(57)【要約】【課題】マグネタイト鉱石を用いたとしても、焼結原料から構成される焼結鉱の強度が維持可能で、焼結鉱の被還元性を向上させることができるようにする。【解決手段】マグネタイト鉱石を用いて焼結鉱原料を製造するに際し、マグネタイト鉱石を新原料中で３０質量％以下（０％を含まない）を使用する。全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分が、［３２７９２×(ＦｒｅｅＣ,質量%)−１７９１×(ＣａＣＯ３,質量%)−５２７４×(ＣＷ,質量%）］×０．４＋１６０４×(ＦｅＯ,質量%)×０．４８＜２９５００を満たす。加えて、［３２７９２×(Ｆｒｅｅ Ｃ,質量%)−１７９１×(ＣａＣＯ３,質量%)−５２７４×(ＣＷ,質量%）］×０．４＋１６０４×(ＦｅＯ,質量%)×０．８＞２４０００を満たす。【選択図】図８
2016130341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネタイト鉱石を用いて焼結鉱原料を製造するに際し、
前記マグネタイト鉱石を新原料中で３０質量％以下（０％を含まない）を使用することとし、
全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分が、［３２７９２×(ＦｒｅｅＣ,質量%)−１７９１×(ＣａＣＯ３,質量%)−５２７４×(ＣＷ,質量%）
］×０．４＋１６０４×(ＦｅＯ,質量%)×０．４８＜２９５００、且つ、［３２７９２×(Ｆｒｅｅ Ｃ,質量%)−１７９１×(ＣａＣＯ３,質量%)−５２７４×(ＣＷ,質量%）］×０．４＋１６０４×(ＦｅＯ,質量%)×０．８＞２４０００を満たす
ことを特徴とするマグネタイト鉱石を用いた焼結鉱原料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネタイト鉱石を用いた焼結鉱原料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高炉（竪型冶金炉）では、その上部から焼結鉱、塊鉱石、コークス、石灰石などの原料と還元材とを層状に装入し、下部から熱風を吹込んで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造している。
上記した焼結鉱に関しては、焼結鉱原料を焼結炉で焼結することで製造される。焼結鉱原料はマグネタイト微粉原料を用いて製造されることがあり、マグネタイト微粉原料を使用して焼結原料を製造する製造方法として、特許文献１に示されているものがある。
【０００３】
特許文献１は、マグネタイト微粉原料を使用することができ、焼結鉱のＲＤＩを改善することを目的としている。特許文献１では、鉄分の含有率が総質量に対して６０質量％以上、鉄分の一部を構成するＦｅＯの含有率が総質量に対して１５質量％以上、２５０μｍ以下の粒度を有する粒子の含有率が総質量に対して８０質量％以上であるマグネタイトペレットフィードを造粒することで、第１の擬似粒子を生成している。また、特許文献１では、マグネタイトペレットフィード以外の他の焼結鉱原料を造粒することで、第２の擬似粒子を生成し、第１の擬似粒子と第２の擬似粒子とを、マグネタイトペレットフィードの割合が鉄鉱石の総質量に対して１０質量％以上となるように混合している。
【０００４】
マグネタイト微粉原料を使用して焼結するものではないが、焼結鉱を製造する方法として、特許文献２及び特許文献３に示すものがある。
特許文献２は、結晶水を４％以上含有している高結晶水鉱石であるピソライト鉱石を多量に配合して焼結鉱を製造する際に、焼結原料中に配合する固体燃料による投入熱量を適正範囲に制御することを目的としている。特許文献２では、ピソライト鉱石を焼結原料として１５重量％以上５０重量％未満配合し焼結鉱を製造する際、焼結させるための投入熱量を２８０×１０３〜３２０×１０３（ｋｃａｌ／ｔｏｎ）としている。
【０００５】
特許文献３は、高リン鉱石を焼結原料に配合する場合にも生産率、歩留りの高い高品質の焼結鉱を製造することを目的としている。特許文献３では、配合された鉄鉱石がＰ含有量が０．１質量％以上、Ａｌ２Ｏ３含有量が２．０質量％以上の高リン鉱石を含有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２５３２８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２６５２２０号公報
【特許文献３】特開２００６−１５２３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、マグネタイト鉱石のみ、もしくはマグネタイト鉱石と高結晶鉱石を合わせてＰ型の擬似粒子を形成することによって焼結鉱原料を製造している。この特許文献１の技術では、焼結鉱原料の製造において、マグネタイトによる発熱量と等価分だけ粉コークスの量を減じても焼成可能であるとしている。しかしながら、マグネタイトの一部が酸化しなかったなどの理由により、必要とされる機能を有した焼結鉱原料を製造することができないことが知見されている。すなわち、特許文献１の技術では、マグネタイトを適
正に使用して焼結原料を製造できたとは言えず、粉コークスを十分に削減することができないのが実情である。
【０００８】
特許文献２では、焼結時の投入熱量を得る燃料として、固体燃料であるコークス、無煙炭及び金属鉄を含むダスト又はスケールを少なくとも一種以上を用いている。しかしながら、ＦｅＯ源がＦｒｅｅＣよりも熱効率に優れることについて着目しておらず、適正な熱量を設定することが困難である。
特許文献３は、原料に含まれるＦｅＯ源を発熱源としてではなく、低融点化のために利用しており、適正な熱量で焼結することが難しいのが実情である。
【０００９】
このように、特許文献１〜３のいずれを用いたとしても、マグネタイト鉱石を用いて焼結鉱原料を製造するに際して、焼結鉱を焼結する場合での発熱量を適正に設定することが難しく、その結果、マグネタイト鉱石を用いた場合における焼結鉱の強度と、焼結鉱の被還元性とを両立させた焼結鉱を得ることが難しいのが実情である。
そこで、本発明は上記問題点を鑑み、マグネタイト鉱石を用いたとしても、焼結原料から構成される焼結鉱の強度が維持可能で、焼結鉱の被還元性を向上させることができるマグネタイト鉱石を用いた焼結鉱原料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係るマグネタイト鉱石を用いた焼結鉱原料の製造方法は、マグネタイト鉱石を用いて焼結鉱原料を製造するに際し、前記マグネタイト鉱石を新原料中で３０質量％以下（０％を含まない）を使用することとし、全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分が、［３２７９２×(ＦｒｅｅＣ,質量%)−１７９１×(ＣａＣ
Ｏ３,質量%)−５２７４×(ＣＷ,質量%）］×０．４＋１６０４×(ＦｅＯ,質量%)×０．４８＜２９５００、且つ、［３２７９２×(Ｆｒｅｅ Ｃ,質量%)−１７９１×(ＣａＣＯ３,
質量%)−５２７４×(ＣＷ,質量%）］×０．４＋１６０４×(ＦｅＯ,質量%)×０．８＞２
４０００を満たすことを特徴とする。      
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、マグネタイト鉱石を用いたとしても、焼結原料から構成される焼結鉱の強度が維持可能で、焼結鉱の被還元性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１予備実験における粉コークスの配合量と熱効率との関係を示す図である。
【図２】第１予備実験における層内潜熱ＱＡと被還元性との関係を示す図である。
【図３】第１予備実験における層内潜熱ＱＡとタンブラー強度との関係を示す図である。
【図４】第２予備実験における原料中のＦｅＯと熱効率との関係を示す図である。
【図５】第２予備実験における層内潜熱ＱＡと被還元性との関係を示す図である。
【図６】第３予備実験における原料中のＦｅＯ量と熱効率との関係を示す図である。
【図７】第３予備実験における層内潜熱ＱＡとタンブラー強度との関係を示す図である。
【図８】バッチ式の焼結試験装置の概略図である。
【図９】スローピングシュート式の装入装置の概略図である。
【図１０】実施例及び比較例において、式（ａ）と被還元性との関係を示す図である。
【図１１】実施例及び比較例において、式（ｂ）とタンブラー強度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るマグネタイト鉱石を用いた焼結鉱原料の製造方法の実施の形態を図を基に説明する。
高炉（竪型冶金炉）では、その上部から焼結鉱、塊鉱石、コークス、石灰石などの原料と還元材とを層状に装入し、下部から熱風を吹込んで、焼結鉱の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造している。焼結鉱は、主に鉄鉱石等によって製造される。ここで、鉄鉱石は、鉄への酸素の結合量の違いにより、主にヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）鉱石とマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）鉱石に大別される。本発明では、特に、マグネタイト鉱石を用いて、焼結鉱の原料（焼結鉱原料）を製造する方法である。
【００１４】
以下、マグネタイト鉱石を用いた焼結鉱原料の製造方法について詳しく説明する。
マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）は、ＦｅＯとＦｅ２Ｏ３が１：１で規則正しく存在する結晶構造を有しているため、その存在量を調べるためにはＦｅＯの量を測定すればよい。一般に、天然鉱山から産出される鉄鉱石には、純粋なＦｅＯ（ウスタイト）は存在しない。また、鉄鉱石には、不純物のないマグネタイトは存在せず、必ずＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３に代表される脈石を含んでおり、マグネタイト鉱石の明確な定義は無い。例えば、マグネタイト鉱石の成分は、Ｔ．Ｆｅが６８．０〜６９．７質量％、ＦｅＯが２８．２〜２９．７質量％のものが存在し、一般にヘマタイト鉱石と比べてＴ．ＦｅおよびＦｅＯの含有量が高いことが特徴である。近年産出されるマグネタイト鉱石は、その多くが微粉である。この微粉は、ペレットの材料で用いられるペレットフィードである。
【００１５】
焼結鉱原料を製造するためには、例えば、マグネタイト鉱石等の鉄鉱石、石灰類、珪石、焼結返鉱、粉コークス、ダストなどを造粒機に投入し、水分を添加して転動させて造粒（擬似粒子化）することにより製造することができる。
本発明では、マグネタイト鉱石を用いて焼結鉱原料を製造するに際し、マグネタイト鉱石を新原料中で３０質量％以下（０％を含まない）を使用することとしている。
【００１６】
ここで、新原料とは、鉄鉱石（マグネタイト鉱石やその他の鉱石）、石灰類、珪石、焼結返鉱、粉コークス、ダストのうち、焼結返鉱と粉コークスとを除く原料のことである。焼結返鉱は、焼結を行った焼結鉱のうち、規格外れのものであるため、新原料とは区別し、その配合率は新原料に対する外数で管理する。また、粉コークスは、熱源として用いられるものから、新原料と焼結返鉱とを合わせた合計量（新原料の質量＋焼結返鉱の質量）に対する外数で管理する。
【００１７】
焼結鉱原料を製造するにあたっては、上述したように、原料を造粒機に投入して造粒するが、近年産出されるマグネタイト鉱石は、微粉であるものが多い。そのため、造粒時に、例えば、バインダーや水分の増配などによる造粒強化を行う必要がある。造粒強化を実施しながら造粒を行うと、微粉であるマグネタイト鉱石が核となる鉱石（マグネタイト鉱石を除く鉱石）の周りに付着して、核原料を被覆する。
【００１８】
ここで、微粉であるマグネタイト鉱石の配合量が新原料中に対して３０％を超えてしまうと、核となる鉱石の比率が減少する。即ち、核のない造粒物（ペレット型擬似粒子）が多くなる。核のない造粒物（ペレット型擬似粒子）は、焼結時に酸素が供給されにくく、酸化反応が進行せず、内部に未酸化ＦｅＯが残存することになる。また、ペレット型擬似粒子は、内部まで融液が浸透しにくいため、焼結鉱強度も低下する。したがって、マグネタイト鉱石の配合量が新原料中で３０％を超えると、被還元性を低下させたり、焼結鉱強度の低下を引き起こすことがある。
【００１９】
さて、焼結鉱原料を焼結鍋等に装入して焼結することによって、焼結鉱を製造することができる。マグネタイト鉱石中のマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）は、上述したように、ＦｅＯとＦｅ２Ｏ３とが結びついた結晶構造である。焼結鉱原料としてマグネタイト鉱石を用いた場合、焼結鉱原料を焼結時にマグネタイト鉱石を構成するＦｅＯの酸化によって、焼結層内で酸化して発熱する。そのため、焼結鉱原料を製造するにあたっては、原料に含まれるマグネタイト鉱石の発熱も考慮する必要がある。また、焼結鉱原料に含まれる粉コークスは熱源として使用される。それゆえ、焼結鉱原料を製造するにあたっては、焼結時におけるマグネタイト鉱石に含まれるＦｅＯによる発熱、粉コークスによる発熱等を考慮する必要がある。
【００２０】
具体的には、本発明では、焼結鉱原料を製造するにあたっては、マグネタイト鉱石を含む全原料中において、当該原料の発熱に起因する化学成分（ＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ）を考慮している。具体的には、全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分（質量組成）が、式（ａ）及び式（ｂ）を満たすようにしている。
【００２１】
［３２７９２×(ＦｒｅｅＣ,質量%)−１７９１×(ＣａＣＯ３,質量%)−５２７４×(Ｃ
Ｗ,質量%）］×０．４＋１６０４×(ＦｅＯ,質量%)×０．４８＜２９５００  ・・（ａ）
［３２７９２×(Ｆｒｅｅ Ｃ,質量%)−１７９１×(ＣａＣＯ３,質量%)−５２７４×(ＣＷ,質量%）］×０．４＋１６０４×(ＦｅＯ,質量%)×０．８＞２４０００  ・・（ｂ）
まず、全原料、式（ａ）及び式（ｂ）で示したＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷについて説明する。
【００２２】
全原料とは、新原料、焼結返鉱、粉コークスを合計した原料のことである。また、焼結鉱製造においては、焼結返鉱を新原料の外数として、粉コークスを（新原料＋焼結返鉱）の外数として管理する。そのため、新原料と焼結返鉱と粉コークスとを合わせた合計値は１００％にならない。全原料中の化学成分を考慮するにあたっては、新原料と焼結返鉱と粉コークスとを合わせた合計値を１００％として計算している。
【００２３】
さて、マグネタイト鉱石中に含まれるＦｅ３Ｏ４成分は、焼結層内の酸素と反応してＦｅ２Ｏ３へと酸化する。Ｆｅ３Ｏ４が酸化してＦｅ２Ｏ３になるときの発熱量は、各々の標準生成エンタルピーの差から計算できる。酸化反応式は、４Ｆｅ３Ｏ４＋Ｏ２→６Ｆｅ２Ｏ３である。それぞれの発熱量は、ΔＨ○(Ｆｅ３Ｏ４)＝−１１１６．７ｋＪ／ｍｏｌ、ΔＨ○(Ｆｅ２Ｏ３)＝−８２１．３ｋＪ／ｍｏｌである。ここで、「平成１２年発刊、日本金属学会編「鉄鋼精錬」、235頁、丸善株式会社、萬谷志郎著」を用いて、ＦｅＯの１ｋｇあたりの発熱量を計算することができる。酸化反応式における発熱量は、ΔＨ＝６ΔＨ○(Ｆｅ２Ｏ３)−（４ΔＨ○(Ｆｅ３Ｏ４)＋ΔＨ○(Ｏ２)）＝−６×８２１．３＋４×１１１６．７＝−４６１（ｋＪ）となる。ΔＨの符号がマイナスであるため反応は発熱反応である。
【００２４】
酸化反応式における発熱量の値は、Ｆｅ３Ｏ４については４ｍｏｌ、すなわちＦｅＯの４ｍｏｌあたりの値であるから、ＦｅＯの１ｋｇあたりになるように換算すると、「４６１／（５５．８５＋１６．０）×１０００≒１６０４（ｋＪ／ｋｇ−ＦｅＯ）」である。
それゆえ、式（ａ）及び式（ｂ）では、ＦｅＯの発熱量として、「１６０４×(ＦｅＯ,質量%)」を用いた。
【００２５】
原料中のＦｅＯ成分は、ＪＩＳ−Ｍ８２１３−１９９５に準拠して求めることができる。ＦｅＯの成分を求めるには、まず、原料を採取したサンプルを臭素−メタノール溶液で溶解、ろ過して金属鉄を除去する。次に、ろ紙上残渣を窒素雰囲気下で塩酸に溶解し、ヘマタイトは、Ｆｅ３＋、ＦｅＯはＦｅ２＋の鉄イオンとする。そして、重クロム酸カリウ
ム水溶液を滴定し、Ｆｅ２＋をＦｅ３＋に還元する。この時の溶液消費量がＦｅＯ含有量となる。
【００２６】
焼結プロセスにおける主な熱源は粉コークスであり、化学成分としては、ＦｒｅｅＣの量が熱源として重要である。ＦｒｅｅＣとは、全炭素量から、炭酸等の揮発分に含まれる炭素量を引いた値であり、Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２の燃焼反応によって焼結層中に熱を供給する。ＦｒｅｅＣが燃焼すると、ＣＯ２になる。このときの発熱量は、ΔＨ○(ＣＯ２)＝−３９３．５ｋＪ／ｍｏｌである。ここで、「平成１２年発刊、日本金属学会編「鉄鋼精錬」、235頁、丸善株式会社、萬谷志郎著」を用いて、ＦｒｅｅＣの１ｋｇあたりに換算する
と、「３９３．５／（１２．０＋２×１６．０）≒３２７９２（ｋＪ／ｋｇ−Ｃ）」である。それゆえ、式（ａ）及び式（ｂ）では、ＦｒｅｅＣの発熱量として、「３２７９２×(ＦｒｅｅＣ,質量%)」を用いた。
【００２７】
原料中のＦｒｅｅＣの成分は、ＪＩＳ−Ｍ８５１１−２００５に準拠して求めることができる。まず、原料を採取したサンプル中の炭酸塩（ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３）を塩酸に溶解後ろ過する。そして、ろ紙上残渣を燃焼させＣＯ２スペクトルを測定し、スペクトル強度より含有率を決定する。
なお、焼結鉱は数種の組織が混在した組織であり、被還元性および強度を両立する組織となるように熱量を調整する。このため、焼結反応の際に主な熱源となる粉コークス（Ｆｒｅｅ  Ｃ）は、通常焼結原料中のその他の化学成分によって決定される。
【００２８】
石灰分（ＣａＯ）は、鉄鉱石の融点を下げるための成分である。石灰源としては、主に生石灰（ＣａＯ）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）、石灰石（ＣａＣＯ３）であり、工業的には、最も安価であることから石灰石が多く用いられる。石灰石中のＣａＯは、炭酸塩を形成しているため、昇温時に分解反応を起こす。ＣａＣＯ３が分解してＣａＯとＣＯ２になるときの分解量は、各々の標準生成エンタルピーの差から計算できる。分解反応式は、ＣａＣＯ３→ＣａＯ＋ＣＯ２である。それぞれの発熱量は、ΔＨ○(ＣａＣＯ３)＝−１２０７  ｋＪ／ｍｏｌ、ΔＨ○(ＣａＯ)＝−６３４．３  ｋＪ／ｍｏｌ、ΔＨ○(ＣＯ２)＝−３９３．５  ｋＪ／ｍｏｌである。ここで、「平成１６年発行、日本化学会編、「化学便覧基礎編II(第５版)」、292頁、丸善株式会社、村田誠四郎」及び「平成１２年発刊、日
本金属学会編「鉄鋼精錬」、235頁、丸善株式会社、萬谷志郎著」を用いて、ＣａＣＯ３の１ｋｇあたりの発熱量を計算することができる。
【００２９】
分解反応における発熱量の値は、ＣａＣＯ３の１ｍｏｌあたりの値であるから、ＣａＣＯ３の１ｋｇあたりになるように換算すると、１７９．２／（４０．０８＋１２．０＋３×１６．０）×１０００≒１７９１（ｋＪ／ｋｇ−ＣａＣＯ３）である。それゆえ、式（ａ）及び式（ｂ）では、ＣａＣＯ３の分解熱量として、「１７９１×(ＣａＣＯ３,質量%)」を用いた。
【００３０】
天然鉱山で産出される鉄鉱石は、そのほとんどが結晶構造中に水分を含有しており、この水分は結晶水（Crystal Water：CW）と呼ばれている。結晶水（ＣＷ）は焼結プロセス
の昇温過程で、分解熱を要して揮発除去される。その分解熱は、示差走査熱量測定の結果、５２７４ｋＪ／ｋｇ−ＣＷであった。ＣＷ３の分解熱量として、５２７４×(ＣＷ,質量%）］を用いた。
【００３１】
原料中の結晶水成分は、ＪＩＳ−Ｍ８２１１に準拠して求めることができる。まず、原料を採取したサンプルを１０５℃に加熱して付着水分を除去する。そして、付着水分を除去したサンプルを８５０℃まで加熱して質量減少量から結晶水量を求める。
上述した示差走査熱量測定には、セイコーインスツルメンツ製ＴＧＤＴＡ２２０を用い、試料量は２０ｍｇ、測定温度範囲は２５〜１０１５℃、昇温速度は１０℃／ｍｉｎとした。
【００３２】
なお、焼結鉱の原料の１つである鉄鉱石には、上述した成分の他に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３が含まれているが、これらの成分は、熱量に影響することが殆どないため、上述した成分について考慮している。
さて、焼結鉱中にＦｅＯが含まれると、被還元性(Reduction Index, RI)が低下するこ
とは知られている。焼結鉱中のＦｅＯは、原料中のＦｅＯが酸化せずに残ったものに加え、高温時の粉コークスによる還元および、Ｆｅ２Ｏ３の熱分解によっても発生するため、一般的に投入熱量が少ない方がＦｅＯの生成が抑制され、被還元性が高くなる。被還元性とは、ＪＩＳ−Ｍ８７１３−２００９に示されている通り、高炉での焼結鉱の「還元されやすさ」を示す品質指標である。
【００３３】
上述したように、マグネタイト鉱石使用時は、ＦｅＯ成分が焼結層内で酸化して発熱するため、これに応じて投入熱量調整に使われる粉コークス（Ｆｒｅｅ）を調整する必要がある。粉コークスを調製しない場合、投入熱量が過大となって高温時のＦｅ２Ｏ３の還元及びＦｅ２Ｏ３の熱分解が生じて焼結鉱中のＦｅＯが上昇し、被還元性が低下する。粉コークスの調製としては、ＦｅＯ成分に応じて減ずるのが一般的である。
【００３４】
しかし、ＦｅＯの理論発熱量と同程度の粉コークスのみを減じた場合でも、投入熱量は過大状態となり被還元性が低下することから、粉コークスはＦｅＯの理論発熱量以上減ずる必要がある。逆に、粉コークスの減配量が大きすぎると、焼結鉱の強度が低下する。
発明者は、様々な検証の結果、ＦｅＯの理論発熱量と同程度の粉コークスのみを減じた場合でも、投入熱量が過大状態となる原因としては、ＦｅＯと粉コークスの伝熱機構の違いによるものであることを見いだした。即ち、粉コークスは、Ｃによる燃焼熱が気体に伝わり、その気体が原料に熱を伝えるのに対し、ＦｅＯは発熱した鉱石自身が熱を持つため、粉コークスに比べて熱効率が高い。そこで、本発明では、ＦｅＯ及び粉コークスによる熱効率を考慮することとしている。
【００３５】
次に、粉コークスの熱効率について説明する。
粉コークスの燃焼熱Ｑは、層内潜熱ＱＡ、排ガス顕熱ＱＢおよび、ＣａＣＯ３と結晶水の分解熱の総和Ｄに使用され、その関係式は、式（１）である。
Ｑ＝ＱＡ＋ＱＢ＋Ｄ  ・・・式（１）
ＣａＣＯ３の分解熱及び結晶水の分解熱は、焼結層内で確実に消費されることから、粉コークスの燃焼熱Ｑ及び分解熱の総和Ｄと、層内潜熱ＱＡ、排ガス顕熱ＱＢとの関係は、式（２）として表すことができる。式（２）の右辺は、粉コークスの熱効率を考えるのがよい。
【００３６】
Ｑ−Ｄ＝ＱＡ＋ＱＢ  ・・・式（２）
ここで、層内潜熱ＱＡ、排ガス顕熱ＱＢのうち、層内潜熱ＱＡは、焼結反応に使用された熱とみなすことができる。したがって、粉コークスの熱効率ηは、式（３）と表すことができる。
η＝（ＱＡ）／（ＱＡ＋ＱＢ）  ・・・式（３）
なお、燃焼熱Ｑ、ＣａＣＯ３及び結晶水の分解熱の総和Ｄは、計算可能である。
排ガス顕熱ＱＢは、焼結時の排ガス温度の熱容量、風量Ａ（ｍ／ｓ）等から、式（４）を用いて算出することができる。
【００３７】
【数１】
2016130341.tif 000003
【００３８】
なお、焼結時の排ガスとしてＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２等があるが、これ以外のガスはＮ２と仮定している。熱容量の算出は、Ｔ２項まで考慮したモル比熱式（Ｊ／ｍｏｌ／Ｋ）＝ａ＋ｂＴ＋ｃＴ２を使用し、以下に示す、熱力学のデータを用いた。なお、熱容量の算出等については、「平成１２年発刊、日本金属学会編  鉄鋼精錬」に示されている。
ＣＯの場合は、ａ＝２８．４、ｂ＝４．１×１０−３、ｃ＝−０．４６×１０−５を用いる。ＣＯ２の場合は、ａ＝４４．１４、ｂ＝９．０４×１０−２、ｃ＝−８．５４×１０−５を用いる。Ｏ２の場合は、ａ＝３０．０、ｂ＝４．２×１０−６、ｃ＝−１．７×１０−５を用いる。Ｎ２の場合は、ａ＝２７．９、ｂ＝４．２７×１０−３、ｃ＝０を用いる。
【００３９】
層内潜熱ＱＡは、直接計測することが難しいため、式（５）により求めることができる。
ＱＡ＝Ｑ−Ｄ−ＱＢ  ・・・式（５）
ここで、粉コークスの配合量を変更する予備実験（第１予備実験という）を実施し、見かけの熱効率ηを計測した。第１予備実験では、鉄鉱石として、Ａ鉱石、Ｂ鉱石、Ｃ鉱石を用いることとした。Ａ鉱石、Ｂ鉱石は、マグネタイト鉱石以外の鉱石である。Ｃ鉱石は、マグネタイト鉱石である。焼結を行うにあたっては、Ａ鉱石及びＢ鉱石は、４２．１質量％とした。Ｃ鉱石は、０質量％とした。即ち、Ｃ鉱石は用いなかった。
【００４０】
また、焼成後の焼結鉱における塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）＝１．７、ＳｉＯ２＝５．４質量％を目標とした。塩基度及びＳｉＯ２が目標となるように、珪石を１．７質量％、石灰石を１３．１質量％、生石灰を１．０質量％を原料に配合した。返鉱は実験では使用しなかった。粉コークスの配合量は３．７〜４．６質量％とした。第１予備実験におけるＡ鉱石、Ｂ鉱石、Ｃ鉱石、塩基度、珪石、石灰石、生石灰、返鉱、粉コークスの配合量は表１の通りである。また、第１予備実験の結果は、表２に示す通りである。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
【表２】
2016130341.tif 000005
【００４３】
第１予備実験（Ｎｏ１〜Ｎｏ１０）において、式（３）〜式（５）に基づいて、層内潜熱ＱＡ、排ガス顕熱ＱＢを算出すると共に、熱効率ηを計算したところ、図１に示すように、粉コークスの配合率に関わらず、略０．４であって一定の値であった。
また、第１予備実験において、層内潜熱ＱＡ［ＱＡ＝（Ｑ−Ｄ）×η］が２４０００以上２９５００以下であれば、投入熱量が適正であり、表２、図２、図３に示すように、被還元性は７０％以上、焼結鉱タンブラー強度を７０％以上にすることができた。被還元性が高いほど、高炉内において焼結鉱の還元が速やかに進行する。実操業において、被還元性の一般的な値は６５〜７５％程度であり、７０％の被還元性が確保できれば高炉操業においては、例えば、特開２００１−３４８６２３号公報に示されているように問題が無いとされている。
【００４４】
焼結鉱は、高炉に投入される際の落下衝撃や摩擦力によって粉化するため、強度が必要である。このため、焼結鉱の品質指標として、ＪＩＳ−Ｍ８７１２−２０００に定められるタンブラー強度（Tumbler Index, TI）が制定されている。タンブラー強度が高いほど
、高炉投入時の発生粉が減少し、通気性が向上する。実操業において、タンブラー強度の一般的な値は６７〜７５％程度であり、７０％のタンブラー強度が確保できれば高炉操業においては、例えば、特開２００１−３４８６２３号公報に示されているように問題が無いとされている。
【００４５】
次に、ＦｅＯの熱効率について説明する。
粉コークスの熱効率を求める第１予備実験では、マグネタイト鉱石を用いなかったが、マグネタイト鉱石を配合した場合は、原料中のＦｅＯが酸化熱によって発熱するため、式（６）の関係が成り立つ。ＱＦは、ＦｅＯの酸化熱量である。
Ｑ＋ＱＦ＝ＱＡ＋ＱＢ＋Ｄ  ・・・式（６）
ここで、分解熱Ｄは、全て粉コークスの燃焼熱Ｑから賄われるとし、ＦｅＯの熱効率をη’と置くと、式（７）が成り立つ。
【００４６】
η×（Ｑ−Ｄ）＋η’×ＱＦ＝ＱＡ  ・・・式（７）
なお、分解熱Ｄは、全て粉コークスの燃焼熱Ｑから賄われるとする仮定の根拠は、両者の伝熱機構の違いである。即ち、粉コークスはＣの燃焼熱が気体に伝わり、その気体が原料に熱を伝えて、ＣａＣＯ３や結晶水を分解するのに寄与する。一方、ＦｅＯは、発熱するものの、鉱石自身が熱を持つため、ＣａＣＯ３や結晶水の分解をするのに寄与し難い。つまり、分解成分を有している物質は、ＦｅＯの熱源（マグネタイト鉱石）と接しているものの、ある程度の距離があるため、固体から生成した熱が他の物質に伝播し、分解反応を起こさせるためには時間がかかる。一方、粉コークスの燃焼による熱源が気体である場合は、分解成分を有する物質への伝熱速度が大きく、分解反応が速やかに進行する。それゆえ、分解熱Ｄは、全て粉コークスの燃焼熱Ｑから賄われるとしている。
【００４７】
ＦｅＯによる酸化発熱量が加わった場合は、式（６）を式（８）に変形することにより、層内潜熱ＱＡを求めることができる。
ＱＡ＝Ｑ＋ＱＦ−ＱＢ−Ｄ  ・・・式（８）
の関係よりＱＡを求めることができる。
ここで、ＦｅＯの熱効率η’を求めるため、ＦｅＯを含む原料（マグネタイト鉱石）を用いて予備実験（第２予備実験）を行った。第２予備実験では、マグネタイト鉱石であるＣ鉱石を１５〜３０質量％用いた。また、マグネタイト鉱石以外の鉱石の量（Ａ鉱石とＢ鉱石との量）が同じとし、焼成後の焼結鉱における塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）＝１．７、ＳｉＯ２＝５．４質量％を目標とした。塩基度及びＳｉＯ２が目標となるように、珪石、石灰石等を配合した。第２予備実験におけるＡ鉱石、Ｂ鉱石、Ｃ鉱石、塩基度、珪石、石灰石、生石灰、返鉱、粉コークスの配合量は表３の通りである。また、第２予備実験の結果は、表４に示す通りである。
【００４８】
【表３】
2016130341.tif 000006
【００４９】
【表４】
2016130341.tif 000007
【００５０】
第２予備実験においては、粉コークスの見かけの熱効率ηは、上述した第１予備実験（Ｎｏ１〜Ｎｏ１０）の結果より、０．４で一定と仮定した。
第２予備実験（Ｎｏ１〜Ｎｏ８）に基づき、式（７）を用いて、ＦｅＯの熱効率η’を求めると、層内潜熱ＱＡが２９５００±５％の場合には、ＦｅＯの熱効率η’は、略０．４８であって一定の値を示した。図４は、第２予備実験における原料中のＦｅＯ量と熱効率η’の結果である。また、第２予備実験では、図５に示すように、層内潜熱ＱＡの値が２９５００以下になるよう粉コークスの量を調整すれば、被還元性を確保できることも分かった。
【００５１】
さて、第２予備実験では、層内潜熱ＱＡが第１予備実験（Ｎｏ１〜Ｎｏ１０）の上限値（ＱＡ＝２９５００）の±５％でＦｅＯの熱効率η’を求めているが、第１予備実験（Ｎｏ１〜Ｎｏ１０）の下限値（ＱＡ＝２４０００）の±５％でＦｅＯの熱効率η’を求める第３予備実験を行った。
第３予備実験におけるＡ鉱石、Ｂ鉱石、Ｃ鉱石、塩基度、珪石、石灰石、生石灰、返鉱
、粉コークスの配合量は表５の通りである。また、第２予備実験の結果は、表６に示す通りである。
【００５２】
【表５】
2016130341.tif 000008
【００５３】
【表６】
2016130341.tif 000009
【００５４】
第３予備実験においても、粉コークスの見かけの熱効率ηは０．４で一定と仮定した。第３予備実験（Ｎｏ１〜Ｎｏ８）に基づき、式（７）を用いて、ＦｅＯの熱効率η’を求めると、層内潜熱ＱＡが２４０００±５％の場合には、ＦｅＯの熱効率η’は、略０．８０であって、一定の値を示した。図６は、第２予備実験における原料中のＦｅＯ量と熱効率η’の結果である。また、第３予備実験では、図７に示すように、層内潜熱ＱＡの値が２４０００以上になるよう粉コークスの量を調整すれば、タンブラー強度を確保できることも分かった。
【００５５】
ＦｅＯの熱効率η’と粉コークスの熱効率ηが異なる原因としては、先述したＦｅＯと粉コークスの伝熱機構の違いが考えられる。即ち、粉コークスはＣの燃焼熱が気体に伝わり、その気体が原料に熱を伝えるのに対し、ＦｅＯは発熱した鉱石自身が熱を持つため、粉コークスに比べて層内潜熱ＱＡに使われる熱の割合が高い。加えて、ＦｅＯは酸化してもガスを発生しないため、粉コークスと比べて排ガスの体積が減少し、必然的に熱効率が上昇する。さらには、ＦｅＯの熱効率η’は、投入熱量の値に応じて変化する。
【００５６】
ＦｅＯの酸化反応と粉コークスの燃焼反応はともに酸素を必要とするため、粉コークスの配合量が少ない場合、酸化が速やかに進行して熱効率が上昇する。従って、ＦｅＯが多量に存在する焼結原料においては、「η×（Ｑ−Ｄ）＋η’×ＱＦ」で表される層内潜熱ＱＡの上限式が、２９５００を下回るように粉コークスの量を調整すれば、投入熱量が過剰にならずに被還元性を高く保つことができる。
【００５７】
以上、まとめると、式（ａ）は層内潜熱ＱＡが上限値（２９５００）であるときの関係式であり、式（ｂ）は、層内潜熱ＱＡが下限値（２４０００）であるときの関係式である。式（ａ）及び式（ｂ）で示した［０．４］は、粉コークスの熱効率ηである。式（ａ）
で示した［０．４８］は、ＦｅＯの熱効率η’であり、式（ｂ）で示した［０．８０］は、ＦｅＯの熱効率η’である。
【００５８】
したがって、層内潜熱ＱＡの上下限を同時に満足するように、粉コークスの量を調整すれば、被還元性、焼結鉱タンブラー強度が共に優れた焼結鉱を製造することができる。
なお、ＦｅＯの発熱効率は、上述のように粉コークスの配合量に応じて、０．４８〜０．８０の範囲で変化するものと考えられるが、式（ａ）及び式（ｂ）をともに満足してさえいれば、実質的な投入熱量は適正な範囲に納めることができる。
【実施例】
【００５９】
表７〜表１０は、本発明で示した製造方法で焼結原料を製造して焼結を行った実施例と、本発明とは異なる方法で焼結原料を製造して焼結を行った比較例とをまとめたものである。実施例及び比較例での原料の成分は、表１１の通りである。
【００６０】
【表７】
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【００６１】
【表８】
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【００６２】
【表９】
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【００６３】
【表１０】
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【００６４】
【表１１】
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【００６５】
焼結原料の焼結は、図８を示すバッチ式の焼結試験装置を用いて焼結を行った。図８に示すように、焼結試験装置１は、焼結原料２が装入される焼結鍋３と、焼結鍋３の底部に設けられた風箱４とを有している。風箱４には、配管５等を介して吸引機（排風機）６が接続されており、配管５には除塵器７も接続されている。なお、上述した予備実験においても図８に示すバッチ式の焼結試験装置を用いて実験を行った。また、予備実験の方法も
下記に示す実施例及び比較例の方法と同様である。
【００６６】
実施例及び比較例では、直径が３００ｍｍ、高さが５９０ｍｍの円筒状の焼結鍋３に、パレット保護用として粒径１０〜２０ｍｍの焼結鉱を装入する。焼結鉱の上部に鉄鉱石、石灰石等の副原料、凝固剤としてコークス、粒径５ｍｍ以下の焼結返鉱のそれぞれを混合、造粒した原料を装入した。
なお、焼結鉱原料の装入にあたっては、図９に示すスローピングシュート式の装入装置１０を用いて装入を行った。装入装置１０は、焼結鉱原料等の原料を収容するホッパー１１と、原料を所定量切り出すドラムフィーダ１２と、原料を移動台車１３に向けて案内するシュート１４とを有している。移動台車１３に焼結鍋３を入れて移動台車１３をシュート１４の下部に移動させることにょり、焼結鉱原料等を焼結鍋３に装入することができる。
【００６７】
焼結鍋３に原料を装入後、点火バーナーで原料の充填層表面に着火した後、風箱４に接続された吸引機（排風機）６で吸引圧１５．７ｋＰａ一定の条件で空気を吸引して原料中のコークスを燃焼させ、焼成した。次に、焼成した焼結ケーキを落下強度試験装置（ＪＩＳ−Ｍ８７１１−１９９３）を用いて、床敷きを除いた焼成物全量を２ｍの高さから４回落下させ、１０ｍｍ以上として残ったものを成品とした。被還元性の測定の際には、ＪＩＳ−Ｍ８７１３に準じて、成品の中から１９．０〜２２．４ｍｍに篩い分けた。５００ｇの焼結鉱試料を９００℃のもとで、ＣＯを３０体積％、Ｎ２を７０体積％含む還元ガスで１８０分間還元した後、還元前の被還元酸素量に対する還元酸素量の割合で求めた。
【００６８】
タンブラー強度ＴＩの測定の際には、ＪＩＳ−Ｍ８７１２に準じて、１０−４０ｍｍに篩い分けた１５ｋｇの焼結鉱試料を、回転ドラム内に充填した後、２００回転させ、その後篩い分けたときの＋６．３ｍｍの割合で求めた。なお、上述した予備実験においても図８及び図９に示す装置を用いて実験を行った。
図１０及び図１１は、実施例及び比較例の結果をまとめたものである。
【００６９】
実施例１〜４２では、マグネタイト鉱石を新原料中で３０質量％以下を使用している（マグネタイト配合率の欄）。全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分が式（ａ）及び式（ｂ）を満たしている。そのため、被還元性及びタンブラー強度を７０％以上にすることができた（図１０及び図１１の●）。
比較例４３〜６０では、マグネタイト鉱石は新原料に対して３０質量％以下であるものの、全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分が式（ａ）を満たしていない。そのため、タンブラー強度が７０％未満となった（図１０及び図１１の○）。
【００７０】
比較例６１〜７８では、マグネタイト鉱石は新原料に対して３０質量％以下であるものの、全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分が式（ｂ）を満たしていない。そのため、被還元性が７０％未満となった（図１０及び図１１の◇）。
比較例７９〜８８では、全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分が式（ａ）及び式（ｂ）を満たしているものの、マグネタイト鉱石は新原料に対して３０質量％を超えていた。そのため、被還元性及びタンブラー強度が７０％未満となった（図１０及び図１１の△）。
【００７１】
以上、本発明によれば、マグネタイト鉱石を用いて焼結鉱原料を製造するに際し、マグネタイト鉱石を新原料中で３０質量％以下（０％を含まない）を使用し、さらに、全原料中のＦｅＯ、ＦｒｅｅＣ、ＣａＣＯ３、ＣＷ（結晶水）の化学成分が、式（ａ）及び式（ｂ）を満たせば、マグネタイト鉱石を用いたとしても、焼結原料から構成される焼結鉱の
強度が維持可能で、焼結鉱の被還元性を向上させることができる。                
【００７２】
なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
【符号の説明】
【００７３】
１  焼結試験装置
２  焼結原料
３  焼結鍋
４  風箱
５  配管
６  吸引機（排風機）
７  除塵器
１０  装入装置
１１  ホッパー
１２  ドラムフィーダ
１３  移動台車
１４  シュート
【図６】
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【図７】
2016130341.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
2016130341.tif 000020
【図３】
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【図４】
2016130341.tif 000022
【図５】
2016130341.tif 000023
【図８】
2016130341.tif 000024
【図９】
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