高炉原料用塊成化物の製造方法
【課題】軟化溶融性をほとんど有しない石炭を用いても、高強度の高炉原料用塊成化物を製造しうる高炉原料用塊成化物の製造方法を提供する。
【解決手段】最高流動度ＭＦが３ＤＤＰＭ以下で、揮発分ＶＭを１０質量％以上含有する粉状石炭Ａと、結晶水ＬＯＩを３質量％以上含有する粉状鉄鉱石Ｂとを、粉状鉄鉱石Ｂの平均粒径ｄ５０を５〜５０μｍで、かつ、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）と、粉状石炭Ａの平均粒径ｄ５０（Ｄｃ）の比率Ｄｏ／Ｄｃを０．１〜２．０として、混合機１にて冷間で混合して混合原料Ｃとした後に、この混合原料Ｃを加熱機２で２５０〜５５０℃に加熱し、この加熱された混合原料Ｃ’を熱間成形機４で熱間成形して成形物Ｄを作製し、この成形物Ｄを熱処理装置５にて５６０〜７５０℃で加熱処理して高炉原料用塊成化物Ｅを製造する。
【解決手段】最高流動度ＭＦが３ＤＤＰＭ以下で、揮発分ＶＭを１０質量％以上含有する粉状石炭Ａと、結晶水ＬＯＩを３質量％以上含有する粉状鉄鉱石Ｂとを、粉状鉄鉱石Ｂの平均粒径ｄ５０を５〜５０μｍで、かつ、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）と、粉状石炭Ａの平均粒径ｄ５０（Ｄｃ）の比率Ｄｏ／Ｄｃを０．１〜２．０として、混合機１にて冷間で混合して混合原料Ｃとした後に、この混合原料Ｃを加熱機２で２５０〜５５０℃に加熱し、この加熱された混合原料Ｃ’を熱間成形機４で熱間成形して成形物Ｄを作製し、この成形物Ｄを熱処理装置５にて５６０〜７５０℃で加熱処理して高炉原料用塊成化物Ｅを製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉の装入原料装入原料として用いることができる、熱間成形による高炉原料用塊成化物の製造方法に関し、詳しくは、高結晶水含有鉄鉱石と微非粘結性石炭との組合せによる高炉原料用塊成化物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、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（以下、単に「塊成化物」ともいう。）は、例えば図１０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（原料加熱手段）１２で４００〜８００℃に加熱するとともに、軟化溶融性（流動性）を有する粉状石炭Ａを別途ロータリドライヤ（炭材加熱手段）１１で軟化溶融が起らない２５０℃未満の温度で乾燥したのち、これらの加熱された粉状石炭Ａ（以下、単に「石炭」ともいう。）と粉状鉄鉱石Ｂ（以下、単に「鉄鉱石」ともいう。）とからなる加熱原料を混合機１３で混合して粉状石炭Ａが軟化溶融する温度である２５０〜５５０℃の加熱混合物Ｃ’とする。そして、この加熱混合物Ｃ’を双ロール型成形機（成形手段）１４で熱間成形してブリケット化し、必要により脱ガス槽（熱処理手段）１５にて残留タール分を除去することにより塊成化物Ｅが得られる（特許文献１，２参照）。
【０００４】
ところで、上記従来技術（特許文献１，２に記載の製造方法）は、粉状石炭Ａとして少なくともｌｏｇＭＦ＞０．５〔すなわち、ＭＦ＞３ＤＤＰＭ〕（ＭＦ：ギーセラー最高流動度）の軟化溶融性を有するものを用いることを必須としているため、原料選択に制約があり、もっと軟化溶融性の低い、あるいは軟化溶融性を有しない石炭を用いても、高炉の装入原料として用いることができる、高強度の高炉原料用塊成化物を製造しうる技術の開発が望まれていた。
【０００５】
なお、特許文献３に記載の炭材内装塊成化物の製造方法は、粉状鉄含有原料の最頻粒径Ｄｏに対する粉状炭材の最頻粒径Ｄｃの比Ｄｃ／Ｄｏを０．２〜０．８に規定するものであり、原料の粒度に関して本願発明と近似した規定を有する。しかしながら、本願発明は、軟化溶融性の低いまたは有しない粉状石炭と粉状の高結晶水鉄鉱石を冷間で混合してから加熱することを技術的思想とするのに対し、特許文献３に記載の発明は、粉状鉄含有原料（粉状鉄鉱石）を加熱してから軟化溶融性を有する粉状炭材（粉状石炭）と混合するという、上記従来技術と同様の技術思想に基づくものであり、両者の技術思想は全く異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−９５１２４号公報
【特許文献２】特開２００１−２９４９４４号公報
【特許文献３】特開２００７−６３６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、軟化溶融性をほとんど有しない石炭を用いても、高強度の高炉原料用塊成化物を製造しうる高炉原料用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】
発明者らは、上記課題の解決策を見出すため、まず、炭種と鉄鉱石銘柄との組合せを種々変更するとともに、それらの混合および加熱の方式を種々変更して熱間成形し、得られた高炉原料用塊成化物の強度に及ぼす影響を調査した。
【０００９】
その結果、驚くべきことに、ごく低流動性ないしは無流動性ではあるが揮発分を所定量含有する石炭と、結晶水を所定量含有する鉄鉱石を、鉄鉱石の粒度を一定値以下に細かくするとともに、鉄鉱石と石炭の平均粒径ｄ５０の比率を所定の範囲になるように調整して冷間で混合した後に、この混合原料を熱間成形温度まで加熱して熱間成形し、さらに、熱間成形温度よりも高い温度で熱処理することで、高炉原料用塊成化物の強度が向上することがわかった（後記実施例参照）。
【００１０】
上記のように、粘結性の非常に低い又は無い石炭を用いても、高炉原料用塊成化物の強度が発現するメカニズムについては、いまだ調査中であるが、現時点では発明者らは以下の仮説に基づくものと想定している。
【００１１】
（ａ）すなわち、ごく低流動性ないしは無流動性ではあるが揮発分を所定量含有する石炭と、結晶水を所定量含有する鉄鉱石からなる混合原料を熱間成形温度である２５０〜５５０℃に加熱すると、揮発分を含有する石炭からは揮発分が気化して（脱揮して）ＣＨ４などの炭化水素成分を含有するガスが発生する一方、結晶水を含有する鉄鉱石からは結晶水が解離して水蒸気（Ｈ２Ｏ）が発生する。すると、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２のガス改質反応によりＨ２が生成し、このＨ２の存在により石炭が水添されて液化が促進され、石炭は流動性（軟化溶融性）を獲得する。このようにして、流動性（軟化溶融性）が発現した石炭と、結晶水の解離によりゲーサイトからヘマタイトへの相変態に伴って比表面積が増加した鉄鉱石とを熱間で加圧成形することで、緻密な成形物が得られる。
【００１２】
（ｂ）さらに、鉄鉱石の粒度を一定値以下に細かくするとともに、鉄鉱石と石炭の平均粒径ｄ５０の比率を所定の範囲になるように調整することで、(1)上記鉄鉱石からの結晶水の解離（脱離）速度を促進して石炭の水添反応を促進させて流動性を高めるとともに、(2)鉄鉱石の微粉部分には粘土質の脈石（Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等）が多く含まれるので、事前の混合により、このような粘土質の脈石を多く含む微粉鉄鉱石が、粗粒の石炭と鉄鉱石の表面に付着し、加圧成形後の成形物の空隙部を埋めてより緻密化するとともに付着力を増加させる。
【００１３】
上記（ａ）および（ｂ）の作用が相乗的に働き、強固な成形物が得られる。
【００１４】
そして、熱間成形後に熱間成形温度よりも高い温度で成形物を熱処理することで、成形物中に残留する揮発分と結晶水が気化し、上記ガス改質反応により発生したＨ２によって石炭の粘結性がさらに高まり、成形物（高炉原料用塊成化物）の強度がより上昇することとなる。
【００１５】
発明者らは上記知見に基づいてさらに検討を加え、以下の発明を完成するに至った。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、ギーセラー最高流動度ＭＦが３ＤＤＰＭ以下で、揮発分ＶＭを１０質量％以上含有する粉状石炭と、結晶水ＬＯＩを３質量％以上含有する粉状鉄鉱石とを混合して混合原料となす混合工程と、この混合原料を２５０〜５５０℃に加熱する加熱工程と、この加熱された混合原料を熱間成形して成形物となす熱間成形工程と、この成形物を５６０〜７５０℃で加熱処理して高炉原料用塊成化物となす熱処理工程と、を備え、前記粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０が５〜５０μｍで、かつ、該粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｏ」という。）と、前記粉状石炭の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｃ」という。）の比率Ｄｏ／Ｄｃが０．１〜２．０であることを特徴とする高炉原料用塊成化物の製造方法である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、前記混合原料中における、〔揮発分ＶＭの含有量〕／〔結晶水ＬＯＩの含有量〕の比率が質量比で０．５〜２．０である請求項１に記載の高炉原料用塊成化物の製造方法である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記熱処理工程の後に、前記高炉原料用塊成化物を不活性ガス雰囲気中で３００℃以下まで冷却する冷却工程を備えた請求項１または２に記載の高炉原料用塊成化物の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、上記従来技術（特許文献１，２に記載の製造方法）と異なり、軟化溶融性は低いが所定量の揮発分を含有する粉状石炭と、所定量の結晶水を含有する粉状鉄含有原料とを、所定の粒度に調整して冷間で混合してから、上記従来技術と同様の熱間成形温度（２５０〜５５０℃）で加熱した後、熱間成形し、上記従来技術の熱処理温度（熱間成形温度以上）よりも高めの温度（５６０〜７５０℃）で熱処理することで、高強度の高炉原料用塊成化物を製造できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る、高炉原料用塊成化物の製造装置の概略構成を示すフロー図である。
【図２】実施例のラボ試験の手順を説明するためのフロー図である。
【図３】粉状鉄鉱石中の結晶水ＬＯＩ含有量と高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図４】粉状石炭の最高流動度ＭＦと高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図５】粉状石炭中の揮発分ＶＭ含有量と高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図６】粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０と高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図７】粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）と粉状石炭の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）の比率Ｄｏ／Ｄｃと、高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図８】成形物の熱処理温度と高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図９】タブレットの示差熱分析結果を示すグラフ図である。
【図１０】従来技術における、炭材内装塊成化物の製造装置の概略構成を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施形態）
図１に本発明の一実施形態に係る高炉原料用塊成化物の製造装置の概略構成を示す。なお、上記従来技術で説明した図８と共通する物質には同じ符号を用いた。
【００２２】
石炭としては、ギーセラー最高流動度ＭＦが３ＤＤＰＭ以下で、揮発分ＶＭを１０質量％以上（好ましくは１２質量％以上）含有するもの、例えば高炉羽口吹込み用微粉炭に用いられる非粘結炭などを用いることができるが、揮発分の含有量が低い（１０質量％未満の）無煙炭は適しない。
【００２３】
ギーセラー最高流動度ＭＦを３ＤＤＰＭ以下としたのは、３ＤＤＰＭを超える（ｌｏｇＭＦ＞０．５）ものであれば、上記従来技術を適用すればよく、本発明を適用するまでもないためである。また、揮発分ＶＭを１０質量％以上（好ましくは１２質量％以上）含有するものとしたのは、上記仮説に基づくメカニズムによれば、揮発分由来の炭化水素成分が相当量発生することが必須であるためである。
【００２４】
また、鉄鉱石としては、結晶水ＬＯＩを３質量％以上（好ましくは５質量％以上、さらに好ましくは７質量％以上）含有するもの、例えば高結晶水鉱石、マラマンバ鉱石、リモナイト鉱石などを用いることができるが、結晶水含有量の低い（３質量％未満の）ヘマタイト鉱石やマグネタイト鉱石は適しない。
【００２５】
結晶水ＬＯＩの含有量を３質量％以上（好ましくは５質量％以上、さらに好ましくは７質量％以上）としたのは、上記仮説に基づくメカニズムによれば、結晶水由来の水蒸気（Ｈ２Ｏ）が相当量発生することが必須であるためである。
【００２６】
石炭と鉄鉱石は、必要な場合にはそれぞれ粉砕して粒度調整を行う必要があるが、特に粉状鉄鉱石の粒度は以下のように設定する必要がある。
【００２７】
すなわち、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０を５〜５０μｍ（好ましくは５〜３０μｍ、さらに好ましくは５〜２０μｍ）とし、かつ、該粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｏ」という。）と、前記粉状石炭の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｃ」という。）の比率Ｄｏ／Ｄｃを０．１〜２．０（好ましくは０．１〜１．０、さらに好ましくは０．１〜０．５）とする。
【００２８】
ここで、平均粒径ｄ５０は、５０質量％通過粒径を意味する。
【００２９】
粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０を５〜５０μｍ（好ましくは５〜３０μｍ、さらに好ましくは５〜２０μｍ）としたのは、粉状鉄鉱石の粒度を小さくすることで、粉状鉄鉱石の比表面積を増大させ、加熱時における結晶水の脱離速度を高めて石炭の水添反応を促進させて流動性を高めるとともに、付着強度を高める効果を得るためである。
【００３０】
また、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）と、前記粉状石炭の平均粒径ｄ５０（Ｄｃ）の比率Ｄｏ／Ｄｃを０．１〜２．０（好ましくは０．１〜１．０、さらに好ましくは０．１〜０．５）としたのは、石炭粒子の周りに微粉の鉄鉱石粒子を数多く配置して、加熱時における鉄鉱石粒子からの結晶水の脱離速度をさらに高めて石炭の水添反応をより促進させて流動性をさらに高めるためである。
【００３１】
なお、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０およびＤｏ／Ｄｃにそれぞれ下限を規定したのは、鉄鉱石の粒度を過小にすると粉砕コストが過大になることを考慮したものである。
【００３２】
〔混合工程〕
このようにして粒度調整した粉状石炭Ａと粉状鉄鉱石Ｂとを所定の配合割合で切り出して混合機１で混合して混合原料とする。
【００３３】
上記所定の配合割合は、以下のようにして決定すればよい。すなわち、上記仮説中のガス改質反応を促進させるためには、炭化水素と水蒸気のモル比は１に近いほど良いと考えられ、ＣＨ４を主体とする炭化水素の平均分子量と水蒸気（Ｈ２Ｏ）の分子量はほぼ等しいことから、混合原料中における、〔揮発分ＶＭの含有量〕／〔結晶水ＬＯＩの含有量〕の比率は質量比で０．５〜２．０、より好ましくは０．７５〜１．５、特に好ましくは０．８〜１．２になるようにするのが推奨される。
【００３４】
この混合に際して、粉状鉄鉱石Ｂは、上記従来技術のように２５０℃以上に加熱することは避ける必要がある。つまり、結晶水を含有する粉状鉄鉱石Ｂを２５０℃以上に加熱すると、粉状石炭Ａとの混合前に結晶水が解離して除去されてしまうので、粉状石炭Ａと混合した後に再度加熱しても上記ガス改質反応が起こらなくなりＨ２が発生しなくなることから、石炭が流動性を獲得できなくなるためである。ただし、付着水分を除去する目的で、２５０℃未満で乾燥することは、結晶水が離脱することがないので問題ない。
【００３５】
また、粉状石炭Ａも、上記従来技術と同様に、当然、２５０℃以上に加熱することは避ける必要がある。つまり、揮発分を含有する粉状石炭Ａを２５０℃以上に加熱すると、揮発分が気化して除去されてしまうので、粉状鉄鉱石Ｂと混合した後に再度加熱しても上記ガス改質反応が起こらなくなりＨ２が発生しなくなることから、石炭が流動性を獲得できなくなるためである。ただし、付着水分を除去する目的で、２５０℃未満で乾燥することは、揮発分が気化することがないので問題ない。
【００３６】
なお、混合機１としては周知のドラムミキサなどを用いることができる。
【００３７】
〔加熱工程〕
混合原料Ｃは、加熱装置（例えば、外部加熱式ロータリキルン）２で２５０〜５５０℃、好ましくは３００〜５００℃に加熱する。
【００３８】
このように、流動性は非常に低いが揮発分を所定量含有する粉状石炭Ａと、結晶水を所定量含有する粉状鉄鉱石Ａを混合した後に所定温度で加熱することで、本来流動性をほとんど有しない粉状石炭Ａが、上記仮説に基づくメカニズムにより流動性を獲得するものと考えられる。
【００３９】
加熱温度を２５０〜５５０℃（好ましくは３００〜５００℃）としたのは、加熱温度が低すぎると、粉状石炭Ａからの揮発分ＶＭの気化も、粉状鉄鉱石Ｂからの結晶水ＬＯＩの気化も起らず粉状石炭Ａが流動性を獲得し得ないためであり、一方加熱温度が高すぎると、粉状石炭Ａが軟化溶融状態に留まらず、さらにコークス化まで進行してしまい、いずれの場合もバインダとしての効果が十分に発揮されないためである。
【００４０】
加熱装置２として外部加熱式のものを採用するのは、内部加熱式の加熱装置で加熱すると混合原料Ｃが急速加熱されてバースティング（爆裂）が発生しやすくなるためである。
【００４１】
加熱装置２から排出された排ガスは、粉状石炭Ａから発生したタール分を含有する場合があり、排ガス系統において凝縮・固着し、配管等を閉塞させるおそれがある。これを防止するため、図示しないが、例えば、加熱装置２の排ガス排出ダクトに燃焼器を設置してタール分を燃焼分解してガス化させてしまう方法や、同排出ダクトにバーナを設置して排ガス中の揮発分（炭化水素ガス）を部分燃焼してタール分が凝縮しない温度に保持して排ガス処理装置まで搬送する方法などを採用すればよい。
【００４２】
〔熱間成形工程〕
加熱された混合原料（加熱混合原料）Ｃ’は、熱間成形機（例えば熱間成形用の双ロール型成形機）４を用いてブリケット（成形物）Ｄに加圧成形する。
【００４３】
〔熱処理工程〕
成形物Ｄを５６０〜７５０℃に調整した熱処理装置（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結晶水を気化して石炭の流動性（粘結性）をさらに高めて成形物Ｄのバインディング効果をより高めた後、炭材を固化させる。これにより、得られた塊成化物Ｅが高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高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。
【００４４】
シャフト炉５で熱処理された成形物Ｄ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の下部または図示しない冷却器中で窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で３００℃以下まで冷却してから排出するのが望ましい。
【００４５】
脱ガス後の成形物Ｄは、スクリーン６で篩って、篩下粉Ｆは、可能であればロータリキルン２や混合機３等へ戻して再利用しつつ、篩上塊状物Ｅは目的とする高強度の高炉原料用塊成化物として回収する。
【００４６】
（変形例）
上記実施形態では、粉状石炭Ａおよび粉状鉄鉱石Ｂとしては、ともに単一の銘柄を用いる例を示したが、複数銘柄を配合して用いてもよい。この場合、配合後の組成が、上記請求項１で規定する条件を満足すべきことは当然である。なお、上記篩下粉Ｆを再利用する場合は、篩下粉Ｆを鉄鉱石の複数銘柄の一つとみなして同様の取り扱いをすればよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、混合工程において、混合原料として粉状鉄鉱石と粉状石炭のみを用いる例を示したが、さらに粉状フラックス（石灰石、ドロマイトなど）を含有させてもよい。この場合も、フラックスを鉄鉱石の複数銘柄の一つとみなして上記と同様の取り扱いをすればよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、熱間成形機として双ロール型成形機を用いる例を示したが、押出し成形機を用いてもよい。
【実施例】
【００４９】
本発明の効果を確証するため、以下のラボ試験を実施した。
【００５０】
〔試験方法〕
ラボ試験の方法としては、以下の（１）〜（６）の手順で行った（図２参照）。
【００５１】
（１）粉状石炭と粉状鉄鉱石を所定の配合割合にて合計質量で約８ｇになるように配合し、混合機（攪拌羽根付き縦型円筒容器）内で、攪拌羽根の回転速度：１８０〜３００ｒｐｍ、混合時間０．１７〜１．０ｍｉｎの条件で冷間混合して混合原料を作製する。
（２）ついで、この混合原料を、外部ヒータ付きのドーナツ型モールドの中心部円筒空間（内径２０ｍｍ）に充填して所定温度に加熱する。
（３）その後、モールドの外部ヒータの電源をＯＦＦにし、直ちに加圧用ピンで加熱混合原料を１７００〜２０００ｋｇｆ（１ｋｇｆ≒９．８Ｎ）の成形荷重で加圧してタブレット（成形物）を作製する。
（４）モールドからタブレット（成形物）を取り出し、これをＮ２流通下で所定温度に加熱された加熱炉内に速やかに装入して１０〜１２０ｍｉｎ熱処理する。
（５）熱処理が終了したタブレット（成形物）を取り出し、Ｎ２で室温まで急冷する。
（６）コンクリートの引張強度試験方法（ＪＩＳ−Ａ１１１３）に準じて、タブレット（高炉原料用塊成化物）の圧潰強度を測定し、引張強度を算出する。
【００５２】
〔試料〕
粉状鉄鉱石としては、発明例用試料として、鉱石Ａ［豪州産高結晶水鉱石（ＬＯＩ：１０．３８質量％）］および鉱石Ｂ［リモナイト鉱石（ＬＯＩ：１７．０質量％）］を用い、比較例用試料として、鉱石Ｃ［ブラジル産ヘマタイト鉱石（ＬＯＩ：０．９質量％）］、および、これらの各鉱石を事前に空気中またはＮ２雰囲気中で６５０℃×２ｈ加熱して結晶水を完全に除去したものを用いた。
【００５３】
粉状石炭としては、発明例用試料として、石炭Ｐ［低ＶＭ一般炭（ＭＦ：０、ＶＭ：１５．２質量％）］を用い、比較例用試料として、石炭Ｑ［無煙炭（ＭＦ：０、ＶＭ：５．５質量％）］、石炭Ｒ［微粘結炭（ｌｏｇＭＦ：２．４７、ＶＭ：３４．６質量％）］および石炭Ｓ［粘結炭（ｌｏｇＭＦ：３．９４、ＶＭ：２８．８質量％）］を用いた。
【００５４】
粉状石炭の粒度は試験１〜５すべてにおいて−２５０μｍ（平均粒径ｄ５０＝２７μｍ）一定とし、粉状鉄鉱石の粒度は、試験１、２、４および５では−４５μｍ（平均粒径ｄ５０＝１１μｍ）一定とし、試験３では粉状鉄鉱石の粒度の影響を調査するためトップサイズを種々変更することにより平均粒径ｄ５０の調整を行った。
【００５５】
そして、混合原料は、粉状鉄鉱石：粉状石炭＝６０：４０（質量比）の配合割合（一定）とした。
【００５６】
〔試験結果〕
［試験１］（粉状鉄鉱石中の結晶水ＬＯＩ含有量の影響）
タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度に及ぼす粉状鉄鉱石中の結晶水ＬＯＩ含有量の影響を調査するため、以下の試験を実施した。
【００５７】
すなわち、粉状石炭としては発明例用試料である石炭Ｐのみを用い、粉状鉄鉱石としては、鉱石Ａ、Ｂ、Ｃの各鉱石を、事前に加熱しないもの（生）と、空気中またはＮ２雰囲気中で加熱処理したもの（Ａｉｒ焼、Ｎ２焼）をそれぞれ用い、これらを組み合わせて上述の試験方法でタブレット（高炉原料用塊成化物）を作製し、その圧潰強度を測定し引張強度を算出した。なお、加熱温度は４１０℃、熱処理温度は６５０℃でともに一定とした。
【００５８】
試験結果を表１および図３に示す。
【表１】
【００５９】
表１および図３に示すように、粉状鉄鉱石の種類によらず、結晶水ＬＯＩ含有量が高くなるにしたがって、タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度が上昇することが明らかであり、図３より、結晶水ＬＯＩ含有量３質量％以上で、高炉用装入物として十分な強度である引張強度２０ｋｇｆ／ｃｍ２以上が得られることがわかる。
【００６０】
［試験２］（粉状石炭の最高流動度ＭＦおよび揮発分ＶＭ含有量の影響）
つぎに、タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度に及ぼす粉状石炭のギーセラー最高流動度ＭＦおよび揮発分ＶＭ含有量の影響を調査するため、以下の試験を実施した。
【００６１】
すなわち、粉状鉄鉱石としては発明例用試料である鉱石Ａのみを生、Ａｉｒ焼、Ｎ２焼したものをそれぞれ用い、粉状石炭としては、石炭Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓの各石炭をそれぞれ用い、これらを組み合わせて上述の試験方法でタブレット（高炉原料用塊成化物）を作製し、その圧潰強度を測定して引張強度を算出した。なお、上記試験１と同様、加熱温度は４１０℃、熱処理温度は６５０℃でともに一定とした。
【００６２】
試験結果を表２ならびに図４および図５に示す。
【表２】
【００６３】
表２ならびに図４および図５に示すように、粉状石炭の最高流動度ＭＦ＝０（ｌｏｇＭＦ＝−∞）の場合であっても、該粉状石炭の揮発分ＶＭ含有量が１０質量％以上で、かつ、粉状鉄鉱石の結晶水ＬＯＩ含有量が３質量％である場合（表２中の試験Ｎｏ．２−４、図４中の粉状石炭ｌｏｇＭＦ＝−∞［ＭＦ＝０］における○印のプロット、図５中の粉状石炭ＶＭ＝１５．２質量％における○印のプロット参照）には、粉状石炭の最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５の場合に匹敵する約２５ｋｇｆ／ｃｍ２の引張強度が得られることがわかる。
【００６４】
［試験３］（粉状鉄鉱石の粒度の影響）
タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度に及ぼ粉状鉄鉱石の粒度の影響を調査するため、以下の試験を実施した。
【００６５】
すなわち、粉状鉄鉱石としては発明例用試料である鉱石Ａ（生）と、粉状石炭としては発明例試料である石炭Ｐを用い、石炭Ｐの粒度は一定にしつつ、鉱石Ａ（生）のトップサイズを種々変更して平均粒径ｄ５０を調整した試料を用いてタブレットを作製し、タブレットの引張強度を測定した。なお、上記試験１および２と同様、加熱温度は４１０℃、熱処理温度は６５０℃でともに一定とした。
【００６６】
試験結果を図６および図７に示す。これらの図には、熱処理前および熱処理後のタブレットのデータを併記した。図６に示すように、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０が５０μｍ以下になると、熱処理後の成形物の引張強度は急激に上昇することがわかる。また、図７に示すように、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）と、粉状石炭の平均粒径ｄ５０（Ｄｃ）の比率Ｄｏ／Ｄｃが２．０以下になると、熱処理後の成形物の引張強度は急激に上昇することがわかる。なお、本実施例では粉状石炭の粒度（平均粒径ｄ５０）は一定としたが、粉状石炭の粒度（平均粒径ｄ５０）が変化しても、同様の結果が得られると想定される。
【００６７】
［試験４］（成形物の熱処理温度の影響）
タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度に及ぼすタブレット（成形物）の熱処理温度の影響を調査するため、以下の試験を実施した。
【００６８】
すなわち、粉状鉄鉱石としては発明例用試料である鉱石Ａ（生）と、粉状石炭としては発明例試料である石炭Ｐを用いてタブレットを作製し、熱処理温度を順次変化させてタブレットの圧潰強度を測定し引張強度を算出した。なお、加熱温度は４１０℃一定とした。
【００６９】
試験結果を図８に示す。なお、同図において、熱処理温度０℃のデータは、熱処理前のタブレットの引張強度を測定したものである。
【００７０】
同図に示すように、熱処理温度が５５０℃まではタブレットの引張強度にほとんど変化は見られないが、５６０℃以上になるとタブレットの引張強度が急激に上昇することがわかる。
【００７１】
［試験５］（冷却温度の影響）
最後に、タブレット（成形物）を熱処理後、どの程度まで冷却すれば大気中に安全に取り出せるかを確認するため、６００℃および８００℃でそれぞれ熱処理した後のタブレット（成形物）を、Ｎ２雰囲気中および大気雰囲気中のそれぞれで示差熱分析を実施した。
【００７２】
測定結果を図９に示す。同図に示すように、Ｎ２雰囲気中では発熱は見られないのに対し、大気雰囲気中では、３００℃を超える頃から試料質量はあまり変化はないものの発熱量が増加し始め、４００℃を超えると試料質量が大幅に減少し始めるとともに発熱量も急激に増大して５００℃付近で発熱量が最大になり、５００℃を超えると発熱量が低下することがわかる。
【００７３】
このことから、３００℃を超える頃からタブレット中に残留する揮発分ＶＭが気化してこれが大気で酸化されて発熱し始め、４００℃を超えるあたりで、大きな発熱を伴う炭素の酸化が開始し、５００℃を超えると炭素の酸化反応に加えて酸化鉄が炭素で直接還元される吸熱反応が開始して発熱量が減少するものと考えられる。
【００７４】
以上の結果から、タブレット中に残留する揮発分ＶＭの気化とそれに伴う大気による酸化発熱反応をより確実に回避するためには、熱処理後の冷却工程での不活性ガス雰囲気中における成形物の冷却温度は３００℃以下とすることが推奨される。
【符号の説明】
【００７５】
１：混合機
２：加熱装置（外部加熱式ロータリキルン）
４：熱間成形機（双ロール型成形機）
５：熱処理装置（シャフト炉）
６：スクリーン
Ａ：粉状石炭
Ｂ：粉状鉄鉱石
Ｃ：混合原料
Ｃ’：加熱混合原料
Ｄ：成形物（ブリケット）
Ｅ：高炉原料用塊成化物（篩上塊状物）
Ｆ：篩下粉
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉の装入原料装入原料として用いることができる、熱間成形による高炉原料用塊成化物の製造方法に関し、詳しくは、高結晶水含有鉄鉱石と微非粘結性石炭との組合せによる高炉原料用塊成化物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、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（以下、単に「塊成化物」ともいう。）は、例えば図１０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（原料加熱手段）１２で４００〜８００℃に加熱するとともに、軟化溶融性（流動性）を有する粉状石炭Ａを別途ロータリドライヤ（炭材加熱手段）１１で軟化溶融が起らない２５０℃未満の温度で乾燥したのち、これらの加熱された粉状石炭Ａ（以下、単に「石炭」ともいう。）と粉状鉄鉱石Ｂ（以下、単に「鉄鉱石」ともいう。）とからなる加熱原料を混合機１３で混合して粉状石炭Ａが軟化溶融する温度である２５０〜５５０℃の加熱混合物Ｃ’とする。そして、この加熱混合物Ｃ’を双ロール型成形機（成形手段）１４で熱間成形してブリケット化し、必要により脱ガス槽（熱処理手段）１５にて残留タール分を除去することにより塊成化物Ｅが得られる（特許文献１，２参照）。
【０００４】
ところで、上記従来技術（特許文献１，２に記載の製造方法）は、粉状石炭Ａとして少なくともｌｏｇＭＦ＞０．５〔すなわち、ＭＦ＞３ＤＤＰＭ〕（ＭＦ：ギーセラー最高流動度）の軟化溶融性を有するものを用いることを必須としているため、原料選択に制約があり、もっと軟化溶融性の低い、あるいは軟化溶融性を有しない石炭を用いても、高炉の装入原料として用いることができる、高強度の高炉原料用塊成化物を製造しうる技術の開発が望まれていた。
【０００５】
なお、特許文献３に記載の炭材内装塊成化物の製造方法は、粉状鉄含有原料の最頻粒径Ｄｏに対する粉状炭材の最頻粒径Ｄｃの比Ｄｃ／Ｄｏを０．２〜０．８に規定するものであり、原料の粒度に関して本願発明と近似した規定を有する。しかしながら、本願発明は、軟化溶融性の低いまたは有しない粉状石炭と粉状の高結晶水鉄鉱石を冷間で混合してから加熱することを技術的思想とするのに対し、特許文献３に記載の発明は、粉状鉄含有原料（粉状鉄鉱石）を加熱してから軟化溶融性を有する粉状炭材（粉状石炭）と混合するという、上記従来技術と同様の技術思想に基づくものであり、両者の技術思想は全く異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−９５１２４号公報
【特許文献２】特開２００１−２９４９４４号公報
【特許文献３】特開２００７−６３６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、軟化溶融性をほとんど有しない石炭を用いても、高強度の高炉原料用塊成化物を製造しうる高炉原料用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】
発明者らは、上記課題の解決策を見出すため、まず、炭種と鉄鉱石銘柄との組合せを種々変更するとともに、それらの混合および加熱の方式を種々変更して熱間成形し、得られた高炉原料用塊成化物の強度に及ぼす影響を調査した。
【０００９】
その結果、驚くべきことに、ごく低流動性ないしは無流動性ではあるが揮発分を所定量含有する石炭と、結晶水を所定量含有する鉄鉱石を、鉄鉱石の粒度を一定値以下に細かくするとともに、鉄鉱石と石炭の平均粒径ｄ５０の比率を所定の範囲になるように調整して冷間で混合した後に、この混合原料を熱間成形温度まで加熱して熱間成形し、さらに、熱間成形温度よりも高い温度で熱処理することで、高炉原料用塊成化物の強度が向上することがわかった（後記実施例参照）。
【００１０】
上記のように、粘結性の非常に低い又は無い石炭を用いても、高炉原料用塊成化物の強度が発現するメカニズムについては、いまだ調査中であるが、現時点では発明者らは以下の仮説に基づくものと想定している。
【００１１】
（ａ）すなわち、ごく低流動性ないしは無流動性ではあるが揮発分を所定量含有する石炭と、結晶水を所定量含有する鉄鉱石からなる混合原料を熱間成形温度である２５０〜５５０℃に加熱すると、揮発分を含有する石炭からは揮発分が気化して（脱揮して）ＣＨ４などの炭化水素成分を含有するガスが発生する一方、結晶水を含有する鉄鉱石からは結晶水が解離して水蒸気（Ｈ２Ｏ）が発生する。すると、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２のガス改質反応によりＨ２が生成し、このＨ２の存在により石炭が水添されて液化が促進され、石炭は流動性（軟化溶融性）を獲得する。このようにして、流動性（軟化溶融性）が発現した石炭と、結晶水の解離によりゲーサイトからヘマタイトへの相変態に伴って比表面積が増加した鉄鉱石とを熱間で加圧成形することで、緻密な成形物が得られる。
【００１２】
（ｂ）さらに、鉄鉱石の粒度を一定値以下に細かくするとともに、鉄鉱石と石炭の平均粒径ｄ５０の比率を所定の範囲になるように調整することで、(1)上記鉄鉱石からの結晶水の解離（脱離）速度を促進して石炭の水添反応を促進させて流動性を高めるとともに、(2)鉄鉱石の微粉部分には粘土質の脈石（Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等）が多く含まれるので、事前の混合により、このような粘土質の脈石を多く含む微粉鉄鉱石が、粗粒の石炭と鉄鉱石の表面に付着し、加圧成形後の成形物の空隙部を埋めてより緻密化するとともに付着力を増加させる。
【００１３】
上記（ａ）および（ｂ）の作用が相乗的に働き、強固な成形物が得られる。
【００１４】
そして、熱間成形後に熱間成形温度よりも高い温度で成形物を熱処理することで、成形物中に残留する揮発分と結晶水が気化し、上記ガス改質反応により発生したＨ２によって石炭の粘結性がさらに高まり、成形物（高炉原料用塊成化物）の強度がより上昇することとなる。
【００１５】
発明者らは上記知見に基づいてさらに検討を加え、以下の発明を完成するに至った。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、ギーセラー最高流動度ＭＦが３ＤＤＰＭ以下で、揮発分ＶＭを１０質量％以上含有する粉状石炭と、結晶水ＬＯＩを３質量％以上含有する粉状鉄鉱石とを混合して混合原料となす混合工程と、この混合原料を２５０〜５５０℃に加熱する加熱工程と、この加熱された混合原料を熱間成形して成形物となす熱間成形工程と、この成形物を５６０〜７５０℃で加熱処理して高炉原料用塊成化物となす熱処理工程と、を備え、前記粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０が５〜５０μｍで、かつ、該粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｏ」という。）と、前記粉状石炭の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｃ」という。）の比率Ｄｏ／Ｄｃが０．１〜２．０であることを特徴とする高炉原料用塊成化物の製造方法である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、前記混合原料中における、〔揮発分ＶＭの含有量〕／〔結晶水ＬＯＩの含有量〕の比率が質量比で０．５〜２．０である請求項１に記載の高炉原料用塊成化物の製造方法である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記熱処理工程の後に、前記高炉原料用塊成化物を不活性ガス雰囲気中で３００℃以下まで冷却する冷却工程を備えた請求項１または２に記載の高炉原料用塊成化物の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、上記従来技術（特許文献１，２に記載の製造方法）と異なり、軟化溶融性は低いが所定量の揮発分を含有する粉状石炭と、所定量の結晶水を含有する粉状鉄含有原料とを、所定の粒度に調整して冷間で混合してから、上記従来技術と同様の熱間成形温度（２５０〜５５０℃）で加熱した後、熱間成形し、上記従来技術の熱処理温度（熱間成形温度以上）よりも高めの温度（５６０〜７５０℃）で熱処理することで、高強度の高炉原料用塊成化物を製造できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る、高炉原料用塊成化物の製造装置の概略構成を示すフロー図である。
【図２】実施例のラボ試験の手順を説明するためのフロー図である。
【図３】粉状鉄鉱石中の結晶水ＬＯＩ含有量と高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図４】粉状石炭の最高流動度ＭＦと高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図５】粉状石炭中の揮発分ＶＭ含有量と高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図６】粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０と高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図７】粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）と粉状石炭の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）の比率Ｄｏ／Ｄｃと、高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図８】成形物の熱処理温度と高炉原料用塊成化物の引張強度との関係を示すグラフ図である。
【図９】タブレットの示差熱分析結果を示すグラフ図である。
【図１０】従来技術における、炭材内装塊成化物の製造装置の概略構成を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施形態）
図１に本発明の一実施形態に係る高炉原料用塊成化物の製造装置の概略構成を示す。なお、上記従来技術で説明した図８と共通する物質には同じ符号を用いた。
【００２２】
石炭としては、ギーセラー最高流動度ＭＦが３ＤＤＰＭ以下で、揮発分ＶＭを１０質量％以上（好ましくは１２質量％以上）含有するもの、例えば高炉羽口吹込み用微粉炭に用いられる非粘結炭などを用いることができるが、揮発分の含有量が低い（１０質量％未満の）無煙炭は適しない。
【００２３】
ギーセラー最高流動度ＭＦを３ＤＤＰＭ以下としたのは、３ＤＤＰＭを超える（ｌｏｇＭＦ＞０．５）ものであれば、上記従来技術を適用すればよく、本発明を適用するまでもないためである。また、揮発分ＶＭを１０質量％以上（好ましくは１２質量％以上）含有するものとしたのは、上記仮説に基づくメカニズムによれば、揮発分由来の炭化水素成分が相当量発生することが必須であるためである。
【００２４】
また、鉄鉱石としては、結晶水ＬＯＩを３質量％以上（好ましくは５質量％以上、さらに好ましくは７質量％以上）含有するもの、例えば高結晶水鉱石、マラマンバ鉱石、リモナイト鉱石などを用いることができるが、結晶水含有量の低い（３質量％未満の）ヘマタイト鉱石やマグネタイト鉱石は適しない。
【００２５】
結晶水ＬＯＩの含有量を３質量％以上（好ましくは５質量％以上、さらに好ましくは７質量％以上）としたのは、上記仮説に基づくメカニズムによれば、結晶水由来の水蒸気（Ｈ２Ｏ）が相当量発生することが必須であるためである。
【００２６】
石炭と鉄鉱石は、必要な場合にはそれぞれ粉砕して粒度調整を行う必要があるが、特に粉状鉄鉱石の粒度は以下のように設定する必要がある。
【００２７】
すなわち、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０を５〜５０μｍ（好ましくは５〜３０μｍ、さらに好ましくは５〜２０μｍ）とし、かつ、該粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｏ」という。）と、前記粉状石炭の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｃ」という。）の比率Ｄｏ／Ｄｃを０．１〜２．０（好ましくは０．１〜１．０、さらに好ましくは０．１〜０．５）とする。
【００２８】
ここで、平均粒径ｄ５０は、５０質量％通過粒径を意味する。
【００２９】
粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０を５〜５０μｍ（好ましくは５〜３０μｍ、さらに好ましくは５〜２０μｍ）としたのは、粉状鉄鉱石の粒度を小さくすることで、粉状鉄鉱石の比表面積を増大させ、加熱時における結晶水の脱離速度を高めて石炭の水添反応を促進させて流動性を高めるとともに、付着強度を高める効果を得るためである。
【００３０】
また、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）と、前記粉状石炭の平均粒径ｄ５０（Ｄｃ）の比率Ｄｏ／Ｄｃを０．１〜２．０（好ましくは０．１〜１．０、さらに好ましくは０．１〜０．５）としたのは、石炭粒子の周りに微粉の鉄鉱石粒子を数多く配置して、加熱時における鉄鉱石粒子からの結晶水の脱離速度をさらに高めて石炭の水添反応をより促進させて流動性をさらに高めるためである。
【００３１】
なお、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０およびＤｏ／Ｄｃにそれぞれ下限を規定したのは、鉄鉱石の粒度を過小にすると粉砕コストが過大になることを考慮したものである。
【００３２】
〔混合工程〕
このようにして粒度調整した粉状石炭Ａと粉状鉄鉱石Ｂとを所定の配合割合で切り出して混合機１で混合して混合原料とする。
【００３３】
上記所定の配合割合は、以下のようにして決定すればよい。すなわち、上記仮説中のガス改質反応を促進させるためには、炭化水素と水蒸気のモル比は１に近いほど良いと考えられ、ＣＨ４を主体とする炭化水素の平均分子量と水蒸気（Ｈ２Ｏ）の分子量はほぼ等しいことから、混合原料中における、〔揮発分ＶＭの含有量〕／〔結晶水ＬＯＩの含有量〕の比率は質量比で０．５〜２．０、より好ましくは０．７５〜１．５、特に好ましくは０．８〜１．２になるようにするのが推奨される。
【００３４】
この混合に際して、粉状鉄鉱石Ｂは、上記従来技術のように２５０℃以上に加熱することは避ける必要がある。つまり、結晶水を含有する粉状鉄鉱石Ｂを２５０℃以上に加熱すると、粉状石炭Ａとの混合前に結晶水が解離して除去されてしまうので、粉状石炭Ａと混合した後に再度加熱しても上記ガス改質反応が起こらなくなりＨ２が発生しなくなることから、石炭が流動性を獲得できなくなるためである。ただし、付着水分を除去する目的で、２５０℃未満で乾燥することは、結晶水が離脱することがないので問題ない。
【００３５】
また、粉状石炭Ａも、上記従来技術と同様に、当然、２５０℃以上に加熱することは避ける必要がある。つまり、揮発分を含有する粉状石炭Ａを２５０℃以上に加熱すると、揮発分が気化して除去されてしまうので、粉状鉄鉱石Ｂと混合した後に再度加熱しても上記ガス改質反応が起こらなくなりＨ２が発生しなくなることから、石炭が流動性を獲得できなくなるためである。ただし、付着水分を除去する目的で、２５０℃未満で乾燥することは、揮発分が気化することがないので問題ない。
【００３６】
なお、混合機１としては周知のドラムミキサなどを用いることができる。
【００３７】
〔加熱工程〕
混合原料Ｃは、加熱装置（例えば、外部加熱式ロータリキルン）２で２５０〜５５０℃、好ましくは３００〜５００℃に加熱する。
【００３８】
このように、流動性は非常に低いが揮発分を所定量含有する粉状石炭Ａと、結晶水を所定量含有する粉状鉄鉱石Ａを混合した後に所定温度で加熱することで、本来流動性をほとんど有しない粉状石炭Ａが、上記仮説に基づくメカニズムにより流動性を獲得するものと考えられる。
【００３９】
加熱温度を２５０〜５５０℃（好ましくは３００〜５００℃）としたのは、加熱温度が低すぎると、粉状石炭Ａからの揮発分ＶＭの気化も、粉状鉄鉱石Ｂからの結晶水ＬＯＩの気化も起らず粉状石炭Ａが流動性を獲得し得ないためであり、一方加熱温度が高すぎると、粉状石炭Ａが軟化溶融状態に留まらず、さらにコークス化まで進行してしまい、いずれの場合もバインダとしての効果が十分に発揮されないためである。
【００４０】
加熱装置２として外部加熱式のものを採用するのは、内部加熱式の加熱装置で加熱すると混合原料Ｃが急速加熱されてバースティング（爆裂）が発生しやすくなるためである。
【００４１】
加熱装置２から排出された排ガスは、粉状石炭Ａから発生したタール分を含有する場合があり、排ガス系統において凝縮・固着し、配管等を閉塞させるおそれがある。これを防止するため、図示しないが、例えば、加熱装置２の排ガス排出ダクトに燃焼器を設置してタール分を燃焼分解してガス化させてしまう方法や、同排出ダクトにバーナを設置して排ガス中の揮発分（炭化水素ガス）を部分燃焼してタール分が凝縮しない温度に保持して排ガス処理装置まで搬送する方法などを採用すればよい。
【００４２】
〔熱間成形工程〕
加熱された混合原料（加熱混合原料）Ｃ’は、熱間成形機（例えば熱間成形用の双ロール型成形機）４を用いてブリケット（成形物）Ｄに加圧成形する。
【００４３】
〔熱処理工程〕
成形物Ｄを５６０〜７５０℃に調整した熱処理装置（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結晶水を気化して石炭の流動性（粘結性）をさらに高めて成形物Ｄのバインディング効果をより高めた後、炭材を固化させる。これにより、得られた塊成化物Ｅが高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高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。
【００４４】
シャフト炉５で熱処理された成形物Ｄ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の下部または図示しない冷却器中で窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で３００℃以下まで冷却してから排出するのが望ましい。
【００４５】
脱ガス後の成形物Ｄは、スクリーン６で篩って、篩下粉Ｆは、可能であればロータリキルン２や混合機３等へ戻して再利用しつつ、篩上塊状物Ｅは目的とする高強度の高炉原料用塊成化物として回収する。
【００４６】
（変形例）
上記実施形態では、粉状石炭Ａおよび粉状鉄鉱石Ｂとしては、ともに単一の銘柄を用いる例を示したが、複数銘柄を配合して用いてもよい。この場合、配合後の組成が、上記請求項１で規定する条件を満足すべきことは当然である。なお、上記篩下粉Ｆを再利用する場合は、篩下粉Ｆを鉄鉱石の複数銘柄の一つとみなして同様の取り扱いをすればよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、混合工程において、混合原料として粉状鉄鉱石と粉状石炭のみを用いる例を示したが、さらに粉状フラックス（石灰石、ドロマイトなど）を含有させてもよい。この場合も、フラックスを鉄鉱石の複数銘柄の一つとみなして上記と同様の取り扱いをすればよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、熱間成形機として双ロール型成形機を用いる例を示したが、押出し成形機を用いてもよい。
【実施例】
【００４９】
本発明の効果を確証するため、以下のラボ試験を実施した。
【００５０】
〔試験方法〕
ラボ試験の方法としては、以下の（１）〜（６）の手順で行った（図２参照）。
【００５１】
（１）粉状石炭と粉状鉄鉱石を所定の配合割合にて合計質量で約８ｇになるように配合し、混合機（攪拌羽根付き縦型円筒容器）内で、攪拌羽根の回転速度：１８０〜３００ｒｐｍ、混合時間０．１７〜１．０ｍｉｎの条件で冷間混合して混合原料を作製する。
（２）ついで、この混合原料を、外部ヒータ付きのドーナツ型モールドの中心部円筒空間（内径２０ｍｍ）に充填して所定温度に加熱する。
（３）その後、モールドの外部ヒータの電源をＯＦＦにし、直ちに加圧用ピンで加熱混合原料を１７００〜２０００ｋｇｆ（１ｋｇｆ≒９．８Ｎ）の成形荷重で加圧してタブレット（成形物）を作製する。
（４）モールドからタブレット（成形物）を取り出し、これをＮ２流通下で所定温度に加熱された加熱炉内に速やかに装入して１０〜１２０ｍｉｎ熱処理する。
（５）熱処理が終了したタブレット（成形物）を取り出し、Ｎ２で室温まで急冷する。
（６）コンクリートの引張強度試験方法（ＪＩＳ−Ａ１１１３）に準じて、タブレット（高炉原料用塊成化物）の圧潰強度を測定し、引張強度を算出する。
【００５２】
〔試料〕
粉状鉄鉱石としては、発明例用試料として、鉱石Ａ［豪州産高結晶水鉱石（ＬＯＩ：１０．３８質量％）］および鉱石Ｂ［リモナイト鉱石（ＬＯＩ：１７．０質量％）］を用い、比較例用試料として、鉱石Ｃ［ブラジル産ヘマタイト鉱石（ＬＯＩ：０．９質量％）］、および、これらの各鉱石を事前に空気中またはＮ２雰囲気中で６５０℃×２ｈ加熱して結晶水を完全に除去したものを用いた。
【００５３】
粉状石炭としては、発明例用試料として、石炭Ｐ［低ＶＭ一般炭（ＭＦ：０、ＶＭ：１５．２質量％）］を用い、比較例用試料として、石炭Ｑ［無煙炭（ＭＦ：０、ＶＭ：５．５質量％）］、石炭Ｒ［微粘結炭（ｌｏｇＭＦ：２．４７、ＶＭ：３４．６質量％）］および石炭Ｓ［粘結炭（ｌｏｇＭＦ：３．９４、ＶＭ：２８．８質量％）］を用いた。
【００５４】
粉状石炭の粒度は試験１〜５すべてにおいて−２５０μｍ（平均粒径ｄ５０＝２７μｍ）一定とし、粉状鉄鉱石の粒度は、試験１、２、４および５では−４５μｍ（平均粒径ｄ５０＝１１μｍ）一定とし、試験３では粉状鉄鉱石の粒度の影響を調査するためトップサイズを種々変更することにより平均粒径ｄ５０の調整を行った。
【００５５】
そして、混合原料は、粉状鉄鉱石：粉状石炭＝６０：４０（質量比）の配合割合（一定）とした。
【００５６】
〔試験結果〕
［試験１］（粉状鉄鉱石中の結晶水ＬＯＩ含有量の影響）
タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度に及ぼす粉状鉄鉱石中の結晶水ＬＯＩ含有量の影響を調査するため、以下の試験を実施した。
【００５７】
すなわち、粉状石炭としては発明例用試料である石炭Ｐのみを用い、粉状鉄鉱石としては、鉱石Ａ、Ｂ、Ｃの各鉱石を、事前に加熱しないもの（生）と、空気中またはＮ２雰囲気中で加熱処理したもの（Ａｉｒ焼、Ｎ２焼）をそれぞれ用い、これらを組み合わせて上述の試験方法でタブレット（高炉原料用塊成化物）を作製し、その圧潰強度を測定し引張強度を算出した。なお、加熱温度は４１０℃、熱処理温度は６５０℃でともに一定とした。
【００５８】
試験結果を表１および図３に示す。
【表１】
【００５９】
表１および図３に示すように、粉状鉄鉱石の種類によらず、結晶水ＬＯＩ含有量が高くなるにしたがって、タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度が上昇することが明らかであり、図３より、結晶水ＬＯＩ含有量３質量％以上で、高炉用装入物として十分な強度である引張強度２０ｋｇｆ／ｃｍ２以上が得られることがわかる。
【００６０】
［試験２］（粉状石炭の最高流動度ＭＦおよび揮発分ＶＭ含有量の影響）
つぎに、タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度に及ぼす粉状石炭のギーセラー最高流動度ＭＦおよび揮発分ＶＭ含有量の影響を調査するため、以下の試験を実施した。
【００６１】
すなわち、粉状鉄鉱石としては発明例用試料である鉱石Ａのみを生、Ａｉｒ焼、Ｎ２焼したものをそれぞれ用い、粉状石炭としては、石炭Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓの各石炭をそれぞれ用い、これらを組み合わせて上述の試験方法でタブレット（高炉原料用塊成化物）を作製し、その圧潰強度を測定して引張強度を算出した。なお、上記試験１と同様、加熱温度は４１０℃、熱処理温度は６５０℃でともに一定とした。
【００６２】
試験結果を表２ならびに図４および図５に示す。
【表２】
【００６３】
表２ならびに図４および図５に示すように、粉状石炭の最高流動度ＭＦ＝０（ｌｏｇＭＦ＝−∞）の場合であっても、該粉状石炭の揮発分ＶＭ含有量が１０質量％以上で、かつ、粉状鉄鉱石の結晶水ＬＯＩ含有量が３質量％である場合（表２中の試験Ｎｏ．２−４、図４中の粉状石炭ｌｏｇＭＦ＝−∞［ＭＦ＝０］における○印のプロット、図５中の粉状石炭ＶＭ＝１５．２質量％における○印のプロット参照）には、粉状石炭の最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５の場合に匹敵する約２５ｋｇｆ／ｃｍ２の引張強度が得られることがわかる。
【００６４】
［試験３］（粉状鉄鉱石の粒度の影響）
タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度に及ぼ粉状鉄鉱石の粒度の影響を調査するため、以下の試験を実施した。
【００６５】
すなわち、粉状鉄鉱石としては発明例用試料である鉱石Ａ（生）と、粉状石炭としては発明例試料である石炭Ｐを用い、石炭Ｐの粒度は一定にしつつ、鉱石Ａ（生）のトップサイズを種々変更して平均粒径ｄ５０を調整した試料を用いてタブレットを作製し、タブレットの引張強度を測定した。なお、上記試験１および２と同様、加熱温度は４１０℃、熱処理温度は６５０℃でともに一定とした。
【００６６】
試験結果を図６および図７に示す。これらの図には、熱処理前および熱処理後のタブレットのデータを併記した。図６に示すように、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０が５０μｍ以下になると、熱処理後の成形物の引張強度は急激に上昇することがわかる。また、図７に示すように、粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（Ｄｏ）と、粉状石炭の平均粒径ｄ５０（Ｄｃ）の比率Ｄｏ／Ｄｃが２．０以下になると、熱処理後の成形物の引張強度は急激に上昇することがわかる。なお、本実施例では粉状石炭の粒度（平均粒径ｄ５０）は一定としたが、粉状石炭の粒度（平均粒径ｄ５０）が変化しても、同様の結果が得られると想定される。
【００６７】
［試験４］（成形物の熱処理温度の影響）
タブレット（高炉原料用塊成化物）の引張強度に及ぼすタブレット（成形物）の熱処理温度の影響を調査するため、以下の試験を実施した。
【００６８】
すなわち、粉状鉄鉱石としては発明例用試料である鉱石Ａ（生）と、粉状石炭としては発明例試料である石炭Ｐを用いてタブレットを作製し、熱処理温度を順次変化させてタブレットの圧潰強度を測定し引張強度を算出した。なお、加熱温度は４１０℃一定とした。
【００６９】
試験結果を図８に示す。なお、同図において、熱処理温度０℃のデータは、熱処理前のタブレットの引張強度を測定したものである。
【００７０】
同図に示すように、熱処理温度が５５０℃まではタブレットの引張強度にほとんど変化は見られないが、５６０℃以上になるとタブレットの引張強度が急激に上昇することがわかる。
【００７１】
［試験５］（冷却温度の影響）
最後に、タブレット（成形物）を熱処理後、どの程度まで冷却すれば大気中に安全に取り出せるかを確認するため、６００℃および８００℃でそれぞれ熱処理した後のタブレット（成形物）を、Ｎ２雰囲気中および大気雰囲気中のそれぞれで示差熱分析を実施した。
【００７２】
測定結果を図９に示す。同図に示すように、Ｎ２雰囲気中では発熱は見られないのに対し、大気雰囲気中では、３００℃を超える頃から試料質量はあまり変化はないものの発熱量が増加し始め、４００℃を超えると試料質量が大幅に減少し始めるとともに発熱量も急激に増大して５００℃付近で発熱量が最大になり、５００℃を超えると発熱量が低下することがわかる。
【００７３】
このことから、３００℃を超える頃からタブレット中に残留する揮発分ＶＭが気化してこれが大気で酸化されて発熱し始め、４００℃を超えるあたりで、大きな発熱を伴う炭素の酸化が開始し、５００℃を超えると炭素の酸化反応に加えて酸化鉄が炭素で直接還元される吸熱反応が開始して発熱量が減少するものと考えられる。
【００７４】
以上の結果から、タブレット中に残留する揮発分ＶＭの気化とそれに伴う大気による酸化発熱反応をより確実に回避するためには、熱処理後の冷却工程での不活性ガス雰囲気中における成形物の冷却温度は３００℃以下とすることが推奨される。
【符号の説明】
【００７５】
１：混合機
２：加熱装置（外部加熱式ロータリキルン）
４：熱間成形機（双ロール型成形機）
５：熱処理装置（シャフト炉）
６：スクリーン
Ａ：粉状石炭
Ｂ：粉状鉄鉱石
Ｃ：混合原料
Ｃ’：加熱混合原料
Ｄ：成形物（ブリケット）
Ｅ：高炉原料用塊成化物（篩上塊状物）
Ｆ：篩下粉
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギーセラー最高流動度ＭＦが３ＤＤＰＭ以下で、揮発分ＶＭを１０質量％以上含有する粉状石炭と、結晶水ＬＯＩを３質量％以上含有する粉状鉄鉱石とを混合して混合原料となす混合工程と、
この混合原料を２５０〜５５０℃に加熱する加熱工程と、
この加熱された混合原料を熱間成形して成形物となす熱間成形工程と、
この成形物を５６０〜７５０℃で加熱処理して高炉原料用塊成化物となす熱処理工程と、を備え、
前記粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０が５〜５０μｍで、かつ、該粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｏ」という。）と、前記粉状石炭の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｃ」という。）の比率Ｄｏ／Ｄｃが０．１〜２．０であることを特徴とする高炉原料用塊成化物の製造方法。
【請求項２】
前記混合原料中における、〔揮発分ＶＭの含有量〕／〔結晶水ＬＯＩの含有量〕の比率が質量比で０．５〜２．０である請求項１に記載の高炉原料用塊成化物の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程の後に、前記炭材内装塊成化物を不活性ガス雰囲気中で３００℃以下まで冷却する冷却工程を備えた請求項１または２に記載の高炉原料用塊成化物の製造方法。
【請求項１】
ギーセラー最高流動度ＭＦが３ＤＤＰＭ以下で、揮発分ＶＭを１０質量％以上含有する粉状石炭と、結晶水ＬＯＩを３質量％以上含有する粉状鉄鉱石とを混合して混合原料となす混合工程と、
この混合原料を２５０〜５５０℃に加熱する加熱工程と、
この加熱された混合原料を熱間成形して成形物となす熱間成形工程と、
この成形物を５６０〜７５０℃で加熱処理して高炉原料用塊成化物となす熱処理工程と、を備え、
前記粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０が５〜５０μｍで、かつ、該粉状鉄鉱石の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｏ」という。）と、前記粉状石炭の平均粒径ｄ５０（以下、「Ｄｃ」という。）の比率Ｄｏ／Ｄｃが０．１〜２．０であることを特徴とする高炉原料用塊成化物の製造方法。
【請求項２】
前記混合原料中における、〔揮発分ＶＭの含有量〕／〔結晶水ＬＯＩの含有量〕の比率が質量比で０．５〜２．０である請求項１に記載の高炉原料用塊成化物の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程の後に、前記炭材内装塊成化物を不活性ガス雰囲気中で３００℃以下まで冷却する冷却工程を備えた請求項１または２に記載の高炉原料用塊成化物の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−３２５３２（Ｐ２０１１−３２５３２Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７９５５９（Ｐ２００９−１７９５５９）
【出願日】平成２１年７月３１日（２００９．７．３１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３１日（２００９．７．３１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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