JP5630399B2 - 微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法に関する。

焼結鉱製造プロセスは、主な原料である鉄鉱石に、焼結工場系内及び焼結工場系外で発生する篩下粉、ダスト、ミルスケール等の鉄分を含む原料（雑鉄源）、粉コークスなどの燃料（凝結材）並びに石灰石などの造滓材（副原料）を加えて焼結用の配合原料とする。粉鉄鉱石としては、主に、輸入鉱石を用いているが、近年、焼結鉱の冷間強度を低下させるアルミナ含有量が多い鉄鉱石が多くなってきている。

輸入鉱石の内、ブラジル産ペレットフィードは、一般的にアルミナ含有率が低い。しかし、ブラジル産ペレットフィードは、粒度が細かいだけでなく表面形状が平滑で水の濡れ性が悪いために造粒性が劣ることから、焼結の生産性を低下させる。このため、その使用量には制限があった。ここに、ペレットフィード（以下、「ＰＦ」と記述する。）とは、採掘した鉄鉱石の品位を高めるために破砕、選鉱により鉄分含有率を高めた精鉱である。表１に代表的な鉄鉱石の化学成分を示す。

焼結用粉鉱中のアルミナ含有率の増加傾向に対し、アルミナ含有率の低いブラジル産ＰＦを多量に使用する対応が考えられる。その多量使用には、前記濡れ性の改善の観点から種々の試みが成されてきた。種々のバインダーを用いる方法、撹拌型造粒機を導入して強制的に濡れを促進する方法、粒度を調整する方法である。

粒度調整法のひとつに特許文献１の方法がある。０．０４ｍｍ以下の粒径の微粉と１ｍｍ〜８ｍｍの粒径の粗粒を原料として、媒溶剤とともに造粒し、その表面に粉粒状固体燃料を被覆したペレットを形成し、焼結を焼成塊成鉱を焼成する発明が提案されている。

しかし、当該発明は、粉鉄鉱石から、良好な品質の焼成塊成鉱を製造するための原料の事前処理方法に係るものであり、ＰＦを主な原料として造粒物を形成するものではない。

さらに、粒度調整を手段とする方法に特許文献２に開示された方法もある。そこでは、特許文献１の方法とは異なり、微粉鉱石を主体として造粒する方法である。その粒度規定として、２２μｍ以下を５％以上、好ましくは７０％以上、さらに好ましくは８０％以上とする。その作用については詳細な記載はないが、本願発明者等の研究によれば、その粒度までの粉砕によって、サブミクロンの超微細な粒子が生じ、それが粒子の接触点を固着するバインダーとして作用することで造粒物の強度を発現させていることが判明している（非特許文献１）。

しかし、当該発明は、粉鉄鉱石から、良好な品質の焼結鉱を製造するための焼結原料の事前処理方法に係るものであり、ＰＦを焼結原料として造粒物を形成するものではない。

本願の発明者等は、粉鉄鉱石中の微粒子による造粒性の改善のため、粉砕した鉄鉱石を用いた造粒試験を行い、造粒物の強度の変化を検討してきた。又、アニオン性高分子分散剤の添加による造粒性の改善を検討してきた。その結果、ＰＦによる造粒において、アニオン性高分子分散剤を添加し、１０μｍ以下に粉砕した鉄鉱石の使用割合を増加させると、造粒物の強度が増加することを見出した。又、１０μｍ以下に粉砕した微粉鉄鉱石が、粗粒鉄鉱石の隙間に入り込み、バインダーとしての役割をはたしていることを見出した（非特許文献１）。

この発明によれば、造粒が困難なＰＦであっても、アニオン性高分子分散剤を添加し、全量１０μｍ以下に粉砕した微粉鉄鉱石を添加することにより、ＰＦによる造粒が可能である。

特開昭６２−３７３２５号公報 特開２００５−３５０７７０号公報

材料とプロセス 日本鉄鋼協会講演論文集 ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ Ｖｏｌ．２３（２０１０）−１２１

近年、アルミナ含有量が多い粉鉱の使用割合が高くなる傾向にある。焼結用配合原料中のアルミナ含有量が多くなると、焼結鉱の強度が低下するので、その対応策として、焼結用配合原料に、アルミナ含有量が少ないブラジル産ＰＦ（ペレットフィード）の多量使用が考えられる。しかし、ブラジル産ＰＦは、その粒度構成及び濡れ性により、造粒が困難であって、多量使用すると焼結生産性を低下させる。
本発明の目的は、新たな観点から微粉鉄鉱石の粉砕粒度を適切化することにより、造粒が困難なＰＦを多量に含む微粉原料を造粒する方法を提供し、それによって、微粉原料を多量使用しても焼結生産性を低下させない微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法を提供することである。

本発明者等は、造粒が困難なＰＦであっても、アニオン性高分子分散剤を添加し、全量１０μｍ以下に粉砕した微粉鉄鉱石を添加することにより、ＰＦによる造粒が可能であることを見出している。そして、１０μｍ以下に粉砕した微粉鉄鉱石が、ＰＦの隙間に入り込み、バインダーとしての役割をはたしていることを見出している。（非特許文献１）。
しかし、粉砕した微粉鉄鉱石の粒度は、最適な粒度構成があると考えられる。
本発明者は、前記の知見を更に一歩進め、ＰＦの隙間に入り込む微粉鉄鉱石の粒度を適正化し、アニオン性高分子分散剤を添加しなくてもＰＦの造粒が可能であることを見出した。

本発明者等は、ブラジル産ＰＦの粒度構成が粉鉱の粒度構成と大きく相違することに気がついた。すなわち、図２(Ａ)に示すように、代表的な粉鉱であるRobe River鉱石は広範な粒度分布を有するのに対して、代表的なブラジル産ＰＦであるＭＢＲ−ＰＦの粒度範囲は０．２５ｍｍ以下となっている。更に０．２５ｍｍ以下のRobe River鉱石とＭＢＲ−ＰＦをレーザー式粒度測定器で粒度を測定したところ、図２(Ｂ)に示すように、０．２５ｍｍ以下の粒子においても粒度構成が異なっており、Robe River鉱石は広範な粒度分布を有するのに対して、ＭＢＲ−ＰＦは０．１ｍｍ付近にのみ存在していた。球の充填の理論から推察すると、粉鉱は比較的大きな１次球の隙間を充填する、比較的小さな粒度の２次球、さらにその隙間を充填するより小さな粒度の高次球に相当する粒度構成部分を有する。

一方、ブラジル産ＰＦはすべて１次球、最高でも１次球と２次球のみで構成されると言える。以上より、ブラジル産ＰＦの造粒性の悪さは、高次球の粒子が存在しないために充填密度が増加せず、粒子間気孔径が大きくなって水の毛管引力が十分に働かないためと考えた。

本発明は、この新たな知見に基づいて、ブラジル産ＰＦの隙間を埋める充填粒子を追加することでその造粒性を改善することを骨子としている。その要旨とするところは、以下のとおりである。

（１）粒径が０．２５ｍｍ以下のブラジル産ＰＦのメジアン径に対して粒径比が０．２３倍以下の比率が４５％以上で、０．２３倍を超え２５０μｍ以下の比率が５５質量％未満に粒度調整した空隙充填用鉄鉱石（全量０．１０倍以下を除く）を得る工程と、前記粒度調整した空隙充填用鉄鉱石を２０質量％以上３０質量％以下と、前記ブラジル産ペレットフィードを７０質量％以上８０質量％以下とを混合造粒して造粒物を得る工程と、前記混合造粒して得られた造粒物と、その他の原料を混合した後、焼結機に装入して焼結鉱を製造する工程を実施することを特徴とする微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法。
（２）前記空隙充填用鉄鉱石製造工程が、鉄鉱石を篩分けすることにより２５０μｍ以下
の大きさとし、前記２５０μｍ以下の大きさにした鉄鉱石の一部である３３質量％以上を
、更に１０μｍ以下に粉砕して粒度調整する工程であることを特徴とする前記（１）に記
載の微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法。
（３）前記空隙充填用鉄鉱石が、結晶水を５質量％以上含有していることを特徴とする前
記（１）又は（２）に記載の微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法。
（４）前記造粒物製造工程において、空隙充填用鉄鉱石の一部を消石灰に置き換え、全造
粒物（前記ブラジル産ＰＦ＋空隙充填用鉄鉱石＋消石灰）に対して１５質量％以下の範囲で消石灰を添加することを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法。

微粉鉄鉱石の粉砕粒度を適切化することにより、造粒が困難なＰＦを多量に含む微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法を提供することができる。

本発明のフローを示す図。 (Ａ)Robe River鉱石及びブラジル産ＰＦの粒径分布を示す図。 (Ｂ)ブラジル産ＰＦと、粒径が２５０μｍ以下に粉砕したRobe River鉱石の粒径分布を示す図。 豪州産ヘマタイト鉱石または豪州産ゲーサイト鉱石の２３μｍ以下の割合と造粒物の圧潰強度の関係を示す図。 (Ａ)ブラジル産ＰＦのみによる造粒物の顕微鏡写真を示す図。 (Ｂ)２３μｍ比率が４８％の豪州産ヘマタイト鉱石を充填剤とした場合の造粒物の断面写真を示す図。 ２５０μｍ以下のRobe River鉱石の一部を粉砕した場合の造粒物の圧潰強度を示す図。 本発明において、ＰＦの使用量と焼結生産率の関係を示す図。

［発明の第一の実施形態］
発明の第一の実施形態は、ブラジル産ＰＦのメジアン径に対して粒径比が０．２３倍以下の比率が４５％以上で、０．２３倍を超え２５０μｍ以下の比率が５５質量％未満に粒度を調整する空隙充填用鉄鉱石（全量０．１０倍以下を除く）の製造工程と、前記粒度を調整した空隙充填用鉄鉱石を２０質量％以上３０質量％以下と、前記ブラジル産ペレットフィードを７０質量％以上８０質量％以下とを混合造粒する造粒物製造工程と、前記混合造粒して得られた造粒物と、その他の原料を混合した後、焼結機に装入して焼結鉱を焼成する焼結鉱焼成工程を実施することを特徴とする。
本発明に係る第一の実施形態のフローを図１に示す。

前記空隙充填用鉄鉱石とは、前記ブラジル産ペレットフィードを造粒する場合に、ＰＦとＰＦの間の形成される空隙の充填の用に供される粉鉱石であり、ＰＦとＰＦを結合するバインダーの役割を果たすものである。
以下、ブラジル産ＰＦのメジアン径を０．１ｍｍとして説明する。鉄鉱石を、２５０μｍの篩目を有する篩分機１で篩い分ける。次に、その篩下を粉砕機２により全量粉砕する。この時、粒径２３μｍ（ブラジル産ＰＦのメジアン径に対して、粒径比０．２３倍）以下の粒子が４５質量％以上とする。
前記空隙充填用鉄鉱石２０質量％以上３０質量％以下と、ブラジル産ペレットフィード７０質量％以上８０質量％以下とを高速撹拌型ミキサー３で水と混合し、さらにドラム型ミキサー４で造粒する。

前記混合造粒して得られた造粒物と、別途ドラム型ミキサー５で造粒されたその他の原料を合わせた後、焼結機６に装入して焼結鉱を製造する。ここに、その他原料には、篩分機１の篩上の鉄鉱石、ブラジル産ＰＦ以外のその他の鉄鉱石、返鉱、粉コークス及び石灰石等がある。

本願発明では、空隙充填用鉄鉱石の粒度を２３μｍ以下（ブラジル産ＰＦのメジアン径に対して粒径比０．２３倍以下）の構成比率が４５質量％以上とする。残部の５５％未満は、２５０μｍ以下としたが、これは従来、鉄鉱石焼結の造粒工程において２５０μｍを超える粒子は付着粉とならないとされていることによる。これを、ブラジル産ＰＦに対して２０〜３０質量％配合する。
ブラジル産ＰＦに対して２０〜３０質量％配合することとしたのは、ブラジル産ＰＦのみによる造粒物の顕微鏡写真により決定した。ブラジル産ＰＦのみによる造粒物の顕微鏡写真を図４（Ａ）に示す。写真の空隙の比率は、２５〜４０面積％である。この空隙を最密充填（空隙率２５体積％）で充填するに要する充填用鉄鉱石の質量比率として、２０〜３０質量％を定めた。
充填用鉄鉱石の粒径をブラジル産ＰＦのメジアン径に対して粒径比が０．２３倍以下の比率が４５％以上（全量０．１０倍以下を除く）としたのは、Ｈｏｒｓｆｉｅｌｄの球の充填模型に基づく。

Robe River鉱石及びブラジル産ＰＦの粒径分布を図２（Ａ）に示す。又、ブラジル産ＰＦと、粒径が２５０μｍ以下に粉砕したRobe River鉱石の粒径分布を対比して図２（Ｂ）に示す。ブラジル産ＰＦは、前述のように、ブラジル産ＰＦのメジアン径は０．１ｍｍであることが判る。又、狭い粒度分布を有しており、すべて１次球、もしくは１次球と２次球のみとみなすことができる。したがって理論的には、空隙充填用鉄鉱石は３次球（粒径比０．２３）以下とする必要があり、通常ブラジル産ＰＦのメジアン径が０．１ｍｍであるので２３μｍ以下の粒度とする必要がある。

次に、空隙充填用鉄鉱石の粒度を２３μｍ以下（ブラジル産ＰＦのメジアン径に対して粒径比０．２３倍以下）の構成比率を４５質量％以上とすることについて説明する。
２５０μｍ以下に篩分けた豪州産ヘマタイト鉱石または豪州産ゲーサイト鉱石を粉砕し、２３μｍ以下の割合を変更した空隙充填用鉄鉱石３０％とブラジル産PF７０％を混合し、高速撹拌ミキサーとドラム型ミキサーを直列に使用して、造粒物を造粒し、その圧潰強度を測定した。充填用鉄鉱石の２３μｍ篩下比率は、粉砕程度を変更し、２２質量％、４５質量％、７５質量％および１００質量％の４種である。圧潰強度を図３に示す。この粉砕物３０質量％とＭＢＲ・ＰＦ７０質量％の造粒物の圧潰強度の測定は、ＪＩＳ Ｍ８７１８「鉄鉱石ペレット圧潰強度試験方法」に準じて、試料１個に対して、規定の加圧速度で圧縮荷重をかけることにより、破壊した時の荷重値を測定した。

豪州産ヘマタイト鉱石あるいは同ゲーサイト鉱石のいずれの場合も、２３μｍ比率が４５質量％以上で圧壊強度は上昇している。これより、粒径比０．２３以下の存在比率は４５質量％あれば十分であると言える。
２３μｍ比率が４５％の豪州産ヘマタイト鉱石を充填剤とした場合の造粒物の断面写真を図４（Ｂ）に示す。ＭＢＲ・ＰＦ粒子の隙間を細かい豪州産ヘマタイト鉱石の粒子が埋めている様子がわかる。

［発明の第二の実施形態］
発明の第二の実施形態は、前記空隙充填用鉄鉱石製造工程が、鉄鉱石を篩分けすることにより２５０μｍ以下の大きさとし、前記２５０μｍ以下の大きさにした鉄鉱石の一部である３３質量％以上を、更に１０μｍ以下に粉砕して粒度調整した工程であることを特徴とする。
鉄鉱石を２５０μｍの篩目を有する篩分機１で篩い分け、その篩下の一部である３３質量％以上を更に粉砕機２により粉砕し、粉砕後の鉄鉱石と篩分機１の篩下である２５０μｍ以下鉄鉱石とをあわせて空隙充填用鉄鉱石とするものである。

結晶水８％のローブリバー鉱石を全量７μｍ以下に粉砕した場合について、検討した。前記「空隙充填用鉄鉱石製造工程」において、結晶水８％のローブリバー鉱石の篩下である２５０μｍ以下の鉱石の３３％、６７％、全量を７μｍ以下に粉砕した場合のそれぞれについて、空隙充填用鉄鉱石を作成した。Ａは２５０μｍ以下のままで、７μｍ以下に粉砕していない場合、Ｂ_２は２５０μｍ以下の全量を７μｍ以下に粉砕した場合、Ｃ_２は２５０μｍ以下の３３％を７μｍ以下に粉砕し、残りの２５０μｍ以下とあわせた場合、Ｄ_２は２５０μｍ以下の６７％を７μｍ以下に粉砕し、残りの２５０μｍ以下とあわせた場合の空隙充填用鉄鉱石である。

作成した空隙充填用鉄鉱石３０％とＰＦ７０％から造粒物を造粒し、その圧潰強度を測定した。造粒物の圧潰強度を図５に示す。
Ａは、バインダーとしての粒度が粗すぎ、造粒することができない。Ｃ_２、Ｄ_２、Ｂ_２は、造粒することができるが、Ｄ_２が、最も圧潰強度の高い造粒物が得られた。ＰＦ間の間隙を埋めるのに、全量を７μｍ以下に粉砕したものよりも、粒度の異なるバインダーが、より密な充填となり、圧潰強度が高い造粒物が得られたものと考えられる。
このように、粒径が２５０μｍ以下の鉄鉱石の一部を更に１０μｍ以下に粉砕することにより、請求項１に規定する粒径の空隙充填用鉄鉱石を得ることができる。

［発明の第三の実施形態］
発明の第三の実施形態は、空隙充填用鉄鉱石が、結晶水を５質量％以上含有していることを特徴とする。
結晶水を５質量％以上含有している鉄鉱石としては、鉱物組成がゲーサイト（ＦｅＯＯＨ）のものがある。前記図３において、豪州産ゲーサイト鉱石を粉砕した空隙充填用鉄鉱石は、豪州産ヘマタイト鉱石を粉砕したものに比較し、造粒物の圧潰強度が大きい。粉砕した後の微粒ゲーサイトは、水中分散性がよく、ＰＦの粒子間によく浸透し、ＰＦの粒子間のバインダーとしての効果を発揮するからである。

［発明の第四の実施形態］
発明の第四の実施形態は、前記造粒物を得る工程において、空隙充填用鉄鉱石の一部を消石灰に置き換え、全造粒物（ブラジル産ＰＦ＋空隙充填用鉄鉱石＋消石灰）に対して１５質量％以下の範囲で消石灰を添加することを特徴とする。

前記Ｈｏｒｓｆｉｅｌｄの球の充填理論によれば、５次球（粒径比０．１２）までの充填により空隙率１５体積％まで緻密化し、さらにその間隙を微細な粒子で充填すると空隙率は４体積％まで減じるので、この時の微細な粒子の所要量は１１体積％である。消石灰は水に分散すると４μｍ以下の微細な粒子となるので、本実施形態における消石灰はＨｏｒｓｆｉｅｌｄの球の充填理論における微細な粒子に相当し、空隙充填用鉄鉱石の間隙を更に充填して緻密化を促進する。消石灰の上限値１５質量％は、微細な粒子の所要量が１１体積％である点を考慮して規定した。
焼結工程では造粒剤として生石灰が用いられるが、粉砕しても平均で４０μｍ粒度と尚粗いことから、本発明では適用できない。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明は、これに限られるものではない。実施例及び比較例の原料を表２、表３，表４に示す。表２において、比較例は、ＰＦを０〜３０質量％まで使用した通常操業の場合である。実施例では、ＭＢＲ・ＰＦを新原料に対して２０質量％および５６質量％使用した場合である。「空隙充填用鉄鉱石製造工程」において、結晶水８質量％のRobe River鉱石を粉砕し、空隙充填用鉄鉱石を作成した。空隙充填用鉄鉱石の粒度の内訳を表３および表４に示す。

実施例１では空隙充填用鉄鉱石として、Robe River鉱石を２５０μｍ以下に篩出したもの、及びその一部を１０μｍ以下に粉砕したものを用意し、それら２種類を１：２で混合したもの用いた。この時、空隙充填用鉄鉱石製造工程における２３μｍ以下のRobe River鉱石の比率は、７４％（（６＋３×０．２２）/９）となった。ここで、２５０μｍ以下に篩出したRobe River鉱石中も２３μｍ以下は存在し、その比率は図２（Ｂ）より２２％とした。
「空隙充填用鉄鉱石製造工程」で作成した空隙充填用鉄鉱石を用いて、ＭＢＲ・ＰＦを「ＰＦの造粒工程」において造粒した。ＰＦ製造工程のＰＦ比率は、７０％（２０.３/２９）で、空隙充填用鉄鉱石の比率は、３０％であった。

実施例２では空隙充填用鉄鉱石として、２５０μｍ以下に篩出したもの及びその一部を１０μｍ以下に粉砕したRobe River鉱石、並びに消石灰を用いた。
空隙充填用鉄鉱石製造工程における２３μｍ以下のRobe River鉱石及び消石灰の比率は４８．１％（１５．９×０．２２＋4＋４)／（１９．９＋４））であり、消石灰の比率は１６．７％（４／（１９．９＋４））であった。
ＰＦ製造工程のＰＦ比率は、７０％（５６．０/７９．９）で、空隙充填用鉄鉱石の比率は、３０％であった。

「ＰＦ造粒工程」と「その他原料の造粒工程」でそれぞれ造粒した造粒物を、「焼結鉱製造工程」において、焼結機に装入し、焼結鉱を焼成した。

比較例及び実施例における焼結鉱の生産率変化を図６に示す。
図６においては、本発明により、ＰＦの使用量を２０質量％とした実施例１および５６質量％とした実施例２の場合の焼結生産率の変化を（■印）に示す。また、本発明によらずに、ＰＦの通常の使用方法で操業した場合の操業での焼結生産率の変化を（□印）に示す。

本発明によらずに、ＰＦの通常の使用方法で操業した場合の操業では、焼結生産率が大幅に低下する。これに対し、本発明により、ＰＦの使用割合が４０質量％以下であればＰＦの増加による生産率の大幅低下を食い止めることができた。４０質量％を超えると生産率が低下する理由は、４０質量％を超えると「ＰＦの造粒工程」で製造された造粒物が原料の半分以上を占めるため、原料層の自重を主に「ＰＦの造粒工程」で製造された造粒物で支持する必要があり、自重で「ＰＦの造粒工程」で製造された造粒物が崩壊するためである。

造粒が困難なＰＦを多量に含む微粉原料を用いた焼結鉱の製造に利用できる。

１…篩分機、２…粉砕機、３…混合機、４…その他原料造粒機、５…ＰＦ造粒機、６…焼結機

Claims (4)

1. 粒径が０．２５ｍｍ以下のブラジル産ＰＦのメジアン径に対して粒径比が０．２３倍以下の比率が４５％以上で、
   ０．２３倍を超え２５０μｍ以下の比率が５５質量％未満に粒度調整した空隙充填用鉄鉱
   石（全量０．１０倍以下を除く）を得る工程と、
   前記粒度調整した空隙充填用鉄鉱石を２０質量％以上３０質量％以下と、前記ブラジル
   産ペレットフィードを７０質量％以上８０質量％以下とを混合造粒して造粒物を得る工程
   と、
   前記混合造粒して得られた造粒物と、その他の原料を混合した後、焼結機に装入して焼
   結鉱を製造する工程を実施することを特徴とする微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法。
2. 前記空隙充填用鉄鉱石を得る工程が、鉄鉱石を篩分け、粉砕することにより２５０μｍ
   以下の大きさとし、前記２５０μｍ以下の大きさにした鉄鉱石の一部である３３質量％以
   上を、更に１０μｍ以下に粉砕して粒度調整した工程であることを特徴とする請求項１に
   記載の微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法。
3. 前記空隙充填用鉄鉱石が、結晶水を５質量％以上含有していることを特徴とする請求項
   １又は請求項２に記載の微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法。
4. 前記造粒物を得る工程において、空隙充填用鉄鉱石の一部を消石灰に置き換え、全造粒
   物（前記ブラジル産ＰＦ＋空隙充填用鉄鉱石＋消石灰）に対して１５質量％以下の範囲で消石灰を添加することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の微粉原料を用いた焼結鉱の製造方法。