JP4996211B2

JP4996211B2 - 鉄鉱石ペレットを製造する際の造粒原料の粒度決定方法

Info

Publication number: JP4996211B2
Application number: JP2006314526A
Authority: JP
Inventors: 充坂本; 伸之岩崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: JP2008127636A

Description

本発明は、高炉用原料などに使用される鉄鉱石ペレットを製造するグレートキルン方式による鉄鉱石ペレット製造技術に関する。

最近の高炉における高出銑比操業指向に対応するため、高炉の主要原料のひとつである鉄鉱石ペレット（以下、単に「ペレット」ともいう。）を製造するグレートキルン方式によるペレット製造設備に対しても増産が要請されている。

グレートキルン方式によるペレット製造設備は、従来、図１に示すようなものが知られ、この設備は造粒設備と焼成設備とからなる。造粒設備は、造粒機２１およびローラフィーダ２２を備え、焼成設備は、グレート炉１、キルン燃焼排ガス昇温手段としての予熱室バーナ８、ロータリキルン（以下、単に「キルン」ともいう。）９およびアニュラクーラ１１を備えている。

鉄鉱石に必要により副原料を混合してなる粉状の造粒原料Ｍは、造粒機２１で生ペレットＧＰに造粒され、ローラフィーダ２２にて粉が除去された後、グレート炉１に供給される。

グレート炉１は、無端状をなすトラベリング・グレート（以下、単に「グレート」という。）２によりこのグレート２のパレット上に敷かれた生ペレットＧＰを、乾燥室３、離水室４、予熱室５の順に各室の長手方向に移動させつつ、後述する加熱用ガスの下向き通風によって乾燥・予熱するものである。なお、離水室４は鉄鉱石中に結晶水を含む場合に設置される。

６は予熱室用風箱群である。グレート２の下方空間はペレット移動方向に沿って複数個の部屋に仕切られており、これらの部屋が風箱と呼ばれている。つまり、予熱室用風箱群６は複数個の風箱よりなるものであり、予熱室５に対してその長手方向（ペレット移動方向）に沿って一列に例えば９個の風箱が並設されている。７は予熱室用吸引ファンで、吸引風量（下向通風量）調節用のファンダンパ（図示省略）を有し、後述のロータリキルン９からのペレット焼成用に使用された高温のキルン燃焼排ガスを加熱用ガスとして予熱室５内に導き、この加熱用ガスをグレート２のパレット上のペレット層、風箱群６を通して下向きに吸引し、次の離水室４内へ送り出すものである。

ロータリキルン９は、このグレート炉１に直結されており、勾配をつけた円筒状回転炉であって、出口側に配設されたキルンバーナ１０による燃焼により、グレート炉１の予熱室５から装入された前記乾燥・予熱されたペレット（以下、「予熱ペレット」という。）を焼成する一方、そのペレット焼成用に使用された高温の燃焼排ガスを加熱用ガスとして予熱室５へ送り込むものである。キルンバーナ１０により微粉炭、コークス炉ガス等の燃料をロータリキルン９内に吹き込み、燃焼用空気とともに燃焼させるようにしている。

また、予熱室５には、ロータリキルン９からのキルン燃焼排ガスを昇温させるためのキルン燃焼排ガス昇温手段としての予熱室バーナ８が設けられている。

予熱室バーナ８の燃料として微粉炭、コークス炉ガス等の燃料が用いられ、予熱室５内で燃料をキルン燃焼排ガス中の残留酸素で燃焼させることにより、キルン燃焼排ガスを昇温させるようにしている。こうすることで、予熱ペレットの強度を高めることができ、操業不安定の原因となるロータリキルン９内におけるキルンリング（ペレット粉化物がキルン内壁レンガ表面に岩状に付着したもの）の発生を防止するようにしている（特許文献１〜３参照）。

なお最近では、生ペレットＧＰからの結晶水の除去を促進するため、離水室４にもバーナ（離水室バーナ）が設置されるようになってきた。

ここで、ペレットを増産するためには、グレート炉１において、グレート２の移動速度（以下、「グレート速度」という。）を上昇させるか、グレート２上への生ペレットＧＰの積み付け高さ（以下、「ペレット層厚」という。）を厚くする必要がある（例えば、特許文献４参照）。しかしながら、ペレット層厚を厚くして増産しようとすると、ペレット層内を通過するガスの圧力損失が上昇するため、ペレット層内でガスの偏流が生じて予熱不足のペレットが発生して操業が不安定になったり、予熱室用吸引ファン７等の負荷が増大して電力消費量が増加したり、ファン７の吸引能力が不足する場合はファン７の吸引能力を増強する必要が生じ、設備コストが余分にかかる等の問題がある。そのため、通常はグレート速度を上昇させて増産を図ることとなる。

しかしながら、増産（生産性向上）の目的で単にグレート速度を上昇させると、生ペレットＧＰが乾燥室３および離水室４を通過する時間が短くなるため生ペレットＧＰからの結晶水の除去が不十分になり、予熱室５でバースティングが発生してペレット層内の通気性が悪化し、予熱ペレットの強度（圧潰強度）が低下するとともに粉率が上昇する（図５のポットグレート試験結果参照）ため、ペレット層厚を薄くする等の操業上の対策が必要となり、結果として生産性向上の目的が達成できない。

したがって、乾燥室３および離水室４での生ペレットＧＰの滞留時間を確保するためには、グレート炉１の機長延長などの大幅な設備改造が必要となり、コスト負担が大きい。さらに、このように大幅な設備改造を行うことは、原料鉄鉱石のさらなる高結晶水化傾向など将来にわたる原料事情の変化に対し柔軟な対応が取りにくいといった問題もある。

また、グレート速度上昇時における生ペレットＧＰからの結晶水の除去不足を補う手段として、離水室４に設置したバーナ（離水室バーナ）の容量を増強してガス温度を上昇させる手段も考えられるが、ペレット層下部の生ペレットＧＰまで十分に結晶水を除去できるようにガス温度を上昇させると、ペレット層上部の生ペレットＧＰが過度に昇温されてしまい離水室４内でバースティングを引き起こしてしまうといった問題があった。
特公平７−１１６５２８号公報（第２頁）特開平１１−３２５７４０号公報（段落［００１５］〜［００１９］）特開２００５−６０７６２号公報（段落［００１３］〜［００１８］）特開昭６２−２０８３２号公報（第４頁、左下欄の下から５行目〜右下欄の上から４行目）

そこで本発明の目的は、グレートキルン方式の鉄鉱石ペレット製造方法において、大幅な設備改造を必要とすることなく、グレート炉内におけるバースティングの発生を抑制ないし防止しつつ、安定して生産性を向上しうる鉄鉱石ペレットを製造する際の造粒原料の粒度決定方法を提供することにある。

本発明者らは、グレート炉におけるペレット層の通気性を改善することで、設備改造を必要とすることなく、ペレットの増産が可能と考え、以下の検討を行った。

すなわち、グレート炉におけるペレット層の圧力損失ΔＰは、下記のＫｏｚｅｎｙ−Ｃａｒｍａｎの式で表現される。

ΔＰ＝（３Ｃ_ｆ）・[１／（Φ・ｄ_ｐ）]・［（１−ε）／ε^３］・Ｌ・ρ・ｕ^２

上記式中、圧力損失ΔＰを低下させうる制御可能な因子はペレット平均粒径ｄ_ｐ、ペレット層の空隙率ε、ペレット層厚Ｌであるが、ペレット平均粒径ｄ_ｐを大きくすることは高炉側で規格が定められているため事実上変更は不可能であり、ペレット層厚Ｌを低下させるとペレットの生産性も低下してしまうため変更は困難である。したがって、ペレット層の空隙率εを大きくすることで、グレート炉におけるペレット層の圧力損失ΔＰを低下させることを目標とした。具体的には、ペレット層内への粉の混入を抑制ないし防止することで、ペレット層の空隙率εを上昇させ、ペレット層の圧力損失ΔＰを低減してペレット層の通気性を改善することにより、本発明の課題を解決できると考えた。

そこで、まず、実機のグレート炉を模擬したポットグレート試験装置（内径３００ｍｍ、ペレット層厚２００ｍｍ）を用い、一定のガス温度および一定の吸引圧下にて、平均粒径１１．２ｍｍの生ペレットに平均粒径３ｍｍの粉をその添加量を順次変更して添加したものについて予熱ペレット製造試験を行い、予熱ペレット製造時間（ペレット層の最下層まで予熱するのに要する時間）に及ぼすペレット層中の粉率の影響を図４に示した。同図から明らかなように、ペレット層中の粉率を低減することで、予熱ペレット製造時間を短縮することができ、ペレットの生産性を向上させることが可能なことがわかる。

実機のグレート炉においてペレット層中に含まれる粉は、（１）造粒後、グレート炉に装入するまでの搬送工程で粉化したもの、（２）グレート炉内でバースティングにより粉化したもの、の２種類に大別される。

これら２種類の粉の発生量は、生ペレットの密度と密接な関連があり、高密度な生ペレットは冷間における強度に優れ、搬送工程での粉化は少ないが、生ペレット中の気孔量が少ないため、グレート炉の予熱工程において生ペレット内部で発生する水蒸気が外部へ抜けにくく、バースティングを起こしやすい。一方、低密度の生ペレットは冷間における強度は低く、搬送工程での粉化は多くなるが、生ペレット中の気孔量が多いため、グレート炉の予熱工程において生ペレット内部で発生する水蒸気は外部へ抜けやすく、バースティングを起こしにくい。

そして、生ペレットの密度は造粒原料の粒度によって制御できることが知られている。そこで、実機のペレット製造設備において、造粒原料の粒度の指標として通常用いられるブレーン比表面積（ＪＩＳＲ５２０１）を種々変更して密度の異なる生ペレットを造粒し、グレート炉の操業を行った結果を図２に示す。

同図（ａ）に示すように、造粒原料のブレーン比表面積を３０００ｃｍ^２／ｇから順次小さくしていくと（すなわち、造粒原料の粒度を粗くしていくと）、予熱室での圧力損失（以下、「予熱室圧損」と略称する。）は、当初ほぼ直線的に減少するが、ブレーン比表面積約２７５０ｃｍ^２／ｇで極小値を示し、その後再度ほぼ直線的に増加するのが認められる。

また、同図（ｂ）に示すように、造粒原料のブレーン比表面積を３０００ｃｍ^２／ｇから順次小さくしていくと（すなわち、造粒原料の粒度を粗くしていくと）、生ペレットの落下抵抗はほぼ直線的に低下していくのが認められる。

ここで、落下抵抗とは、造粒された生ペレットから無作為にサンプリングした１２個の生ペレットそれぞれについて、高さ５０ｃｍの位置から鉄板上に自然落下させ、これを繰り返して、壊れるに至るまでの回数を調査し、最大値と最小値とを示すものを除いた１０個の生ペレットの平均値（回／個）で定義されるものである。

上記図２（ａ）において、造粒原料のブレーン比表面積を大きい側から小さくしていく際に、当初予熱室圧損が低下するのは、造粒原料が粗くなることで、生ペレットの密度が低下し、グレート炉内でのバースティングが抑制されたためと考えられ、予熱室圧損が極小値を示した後に再度上昇するのは、造粒原料が粗くなりすぎて生ペレットの密度が低下し、同図（ｂ）に示すように、生ペレットの落下抵抗（強度）が低下して、グレート炉までの搬送工程で粉化量が増加したためと考えられる。

上記結果より、造粒原料の粒度（ブレーン比表面積）を調整することで、予熱室圧損が極小値を示す近傍でグレート炉を操業することが可能となり、その結果、グレート炉内におけるペレット層の通気性が改善され、生産性が向上するものと想定される。

本発明者らは、上記知見に基づきさらに検討を進めた結果、下記の発明を完成させるに至った。

請求項１に記載の発明は、造粒原料を造粒して得られた生ペレットをグレート炉に装入し、トラベリング・グレートで移動させつつ、乾燥室、予熱室で加熱した後、キルンバーナを備えたロータリキルンで焼成するグレートキルン方式の鉄鉱石ペレット製造方法において、前記グレート炉に装入する生ペレットを、前記造粒原料を造粒して得られた生ペレットのうち、その平均粒径の０．７倍以下のものを除去したものとし、あらかじめ、造粒原料のブレーン比表面積について、予熱室での圧力損失が極小値を示す値（以下、「最適ブレーン比表面積」という。）を求めておき、以後の操業において、造粒原料のブレーン比表面積が前記最適ブレーン比表面積の０．９５〜１．０５倍の範囲となるように、造粒原料の粒度を決定することを特徴とする鉄鉱石ペレットを製造する際の造粒原料の粒度決定方法である。

本発明によれば、造粒原料のブレーン比表面積を、予熱室での圧力損失がほぼ極小（最小）となるように調整することで、グレート速度を増加させても、グレート炉内でのバースティングの発生を抑制ないし防止しつつ、予熱ペレットの強度を確保できるようになり、設備改造を必要とすることなく、安定してペレットの生産性を向上できるようになった。

以下、本発明の実施の形態について図１に示す構成のペレット製造設備を用いて鉄鉱石ペレットを製造する場合を例に挙げて説明する。

本実施形態では、造粒原料Ｍとして、例えば、粗粒原料ａ（鉄鉱石の他、石灰石、ドロマイトなどの副原料を含む。）を粉砕機で粉砕した粉砕後原料Ａと、元来細粒であるが粒度（ブレーン比表面積）の異なるペレットフィード複数銘柄（例えば、Ｂ、Ｃ、Ｄの３銘柄）とを配合して用いる場合について説明する。

造粒原料Ｍのブレーン比表面積は、粗粒原料ａの粉砕の程度、すなわち、粉砕後原料Ａのブレーン比表面積を変更すること、および、各原料Ａ〜Ｄの配合割合を変更することを、いずれか単独で、または両者を適宜組み合わせることにより容易に調整できる。なお、造粒原料Ｍのブレーン比表面積は、各原料Ａ〜Ｄのブレーン比表面積と配合割合とから加重平均で算出することができる。

そして、あらかじめ、上記手段によりブレーン比表面積を種々変更して調整した造粒原料Ｍを用いて操業を行い、各条件にて予熱室圧損を測定し、図２に示したような、造粒原料Ｍのブレーン比表面積と予熱室圧損との関係を求める。

次いで、上記造粒原料Ｍのブレーン比表面積と予熱室圧損との関係より、予熱室圧損が極小値を示す造粒原料Ｍのブレーン比表面積である最適ブレーン比表面積を求める。

そして、その後の操業においては、造粒原料Ｍのブレーン比表面積が最適ブレーン比表面積近傍となるように、造粒原料Ｍの粒度を調整して操業を行う。

最適ブレーン比表面積近傍としては、最適ブレーン比表面積の０．９５〜１．０５倍の範囲とするのが推奨される。０．９５倍未満では、造粒原料が粗すぎて生ペレットの密度が低下するため、予熱室でのバースティングは抑制されるものの、生ペレットの強度（落下抵抗）が低下し、グレート炉までの搬送工程で粉化されやすくなり、グレート炉１に粉が持ち込まれ、ペレット層の空隙率が低下し、予熱室圧損が上昇してしまうためである。他方１．０５倍を超えると、造粒原料が細かすぎて生ペレットの密度が上昇するため、生ペレットの強度（落下抵抗）は上昇して上記搬送工程での粉化は抑制されるものの、予熱室でバースティングにより粉が発生しやすくなり、やはりペレット層の空隙率が低下し、予熱室圧損が上昇してしまうためである。最適ブレーン比表面積近傍としてのさらなる推奨範囲は、最適ブレーン比表面積の０．９７〜１．０３倍の範囲、特に０．９８〜１．０２倍の範囲である。

上記のように、その後の操業において、造粒原料Ｍのブレーン比表面積が最適ブレーン比表面積近傍となるように、造粒原料Ｍの粒度を調整して操業を行うことで、上記搬送工程での粉化と予熱室５でのバースティングによる粉化との両方が抑制されて、予熱室５におけるペレット層の空隙が確保され、予熱室圧損がほぼ極小（最小）に維持されるので、安定して高い生産性の操業を達成することができる。

〔変形例〕
上記実施形態では、造粒原料Ｍのブレーン比表面積のみを調整する例を示したが、造粒原料Ｍを造粒して得られた生ペレットＧＰのうち、その平均粒径の０．７倍以下、さらには０．７５倍以下のものを除去してからグレート炉１に装入するようにしてもよい。これにより、上記搬送工程で発生した小粒ないし粉がグレート炉１に装入する前に確実に除去されているので、グレート炉１内でのペレット層の空隙率の低下をさらに抑制でき、本発明の効果をより確実に得ることができる。造粒原料Ｍを造粒して得られた生ペレットＧＰのうち、所定粒径以下のものの除去は、グレート炉１の直前に設置されているローラフィーダ２２のロールギャップを調節することで容易に行うことができる。

また、上記実施形態では、造粒原料Ｍとして、粗粒原料ａを粉砕機で粉砕した粉砕後原料Ａと、細粒のペレットフィード複数銘柄とを配合して用いる場合を例示したが、ペレットフィードは、必ずしも複数銘柄用いる場合に限定されるものではなく、１銘柄のみ用いる場合、あるいは、ペレットフィードを全く用いず、粉砕後原料Ａのみを用いる場合にも、当然に適用できるものである。さらには、粉砕後原料Ａを用いずに、ペレットフィード複数銘柄のみを用いる場合にも、当然に適用できるものである。

造粒原料として、粗粒原料（鉄鉱石の他、石灰石、ドロマイトなどの副原料を含む。）を粉砕機で粉砕した粉砕後原料Ａと、元来細粒であるが粒度（ブレーン比表面積）の異なるペレットフィード３銘柄Ｂ、Ｃ、Ｄとを配合して用いる場合について、造粒原料のブレーン比表面積の調整手段を検討した。

表１に、上記各原料Ａ〜Ｄを配合して造粒原料の粒度（ブレーン比表面積）を調整した結果を示す。同表において、ケース(a)のベース条件に対し、ケース(b)および(c)は各原料Ａ〜Ｄの配合割合のみを変更したケース、ケース(d)は粉砕後原料Ａの粉砕粒度のみを調整したケース、ケース(e)および(f)は粉砕後原料Ａの粉砕粒度を調整するとともに各原料Ａ〜Ｄの配合割合を変更したケースである。同表に示す結果より、造粒原料Ｍのブレーン比表面積は、粗粒原料ａの粉砕の程度、すなわち、粉砕後原料Ａのブレーン比表面積を調整（変更）すること、および、各原料Ａ〜Ｄの配合割合を変更することを、いずれか単独で、または両者を適宜組み合わせることにより容易に調整できる（ケース(c)〜(e)）ことが確認できた。

そこで、図１に示す構成のペレット製造設備において、従来より増産を図るため、上記手段により造粒原料の粒度（ブレーン比表面積）を種々調整して操業を行った結果を、表２および図３に示す。

同表および同図において、生産性のレベルを期間１、２（従来例）の約１１０００〜１１５００ｔ／日から、約１２０００ｔ／日に上昇させるために、先ず、期間３（比較例）において、造粒原料のブレーン比表面積のレベルを従来の約３０００ｃｍ^２／ｇから約２９００ｃｍ^２／ｇに変更した上で、グレート速度を上昇させて増産を図った。しかしながら、この期間では、予熱室圧損が著しく上昇するとともに、予熱ファン前温度が大幅に低下し、操業が不安定化した。造粒原料の粗粒化が不十分であったため予熱室内でバースティングが発生して予熱室圧損が著しく上昇したものと想定される。また、予熱ファン前温度の低下により離水室に導入されるガスの温度が低下して離水室での生ペレットからの結晶水の除去が不十分となり、内部に結晶水分を残存したまま生ペレットが予熱室に持ち込まれた結果、バースティングがさらに助長されるとともに、予熱室にて生ペレット中に残存する結晶水分を解離するために余分な熱量が必要となり予熱ファン前温度が低下したものと想定される。

そこで、期間４（発明例）においては、造粒原料のブレーン比表面積のレベルをさらに低下させて約２８００ｃｍ^２／ｇに変更して増産を図った。その結果、予熱室圧損は低下して従来（期間１）のレベルまで回復するとともに、予熱ファン前温度も上昇して従来（期間１）のレベルまで回復し、操業は安定化した。造粒原料のブレーン比表面積を最適ブレーン比表面積（約２７５０ｃｍ^２／ｇ）近傍に調整したことで、予熱室内でのバースティングが十分に抑制されたためと考えられる。

なお、造粒原料のブレーン比表面積を低下させたことにより、生ペレットの落下抵抗（強度）は低下する傾向を示しているが、グレート炉１直前に設置されたローラフィーダ２２のロールギャップを従来の８ｍｍ（生ペレットの平均粒径１２ｍｍの０．６７倍）から９ｍｍ（生ペレットの平均粒径１２ｍｍの０．７５倍）に変更したことにより、搬送工程で発生した小粒ペレットおよび粉の除去効率が改善され、上記バースティング抑制の効果が十分に発揮されたものと考えられる。

実施形態に係るペレット製造設備の概略を示すフロー図である。（ａ）は、造粒原料のブレーン比表面積と予熱室圧損との関係、（ｂ）は、造粒原料のブレーン比表面積と生ペレット落下抵抗との関係、をそれぞれ示すグラフ図である。ペレット製造設備における本発明適用前後の操業結果の推移を示すグラフ図である。ペレット層中の粉率と予熱ペレット製造時間との関係を示すグラフ図である。グレート速度上昇のみによる増産時における予熱ペレットの圧潰強度および粉率の変化の様子を示すグラフ図である。

符号の説明

１…グレート炉
２…トラベリング・グレート
３…乾燥室
４…離水室
５…予熱室
６…予熱室用風箱群
７…予熱室用吸引ファン
８…予熱室バーナ
９…ロータリキルン
１０…キルンバーナ
１１…アニュラクーラ
２１…造粒機
２２…ローラフィーダ
ａ…粗粒原料
Ａ…粉砕後原料
Ｂ、Ｃ、Ｄ…ペレットフィード
Ｍ…造粒原料
ＧＰ…生ペレット

Claims

造粒原料を造粒して得られた生ペレットをグレート炉に装入し、トラベリング・グレートで移動させつつ、乾燥室、予熱室で加熱した後、キルンバーナを備えたロータリキルンで焼成するグレートキルン方式の鉄鉱石ペレット製造方法において、
前記グレート炉に装入する生ペレットを、前記造粒原料を造粒して得られた生ペレットのうち、その平均粒径の０．７倍以下のものを除去したものとし、
あらかじめ、造粒原料のブレーン比表面積について、予熱室での圧力損失が極小値を示す値（以下、「最適ブレーン比表面積」という。）を求めておき、
以後の操業において、造粒原料のブレーン比表面積が前記最適ブレーン比表面積の０．９５〜１．０５倍の範囲となるように、造粒原料の粒度を決定することを特徴とする鉄鉱石ペレットを製造する際の造粒原料の粒度決定方法。