JP5549143B2 - 焼結用原料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、下方吸引のドワイトロイド式焼結機を用いて高炉用焼結鉱を製造する場合の焼結用原料の製造方法に関するものである。

高炉用原料として用いられる焼結鉱は、一般的に以下のような焼結原料の処理方法を経て製造されている。即ち、まず粒径が１０ｍｍ以下の鉄鉱石、及び珪石、蛇紋岩、又はニッケルスラグなどからなるＳｉＯ_２含有原料、及び石灰石などのＣａＯを含有する石灰石系粉原料、及び粉コークス又は無煙炭などの熱源となる固体燃料系粉原料を、ドラムミキサーを用いて、これに適当量の水分を添加して混合、造粒して擬似粒子と呼ばれる造粒物を形成する。この造粒物からなる配合原料は、ドワイトロイド式焼結機のパレット上に適当な厚さ、例えば５００〜７００ｍｍになるように装入して表層部の固体燃料に着火し、着火後は下方に向けて空気を吸引しながら固体燃料を燃焼させ、パレットの移動に伴って燃焼を次第に下層に且つ前方に進ませ、その燃焼熱によって配合した焼結原料を焼結させて焼結ケーキとする。この焼結ケーキは、破砕、整粒され、一定の粒径以上の焼結鉱を得る。一方、それ未満の粒径のものは返鉱となり、焼結原料として再利用される。

焼結機では、焼結原料の装入層の上層部で蒸発した水分は、燃焼部が下層部に移行する過程において、温度の低い下層部で冷却されて凝縮することが知られている。そのため、装入層の下層部には「湿潤帯」と呼ばれる水分の高い層が形成される。この湿潤帯の濃度が或る程度以上に大きくなると、吸引ガスの流路である原料粒子間の空隙を水分が埋めるようになり、通気抵抗が増大することになる。特に、焼結原料装入層の全通気抵抗の約半分以上は、湿潤帯の通気抵抗が占めていることが知られている。このような環境の中で、焼結鉱の生産性を向上させるためには、少なくとも前記湿潤帯における水分の凝縮に伴う通気抵抗を減らすことが有効であると考えられる。

このような問題点に対し、下記特許文献１〜４では、混合焼結原料を造粒して造粒焼結原料を製造する際に、その混合焼結原料の水分量を８質量％未満となるように水分調整した上で造粒すると共に、造粒機に高温排ガスを導くなどして造粒焼結原料を乾燥し、最終的に水分量が４質量％以下となるように乾燥した造粒焼結原料を焼結機パレット上に装入することで、湿潤帯の影響を低減する技術が提案されている。しかしながら、これらの何れの方法も、造粒焼結原料の乾燥が不足し、焼結用原料を製造する方法としては、なお不十分であり、未だ実用化されていないのが実情である。

これに対し、下記特許文献５では、混合焼結原料の造粒に際し、消石灰や生石灰に代えて有機バインダーを使用する新たな方法を開発し、焼結鉱の生産効率を高めると共に、焼結鉱の製造に必要な炭材量の低減を可能とする技術が提案されている。しかしながら、この方法も、造粒の粉化や乾燥時の破壊を防止するのには有効であったが、一般の造粒焼結原料の製造技術と比較すると、成品焼結鉱のコストがアップし、有機バインダーを用いることの効果（通気性改善による生産効率の向上や炭材量の低減による経済効果）が減殺されるという問題がある。
一方、下記特許文献６では、バインダーとして生石灰を添加し、焼結原料を造粒する造粒機内にＣＯ_２濃度が１％以上のＣＯ_２含有ガスを吹き込みながら焼結原料を造粒する方法が提案されている。また、下記特許文献７では、焼結機へ原料を装入した後、空気及び／又はＣＯ_２ガスを上向きに噴出させる方法が提案されている。

特開昭５８−１９９８２７号公報 特開昭６０−８９５２６号公報 特開昭６１−２３８９２５号公報 特開平３−２１５６２９号公報 特開２００７−１６９７８０号公報 特開２００１−２７９３３５号公報 特開昭６１−７３８４０号公報

前記特許文献６、７に記載される技術は、何れも混合焼結原料中のＣａ（ＯＨ）_２をＣａＣＯ_３化することで強度向上を図るものであるが、何れも実用化されていない。特に、特許文献６のように、造粒機中にＣＯ_２含有ガスを吹き込む方法では、バインダー中のＣａ（ＯＨ）_２がＣａＣＯ_３化して粉化してしまい、有効な大きさの造粒焼結原料を造粒することができない。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、有効な大きさで且つ十分な強度を有する焼結用原料を得ることができ、これにより焼結原料装入層の原料粒子間の空隙を確保して通気抵抗を低減することが可能な焼結用原料の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の焼結用原料の製造方法は、焼結原料のバインダーとしてＣａＯを用い、造粒した後、焼結機に供給するに際し、造粒した造粒擬似粒子をＣＯ_２含有ガスに接触させることにより、造粒擬似粒子中のＣａ（ＯＨ）_２のＣａＣＯ_３化を進行して強度を向上したことを特徴とするものである。
また、少なくとも前記造粒擬似粒子の外周部をＣａＣＯ_３化して硬化したことを特徴とするものである。
また、前記造粒擬似粒子の外周部を３．４％以上ＣａＣＯ_３化して硬化したことを特徴とするものである。
また、前記ＣａＣＯ_３化反応を、ＣＯ_２含有ガスのＣＯ_２濃度、温度、ガス流量、湿度、接触時間の何れか又はその組合せで制御することを特徴とするものである。

而して、本発明の焼結用原料の製造方法によれば、焼結原料のバインダーとしてＣａＯを用い、造粒した造粒擬似粒子をＣＯ_２含有ガスに接触させることにより、造粒擬似粒子中のＣａ（ＯＨ）_２のＣａＣＯ_３化を進行して強度を向上することとしたため、有効な大きさで且つ十分な強度の焼結用原料を得ることができ、これにより焼結原料装入層の原料粒子間の空隙を確保して通気抵抗を低減することができる。

また、少なくとも造粒擬似粒子の外周部をＣａＣＯ_３化して硬化することにより、ＣＯ_２含有ガスの温度の低下やＣＯ_２含有ガスへの接触時間の短縮が可能となる。
また、造粒擬似粒子の外周部のみをＣａＣＯ_３化して硬化することにより、ＣＯ_２含有ガスの温度を低下したり、ＣＯ_２含有ガスへの接触時間を短縮したりすることができる。
また、ＣａＣＯ_３化反応を、ＣＯ_２含有ガスのＣＯ_２濃度、温度、ガス流量、湿度、接触時間の何れか又はその組合せで制御することにより、発明を実施化し易い。

本発明の焼結用原料の製造方法を適用した焼結用原料製造工程及び焼結工程の一実施形態の説明図である。 焼結工程の説明図である。 焼結原料装入層内の温度及び圧損の説明図である。 焼結原料装入層内の温度及び歩留の説明図である。 焼結原料装入層厚と粉コークス原単位の関係の説明図である。 ＣＯ_２含有ガス接触前後の重量変化の説明図である。 ＣＯ_２含有ガス接触前後の強度変化の説明図である。 Ｃａ（ＯＨ）_２のＣａＣＯ_３化の説明図である。

次に、本発明の焼結用原料の製造方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の焼結用原料の製造方法が適用された焼結用原料製造工程及び焼結工程の説明図である。本実施形態では、例えば下記表１に示す焼結原料にバインダーである生石灰ＣａＯと少量の水を加えて、造粒機であるドラムミキサー１に装入する。ドラムミキサー１で造粒された造粒擬似粒子をロータリーキルン２に装入し、このロータリーキルン２内にドワイトロイド式焼結機３の排ガス、即ち後述する排風機で吸引したパレット上のガスを投入する。焼結機排ガスは、焼結機毎に異なるが、温度が約６０〜４００℃、ＣＯ_２濃度は５〜２０％程度である。このＣＯ_２を含有する焼結機排ガスに造粒擬似粒子を接触させ、少なくとも外周部のＣａ（ＯＨ）_２のＣａＣＯ_３化を進行して強度を向上させようとするものである。このようにして得られた焼結用原料を焼結機３に装入する。

図２には、焼結用原料を焼成する、下方吸引のドワイトロイド式焼結機３の詳細を示す。図中の符号４は、焼結原料を装入する原料装入装置、符号５は、装入された焼結原料の装入層の表層部に点火する点火炉であり、焼結原料装入層はパレット６に載せられて図の右方に次第に移送される。図中の符号７は、パレット６の下方に設けられた風箱であり、この風箱７内の気体を排風機８で吸引することで、パレット６上のガスを下方吸引する。図中の符号９は焼結ケーキ、符号１０は燃焼溶融帯、符号１１は湿潤帯である。前述したように、点火炉５でパレット６上の焼結原料装入層の表層部の炭材に点火し、下方からガスを吸引すると空気が焼結原料層内に吸い込まれ、これにより燃焼が焼結原料装入層の上層部から次第に下層部に進む。焼結原料装入層はパレット６と共に移送されるので、燃焼溶融帯１０は次第に下層に且つ前方に移動する。燃焼の完了した部分は焼結して焼結ケーキとなる。また、燃焼に至っていない下層部は、蒸発した水分が凝縮して湿潤帯１１となる。湿潤帯１１となる焼結原料装入層の下層部では、上層部からの重みで原料粒子が潰れやすく、その結果、原料粒子間の空隙がなくなって通気抵抗が大きくなる。通気抵抗を低減するためには、原料粒子の強度向上が必要である。

図３には、焼結原料装入層の厚み（図では原料層厚）における層内温度と圧損を示す。焼結時の温度は、実線のように最高温度１２５０〜１４００℃で焼結するが、その最高温度の溶融帯下に形成される湿潤帯が圧損の大部分を占め、湿潤帯の圧損を低減できれば、同じ圧損で原料層厚を増加させることができる。原料層厚を増加させることができれば、図４に示すように、凝結材である粉コークスや無煙炭などの炭材の使用量を低減することができ、その原単位を低減することができる。

図５ａには、同じく原料層厚内の層内温度を、図５ｂには、各層内の歩留を示す。上層部は、点火後燃焼が始まるが、大気温度も低いため、溶融帯の最高温度より低い温度で凝結材が燃焼し、結果的に中層部や下層部よりも低い、６５％程度の歩留となる。中層部は、焼結した上層部（焼結ケーキ化している）を通過した高温の空気と凝結材の燃焼により、上層部よりも高い焼結温度となり、特に１２００℃の高温保持時間が維持され易くなり、８０％程度の高歩留の焼結鉱となる。下層部になると、その傾向は更に上昇して８５％程度の高歩留の焼結鉱となる。焼結時の原料層厚を増加させることができれば、この図の上層部の割合が減少するため、大きな歩留向上が実現できる。また、原料層厚が同じであれば、通気抵抗が小さい分、焼結が早くなり、生産性が大きく向上する。

前述したように、造粒時にＣＯ_２含有ガスを導入したのでは、バインダー中のＣａ（ＯＨ）_２がＣａＣＯ_３化して粉化してしまい、有効な大きさの造粒焼結原料を造粒できないことが事前に分かっていたので、造粒後の造粒擬似粒子の強度を向上するため、以下のような実験を行った。
（１）実験の目的
ＣＯ_２吹き込みが生石灰のペレット強度に及ぼす影響を調査する。

（２）実験方法
１）生石灰に水分を加え、水和反応（ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）_２）を起こさせたものをバインダーとして、ペレタイザーで単味ペレット試料を作製した。このペレット試料に対し、反応前のペレット１０個で圧壊強度試験を実施し、反応前の擬似粒子初期強度を測定した。
２）坩堝（Φ５３ｍｍ×Ｈ１５０ｍｍ）にペレット１０個を装入した。

３）ＣＯ_２無しの試験として窒素ガスを、ＣＯ_２有りの試験として炭酸ガスを、夫々、温度調節して、１００℃と常温状態で、夫々のガスを１８０分吹込み、吹込み前後の重量変化を測定した。また、合わせて、水分量、固体分（水分以外）の量を測定した。
４）反応後のペレットで圧壊強度試験を実施し、試料残渣は分析試料に供試した。
重量変化の結果を図６に示す。ガス温度１００℃では、ＣＯ_２吹込みより、固体部分（水分以外）の重量が増加する傾向が見られた。この増加量がＣａＣＯ_３化した部分と推察される。常温では、ＣＯ_２吹込みよる固体部分（水分以外）の重量増加は見られなかった。これは、粒子間に存在する水分が、ガス流路の妨げとなり、粒子内部までガスが浸透せず、反応率が低いためと考えられる。

強度変化の結果を図７に示す。１００℃、常温条件共に、ＣＯ_２吹込みによりペレット強度が約３倍に増加した。これは、後述するように、主としてペレット周囲に生成されたＣａＣＯ_３がペレット強度増加に寄与しているものと考えられる。
図８は、造粒擬似粒士の断面を模式的に示したものであり、（ａ）は反応前の状態を、（ｂ）は反応後の状態を示している。焼結原料の造粒は、鉄鉱石粗粒を核として、その周囲に、粗粒より細粒の粒子を付着させて成長し、擬似粒子となる。例えば図８ａは、鉄鉱石の粗粒或いは焼結原料として使用される焼結鉱の返鉱の粗粒を核として、細粒の鉄鉱石或いは返鉱、その他の焼結原料がＣａＯ系バインダーを介して、即ち生石灰と添加水で消石灰（Ｃａ（ＯＨ）_２）化し、このＣａ（ＯＨ）_２を介して付着成長した擬似粒子である。

これら擬似粒子がＣＯ_２含有ガスと接触することで、図８ｂに示すように、Ｃａ（ＯＨ）_２が石化、即ちＣａＣＯ_３化し、強度が発現する。しかも、ＣａＣＯ_３化する際にＣａ（ＯＨ）_２より体積が膨張するので、擬似粒子を構成する粒子内空間の空隙を埋める形となって、付着成長した細粒間の空隙を小さくする最密充填の形となり、これも強度向上に寄与する。この強度発現は、擬似粒子の表層部に位置するバインダーであるＣａ（ＯＨ）_２がＣａＣＯ_３化することにより、擬似粒子強度が進行するものであり、進行は表層部分から始まる。

このことから、図６の常温では、ＣＯ_２吹込みによる固体部分（水分以外）の重量増加が見られなかった部分を観察してみると、図７のペレット強度が約３倍に増加した常温条件において、ＣａＣＯ_３への反応率が３．４％あることが判明し、この僅かな反応で強度向上を来していることが分かる。ここで、反応率とは、反応前のＣａ（ＯＨ）_２の重量に対して、反応により減少したＣａ（ＯＨ）_２重量の比率を表したものである。僅かな反応故に固体部分（水分以外）の重量増加が観察できなかったものと判断される。そして、前述したように、Ｃａ（ＯＨ）_２がＣａＣＯ_３化することにより、擬似粒子強度が進行するものであり、その強度進行は表層部分から始まり、ＣａＣＯ_３化する際にＣａ（ＯＨ）_２より体積が膨張し、擬似粒子を構成する粒子内空間の空隙を埋める形となって付着成長した細粒間の空隙を小さくする最密充填の形となった相乗効果により、強度向上を来したものと考えられる。従って、擬似粒子内含有水分量は、造粒後の擬似粒子水分のＣａＣＯ_３への反応率３．４％による減少域から、完全ＣａＣＯ_３化（水分量０％）までの領域で自由に実施可能となる。

また、図６のガス温度１００℃では、ＣＯ_２吹込みにより、固体部分（水分以外）の重量が増加する傾向が見られた。この増加量がＣａＣＯ_３化した部分と考えられる。即ち、ＣａＣＯ_３化させる部分を調整することで、Ｃａ（ＯＨ）_２を造粒擬似粒士の外周部のみならず内部にまで反応させることができると共に、造粒擬時粒子内の水分量の制御も可能となる。そして、この調整は、ＣＯ_２含有ガスのＣＯ_２濃度、温度、接触時間の何れか／又はその組合せで制御することができる。なお、原料層厚５００〜６００ｍｍの焼結機操業において湿潤帯形成量を低減するためには、造粒擬似粒子内の含水量を４％以下とすることにより、原料層厚を７００〜８００ｍｍ以上とすることが可能となり、前述のように、焼結鉱生産性向上、歩留向上、炭材の使用量の低減を同時に実現することが可能となる。また、造粒擬似粒子内の含水量調整についても、前記図８からも明らかなように、擬似粒子内の水分が蒸発すると、その蒸発した後に気孔が生成され、この気孔を通じて擬似粒子内の水分が次々と蒸発するため、ＣＯ_２含有ガスの温度は８０〜１３０℃の比較的低温で事足り、この点も産業上有利である。ちなみに、水分が蒸発して気孔ができれば、擬似粒子内のＣａ（ＯＨ）_２のＣＯ_２接触面積が増大し、その分だけ、ＣａＣＯ_３への反応率が高くなる。

このように本実施形態の焼結用原料の製造方法では、焼結原料のバインダーとしてＣａＯを用い、ドラムミキサー１で造粒した造粒擬似粒子をロータリーキルン２内でＣＯ_２含有ガスに接触させることにより、造粒擬似粒子中のＣａ（ＯＨ）_２のＣａＣＯ_３化を進行して強度を向上することにより、有効な大きさで且つ十分な強度の焼結用原料を得ることができ、これにより焼結原料装入層の原料粒子間の空隙を確保して通気抵抗を低減することができると共に、焼結鉱の製造に必要とされる炭材の使用量を低減することができる。また、同じ通気抵抗で焼結機上の焼結原料装入層の厚さを増加させることができ、焼結鉱の生産性の向上並びに炭材の使用量の低減を実現することができる。

また、少なくとも造粒擬似粒子の外周部をＣａＣＯ_３化して硬化することにより、ＣＯ_２含有ガスの温度の低下やＣＯ_２含有ガスへの接触時間の短縮が可能となる。
また、造粒擬似粒子の外周部のみをＣａＣＯ_３化して硬化することにより、ＣＯ_２含有ガスの温度を低下したり、ＣＯ_２含有ガスへの接触時間を短縮したりすることができる。
なお、前記実施形態では、ロータリーキルンを１基としているが、複数基連続させてもよく、その場合、最初のロータリーキルンで擬似粒子強度向上が図れることから、流動層式乾燥機を使用したり、或いはロータリーキルンを経由した後の、焼結機の装入層内までＣＯ_２と接触させ続けたりすることもできる。

１はドラムミキサー、２はロータリーキルン、３はドワイトロイド式焼結機、４は装入装置、５は点火炉、６はパレット、７は風箱、８は排風機、９は焼結ケーキ、１０は燃料溶融帯、１１は湿潤帯

Claims (2)

1. 下方吸引のドワイトロイド式焼結機を用いて高炉用焼結鉱を製造する場合に、焼結原料のバインダーとしてＣａＯを用い、造粒した後、焼結機に供給するに際し、造粒した造粒擬似粒子をＣＯ_２含有ガスに接触させることにより、造粒擬似粒子中のＣａ（ＯＨ）_２のＣａＣＯ_３化を進行し、ＣＯ_２含有ガスの温度によって前記ＣａＣＯ_３化反応を制御して、少なくとも前記造粒擬似粒子の外周部を３．４％以上ＣａＣＯ_３化して硬化することにより強度を向上すると共に、前記ドワイトロイド式焼結機の原料装入層における湿潤帯形成量を低減して原料層厚を７００〜８００ｍｍとするために前記造粒擬似粒子内の含水量を４％以下としたことを特徴とする焼結用原料の製造方法。
2. 前記ＣａＣＯ_３化反応を、ＣＯ_２含有ガスの温度に加えて、ＣＯ_２濃度、ガス流量、湿度、接触時間の何れか又はその組合せで制御することを特徴とする請求項１に記載の焼結用原料の製造方法。

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