JP2009019241A - 非焼成塊成鉱を用いた高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非焼成塊成鉱を高炉で使用する際に、通気性の悪化を防止して、高炉の安定操業を実現できる非焼成塊成鉱を用いた高炉の操業方法を提供する。
【解決手段】ベルレス高炉において、酸化鉄原料をセメント４など無機系バインダーとともに塊成化した非焼成塊成鉱１を製鉄用原料として使用する際に、前記非焼成塊成鉱を無次元半径で０．７〜１．０の炉周辺部に装入することを特徴とする非焼成塊成鉱を用いた高炉の操業方法を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は非焼成塊成鉱を製鉄用原料として使用する際の、高炉の操業方法に関するものである。

高炉による銑鉄製造プロセスでは、高炉内に装入された装入物で形成される充填層内に還元ガスを流通させるため、充填層内の空間率を一定値以上に保つことが重要となり、また充填層を形成する装入物の粒度が大なることが望ましい。そのために装入物の強度を高め、その粉化を抑制する必要があり、特に大型高炉においては、粉鉱石を炭材の燃焼熱により焼き固めた焼結鉱や、粉鉱石をペレタイザー等で球状に成形した後、１０００℃以上で高温加熱硬化させる焼成ペレット等の焼成塊成鉱が広く用いられている。

一方で、特に省エネルギーを目的に高温加熱処理しない非焼成塊成鉱に関する検討も進められてきた。非焼成塊成鉱は粉状の鉄鉱石や、製鉄ダストなどをセメント等の水硬性結合材をバインダーとして、常温または廃熱等を利用した数百度以下の比較的低温の条件で一定期間養生して製造される。

非焼成塊成鉱を製造する際にセメント系のバインダーを用いると、冷間強度は十分に得ることができ、したがって製造場所から高炉への移動が容易に行え、高炉内上部の数１００℃までの領域においては、その形状を保持させることができる。しかし、それ以上の高温の領域ではセメントが熱分解するために、強度が著しく低下し、高炉内中部および下部では強度が低下し、それに伴い通気性が悪化することが以前から指摘されている。

一方で、アスファルトやピッチ等の粘着性炭化水素混合物をバインダーとして非焼成塊成鉱を製造すれば、２００℃程度からバインダー中の揮発分が蒸発し、バインダーの粘度が大きくなるため強度が増大し、８００℃程度で揮発分の蒸発がほぼ終了し、ガラス状の炭素が鉄鉱石粒子を結合するため強度がさらに増加するとして、高温強度を改善した非焼成塊成鉱も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特公平３−６４５７１号公報

特許文献１は、非焼成塊成鉱の高温強度を改善する技術ではあるが、揮発分が２００℃から蒸発を始めると、還元ガスに随伴して高炉上部から排出される。高炉から排出されるガスは一般にＣＯガスなど可燃分を含むため回収されて利用されているが、この回収工程へ揮発分が随伴されると、凝集点以下の温度に冷却されたときタール分として固着する。したがって高炉からの排出ガス回収ができなくなるため、実操業上は高炉では使用できないという問題がある。

本発明は、このような従来技術の課題を解決することを目的とし、非焼成塊成鉱を高炉で使用する際に、通気性の悪化を防止して、高炉の安定操業を実現できる非焼成塊成鉱を用いた高炉の操業方法を提供するためになされたものである。

このような課題を解決するために本発明では、ベルレス高炉において、酸化鉄原料を無機系バインダーとともに塊成化した非焼成塊成鉱を製鉄用原料として使用する際に、非焼成塊成鉱を無次元半径で０．７〜１．０の炉周辺部に装入する高炉の操業方法を用いる。

本発明によれば、高炉の通気性を悪化させることなく、非焼成の塊成鉱を高炉原料として用いることができる。これにより銑鉄の製造コストを削減できる。また、高炉操業の効率を向上させ、還元材比の低下や高い生産性を得ることができる。

本発明は、ベルレス高炉において非焼成塊成鉱を製鉄用原料として使用する際に、無次元半径で０．７〜１．０の炉周辺部に非焼成塊成鉱を装入することを特徴とするものである。本発明で用いる非焼成塊成鉱は、酸化鉄原料をバインダーとともに塊成化したものであり、低温での強度をセメントなど無機系のバインダーにより担保するものである。無機系バインダーを用いることで、高炉内で加熱されてもバインダーから揮発分が発生することがなく、回収ガスにタール分が含まれることもない。

無機バインダーの強度が低下する高温では、原料の酸化鉄が炉内で還元されるに従って純鉄層を生成する。これは、高炉内を原料が下降すると、還元力の強いＣＯガス濃度が増加するとともに、温度が上昇するためである。本発明者らは、この純鉄層の生成による接合効果によって塊成鉱強度の低下を補うことができると考えて、その方法を検討した。その結果、非焼成塊成鉱を、高炉内の外周部分、炉内の無次元半径で０．７〜１．０の範囲内に装入することにより、原料酸化鉄の還元を速やかに行い、純鉄層の接合効果によって塊成鉱強度の低下が抑えられ、非焼成塊成鉱の高炉での使用が可能となることを見出し、本発明を完成した。

非焼成塊成鉱を高炉内の外周部分に装入する理由を、以下に詳しく説明する。

高炉内での原料の還元はＣＯガスとの気固反応であり、その反応速度は気相と原料表面との間のＣＯおよび還元で生成したＣＯ₂ガスの移動速度、原料表面での還元反応、原料粒子内部でのＣＯおよびＣＯ₂ガスの拡散速度で決定される。

反応中の粒子内部に外殻の生成物相と中心部の未反応物相があり、両者の境界に厚さのない界面があって、上記の過程が逐次進行すると仮定すると、反応界面の移動速度はガスの移動速度に比べて充分小さいために擬定常状態とみなせて、その反応速度は下記の（１）式で与えられる（「冶金反応工学」、養賢堂、東京、ｐ．５０参照。）。

（１）式において、R_A：総括反応速度、C_A0：ＣＯガス濃度、C_Ae：ＣＯガス平衡濃度、r₀：粒子半径、r_i：粒子内反応界面の半径、k_fA：ＣＯガスの境膜内移動係数、D_s：粒子内拡散係数、k：速度定数、K：平衡定数である。

境膜内移動係数 k_fA は下記（２）式（Ranz-Marshall式）から求められる。

（２）式において、D_p：粒子径、D_A：混合ガス中のＣＯ成分の分子拡散係数、y_A：ＣＯガスのモル分立、Re：レイノルズ数 = D_puρ/μ、Sc：シュミット数 = μ/ρD_Aである。

上記（１）、（２）式から、原料の還元を速やかに進行させ、純鉄層の生成による接合効果を早めるためには、原料と接するＣＯガス速度を大きくすることが有効であることがわかる。

ベルレス高炉の操業においては、原料やコークスの円滑な荷下がりを維持しながら、所定の送風量を確保することが重要である。また、炉内からのダスト排出や熱損失の制御も重要である。そのために、炉内半径方向の原料とコークスとの比率を適宜制御しながら炉内に装入することが行われている。

その際に、通常、炉中心、あるいは炉壁近傍にかけての範囲においては、降下する原料とコークスの熱流束と上昇するガスの熱流束との比（熱流比）を低下させて、中間部に比べてガス量を比較的大きくする操業を行なっている。すなわち、炉内外周部の炉壁近傍領域においてはガス流速が大きくなるため、この領域に高被還元性の原料を装入することで、高炉操業の効率を高めることが可能である。

本発明者らは、酸化鉄原料にバインダーを加え、非焼成で塊成化した製鉄用原料が被還元性に優れることを見出した。ここでの酸化鉄原料とは、鉄鉱石、鉄鉱石粉、焙焼酸化鉄粉、ペレット原料粉、高炉ダスト、製鋼ダスト、焼結ダストなどを含む酸化鉄原料であり、バインダーとは高温加熱処理することなく粉状の鉄鉱石や、製鉄ダストなどを成形して塊成鉱を製造できるものであり、各種セメント、高炉スラグ等の、水硬性結合材などを含む無機バインダーである。

以上のように、非焼成塊成鉱を高炉内の外周部に装入することで、粉化を防止すると同時に、高炉操業の効率を高めることができる。本発明の効果を示す一例として、鉄鉱石の粉砕品７６ｍａｓｓ％、１０μm以下で、かつＦｅ₂Ｏ₃を９０ｍａｓｓ%以上含む酸化鉄粉６ｍａｓｓ％、普通セメント２ｍａｓｓ％、高炉スラグ微粉末６ｍａｓｓ％を混練、造粒後、蒸気中で２４ｈｒ養生した非焼成塊成鉱の被還元性を測定した。被還元性の測定は、ＪＩＳ M ８７１３に則って行った。粒径１２ｍｍ±１ｍｍの試料５００ｇを乾燥した後反応管に装入し、９００℃に昇温した後に３０ｍａｓｓ％ＣＯ−７０ｍａｓｓ％Ｎ₂ガス中で３時間反応させた。反応前後の質量と鉄成分値から所定の還元率を算出した。その結果、通常の焼結鉱等での被還元性は６５％程度であるのに対し、非焼成塊成鉱の被還元性は７４％となり、被還元性に優れることが判明した。このような被還元性に優れる塊成鉱を高炉で使用する際に、炉内の外周部に装入することで、高炉操業の効率が向上する。

非焼成塊成鉱の高炉内での装入位置が無次元半径で０．７未満であると、純鉄層による接合効果が充分でなく、非焼成塊成鉱が粉化して、通気性が悪化する場合がある。無次元半径で０．７〜１．０の範囲内であれば、通気性は良好に維持できるが、無次元半径１．０の外周部分に近い位置に装入するほど効果が高い。非焼成塊成鉱の高炉内での装入位置が上記の範囲内であれば、無次元半径で０．７〜１．０の範囲内に、非焼成塊成鉱以外の原料が装入されても差し支えない。

以下、本発明で用いる非焼成塊成鉱の製造方法の一実施形態を図面に基づき説明する。図１は本発明で用いる非焼成塊成鉱１の製造方法を示す概略図である。定量切り出し装置２付きのホッパー（原料貯留槽）３内に装入した、セメント４、鉄鉱石５およびヘマタイト粉６を所定量切り出し原料搬送装置７により加湿混合機８へ導入する。ここで、セメント４、鉄鉱石５およびヘマタイト粉６については、おのおのホッパーを１つづつ図示しているが、必ずしも１つである必要は無く、また、複数種類のものをホッパー内で混合して用いても良い。また図示しないが、必要に応じ、事前に粒度を調整するための粉砕工程や、異物を取り除く工程等があっても良い。加湿混合機８については大きさの制約は特に無いが、混合攪拌能力の高いものが望ましい。混合攪拌能力の低いものを採用した場合は、混合時間が長くなるため、生産性が低下するというデメリットがある。

加湿混合された原料は原料搬送装置９により造粒機１０へ運搬され造粒される。図１の例では皿型転動造粒機を示したが、造粒機の種類に大きな制約はない。

主な造粒方法には、ディスクペレタイザーやドラム型造粒機を用いる転動造粒法と、ブリケット成形機を用いた圧縮造粒法を用いるものなどがある。ブリケット成形機は粒子群を機械的に圧縮するため、成形物の充填率が高まりグリーン強度（成形直後の強度。これに対し、冷間強度とは、成形後一定の養生期間を経過してバインダーの固化した後の粒子の強度を言う。）は増大する傾向にあるが、養生後の冷間強度はバインダーの質や量に依存するところが大きく、転動造粒法と圧縮造粒法で大きな違いがない。また、圧縮造粒法は転動造粒法に比較して粒度や性状の均一なものができやすい一方で、設備費や、補修費用が高いという特徴がある。さらに、皿型転動造粒機を用いた場合には、球径に近い塊成鉱が製造される。一方、圧縮造粒機によれば、アーモンド形、豆炭型、など使用する型枠によりさまざまな形状のものが製造可能である。したがって、造粒方法についてはこのような事情に鑑みて、適宜、好ましい方法を選択すれば良い。

造粒後の塊成化物は原料搬送装置１１により静置ヤード１２へ搬送される。静置ヤードで所定時間養生されたのち、塊成化物は高炉で使用可能な非焼成塊成鉱１となり、高炉に装入され製鉄原料として使用されることになる。

なお、常温雰囲気下での非焼成塊成鉱１の粒径は概ね８ｍｍ乃至３０ｍｍ程度であることが望ましい。これより小さい場合には充填層としての通気性が悪化するし、これを超える大きさでは還元性が悪化するからである。

バインダーについては冷間で十分な強度を発現しうるものであれば、特に制限はなく、高炉セメントや、ポルトランドセメントなど適宜、入手の容易さや、市場価格を考慮して最善のものを用いればよい。

また、塊成鉱の原料として微粉かつ高純度のヘマタイト粉を使用することもできる。たとえば、鉄鋼製造プロセスの冷間圧延工程において、圧延前に表面の酸化鉄層を塩酸で除去しているが、この塩酸中に鉄は塩化鉄として溶出する。この塩化鉄を焙焼することにより高純度かつ微粉のヘマタイト粉（酸洗ライン回収粉）が回収されている。このヘマタイト粉は本発明で用いる非焼成塊成鉱の原料として利用可能である。

次に、高炉での上記非焼成塊成鉱の使用方法について説明する。

まず、本発明で使用する高炉は、図２に示すようなベルレス型の高炉である。これは、旋回シュート２０の傾動角（鉛直方向との角度）を連続的に変化させながら回転させて原料を炉頂部に装入するタイプの高炉であり、装入物分布の制御性に優れる。図２では例として３つの炉頂バンカー２１が並列した構造としているが、２乃至４以上でもよく、また上方に直列に配置した構造でもよい。

まず、原料を炉頂バンカー２１に装入する。原料はコークス及び、非焼成塊成鉱を含む鉄含有原料で、焼結鉱、ペレット、鉄鉱石、還元鉄などである。これらは高炉下の貯鉱槽で配合、混合される。原料は旋回シュート２０を通して炉頂部に装入し、炉内に原料層２２を形成する。

非焼成塊成鉱を高炉炉内半径の０．７から１．０までの範囲内に装入するためには、炉頂バンカー２１への装入方法と旋回シュート２０の傾動パターンを適切に選択する。例えば、鉄含有原料を２つのバッチの装入に分割（ここでは質量比５５：４５で分割）して、後で装入する鉄含有原料に非焼成塊成鉱を混合する。コークス、１バッチ目の鉄含有原料、２バッチ目の鉄含有原料について、下記のような傾動パターンで旋回シュート２０を外周側から内周側に傾動させながら装入する。

コークス：５４°×２旋回、５３．５°×２旋回、５３°×２旋回、５２°×２旋回、５１．５°×２旋回、５１°×２旋回、５０°×３旋回、４９°×１旋回、４８°×１旋回、４５°×１旋回、４２°×１旋回、２５°×２旋回、２０°×１旋回
鉄含有原料（１バッチ目）：５０°×１旋回、４９°×１旋回、４８°×２旋回、４６．５°×２旋回、４５．５°×１旋回、４４．５°×１旋回、４３．５°×１旋回、４２．５°×１旋回、４１°×１旋回
鉄含有原料（２バッチ目）：５１°×１旋回、５０°×１旋回、５０°×２旋回、４９°×２旋回、４８°×１旋回
上記のような方法で装入すると、１バッチ目の鉄含有原料を装入したあとに、無次元半径で０．７から炉壁にかけて平坦な部分が形成する堆積形状となる。２バッチ目はその平坦部に原料が落下するようなパターンとなっているため、中心に流れ込むことなく、非焼成塊成鉱を安定した堆積形状を形成して外周側に装入することができる。

本発明の効果を確認するため、実高炉での非焼成塊成鉱使用試験を実施した。用いた非焼成塊成鉱は、表１に示す成分を有する鉄鉱石Ａを７３ｍａｓｓ％、鉄鉱石Ｂを１３ｍａｓｓ％、ヘマタイト粉を６ｍａｓｓ％、セメントを８ｍａｓｓ％配合し、図１に示す製造方法と同様の造粒工程により製造した。

試験を行った高炉は内容積が５１５３ｍ³、炉口直径１１．４ｍ、炉床直径１５．０ｍで、４０本の羽口を備えた、図２と同様のベルレス高炉である。この高炉に装入量と、装入位置とを変化させて、非焼成塊成鉱を装入して操業を行ない、出銑量と還元材比とを測定した。非焼成塊成鉱の装入量は、全鉄含有原料（焼結鉱、ペレット、塊鉄鉱石、非焼成塊成鉱の合計量）に対する割合で示した。非焼成塊成鉱の装入位置は、高炉の無次元半径で０〜０．５（無次元半径０．５未満の炉中心部）、０．５〜０．７（０．５以上、０．７未満の中間位置）、０．７〜１．０（無次元半径０．７以上の炉の外周部）の３種類となるように、旋回シュートの回転と傾動のパターンを調整した。

試験結果を表２に示す。非焼成塊成鉱を無次元半径０．７〜１．０の位置に装入した本発明例１、２では、出銑量が非焼成塊成鉱を使用しない場合（比較例１）よりも増加し、還元材比も低下しているが、非焼成塊成鉱を無次元半径で０〜０．５や、０．５〜０．７に装入した比較例２〜５では、出銑量が低下し、還元材比は上昇した。この結果から、本発明によって非焼成塊成鉱を安定的に使用し、高効率な高炉操業の実現が可能になることがわかる。

非焼成塊成鉱の製造方法を示す概略図。 ベルレス型の高炉の概略図。

符号の説明

１ 非焼成塊成鉱
２ 定量切り出し装置
３ ホッパー
４ セメント
５ 鉄鉱石
６ ヘマタイト粉
７ 原料搬送装置
８ 加湿混合機
９ 原料搬送装置
１０ 造粒機
１１ 原料搬送装置
１２ 静置ヤード
２０ 旋回シュート
２１ 炉頂バンカー
２２ 原料層

Claims (1)

1. ベルレス高炉において、酸化鉄原料を無機系バインダーとともに塊成化した非焼成塊成鉱を製鉄用原料として使用する際に、前記非焼成塊成鉱を無次元半径で０．７〜１．０の炉周辺部に装入することを特徴とする非焼成塊成鉱を用いた高炉の操業方法。

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