JP4892930B2 - フェロコークスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化鉄含有物質と炭素含有物質を混合して成型し、乾留して製造するフェロコークスの製造方法に関する。

酸化鉄含有物質として例えば鉄鉱石と、炭素含有物質として例えば石炭を混合して乾留し、あるいは混合成型した後乾留して鉄含有コークス、いわゆるフェロコークスを製造する技術については古くから研究が行なわれている。フェロコークス製造方法の研究の目的として、粉鉄鉱石あるいは低品位鉱石の利用や、強粘結炭の使用量の低減化が知られているが（例えば、非特許文献１参照。）、近年、コークス中に鉄を含有させることによって、高炉操業の効率が向上し、銑鉄製造に必要なコークスや吹き込み微粉炭などの還元材の量を低減することが可能であることが指摘されており、製造技術の発展が期待されている。

フェロコークスを製造するための乾留炉としては、通常の製鉄用コークス製造のためのコークス炉を用いる方法も知られているが、より優れた方法として、原料を混合した後成型してから乾留する、成型工程を経る方法も公知である（例えば、非特許文献１参照。）。

成型フェロコークス製造のための原料選択方法についても若干の研究があり、鉱石の種類によって製品フェロコークスの品質が異なるという報告がある。従って、原料選択方法の確立は製造プロセスの確立のために重要であるが、あまり多くの知見があるとは言えない状況である。鉱石の種類として磁鉄鉱が最もフェロコークス原料として適しており、赤鉄鉱、褐鉄鉱がこれに次ぐこと（例えば、非特許文献１参照。）、また、成型工程を経ずに粉状の混合物を乾留してフェロコークスを製造する方法において、砂鉄を用いた例があること（例えば、非特許文献２参照。）、さらに、鉄鉱石に混合する炭材の種類として、鉱石の粒度に応じて流動性を調節する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３００４２６５号公報 城、井田「コークス技術年報」燃料協会編集、資源新報社刊 １９５８年、３３〜５２頁 長谷場、後藤、野口「コークス技術年報」燃料協会編集、資源新報社刊 １９５７年、６８〜８３頁

しかしながら、成型フェロコークスの原料として、酸化鉄含有物質である鉱石の種類を変更する場合、それに対応して炭素含有物質である炭材の種類をどのように選択するのが最も効果的であるのかについては不明である。

特に、酸化鉄含有物質として、鉄鉱石と砂鉄とを混合して使用する場合に、炭材としてどのような性状のものを用いるべきかということについての知見は全くない。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、フェロコークス原料である酸化鉄含有物質として鉄鉱石と砂鉄との混合物を用いる場合、砂鉄の混合率が変更された場合であっても、炭素含有物質を最適に選択することにより、十分な強度を有するフェロコークスの製造を可能とする、フェロコークスの製造方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（ａ）砂鉄と鉄鉱石とからなる酸化鉄含有物質と石炭とを混合して成型し、乾留を行なってフェロコークスを製造する際に、前記石炭が粘結炭と非粘結炭との混合物からなり、前記酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合に基づき、前記石炭中の非粘結炭の割合Ａｍａｓｓ％と、前記酸化鉄含有物質中における砂鉄の質量割合であるＢ（Ｂ＝砂鉄質量／酸化鉄含有物質総質量×１００）ｍａｓｓ％とが、下記式（１）の関係を満たすようにＡを定めることを特徴とする請求項１に記載のフェロコークスの製造方法。

Ａ≦０．２×Ｂ＋５・・・（１）

本発明によれば、原料として砂鉄を用いてフェロコークスを製造する際に、砂鉄の混合比率を変えた場合であっても、炭素質含有物質のうちの粘結性を持たない物質の比率を最適化することで、フェロコークスの強度を維持できる。すなわち、特別な手段を用いることなく、炭素質含有物質のうち、粘結性を持たない物質の配合割合を変更するだけで、高強度を有するフェロコークスを製造することができる。

本発明は、成型フェロコークスの原料として用いる酸化鉄含有物質の種類を変えた場合に、製品フェロコークス中にどのような欠陥が生成し、それによりどのような強度低下を引き起こすかを調査した結果に基づいて完成されたものである。

すなわち、酸化鉄含有物質と炭素質含有物質からなる各種の原料を混合、成型し、乾留して生成したフェロコークスの内部を顕微鏡を用いて観察した結果、原料中の砂鉄の比率が高い場合においては、フェロコークス中のＦｅ周辺における空隙量が少なく、砂鉄の比率が低い場合においては、フェロコークス中のＦｅ周辺における空隙量が多くなることを見出した。フェロコークス中の空隙量が多くなれば、フェロコークスの強度が低下することは明らかである。

フェロコークスを高炉に装入する製鉄原料として用いる場合には、その強度を高く維持することが必要である。なぜなら、強度が不足の場合には、高炉内で粉化を起こし、高炉の通気が維持できず、高炉操業に支障をきたすからである。

なお、非特許文献１では、４００〜５００℃における鉄鉱石からの酸素放出が石炭のコークス化作用を阻害するため、銘柄による酸素放出の差がフェロコークス強度の差をもたらすと述べているが、本発明者らの研究によれば、こうした効果よりもフェロコークス中に生成する空隙（欠陥）の方が強度に影響を与えている。このような欠陥は、乾留中に鉄鉱石が還元されて収縮することおよび、還元に伴い、鉄鉱石周囲の炭素質が消費されることが原因で生成すると考えられ、４００〜５００℃のみならず１０００℃近傍にまで至るさらに広い温度範囲で起こる現象であって、本発明はこの新たな知見に基づき完成されたものである。

特に砂鉄をフェロコークスの原料として用いる場合には、非特許文献２に記載されているような単なる乾留法よりも、成型してから乾留する方法の方が欠陥が少なくなり、成型の有無により乾留時の挙動が異なることが示唆された。

一方、フェロコークスの原料として用いる炭素質含有物質は、ある程度の粘結性を持つことが望ましいことが知られている。これは炭素質含有物質が粘結性を有する場合、加熱により軟化溶融して鉄粒子と炭素質粒子を結合させ、強度の高いフェロコークスが得られるためである。しかし、炭素質含有物質の全量が粘結性を有する必要はなく、一部に粘結性を持たない物質を混合することも可能である。原料として石炭を用いる場合に、粘結性を持たない石炭（非粘結炭）は、粘結性を持つ石炭に比べて安価であり、資源的にも大量であるため、粘結性を持たない炭素質物質を多く利用することは有益であり望ましく、炭素質含有物質として粘結性を持たない石炭の利用率を高めることの重要性は高い。

本発明者らは、生成フェロコークス内の炭素質物質部分の欠陥を調査したところ、非粘結炭を用いた場合には、溶融しない部分およびその近傍に亀裂が生じていることを見出し、これが強度低下を引き起こしているものと推定した。

すなわち、原料中の砂鉄量の増加によって生成フェロコークス中の欠陥（空隙）は減少し、非粘結炭量の増大によって、欠陥は増大することが明確となった。このことを利用すれば、砂鉄の量が多い場合には、非粘結炭の量を増大させてもフェロコークス中の欠陥を一定に保つことができると考えられる。

上記の考え方にもとづき、種々の砂鉄配合量において、炭素質含有物質中の非粘結炭の割合を変更してフェロコークスの製造試験を行ない、生成したフェロコークスの強度を測定した。酸化鉄含有物質として鉄鉱石、鉄鉱石と砂鉄との混合物、砂鉄を、炭素含有物質として石炭を、炭素質含有物質中の非粘結性物質として非粘結炭を用いた場合の結果を図１に示す。

図１よれば、原料中の酸化鉄含有物質の割合（鉄鉱石と砂鉄の配合率）を増加させると強度が低下するが、この時、炭素質含有物質中の非粘結性物質（非粘結炭）の割合を変化させると、ある配合率以上になると強度が急激に低下する点があることが分かる。この時、強度が急激に低下する非粘結炭の配合率は、酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合が一定の場合は、ほぼ一定の値となることが見出された。すなわち、砂鉄を配合しない場合（酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合が０ｍａｓｓ％）では非粘結炭配合率約５ｍａｓｓ％、酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合が５０ｍａｓｓ％の場合には約１５ｍａｓｓ％、酸化鉄含有物質の全量が砂鉄の場合（酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合が１００ｍａｓｓ％）には約２５ｍａｓｓ％である。すなわち、それぞれの砂鉄配合率に対して、非粘結炭の配合率は上記の値以下であることが望ましいと考えられる。

このようにして求めた非粘結性物質配合率（炭素質含有物質中の非粘結性物質の割合）上限と砂鉄配合率（酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合）の関係を図２に示す。図２の直線の下側の領域、すなわち非粘結炭の配合率が図２の直線で示される値よりも少ない場合には、非粘結炭配合によるフェロコークスの強度低下が小さく抑えられることから、操業上望ましい配合率であることがわかる。この関係を定式化したものが下記式（１）である。

Ａ＜０．２×Ｂ＋５・・・（１）
ここで、Ａ（ｍａｓｓ％）は炭素質含有物質中の粘結性を持たない物質の質量割合であり、Ｂは酸化鉄含有物質中における砂鉄の質量割合（ｍａｓｓ％）である。

以上のことから本発明では、少なくとも一部が砂鉄からなる酸化鉄含有物質と炭素質含有物質とを混合して成型し、乾留を行なってフェロコークスを製造する際に、炭素質含有物質が粘結性を有する物質と粘結性を有さない物質との混合物からなり、酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合に基づき、炭素質含有物質中の粘結性を持たない物質の混合割合を定めることを特徴とする。なお、粘結性を有する物質とは、ＪＩＳ−Ｍ８８０１に記載のギーセラープラストメーター法により測定される最高流動度の値が０ｄｄｐｍを超える（最高流動度＞０ｄｄｐｍ）物質であり、例えば、強粘結炭と呼ばれる種類の石炭やピッチ類があげられる。粘結性を有さない物質としては、上記試験により求められる最高流動度の値が０ｄｄｐｍ（最高流動度＝０ｄｄｐｍ）の物質であり、例えばいわゆる非粘結炭、褐炭、無煙炭、石油コークス類、石炭を原料とするコークスなどがあげられる。

酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合に基づき、炭素質含有物質中の粘結性を持たない物質の混合割合を定める際には、炭素質含有物質中の粘結性を持たない物質の割合Ａｍａｓｓ％と、酸化鉄含有物質中における砂鉄の質量割合であるＢ（Ｂ＝砂鉄質量／酸化鉄含有物質総質量×１００）ｍａｓｓ％とが、上記式（１）の関係を満たすようにＡを定めることが好ましい。

また、酸化鉄含有物質が砂鉄と鉄鉱石とからなることが好ましく、炭素質含有物質が石炭であり、粘結性を有する物質が粘結炭、粘結性を有さない物質が非粘結炭であることが好ましい。

上記式（１）で示される関係を利用して実施される本発明の最良の一実施形態は以下のようである。

すなわち、フェロコークスの原料として用いる酸化鉄含有物質中における砂鉄の配合割合Ｂを基に、上記式（１）の関係を利用してその原料を用いた場合の炭素質含有物質中の非粘結性物質の配合割合の上限Ａを求める。炭素質含有物質中の非粘結性物質の含有割合をこの上限値Ａ以下に設定して原料を混合して、成型、乾留してフェロコークスを製造するのである。

（本発明例）フェロコークス原料に用いる酸化鉄含有物質として、ヘマタイト鉱石（Ｔ．Ｆｅ＝６６．８ｍａｓｓ％、ＦｅＯ＝０．１ｍａｓｓ％）を粒径１．５ｍｍ以下に粉砕し、これと等質量の砂鉄（Ｔ．Ｆｅ＝６０．１ｍａｓｓ％、ＦｅＯ＝２５．５ｍａｓｓ％）を混合した鉄鉱石混合物を準備した。上記（１）式より、この鉄鉱石混合物を用いる場合、炭素質含有物質中の非粘結性物の配合率上限は１５ｍａｓｓ％であった。炭素質含有物質として石炭を用い、鉄鉱石混合物３質量部（乾燥原料基準）に対し、石炭７質量部（乾燥基準）を添加するにあたり、上記（１）式の結果を用いて、石炭中の非粘結炭の割合を１４ｍａｓｓ％とした。非粘結炭以外の石炭は、粘結炭とした。以上の混合物を１５０℃に予熱し、ダブルロール成型機で成型し容積１８ｃｃのブリケットを製造した。このブリケットを乾留炉で９５０℃に加熱し、窒素雰囲気下で冷却し、フェロコークスを得た。このフェロコークスのＪＩＳドラム強度を測定したところ、ＤＩ（１５０／１５）指数で８２．６であった。この結果より、このフェロコークスは高炉に装入する製鉄原料として十分な強度を有することが分かった。

（比較例）石炭中の非粘結炭の割合を１７ｍａｓｓ％とした以外は上記の本発明例と同じ条件でフェロコークスの製造を行なった。その結果、生成したフェロコークスの強度は７９．９であり、高炉に装入する製鉄原料としては強度が不足し、不適であると判断された。

フェロコークス強度と炭素質物質中の非粘結性物質の割合の関係を示すグラフ。 炭素質含有物質中の非粘結性物質配合率の上限量と、酸化鉄含有物質中の砂鉄配合率の関係を示すグラフ。

Claims (1)

1. 砂鉄と鉄鉱石とからなる酸化鉄含有物質と石炭とを混合して成型し、乾留を行なってフェロコークスを製造する際に、前記石炭が粘結炭と非粘結炭との混合物からなり、前記酸化鉄含有物質中の砂鉄の割合に基づき、前記石炭中の非粘結炭の割合Ａｍａｓｓ％と、前記酸化鉄含有物質中における砂鉄の質量割合であるＢ（Ｂ＝砂鉄質量／酸化鉄含有物質総質量×１００）ｍａｓｓ％とが、下記式（１）の関係を満たすようにＡを定めることを特徴とする請求項１に記載のフェロコークスの製造方法。
   Ａ≦０．２×Ｂ＋５・・・（１）

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