(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鉱石粉と副原料とに配合水を添加して混練し、次いで造粒を行った後、この造粒物を焼結する焼結鉱の製造方法において、
前記配合水が、鉄鉱石粉と反応して５５０〜９００℃の範囲の融点を有する反応物を生成する珪酸ナトリウムであって、メタ珪酸ナトリウム、オルト珪酸ナトリウムおよびポリ珪酸ナトリウムのうちのいずれか１種の珪酸ナトリウムを、前記造粒物に対する質量割合で０．０１〜０．３％含有してなることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の焼結鉱の製造方法によって製造された焼結鉱。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製鉄用原料である焼結鉱の製造方法およびこの製造方法で製造した焼結鉱に関するもので、特に、製品焼結鉱の強度を向上させる焼結鉱の製造方法およびこの製造方法で製造した焼結鉱に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄用原料として用いられる焼結鉱の製造は、一般に、図５に示す焼結原料の事前処理工程により行われる。この事前処理工程は、原料槽１とドラムミキサー２からなる混合、造粒工程と、給鉱ホッパー３、焼結機４からなる焼成工程で構成される。焼結鉱の焼結原料は、１０ｍｍ程度以下の鉄鉱石粉、副原料（石灰石、生石灰、珪石、蛇紋岩等）およびコークス粉等の固体燃料であり、原料槽１に貯蔵されている。これら焼結原料は所定量に配合されてドラムミキサー２に装入され、さらに適量の水分が加えられて混合、造粒される。次に、この造粒物は、給鉱ホッパー３により、焼結機（例えば、ドワイトロイド式焼結機）４のパレット上に所定の高さに充填され、表層部原料中の固体燃料に着火される。着火後は、下方に向けて空気を吸引しながら固体燃料を燃焼させて、この燃焼熱により焼結原料を焼結させて焼結ケーキとする。この焼結ケーキは粉砕後に粒度調整し、粒径３ｍｍ程度以上の製品焼結鉱を得る。
【０００３】
製鉄用原料として、この製品焼結鉱は高い強度が要求される。これは、焼結鉱を高炉へ装入するハンドリング時の粉化による製品歩留の低下や、高炉中で焼結鉱の粉化により高炉の通気度が低下する高炉操業の悪化を防止するためである。
【０００４】
この製品焼結鉱の強度を改善するために、焼結機のパレットに装入された造粒物中の固体燃料の燃焼により高温を発生させ、この高温を維持することによって、鉄鉱石粉の焼結に十分な量の融液を均一に生成させることが重要である。
この融液は、鉄鉱石と副原料とのスラグ反応により生成する融液（通常、多元系カルシュームフェライト）である。この融液により鉄鉱石粉の液相焼結が行われ、冷却後、この融液により鉄鉱石粉を結合するボンドが形成される。
【０００５】
この形成されたボンドの幅が広い場合や、ボンドの網目状組織が均一場合に、製品焼結鉱の強度が向上することが知られている。
このため、前記ボンドの幅を広くするために鉄鉱石粉の焼結に十分な量の融液を生成させ、ボンドの網目状組織を均一にするために融液を均一に生成させることにより製品焼結鉱の強度を改善できるものと考えられている。
【０００６】
前述の造粒物中の固体燃料の燃焼により高温を発生させ、この高温を維持するために、焼結機のパレット上に充填された造粒物層（ベッド）の通気抵抗を小さくすることが行われている。このベッドの通気抵抗を小さくすることにより、ベッド中に多量の空気を流すことが可能となり、固体燃料を効率よく、均一に燃焼させることができ、高強度の製品焼結鉱を製造（焼結）可能な高温とこの高温を維持するものである。
【０００７】
このベッドの通気抵抗を小さくするために、焼結原料の粗粒化や、焼結原料の造粒性を改善して焼結原料の擬似粒子化率を向上させて粗粒化させることが行われている。
この焼結原料の造粒性の改善のために、焼結原料にバインダー（生石灰、ベントナイト、セメント、セメントクリンカ粉等）の添加が行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年の良質鉄鉱石の産出量の減少に伴い、使用する鉄鉱石の銘柄が多くなり、焼結原料の造粒性はこれら銘柄特性に大きく影響されている。すなわち、粗粒原料の配合比の低下や、造粒性の劣る銘柄の鉄鉱石や、同じく造粒性の劣る焼結返鉱の配合量の増加に伴い、焼結原料の造粒性の低下が生じることである。この結果、焼結原料の通気性が低下して、製品焼結鉱の強度が低下する問題がある。
このため、焼結原料の造粒性の改善のために、焼結原料にバインダーを多量に添加する方法が行われている。
【０００９】
しかし、焼結原料にバインダーを多量に添加する方法は、焼結鉱の製造コストの増加につながる問題がある。さらに、焼結原料へのバインダーの多量添加は、製鉄用原料として許容される成分組成から外れて、高炉操業に悪影響を及ぼす問題がある。
これに加えて、焼結原料の造粒性の改善効果はバインダーの添加量に極限値があり、この極限値以上のバインダーの添加は、逆に、焼結原料の造粒性を悪化させる場合がある。
【００１０】
そこで本発明は、焼結鉱を製造するにあたり、鉄鉱石粉に少量の水溶性化合物（焼結助剤）を添加することにより、バインダーとしての役割を果たす副原料（ＣａＯ）の添加量を増加させることなく、製品焼結鉱の強度の向上させると共に、製鉄用原料として悪影響を及ぼさない焼結鉱の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、鉄鉱石粉と副原料とに配合水を添加して混練し、次いで造粒を行った後、この造粒物を焼結する焼結鉱の製造方法において、前記配合水が、鉄鉱石粉と反応して５５０〜９００℃の範囲の融点を有する反応物を生成する珪酸ナトリウムであって、メタ珪酸ナトリウム、オルト珪酸ナトリウムおよびポリ珪酸ナトリウムのうちのいずれか１種の珪酸ナトリウムを、前記造粒物に対する質量割合で０．０１〜０．３％含有してなることを特徴とする。
【００１２】
鉄鉱石粉と反応して５５０〜９００℃の範囲の融点を有する反応物を生成する珪酸ナトリウムは水溶性であるので、この水溶性化合物である珪酸ナトリウムを含有する配合水は鉄鉱石粉の表面を確実に浸潤しているので、焼成工程の焼結前の乾燥時に前記化合物が確実に鉄鉱石粉をコーティングする状態することができる。この結果、前述した水溶性化合物と鉄鉱石粉との反応を効率よく行うことができる。
このため、従来の焼結鉱の焼結温度（１１５０℃〜１２００℃）より、さらに低い温度から鉄鉱石粉と効率よく反応して融液を生成させることができるので、この生成した融液により、鉄鉱石粉と副原料とのスラグ反応による融液の生成をさらに促進して、鉄鉱石粉の焼結に十分な量の融液を生じ、製品焼結鉱の強度をさらに向上することができるものである。
そして、前述したように、水溶性化合物を含有する配合水は、鉄鉱石粉の表面を確実に浸潤し、水溶性化合物を確実に鉄鉱石粉をコーティングする状態にするので、この配合水に含有させる水溶性化合物である珪酸ナトリウムを少量（例えば、１質量％）にすることができ、珪酸ナトリウムを形成する元素による高炉操業に悪影響を及ぼさない製品焼結鉱を製造することができる。
【００１４】
本発明の方法の水溶性化合物である珪酸ナトリウムは、鉄鉱石粉と副原料とのスラグ反応による焼結を促進する焼結助剤の役割を果たすものである。
すなわち、水溶性化合物である珪酸ナトリウムが鉄鉱石粉と反応して生成する融液を介して、鉄鉱石粉及び副原料の構成物の移動（拡散）が容易となり、鉄鉱石粉と副原料とのスラグ反応による融液の発生が促進され、鉄鉱石粉の焼結が十分に生じるものと考えられる。
さらに、前記水溶性化合物である珪酸ナトリウムが鉄鉱石粉と反応して生成する融液の構成成分が、鉄鉱石粉と副原料とのスラグ反応による融液の生成温度を低くすることが期待できる。この結果、従来の焼結鉱の製造より多量の融液を生成させ、製品焼結鉱の強度に寄与する幅の広いボンドの形成することが可能となる。
さらにまた、この鉄鉱石粉と副原料とのスラグ反応によって前記融液の融点を低くなるため融液の粘性が低くなり、この融液が鉄鉱石粉の表面上の移動が容易となることが期待できる。この結果、この融液が鉄鉱石粉表面全体に広がり、融液を均一に生成させ、製品焼結鉱の強度に寄与するボンドの網目状組織を均一することが可能となる。
【００１５】
本発明の焼結鉱の製造方法に用いる化合物として珪酸ナトリウム（Ｎａ2Ｏ−ＳｉＯ2系化合物）を用いるのは以下の理由による。
すなわち、Ｎａ2Ｏ−ＳｉＯ2系化合物は鉄鉱石の鉄酸化物（Ｆｅ2Ｏ3、ＦｅＯ等）と容易に反応し、このＮａ2Ｏ−ＳｉＯ2系化合物中に鉄酸化物を固溶することができ、この鉄酸化物の固溶範囲が広い。Ｎａ2Ｏ−ＳｉＯ2系化合物の融点は、成分組成により約１０２０〜１０９０℃の範囲にある。
このとき、Ｎａ2Ｏ−ＳｉＯ2系化合物を本発明の焼結鉱の製造方法に用いることにより、この化合物は従来の焼結鉱の焼結温度（１１５０〜１２００℃）より低い温度で溶融して融液が生成し、この融液と鉄鉱石の鉄酸化物と反応する。そして、この鉄酸化物がＮａ2Ｏ−ＳｉＯ2系化合物の融液に固溶して融液の生成を促進する。この融液により、前述したように、鉄鉱石粉と副原料とのスラグ反応による融液の生成をさらに促進することができ、鉄鉱石粉の焼結に十分な量の融液を生じさせ、製品焼結鉱の強度を向上することができる。
【００１６】
本発明の焼結鉱の製造方法に使用する水溶性化合物である珪酸ナトリウム（Ｎａ2Ｏ−ＳｉＯ2系化合物）は水に易溶であるので、所望の濃度の化合物の水溶液を調整することができる。
本発明で使用する珪酸ナトリウムは、メタ珪酸ナトリウム（Ｎａ2ＳｉＯ3）だけでなく、オルト珪酸ナトリウム（Ｎａ4ＳｉＯ4）等の無水塩を用いることができ、さらに、これらの無水塩の水溶液が加水分解して得られるＮａ2Ｓｉ2Ｏ5、Ｎａ2Ｓｉ4Ｏ9等の各種のポリ珪酸ナトリウムを用いることができる。
【００１７】
本発明の焼結鉱の製造方法により製造された焼結鉱は、強度が高く、高炉操業に悪影響を及ぼさない効果がある（請求項２記載の発明）。
【００１８】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
混合、造粒工程において、表１に示す配合割合で、鉄鉱石粉および副原料を混合した後、表２に示す配合水をそれぞれ７質量％添加して、ドラムミキサーにより造粒して、２種類の造粒物（試料Ａ：本発明例、試料Ｂ：比較例）を製造した。
本発明例では、表２に示すように、配合水に、粉状のメタ珪酸ナトリウム（Ｎａ2ＳｉＯ3：Ｎａ2Ｏ・ＳｉＯ2）を水１００ｇ当たり１ｇ（１質量％）添加してメタ珪酸ナトリウムの水溶液を予め作成したものを、上記鉄鉱石粉と副原料に添加した。このとき、添加されたメタ珪酸ナトリウムは下記反応式のように加水分解して、ポリ珪酸ナトリウムの水溶液ができる。
Ｎａ2ＳｉＯ3＋Ｈ2Ｏ→Ｎａ2Ｓｉ2Ｏ5＋２ＮａＯＨ
この加水分解により、ポリ珪酸ナトリウム（Ｎａ2Ｓｉ2Ｏ5）が得られる。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
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【００２１】
本実施例で使用した配合鉄鉱石粉の成分を表３に、配合鉄鉱石粉の粒度分布を表４に示す。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
【表４】
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【００２４】
前記２種類の造粒物（試料Ａ：本発明例、試料Ｂ：比較例）の一部を採取して、乾燥後の粒度分布を測定した。この結果を図１に示す。
図１から明らかなように、試料Ａと試料Ｂは十分な疑似粒子を形成しており、両者に粒度分布に差が認められなかった。このように、配合水に微量のメタ珪酸ナトリウムを添加しても、従来の方法と同じ製鉄用原料の造粒性を得ることができることを確認した。
【００２５】
次に、前記２種類の造粒物について、焼結鍋による焼結実験を行った。この焼結実験は、直径：１００ｍｍ、高さ：３００ｍｍの焼結鍋に前記造粒物を充填し、続いて層頂面に着火し、吸引圧力：３５００Ｐａで空気を吸引しながら焼結を行ったものである。
このとき、焼結鍋での焼結時のガス流量変化と、充填層内各部位における温度変化を測定し、この測定結果を図２、図３に示す。
さらに、焼結後、製品焼結鉱の落下強度を測定した。この測定結果を図４に示す。
【００２６】
ここで、図２は焼結鍋での焼結時のガス流量変化を示す図である。
図３は、焼結鍋での造粒物の充填層の表層部から１００ｍｍ（上部：図中イ）、２００ｍｍ（中部：図中ロ）及び３００ｍｍ（下部：図中ハ）の位置での温度変化を示す図である。縦軸は温度、横軸は時間を焼結実験の経過時間を示す。時間経過とともに、最高到達温度が上部、中部、下部と順次移動するのは、前述の従来例で説明したように、表層部原料中の固体燃料に着火され、その後、下方に向けて固体燃料が燃焼することにより、充填層の温度が変化するためである。
図４は、焼結鍋で焼結後の製品焼結鉱の落下強度を示す図である。落下強度は、製品焼結鉱を２ｍの高さから鉄製台上に一度に落下させる操作を４回繰り返した後、全量を５ｍｍと１０ｍｍのふるいでふるい分けてし、５〜１０ｍｍと１０ｍｍ以上の割合を求めたものである。
【００２７】
本実施例の焼結鍋での焼結実験の結果を説明する。
（１）焼結鍋での焼結時のガス流量変化（図２参照）
本発明例の試料Ａ（メタ珪酸ナトリウムが含有する配合水に使用）は、比較例の試料Ｂに比べて、ガス流量が多く、通気性に優れていることが判明した。
すなわち、試料Ａの造粒物は、試料Ｂとほぼ同一の粒度分布を示しているにかかわらず、試料Ａの焼結時の通気性が、試料Ｂより優れていることである。
この結果、従来例で説明したように、焼結機のパレット上に充填された造粒物層（ベッド）の通気抵抗を小さくすることでき、造粒物中の固体燃料の燃焼により高温を発生させ、この高温を維持することができ、高強度の製品焼結鉱を製造することが可能となる。
【００２８】
本発明例の試料Ａの通気性が向上した理由については、今後の研究課題であるが、以下の理由が要因の１つと考えられる。
通常、同一の粒径の粒子の場合、粒子表面がなめらかなほど通気性に優れることが知られている。このため、試料Ａの造粒物の表面が、試料Ｂよりなめらかになって通気性が改善されたものと考えられる。
さらに、以下のことが推定される。
試料Ａの造粒物の表面は、鉄鉱石粉の核粒子のまわりに、ほぼ均一に生石灰や石灰石等の副原料や微粉鉱石を付着することによりなめらかになったものと考えられる。そして、鉄鉱石粉の核粒子のまわりに、ほぼ均一に副原料や微粉鉱石を付着する要因として、配合水がメタ珪酸ナトリウムが含有、すなわち、Ｎａ（アルカリ金属）を含むことによるものと推定される。Ｎａにより、鉄鉱石粉と副原料に添加した配合水の粘性を低くすることが期待でき、この結果、鉄鉱石粉の核粒子のまわりにほぼ均一全体に生石灰や石灰石等の副原料や微粉鉱石を付着させることができるものと考えられる。
【００２９】
（２）焼結鍋での焼結時の充填層内各部位の温度変化（図３参照）
焼結鍋の充填層下部（図中ハ）の最高到達温度は、試料Ａの方が試料Ｂより高く、１１００℃以上の保持時間も試料Ａが長くなっている。そして、充填層中部（図中ロ）での最高到達温度は試料Ｂの方が試料Ａより高くなっているが、１１００℃以上の保持時間は両者で差が認められなかった。一方、充填層上部（図中イ）では、試料Ａが最高到達温度と１１００℃以上の保持時間の両方とも試料Ｂより低い。
【００３０】
（３）焼結鍋での焼結後の製品焼結鉱の落下強度（図４参照）
本発明例の試料Ａ（本発明例）の製品焼結鉱の落下強度が、比較例の試料Ｂより優れていることを確認した。
試料Ａの製品焼結鉱の落下強度が向上した理由は、試料Ａの焼結時の通気性が改善され、試料Ａの充填層下部での最高到達温度が高くなり、１１００℃以上の保持時間が長くなったことにより、試料Ａの造粒物の焼結が十分に行われたものと考えられる。
【００３１】
さらに、本発明の試料Ａは、鉄鉱石と反応して低融点（約６００℃）の反応物を生成するメタ珪酸ナトリウムが添加されていることにより、従来の焼結鉱の焼結温度（１１５０℃〜１２００℃）より低い温度で融液を生成させることができる。前述したように、この生成した融液により、鉄鉱石粉と副原料とのスラグ反応による融液の生成を促進し、鉄鉱石粉の焼結が十分に生じるものと考えられる。
このことは、試料Ａの充填層上部の最高到達温度と１１００℃以上の保持時間の両方とも試料Ｂより低いにもかかわらず（図３参照）、試料Ａの製品焼結鉱の落下強度が、試料Ｂより高くなっていることから、試料Ａの充填層上部でも、鉄鉱石粉の焼結が十分に行われていることを示唆するものと考えられる．
さらまたに、前述したように、配合水に含有するメタ珪酸ナトリウムのＮａ（アルカリ金属）により、鉄鉱石粉の核粒子のまわりにほぼ均一全体に生石灰や石灰石等の副原料や微粉鉱石を付着させることが期待されるので、焼結時に、鉄鉱石と副原料とのスラグ反応により生成する融液が鉄鉱石粉の核粒子全体から生成し、鉄鉱石粉の焼結のための融液を均一に生成させることが可能ととなり、試料Ａの製品焼結鉱の落下強度が向上したものと考えられる。
【００３２】
このように、本発明の鉄鉱石の製造方法において、鉄鉱石粉に少量の化合物を添加することにより、バインダーとしての役割を果たす副原料（ＣａＯ）の添加量を増加させることなく、製品焼結鉱の強度の向上させることができた。
この製品焼結鉱の強度の向上により、製品歩留りが向上すると共に、高炉に使用する製品焼結鉱として十分な圧壊強度を得ることを可能とするものである。
本実施例では、バインダーとして２質量％のＣａＯを使用したが、実施例に限定されることなく、ＣａＯの量は適宜変更することができ、他のバインダー（例えば、ベントナイト、セメント、セメントクリンカ粉等）を用いることができる。
そして、本実施例では、高結晶水鉄鉱石を２０質量％以上配合しており、本発明の焼結鉱の製造方法により、強度の高い製品焼結鉱を製造できることが判明した。
【００３３】
特に、本発明の鉄鉱石の製造方法は、従来、高炉操業に悪影響を及ぼすアルカリ金属を含有する珪酸ナトリウムを添加することにより、製品焼結鉱の強度を向上させることを特徴とするものである。
そして、本発明の鉄鉱石の製造方法では、化合物としての珪酸ナトリウムの添加量を少なくすることができ、珪酸ナトリウム中に含有するアルカリ金属のアルカリ増加量を低くでき高炉操業時のアルカリ付着、アルカリ循環等の悪影響を少なくすることができるものである。
なぜなら、本発明は珪酸ナトリウムが水に易溶である特性を利用して珪酸ナトリウムの水溶液を用いることにより、乾燥時に鉄鉱石粉を珪酸ナトリウムによりコーティングでき、珪酸ナトリウムと鉄鉱石粉と反応を効率よく行うことができるので、珪酸ナトリウムの添加量を少なくすることができるからである。
【００３４】
本発明の珪酸ナトリウムの添加量は０．０１質量％以上あれば、比較的低温の焼結温度（約６００℃）で鉄鉱石粉の液相焼結を行うに必要な融液を発生させることができる。そして、珪酸ナトリウム添加量を増加させることにより、鉄鉱石粉の液相焼結に必要な融液量を増加させ、焼結鉱の強度向上できるので、珪酸ナトリウム添加量を増加させることが好ましい
一方、アルカリ増加量が高くなり、還元粉化性が悪化することから、珪酸ナトリウム添加量の上限は１．０質量％、好ましくは０．５質量％、より好ましくは０．３質量％である。
このとき、本発明に用いる珪酸ナトリウムは、メタ珪酸ナトリウム（Ｎａ2 ＳｉＯ3 ）だけでなく、オルト珪酸ナトリウム（Ｎａ4 ＳｉＯ4 等）の無水塩を使用でき、さらに、これらの無水塩の水溶液が加水分解して得られるＮａ2 Ｓｉ2 Ｏ5 、Ｎａ2 Ｓｉ4 Ｏ9 等の各種のポリ珪酸ナトリウムを用いることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のうち請求項１記載の発明は、珪酸ナトリウムが水に易溶である特性を利用して、鉄鉱石粉と反応して５５０〜９００℃の範囲の融点を有する反応物を生成する珪酸ナトリウムを含有する配合水を用いることにより、珪酸ナトリウム水溶液は鉄鉱石粉の表面を確実に浸潤しているので、焼成工程の焼結前の乾燥時に水溶性化合物である珪酸ナトリウムが確実に鉄鉱石粉をコーティングする状態にすることができ、この水溶性化合物である珪酸ナトリウムと鉄鉱石粉との反応を効率よく行うことができるので、従来の焼結鉱の焼結温度（１１５０℃〜１２００℃）より、さらに低い温度で鉄鉱石粉と効率よく反応して融液を生成させることを可能とするものである。そして、この生成した融液により、鉄鉱石粉と副原料とのスラグ反応による融液の生成をさらに促進して、鉄鉱石粉の焼結に十分な量の融液を生じ、製品焼結鉱の強度をさらに向上することを可能とするものである。
【００３７】
さらに、焼結時の通気性が改善されるので、造粒物を十分に焼結することができ、焼結鉱の強度を増加させることを可能とするものである。
【００３９】
さらに、このように、鉄鉱石粉に珪酸ナトリウムをコーティングできることにより、珪酸ナトリウムの添加量を少なくすることができ、高炉操業への悪影響の防止を可能とするものである。
請求項２記載の発明である、請求項１記載の焼結鉱の製造方法により製造された焼結鉱は、強度が高く、高炉操業に悪影響を及ぼさない効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における疑似粒子の粒度分布を示す図である。
【図２】本発明の実施例における焼結鍋での焼結時のガス流量変化を示す図である。
【図３】本発明の実施例における焼結鍋での焼結時の充填層内各部位における温度変化を示す図である。
【図４】本発明の実施例における焼結鉱の落下試験後の粒度構成を示す図である。
【図５】焼結原料の事前処理工程を示す図である。
【符号の説明】
１  原料槽
２  ドラムミキサー
３  給鉱ホッパー
４  焼結機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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