JP7188126B2 - 高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粉状鉄含有原料、微粉状炭材、及び水硬性バインダーを含んだ配合原料を、混練、成形、養生して含炭非焼成ペレットを製造する、高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法に関する。

製鉄プロセスにおいて用いられる高炉用鉄原料は、焼結鉱が主流である。焼結鉱は、平均粒度が約２～３ｍｍの粉状鉄鉱石を主とする鉄含有原料と、石灰石や珪石等の副原料と、粉コークスや無煙炭等の炭材とを配合して、水分を調整しながら混合、造粒して擬似造粒子（１ｍｍ以上の核粒子の表面に０．５ｍｍ以下の微粉粒子が付着した造粒物）とし、その後、焼結機で焼成する焼成型塊成化プロセスにより製造される。

一方、製鉄プロセスにおいて多量に発生する焼結ダスト、高炉ダスト等の集塵機で回収された集塵ダスト、スラッジ、スケール粉等の微粉状ダスト等のダストも、塊成化することにより、高炉用鉄原料として用いられる。これらのダストは、粒径０．２５ｍｍ以下の微粉粒子が全体の８０質量％以上を占める微粉状鉄含有原料である。上記のような焼成型塊成化プロセスによりダストから焼結鉱を製造しようとすると、造粒した後焼成する際に造粒物が崩壊してしまい、焼結機に充填された造粒物の層である原料充填層の通気性が悪化し、生産性が低下してしまう。このため、粒径０．２５ｍｍ以下の微粉粒子が全体の８０％以上を占める微粉状鉄含有原料を塊成化する場合には、焼成型塊成化プロセスではなく、セメント等の水硬性バインダーと共に水を添加し、造粒して球状のペレットに成形した後、養生して強度を高めて塊成ペレットを得る非焼成型の塊成化プロセスを用いるのが一般的である。

非焼成型塊成化プロセスによれば、焼結機で焼成する焼成型塊成化プロセスでは不可能である炭材の塊成ペレット内への添加が可能となる。このため、近年、高炉操業時の還元材比の低減を目的とし、非焼成型塊成化プロセスを利用した含炭非焼成塊成ペレットの製造方法が検討されている。

例えば、特許文献１には、鉄鉱石、または、製鉄所で発生した多種の含鉄、含炭系集塵ダストからなる含酸化鉄原料に、鉄鉱石類の被還元酸素を還元して金属鉄とするために必要な理論炭素量の８０～１２０％のカーボン量（ペレットの全原料中のカーボン含有量：１０～１５質量％程度）に相当するカーボン系炭材を配合し、早強ポルトランドセメントを加えて混練、成形した後、７日間の養生により、常温での圧潰強度が７８５０ｋＮ／ｍ^２（８０ｋｇ／ｃｍ^２に相当）以上の含炭非焼成ペレットを製造する方法が提案されている。

なお、一般にペレットの圧潰強度は、ＪＩＳ Ｍ８７１８「鉄鉱石ペレット圧かい強度試験方法」に準じて、被測定試料１個に対して、規定の加圧速度で圧縮荷重を掛けることにより被測定試料を破壊させたときに測定される荷重値で表されるが、特許文献１では、強度指数として、単位断面積当たりの荷重値（ｋＮ／ｍ^２）で表示されている。

特開２００３－３４２６４６号公報

ここで、高炉内での還元反応を促進するためには、含炭非焼成ペレットの全原料中の炭素含有割合を増加させることが望ましい。しかし、全原料中の炭素含有割合を増加させると、含炭非焼成ペレットの圧潰強度が低下し、高炉での使用に適さなくなる。このため、上記特許文献１のような含炭非焼成ペレットでは圧潰強度の低下を抑制するため、全原料中の炭素含有割合を１５質量％未満に制限せざるを得なかった。そのため、含炭非焼成ペレット中の酸化鉄の直接還元は進んでも、含炭非焼成ペレット以外に高炉に装入される焼結鉱等の主要な高炉用鉄含有原料の還元を十分に促進することができない等の課題が残る。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、炭素含有割合を１５質量％以上としても含炭非焼成ペレットの圧潰強度の低下を抑制することが可能な、新規かつ改良された高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法であって、微粉状鉄含有原料、微粉状炭材、及び水硬性バインダーを含んだ配合原料を水分調整した後に、配合原料を造粒してペレットを成形し、ペレットの養生中、水硬性バインダーの反応率が６０％以上９７％以下であるときに、ペレットへの送風を開始してペレットを乾燥させる、高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法が提供される。

本発明によれば、炭素含有割合を１５質量％以上としても含炭非焼成ペレットの圧潰強度の低下を抑制することができ、高炉用鉄含有原料として使用することができる。

非焼成型塊成化プロセスによる高炉用含炭非焼成ペレットの製造工程を示す概略説明図である。 造粒後のペレットを示す模式図である。 造粒水分が過剰に添加されたときのペレット及び養生後のペレットの状態を示す模式図である。 微粉状炭材の含有割合と造粒後のペレットの水分量との一関係を示すグラフである。 微粉状炭材の含有割合とセメント反応後のペレットの圧潰強度との一関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る高炉用含炭非焼成鉱の製造方法を実施したときの、養生前のペレット及び養生後のペレットの状態を示す模式図である。 送風開始タイミングでのセメント水和反応率と養生後のペレットの圧潰強度との一関係例を示すグラフである。 ペレット水分減少量とセメント水和反応率との関係の一例を示すグラフである。 養生時間と、ペレットの水分量及びセメント反応率との関係の一例を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．非焼成型塊成化プロセスによる高炉用含炭非焼成ペレットの製造＞
まず、図１に基づいて、非焼成型塊成化プロセスによる高炉用含炭非焼成ペレットの製造工程について説明する。図１は、非焼成型塊成化プロセスによる高炉用含炭非焼成ペレットの製造工程を示す概略説明図である。

高炉用含炭非焼成ペレットの製造は、まず、原料槽１０であるホッパーから、微粉状鉄含有原料及び微粉状炭材が所定の配合量となるように切り出される。微粉状鉄含有原料としては、例えば、焼結ダスト、高炉ダスト等の集塵機で回収された集塵ダスト、スラッジ、スケール粉等の微粉状ダストが用いられる。微粉状炭材としては、例えば、集塵粉コークスが用いられる。原料槽１０から切り出された微粉状鉄含有原料及び微粉状炭材は、ボールミル等の粉砕機２０により最大粒度が１ｍｍ以下になるように粉砕される。その後、バインダー槽３０から、粉砕機２０により粉砕された原料に対して、ポルトランドセメント、アルミナセメント、高炉セメントや高炉水砕スラグを主成分とする微粉末とアルカリ刺激剤からなる時効性バインダー等の水硬性バインダー（以下、単にセメントと称す。）が添加され、配合原料が生成される。

配合原料は、ダウミキサー等の混練機４０により、造粒水分を添加することにより水分調整して、混練される。混練機４０にて混練された配合原料は、パンペレタイザー等の造粒機５０により造粒され、球形のペレットに成形される。造粒されたペレットは、振動篩６０にて所定の粒径で分離される。例えば、振動篩６０では、粒径１２ｍｍ以上のペレットと粒径１２ｍｍ未満のペレットとに篩い分けられる。

振動篩６０により篩い分けられたペレットのうち、粒径１２ｍｍ以上のペレットは、養生ヤード７０に積み付けられる。養生ヤード７０での養生は、ペレット５を積み付けて放置する大気養生でもよく、積み付けたペレット５に蒸気を吹き込む蒸気養生でもよい。図１に示す養生ヤード７０には、積み付けたペレット５を送風乾燥するための送風設備が設けられている。送風設備は、送風機７１と、送風機７１から送り出された空気の流路となる配管７３と、配管７３を通り送り出された空気を積み付けられたペレット５へ向かって排出する送風口７５とを有する。送風口７５は、積み付けられたペレット５の下方に設けられており、積み付けられたペレット５の下方から送風が行われる。

養生ヤード７０にて乾燥させたペレットは、振動篩８０等で再度篩い分けされた後、篩上の成品が高炉９０へ装入される。

＜２．ダスト粒子の結合強化＞
［２－１．メカニズム］
非焼成型塊成化プロセスにおけるダスト粒子の結合強化のメカニズムは、以下のように推定される。非焼成型塊成化プロセスでは、焼結ダスト、高炉ダスト等の集塵機で回収された集塵ダスト、スラッジ、スケール粉等の微粉状ダスト等のダストを微粉状鉄含有原料として、当該微粉状鉄含有原料、微粉状炭材及び水硬性バインダーを含んだ配合原料を水分調整した後に、配合原料からペレットを造粒する。ペレットは、例えば１５ｍｍ程度の粒径を有する。

養生前のペレット５の一部を拡大してみると、図２に示すように、養生前のペレット５では、ダスト粒子５ａやセメント粒子５ｂ等の各粒子間に、添加された水Ｗが行き渡っている状態となっている。なお、図２ではペレット５に含まれている微粉状炭材の記載は省略している。

ここで、養生前のペレットは、輸送過程及び積み付けたときに壊れないために、所定強度（２ｄａＮ程度）を有することが必要である。ペレット強度は、造粒過程で調整でき、造粒水分の増加に伴い、造粒後のペレット強度は上昇する。一方で、造粒水分の必要以上の添加は、養生でのセメント反応後のペレットの圧潰強度の低下を招く。これは、ダスト粒子５ａの結合が弱いために生じる。

つまり、図３上側に示すように、セメント粒子５ｂの水和反応に必要な水分量に対して造粒水分Ｗが配合原料に必要以上に添加されると、余剰水分が生じてしまう。このとき、ダスト粒子５ａ等の各粒子間に造粒水分Ｗが行き渡るため、造粒水分Ｗ中に存在するセメント粒子５ｂの存在範囲も広範囲となる。

ダスト粒子５ａ同士の結合は、セメント粒子５ｂの水和反応により生じるセメント水和物５ｃがダスト粒子５ａ間に介在することにより行われるが、セメント粒子５ｂの存在範囲が広範囲に広がると、ダスト粒子５ａ同士の結合に寄与しない場所でもセメント粒子５ｂの水和反応が起きる。その結果、養生後のペレットは、図３下側に示すように、余剰の造粒水分Ｗが残存し、セメント水和物５ｃがダスト粒子５ａ間の結合に寄与しない場所にも散在している状態となり、ダスト粒子５ａ同士の結合が弱くなる。このように、造粒水分Ｗが必要以上に添加されると、セメント反応後のペレットの圧潰強度が低下する。

一方で、高炉内での還元反応を促進するためには、微粉状炭材を増加させる必要がある。微粉状炭材は疎水性を有することから、造粒するためには配合原料へ添加する造粒水分を増加せざるを得ない。したがって、図４に示すように、微粉状炭材の含有割合（すなわち、炭素含有割合）が増加するほど、造粒後のペレットの水分は増加する。このため、微粉状炭材の含有割合の増加は、図３に示したように造粒水分Ｗが必要以上に添加される状況を生じさせることとなり、図５に示すように、微粉状炭材の含有割合が増加するほどセメント反応後のペレットの圧潰強度が低下することになる。

そこで、本発明者は、ダスト粒子の結合を強化させることについて鋭意検討した結果、ペレットの養生の途中で、ペレットへの送風を開始してペレットを乾燥させることによってペレットの圧潰強度が向上することを見出した。

このペレットの圧潰強度の向上の理由は、以下のように推定される。ペレットの水分は、セメント粒子との水和反応により養生中に徐々に減少する。ペレットの養生の途中でペレットへの送風を開始すると、ダスト粒子間の間隔の比較的広い部分から優先的に乾燥されていく。図６上側に示すように、ダスト粒子５ａ間やダスト粒子５ａとセメント水和物５ｃとの間の比較的狭い空隙に水分Ｗとセメント粒子５ｂとが残っている状態となる。このダスト粒子５ａ間やダスト粒子５ａとセメント水和物５ｃとの間の狭い空隙において水分Ｗとセメント粒子５ｂとが水和反応し、セメント水和物５ｃを生成する。その結果、図６下側に示すように、ダスト粒子５ａ同士がセメント水和物５ｃで結合される。

ここで、ペレットへの送風の開始タイミングは、養生後のペレットの圧潰強度が向上する、セメント粒子の水和反応の反応率（以下、「セメント水和反応率」ともいう。）が６０％以上９７％以下であるときとする。なお、セメント水和反応率は後述する方法で把握するものとする。図７に、送風開始タイミングでのセメント水和反応率と養生後のペレットの圧潰強度との一関係例を示す。なお、図７は、炭素含有割合が３５質量％、セメント含有割合が１０質量％である配合原料の場合の例である。ここでは、養生後のペレットに対して求められる圧潰強度を１００ｄａＮとする。

図７に示すように、ペレットへの送風の開始タイミングでのセメント水和反応率が高くなるほど養生後のペレットの圧潰強度は高くなるが、セメント水和反応率がほぼ１００％となる付近では養生後のペレットの圧潰強度が急激に低下する。セメント水和反応率が低いときに送風を開始すると、セメント粒子の水和反応に必要な水分も送風により除去されてしまい、養生後のペレット強度を所望の強度まで高めることができない。一方、セメント水和反応が終了した後（すなわち、セメント水和反応率１００％）に送風を開始すると、図３下側に示すような余剰水を乾燥させるだけとなり、養生後のペレット強度の向上効果は得られない。養生後のペレットに対して求められる圧潰強度を１００ｄａＮとした場合には、図７より、ペレットへの送風の開始タイミングは、セメント水和反応率が６０％以上９７％以下であるときとすればよい。

このように、セメント水和反応率が６０％以上９７％以下であるときに、ペレットへの送風を開始してペレットを乾燥させることにより、ダスト粒子の結合が強化されるので、炭素含有割合を１５質量％以上としても含炭非焼成ペレットの圧潰強度を高めることが可能となる。

［２－２．送風開始タイミングの判定］
セメント水和反応率が６０％以上９７％以下であるときにペレットへの送風を開始するが、セメント水和反応率を直接把握することはできない。セメント水和反応にはペレット中の水分が使われるため、セメント水和反応率に応じてペレットの水分含有量が変化する。セメント水和反応率と反応に使われる水分量（ペレットの水分減少量）には比例関係があると推定されるので、造粒後のペレットの水分量の経時的な変化を測定し、初期をセメント水和反応率０％、ペレットの水分量が変化しなくなったときをセメント水和反応率１００％として、ペレットの水分減少量とセメント水和反応率の比例関係を予め求めておく。

（ａ．セメント水和反応率とペレットの水分減少量との関係）
セメント水和反応率とペレットの水分減少量との関係は、配合原料のセメント含有割合に応じて変化する。図８に、セメント水和反応率とペレットの水分減少量との関係の一例を示す。図８には、配合原料のセメント含有割合が８質量％、１０質量％、１２質量％のときのセメント水和反応率とペレットの水分減少量との関係を示している。図８は、セメント含有割合を変えてペレットを造粒し、前述した方法でペレットの水分減少量とセメント水和反応率との比例関係をそれぞれ求めたものである。

図８より、配合原料のセメント含有割合が多いほど、セメント水和反応に必要な水分量が多くなるため、同じセメント水和反応率でもセメント含有割合が多いほど、ペレットの水分減少量は多くなる傾向があることがわかる。

このように、配合原料のセメント含有割合毎にセメント水和反応率とペレットの水分減少量との比例関係を予め取得しておき、送風開始タイミングの判定において、配合原料のセメント含有割合に応じた関係が使用される。

（ｂ．送風開始タイミング判定方法）
送風開始タイミングは、養生開始時と養生中のペレットの水分量を測定し、セメント含有割合に応じて予め取得されたセメント水和反応率とペレットの水分減少量との比例関係に基づき、算出されたペレットの水分減少量に対応するセメント水和反応率を特定することにより判定される。

養生開始時及び養生中のペレットの水分量の測定は、まず、養生ヤードに積み付けられたペレットをサンプリングして行われる。サンプリングは、ペレットの積山高さ方向と幅方向との複数箇所で行われる。例えば、ペレットの積山高さに対して１／４、２／４、３／４、４／４の積山高さ方向の４つの位置それぞれにおいて、幅方向に等間隔に４つの位置でペレットを採取する。この場合、ペレットは１６箇所で採取されることになる。なお、ペレットをサンプリングする位置及び採取位置の数はかかる例に限定されず、適宜設定され得る。

採取したペレットの水分測定は、例えば、採取したペレットを１０５℃の恒温槽に６０分載置したときの重量変化により求めることができる。複数箇所でペレットをサンプリングした場合には、採取されたすべてのペレットをまとめて水分測定してもよく、採取位置毎にペレットの水分を測定した後、各測定値の平均を算出してもよい。なお、採取したペレットの水分測定も、他の公知の手法により実施してもよい。

養生開始時と養生中のペレットの水分量が測定されると、予め取得されたセメント水和反応率とペレットの水分減少量との関係に基づき、算出されたペレットの水分減少量に対応するセメント水和反応率が特定される。例えば、配合原料のセメント含有割合が１０質量％のペレットにおいて水分減少量が５．５質量％であったとすると、図８より、セメント反応率は８０％であることを特定できる。

また、養生時間とペレットの水分減少量との関係を予め求めておくことにより、養生時間によって送風開始タイミングを決定することができる。図９に、養生時間と、ペレットの水分減少量及びセメント反応率との関係の一例を示す。なお、図９は、セメント含有割合が１０質量％である配合原料の場合の例である。図９の養生時間は、ペレットの積み付け終了時点を０［ｈｒ］として表している。

図９では、養生時間の経過により、ペレットの水分減少量及びセメント反応率がどのように変化するかを把握することが可能となる。図９より、セメント水和反応率が６０％以上９７％以下とするには、養生時間が４５～７０［ｈｒ］経過したときにペレットへの送風を開始すればよいことがわかる。このような関係性が予め取得されている場合には、養生中のペレットの水分量を測定することなく、ペレットの積み付け終了時点からの経過時間に基づいて送風を開始すればよい。

以上、本実施形態に係る高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法について説明した。本実施形態によれば、セメント水和反応率が６０％以上９７％以下であるときに、ペレットへの送風を開始してペレットを乾燥させる。これにより、ダスト粒子の結合を強化し、炭素含有割合を１５質量％以上である場合にも含炭非焼成ペレットの圧潰強度を高めることができる。

上記実施形態に係る高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法の効果を検証するため、養生中のペレットへの送風状況を変化させたときの、養生後のペレットの圧潰強度を調べた。実施例で用いたペレットは、炭素含有割合が３５質量％である配合原料を用いて、造粒水分量１３質量％で製造されたものである。セメント含有量は１０質量％であり、ペレット水和反応率１００％となるペレットの水分量は６質量％であった。

本検証では、養生中のペレットへ送風を行わない場合（比較例１）と、養生中のペレットへの送風を行う場合（比較例２～５、実施例１～４）とについて、送風の有無及び送風開始時のセメント水和反応率と養生後のペレットの圧潰強度との関係を調べた。表１に検証結果を示す。なお、養生後のペレットに求められる圧潰強度は１００ｄａＮとした。

表１に示すように、セメント水和反応率６０％～９７％のときに養生中のペレットに対して送風を開始した実施例１～４では、養生後のペレットの圧潰強度は１００ｄａＮ以上となった。

セメント水和反応率０％～４１％のときに養生中のペレットに対して送風を開始した比較例２～４では、送風のタイミングが早すぎて、養生後のペレットの圧潰強度は求められる圧潰強度まで向上しなかった。

セメント水和反応率１００％のときに養生中のペレットに対して送風を開始した比較例５では、余剰水を乾燥させるだけとなり、圧潰強度の向上効果は得られず、比較例１の養生中のペレットに送風を行わない場合と同じとなった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

５ ペレット
５ａ ダスト粒子
５ｂ セメント粒子
５ｃ セメント水和物
１０ 原料槽
２０ 粉砕機
３０ バインダー槽
４０ 混練機
５０ 造粒機
６０、８０ 振動篩
７０ 養生ヤード
７１ 送風機
７３ 配管
７５ 送風口
９０ 高炉

Claims (1)

1. 微粉状鉄含有原料、微粉状炭材、及び水硬性バインダーを含んだ配合原料を水分調整した後に、前記配合原料からペレットを成形し、前記ペレットを養生ヤードに積み付けて養生する高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法であって、
   前記ペレットの養生中、前記水硬性バインダーの反応率が６０％以上９７％以下であるときに、前記養生ヤードに積み付けられたペレットの下方に設けられた送風設備の配管の送風口から、前記ペレットへの送風を開始して前記ペレットを乾燥させる、高炉用含炭非焼成ペレットの製造方法。

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