説明

炭材内装塊成化物の製造方法および製造装置

【課題】粉状鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材との混合物を作製する際において、簡易な設備にて原料粉の飛散ロスを低減することにより、原料歩留およびエネルギ効率を改善しうる炭材内装塊成化物の製造方法を提供する。
【解決手段】乾燥した粉状鉄含有原料Bと軟化溶融性を有する粉状炭材Aとを竪形混合槽3内で加熱しつつ混合して250〜550℃の混合物Cとする。この混合物Cを双ロール型成形機4で熱間成形し、得られた成形物Dをシャフト炉5にて熱間成形温度以上で800℃以下に保持して成形物中に残存する揮発分およびタール分を除去し、炭材内装塊成化物Eを得る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料として用いることができる炭材内装塊成化物の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
本発明者らは、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料として用いることを目的として、粉鉱石(粉状鉄含有原料)と軟化溶融性を有する炭材の混合物を熱間成形することにより、従来の炭材内装コールドペレット等のようにセメントなどのバインダを添加せずとも高強度が得られる炭材内装塊成化物を開発した。
【0003】
このような炭材内装塊成化物は、例えば図2に示すような工程で製造できる。すなわち、粉状鉄鉱石Bをロータリキルン102で400〜800℃に加熱するとともに、軟化溶融性を有する粉状炭材Aを別途ロータリドライヤ1で軟化溶融が起こらない250℃未満の温度で乾燥したのち、この粉状炭材Aと粉状鉄鉱石Bとを二軸型のミキサ103で混合して粉状炭材Aが軟化溶融する温度である250〜550℃の混合物Cとする。そして、この混合物Cを双ロール型成形機4で熱間成形してブリケット化することにより炭材内装塊成化物Eが得られる(特許文献1,2参照)。
【0004】
上記方法(装置)では、混合物Cの昇温を粉状鉄鉱石Bの顕熱を用いて行うことを技術思想としているが、その後の発明者らの検討により以下の問題が生じることがわかった。
【0005】
すなわち、粉状石炭などの軟化溶融性を有する粉状炭材を400〜800℃に加熱された高温の粉状鉄鉱石と混合すると、炭材粒子の一部が急速に昇温することに伴い、揮発分が急激にガス化して一気に放出されるため、混合粉が突沸して原料粉(粉状鉄鉱石および粉状炭材を総称したものを意味する。「原料」も同じ意。)が多量に飛散するとともに、混合粉にガスが巻き込まれて粉状鉄鉱石から粉状炭材への伝熱が阻害され、原料歩留の低下やエネルギのロスを招くことがわかった。
【0006】
また、飛散した原料粉は回収して再度原料として用いることにより原料歩留の改善は可能なものの、原料粉を回収するための工程(設備)が別途必要となり、工程が複雑になり設備コストの上昇につながる問題がある。
【特許文献1】特許3502011号公報
【特許文献2】特許3502008号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
そこで、本発明は、粉状鉄鉱石などの粉状鉄含有原料と粉状石炭などの軟化溶融性を有する粉状炭材との混合物を作製する際において、簡易な設備にて原料粉の飛散ロスを低減することにより、原料歩留およびエネルギ効率を改善しうる炭材内装塊成化物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】
【0008】
請求項1に記載の発明は、粉状鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材とを加熱しつつ混合して350〜550℃の混合物とする加熱混合工程と、前記混合物を熱間成形して炭材内装塊成化物となす熱間成形工程とを備えたことを特徴とする炭材内装塊成化物の製造方法である。
【0009】
請求項2に記載の発明は、前記加熱混合工程における処理時間を10〜120sとする請求項1に記載の炭材内装塊成化物の製造方法である。
【0010】
請求項3に記載の発明は、粉状鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材とを処理時間10〜120sの間で加熱しつつ混合して350〜550℃の混合物を作製する加熱混合設備と、前記混合物を熱間成形して炭材内装塊成化物を作製する成形設備とを備えたことを特徴とする炭材内装塊成化物の製造装置である。
【0011】
なお、「軟化溶融性を有する粉状炭材」とは、logMF(ここに、MFはギーセラ最高流動度である。)が1.0以上の石炭、SRC、タイヤチップ、プラスチック、アスファルト、タールなど軟化溶融性を有する炭素質物質を少なくとも1種含むものであって、粉状のものの総称である。なお、この「軟化溶融性を有する粉状炭材」は、上記軟化溶融性を有する炭素質物質に加えて、さらにコークス、一般炭、無煙炭、オイルコークスなど軟化溶融性を実質的に有しない炭素質物質を1種以上混合したものであってもよい。また、「粉状鉄含有原料」とは、鉄鉱石、製鉄ダスト(高炉ダスト、転炉ダスト、電気炉ダスト、ミルスケールなど)など主として酸化鉄を含有する原料、またはこれらの原料の2種以上の混合物であって、粉状のものの総称である。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、粉状鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材との混合物を作製する際において、従来のように粉状炭材に高温の粉状鉄含有原料を混ぜ込むのではなく、粉状鉄含有原料と粉状炭材とを混合しつつ所定温度まで加熱するため、炭材粒子が均質に昇温され、揮発分の急激なガス化が抑制されるため、原料粉の突沸が防止されて原料粉の飛散が抑制されるとともに、混合粉へのガスの巻き込みが抑制されて伝熱効率が向上することにより、原料歩留およびエネルギ効率が大幅に改善されるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
(実施形態)
図1に本発明の一実施形態に係る炭材内装塊成化物(以下、単に「塊成化物」ともいう。)の製造フローの概念図を示す。なお、上記従来技術で説明した図2と共通する装置および物質には同じ符号を用いた。以下、粉状鉄含有原料として粉状鉄鉱石を代表例として説明する。炭材のうち軟化溶融性を有する炭材(例えば、粘結炭、SRC等)は、粉状鉄鉱石および軟化溶融性を実質的に有しない炭材との混合状態を良好に保つために1mm以下程度に粉砕するのが望ましい。また、上記軟化溶融性を有する炭材との充填性を上げるため、鉄鉱石と、炭材のうち軟化溶融性を実質的に有しない炭材(例えば、コークス粉、一般炭、無煙炭、オイルコークス等)は、必要な場合には粉砕して使用する。粉砕粒度は、その上限は成形が可能な粒度であるが、下限は特に限定されないものの、軟化溶融性を有する炭材と同程度が望ましい。
【0014】
〔炭材乾燥加熱工程〕
このようにして粒度調整された粉状炭材Aは、炭材乾燥加熱設備(例えば、ロータリドライヤ)1で、炭材Aが実質的に軟化溶融しない350℃以下の温度で乾燥・加熱し、付着水分を除去する。ここで、粉状炭材Aの乾燥加熱温度は、従来技術(特許文献1,2参照)では炭材が軟化溶融しない「250℃未満」としていたが、発明者らのその後の検討により「350℃」まで乾燥加熱温度を上昇させても炭材は実質上軟化溶融しないことが判明したため、「350℃以下」とした。
【0015】
〔鉱石乾燥加熱工程〕
また、粉状鉄鉱石Bも、鉱石乾燥加熱設備(例えば、ロータリドライヤ)2で350℃以下の温度で乾燥・加熱し、付着水分を除去する。ここで、粉状鉄鉱石の乾燥加熱温度を350℃以下としたのは、粉状炭材と混合したときに粉状炭材が急速に軟化溶融しないようにするためである。
【0016】
〔加熱混合工程〕
乾燥した粉状炭材Aと粉状鉄鉱石Bとの混合には、加熱混合設備として、粉状炭材Aの無機化および/または炭材軟化による不要な造粒を抑制するために短時間で混合できるこの業種で常用されている、例えば竪形混合槽3を用いる。この竪形混合槽3は混合物Cを成形温度である350〜550℃まで加熱するため例えば外熱式の加熱機構を備えたものとする。
【0017】
竪形混合槽3内における処理時間は10〜120sの範囲とするのが好ましい。10s未満では混合時間が不足して均質な混合物が得られなくなることおよび混合物からの脱気が不十分となることにより、次工程の熱間成形時に混合物に成形圧力が十分に伝わらず成形された塊成化物に割れが発生したり強度不足が生じたりしやすい。他方120sを超えると混合物からの脱気は十分に行われるものの、加熱により軟化溶融した、バインダとしての炭材同士が凝集・融着して大きな塊を形成してしまうため、竪形混合槽3からの排出が阻害されたり、次工程の熱間成形時においてこのような大きな塊の存在により成形圧力が十分に伝わらずやはり塊成化物の強度不足が生じたりしやすい。これに対し、処理時間を10〜120sの範囲とすると、均質な混合物が得られ、脱気が十分に行われるとともに、大きな塊も生成せず、また炭材のバインダとしての作用も十分に得られるため、次工程の熱間成形時に成形圧力が十分に伝達され高強度の塊成化物が得られることとなる。
【0018】
〔熱間成形工程〕
このようにして得られた粉状炭材Aと粉状鉄鉱石Bからなる混合物Cは、成形設備として例えば熱間成形用の双ロール型成形機4を用いて加圧成形し、成形物Dとなす。加圧成形は、成形物Dを熱処理して得られた塊成化物Eが成形機4から竪型炉(例えば、高炉)への装入までのハンドリングに耐え得るに十分な強度である0.5kN/個以上が得られるよう、成形加圧力を10kN/cm以上とする。
【0019】
このようにして成形された成形物Dは、粉状鉄鉱石Bの空隙に、溶融した軟化溶融性を有する炭材Aが浸入し、この炭材Aが潤滑剤として作用して、成形物Dの表面に加えられた成形加圧力が成形物Dの内部にまでほぼ均一に及ぶため、表面近傍のみが圧密されることが防止され、成形物D内の気孔率分布が平均化され、加熱時に爆裂が起こらない塊成化物Eが得られる。
【0020】
また、固化後の炭材Aは、粉状鉄鉱石Bの粒子同士を強固に連結するとともに、粉状鉄鉱石Bとの接触面積も大きくなっており、このようにして得られた塊成化物Eは、高強度で、かつ被還元性に優れたものとなる。
【0021】
〔熱処理工程〕
この成形物Dを上記熱間成形温度(250〜550℃)以上800℃以下の温度に調整した熱処理設備(例えば、シャフト炉)5内に装入し、成形物D中に残存する揮発分およびタール分を除去し、炭材を固化させる。これにより、成形物Dが熱処理されて得られた塊成化物Eが竪型炉に装入されて加熱された際に、もはや炭材が軟化することがなく塊成化物Eの強度が維持されるとともに、タール分が多量に発生することがなく竪型炉の排ガス系統にタールが固着する等のトラブルの発生を防止できる。シャフト炉5内温度の下限を成形温度としたのは成形温度を下回ると揮発分やタール分の除去は非常に困難となるためであり、上限を800℃としたのは成形物D中の鉄分がシャフト炉5内で不必要に還元されて塊成化物Hの強度が低下してしまうのを防止するためである。また、揮発分やタール分の除去を促進するために、シャフト炉5内を負圧に制御することも有効な手段の一つである。
【0022】
シャフト炉5で熱処理された塊成化物Hは、熱いまま大気中に排出すると発火や燃焼のおそれがあるため、シャフト炉5の下部で窒素ガスなどの不活性ガスにより400℃以下まで冷却してから排出するのが望ましい。
【0023】
なお、ロータリドライヤ1、竪形混合槽3、成形機4およびシャフト炉5は外部からの大気(酸素)の侵入を防止する構造とし、これらの設備で発生する炭材Aの熱分解ガス(揮発分)は炭化水素が主成分であるので、このガスをエジェクタ等を用いて吸引回収し、回収したガスはロータリキルン2等の加熱燃料として利用する。なお、このガス中には粉塵や高沸点タールなどの有害成分も含有されるため、排ガス処理設備(例えば、安水スクラバ)9により除塵・清浄後に用いるのが望ましい。
【0024】
(変形例)
上記実施形態では、炭材乾燥加熱設備および鉱石乾燥加熱設備としてロータリドライヤを例示したが、流動層式ドライヤ、チューブドライヤ、外熱式多筒型ロータリドライヤ、気流式ドライヤ、流動層式ドライヤなどを用いてもよく、これらを複数組み合わせて用いてもよい。
【0025】
また、上記実施形態では、炭材乾燥加熱設備および鉱石乾燥加熱設備を両方とも設けた例を示したが、これらの設備は必ずしも必須の設備ではなく、いずれか一方のみ設けてもよく、あるいは両方とも省略することも可能である。
【0026】
また、上記実施形態では、加熱混合設備として竪型混合槽を例示したが、横型容器回転型混合機(ドラムミキサなど)や横型容器固定軸混合型混合機(例えば、パドルミキサ、リボンミキサ)などを用いてもよく、これらを複数組み合わせて用いてもよい。また、連続式の混合方式だけでなく、混合槽の前段にホッパを設置し断続的に稼動させるバッチ式の混合形方式を採用してもよく、さらに連続式とバッチ式とを組み合わせて用いてもよい。
【0027】
また、上記実施形態では、竪型混合槽の加熱機構として外熱式のものを例示したが、燃焼ガスなどを熱源とする内熱式のものを用いてもよい。
【0028】
また、上記実施形態では、成形設備として双ロール型成形機を例示したが、打錠機などを用いてもよい。
【0029】
また、上記実施形態では、竪形混合槽と双ロール型成形機との組み合わせを例示したが、この組み合わせに代えて、粉状鉄鉱石と粉状炭材とを加熱しつつ混合したのち連続的に圧縮成形して押し出す、外熱式の加熱機構を備えた押出し機(例えば、単軸混練型エクストルーダ、複軸混練型エクストルーダ)と、前記押し出された成形物を所定の長さごとに切断して炭材内装塊成化物を作製するカッターとの組み合わせで構成してもよい。
【0030】
また、上記実施形態では、熱処理設備としてシャフト炉を例示したが、ロータリキルン、回転炉床炉、外熱式多筒型キルン、外熱式および/または内熱式横型容器固定軸回転型加熱炉、バッチ炉などを用いてもよく、これらを複数組み合わせて用いてもよい。
【0031】
また、上記実施形態では、熱処理工程を設けた例を示したが、竪型炉における炭材内装塊成化物の使用量が少ない場合等は、竪型炉内でのタール発生総量も少なくなるので、熱処理工程を省略してもよい。なお、本発明方法で製造された炭材内装塊成化物は、竪型炉に装入された際、炉内で徐々に昇温されるので、たとえ内部に揮発分が残存していても、揮発分は徐々に除去されるため塊成化物が爆裂するおそれはない。
【0032】
また、上記実施形態では、シャフト炉の下部に冷却部を設けた例を示したが、シャフト炉と別に冷却設備を設けてもよい。
【0033】
本発明に係る炭材内装塊成化物は、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料、すなわち鉄源として用いることを想定したものであるため、通常は、粉状炭材より粉状鉄含有原料の配合割合を高くして製造する。しかしながら、粉状鉄含有原料より粉状炭材の配合割合を高くしても、本発明方法により塊成化物を製造できることが明らかである。このようにして得られる炭材配合割合の高い塊成化物は、フェロコークスを製造するための原料としてコークス炉に装入して用いることが可能である。
【実施例】
【0034】
[発明例1]
本発明の効果を確認するため、以下のラボ実験を実施した。粉状鉄鉱石としては、リオドセ鉱シンターフィード(リオドセSF)を1.4mm以下に篩い分けたものを用いた。いっぽう粉状石炭としては、logMF=3.4の流動性を有する石炭をボールミルにて1mm以下に粉砕したものを用いた。
【0035】
そして、粉状鉄鉱石約15gと粉状鉄鉱石約4gを、電熱ヒータを巻き付けて420℃に保持した鉄製容器(内径20mm、高さ40mm)内に装入し、熱電対を攪拌棒として用いて15〜120sの間で種々混合時間(加熱混合機における処理時間に相当)を変更して攪拌混合して混合物を作製し、これを直ちに圧潰強度試験機にて成形圧力800kgf/cm(≒78.5MPa)の荷重にて直径d=20mm,高さh=20mmのタブレット状の炭材内装塊成化物に成形した。混合物の温度は上記攪拌混合に用いた熱電対で測定したが、混合物の熱容量は上記容器の熱容量に比較して十分小さいため、上記混合時間の範囲(25〜120s)においては、混合完了時の混合物の温度は原料装入前の容器温度である420℃にほぼ一致した。
【0036】
そして、このようにして成形されたタブレットを室温まで冷却した後、コンクリートの引張強度試験方法(JIS−A1113)に準じて、上記圧潰強度試験機にてタブレットの直径方向に圧縮荷重を掛けて破壊荷重Pを測定し、これをσ=2P/(πdh)の関係式を用いてタブレット高さ方向の引張強度σに換算した。
【0037】
ここで、別途、粉状鉱石や粉状石炭の種類、粉状鉱石と粉状石炭の配合割合、成形温度などを種々変更して作製したブリケット(30mm×25mm×17mmの卵形)の圧潰強度と、同じ原料を用いて同じ配合で同じ成形温度にて成形したタブレットの引張強度との相関関係を調査した結果、図3に示すように、両者の間に強い線形関係が成立することが確認された。したがって、ラボ実験で求めたタブレットの引張強度によりブリケット(塊成化物)の圧潰強度を評価できることが明らかである。
【0038】
図4に加熱混合機における混合時間(処理時間)とタブレットの引張強度との関係を示す。同図に示すように、タブレットの引張強度(すなわち、ブリケットの圧潰強度)は、当初、混合時間の増加とともに上昇するが、混合時間60sで最高値を示し、さらに混合時間を延長すると低下するのがわかる。なお、混合時間15〜120sの間では、タブレットの引張強度は5kgf/cm(≒0.5MPa)以上が得られ、ブリケットの圧潰強度に換算すると100kgf(≒1kN)以上が得られることとなる。したがって、本発明で規定するように、粉状鉄鉱石と粉状炭材とを10〜120sの処理時間で加熱しつつ混合して350〜550℃の混合物とし、これを熱間成形して塊成化物を製造することにより、高炉など竪形炉への装入時のハンドリングに問題のない50kgf(0.5kN)以上の圧潰強度を有する塊成化物が確実に得られることがわかった。
【0039】
また、原料歩留を評価する指標として下記式(1)で定義される回収率を用いたが、本発明例1では回収率は93%が得られ、加熱混合時における原料粉の飛散ロスは小さく、高い原料歩留が得られることが確認できた。
【0040】
回収率(%)=(タブレットの質量)/(粉状鉱石の質量+粉状石炭の質量)×100 …式(1)
【0041】
[発明例2]
次に、粉状石炭の種類を種々変更するとともに、容器温度350〜500℃、混合時間30〜90sの間で種々変更して、上記発明例1と同様のタブレット成形によるラボ実験を実施した。
【0042】
実験結果を図5に粉状石炭の流動性とタブレットの引張強度との関係で示す。同図に示すように、粉状石炭の種類によりタブレットの引張強度にバラツキが見られるものの、logMFが1.0以上の粉状石炭を用いることにより、タブレットの引張強度は3kgf/cm(≒0.3Mpa)以上が得られる。したがって、ブリケット(塊成化物)の圧潰強度に換算すると50kgf(≒0.5kN)以上が得られ、高炉などの竪型炉への装入時のハンドリングに問題のない高強度の塊成化物が得られることが確認できた。また、上記式(1)で定義される回収率は90〜95%の範囲であり、上記発明例1と同様、高い原料歩留が得られることが確認できた。
【0043】
[比較例1]
上記発明例1と同じ原料の組み合わせを用い、容器温度は300℃、混合時間は30sとし、上記発明例1と同様の方法によりタブレットの成形を試みたが、成形は不能であった。混合物の温度(すなわち、成形温度)が本発明の規定する350〜550℃に達していないため、粉状石炭の軟化溶融が不十分なことによりバインダとしての機能が発揮できなかったものと考えられる。
【0044】
[比較例2]
混合物の昇温を粉状鉄鉱石の顕熱を用いて行う従来法を模擬するため、上記発明例1で使用したラボ実験装置と原料粉を用い、200℃に保持した容器に粉状石炭を装入した後に、別の加熱炉で700℃に加熱した粉状鉄鉱石を投入するラボ実験を実施した。
【0045】
その結果、粉状鉄鉱石を投入し混合し始めた直後にガスが噴出して突沸が生じ、原料粉が多量に吹きこぼれた。上記式(1)で定義される回収率は70%となり、上記発明例1,2に比べ非常に低い値であった。
【0046】
また、混合後の混合物の温度は400℃であったことから、下記式(2)で算出された伝熱効率は約30%と非常に低い値となった。なお、このように伝熱効率が著しく低い値となったのは、突沸により吹きこぼれた原料粉の大部分が、熱源となるべき粉状鉄鉱石であることによるものである。
【0047】
伝熱効率(%)=[粉状石炭の質量×石炭比熱×(400℃−200℃)]/[粉状鉄鉱石の質量×鉄鉱石比熱×(700℃−400℃)]×100 …式(2)
ここに、石炭比熱=1.05MJ/(kg・K)、鉄鉱石比熱=0.63MJ/(kg・K)とした。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】本発明の実施に係る炭材内装塊成化物の製造フローの概念図である。
【図2】従来法による炭材内装塊成化物の製造フローの概念図である。
【図3】タブレットの引張強度とブリケットの圧潰強度との関係を示すグラフ図である。
【図4】発明例1における、混合時間とタブレットの引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図5】発明例2における、粉状石炭の流動性とタブレットの引張強度との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【0049】
1:炭材乾燥加熱設備(ロータリドライヤ)
2:鉱石乾燥加熱設備(ロータリドライヤ)
3:加熱混合設備(竪形混合槽)
4:成形設備(双ロール型成形機)
5:熱処理設備(シャフト炉)
9:排ガス処理設備(安水スクラバ)
A:粉状炭材(粉状石炭)
B:粉状鉄含有原料(粉状鉄鉱石)
C:混合物
D:成形物
E:炭材内装塊成化物

【特許請求の範囲】
【請求項1】
粉状鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材とを加熱しつつ混合して350〜550℃の混合物とする加熱混合工程と、前記混合物を熱間成形して炭材内装塊成化物となす熱間成形工程とを備えたことを特徴とする炭材内装塊成化物の製造方法。
【請求項2】
前記加熱混合工程における処理時間を10〜120sとする請求項1に記載の炭材内装塊成化物の製造方法。
【請求項3】
粉状鉄含有原料と軟化溶融性を有する粉状炭材とを処理時間10〜120sの間で加熱しつつ混合して350〜550℃の混合物を作製する加熱混合設備と、前記混合物を熱間成形して炭材内装塊成化物を作製する成形設備とを備えたことを特徴とする炭材内装塊成化物の製造装置。

【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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【公開番号】特開2007−211271(P2007−211271A)
【公開日】平成19年8月23日(2007.8.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−30134(P2006−30134)
【出願日】平成18年2月7日(2006.2.7)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】