JP7389355B2 - 高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉や堅型溶解炉などの製鉄炉の原料に用いられる、高炉用非焼成含炭塊成鉱を製造する技術に関する。

高炉では、炉上部から原料鉱石と塊状コークスを投入しつつ炉下部から送風し、塊状コークスと送風エアから生成する還元ガスを炉下部から炉上部へと通風しながら、原料鉱石中の酸化鉄を還元溶解している。炉内での還元ガスの通風性を確保するため、原料鉱石には炉内で粉化しない強度を持つことが要求されている。このため、高炉では通常、焼結鉱や焼成ペレットのように、事前に高温で焼成した原料が用いられている。

これに対し、セメントなどの水硬性バインダーを用いて焼成に必要なエネルギー消費を抑え、地球温暖化ガスである炭酸ガスの発生量を抑制する高炉用非焼成含炭塊成鉱が開発されている。この高炉用非焼成含炭塊成鉱の原料には、焼結性が低く、塊状に成型することが難しいとされてきた劣質な粉鉱石も用いることができる可能性がある。

また、高炉用非焼成含炭塊成鉱には、粒径が小さく高炉へ直接装入するのが困難な粉コークスや、価格は安いが粘結性が低くコークス化困難な無煙炭も還元材として配合できる可能性があり、高炉の還元材比を削減できると期待されている。最新の知見では、高炉用非焼成含炭塊成鉱に内装されるカーボン含有率（Ｔ．Ｃ．）は、酸化鉄を還元して金属鉄とするために必要な理論炭素量の１２０～２００％（Ｔ．Ｃ．換算で１５～２５質量％に相当）とすることで、高炉での還元材比低減効果が最大になることが明らかとなっている（特許文献１）。

水硬性バインダーの硬化反応により形成される高炉用非焼成含炭塊成鉱中の水和物は、高炉内で約４００℃以上に加熱されると吸熱反応により分解される。このため、高炉用非焼成含炭塊成鉱の強度は炉内で著しく低下し、粉化する懸念がある。高炉用非焼成含炭塊成鉱が高炉内で粉化すると、炉内の通気性を悪化さるため、高炉用非焼成含炭塊成鉱には一定の熱間強度が求められる。一方で、熱間強度確保のために水硬性バインダーを大量に使うと、吸熱反応により奪われる熱を補填するために高炉への還元材投入量が増加し、溶銑コストが増加してしまう。

以上より、高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法では、なるべく少ない水硬性バインダーで高炉使用に必要な熱間強度を発現できる製造方法が求められている。

高炉内での高炉用非焼成含炭塊成鉱の粉化は、他の高炉原燃料（焼結鉱、ペレット、コークス、等）との摩擦（表面破壊）により起こる。よって、強度指標としては、熱間（高温、還元雰囲気下）で反応した後の高炉用非焼成含炭塊成鉱の粉化率を用いることが適している。
これまで、高炉用非焼成含炭含炭塊成鉱の熱間強度を向上させるために、その製造条件について種々の技術開発が行われてきた（特許文献２～６）。

しかし、多くは強度指標として、表面破壊による粉化率ではなく、体積破壊による耐荷重を用いており（特許文献１～４）、高炉使用に適切な強度を評価できているとは言えない。また、炉内の高温、還元雰囲気下での粉化に着目したもの（特許文献６）については、好ましい粒度範囲が狭い（鉱石：１０～５０μｍ、炭素含有原料：～１００μｍ）、高結晶水鉱石の配合量が制約される（５～２０質量%）等の課題があり、産業利用上の制約が厳しい。

特許第５０００４０２号公報 特許第５８３５１４４号公報 特許第５８２５１８０号公報 特許第５７８６６６８号公報 特許第５４５４５０５号公報 特許第４８４２４０３号公報

本発明は、Ｔ．Ｃ．が多くかつ水硬性バインダーの配合率が少なくても、高炉用非焼成含炭塊成鉱の熱間強度を低下させることなく、高強度を達成可能な高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造条件を提供する。

上記課題を解決するため、原料の粒度条件を所定の範囲とし、かつ真空脱気条件が－４０ｋＰａＧ以下の真空圧で成型することで、Ｔ．Ｃ．が多くかつ水硬性バインダーの配合率が少なくても、高炉用非焼成含炭塊成鉱の熱間強度を低下させることなく、高強度を達成可能な高炉用非焼成含炭塊成鉱を製造することに成功した。即ち、
（１）製鉄における高炉の原料として使用される高炉用非焼成含炭塊成鉱を製造する方法であって、
当該高炉用非焼成含炭塊成鉱原料には、水分ゼロ換算の質量比率で、
水硬性バインダーを２．０～９．０質量％、
微粒シリカ源を１．０～４．０質量％、かつ水硬性バインダーと微粒シリカ源の合計が６．０～１３．０質量％とし、
さらに当該高炉用非焼成含炭塊成鉱原料中に含まれる炭素の割合（Ｔ．Ｃ．）が１５．０～４０．０質量％となるように、鉄含有原料、炭素含有原料、その他原料を合わせて８７．０～９４．０質量％を配合したものを用い、
ミキサーにて当該高炉用非焼成含炭塊成鉱原料と水を混合して混合原料とする際に、水の質量比率を当該高炉用非焼成含炭塊成鉱原料と水との合計を１００質量％としたときに水の質量比率が９．０～１４．０質量％となるように加えて連続的に混合し、
当該混合原料を第一の押出部、真空室、第二の押出部へ、第一の押出部の充填率が５０～９０体積％、第二の押出部の充填率が５０～９５体積％となるように移送して連続的に前記混合原料を押し出して成型体として高炉用非焼成含炭塊成鉱を製造する方法であって、
前記混合原料の粒度が、鉄含有原料中－１０μｍ粉率≧１５．０質量％である原料を用い、
前記第一の押出部では、充填率が５０～９０体積％となるように前記混合原料を移送方向前方に設置された多孔板で形成された堰へ混合原料を押込むことで第一のマテリアルシールを形成させ、
前記真空室では、前記堰の出側から連続的に供給される前記混合原料を真空脱気し、前記第二の押出部へ移送し、
前記第二の押出部では、充填率が５０～９５体積％となるように当該真空室から供給される真空脱気された前記混合原料を多数の孔を備えた成型部へ押し込むことで、第二のマテリアルシールを形成させつつ連続的に前記混合原料を押し出し、
前記真空脱気条件は－４０ｋＰａＧ以下として成型することを特徴とする、高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法である。

本発明により、Ｔ．Ｃ．を１５．０～４０．０質量％、水硬性バインダー添加率を２．０～９．０質量％の範囲で、高炉装入に適する高炉用非焼成含炭塊成鉱を製造することが可能となり、低還元材比操業に寄与する。

本発明に用いる真空押出し成型機の例を示す図である。 第一、第二の押出部の混合原料充填率を示す図である。 高炉内を模擬した荷重軟化試験装置の概略を表す図である。 高炉内を模擬した荷重軟化試験装置を用いて試験する際の昇温パターンを示す図である。 タンブラー試験機の概要を表す図である。 鉄分含有原料中の－１０μｍ粉率と反応後粉化率の関係を表す図である。 真空度と反応粉化率の関係を表す図である。

前述のように、高炉用非焼成含炭塊成鉱の原料は、一般に、還元材である炭素含有原料と、鉄源である鉄含有原料、およびその他原料の３種で構成される。そしてこれら３種の原料に、水硬性バインダーと微粒シリカ源を配合し、高炉用非焼成含炭塊成鉱原料とし、さらに水を加えて混合した後、成型して含炭塊成鉱とする。各項目について以下で説明する。

原料；
「１」鉄含有原料
炭素含有原料、バインダーの添加率を決定した後の残分を鉄含有原料とする。鉄含有原料としては、鉄鉱石を所定粒度に砕いたものや鉄鉱石微粉（ペレットフィード）、また、製鉄プロセスにおいて大量に発生する炭素分が比較的少なく鉄成分を多く含むダストやスラッジ、スケール等を使用することができる。また、圧延ロールの研削屑等や、特に製銑工程の搬送過程で落下した鉄鉱石や焼結鉱等の集積物を用いても良いし、含炭塊成鉱の成型の過程で発生する粉や欠片も鉄含有原料に含まれる。

「２」炭素含有原料
前述の高炉での還元材比低減メリット享受のため、Ｔ．Ｃ．が約１５．０～４０．０質量％となるようにする。例えば、一般的な粉コークスはＴ．Ｃ．が約８５質量％であるため、これらをＲＣＥに用いる場合は、配合率は２４．０質量％前後となる。なお、炭材含有原料としては、コークスを所定粒度に砕いた粉コークスやコークス炉の集塵ダストなど、石炭を乾留したものの微粉が好ましいが、無煙炭や石炭、高炉から発生する炭素分を多く含有するダストなどを使用しても良い。

「３」その他原料
特に製鉄工程において発生する鉄成分の少ない（鉄含有率として３０質量％以下）、もしくは鉄成分が含まれないスラッジ、スラグなどを指す。鉄含有率が少ない分、炭素分が含まれる場合がある。

「４」水硬性バインダー等
次に高炉用非焼成含炭塊成鉱の強度発現に必要な水硬性バインダー配合率を低減するための考え方を述べる。水硬性バインダーは単にセメントとも呼ばれることがあり、原料中に含有する水分や添加水分との水和反応により硬化することにより造粒物の冷間圧潰強度を高める機能を有するバインダーを意味する。水硬性バインダーには、ケイ酸カルシウムを含有する、ポルトランドセメント（ＪＩＳ Ｒ ５２１０で規定）、混合セメント（高炉セメント（ＪＩＳ Ｒ ５２１１で規定））、シリカセメント（ＪＩＳ Ｒ ５２１２で規定）、フライアッシュセメント（ＪＩＳ Ｒ ５２１３で規定））、超速硬セメント、高炉スラグ等が用いられるが、これに限定されるものではない。

水硬性バインダーが形成する水和物は高炉内で分解されるため、水硬性バインダーにより保持していた強度は炉内では徐々に減少する。この強度低下を補うため、従来技術では水硬性バインダーを約１０質量％添加する必要があった。

ところが高炉装入制約であるセメントなどの水硬性バインダーは、水分ゼロ換算の質量比率で、２．０～９．０質量％、硬化促進剤として細粒ＳｉＯ２を水分ゼロ換算の質量比率で、１．０～４．０質量％で、水硬性バインダーや細粒ＳｉＯ２が過剰だと、高炉投入還元材やスラグが増加して高炉用非焼成含炭塊成鉱のメリットが相殺されてしまい、過小だと必要強度を発現できないため高炉に装入できない。ここで各原料の水分ゼロ換算の質量は以下の方法で求める。２～３ｋｇ程度の各原料を１０５℃以上に設定した乾燥機に投入し、乾燥減量が 1 時間あたり、 ０．１％未満となるまで乾燥を続け（通常６～１２時間程度）、総乾燥減量を求める。総乾燥減量／乾燥前原料重量をその原料の水分比率とし、乾燥前原料重量－（乾燥前原料重量×水分比率）を原料の水分ゼロ換算の質量とする。

そこで本発明では、高炉内にて高炉用非焼成含炭塊成鉱が還元されることにより鉄含有原料粒子間生成されるＭｅ－Ｆｅ結合に注目した。高炉用非焼成含炭塊成鉱内に密なＭｅ－Ｆｅ結合を張り巡らせることができれば、水硬性バインダーに依らずとも、高炉用非焼成含炭塊成鉱の熱間強度を向上させることができると考える。

Ｍｅ－Ｆｅ結合の形成度合を決定するのは、高炉用非焼成含炭塊成鉱を構成する鉄含有原料粒子、炭素含有原料粒子の性状とその配置である。具体的には、鉄含有原料粒子の反応性、炭素含有原料粒子の反応性、鉄含有原料粒子と炭素含有原料粒子の近接度合の３つが重要である。

「５」微粒シリカ源
微粒シリカ源とは、シリカフューム、マイクロシリカのみならず、フライアッシュも含まれる。上記原料を水分ゼロ換算の質量比率で、水硬性バインダーを２．０～９．０質量％、微粒シリカ源を１．０～４．０質量％、水硬性バインダーと微粒シリカ源の合計を６．０質量％以上となるようにし、高炉用非焼成含炭塊成鉱原料中に含まれる炭素の割合（Ｔ．Ｃ．）を１５．０～４０．０質量％となるように、鉄含有原料、炭素含有原料、その他原料の配合率を調整して合わせて８７．０～９４．０質量％を配合した高炉用非焼成含炭塊成鉱原料に、当該原料と水の合計を１００質量％としたときの水の質量比率を９．０～１４．０質量％として加えて連続的に混合して成型原料とする。

本発明の実施例では、上記条件を加味し、配合条件の例として、例えば以下の表１を用いる。

高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法
本発明では、高炉用非焼成含炭塊成鉱内の空隙をできるだけ低減するため、高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法として、図１に示すような真空押出成型法を採用した。真空押出成型法では、図１の真空室で原料を脱気することにより、空気由来の空隙が少ない強固な塊成鉱を製造する。

含炭塊成鉱の製造装置１０は、ミキサー１、投入口２、第一の押出部３、真空室４、第二の押出部５、成型部６、真空ポンプ７を有している。

第一の押出部３（混練部とも称する）は、円筒状のケーシング３ａとこのケーシング３ａの内部に回転自在に配設され縦長に連続形成されたスクリュー３ｂを有した、１軸式のスクリューフィーダである。スクリュー３ｂは、図示しない駆動手段により回転されるようになっている。ケーシング３ａの基部の上部は、接続管８によって、投入口２と接続している。ケーシング３ａの先端には多孔板で形成された堰３ｃが配設されている。本実施形態では、多孔板で形成された堰３ｃは厚板状の円板に多数の孔が開けられた構造となっている。

第一の押出部３の下方には、第二の押出部５が配設されている。第一の押出部３の先端部と、第二の押出部５の基部は、真空室４により接続されている。真空室４は、真空ポンプ接続管９により真空ポンプ７と接続している。第二の押出部５（押出成型部とも称する）は、円筒状のケーシング５ａと、このケーシング５ａの内部に回転自在に配設され縦長に連続形成されたスクリュー５ｂを有した、１軸式のスクリューフィーダである。スクリュー５ｂは、図示しない駆動手段により回転されるようになっている。ケーシング５ａの先端には、成型部６が取り付けられている。本実施形態では、成型部６は、厚板状の円板に多数の孔が開けられた構造となっている。

高炉用非焼成含炭塊成鉱の原料は各々、所定の配合率になるようミキサー１に供給され、水を添加されて混合されて混合原料が生成される。混合原料は、投入口２に連続的又は断続的に投入される。投入口２に投入された混合原料は、接続管８を通って第一の押出部３内に供給され、スクリュー３ｂによって徐々に圧縮され、多孔板で形成された堰３ｃに到達する。この時、多孔板で形成された堰３ｃのすべての孔を混合原料で満たすように、スクリュー３ｂの回転速度および混合原料の供給速度を調整することで、多孔板で形成された堰３ｃにはマテリアルシールが形成される。スクリュー３ｂにより、混合原料は連続的に供給されるので、多孔板で形成された堰３ｃの裏面には常時マテリアルシールを形成しつつ、混合原料が連続的に排出され、真空室４内へ供給されることになる。なお、前記多孔板（堰３ｃ）の孔形状には特に決まりはないが、マテリアルシールが容易に形成できるよう、混合原料の物性に応じて、孔径や開口率を調整して決定することが重要である。

真空室４内は、真空ポンプ接続管９で接続された真空ポンプ７の作動によって真空引きされるので、真空室４に供給された混合原料は脱気され、原料中の原料粒子同士が確実に接触して緻密化することで、製造された高炉用非焼成含炭塊成鉱の強度を増加させることができる。

真空室４内で緻密化した混合原料は、第二の押出部５に供給される。第二の押出部５に供給された混合原料は、スクリュー５ｂによって、成型部６に押し出される。

このように、本発明に係る高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造装置の例では、マテリアルシールを利用して連続的に、真空脱気しつつ押出成型することにしたので、生産性を向上させることが可能となっている。
ここで、第二のマテリアルシールを連続的に維持できる条件を調査した。この調査内容と結果を表２に示す。後に述べる高炉用非焼成含炭塊成鉱の品質を満たす条件から、真空脱気条件を－４０ｋＰａ以下の状態で1ｈｒ以上連続操業できる状態を総合評価〇とした。

上記の通り、第二の押出部５に調整された多孔板の成型部６を設置することで第二のマテリアルシールは形成できる。しかしながら、実際の生産においては原料の流動抵抗が変化したり（操業変動）、スクリュー回転数が変化したり（操業アクション）することで、成型部６への原料供給速度が変化する。例えば、原料水分が過剰になると原料の流動性が低下し、第二のマテリアルシールが形成される前に原料が排出されることになり、真空室４の圧力が安定保持できなくなる。スクリュー５ｂの回転数の上昇についても同様の変化が起きる。これらの現象を調査した結果、第二の押出部５の混合原料充填率が５０体積％未満になると、成型部６への原料供給速度が増加した時に第二のマテリアルシールが崩壊しやすくなることが分かった。

一方で、原料の流動抵抗が増加したり、スクリュー５ｂの回転数を低下させたりすると、成型部６への原料供給量が低下してしまい、第二の押出部５から真空室４にかけて原料が過剰に堆積してしまい、第二の押出部５内のスクリュー５ｂが過負荷となり停止し易くなることが分かった。調査の結果、第二の押出部５の充填率が９５体積％を超えると、成型部６への原料供給が低下した時に原料が過剰に堆積しやすくなることが分かった。

したがって、第二の押出部５のスクリュー５ｂの回転速度と真空室４上流の第一の押出部３のスクリュー３ｂの回転速度および原料物性を随時調整し、第二の押出部５の原料充填率を５０体積％以上９５体積％以下に制御し続けることで、操業変動があっても安定的かつ連続的な成型体の製造が可能となることを見出した。

なお、第二の押出部５の原料充填率とは、第二の押出部５のスクリュー５ｂが回転している円筒状空間の体積（スクリュー５ｂの体積を除く）に対して、原料が占める割合をいう。第二の押出部５のスクリュー５ｂの回転数増減と原料供給量の増減により、原料充填率を５０体積％以上９５体積％以下に制御することで安定的かつ連続的な成型が可能となる。

ここで、原料充填率の判定は、例えば図２の様に、第一の押出部３の上部に取り付けられた第１の押出部原料レベルの観察部や、真空室４の上部に取り付けられた第２の押出部原料レベルの観察窓から、それぞれの押出し成型部を目視する目視判定で、目視状況を５体積％区切りで判定するのが一般的である。今回は観察窓から見えるスクリューの範囲から原料充填率が判定できるように、例えば予め、原料でスクリュー羽根が隠れる範囲と原料充填率の関係を調査しておき、観察窓からスクリューを見るだけで充填率が判定できるようにしたが、例えば、押出し成型部の各部にレベル計（マイクロ波式レベル計、近接センサー、各種レベルスイッチなど）を設置して、レベル計測値から充填率を算出しても良い。

この様に第二の押出部５の原料充填率の制御範囲については、５０体積％以上９５体積％以下であれば連続安定成型が可能となるが、５０体積％以上７０体積％以下であればなお良く、さらに５０体積％以上６０体積％以下であれば最適である。その理由は、充填率を一定に制御することで、スクリュー５ｂが成型部６へ押し付ける力が安定するため、排出される成型体のバラつきが小さくなるためである。

第一のマテリアルシールについても、連続的に維持できる条件を同様に調査し、表３に示すように第一の押出部３の原料充填率を５０体積％以上９０体積％以下であれば安定成型が可能となることが分かった。充填率が５０体積％未満になるとマテリアルシールが維持できなくなる。また、充填率が９０体積％を超えると、過負荷になったり、第一の押出部３上面のグレーチング部や原料供給シュートに原料があふれやすくなり、連続操業困難になる。したがって、第一の押出部３の原料充填率は５０体積％以上９０体積％以下である必要がある。充填率は、５０体積％以上８０体積％以下であればなお良く、さらに５０体積％以上６５体積％以下であれば最適である。その理由は、充填率を一定に制御することで、スクリュー３ｂが多孔板３ｃへ押し付ける力が安定するため、排出される成型体のバラつきが小さくなるためである。第一のマテリアルシールの観察は、第二のマテリアルシールと同様に行うことができる。第一の押出部３の容器内は常圧なので、通常は第一の押出部３の上面をグレーチングにして内部を観察する。これは、ガラス窓より視認性が良いためだが、内部が観察できればどちらでもよい。

なお本実施形態で、各原料の粒径を８ｍｍ以下（最大粒子径が８ｍｍ、平均粒子径は６０～１００μｍ程度）とすれば、スクリュー３ｂ、５ｂで押し出す際に、混合原料がスクリュー３ｂ、５ｂ、ケーシング３ａ、５ａ、多孔板で形成された堰３ｃ、成型部６それぞれの間隙を通過できるので、互いに噛み合うことが無く、好ましい。混合原料は、成型部６を通過する際に、成型部６の断面形状に成型される。成型部６から押し出された混合原料は、その自重により折れ、所定の長さの成型物に成型される。

成型物の形状は、成型部６の断面形状によって決定され、その孔は円柱の他、四角柱、六角柱等の角柱状にも形成可能であるが、円柱形状に形成することが最も望ましい。その理由を以下に記載する。

様々な傾向の高炉用非焼成含炭塊成鉱で、高炉の充填層通風圧損失を比較すると、円柱状が最も低い圧力損失を呈する。また、角柱と比較すると、円柱形状の高炉用非焼成含炭塊成鉱は、充填層内での壁や含炭塊成鉱同士の摺れや落下衝撃の際に、粉化し難いという特徴がある。直径が３０ｍｍ～４０ｍｍの塊成鉱が最も圧壊強度が高くなる一方で、高炉への原料装入機構が、既存の焼結鉱に合わせて直径２０ｍｍ以下の原料の輸送に適した構造となっているため、直径１０～２０ｍｍ程度の円柱状に成型するのが望ましい。

成型された成型物は、屋根付きの養生ヤードに積み上げられて、当該養生ヤードで所定期間養生される。養生期間中に成型物は、固化するとともに、自然乾燥によって徐々に水分が除去され高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造が完了する。

高炉用非焼成含炭塊成鉱が保持すべき熱間強度の定義；
一方、本発明の課題である高炉用非焼成含炭塊成鉱の熱間強度について説明する。高炉用非焼成含炭塊成鉱が高炉内で粉化すると炉内での通気を悪化させる。よって、高炉で使用するために高炉用非焼成含炭塊成鉱が保持するべき強度指標は、高温還元雰囲気に曝された後の粉化率による。この時の粉化率は低い方が好ましい。具体的には、以下に測定方法を述べる反応後粉化率を定義し、高炉用非焼成含炭塊成鉱の強度指標とした。

反応後粉化率の測定方法は、まず図３に示すような高炉内を模擬した荷重軟化装置に非焼成含炭塊成鉱を装入した後、図４に示すように室温から９００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温し、高炉内の還元ガスを模擬したガス雰囲気下で還元させる。本還元過程では、高炉用非焼成含炭塊成鉱は図４中の太点線の温度・ガス組成の履歴を経る。図４の縦軸はＣＯとＣＯ_２の比率であるが、高炉内では反応（ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ_２，ＣＯ_２＋Ｃ＝２ＣＯ）により温度域ごとにＣＯとＣＯ_２の比率が変わるため、本還元過程でも高炉用非焼成含炭塊成鉱の温度域に応じてＣＯ_２／（ＣＯ＋ＣＯ_２）を変えている。昇温速度１０℃／ｍｉｎは炉内での装入物の昇温速度を再現している。９００℃までの昇温が完了した後に室温まで冷却した高炉用非焼成含炭塊成鉱について、図５に示すようなタンブラー試験機で３０ｒｐｍで４分間回転する。その後、その試料全量を目開き１ｍｍの試験篩で篩う。そして、篩下と篩上の試料質量をそれぞれ測定し、下記の式（１）により、篩下試料の質量分率を求める。この値を反応後粉化率と定義する。
反応後粉化率[－１ｍｍ質量％]＝ 篩下試料質量［ｋｇ］／（篩下試料質量［ｋｇ］＋篩上試料質量［ｋｇ］）×１００・・・（１）

高炉用として非焼成含炭塊成鉱を使用するためには、反応後粉化率は低い方が良く、安定使用するためには、反応後粉化率は約１６．０質量％以下であることが好ましい。

各原料の反応性向上；
[１]鉄含有原料粒子の反応性向上
さらに鉄含有原料の反応性は、一般的に、その粒子を細粒化（比表面積を拡大）することで向上する。ここで、高炉用非焼成含炭塊成鉱の鉄含有原料として用いられる鉱石は、その時々の鉱石事情（コスト、安定供給性）の面から決定され、自在に変更できないこともあるため、その銘柄や性状は限定されない方が好ましい。また、産業利用上、高炉用非焼成含炭塊成鉱の原料のような湿潤粉体から細粒のみをカットすることは困難であるため、細粒割合に上限制約を設ける指標は好ましくない。本発明では、図６に示すように、鉄含有原料中の粒子の直径が１０μｍ以下の微粒粉の分率である－１０μｍ粉率という指標を用いることで、異なる鉱石銘柄についても同一の指標で整理可能なことを見出した。

図６より、反応後粉化率を低位にするためには、鉄含有原料中－１０μｍ粉率が高いほど良く、反応後粉化率［－１ｍｍ質量％］≦１６質量％のためには、鉄含有原料中－１０μｍ粉率が１５．０質量％以上あることが必要である。図６中では、種々の鉱石を用いており、同一名称で異なるプロットがある場合は、鉱石の粒度調整（粉砕等）を行っていることを意味する。なお、鉄含有原料の過剰な粒度調整（粉砕等）はその操作に必要な設備の導入費やランニングコストが増大し、本発明のメリットを低減させてしまう。よって、－１０μｍ粉率の上限は、比較的安価かつ大量処理が可能なボールミル等（ローラーミル等の他の粒度調整方法でも可）で実現可能な３５．０質量％程度が好ましい。ここで、各原料の粒度分布の測定は、１ｍｍ以上の粒子については篩、１ｍｍ未満の粒子についてはレーザ回折/散乱式粒度分布測定器を用いた。ただし、細粒の測定が可能な他の測定方法（湿式ふるい等）でも代用可能である。尚、図６における真空室４の真空脱気条件は－９０～－７５ｋＰａＧである。

[２]炭素含有原料粒子の反応性
炭素含有原料による鉄含有原料の還元は、固体炭素含有原料と固体鉄含有原料の接触による反応または、炭素含有原料のガス化により生じた還元ガスと固体鉄含有原料の接触による反応により進行する。ここで、炭素含有原料もまた、その粒子が粗粒過ぎると粒子内部が還元反応に寄与できず、還元能力が低下する。一方で、炭素含有原料の粒子が細粒すぎると、ガス化が早く進み過ぎ、還元ガスが鉄含有原料粒子と反応する前に系外へ放散してしまう。

[３]鉄含有原料の粒子と炭素含有原料の粒子の近接度合
還元反応を促進させるためには、鉄含有原料の粒子と還元材である炭素含有原料の粒子がなるべく近接配置されていることが好ましい。ここで、高炉用非焼成含炭塊成鉱では、一般的に、粒子間の空隙は主に水分と空気が占めている。鉄含有原料粒子と他炭素含有原料粒子の近接配置のためには、この空隙を可能な限り低減することが必要である。

本発明では、前述の図１の真空押出成型法を用いることで、高炉用非焼成含炭塊成鉱内の空気由来の空隙を低減させることにより、高比重の高炉用非焼成含炭塊成鉱を製造する。図７に真空度と反応後粉化率［－１ｍｍ質量％］の関係を示す。反応後粉化率［－１ｍｍ質量％］を低位にするためには、真空押出成型における真空度が低い方が良く、反応後粉化率［－１ｍｍ質量％］≦１６質量％のためには、真空度が－４０ｋＰａＧ以下であること必要である。なお、真空度は理論的には－１０１．１３ｋＰａＧまで低減可能であるが、真空度の過度の低減は真空ポンプ等の設備費増大につながるため、真空度の下限は一般的な真空ポンプで到達可能な－９８．０ｋＰａＧ程度が好ましい。また、図７における鉄含有原料中－１０μｍ粉率は２６．９％である。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれに限られるものではない。高炉用非焼成含炭塊成鉱原料は、炭素含有原料、鉄含有原料、その他原料を用いて、Ｔ．Ｃ．を調整した。炭素含有原料として、粉コークス（Ｔ．Ｃ．＝８４％）と、炭素含有率の高い製銑系ダスト（Ｔ．Ｃ．＝２３％）を５ｍｍの篩で篩い、その篩下を用いた。鉄含有原料として鉱石Ｐ（豪州系粉鉱石）、鉱石Ｂ、Ｆ（ブラジル系粉鉱石）、と鉱石Ｃ（カナダ系粉鉱石）をボールミルで粉砕したもの５ｍｍの篩で篩って、その篩下を用いた。また、水硬性バインダーとしては、早強セメントを用いた。微粒シリカ源としては、シリカヒュームとフライアッシュを用いた。前記の原料を秤量し、その全量を１軸式のパドル型連続式混合機に投入し１分間混合した後、所定量の水を加えて３分間混合し、混合原料とした。混合原料は、１軸のスクリュー式混練機と１軸のスクリュー式の押出し成型部で構成される押出成型装置に投入し、押出し速度（原料が成型部６の孔を通過する速度）を１０ｍｍ／ｓとなるように調整して成型試験を実施した。なお、押出成型部の孔（多孔）の径はφ１６ｍｍとした。その詳細を表４（表４-１、表４-２）、表５に示す。

マテリアルシールの評価については、図１の真空ポンプを起動させると真空室４内の真空脱気条件を－４０ｋＰａ以下で継続的に（例えば連続１ｈｒ以上）保てる状態を○、真空脱気条件が－４０ｋＰａ以下まで低下しない状態や、真空脱気条件が断続的に変動して－４０ｋＰａ以下の状態を継続的に（例えば連続１ｈｒ以上）保てない状態を×と評価した。

塊成化した含炭塊成鉱は、室温で１日間大気養生し、続いて８０℃で２日間恒温恒湿槽内に入れて養生したのち３０℃まで空冷する。その後、前述の図３に示すような高炉内を模擬した荷重軟化装置に高炉用非焼成含炭塊成鉱を装入した後、図４に示すように室温から９００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温し、高炉内の還元ガスを模擬したガス雰囲気下で還元させる。そして、前述の図５に示すようなタンブラー試験機で３０ｒｐｍで４分間回転した後、その試料全量を目開き１ｍｍの試験篩で篩い、篩下と篩上の試料質量をそれぞれ測定し、前記式（１）により、篩下試料の質量分率を求めて反応後粉化率とする。反応後粉化率［－１ｍｍ質量％］は、前述の１６．０％以下を合格とした。

表４（表４-１、表４-２）で、実施例１～実施例２１は、Ｔ．Ｃ．＝１５．０～４０．０質量％の条件で、水硬性バインダー＝２．０～９．０質量％、微粒シリカ源＝１．０～４．０質量％、かつ水硬性バインダーと微粒シリカ源の合計が６．０～１３．０質量％、成型物水分＝９．０～１４．０質量％とし、第一の押出部３の充填率を５０～９０体積％とし、第二の押出部５の充填率を５０～９５体積％として成型した場合であり、すべて反応後粉化率は約１６質量％以下である。

表５において、比較例１は、鉄源含有原料中―１０μｍ粉率が下限外れの例である。鉄源含有原料中―１０μｍ粉率は高炉内で高炉用非焼成含炭塊成鉱が還元されたときのＭｅ－Ｆｅ結合の形成度合に影響し、条件を満たさないと高炉内での還元時にＭｅ－Ｆｅ結合が十分に形成されず、目標反応後粉化率を確保できない。比較例２は真空脱気条件の上限外れの例である。真空度は、高炉用非焼成含炭塊成鉱内での鉄源含有原料粒子と炭材含有原料粒子の近接度合に影響する。真空度が条件を満たさないと、鉄源含有粒子と炭材含有粒子が十分に近接せず、Ｍｅ－Ｆｅ結合の形成が阻害されるので、目標反応後粉化率を確保できない。ここで比較例２では真空脱気条件の上限を見極めるため、第一、第二のマテリアルシールが安定的に形成できている条件下で、真空ポンプのバルブを調整し、真空脱気条件を上げた。真空脱気条件が高いほど混合原料の密度が小さくなるので押出に必要な力は小さくて済むが、－４０ｋＰａを超えるような条件では、たとえその状態を安定的に維持できたとしても、目標反応後粉化率を達成できなくなる。比較例３は第一の押出部３の充填率が下限外れの例である、充填率が下限を外れる第一の押出部３のマテリアルシールを安定的に維持できず、真空脱気条件を―４０ｋＰａ以下で安定操業できないため、高炉用非焼成含炭塊成鉱の反応後粉化率が１６質量％以下にならない。比較例４は第一の押出部３の充填率が上限はずれの例である。充填率が上限を外れた場合、第一の押出部３の負荷が過剰となり、操業停止となる。比較例５は第二の押出部５の充填率が下限外れの例である、充填率が下限を外れる第二の押出部５のマテリアルシールを安定的に維持できず、真空脱気条件を―４０ｋＰａ以下で安定操業できないため、高炉用非焼成含炭塊成鉱の反応後粉化率が１６質量％以下にならない。比較例６は第二の押出部５の充填率が上限はずれの例である。充填率が上限を外れた場合、第二の押出部５の負荷が過剰となり、操業停止となる。

１ ミキサー
２ 投入口
３ 第一の押出部（混練部）
３ａ ケーシング
３ｂ スクリュー
３ｃ 多孔板で形成された堰
４ 真空室
５ 第二の押出部（押出成型部）
５ａ ケーシング
５ｂ スクリュー
６ 成型部
７ 真空ポンプ
８ 接続管
９ 真空ポンプ接続管
１０ 高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造装置

Claims (1)

1. 製鉄における高炉の原料として使用される高炉用非焼成含炭塊成鉱を製造する方法であって、
   当該高炉用非焼成含炭塊成鉱原料には、水分ゼロ換算の質量比率で、
   水硬性バインダーを２．０～９．０質量％、
   微粒シリカ源を１．０～４．０質量％、
   かつ水硬性バインダーと微粒シリカ源の合計が６．０～１３．０質量％とし、
   さらに当該高炉用非焼成含炭塊成鉱原料中に含まれる炭素の割合が１５．０～４０．０質量％となるように、鉄含有原料、炭素含有原料、その他原料を合わせて８７．０～９４．０質量％を配合したものを用い、
   ミキサーにて当該高炉用非焼成含炭塊成鉱原料と水を混合して混合原料とする際に、水の質量比率を当該高炉用非焼成含炭塊成鉱原料と水との合計を１００質量％としたときに水の質量比率が９．０～１４．０質量％となるように加えて連続的に混合し、
   当該混合原料を第一の押出部、真空室、第二の押出部へ、第一の押出部の充填率が５０～９０体積％、第二の押出部の充填率が５０～９５体積％となるように移送して連続的に前記混合原料を押し出して成型体として高炉用非焼成含炭塊成鉱を製造する方法であって、
   前記混合原料の粒度が、鉄含有原料中－１０μｍ粉率≧１５．０質量％である原料を用い、
   前記第一の押出部では、充填率が５０～９０体積％となるように前記混合原料を移送方向前方に設置された多孔板で形成された堰へ混合原料を押込むことで第一のマテリアルシールを形成させ、
   前記真空室では、前記堰の出側から連続的に供給される前記混合原料を真空脱気し、前記第二の押出部へ移送し、
   前記第二の押出部では、充填率が５０～９５体積％となるように当該真空室から供給される真空脱気された前記混合原料を多数の孔を備えた成型部へ押し込むことで、第二のマテリアルシールを形成させつつ連続的に前記混合原料を押し出し、
   前記真空脱気条件は－４０ｋＰａＧ以下として成型することを特徴とする、高炉用非焼成含炭塊成鉱の製造方法。