JP7288186B2

JP7288186B2 - 焼結用原料の造粒方法

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Publication number: JP7288186B2
Application number: JP2019080278A
Authority: JP
Inventors: 佑生中岡; 守利水谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2039-04-19
Also published as: JP2020176310A

Description

本発明は、焼結用原料の造粒方法に関する。

製鋼スラグは製鋼プロセスにおいて発生する副産物であり、例えばセメント、道路（路盤材等）、土木・港湾工事（護岸の裏込め等）、またはコンクリート骨材等の様々な技術分野で有効に活用されている。しかし、競合材の既存市場への参入やそもそも製鋼スラグには膨張の原因となる遊離ＣａＯが含有されているといった問題から、その販売環境は厳しくなっている。このような問題を受けて製鋼スラグの鉄鋼プロセスにおけるリサイクルが促進されている。例えば焼結工程では、製鋼スラグに含まれるＦｅを回収する、あるいは製鋼スラグに含まれるＣａＯ成分を焼結反応に使用するといったことを目的として製鋼スラグのリサイクルが推奨されている。

特開平５－４３９５３号公報特開２０１１－２４６７８１号公報特開２０１２－１１７０８２号公報特開２０１５－１１３４９８号公報特開２０１５－１８３２８９号公報

このような観点から、例えば特許文献１～５には、副原料である石灰石及び生石灰の一部を製鋼スラグで代替して焼結鉱を作製する技術が開示されている。本発明者が特許文献１～５に開示された技術を詳細に検討したところ、これらの技術では、作製された焼結鉱の強度がばらつくことが明らかとなった。本発明者は、製鋼スラグ粒子が造粒性あるいは反応性の観点から適切に分類されていなために、このようなばらつきが生じるのではないかと考えた。

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、製鋼スラグ粒子を造粒性あるいは反応性の観点から適切に分類することができ、ひいては、焼結鉱の強度を安定して高めることが可能な、新規かつ改良された製鋼スラグ粒子の分類方法及び焼結用原料の造粒方法を提供することにある。

本発明の他の観点によれば、配合の対象となる製鋼スラグから複数の製鋼スラグ粒子をサンプリングし、サンプリングされた複数の製鋼スラグ粒子を、製鋼スラグ粒子を構成するＣａ _２ＳｉＯ _４相、Ｃａ _２Ｆｅ _２Ｏ _５相、ＦｅＯ相、ＣａＯ相、及びＦｅ相の含有率に基づいて、
最大鉱物相がＣａ _２ＳｉＯ _４相であるＡ型、
最大鉱物相がＣａ _２Ｆｅ _２Ｏ _５相とＦｅＯ相との和であるＢ型、
最大鉱物相がＣａＯ相であるＣ型、または、
最大鉱物相がＦｅ相であるＤ型のいずれかに分類し、
さらに、Ａ型に属する製鋼スラグ粒子を、粒子表面から厚み０．１２５ｍｍ以内の表層に存在する最大鉱物相がＣａ _２ＳｉＯ _４相であるＡ１型、またはそれ以外のＡ２型に分類し、
Ｄ型に属する製鋼スラグ粒子を、粒子表面から厚み０．１２５ｍｍ以内の表層に存在する最大鉱物相がＦｅ相であるＤ１型、またはそれ以外のＤ２型に分類し、各分類に属する製鋼スラグ粒子の個数の比と、以下の数式（１）とに基づいて、製鋼スラグの反応率Ｒ（％）を求め、
Ｒ＝４５．７Ｎ_Ａ１＋７８．３Ｎ_Ａ２＋５５．３Ｎ_Ｂ＋７８．３Ｎ_Ｃ＋１２．８Ｎ_Ｄ１＋３９．５Ｎ_Ｄ２（１）
数式（１）において、Ｎ_Ａ１はＡ１型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_Ａ２はＡ２型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_ＢはＢ型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_ＣはＣ型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_Ｄ１はＤ１型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_Ｄ２はＤ２型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、
製鋼スラグ粒子の個数の比は、サンプリングされた製鋼スラグ粒子の総数に対する個数の比であり、
反応率Ｒが６０以上１００以下の範囲内であれば、製鋼スラグを前添加法で造粒し、
反応率Ｒが０以上６０未満の範囲内であれば、製鋼スラグを後添加法で造粒することを特徴とする、焼結用原料の造粒方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、製鋼スラグ粒子を構成するＣａ_２ＳｉＯ_４相、Ｃａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相、ＦｅＯ相、ＣａＯ相、及びＦｅ相の含有率および製鋼スラグ粒子の表層に存在する相の種類に基づいて、製鋼スラグ粒子を分類する。したがって、製鋼スラグ粒子を造粒性あるいは反応性の観点から適切に分類することができる。そして、この分類に基づいて製鋼スラグ粒子の添加法を決定することで、焼結鉱の強度を安定して高めることが可能となる。

製鋼スラグ粒子の鉱物相を区分するために使用される輝度分布グラフである。気孔相をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。ＣａＯ相をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。Ｃａ_２ＳｉＯ_４相（Ｃ_２Ｓ相）をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。Ｃａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相（Ｃ_２Ｆ相）をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。ＦｅＯ相をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。製鋼スラグ粒子の表層の鉱物相を区分するために使用される輝度分布グラフである。表層中の気孔相をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。表層中のＣａＯ相をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。表層中のＣａ_２ＳｉＯ_４相（Ｃ_２Ｓ相）をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。表層中のＣａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相（Ｃ_２Ｆ相）をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。表層中のＦｅＯ相をハイライト表示する光学顕微鏡画像である。前添加法で作製された焼結鉱の強度と後添加法で作製された焼結鉱の強度とを対比して示すグラフである。

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．本発明者による検討＞
上述したように、単に製鋼スラグを副原料の一部に代替して使用しただけでは、焼結鉱の強度に大きなばらつきが生じてしまう。本発明者は、製鋼スラグ粒子が造粒性あるいは反応性の観点から適切に分類されていなかったために、このようなばらつきが生じるのではないかと考えた。そこで、本発明者は、製鋼スラグ粒子を適切に分類する方法を検討するために、製鋼スラグ粒子を構成する鉱物相に着目した。なお、本実施形態では、製鋼スラグを構成する個々の粒子を製鋼スラグ粒子と称する。したがって、製鋼スラグは、多数の製鋼スラグ粒子の集合体となる。

製鋼スラグ粒子は、焼結鉱作製時の副原料として機能するＣａＯ成分を含んでいる。ＣａＯ成分は、製鋼スラグ粒子内では、ＣａＯ相（フリーＣａＯ相とも言われる）、Ｃａ_２ＳｉＯ_４相またはＣａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相といった形態で存在していることが知られている。これらの含ＣａＯ相は、焼結工程において配合原料中の鉄系原料（すなわち酸化鉄）と反応し、融液を生成する。しかし、Ｃａ_２ＳｉＯ_４相及びＣａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相には、融液の高融点化、高粘性化を招くＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等が固溶している。したがって、Ｃａ_２ＳｉＯ_４相及びＣａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相中のＣａＯ成分は、石灰石中または生石灰中のＣａＯ成分とは異なる反応挙動を示し、生成される融液の融点及び粘性を高めてしまう（すなわち、造粒物の焼結性を著しく悪化させる）と考えられる。したがって、Ｃａ_２ＳｉＯ_４相及びＣａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相は、製鋼スラグ粒子の造粒性あるいは反応性を低下させる鉱物相であると考えられる。一方で、ＣａＯ相は、製鋼スラグ粒子の造粒性あるいは反応性を高める鉱物相であると考えられる。

本発明者が製鋼スラグ粒子の鉱物相についてさらに詳細に検討したところ、製鋼スラグ粒子を構成する鉱物相の含有率及び製鋼スラグ粒子の表層（以下、「粒子表層」とも称する）に存在する相の種類（すなわち鉱物的特徴）は、製鋼スラグ粒子毎にまちまちであることがわかった。本実施の形態では、粒子表層は、例えば製鋼スラグ粒子の表面から厚み０．１２５ｍｍ以内の領域とされる。これらの鉱物相は、上述したように、製鋼スラグ粒子の造粒性あるいは反応性に影響を与えるものである。例えば造粒性の高いＣａＯ相の含有率が高い製鋼スラグ粒子を多く含む製鋼スラグを副原料として用いて焼結鉱を作製した場合、焼結鉱の強度等が向上すると考えられる。一方、反応性の低いＣａ_２ＳｉＯ_４相またはＣａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相の含有率が高い製鋼スラグ粒子を多く含む製鋼スラグを副原料として用いて焼結鉱を作製した場合、焼結鉱の強度等が低下すると考えられる。ＦｅＯ相、Ｆｅ相の多い製鋼スラグを焼結用原料として使用する場合には、これらを副原料として使用するのではなく、焼結反応の熱源として使用することが好適であると言える。このような製鋼スラグの鉱物的特徴を焼結過程で有効に利用するには、その鉱物的特徴に即して造粒方法を変える必要がある。

本発明者は、製鋼スラグ粒子の鉱物的特徴と造粒方法との関係について鋭意検討したところ、製鋼スラグ粒子の鉱物的特徴に基づいて、製鋼スラグ粒子を６つの区分に分類できることを見出した。さらに、本発明者は、各分類に属する製鋼スラグ粒子の比率（例えば個数比率）に基づいて、製鋼スラグを前添加法または後添加法で造粒することで、高い強度の焼結鉱を作製することができることを見出した。本発明者は、これらの知見に基づいて、本実施形態に係る製鋼スラグ粒子の分類方法及び焼結用原料の造粒方法に想到した。以下、本実施形態について詳細に説明する。

＜２．本実施形態で使用される製鋼スラグ＞
本実施形態で使用される製鋼スラグは、製鋼プロセスにおいて発生する副産物である。製鋼プロセスで発生するスラグであれば、特に制限なく本実施形態の製鋼スラグとして使用可能である。製鋼スラグの例としては、転炉から発生する転炉スラグ、溶銑予備処理で発生するスラグ等が挙げられる。なお、製鋼スラグには高炉で発生する高炉スラグは含まれない。製鋼スラグは、予め製鋼スラグ粒子の粒径を所定範囲（例えば１ｍｍ以上３ｍｍ未満程度）に分級した後に使用してもよい。分級は例えば目開きの異なる篩によって行われればよい。例えば、製鋼スラグを目開きＸｍｍの篩に掛けた場合、篩に残った製鋼スラグ粒子の粒径はＸｍｍ以上となり、篩から落ちた製鋼スラグ粒子の粒径はＸｍｍ未満となる。

従来でも、製鋼スラグを分類する方法は存在する。例えば、溶鋼から除去した不純物の成分によって製鋼スラグを分類する方法が知られている。この分類方法では、例えば製鋼スラグは脱Ｃスラグ、脱Ｓスラグ、脱Ｐスラグ等に分類される。また、各製鋼プロセスで発生した製鋼スラグを磁力選別して混合した磁選スラグ等も知られている。しかし、これらの分類方法は焼結鉱の特性を全く考慮しておらず、分類の方法と焼結鉱の特性との間に相関性はない。一方で、製鋼スラグをその化学成分（ＳｉＯ_２等）に基づいて分類する方法も提案されている。しかし、この分類方法はほぼ定性的な分類にとどまっており、本実施形態のように焼結鉱の特性に影響を与えるような分類方法ではない。

＜３．製鋼スラグ粒子の分類方法＞
つぎに、図１～図４に基づいて、本実施形態に係る製鋼スラグ粒子の分類方法について説明する。本実施形態に係る製鋼スラグ粒子の分類方法は、概略的には、製鋼スラグ粒子を構成するＣａ_２ＳｉＯ_４相（Ｃ_２Ｓ相）、Ｃａ_２Ｆｅ_２Ｏ_５相（Ｃ_２Ｆ相）、ＦｅＯ相、ＣａＯ相、及びＦｅ相の含有率および粒子表層に存在する相の種類（すなわち鉱物的特徴）に基づいて、製鋼スラグ粒子を分類する、というものである。

作業者は、具体的には以下の処理を行う。製鋼スラグから粒径１ｍｍ以上３ｍｍ未満の粒度範囲の粒子を分級採取する。製鋼スラグを焼結で使用する時には通常３ｍｍ未満に粉砕されるので、分級に先立って製鋼スラグを３ｍｍ未満に粉砕しておくのがよい。分級は、目開き１ｍｍおよび３ｍｍの篩を用いる。次に、製鋼スラグ粒子の樹脂埋め研磨サンプルを作製する。ついで、樹脂埋め研磨サンプルの表面（すなわち、任意の製鋼スラグ粒子の断面）を顕微鏡観察することで、製鋼スラグ粒子の断面組織画像を取得する。この断面組織画像を電子計算機の画像解析ソフト（三谷商事社製ＷｉｎＲＯＯＦ２０１５）に入力し、画像解析ソフトを用いて以下の処理を行う。

まず、断面組織画像をモノクロ化する。このモノクロ画像では、各画素の輝度の大小が白黒の濃淡で表示される。画素の色が白に近いほど輝度が大きく、黒に近いほど輝度が小さい。ついで、断面組織画像の輝度分布を示す輝度分布グラフを取得する。図１に、輝度分布グラフの一例として輝度分布グラフＬ１を示す。なお、図１及び後述する図２～図４は、同一の断面組織画像を解析することで得られるデータである。輝度分布グラフの横軸は輝度を示し、縦軸は頻度（横軸の輝度を有する画素の数）を示す。したがって、輝度分布グラフはいわゆるヒストグラムである。輝度２５５が最も高い輝度（すなわち白）を示し、輝度０が最も低い輝度（すなわち黒）を示す。なお、輝度分布グラフは、着目した１つの製鋼スラグ粒子における輝度分布を示す。

ついで、輝度分布グラフの多値化処理を行う。多値化処理では、輝度分布グラフに複数のしきい値を設定することで、複数の輝度範囲を設定する。図１に示す例では、輝度分布グラフＬ１に４つのしきい値Ｘ１～Ｘ４を設定し、５つの輝度範囲Ｙ１～Ｙ５を設定している。輝度範囲Ｙ１は０～１０７、輝度範囲Ｙ２は１０８～１４３、輝度範囲Ｙ３は１４４～１８４、輝度範囲Ｙ４は１８５～２０８、輝度範囲Ｙ５は２０９～２５５となる。これらの情報は、電子計算機のディスプレイに表示される。例えば、輝度分布グラフＬ１の他、しきい値Ｘ１～Ｘ４を示すバー画像Ｘ１１～Ｘ１４がディスプレイに表示される。なお、この例ではバー画像によって輝度範囲を表示することとしたが、輝度範囲を表示する方法はこの例に限られず、例えば輝度分布グラフを輝度範囲毎に異なる色で表示してもよい。

製鋼スラグ粒子を構成する鉱物相は、その組成毎に異なる輝度を有する。したがって、各輝度範囲を異なる鉱物相に対応させる。具体的には、各輝度範囲は、輝度の小さい順に気孔相、ＣａＯ相、Ｃ_２Ｓ相、Ｃ_２Ｆ相、ＦｅＯ相、及びＦｅ相に区分される。そこで、作業者は、各輝度範囲を輝度が小さい方から順に気孔相、ＣａＯ相、Ｃ_２Ｓ相、Ｃ_２Ｆ相、ＦｅＯ相、及びＦｅ相に割り当てる。なお、Ｆｅ相は存在しない場合がある。図１の例では、輝度範囲Ｙ１～Ｙ５がそれぞれ気孔相、ＣａＯ相、Ｃ_２Ｓ相、Ｃ_２Ｆ相、及びＦｅＯ相に対応するが、Ｆｅ相に対応する輝度範囲は存在しない。したがって、Ｆｅ相は存在しないことになる。

しきい値は、例えば輝度分布グラフの極小値を示す輝度に設定される。図１に示す例では、輝度分布グラフＬ１の極小値にしきい値Ｘ１～Ｘ４が設定されている。しきい値は画像解析ソフトによって自動で設定されてもよいが、作業者が手動でしきい値を設定（調整）してもよい。例えば、極小値が判別しにくい場合、しきい値を手動で設定してもよい。図１の例では、しきい値Ｘ４に対応する極小値は判別しにくいので、しきい値Ｘ４を手動で設定してもよい。

しきい値を手動で設定する場合、例えば、以下の処理が行われる。すなわち、画像解析ソフトは、輝度分布グラフ及びモノクロ画像を表示する。作業者は、輝度分布グラフ及びモノクロ画像を見ながらしきい値を設定する。例えば、画像解析ソフトが上述したバー画像を表示し、作業者の入力操作（例えばマウスを用いたドラッグ操作）に応じてバー画像を移動させてもよい。さらに、画像解析ソフトは、作業者が調整中のしきい値を上限値とする輝度範囲（すなわち、調整対象の輝度範囲）をモノクロ画像中にハイライト表示する。例えば、調整対象の輝度範囲に含まれる画素をハイライト表示（例えば他の画素と異なる色で表示）する。ハイライト表示の一例を図２Ａ～図２Ｅに示す。図２Ａでは、輝度範囲Ｙ１（すなわち気孔相）に相当する画素がハイライト表示されており、図２Ｂでは、輝度範囲Ｙ２（すなわちＣａＯ相）に相当する画素がハイライト表示されており、図２Ｃでは、輝度範囲Ｙ３（すなわちＣ_２Ｓ相）に相当する画素がハイライト表示されており、図２Ｄでは、輝度範囲Ｙ４（すなわちＣ_２Ｆ相）に相当する画素がハイライト表示されており、図２Ｅでは、輝度範囲Ｙ５（すなわちＦｅＯ相）に相当する画素がハイライト表示されている。図中の黒い部分がハイライト表示された部分である。そして、作業者は、鉱物相を識別できた時（例えば、ほぼ同程度の輝度を有する画素が同じ輝度範囲に属した時）の輝度をしきい値とする。

ついで、各鉱物相の面積率（断面組織画像の総面積に対する各鉱物相の面積率）を測定（判別）する。図１の例では、気孔相の面積率が４．３７面積％、ＣａＯ相の面積率が２１．６３面積％、Ｃ_２Ｓ相の面積率が４５．９０面積％、Ｃ_２Ｆ相の面積率が１４．３７面積％、ＦｅＯ相の面積率が１３．７３面積％、Ｆｅ相の面積率が０．００面積％と判別できる。

ついで、作業者は、樹脂埋め研磨サンプルをＥＰＭＡ分析装置で測定することで、Ｆｅ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇのマップデータを取得する。このマップデータは、製鋼スラグ粒子の断面組織内に存在するＦｅ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇの分布（各元素の存在位置等）を示すものである。ＥＰＭＡ分析装置としては、例えば、島津製作所製ＥＰＭＡ－１７２０を用いることができる。ここで、Ｃ_２Ｓ相には、二価のＦｅ及び二価のＭｇが固溶している場合がある。つまり、Ｃ_２Ｓ相では、（Ｃａ，Ｆｅ，Ｍｇ）_２ＳｉＯ_４の化学式で示されるように、二価のＣａの一部が二価のＦｅ及び二価のＭｇで置換されている場合がある。さらに、Ｃ_２Ｆ相には、三価のＡｌが固溶している場合がある。つまり、Ｃ_２Ｆ相では、Ｃａ_２（Ｆｅ，Ａｌ）_２Ｏ_５の化学式で示されるように、三価のＦｅの一部が三価のＡｌで置換されている場合がある。さらに、ＦｅＯ相には、二価のＣａ及び二価のＭｇが固溶している場合がある。つまり、ＦｅＯ相では、（Ｃａ，Ｆｅ，Ｍｇ）Ｏの化学式で示されるように、二価のＦｅの一部が二価のＣａと二価のＭｇに置換している場合がある。なお、ＣａＯ相及びＦｅ相には元素の固溶はないものと考えられる。

ついで、当該マップデータに基づいて、Ｃ_２Ｓ相、Ｃ_２Ｆ相、及びＦｅＯ相の密度を算出する。具体的には、当該マップデータに基づいて、各鉱物相内に存在する酸化物のモル濃度（鉱物相の種類毎の総体積に対するモル濃度）を算出する。つまり、各鉱物相内に存在するＦｅ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇは、酸化物として各鉱物相内に存在すると仮定して、これらの酸化物のモル濃度を算出する。ついで、各酸化物の密度（表１に示される既知の値）をモル濃度で加重平均することで、Ｃ_２Ｓ相、Ｃ_２Ｆ相、及びＦｅＯ相の密度を算出する。なお、実際の算出はＥＰＭＡ分析装置に行わせればよい。図２Ａ～図２Ｅの断面組織画像の例では、各酸化物のモル濃度は以下の表１で示される。したがって、表１の例では、Ｃ_２Ｓ相の密度は３．５１（ｇ／ｃｍ^３）となり、Ｃ_２Ｆ相の密度は３．８９（ｇ／ｃｍ^３）となり、ＦｅＯ相の密度は４．９４（ｇ／ｃｍ^３）となる。ＣａＯ相及びＦｅ相には元素の固溶はないので、これらの密度は既知の値とする。つまり、ＣａＯ相の密度は３．３５（ｇ／ｃｍ^３）であり、Ｆｅ相の密度は７．８７（ｇ／ｃｍ^３）とする。

ついで、各鉱物相の密度に面積率を乗じることで、各鉱物相の含有率（製鋼スラグ粒子の総質量に対する質量％）を算出する。図１及び表１の例では、ＣａＯ相の含有率は２０．２８質量％、Ｃ_２Ｓ相の含有率は４５．０９質量％、Ｃ_２Ｆ相の含有率は１５．６５質量％、ＦｅＯ相の質量％は１８．９８質量％、Ｆｅ相の含有率は０．００質量％と求まる。

ついで、各相の含有率に基づいて、最大鉱物相（すなわち、含有率が最大となる鉱物相）がＣ_２Ｓ相であるＡ型、最大鉱物相がＣ_２Ｆ相とＦｅＯ相との和である（すなわち、（Ｃ_２Ｆ相の含有率とＦｅＯ相の含有率の和が最大となる）Ｂ型、最大鉱物相がＣａＯ相であるＣ型、または最大鉱物相がＦｅ相であるＤ型のいずれかに分類する。図１及び表１の例では、最大鉱物相はＣ_２Ｓ相となるので、Ａ型に分類される。

製鋼スラグ粒子がＡ型またはＤ型に分類される場合、断面組織画像の表層における各鉱物相の含有率に基づいて、さらに分類を細分化する。ここでは、表層を製鋼スラグ粒子の表面から厚み０．１２５ｍｍ以内の領域とした。ここで、表層に着目することとしたのは、表層に存在する鉱物相は、表層よりも内側に存在する鉱物相よりも造粒性や焼結反応に寄与しやすいと考えられるからである。

具体的には、画像解析ソフト及びＥＰＭＡ分析装置を用いて、断面組織画像の表層に対して上記と同様の処理を行う。概略的には、まず、画像解析ソフトを用いて、表層の輝度分布を示す輝度分布グラフを取得する。図３に、輝度分布グラフの一例として輝度分布グラフＬ２を示す。輝度分布グラフの横軸は輝度を示し、縦軸は頻度（横軸の輝度を有する画素の数）を示す。したがって、輝度分布グラフはいわゆるヒストグラムである。輝度２５５が最も高い輝度（すなわち白）を示し、輝度０が最も低い輝度（すなわち黒）を示す。なお、ここでの輝度分布グラフは、着目した１つの製鋼スラグ粒子の表層における輝度分布を示す。

ついで、輝度分布グラフの多値化処理を行う。多値化処理では、輝度分布グラフに複数のしきい値を設定することで、複数の輝度範囲を設定する。図３に示す例では、輝度分布グラフＬ２に４つのしきい値Ｘ１～Ｘ４を設定し、５つの輝度範囲Ｙ１～Ｙ５を設定している。輝度範囲Ｙ１は０～１００、輝度範囲Ｙ２は１０１～１４２、輝度範囲Ｙ３は１４３～１７５、輝度範囲Ｙ４は１７６～２１２、輝度範囲Ｙ５は２１３～２５５となる。これらの情報は、電子計算機のディスプレイに表示される。例えば、輝度分布グラフＬ２の他、しきい値Ｘ１～Ｘ４を示すバー画像Ｘ１１～Ｘ１４がディスプレイに表示される。なお、この例ではバー画像によって輝度範囲を表示することとしたが、輝度範囲を表示する方法はこの例に限られず、例えば輝度分布グラフを輝度範囲毎に異なる色で表示してもよい。しきい値の具体的な設定方法は上記と同様である。

上述したように、各輝度範囲は、輝度の小さい順に気孔相、ＣａＯ相、Ｃ_２Ｓ相、Ｃ_２Ｆ相、ＦｅＯ相、及びＦｅ相に区分される。そこで、作業者は、各輝度範囲を輝度が小さい方から順に気孔相、ＣａＯ相、Ｃ_２Ｓ相、Ｃ_２Ｆ相、ＦｅＯ相、及びＦｅ相に割り当てる。なお、Ｆｅ相は存在しない場合がある。図３の例では、輝度範囲Ｙ１～Ｙ５がそれぞれ気孔相、ＣａＯ相、Ｃ_２Ｓ相、Ｃ_２Ｆ相、及びＦｅＯ相に対応するが、Ｆｅ相に対応する輝度範囲は存在しない。したがって、Ｆｅ相は存在しないことになる。

図４Ａ～図４Ｅは、表層における各鉱物相をハイライト表示した例である。曲線Ｌ１１、Ｌ１２に挟まれた領域（曲線Ｌ１１、Ｌ１２を含む）が表層である。図４Ａでは、輝度範囲Ｙ１（すなわち気孔相）に相当する画素がハイライト表示されており、図４Ｂでは、輝度範囲Ｙ２（すなわちＣａＯ相）に相当する画素がハイライト表示されており、図４Ｃでは、輝度範囲Ｙ３（すなわちＣ_２Ｓ相）に相当する画素がハイライト表示されており、図４Ｄでは、輝度範囲Ｙ４（すなわちＣ_２Ｆ相）に相当する画素がハイライト表示されており、図４Ｅでは、輝度範囲Ｙ５（すなわちＦｅＯ相）に相当する画素がハイライト表示されている。図中の黒い部分がハイライト表示された部分である。

ついで、表層における各鉱物相の面積率（表層の総面積に対する各鉱物相の面積率）を測定する。図４の例では、気孔相の面積率は３．３８面積％、ＣａＯ相の面積率は５２．２３面積％、Ｃ_２Ｓ相の面積率は２４．４９面積％、Ｃ_２Ｆ相の面積率は１５．１２面積％、ＦｅＯ相の面積率は４．７８面積％、Ｆｅ相の面積率は０．００面積％となる。

ついで、表層における各鉱物相の密度を上記と同様の方法で測定する。図４の例では、ＣａＯ相の密度は３．３５（ｇ／ｃｍ_３）となり、Ｃ_２Ｓ相の密度は３．５１（ｇ／ｃｍ^３）となり、Ｃ_２Ｆ相の密度は３．８９（ｇ／ｃｍ^３）となる。ＦｅＯ相の密度は上記と同様に４．９４（ｇ／ｃｍ^３）となり、Ｆｅ相の密度は７．８７（ｇ／ｃｍ^３）となる。

ついで、表層における各鉱物相の含有率を上記と同様の方法で測定する。図４の例では、ＣａＯ相の含有率は５０．９６質量％、Ｃ_２Ｓ相の含有率は２５．０３質量％、Ｃ_２Ｆ相の含有率は１７．１３質量％、ＦｅＯ相の含有率は６．８８質量％、Ｆｅ相の含有率は０．００質量％と求まる。

ついで、Ａ型に属する製鋼スラグ粒子を、表層に存在する最大鉱物相がＣ_２Ｓ相であるＡ１型、またはそれ以外のＡ２型に分類し、Ｄ型に属する製鋼スラグ粒子を、表層に存在する最大鉱物相がＦｅ相であるＤ１型、またはそれ以外のＤ２型に分類する。Ａ２型では、ＣａＯ相が表層の最大鉱物相となることが多い。Ｄ２型では、ＣａＯ相とＦｅＯ相の和が表層の最大鉱物相となることが多い。上述した例では、表層の最大鉱物相がＣａＯ相なので、Ａ２型に分類される。

以上により、本実施形態によれば、製鋼スラグ粒子をＡ１型、Ａ２型、Ｂ型、Ｃ型、Ｄ１型、及びＤ２型のいずれかに分類する。したがって、製鋼スラグ粒子を造粒性あるいは反応性の観点から適切に分類することができる。そして、後述するように、このような分類に基づいて造粒方法を決定することで、焼結鉱の強度を安定して高めることが可能となる。

なお、以上の処理は作業者が画像解析ソフト及びＥＰＭＡ分析装置を用いて行うが、電子計算機等を用いてすべて自動的に行ってもよい。

＜３．焼結鉱の造粒方法＞
つぎに、本実施形態に係る焼結鉱の造粒方法を説明する。本実施形態に係る焼結鉱の造粒方法は、概略的には、配合の対象となる製鋼スラグから複数の製鋼スラグ粒子をサンプリングし、サンプリングされた複数の製鋼スラグ粒子を上述した製鋼スラグ粒子の分類方法に基づいて分類する。そして、各分類に属する製鋼スラグ粒子の比率に基づいて、製鋼スラグを前添加法または後添加法で造粒する。

作業者は、具体的には以下の処理を行う。配合の対象となる製鋼スラグから複数の製鋼スラグ粒子をサンプリングし、サンプリングされた複数の製鋼スラグ粒子を上述した製鋼スラグ粒子の分類方法に基づいて分類する。ついで、各分類に属する製鋼スラグ粒子の個数比率（サンプリングされた製鋼スラグ粒子の総数に対する個数比率）と、以下の数式（１）とに基づいて、製鋼スラグの反応率Ｒ（％）を求める。なお、ここでは個数比率を用いて反応率Ｒを求めたが、他の比率、例えば質量比率を用いて反応率Ｒを求めてもよい。

Ｒ＝４５．７Ｎ_Ａ１＋７８．３Ｎ_Ａ２＋５５．３Ｎ_Ｂ＋７８．３Ｎ_Ｃ＋１２．８Ｎ_Ｄ１＋３９．５Ｎ_Ｄ２（１）
数式（１）において、Ｎ_Ａ１はＡ１型に属する製鋼スラグ粒子の個数比率であり、Ｎ_Ａ２はＡ２型に属する製鋼スラグ粒子の個数比率であり、Ｎ_ＢはＢ型に属する製鋼スラグ粒子の個数比率であり、Ｎ_ＣはＣ型に属する製鋼スラグ粒子の個数比率であり、Ｎ_Ｄ１はＤ１型に属する製鋼スラグ粒子の個数比率であり、Ｎ_Ｄ２はＤ２型に属する製鋼スラグ粒子の個数比率である。

ここで、数式（１）の各個数比率に乗じられる反応係数Ｋ_ｉ（例えば個数比率Ｎ_Ａ１に乗じられる４５．７）の導出方法について説明する。反応係数Ｋ_ｉは、概略的には、各分類に属する製鋼スラグ粒子の表層（粒子表面から０．１２５ｍｍまでの範囲）に存在する化学成分がこれに被覆するＦｅ_２Ｏ_３と反応すると仮定して、熱力学平衡計算によって導出した１２５０℃における液相率である。

反応係数Ｋ_ｉは、具体的には、以下の方法で導出する。
まず、製鋼スラグ粒子の表層の化学成分を求める。すでに、前述に示した方法によって、各分類の個数比率が判っている。各分類の化学成分を表２（上段）に示す組成で代表とする。両者より、製鋼スラグの表層における化学成分が算出できる。

ついで、焼結過程におけるスラグ近傍の溶融に関与する組成を推定する。ここでは、スラグ表面と当質量の鉄鉱石（Ｆｅ_２Ｏ_３）が反応に寄与すると仮定する。それによって、溶融に関与するスラグ近傍の組成を決定する。そして、この化学成分値（表２、Ｆｅ_２Ｏ_３は表２の最下段の数値）を熱力学平衡計算ソフト（計算力学研究センター社製ＦａｃｔＳａｇｅ）に入力し、１２５０℃における液相率、すなわち反応係数Ｋ_ｉを導出する。

数式（１）から導出される反応率Ｒは、他の焼結用原料、特に鉄系原料（すなわち、鉄鉱石等の酸化鉄）との反応のしやすさを示すパラメータであり、反応率Ｒが大きいほど製鋼スラグが鉄系原料と反応しやすいと言える。数式（１）によれば、分類Ａ２、Ｃに対応する反応係数が大きい。分類Ａ２、Ｃに属する製鋼スラグ粒子には鉄系原料と反応しやすいＣａＯ相が多く含まれるからである。

ついで、反応率Ｒが６０以上１００以下の範囲内であれば、製鋼スラグを前添加法で造粒し、反応率Ｒが０以上６０未満の範囲内であれば、製鋼スラグを後添加法で造粒する。ここで、前添加法は、製鋼スラグを他の焼結用原料と一括して配合し、造粒する造粒方法である。造粒の方法は特に問われないが、例えばドラムミキサーで造粒する方法が挙げられる。造粒物はベルトコンベア等でサージホッパー（焼結機のパレットに原料を装入するホッパー）に搬送される。したがって、反応率Ｒの高い製鋼スラグは、副原料として使用される。

一方、後添加法は、他の焼結用原料の造粒工程の後半、あるいは他の焼結用原料の造粒物に製鋼スラグを配合する造粒方法である。例えば、他の焼結用原料をドラムミキサーで造粒する場合、造粒の残り数十秒の段階でドラムミキサーに製鋼スラグ粒子を投入する。あるいは、ドラムミキサーから排出された造粒物がベルトコンベア等で搬送される際に、製鋼スラグを造粒物に払い出す。この場合、製鋼スラグは単に造粒物に積層された状態となる。製鋼スラグ及び造粒物は、サージホッパーに搬送され、サージホッパー内で混合される。このように、後添加法では、製鋼スラグを他の焼結用原料とほとんど造粒しない。したがって、製鋼スラグ粒子は他の焼結用原料とほとんど接触せず、他の焼結用原料から露出することになる。したがって、焼結工程において製鋼スラグ中のＦｅまたはＦｅＯの酸化発熱を促すことができる。すなわち、この場合、製鋼スラグを主に熱源として使用する。製鋼スラグの反応率Ｒが悪いので、製鋼スラグを副原料として使用するとかえって焼結鉱の強度等が低下すると考えられるからである。後述する実施例で示される通り、反応率Ｒによって添加法を変えることで、焼結鉱の強度を安定して高めることが可能となる。

つぎに、本実施形態の実施例について説明する。本実施例では、本実施形態の効果を確認するために、以下の試験を行った。

＜１．製鋼スラグの準備＞
製鋼スラグとして、各分類に属する製鋼スラグ粒子を以下の表３で示す個数比率で有する脱Ｓスラグ、脱Ｃスラグ、及び磁選スラグを準備した。なお、製鋼スラグ粒子の分類は上述した実施形態で説明した方法に沿って行った。また、脱Ｓスラグ、脱Ｃスラグ、及び磁選スラグの反応率Ｒを上述した実施形態で説明した方法で算出したところ、それぞれ６１．９％、５５．６％、３８．４％であった。

＜２．造粒＞
製鋼スラグを前添加法または後添加法で造粒した。前添加法では、製鋼スラグ及び他の焼結用原料をドラムミキサーに投入し、混合１分、造粒３分で造粒した。また、造粒中のドラムミキサーには、造粒物に水分が６．８質量％（外数）で含まれるように水分を投入した。後添加法では、他の焼結用原料をドラムミキサーに投入し、混合１分、造粒３分で造粒した。また、造粒中のドラムミキサーには、造粒物に水分が６．８質量％（外数）で含まれるように水分を投入した。造粒終了の２０秒前にドラムミキサーに製鋼スラグ粒子を投入し、他の焼結用原料とともに短時間造粒した。以上の造粒工程を製鋼スラグの種類毎に行った。

製鋼スラグ及び他の焼結用原料の配合比を表４に示す。表４中の各数値は、返鉱及びコークスを除く配合原料の総質量に対する質量％である。新原料の項目は配合原料の質量％（＝１００質量％）に外数の質量％を加算した値である。表４から明らかな通り、製鋼スラグの種類毎に配合比を調整した。

＜３．鍋試験＞
上述した造粒工程で作製された造粒物を用いて鍋試験を行った。具体的には、鍋試験装置の試験鍋（内径３００ｍｍ）に約１．５ｋｇの床敷鉱を投入した。ついで、配合原料の造粒物を層厚６００ｍｍで試験鍋に装入した。ついで、原料充填層の表面を９０秒間点火した後、吸引負圧１５００ｍｍＡｑで試験鍋内の空気を吸引した。試験鍋の底面はメッシュ状となっており、ブロワが連結されている。そして、吸引ガス温度をモニタリングし、吸引ガス温度が最大となった時点を焼結終了（バーンスルー）時点とした。

ついで、焼結鉱の強度ＳＩをＪＩＳＭ８７１１（２０１１）に準拠して評価した。具体的には、鍋試験で得られたシンターケーキを２ｍの高さから５回落下させてシンターケーキを粉砕した。粉砕後のシンターケーキ、すなわち焼結鉱を目開き５ｍｍ、１０ｍｍ、２５ｍｍの篩にかけ、粒径５ｍｍ以上を成品とした。これらの成品焼結鉱のうち、粒径が１０ｍｍ以上２５ｍｍ未満のものを１０ｋｇ採取し、２ｍの高さから４回落下させ、焼結鉱を粉砕した。粉砕後の焼結鉱を目開き５ｍｍ、１０ｍｍの篩にかけ、粒径が１０ｍｍ以上となった焼結鉱の質量％（１０ｋｇに対する質量％）を焼結鉱の強度（落下強度）とした。

＜４．考察＞
図５に製鋼スラグの種類及び添加法と焼結鉱の強度との関係を示す。反応率Ｒが６０以上となる脱Ｓスラグでは、前添加法によって作製された焼結鉱の強度が後添加法によって作製された焼結鉱の強度よりも大きくなった。したがって、反応率Ｒが６０以上となる場合、製鋼スラグを副原料として使用した方が好ましいことがわかる。一方、反応率Ｒが０以上６０未満となる脱Ｃスラグ及び磁選スラグでは、後添加法によって作製された焼結鉱の強度が前添加法によって作製された焼結鉱の強度よりも大きくなった。したがって、反応率Ｒが６０未満となる場合、製鋼スラグを副原料ではなく、熱源として使用した方が好ましいことがわかる。

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。

Ｌ１、Ｌ２輝度分布グラフ
Ｘ１～Ｘ４しきい値

Claims

配合の対象となる製鋼スラグから複数の製鋼スラグ粒子をサンプリングし、サンプリングされた複数の製鋼スラグ粒子を、前記製鋼スラグ粒子を構成するＣａ _２ＳｉＯ _４相、Ｃａ _２Ｆｅ _２Ｏ _５相、ＦｅＯ相、ＣａＯ相、及びＦｅ相の含有率に基づいて、
最大鉱物相がＣａ _２ＳｉＯ _４相であるＡ型、
最大鉱物相がＣａ _２Ｆｅ _２Ｏ _５相とＦｅＯ相との和であるＢ型、
最大鉱物相がＣａＯ相であるＣ型、または、
最大鉱物相がＦｅ相であるＤ型のいずれかに分類し、
さらに、前記Ａ型に属する製鋼スラグ粒子を、粒子表面から厚み０．１２５ｍｍ以内の表層に存在する最大鉱物相がＣａ _２ＳｉＯ _４相であるＡ１型、またはそれ以外のＡ２型に分類し、
前記Ｄ型に属する製鋼スラグ粒子を、粒子表面から厚み０．１２５ｍｍ以内の表層に存在する最大鉱物相がＦｅ相であるＤ１型、またはそれ以外のＤ２型に分類し、各分類に属する前記製鋼スラグ粒子の個数の比と、以下の数式（１）とに基づいて、前記製鋼スラグの反応率Ｒ（％）を求め、
Ｒ＝４５．７Ｎ_Ａ１＋７８．３Ｎ_Ａ２＋５５．３Ｎ_Ｂ＋７８．３Ｎ_Ｃ＋１２．８Ｎ_Ｄ１＋３９．５Ｎ_Ｄ２（１）
前記数式（１）において、Ｎ_Ａ１はＡ１型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_Ａ２はＡ２型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_ＢはＢ型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_ＣはＣ型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_Ｄ１はＤ１型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、Ｎ_Ｄ２はＤ２型に属する製鋼スラグ粒子の個数の比であり、
前記製鋼スラグ粒子の個数の比は、サンプリングされた製鋼スラグ粒子の総数に対する個数の比であり、
前記反応率Ｒが６０以上１００以下の範囲内であれば、前記製鋼スラグを前添加法で造粒し、
前記反応率Ｒが０以上６０未満の範囲内であれば、前記製鋼スラグを後添加法で造粒することを特徴とする、焼結用原料の造粒方法。