JP7180406B2 - 焼結鉱の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼結鉱の製造方法に関する。

現在、日本の高炉用原料は、主に焼結鉱である。焼結鉱は、主原料である鉄鉱石等の含鉄原料粉、副原料、炭材および返鉱が配合されて作られる。

焼結鉱は、通常、次のように製造される。まず、主原料である鉄鉱石等の含鉄原料粉に対し、副原料、炭材および返鉱を所定の割合で混合し、さらに混合物に適当な水分を加えて造粒して配合原料（以下、焼結原料ともいう）とする。

次に、この焼結原料を、下方吸引式のドワイトロイド（ＤＬ）式焼結機（以下、焼結機ともいう）に装入する。具体的には、焼結原料は、焼結機直上のホッパより原料切出装置により定量が切出され、装入シュートを介してパレット上に装入、載置されて原料充填層を形成する。形成された原料充填層中の上層（表層）の炭材に、点火炉によって点火する。そして、パレットを連続的に移動させながらパレットの下方から空気を吸引することにより酸素を供給し、原料充填層内の炭材の燃焼を上層から下層に向けて進行させる。炭材の燃焼熱により、原料充填層を上層側から下層側に順次焼結させる。得られた焼結部（シンターケーキ）は、所定の粒度に粉砕、篩分けにより整粒され、一定の粒径以上のものが高炉用原料である焼結鉱となる。なお、一定粒径未満のもの（通常は－５ｍｍ）は、返鉱として回収され、焼結原料の一部として再使用される。

ここで、焼結原料は、装入シュートの傾斜面を介してパレット上に装入される。そのため、装入された焼結原料はパレット上に載置される際に斜面を形成し、この斜面において転動分級作用が起こる。この転動分級作用により、原料充填層の層厚（層高）方向に粒度偏析が起き、焼結原料は粒度が小さいものが原料充填層の上層側に、粒度が大きいものが原料充填層の下層側に装入されやすくなる。

また、下方吸引式の焼結機による焼結過程においては、下方から空気を吸引するため、原料充填層の層厚方向により、原料が受ける熱量が異なる。上層側では、吸引される低温の空気により熱量が不足しがちであるのに対し、下層側では、上層側での燃焼の余熱により熱量過剰となる。

このような層厚方向における焼結原料の粒度偏析および層厚方向における受ける熱量の違いによって、層厚方向に主原料である鉄鉱石の融液の量の偏りが生じ、層厚方向で焼成される焼結鉱の歩留や品質が異なってくる。その結果、全体としての歩留が低下してしまうことがあるが、それを防ぐために、焼結原料の層厚方向の分布や融点を左右する成分の濃度を制御する技術が開示されている。

例えば、造粒前の焼結原料に含まれる炭材の粒径を調整したり（特許文献１）、ＭｇＯ含有鉱物の粒度を調整したり（特許文献２）して、焼結鉱の歩留を向上させる技術が開示されている。

特許文献１には、炭材の平均粒径ｄ_Ｃと鉱石の平均粒径ｄ_Ｏとの比ｄ_Ｃ／ｄ_Ｏを適正範囲内に制御することで、焼結充填層内の高さ方向の炭材濃度分布を適正に維持して、焼結鉱の歩留および生産性を悪化させることなく、安定して焼結鉱を製造できるようにする技術が開示されている。

特許文献２には、焼結機に所定の篩目を有するスローピングシュートを設け、更に、ＭｇＯ含有鉱物の粒度を調整して、その他の焼結原料と共に焼結パレット上に装入することにより焼結パレット上層部の焼結鉱のＭｇＯ平均濃度を１ｗｔ％以下として、焼結鉱の成品強度、成品歩留、生産効率、及びコークス原単位の改善を図る技術が開示されている。

特開２００９－１８５３５６号公報 特開平０８－６０２６１号公報

上記の特許文献１に記載された技術では、炭材の平均粒径と鉱石の平均粒径との比に関する適正範囲が、また、上記の特許文献２に記載された技術では、ＭｇＯ含有鉱物の粒度を調整することが示されている。しかしながら、炭材とＭｇＯ含有副原料（橄欖岩、Niスラグなど）という二つの原料の粒度を調整することにより、焼結鉱の歩留向上を可能とする焼結鉱の製造方法については、これまで提案されていなかった。

本発明の目的は、配合原料を造粒処理して下方吸引式焼結機のパレットに装入し、焼成する焼結鉱の製造方法において、歩留の向上を可能とする焼結鉱の製造方法を提供することである。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）鉄鉱石、ＣａＯ含有副原料、ＭｇＯ含有副原料、炭材および返鉱を配合した焼結原料を造粒処理して下方吸引式焼結機のパレットに装入し、焼成する焼結鉱の製造方法において、
前記炭材の平均粒径（ＭＳc）は２．０ｍｍを超え２．８ｍｍ以下であり、
前記ＭｇＯ含有副原料の平均粒径（ＭＳm）と前記炭材の平均粒径（ＭＳc）の比率が、０．９≦ＭＳm／ＭＳc≦１．８であること
を特徴とする焼結鉱の製造方法。
（２）前記ＭｇＯ含有副原料は、橄欖岩であること
を特徴とする（１）に記載の焼結鉱の製造方法。
（３）前記ＭｇＯ含有副原料は、ニッケルスラグであること
を特徴とする（１）に記載の焼結鉱の製造方法。

本発明によれば、炭材とＭｇＯ含有副原料の粒度を調整することにより、粒度偏析を制御して歩留を向上することができる。

本実験において使用した篩分け装置を模式的に示す図である。 コークスの平均粒径（ＭＳc）と成品歩留との関係を示す図である。 コークスの平均粒径（ＭＳc）と橄欖岩の平均粒径（ＭＳm）との関係を示す図である。

以下に課題を解決した経緯について詳細に説明する。
焼結鉱は、主原料である鉄鉱石等の含鉄原料粉、副原料、炭材および返鉱が配合されて作られる。鉄鉱石は、焼結原料の約７０質量％以上８５質量％以下を占め、１０ｍｍ以下の粒度範囲のものが使用されている。通常は５種類から１０種類の鉄鉱石銘柄が混合され、その配合割合に応じて、鉄鉱石の平均粒径は１．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の範囲とされている。

炭材は、通常使用されるコークスや無煙炭の他、石炭チャーなど、融液生成の熱源となる炭素成分（フリーカーボン）を主体とする材料である。焼結過程において、炭材は、原料充填層内の鉄鉱石の周囲に融液を生成させる熱源となる。副原料は、石灰石、生石灰などのＣａＯ含有副原料、橄欖岩、ニッケルスラグなどのＭｇＯ含有副原料である。ＭｇＯ含有副原料である橄欖岩とニッケルスラグは、表１に示すように、加熱後の化学成分がいずれもＭｇＯとＳｉＯ_２とを主体とする原料であるため、同様の性質を示す。

ＭｇＯ含有副原料に含まれるＭｇＯは、融点を上昇させ融液の生成量を減少させることが知られている。そのため、焼結原料の融液生成（焼結）反応において、ＭｇＯの含有量および炭材の含有量は、融液の発生量、すなわち、焼成される焼結鉱の強度を左右し、歩留に直結する重要な要素となっている。また、層厚方向における焼結原料の粒度偏析は、焼結原料である炭材やＭｇＯ含有副原料についても同様であり、粒度の粗いものが下層に、粒度の細かいものが上層に偏ることが知られている。

本発明者は、上述のような炭材とＭｇＯ含有副原料の粒度偏析、すなわち、粒度によって層厚方向の賦存量がそれぞれ変化することに着目した。炭材の粒度（ＭＳc）とＭｇＯ含有副原料の粒度（ＭＳm）との両方を調整することにより、融液を生成させる熱源であるフリーカーボンと、融点を上昇させて融液の生成量を減少させるＭｇＯとの両成分の層厚方向における偏析状態を制御することができる。その結果として、層厚方向における融液の発生量を制御することができ、焼結鉱の歩留を向上させることが可能であると考えた。

そこで、本発明者は、炭材の粒度と橄欖岩の粒度について、適正な粒径比率の範囲を調べた。具体的には、粒度の異なる炭材、粒度の異なるＭｇＯ含有副原料（本実施例においては、橄欖岩を使用）を複数用意し、これらをそれぞれ組み合わせて配合した焼結原料について焼結鍋試験を実施し、焼結工程の各歩留を調べた。その結果、従来の粒度（平均粒径１．５ｍｍ以上１．８ｍｍ以下）よりも粒度の大きい平均粒径が２．０ｍｍを超え２．８ｍｍ以下の炭材を用いた場合でも、ＭｇＯ含有副原料の粒度（以下、「ＭｇＯ含有副原料の平均粒径」または「ＭＳm」ともいう）と炭材の粒度（以下、「炭材の平均粒径」または「ＭＳc」ともいう）との比率とが、「０．９≦ＭＳm／ＭＳc≦１．８」となるように調整することにより、焼結鉱の歩留の向上効果が得られることを見出した。ここで、炭材の平均粒径が２．０ｍｍ以下であるとパレットの下層部の炭材量が少なくなり、下層部の熱量不足で歩留が低下し、２．８ｍｍよりも大きいとパレットの下層部の炭材量が多くなりすぎ、パレットのグレート面の焼き付きが発生する可能性がある。また、「ＭＳm／ＭＳc」の値が０．９未満であると、融液の生成量が多すぎてしまい焼結層の通気性を悪化させて、歩留が低下する。「ＭＳm／ＭＳc」の値が１．８よりも大きいと、融液の生成量が少なくなり未焼結部分が発生し歩留が低下する。本願は、かかる知見に基づいて発明されたものである。

本発明では、発明者は、歩留の向上の指標として、炭材の平均粒径に対するＭｇＯ含有副原料の平均粒径の比（ＭＳm／ＭＳc）を採用している。ところで、それぞれの原料充填層における粒度偏析挙動は、主原料である鉄鉱石の粒度（以下、「鉄鉱石の平均粒径」または「ＭＳo」ともいう）に対する粒度の違い、たとえば粒径比率であるＭＳm／ＭＳo、ＭＳc／ＭＳoに支配されると考えるのが妥当である。従って、炭材とＭｇＯ含有副原料との相対的な偏析挙動は、詳しくは、（ＭＳm／ＭＳo）／（ＭＳc／ＭＳo）に支配されることになる。このとき、ＭＳoは分母分子で相殺されるので、結局、本願で採用した指標：ＭＳm／ＭＳcとなる。すなわち、本発明における指標である炭材の平均粒径に対するＭｇＯ含有副原料の平均粒径の比（ＭＳm／ＭＳc）は、鉄鉱石の粒度に拠らない普遍性を有している。

実施例として、ＭｇＯ含有副原料の平均粒径（ＭＳm）と炭材の平均粒径（ＭＳc）との比率の好適な範囲を決定した根拠を示す。本実施例は、配合原料の装入状況を再現できる装入実験装置で配合原料充填層を形成し、形成した配合原料充填層を一般的な焼結実験装置（焼結鍋試験）で焼成することで、実際の焼結機を再現する手法を採用した。

（原料の準備）
本発明者が行った試験の内容は以下のようである。
まず、本試験では、配合原料のうち、炭材としてコークスを、ＭｇＯ含有副原料として橄欖岩を用いた。コークスおよび橄欖岩は、表２に示すように、粒度の異なるものを３種類ずつ用意した。
表２は、本試験に用いた橄欖岩およびコークスの粒度分布と平均粒径を示す。

表２に示すように、３種類の橄欖岩（細粒（Ｍ１）、中粒（Ｍ２）、粗粒（Ｍ３））の試料と、３種類のコークス（細粒（Ｃ１）、中粒（Ｃ２）、粗粒（Ｃ３））の試料を用意した。表２に、橄欖岩（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）とコークス（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）試料、それぞれを、篩目（目開き寸法）の異なる６種類の篩を使用して篩分けた際の粒度分布を示す。粒度区分の境界値となる粒径は、表２に示すように、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍであり、これらの値は分級に使用した篩の篩目である。例えば、粒度区分「１ｍｍ－０．５ｍｍ」とは、０．５ｍｍの篩目の篩で篩分けた際に篩上であり、１ｍｍの篩目の篩で篩分けた際に篩下である。なお、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍの篩については、ＪＩＳ Ｚ ８８０１で規定されているものを使用している。粒度区分の中央値を、粒度区分毎の質量分率で荷重して算出した平均値である。なお、算出の際には、粒度毎の比重差はないと仮定している。

表２に示すように、橄欖岩の細粒（Ｍ１）、中粒（Ｍ２）、粗粒（Ｍ３）の試料の平均粒径（ＭＳ）は、それぞれ、０．４５ｍｍ、２．０４ｍｍ、３．０２ｍｍである。また、コークスの細粒（Ｃ１）、中粒（Ｃ２）、粗粒（Ｃ３）の試料の平均粒径（ＭＳ）は、それぞれ、１．６３ｍｍ、２．０１ｍｍ、２．５５ｍｍである。

（原料の配合と造粒）
表３は、原料の構成を示す。コークスと橄欖岩については、上述の粒度の異なる３種類を組み合わせて配合した９種類の配合原料を用意して、それぞれについて試験を行った。なお、鉄鉱石は平均粒径が１．５ｍｍのものを使用した。

表３に示すように、返鉱およびコークスを除いた原料を１００質量％として、返鉱とコークスの配合割合を、それぞれ外数で、１５．０質量％、３．６質量％とした。これらの配合原料を万能混練機で混合した後、直径１ｍ径のドラム型造粒機を用いて水分７．５質量％を目標にして、所定時間（３分）造粒して、鍋焼成試験用の配合原料（焼結原料）を作製した。

（造粒した焼結原料の分級）
パレットへの装入時に起こる配合原料充填層の層厚方向における粒度偏析を再現するために、スリットバー式配合原料篩分け装置（以下、篩分け装置ともいう）を使用して、造粒した焼結原料を分級した。

図１は、本実験において使用した篩分け装置１を模式的に示す図である。図１に示すように、この篩分け装置１は、焼結原料２を供給するための供給部３と、供給された焼結原料２を分級するためのスリット５とを備えている。スリット５の下方には、スリット５により分級された焼結原料２を回収する複数の回収ボックス７（本実施例では６個）が並んで配置される。スリット５は、供給部３から下方に傾斜して配置され、焼結原料の移動方向に対して直交して延出し、この移動方向に等間隔に配置されるスリットバー５ａを有する。供給された焼結原料２は、図１に示すように、スリットバー５ａ上を上流側（図の左上）から下流側（図の右下）に向かって移動する。この移動の間に、焼結原料２は粒度（粒径）の小さいものから、順次スリット５を抜けて回収ボックス７へと落下する。このように、焼結原料２は粒径に応じて回収ボックス７に分けられる。具体的には、スリット５の上流側の回収ボックス７には粒度の小さい細粒のものが、下流側の回収ボックス７には粒度の大きい粗粒のものが回収される。回収された回収ボックス７内の焼結原料を、粗粒側から順に後述する焼結鍋に装入して、実機焼結機の原料充填層と同様な粒度偏析、原料成分偏析を再現した（層厚４３５ｍｍ）。なお、スリット５の傾斜角度は事前検討の結果、連続的な偏析が得られた４０°とした。

（焼結鍋試験）
表４は、焼結鍋試験に用いた試験装置の仕様と試験条件を示す。焼結鍋試験により実機での原料充填層の焼成過程をシミュレートした。焼結原料の充填後の焼結層の表面に点火し、焼結鍋の下部に設置した風箱からブロワーで空気を吸引して、原料充填層を焼成した。

（焼結鉱の成品歩留の測定）
成品歩留は、以下のように測定した。焼成後のシンターケ－キを高さ方向（層厚方向）に３等分に分割し、試料（上層部、中層部、下層部）とした。各試料について、落錘試験（３ｋｇの錘を２ｍの高さから４回繰り返し試料上に落下させた）後に目開き５ｍｍの篩にかけ、篩に残った焼結鉱の粒子（＋５ｍｍ粒子）の、シンターケ－キの総質量に対する質量％を、ここでの成品歩留（＋５ｍｍ％）と定義した。

（成品歩留の評価）
表５は、上述した９種類の焼結原料から焼成した焼結鉱の成品歩留試験の結果を示す。
実験１～３、実験４～６、実験７～９では、それぞれ、コークスの粒度が、細粒（Ｃ１）、中粒（Ｃ２）、粗粒（Ｃ３）の試料を使用している。また、実験１，４，７、実験２，５，８、実験３，６，９では、それぞれ、橄欖岩の粒度が、細粒（Ｍ１）、中粒（Ｍ２）、粗粒（Ｍ３）の試料を使用している。なお、実験９と同じ条件で、粗粒（Ｃ３）のものよりもさらに粗粒（平均粒径３．０ｍｍ超え）のコークスを使用した実験も行い、実験１０として表５に記載している。なお、この平均粒径は、上述と同様の粒度区分の中央値を質量分率で加重平均したものである。

表５においては、以下の要件１および要件２を満たすものを実施例とし、それ以外を比較例としている。また、表５の成品歩留は、上層部、中層部、下層部の各試料の歩留（＋５ｍｍ％）を平均した値である。
要件１：炭材の平均粒径（ＭＳc）が２．０ｍｍを超え２．８ｍｍ以下
要件２：橄欖岩の平均粒径（ＭＳm）が炭材の平均粒径（ＭＳc）の０．９倍以上１．８倍以下

図２は、コークスの平均粒径（ＭＳc）と成品歩留との関係を示す図である。図２に示すように、コークスの平均粒径（ＭＳc）を、２．０ｍｍを超え２．８ｍｍ以下として、コークスの平均粒径（ＭＳc）と橄欖岩の平均粒径（ＭＳm）との比率を調整することにより、成品歩留が７０質量％以上の高歩留となることがわかった。特に、本発明の実施例である実験５、６，９においては、成品歩留が７０質量％以上確保できることがわかった。また、平均粒径（ＭＳc）が２．８ｍｍを超えたコークスを使用した実験１０においては、下層部のグレート面に焼き付きが発生して、焼結鍋内の通気が低下して、歩留の低下が著しかった。

図３は、コークスの平均粒径（ＭＳc）と橄欖岩の平均粒径（ＭＳm）との関係を示す図である。図の直線Ｌ１は傾きが１．８の直線を示し、直線Ｌ２は傾きが０．９の直線を示す。本発明の実施例である実験５、６，９は、直線Ｌ１と直線Ｌ２の間に位置する。成品の高歩留を確保するためには、コークスの平均粒径（ＭＳc）を２．０ｍｍ超え２．８ｍｍ以下として、コークスの平均粒径（ＭＳc）に対する橄欖岩の平均粒径（ＭＳm）の比を、０．９≦ＭＳm／ＭＳc≦１．８の範囲とする必要があることが確認された。

１…スリットバー式配合原料篩分け装置（篩分け装置）、２…焼結原料、３…供給部、５…スリット、５ａ…スリットバー、７…回収ボックス

Claims (3)

1. 鉄鉱石、ＣａＯ含有副原料、ＭｇＯ含有副原料、炭材および返鉱を配合した焼結原料を造粒処理して下方吸引式焼結機のパレットに装入し、焼成する焼結鉱の製造方法において、
   前記炭材の平均粒径（ＭＳc）は２．０ｍｍを超え２．８ｍｍ以下であり、
   前記ＭｇＯ含有副原料の平均粒径（ＭＳm）と前記炭材の平均粒径（ＭＳc）の比率が、０．９≦ＭＳm／ＭＳc≦１．８であること
   を特徴とする焼結鉱の製造方法。
2. 前記ＭｇＯ含有副原料は、橄欖岩であること
   を特徴とする請求項１に記載の焼結鉱の製造方法。
3. 前記ＭｇＯ含有副原料は、ニッケルスラグであること
   を特徴とする請求項１に記載の焼結鉱の製造方法。

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