JP2010126802A - 焼結鉱の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結機の点火炉下流側で気体燃料を供給して焼結鉱を製造する際、気体燃料との関係において、焼結原料中の炭材量を最適化し、高強度、高品質の焼結鉱を安定して製造し、かつ、ＣＯ_２の発生量を削減できる焼結鉱の製造方法を提案する。
【解決手段】パレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入する装入工程と、装入層表面の炭材に点火する点火工程と、装入層上方で気体燃料を供給する気体燃料供給工程と、パレット下に配置されたウインドボックスで上記希釈気体燃料と空気を装入層内に吸引して、装入層内の炭材を燃焼させると共に、上記希釈気体燃料を炭材燃焼後の装入層内で燃焼させて焼結する焼結工程を有する焼結鉱の製造方法において、上記焼結原料中の炭材の量を気体燃料を供給しないときよりも削減する、好ましくは、気体燃料供給工程で供給する気体燃料の燃焼熱に相当する量以上削減する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、高強度高品質の焼結鉱を高歩留りでかつ安価に製造することができ、しかも二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を削減することができて環境に配慮した下方吸引式焼結機による焼結鉱の製造方法に関するものである。

高炉製銑法の主原料である焼結鉱は、一般に、図１に示すような工程を経て製造される。焼結鉱の原料は、鉄鉱石粉や焼結鉱篩下粉、製鉄所内で発生した回収粉、石灰石およびドロマイトなどの含ＣａＯ系副原料、生石灰等の造粒助剤、コークス粉や無煙炭などであり、これらの原料は、ホッパー１・・・の各々から、コンベヤ上に所定の割合で切り出される。切り出された原料は、ドラムミキサー２および３等によって適量の水が加えられ、混合、造粒されて、平均径が３〜６ｍｍの擬似粒子である焼結原料とされる。この焼結原料は、その後、焼結機上に配置されているサージホッパー４、５からドラムフィーダー６と切り出しシュート７を介して、無端移動式の焼結機パレット８上に装入され、焼結ベッドともいわれる装入層９を形成する。装入層の厚さ（高さ）は通常４００〜８００ｍｍ前後である。その後、装入層９の上方に設置された点火炉１０により、装入層表層の炭材に点火するとともに、パレット８の直下に配設されているウインドボックス１１を介して大気を下方に吸引することにより、該装入層中の炭材を順次燃焼させ、このときに発生する燃焼熱で前記焼結原料を溶融して焼結ケーキを得る。このようにして得た焼結ケーキは、その後、破砕、整粒され、約５ｍｍ以上の塊成物が、成品焼結鉱として回収される。

上記製造プロセスにおいて、点火炉１０によって点火された装入層中の炭材は、その後、ウインドボックスによって装入層の上層から下層に向かって吸引される大気によって燃焼を続け、幅をもった燃焼・溶融帯（以降、単に「燃焼帯」ともいう。）を形成する。この燃焼帯は、パレット８が下流側に移動するのに伴って次第に装入層の上層から下層に移行し、燃焼帯が通過した後には焼結ケーキ層（以降、単に「焼結層」ともいう。）が生成されている。また、燃焼帯が上層から下層に移行するのにともない、焼結原料中に含まれる水分は、炭材の燃焼熱で気化して、まだ温度が上昇していない下層の焼結原料中に濃縮し、湿潤帯を形成する。その水分濃度がある程度以上になると、吸引ガスの流路となる焼結原料の粒子間の空隙が水分で埋まり、通気抵抗を増大させる。また、焼結反応に必要な燃焼帯に発生する溶融部分も、通気抵抗を高める要因となる。

図２は、厚さが６００ｍｍの装入層中を移動する燃焼帯が、該装入層のパレットの約４００ｍｍ上（装入層表面から２００ｍｍ下）の位置にあるときの、装入層内の圧損と温度の分布を示したものである。このときの圧損分布は、湿潤帯におけるものが約６０％、燃焼帯におけるものが約４０％である。

さて、焼結機の生産量（ｔ／ｈｒ）は、一般に、焼結生産率（ｔ／ｈｒ・ｍ^２）×焼結機面積（ｍ^２）により決定される。即ち、焼結機の生産量は、焼結機の機幅や機長、原料堆積層の厚さ（装入層厚さ）、焼結原料の嵩密度、焼結（燃焼）時間、歩留りなどにより変化する。したがって、焼結鉱の生産量を増加させるには、装入層の通気性（圧損）を改善して焼結時間を短縮する、あるいは、破砕前の焼結ケーキの冷間強度を高めて歩留りを向上することなどが有効であると考えられている。

図３は、焼結鉱の生産性が高い時と低い時、即ち、焼結機のパレット移動速度が速い時と遅い時の装入層内のある点における温度と時間の推移を示したものである。焼結原料の粒子が溶融し始める１２００℃以上の温度に保持される時間（以降、「高温域保持時間」と称する）は、生産性が低い場合はｔ_１、生産性が高い場合はｔ_２で表されている。生産性が高い時はパレットの移動速度が速いため、高温域保持時間ｔ_２が、生産性が低い時のｔ_１と比べて短くなる。高温域保持時間が短くなると焼成不足となり易く、焼結鉱の冷間強度が低下し、歩留りが低下する。したがって、高強度の焼結鉱を短時間で、高い歩留りをもって生産性よく製造するには、何らかの手段を講じて「高温域保持時間」を延長し、焼結ケーキの強度、即ち焼結鉱の冷間強度を高めてやる必要がある。なお、焼結鉱の冷間強度を表す指標としては、一般に、ＳＩ（シャッターインデックス）、ＴＩ（タンブラーインデックス）が用いられている。

図４は、点火炉によって着火された装入層表層の炭材が、吸引される空気によって燃焼を続けて燃焼帯を形成し、これが装入層の上層から下層に順次移動し、焼結ケーキが形成されていく過程を模式的に示した図である。また、図５（ａ）は、上記燃焼帯が、図４に示した太枠内に示した装入層の上層部、中層部および下層部の各層内に存在しているときの温度分布を模式的に示したものである。焼結鉱の強度は、１２００℃以上の温度に保持される時間、正確には、１２００℃以上の温度に保持される温度と時間の積に影響され、その値が大きいほど焼結鉱の強度は高くなる。装入層の中層部および下層部は、装入層上層部の炭材の燃焼で発生する燃焼熱が吸引される空気と共に運ばれて予熱される。そのため、装入層の中層部や下層部は高温度に長時間にわたって保持されるのに対して、装入層上層部は、燃焼熱が不足し、焼結に必要な燃焼溶融反応（焼結化反応）が不十分となりやすい。その結果、装入層内の焼結機幅方向断面内における焼結鉱の歩留り分布は、図５（ｂ）に示したように、装入層上層部ほど歩留りが低くなる。しかし、このとき注意しなければならないのは、装入層内の温度が１３８０℃を超えると、焼結鉱の組織がガラス化し、逆に強度が低下する点である。したがって、最高到達温度は１３８０℃を超えないようにすることが望ましい。

この問題に対しては、装入層上層部を長時間にわたって高温に保持することを目的とした技術が幾つか提案されている。例えば、特許文献１には、装入層に点火後、装入層上に気体燃料を噴射する技術が、特許文献２には、装入層に点火後、装入層に吸引される空気中に可燃性ガスを添加する技術が、また、特許文献３には、焼結原料の装入層内を高温にするため、装入層の上にフードを配設し、そのフードから空気やコークス炉ガスとの混合ガスを点火炉直後の位置で吹き込む技術が、さらに、特許文献４には、低融点溶剤と炭材や可燃性ガスを同時に点火炉直後の位置で吹き込む技術が提案されている。

しかし、これらの技術は、高濃度の気体燃料を使用し、しかも燃料ガスの吹き込みに際して炭材量を削減していないため、装入層内の焼結時の最高到達温度が１３８０℃を超える高温となり、却って冷間強度の低い焼結鉱が生成して歩留改善効果が得られなかったり、気体燃料の燃焼による温度上昇と熱膨張によって通気性が悪化し、生産性が低下したりし、さらには、気体燃料の使用により、焼結ベッド上部空間で火災を起こす危険性があったりするため、いずれも実用化には至っていない。

そこで、出願人は、上記問題点を解決する技術として、焼結機の点火炉の下流において、燃焼下限濃度以下に希釈した各種気体燃料を、パレット上の焼結原料層（装入層）の上から供給して装入層内に導入し、燃焼させることにより、装入層内の最高到達温度および高温域保持時間のいずれか一方または両方を調整する方法を特許文献５に提案している。
特開昭４８−１８１０２号公報 特公昭４６−２７１２６号公報 特開昭５５−１８５８５号公報 特開平５−３１１２５７号公報 ＷＯ２００７−０５２７７６号公報

上記特許文献５の技術によれば、下方吸引式焼結機の装入層内に、所定の濃度に希釈した気体燃料を導入し、装入層内の目標とする位置で燃焼させることができるので、焼結原料の燃焼時の最高到達温度や高温域保持時間を適正に制御することによって、熱量不足で焼結鉱の冷間強度が低くなりやすい装入層上層部の焼結鉱の強度を高めたり、装入層の中・下層部の焼結鉱の強度をより高めたりすることができる。

しかしながら、上記特許文献５を含めた従来技術においては、焼結原料中に含まれる炭材の量を、上記所定濃度に希釈して供給される気体燃料との関係において、どのような配合量にすべきか、という点については、まだ十分に検討がなされていない。

そこで、本発明の目的は、下方吸引式焼結機の点火炉下流側で気体燃料を供給して焼結鉱を製造する方法において、上記気体燃料との関係において、焼結原料中に含まれる炭材の量を最適化し、気体燃料供給効果を最大限に発揮させることにより、高強度、高品質の焼結鉱を高歩留りで、安価に製造することができ、しかも、焼結工程で発生する二酸化炭素の排出量を削減することができる焼結鉱の製造方法を提案することにある。

発明者らは、下方吸引式焼結機の点火炉下流側で希釈気体燃料を供給して焼結鉱を製造する方法において、高強度高品質の焼結鉱を高歩留りで安価に製造するとともに、近年、特に製鉄業に求められている二酸化炭素の排出量の削減に向けて、希釈気体燃料の供給量と、焼結原料中に含まれる炭材量との関係を最適化すべく鋭意検討を重ねた。その結果、希釈気体燃料の供給量に応じて、焼結原料中に含まれる炭材の量を削減することが好ましいこと、かつ、供給する気体燃料の燃焼熱に相当する量以上の炭材を削減しても、焼結鉱の品質特性を改善し、生産性を向上することが十分に可能であり、併せて、二酸化炭素の排出量を大幅に削減できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、循環移動するパレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入して装入層を形成する装入工程と、その装入層表面の炭材に点火炉を使って点火する点火工程と、装入層上方の大気中に気体燃料を供給して燃焼下限濃度以下の希釈気体燃料として供給する気体燃料供給工程と、パレット下に配置されたウインドボックスで上記希釈気体燃料と空気を装入層内に吸引して、装入層内の炭材を燃焼させると共に、上記希釈気体燃料を炭材燃焼後の装入層内で燃焼させて焼結する焼結工程を有する焼結鉱の製造方法において、上記焼結原料中の炭材の量を、気体燃料を供給しないときよりも削減することを特徴とする焼結鉱の製造方法である。

本発明の焼結鉱の製造方法は、上記炭材の削減量を、下記式；
置換率＝Ｂ／Ａ
ただし、Ａ：供給した気体燃料の燃焼熱、Ｂ：削減した炭材量に相当する燃焼熱
で定義される置換率で１〜１５の範囲とすることを特徴とする。

また、本発明の焼結鉱の製造方法は、上記置換率を１．５〜１０、あるいはさらに２〜６の範囲とすることを特徴とする。

本発明によれば、焼結機の点火炉下流側で供給する希釈気体燃料の供給量に応じて焼結原料中に含まれる炭材の量を削減することにより、焼結工程における燃焼・溶融帯の温度を、最高到達温度を１３８０℃超とすることなく、１２００〜１３８０℃の範囲に長時間にわたって保持することが可能となるので、高強度の焼結鉱を高い歩留りで、高い生産性を確保しつつ安定して製造することが可能となる。さらに、本発明によれば、供給する気体燃料の燃焼熱に相当する量以上の炭材を低減できるので、炭材コストを低減できると共に、焼結工程において発生する二酸化炭素の排出量を大幅に削減することができる。

上記のように、本発明の焼結鉱の製造方法は、装入工程、点火工程、気体燃料供給工程および焼結工程の各工程から構成されている。ここで、上記の装入工程は、循環移動するパレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入して装入層を形成する工程であり、点火工程は、点火炉によって装入層表層の炭材に点火する工程である。また、上記の気体燃料供給工程は、点火炉のパレット進行方向の下流側で、気体燃料供給装置から高濃度の気体燃料を装入層上方の大気中に高速で吐出し、空気と瞬時に混合させて燃焼下限濃度以下の所定濃度の希釈気体燃料とし、この希釈気体燃料を空気と共にパレット下に配置されたウインドボックスによって吸引して装入層内に導入する工程であり、焼結工程は、装入層内に吸引した上記空気によって装入層内の炭材を燃焼させ、発生した燃焼熱によって焼結原料を溶融・焼結すると共に、希釈気体燃料を燃焼帯が通過した装入層内の所定の位置で燃焼させ、さらに溶融・焼結を促進して焼結ケーキを生成させる工程である。

本発明の焼結鉱の製造方法において、装入層中に導入する高濃度の気体燃料を装入層の上方で大気中に高速で吐出して周囲の空気と短時間で混合させることにより、その気体燃料が有する燃焼下限濃度以下の濃度に希釈し、その後、その希釈気体燃料を装入層中に導入する。このように、装入層内に導入する前に希釈する理由は以下による。

内径３００ｍｍφ×高さ４００ｍｍの焼結鍋に焼結ケーキを充填し、焼結ケーキの下方で焼結ケーキを通して空気を吸引可能とした実験装置を製作した。次いで、図６（ａ）に示したように、焼結ケーキの中央部の上から深さ９０ｍｍの位置にノズルを埋め込み、吸引する空気に対して１ｖｏｌ％となる量の１００％濃度のメタンガスを吹き込み、焼結ケーキ内の円周方向および深さ方向におけるメタンガス濃度の分布を測定し、その結果を表１に示した。また、図６（ｂ）に示したように、同じノズルを用いて、焼結ケーキの上方３５０ｍｍの位置から、上記と同量のメタンガスを大気中に供給して希釈し、上記と同様にして焼結ケーキ内のメタンガス濃度の分布を測定し、その結果を表２に示した。これらの結果から、メタンガスを焼結ケーキ中に直接導入した場合には、メタンガスの横方向への拡散が不十分であるのに対して、メタンガスを焼結ケーキ上方で供給した場合には、焼結ケーキ内のメタンガス濃度はほぼ均一化していることがわかる。この結果からわかるように、気体燃料は、焼結ケーキの上方で大気中に供給し、装入層内に導入される前に、均一に希釈しておくことが好ましいからである。

なお、上記濃度の希釈気体燃料を装入層中に供給する方法としては、都市ガスやＬＮＧ、Ｃガス等の気体燃料を、高濃度のまま大気中に吐出して周囲の空気と混合させて所定濃度に希釈してから装入層中に導入する直上吹込み方式と、あらかじめ大気と気体燃料とを混合して所定濃度まで希釈したものを装入層の上方から供給する予混合吹込み方式（いわゆるプレミックス形式）がある。表３は、上記両方式の得失を評価したものである。直上吹込み方式では、乱流燃焼速度以上の速度で気体燃料を吐出すれば、逆火防止は容易であるが、気体燃料を周囲の大気と混合して希釈させる際、濃度ムラが発生しやすく、異常燃焼を起こす可能性が予混合吹込み方式に比べて高い。しかし、設備コストを含めて総合的に評価した場合、都市ガス（ＬＮＧ）の直上吹込み方式が最も優れている。

気体燃料を供給する装置としては、例えば、図７に示したように、パレットの幅方向に沿って、複数の気体燃料供給パイプを配設し、そのパイプに気体燃料を吐出するスリットあるいは開口を設けるかまたはノズルを取付けた気体燃料供給手段を有するもの、あるいは、図８に示したように、パレットの進行方向に沿って、複数の気体燃料供給パイプを配設し、そのパイプに気体燃料を吐出するスリットあるいは開口を設けるかまたはノズルを取付けた気体燃料供給手段を有するものが好ましい。

次に、本発明の焼結鉱の製造方法において、装入層中に供給する希釈気体燃料の種類について説明する。
表４は、製鉄業において使用されている気体燃料（都市ガス、コークス炉ガス（Ｃガス）、高炉ガス（Ｂガス））の燃焼下限濃度、供給濃度等を示したものである。焼結原料中に供給する際の気体燃料の濃度は、爆発や火災（着火）を防止する観点からは、燃焼下限濃度より低い方が安全である。この点、都市ガスは、メタンを主成分とする天然ガス（ＬＮＧ）を使用しており、Ｃガスと燃焼下限濃度が近似しているが、熱量がＣガスよりも高いことから、供給濃度を低くできる。したがって、安全性を確保するには、供給濃度を低くできる都市ガスの方がＣガスよりも優位である。

表５は、気体燃料中に含まれる燃焼成分（水素，ＣＯ，メタン）と、それら成分の燃焼下限・上限濃度、層流、乱流時の燃焼速度等を示したものである。焼結中に気体燃料供給装置から供給している気体燃料への着火を防止するには、逆火防止を図る必要がある。そのためには、気体燃料を、少なくとも層流燃焼速度以上、好ましくは乱流燃焼速度以上の高速で吐出させればよいと考えられる。例えば、メタンを主成分とする都市ガスの場合には、３．７ｍ／ｓを超える速度で吐出させれば、逆火のおそれはないわけである。一方、水素ガスは、乱流燃焼速度がＣＯやメタンと比較して速いため、逆火を防止するには、その分、高速で吐出させる必要がある。この点、水素を含まない都市ガス（ＬＮＧ）は、水素を５９ｖｏｌ％含有するＣガスと比較して、吐出速度を遅くすることができる。しかも、都市ガスは、ＣＯを含まないので、ガス中毒を起こすおそれもない。したがって、都市ガス（ＬＮＧ）は、本発明において使用する気体燃料として、好ましい特性を有するものであると言える。

本発明において装入層中に供給することができる気体燃料としては、上記、都市ガス（ＬＮＧ）の他に、ＢガスやＣガス、ＣＯガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガスあるいはこれらの混合ガスのいずれかを用いることができる。ただし、ＢガスやＣガスを使用する場合には、ガス吐出速度を高めること、および、ＣＯ対策を別途講ずることが必要となる。

次に、本発明の焼結鉱の製造方法で供給する希釈気体燃料の濃度について説明する。
本発明の製造方法において装入層中に導入する希釈気体燃料は、その中に含まれる可燃性ガス（燃焼成分）の濃度を、大気中の常温における燃焼下限濃度の３／４（７５％）以下に希釈したものであることが好ましい。その理由は、装入層上部への高濃度の可燃性ガスの供給は、時として、爆発的燃焼を招くおそれがあり、少なくとも常温では、火種があっても燃焼しない状態としておく必要があること、装入層中で完全に燃焼せず、未燃焼のままウインドボックスの下流にある電気集塵器等に到達したとしても、電気集塵器の放電によって燃焼するおそれがないことが必要であること、さらに、希釈気体燃料の燃焼による酸素の消費によって、焼結原料用に含まれる総燃料（炭材＋気体燃料）の燃焼に必要な酸素の不足を招いて燃焼不足を起こさない程度に希釈されたものであることが必要であるからである。

一方、希釈気体燃料の下限濃度は、燃焼下限濃度の１％以上であるのが好ましい。燃焼下限濃度の１％未満では、燃焼による発熱量が不足し、焼結鉱の強度向上と歩留りの改善効果が得られないからである。

以上のことから、本発明における装入層に供給する希釈気体燃料の濃度は、燃焼下限濃度の１〜７５％の範囲とするのが好ましい。これを、天然ガス（ＬＮＧ）についてみると、ＬＮＧの燃焼下限濃度は４．８ｖｏｌ％（表４参照）であるから、希釈気体燃料の濃度は、０．０５〜３．６ｖｏｌ％の範囲が好適であることになる。

次に、本発明の焼結鉱の製造方法において、装入層内の最高到達温度を１３８０℃超とすることなく、１２００〜１３８０℃の温度範囲に制御する必要性について説明する。
「鉱物工学」（今井秀喜、武内寿久禰，藤木良規編、１９７６、１７５、朝倉書店）によれば、焼結反応は、図９の模式図のようにまとめられる。また、表６には、焼結過程で生成する各種鉱物の引張強度（冷間強度）と被還元性の値を示した。図９からわかるように、焼結過程では、１２００℃で融液が生成し始め、焼結鉱の構成鉱物の中で最も高強度で被還元性も比較的高いカルシウムフェライトが生成する。さらに昇温が進んで約１３８０℃を超えると、冷間強度と被還元性が最も低い非晶質珪酸塩（カルシウムシリケート）と、還元粉化しやすい二次ヘマタイトとに分解する。したがって、焼結鉱の冷間強度および被還元性（ＲＩ）のいずれにも優れた焼結鉱を安定して得るには、焼結過程において１２００℃以上の温度で得られたカルシウムフェライトを、カルシウムシリケートと二次ヘマタイトとに分解させないことが重要なポイントとなる。

また、上記刊行物「鉱物工学」によれば、焼結鉱の還元粉化の起点となる二次ヘマタイトの析出挙動について、鉱物合成試験の結果から、図１０の状態図により説明している。その説明によると、還元粉化の起点となる骸晶状二次ヘマタイトは、Ｍａｇ．ｓｓ＋Ｌｉｑ．域まで昇温して冷却したのちに析出するので、状態図上では、（１）の経路でなく、（２）の経路を介して焼結鉱を製造することで、還元粉化を抑制できるとしている。
したがって、還元粉化性（ＲＤＩ）に優れかつ高強度で被還元性に優れる焼結鉱を得るためには、焼結時における装入層内の最高到達温度を１３８０℃超えとすることなく、装入層内の温度を１２００℃（カルシウムフェライトの固相線温度）〜１３８０℃（転移温度）の範囲に制御する必要がある。

また、カルシウムフェライトの生成は、前述したように、１２００℃以上の温度に保持される時間、正確には、１２００〜１３８０℃の範囲の保持される温度と時間の積に依存する。したがって、高強度で被還元性がよくかつ低ＲＤＩの焼結鉱を得るためには、焼結時の装入層内の温度を１２００〜１３８０℃の範囲に長時間保持するヒートパターンを如何に実現するかが課題となる。そこで、本発明は、焼結に必要な熱源を確保し、焼結時の装入層内の温度を１２００〜１３８０℃の温度範囲に保持する時間を延長するため、炭材に加えてさらに希釈気体燃料を装入層内に供給する焼結方法を採用している。

図１１（ｂ）は、透明石英製の試験鍋を用いた焼結試験において、希釈気体燃料を供給した場合としなかった場合とで、装入層中の図１１（ａ）中に●で示した位置の温度と時間との関係を比較して示したものである。図中の破線は、焼結原料中に炭材としてコークスを５ｍａｓｓ％配合し、気体燃料の供給を行わなかったときの例であり、燃焼・溶融帯が上記点を通過しているときの装入層内の温度は、焼結に有効な１２００℃以上の温度に２分間程度保持されていることがわかる。一方、図中の実線は、熱量換算で、コークスにして０．４ｍａｓｓ％に相当する量のＬＮＧを装入層中に供給し、その分、焼結原料中の炭材（コークス）量を低減して４．６ｍａｓｓ％とし、総熱量を一定としたときの例を示したものである。この場合、装入層中に供給された希釈気体燃料が、コークスの燃焼位置（燃焼帯）よりも上層側、すなわち燃焼帯が既に通過して温度が低下し始めた領域で燃焼し、その領域が再加熱される結果、焼結に有効な１２００℃以上の温度に保持される時間が大幅に延長されている。しかもこの延長は、気体燃料の供給に伴ってコークス量を減らしているにも拘わらず、ガス燃焼・溶融帯の通過時における装入層内の最高到達温度を、コークス強度の低下を招く１３８０℃を超える温度まで上昇させることなく実現されている。

また、図１２は、図１１に示した焼結実験において、装入層中のコークス量と供給する気体燃料（ＬＮＧ）の濃度および供給位置を４水準に変えて焼結実験を行った結果を示したもので、図１２（ａ）は、装入層内におけるコークスおよび気体燃料が燃焼する時間位置を、図１２（ｂ）は、上記燃焼の結果、図１２（ａ）に●印で示した装入層内位置における温度の時間推移を示したものである。また、図１２（ｂ）に示した水準Ａの曲線（細い実線）は、焼結原料中に炭材としてコークスを５ｍａｓｓ％含有させ、気体燃料の供給を一切行わなかった例における温度変化である。また、水準Ｂの曲線（細い点線）は、０．１ｖｏｌ％に希釈したＬＮＧを供給し、コークスを４．６ｍａｓｓ％に低減した例である。この例では、ＬＮＧの希釈濃度が０．１ｖｏｌ％と低く、発熱量が少ないため、コークス減少による熱量不足を十分にカバーできず、気体燃料供給効果が不十分である。また、水準Ｄの曲線（太い破線）は、４．０ｖｏｌ％に希釈したＬＮＧを供給し、コークスを４．６ｍａｓｓ％に低減した例であり、希釈気体燃料の燃焼温度は、温度に依存し、濃度が高いほど燃焼温度は低温となる。そのため、４．０ｖｏｌ％のＬＮＧは、コークス燃焼位置と大きく乖離した、焼結が完了して温度が低下した装入層上層部で燃焼するため、装入層内温度は２つのピークを示すものの、焼結に有効な１２００℃以上の温度の延長にはつながらない。これに対して、水準Ｃの曲線（太い実線）は、０．４ｖｏｌ％に希釈したＬＮＧを供給し、コークスを４．６ｍａｓｓ％に低減した場合である。この場合には、希釈気体燃料の燃焼温度が高温側に移行するため、コークス燃焼とＬＮＧの燃焼の両方の効果が重畳し、１２００℃以上の温度での保持時間は、水準Ａ、ＢおよびＣの場合に比べて大幅に延長されている。

これらの結果から、希釈気体燃料の供給により、焼結がより促進されて焼結鉱の強度が高まり、歩留りや生産性が向上すると共に、焼結鉱の被還元性も高められることが期待されるが、そのためには、気体燃料の供給量に応じて、添加する炭材の量を削減し、装入層内の最高到達温度を１２００〜１３８０℃の範囲に制御する必要がある。因みに、発明者らの調査によれば、十分な焼結強度と被還元性および低い還元粉化性の焼結鉱を得るためには、１２００〜１３８０℃の温度範囲に少なくとも２分間は保持する必要があり、好ましくは３分間以上、さらに好ましくは５分間以上保持するのが望ましい。

しかし、気体燃料を供給する場合に注意すべきことは、従来、コークスのみを炭材として用いていた場合には、コークスの燃焼熱によって上記焼結温度を確保していたが、従来と同じ量の炭材が含まれて装入層内に希釈気体燃料の供給を行うと、気体燃料の燃焼熱によって焼結時の最高到達温度が上昇して上述した適正温度範囲（１２００〜１３８０℃）に装入層内の温度を維持することができなくなり、焼結強度の低いカルシウムフェライトが生成して、歩留りや被還元性の低下を招くことがあるということである。したがって、供給する気体燃料に応じて、焼結原料中に配合する炭材の量を低減することが好ましいと考えられる。また、炭材量を削減できれば、炭材コストが低減できるだけでなく、焼結工程で発生する二酸化炭素の量を削減することも可能となる。

そこで、装入層内に供給した希釈気体燃料との関係において、焼結原料中に含まれる炭材配合量の適正範囲を確認するため、３００φ×４００ｍｍＨの透明石英製の試験鍋を用い、炭材として粉コークスを含有する焼結原料中に、気体燃料としてＬＮＧを０．６ｖｏｌ％に希釈した希釈気体燃料を４分間供給する焼結実験を行った。なお、焼結原料中に含まれる炭材の量は、表７に示したように、気体燃料の吹込みがない場合は５．０ｍａｓｓ％、気体燃料の吹込みがある場合は、４．８〜４．０ｍａｓｓ％の間で変化させ、供給した気体燃料の燃焼熱および削減した炭材量に相当する燃焼熱と、焼結鉱の品質および生産性との関係を調査した。

上記鍋試験の結果を、表７中に併記して示した。また、供給した気体燃料の燃焼熱をＡ、削減した炭材量に相当する燃焼熱をＢとしたときのＡに対するＢの比（Ｂ／Ａ）を置換率と定義したとき、この置換率Ｂ／Ａと、焼結鉱の品質（シャッター強度、被還元性）、成品歩留まりおよび生産率との関係を図１３に示した。なお、シャッター強度は、ＪＩＳ Ｍ８７１１に準じて、また、被還元性は、ＪＩＳ Ｍ８７１３に準じて測定した。
図１３から、少なくとも、気体燃料を供給して焼結鉱を製造する場合には、焼結原料中の炭材の量を、気体燃料を供給しないときよりも削減しても、焼結鉱の品質特性（強度、被還元性）や生産性には何ら悪影響はなく、却って焼結鉱の品質特性や生産性を向上すること、特に、置換率Ｂ／Ａを１以上、すなわち、気体燃料供給工程で供給する希釈気体燃料の燃焼熱に相当する量以上の炭材を削減しても、焼結鉱の品質特性（強度、被還元性）や生産性はむしろ向上していることがわかる。さらに、図１３からは、炭材の削減量は、置換率Ｂ／Ａを５程度とし、炭材量を大幅に削減しても、気体燃料供給の効果を十分に享受できることがわかる。つまり、装入層内の温度を１２００〜１３８０℃の領域に維持して非晶質のカルシウムシリケートが生成しないようにするには、気体燃料供給工程で供給する気体燃料の燃焼熱に相当する量以上の炭材を削減しなければならないことが確認された。

上記のように、供給する希釈気体燃料の燃焼熱に相当する量以上の炭材を削減しても、したがって、気体燃料と炭材の合計の燃焼熱が減少しても、焼結鉱の品質特性や生産性が向上する理由は、前述した図１１および図１２からわかるように、装入層中に供給された希釈気体燃料が、コークスの燃焼位置（燃焼帯）よりも上層側、すなわち燃焼帯が既に通過して温度が低下し始めた領域で燃焼し、その領域が再加熱される結果、ガス燃焼・溶融帯の通過時における装入層内の温度が、コークス強度の低下を招く１３８０℃を超える温度まで上昇することなく、焼結に有効な１２００℃以上の温度に保持される時間が大幅に延長されるからであると考えられる。

ただし、過度に炭材量を削減し過ぎると、すなわち、置換率Ｂ／Ａをあまり大きくし過ぎると、気体燃料と炭材の合計燃焼熱が低下し過ぎて、焼結鉱の品質特性や生産性が低下するようになる。なお、気体燃料の供給効果は、置換率Ｂ／Ａが１０以上になっても認められ、その上限は、後述する実施例で説明するように１５程度である。したがって、焼結原料中の炭材量は、供給する気体燃料に応じて、置換率Ｂ／Ａが１〜１５の範囲となるように削減するのが好ましく、より好ましくは、１．５〜１０、さらに好ましくは２〜６の範囲である。

上記のように、本発明によれば、供給する気体燃料の燃焼熱に相当する量以上の炭材を削減することができるので、焼結鉱の品質改善や生産性の向上を安価に実現できるのに加えてさらに、炭材の燃焼によって発生する二酸化炭素の量を大幅に削減することができる。したがって、本発明は、地球環境にも優しい環境調和型の技術であると言える。

図１４に示したような気体燃料供給設備を設けた実機焼結機を用いて、表８に示した条件で、表気体燃料吹込みと同時に、焼結原料中の炭材量を削減する焼結実験を行い、焼結鉱の品質（タンブラー強度、被還元性）に及ぼす影響を確認した。
なお、タンブラー強度は、実機焼結機で得られる焼結鉱強度を表す指標として最も広く用いられており、シャッター強度と強い相関関係がある。このタンブラー強度ＴＩは、ＪＩＳ Ｍ８７１２に準拠し、試料を回転ドラム内で回転させて、６．３ｍｍの篩で篩い分け、試験に供された試料質量と、試験後の＋６．３ｍｍの試料質量の比から求めた。また、被還元性は、ＪＩＳ Ｍ８７１３に準じて、１９．０〜２２．４ｍｍに篩い分けた５００ｇの焼結鉱試料を、９００℃のもとで、ＣＯを３０ｖｏｌ％、Ｎ_２を７０ｖｏｌ％含む還元ガスで１８０分間還元した後、還元前の被還元酸素量に対する還元酸素量の割合で求めた。

上記実機試験の結果を、表８中に併記するとともに、供給する希釈気体燃料の燃焼熱をＡ、削減した炭材量に相当する燃焼熱をＢとしたときの置換率Ｂ／Ａと焼結鉱の品質（タンブラー強度ＴＩ、被還元性ＲＩ）との関係を図１５に示した。これらの結果から、鍋試験における気体燃料の燃焼熱Ａと削減炭材量に相当する燃焼熱Ｂとの比である置換率Ｂ／Ａが１〜１５の範囲で、強度と被還元性を高めた焼結鉱を得られていることがわかる。

焼結鉱の製造工程を説明する図である。 焼結時の装入層内の圧損と温度の分布を説明する図である。 焼結鉱の生産性が高い時と低い時の装入層内温度の時間推移を比較して示した図である。 装入層の焼結進行過程を模式的に説明する図である。 装入層上層部、中層部および下層部における焼結時の温度分布と、装入層幅方向断面内における焼結鉱の歩留り分布を説明する図である。 希釈気体燃料の供給方法の比較に用いた試験装置を説明する図である。 本発明における気体燃料供給装置の一例を説明する図である。 本発明における気体燃料供給装置の他の例を説明する図である。 焼結反応について説明する図である 骸晶状二次ヘマタイトが生成する過程を説明する状態図である。 装入層内の温度分布に及ぼす気体燃料供給効果を説明する図である。 希釈気体燃料の供給条件濃度、供給位置が装入層内の温度分布に及ぼす影響を説明する図である。 鍋試験における気体燃料の燃焼熱Ａと削減炭材量に相当する燃焼熱Ｂとの比である置換率Ｂ／Ａと、焼結鉱の品質との関係を示すグラフである。 実施例の焼結実験に用いた焼結機の構成を説明する図である。 実機焼結機における気体燃料の燃焼熱Ａと削減炭材量に相当する燃焼熱Ｂとのある置換率Ｂ／Ａと、焼結鉱の品質との関係を示すグラフである。

符号の説明

１：原料ホッパー
２、３：ドラムミキサー
４：床敷鉱ホッパー
５：サージホッパー
６：ドラムフィーダー
７：切り出しシュート
８：パレット
９：装入層
１０：点火炉
１１：ウインドボックス（風箱）

Claims (4)

1. 循環移動するパレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入して装入層を形成する装入工程と、
   その装入層表面の炭材に点火炉を使って点火する点火工程と、
   装入層上方の大気中に気体燃料を供給して燃焼下限濃度以下の希釈気体燃料として供給する気体燃料供給工程と、
   パレット下に配置されたウインドボックスで上記希釈気体燃料と空気を装入層内に吸引して、装入層内の炭材を燃焼させると共に、上記希釈気体燃料を炭材燃焼後の装入層内で燃焼させて焼結する焼結工程を有する焼結鉱の製造方法において、
   上記焼結原料中の炭材の量を、気体燃料を供給しないときよりも削減することを特徴とする焼結鉱の製造方法。
2. 上記炭材の削減量を、下記式で定義される置換率で１〜１５の範囲とす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。
   記
   置換率＝Ｂ／Ａ
   ただし、Ａ：供給した気体燃料の燃焼熱、Ｂ：削減した炭材量に相当する燃焼熱
3. 上記置換率を１．５〜１０の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載の焼結鉱の製造方法。
4. 上記置換率を２〜６の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載の焼結鉱の製造方法。

Images