還元させて還元後凝集物を作製し、回転試験機を用いて前記還元後凝集物を回転処理し、下記（１）式で算出される前記還元後凝集物のクラスター強度ＣＳを測定し、前記クラスター強度ＣＳを用いて前記塊成鉱のクラスタリング性を評価することを特徴とする、塊成鉱の評価方法。
   ＣＳ＝（Ｗ’／Ｗ）×１００・・・（１）
   ここで、ＣＳはクラスター強度（質量％）であり、Ｗは前記塊成鉱の最大粒径以上となる還元後凝集物の質量（ｇ）であり、Ｗ’は前記塊成鉱の最大粒径以上となる前記回転試験機で回転処理後の還元後凝集物の質量（ｇ）である。
2. Ｃ原子を有する化合物を含まない還元ガスを用いて、前記還元後凝集物を作製することを特徴とする、請求項１に記載の塊成鉱の評価方法。
3. Ｈ_２を７０体積％以上含む還元ガスを用いて、前記還元後凝集物を作製することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の塊成鉱の評価方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の塊成鉱の評価方法において、１０００℃で還元された前記還元後凝集物と、前記還元後凝集物を３０ｒｐｍで３０回転させた前記回転処理後の還元後凝集物と、を用いて測定されるクラスター強度ＣＳ_３０が０質量％であることを特徴とする、塊成鉱。
5. 粒径が８ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項４に記載の塊成鉱。
6. トータルＦｅが６４．５質量％以下であることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の塊成鉱。
7. 下記（２）式を満足することを特徴とする、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の塊成鉱。
   Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２≧３．５質量％・・・（２）
   ここで、Ａｌ_２Ｏ_３は塊成鉱におけるＡｌ_２Ｏ_３の成分濃度（質量％）であり、ＳｉＯ_２は塊成鉱におけるＳｉＯ_２の成分濃度（質量％）である。
   
   

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