JPWO2016208434A1 - フェロコークス用成型物の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】特別な設備投資を行うことなく、高強度のフェロコークス用成型物を操業トラブルを招くことなく有利に製造できるフェロコークス用成型物の製造方法を提供する。【解決手段】石炭、鉄源原料及び軟化点が150℃以上の高軟化点バインダーならびに軟化点が150℃未満の低軟化点バインダーからなる混合原料を成型してフェロコークス用成型物を製造する方法において、前記鉄源原料もしくは高軟化点バインダーの少なくともいずれか一方を、予め高軟化点バインダーの軟化点よりも20℃低い温度以上の温度に加熱してから混合成型する。【選択図】図6

Description

本発明は、石炭および鉄源原料をバインダーを用いて成型してフェロコークス用成型物を製造するフェロコークス用成型物の製造方法に関する。
近年、国内外において炭酸ガス排出量の削減の必要性が叫ばれている。製鉄業は炭酸ガス排出量が格段に多く、日本国内の炭酸ガス排出量のうち鉄鋼が占める割合は約12%とされている(非特許文献1)。
鉄鉱石を炭素で還元して銑鉄を製造する高炉からの炭酸ガス排出量は、製鉄工場の中でも特に高いと言われている。そこで最近、高炉では低還元材比操業によって炭酸ガス排出量を低減させる努力が払われている。即ち、室炉コークスの一部代替となる石炭と鉄鉱石との混合物を成型し乾留して得られるフェロコークスの使用が注目されている。フェロコークスの製造方法としては、原料となる成型物を専用のシャフト炉を用いて乾留する方法が主流である。この方法は、シャフト炉へ成型物を直接投入することになるため、安定したフェロコークスを製造するためには、高強度の成型物にすることが必須条件となる。
このように、フェロコークス用成型物強度を向上させるための検討が、従来から様々に行われている。例えば、バインダーを添加して成型するケースでは、高軟化点バインダーと低軟化点バインダーとを配合する方法(特許文献1)、高軟化点バインダー(固形)と低軟化点バインダー(液体)とを原料添加前に事前に混合する方法(特許文献2)、混練温度を低下させ、低軟化点バインダーの粘性を高める方法(特許文献3)などが開示されている。
特許第4853090号明細書 特許第5017967号明細書 特許第5017966号明細書
日本国温室効果ガスインベントリ報告書 2014年、p.35
特許文献1では、石炭、鉄源原料、軟化点が150℃以上の高軟化点バインダー、及び軟化点が150℃未満の低軟化点バインダーを含む原料を120℃〜240℃の範囲で加熱しながら撹拌する方法を提案している。この方法は、高軟化点バインダーおよび低軟化点バインダーの両方を添加することで両者の相互作用によって成型物の強度を向上させる点に特徴がある。この方法は簡便であるが、高軟化点バインダーおよび低軟化点バインダーの両方を用いることの効果が小さいという問題がある。
これに対し、特許文献2では、低軟化点バインダーを溶解させた後、両者を事前に混合するため両者の相互作用は大きくなる。しかし、この方法では低軟化点バインダーに対して高軟化点バインダー(固形物)が添加されるため固体体積率が上昇することに加え、両者が若干溶け合うため粘性が大幅に上昇する。その結果として、両者の混合物を送り込むためのギアポンプの搬送能力を大幅に向上させる必要が生じる。また、ギアポンプの搬送能力を向上させたとしても、ポンプ内部の歯車の磨耗が早くなりポンプ交換の頻度が高まり、あるいは、搬送過程における配管内の詰まりなどの操業トラブルが発生しやすくなる。
特許文献3は、原料粒子内部への低軟化点バインダーの浸透を抑制し低軟化点バインダーの添加効果を上昇させる、混練温度を低下させる方法が記載されているが、この方法では、低軟化点バインダーの粘性上昇に伴い特許文献2と同様に混練機へバインダーを送り込むポンプの搬送能力を向上させる必要がある。
そこで、本発明の目的は、特別な設備投資を行なうことなく、高強度のフェロコークス用成型物を操業トラブルを招くことなく有利に製造できるフェロコークス用成型物の製造方法を提案することにある。
前述した従来技術が抱えている課題について鋭意検討を重ねた結果、発明者らは、事前に加熱した鉄鉱石と高軟化点バインダーとを、または、鉄鉱石と事前に加熱した高軟化点バインダーとを、好ましくは同時に混練機へ投入することによって、混練機内で高軟化点バインダーを容易に溶解させることにより、特別な設備投資を行なうことなく、低軟化点バインダーとの円滑な相互作用を引き出すことによって、フェロコークス用成型物の強度の向上を図ることができることを突き止めて、本発明を開発するに到った。
即ち、本発明は、石炭、鉄源原料及び軟化点が150℃以上の高軟化点バインダーならびに軟化点が150℃未満の低軟化点バインダーからなる混合原料を成型してフェロコークス用成型物を製造する方法において、前記鉄源原料もしくは高軟化点バインダーの少なくともいずれか一方を、予め高軟化点バインダーの軟化点よりも20℃低い温度以上の温度に加熱してから混合成型することを特徴とするフェロコークス用成型物の製造方法にある。
なお、前記のように構成される本発明に係るフェロコークス用成型物の製造方法においては、
(1)前記鉄源原料として平均粒径が2.0mm以下の鉄源粒子を用い、前記鉄源原料を高軟化点バインダーの軟化点の20℃低い温度以上に加熱してから高軟化点バインダーと混合させ、その後更に軟化点が150℃未満の低軟化点バインダーと混合させた混合原料を成型する、こと、
(2)前記鉄源原料として平均粒径が2.0mm以下の鉄源粒子を用い、前記高軟化点バインダーを高軟化点バインダーの軟化点の20℃低い温度以上に加熱してから鉄源原料と混合させ、その後更に軟化点が150℃未満の低軟化点バインダーと混合させた混合原料を成型する、こと、
(3)前記鉄源原料と前記高軟化点バインダーとを同時に混練機に投入すること、
(4)前記鉄源原料または前記高軟化点バインダーを高軟化点バインダーの軟化点より10℃高い温度以下に加熱すること、
(5)前記鉄源原料の平均粒径が0.58〜1.64mmであること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。
前述のように構成することで、本発明によれば、鉄鉱石の粒度調整と高軟化点バインダーの融点より20℃低い温度以上に鉄鉱石または高軟化点バインダーを事前昇温し、加熱された鉄鉱石または高軟化点バインダーを、または、加熱された高軟化点バインダーと鉄鉱石を、好ましくは同時に混練機へ投入することにより、特別な設備を設置することなく高強度な成型物を製造することが可能となる。
成型物強度と高軟化点バインダーの加熱温度との関係を示すグラフである。 軟化点180℃の高軟化点バインダー使用時の成型物強度と鉄鉱石加熱温度との関係を示すグラフである。 軟化点160℃の高軟化点バインダー使用時の成型物強度と鉄鉱石加熱温度との関係を示すグラフである。 石炭加熱用のガス中酸素濃度および乾燥中の石炭温度と成型物強度との関係を示すグラフである。 成型物強度と鉄鉱石平均粒径との関係を示すグラフである。 成型物強度と鉄鉱石温度との関係を示すグラフである。
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、石炭、鉄源原料及びバインダーを含む原料を成型してフェロコークス用成型物を製造する方法において、高軟化点バインダーを事前に軟化点近くまで加熱した後に混練機中の原料へ投入し、低軟化点バインダーを添加して混練すると、混練物の成型物強度が上昇することを見出した。また、高軟化点バインダーを加熱する代わりに高軟化点バインダーの軟化点以上に加熱しても安全上、品質上問題とならない鉄鉱石を加熱し、混練機へ石炭を投入後に鉄鉱石と高軟化点バインダーとを好ましくは同時に混練機へ投入し、低軟化点バインダーを添加する手法を用いれば、成型物強度が上昇することを見出した。これらより本発明を完成させた。ここで、バインダーの軟化点は環球法(JIS K 2425)で測定することができる。
以下、本発明のフェロコークス用成型物の製造方法で用いる各構成部材について説明するとともに、それらの各構成部材と成型物強度との関係について説明する。
本発明で使用した石炭の性状は、平均最大反射率Ro(JIS M 8816)が1.3%、灰分(JIS M 8812)が9.3mass%である。鉄源原料としての鉄鉱石の性状は、全鉄含有率57.1mass%(JIS M 8212)である。高軟化点バインダーとして、石油系のピッチで軟化点が180℃(揮発分38mass%)または160℃(揮発分45mass%)のものを用いた。低軟化点バインダーとして、軟化点が40℃の石炭系軟ピッチを用いた。石炭、鉄鉱石、高軟化点バインダー、低軟化点バインダーの配合率は、各々66.5mass%、28.5mass%、2mass%、3mass%とした。粒度調整は、石炭では全量2.8mm以下、鉄鉱石では全量3mm以下(平均粒径1.04mm。平均粒径は各篩いの残留率と隣り合う篩い目サイズの平均値との積の総和から算出。)、高軟化点バインダーでは全量1mm以下となるように粉砕した。高軟化点バインダーの粉砕後の水分は0.3%だった。
ここで、鉄源原料としたのは、主要な鉄源原料は鉄鉱石であるが、鉄鉱石だけでなく製鉄ダストなどのその他の鉄源原料の使用をも考慮したものである。また、高軟化点バインダーとしては、ASP(アスファルトピッチ)などを使用でき、低軟化度バインダーとしては、SOP(軟ピッチ)、PDA(プロパン脱瀝アスファルト)などを用いることができる。
本発明で使用した混練機は、有効容積75Lの高速攪拌型ミキサーを用いた。成型機は、ロールのサイズが650mmφX104mmのダブルロール型成型機である。ロールへの原料供給は重力装入により行い、2つのロール間の上部に設けた調整板の上下運動により原料のロールへの流れ込み量を調整し、成型圧力の調整を行った。ロールの周速は0.2m/s、線圧は4〜5t/cmとして成型した。成型物のサイズは30mmX25mmX18mm(6cc)で形状は卵型である。
成型物の強度はI型ドラム試験装置(内径130mm×700mmの円筒状)を用いて、1分間に20回転の回転速度で30回転させた後の16mm以上の残存率により強度評価を行った(ID強度30/16)。
次に、本発明の製造方法のうち、高軟化点バインダーを事前加熱した場合の、高軟化点バインダー加熱温度と成型物強度との関係を調べた。原料の乾燥および加熱は以下のように行った。粉砕した石炭は酸素濃度1%の雰囲気で150℃まで加熱した。鉄鉱石は空気雰囲気で150℃まで加熱した。所定量の両者を混練機内へ投入した。次に混練機の主軸回転羽根を回転させながら、160℃(高軟化点バインダーの軟化点より20℃低温)、170℃(10℃低温)、180℃(同温度)、190℃(10℃高温)の4つの温度水準に加熱させた高軟化点バインダーを直ちに混練機へ投入した。高軟化点バインダーとして軟化点180℃のバインダーを用いた。そして160℃まで加熱させた低軟化点バインダーを所定量添加して混練した。低軟化点バインダー添加から排出までの時間を90秒とし、混練終了後に混練機より混練物を排出した。混練機排出温度は170〜175℃だった。混練物は直ちにダブルロール型成型機へ投入しブリケットを製造した。
図1に成型物強度に及ぼす高軟化点バインダーの加熱温度の影響を示す。高軟化点バインダーの加熱温度を上昇させるほど成型物強度は上昇した。混練物の温度はいずれも高軟化点バインダーの軟化点以下ではあった。しかし、一度軟化点程度またはそれ以上の温度に高軟化点バインダーを加熱させておくと、高軟化点バインダーがやや軟化するため、低軟化点バインダーとの混合時に高軟化点バインダーの膨潤または溶解が促進され、両バインダーの相互作用が大きくなり、バインダーの機能が向上したものと推察される。
低軟化点バインダーを溶解させ(試験装置の制約で120℃)、溶解した低軟化点バインダー重量に対し33mass%の高軟化点バインダーを添加して熱濾過した。濾液を高周波誘導結合プラズマ(ICP)分析すると、低軟化点バインダーには含有されていないが高軟化点バインダーの成分であるニッケル金属が濾液から検出された。低軟化点バインダーへ高軟化点バインダーの成分が溶出していることが明確となった。本分析では低軟化点バインダー温度は低いが、高軟化点バインダーおよび低軟化点バインダーの混合温度を上昇させるほど高軟化点バインダーの溶解が進行すると考えられる。このため図1に示す高軟化点バインダーの加熱温度を上昇させるほど成型物強度は上昇したと考えられる。
次に、高軟化点バインダーを事前に加熱するのではなく、空気中で高温に加熱しても性状変化のない鉄鉱石を160℃(高軟化点バインダーの軟化点より20℃低温)、170℃(10℃低温)、180℃(同温度)、190℃(10℃高温)、200℃(20℃高温)の5つの温度水準に加熱した。高軟化点バインダーとして軟化点180℃のバインダーを用いた。所定温度に加熱した鉄鉱石へ所定重量の高軟化点バインダーを30秒間混合し、予め150℃に加熱した石炭原料をとともに混練機へ投入した。直ちに軟ピッチを所定重量添加し混練した。低軟化点バインダー添加から排出までの時間を90秒とし、混練終了後に混練機より混練物を排出した。混練物排出温度は170〜175℃だった。
図2に成型物強度に及ぼす鉄鉱石加熱温度の影響を示す。鉄鉱石加熱温度を上昇させると成型物強度は上昇した。混練物排出温度が170〜175℃では、低軟化点バインダーの粘性は変わらないので、低軟化点バインダーの分散性に違いはないと考えられる。鉄鉱石温度を上昇させることにより鉄鉱石と事前混合された高軟化点バインダーの温度が上昇し、低軟化点バインダーとの混合時に高軟化点バインダーの膨潤または溶解が促進され、両バインダーの相互作用が大きくなり、バインダーの機能が向上したものと推察される。成型物強度の目標値は85とすると、鉄鉱石加熱温度は高軟化点バインダーの軟化点より20℃低温の温度以上には加熱する必要があることがわかった。
高軟化点バインダーを軟化点180℃から160℃の石油系バインダーへ変更して試験を行った。鉄鉱石を140℃(高軟化点バインダーの軟化点より20℃低温)、150℃(10℃低温)、160℃(同温度)、170℃(10℃高温)、180℃(20℃高温)の5つの温度水準に加熱した。混練機排出温度は155〜160℃だった。図3に成型物強度に及ぼす鉄鉱石加熱温度の影響を示す。混練物の排出温度は高軟化点バインダーの軟化点よりやや低かったが、図2と同様に鉄鉱石加熱温度を上昇させると成型物強度は上昇した。高軟化点バインダーの軟化点より20℃低温まで加熱した鉄鉱石を用いると成型物強度は低下するが目標の成型物強度(ID強度30/16)が85以上を保持することがわかった。軟化点160℃のバインダーを使用するケースにおいても軟化点並みかそれ以上に加熱した鉄鉱石とバインダーを混合することにより高軟化点バインダーと低軟化点バインダーとの相互作用が上昇したと考えられる。
図2では鉄鉱石の加熱を行うことにより間接的に高軟化点バインダーの加熱を行った。そこで、鉄鉱石の代わりに石炭の加熱を行った。図4に石炭加熱用のガス中酸素濃度および乾燥中の石炭温度と成型物強度との関係を示す。加熱時間は30分とした。加熱ガスには窒素と酸素の混合ガスを用いた。石炭温度150℃では酸素濃度が5%までであれば、成型物強度は目標の85以上を保持できる。しかし、石炭温度が160℃以上では酸素濃度2%で目標の成型物強度を下回ることがわかった。酸素濃度と石炭温度が上昇すると成型物強度が低下するのは、この加熱処理により石炭表面が酸化され、石炭の表面が酸化されるとバインダーと石炭との濡れ性が低下するため、バインダーによる石炭の接着機能が失われると推察される。実プロセスでは酸素濃度を2%以下で常に保持するのは困難なため、鉄鉱石または高軟化点バインダーを加熱する方が望ましい。
高温の鉄鉱石から高軟化点バインダーへ熱伝達させる場合、短時間での伝熱を考える必要があり下記の伝導伝熱式(1)のk・A/r[J/s/K]の値が重要になると考えられる。
Q=(K・A/r)・ΔT=k・(6・w/ρ/D)/r・ΔT (1)
Q:伝熱速度[J/s]、k:熱伝導率[J/s/m/K]、A:鉄鉱石単位重量あたりの面積[m2]、r:高軟化点バインダーの半径[m]、ΔT:鉄鉱石と高軟化点バインダーの温度差、w:鉄鉱石の重量[kg]、ρ:鉄鉱石の密度[kg/m3]、D:鉄鉱石の直径[m]。
(1)式より伝熱速度は鉄鉱石直径の上昇に対し1次で低下し、鉄鉱石直径の上昇は短時間での昇温に不利となることが予想される。そこで、鉄鉱石の粉砕粒度を変更して混練および成型試験を実施した。鉱石平均粒径として0.42〜2.17mmの中で粒度の異なる8水準の試験を行った。表1に使用した篩目(JIS)と各粒度構成を示す。予め150℃に加熱した石炭を混練機に投入し、混練機の主軸回転羽根を低速で攪拌しながら、高軟化点バインダーの軟化点に加熱した鉄鉱石と軟化点180℃の高軟化点バインダーを同時に混練機へ投入した。投入完了後、直ちに低軟化点バインダーを所定量添加し、90秒攪拌後、混練機より排出して成型を行った(Aのケース)。試験対照として鉄鉱石とバインダーおよび鉄鉱石を別々に180℃まで加熱し混練機へ投入するケースも試験した(Bのケース)。
Figure 2016208434
予め150℃に加熱した石炭を混練機に投入し、混練機の主軸回転羽根を低速で攪拌しながら、高軟化点バインダーの軟化点に加熱した鉄鉱石と軟化点180℃の高軟化点バインダーを同時に混練機へ投入した。投入完了後、直ちに低軟化点バインダーを所定量添加し、90秒攪拌後、混練機より排出して成型を行った(Aのケース)。試験対照として鉄鉱石とバインダーおよび鉄鉱石を別々に180℃まで加熱し混練機へ投入するケースも試験した(Bのケース)。
図5に成型物強度と鉄鉱石平均粒径との関係を示す。試験対照の結果も示す。Bのケースでは、鉄鉱石の平均粒径が1.26mmまででは平均粒径が大きくなるほど成型物強度は上昇した。1.26mm以上ではやや低下傾向を示した。これに対し、Aのケースでは、鉄鉱石の平均粒径が1.64mm以上で成型物強度が大幅に低下し、Bのケースとの差が大きくなった。Bのケースが純粋に成型物強度に及ぼす鉄鉱石平均粒径の影響であると考えると、鉄鉱石の平均粒径が1.64mm以上でAとBのケースで強度差が大きくなったのは、高軟化点バインダーの昇温が少なく、低軟化点バインダーとの相互作用が小さくなったためではないかと考えられる。
図5の結果から、本発明において鉄鉱石の平均粒径は2mm以下であることが必要であることがわかる。また、平均粒径が0.42mmと細かい場合、鉄鉱石粒子群のトータルの外表面積が大きくなりその外表面をバインダーが覆うこととなりバインダー量が不足することで、強度が落ちることがあり、鉄鉱石の平均粒径は高軟化点バインダーの加熱の面からは2mm以下で問題ないが、0.58〜1.64mmが好ましいこともわかる。
この実施例では、混練機として有効容積375Lの高速攪拌型ミキサーを用いた。成型機は、ロールのサイズが715mmφX424mmのダブルロール型成型機である。ロールへの原料供給は重力装入により行い、2つのロール間の上部に設けた調整板の上下運動により原料のロールへの流れ込み量を調整し、成型圧力の調整を行った。ロールの周速は0.2m/s、線圧は3〜4t/cmとして成型した。成型物のサイズは30mmX25mmX18mm(6cc)で形状は卵型である。石炭、鉄鉱石、高軟化点バインダー、低軟化点バインダーの配合率は、それぞれ全原料重量に対し65.8mass%、28.2mass%、2mass%、3mass%とした。石炭の粒度は全量2.8mm以下、石炭の乾燥加熱には間接加熱型のキルンを鉄鉱石には直接加熱型のキルンを用いた。キルン出口の石炭温度は150℃で混練機投入前は148℃である。キルン内の雰囲気酸素濃度は0.8%で行った。キルン入口から混練機からの排出までの時間が約30分となるようにキルンの回転数およびキルン内を流通する加熱ガス流量を決定した。
混練機投入前の鉄鉱石温度は、150℃(高軟化点バインダー軟化点の30℃低温)、160℃(20℃低温)、170℃(10℃低温)、180℃(同温度)、190℃(10℃高温)、200℃(20℃高温)、210℃(30℃高温)の7つの温度水準に加熱した。高軟化点バインダーとして軟化点180℃のバインダーを用いた。鉄鉱石平均粒径は1.04mmで行った。鉄鉱石と低軟化点バインダーの添加終了後、低軟化点バインダーを投入し90秒間混練した。混練終了後、ただちに成型を行った。図6に成型物強度と鉄鉱石温度との関係を示す。鉄鉱石加熱温度が160℃(高軟化点バインダー軟化点の20℃低温)以上で目標の成型物強度を上回ることを確認した。
本発明のフェロコークス用成型物の製造方法によれば、特別な設備を設置することなく高強度な成型物を製造することが可能となり、フェロコークスを製造する際に用いる成型物として好適な高強度の成型物を提供することができる。

Claims (6)

  1. 石炭、鉄源原料及び軟化点が150℃以上の高軟化点バインダーならびに軟化点が150℃未満の低軟化点バインダーからなる混合原料を成型してフェロコークス用成型物を製造する方法において、
    前記鉄源原料もしくは高軟化点バインダーの少なくともいずれか一方を、予め高軟化点バインダーの軟化点よりも20℃低い温度以上の温度に加熱してから混合成型することを特徴とするフェロコークス用成型物の製造方法。
  2. 前記鉄源原料として平均粒径が2.0mm以下の鉄源粒子を用い、
    前記鉄源原料を高軟化点バインダーの軟化点の20℃低い温度以上に加熱してから高軟化点バインダーと混合させ、その後更に軟化点が150℃未満の低軟化点バインダーと混合させた混合原料を成型する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のフェロコークス用成型物の製造方法。
  3. 前記鉄源原料として平均粒径が2.0mm以下の鉄源粒子を用い、
    前記高軟化点バインダーを高軟化点バインダーの軟化点の20℃低い温度以上に加熱してから鉄源原料と混合させ、その後更に軟化点が150℃未満の低軟化点バインダーと混合させた混合原料を成型する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のフェロコークス用成型物の製造方法。
  4. 前記鉄源原料と前記高軟化点バインダーとを同時に混練機に投入することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフェロコークス用成型物の製造方法。
  5. 前記鉄源原料または前記高軟化点バインダーを高軟化点バインダーの軟化点より10℃高い温度以下に加熱することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のフェロコークス用成型物の製造方法。
  6. 前記鉄源原料の平均粒径が0.58〜1.64mmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のフェロコークス用成型物の製造方法。
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