鉄鉱石焼結プロセス効率を高める先進技術

焼結プロセスは、粒度10mm未満の鉄鉱石微粉、返し粉、助剤、コークス微粉の混合物を凝集させ、篩分けサイズ5〜30mmの焼結鉱を製造し、高炉（BF）内の圧力と温度条件に耐えられるようにするものです。鉄鉱石微粉の焼結プロセスは主に、採掘で発生する微粉を、高炉投入に適した粒度、物理的品質、化学組成、機械的特性を持つ製品に変換するために開発されました。

焼結プロセスの概要

焼結プロセスは、調製された焼結混合物負荷を供給する焼結機で実施されます。鉄鉱石焼結の基本燃料はコークス微粉で、代替燃料（無煙炭等）で補完可能です。焼結混合物は、鉄鉱石微粉、石灰石、ドロマイト、砂・珪石微粉（助剤）、固形燃料（コークス微粉または無煙炭）、冶金廃棄物（回収粉塵、スラッジ、ミルスケール等）の原料混合物（焼結混合物とも呼ばれる）を、7〜8%の水で回転ドラム内で均質化・造粒し、予備凝集製品（焼結混合物）を得て、焼結機の連続移動グレートまたはストランド上に層として供給します。

焼結プロセスは焼結機で実施される冶金プロセスであり、熱的凝集プロセスです。エネルギー集約型プロセスで、多数のパラメータを考慮する必要があります。プロセスは複雑で、熱・物質・運動量移動が化学反応と結合し、これらが同時に進行するため複雑性が大幅に増しています。

焼結プロセスのメカニズムと品質要求

焼結は鉄づくり工程での前処理工程で、高炉投入用原料「焼結鉱」を製造するものです。焼結プロセスでの凝集は燃焼によって達成されます。焼結ストランドで焼結混合物層を通じて空気を吸引します。表層の燃料粒子が着火炉で着火し、ストランドが前進するにつれて着火・燃焼前線が徐々に層を下方へ進行し、端まで達します。

焼結プロセス中、焼結混合物中のコークス微粉による熱供給で層温度を上昇させ、部分溶融と拡散結合を達成します。焼結プロセスの通気量と燃焼前線速度が焼結プラント性能を左右し、これらは主に焼結層透過性に依存します。燃焼前線速度は重要な運転パラメータの一つです。焼結生産性は焼結混合物充填層の透過性に強く依存します。焼結中の反応進行が速いほど、焼結混合物充填層を通過するガス流量が多くなるためです。ガス流量は焼結混合物透過性によって制御されます。焼結プロセスのフローシートを図1に示します。

図1 焼結プロセスフローシート

焼結プロセスの最優先目標は、低運転コストで均一な高品質焼結鉱を高出力で達成することです。高炉原料の主要成分として、適切な粒度、物理的特性、化学組成、機械的強度を持つ高品質焼結鉱の生産は、低還元剤消費で高炉の高い安定生産性を確保するために不可欠です。高炉には高強度、低RDI（還元劣化指数）、高RI（還元性指数）、低微粉含有、良好な平均焼結鉱サイズ、化学組成の変動が少ない焼結鉱が必要で、定常運転 regime を実現します。適切な焼結による焼結品質管理は、高炉を低燃料比・安定運転 regime で運転するために重要です。過去数十年で、焼結プロセスを大幅に改善し、焼結鉱品質も向上させる複数の技術が開発されてきました。主要技術を以下に説明します。

主要改善技術

石灰石代替としての消石灰使用

焼結混合物には石灰石とドロマイトが塩基性助剤として添加されます。焼結鉱中の助剤酸化物は、高炉スラグ化学を所望特性に調整するために必要です。焼結混合物に添加される塩基性助剤はバインダーとして働き、微粒子の凝集を改善します。助剤は焼結機生産性を向上させ、単位固形燃料消費を削減します。助剤の粒度分布は焼結生産性に重要です。CaOは酸化鉄と結合して低融点化合物を形成し、一次溶融物形成を促進します。強力な焼結鉱製造には最低限の一次溶融物が必要です。これらの化合物はFe₂O₃·CaO（1,205℃）とFeO·CaO（1,120℃）です。

消石灰（CaO）は水との水和反応でCa(OH)₂に水和するため活性バインダーです。バインダーとして焼結混合物の準粒子特性を促進し、鉄鉱石微粉からの超微粉投入量増加を可能にします。より良い焼結混合物造粒により焼結生産性が向上します。結合特性に加え、消石灰は焼結プロセス中の石灰石焼成を減らすためコークス微粉率も削減します。また、硬質生石灰石の破砕・選別負荷を軽減し、省エネにも寄与します。

最適造粒水分値の決定

日本で、同一粒度分布に調整した6種類の鉱石について添加水分の効果を試験し、焼結原料の最適造粒水分値を決定する研究が実施されました。各鉱石タイプごとに充填層透過性を最大化する最適水分値が決定されました。結果から、水分が混合材料の最適水分に影響しないという仮説に基づき、各鉱石タイプと助剤の混合比率に対する加重平均として混合物の最適水分決定法が採用されました。最適水分適用により、従来法比で添加水分値を削減でき、焼結プラントの充填層透過性が向上し、生産性が時間当たり11トン上昇しました。

集中混合・造粒システム

焼結原料である鉄鉱石微粉、助剤、廃棄物は異なる供給源から来て特性が異なります。これらを均質混合物にブレンドする必要があります。焼結生産性は層透過性と直接関係し、透過性は粒度分布と平均粒径に関連し、これらは添加水分に依存します。透過性は水分関数として最大値に上昇します。

集中混合・造粒システムは、原料供給を均質化し、ブレンドヤードを不要にすることで焼結混合物の最適調製を可能にします。システムは基本的に高速攪拌ミキサーと造粒ドラムで構成されます。このシステムにより造粒率向上、層透過性改善、より均等な燃焼通過ゾーン、最適燃焼通過点制御が実現します。より均質な焼結混合物調製によりコークス微粉消費を最大5%削減し、焼結生産性を最大2%向上させます。また、焼結混合物への超微粉高配合を容易にします。

集中混合・造粒システムと並行して、高撹拌率ミキサーとドラムミキサーで構成される予備造粒段階を採用する焼結プラントもあります。この二段階造粒システムにより、微細鉄鉱石の処理が可能となり、燃焼前線速度、透過性、プロセス生産性が向上しました。

選択的造粒

選択的造粒プロセスは、アルミナ含有量が高く、アルミナ担持材料の低反応性と一次溶融物の高粘度により焼結困難な鉄鉱石の焼結を可能にします。選択的造粒では鉱石を篩分けし、アルミナ含有量が低い大粒分を従来造粒回路へ、アルミナ含有量が高い微粒分を2〜5mm粒度にペレタイズして従来造粒回路に組み込みます。微粒分にはアルミナ高含有の粘土質鉱石が含まれ、より高い溶融温度を必要とします。

Al₂O₃ 0.2%〜3.2%の鉄鉱石を用いて、石灰石との反応による一次溶融物形成を研究した実験室規模スタディでは、選択的造粒が従来造粒より高アルミナ含有の粒子核を達成することを示しました。このプロセスでは微粉が低アルミナ核に付着し、石灰石と反応してより低温で一次溶融物形成を促進します。図2に選択的造粒プロセスの典型的フローを示します。

図2 選択的造粒プロセスの典型的フロー

コーティング造粒

従来造粒プロセスの改善は、ゲーサイトとリモナイト鉱石（通常ヘマタイトより高Al₂O₃含有で焼結特性を悪化させる）使用時に特に有利です。研究により、ドラムミキサーでの従来造粒段階に第二段階を追加すると焼結が改善することが示されています。第一段階で鉄鉱石と返し粉の混合物をドラムに投入、第二段階で第一段階結果にコークス＋石灰石＋ドロマイトを添加し、鉄鉱石主体の核をコークスと助剤で被覆した粒子を形成します。

コーティング造粒プロセスは、石灰石由来CaOと鉄鉱石由来Feの分離により助剤形成反応を改善し、より低温で焼結が進行し、透過性と生産性が向上し、二次ヘマタイト形成が減少してRDIが改善します。より多くの微細孔形成によりTI（タンブラー指数）と還元性も改善し、RDI悪化原因となるクラック伝播も防止されます。

第二段階でのドラム内混合時間が非常に重要で、約50秒が最適とされています。時間短縮では核がコークス＋助剤で十分被覆されず、時間延長ではコークスと助剤が核粒子内に混入して準粒子が破壊され、単段階従来造粒と類似の準粒子になります。

返し粉モザイク埋め込み鉄鉱石焼結プロセス（RF-MEBIOS）

焼結層透過性向上による焼結鉱生産性増大のため、「返し粉モザイク埋め込み鉄鉱石焼結」（RF-MEBIOS）プロセスが開発されました。RF-MEBIOSは返し粉を造粒バイパスする技術です。乾燥粒子としての返し粉を造粒済み原料に添加し、焼結機に投入することで焼結機生産性を向上させます。

生産性向上は、造粒時の準粒子サイズ増大と、投入後の焼結充填層バルク密度低減の2因子によるものです。前者は造粒時の原料水分含有量増加（乾燥返し粉を造粒後に添加するため投入時水分一定）で達成され、後者は乾燥・湿潤粒子複合体で構成される焼結層での摩擦増大（バルク密度低減役割）で達成されます。バイパス返し粉比率と粒径を増やすことで焼結速度と生産性が向上します。

図3に焼結プラントでの典型的物質フローを示します。返し粉輸送がダンパーで2ルートに分岐：既存返し粉ビンと新規バイパス返し粉ビン。既存ビンからの返し粉と他原料をミキサーで水と共に混合造粒。バイパスビンからの返し粉はミキサー後に添加。図右側はダンパーとベルトコンベアの位置関係。ダンパー位置調整でバイパス返し粉比率制御。ダンパーで返し粉を上層（バイパス返し粉）と下層（造粒用返し粉）に分離。ベルトコンベアは粗粒子を上層として排出するため、比較的大粒子がバイパス返し粉ビンへ輸送されます。

図3 焼結プラントでの返し粉輸送ルート典型レイアウト

透過性向上は2因子による：(1)微細準粒子（-0.25mm）比率低減、(2)バルク密度低減。前者は投入時水分一定条件下で、乾燥返し粉を造粒後に添加することで造粒時水分含有量が高まるため生じます。

ツイン層投入

焼結混合物を焼結ストランドに均一投入すると高温となり、焼結混合物融着で下向き通気を阻害し焼結プロセスを制限します。ツイン層投入では、コークス微粉高濃度の小粒径原料を上層に、コークス微粉低濃度の大粒径原料（鉱石と返し粉）を下層に投入します。これにより下層への適切な熱通過、高層透過性、燃料効率的使用が確保されます。

焼結混合物投入設備の改良

焼結混合物の偏析ブレンド投入により、ペレット上の焼結混合物で大粒子が底部、微粒子が上部に分布します。偏析ブレンド投入は混合物透過性を助け、機械生産性向上に寄与します。偏析投入の投入システム設計には複数あり、(1)従来傾斜シュートへの追加スクリーン設置、(2)強化ふるいフィーダー、(3)偏析スリットワイヤー、(4)磁気破砕フィーダー等があります。図4に偏析ブレンド投入なしシステムと各種投入システムを示します。

図4 焼結混合物投入システム

着火炉用マルチスリットバーナー

着火炉で焼結機上の焼結混合物層表面を着火する際、バーナーの炎安定性が不可欠です。マルチスリットバーナーは単一の広い安定した大炎を生成し、無炎領域を排除し、着火に必要な最小熱入力を供給します。これにより着火フードへのエネルギー入力を節約できます。日本のプラントでは、マルチスリットバーナーによる着火総熱入力が従来バーナー比で約30%削減されたと報告されています。図5にマルチスリットバーナー概要を示します。

図5 マルチスリットバーナー概要

スタンドサポート焼結

パレットに取り付けた鋼製スタンド（バーまたはプレート）で焼結ケーキを支持する「スタンドサポート焼結」という新技術が日本で開発されました。この技術により収縮率、多孔率、還元率が改善され、スタンド支持システムにより焼結機生産性が大幅向上し、機械運転がより安定します。

スタンドサポート焼結法では、焼結混合物層上部の焼結ケーキ荷重を焼結プロセス中に鋼製スタンドで支持します。焼結ケーキの燃焼溶融ゾーン上部への荷重により焼結混合物層が収縮（層圧密）し、層透過性が著しく悪化します。焼結パレット内部の支持スタンドは、スタンド頂部周辺の焼結混合物層部分が加熱溶融後固化する時点で、上部焼結ケーキ荷重の支持を開始します。その後、下層部分の焼結プロセスが軽減荷重下で進行し、透過ネットワークが良好に発達して透過性が改善されます。

廃熱回収

焼結プラントでの熱回収は焼結製造プロセス効率改善の手段です。高温焼結鉱を冷却する必要があります。焼結冷却機から回収した熱は、着火炉バーナー用燃焼空気予熱や高圧蒸気生成（発電利用）に使用されます。高圧蒸気生成の場合、廃ガスエネルギー回収システム構成はフード、集塵機、廃熱ボイラー、循環ファン、脱気器で構成されます。

焼結プラントは(1)焼結部、(2)高温焼結冷却部の2主要セクションで構成されます。両部からの熱回収は、焼結部排ガスと冷却部冷却ガスから開発されています。図6に両セクションのガス温度分布を示します。図示の通り、セクション位置により大きな温度差があります。両セクション平均ガス温度は100〜150℃範囲で、効果的熱回収には低すぎます。熱回収は高温ガスゾーン、焼結部最終部と冷却部初期部（ガス温度300℃以上）に限定されます。熱回収ゾーンは限定的ですが、焼結プロセスのガス量が十分大きいため、実用的な熱回収が商業的に可能です。また、腐食性のため熱回収後ガス温度はガス酸露点以上に保持する必要があります。

図6 焼結プラント廃熱回収

焼結機排ガス熱回収は循環型と非循環型に分類されます（図6）。循環型では熱回収後ガスを冷却ガス代替として焼結機に循環、非循環型では熱回収後ガスを直接ガス処理設備へ導きます。循環型は熱回収効率改善のために採用されます。

熱回収に加え、SOx、NOx、粒子状物質排出削減、生産性・歩留まり・焼結鉱冷間強度改善にも寄与します。この手法で30%レベルのエネルギー回収を達成しています。

排出最適化焼結システム（EOS）

高排ガス量と低清浄対象元素濃度は焼結プラントの恒常的課題でした。排出最適化焼結（EOS）システムの根本目的は、清浄ガスとウィンドボックスからの再循環ガスを供給するフードを焼結グレート上部に設置することで、清浄対象ガス量を削減（最大50%削減可能）することです。図7にEOSシステム付き焼結ストランドを示します。

図7 排出最適化焼結システム付き焼結ストランド

粉塵排出制御

焼結機生産量増加は粉塵発生増加、すなわち粒子状物質排出増加を意味します。これら排出物は粉塵を含み、多様な有機・重金属有害大気汚染物質（HAP）を含有します。廃ガスを負帯電パイプを通じて電気集塵機へ送ると、廃ガス流中の粒子状物質が負帯電します。この流れを正帯電プレート通過させると負帯電粒子状物質が引き付けられ回収され、清浄廃ガスが得られ蒸気回収量も増加します。粗粉塵は乾式集塵機で除去・リサイクル。ESP（電気集塵機）使用でオフガス粉塵レベルを低減。

EFAプロセス

「エントレインフローアブソーバー（EFA）」と呼ばれるプロセスで、Paul Wurth社が開発。EFAプロセスは焼結プラントプロセス末端に設置。エントレインフローアブソーバーとバグタイプフィルターで構成。焼結プラントオフガスから粉塵、硫黄酸化物、塩酸、フッ化水素酸、ダイオキシン、フランを捕集。吸収剤として消石灰（水酸化カルシウム）と褐炭コークスを使用しダイオキシン・フラン吸着。高圧噴霧水をリアクターに注入し、温度を80〜110℃範囲に維持して最適反応条件を達成。注入水は蒸発し、オフガス粉塵はバグタイプフィルターで回収。硫黄含有量50mg/Nm³未満（STP）、粉塵含有量5mg/Nm³未満（STP）、フラン/ダイオキシン含有量0.1ng/Nm³未満（STP）。

MEROSプロセス

最大排出削減焼結（MEROS）プロセスは、Primetals Technologies社が開発した焼結プラントからの汚染排出削減革新技術です。特定添加剤によりガス流中の汚染成分を結合・分離し、接続バグフィルターで除去。「半乾式」プロセスで100%排水フリーです。

MEROSプロセスは焼結ガス中の粉塵、酸性ガス、有害金属、有機化合物を多段階で高効率除去する洗浄プロセスです。以下の3ステップで構成：(1)炭素系吸着剤と脱硫剤を焼結オフガス流に向流方向で注入し重金属・有機化合物を結合、(2)ガス流を調質リアクターで循環し、微細ミスト噴射でガスを湿潤・冷却して約100℃にし、SO₂等酸性ガス成分結合・除去に必要な化学反応を加速、(3)調質リアクターを出たオフガス流をバグフィルター通過させ、捕捉汚染物質含有粉塵を除去。

このプロセスでは、焼結ガス中の粉塵、酸性ガス、有害金属、有機化合物が高効率で除去されます。2007年、リンツ（オーストリア）でガス処理能力100万Nm³/時の第一号設備が稼働開始。MEROSプロセスで粉塵排出5mg/Nm³未満、水銀・鉛・有機化合物（ダイオキシン・フラン等）、HCl、HF、総縮縮性VOC排出0.1ng/Nm³未満達成。MEROSの最大特長は現行環境規制適合に加え、将来予見可能な更なる規制強化にも対応可能な点です。図8にMEROSプロセス基本フローシートを示します。

図8 MEROSプロセス基本フローシート

選択的廃ガス循環システム

焼結プロセス中、燃料完全燃焼に必要以上の吸引空気量で燃焼前線速度を高めるため、焼結廃ガスは典型的に12〜15%残留酸素を含み、臨界露点より十分高温です。少量補助空気添加後の焼結プロセスへの再循環が可能です。

「選択的廃ガス循環システム」では、焼結機選択ゾーンからのオフガスを冷却機オフエアと混合し、焼結ストランドへ再循環させます。このシステムは当初、焼結能力増強と単位排出削減しながらオフガス量を一定レベルに維持するため開発され、ガス洗浄設備の投資・運転コストを許容範囲に抑制可能です。

図9に選択的廃ガス循環システム典型概略図を示します。図では、焼結機第1・第3セクションからの高温廃ガスを焼結冷却機オフエアと外気と混合し、第2セクションへ再循環。廃ガス一部を焼結ストランド一部を覆うフードへ再循環。

図9 選択的廃ガス循環システム典型概略図

本システムの利点：(1)単位焼結当たり廃ガス量約50%削減、(2)廃ガス熱利用とCO後燃焼により固形燃料単位消費10〜15%削減、(3)廃ガス洗浄プラント投資・運転コスト低減、(4)生産性と焼結品質維持、(5)CO₂排出削減、(6)SOx、NOx、PCDD/PCDF（ジベンゾ-p-ダイオキシン/ジベンゾフラン）、重金属の単位排出削減。

焼結プロセスモデリング

焼結プロセス中、熱前線変化だけでなく、原料混合物の局所ガス組成変化と初期溶融温度変化により、複数の化学反応と相変態が進行します。局所温度と固相組成に達すると、相変態は主に熱供給と拡散によって、液相形成メカニズムが主要役割を果たして粒子層内で駆動されます。材料は局所温度が溶融温度に達すると部分溶融し、移動に伴い冷ガスとの接触で再固化し、粒子凝集で連続多孔質焼結ケーキを形成。最終焼結ケーキ特性は熱サイクル、原料初期化学組成、焼結中に発熱する熱物理特性に強く依存。産業用ストランド機での焼結プロセス数理モデルは、高炉向け焼結産業生産における焼結機内現象をシミュレートします。

産業用ストランド機焼結プロセスモデリング手法は、ガス・固相・液相の運動量・質量・エネルギー多相・多成分輸送方程式に基づき、多孔質焼結形成の局所現象を考慮（図10）。モデルは相互作用する相を同時考慮し、各相の化学種を化学種保存方程式に基づき計算。運動量・エネルギー・化学反応の速度交換の正確な記述がモデル全体精度に不可欠です。

図10 焼結モデルで考慮される多相運動量・質量・エネルギー移動

化学種はガス相と固相の各化学種輸送方程式を解くことで個別に考慮。固相は鉄鉱石焼結原料、微細焼結鉱（返し粉）、コークス微粉（または他固形燃料）、スケール（製鉄所微粉）、助剤の混合物を考慮。液相は溶融・形成液相成分で構成。再固化相は再固化液相と再固化プロセスで形成相で構成され、局所液相組成と熱交換に強く依存。最終焼結ケーキはこれら材料の混合物で形成され、品質は各材料の最終組成・体積分率・モザイク焼結構造内分布に依存。

焼結プロセスモデルでは、粘度と液相が未溶融粒子表面に付着して形成されることを考慮し、液相が残存固相と共に移動すると仮定。したがって固相の運動量移動とエンタルピー方程式は、粘性液相と固形材料混合物を考慮。モデルでは温度組成依存熱物理特性が混合則に従うと仮定し、個別相特性を相体積分率で重み付け考慮。

自動化・制御システム

焼結プロセス安定化、生産性向上、製造コスト低減を究極目標として、焼結プラントに自動化・制御システムが必要で、焼結プロセス全体で最適安定運転を保証します。このため、層内現象理解とプロセス最適運転への誘導に向けた複数の取り組みが行われてきました。焼結主要制御技術は、ストランド幅方向均一焼結達成のための充填密度制御、最適生産性と焼結品質維持のためのパレット速度制御です。

焼結プラント自動化・制御システムは、分散制御システム（DCS）、集中プロセスコンピュータシステム（PCS）、製鉄所中央コンピュータシステム（CCS）を用いた3階層階層システムです。DCSはストランド沿い風速分布・ガス温度分布測定、「直接デジタル制御」（DDC）等を実行。PCSは焼結プラント運転最適化のためのプロセス制御、オペレーター向け情報サービスを実行。CCSは汎用データベースベースでの生産・運転計画、管理、データ分析を実行。図11に焼結プラント自動化・制御システムを示します。

図11 焼結プラント自動化・制御システム

クローズドループ焼結エキスパートシステムは、オペレーターが「可能な限り少ないアクション、必要な分だけ」を実行し、最小オペレーター介入で最適焼結運転を可能にするよう設計。ルールベース意思決定システムとして設計されたエキスパートシステムは、原料混合組成・品質変化、人的要因、プロセス条件変化によるプロセス変動に対抗。システムが異常・変化プロセス状況に早期対応するほど、全体焼結運転がスムーズに。制御活動の正確なタイミングと擾乱予測が、臨界プロセス状況回避と低コスト高生産率維持に極めて重要です。

自動化・制御システムにより、プロセスパラメータの完全整合で最適プロセス制御条件達成。焼結プラント統合レベル2自動化システムにより、品質パラメータ標準偏差を約5〜10%削減。コークス微粉消費約3%削減、生産性約3〜5%向上も実現。