鉄鉱石ペレットとペレタイジング：包括的概要とプロセスガイド

鉄鉱石ペレットとペレタイジングプロセスの紹介

ペレタイジングは、200メッシュ（0.074mm）未満の微細な鉄鉱石微粉とベントナイトなどの添加剤を混合し、ペレタイザーで直径8〜16mmの近楕円形・球形ボールに成形し、燃料で焼成して硬化させるプロセスです。鉄鉱石微粉を「均一サイズの鉄鉱石ペレット」に変換する凝集プロセスであり、高炉（BF）や垂直炉、直接還元鉄（DRI）製造用の回転窯に直接装入できます。鉄鉱石ペレットの外観を図1に示します。

鉄鉱石ペレットの典型的特性

表1 鉄鉱石ペレットの典型的特性
項目	単位	値	許容差
化学分析（乾燥基準）
Fe	%	65	最小
FeO	%	0.3	最大
SiO₂ + Al₂O₃	%	5	最大
CaO	%	0.03	± 0.01
MgO	%	0.06	± 0.01
塩基度	%	65	最大
リン	%	0.05	最大
物理的特性
見掛け密度	t/m³	2.2	± 0.2
タンブラー指数	%	93	最小
摩耗指数	%	3	最小 ± 0.5%
常温圧縮強度（平均）	kg/p	250	最小
粒度分析
8〜16mm	%	94	最小
-5mm	%	2	最大
+16mm	%	4	最大
冶金的特性
気孔率	%	18	最小
還元性	%	62	最小

プロセス技術

鉄鉱石ペレットの製造には以下の4段階があります。

1. 原料準備
2. グリーンボール（ペレット）の形成
3. ペレットの焼結（インデュレーション）
4. ペレットの冷却・貯蔵・輸送

原料準備

製鉄所の選鉱プラントからの鉄鉱石精鉱を乾燥し、約120℃まで加熱します。乾燥原料をボールミルで粉砕し、典型的な粒度80%が45ミクロン（0.045mm）未満、水分約9%の精鉱・粉砕鉄鉱石がペレット製造に必要です。適切なバインダー（通常ベントナイト）を添加し、高強度ミキサーで徹底混合します。

グリーンボール・ペレットの形成

直径8〜16mmのグリーンペレットをボール盤またはディスクペレタイザーで製造します。ディスクペレタイザーは操作制御が容易で設置面積が最小限のため、高品質グリーンペレットの製造に好まれます。ディスクペレタイザーは直径約5〜7.5mの傾斜盤で、約6〜8rpmで回転し、傾斜角は約45度（オフラインで45〜49度に調整可能）です。

予湿混合物を制御された速度でディスクに供給します。ディスク内で材料が凝集し、連続回転運動によりノジュール/ペレットに成形されます。鉱石微粉は摩擦が重力で克服されるまで持ち上げられ、ディスク底部へ転がり落ちます。この転動作用により最初に種と呼ばれる小さな粒が形成され、その後のディスク回転で新規供給と小ペレット同士の衝突により成長します。ペレットが大きくなると周縁部とディスク内の層の上部へ移動し、最終的に縁から溢れ出ます。ペレット成長はディスクへの少量の水噴霧と回転速度調整で制御されます。これらは必要な強度を持たないためグリーンペレットと呼ばれます。グリーンペレットはローラースクリーンで篩分けされ、所定サイズのものがペレタイジングマシンの走行グレートへ供給されます。

ボール盤内では水の表面張力、毛細管作用、重力が鉱石粒子に作用し、これらが凝集して核を形成し、球状に成長します。これらの力はボール盤の回転運動により生成されます。固体粒子が水と接触すると、鉱石表面が濡れ水膜で覆われます。水膜の表面張力により液橋が形成され、粒子が最初に凝集します。初期凝集で種が形成され、液橋内部が粒子をネットワークのように保持します。さらに水が供給されると凝集体が凝縮・緻密化し、毛細管力がより活発になります。球内の全気孔が液体で満たされるとこの段階の最適状態に達します。固体粒子が完全に水で覆われると水滴の表面張力が完全に優勢になり毛細管力を支配します。さらに、粒子の転動と相対的移動・シフトも重要な役割を果たします。

インデュレーション（焼結硬化）

インデュレーションではグリーンペレットの熱硬化を行います。主に以下の3ステップで構成されます。

1. グリーンペレットの乾燥
2. 約1300℃でのペレット焼成による酸化鉄粒子の焼結
3. 排出前の熱いペレットの冷却

乾燥段階（180〜350℃）：グリーンペレットの水分が蒸発します。表面水分と隙間水分は低温で蒸発し、化学結合水（ゲーサイトやリモナイト）や水和物・水酸化物はより高温で水分を失います。

予熱段階（500〜1100℃）：炭酸塩と水和物の分解、石炭やコークスなどの固体燃料のガス化、ゲーサイト・菱鉄鉱・磁鉄鉱などの酸化鉄がより高酸化状態の赤鉄鉱に変換されます。固体酸化物結合の開始と粒成長がこの段階の重要ステップです。

焼成段階（1250〜1340℃）：主要酸化物相の融点より低いが、雑質成分と添加剤の反応性範囲内の温度です。酸化物とスラグ結合の形成がこの段階を決定づけます。

インデュレーション時の鉱物粒子結合には、固体酸化物結合、酸化鉄の再結晶化、スラグ結合の3要因が影響します。固体酸化物結合は二価鉄酸化物が三価鉄酸化物に酸化されることで生じる結合とブリッジ効果ですが、限定的です。酸化鉄の再結晶化は、微細粒子が表面エネルギー損失とともに大粒子へ凝集する物理的プロセスで、酸化鉄結晶の継続的成長が十分な強度を与えます。ヘマタイトの粒成長は約1100℃から始まります。スラグ結合では、雑質が溶融輸送媒体となり二価・三価鉄酸化物の粒成長と酸化物結晶化を促進し、より低温で進行可能にします。

インデュレーション処理により、ペレットの特定冶金特性を変化させる化学反応が発生します。これには磁鉄鉱の酸化や褐鉄鉱の脱水などが含まれます。高炉グレードでは、石灰石・ドロマイト・シリカなどをボール盤供給原料に添加し、フラックスペレットを製造します。これらは鉄鉱石の雑質と反応し、下流工程でのペレット性能を向上させます。

ペレット冷却とハンドリング

インデュレーション後、ペレットを冷却・篩分けします。オーバーサイズペレットは破砕し、アンダーサイズとともにストックハウスビンへ送られ再処理されます。冷却ペレットは貯蔵へ送られ、下流プラントへ輸送されさらなる加工が行われます。

ペレタイジングプロセス

鉄鉱石ペレタイジングプロセス/技術には複数あります。主なものは（1）シャフト炉プロセス、（2）ストレート走行グレートプロセス、（3）グレートキルンプロセス、（4）セメント結合プロセス（グランジコールドプロセス、MISグランジコールドプロセス、チャープロセス等）、（5）水熱プロセス（COBOプロセス、MTUプロセス、INDESCOプロセス等）です。しかし現在、ストレート走行グレート（STG）プロセスとグレートキルン（GK）プロセスが主要です。

ストレート走行グレートプロセス

旧ルルギ・メタルルジーが開発し、世界の主要設置容量を占めます。二段ローラースクリーンで適正サイズ（8〜16mm）のグリーンペレットが走行グレート幅全体に均一分配されます。グレートは高さ300〜550mmの層でグリーンペレットを運び、アップドラフト・ダウンドラフト乾燥、予熱、焼成、後焼成、加熱ゾーンを持つ炉を通過させます。プロセスフローシートを図2に示します。

グレートキルンプロセス

旧アリス・チャルマーズが開発し、1960年に初プラントが建設されました。グレートキルンプロセス（図3）では走行グレートでペレットを乾燥・予熱し、800〜1000℃まで昇温した後、耐火ライニングされた回転窯へ移送し、1250〜1300℃でインデュレーションを行います。800℃で磁鉄鉱のFeOが発熱反応でFe₂O₃に変換され、放出熱でグリーンボールが硬化し、回転窯の転動衝撃に耐えられます。焼成ペレットの冷却には円形クーラーを使用します。フローシートを図3に示します。

両プロセスの比較

表2 ストレート走行グレートプロセスとグレートキルンプロセスの比較
No.	ストレート走行グレートプロセス	グレートキルンプロセス
1	乾燥・予熱・インデュレーション・冷却サイクルを単一ユニットで実施	乾燥・予熱・インデュレーション・冷却サイクルを別々のユニットで実施
2	グリーンペレットがプロセス中攪乱されない	走行グレート・回転窯・円形クーラーの3装置で構成されペレット移送が発生
3	グレート車が乾燥・インデュレーション・冷却ゾーンで同速移動。一ゾーンの障害が他ゾーンに影響	3ゾーンの独立制御が可能で操作柔軟性が高い
4	材料移送がないため微粉発生は無視できるレベル	複数箇所で材料移送があるため微粉発生が多い
5	中間製品に強度要求なし	窯への移送前にグリーンペレットを十分硬化させる必要あり
6	プロセス可用性が高い	プロセス可用性が低い
7	比エネルギー消費が高い	比エネルギー消費が低い
8	メンテナンスが少ない	メンテナンスが多い
9	粉塵発生が少ない	粉塵発生が多い
10	投資コストが高い	投資コストが低い
11	ヘマタイトと磁鉄鉱の両鉱石に適する	磁鉄鉱により適する

ペレットの利点

• 鉄鉱石ペレットは凝集微粉で、鉄鉱石より優れたタンブラー指数を持ち、高炉とDRI製造の両方で鉄鉱石塊の代替となる。
• 高気孔率（25〜30%）により還元性が良好。通常、ペレットは焼結鉱や鉄鉱石塊より相当速く還元される。高気孔率はDRI製造での冶金化も促進。
• 一般的に8〜16mmの均一サイズ。
• 球形と開気孔により優れた床透過性を持つ。
• 安息角が低く、バインダー分布が不均一になる欠点がある。
• 選鉱プロセスで制御されるため化学分析が均一。Fe含有量は原料微粉のFe含有量により63〜68%の範囲。着火減量（LOI）がないことも利点。
• 高く均一な機械的強度を持ち、微粉発生なしで長距離輸送可能。崩壊抵抗性があり、還元雰囲気下の熱応力下でも高い均一強度を維持。