JP7047645B2

JP7047645B2 - 焼結鉱の製造方法

Info

Publication number: JP7047645B2
Application number: JP2018135755A
Authority: JP
Inventors: 実穂齋藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: JP2020012163A

Description

本発明は、焼結鉱の製造方法に関し、詳細には、焼結機のパレット上に形成される原料充填層の通気性を改善して焼結鉱の生産性を向上させる方法に関する。

焼結原料となる粉状の鉄鉱石原料や石灰石等の副原料、粉コークス等の凝結材は原料ヤードに野積みされる。その際、一部の焼結原料は複数銘柄が混在した均鉱として野積みされ、その他の焼結原料は単一銘柄で野積みされる。これらの焼結原料は、原料ヤードから払い出された後、焼結原料槽に一時的に貯留され、配合設計に従って焼結原料槽から必要量だけ切出され、ドラムミキサーによる加水混合により造粒され擬似粒子となる。粒度０．２５～５ｍｍ程度に造粒された擬似粒子と一部の造粒されなかった微粉の原料は一緒に焼結機のパレットに装入され、焼成により焼結鉱とされた後、高炉に投入される。

近年、鉄鉱石資源の枯渇により鉄鉱石原料に占める微粉の割合が増加している。微粉の割合が増加すると、造粒されないまま焼結機に装入される微粉量が増えるため、パレット上の原料充填層の微粉が増加して通気性が悪化する。焼結鉱の生産性は原料処理速度と歩留によって決定されるが、原料充填層の通気性が悪化すると、歩留は改善するが、原料処理速度が大幅に低下する。そのため、原料充填層の通気性を改善して焼結鉱の生産性を確保する必要がある。

原料充填層の通気性改善策として、焼結原料の造粒性を向上させて焼結機に装入する微粉量を低減する方法が従来より知られている。
例えば、特許文献１には、強混練機の一種である撹拌型混合機を用いた造粒強化手法が開示されている。強混練は、原料の造粒性を高めるため、造粒工程の前半において原料に強い力を加えて圧密化する技術である。強混練機は、撹拌羽根や丸鋼が格納された円筒状容器から構成され、円筒状容器内に原料を投入して強混練機全体を振動・回転させることにより原料に衝撃を与える。通常の造粒機（ドラムミキサー）に投入された原料は原料同士もしくは円筒状容器内壁としか衝突しないが、強混練機では撹拌羽根や丸鋼とも衝突するため、効率的に原料へ強い力を加えることができる。強混練機による圧密化では、焼結原料の造粒性向上による原料充填層の通気性改善に加え、鉄鉱石原料粒子と副原料粒子の近接化により融液発生量を増加させることで歩留も向上する。

一方、原料充填層の通気性を改善する他の方法としてMEBIOS法（Mosaic Embedding Iron Ore Sintering法）が提案されている（非特許文献１参照）。
MEBIOS法は、粒径５～４０ｍｍの粗大粒子を原料充填層中に配置し、充填構造を制御して原料充填層の通気性を改善する技術である。粗大粒子は上部の原料及びシンターケーキの荷重を受け、周囲に低密度領域を形成する。その結果、原料充填層全体の密度が低下して空隙が増加し原料充填層の通気性が向上する。なお、粗大粒子には造粒球、返鉱、塊鉱等が使用される。

例えば、特許文献２には、混合原料中に粗大な擬似粒子を配合することにより、原料充填層の通気性を改善する方法が開示されている。特許文献２記載の方法では、配合原料の一部を、残りの配合原料を造粒してできる造粒後の粒子よりも粒子径の大きな３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の粒子径となるように別系統で造粒した後、前記残りの配合原料を造粒してできた造粒後の粒子と前記粒子径の大きな粒子とを混合して焼結機のパレットに装入して焼成する。
また、特許文献３には、粒径が５～４０ｍｍの褐鉄鉱を配合して原料充填層の通気性を向上させ、焼結鉱の生産性を改善する方法が開示されている。特許文献３記載の方法では、褐鉄鉱を含む鉄鉱石原料とその他の副原料とから成る配合原料を焼結機のパレットに装入して焼結することにより焼結鉱を製造する方法において、配合原料の一部である粒径が５～４０ｍｍの褐鉄鉱を除いた配合原料を造粒後、粒径が５～４０ｍｍの褐鉄鉱を５～２０質量％配合する。

特開平１－３１２０３６号公報特開２００８－５７０２８号公報特開２００３－１１３４２６号公報

Takazo KAWAGUCHI and Tateo USUI, "Summarized Achievements of the Porous Meso-mosaic Texture Sinter Research Project", ISIJ International, Vol.45, No.4, 2005, pp.414-426

しかしながら、特許文献１記載の方法は、撹拌型混合機を別途設置する必要があることに加えて、撹拌型混合機は処理能力が低いため、撹拌型混合機を複数台設置して処理能力の増大を図らなければならない。
一方、特許文献２記載の方法は、造粒系統を２つ設ける必要がある。
また、特許文献３記載の方法は、結晶水含有率が高い褐鉄鉱を使用するので、褐鉄鉱が焼結機内で粉化し原料充填層の通気性が十分に改善されないという難点がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、設備等の増設を必要とせず、原料充填層の通気性を改善して焼結鉱の生産性を向上させることができる焼結鉱の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、粉状鉄鉱石を含む焼結原料を、複数台のドラムミキサーで造粒した後、焼結機に装入して焼結する焼結鉱の製造方法において、
前記複数台のドラムミキサーのうち最上流側に配置された１次ドラムミキサーに前記焼結原料を投入する前に、前記焼結原料に粒径５～４０ｍｍの塊状赤鉄鉱を１～１０質量％混合することを特徴としている。

本発明者らは、塊状赤鉄鉱を１次ドラムミキサーに投入することにより、処理能力の低い撹拌型混合機を用いることなく、ドラムミキサーを用いて強混練を実施できることを見出した。さらに、塊状赤鉄鉱を粗大粒子として使用することにより、造粒系統を増設することなく、焼結機内での粉化による通気性悪化を回避しながらMEBIOS法を実施できることを見出した。

１次ドラムミキサー内では、塊状赤鉄鉱が強混練機内の撹拌羽根や丸鋼のように働き、塊状赤鉄鉱を除く焼結原料に衝撃を与えることで強混練が実施される。これにより、塊状赤鉄鉱を除く焼結原料は圧密化され造粒性が向上する。
さらに、原料充填層中に存在する塊状赤鉄鉱により原料充填層の通気性が改善される。原料充填層中の塊状赤鉄鉱が上部の荷重を受け、周囲に低密度領域を形成する。これにより、原料充填層全体の密度が低下して空隙が増加し、原料充填層の通気性が改善される（MEBIOS効果）。その際、塊状褐鉄鉱ではなく結晶水含有率が８％未満と少ない塊状赤鉄鉱を用いることで、加熱時の粉化による通気性悪化を回避することができる。

また、本発明に係る焼結鉱の製造方法では、前記１次ドラムミキサーに投入された塊状赤鉄鉱の運動状態が飛び跳ね領域となるように該１次ドラムミキサーの回転数を設定することを好適とする。

１次ドラムミキサーの回転数を、塊状赤鉄鉱が飛び跳ね領域となるように設定すると塊状赤鉄鉱が放物落下するようになる。これにより塊状赤鉄鉱を除く焼結原料に大きな衝撃を与えることができる。その結果、塊状赤鉄鉱が飛び跳ね領域とならない回転数を設定したときに比べて、より圧密化が進み、高い造粒性向上効果を得ることができる。

また、塊状赤鉄鉱を未選塊鉱の状態で均鉱へ積み付けることにより前記焼結原料に塊状赤鉄鉱を混合するようにしてもよい。

塊状赤鉄鉱を未選塊鉱の状態で均鉱へ積み付けることにより、作業効率化と、さらなる造粒性向上を図ることができる。
未選塊鉱とは粉塊混合状態の鉄鉱石であり、入荷時点の塊鉱石原料は全て未選塊鉱である。高炉操業や特許文献３に記載されているような方法では、未選塊鉱を篩分けした篩上の塊状鉄鉱石を必要とする。一方、本構成では、未選塊鉱のまま篩分けせずに使用可能であるため、篩分け作業を省くことができる。加えて、均鉱では原料の造粒性改善を目的とした散水を実施するので、未選塊鉱のうち篩下粒径区分である５ｍｍ未満の部分が均鉱散水による造粒強化効果を享受できる。

本発明に係る焼結鉱の製造方法によれば、１次ドラムミキサーに投入した塊状赤鉄鉱による強混練効果と、原料充填層に存在する塊状赤鉄鉱によるMEBIOS効果が得られるので、設備等の増設を必要とせず、原料充填層の通気性が改善し焼結鉱の生産性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係る焼結鉱の製造方法の概略フロー図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る焼結鉱の製造方法について図１の概略フロー図を用いて説明する。
粉状鉄鉱石を含む焼結原料は原料ヤード１０に野積みされる。なお、図中の符号１１は塊状赤鉄鉱、符号１２は塊状赤鉄鉱以外の単一銘柄の鉄鉱石、符号１３は均鉱である。

これら焼結原料は、原料ヤード１０から払い出された後、焼結原料槽１４に一時的に貯留された後、配合設計に従って焼結原料槽１４から必要量だけコンベア１５へ切出される。本実施の形態では、焼結原料槽１４からコンベア１５へ焼結原料を切り出すプロセスにおいて粒径５～４０ｍｍの塊状赤鉄鉱１１を焼結原料に１～１０質量％混合する。

塊状赤鉄鉱１１の粒径が５ｍｍ未満では、塊状赤鉄鉱１１を除く焼結原料から成る擬似粒子との粒径差が小さく、MEBIOS法の通気改善効果を享受できない一方、塊状赤鉄鉱１１の粒径が４０ｍｍを超えると、塊状赤鉄鉱１１と塊状赤鉄鉱１１を除く焼結原料の収縮率が焼成前後で異なるため、収縮時に塊状赤鉄鉱１１の表面近傍を起点とする大きな亀裂が発生する。
また、塊状赤鉄鉱１１の配合割合が１質量％未満では、有意な改善効果が見られず、塊状赤鉄鉱１１の配合割合が１０質量％を超えると、原料充填層の通気性が過剰に上昇し、溶融帯厚による歩留悪化が顕著となる。

なお、未選塊鉱をサンプリングして未選塊鉱の粒度分布を測定することにより未選塊鉱中の粒径が５～４０ｍｍの塊状赤鉄鉱１１の割合がわかるので、粒径が５～４０ｍｍである塊状赤鉄鉱１１の配合割合が１～１０質量％となるように、未選塊鉱の状態で均鉱１３へ積み付けることにより焼結原料に塊状赤鉄鉱１１を混合するようにしてもよい。

コンベア１５へ切出された焼結原料は１次ドラムミキサー１６に投入される。その際、１次ドラムミキサー１６に投入された塊状赤鉄鉱１１の運動状態が飛び跳ね領域となるように１次ドラムミキサー１６の回転数を設定することが好ましい。

ドラムミキサーの運転点は、ドラムミキサー内の原料の運動状態によって以下の３領域に分けられる。
正常転動域は、従来最も造粒性が高いとして指向されてきた運転領域である。この領域では、ドラムミキサー内壁との摩擦で持ち上げられた原料は原料斜面を転動しながら落下する。造粒は転動によって進行するため、この領域において造粒が最も進行する。
正常転動域よりも高回転数や低占積率側にシフトした領域が飛び跳ね領域である。この領域では、ドラムミキサー内壁との摩擦で持ち上げられた原料が転動せずにドラムミキサー内を放物落下する。飛び跳ね状態の初期では、原料が一部飛び跳ねる程度であるため造粒化は良いが、全体が飛び跳ねる状態となれば、一度造粒されたものが落下時に再破砕されるため、造粒そのものはあまり進行しない。
正常転動域よりも低回転数や高占積率側にシフトした領域は滑り領域と称される。滑り領域では、ドラムミキサー内壁との摩擦で持ち上がった原料全体が一斉に内壁を滑るように低い位置へ移動するため、造粒は進行しない。
従って、ドラムミキサーの操業では正常転動域が指向され、飛び跳ね領域及び滑り領域における操業は避けられてきた。

一方、微粉割合の高い焼結原料の造粒性を向上させるためには、造粒の前に回転羽根で原料を混練する強混練機等を用いて焼結原料を圧密化することが有効である。
本発明者らは、焼結原料の圧密化促進をドラムミキサーで実現することを目指し、焼結原料に粒径が５～４０ｍｍの塊状赤鉄鉱を混合して一次ドラムミキサーに投入する方法を見出したが、さらに、ドラムミキサーの飛び跳ね領域に着目して、塊状赤鉄鉱の放物落下の衝撃で焼結原料の圧密化をより進める可能性があると考えた。
ドラムミキサー１台だけで造粒する場合、この領域での運転は避けるべきであるが、ドラムミキサーが複数台ある場合、最上流側のドラムミキサーをこの塊状赤鉄鉱の飛び跳ね領域で操業し、後段のドラムミキサーを正常転動域で操業して造粒機として使用すれば、圧密化して造粒しやすい焼結原料にしたあとで造粒が行えるため、焼結原料の造粒性が高まると共に、得られた造粒物の強度を高めることができる。

１次ドラムミキサー１６から排出された焼結原料は２次ドラムミキサー１７で造粒され、サージホッパー１８に一時貯留された後、焼結機１９へ装入され焼結される。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、ドラムミキサーの台数を２台としているが、３台以上としてもよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
鉄鉱石は、塊状赤鉄鉱と、塊状赤鉄鉱以外の単一銘柄の鉄鉱石とした。
ドラムミキサーは２台とした。１次ドラムミキサーより前で焼結原料に塊状赤鉄鉱を混合する場合は、焼結原料槽からコンベアへ焼結原料を切り出すプロセスにおいて、塊状赤鉄鉱を焼結原料に混合した。また、１次ドラムミキサーより後で焼結原料に塊状赤鉄鉱を混合する場合は、２次ドラムミキサーとサージホッパーの間で塊状赤鉄鉱を焼結原料に混合した。

焼結原料の配合は表１の通りである。赤鉄鉱以外の配合は全て同一とし、塊状赤鉄鉱と粉状赤鉄鉱の比率のみ変化させた。

試験結果の一覧を表２に示す。表中の生産率は、焼成面積１ｍ^２当たりの１日の焼結生産量であり、単位は[ton/(day・m²)]である。また、歩留は、焼成後の焼結鉱のうち、高炉で使用可能な粒径５ｍｍ以上の焼結鉱の割合である。なお、返鉱及びダストが増加すると、生産率の低下と歩留の悪化を招くだけでなく、コスト及び環境面の悪影響がある。

検証試験より判明したことを以下に列記する。
・比較例１は、強混練効果及びMEBIOS効果の両方を実施しない例である。本試験では、比較例１における生産率及び歩留を他の例における生産率変化量及び歩留変化量の基準としている。
・比較例２は、塊状赤鉄鉱の配合が２５質量％である点以外は実施例１及び実施例３と同じ条件である。本例では、１次ドラムミキサーでの強混練効果は得られるが、焼結過程での塊状赤鉄鉱と粉鉱部との収縮挙動差に伴う歩留悪化により、強混練効果による生産率改善効果が一部相殺される。
・比較例３は、１次ドラムミキサーの後で焼結原料に塊状赤鉄鉱を混合しているため、原料充填層における塊状赤鉄鉱によるMEBIOS効果のみの効果が得られている。原料充填層の通気性のみ改善されたことに伴い、燃焼帯の厚み減少による歩留悪化が生じる。なお、本例における生産率向上は、歩留悪化の減産効果よりも処理速度向上による増産効果が上回ることによる。

・実施例１は請求項１記載の条件のもとで実施した。１次ドラムミキサーよりも前で焼結原料に塊状赤鉄鉱を混合することにより、１次ドラムミキサー内での塊状赤鉄鉱による強混練効果と、原料充填層における塊状赤鉄鉱によるMEBIOS効果の２つの効果が得られ、歩留が悪化することなく生産率が向上した。
・実施例２は請求項２記載の条件のもとで実施した。１次ドラムミキサーより前で焼結原料に塊状赤鉄鉱を混合し、かつ１次ドラムミキサーの運動状態が飛び跳ね領域になるように回転数を設定した。本例は、実施例１と同様、強混練効果とMEBIOS効果の２つの効果が得られるが、強混練効果が実施例１よりも高まるため、生産率がより向上する。
・実施例３は、塊状赤鉄鉱配合が１質量％である点以外は実施例１と同じ条件である。塊状赤鉄鉱が少ないため、生産率の改善幅が小さくなっている。しかし、実施例２と同じ歩留を維持しているので返鉱及びダストの増加はない。

１０：原料ヤード、１１：塊状赤鉄鉱、１２：塊状赤鉄鉱以外の単一銘柄の鉄鉱石、１３：均鉱、１４：焼結原料槽、１５：コンベア、１６：１次ドラムミキサー、１７：２次ドラムミキサー、１８：サージホッパー、１９：焼結機

Claims

粉状鉄鉱石を含む焼結原料を、複数台のドラムミキサーで造粒した後、焼結機に装入して焼結する焼結鉱の製造方法において、
前記複数台のドラムミキサーのうち最上流側に配置された１次ドラムミキサーに前記焼結原料を投入する前に、前記焼結原料に粒径５～４０ｍｍの塊状赤鉄鉱を１～１０質量％混合することを特徴とする焼結鉱の製造方法。
請求項１記載の焼結鉱の製造方法において、前記１次ドラムミキサーに投入された塊状赤鉄鉱の運動状態が飛び跳ね領域となるように該１次ドラムミキサーの回転数を設定することを特徴とする焼結鉱の製造方法。