JP6228149B2

JP6228149B2 - 炭材内装鉱の製造方法

Info

Publication number: JP6228149B2
Application number: JP2015038016A
Authority: JP
Inventors: 享太前野; 諭弘中; 智郎山本
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP2016160451A

Description

本発明は、高炉で製鉄原料として使用される炭材内装鉱の製造方法に関する。

近年、高炉操業における還元材比の低減を目的として、炭材と酸化鉄含有原料とを混合し成形した炭材内装鉱が用いられている。

炭材内装鉱は、焼結鉱やペレットに比べ被還元性に優れるという大きな特徴があるが、高炉用原料として使用する場合、高炉までの搬送の際および高炉への装入の際に粉化しないように、所定の冷間圧潰強度を確保する必要がある。

そこで、焼結ダストや微粉状鉄鉱石等の鉄含有原料と、粉コークスやコークスダスト等の粉状炭材と、セメント等の水硬性バインダとを混合し成形することにより、冷間圧潰強度を向上させた非焼成含炭塊成鉱を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、アルカリ金属元素を０．７質量％以上含有する金属精錬ダストに酸性物質である塩酸やリグニンを添加して、酸化金属塊成物を製造する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００９−１６１７９１号公報特許第３９４４３７８号公報

しかしながら、上述の特許文献１の構成では、成形後の一次養生および二次養生や、養生後の乾燥処理に多くの時間や費用がかかってしまうため、効率的に製造できないという問題等が考えられる。

また、バインダとしてＣａＯやＳｉＯ_２等の含有量が高いセメント等の水硬性バインダを使用するため、炭材内装鉱中のスラグ量が増加し、高炉での還元材比が上昇する可能性がある。

上述の特許文献２の構成では、セメント等の水硬性バインダを多量に使用しないため、スラグ量は低く抑えられるが、高炉に比べて要求される強度が著しく低い回転炉床炉での使用が想定されており、具体的にその強度は、０．１ｋＮ／ｐ程度と高炉用の原料としては低すぎる。

また、特許文献２の方法において、高炉用原料として必要な強度が得られる条件は不明であり、アルカリ金属元素の含有量が０．７質量％未満の原料を用いた場合に、強度を向上できるかどうかも明らかではない。

したがって、炭材内装鉱の製造に関して、効率的に製造でき、高炉用原料として良好な圧潰強度を確保できる方法が求められていた。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、効率的に製造でき、高炉用原料として良好な圧潰強度を確保できる炭材内装鉱の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載された炭材内装鉱の製造方法は、粉状の酸化鉄含有原料と粉状の炭材とに有機バインダを添加し、水分調整し、混合および造粒する炭材内装鉱の製造方法であって、有機バインダの合計添加量は、固形分換算で有機バインダを含まない全原料に対して外数換算で２質量％以上１０質量％以下であり、５０ｍｌの水に酸化鉄含有原料を１ｇ投入して１分間撹拌した状態でのｐＨが９．５以上の場合は、ゼータ電位の絶対値が２０ｍＶ以上となるように少なくとも２種の有機バインダを添加するものである。

請求項２に記載された炭材内装鉱の製造方法は、請求項１記載の炭材内装鉱の製造方法において、有機バインダは、パルプ廃液、糖蜜、発酵液およびアクリル系ポリマのうちの少なくともいずれかであるものである。

本発明によれば、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５以上の場合は、ゼータ電位の絶対値が２０ｍＶ以上となるように少なくとも２種の有機バインダを添加するため、高炉用原料として良好な圧潰強度を確保できるとともに、非焼成で効率的に製造できる。

酸化鉄含有原料として南米産鉄鉱石を用いた場合の圧潰強度と有機バインダ量との関係を示すグラフである。酸化鉄含有原料として製鉄所ダストを用いた場合の圧潰強度と有機バインダ量との関係を示すグラフである。炭材内装鉱の圧潰強度と酸化鉄含有原料のｐＨとの関係を示すグラフである。有機バインダの添加状態の違いによる圧潰強度を示すグラフである。有機バインダの添加状態の違いによるゼータ電位を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態の構成について図面を参照しながら詳細に説明する。

高炉で製鉄原料として使用される炭材内装鉱を製造する際には、粉状の酸化鉄含有原料と粉状の炭材とに有機バインダを添加し、水分調整し、混合して造粒する。

酸化鉄含有原料は、例えばペレット用や焼結鉱用の鉄鉱石、製鉄所で発生するダストやダストスケール、および、ダストスケールの混合粉等が適宜用いられる。

炭材は、例えば、粉コークス、一般炭、無煙炭、コークスダストおよび高炉１次灰等が適宜用いられる。

有機バインダは、リグニン亜硫酸塩、リグニン亜硫酸塩を含み分散効果を有するパルプ廃液、糖蜜、発酵液、澱粉およびアクリル系ポリマ等が適宜用いられる。

また、バインダとして、例えば生石灰やベントナイト等の無機バインダを原料中のスラグ量が増加しない範囲で上記有機バインダに加えてもよい。

造粒する際には、一対の成形ロールを有するブリケットマシン（ロール型圧縮造粒機）でピロー形ブリケットやアーモンド形ブリケットを製造する圧縮造粒法や、パンペレタイザ（パン型造粒機）で球形に成形する転動造粒法等を適宜適用できる。

なお、成形直後の非焼成炭材内装鉱は、高炉までの輸送の粉化および高炉装入時の粉化を防止するため、所定の強度を確保する必要がある。そのため、成形後の生の炭材内装鉱は、強度向上を目的として乾燥処理を行うことが好ましい。この乾燥処理の条件は適宜決定できるが、例えば、１００〜３００℃の熱風で水分含有量が３％以下になるように行うと好ましい。

ここで、養生が不要でスラグ量の低い炭材内装鉱を高強度化するには、酸化鉄含有原料のｐＨに応じて適切な有機バインダを選定することが重要である。

そこで、圧潰強度を向上できる条件を明らかにするため、表１に示す各酸化鉄含有原料と、表２に示す各有機バインダとを用いて炭材内装鉱を製造して、酸化鉄含有原料と有機バインダとによる圧潰強度の違いを確認した。なお、混合粉とは製鉄所内で発生する地金やガス灰等を混合した原料である。

図１には、酸化鉄含有原料として南米産鉄鉱石Ａを用いた場合の圧潰強度と有機バインダ量との関係を示し、図２には、酸化鉄含有原料として製鉄所ダストを用いた場合の圧潰強度と有機バインダ量との関係を示す。

なお、図１および図２では、炭材としては粉コークスを用い、有機バインダとしてはパルプ廃液および糖蜜を用いた。また、有機バインダの添加量は固形分換算における全原料に対する値である。

炭材内装鉱は、原料に水分を加えながら混練した後、ブリケットマシンを用いて圧縮成形して作製した。作製した生ブリケットは、Ｗ：２５ｍｍ×Ｄ：１８ｍｍ×Ｈ：１０ｍｍのアーモンド形である。このような生ブリケットを１０５℃で２時間以上乾燥させた後、ＪＩＳＭ８７１８に基づいて圧潰強度試験を行った。

すなわち、圧潰強度測定では、１０ｍｍ／ｍｉｎの一定加圧盤速度で生ブリケットに荷重をかけ、荷重が試験における最大荷重値の５０％以下になった場合、または、上部および下部圧縮の間隙が生ブリケットの平均粒度の５０％になるまで荷重をかけた場合に、加圧操作を終了した。そして、加圧操作で得られた圧縮荷重の最大値を圧潰強度とした。

なお、高炉用原料である炭材内装鉱としての圧潰強度は、０．８ｋＮ／ｐ以上であることが好ましい。

図１に示すように、酸化鉄含有原料として南米産鉄鉱石Ａを用いると、有機バインダとしてパルプ廃液および糖蜜のどちらを用いても、有機バインダ量の増加にともなって圧潰強度が上昇し、有機バインダ量を２％以上にすることで高炉用原料として要求される０．８ｋＮ／ｐ以上の圧潰強度となる。

一方、酸化鉄含有原料として製鉄所ダストを用いると、有機バインダとしてパルプ廃液および糖蜜のどちらを用いても、有機バインダ量の増加にともなう圧潰強度の上昇が小さく、高炉用原料として要求される０．８ｋＮ／ｐ以上の圧潰強度を得られない。

そこで、酸化鉄含有原料の種類により有機バインダを添加した際の圧潰強度の上昇度合いが異なる原因を酸化鉄含有原料のｐＨに着目して確認した。

図３には、炭材内装鉱の圧潰強度と酸化鉄含有原料のｐＨとの関係を示す。なお、炭材としては粉コークスを用い、有機バインダはパルプ廃液を３％添加した。また、酸化鉄含有原料のｐＨは、５０ｍｌの水に原料（粒径０．１２５ｍｍ以下）を１ｇ投入して１分間撹拌した後に測定した。

図３に示すように、ｐＨが８．０〜８．５程度の鉄鉱石を酸化鉄含有原料として用いた場合、有機バインダとしてパルプ廃液のみの添加で０．８ｋＮ／ｐを超える高い圧潰強度が得られる。

圧潰強度は、ｐＨの影響により図３に網かけで示す領域で推移すると考えられる。圧潰強度の幅に関しては原料粒度等の他の要因に影響される。

そして、ｐＨ９．５以上の場合には、高炉用原料としての基準である０．８ｋＮ／ｐ以上の圧潰強度が得られない可能性がある。

ここで、ｐＨが高い酸化鉄含有原料を用いた場合であっても、有機バインダを２種類以上添加し、かつ、ゼータ電位の絶対値を２０ｍＶ以上にすることによって、圧潰強度を向上させて高炉用原料として必要な圧潰強度が得られる。

図４には、酸化鉄含有原料として製鉄所ダストを用い、炭材として粉コークスを用い、有機バインダとしてパルプ廃液と糖蜜とを用いた場合の圧潰強度を示す。なお、比較対象として、有機バインダを用いなかった場合、および、有機バインダとしてパルプ廃液または糖蜜を単独添加した場合の圧潰強度も示す。

図４に示すように、有機バインダとしてパルプ廃液または糖蜜を単独添加した場合は、有機バインダを添加しなかった場合に比べて、圧潰強度はあまり上昇せず、高炉用原料としての要求される強度を確保できない。

これに対して、有機バインダとしてパルプ廃液と糖蜜とを複合添加した場合は、有機バインダを添加しなかった場合に比べて、圧潰強度が向上し、高炉用原料として要求される強度を確保できる。

図５には、図４に示した条件におけるゼータ電位の測定結果を示す。ゼータ電位は、混練した原料１．５ｇ（粒径０．１２５ｍｍ以下）を蒸留水４８．５ｇに投入し撹拌した後、粒子を分散させた状態で超音波スペクトロスコピーを用いて測定した。

図５に示すように、パルプ廃液および糖蜜を単独で添加した場合は、いずれもゼータ電位の絶対値が小さいのに対し、パルプ廃液と糖蜜とを複合添加すると、ゼータ電位の絶対値が大きくなる。

ここで、ゼータ電位は、粒子の分散挙動を表す指標であり、ゼータ電位の絶対値が大きいほど、粒子の分散性が良好であると言われている。有機バインダ、例えばパルプ廃液は、分散効果を有するリグニンスルホン酸を主成分としており、原料中の微粒子を分散させて、圧潰強度向上作用を奏する。

そして、ｐＨが低い原料では有機バインダが１種のみでもゼータ電位の絶対値が大きく、バインダの分散効果によって高い圧潰強度を確保できる。

一方、ｐＨが高い酸化鉄含有原料では、添加する有機バインダが１種のみであると、ゼータ電位の絶対値が小さいため、分散効果が奏しにくく圧潰強度が低くなってしまうが、２種以上の有機バインダを添加することで、ゼータ電位の絶対値が大きくなるため、有機バインダによる分散効果によって高い圧潰強度を確保できる。

なお、有機バインダを複合添加することによりゼータ電位の絶対値が大きくなる詳細な理由は明らかではないが、複数の有機バインダを用いることで、粒子表面に有機バインダが吸着しやすくなるため、ゼータ電位の絶対値が大きくなると考えられる。

したがって、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５未満の場合は、少なくとも１種の有機バインダを添加し、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５以上の場合は、ゼータ電位の絶対値が２０ｍＶ以上となるように、少なくとも２種の有機バインダを複合添加することとした。

なお、有機バインダの添加量は、固形分換算で有機バインダを含まない全原料に対して２質量％未満であると高炉用の原料として必要な圧潰強度を確保できない可能性がある。一方、有機バインダの添加量が、固形分換算で有機バインダを含まない全原料に対して１０質量％を超えると圧潰強度向上作用が飽和する可能性がありコストの増加を招く。したがって、有機バインダの合計添加量は、固形分換算で有機バインダを含まない全原料に対して２質量％以上１０質量％以下とする。

次に、上記一実施の形態の作用および効果を説明する。

上記一実施の形態によれば、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５未満の場合は、少なくとも１種の有機バインダを添加し、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５以上の場合は、ゼータ電位の絶対値が２０ｍＶ以上となるように少なくとも２種の有機バインダを添加するため、有機バインダによる分散効果を確保して圧潰強度を向上できる。そのため、非焼成であっても、例えば上記特許文献１等のように養生や乾燥処理に多くの時間や費用をかけることなく、効率的に製造できるとともに、高炉用原料として０．８ｋＮ／ｐ以上の良好な圧潰強度を確保できる。

有機バインダの添加量は、固形分換算で有機バインダを含まない全原料に対して２質量％以上１０質量％以下にすることで、炭材内装鉱として必要な圧潰強度を確保できるとともに、圧潰強度向上作用の飽和によるコストの増加を防止できる。

炭材内装鉱は、造粒後に例えば１００〜３００℃の熱風で水分含有量が３％以下になるように乾燥処理することにより、強度を向上できるため、高炉までの輸送の際の粉化および高炉へ装入する際の粉化を防止できる。

以下、本実施例および比較例について説明する。

表３に示す配合で酸化鉄含有原料と炭材と有機バインダとを水分を加えながら混練し、ブリケットマシンを用いて圧縮成形して造粒した。なお、有機バインダの添加量は外数で示す。

造粒した生ブリケットは、Ｗ：２５ｍｍ×Ｄ：１８ｍｍ×Ｈ：１０ｍｍのアーモンド形である。

この生ブリケットを１０５℃で２時間以上乾燥させた後、ＪＩＳＭ８７１８に基づいて圧潰強度測定に供した。

圧潰強度測定では、１０ｍｍ／ｍｉｎの一定加圧盤速度で生ブリケットに荷重をかけ、荷重が試験における最大荷重値の５０％以下になった場合、または、上部および下部圧縮の間隙が生ブリケットの平均粒度の５０％になるまで荷重をかけた場合に、加圧操作を終了した。そして、加圧操作で得られた圧縮荷重の最大値を圧潰強度とした。

酸化鉄含有原料のｐＨが９．５未満であるＮｏ．１ないしＮｏ．４では、有機バインダとしてパルプ廃液、糖蜜およびアクリル系ポリマのいずれかを単独添加した。

また、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５以上であるＮｏ．５ないしＮｏ．８は、有機バインダとしてパルプ廃液および糖蜜を複合添加、または、パルプ廃液および発酵液を複合添加した。なお、これらＮｏ．５ないしＮｏ．８は、ゼータ電位の測定も行った。

各本実施例および各比較例の試験条件および試験結果を表３に示す。

表３に示すように、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５未満で有機バインダを１種添加した参考例であるＮｏ．１ないしＮｏ．４は、高炉用原料の基準である０．８ｋＮ／ｐ以上の高い圧潰強度が得られた。

また、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５以上で有機バインダを２種添加した本実施例であるＮｏ．５ないしＮｏ．８は、有機バインダを複合添加することでゼータ電位の絶対値が２０以上となり、高炉用原料の基準である０．８ｋＮ／ｐ以上の高い圧潰強度が得られた。

一方、比較例であるＮｏ．９は、有機バインダ量が２％より少なかったため、高炉用原料の基準である０．８ｋＮ／ｐより低い圧潰強度だった。

また、酸化鉄含有原料のｐＨが９．５以上で有機バインダを１種のみ単独添加した比較例であるＮｏ．１０およびＮｏ．１１は、ゼータ電位の絶対値が２０より小さく、高炉用原料の基準である０．８ｋＮ／ｐより低い圧潰強度だった。

以上の結果より、酸化鉄含有原料のｐＨに応じて有機バインダを選定することにより、非焼成であっても高炉用原料として圧潰強度の優れた炭材内装鉱を製造できる。

Claims

粉状の酸化鉄含有原料と粉状の炭材とに有機バインダを添加し、水分調整し、混合および造粒する炭材内装鉱の製造方法であって、
有機バインダの合計添加量は、固形分換算で有機バインダを含まない全原料に対して外数換算で２質量％以上１０質量％以下であり、
５０ｍｌの水に酸化鉄含有原料を１ｇ投入して１分間撹拌した状態でのｐＨが９．５以上の場合は、ゼータ電位の絶対値が２０ｍＶ以上となるように少なくとも２種の有機バインダを添加する
ことを特徴とする炭材内装鉱の製造方法。
有機バインダは、パルプ廃液、糖蜜、発酵液およびアクリル系ポリマのうちの少なくともいずれかである
ことを特徴とする請求項１記載の炭材内装鉱の製造方法。