JP4118604B2 - 高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉シャフト部での被還元性が良好で、急熱爆裂性能に優れた品質を有する非焼成塊成鉱とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、製鉄所の各種集塵装置等から回収される多種の含鉄、含炭ダストを配合し、セメント系の時効性バインダーを使用して混錬、成型して8〜16mm径の非焼成のペレットやブリケットを製造して高炉原料として使用されている。現状の製造方法で製造される非焼成塊成鉱の問題として、セメント系バインダーを使用した水和反応によって製品の強度を確保する方式であり結晶水や数%の付着水を含む。この結果、高炉シャフト部での還元遅れや、高炉内での500〜700℃域での急熱爆裂等の懸念から高炉主原料の約3%以下の使用に制限されており製鉄所のリサイクル率の拡大の視点から非焼成のペレットの品質改善が要請されている。また、カーボンを内装した非焼成ペレットについては通常の高炉原料である、いわゆる炭素を含まない焼結鉱、焼成ペレット、生鉱石に比較してより優れた還元進行を示すことが報告されているが、種々の製鉄ダストの利用形態や配合制約の結果として、数%のカーボンを含むものが多く高炉操業面からの最適値について報告した例は少ない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したセメント系の非焼成ペレットの高炉操業面からの還元遅れや急熱爆裂性等の劣化性能を改善するための抜本的な改善策を提供するものである。すなわち、ダスト原料の配合にあたって最適な配合割合のカーボンを内装し、かつ高い冷間強度を有するカーボン内装非焼成塊成鉱を製造し、これにより高炉プロセスの特徴の一つとされる熱保存帯や還元反応平衡帯での還元停滞を回避させ還元を進行させると共に、カーボン内装効果とバインダーによる基質強度の向上を積極的に図り、高炉での急熱爆裂の防止を図る非焼成塊成鉱とその製造方法を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
その発明の要旨とするところは、
(1)含酸化鉄原料とカーボン系炭材を配合しバインダーを加えて混錬、成型、養生してなるカーボン内装非焼成塊成鉱において、鉄鉱石類の被還元酸素を還元し金属鉄とするために必要な理論炭素量の80〜120%のカーボンを含有し、かつ常温での圧潰強度7850〜10590kN/m2 からなることを特徴とする高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱。
【0005】
(2)前記(1)に記載の含酸化鉄原料として鉄鉱石または製鉄所の集塵装置から回収される鉄および/または炭素含有ダストを用いることを特徴とする高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱。
(3)前記(1)または(2)に記載の含酸化鉄原料とカーボン系炭材に、さらに石炭、プラスチック、廃トナーのいずれか1種または2種以上からなる炭化水素系の添加材を配合してなることを特徴とする高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱。
【0006】
(4)含酸化鉄原料とカーボン系炭材を配合しバインダーを加えて混錬、成型、養生してなるカーボン内装非焼成塊成鉱の製造方法において、鉄鉱石類の被還元酸素を還元し金属鉄とするために必要な理論炭素量の80〜120%のカーボンを含有し、かつ常温での圧潰強度7850〜10590kN/m 2 となるようにバインダーを選択して混錬、成型、養生して製造することにより、高炉のシャフト部での熱保存帯での還元停滞と、急熱爆裂による原料の粉化の双方を効果的に防止することを特徴とする高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱の製造方法である。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
先ず、高炉シャフト部での熱保存帯と還元反応平衡帯でのガス温度分布、ガス濃度分布と高炉原料の還元進行の停滞に関して説明する。図1は高炉での装入原料、還元ガスの温度分布を示す説明図である。高炉プロセスは装入原料と還元ガスの向流反応炉である。装入原料の温度上昇に関して、装入され降下する原料は向流する高炉還元ガスからの急速な熱交換によって加熱され、図1に示すように、900〜1100℃まで加温され、ガスと装入原料との温度差がなくなり平衡に達する。さらに下部では還元ガスからの熱供給により昇温され羽口レベルでは1600℃程度の最高温度に達する。
【0008】
一方、羽口レベルで熱風とコークスの燃焼によって生成した2200℃強の高炉還元ガスは鉄鉱石の直接還元反応や溶解に必要な反応熱を装入原料に供給する結果、急激に900〜1100℃程度まで降温し、一旦平衡に達した後、さらにシャフト上部で装入された原料と熱交換し100〜200℃で炉外に排出される。高炉は装入原料と還元ガスの向流熱伝達と還元反応によって規制された適切な温度分布によって安定な操業が継続することが可能であり、一般的に図1に示すような熱流比が1より小さい、いわゆるシャフト上部で上に凸、炉下部では下に凸の温度パターンを示す場合に熱的な安定操業が可能である。
【0009】
この結果、シャフト中間から下部に900〜1100の熱保存帯が生じる。この熱保存帯の温度は、高炉の燃料比の水準や通気対策として選択される分布制御手段の結果の炉半径方向のore/coke分布によって異なり、高炉の燃料比が高い場合、或いは半径方向でのore/coke比の低い(すなわち、熱流比の低い)高炉中心部分においては、熱保存帯の平衡温度は1100℃程度まで上昇し、逆に高炉の燃料比が低い操業の場合、あるいは半径方向でore/coke比の高い(すなわち、熱流比の高い)高炉中間域部分においては熱保存帯の平衡温度は900℃近くに低下する。
【0010】
高炉での原料の還元進行を支配する要素として高炉の還元雰囲気側の要因として、還元ガスの温度と還元度[η−COと称す CO/(CO+CO2 )]があり、熱保存帯温度での平衡ガス還元度から制約される還元率以上に還元が進行せず還元停滞が生じることが一般に知られている。本発明は上記の還元停滞の回避を提供するものである。
【0011】
還元停滞の回避を可能とする非焼成塊成鉱の製造を検討するために、発明者らが実施した研究の結果について詳細に説明する。高炉シャフト部での温度上昇をシミュレートしたヒートパターンでの各種装入原料の還元試験の結果を図2に示す。図2は炉内昇温ヒートパターンと各種高炉用原料の還元特性を示す図である。図2(a)は炉内昇温ヒートパターンを示し、図2(b)は各種高炉用原料の還元特性を示す。この図に示すように、原料装入後、1時間で1000℃に到達し2時間1000℃の熱保存帯で滞留した場合の例で、還元雰囲気としてガス還元度η−CO=30%の場合の各種原料の還元率の推移を示している。
【0012】
各種原料として、本発明のカーボン内装非焼成ペレット、従来の非焼成ペレット、焼結鉱石、輸入焼成ペレット、輸入塊鉱石を使用した。本発明のカーボン内装非焼成ペレットは以下の如く製造した。
▲1▼内装炭材に関しては、鉄鉱石の被還元酸素を金属鉄まで還元するに必要な理論炭素量(以下、炭素還元当量=1.0)を内装した非焼成ペレットであり、炭素含有量は13%であり従来の非焼成ペレットより相当高い。炭素銘柄としては高炉の1次ガス灰をメインに配合調整した。
【0013】
▲2▼内装炭材の増加により焼成ペレット組織が脆弱化するので、早強性ポルトランドセメントを10%配合して、7日養生後の圧潰強度7850kN/m2 以上を確保し急熱爆裂性能の抜本的改善を図った。
従来の非焼成ペレットは、製鉄ダストを原料として製造されていたもので、炭素還元当量=0.3、炭素含有量3.5%、7日養生後の圧潰強度4900kN/m2 の通常の非焼成ペレットである。
【0014】
図2から明らかな通り、内装炭材を含まない焼結鉱、鉄鉱石、輸入焼成ペレットの到達還元率はいずれも還元雰囲気としてη−CO30%のガス還元度の影響を受けて還元率は30%程度と低く、還元進行が停滞していることが認められる。一方、本発明のカーボン内装非焼成ペレットは、到達還元率は70%以上に達しておりカーボンを内装しない原料に比較して著しく還元が進行している。カーボン含有量の少ない従来の非焼成ペレットの到達還元率は相当低い結果となった。これら理由は以下の通りである。
【0015】
カーボンを含まない焼結鉱、鉄鉱石、輸入焼成ペレットのガス還元は鉱石粒の表面からの還元ガスの拡散によって進行するので、還元到達率は鉱石粒の還元温度と還元ガスの還元度(η−CO)によって支配されており、熱保存帯の温度で理論的に平衡するガス還元度に到達する還元率に達すれば還元の進行が停滞するのである。本試験ではガス還元度(η−CO)を熱保存帯での理論的平衡ガス濃度に近い30%としていることから、これと平衡する還元率30%程度で還元停滞が生じていると理解される。
【0016】
一方、炭素還元当量が1のカーボン内装非焼成ペレットのガス還元進行形態は、表面からの還元ガスの粒内拡散に加え、粒内に内装された炭材中のカーボンが鉄鉱石中の酸素との直接還元によって、新たに生成するCOガスの内圧の増加により、表面から拡散する還元度の低い成分の還元ガスを押出し、カーボン内装非焼成ペレットの表面部分は内部から発生する還元度の高いCOガスに覆われ、熱保存帯の温度での平衡ガス還元度に比して、遙に還元力の強いガス濃度となっており、この結果還元到達度が高くなっていると理解できる。
【0017】
すなわち、カーボン内装非焼成ペレットは高炉の熱保存帯の温度レベルでの還元制約を受けるが、熱保存帯での平衡ガス濃度の影響を回避することが可能であり、これによって、カーボン内装非焼成ペレットの還元到達度を高めることができる。従来の非焼成塊成鉱の炭素含有量は炭素還元当量が低く、熱保存帯温度での還元停滞を回避するに必要な炭素を含んでいないので、還元進行が不十分である。
【0018】
本発明の高炉での熱保存帯温度での還元停滞を防止するためには鉄鉱石の被還元酸素を還元するに必要な理論炭素量(炭素還元当量=1)の80%以上、120%以下の炭素を含有することが必要条件である。120%を超える炭素の存在は、還元鉄中に残留し高炉の還元剤として、あるいは溶解促進のために有利に機能するが、過剰のカーボンの存在はペレットの圧潰強度の低下の原因となることから120%を上限とした。
【0019】
本発明のカーボン内装非焼成ペレットの利点は前述したように、非焼成ペレットに内装した炭素が鉄鉱石中の酸素と反応して還元性COガスがペレット内部から新たに発生し外部表面をシールすることによって周辺部分の熱保存帯温度で平衡ガス濃度から回避させることができるからである。一方、非焼成ペレットに内装した炭素と酸素の反応は直接還元反応であり、温度依存性が高く、一般的に900℃以上が必要とされる。高炉の熱保存帯温度は900〜1100℃である。熱保存帯温度の還元到達率への影響を実験で求めた結果を図3に示した。
【0020】
図3は900〜1000℃での炭材内装非焼成ペレットの還元特性と還元率との関係を示す図である。図3の結果から、高炉の熱保存帯温度が950℃以上であれば、還元停滞が少なく還元は進行するが、900℃の場合には内装した炭素と酸素の直接還元反応が余り進行せず、熱保存帯温度での平衡ガス濃度の影響を積極的に回避することができない。本発明者らは、炭素と鉄鉱石中の酸素の直接還元反応が不十分な900℃温度域の熱保存帯でも平衡ガス濃度の影響を回避する方法として、反応性の高い内装カーボンの選択や一般に300〜500℃で熱分解して軽質の炭化水素や水素、COガスを発生させる石炭、プラスチック、廃トナー等の炭化水素系の添加材をあらかじめ含有させるカーボン内装非焼成ペレットを提供した。
【0021】
一例として発揮分の高い石炭を15%程度含有したカーボン内装非焼成ペレットを用いて実施した還元試験の結果を図4に示した。図4は石炭系炭材配合非焼成塊成鉱の還元特性と雰囲気温度、ガス濃度および還元率との関係を示す図である。図4(a)は石炭系炭材配合非焼成塊成鉱での還元温度と還元率との関係を、図4(b)は石炭系炭材配合非焼成塊成鉱での還元時間と雰囲気温度との関係を示す。なお、この場合の雰囲気温度として、石炭揮発分からのガス成分の発生状況を調べるため窒素雰囲気とした。
【0022】
この図から明らかなように、石炭等の炭化水素系の還元剤は400℃程度から分解し水素系の還元ガスを発生させ、カーボン内装非焼成ペレットの内部と表面部分を支配することによって、炭素と鉄鉱石中の酸素の直接還元反応が不十分な温度域でも、その代替の役割を果たし熱保存帯温度での平衡ガス濃度の影響を回避し高い還元到達率が得られた。すなわち、高炉内で900〜950℃等の炭素と酸素の直接還元反応が不活発な温度での還元停滞の回避方法として、石炭、プラスチック、廃トナー等の炭化水素系の還元材の添加が有効であることを見出した。
【0023】
次に、本発明の主要要件であるカーボン内装非焼成ペレットの強度の確保対策について説明する。
高炉はガスと装入原料の向流反応炉であり、高炉へ装入するまでの原料の移送や整粒等のハンドリングに耐えるための強度が原料には必要であり、また、高炉へ装入され高炉下部へ逐次移動していく過程での転動、磨砕に耐える耐摩耗強度、鉱石の還元進行や熱的履歴による鉱物組織の脆弱化に耐え得る高温強度等を考慮して高炉装入原料の種々の強度に関する品質管理指標を実験的、経験的に設けて原料の工程分析での品質管理が実行されている。従来の非焼成塊成鉱については、高炉装入前の冷間圧潰強度として4900kN/m2 程度の水準で品質管理が実施されて来た。
【0024】
本発明者らは、非焼成塊成鉱の最大の弱点とされる高炉内での急熱爆裂特性の改善を中心とする改善方法を検討すると共に、従来実施されている各種原料の強度試験を高炉で通常使用されている焼結鉱、輸入焼成ペレット、輸入鉱石を比較原料として調査し、本発明のカーボン内装非焼成塊成鉱の必要な強度向上対策を研究した。原料の試験方法として、圧潰強度、急熱爆裂特性、還元後圧潰強度について実施したが、各種の原料強度試験方法については以下の通りである。
【0025】
冷間圧潰強度:JIS M8718「鉄鋼石ペレット圧潰強度試験方法」に則して、試料1個に規定の加圧盤速度で圧縮荷重をかけることにより、破壊させた時の荷重値を測定する。強度指数は、単位断面積あたりの荷重値で表示する。
急熱爆裂性能評価:所定温度に設定した電気炉に試料を1個投入することにより、急速加熱処理を行い(同様条件にてN=5で実施)、その際の爆裂の有無を目視する。
【0026】
還元後圧潰強度:所定の還元条件にて還元した試料を上記の冷間圧潰強度試験と同様に圧縮荷重をかけることにより、破壊させた時の荷重値を測定する。強度指数は、単位断面積あたりの荷重値で表示する。
タンブラー強度:500gの試料を毎分900回転の回転ドラムに装填し、30分間回転させる。その後、3mm篩で篩分け、強度指数は−3mmの粉率で表示する。
落下強度:JIS M8711「鉄鋼石焼結鉱落下強度試験方法」に則して、10〜19mmの試料を20±0.2kg試験箱に入れて2mの高さから、厚さ10mm鉄板の上に16回落下させた後、5mm篩で篩分けし、強度指数については−5mmの粉率で表示する。
【0027】
本発明の製鉄ダスト類を原料とした炭素還元当量が1となるカーボン内装非焼成ペレットは、内装カーボン量を相当増加させる必要があり、これによって圧潰強度が劣化することが経験的に想定されるため、強度改善方法として従来から使用されているエスメント5%にアルカリ刺激剤として1%の生石灰を加えた時効性バインダーに代えて、早強ポルトランドセメント10%を使用したカーボン内装非焼成ペレットを製造し評価した。
【0028】
圧潰強度、急熱爆裂特性、還元後圧潰強度の測定結果を各々表1および図5に示す。図5は非焼成ペレットの急熱爆裂特性と設定温度との関係を示す図である。表1から明らかなように、従来使用のバインダーの場合のカーボン内装非焼成ペレットの圧潰強度は他の高炉原料類に比較して低位にあるが、本発明の早強ポルトランドセメント10%を使用したカーボン内装非焼成ペレットの圧潰強度は他原料類に比較して高い圧潰強度水準に改善された。
【0029】
【表1】
【0030】
高炉装入原料は、その製造過程や高炉装入迄のハンドリング工程に応じて水分を含んでいる。特に非焼成塊成鉱は、造粒、成型工程で適正な水分が必要であり、また、セメント系の時効性バインダーは水和反応によって強度発現をすることから、他の原料と比較して結晶水や付着水が多く高炉での急熱爆裂特性に劣る弱点を有しておりその対策が必要とされている。上記した試験方法で、500〜800℃の各一定温度に保持した炉内に種々の水分の原料を装入して急熱爆裂特性の有無を評価し、この結果を図5に示した。図中○はn=5個の測定の中5個とも急熱爆裂をしない健全なもの、△は1個以上急熱爆裂したもの、×は5個全部が急熱爆裂したものを示す。
【0031】
この結果、従来のエスメント5%のバインダーでの炭素還元当量0.3ペレットは、水分1〜2%でも500℃での急熱爆裂条件で急熱爆裂を生じ粉化することが判明した。一方、本発明の早強ポルトランドセメント10%を使用したカーボン内装非焼成ペレットは、水分4〜5%、700℃以上の急熱爆裂条件でも急熱爆裂を生じず健全であった。この原因は、炭素含有量の増加によって高温蒸気の離脱し易くなったことと早強ポルトランドセメント配合によるペレットの基質強度の向上が高温での水分の急速な蒸気化に起因する急熱爆裂を回避するためと想定され、本発明の500〜700℃温度領域での急熱爆裂の回避は、カーボン内装非焼成塊成鉱の重要かつ必要条件であることが明らかとなった。
【0032】
また、還元試験後の圧潰強度の試験結果を表1に示した。還元の進行に伴いいずれの装入原料も還元後圧潰強度は低下している。酸化鉄の還元進行に伴う還元組織の相変化と気孔率の増加の影響を受けた結果であるが、高炉内の還元状況をシミュレートした還元ガスによる3時間還元後の試験結果を表1に示したが、本発明の早強ポルトランドセメント10%の配合の場合の還元後圧潰強度は焼結鉱、輸入鉱石と比較して遜色のない結果となった。
【0033】
以上のように、本発明の鉄鉱石を金属鉄までに還元するに必要な理論炭素量相当のカーボンを含有し、かつ常温圧潰強度7850kN/m2 以上となるように早強ポルトランドセメント10%を配合して製造したカーボン内装非焼成ペレットは高炉での熱保存帯温度での還元停滞の防止と従来の非焼成塊成鉱の欠点とされる急熱爆裂性の双方を抜本的に改善できる優れた高炉原料であることが確認された。
【0034】
【実施例】
本発明の方法によって製造された工業的規模でのカーボン内装非焼成ペレットの製造結果と当該製品の品質と高炉使用評価について説明する。
製鉄所で発生するダスト類を配合して種々の水準の還元炭素当量のカーボン内装非焼成塊成鉱を製造した。表2に原料の配合表の例を示した。原料配合のケース1〜3は還元炭素当量を変化させる目的で炭素含有ダストである高炉1次ガスの配合量を10〜30%に変化させ、還元炭素当量比0.8、1.0、1.2のカーボン内装非焼成ペレットを製造した。バインダーとして圧潰強度および急熱爆裂性を改善するために早強ポルトランドセメント10%を配合した。
【0035】
図6はカーボン内装非焼成塊成鉱の工業的製造フローを示す図である。本実験で製造したペレットの製造は原料配合表に示した各銘柄の原料を各々配合槽から切り出し、潤式ボールミルで加湿粉砕混錬しミキサーにて水分調整後、6m径のディスクペレタイザーで造粒し5〜15mm径のペレットを製造し、屋根付養成ヤードで4日養成し原料ヤードに払い出した。各ケースでの製造t/h、造粒歩留等の製造状況、生ペレットを性状を表2に示した。
【0036】
【表2】
【0037】
高炉1次ガス灰の増量によって原料の嵩密度が低下することから製造t/h、造粒歩留は若干低下したが、30t/h水準の高生産性を維持できた。養成日数による常温圧潰強度の推移を表2に示したが7日強度で7850kN/m2 以上の良好な製品が製造できた。還元炭素当量1に近いNo.2(一次ガス灰20%配合)のカーボン内装非焼成ペレットに関して、摩耗・衝撃強度指標であるタンブラー強度、落下強度並びに急熱爆裂性能試験、η−CO30%での昇温還元試験の結果を表3に示したが、いずれも本発明の目的を達成できるカーボン内装非焼成塊成鉱を製造することができた。また、本製品を装入原料に10%配合して高炉操業を実施したが、安定な操業が確認された。
【0038】
【表3】
【0039】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による品質の改善により、従来の配合制約が緩和され製鉄所のダストリサイクルを促進することができ、この結果、鉄鉱石、石炭等の資源の有効活用ができる。また、本発明ペレットは高炉熱保存帯で炭素を内装しない焼結鉱等に見られる還元停滞を回避することができる結果、還元進行が早く燃料比の低減が可能である。また、還元進行が早く高炉融着帯での金属化率が高くなり高温特性も優れており、高炉の通気性の安定に貢献できる。ダスト中の微粒カーボン、CDQや石炭等の還元用炭材を炭素還元当量に内装する原料であることから本発明の製品は高炉の塊コークスを消費することなく、鉄を製造することができ、高炉燃料コストの低減に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】高炉での装入原料、還元ガスの温度分布を示す説明図である。
【図2】炉内昇温ヒートパターンと各種高炉用原料の還元特性を示す図である。
【図3】900〜1000℃での炭材内装非焼成ペレットの還元特性と還元率との関係を示す図である。
【図4】石炭系炭材配合非焼成塊成鉱の還元特性と雰囲気温度、ガス濃度および還元率との関係を示す図である。
【図5】非焼成ペレットの急熱爆裂特性と設定温度との関係を示す図である。
【図6】カーボン内装非焼成塊成鉱の工業的製造フローを示す図である。
Claims (4)
- 含酸化鉄原料とカーボン系炭材を配合しバインダーを加えて混錬、成型、養生してなるカーボン内装非焼成塊成鉱において、鉄鉱石類の被還元酸素を還元し金属鉄とするために必要な理論炭素量の80〜120%のカーボンを含有し、かつ常温での圧潰強度7850〜10590kN/m2 からなることを特徴とする高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱。
- 請求項1に記載の含酸化鉄原料として鉄鉱石または製鉄所の集塵装置から回収される鉄および/または炭素含有ダストを用いることを特徴とする高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱。
- 請求項1または2に記載の含酸化鉄原料とカーボン系炭材に、さらに石炭、プラスチック、廃トナーのいずれか1種または2種以上からなる炭化水素系の添加材を配合してなることを特徴とする高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱。
- 含酸化鉄原料とカーボン系炭材を配合しバインダーを加えて混錬、成型、養生してなるカーボン内装非焼成塊成鉱の製造方法において、鉄鉱石類の被還元酸素を還元し金属鉄とするために必要な理論炭素量の80〜120%のカーボンを含有し、かつ常温での圧潰強度7850〜10590kN/m2 となるようにバインダーを選択して混錬、成型、養生して製造することにより、高炉のシャフト部での熱保存帯での還元停滞と、急熱爆裂による原料の粉化の双方を効果的に防止することを特徴とする高炉用のカーボン内装非焼成塊成鉱の製造方法。
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