(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭材を核とし、核を内包する外周層が鉄原料と炭材の混合物からなり、前記核としての炭材の体積分率が塊成鉱全体の０．２〜３０ｖｏｌ％で、外周層中の炭材の含有率が５〜２５ｗｔ％であることを特徴とする製鉄用塊成鉱。
【請求項２】
核としての炭材の粒径が３〜２５ｍｍ、外周層中の炭材および鉄原料の粒径が１ｍｍ以下で、そのうち４４μｍ以下が３０％以上であることを特徴とする請求項１記載の製鉄用塊成鉱。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は製鉄用原料、特に高炉または竪型スクラップ溶解炉で使用する高被還元性の製鉄用塊成鉱に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄用原料には大別して焼成鉱と非焼成塊成鉱とがある。焼成鉱としては焼結鉱とペレットが代表的であり、非焼成塊成鉱にはコールドボンドペレットなどがある。
【０００３】
これらの製鉄用原料については強度や被還元性が重要視され、これまで焼結鉱やペレットの品質改善が進められてきている。
【０００４】
一方、当初は所内ダストの処理を目的として非焼成塊成鉱の開発が進められた。非焼成塊成鉱はセメント等の水硬性結合剤、或いはγ−ＣａＯ・ＳｉＯ2 のようなＣＯ2 ガス硬化剤によりペレット化、ブリケット化、或いはロール成型して塊成化する。また、被還元性の改善を目的として、炭材を含有した非焼成塊成鉱が開発されている。「鉄と鋼」、６９（１９８３）、Ｓ７８０には、非焼成塊成鉱中の炭材内装量は５〜８％程度であると記載されている。
【０００５】
しかし、炉内のガス利用率ηCO＝ＣＯ2 ／（ＣＯ＋ＣＯ2 ）が４０〜５０％である竪型スクラップ溶解炉に、炭材内装量５ｗｔ％程度の非焼成塊成鉱を全鉄源中１０％使用した場合、非焼成塊成鉱の還元はほとんど進行しなかった。これは、非焼成塊成鉱の周囲のガス利用率ηCOは平衝論的にはＦｅＯ→Ｆｅへの還元が進まないガス濃度であることに加え、非焼成塊成鉱中に含有される炭材が還元に有効に活用されなかったことを示唆する。
【０００６】
塊成鉱中に炭材を内装する技術は非焼成塊成鉱が主であり、焼結鉱製造などのように微粉炭材を燃焼させてその燃焼熱を利用して焼結する場合には、通常は焼成鉱中には炭材は残らない。ただし、特開平２−２３２３２２号公報記載のように、塊成鉱の核に冶金用コークスを使用すると、核のコークスが微粉鉱石中の水分除去や焼成に一部消費されるが、焼結体中に残留する。核の周囲部は、バインダーと微粉鉄鉱石が混合された後、ロータリーキルンで焼成中に焼結してカルシウムフェライト相を主体とする強固な焼結被膜で構成され、炭材は存在しない。また、核のコークス粒度は１０〜３０ｍｍ程度であるとされている。
【０００７】
これらの塊成鉱はすべて鉄原料として考えられている。
【０００８】
一方、高炉内における浸炭挙動に関する研究としては、オフラインの高炉シミュレーターを用いて実験した結果が「鉄と鋼」、７０（１９８４）４、Ａ９に記載されているが、ガスを媒体とする鉄への浸炭速度は遅く、融着帯内あるいは滴下過程で融液化したメタルとコークスとの接触によって浸炭が進む。
【０００９】
このように、通常の高炉操業では浸炭材は高価なコークスであり、浸炭の進行によってコークス粒度の低下や強度低下が生じ、操業に影響を及ぼす。そのため、浸炭材としてはコークス以外の炭材の使用が望ましい。
【００１０】
これまで浸炭速度を制御しようという試みはないが、もし浸炭制御が可能になれば鉄原料の溶融温度を制御できるため、融着帯の位置を制御でき、高炉操業法を改善するための有効な手段となりうる。また、溶銑を製造する技術として、最近、鋼スクラップの大量溶解法が開発されつつあるが、この方法の問題点として、鋼スクラップの難溶解性が挙げられている。鋼スクラップの溶解性を左右する要因としても、浸炭制御が必要である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高炉および鋼スクラップを溶解する炉の操業において、被還元性を改善し浸炭材にもなる塊成鉱を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炭材を核とし、核を内包する外周層が鉄原料と炭材の混合物からなり、前記核としての炭材の体積分率が塊成鉱全体の０．２〜３０ｖｏｌ％で、外周層中の炭材の含有率が５〜２５ｗｔ％であることを特徴とする製鉄用塊成鉱である。また、核としての炭材の粒径は３〜２５ｍｍ、外周層中の炭材および鉄原料の粒径は１ｍｍ以下で、そのうち４４μｍ以下が３０％以上とすることが好ましい。
【００１３】
【作用】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１４】
本発明の製鉄用塊成鉱の構成を図１に示す。
【００１５】
本塊成鉱は炭材２１を核とし、鉄原料２３と炭材２２との混合物を核を内包する外周層とする。核としての炭材２１は浸炭材であり、外周層の炭材２２は鉄原料の還元材である。そして、核としての炭材２１および外周層の炭材２２の大きさや含有量を調整することにより、浸炭材としての機能を優先するか、還元材としての機能を優先するかの選択が可能である。
【００１６】
外周層に炭材２２を加えるのは鉄原料の還元速度を高めるためであり、図２に示すように、炭材の使用割合を多くすることにより塊成鉱の被還元性を向上できる。
【００１７】
被還元性の改善を目的とした場合、必要な炭材量は外周層の鉄原料＋炭材の重量当り５〜２５ｗｔ％である。下限値５ｗｔ％は被還元性の改善効果が認められる最少量である。上限値については、炭材量が２５ｗｔ％超になると塊成鉱の強度が低下する。
【００１８】
核としての炭材２１は、外周層が融液化した場合に浸炭源として機能させるために必要である。また、外周層の融液が浸炭によって流動性が良くなり、滴下した後にも、残った核部分の炭材が他の鉄原料への浸炭源として活用される。すなわち、高炉の場合、焼結鉱などの鉄原料とコークスを層状に装入するが、焼結鉱層内ではコークスと接触しないため、本塊成鉱の核部分の炭材が浸炭材として機能するのである。
【００１９】
核としての炭材量は、塊成鉱の全体積当り０．２ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下が望ましい。例えば塊成鉱粒径が２５ｍｍの場合、核としての炭材粒径は約３〜１６．７ｍｍが好ましいことになる。上限量３０ｖｏｌ％は、塊成鉱の内部に核が存在する時に塊成鉱の強度を維持できる上限量に相当する。下限量０．２ｖｏｌ％は、浸炭材として機能しうる必要最低量である。すなわち、核のまわりの外周層の炭材量を上限値２５ｗｔ％としても、外周層の鉄原料の固体状態での還元率は９０〜９５％レベルであり、残る５〜１０％の還元を核部分の炭材で補う必要があり、核部分の炭材量０．２ｖｏｌ％は還元材として必要な量である。したがって、本塊成鉱に浸炭材としての役割を付加するためには、核となる炭材量として０．２ｖｏｌ％以上必要である。
【００２０】
本塊成鉱を使用する方法によって、核としての炭材と外周層の炭材の適正含有量は異なる。例えば、高炉において本塊成鉱を使用する場合、１０００℃以上の高温領域においては、ＦｅＯ→Ｆｅへの還元能力のあるガス濃度ηCO＜２５％であるため、炭材を含有する本塊成鉱の還元進行は焼結鉱やペレットに比べて速い。本塊成鉱の外周層の炭材含有量は５〜１５ｗｔ％でも十分な被還元性を有している。一方、竪型スクラップ溶融炉では１０００℃以上の高温部における炉内ガス濃度ηCOが４０〜５０％であり、炭材を内部に含まない塊成鉱では、平衝論的にはＦｅＯまでのガス還元が生じるが、ＦｅＯ→Ｆｅへのガス還元は生じない。しかし、本塊成鉱は炭材を内部に含有しているため、周囲のガス濃度によらずＦｅＯ→Ｆｅへの還元が進行する。１０００℃以上の高温部における炉内ガス濃度ηCOが４０％以上では、還元速度を高めるためには、外周層内の炭材含有量として鉄原料＋炭材の重量当り１０ｗｔ％以上２５ｗｔ％以下にすることが必要である。
【００２１】
なお、外周層に鉄原料の他に炭材を含有させて塊成鉱とすることは通常の焼成では無理であり、非焼成の塊成鉱として製造する必要がある。非焼成塊成化方法としては加圧成形するブリケット化、ペレット化がある。
【００２２】
塊成鉱の粒度は製造法によって異なる。核として使用する炭材は、小粒コークスや無煙炭あるいは微粉炭材を造粒して核とすることも考えられる。核となる炭材の粒径は３〜２５ｍｍが望ましく、その場合塊成鉱の粒径は５〜４０ｍｍとなる。核となる炭材の下限粒径は浸炭材として必要な最低粒径であり、上限粒径は塊成鉱の上限粒径によって規定される。塊成鉱の上限粒径は強度を維持できる最大粒径であり、４０ｍｍである。たとえば、ブリケット化して製造した縦４０ｍｍ×横３０ｍｍ×高さ２０ｍｍのブリケットは塊成鉱に必要な強度を維持できる。
【００２３】
ペレット化して造粒する製造法の場合、塊成鉱の粒径は１５〜２５ｍｍが好ましい。核の粒径が３ｍｍの場合、原理的には５ｍｍの塊成鉱の製造が可能と判断されるが、安定して製造でき、歩留りが良好な塊成鉱の下限粒径は１５ｍｍである。造粒して製造した塊成鉱は球形のため転がりやすい特性をもつため、塊成鉱の上限粒径は装入物分布制御に悪影響がでないように焼結鉱と同程度の大きさにすることが望ましく、２５ｍｍが適当である。この場合、核の粒径は３〜１０ｍｍが好ましい。
【００２４】
核としての炭材には例えば細粒コークス、無煙炭、粉状のコークスの１種または２種以上の造粒物を用い、外周層中の炭材には無煙炭粉および／または粉状のコークスを用いるのが適当である。また、外周層中の鉄原料は鉄鉱石粉、還元鉄粉、製鉄工程より発生するダストの１種または２種以上で構成される。
【００２５】
つぎに、本発明の塊成鉱の製造方法、特にペレット化する場合について述べる。
【００２６】
図３は細粒コークスもしくは無煙炭の両方またはどちらか一方の炭材を核とする場合の製造フローの一例を示す。
【００２７】
まず、製鉄工程より発生するダストをダスト貯槽１に、ペレットフィードや砂鉄等の鉄鉱石を鉄鉱石貯槽２に、セメントまたは高炉水砕微粉末を主材料とする粉末をセメント貯槽３に装入する。
【００２８】
ダストおよび鉄鉱石は後工程の造粒のため少なくとも粒径１ｍｍ以下が良く、望ましくは４４μｍ以下が３０％以上とし、１４９μｍ以上が２０％であればさらに良好である。
【００２９】
刺激剤貯槽４には、高炉水砕微粉末を主材料とする粉末を硬化材として使用する場合のカルシウム系アルカリ刺激剤を必要に応じて装入する。
【００３０】
炭材貯槽５には鉄原料に混合する炭材を装入する。
【００３１】
貯槽１〜５から所定の配合比率になるように定量的に切り出しを行い、添加水とともにボールミル６に装入し、硬化剤の分散と原料の混合、混練および調湿を行うが、硬化剤は原料および後工程で加える炭材の合計量の２〜４％になるように量を決定する。また、ボールミル６は、原料と硬化剤の分散、原料の混合、混練および調湿が十分に行えれば他の混合機でも良い。
【００３２】
粒径３〜１０ｍｍの粒状コークスおよび／または無煙炭の炭材からなる塊成鉱の核となる炭材を粒状炭材貯槽７に装入し、混練および調湿が十分に行われた上記配合物に対して体積分率で０．２〜３０ｖｏｌ％となるように添加する。
【００３３】
粒状炭材をボールミル６の前で装入するとボールミル６で粉砕されて粒径が小さくなってしまい、核と成りえなくなるので、ボールミル６の後で添加する。また、炭材として使用する細粒コークスとしては、例えば高炉用コークスの製造および搬送過程において発生するものを使用すれば良く、またそのままでは高炉に使用できない無煙炭を造粒して使用しても良い。
【００３４】
炭材と硬化剤を混合した原料は、中継槽８を経た後、皿型造粒機９に送られ、１５〜２５ｍｍのペレットに造粒されるが、粒状炭材はダストおよび鉱石に比べ粒径が大きいため、ペレットの核となって造粒される。
【００３５】
ペレットはスクリーン１０で＜１０ｍｍを篩分けた後、スタッカー１１で養生ヤード１２に積み付けられ、一定期間養生することにより強度を発現し、成品となる。
【００３６】
次に、粉状のコークスまたは無煙炭を塊成鉱の核として使用する場合を説明する。
【００３７】
図４は粉状のコークスまたは無煙炭を核として使用する場合の製造フローを示す図である。細粒コークスまたは無煙炭を核として使用する場合には、前段階として粒状炭材貯槽１３に粉状のコークスまたは無煙炭を装入し、バインダー貯槽１４にベントナイト等のバインダーを装入し、炭材に対してバインダーを５〜２０％の範囲で添加し、混合機１５で十分に混合、調湿した後に、中継槽１６を経て皿型造粒機１７で粒径３〜１０ｍｍの炭材ペレットを製造する。
【００３８】
この炭材ペレットを図３に示した方法と同様にしてペレットフィードや砂鉄等の鉄鉱石原料のペレットの核として１５〜２５ｍｍ造粒し、一定期間養生することにより強度が発現し、成品となる。
【００３９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００４０】
実施例１は、核として３〜５ｍｍの細粒コークスを使用し、細粒コークスの体積分率を塊成鉱全体の３ｖｏｌ％とし、外周層の鉄原料と炭材の混合物中の２００μｍ以下の炭材の重量割合を２０ｗｔ％とした粒径１６ｍｍの非焼成塊成鉱を図３に示した方法で製造した。成品塊成鉱の成分を表１に示す。従来の焼結鉱はＪＩＳ−ＲＩ値が６２〜６７％であったが、本塊成鉱は７５〜９５％と向上した。
【００４１】
本塊成鉱を焼結鉱などの鉱石類と混合して高炉に装入し、１０ｋｇ／ｔ使用したところ、高炉に装入するコークス比は５ｋｇ／ｔ低減した。これは、高炉内に装入した塊成鉱中に含まれる内装Ｃ量２．５ｋｇよりも低減しており、本塊成鉱が高被還元性塊成鉱として高炉の反応効率向上に寄与することを示している。
【００４２】
実施例２は、核として粒径１ｍｍ以下の粉状のコークスをペレタイザーで予備造粒して１０ｍｍの核とし、外周層の鉄原料と炭材の混合物中の炭材の重量割合を２０ｗｔ％とした粒径２０ｍｍの非焼成塊成鉱を図３に示した方法で製造した。鉄原料としては、製鉄工程より発生するダストを使用した。成品塊成鉱の化学成分を表１に示す。
【００４３】
通常操業では鋼スクラップ１００％を溶解する竪型スクラップ溶融炉に、本発明の塊成鉱を１００ｋｇ／ｔ、鋼スクラップと混合して装入した。通常操業では鋼スクラップ溶解に必要な酸素富化率は８％程度必要であったが、本塊成鉱を２００ｋｇ／ｔ使用した操業では、鋼スクラップ溶解に必要な酸素富化率は４〜５％で操業することができた。理論燃焼温度Ｔｆは、通常操業のＴｆ＝２６５０℃に対し、本塊成鉱を使用した操業ではＴｆ＝２４００℃であり、低い温度で鋼スクラップ溶解が可能になった。すなわち、本塊成鉱を使用すると溶鉄中への浸炭を促進でき、溶解温度を低減できたので、本塊成鉱が浸炭材として機能することが確認された。
【００４４】
【表１】
0003708981.tif 000002
【００４５】
【発明の効果】
本発明により、高炉および鋼スクラップを溶解する炉の操業において、被還元性、浸炭挙動が改善でき、反応効率を向上させ、溶鉄の滴下挙動を改善できる。高炉操業では燃料比の低下と融着帯部の通気抵抗の低下、鋼スクラップの溶解炉の操業ではスクラップの溶解性が改善されるため、高出銑比を維持しながら安定した操業が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本塊成鉱の構成を示す図である。
【図２】炭材の使用割合と還元率との関係を示す図である。
【図３】細粒コークスおよび／または無煙炭を核として本塊成鉱を製造する工程の一例を示す図である。
【図４】粉状のコークスまたは無煙炭を核として本塊成鉱を製造する工程の一例を示す図である。
【符号の説明】
１    ダスト貯槽
２    鉄鉱石貯槽
３    セメント貯槽
４    刺激剤貯槽
５    炭材貯槽
６    ボールミル
７    粒状炭材貯槽
８    中継槽
９    皿型造粒機
１０  スクリーン
１１  スタッカー
１２  養生ヤード
１３  粉状炭材貯槽
１４  バインダー貯槽
１５  混合機
１６  中継槽
１７  皿型造粒機
２１  炭材
２２  炭材
２３  鉄原料
【図１】
0003708981.tif 000003
【図２】
0003708981.tif 000004
【図３】
0003708981.tif 000005
【図４】
0003708981.tif 000006