(57)【要約】【課題】チップを粉砕することなく再利用し、かつ高強度の焼成ペレットを製造するために用いうる鉄鉱石焼成ペレット製造用生ペレットを提供する。【解決手段】核とその周りを被覆する被覆層とで構成された２重構造を有し、前記核は、鉄鉱石焼成ペレット製造工程で発生する篩分け法による粒径が１ｍｍを超え８ｍｍ未満のチップと、前記チップの外数で１〜３質量％の水分とからなる一方、前記被覆層は、マグネタイト鉱石のみからなる、または、乾量基準で７５質量％以上１００質量％未満のマグネタイト鉱石を含み、残部がヘマタイト鉱石および副原料の少なくとも１種からなる、篩分け法による粒径が１ｍｍ以下の微粉原料と、前記微粉原料の外数で［７．０＋１０．８／Ｄｆ］質量％以上、［１６．０＋２０．０／Ｄｆ］質量％以下の水分とからなる生ペレット。  ここに、Ｄｆは前記微粉原料の体積平均径（単位：μｍ）である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鉱石焼成ペレットを製造するために用いられる生ペレットであって、
核とその周りを被覆する被覆層とで構成された２重構造を有し、
前記核は、
鉄鉱石焼成ペレット製造工程で発生する篩分け法による粒径が１ｍｍを超え８ｍｍ未満のチップと、
前記チップの外数で１〜３質量％の水分と
からなる一方、
前記被覆層は、
マグネタイト鉱石のみからなる、または、
乾量基準で７５質量％以上１００質量％未満のマグネタイト鉱石を含み、残部がヘマタイト鉱石および副原料の少なくとも１種からなる、
篩分け法による粒径が１ｍｍ以下の微粉原料と、
前記微粉原料の外数で［７．０＋１０．８／Ｄｆ］質量％以上、［１６．０＋２０．０／Ｄｆ］質量％以下の水分と
からなる
ことを特徴とする鉄鉱石焼成ペレット製造用生ペレット。
ここに、Ｄｆは前記微粉原料の体積平均径（単位：μｍ）である。
【請求項２】
請求項１に記載の生ペレットを用いて鉄鉱石焼成ペレットを製造する方法であって、
焼成工程と冷却工程を備え、
前記焼成工程は、
前記生ペレットを乾燥する乾燥ステップと、
この乾燥された生ペレットを予熱する予熱ステップと、
この予熱されたペレットを焼成する焼成ステップと
を少なくとも有し、
前記冷却工程は、
前記焼成されたペレットを冷却する冷却ステップと、
この冷却されたペレットを成品篩で分級して成品ペレットとする分級ステップと
を有する
ことを特徴とする鉄鉱石焼成ペレットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉用原料など製鉄用原料として使用される鉄鉱石焼成ペレットを製造するために用いられる生ペレット、および、それを用いた鉄鉱石焼成ペレットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉など製鉄に用いられる鉄鉱石ペレットは、運搬や製鉄に適した大きさと運搬中に破壊されないように十分な強度を付与することが求められる。強度付与の方法として高温で焼成して鉄鉱石粒子を互いに結合させる焼成ペレット法が一般に知られている。
【０００３】
焼成ペレット法の製造工程の一例を説明する。
【０００４】
ペレットの原料には、鉄鉱石および、必要に応じて石灰石、ドロマイトなどの副原料の、篩分け法による粒径で１ｍｍ以下の微粉を用いる。この微粉原料に水を結合材として加えて、造粒工程にて所望の粒度まで造粒する。焼成ペレット法では、ディスクペレタイザやドラムペレタイザなどの転動造粒機が用いられることが多い（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
造粒された生ペレットは、焼成工程に送られて、用途に応じた強度を発現するように適切な温度で焼成される。例えば、高炉などではペレットの強度を測定する標準として、「ＪＩＳ−Ｍ８７１８圧かい強度試験方法」が知られる。その後、ペレットは、用途に応じた粒度（寸法）に分級されて成品として製鉄に供される。製鉄用鉄鉱石ペレットの粒度例としては「鉄鋼物性値便覧，鉄鋼協会編，２００６年，ｐ．３９」によれば、篩分け法による粒径で８ｍｍ以上である。
【０００６】
製鉄用鉄鉱石ペレットの寸法は、このペレットが高炉などのガス固体向流型還元反応器による金属化プロセスの原料として用いられる際において反応操作を阻害しないように決められる。小さなペレットは反応器内の固体充填層の空隙を閉塞して、反応ガスの通気性を悪化させる。その結果、熱交換やガス交換が順調に進行せず、操業不調となり冷え込みなど操業中断に追い込まれることが多い。このためペレット寸法は重要な操業管理項目である。
【０００７】
こうような焼成ペレット製造プロセスにおいては、ペレットの管理寸法範囲から外れた小径ペレットや破片などの酸化鉄が発生することは免れ得ない。ここでは、これらの酸化鉄をチップと称する。これらチップは、分離し回収されて再び焼成ペレット製造用原料として再利用されることが多い。ところが、チップをそのまま再利用すると成品ペレットの強度を低下させることが多かった。このような低強度ペレットは、運搬や製鉄プロセスにおいて破壊されて粒度を低下させ、再びチップとなって成品ペレットの歩留りを低下させたり、小粒度の酸化鉄となって製鉄プロセスを不調にしたりする。
【０００８】
このチップを再利用した成品ペレットに生じる強度低下の機構について説明する。
【０００９】
先ず、従来のチップの再利用方法は次のような工程である。チップは、成品ペレットから篩等を用いて分離されたあと、微粉鉱石等の他の原料と混合されたうえで造粒に適した水分を付与され、造粒工程にて所望の粒度に造粒され新しい生ペレットが製造される。その後、チップを内部に含む生ペレットは焼成工程にて焼成される。
【００１０】
篩分け法による粒径が１ｍｍ以下の微粉原料に対して比較的粒度の大きなチップが造粒に供されると、チップを核とし微粉原料を被覆層とする２重構造の生ペレットが製造されることが多い。このように生ペレット中に２重構造が形成される理由は、ディスクペレタイザなどの転動造粒機における生ペレットの成長過程が影響している。微粉原料だけからなる転動造粒工程では最初に微粉原料が、転動されて水等の結合材による付着力によって小さな集合体を作る。造粒が進行すると、集合体が合併したり、小集合体の周囲を微粉原料が取り巻き大粒子に成長したりする。このような生ペレット成長過程において、微粉原料よりも大きなチップは、微粉原料や小集合体を周囲に取り巻き、ペレットに成長しやすい。このような現象は、非特許文献１に詳しい。この結果、チップを核とする２重構造の生ペレットが発生する。
【００１１】
このような２重構造の生ペレットを焼成すると、内部において核と被覆層の間に空隙や亀裂を生じた焼成ペレットができることが多い（図１参照）。このような内部の亀裂や空隙は、構造欠陥となり破壊の起点となりやすく、圧潰強度が低下しやすい。このような亀裂が生じる理由は、生ペレット段階でチップと被覆層の結合強度が小さく、運搬時などに衝撃を受けて核と被覆層の間に隙間が生じるためである。
【００１２】
そのため、従来の対策としては、２重構造の生ペレットが造粒されることがないようにチップを１ｍｍ以下に粉砕し、微粉原料に混合して使用することであった。このように微粉原料と同じ粒度までチップを粉砕すると２重構造の生ペレットは発生せず、成品ペレットの圧潰強度は低下しない。しかしながら、これら粉砕などの操作に要するエネルギとコストは、従来方法における課題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−１６３６５６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】肥田ら：鉄と鋼，第６８巻，１９８２年，ｐ．２１６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明は、チップを粉砕することなく再利用し、かつ高強度の焼成ペレットを製造するために用いうる鉄鉱石焼成ペレット製造用生ペレット、および、それを用いた鉄鉱石焼成ペレット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】
【００１６】
本発明の第１発明に係る鉄鉱石焼成ペレット製造用生ペレットは、
鉄鉱石焼成ペレットを製造するために用いられる生ペレットであって、
核とその周りを被覆する被覆層とで構成された２重構造を有し、
前記核は、
鉄鉱石焼成ペレット製造工程で発生する篩分け法による粒径が１ｍｍを超え８ｍｍ未満のチップと、
前記チップの外数で１〜３質量％の水分と
からなる一方、
前記被覆層は、
マグネタイト鉱石のみからなる、または、
乾量基準で７５質量％以上１００質量％未満のマグネタイト鉱石を含み、残部がヘマタイト鉱石および副原料の少なくとも１種からなる、
篩分け法による粒径が１ｍｍ以下の微粉原料と、
前記微粉原料の外数で［７．０＋１０．８／Ｄｆ］質量％以上、［１６．０＋２０．０／Ｄｆ］質量％以下の水分と
からなる
ことを特徴とするものである。
ここに、Ｄｆは前記微粉原料の体積平均径（単位：μｍ）である。
【００１７】
本発明の第２発明に係る鉄鉱石焼成ペレットの製造方法は、
上記第１発明に係る生ペレットを用いて鉄鉱石焼成ペレットを製造する方法であって、
焼成工程と冷却工程を備え、
前記焼成工程は、
前記生ペレットを乾燥する乾燥ステップと、
この乾燥された生ペレットを予熱する予熱ステップと、
この予熱されたペレットを焼成する焼成ステップと
を少なくとも有し、
前記冷却工程は、
前記焼成されたペレットを冷却する冷却ステップと、
この冷却されたペレットを成品篩で分級して成品ペレットとする分級ステップと
を有する
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、チップからなる核と、それを被覆する被覆層とで構成される２重構造の生ペレットにおいて、被覆層にマグネタイト主体の微粉原料を用いるとともに、核と被覆層の添加水分量をそれぞれ適正範囲に調整することで、チップを粉砕することなく再利用し、かつ高強度の焼成ペレットを製造するために用いうる鉄鉱石焼成ペレット製造用生ペレット、および、それを用いた鉄鉱石焼成ペレットの製造方法を提供することができるようになった。その結果、従来、チップを再利用する際に必要であったチップ粉砕工程が不要となり、粉砕と乾燥に必要なエネルギも不要となった。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の２重構造の生ペレットを焼成して得られた焼成ペレット内部のマクロ組織の一例を示す図面代用写真である。
【図２】本発明に係る２重構造の生ペレットを焼成して得られた焼成ペレット内部のマクロ組織の一例を示す図面代用写真である。
【図３】核に添加された水分量と製造された焼成ペレットの圧潰強度との関係を示すグラフ図である。
【図４】被覆層を構成する微粉原料中のマグネタイト鉱石の比率と焼成ペレットの圧潰強度との関係を示すグラフ図である。
【図５】マグネタイト鉱石の粒度分布を例示するグラフ図である。
【図６】被覆層の水分量と焼成ペレットの圧潰強度との関係を示すグラフ図である。
【図７】粉状原料の各種平均径と被覆層の適正水分量の下限値との関係を示すグラフ図である。
【図８】粉状原料の各種平均径と被覆層の適正水分量の上限値との関係を示すグラフ図である。
【図９】実機のペレット工場に本発明法を適用した際の工程を示すフロー図である。
【図１０】実機ペレット工場において、本発明法を適用した際における、成品ペレット強度の変化の様子を示す推移グラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施の形態に基づいて、構成要件ごとにさらに詳細に説明する。
【００２１】
〔第１発明〕
＜鉄鉱石焼成ペレットを製造するために用いられる生ペレットであって＞  
本発明が対象とする生ペレットは、鉄鉱石焼成ペレットを製造するために用いられるものに限定され、焼成することなく強度を発現させるコールドボンドペレット等の生ペレットや、回転炉床炉等により直接還元して還元鉄ペレットを製造するために用いられる、炭材を内装した生ペレットは対象としない。
【００２２】
＜核とその周りを被覆する被覆層とで構成された２重構造を有し＞
生ペレットの中心を通る断面を見たときに、中心部に存在する粒子を核、その周りを覆う部分を被覆層と呼ぶ２重構造を有する生ペレットを対象とする。このような２重構造は、転動造粒工程において、核となる、篩分け法による粒径が１ｍｍ超の大きな粒子と、被覆層を構成する篩分け法による粒径が１ｍｍ以下の微粉原料、および、結合材となる水分等を供給することにより製造できる（非特許文献１参照）。
【００２３】
＜前記核は、鉄鉱石焼成ペレット製造工程で発生する篩分け法による粒径が１ｍｍを超え８ｍｍ未満のチップと、前記チップの外数で１〜３質量％の水分とからなる＞
（篩分け法による粒径が１ｍｍを超え８ｍｍ未満のチップ）
一般的に成品ペレットの大きさは、篩分け法による粒径が８ｍｍ以上であることから、チップの大きさは篩分け法による粒径で８ｍｍ未満である。また、生ペレットや擬似粒子の核になるのは、粒径が１ｍｍ以上の粒子であるとされている（非特許文献１参照）。したがって、本発明で用いるチップは、篩分け法による粒径が１ｍｍを超え８ｍｍ未満のものとする。
【００２４】
なお、本発明で用いるチップとしては、本発明に係る生ペレット自体が焼成されて得られる成品ペレットの篩下に限定されるものではなく、本発明による生ペレットを用いることなく製造される成品ペレットの篩下や、他のペレット工場で発生したチップをも用いることができる。
【００２５】
（前記チップの外数で１〜３質量％の水分）
従来技術では、チップを粉砕せずに利用すると焼成ペレットの内部においてチップからなる核と微粉からなる被覆層の間に亀裂や空隙が生じるために強度が低下した。この亀裂が発生する原因は、生ペレットの時の核と被覆層の付着力が弱いため、運搬中の衝撃により核と被覆層の間に隙間や亀裂が生じることにある。そこで、本発明では、生ペレットにおける核と被覆層の付着力を向上することにより、亀裂の発生を抑制し、焼成ペレットの強度低下を防止した。生ペレットにおける付着力は、結合材として用いる水分が原料粒子間に架橋を構成して、水の表面張力や粘性により生じる架橋力に大きく依存する。核と被覆層の間の付着力も、同様に水の架橋による結合を強化することにより、増加することができる。そこで、核と被覆層の間における適正な水分量によって付着力が向上する条件を明らかにした。架橋を構成する水分が少なすぎる時は、鉱石粒子等の接点の間に生成する水の架橋が小さすぎて付着力が小さい。しかし、多すぎると鉱石粒子等が水の中に沈み、全体がスラリ状（泥漿状）となって流動性が高くなり鉱石粒子等の間が潤滑して架橋力を保てなくなる。同様に、一般的に生ペレットの付着力は、添加する水の量により変化し、鉱石粒子等の性状により特定の水分量で最大の付着力を示し、少なすぎても、多すぎても強度が低下することが知られている（鉄鋼便覧、製銑製鋼、ｐ．１２５参照）。
【００２６】
〔焼成ペレットの強度に及ぼす核の水分量の影響〕
そこで、以下に、成品ペレットの圧潰強度に及ぼす核の適正な水分量を実験により検討した結果を示す。篩分け法による粒径２〜７ｍｍのチップを核として用いた。被覆層を構成するために篩分け法による粒径が１ｍｍ以下の微粉のマグネタイト鉱石を用いた。実験手順は、以下のとおりである。それぞれ所定量の水分を与えた核と微粉マグネタイト鉱石を用意し、これらを転動する内径４００ｍｍのディスクペレタイザに投入して生ペレットを造粒した。この生ペレットを加熱炉にて焼成し焼成ペレットを作製して、圧潰強度試験に供して、焼成ペレットの強度を評価した。焼成条件は、室温から１２５０℃までを１５ｍｉｎで昇温し、１０ｍｉｎ保持した後、室温まで冷却する条件とした。この焼成条件は、鉄鋼便覧，第２版，第２巻，ｐ１０８に示されるように高炉で必要な副原料成分を含む塩基性ペレットでは一般的な条件である。本焼成条件で微粉のマグネタイトだけを用いて造粒した生ペレットを焼成し、１８０ｋｇ／ｐの圧潰強度を得た。成品ペレットとして十分な強度を持つため、焼成条件として採用した。この焼成条件にて、核となるチップを用いない微粉原料のみから製造されたペレットの圧潰強度が１８０ｋｇ／ｐであることから、核となるチップを使用する２重構造を有する生ペレットを焼成して得られた焼成ペレットのうち、圧潰強度が１８０ｋｇ／ｐ未満の焼成ペレットは不良品と見なした。図３に、核に添加した水分量と製造した焼成ペレットの圧潰強度との関係を示す。同図中、圧潰強度（ｋｇ／ｐ）が「９０」のプロットは「９０ｋｇ／ｐ以下」を意味し、「１８０」のプロットは「１８０ｋｇ／ｐ以上」を意味するものとする。核の水分量が水分を添加する前の核の質量に対する外数で（以下、同じ。）０から１質量％未満では９０ｋｇ／ｐ以下の低い強度を示す。しかし、核の水分が１〜３質量％の間では１８０ｋｇ／ｐ以上の高い強度を示す。さらに水分が増加し核の水分が３質量％を超えると９０ｋｇ／ｐ以下の低い強度を示す。核となるチップには吸水性があり、水分量が1質量％までは、核と被覆層の間に十分な強さをもつ架橋を形成できない。水分量が１〜３質量％の間では、十分な水架橋が成立し、核と被覆層の間に十分な付着力が作用し、高い強度を示す。しかし、水分量が３質量％を超えると水が多すぎて架橋を形成せずにスラリ状になり、強度が低下する。
【００２７】
以上の結果より、核の適正水分量は、前記微粉原料の外数、すなわち、水分添加前における核の質量に対する割合で１〜３質量％とした。好ましい下限は１．１質量％、さらに好ましい下限は１．２質量％であり、好ましい上限は２．９質量％、さらに好ましい上限は２．８質量％である。
【００２８】
＜前記被覆層は、マグネタイト鉱石のみからなる、または、乾量基準で７５質量％以上１００質量％未満のマグネタイト鉱石を含み、残部がヘマタイト鉱石および副原料の少なくとも１種からなる、篩分け法による粒径が１ｍｍ以下の微粉原料と、前記微粉原料の外数で［７．０＋１０．８／Ｄｆ］質量％以上、［１６．０＋２０．０／Ｄｆ］質量％以下の水分とからなる＞
（マグネタイト鉱石のみ、または、乾量基準で７５質量％以上１００質量％未満のマグネタイト鉱石）
図４に被覆層を構成する微粉原料中のマグネタイト鉱石の比率と焼成ペレットの圧潰強度との関係を示す。なお、同図においては、マグネタイト鉱石以外はヘマタイト鉱石である。同図に示すように、マグネタイト鉱石の比率が乾量基準で７５質量％を下回ると、すなわち、へマタイト鉱石の比率が乾量基準で２５質量％を超えると、焼成ペレットの強度が大きく低下する。
【００２９】
このような大きな強度低下は、以下のような機構によって生じると想定される。    
【００３０】
すなわち、まず生ペレット段階における湿潤強度について、マグネタイト鉱石に比べてヘマタイト鉱石は吸水性が高いため、被覆層中の水分量が一定の場合、へマタイト鉱石粒子の表面に存在する水分量は減少する。その結果、水の界面張力による粒子間結合力が減少し、生ペレットの段階での強度が低下すると推定される。
【００３１】
また、生ペレットを焼成して得られた焼成ペレット段階において、マグネタイト鉱石とヘマタイト鉱石では結合強度が異なる。焼成時の結合力には、主なものとしてヘマタイト結合とマグネタイト結合がある。ヘマタイト鉱石の粒子間に生じるヘマタイト結合は、主に鉄イオン（３価）の固相拡散により粒子間にヘマタイトの架橋が生成して発現する。このヘマタイト架橋の大きさと生地組織強度により結合強度が決まる。一方、マグネタイト結合は、マグネタイト鉱石の粒子間において、マグネタイトがヘマタイトに酸化しつつ相変態するときに固相拡散が促進されて粒子間にヘマタイト架橋するものである。この結果、ヘマタイト結合よりも低温から架橋が大きくなり、結合強度が大きくなる（例えば、鉄鋼便覧  製銑製鋼  ｐ１２６参照）。このようにマグネタイト鉱石とヘマタイト鉱石の間には焼成時における結合強度に差異がある。
【００３２】
さらに、マグネタイト鉱石とヘマタイト鉱石の配合比率による閾値を持つような強度変化は、粒子間の結合が連結してペレット全体の圧潰強度を構成するため現れる。とくに、本発明のような２重構造の生ペレットを用いた場合、焼成ペレット全体の強度がマグネタイトの配合比率に影響されると想定し以下のように推論した。
【００３３】
すなわち、焼成ペレットの強度は、原料粒子の接点で生じる結合力を全体のネットワークとして総合したものである。マグネタイト鉱石とヘマタイト鉱石が混合された生ペレットを焼成して得られた焼成ペレットには、強い接点と弱い接点が存在する。ネットワーク全体の強度は、強い結合接点によるネットワークがペレット全体を網羅できる場合と網羅できない場合では大きな差異が生じる。弱い結合が起点となり破壊されるためである。
【００３４】
接点からなるネットワークが全体を網羅する場合を表現する数学理論として「パーコレーション理論」が知られている。これによれば、マグネタイト鉱石の配合比率が臨界パーコレーション濃度を超えるとマグネタイト結合のネットワークがペレット全体を網羅する。そのため、この濃度以上の配合比率のとき、焼成ペレット全体の強度が閾値をもって高く変化すると推測される。
【００３５】
マグネタイト結合が被覆層を網羅する臨界パーコレーション濃度を推算するため、「パーコレーションの科学：小田垣、裳華房（１９９３）」の数学モデルを用いた。このモデルでは、空間に特定の配位数を持つ格子を設定し、この結節点をサイトと呼ぶ。２種類のサイトがランダムに並ぶ時に１種類のサイトが連続して無限遠まで広がる時の最小の存在確率Ｐ（濃度）を求めるものである。
【００３６】
本検討では、サイトが示す２種類の状態をマグネタイト結合とそれ以外の２つの結合状態を示すと仮定した。また、被覆層の構造をペレット表面に沿う二次元空間と仮定した。これは、２重構造のペレットの被覆層の破壊挙動が材料力学における球殻の破壊と同様と見なすことができるためである。焼成ペレットは多孔質と見なされることから、二次元格子で最も小さな配位数３の六角格子を設定した。鉱石粒子はペレットよりも十分小さいため、マグネタイト結合が無限遠まで連続する時の濃度を臨界パーコレーション濃度と設定した。
【００３７】
上記文献：「パーコレーションの科学」の計算例によれば、このときの臨界パーコレーション濃度は６９．６個数％となる。すなわち、体積比率で約７０％以上のマグネタイト配合比率のときに無限遠までマグネタイト結合が連続する。鉄鋼製錬ｐ．１４（金属学会編２０００）から、マグネタイト鉱石の密度は５１００ｋｇ／ｍ３、ヘマタイト鉱石の密度は４９００ｋｇ／ｍ３であるので、上記体積比率７０％を質量比率に換算するとマグネタイト濃度は、７１質量％となる。
【００３８】
実験で確認したところ、上記想定とほぼ等しい、マグネタイト７５質量％以上の配合比率において大きな強度を示すことがわかった。上記推定値との差異は、偏析等の計算仮定とは異なる環境のためと推察される。
【００３９】
以上の結果より、被覆層は、乾量基準で７５〜１００質量％のマグネタイト鉱石を含む、篩分け法による粒径が１ｍｍ以下の微粉原料で構成されるものとした。
【００４０】
ここで、マグネタイト鉱石の配合比率が１００質量％とは、微粉原料がマグネタイト鉱石のみからなることを意味することは当然である。一方、マグネタイト鉱石の配合比率が１００質量％未満の場合は、マグネタイト鉱石以外の残部は、ヘマタイト鉱石のみ、または、ヘマタイト鉱石および副原料、または、副原料のみである。
【００４１】
なお、上記においては、被覆層を構成する微粉原料がマグネタイト鉱石および残部がヘマタイト鉱石のみからなる場合について検討した結果に基づいてマグネタイト鉱石の配合比率の閾値を７５質量％としたが、微粉原料がさらに副原料を含む場合、および、副原料のみからなる場合についても、副原料はヘマタイトと同様にマグネタイト結合に寄与しないことから、マグネタイト鉱石の配合比率に関する上記閾値（７５質量％）の変更は不要と判断した。
【００４２】
ここで、マグネタイト鉱石とは、化学分析によるＦｅＯ含有量が１５質量％以上の鉄鉱石を意味するものとし、鉱石中の酸化鉄成分の主体がマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）で構成されるものである。なお、純粋鉱物のマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）のＦｅＯ含有量は約３１質量％であるが、鉄鉱石はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の脈石成分を数質量％程度含有するので、マグネタイト鉱石のＦｅＯ含有量は、最大約３０質量％である。
【００４３】
また、ヘマタイト鉱石とは、化学分析によるＦｅＯ含有量が１５質量％未満の鉄鉱石を意味するものとし、鉄鉱石中の酸化鉄成分の主体がヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）とその水和物であるゲーサイト（Ｆｅ２Ｏ３・Ｈ２Ｏ）とで構成されるものである。
【００４４】
また、副原料とは、「石灰石」、「ドロマイト」、「消石灰」、「生石灰」、「鉄鉱石およびその脈石を含む微粉の固体（例えば、鉱石ヤードの雨水沈降処理からの回収物）」等、高炉等の製鉄工程に応じて化学成分を調整する目的で添加されるもの、および、「デンプン」、「多糖類」、「有機合成高分子物質」、「粘土類」、「ベントナイト」、「向き高分子物質」等、生ペレット強度を増加させる目的で添加されるものを意味するものとする。
【００４５】
（前記微粉原料の外数で［７．０＋１０．８／Ｄｆ］質量％以上、［１６．０＋２０．０／Ｄｆ］質量％以下の水分）
生ペレットの被覆層を構成する微粉原料の粒子の結合力は水の界面張力によるものであり、粒子間の空隙に存在する水分量に比例する。その空隙を全て水が占める飽和状態以上の水分量では、粒子が水中を移動するようになり、荷重に対する変形が大きくなる。
【００４６】
造粒操作において、水が結合作用を持つには粒子の表面に存在することが必要なため、造粒に必要な水分量は粒子表面積に比例して増加する。ここで、粒子表面積は粒径の２乗に比例する一方、粒子数は粒径の３乗に反比例するので、全表面積は粒径に反比例する。したがって、造粒に必要な水分量は粒径の逆数に比例する。
【００４７】
本発明が対象とする微粉のマグネタイト鉱石の粒度分布の一例を図５に示す。これらの粒度分布の測定は、レーザー回折・散乱式粒子径・粒度分布測定装置を用いて行った。この測定は、粒子に照射された光のミー散乱の回折光強度分布と粒径の関係から、粒子を球とした粒径毎の体積比率を求めるものである。鉄鉱石は粒度に因らず密度は一定であると見なせるので、体積比率は質量比率と等しくなり、質量分率の粒度分布が得られる。
【００４８】
微粉のマグネタイト鉱石は一般に選鉱処理を受けており、基本的に粉砕物に共通するロジン−ラムラ分布を呈しており、同じ定義の代表粒径で特性を表現できると考えられる。
【００４９】
マグネタイト鉱石である鉱石Ｅ〜鉱石Ｈおよび鉱石Ｈの篩下の代表粒径として、各種定義式に基づく平均粒径を下記表１に示す。
【００５０】
【表１】
2016176130.tif 000002
【００５１】
粉体工学では、粒度分布を個数基準で定義し、ヒストグラムで表現することが多い。この個数基準の粒度分布をもとに定義された各種平均径の定義式を示す。
【００５２】
粒径ｄｉ〜ｄｉ＋１範囲の区間ｉに存在する粒子個数をｎｉ、代表粒径をｄｉ＝（ｄｉ＋ｄｉ＋１）／２とすると、
個数平均径  Ｄ１＝Σ（ｎｉ・ｄｉ）／Σｎｉ
面積平均径  Ｄ３＝Σ（ｎｉ・ｄｉ３）／Σ（ｎｉ・ｄｉ２）
体積平均径  Ｄ４＝Σ（ｎｉ・ｄｉ４）／Σ（ｎｉ・ｄｉ３）
調和平均径  Ｄｈ＝Σ（ｎｉ）／Σ（ｎｉ／ｄｉ）
で表される。
【００５３】
ここで、粒子密度ρに対して、
区間ｉの粒子質量＝πρｎｉ・ｄｉ３／６
全粒子質量＝πρ［Σ（ｎｉ・ｄｉ３）］／６
質量比率  ｆｉ＝ｎｉ・ｄ３／Σ（ｎｉ・ｄ３）（ここに、Σｆｉ＝１）
である。
【００５４】
したがって、全粒子質量＝１ｋｇの下では粒子質量比率から粒子個数比率が次式で表わされる。
ｎｉ＝６・ｆｉ／（πρ・ｄ３）
【００５５】
この換算式を用いて粒度分布データから各種平均粒径を計算した。
【００５６】
鉱石Ｅ、鉱石Ｈ篩下、および鉱石Ｈのそれぞれについて、被覆層の水分量と焼成ペレットの圧潰強度との関係を図６に示す。同図に示すように、水分量の小さい側から水分量を増加させていくと水分量の増加に伴って強度が上昇しているが、一定水分量に達すると強度が飽和し、さらに水分量を増加させ、一定水分量を超えると強度が低下する傾向が認められる。
【００５７】
低水分側で水分量の増加とともに強度が上昇し、一定水分量で強度が飽和する理由は、低水分側では増加した分の水が粒子間接点での結合に有効に作用するが、全ての接点に水が分配された以降は、増加した分の水は結合に寄与しなくなるためと考えられる。すなわち、初期の低水分の状況では、水は粒子接点に分配されることで強度アップ作用が大きい。しかし、接点全てに水が分配された後は、水は既に水の存在する接点近傍や接点から離れた位置に分配されることになり、水分増加による強度上昇作用は小さくなっていく。さらに水分が増加すると粒子間の空隙を全て占有し、表面張力が働く面積が減少する。このため、密着力が減少する。
【００５８】
高水分側でさらに水分量を増加させ、一定水分量を超えると強度が低下する理由は、核からの被覆層の剥離が完全に抑制された密着状態から、さらに水分量が増えると被覆層の空隙が水で飽和し、微粉鉱石が自由に移動できるようになり、被覆層が核に密着しなくなるためと考えられる。この限界水分量は、被覆層を構成する微粉原料（乾量）の外数で２０質量％付近にあり、鉱石粒子の充填構造が等粒径粒子の単純立方格子であるときの空隙率４７％を水で満たした場合に近い。
【００５９】
被覆層の適正水分量の上下限値は、図６における２つのクニック点のそれぞれに相当する水分量と考えられる。そこで、低強度側および高強度側のそれぞれについて、強度が９０ｋｇ／ｐを超え１８０ｋｇ／ｐに達しないデータを用いて、被覆層の水分量と乾燥ペレットの圧潰強度との関係を各々直線で近似した。下記表２に、上記表１の各鉱石について求めた上記近似式を示す。
【００６０】
【表２】
2016176130.tif 000003
【００６１】
そして、これらの近似直線と強度１８０ｋｇ／ｐ一定の直線との交点をクニック点と定義し、それより被覆層の適正水分量の上下限値を求める。なお、被覆層の水分量が過剰な場合は、生ペレットとしての形態を保てないため、焼成に供することができなかったので強度を測定せず、図６においては強度を０として表示した。
【００６２】
一般に鉱石の粒径が小さくなると、造粒に必要な水分は多くなる。これは、粒径が小さくなると同じ質量あたりの粒子数が増加するため、その粒子数に比例して接点（水による結合点）が増え、結合に要する水分量が増えるためである。
【００６３】
単一粒径の場合、粒子の表面積は粒径の２乗に比例し、粒子数は粒径の３乗に反比例するので、全表面積は粒径に反比例することになる。したがって、生ペレットを造粒するのに必要な水分は粒径の逆数に比例する。
【００６４】
被覆層の適正水分量の上下限値を各種定義による平均粒径の逆数に対してそれぞれプロットした結果を図７および図８に示す。各プロットに対する回帰直線の式およびその相関係数を下記表３にまとめて示す。
【００６５】
【表３】
2016176130.tif 000004
【００６６】
上記表３に示すように、体積平均径による整理が最も相関係数が高いことから、被覆層の適正水分量の上下限値を下記式（１）および式（２）で規定することとした。
【００６７】
下限値ＷＬ＝［７．０＋１０．８／Ｄｆ］質量％・・・式（１）
上限値ＷＨ＝［１６．０＋２０．０／Ｄｆ］質量％・・・式（２）
ここに、Ｄｆは微粉原料の体積平均径（単位：μｍ）である。
好ましい下限はＷＬ＋０．５質量％、さらに好ましい下限はＷＬ＋１．０質量％であり、好ましい上限はＷH−０．５質量％、さらに好ましい上限はＷH−１．０質量％である。
【００６８】
核の水分量が適正範囲内であっても、被覆層の水分量が下限値ＷＬより少ない場合は、被覆層の粒子間結合力が弱いため、運搬工程や焼成工程において核と被覆層の境界付近に亀裂が形成される。
【００６９】
一方、核の水分量が適正範囲内であっても、被覆層の水分量が上限値ＷＨより多い場合は、被覆層の粒子間に水が過剰に存在するため粒子間結合力が小さくなり、潤滑状態となって核から被覆層が流れ落ちるように分離する。し、核と付着層の間の密着度が低下する。
【００７０】
上記のように、核の水分量が適正範囲内であっても、被覆層の水分量が適正範囲を外れる場合は、核と被覆層との間の密着度が低下し、そのような生ペレットを焼成して得られた焼成ペレットの強度は低下することとなる。
【００７１】
ここで、被覆層の適正水分量の上下限値が、上記式（１）および式（２）に示すように微粉原料の平均粒径の関数となる理由について説明する。
【００７２】
造粒された生ペレットの被覆層内に存在する水分は、被覆層を構成する粒子の表面を覆う表面水分と、隣接する粒子間に水の架橋を形成する架橋水分と、粒子の気孔内に吸収された吸収水分とに分類される。そして、表面水分は、粒子の表面積に比例するため、表面水分量は平均粒径の関数となる。粒子間において水による結合力を最大とする架橋水分は、「化学工学論文集１９（１９９３）ｐ．１１２８」より、粒子の粒度分布によらず粒子の平均粒径と粉体層の空隙率に依存することが知られている。これら表面水分と架橋水分との合計水分量は粉体層の空隙体積の８０％相当のレベルにあると言われている（「粉体工学便覧  第２版、日刊工業新聞社、ｐ．１２５」参照）。また、吸収水分は、粒子の吸水性に依存するが、被覆層を構成する粒子（微粉原料）がマグネタイト鉱石主体であることから、概ね一定と見なすことができ、またマグネタイト鉱石の吸水性は低いので、吸収水分量は、表面水分と架橋水分との合計水分量に比べて無視しうる程度の量と見なせる。
【００７３】
上記の知見に基づくと、被覆層の適正水分量の範囲は、被覆層を構成する微粉原料の平均粒径と被覆層の空隙率に依存する。
【００７４】
ここで、被覆層の空隙率は、等球による充填構造の知見に基づくと、最密充填構造である六方最密充填格子の２６％から、最疎充填構造である単純立方格子の４７％までの範囲となる。そこで、この被覆層の空隙率２６〜４７％の８０％相当を満たす水分量が、被覆層の適正水分量の範囲となると考え、微粉原料をマグネタイト鉱石単味と仮定して水との密度差（微粉原料：５１００ｋｇ／ｍ３、水：１０００ｋｇ／ｍ３）を考慮して被覆層の適正水分量の範囲を推算すると、６〜１４％程度となる〔適正水分量の範囲の下限＝（０．２６×０．８×１０００）／｛（１−０．２６）×５１００｝×１００％≒５．５％、適正水分量の範囲の上限＝（０．４７×０．８×１０００）／｛（１−０．４７）×５１００｝×１００％≒１３．９％〕。
【００７５】
これに、微粉原料の平均粒径の影響を加味することで、上記式（１）および式（２）のような関係式が得られることとなる。
【００７６】
〔第２発明〕
＜上記第１発明に係る生ペレットを用いて鉄鉱石焼成ペレットを製造する方法であって＞
製鉄に用いられる鉄鉱石ペレットは、運搬や製鉄に適した大きさと運搬中に破壊されないように十分な強度を付与することが求められる。強度付与の方法として高温で焼成して鉄鉱石粒子を互いに焼結結合させて焼成ペレットとする方法が一般的であり、本第２発明はこの焼成ペレット法を対象とする。
【００７７】
＜焼成工程と冷却工程を備え、前記焼成工程は、前記生ペレットを乾燥する乾燥ステップと、この乾燥された生ペレットを予熱する予熱ステップと、この予熱されたペレットを焼成する焼成ステップとを少なくとも有し、前記冷却工程は、  前記焼成されたペレットを冷却する冷却ステップと、この冷却されたペレットを成品篩で分級して成品ペレットとする分級ステップとを有する＞
焼成ペレット法の製造工程は、焼成工程と冷却工程を備えている。焼成工程は、通常、生ペレットを乾燥する乾燥ステップと、この乾燥された生ペレットを予熱する予熱ステップと、この予熱されたペレットを焼成する焼成ステップとで構成される。そして、冷却工程は、前記焼成されたペレットを冷却する冷却ステップと、この冷却されたペレットを成品篩で分級して成品ペレットとする分級ステップとを有している。上記焼成工程は、例えば、ロータリキルン方式である、グレート炉とキルン炉とクーラーの組み合わせで実現される。グレート炉にて生ペレットの乾燥と予熱が行われ、キルン炉にて予熱されたペレットの焼成が行われ、クーラーにて焼成されたペレットの冷却と分級が行われる。キルンでの焼成は、目標とする焼成ペレットの強度に応じて最高到達温度１２００〜１３５０℃の条件で行われる。
【００７８】
また、上記冷却工程は、クーラーと成品篩の組み合わせで実現される。キルン炉で焼成されたペレットは、キルン炉から排出され、クーラーにて強制冷却された後、成品篩で分級されて粒径８〜１６ｍｍの成品ペレットとなる。成品篩により除去された８ｍｍ未満のチップは、上記第１発明に係る生ペレットの製造に供される。
【００７９】
（第２発明の変形例）
上記実施形態では、焼成工程として、グレート炉にて乾燥ステップと予熱ステップのみを行う例を示したが、生ペレット中に結晶水を多く含有するゲーサイトなどの鉱石を含む場合は、乾燥ステップと予熱ステップとの間に、結晶水を除去するための離水ステップを設けてもよい。
【００８０】
また、上記実施形態では、焼成工程を実現する手段として、ロータリキルン方式を例に挙げて説明したが、本第２発明はトラベリンググレート方式にも当然に適用しうるものである。
【００８１】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することももちろん可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例１】
【００８２】
（試験方法）
核として、実機のペレット工場で発生する、下記表４に示す化学組成を有するチップを採取し、これを粒径２〜７ｍｍに篩い分けしたものを用いた。
【００８３】
【表４】
2016176130.tif 000005
【００８４】
また、被覆層を構成する微粉原料として、下記表５に示す粒度分布を有し、下記表６に示す成分組成を有する各種鉱石と、副原料として石灰石、ドロマイト、消石灰および生石灰を用いた。
【００８５】
【表５】
2016176130.tif 000006
【００８６】
【表６】
2016176130.tif 000007
【００８７】
そして、まず、核となるチップに所定量の水分を添加する一方、上記各種鉱石および副原料を種々の割合で配合した微粉原料に所定量の水分を添加したものを用意し、これらを混合機で１ｍｉｎ混合した後、転動する内径４００ｍｍのディスクペレタイザに投入して造粒し、篩い分け法により粒径８〜１６ｍｍの生ペレットを作製した。
【００８８】
ついで、この生ペレットを、大気雰囲気下で最高温度１２５０℃に加熱された加熱炉内に１５ｍｉｎ掛けて最高温度領域まで移動させた後、その最高温度領域で１０ｍｉｎ保持した後、加熱炉から取り出し、室温まで放冷して焼成ペレットを作製した。そして、焼成ペレットの圧潰強度をＪＩＳ  Ｍ８７１８に基づいて測定した。
【００８９】
（試験結果）
試験結果を下記表７〜１４に示す。これらの表に示すように、本発明の第１発明の要件を全て満たす発明例の生ペレットを焼成して作製した焼成ペレットは、いずれも圧潰強度が１８０ｋｇ／ｐ以上を満たしている。これに対し、第１発明の要件の少なくとも一つを満たさない比較例の生ペレットを焼成して作製した焼成ペレットは、いずれも圧潰強度が１８０ｋｇ／ｐに満たない。
【００９０】
【表７】
2016176130.tif 000008
【００９１】
【表８】
2016176130.tif 000009
【００９２】
【表９】
2016176130.tif 000010
【００９３】
【表１０】
2016176130.tif 000011
【００９４】
【表１１】
2016176130.tif 000012
【００９５】
【表１２】
2016176130.tif 000013
【００９６】
【表１３】
2016176130.tif 000014
【００９７】
【表１４】
2016176130.tif 000015
【００９８】
以上より、本発明の第１発明に係る鉄鉱石焼成ペレット用生ペレットを用いることで、チップを粉砕することなく再利用し、かつ高強度の焼成ペレットを製造できることが確認された。
【実施例２】
【００９９】
上記実施例１のラボ試験により、第１発明の適用性が確証されたので、以下の実機試験を実施した。
【０１００】
図９に実機試験に用いたペレット工場の概要を示す。同工場では、日産１万ｔの粒径８〜１８ｍｍの鉄鉱石焼成ペレット（成品ペレット）を製造している。成品ペレットは１時間ごとにサンプル採取され、ＪＩＳ  Ｍ８７１８に基づいて圧潰強度を測定され、その強度が１８０ｋｇ／ｐ以上となるように操業されている。
【０１０１】
同工場における鉄鉱石焼成ペレットの製造工程の概略を示す。微粉の鉄鉱石原料を工場外から受け入れて原料槽に装入する。原料は、定量切出しされてベルトコンベヤにより造粒工程であるパンペレタイザに送られる。途中のベルトコンベヤ上にて赤外線式水分計で水分を測定され、散水設備により指定水分量になるように加水されて、パンペレタイザにて原料は転動造粒されて水の付着力により生ペレットになる。粒径８〜１８ｍｍの生ペレットがベルトコンベヤに載せられて焼成工程に送られる。
【０１０２】
焼成工程は、グレート炉とキルン炉により構成される。生ペレットは乾燥ステップと離水ステップで水分および結晶水が除去され、予熱ステップと焼成ステップにおいて時間を掛けて加熱され、焼結されて所要の強度を発現するように操作される。キルン炉から排出されたペレットは、冷却工程にて、クーラーで強制空冷された後、成品篩により粒径８〜１６ｍｍの成品ペレットとなる。成品篩により除去された粒径８ｍｍ未満のチップは製造工程から運び出される。同工場では、成品１万ｔ当り１％、１００ｔのチップが発生する。
【０１０３】
従来は、キルン式乾燥機と、ボールミルおよび空気分級機による閉回路粉砕装置とから構成されるチップ粉砕処理設備が設けられていた。チップはベルトコンベヤによりペレット工場からヤードへ運ばれて露天で蓄えられ、チップ粉砕処理設備の処理量に応じてヤードからチップ槽に移され、そのチップ槽から切出されて１ｍｍ未満の微粉に粉砕され、再び原料槽へ送られて再利用されていた。そのため、チップ粉砕処理設備の設備費用と電力等の操業コストが必要であった。
【０１０４】
同工場において本発明方法を適用した工程を図９に破線で示す。従来のチップ処理ラインのチップ槽行きベルトコンベヤを改造し、赤外線式連続水分計と散水設備を設けて、パンペレタイザへ水分量調整済みのチップを送るように改めた。原料槽から切出される微粉原料は、従来どおり赤外線式連続水分計により水分量を測定し、所要の水分量まで散水により加水する。この水分量が調整された微粉原料が２重構造の生ペレットの被覆層を構成する。チップは、成品篩で分離されたものをそのまま直ちに使用した。
【０１０５】
チップはクーラーによる冷却工程にて強制空冷時に微粉が除去されるため、１ｍｍ未満のチップはなく、その平均粒径は約４ｍｍである。クーラーから排出されたときの含有水分量は０％である。その後の篩工程や運搬工程で降雨等による水分を吸収しないようにベルトコンベヤの覆いなどを整備した。その結果、パンペレタイザへ装入されるチップと微粉原料の水分量は操作通りの水分量である。
【０１０６】
成品ペレット中におけるチップ内装２重構造生ペレットが焼成されたものが占める割合は、以下のようである。すなわち、粒径４ｍｍのチップの周囲に微粉原料が被覆して粒径１３ｍｍの生ペレットになると仮定すると、チップの３４倍の質量を有する生ペレットになる。成品ペレットの１％のチップを粉砕せずに原料へ再利用すると、質量比で成品ペレット中の３４％のペレットがチップを含む２重構造の生ペレット由来の焼成ペレットになる。実際にサンプリングした生ペレットをほぐして観察すると、サンプリングした生ペレットのうち３０〜４０％程度の個数割合でチップが発見された。
【０１０７】
同工場にて本発明方法を適用した操業例を示す。日産１万ｔの連続操業を実施している同工場にて発生するチップを粉砕することなくそのまま原料の一部として造粒工程に供給し、造粒された生ペレットを焼成して生産された成品ペレットを１時間ごとにサンプリングし、その圧潰強度を測定した結果を図１０に示す。当初の３時間は、チップを造粒工程に供給せず、成品ペレットとして約１８０ｋｇ／ｐの圧潰強度を得た。なお、試験期間中において、粉状原料のマグネタイト比率は、乾量基準で７５〜１００質量％に保持し、被覆層の水分量は上記式（１）および式（２）で規定されるＷＬ以上ＷＨ以下の範囲に調整した。
【０１０８】
その後、チップに水分を添加することなく３時間にわたって造粒工程に供給し、本発明法によらない２重構造の生ペレットを作成した。生ペレットをサンプリングして確認したところ、個数割合で全生ペレット中の３０％が本発明によらない２重構造の生ペレットとなった。その結果、成品ペレットの圧潰強度が１５０ｋｇ／ｐを下回った。成品ペレットの断面をマクロ観察したところ、図１に示すように、核と被覆層の間に空隙や亀裂を生じたものが多く見られた。
【０１０９】
その後に水分量を外数で１〜３質量％に調整した本発明法のチップを造粒工程に供給したところ、個数割合で全生ペレット中の３０％が本発明法によるペレットとなったが、成品ペレットの圧潰強度は１８０ｋｇ／ｐを上回った。成品ペレットの断面をマクロ観察したところ、図２に示すように、核と被覆層は一体化していることがわかる。これにより、チップを粉砕することなく再利用しても高い強度の成品ペレットが得られることが確認された。
【図３】
2016176130.tif 000016
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１】
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【図２】
2016176130.tif 000024
【図９】
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