JP2005344181A - 炭材内装塊成化物およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉、キューポラなどの竪型炉内で加熱された際に爆裂を確実に防止できる炭材内装塊成化物およびその製造方法を提供する。
【解決手段】粉状鉄含有原料と粉状炭材との混合物からなり、かつε_W／ε_C≧０．８（ε_W：炭材内装塊成化物の中心から半径の１／２の位置までの平均気孔率、ε_c：炭材内装塊成化物の半径の１／２の位置から表面までの平均気孔率である。）を満たす炭材内装塊成化物である。この炭材内塊成化物Ｄは、粉状鉄鉱石Ｂを４００〜８００℃に加熱するとともに、軟化溶融性を有する炭材Ａを別途２５０℃未満で乾燥し、両者を混合して２５０〜５５０℃の混合物Ｃとし、この混合物Ｃを混合後２０ｍｉｎ以内に熱間成形することにより製造することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料として用いることができる炭材内装塊成化物およびその製造方法に関する。

本発明者らは、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料として用いることを目的として、粉鉱石と粘結炭の混合物を熱間成形することにより、従来の炭材内装コールドペレット等のようにセメントなどのバインダを添加せずとも高強度が得られる炭材内装塊成化物を開発した。

そして、このような炭材内装塊成化物は、例えば図１に示すように、粉状鉄鉱石Ｂをロータリキルン２で４００〜８００℃に加熱するとともに、軟化溶融性を有する粉状炭材Ａを別途ロータリドライヤ１で軟化溶融が起こらない２５０℃未満の温度で乾燥したのち、この粉状炭材Ａと粉状鉄鉱石Ｂとを二軸型のミキサ３で混合して粉状炭材Ａが軟化溶融する温度である２５０〜５５０℃の混合物Ｃとし、この混合物Ｃを双ロール型成形機４で熱間成形することにより製造できることを開示した（特許文献１，２参照）。

しかしながら、上記方法により製造した場合であっても、炭材内装塊成化物Ｄが竪型炉に装入され加熱された際に、爆裂が発生し、粉化する場合があることがわかった。

特開２００１−２９４９４４号公報 特開２００２−１４６４４４号公報

そこで、本発明は、竪型炉内で加熱された際に爆裂を確実に防止できる炭材内装塊成化物およびその製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、粉状鉄含有原料と粉状炭材との混合物からなり、かつ下式の関係が成り立つことを特徴とする炭材内装塊成化物である。
式 ε_W／ε_C≧０．８
ここに、ε_Wは、前記炭材内装塊成化物の中心を通る断面内において、当該炭材内装塊成化物の中心から半径の１／２の位置までの気孔率分布を算術平均して求めた平均気孔率であり、ε_cは、前記炭材内装塊成化物の中心を通る断面内において、当該炭材内装塊成化物の半径の１／２の位置から表面までの気孔率分布を算術平均して求めた平均気孔率である。

請求項２に記載の発明は、粉状鉄含有原料を４００〜８００℃に加熱し、軟化溶融性を有する粉状炭材を２５０℃未満で乾燥し、ついで前記粉状鉄鉱石と前記粉状炭材とを混合して２５０〜５５０℃の混合物とし、この混合物を、前記混合後２０ｍｉｎ以内に熱間成形することにより、請求項１に記載の炭材内装塊成化物を製造することを特徴とする炭材内装塊成化物の製造方法である。

なお、「粉状鉄含有原料」とは、鉄鉱石、製鉄ダスト（高炉ダスト、転炉ダスト、電気炉ダスト、ミルスケールなど）など主として酸化鉄を含有する原料、またはこれらの原料の２種以上の混合物であって、粉状のものの総称である。また、「軟化溶融性を有する粉状炭材」とは、粘結炭、ＳＲＣなど軟化溶融性を有する炭素質物質を少なくとも１種含むものであって、粉状のものの総称である。なお、この「軟化溶融性を有する粉状炭材」は、上記軟化溶融性を有する炭素質物質に加えて、さらにコークス、一般炭、無煙炭、オイルコークスなど軟化溶融性を実質的に有しない炭素質物質を１種以上混合したものであってもよい。

請求項１に係る発明によれば、炭材内装塊成化物（以下、「塊成化物」と略称することあり。）の表面近傍が過度に緻密化されていないため、加熱により内部で発生した揮発分や還元ガスが容易に塊成化物外に放出され、塊成化物が爆裂することを防止できる。

また、請求項２に係る発明によれば、粉状鉄鉱石と粉状炭材とを混合後、所定の時間内に熱間成形することにより、粉状炭材が軟化溶融した状態のまま成形できるので、高強度の塊成化物が得られるとともに、塊成化物の表面近傍が過度に緻密化されることが防止され、上記爆裂防止の効果が確実に得られる。

以下、本発明の一実施形態として、炭材内装塊成化物を高炉用原料として用いる場合について詳細に説明するが、本発明に係る炭材内装塊成化物は、高炉に限らずキューポラ等の竪型炉にも同様に適用できるものである。

（炭材内装塊成化物の構成）
本発明に係る炭材内装塊成化物は、例えば、粉状鉄含有原料としての粉状鉄鉱石と、粉状炭材としての粉状石炭との混合物からなり、かつ、塊成化物内の気孔率分布が下記の式（１）を満たすものである。
ε_W／ε_C≧０．８ …式（１）
ここに、ε_Wは、炭材内装塊成化物の中心を通る断面内において、当該炭材内装塊成化物の中心から半径の１／２の位置までの気孔率分布を算術平均して求めた平均気孔率であり、ε_cは、炭材内装塊成化物の中心を通る断面内において、当該炭材内装塊成化物の半径の１／２の位置から表面までの気孔率分布を算術平均して求めた平均気孔率である。

また、ε_W／ε_Cの指標は、塊成化物の表面近傍における緻密化の度合いを定量化したものであり、この値が小さくなるにしたがい、塊成化物の表面が緻密化し、加熱の際に内部で発生した揮発分や還元ガスが塊成化物外に放出されにくくなり、内部のガス圧力が上昇して、爆裂が発生しやすくなる。ε_W／ε_Cの下限値は、後記実施例に基づき０．８としたが、好ましくは０．９、さらに好ましくは１．０である。なお、ε_W／ε_Cの上限値は、上記爆裂防止の観点からは特に制限はないが、ε_W／ε_Cの値が大きくなりすぎると表面近傍の気孔率が過度に高くなり、塊成化物の耐磨耗性が低下して却って粉化しやすくなるので、好ましくは１．５、さらに好ましくは、１．３とするとよい。

（炭材内装塊成化物の製造方法）
図１に本発明の実施に係る炭材内装塊成化物の製造フローの概念図を示す。鉄鉱石と、炭材のうち軟化溶融性を実質的に有しない炭材（例えば、コークス粉、一般炭、無煙炭、オイルコークス等）は、必要な場合には粉砕して、７４μｍ以下の粒子が７０％程度の粉状にする。炭材のうち軟化溶融性を有する炭材（例えば、粘結炭、ＳＲＣ等）も、上記の軟化溶融性を実質的に有しない炭材ほどは細かくする必要はないが、粉状鉄鉱石および軟化溶融性を実質的に有しない炭材との混合状態を良好に保つために１ｍｍ以下程度に粉砕するのが望ましい。

このようにして粒度調整された粉状炭材Ａは、ロータリドライヤ１で、炭材Ａが軟化溶融しない２５０℃未満の温度で乾燥し、付着水分を除去する。一方、粉状鉄鉱石Ｂは、粉状炭材Ａと混合したときに目標温度の２５０〜５５０℃となるように、ロータリキルン２で４００〜８００℃に予熱する。ただし、粉状鉄鉱石の一部を置き換えて製鉄ダスト（高炉ダスト、転炉ダスト、電気炉ダスト、ミルスケール等）を用いる場合には、製鉄ダストは炭素や金属鉄を含むため予熱すると燃焼するので、製鉄ダストは予熱せずにそのまま混合して用いる。

乾燥した粉状炭材Ａと予熱した粉状鉄鉱石Ｂとの混合には、粉状炭材Ａの一部の過熱を防止するために短時間で混合できるこの業種で常用されている、例えば二軸型のミキサ３を用いる。また、このミキサ３は成形温度を確保するために保温する。

そして、ミキサ３内における混合物Ｃの滞留時間（保持時間）の上限は２０ｍｉｎ、好ましくは１６ｍｉｎ、さらに好ましくは１２ｍｉｎとする。混合物Ｃの滞留時間（保持時間）を上記のように制限した理由は以下のとおりである。

すなわち、上記ミキサ３内での混合後の保持状態における混合物Ｃ中の粉状炭材Ａの溶融軟化・固化の状況を推定するために、粉状石炭（ｌｏｇＭＦ＝２．１４；ここに、ＭＦ：最高流動度［単位：ｄｄｐｍ］）単体をＪＩＳ Ｍ８８０１に基づきギーセラプラストメータを用いて、昇温＋保持の温度条件下における流動度の経時変化を測定した。測定結果を図２に示す。同図に示すように、流動性発現（点ａ）後、約１２ｍｉｎ後に最高流動度に達し（点ｂ）、その後、保持時間の経過とともに流動性が低下し、約２１ｍｉｎ後には流動性がほぼ完全に失われている（点ｃ）。ここで、ミキサ３内に２５０℃未満の粉状石炭Ａが４００〜８００℃に加熱された粉状鉄鉱石Ｂとともに装入され両者が混合されると、粉状石炭Ａは急速に昇温されて２５０〜５５０℃の範囲の保持温度に到達するので、図２と同様の挙動を示すものと推定される。したがって、ミキサ３内における混合物Ｃの滞留時間（保持時間）は、混合物Ｃ中の粉状炭材Ａが流動性を失わない２０ｍｉｎ以下とする必要があり、より高い流動性が維持される１６ｍｉｎ以下、さらには最高流動度に近い流動性が確保される１２ｍｉｎ以下とするのが好ましい。もし、ミキサ３内における混合物Ｃの滞留時間（保持時間）が２０ｍｉｎを超えると、粉状炭材Ａが流動性をほぼ完全に喪失してしまい、潤滑剤としての機能がなくなり、冷間成形と同様、塊成化物の表面が緻密化してしまうこととなるほか、酷い場合はバインダとしての機能もなくなり、塊成化自体ができなくなることもある（後記実施例の比較例参照）。

なお、ミキサ３内における混合物Ｃの滞留時間（保持時間）の下限値は、混合後粉状石炭Ａが保持温度に到達するまでの昇温時間や、ロータリドライヤ１、ロータリキルン２からの原料排出速度と成形機３による成形速度との差の変動を吸収するバッファとしての役割をミキサ３にもたせること等を考慮して、１ｍｉｎ、さらには３ｍｉｎ、特に５ｍｉｎとすることが好ましい。

粉状炭材Ａと粉状鉄鉱石Ｂからなる混合物Ｃは、例えば熱間成形用の双ロール型成形機４を用いて塊成化物（ブリケット）Ｄに加圧成形する。加圧成形は塊成化物Ｄが成形機４から高炉炉頂装入までのハンドリングに耐え得るに十分な強度約５００Ｎ／個（３０ｍｍ×２５ｍｍ×１５ｍｍ程度の大きさに対して）が得られるよう、成形加圧力を１０ｋＮ／ｃｍ以上、好ましくは２０ｋＮ／ｃｍ以上とする。

このようにして成形した塊成化物Ｄは、粉状鉄鉱石Ｂの空隙に、溶融した軟化溶融性を有する炭材Ａが浸入し、この炭材Ａが潤滑剤として作用して、塊成化物Ｄの表面に加えられた成形加圧力が塊成化物Ｄの内部にまでほぼ均一に及ぶため、表面近傍のみが圧密されることが防止される。その結果、塊成化物Ｄ内の気孔率分布が平均化されて上記式（１）の関係を満たすこととなり、加熱時に爆裂が起こらない塊成化物Ｄが得られる。

また、固化後の炭材Ａは、粉状鉄鉱石Ｂの粒子同士を強固に連結するとともに、粉状鉄鉱石Ｂとの接触面積も大きくなっており、この塊成化物Ｄは、高強度で、かつ被還元性に優れたものとなる。

なお、ミキサ３と成形機４は密閉構造とし、ミキサ３および成形機４で発生する炭材Ａの熱分解ガス（揮発分）は炭化水素が主成分であるので、このガスをエジェクタ等を用いて吸引回収し、回収したガスはロータリキルン２等の加熱燃料として利用する。

成形後の塊成化物Ｄは、バンカ５内で不活性ガスにより冷却した後、バンカ５から排出して篩い、篩下の粉は再びミキサ３に戻して原料として利用し、篩上は目的とする高強度の高炉原料となる。

なお、特開平１１−９２８３３号公報に開示された発明では、成形後の塊成化物に残存する揮発分を減少するために脱ガス工程を設けているが、本発明においては必ずしも脱ガス工程を必要としない。特開平１１−９２８３３号公報に開示された発明に係る塊成化物は１２００〜１４００℃の高温雰囲気の還元炉に装入されるため、残存する揮発分の急激な発生による塊成化物の爆裂を防止する目的で脱ガス工程を設けたものであるのに対して、本発明の方法で製造された塊成化物は、高炉に装入され、高炉内で徐々に昇温されるため、残存する揮発分も徐々に除去されるので塊成化物の爆裂は問題とならない。

図３に本実施例で用いた熱間成形機の概要を示す。表１に示す粉状石炭および表２に示す粉状鉄鉱石を、２２：７８の質量割合で、粉状鉄鉱石のみを図示しない電気炉で６００〜７００℃に予熱した後、オイルヒータで４００〜５００℃に保温されたミキサに装入し混合して４００〜５００℃とし、ミキサ内における保持時間は７〜２７ｍｉｎの間で種々変更し、双ロール型成形機を用いてロール回転速度６ｒｐｍ、成形圧力２０〜２９ｋＮ／ｃｍで３０ｍｍ×２５ｍｍ×１５ｍｍの卵形のブリケット（塊成化物）に成形した。上記保持時間２０ｍｉｎ以下のブリケットを発明例、２０ｍｉｎ超えのブリケットを比較例とする。

なお、粉状石炭のギーセラ最高流動度ＭＦはＪＩＳ Ｍ８８０１に基づいて測定した。

［参考例］
また、参考例として、上記実施例と同じ粉状鉄鉱石と粉状石炭を、上記実施例と同じ質量割合で用い、バインダとしてコーンスターチを粉状鉄鉱石と粉状石炭との合計量に対する外数で４質量％添加し混合した後、上記の双ロール型成形機を用いて冷間で、ロール回転速度６ｒｐｍ、成形圧力２５ｋＮ／ｃｍで３０ｍｍ×２５ｍｍ×１５ｍｍの卵形のブリケット（塊成化物）に成形した。

（気孔率分布の測定結果）
上記保持時間が７ｍｉｎである発明例のブリケットと、参考例のブリケットとをそれぞれ樹脂埋めしたのち二分して断面を研磨し、その断面内で、ブリケットの中心を通り、かつ成形加圧方向に沿う直線上の気孔率分布を画像解析により測定した。

図４に、測定結果を、ブリケットの中心からの相対距離と相対気孔率との関係に標準化して示す。なお、相対距離１．０の位置がブリケット表面に相当し、相対気孔率１．０はブリケットの中心から表面までの気孔率の測定値を算術平均したものに相当する。

同図（ａ）に示すように、参考例の冷間成形したブリケットでは、気孔率（相対気孔率）は中心で最も高く、表面に近づくほど低下しており、表面近傍が極端に緻密化しているのがわかる。また、ε_W／ε_Cの値は０．６６８となり、上記式（１）を満たしていない。

一方、同図（ｂ）に示すように、発明例のブリケットでは、気孔率（相対気孔率）の値にバラツキが見られるものの、同図（ａ）のような中心から表面に向かって気孔率が低下する傾向は認められず、断面内において気孔率が平均化しているのがわかる。また、ε_W／ε_Cの値は１．２０５となり、上記式（１）を満たしている。

（塊歩留の測定結果）
つぎに、ブリケットを高炉内に装入し加熱した際の爆裂の有無を調査するため、実施例（発明例＋比較例）および参考例のブリケットそれぞれについて、１２００℃、Ｎ₂雰囲気中に１０ｍｉｎ間保持した後に取り出し、元のブリケット形状を維持している試料の個数割合を測定し、これを塊歩留とした。

図５に、ε_W／ε_Cと塊歩留との関係を示す。同図から明らかなように、参考例の冷間成形のブリケットでは、ε_W／ε_Cは０．３３〜０．７１の範囲にあり、塊歩留は８８質量％を下回っている。

また、比較例の保持時間２０ｍｉｎ超えの熱間成形の場合、そもそも成形自体が不能で塊状化できなかったものが多く、成形できたものでもε_W／ε_Cは０．５〜０．７の範囲にあり、塊歩留は８０質量％を下回っている。

これに対し、発明例の保持時間２０ｍｉｎ以下の熱間成形のブリケットでは、ε_W／ε_Cが０．９１〜１．２４の範囲にあり、塊歩留は９２質量％以上と高い値を示しており、爆裂による粉化の問題は生じないものと考えられる。

（圧潰強度の測定結果）
実施例（発明例＋比較例）のブリケットについて、冷間における圧潰強度を測定した。図６に、ミキサ内における混合物の保持時間とブリケット（炭材内装塊成化物）の圧潰強度との関係を示す。同図から明らかなように、ブリケット（炭材内装塊成化物）の圧潰強度は、保持時間７〜１６ｍｉｎの範囲では９００〜１０００Ｎ以上と非常に高い値を維持しているのに対し、１６ｍｉｎを超えると低下し始め、２０ｍｉｎで高炉用装入物として必要十分な強度約５０Ｎとなり、２０ｍｉｎを超えるとさらに低下し、高炉用装入物としては強度不足となっている（なお、成形自体が不能で塊状化できなかった場合、圧潰強度は０Ｎとして表示した。）。

本発明の実施に係る炭材内装塊成化物の製造フローの概念図である。 昇温＋保持の温度条件下における粉状炭材のギーセラ流動度の経時変化を示すグラフ図である。 実施例で用いた熱間成形機の概要を示すフロー図である。 ブリケットの中心からの相対距離と相対気孔率との関係を示すグラフ図である。 ε_W／ε_Cと塊歩留との関係を示すグラフ図である。 ミキサ内における混合物の保持時間と炭材内装塊成化物の圧潰強度との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１：ロータリドライヤ
２：ロータリキルン
３：ミキサ
４：成形機
５：バンカ
Ａ：粉状炭材（粉状石炭）
Ｂ：粉状鉄含有原料（粉状鉄鉱石）
Ｃ：混合物
Ｄ：炭材内装塊成化物（ブリケット）

Claims (2)

1. 粉状鉄含有原料と粉状炭材との混合物からなり、かつ下式の関係が成り立つことを特徴とする炭材内装塊成化物。
   式 ε_W／ε_C≧０．８
   ここに、ε_Wは、前記炭材内装塊成化物の中心を通る断面内において、当該炭材内装塊成化物の中心から半径の１／２の位置までの気孔率分布を算術平均して求めた平均気孔率であり、ε_cは、前記炭材内装塊成化物の中心を通る断面内において、当該炭材内装塊成化物の半径の１／２の位置から表面までの気孔率分布を算術平均して求めた平均気孔率である。
2. 粉状鉄含有原料を４００〜８００℃に加熱し、軟化溶融性を有する粉状炭材を２５０℃未満で乾燥し、ついで前記粉状鉄鉱石と前記粉状炭材とを混合して２５０〜５５０℃の混合物とし、この混合物を、前記混合後２０ｍｉｎ以内に熱間成形することにより、請求項１に記載の炭材内装塊成化物を製造することを特徴とする炭材内装塊成化物の製造方法。
   
   

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