JP5059472B2 - 炭材内装酸化金属ブリケットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鉱石などの酸化金属と石炭などの炭材との粉状混合物をブリケットマシンにて加圧成形して炭材内装酸化金属ブリケットを製造する方法に関する。

従来の還元鉄製造プロセスには、還元剤として高価な天然ガスを必要とすること、プラントの立地が通常天然ガスの産地に限られることなどの制約がある。

このため、近年、還元剤として、比較的安価で、かつ、プラント立地の地理的制約も緩和される石炭を用いた還元鉄の製造プロセスが注目されている。

そして、この石炭を使用する方法のひとつとして、本出願人は、鉄鉱石と石炭との粉状混合物を高圧ロールプレスで加圧成形してブリケット状の炭材内装塊成化物とし、この炭材内装塊成化物を回転炉床炉内に装入して加熱し還元して、還元鉄を製造する方法を開示した（例えば、特許文献１参照）。

ここで、粉状の原料をブリケット化する装置として、図６に示すような双ロール型ブリケットマシンを用いることができる。この双ロール型ブリケットマシンは、モータ（以下「回転ロール駆動用モータ」と称し、単に「モータ」とも略称する。）４で回転駆動される一対の回転ロール２，３からなる加圧ロール４の上方に、原料を供給するホッパ５を配置し、このホッパ５内に、原料押し込み用のスクリュフィーダ６を備えたものである。なお、前記加圧ロール４は、一方の固定回転ロール２に、他方の可動回転ロール３が油圧シリンダで押圧されるように構成されている（例えば、特許文献２参照）。

そして、このような双ロール型ブリケットマシンは、従来、使用する原料に応じて、成形前に、加圧ロール１の最大加圧力およびスクリュフィーダ６の回転速度をマニュアルで一定値に設定して運転するのが通例であった。

しかしながら、発明者の検討によると、ブリケットマシン運転中に原料水分やホッパ５内への原料の供給速度が変動すると、スクリュフィーダ６の回転速度が一定値に固定されていても、スクリュフィーダ６による加圧ロール１への原料供給速度が変動し、ブリケットの強度および歩留が安定しないことが判明した。

特に、スクリュフィーダ６により原料を加圧ロール１へ連続的に供給してブリケットを連続的に成形しつつ、ホッパ５内への原料の供給を間欠的に行う場合は、該ホッパ５に原料が供給された際に加圧ロール１の負荷圧力が急激に増大することが認められた。そして、このように加圧ロール１の負荷圧力が急激に高まり、前記最大加圧力を超えると、回転ロール２，３を回転駆動させるモータ４のトルクが増大して、該モータ４が停止してしまう事態がたびたび発生した。このような回転ロール駆動用モータ４の停止は、ブリケットの製造が中断して還元鉄製造プラントの操業に影響が及ぶだけでなく、加圧ロール１やスクリュフィーダ６を駆動するためのベルトやチェーンの損傷、前記モータ４やスクリュフィーダ駆動用モータ１０へのダメージなど、設備面にも重大な影響を及ぼすことがわかった。

このような回転ロール駆動用モータ４の停止を回避するため、加圧ロール１の最大加圧力を低く設定することが考えられるが、加圧ロール１によるブリケットの成形圧力が低下するため、ブリケットの強度も低下してしまうこととなる。また、回転ロール駆動用モータ４の能力をさらに高めておくことも考えられるが、設備コストが上昇してしまうこととなる。

したがって、設備コストを過大とすることなく、上記のような設備トラブルを防止しつつ、ブリケットの強度および歩留をともに確保しうるブリケットの製造方法の確立が強く要請されていた。

なお、上記特許文献２の［従来の技術］の欄には、「フィ−ダスクリュの押し込み圧力を一定にする目的で可動回転ロ−ルのモ−タトルク（アンペア）あるいは油圧シリンダの圧力等を検知してこれに応じてフィ−ダスクリュの回転速度を変えるようにしたものもある」と記載されているが、定性的な記載に留まっており、なんら具体的な制御方法は開示されておらず、到底上記課題を解決し得るものではなかった。
特開２００４−２６９９７８号公報 特開平９−１９２８９６号公報

そこで、本発明は、ブリケットマシンの設備コストを過大とすることなく、設備トラブルを防止しつつ、ブリケットの強度および歩留をともに確保しうるブリケットの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、モータ４で回転駆動される一対の回転ロール２，３からなる加圧ロール１の上方に、原料を供給するホッパ５を配置し、このホッパ５内に、原料押し込み用のスクリュフィーダ６を備えたブリケットマシンにより、酸化金属原料と炭材との粉状混合物からなる原料を塊成化して炭材内装酸化金属ブリケットを製造する方法であって、前記回転ロール２，３を回転駆動するモータ４の電流値が、前記炭材内装酸化金属ブリケットの見掛け密度が飽和する該電流値の０．８倍以上で１．３倍以下の範囲内に収まるように、前記スクリュフィーダ６の回転速度を制御することを特徴とする炭材内装酸化金属ブリケットの製造方法である。

本発明によれば、回転ロール駆動用モータの電流値が、前記炭材内装酸化金属ブリケットの見掛け密度が飽和する該電流値の０．８倍以上で１．３倍以下の範囲内に収まるように、前記スクリュフィーダの回転速度を制御することで、ブリケットの成形圧力を確保しつつ、加圧ロールに過大な負荷が掛ることが防止できるようになった。この結果、設備コストの過大な上昇を伴うことなく、設備トラブルの発生を確実に防止しつつ、ブリケットの強度および歩留をともに確保できるようになった。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施形態〕
図１に、本発明の一実施形態に係るブリケットマシンの概略構成を示す。なお、図６に示した従来のブリケットマシンと共通する部位には、図６と同じ符号を付した。本実施形態に係るブリケットマシンは、モータ４で回転駆動される一対の回転ロール２，３からなる加圧ロール１の上方に、原料を供給するホッパ５を配置し、このホッパ５内に、原料押し込み用のスクリュフィーダ６を備えている。そして、上記加圧ロール１は、一方の固定回転ロール２に、他方の可動回転ロール３が油圧シリンダ７で押圧されるように構成されている。さらに、ホッパ５内には、ホッパ内壁面に付着した原料を掻き落とすためのブレード８が備えられている。

また、モータ４は、自身の電流値の信号をスクリュフィーダ回転制御器９に送信するように該制御器９に電気的に接続されており、該制御器９は、前記モータ４から送信された電流値の信号に応じて、スクリュフィーダ駆動用モータ１０の回転速度を制御する信号を発信するように該モータ１０に電気的に接続されている。

炭材内装酸化金属ブリケット（以下、単に「ブリケット」という。）の原料としては、例えば、酸化金属原料としての鉄鉱石と、炭材としての石炭とを、必要により図示しない粉砕機で粉砕してそれぞれ粉状の状態とし、これらに必要によりバインダを添加して、所定の配合割合にて、図示しないミキサで混合して粉状混合物とする。そして、この粉状混合物は、ブリケットの原料としてホッパ５に投入される。ホッパ５に投入された原料は、ブレード８の回転によりホッパ５内壁面への付着を防止されつつ、スクリュフィーダ６の回転により加圧ロール１に押し込まれる。加圧ロール１に押し込まれた原料は、加圧ロール１を構成する一対の回転ロール２，３の各表面に設けられた複数のポケットにて、アーモンド形、ピロー形など所定形状のブリケットに圧縮形成される。

そして、スクリュフィーダ回転制御器９にて、回転ロール２，３を回転駆動するモータ４の電流値が、ブリケットの見掛け密度が飽和する該電流値（以下、「見掛け密度飽和電流値」という。）の０．８倍以上（好ましくは１．０倍以上、特に好ましくは１．１倍以上）で１．３倍以下の範囲内に収まるように、スクリュフィーダ６の回転速度を制御する。

これにより、原料水分やホッパ５内への原料の供給速度が変動しても、ブリケットには常に必要十分な加圧力が付加されるので、強度および歩留に優れたブリケットが得られる。また、加圧ロール１には過大な負荷が掛ることが防止されるので、設備トラブルも確実に回避される。

ここで、「見掛け密度飽和電流値」は、以下のようにして定めることができる。すなわち、例えば、ある原料を用いるに際して、加圧ロール１の最大加圧力を低い側から高い側へと順次増加させてそれぞれの条件でブリケットを作製し、各条件におけるモータ４の電流値とブリケットの見掛け密度とを測定する。そして、各条件におけるモータ４の電流値とブリケットの見掛け密度との関係を後記図４ に示すようにグラフ化する。図４に示すように、モータ４の電流値が低い場合は、該電流値の増加とともにブリケットの見掛け密度は上昇するが、該電流値がある値より大きくなるとブリケットの見掛け密度はもはや上昇せずにほぼ一定値となり、ブリケットの見掛け密度は飽和することとなる。そこで、ブリケットの見掛け密度が増加せずにほぼ一定となる最小の前記電流値（図４においては１００Ａ）を、「見掛け密度飽和電流値」と定めればよい。

また、回転ロール２，３を回転駆動するモータ４の電流値の制御範囲を、見掛け密度飽和電流値の０．８倍以上（好ましくは１．０倍以上、特に好ましくは１．１倍以上）で１．３倍以下の範囲内としたのは、以下の理由による。すなわち、モータ４の電流値が見掛け密度飽和電流値の０．８倍以上であれば、図４に示すように、ブリケットの落下強度として望ましい値である１０回以上を確保でき、見掛け密度飽和電流値の１．０倍以上、特に１．１．倍以上とすることで、さらに高い落下強度を確保できるようになるためである。しかしながら、モータ４の電流値が見掛け密度飽和電流値の１．３倍を超えると、後記比較例１で示されるように、ブリケットの強度は十分に高くなるが、歩留が低下してしまったり、後記比較例２で示されるように、モータ４の電流値が急激に上昇してトリップし、モータ４が停止してしまったりするためである。

なお、スクリュフィーダ回転用モータ１０の回転速度を制御する手段としては、通常用いられる可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦ制御）を用いればよい。

（変形例）
上記実施形態では、ホッパ５内にホッパ内壁面に付着した原料を掻き落とすためのブレード８を設置した例を示したが、原料の付着性が低い場合は、該ブレード８を省略してもよい。

また、酸化金属原料として酸化鉄を含有する鉄鉱石を例示したが、高炉ダスト、転炉ダスト、電気炉ダスト、ミルスケール等の製鉄所ダストを使用することもでき、また、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化マンガン、酸化チタン等の非鉄酸化物を含有するものも使用することもできる。

また、炭材として石炭を例示したが、コークス、オイルコークス、木炭、木材チップ、廃プラスチック、古タイヤ等を使用することもできる。

表１に示す化学成分および粒度を有する鉄鉱石と石炭を、７７：２３の質量割合で配合し、これに、バインダとして外数で４質量％の廃糖蜜を添加して、ミキサで混合してブリケット用原料とした。ここに、鉄鉱石と石炭は、いずれも乾燥機にて事前に乾燥して、含有水分量は０．１質量％未満とした。なお、廃糖蜜には多量の水分が含まれており、その水分含有量は大幅に変動するため、製造されたブリケットの水分含有量は乾量基準で１〜２質量％程度の範囲で変動した。

そして、この原料を、図６に示す構成からなり、ロール直径：５２０ｍｍ、ロール幅：２００ｍｍ、ポケット寸法：長さ３０ｍｍ×幅２５ｍｍ×深さ７ｍｍの回転ロールを備えたブリケットマシンを用いて、スクリュフィーダの回転速度を一定に維持する従来の方法にて、該回転速度を低い側から順次増加させて、体積約７ｃｍ^３のブリケットを製造する試験を実施した。そして、各条件にて、ブリケット成形時における回転ロール駆動用モータの電流値および加圧ロールの負荷圧力を測定するとともに、成形されたブリケットの圧潰強度、落下強度および見掛け密度を測定した。

なお、加圧ロールの負荷圧力は、油圧シリンダに圧力ゲージを設置して測定した。

また、ブリケットの圧潰強度は、ＩＳＯ４７００に準拠して、ブリケットを横に寝かせて、その厚み方向に圧縮荷重を掛け、ブリケットが破壊したときの最小荷重を測定したものであり、１０個のブリケットについての測定値の平均値である。なお、圧潰強度の単位中、「ｋｇｆ」は９．８０６６５Ｎに相当する。

また、ブリケットの落下強度は、４５ｃｍの高さからブリケットを鉄板上に落下させ、ブリケットが割れるまでの落下回数であり、１０個のブリケットの平均値である。

測定結果を図２および３に示す。

図２に示すように、スクリュフィーダの回転速度を高めると、回転ロール駆動用モータの電流値は、ほぼ直線的に増加した。一方、加圧ロールの負荷圧力は、スクリュフィーダの回転速度が所定値（約２３ｒｐｍ）以下ではほぼ一定であるのに対し、該所定値を超えるとほぼ直線的に増加した。しかしながら、スクリュフィーダの回転速度が前記所定値以下において加圧ロールの負荷圧力がほぼ一定であるのは、油圧シリンダに設置した圧力ゲージは、加圧ロールにある一定以上の負荷圧力が加わり、油圧シリンダを移動させるまでは、初期に設定した値がそのまま表示されたためである。したがって、実際には、加圧ロールの負荷圧力も、前記電流値と同様、スクリュフィーダの回転速度とほぼ比例関係にあると考えられる。

また、図３に示すように、スクリュフィーダの回転速度を高めると、ブリケットの強度、すなわち、圧潰強度、落下強度ともほぼ直線的に増加した。

そこで、回転ロール駆動用モータの電流値とブリケットの強度との間には一定の相関関係が存在すると考えられるため、該電流値とブリケットの落下強度および見掛け密度との関係で整理し、これらを図４に示す。同図に示すように、該電流値が増加すると、ブリケットの落下強度は直線的に増加している。しかしながら、見掛け密度は、該電流値が所定値（１００Ａ）に達するまでは直線的に増大するものの、該所定値を超えるとほぼ一定値（２．６ｇ／ｃｍ^３）に維持され、見掛け密度が飽和することが認められる。

そこで、本発明の作用効果を確証するため、以下のブリケット製造試験を実施した。

〔発明例〕
上記実施例１の結果に基づき、見掛け密度飽和電流値は１００Ａとした。そして、この見掛け密度飽和電流値（１００Ａ）の１．２倍である１２０Ａを制御目標電流値に設定し、回転ロールの回転速度が一定の条件下で、回転ロール駆動用モータの電流値が該制御目標電流値（１２０Ａ）に維持されるように、ＶＶＶＦ制御にてスクリュフィーダの回転速度を制御しつつ、ブリケットの成形を行った。なお、原料は、上記実施例１と同じ原料３００ｋｇをブリケットマシンのホッパに一度に投入して成形を行った。

〔比較例１、２〕
また、比較のため、上記回転ロール駆動用モータの電流値による制御を行わず、回転ロールおよびスクリュフィーダの回転速度をともに一定に固定し、かつ、加圧ロールの負荷圧力が一定となるように油圧シリンダにて制御しつつ、ブリケットの成形を行った。

（試験結果）
試験結果を図５および表２にまとめて示す。

比較例１では、図５に示すように、ブリケット製造の前半においては前記電流値が１３０Ａを超えて高くなり、一方後半においては該電流値が１１０Ａ未満に低下した。成形開始１分後に採取したブリケットサンプル（Ａ）は、表２に示すように、落下強度は２３回と十分高かったものの、半割れになったブリケットが多く見られ、歩留は６６質量％と低かった。ここに、歩留は、成形後の全サンプルを開き目が７ｍｍの篩で篩った後における、全サンプルに対する篩上サンプルの質量割合である。

一方、成形開始３分後に採取したブリケットサンプル（Ｂ）は、半割れのブリケットが減少して歩留は７５質量％に上昇したものの、落下強度は１２回に低下した。このように、回転ロールおよびスクリュフィーダの回転速度と加圧ロールの負荷圧力が一定の条件下で成形を行っているにもかかわらず、成形中に前記電流値が低下し、ブリケットの強度および歩留が変化したのは、ホッパ内の原料レベルが低下し、スクリュフィーダによる加圧ロールへの原料供給量が変動したためと想定される。なお、前記電流値が過大となるとブリケットの強度が上昇する反面、歩留が低下するのは、以下の理由によると想定される。すなわち、加圧ロールの負荷圧力が大きくなると、ブリケットの成形圧力が上昇してブリケットの強度は当然ながら上昇する。他方、成形後回転ロールのポケットからブリケットが脱離する際に、ブリケットの厚み方向における中心面近傍にせん断応力が作用するが、このせん断応力は加圧ロールの負荷圧力の上昇に伴って増大するため、却ってブリケットが半割れになりやすくなり、この結果、歩留が低下するものと考えられる。

一方、比較例２では、上記比較例１と同条件にてブリケットの成形を行ったが、図５に示すように、成形開始約２０秒後、前記電流値が急激に上昇して約１７０Ａに達し、回転ロール駆動用モータが停止した。このため、ブリケットサンプルの採取は行わなかった。ここで、原料の水分含有量を比較すると、表２に示すように、比較例１では１．８質量％であったのが、比較例２では１．５質量％に低下していた。このように、ブリケットマシンの運転条件を同じにして成形を行っているにもかかわらず、前記モータが停止にまで至ったのは、原料の水分含有量が低くなったことにより、粉状原料の流動性が低下して、加圧ロールの負荷圧力が増大したためと想定される。

上記比較例１および２に対し、発明例では、図５に示すように、成形の全期間を通じて、前記電流値を、特に好ましい範囲である１１０〜１３０Ａ（見掛け密度飽和電流値１００Ａの１．１〜１．３倍）の範囲内に収めることができた。また、成形中の前半と後半の２度採取したブリケットサンプル（Ｃ）および（Ｄ）は、表２に示すように、１８〜１９回と十分に高い落下強度が得られるとともに、半割れのものはほとんどなく、８３〜８４質量％と非常に高い歩留が得られた。なお、ブリケットには必然的にバリが発生し、このバリは歩留測定時に大部分が篩下となるため、このバリによる歩留低下分を考慮すると、上記の８３〜８４質量％の歩留は、本ブリケットマシンを用いた成形ではほぼ上限値といえる。また、発明例における原料の水分含有量は比較例２と同程度に低い値（１．５質量％）であるにもかかわらず、比較例２で見られたような前記電流値の急激な上昇は発生しなかった。

以上の結果より、本発明を適用することにより、ブリケットマシンの設備コストを過大とすることなく、設備トラブルを防止しつつ、ブリケットの強度および歩留をともに確保できることが確証された。

本発明の一実施形態に係るブリケットマシンの概略構成を示す縦断面図である。 スクリュフィーダ回転速度と、回転ロール駆動用モータの電流値および加圧ロールの負荷圧力との関係を示すグラフ図である。 スクリュフィーダ回転速度と、ブリケットの圧潰強度および落下強度との関係を示すグラフ図である。 見掛け密度飽和電流値と落下強度および見掛け密度との関係を示すグラフ図である。 発明例と比較例１および２における、回転ロール駆動用モータの電流値の経時変化を示すグラフ図である。 従来のブリケットマシンの概略構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１…加圧ロール
２…固定回転ロール
３…可動回転ロール
４…回転ロール駆動用モータ
５…ホッパ
６…スクリュフィーダ
７…油圧シリンダ
８…ブレード
９…スクリュフィーダ回転制御器
１０…スクリュフィーダ駆動用モータ

Claims (1)

1. モータ４で回転駆動される一対の回転ロール２，３からなる加圧ロール１の上方に、原料を供給するホッパ５を配置し、このホッパ５内に、原料押し込み用のスクリュフィーダ６を備えたブリケットマシンにより、酸化金属原料と炭材との粉状混合物からなる原料を塊成化して炭材内装酸化金属ブリケットを製造する方法であって、
   前記回転ロール２，３を回転駆動するモータ４の電流値が、前記炭材内装酸化金属ブリケットの見掛け密度が飽和する該電流値の０．８倍以上で１．３倍以下の範囲内に収まるように、前記スクリュフィーダ６の回転速度を制御することを特徴とする炭材内装酸化金属ブリケットの製造方法。

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