JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）p. 29-35

焼結プロセスにおける気体燃料と酸素による温度制御技術の開発
Development of Temperature Control Technology by Gaseous Fuel andOxygen in Iron Ore Sintering Process
岩見友司

IWAMI Yuji

JFE スチール

スチール研究所

製銑研究部

主任研究員（副課長）樋口隆英

HIGUCHI Takahide

JFE スチール

スチール研究所

製銑研究部主任研究員（副部長）・博士（環境科学）

山下勝宏

YAMASHITA Katsuhiro

JFE スチール

東日本製鉄所（京浜地区） 製銑部

製銑技術室

主任部員（課長）

要旨
近年，SDGs に代表されるように CO2 排出量の削減が喫緊の課題となっており，鉄鋼業においても製銑プロセスからの CO2 排出量削減が強く求められている。JFE スチールでは 2009 年に焼結機への気体燃料吹込み技術（Super®

SINTER ）の実用化に成功した。本技術は焼結層の表面から所定量の炭化水素系気体燃料を吹き込むことで，層内で液相が生成する 1 200℃以上の保持時間を延長するものである。本技術を導入した工場では，焼結・高炉工程でのコークス使用量削減により，年間最大 60 000 トンの CO2 排出量削減を達成した。また，気体燃料と酸素の併用吹込み技術によりコークスと気体燃料の燃焼速度を制御し，1 200℃以上の保持時間をさらに延長させた。

Abstract:
Reduction of CO2 emissions has become an urgent issue as represented by the SDGs in recent years, and at thesame time, the iron and steel industr y is also strongly required to reduce CO 2 emissions from the ironmaking®

process. In JFE Steel, the gaseous fuel injection technology（Super-SINTER ）was developed and installed to actual
sintering machine in 2009. In this technology, the predetermined amount of hydrocarbon gaseous fuel injection frombed surface extended holding time over 1 200℃ at which liquid phase sintering occurs. This technology was applied
to a plant, and by the reduction of coke usage in sintering and blast furnace process, a maximum CO2 reduction of
60,000 t/y was achieved. Moreover, by controlling combustion rate of coke and gaseous fuel with gaseous fuel and®

oxygen injection technology（Super-SINTER OXY）
, improvement of further extension of holding time over 1 200℃
was successfully achieved.

1． はじめに循環システムは，その顕熱により冷却速度を低下させること
4）

近年，気候変動への具体的な対策として，CO2 排出量のが報告されている が，一方で循環主排ガスの酸素濃度が削減技術開発が急務となっている。鉄鋼業における CO2 排

低く湿分が高い場合は生産性が低下することも報告されてい

1）

5）

6）

出量の約 60％以上は焼結と高炉で発生するため ，焼結機る 。また，予熱した空気を吹き込む方法も提案されているで使用する粉コークスと，高炉で使用する塊コークスの削が，予熱空気は粉コークスの燃焼には影響を及ぼさないと減が強く求められている。粉コークス比と塊コークス比の低いう点で適用限界があることも報告されている 。これらの減には，焼結鉱の強度と被還元性の改善が有効であること理由から，いずれの技術も焼結機への適用は限定的である。

7）2）が一般的に知られている 。焼結プロセスでは約 1 200℃かJFE スチールでは，粉コークスの一部代替として，焼結層ら原料が溶融を開始し，生成した融液が鉱石間に浸透・凝の表面から所定量の炭化水素系気体燃料を吹込むことで，固することで塊成化が進行する。この液相からは高強度の1 200～1 400℃の保持時間を延長する技術を開発した 。本3）8）カルシウムフェライト組織 が生成し，約 1 400℃で分解す技術により，粉コークス比を低減しつつ，強度を改善するこる。したがって，高強度焼結鉱の製造には，反応温度をとが可能となった。さらに気体燃料と酸素の複合吹込み1 200～1 400℃に保つことが有効である。

によりコークスと気体燃料の燃焼速度を制御することで，これまでに，粉コークス比を増加させずに強度を向上させる技術がいくつか提案されている。例えば焼結機の主排ガス

9, 10）

1 200～1 400℃の保持時間をさらに延長し，気体燃料吹込みの効果を向上させる技術を開発した。
本報では気体燃料吹込み技術および酸素との併用技術の，2021 年 9 月 29 日受付

基礎検討と実機適用について述べる。
－ 29 －Copyright © 2022 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

焼結プロセスにおける気体燃料と酸素による温度制御技術の開発

2． 気体燃料吹込みの検討
2.1

2.2

実験方法

2.1.1

焼結特性に及ぼす気体燃料吹込みの影響

表 1 に焼結鉱の品質および生産性に関する，従来法とLNG 吹込み法の比較を示す。写真のとおり，LNG 吹込み法

焼結鍋試験

まず，焼結鍋試験装置で，層内温度に及ぼす気体燃料吹では従来法と比較して赤熱領域が大幅に拡大していた。

込みの影響について調査した。石英ガラス鍋（300 mmφ ×LNG 吹込み法では焼結時間はわずかに延長したが，シャッ400 mmH）に焼結原料を充填し，点火後 60 秒から焼結完了ま

ター強度が 2.2％改善し，焼成歩留が 3.8％改善した。通常，で液化天然ガス（以下，LNG; CH4/C2H6/C3H8＝89/5/6 vol.％）

JIS-RI は強度と背反する傾向にあるが，LNG 吹込み法ではを空気に混合して吹込んだ。吸引負圧は 6.9 kPa で一定とシャッター強度が改善した一方で，JIS-RI も 5.9％改善した。

し，床敷層厚は 20 mm とした。石英ガラス鍋側面からサー

また，JIS-RDI は 7.8 mass％改善した。これは，焼結鉱の強モグラフィを用いて熱画像を撮影した。

度向上によるものと考えられる。

返鉱配合比率が 20 mass％，SiO2 が 4.8 mass％，塩基度2.3（CaO/SiO2）が 1.9 となるように配合を調整した。従来法で温度履歴に及ぼす気体燃料吹込みの影響

は粉コークス比を 5.0 mass％とし，LNG 吹込み法では LNG

表 2 に点火後 250 秒のビデオカメラとサーモグラフィにを吸引空気に対して 0.4 vol.％となるように設定し，投入熱よる燃焼挙動の観察結果を示す。サーモグラフィ観察結果

量が一定となるように粉コークス比を 4.6 mass％まで低減しの赤色斜線部は 1 400℃以上を計測した温度領域である。従来 法 で は 1 200 ℃ 以 上 の 温 度 領 域 が 狭 い に も 関 わ ら ずた。
シャッター強度，被還元性（JIS-RI），および還元粉化性

1 400℃以上の温度領域が存在しているのに対し，LNG 吹込（JIS-RDI）の測定に加え，粉末 X 線回折法により，組織中み法では 1 200℃以上の温度領域が上方に拡大し，1 400℃以のヘマタイト，カルシウムフェライト，マグネタイト，スラ上の温度領域が消失していた。これは，LNG の燃焼開始温11）グ組織を定量化した 。
2.1.2

実機試験

実験室で観察された効果について，東日本製鉄所（京浜地区）第 1 焼結工場（以下，京浜第 1 焼結工場）で実機試
験により検証した。下層よりも強度が低くなる傾向の上層部

表1 焼
 結鉱の品質および生産性に関する従来法と LNG 吹込み法の比較
Table 1 Comparison of sinter productivity and quality between
call coke method and LNG injection methodの温度履歴改善を目的とし，上層に反応帯が存在すると思われる，機長の前方約 1/3 の範囲にフードを設置し，LNGを 250 Nm /h で吹込んだ。造粒水分は 7.6 mass％，層厚は3650 mm に 設 定 し た。 パ レ ット ス ピ ー ド は，BTP（BurnThrough Point; 焼結完了点）が一定になるように制御した。
LNG 吹込み前後でのタンブラー強度，JIS-RI，JIS-RDI を計測した。また，焼結機パレット台車のサイドウォールに穴を設け，R 型熱電対（3.2 mmφ ×1 000 mmL）を 500 mm 挿入し，層内温度履歴を計測した。

表 2 点火後 250 秒におけるビデオカメラとサーモグラフィによる燃焼挙動の観察結果
Table 2

JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

Effect of gaseous fuel injection method on temperature distribution measured
by thermography at 250 s after ignition－ 30 －焼結プロセスにおける気体燃料と酸素による温度制御技術の開発

図1 点
 火後 600 秒での温度分布に及ぼす気体燃料吹込み技術の影響
Fig. 1

Effect of gaseous fuel injection method on temperature
distribution with mathematical model at 600 s afterignition

図 2 LNG 吹き込み法による鉱物組織の変化
Fig. 2

Change of mineral texture with LNG injection method

2.5

実機での操業結果に及ぼす気体燃料吹込みの
影響

度が 650～750℃であるため，焼結層の上部から吹込まれたLNG が粉コークスの燃焼位置に到達する前に燃焼し始め，粉コークス燃焼後の，上層から流入する空気による冷却が緩和されたためと考えられる。ここで 650～750℃は LNG の京浜第 1 焼結工場で気体燃料吹込みが温度分布に与える約 90％を構成するメタンの燃焼温度範囲である。また，LNG影響を評価した。図 3（a）に上層の温度分布を，図 3（b）

吹込み法では粉コークスを低減していることから，これによに下層の温度分布を示す。図 3（a）に示すとおり，LNG 吹り 1 400℃以上の温度領域が消失したものと考えられる。

込み法により，上層の最高温度は上昇せず，1 200℃以上の著者らは，気体燃料吹込み技術の原理を確認するため，保持時間が 134 秒から 258 秒に延長した。一方，図 3（b）

結層内の温度分布を推定する数学モデルを開発した。本モに 示 す とおり，LNG 吹 込 み 法 により 下 層 の 最 高 温 度 がデルでは，物質量，熱量，運動量の保存則に基づいた微分

1 437℃から 1 370℃に低下した。これは，粉コークス原単位方程式により圧力，温度，ガス流速を計算した。本モデルが 3.0 kg/t-s 減少したためと考えられる。したがって，LNGには，焼結層内における一般的な反応についての速度式を吹込みにより脆弱な上層部の強度が改善し，粉コークス原考慮した上で，メタンの燃焼速度式を新たに追加した。

単位の削減により下層の JIS-RI が向上したと言える。この

図 1 に点火後 600 秒での温度分布に及ぼす気体燃料吹込ことから，最高温度を上げず 1 200℃以上の保持時間を延長

み技術の影響を示す。計算結果と実験結果はよく一致してする「C 型焼結法 」の温度分布を，LNG 吹込み法によっおり，気体燃料吹込み技術により 1 200～1 400℃の領域が拡て達成できたと考えられる。

2）

大していた。また，粉コークスと異なる位置でメタンが示す。LNG 吹込み法では，従来法と比較して，同じ生産性650～700℃で燃焼していることも確認できた。

2.4

図 4 に従来法と LNG 吹込み法の操業結果と品質の変化をでタンブラー強度が約 1％向上した。また，このタンブラー

鉱物組織形成に及ぼす気体燃料吹込みの影響強度の向上に伴い，粉コークス原単位が 3.0 kg/t-s 低減した。

図 2 に焼結鍋試験における LNG 吹込み法による鉱物組成

JIS-RI も徐々に向上し，最終的に 4％改善した。この試験結の変化を示す。LNG 吹込み法により，従来法と比較してカ果に基づいて熱収支を計算した。入熱は点火炉内のコークルシウムフェライト組織比率が 1.6 倍に増加し，低強度のスス炉ガス，粉コークス，および LNG の燃焼熱とした。LNG

ラグ 組 織 が 減 少 し た。LNG 吹 込 み 法 で は， 最 高 温 度 が吹込み法では，従来法と比較し，熱量原単位が約 60 MJ/t-s

1 400℃以下に低下したことにより，カルシウムフェライト減少した。各燃焼熱はコークス炉ガス：17.6 MJ/Nm ，粉の分解が抑制されたため，スラグ組織が減少したと考えら

コークス：27.1 MJ/kg，LNG：41.6 MJ/Nm を用いた。LNG3）33れる。Kissin ら は，カルシウムフェライト組織が強度と被吹込み法は，従来法と比較して，同じ生産性で熱量原単位還元性に優れ，スラグ組織は劣っていると報告している。

が低減し，併せてタンブラー強度と被還元性が改善した。

このことから，カルシウムフェライト組織比率の増加とスラグ組織比率の減少が，LNG 吹込み法による強度と被還元性の改善理由の一つであると考えられる。

－ 31 －

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焼結プロセスにおける気体燃料と酸素による温度制御技術の開発

図 3 層内温度分布に及ぼす LNG 吹き込みの影響（京浜第 1 焼結工場）
Fig. 3

Effects of LNG injection method on temperature distribution at Keihin No.1 Sinter Plant

図 4 京浜第 1 焼結工場における操業結果と焼結鉱品質に及ぼす LNG 吹込みの影響
Fig. 4

Change in operational result and quality with LNG injection method in comparison
with all coke method

3． 気体燃料と酸素の併用吹込み
3.1

は，吹込む LNG と等熱量相当の粉コークスを削減した。試験では 2.1.1 項に示した石英ガラス鍋を使用し，ビデオカメ実験方法

3.1.1

ラとサーモグラフィにより赤熱領域を撮像した。返鉱配合比
率が 20 mass％，SiO2 が 4.8 mass％，塩基度（CaO / SiO2）

焼結鍋試験

著者らは，次に，LNG と酸素の併用吹込みにより粉コーが 1.9 となるように配合を調整した。
3.1.2

クスと LNG の燃焼挙動を制御することで，1 200～1 400℃9）の保持時間のさらなる延長を試みた 。

実機試験

LNG と酸素の併用吹込みの実機試験は，東日本製鉄所

まず，焼結鍋試験装置で，LNG 吹込みにおける，温度分（千葉地区）第 4 焼結工場で行った。LNG 吹込みのフード

布に及ぼす酸素吹込みの影響を調査した。Case A は LNG，内に酸素配管を敷設し，酸素富化した。実験では LNG と酸酸素を吹込まないベース条件である。Case B では LNG を素のいずれも吹込まない条件をベースとし，他の条件では0.4 vol.％，点火後 60 秒から 300 秒間吹込んだ。Case C で一律 LNG を 0.4 vol.％で吹込み，その 4 倍相当の熱量に相は吸引空気の酸素濃度を 28 vol.％まで富化した。Case D で当する粉コークスを削減した。酸素は 21 vol.％から 30 vol.％は LNG と酸素を併用して吹込んだ。LNG を吹込む条件での範囲とした。2.1.2 項と同様に，層内温度履歴を計測した。

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焼結プロセスにおける気体燃料と酸素による温度制御技術の開発

表 3 各条件における赤熱帯観察結果
Table 3 Observation results of combustion behavior in sintering bed by video camera and thermography

3.2

温度履歴に及ぼす気体燃料と酸素の併用吹込みの影響

表 3 に各 Case の赤熱領域，および層内温度分布の観察結果を示す。LNG 吹込みのみの Case B では，ベース条件である Case A よりも赤熱領域が拡大した。これに対し，酸素吹込みのみの Case C における赤熱領域は Case A よりも狭くなった。一方，LNG と酸素の併用吹込みの Case D では，Case B よりもさらに赤熱領域の面積が拡大した。
粉コークスと LNG（CH4）の酸化速度式は，一般に温度と酸素濃度の関数として表され，温度と酸素濃度の上昇に伴 い 酸 化 速 度 は 速くなる。前 述 のとおり LNG は 大 気 中（O2：21vol. ％）で 650～750 ℃ で 燃 焼 す る の で，650 ℃～750℃で酸化速度は燃焼する値に達している。酸素濃度が21 vol.％を超えると，酸化速度が燃焼する値に達する温度は650～750℃より低くなるため，粉コークスと LNG は低温で燃焼を開始する。
図 5 に各 Case の燃焼位置と温度分布の模式図を示す。粉コークスのみの燃焼位置が存在する Case A と比較し Case B
では粉コークスの燃焼位置の上方に LNG の燃焼位置が存在し，その結果温度履歴における高温領域は上方に向かって

図 5 各条件における燃焼位置と温度分布の模式図
Fig. 5 Schematic diagram of heat pattern and ignition behavior
with each case

拡大する。これは 2.3 節で述べたとおりである。一方，CaseC では，酸素濃度の上昇に伴い粉コークスの燃焼開始温度が低下し，その結果粉コークスの燃焼位置は下層に移動す

図 6 に鍋試験における生産性と強度の関係を示す。Caseる。これに対して Case D では，粉コークスと LNG の両者

B では LNG 吹きみにより 1 200～1 400℃の保持時間が延長が酸素濃度の上昇に伴い低温で燃焼を開始することから，され，焼結強度が向上した。また，Case C では酸素富化に粉コークスの燃焼位置が下方に移動し，LNG の燃焼位置がより焼結時間が短縮され，生産性が向上した。Case D では，上方に移動する。この各燃焼位置の移動により互いの燃焼LNG と酸素の相乗効果により Case B の焼結強度と Case C位置の間隔が拡大し，温度分布における高温領域が拡大しの生産性のいずれをも上回っており，焼結強度と生産性がたものと考えられる。

大幅に向上した。
－ 33 －JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

焼結プロセスにおける気体燃料と酸素による温度制御技術の開発

図 6 鍋試験における生産性と強度の関係
Fig. 6Relationship between productivity and cold strength inpot test

図 8 適用前後における焼結強度の比較
Fig. 8 Comparison of sinter strength between before and afterapplication

4． おわりにJFE スチールでは，CO2 排出量削減を目的として，焼結®

機への気体燃料吹込み技術（Super-SINTER ）および気体®

図7 L
 NG 0.4 vol.％一定条件下における温度に及ぼす酸素濃度の影響

燃料と酸素の併用吹込み技術（Super-SINTER OXY）を開Fig. 7 Ef fects of O 2 concentration on temperature withconstant LNG concentration: 0.4 vol.％（1）気体燃料吹込み技術は，焼結層の表面から吹込まれ発した。
た気体燃料を粉コークスの燃焼位置に到達する前に燃焼させることで，1 200～1 400℃の保持時間を延長3.3する技術である。

実機での操業結果に及ぼす気体燃料と酸素の併用吹込みの影響（2）気体燃料と酸素の併用吹込み技術は，酸素富化により粉コークスと気体燃料の燃焼開始温度を低温化さ

図 7 に 温 度 履 歴 の 測 定 結 果 を 示 す。 前 述 の と お り，せることで燃焼位置同士の間隔を拡大させ，1 200～1 200～1 400℃の保持時間が焼結鉱の品質改善に有効である

1 400℃の保持時間をさらに延長させる技術である。

ことから，1 200～1 400℃の保持時間を計測した。ベース条（3）1 200～1 400℃の保持時間の延長により，カルシウム

件 で あ る T1 に 対 し，LNG を 吹 込 ん だ T2 で は 1 200～フェライトが増加しスラグ組織が減少したことで，強1 400℃の保持時間が 60 秒増加した。酸素濃度を 25 vol.％ま度が改善したと考えられる。

で富化した T3 では，T2 と比較して 100 秒増加し，27 vol.％（4）両技術は実機への適用を完了し，強度改善効果を確まで富化した T4 では，T3 よりもさらに 116 秒増加した。一認した。京浜第 1 焼結工場では，Super-SINTER の方で，30 vol.％まで富化した T5 は，T4 と比較しあまり増加導入により，年間最大 60 000 トンの CO2 排出量削減しなかった。これは粉コークスと LNG の燃焼位置が大きくを達成した。

®

離れすぎたために，1 200～1 400℃の保持時間延長に寄与し謝辞なかったと考えられる。
図 8 に操業試験の結果を示す。この試験期間では LNG を0.4 vol.％吹込む条件をベースとし，27 vol.％まで富化して酸

本研究の成果は九州大学大学院工学研究院との共同研究素吹込みを行った。塊粉の生産性一定（パレットスピード一の成果を含むものであり，ご指摘・ご指導いただいた清水定）の条件のもと，酸素吹込みによりタンブラー強度が 63.1

正賢元九州大学教授および関係各位に深く謝意を表します。

から 64.3％に向上した。さらに酸素濃度が上昇したことで焼成速度が向上し，生石灰原単位が 10 kg/t-s から 8 kg/t-s まで低減した。
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焼結プロセスにおける気体燃料と酸素による温度制御技術の開発

参考文献

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－ 35 －岩見友司

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山下勝宏

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