JP5831397B2 - 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。

製鐵所における下方吸引型焼結機を用いた焼結鉱の製造は、次のようにして行われる。焼結原料は、主原料である鉄鉱石や製鉄プロセスで発生する製鉄ダストなどの鉄含有原料、焼結反応に必要となる石灰石や蛇紋岩などの副原料及び熱源としてのコークス粉等の炭材とを配合して形成される。

焼結原料は、下方吸引型焼結機に装入する前に、ドラム型ミキサーなどの混合・造粒機を用いて、水添加しながら混合、造粒し、主として、粒径１ｍｍ以上の核粒子と、その周囲に付着した粒径０．５ｍｍ以下の付着粉とからなる擬似粒子とする。
このことにより、焼結機に装入した後、焼結パレット内に形成された原料充填層内の通気性を維持し、焼結原料の焼結反応を促進し、高い生産性を確保することができる。

擬似粒子化された焼結原料は、焼結機の給鉱部で、焼結パレット内に装入され、原料充填層を形成する。その後、点火炉で、その表面のコークス粉を着火するとともに、焼結機下層に空気を吸引することにより、コークス粉の燃焼点を下方に移動させる。

燃焼熱により原料充填層の上層から下層にかけて焼結反応は順次進行し、焼結パレットが移動し排鉱部に到達するまでに焼結は完了する。焼結パレット内の焼結ケーキ（塊）は、排鉱部から排出された後、破砕され、所定粒度の高炉用の焼結鉱が製造される。焼結鉱の製造において発生した高炉用の焼結鉱としての所定粒径より小さい焼結鉱粉は、返鉱として、焼結原料中に配合されて、再度焼結される。

大量の銑鉄を製造する製鉄所の高炉にとって、焼結機の生産性の向上が重要である。
焼結機の生産性を向上させる手段としては、焼結原料に生石灰を配合し、強固な擬似粒子を形成する技術がある。即ち、焼結原料中の粒径０．２５ｍｍ以下の割合が多い場合、原料銘柄によっては造粒が困難で、擬似粒子の強度が脆弱なものとなり、焼結パレット内に装入した原料充填層の通気抵抗性を悪化させ、焼結機の生産性を低下させてしまう。この場合、脆弱な擬似粒子から強固な擬似粒子にすることが必要である。又、更なる生産性の向上が要求される場合に、更に強固な擬似粒子を形成が必要となる。
かかる場合に焼結原料に生石灰を配合し、混合・造粒することにより、生石灰が焼結原料の粒子を結合する造粒剤としての効果を発揮し、強固な擬似粒子が形成されることにより焼結機の生産性の向上を図ることができる。

大量の鉄鋼を製造する大型製鉄所においては、生石灰は、他社より購入され、製鋼工程において大量に使用されている。そこで、焼結工程においては、購入される生石灰の一部を使用し、生産性の向上を目指している。しかし、生石灰は、石灰石に比較して高価であるため、生石灰のより効果的な使用方法が望まれている。
又、同じＣａを含有することより、生石灰に替わり消石灰を使用する技術もある。

造粒して得られる疑似粒子の乾燥後強度に応じて、各粉鉱石銘柄を複数のグループに分類して各グループ毎にブレンディングし、このブレンディングに際し、疑似粒子の乾燥後強度の弱い銘柄グループについてのみ生石灰、消石灰又はこれらの混合物を配合する焼結原料の処理方法の提案がある（特許文献１）。

生石灰を湿式粉砕し、消石灰スラリーを調整し、前記消石灰スラリーを焼結原料の装入されたミキサー内に添加して前記焼結原料を混合し、造粒する焼結原料の造粒方法の提案がある（特許文献２）。

返鉱ホッパー内の返鉱に水分を加え生石灰を消石灰となした後に、焼結原料の造粒に供する方法の提案がある（特許文献３）。

特開昭６１−１７７３３４号公報 特開昭６２−５６５３３号公報 特開平１−１６８８２５号公報

特許文献１に記載の発明は、疑似粒子の乾燥後強度の弱い銘柄グループについてのみ生石灰、消石灰又はこれらの混合物を配合するので生石灰、消石灰の使用原単位を下げることができるという効果が予想される。しかし、この方法では、乾燥後強度の弱い銘柄グループと乾燥後強度の強い銘柄グループのそれぞれについて原料ホッパー、ドラムミキサーが必要となり、設備費が高くなるという問題がある。又、造粒剤の使用原単位が大きくなった場合に、造粒剤の効果が低減するという問題があり、当該問題を解決するものではない。
特許文献２に記載の発明は、生石灰を湿式粉砕し、消石灰スラリーとすることにより活性度が向上することにより、焼結の生産性が向上するとしている。しかし、生石灰は、湿式粉砕でなく、乾式粉砕でもその粒径が小さくなることにより、焼結の生産性の向上効果を発揮できる。又、造粒剤の使用原単位が大きくなった場合に、造粒剤の効果が低減するという問題を解決するものではない。
特許文献３に記載の発明は、返鉱に水分を加え返鉱に含まれる生石灰を消石灰とすることで、焼結原料の造粒効果を高め、焼結の生産性の向上することができるとする。しかし、この発明は、原料充填層の上に石灰石とコークスを充填し、返鉱中に生石灰として回収する操業の場合であり通常の操業とは相違する。通常の操業では、返鉱中に多くの生石灰が残存することは無い。そして、造粒剤の使用原単位が大きくなった場合に、造粒剤の効果が低減するという問題を解決するものではない。

焼結原料に生石灰を配合することにより強固な擬似粒子を形成することができ、焼結機の生産性を向上させることができる。しかし、更なる焼結機の生産性の向上が望まれる場合に、生石灰の使用原単位を大きくしても、その効果は低減していくという問題がある。
本発明の目的は、高原単位の造粒剤を用いた焼結鉱の製造方法の提供である。

本発明者等は、造粒剤の使用原単位が大きい場合に生石灰と消石灰を使い分けることにより、造粒剤の効果を発揮させることができ、焼結機の生産性を高めることができるという知見を得た。本発明は、これらの知見に基づくものである。

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、雑原料、副原料、造粒剤からなる新原料に、凝結材及び返鉱を加えた配合原料に水を添加し、混合・造粒して擬似粒化した原料を製造し、前記擬似粒子化した原料を焼成する焼結鉱の製造方法において、
前記造粒剤は、前記新原料の合計量に対し、内数で、生石灰２質量％以上３質量％以下及び消石灰であることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
（２）前記消石灰は、粒径の中央値（Ｄ５０）が２０μｍ以下であることを特徴とする（１）に記載の焼結鉱の製造方法。
ここに、新原料とは、焼結工程に新たに投入される原料であり、配合原料とは、新原料に返鉱（焼結鉱を篩分け、高炉に使用されない篩下粉）と凝結材を加えたものをいう。雑原料とは、焼結ダスト、スケールなどの製鉄所内で発生するリサイクル原料を言う。副原料は、焼結鉱のＣａＯ、ＭｇＯ含有量を調整するための原料で、石灰石、蛇紋岩、ドロマイトなどを言う。凝結材は、粉コークスや無煙炭の炭材を言う。

本発明によれば、造粒剤の使用原単位が大きい場合に、造粒剤の効果を低減させることなく、焼結機の生産性を高めることができる。

焼結造粒工程のフローであって、本発明の実施形態を示す図。 生石灰の消化が十分な場合の造粒剤としての効果を説明する図。 生石灰の消化が不十分な場合の造粒剤としての効果を説明する図。 生石灰と消石灰による造粒試験方法を示す図。 生石灰と消石灰による造粒効果を示す図。 配合原料中のＣａ量％と焼結生産率の関係を示す図。

（実施形態）
本発明の実施に要する設備構成を焼結工程の流れ図（図１）に示す。原料配合槽１０において、原料槽１１〜１３及び返鉱槽１７に加えて、石灰石槽１４、生石灰槽１５、消石灰槽１６の３槽をあてがう。通常、石灰石、生石灰及び消石灰は、その他の原料のように原料ヤードからの搬入ではないため、石灰石槽１４、生石灰槽１５、消石灰槽１６にはそれぞれ独立した搬入装置を設ける。この時、気流搬送法が用いるのがよい。又、生石灰槽１５、消石灰槽１６は、水の浸入を防止するための対策を行う必要がある。

原料配合槽１０から切り出された原料は、造粒機２０において水が添加され、混合・造粒された後、焼結機３０で焼成される。焼成された焼結鉱は、高炉４０に装入される。
焼結操業において本発明を実施する要領は次のようである。すなわち、比較的所要生産量が少ない場合には、生石灰のみを造粒剤と使用する。所要生産量が多くなると、生石灰に加えて消石灰を使用する。通常焼結鉱のＣａＯ含有量は一定で操業されるため、これら生石灰、消石灰の配合量の増加に応じて、焼結鉱ＣａＯが変わらない様に石灰石の配合量を減じる。この時、造粒剤が生石灰のみの場合と生石灰と消石灰を併用する場合の境界は、新原料の合計量に対し、内数で、生石灰２質量％以上３質量％以下とする。

生石灰を２質量％以上３質量％以下とするのは、生石灰２質量％未満では、生石灰のみの造粒剤効果は十分であり、生石灰３質量％を超えると、生石灰のみの造粒剤効果が低下するからである。
生石灰使用の上限量が２質量％から３質量％のどの量となるかは、使用する原料条件によって変化するので、予め決めることは困難である。従って、操業状況を見ながら適宜生石灰使用上限量を判断することになる。

消石灰の使用量は、焼結鉱のＣａＯ含有量（通常１０質量％程度）を上限とする範囲で、所要の生産率に合せて適宜調整できる。後述する実施例の図６にも示すように、４．４質量％の使用においてもその生産率増加効果は減じることなく、消石灰１質量％あたり０．５ｔ／ｄ／ｍ^２の生産率増加効果が得られる。
消石灰の粒度は、後述するように、微細であることが望まれる。消石灰は、粒径の中央値（Ｄ５０）が２０μｍ以下であることが好ましく、更に５μｍ以下であることが、特に好ましい。

（作用）
生石灰と消石灰の高配合率における造粒改善効果の違いについて説明する。
本発明における焼結原料の造粒剤は、生石灰と消石灰を対象とする。一貫製鉄所においては、製鋼工程において大量に生石灰を使用すること、およびそのＣａＯ成分が高炉工程において有効に活用されることから、焼結工程においても生石灰を使用するのが一般的である。これは、従来の造粒剤の低配合領域では、両者の造粒効果に差がないとされたことによる。しかし、昨今の高生産性要請に対応するための、従来より高い造粒剤の使用量での知見はなかったので、生石灰と消石灰の焼結原料造粒の効果を調査した。その結果、後述の造粒実験で示すように、造粒剤の高配合領域においては、生石灰に比較して消石灰の方が造粒効果が高いことを見出した。本願発明は、かかる知見に基づいて発明されたものである。

生石灰（ＣａＯ）は、造粒工程において、添加水との水和反応（式（１））により、消石灰（Ｃａ(ＯＨ)_２）となる。
この時、生成物は消化の進行とともに微細化する。この微細化した生成物が、図２に示す機構によって、造粒効果を発現する。すなわち、図２（Ａ）において、粒径１ｍｍ以上の核粒子４と微粒子５の周辺に、生石灰１と水３が存在する。図２（Ｂ）において、下記式（１）の消化反応が進行し、生石灰１は、微粒の消石灰２になり、分散・再配置される。図２（Ｃ）において、凝集が進み、乾燥完了時において、以下式（２）に示す炭酸化反応が進行する。
ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ → Ｃａ(ＯＨ)_２・・・・・・・・・・式（１）
Ｃａ(ＯＨ)_２＋ＣＯ_２ → ＣａＣＯ_３＋Ｈ_２Ｏ↑・・・・・式（２）
炭酸化反応の進行に伴い、核粒子４と微粒５を結合する架橋が形成され、強固な疑似粒子が形成されると考えられる。

一方、生石灰の使用量が増加すると消化が不十分となり、生成物の粒度が粗くなる。この時の変化を図３に示す。図３（Ａ）において、粒径１ｍｍ以上の核粒子４と微粒子５の周辺に大量の生石灰１が存在する。図３（Ｂ）において、消化反応の進行は、生石灰１の量が多いため、不十分となり、消化の不十分な生石灰１が残存する。図３（Ｃ）において、消化が不十分なまま粒度の大きな生石灰１が、核粒子４と微粒子５を結合する架橋の中に残存する。架橋中に残存する粗粒度の生石灰１は、クラックの起因となり、脆弱な疑似粒子となる。
以上より、生石灰の原単位が大きい場合、造粒剤としての効果が小さくなると考えられる。

次に、本発明の実施例について説明する。以下の記載及び図表中の「％」の記載は、「質量％」を意味する。
（造粒実験）
図４に調査方法を示す。配合原料３ｋｇに造粒後の水分値７．５％を狙い万能混練機により混合した。その後５ｋｇ小型ドラムミキサーにより造粒し、疑似粒子を作成した。そして、乾燥前及び乾燥後の疑似粒子粒度を測定した。生石灰と消石灰をそれぞれ、１．０％、３．０％、５．０％使用した場合の配合原料の配合割合、添加水量及び乾燥前造粒物（疑似粒子）を表１に示す。

各配合において、焼結鉱の成分系(ＣａＯ、ＳｉＯ_２等)が不変となるように配合した。生石灰（ＣａＯ）及び消石灰（Ｃａ(ＯＨ)_２）はいずれもＣａを含み、その増量に対し、石灰石の配合量を減量して調整し、ＭｇＯ主体副原料であるカンラン岩粉や、外数となる返鉱、粉コークスを一定量とし、残りは、鉄鉱石銘柄の量で調整した。
表１中の添加水量は、疑似粒子の水分値７．５％を狙った場合の配合原料３ｋｇに添加した水量である。生石灰使用時は、水和に必要な水分と水和発熱による大気への蒸発量を加味して水分添加した。配合原料造粒物水分（実測）とは、疑似粒子の水分値７．５％を狙った結果としての実測値である。

図５に生石灰と消石灰による造粒効果を示す。縦軸は、表１に示す配合原料３ｋｇを図４に示すフローに基づき造粒し、造粒後の疑似粒子を１０５℃にて４時間、乾燥機内で乾燥した後の乾燥後疑似粒子の粉率（０．２５ｍｍ以下の割合）を示したものである。横軸は、配合原料に占めるバインダー（生石灰と消石灰）中のＣａの質量割合であり、図５中の数値(％表記)は、新原料に占める生石灰又は消石灰の質量割合を示す。

図５から、同じＣａ量に対し、高ＣａＯ配合の領域で、生石灰は消石灰より、乾燥後疑似粒子の粉率（０．２５ｍｍ以下）が高く、造粒効果が小さいことが判った。

（焼結実験）
本願発明の焼結生産性への効果を焼結実験で確認し、生石灰と消石灰の配合量を特定するに到った試験例を次に説明する。
試験には、配合原料を直径１，０００ｍｍのドラムミキサーを用いて１分間混合したのち４分間造粒して擬似粒子原料を作成し、焼結鍋試験装置（直径：３００ｍｍ、層高：６００ｍｍ）に充填し、点火９０秒、吸引負圧１５ｋＰａ一定の条件で焼成して、生産率を測定した。試験条件として、実施例１では、原料配合中の生石灰と消石灰の配合率を変更させた。その際、表１に示した考え方と同様に、焼結鉱中のＣａＯが一定となるように石灰石の配合量で調整した。

（実施例１）
生石灰および消石灰の使用原単位を変更して、焼結生産性に及ぼす影響について調査した。具体的には、比較例として、生石灰の使用原単位を２％、３％、３．８％及び６．４％に変更した
実施例として、生石灰２％をベースとし、更に消石灰を１．８％及び４．４％添加した。又、生石灰３％をベースとした実施例として、更に消石灰を０．８％及び３．４％添加した。

図６に、配合原料中のＣａ％と焼結生産率の関係として、試験結果を示す。生石灰の使用量をＡ１（２％）、Ｂ１（３％）、Ｃ１（３．８％）、Ｄ１（６．４％）に増加した場合、３％までは、焼結生産率が増加するが、それ以上では、焼結生産率が低下した。
生石灰の使用量Ａ１（２％）をベースとし、Ａ２（生石灰２％＋消石灰１．８％[粒径の中央値（Ｄ５０）：２０μｍ]）、Ａ３（生石灰２％＋消石灰４．４％[粒径の中央値（Ｄ５０）：２０μｍ]）の場合は、焼結生産率が大きく増加している。
生石灰の使用量Ｂ１（３％）をベースとし、Ｂ３（生石灰３％＋消石灰３．４％[粒径の中央値（Ｄ５０）：２０μｍ]）の場合は、焼結生産率が増加している。
以上より、生石灰の使用量３％以上は、生石灰のみでは、造粒剤の効果は低減する。生石灰の使用量３％以上は、消石灰[粒径の中央値（Ｄ５０）：２０μｍ]を併用することにより、造粒剤の効果が増加する。なお、消石灰市販品の粒径は２０μｍ前後であることが一般的であることから、ここでは当該粒径を有する消石灰を用いた。

（実施例２）
次に消石灰の適正粒度について規定するに到った試験結果を説明する。粒径の異なる２種類の消石灰を使用して、その粒度の影響を見た。
２種類の市販品（粒径の中央値（Ｄ５０）：５μｍ及び２０μｍ）と自製品（粒径の中央値（Ｄ５０）：４０μｍ）の消石灰を準備し、それらの比較する焼結実験を行った。その結果を表２に示す。ＣａＯ換算で３．６％の生石灰と消石灰を使用する条件において、消石灰の粒径の中央値（Ｄ５０）２０μｍ以下の場合は生石灰のみの比較例に比べて生産率の顕著な増加が確認された。一方、粒度の粗い自製品の場合の生産率は比較例より大きかったが、その増加効果は市販品ほどではなかった。このことより、消石灰は、粒径の中央値（Ｄ５０）が２０μｍ以下であることが好ましいことを確認した。

高原単位の造粒剤を用いた焼結鉱の製造方法として利用できる。

１…生石灰、２…消石灰、３…水、４…核粒子、５…微粒子、１０…原料配合槽、１１〜１３…原料槽、１４…石灰石槽、１５…生石灰槽、１６…消石灰槽、１７…返鉱槽、２０…造粒機、３０…焼結機、４０…高炉。

Claims (2)

1. 鉄鉱石、雑原料、副原料、造粒剤からなる新原料に、凝結材及び返鉱を加えた配合原料に水を添加し、混合・造粒して擬似粒化した原料を製造し、前記擬似粒子化した原料を焼成する焼結鉱の製造方法において、
   前記造粒剤は、前記新原料の合計量に対し、内数で、生石灰２質量％以上３質量％以下及び消石灰であることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
2. 前記消石灰は、粒径の中央値（Ｄ５０）が２０μｍ以下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。