JP5703715B2

JP5703715B2 - 焼結鉱の製造方法

Info

Publication number: JP5703715B2
Application number: JP2010262620A
Authority: JP
Inventors: 隆英樋口; 大山　伸幸; 伸幸大山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: JP2012112003A

Description

本発明は、下方吸引式のドワイトロイド焼結機を用いて、高強度、高品質の焼結鉱を生産性よく製造する焼結鉱の製造方法に関するものである。

高炉用の鉄鉱石類原料として用いられる焼結鉱は、下方吸引式のドワイトロイド焼結機を用いる場合、一般に、以下のような方法で製造されている。まず、粒径が１０ｍｍ以下の鉄鉱石、粒径が所定値以下の返鉱、石灰石などのＣａＯ系副原料、珪石や蛇紋岩および各種の製錬スラグなどからなるＳｉＯ_２系副原料、および、粉コークスや無煙炭などの熱源となる固体燃料（粉コークス等の炭材）等から構成される造粒原料に、適当量の水分を添加してミキサーやドラムミキサー等を用いて混合・造粒して造粒粒子と呼ばれる焼結原料とする。次いで、その焼結原料を焼結機のパレット上に適当な厚さ、例えば５００〜７００ｍｍ程度の厚さになるように充填して焼結原料の装入層を形成し、その後、点火炉でその装入層表層部の炭材に点火し、パレット下方に配設されたウインドボックスで空気を吸引して装入層内の炭材を燃焼させ、その燃焼熱によって焼結原料を溶融させて焼結ケーキとする。その後、この焼結ケーキを破砕し、整粒して、一定の粒径以上のものを成品焼結鉱として高炉に装入し、それ未満のものは返鉱として、再度焼結原料の原料として利用している。

図１は、点火炉によって点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して燃焼・溶融帯を形成し、その燃焼・溶融帯がパレットが下流側に移動して行くのに伴い装入層の上層から下層に順次移動していき、燃焼・溶融帯が通過した後には、焼結が完了した焼結ケーキ層（焼結層）が形成されていることを模式的に示したものである。
ここで、上記燃焼・溶融帯は、溶融物がウインドボックスにより吸引される空気の通過を阻害するため、通気抵抗を高める要因となる。また、上記燃焼・溶融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、まだ温度が上昇していない下層の焼結原料中に凝縮して濃縮し、湿潤帯を形成する。そして、上記水分量が増加すると、吸引した空気の流路となる焼結原料粒子間の空隙が水分で埋まり、通気抵抗を増大させる。

図２は、燃焼・溶融帯の最高到達温度域が、厚さが６００ｍｍの装入層表層から２００ｍｍ下方位置に存在するときの装入層内における圧損と温度の分布を示したものである。この図から、装入層内の圧損分布は、湿潤帯におけるものが約６０％を占め、残りの４０％が燃焼・溶融帯におけるものであり、湿潤帯の圧損が焼結鉱の操業性、ひいては品質に大きな影響を及ぼしていることがわかる。

ところで、圧損に大きな影響を及ぼす因子として、上記水分の凝縮以外に、焼結時における焼結原料の物理的な収縮がある。すなわち、装入層上層部の焼結が完了した焼結ケーキは、一つの大きな塊となって、燃焼・溶融帯やまだ燃焼が進行していない装入層下部の湿潤帯の上に覆いかぶさる。ここで、上記燃焼・溶融帯は、低融点の溶融相と固相が混合した状態にあるため、上記焼結ケーキの荷重を受けて圧縮されて、下層にいくほど嵩密度が高くなり、通気抵抗が増大する。また、湿潤帯においては、水分が凝縮し、造粒粒子の強度が低下している。そのため、焼結ケーキの荷重によって湿潤帯を構成している造粒粒子が破壊されて、造粒粒子間の空隙が潰されて空気が通り難くなり、通気抵抗が増大する。上記のようにして通気抵抗が増大すると、通風量が減少し、固体燃料の燃焼速度が低下するため、焼結鉱の品質に悪影響を及ぼしたり、生産率を低下させたりすることになる。

そこで、この問題を解決する技術が数多く開発、提案されている。例えば、特許文献１には、焼結パレットの最下部に床敷鉱層を形成し、その床敷鉱層の上に返鉱層を形成し、さらにその返鉱層の上に返鉱層を含まない焼結原料層を形成して、原料充填層の上層から下層に至る粒度の偏析を大にすることで、通気性を改善する技術が開示されている。また、特許文献２には、焼結パレット上に床敷鉱を装入して床敷層を形成し、上記床敷層に複数の凸状増厚部を設けた後、さらにその床敷層上に焼結用配合原料を装入することによって、焼結ケーキの重さを凸状増厚部で支持し、通気性を確保する技術が開示されている。また、特許文献３には、焼結機のパレットの床に敷かれた床敷層の上に形成された焼結原料層の中層部及び／又は下層部の中で、パレット幅方向に互いに離隔して多数の空洞を設けて焼結原料層の通気を改善するに際し、前記空洞に、焼結原料とは別途に準備した粒状物質を充填することで、スリットによるムラ焼けを防止しつつ、通気性を改善する技術が開示されている。また、特許文献４には、焼結機の焼結パレットに、焼結ケーキを支持するスタンドを設けることで、原料充填層の圧縮を抑制し、通気性を改善する技術が開示されている。

特開昭５８−０６１２４０号公報特開平０８−２４６０７３号公報特開２０００−２１３８７３号公報特開平０４−１６８２３４号公報

ところで、焼結原料は、粒径が１０ｍｍ以下の鉄鉱石（粉鉱石）を主原料とし、これに粒径が５ｍｍ以下の返鉱、ＣａＯ系副原料、ＳｉＯ_２系副原料および固体燃料（コークス等）等を添加してミキサーで混合し、適当量の水分を添加してドラムミキサー等を用いて造粒し、所定の粒径の造粒粒子としたものである。この際、添加される返鉱の量は、全造粒粒子原料の２０％程度であるといわれている。

しかし、返鉱は、粉鉱石よりも粒度が小さいため造粒性を悪化させる原因となる。したがって、返鉱を造粒粒子の原料として使用する量は、極力少なくすることが望ましい。また、焼結原料中の返鉱量が減少すると、造粒時に添加する水分量も低減できるので、焼結に必要な熱量も削減できるという効果も得られる。

しかしながら、特許文献１の技術は、返鉱のすべてを床敷鉱の上に返鉱層として敷き詰めることで通気性は若干改善されるものの、原料装入層の収縮を抑制する効果は得られない。また、特許文献２〜４の技術は、いずれも焼結原料中に返鉱のすべてを添加しているため、焼結原料の造粒性を改善できないという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、焼結原料中に添加する返鉱の量を低減して焼結原料の造粒性を改善するととともに、通気性の低下を抑制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。

一般に、焼結原料中に含まれる返鉱の量は２０％程度であり、これは、その程度の量の返鉱が発生していることを意味している。したがって、単に返鉱の添加量を低減しただけでは、返鉱が余剰となってしまう。そこで、発明者らは、その余剰となった返鉱を通気性の向上に役立てることを検討した。その結果、上記返鉱の一部を用いて床敷層の上に柱状装入層を形成することで、原料装入層の収縮を抑制してやれば、従来技術が抱える問題点のいずれをも解決し得ることに想到し、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返鉱、副原料および炭材を含む造粒原料から造粒された造粒粒子を装入して焼結原料装入層を形成し、その装入層表層に点火した後、パレット下方に配設されたウインドボックスで装入層上方の空気を吸引し、装入層内の炭材を燃焼させて焼結鉱を製造する方法において、上記パレットのグレート・バー上に敷かれた床敷層の上に、造粒原料中に添加されるべき粒径が５ｍｍ以下の返鉱の一部を用いて、パレットの幅方向に間隔を設けて柱状装入層を形成し、その上に残りの造粒原料から造粒された造粒粒子を装入して装入層を形成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、上記柱状装入層の高さを１００ｍｍ以上、パレット幅方向の間隔を５０〜１０００ｍｍ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、上記柱状装入層の形成に用いる返鉱に、ＦｅＯを４０ｍａｓｓ％以上含む粉状材および／または炭材を添加することを特徴とする。

本発明によれば、焼結原料中に添加されるべき返鉱の一部を用いて、パレットの床敷層の上に所定の間隔を開けて柱状装入層を形成するので、焼結原料中に添加する返鉱量が減少して造粒性が改善されるとともに、上記柱状装入層の形成により燃焼・溶融帯および湿潤帯における収縮を抑制して十分な通気性を確保することができるので、高い生産率で焼結鉱を製造することが可能となる。

パレット上の原料装入層内の焼結進行過程を模式的に説明する図である。焼結時における装入層内の圧損と温度分布を説明する模式図である。造粒粒子の含水率と、擬似粒子径および通気性との関係を示すグラフである。返鉱を用いた柱状装入層が焼結性に及ぼす効果を確認する実験方法を説明する図である。返鉱を用いた柱状装入層が焼結性に及ぼす影響を示したグラフである。焼結実験後の柱状装入層が未焼成状態にあることを示す写真である。実機焼結機において、柱状装入層を形成する方法を説明する模式図である。

まず、本発明の基本的技術思想について説明する。
前述したように、焼結原料中に添加される返鉱は、一般に、粉鉱石よりも粒度が小さいため、造粒性を悪化させる原因となる。その結果、図３に示したように、鉄分として鉄鉱石１００ｍａｓｓ％の場合と、それに返鉱を２０ｍａｓｓ％加えた場合とを比較すると、同じ含水率の場合、造粒粒子の大きさは、鉄鉱石１００ｍａｓｓ％の方が大きくでき、その分、通気性も向上する。したがって、造粒粒子の原料として返鉱を使用する量は極力少なくすることが望ましいといえる。また、焼結原料中の返鉱量が減少すると、造粒時に添加する水分量も低減できるので、焼結に必要な熱量も低減できるという効果も得られる。

そこで、焼結原料中に添加する返鉱の一部を用いて、内径が２９０ｍｍφ、高さが４００ｍｍの焼結試験鍋の焼結原料装入層内に、柱状の装入層を形成し、焼結原料の収縮量および通気性に及ぼす影響を調査した。
焼結実験は、図４に示したように、通常は造粒粒子の原料中に２０ｍａｓｓ％添加している返鉱のうちの５ｍａｓｓ％あるいは１０ｍａｓｓ％を除いた原料を混合し、水分を添加して造粒し、焼結原料（造粒粒子）とする一方、使用しなかった５ｍａｓｓ％および１０ｍａｓｓ％の返鉱を用いて、焼結試験鍋の底部床敷層上に、直径が１００ｍｍφで、高さがそれぞれ１３５ｍｍと２８０ｍｍの柱状装入層を１または２形成し、その後、その試験鍋中に、上記造粒粒子を焼結原料として充填して焼結を行った。なお、比較例として、従来どおり、２０ｍａｓｓ％の返鉱を焼結原料中に全て添加した例についても調査した。

上記焼結実験の結果を図５に示した。この結果から、造粒原料に含まれる返鉱の一部を用いて柱状装入層を形成することにより、焼結時における原料装入層の収縮量が減少し、平均風量が増加していること、しかも、柱状装入層の高さが高いほどその効果が大きいことがわかる。これは、造粒原料への返鉱の添加量削減による造粒性向上効果と、削減した返鉱を用いて形成した柱状装入層による焼結原料装入層の収縮抑制効果によって、通気性が改善された結果によるものと考えられる。

また、生産率は、５ｍａｓｓ％の返鉱を用いて高さ１３５ｍｍの柱状装入層を１形成した例では５％の向上が得られていた。したがって、生産性を向上する観点からは、柱状装入層の高さは１００ｍｍ以上であれば好ましいことがわかる。
一方、１０ｍａｓｓ％の返鉱を用いて２８０ｍｍ高さの柱状装入層を形成した例では、逆に１％低下している。この原因は、柱状装入層の形成に用いた返鉱の中には、固体燃料をまったく添加していないため、この部分の焼結に必要な熱量が不足し、未焼成となって歩留が低下したことにより、通気性改善による生産性向上効果が打ち消されてしまったためと考えられる。図６は、柱状装入層形成部分を示した写真であり、未焼成となっていることを示している。
また、同じ１０ｍａｓｓ％の返鉱を用いて高さ１３５ｍｍの柱状装入層を２形成した例では、生産率が７％向上している。この原因は、高さの低い柱状装入層を２形成したことにより焼結層内の下層部において温度が高温に保たれる時間が延長し、歩留りが向上し、生産性がより向上したものと考えられる。したがって、高さが高くなると、歩留り低下が大きくなるため、上限は装入層厚の３／４程度とするのが好ましい。

なお、上記に説明したように、柱状装入層の形成に用いる返鉱をそのまま用いる場合には、歩留低下を招くことがある。そこで、柱状装入層の焼結性を改善し、歩留りを向上するため、柱状装入層の形成に用いる返鉱中に、低融点溶材または熱源となる粉コークス等の炭材を添加することが好ましい。ここで、上記低融点溶材とは、ＦｅＯを４０ｍａｓｓ％以上含む粉状材をさし、代表的なものとして、ミルスケールや、回転炉床炉の操業で発生したＤＲＩ（直接還元鉄）製造時の篩下粉、ＨＢＩ（ホットブリケットアイアン）の成品篩下粉、製鉄所の集塵ダスト等を挙げることができる。なお、低融点溶材と炭材とを複合添加することは、返鉱の塊成化を促進するのでより好ましい。

また、本発明における返鉱を用いた柱状装入層は、上記実験のような柱状である必要はなく、例えば断面形状が三角形、矩形あるいは台形であってもよく、これらをパレットの幅方向に所定の間隔をあけて形成するのが好ましい。また、パレット進行方向には、上記実験のような柱状装入層を、間隔を開けて設けてもよいし、衝立状に連続して設けてもよい。本発明では、それらを総称して「柱状装入層」ということとする。

また、上記各柱状装入層を形成するパレット幅方向の間隔は、最近接間距離が５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とするのが好ましい。５０ｍｍ未満では、柱状装入層形成の効果が飽和するばかりでなく、柱状装入層形成に必要な返鉱が大量に必要となってしまう。一方、１０００ｍｍを超えると、柱状装入層の所期した効果が得られなくなるからである。好ましくは５０〜５００ｍｍの範囲である。なお、柱状装入層の断面幅は、柱状装入層が形成できる幅であればよく、特に制限はないが、５０〜１００ｍｍ程度の範囲が好ましい。

パレット幅が５．５ｍの実機焼結機において、表１に示した配合割合（返鉱の配合率が２１ｍａｓｓ％）の焼結原料（造粒原料）を用いて、下記の焼結実験を行った。
実験は、図７に示したように、実機焼結機の給鉱側に設置されている床敷層用の返鉱を供給する床敷層用ホッパーと、焼結原料（造粒粒子）を供給する原料ホッパーとの間に、柱状装入層用ホッパーを新たに設置し、床敷層用ホッパーでパレットのグレート・バー（火格子）上に返鉱を供給して床敷層を形成した後、その上に柱状装入層用ホッパーから造粒粒子中に添加すべき返鉱の一部を床敷層の上に間隔をあけて種々の柱状装入層を形成し、さらにその上に、柱状装入層の形成に用いた返鉱の残りを含む造粒原料を造粒して得た造粒粒子を焼結原料ホッパーから供給して、パレット上に厚さ５４０ｍｍの原料装入層を形成した後、常法にしたがって焼結を行った。

なお、床敷層上に形成した柱状装入層は、図７に示したように、パレット断面でみた形状が矩形で、パレット進行方向に延びた衝立状とし、上記矩形の幅を１００ｍｍ一定とし、高さと、パレット幅方向の形成間隔を表２に示したように種々に変化させた。
また、焼結実験では、焼結原料装入層の通気性指数ＪＰＵと焼結鉱の生産率を求めて、柱状装入層の効果を評価した。
ここで、上記通気性指数ＪＰＵとは、ボイスの式に準拠した下記式；
Ｐ＝Ｆ／Ａ（Ｈ／Ｓ）^ｎ
但し、Ｐ：通気度（ＪＰＵ）、Ａ：試料筒ロストル部断面積または焼結機面積（ｃｍ^２）、Ｆ：通過風量（ｄｌ／ｍｉｎ）、Ｈ：原料装入高さ（ｃｍ）、Ｓ：負圧（ｃｍＡｑ）、ｎ：０．６
より求められる値であり、ＪＰＵの値が高い程、通気性が良好であることを示している。
また、生産率は、焼結に要した時間と、焼結鉱の成品歩留り（焼結試験で得られた焼結ケーキを破砕し、篩い分けしたときの粒径が５ｍｍ以上の粒子の質量％）から求めた。

上記試験の結果を表２中に併記した。表２から、本発明の条件に適合する条件で柱状装入層を形成した発明例１〜４は、柱状装入層を形成しなかった従来例と比較して、通気性が２．８％以上向上し、生産率も２．０％以上改善されている。これは、柱状装入層の形成によって造粒原料中に含まれる返鉱の比率が低下し、造粒性が向上した効果と、および、形成した柱状装入層の支柱作用によって、焼結時における原料装入層の収縮が抑制された効果の相乗効果によるものと考えられる。また、柱状装入層の高さあるいは間隔が本発明の好適条件ではない発明例５〜７の場合には、柱状装入層の支柱的作用が十分に得られないため、通気性、生産率が発明例１〜４より若干低下しているが、従来例より良好な結果が得られている。

Claims

循環移動するパレット上に粉鉱石と返鉱、副原料および炭材を含む造粒原料から造粒された造粒粒子を装入して焼結原料装入層を形成し、その装入層表層に点火した後、パレット下方に配設されたウインドボックスで装入層上方の空気を吸引し、装入層内の炭材を燃焼させて焼結鉱を製造する方法において、上記パレットのグレート・バー上に敷かれた床敷層の上に、造粒原料中に添加されるべき粒径が５ｍｍ以下の返鉱の一部を用いて、パレットの幅方向に間隔を設けて柱状装入層を形成し、その上に残りの造粒原料から造粒された造粒粒子を装入して装入層を形成することを特徴とする焼結鉱の製造方法。
上記柱状装入層の高さを１００ｍｍ以上、パレット幅方向の間隔を５０〜１０００ｍｍ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。
上記柱状装入層の形成に用いる返鉱に、ＦｅＯを４０ｍａｓｓ％以上含む粉状材および／または炭材を添加することを特徴とする請求項１または２に記載の焼結鉱の製造方法。