(57)【要約】【課題】常温で３９０N/p以上、１０００℃までの温度範囲で１００N/p以上の圧潰強度を有する製鉄用非焼成塊成鉱を提供する。【解決手段】酸化鉄原料（Ａ）に、常温で固化するバインダー（Ｂ）と粉状ピッチ（Ｃ）を配合した混合物を、前記バインダー（Ｂ）により塊状に固化させた非焼成塊成鉱であり、常温ではバインダー（Ｂ）により３９０N/p以上の圧潰強度が確保され、高温域では粉状ピッチが炭化して生成した炭素がバインダーとして有効に機能し、１０００℃までの温度範囲で１００N/p以上の圧潰強度を確保できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄原料（Ａ）に、常温で固化するバインダー（Ｂ）と粉状ピッチ（Ｃ）を配合した混合物を、前記バインダー（Ｂ）により塊状に固化させたことを特徴とする製鉄用非焼成塊成鉱。
【請求項２】
造粒物、成型物、成型物の破砕体のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の製鉄用非焼成塊成鉱。
【請求項３】
酸化鉄原料（Ａ）が、細粒焼結鉱又は／及び細粒鉄鉱石であることを特徴とする請求項１又は２に記載の製鉄用非焼成塊成鉱。
【請求項４】
バインダー（Ｂ）が、有機系バインダーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の製鉄用非焼成塊成鉱。
【請求項５】
粉状ピッチ（Ｃ）が５０メッシュ篩を通過する粒径であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の製鉄用非焼成塊成鉱。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉などの製鉄炉で鉄原料として用いられる製鉄用非焼成塊成鉱に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉などの堅型製鉄炉（以下、高炉を例に説明する）を用いて行われる銑鉄製造プロセスでは、炉内の原料充填層内に還元ガスを流通させるために、原料充填層内の空隙率を一定値以上に保つことが重要である。このため鉄原料などの炉内装入物は粒度分布が大きいことが望ましく、装入後に粉化するおそれがある装入物は、その強度を高めて粉化を抑制する必要がある。このため、特に大型高炉においては、粉鉱石を炭材の燃焼熱により焼き固めた焼結鉱や、粉鉱石をペレタイザーなどで球状に成形した後、１０００℃以上で高温加熱硬化させた焼成ペレットなどが広く用いられている。
【０００３】
一方において、特に省エネルギーを目的として、高温加熱処理しない非焼成塊成鉱に関する検討も進められてきた。この非焼成塊成鉱は、鉄鉱石粉や製鉄ダスト等をセメント等の水硬性結合材をバインダーとして、常温又は廃熱等を利用した数百℃以下の比較的低温の条件で一定期間養生して製造される。
非特許文献１には、鉄鉱石ペレットは、高炉内においては１００N/p程度の圧潰強度が必要であり、また、ヤードでの粉発生を防ぐためには３９０N/p程度の圧潰強度が必要であることが示されている。
【０００４】
特許文献１には、糖蜜をバインダーとした非焼成塊成鉱の製造方法が示されており、この方法によれば、比較的短い養生時間で高い冷間圧潰強度が得られる。しかしながら、糖類は３００℃〜３５０℃で熱分解し、熱分解後は質量で１０％程度の炭素が残るだけであるため、高炉に装入した場合、炉内の３５０℃を超えるような領域では形状を保持できないと考えられる。
セメントなどの水硬性結合材を用いると、常温での圧潰強度は十分に確保することができ、したがって製造場所から高炉への移送を容易に行うことができ、また、高炉上部の数百℃までの温度領域においては、その形状を保持させることができる。しかし、それ以上の高温域ではセメント水和物が熱分解するために、強度が著しく低下し、高炉中部および下部での粉化とそれに伴う通気性の悪化を生じることが古くから指摘されていた。
【０００５】
このような問題に対して、特許文献２には、鉄鉱石粉にアスファルトやピッチなどの粘着性炭化水素混合物をバインダーとして添加混合し、これを圧縮成形して硬化させた非焼成塊成鉱（成形体）が示されている。同文献によれば、この非焼成塊成鉱は２００℃程度からバインダー中の揮発分が蒸発し、バインダーの粘度が大きくなるため成形体の強度が増大し、８００℃程度で揮発分の蒸発がほぼ終了し、ガラス状の炭素が鉄鉱石粒子を結合するため成形体強度がさらに増加するとしている。
【０００６】
しかしながら、この方法では、粘着性炭化水素混合物を加熱し溶融する工程が必要となる上、やはり高炉に装入した場合に炭化水素混合物の融点から炭化初期の温度域、すなわち百数十℃〜五百℃程度の領域においては、炭化水素混合物は溶融しており、このため塊成鉱の十分な圧潰強度は期待できない。
【非特許文献１】小島ら；鉄と鋼，72（1986），S98
【特許文献１】特開平７−１５７８２７号公報
【特許文献２】特開昭６０−２４８８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって本発明の目的は、常温では３９０N/p以上の圧潰強度を有するとともに、加熱されても少なくとも１０００℃までの温度範囲において竪型製鉄炉内で使用するのに十分な１００N/p以上の圧潰強度を有し、かつ省エネルギーの観点から常温で塊成化できる製鉄用非焼成塊成鉱を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、非焼成塊成鉱中に、常温において所定の圧潰強度を保持できるバインダーとともに、炉内高温域でバインダー機能が発現する物質を配合するという着想の下に、上記課題を解決できる非焼成塊成鉱について検討を行った。その結果、非焼成塊成鉱中に水硬性結合材などのバインダーとともに、粉状ピッチを添加しておくと、この粉状ピッチが炉内高温域で炭化して生成した炭素が高温下でバインダーとして有効に機能し、炉内高温域において所望の圧潰強度が得られることが判った。
【０００９】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［1］酸化鉄原料（Ａ）に、常温で固化するバインダー（Ｂ）と粉状ピッチ（Ｃ）を配合した混合物を、前記バインダー（Ｂ）により塊状に固化させたことを特徴とする製鉄用非焼成塊成鉱。
［2］上記［1］の製鉄用非焼成塊成鉱において、造粒物、成型物、成型物の破砕体のいずれかであることを特徴とする製鉄用非焼成塊成鉱。
［3］上記［1］又は［2］の製鉄用非焼成塊成鉱において、酸化鉄原料（Ａ）が、細粒焼結鉱又は／及び細粒鉄鉱石であることを特徴とする製鉄用非焼成塊成鉱。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの製鉄用非焼成塊成鉱において、バインダー（Ｂ）が、有機系バインダーであることを特徴とする製鉄用非焼成塊成鉱。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの製鉄用非焼成塊成鉱において、粉状ピッチ（Ｃ）が５０メッシュ篩を通過する粒径であることを特徴とする製鉄用非焼成塊成鉱。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の非焼成塊成鉱は、常温においてはバインダー（Ｂ）により３９０N/p以上の圧潰強度を保持できるとともに、炉内高温域では粉状ピッチ（Ｃ）が炭化して生成した炭素がバインダー機能を発揮することにより、少なくとも１０００℃までの温度範囲で１００N/p以上の圧潰強度を保持することができる。したがって、ヤード内及び竪型製鉄炉内において粉化が少なく、非焼成塊成鉱として優れた性能を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の製鉄用非焼成塊成鉱は、酸化鉄原料（Ａ）に、常温で固化するバインダー（Ｂ）と粉状ピッチ（Ｃ）を配合した混合物を、前記バインダー（Ｂ）により塊状に固化させたものである。
本発明の非焼成塊成鉱は、高炉に代表される竪型製鉄炉（以下、高炉を例に説明する）において鉄原料として用いられる。
前記酸化鉄原料（Ａ）としては、細粒焼結鉱、細粒鉄鉱石などが挙げられるが、これに限定されるものではなく、製鉄炉用の鉄原料となり得るものであって、そのままでは高炉に装入できない細粒状のものであればよい。
【００１２】
前記細粒焼結鉱の代表例は、鉄鉱石の焼結プロセスで発生する返鉱と呼ばれる焼結鉱粉であり、従来の一般的な焼結プロセスでは、この焼結鉱粉は焼結工程に送り返され、焼結原料として使用されている。この焼結鉱粉の大部分は、成品焼結鉱を得る際の粒度選別工程で発生するが、高炉への輸送工程や高炉周辺で発生するものもある。従来の焼結プロセスでは、成品歩留まりは７０〜８０％程度であり、残りの２０〜３０％程度が返鉱（焼結鉱粉）として焼結工程に返送されている（すなわち、成品焼結鉱になることなくプロセス内で循環している）。したがって、本発明の非焼成塊成鉱の酸化鉄原料（Ａ）として、そのような焼結鉱粉を利用できることにより、焼結鉱を含めた塊成鉱のトータル歩留まりを大きく向上させることができる。
前記細粒鉄鉱石には鉄鉱石粉も含まれる。また、元々粒度の小さい鉄鉱石、整粒工程で生じた粒度の小さい鉄鉱石などのいずれを用いてもよい。
酸化鉄原料（Ａ）は、異なる種類のものを２種以上用いてもよい。この酸化鉄原料（Ａ）の粒径は、一般には５ｍｍ未満である。
【００１３】
前記バインダー（Ｂ）は常温で固化するものであるが、常温で固化するとは、常温において水和硬化や水の蒸発に伴う水素結合などによって固化し、酸化鉄原料粒子どうしを結合するバインダー機能を発現することである。
このバインダー（Ｂ）は、炉内高温域において粉状ピッチ（Ｃ）が炭化して塊成鉱の圧潰強度保持に寄与する（すなわち、バインダー機能を発揮する）までの間、圧潰強度を保持するために配合されるものである。したがって、バインダー（Ｂ）は、粉状ピッチ（Ｃ）がバインダー機能を発揮し始める５００℃前後の温度域までは、酸化鉄原料粒子どうしを結合する結合力が維持されるか若しくは大幅に低下しないことが必要であり、特にバインダー（Ｂ）が大幅に熱分解したり、或いは溶融したりすることは避けなければならない。
【００１４】
このバインダー（Ｂ）としては、水硬性バインダー、有機系バインダー（有機物）などを用いることができる。水硬性バインダーとしては、例えば、セメント（高炉セメント、ポルトランドセメント、フライアッシュセメント、アルミナセメントなど）、高炉水砕スラグ微粉末、石膏などが挙げられ、また、有機系バインダーとしては、でんぷん等の多糖類、ポリアクリルアマイドなどのような強い水素結合を持つ水素結合性高分子物質（有機物）などが挙げられる。この水素結合性高分子物質は、一般に、３００℃以上で徐々に熱分解が始まり、接着力が低下していくが、同時に粉状ピッチ（Ｃ）も軽質分が揮発し、粘凋となっていくため、常温で３９０N/p以上の圧潰強度がある場合、バインダー（Ｂ）が溶融さえしなければ３００℃を超えても１００N/p以上の圧潰強度は保持することが可能である。
【００１５】
バインダー（Ｂ）の添加量は、塊成鉱が常温で３９０N/p以上の圧潰強度を発現するだけの量が必要である。当然ながら、必要添加量は使用するバインダー（Ｂ）の種類や原料の粒度分布によって異なるため、一義的に定量化できないが、一般的には、必要とされる圧潰強度とバインダーに要するコストなどの面から、有機系バインダーで３〜７質量％程度、水硬性バインダーで５〜１０質量％程度（いずれも配合原料中での固形分の割合）が適当である。同じ粒度分布の原料であれば、水硬性バインダーに較べて有機系バインダーの方が添加量が少なくて済むため好ましい。本発明者らの検討によれば、ピッチを含まない酸化鉄原料のみの場合は、有機系バインダーと水硬性バインダーの間で３９０N/pの圧潰強度を発現するのに必要な添加量の差はほとんど無い。したがって、本発明の塊成鉱において上記のような必要添加量の差が出るのは、粉状ピッチ（Ｃ）が原料に含まれるためであると考えられる。詳細なメカニズムは必ずしも明らかではないが、比較的疎水性の高い有機物であるピッチは、水硬性バインダーよりも、同じ有機物である有機系バインダーとの相性が良いためであると推測される。
【００１６】
前記粉状ピッチ（Ｃ）は、炉内高温域で炭化することで生成する炭素をバインダーとして機能させるために配合する。この粉状ピッチ（Ｃ）としては、石炭ピッチ又は／及び石油ピッチを用いることができる。
石炭ピッチは、瀝青炭、亜瀝青炭などの石炭をコークス炉において１１００〜１３５０℃で乾留し、発生するガスを冷却、凝縮させて回収したコールタールを、蒸留により軽質分を取り除いて得られる蒸留残渣のことであり、多環芳香族を主成分とする炭化水素化合物の混合物である。その分子量は１００〜１００００程度と広く分布し、平均分子量は数百程度である。
【００１７】
また、石油ピッチは、原油を高温で加熱分解したあと、蒸留により軽質分を取り除いて得られる蒸留残渣のことであり、多環芳香族及び脂肪族を主成分とする炭化水素化合物の混合物である。その分子量は１００〜１０００００程度と広く分布し、平均分子量は数千程度である。
ピッチ特性の指標としては、軟化点（℃）、固定炭素（質量％）、キノリン不溶分（質量％）、トルエン不溶分（質量％）が通常用いられ、JIS K 2425により測定法が規定されている。このうち軟化点は、ピッチの流動性が発現する指標であり、用途に応じて４０〜３５０℃の範囲から選ばれる温度で調整される。
【００１８】
上記のピッチは、常温で固体であるため、通常、粉砕した後に粒度を調整し、塊成鉱原料に添加される。
塊成鉱に添加された粉状ピッチ（Ｃ）は、５００℃以上の高温域で炭化し生成した炭素がバインダーとして機能する。したがって、５００℃以上で生成する炭素の量が、塊成鉱の圧潰強度に影響する。ピッチから生成する炭素量は、ピッチの残炭率で表すことができる。質量ｘ（ｇ）のピッチを非酸化雰囲気下で５００℃にて十分に加熱し、炭化した後の質量をｙ（ｇ）とすると、残炭率ｂ＝（ｙ／ｘ）×１００となる。必要なピッチ添加量ａ（質量％）は、残炭率ｂ、粉状ピッチ（Ｃ）の粒径、酸化鉄原料（Ａ）の粒径、バインダー（Ｂ）の種類によって異なるが、概ね、ピッチ添加量ａ（質量％）と非酸化雰囲気下５００℃における残炭率ｂ（質量％）の積ａ×ｂが３００〜６００となるような範囲とすることが適当である。
【００１９】
粉状ピッチ（Ｃ）の粒径は特に限定しないが、炉内高温域でのバインダーとしての機能の面からは、粒径はある程度小さい方が好ましい。これは粒径が小さいほど塊成鉱内への分散が均一に近づくためであると考えられる。したがって、粉状ピッチ（Ｃ）の粒径が小さくなるほど、同じ圧潰強度を発現するために必要な粉状ピッチ（Ｃ）の添加量は少なくて済む。具体的には、８．６メッシュ篩（目開き２．００ｍｍ）を通過する粒径のもの、特に好ましくは５０メッシュ篩（目開き３００μｍ）を通過する粒径のものが望ましい。８．６メッシュ篩を通過しないピッチ粒子が多すぎると、５００℃以上での塊成鉱の圧潰強度が低下する。
但し、５０メッシュ篩（目開き３００μｍ）通過よりもさらに粒径を小さくしても、それ以上の効果（バインダー機能の向上や添加量削減）は期待できない。したがって、５０メッシュ篩（目開き３００μｍ）を通過する粒径のものを使用すれば、粉状ピッチ（Ｃ）の添加量を最小限とすることができる。
【００２０】
本発明の非焼成塊成鉱は、酸化鉄原料（Ａ）、バインダー（Ｂ）及び粉状ピッチ（Ｃ）を主たる構成成分とするものであるが、必要に応じて他の成分、例えば、各種分散剤、硬化促進剤、石灰石微粉、フライアッシュ、シリカ微粉などの１種以上を、本発明の効果を損なわない限度で適量配合することもできる。これらその他成分の非焼成塊成鉱中での合計配合量は１０mass％程度、特に望ましくは５mass％程度を上限とすることが好ましい。但し、コークス粉等の還元材については、別途、その使用目的に応じて２０mass％程度を上限として配合してもよい。
本発明の非焼成塊成鉱の粒径（常温雰囲気下での球換算粒径）は８〜３０ｍｍ程度が好ましい。非焼成塊成鉱の粒径が８ｍｍ未満では、炉に装入した際の原料充填層の通気性が悪化するおそれがあり、一方、粒径が３０ｍｍを超えると還元性が低下するおそれがある。
【００２１】
本発明の非焼成塊成鉱は、上記原料を配合した混合物を塊成化し、固化させることにより得られる。塊成化の方法としては特に制限はなく、公知の塊成化法を利用できるが、工業的に量産可能な造粒、成型、成型物の破砕といった方法が好ましく、これらの塊成化法で得られる非焼成塊成鉱は、造粒物、成型物、成型物の破砕体となる。
造粒には回転式のグラニュレーター、成型にはブリケッティングマシン等が使用できるが、これらに限らず、造粒、成型可能であれば特に使用する設備は問わない。
【００２２】
一般に、造粒法や成型法では、原料と水を混合・撹拌（混練）した後、造粒又は成型を行い、得られた造粒物又は成型物を一定期間養生させることにより、非焼成塊成鉱の成品を得る。成型法は、型に流し込んで成型を行う方法でもよい。造粒又は成型後の養生は、使用したバインダー（Ｂ）が硬化するのに必要な期間行えばよい。また、成型物の破砕物の場合には、上記成型物を適当な破砕手段で破砕して非焼成塊成鉱の成品を得る。
【実施例】
【００２３】
酸化鉄原料（Ａ）として粒径４ｍｍ未満の返鉱（焼結鉱粉）を使用した。バインダー（Ｂ）としては、でんぷん（群栄化学社製の商品名「エイボンド７０−２５ＬＤ」）又はポルトランドセメントを使用した。また、粉状ピッチ（Ｃ）としては、軟化点１２０℃、５００℃における残炭率６６％の石炭ピッチ（ＪＦＥケミカル社製）を粉砕した後、８．６メッシュ篩（目開き２．００ｍｍ）を通過したもの、又は５０メッシュ（目開き３００μｍ）篩を通過したものを使用した。
【００２４】
原料の塊成化は、回転式グラニュレーターを用いた造粒を常温にて行った。酸化鉄原料（Ａ）と粉状ピッチ（Ｃ）は予めよく混合して用いた。バインダー（Ｂ）としてでんぷんを使用した場合は、でんぷん固形分が２３質量％となるように水で希釈し、回転式グラニュレーター内の酸化鉄原料（Ａ）とピッチ（Ｃ）の混合物に対して所定量を添加した。また、バインダー（Ｂ）としてセメントを使用した場合は、造粒時にセメントと同質量の水を加えた。
造粒後、水がかからない場所に静置して常温で３日間養生し、本発明例の非焼成塊成鉱を製造した。
また、比較例１，２として、粉状ピッチ（Ｃ）を添加しない非焼成塊成鉱を上記方法に準じた方法で製造した。
【００２５】
以上のようにして得られた非焼成塊成鉱について、粒径が１５ｍｍ程度のものを対象に６水準の温度で直接又は熱処理後の圧潰強度を測定した。
常温（２３℃）、２００℃、４００℃での圧潰強度の測定においては、窒素雰囲気下で各測定温度に１時間以上静置した後、万能試験機による圧縮試験で塊成鉱１粒が圧潰する荷重を測定した。同一の条件で各５粒の測定を行い、それらの平均値を圧潰強度とした。
一方、６００℃、８００℃、１０００℃での圧潰強度の測定においては、窒素雰囲気下の各温度で熱処理した塊成鉱の圧潰強度を常温で測定した。熱処理時の昇温速度は５℃／分、目標温度における保持時間は１０分とした。保持時間終了後は、窒素雰囲気下のまま１００℃以下となるまで放置した。万能試験機による圧縮試験で塊成鉱１粒が圧潰する荷重を測定し、同一の条件で各５粒の測定を行ってそれらの平均値を圧潰強度とした。
【００２６】
表１に、本発明例及び比較例の塊成鉱の組成及び各温度での圧潰強度を示す。
これによれば、本発明例の塊成鉱は、常温で３９０N/p以上、常温以外の各温度でも１００N/p以上の圧潰強度を有している。これに対して、バインダー（Ｂ）のみを添加し、粉状ピッチ（Ｃ）を添加しなかった比較例１，２は、高温での圧潰強度が１００N/p未満であり、高炉用塊成鉱としては不適であることが判る。
【００２７】
また、本発明例どうしを比較すると、添加量が同じであれば、バインダー（Ｂ）として有機系バインダー（でんぷん）を用いた塊成鉱（発明例１，２）の方が、水硬性バインダー（ポルトランドセメント）を用いた塊成鉱（発明例５，６）よりも圧潰強度が大きいことが判る。さらに、粉状ピッチ（Ｃ）として８．６メッシュ篩通過の粒径のものを使用した塊成鉱（発明例１，２）と、同じく５０メッシュ篩通過の粒径のものを使用した塊成鉱（発明例３，４）を比較すると、後者の方が圧潰強度が大きいことが判る。
【００２８】
【表１】
2007270259.tif 000002