(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉鉄鉱石と炭材とを主体とする焼結原料を一次造粒ミキサで造粒後、さらに二次造粒ミキサによって造粒して擬似粒子とする焼結原料の造粒方法であって、粉鉄鉱石を３〜５ｍｍを分級点として粗粒と微粒に分級し、粉鉱石の粗粒の全部と微粒の一部を前記一次造粒ミキサに投入し、微粒と粗粒との配合比を質量比で、微粒／粗粒＝３０／７０〜６０／４０として前記一次造粒ミキサにて造粒を行い、前記二次造粒ミキサに、一次造粒ミキサでの造粒体の他、粉鉄鉱石の微粒の残部を投入して造粒を行うことを特徴とする焼結原料の造粒方法。
【請求項２】
前記一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサのいずれの造粒の際にも水を添加して焼結原料を造粒し、その際に、前記一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサで添加する散水水分のうち、５０〜８０ｍａｓｓ％を前記一次造粒ミキサで散水、添加し、２０〜５０ｍａｓｓ％を前記二次造粒ミキサで散水、添加することを特徴とする請求項１に記載の焼結原料の造粒方法。
【請求項３】
粉鉄鉱石は、マラマンバ鉱石を他の鉄鉱石と併用したものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の焼結原料の造粒方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、粉鉄鉱石をディスクペレタイザやドラムミキサ等の造粒ミキサによって造粒して擬似粒子とする焼結原料の造粒方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から高炉原料として、焼結原料である粉鉄鉱石、媒溶材、および粉炭材等を混合し、造粒した後、焼結することにより得られる焼結鉱が用いられている。
【０００３】
このような焼結鉱に関して、従来、原料配合や造粒工程を調整して通気性を改善することや、擬似粒子の表面に粉コークスを付着させて燃焼性を良好にすること、配合原料や擬似粒子の構造を調整して燃焼効率を高めること等、種々の試みがなされている。特に、焼結操業での生産率、歩留まりおよび成品品質は、造粒工程の操業に強く依存する。
【０００４】
ところで、わが国の鉄鉱石資源は５０％以上をオーストラリアに依存しており、従来から、粉鉄鉱石としてはピソライト系鉱石が主流であった。しかしながら、ピソライト鉱石の残存埋蔵量が少なくなってきており、マラマンバ系鉱石への資源転換移行が始まっている。ピソライト鉱石は比較的粗粒であり、造粒性が良好であるのに対し、マラマンバ鉱石は微粉であり、マラマンバ鉱石を多く用いる場合には、従来の条件では焼結操業での生産率、歩留まりおよび成品強度の面で十分な造粒ペレットを得ることができない。したがって、微粒原料でも良好な擬似粒子を得ることができる造粒条件が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、造粒現象は種々の要因が複雑に絡み合い、その定量的な解析はなされておらず、新しい鉄鉱石原料に適した造粒条件が未だ見出されていないのが現状である。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、微粒の粉鉄鉱石を用いた場合にも造粒性が良く所望の擬似粒子とすることができる焼結原料の造粒方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、粉鉄鉱石と炭材とを主体とする焼結原料を一次造粒ミキサで造粒後、さらに二次造粒ミキサによって造粒して擬似粒子とする焼結原料の造粒方法であって、粉鉄鉱石を３〜５ｍｍを分級点として粗粒と微粒に分級し、粉鉱石の粗粒の全部と微粒の一部を前記一次造粒ミキサに投入し、微粒と粗粒との配合比を質量比で、微粒／粗粒＝３０／７０〜６０／４０として前記一次造粒ミキサにて造粒を行い、前記二次造粒ミキサに、一次造粒ミキサでの造粒体の他、粉鉄鉱石の微粒の残部を投入して造粒を行うことを特徴とする焼結原料の造粒方法を提供する。
【０００８】
従来の方法では、造粒原料中に微粒が多いと、一次造粒ミキサにおいて微粒同士が不十分に合体した微粒の擬似粒子を多く生成し、このような微粒の擬似粒子は嵩密度が高まっているので二次造粒ミキサではほとんど造粒されず微粒の擬似粒子のままとなる。これに対して、このように、分級した粉鉄鉱石を投入することにより、嵩密度が高まっていない微粒が二次造粒ミキサに投入されることとなり、このような微粒が一次造粒ミキサで造粒された造粒体の周囲に付着してさらに造粒されるため、原料に微粉が多くても得られる擬似粒子は微粒が少ない良好なものとなる。これにより、粉鉄鉱石以外の鉄材を装入することなく微粒が少ない良好な擬似粒子を得ることができる。
【０００９】
本発明において、前記一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサのいずれの造粒の際にも水を添加して焼結原料を造粒し、その際に、前記一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサで添加する散水水分のうち、５０〜８０ｍａｓｓ％を前記一次造粒ミキサで散水、添加し、２０〜５０ｍａｓｓ％を前記二次造粒ミキサで散水、添加することが好ましい。
【００１０】
上述したように、造粒原料中に微粒が多いと、一次造粒ミキサにおいて微粒同士が不十分に合体した微粒の擬似粒子を多く生成し、二次造粒ミキサでもこのような微粒の擬似粒子はほとんど造粒されず微粒のままとなるが、一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサの両方で所定量の水を添加することにより、一次造粒ミキサでの造粒性が高まるとともに、従来水分が添加されていなかった二次造粒ミキサにおいて、微粒が粗粒の造粒体に付着しやすくなり、得られる擬似粒子は微粒が少ない良好なものとなる。
【００１１】
また、本発明においては、粉鉄鉱石として、微粉の多い鉄鉱石であるマラマンバ鉱石を他の鉄鉱石と併用したものを用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る焼結原料の造粒方法を実施するための設備を示す模式図である。
山積みされた粉鉄鉱石１は、粉コークス（炭材）、返鉱、フラックスとともにホッパ群２からベルトコンベア３を介してドラム型の一次造粒ミキサ４に投入され、一次造粒ミキサ４を所定回数回転させることにより造粒体を形成する。一次造粒ミキサ４内には、散水ノズル５により散水可能となっている。
【００１４】
一方、ドラム型の二次造粒ミキサ６には、一次造粒ミキサ４で造粒された造粒体が投入され、二次造粒ミキサ６を所定回数回転させることにより擬似粒子が得られる。この擬似粒子は焼結機に搬送されて焼結され、焼結鉱となる。二次造粒ミキサ６内には、散水ノズル７により散水可能となっている。
【００１５】
本発明の第１の実施形態においては、以上のような設備を用いて、粉鉄鉱石、粉コークス（炭材）、返鉱、フラックスからなる造粒原料を一次造粒ミキサ４に投入し、散水ノズル５から散水しながら、一次造粒ミキサ４を回転させて造粒を行い、得られた造粒体を二次造粒ミキサ６に投入して散水ノズル７から散水しながら、二次造粒ミキサ６を回転させてさらに造粒を行い、擬似粒子を製造する。
【００１６】
従来は、主として、一次造粒ミキサのみで散水を行っていた。これは、従来の原料系は比較的造粒性が良好であり一次造粒ミキサの散水のみでさほど不都合がなかったためである。これに対して、微粉のマラマンバ鉱石を相当量用いる場合には、従来よりも造粒性が悪く、従来の方法では十分な造粒を行うことができなかった。つまり、一次造粒ミキサにおいて微粒同士が不十分に合体した微粒の擬似粒子を多く生成し、このような微粒の擬似粒子は二次造粒ミキサでもほとんど造粒されず微粒のままとなっていた。
【００１７】
そこで、本実施形態では、一次造粒ミキサ４での造粒の際に散水ノズル５から散水するとともに、二次造粒ミキサ６での造粒の際にも散水ノズル７から散水するようにした。これにより、一次造粒ミキサ４での造粒性が高まるとともに、従来水分が添加されていなかった二次造粒ミキサ６において、微粒が粗粒の造粒体に付着しやすくなり、得られる擬似粒子は微粒が少ない良好なものとなる。
【００１８】
この際の散水量は、結晶水等の持ち込み水分を除いて原料全体の２〜４ｍａｓｓ％が好ましく、散水水分のうち、５０〜８０ｍａｓｓ％を一次造粒ミキサ５で散水し、２０〜５０ｍａｓｓ％を二次造粒ミキサ９で散水することが好ましい。
【００１９】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る焼結原料の造粒方法を実施するための設備を示す模式図である。図２において、図１と同じものには同じ符号を付している。
山積みされた粉鉄鉱石１は、振動篩８によって篩分けされ、適宜の分級点、例えば図示のように３ｍｍで分級される。分級された粉鉄鉱石のうち粗粒の全部と微粒の一部を、粉コークス（炭材）、返鉱、フラックスとともにホッパ群２ａからベルトコンベア３ａを介してドラム型の一次造粒ミキサ４に投入され、一次造粒ミキサ４を所定回数回転させることにより造粒体を形成する。一次造粒ミキサ４内には、散水ノズル５により散水可能となっている。
【００２０】
一方、分級された微粒の残部は、粉コークスとともにホッパ群２ｂからベルトコンベア３ｂを介してドラム型の二次造粒ミキサ６に投入される。二次造粒ミキサ６には、これらとともに一次造粒ミキサ４で造粒された造粒体が投入され、二次造粒ミキサ６を所定回数回転させることによりさらに造粒され、擬似粒子が得られる。この擬似粒子は焼結機に搬送されて焼結され、焼結鉱となる。二次造粒ミキサ９内には、散水ノズル７により散水可能となっている。
【００２１】
このように、粉鉄鉱石等を造粒して擬似粒子を製造するに際して、上述のように、所定の分級点で分級した粉鉄鉱石のうち、粗粒の全部と微粒の一部を一次造粒ミキサ４に投入し、微粒の残部は二次造粒ミキサ６に直接投入することにより、嵩密度が高まっていない微粒が二次造粒ミキサ６に投入されることとなり、このような微粒が一次造粒ミキサ４で造粒された造粒体の周囲に付着してさらに造粒されるため、原料に微粉が多くても得られる擬似粒子は微粒が少ない良好なものとなる。
【００２２】
この場合に、上記粉鉄鉱石の分級点を３〜５ｍｍの範囲とする。分級点が３ｍｍ未満では、粉鉄鉱石が水分５〜６％を含有し、銘柄によっては粘土質鉱石であるため、篩の目詰まりが生じやすく、安定した篩い分け効果が得難く、５ｍｍを超えると粗粒の造粒体の表面に微粒鉱石が被覆して擬似粒子が成長する現象が得難くなる。
【００２３】
また、一次造粒ミキサ４に投入する微粒と粗粒との配合比は質量比で、微粒／粗粒＝３０／７０〜６０／４０であることが好ましい。一次造粒ミキサ４での微粒比率が３０％未満では、一次造粒ミキサ４内で粉鉄鉱石が不足し、核となる造粒体が安定して得られず、また、二次造粒ミキサ６に供給される微粒鉱石が相対的に多くなるため二次造粒ミキサ６内での造粒負荷が上昇し、擬似粒子の粒径成長が十分に行われない。また一次造粒ミキサ４での微粒比率が６０％超では一次造粒ミキサ４内での微粉量が多すぎ造粒操作が十分行われず、また二次造粒ミキサ６内では擬似粒子が成長するための粉鉄鉱石が不足するために十分な成長が達成されない。
【００２４】
一次造粒ミキサ４および二次造粒ミキサ６における造粒操作に際して、散水ノズル５および７から、一次造粒ミキサ４および二次造粒ミキサ６の両方に水を添加することが好ましい。これにより一次造粒ミキサ４により造粒がより容易になるとともに、二次造粒ミキサ６に直接投入された鉄鉱石の微粉が、一次造粒ミキサ４で造粒された造粒体により付着しやすくなり、得られる擬似粒子は一層微粒の少ないより良好なものとなる。この際の散水量は、結晶水等の持ち込み水分を除いて原料全体の２〜４ｍａｓｓ％が好ましく、散水水分のうち、５０〜８０ｍａｓｓ％を一次造粒ミキサ４で散水し、２０〜５０ｍａｓｓ％を二次造粒ミキサ６で散水することが好ましい。
【００２５】
なお、上記第２の実施形態では、粉鉄鉱石を分級し、一次造粒ミキサに粗粒の全部と微粒の一部を投入して造粒し、二次造粒ミキサには、その造粒体と、微粒の残部を投入したが、分級を行わずに、二次造粒ミキサに他の微粒鉄材、例えば粒径の小さいペレット原料、製鉄所で発生する各種ダスト等の他の微粉鉄材を使用しても同様の効果が得られる。
【００２６】
次に、本発明に至ったシミュレーション結果について説明する。
まず、シミュレーションに先立って、現行の造粒設備における操業条件と造粒状況について把握した。
図３は現行の造粒設備を説明する模式図であり、表１は原料の配合比率、表２は一次および二次造粒ミキサの操業項目を示すものである。造粒はドラム型の一次および二次造粒ミキサで行い一次造粒ミキサへの原料供給量は７９０ｔ／ｈである。図３に示すように、二次造粒ミキサは一次造粒ミキサよりも内容積が大きく、その結果、二次造粒ミキサの原料滞留量は一次造粒ミキサの約半分となっている。擬似粒子化のために一次造粒ミキサで約２ｍａｓｓ％の温水を散水し、二次造粒ミキサでは散水せず、持ち込み水分の約６ｍａｓｓ％を含め最終擬似粒子の水分を約８ｍａｓｓ％で管理している。
【００２７】
【表１】
0004100042.tif 000002
【００２８】
【表２】
0004100042.tif 000003
【００２９】
造粒ミキサ内の擬似粒子は複雑な運動を経て形成されるが、その際に影響を受ける主要造粒因子として造粒ミキサ内での原料掻き揚げ運動に依存すると想定される。この現象は擬似粒子の受ける慣性力と重力の比で表す以下の（１）式のフルード数Ｆｒで表現することができる。
Ｆｒ＝ＤＮ２／ｇ    ‥‥‥（１）
ここで、Ｄ：造粒ミキサ内径（ｍ）、Ｎ：ミキサ回転数（ｒｐｍ）、ｇ：重力加速度（ｍ／ｍｉｎ２）である。
【００３０】
表２に示すように、一次造粒ミキサでのＦｒは二次造粒ミキサのＦｒより大きい。これは、原料に与えられる慣性力が重力に比較して大きいこと、換言すれば一次造粒ミキサ内での原料の転動は、二次造粒ミキサ内での原料の転動に比べて掻き上げ落下運動が激しいことを意味している。
【００３１】
原料と擬似粒子のサンプリングは、安定操業中の焼結プラントにおける原料コンベアを瞬間的に停止し、図３に示す＃１〜＃３の地点で行った。＃１は一次造粒ミキサの入り口、＃２は二次造粒ミキサの入り口、＃３は二次造粒ミキサの出口である。採取量は１回につき約２０ｋｇとした。採取試料は水分の変化がないよう、缶にいれ密封して保管した。採取試料は、篩い分け試験を行うとともに、嵩密度を測定した。採取作業は、各地点で３回づつ行い、その再現性を併せて評価した。採取の間隔は１０分間以上とし、前回の採取によるプラントの停止の影響がないようにした。原料の造粒ミキサ内滞留時間の評価は、地点＃１および＃２から同時にトレーサとしてのピンポン玉を６個入れ、地点＃２および＃３への出現時間を計って求めた。このようにして求めた原料の造粒ミキサ内滞留時間は一次造粒ミキサで１．４分間、二次造粒ミキサで１．５分間であり、いずれも設計滞留時間よりも短時間で造粒していることが確認された。
【００３２】
この際の擬似粒子の湿潤状況下での＃１〜＃３での粒度分布を図４に示す。図４に示すように３回の採取実験における粒度分布の再現性は非常に高く、定常状態で操業中の従来の造粒設備は極めて時間的な変動が少ない安定した設備であることがわかる。
【００３３】
この図４から、−０．５ｍｍ微粒原料は、一次造粒ミキサの造粒効果により急激に減少するが、二次ミキサではその効果が減少し、−０．５ｍｍ微粒原料消費は抑制されることがわかる。これは−０．５ｍｍ微粒原料の一部は一次造粒ミキサ内で造粒されるものの擬似粒子は０．５ｍｍ以下に留まり＋０．５ｍｍに成長しないことによる。
【００３４】
また、＃１〜＃３での擬似粒子の嵩密度を図５に示す。一般に、造粒ミキサ内で擬似粒子が成長する場合、転動過程で嵩密度が向上し、その結果強度が改善されるとされているが、図５からいずれの粒度域においても造粒の進展にともなって湿潤状態での嵩密度が上昇することが確認された。−０．５ｍｍ微粒原料は二次造粒ミキサで造粒されにくいが、嵩密度は上昇していることがわかる。−０．５ｍｍ微粒原料の嵩密度の上昇は逆に微粒原料の付着粉としての機能を低下させ、その結果図４に示すように−０．５ｍｍ擬似粒子が多く残留することになると考えられる。
【００３５】
次に、上記操業データを基に、造粒確率モデルによるシミュレーションのパラメータの最適化を図り、それに基づいて、最適な操業条件の把握を行った結果について説明する。
【００３６】
まず、造粒確率モデルについて説明する。
焼結プラントは極めて大がかりな設備であるため、鉄鉱石原料の変更や操業上に影響のある条件の変更を行おうとする場合、実プラントにおける実験は事実上不可能であり、従来より造粒をシミュレートすることが試みられている。しかし、従来の造粒モデルは、物理化学現象を重視した理論モデルに基づいており、鉱石特性、造粒システム特性等の操業上重要な特性を解析することが困難である。このため、新しい造粒モデルとして造粒プロセスの操業解析や操業評価に堪える汎用のモデルが望まれる。
【００３７】
特に、マラマンバ鉱石は微紛の比率が他の原料に比較して高く、難造粒性であるので、造粒性の悪化によって焼結ベッド通気性悪化を招く。このため、これを解決するための新しい造粒システムと造粒性評価モデルを構築する必要がある。このように、実機造粒プラントを想定した新造粒モデル開発が重要になってくる。
【００３８】
従来の造粒モデルは、プロセスにおいて生じる現象を、確定的現象として捕らえ、微分方程式化して、初期条件・境界条件のもとで解を得ようとしたものであるため、鉱石特性、造粒システム特性等の操業上重要な特性を解析することが困難であるばかりでなく、計算が膨大になる等、実用性に欠けている。
【００３９】
そこで、ここでは、従来の研究のように原料を１個の粒子として取り扱わず、粒度分布を有する粒子群として取り扱い、現実の原料条件に近い条件で造粒解析を行う。図６は、造粒確率モデルに基づく造粒シミュレーション方法を説明するための概念図である。
【００４０】
この造粒シミュレーション方法においては、原料の粒度分布ベクトルＦは第ｉ番目の篩目ごとの重量割合ｆｉ（ｍａｓｓ％）として定める。たとえば、第１の篩目は０ｍｍ以上０．１２５ｍｍ未満の径の原料を選別し、第２の篩目は０．１２５ｍｍ以上１．００ｍｍ未満の径の原料を選別し、第３の篩目は１．００ｍｍ以上３．００ｍｍ未満の径の原料を選別する。篩目の数をｎ個、ｉ番目の篩目で選別された原料の比率がｆｋとすると、“ｋ”について１からｎまでのｆｋの総和は１である。
【００４１】
また、造粒確率πは篩目の番数によらず一定とする。ここにπはゼロ以上で１以下の数であり、ｆｉ（ｍａｓｓ％）の原料は造粒機で造粒されてπｆｉ（ｍａｓｓ％）擬似粒子となる。この造粒擬似粒子はそれぞれの径に応じて各篩目に属するようになる。また、未造粒分は（１−π）ｆｉ（ｍａｓｓ％）となる。この未造粒分は、造粒過程の進行に伴って減少していく。
【００４２】
また、ここでの造粒シミュレーション方法においては、仮想的に単位造粒操作を定義する。この単位造粒操作は、ある時間単位ごとまたは造粒ミキサのある回転（１回転も含む）ごとについて原料が造粒される過程であり、この単位造粒操作を繰り返すことによって、造粒が完了するものと仮定する。この単位造粒操作によって、ｆｉ（ｍａｓｓ％）の原料のうちπだけ造粒されて、πｆｉ（ｍａｓｓ％）の造粒擬似粒子が生成される。
【００４３】
このような単位造粒操作を篩目ごとに行った結果を図７、８に示す。
図７は第１番目の篩目で選別されたｆ１（ｍａｓｓ％）の原料への単位造粒操作について説明する。ここでは簡単のために、原料はすべて第１の篩目下のみに存在するものとする。まず、このような第１の篩目に単位造粒操作を施すと、ｆ１（ｍａｓｓ％）の原料は、πｆ１（ｍａｓｓ％）の造粒擬似粒子と（１−π）ｆ１（ｍａｓｓ％）の未造粒粒子に分かれる。ここで、πｆ１（ｍａｓｓ％）の造粒擬似粒子は粒子径に応じて第１番目から第ｎ番目の篩目のいずれかによって選別される。
【００４４】
第１番目の篩目によって選別される造粒擬似粒子をπｆ１×ｑ１１（ｍａｓｓ％）、第２番目の篩目によって選別される造粒擬似粒子をπｆ１×πｑ２１（ｍａｓｓ％）、第３番目の篩目によって選別される造粒擬似粒子をπｆ１×πｑ３１（ｍａｓｓ％）、‥‥‥、第ｎ番目の篩目によって選抜される造粒擬似粒子をπｆ１×πｑｎ１（ｍａｓｓ％）とする。ｑ１１（ｍａｓｓ％）は造粒されはしたが、粒子径成長が不十分で、第１番目の篩目下にとどまる原料の質量百分率である。第１番目の篩目下には、造粒しなかった原料（１−π）ｆ１（ｍａｓｓ％）も存在する。πｆ１×ｑ１１も含めて、πｆ１×ｑ１１からπｆ１×ｑｎ１までの総和は、最初の定義によってπｆ１である。したがって、“ｋ”について１からｎまでのｑｋ１の総和は１となる。
【００４５】
図８は第２番目の篩目で選別されたｆ２（ｍａｓｓ％）の原料への単位造粒操作について説明する。簡単のために、原料は第２の篩目中にのみ存在するものとする。ｆ２（ｍａｓｓ％）の原料は、πｆ２（ｍａｓｓ％）の造粒擬似粒子と（１−π）ｆ２（ｍａｓｓ％）未造粒粒子に分かれる。ここで、πｆ２（ｍａｓｓ％）の造粒擬似粒子は、１番目から第ｎ番目の篩目のいずれかによって選別される。第１番目の篩目によって選別される造粒擬似粒子をπｆ２×ｑ１２（ｍａｓｓ％）、第２番目の篩目によって選別される造粒擬似粒子をπｆ２×ｑ２２（ｍａｓｓ％）、第３番目の篩目によって選抜される造粒擬似粒子をπｆ２×ｑ３２（ｍａｓｓ％）、．  ．  ．、第ｎ番目の篩目によって選抜される造粒擬似粒子をπｆ２×ｑｎ２（ｍａｓｓ％）とする。
【００４６】
ここで、πｆ２×ｑ２２（ｍａｓｓ％）は、造粒されはしたが、第２番目の篩目下にとどまる原料の重量百分率である。第２番目の篩目下には、造粒しなかった原料（１−π）ｆ２（ｍａｓｓ％）も存在する。πｆ２×ｑ２２も含めて、πｆ２×ｑ１２からπｆ２×ｑｎ２までの総和は、定義によってπｆ２である。したがって、“ｋ”について１からｎまでのｑｋ２の総和も常に１となり、物質収支が成立する。ここで、係数πｑ１２は、単位造粒操作において、第２篩目粒子が第１篩目粒子に変化すること、すなわち擬似粒子の崩壊を表している。
【００４７】
以上、第１節目粒子、第２節目粒子への単位造粒操作について説明したが、他の節目についても同様である。
【００４８】
以上から、原料粒度分布ベクトルＦ（ｆ１、ｆ２、ｆ３、‥‥‥‥‥‥、ｆｎ）が確率過程を経て成品粒度分布又は擬似粒子粒度分布ベクトルＧ（ｇ１、ｇ２、ｇ３、‥‥‥‥‥‥ｇｎ）となるプロセスを定式化する。そのため、ｑｉｊをマトリクス要素とするｎ行ｎ列のマトリクスを造粒マトリクスＢとする。ここに、ｎは篩目の総数であり、たとえば篩目の個数は６個等とする。また、ｑｉｊは、ｊ番目の篩で選別された擬似粒子が造粒操作によってｉ番目の篩目に移行する確率を表し、０≦ｑｉｊ≦１  である。
第１番の篩目の単位造粒操作後に第１番目の篩目下に残留する原料ｇ１（ｍａｓｓ％）は
ｇ１＝ｆ１（１−π）＋ｆ１πｑ１１
ここに、右辺第１項は未造粒成分、右辺第２項は造粒されたが第１番目の篩目下にとどまる成分である。
【００４９】
次に、第２番の篩目の単位造粒操作後に第２番目の篩目に残留する原料ｇ２  ｗｔ％は
0004100042.tif 000004
ここに、右辺第１項は未造粒成分、右辺第２項は造粒によって径が大きくなった結果第１の篩目から第２の篩目に移行した造粒成分、右辺第３項は造粒されたが第２番目の篩目にとどまる成分である。
【００５０】
以下、同様にして、第ｋ番の篩目の単位造粒操作後に第ｋ番目の篩目に入る原料ｇｋ（ｍａｓｓ％）は
0004100042.tif 000005
ここに、右辺第１項は未造粒成分、右辺第２項以下（最後の項を除く）は造粒によって径が大きくなった結果第ｉ番目の篩目（ｉは１以上）から第ｋ番目の篩目に移行した造粒成分、最後の項は造粒されたｋ番目の篩目の擬似粒子が第ｋ番目の篩目にとどまる成分である。
【００５１】
上記ｇｋの式をマトリクス表示すると、以下の（２）式に示すようになる。
Ｇ＝｛（１−π）Ｅ＋πＢ｝Ｆ    ‥‥‥‥‥‥（２）
ここで、Ｇはｇｋを成分とするｎ列の縦ベクトルであり成品粒度分布ベクトル、Ｆはｆｋを成分とするｎ列のベクトルであり原料粒度分布ベクトル、Ｅはｎ行ｎ列の単位マトリクスである。
【００５２】
以上のマトリクス表示式で単位造粒操作を表すことができるため、Ｎ回の単位造粒操作後の成品粒度分布ベクトルＧＮは、以下の（３）式に示すようになる。
ＧＮ  ＝｛（１−π）Ｅ＋πＢ｝Ｎ  Ｆ  ‥‥‥‥‥‥（３）
ここで、
【数１】
0004100042.tif 000006
Ｎは、単位造粒操作の繰り返し回数であるが、単位造粒操作をある時間単位当りで定義すれば、この式は任意時間後の擬似粒子粒度分布を表す式となる。
【００５３】
以下、造粒マトリクスＢと単位造粒操作の繰り返し回数Ｎとの関係について説明する。
既に説明したように、（ｎ＋１）回目の造粒確率は、ｎ回目の造粒確率によって決定される。このような造粒過程は、マルコフ連鎖であり、｛（１−π）Ｅ＋πＢ｝Ｎ  は、ひとつの確率行列に収束する。したがって、ここでの造粒シミュレーションは、他の造粒条件が同一であれば、Ｎが無限大の時に鉱石の造粒特性に応じた同一の造粒結果に収束するという性質を持つ。ここに、収束の速度はπが大きいほど大きくなる。しかし、現実には、造粒システム内の滞留時間は限界があり、単位造粒操作を無限回繰り返すことはできない。したがって、ここでの造粒シミュレーションは、与えられた造粒マトリクスＢの下で、ある有限なＮｔｍについて、｛（１−π）Ｅ＋πＢ）Ｎ  の進展をシミュレートしていくものである。
【００５４】
次に、造粒マトリクスＢによって造粒前後の物質収支を説明する。この造粒マトリクスＢには、造粒ミキサに加える水、フラックス等は直接含まれていないが、これらの因子によって難造粒性となるか易造粒性となるか等を考慮して、造粒マトリクスＢのマトリクス要素ｑｉｊに反映させることができる。したがって、造粒前後で鉱石や廃棄物等の原料それ自身の総量は保存されるから、既に説明したように、“ｋ”について１からｎまでのｑｋ１の総和は１となり、“ｋ”について１からｎまでのｑｋ２の総和は１となり、同様にして、“ｋ”について１からｎまでのｑｋｎの総和は１となる。すなわち、以下の（４）式が成り立つ。
【数２】
0004100042.tif 000007
【００５５】
確率的造粒過程を表す演算子ＰＮ  ＝｛（１−π）Ｅ＋πＢ｝Ｎ  を用いれば、πｑｉｊによって、鉱石微紛部比率、粒子間の結合容易性、吸水性、表面物理化学特性値を、造粒結果に反映することができる。また、係数（１−π）によって、造粒ミキサの径／長さ比、原料供給量、加湿量等の設備に依存する非造粒性も反映することができる。たとえば、造粒ミキサの径／長さを変化させれば、それだけ造粒速度が変化するため、経験則に照らして、または簡単には比例則を適応するなどして、πを変化させればよい。
【００５６】
造粒マトリクスＢにおいて、その対角行列ｑｋｋ（ｋ＝１〜ｎ）より上の領域は崩壊領域を、下の領域は造粒領域を意味する。したがって、（４）式の条件下で、以下の（５）式に示す上三角行列ＢＡを選択すれば造粒操作とともに造粒は限りなく進むこととなって結果的に擬似粒子は最大篩目以上に成長することになる。一方、以下の（６）式に示す下三角行列ＢＢを選択すれば造粒操作を行っているにも拘わらず擬似粒子は限りなく崩壊を続け、最終的には擬似粒子は全量最小篩目以下となる。実際の造粒現象では造粒と崩壊が同時に進行するから、ＢＡとＢＢの間の（７）式に造粒マトリックスＢが使用されることとなる。ＢＡとＢＢの間のどの位置に存在するかは原料粒度ごとの造粒性、崩壊性に依存する。
【００５７】
【数３】
0004100042.tif 000008
【００５８】
以上の造粒確率モデルは多種類の原料を混合する場合も適用することができる。造粒確率がπ１であり造粒マトリクスがＢ１である原料１と、造粒確率がπ２であり造粒マトリクスがＢ２である原料２とを混合した混合原料を造粒するものとする。異種粒子同士は、混合のみによっては合体しないとすれば、線形近似により、前記混合原料の前記造粒確率πは、ｋ１＋ｋ２＝１となる実数ｋ１およびｋ２を選ぶと、（ｋ１・π１＋ｋ２・π２）であり、前記混合原料の前記造粒マトリクスＢは、ｋ１・Ｂ１＋ｋ２・Ｂ２である。
【００５９】
以上の造粒確率モデルに基づくシミュレーションの計算フローを図９に示す。まず、初期値として造粒条件を設定し（工程Ｓ１）、以下、造粒ミキサ滞留時間および回転数から決まる総転動回数（Ｎｍａｘ）分のシミュレーションを上記（３）を基に行う（工程Ｓ２〜Ｓ５）。ただし、造粒工程では−１ｍｍ原料は被覆原料として作用するので、この粒度域の原料が消費され尽くされた段階でシミュレーションは完了する（工程Ｓ６，Ｓ７）。また、−１ｍｍ原料が残留していてもＮ＝Ｎｍａｘとなった段階でシミュレーションは完了する（工程Ｓ８，Ｓ７）。シミュレーション結果として各造粒操作ごとの擬似粒子粒度分布（ＧＮ）、造粒マトリックス（ＢＮ）が得られる（工程Ｓ９）。
【００６０】
上述した造粒確率πは、単位造粒操作ごとの原料全体の造粒確率であり、１回ごとにどれだけ造粒に寄与するかを示すパラメータである。そのため、時間あるいは造粒操作回数に対する擬似粒子粒径分布の変化より適正値を設定することができる。
【００６１】
上述した図４の実際の造粒操業データから、最終造粒時の造粒特性は微粉部分での造粒による消費が少ないこと、＋５ｍｍ擬似粒子粒度の変化が少ないことが特徴である。この造粒特性は造粒マトリックスＢの粒度ごと造粒確率要素ｑｉｊに反映される。また、実際の造粒操業において、表２に示したように、一次造粒ミキサでは回転数：６．０ｒｐｍ、原料滞留時間：１．４分間であり、二次造粒ミキサでは回転数：４．８ｒｐｍ、原料滞留時間：１．５分間であるから、造粒操作回数は、以下の（８）、（９）式に示すようになる。
一次造粒ミキサ：６．０ｒｐｍ×１．４ｍｉｎ＝８．４回転  ‥‥（８）
二次造粒ミキサ：４．８ｒｐｍ×１．５ｍｉｎ＝７．２回転  ‥‥（９）
すなわち、図３の＃１〜＃２の間に８．４回の造粒操作が、＃２〜＃３の間に７．２回の造粒操作が行われることとなる。これらの値は図１０のＮに反映され、その際に得られるＧＮの値と図４の結果とを比較し、パラメータである造粒マトリックスＢと造粒確率πの妥当性をチェックする。このようにして得られた造粒マトリックスを表３に示す。
【００６２】
【表３】
0004100042.tif 000009
【００６３】
一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサともに１回転の造粒操作で原料が造粒に寄与する確率πは２０％である。換言すれば、８０％は造粒に寄与せず次の造粒操作原料になることを意味する。また、造粒マトリックスＢを構成する確率要素ｑｉｊは一次、二次造粒ミキサとも擬似粒子の崩壊および微粉擬似粒子の造粒寄与率の低下を配慮して設定している。
【００６４】
図１０に、初期原料粒度条件、（８）、（９）式で求めた造粒ミキサの転動条件、および表３に示すパラメータを用いて造粒シミュレーションを行った結果と、＃１〜＃３よりサンプリングして求めた実測値とを比較して示す。図１０から、造粒パラメータであるπおよびｑｉｊの適正化により実測造粒現象を精度よくシミュレートできることが確認される。このシミュレーション結果から、一次造粒ミキサ内では、１．０〜２．８３ｍｍおよび２．８３〜５．０ｍｍ径の擬似粒子が成長し、この成長に応じ−０．５ｍｍ微粒が消費され、５．０〜１０ｍｍおよび＋１０ｍｍ径の擬似粒子の粒径はほとんど変化しないかあるいは崩壊によって若干低下することがわかる。二次造粒ミキサ内では、１．０〜５．０ｍｍ径の擬似粒子の成長は多少認められるもののその成長は停滞している。これは−０．５ｍｍ径の原料が２０％以下になること、−０．５ｍｍ径の原料がこの粒度域で造粒され、もはや付着原料としての機能が不足することに起因する。なお、若干の擬似粒子成長にともない０．５〜１．０ｍｍ径の擬似粒子は減少している。−０．５ｍｍ径よりも０．５〜１．０ｍｍ径の減少が顕著であるのは、転動過程で崩壊が進むことが一つの原因と考えられる。図１０からは、二次造粒ミキサでの造粒は一次造粒ミキサでの造粒に比し顕著ではないものの、図５に示す実測値と同様に擬似粒子嵩密度が上昇していることが明らかである。これは、表２に示すように、二次造粒ミキサでは一次造粒ミキサよりもフルード数を小さく設定していることに起因する。すなわち、現行設備では、一次造粒ミキサで主に造粒機能を持たせ、二次造粒ミキサでは主に嵩密度上昇機能を持たせて、造粒ミキサによって機能を分けて擬似粒子を製造していることとなる。
【００６５】
このような結果に基づいて、今後多量に入荷が予定され、主流になると予想されている微粒のマラマンバ鉱石を配合した際の造粒特性をシミュレートした結果について説明する。表４にマラマンバ鉱石の粒度分布（推定値）、現行鉱石の粒度分布、および現行鉱石にマラマンバ鉱石を加えた時の粒度分布を示す。表４に示すようにマラマンバ鉱石は現行鉱石と比較して微粉が非常に多く、現行鉱石に対するマラマンバ鉱石を３０％まで高めると、原料中の−０．５ｍｍの比率は４０％付近まで上昇すると推定される。
【００６６】
【表４】
0004100042.tif 000010
【００６７】
また、一般にマラマンバ鉱石の微粉部分は粒子間の付着力が他鉱石に比較して低く、造粒性が悪いことが知られているため、このことを考慮してシミュレーションを行った。シミュレーションにあたっては、表２に示す値と比較し、１回の造粒操作で造粒される確率πをマラマンバ鉱石＋１０％に対し−０．０５とした条件を設定した。シミュレーション結果を図１１に示す。
【００６８】
図１１に示すように、マラマンバ鉱石の配合率に応じ擬似粒子の成長が遅れ始め、二次造粒ミキサ出口付近でようやく擬似粒子の粒度分布が基準原料条件に近づく。上述したように、二次造粒ミキサは本来造粒機能が低く、主に擬似粒子の嵩密度を上昇させ強度を向上させる機能を有している。しかし、このように微粉でかつ造粒性の悪い原料の多配合の場合には、図１１に示すように、二次造粒ミキサでも造粒が行われており、このため二次造粒ミキサでの嵩密度向上機能が低下しているものと考えられる。したがって、このように造粒性の原料の多配合により見かけ上擬似粒子径分布が同程度であっても強度は弱く、結局搬送過程で崩壊する可能性を有している。また、図１１から、このように微粉原料の多配合により造粒終了後も−０．５ｍｍの擬似粒子が多く存在しているのがわかる。−０．５ｍｍの擬似粒子は焼結ベッドの通気性を悪化させるため好ましくない。
【００６９】
このような状況で造粒性を向上させるためには、（１）造粒ミキサ内での滞留時間の延長、（２）原料自身の造粒特性の向上、（３）原料の投入方法の変更の３つの事項が考えられる。
【００７０】
この中で（１）のシミュレーションを行った結果、単に造粒ミキサ内の滞留時間を延長するだけでは、擬似粒子の嵩密度の向上とこれにより強度の改善は期待できるが擬似粒子の粒度はほとんど変化がなく、−０．５ｍｍの擬似粒子の生成量は削減できないと推定された。
【００７１】
（２）については、造粒水分の添加方法を変化させることが考えられる。
ここでは上述の表２に示した実操業における条件（持ち込み水分６．０％、一次造粒ミキサで２．０％散水、二次造粒ミキサでは散水せず）を基準条件（条件ａ）とし、全水分量を８．０％と一定として、事前にヤードで水分調整を実施して、持ち込み水分：５．０％、一次造粒ミキサでの散水：３．０％としたもの（条件ｂ）、事前にヤードで水分調整を実施して、持ち込み水分：４．０％、一次造粒ミキサでの散水：２．０％、二次造粒ミキサでの散水：２．０％としたもの（条件ｃ）についてシミュレーションを行った。基準条件である条件ａでは、上述の表３に示す造粒マトリックスおよび造粒確率を用いた。条件ｂのように一次造粒ミキサでの散水の増加により微粉部分の被覆効果を高められると仮定すると、放散の細粒部の造粒確率が改善されることとなる。例えば−０．５ｍｍ粒度の造粒確率が１０％改善され（造粒モデル上は転動造粒により各粒子に付着した微粉が剥離しにくくなると解釈する）、その分＋１０ｍｍ粒度の造粒確率で調整すると表５の造粒マトリックスが得られる。また、条件ｃでは二次造粒ミキサでの散水により、二次造粒ミキサにおける被覆性が改善されることとなる。この場合の二次造粒ミキサにおける造粒マトリックスは表６に示すようになる。なお、一次造粒ミキサにおける造粒マトリックスは表５に示すものを用いた。
【００７２】
【表５】
0004100042.tif 000011
【００７３】
【表６】
0004100042.tif 000012
【００７４】
これらに基づいてシミュレーションを行った結果を図１２に示す。図１２の（ａ）は基準条件である条件ａに基づくものであり、（ｂ）は条件ｂ、（ｃ）は条件ｃに基づくものである。この図に示すように、単に一次造粒ミキサの散水量を増加するだけでも、−０．５ｍｍの微粒の擬似粒子が１７％から１４．５％と２．５％程度減少して造粒性が改善されているが、一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサの両方で散水を行うことにより−０．５ｍｍの微粒の擬似粒子がさらに減少して１３％以下になっており、５〜１０ｍｍ、＋１０ｍｍ粒度の擬似粒子の増加が認められ、一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサの両方で散水を行うことにより、造粒性が一層改善されることが確認された。
【００７５】
（３）については、マラマンバ鉱石のような微粒が多い時の対策として、鉄鉱石の分割投入が考えられる。すなわち、図１１の結果から、現状の原料条件であれば造粒は一次造粒ミキサでほとんど終了するが、微粒が増えると二次造粒ミキサでも一部造粒が行われ強度に影響する嵩密度の上昇が期待できないことが導かれ、しかも最終的に−０．５ｍｍの擬似粒子の量が多いことが把握されたが、このように微粉増加時に造粒が進まない原因は、造粒ミキサの転動中、微粒が核粒子に付着して消費されることが起こり難く、微粉同士が不十分に合体して微粒の擬似粒子を大量に生産することに起因する。これを解消するためには、粉鉄鉱石のうち微粒を核粒子の被覆粒子として使用する方法を指向することが有効であると考えられる。そのために粉鉄鉱石の微粒を二次造粒ミキサに投入して微粒を核粒子の被覆粒子として有効に活用するのである。原料としての粉鉄鉱石は造粒操作を受けていないから嵩密度が低く、造粒操作を経た微粒よりも核粒子に対する付着性が高いものと考えられる。
【００７６】
このことをシミュレーションによって導く。条件としては、マラマンバ鉱石３０％配合品を用い分級点３ｍｍで分級し、分級点以下の微粒を３０ｍａｓｓ％二次造粒ミキサに投入し、粗粒と微粒のうち二次造粒ミキサに投入しない分を一次造粒ミキサに投入した。必要造粒水分のうち５０〜８０ｍａｓｓ％を一次造粒ミキサに添加し、２０〜５０ｍａｓｓ％を二次造粒ミキサに添加した。このような条件における造粒状況を表７に示す造粒マトリックスおよび造粒確率を用いてシミュレーションした。その結果を現行の造粒方法と比較して図１３に示す。
【００７７】
【表７】
0004100042.tif 000013
【００７８】
表７の造粒マトリックスは、表３に示す値を基準に微粒の造粒性が改善されることを反映させるために−０．５ｍｍ粒度の崩壊確率が低下するように造粒マトリックスを設定した。造粒確率は図１１の場合と同様に考え０．０５とした。
【００７９】
図１３の（ａ）は現行の造粒方法を採用した場合、（ｂ）は分割造粒を行った場合を示すが、この図に示すように、分割造粒を行うことにより、微粒の被覆効果が向上し、焼結ベッドの通気性を悪化させる−０．５ｍｍの微粒が二次造粒ミキサ出口で１７．１％から６．８％まで低下するとともに＋３ｍｍ擬似粒子の収率が上昇する。このように造粒性が著しく改善されるのは、一次造粒ミキサで造粒された核擬似粒子の周囲に二次造粒ミキサで添加した微粒が被覆され、二次造粒ミキサにおいて、核擬似粒子の嵩密度上昇と微粒被覆による造粒とが同時に進行するからであると考えられる。
【００８０】
なお、上記実施形態では、一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサとしてドラム型のミキサを用いたが、本発明はこれに限らず、ディスクペレタイザーを用いるもの等、２つの造粒ミキサにより造粒するシステムであれば全て適用可能である。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一次造粒ミキサおよび二次造粒ミキサの両方で水を添加するので、一次造粒ミキサでの造粒性が高まるとともに、従来水分が添加されていなかった二次造粒ミキサにおいて、微粒が粗粒の造粒体に付着しやすくなり、得られる擬似粒子は微粒が少ない良好なものとなる。
【００８２】
また、本発明によれば、一次造粒ミキサを経ていない鉄鉱石の微粉を二次造粒ミキサに直接投入するので、嵩密度が高まっていない微粒が二次造粒ミキサに投入されることとなり、このような微粒が一次造粒ミキサで造粒された造粒体の周囲に付着してさらに造粒されるため、原料に微粉が多くても得られる擬似粒子は微粒が少ない良好なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る焼結原料の造粒方法を実施するための設備を示す模式図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る焼結原料の造粒方法を実施するための設備を示す模式図。
【図３】現行の造粒設備を説明する模式図。
【図４】現行の造粒設備においてサンプリングした擬似粒子の湿潤状況下での粒度分布を示すグラフ。
【図５】現行の造粒設備においてサンプリングした擬似粒子の湿潤状況下での嵩密度を示すグラフ。
【図６】造粒確率モデルに基づく造粒シミュレーション方法を説明するための概念図。
【図７】第１の篩目による単位造粒操作の概念図。
【図８】第２の篩目による単位造粒操作の概念図。
【図９】造粒確率モデルに基づく造粒シミュレーションの計算を示すフローチャート。
【図１０】現行設備において、造粒シミュレーションを行った場合と、＃１〜＃３よりサンプリングして求めた場合における擬似粒子の粒度分布を示すグラフ。
【図１１】現行の粉鉄鉱石を用いた場合と、それにマラマンバ鉱石を加えて行った場合とで造粒シミュレーションを行った際の擬似粒子の粒度分布の推移を示すグラフ。
【図１２】造粒水分の添加方法を変化させて造粒シミュレーションを行った際の擬似粒子の流度分布の推移を示すグラフ。
【図１３】現行の造粒方法を採用した場合と、分割造粒を行った場合とで造粒シミュレーションを行った際の擬似粒子の粒度分布の推移を示すグラフ。
【符号の簡単な説明】
１；粉鉄鉱石
２，２ａ，２ｂ；ホッパ群
３，３ａ，３ｂ；ベルトコンベア
４；一次造粒ミキサ
５，７；散水ノズル
６；二次造粒ミキサ
８；振動篩
【図１】
0004100042.tif 000014
【図２】
0004100042.tif 000015
【図３】
0004100042.tif 000016
【図４】
0004100042.tif 000017
【図５】
0004100042.tif 000018
【図６】
0004100042.tif 000019
【図７】
0004100042.tif 000020
【図８】
0004100042.tif 000021
【図９】
0004100042.tif 000022
【図１０】
0004100042.tif 000023
【図１１】
0004100042.tif 000024
【図１２】
0004100042.tif 000025
【図１３】
0004100042.tif 000026