高炉原料としての鉄鉱石ペレット活用と最適化

ペレタイジングは、200メッシュ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8〜20mmの楕円/球状ラグビーボール形状に成形し、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」に変換し、高炉に直接投入できるようにするプロセスです。図1に鉄鉱石ペレットを示します。

鉄鉱石ペレットの物理的・化学的特性

鉄鉱石ペレットの物理的特性は以下の通りです。

• サイズ：8〜20mm
• pH（40g/L、20℃、水中スラリー）：5.0〜8.0
• 融点：1500〜1600℃
• 見掛け密度：2.0〜2.2 t/m³
• タンブラー指数（+6.3mm）：93〜94%
• 摩耗指数（-0.5mm）：5〜6%
• 圧縮強度（daN/p）：約250
• 多孔率：>18%

鉄鉱石ペレットの化学分析は以下の通りです。

	BFグレード	DRIグレード
Fe%	63〜65.5	65〜67.8
SiO2+Al2O3%	<5	<5
CaO+MgO%	最大3	最大0.10
P、最大%	0.05	0.05
S、最大%	0.01	0.01
塩基度、最小%	0.5
崩壊度（-3.15mm）%	2
膨張指数%	13〜18
還元性%	65

ペレット用の各種ISO標準試験を表1に示します。

ISO標準試験	測定値	目的
ISO 4700 / 圧縮強度	daN	ペレット常温強度
ISO 3271 / タンブル強度	分画 +6.3mm と -0.5mm	摩耗傾向
ISO 13930 / 低温還元崩壊	分画 +6.3, -3.15, -0.5mm	低温劣化傾向
ISO 4698 / 自由膨張	体積%	膨張傾向
ISO 4695 / 還元性	40%還元時の還元速度	還元性
ISO 7992 / 負荷下還元	1. 40%還元時の還元速度	還元性、軟化/溶融挙動
	2. 80%還元時の圧力降下
	3. 80%還元時の層収縮

ペレット品質は、鉱石または精鉱の性質、関連ガング、添加溶剤の種類と量によって影響されます。これらの要因は、共存相の物理化学的特性とペレット焼結中のそれらの分布の変動をもたらします。したがって、ペレットの特性は、鉱石粒子間で達成される結合の形態と程度、および高炉での鉄酸化物還元中のこれらの結合相の安定性によって大きく支配されます。相形成と焼結中の微細構造が添加溶剤の種類と量に依存するため、CaO/SiO2比とMgO含有量の観点から溶剤剤がペレット品質に影響を与えます。

高炉での鉄鉱石ペレット利用の歴史

ペレットの歴史は1912年、スウェーデン人のA.G.アンダーソンがペレタイジング方法を発明したことに始まります。

しかし、ペレットの商業利用は第2次世界大戦後、米国で始まりました。グレートレイクス周辺地域のタコナイト巨大埋蔵量開発を目的とした様々な研究が行われました。1943年、ミネソタ大学鉱山実験所のデービス教授が、低品位鉄鉱石を含むタコナイトの処理方法を発明しました。彼のプロセスは、タコナイトを粉砕してガングを除去し、鉄鉱石をグレードアップする（鉱石選鉱プロセス）ものでした。結果として得られる高品位鉱石は0.1mm以下の微細粒子形態であり、焼結には不適でした。この問題がこれらの微細粒子のペレタイジング開発につながりました。高品位塊鉱の世界埋蔵量が縮小する時代において、ペレタイジングプラントは今日重要な役割を果たしています。これらのプラントは低品位鉱石をグレードアップしたペレットに濃縮することを促進し、これらは高炉と直接還元炉でますます使用されています。

米国の製鉄は歴史的に、主にペレットに基づいてきました。主な理由は、すべての地元鉄鉱石が粉砕（<0.1mm）とこれらの微粉をペレットに凝集させることで選鉱（グレードアップ）を必要としたこと、また環境上の理由で焼結プラントが使用されなかったことです。

鉄鉱石ペレットは現在、北米高炉の鉄源として単一最大の供給源です。ペレットは高炉負担の約70%を占めます。当初、酸性ペレット（DRIグレード）が生産され高炉で使用されました。

1980年代半ば、石灰石ドロマイト溶剤入りペレットのメリットを評価するため、多数のペレタイジングと高炉試験が実施されました。10年代末までに、溶剤入りペレットは主要製品として確立し、北米ペレット生産の約30%を占めるようになりました。

溶剤入りペレットへの移行には、プラント設備（溶剤粉砕ミル、予熱バーナーなど）と実践の多くの変更が関わりました。各ペレットプラントは、顧客の高炉操業に合わせて溶剤入りペレット化学をカスタマイズしました。その結果、最大4グレードのペレットを生産するペレットプラントもあります。北米では、ペレットは1970年代初頭のコモディティから、1990年代には顧客の最も要求の厳しい仕様に合わせたカスタムメイド製品へと変化しました。北米溶剤入りペレットは、還元性と軟化溶融特性では最高のシンターと同等であり、強度と低温崩壊（LTD/RDI）では優れています。

ペレットの利点

鉄鉱石ペレットは、以下の特性により高炉負担でのシンターと選別塊鉱の代替として使用できます。

• 球形と開いた気孔により、より良好で均一な透過性が得られ、よりスムーズな炉操業が可能。ペレットは一般的に8〜20mmの均一なサイズ範囲を持つ。
• 非常に高い常温圧縮強度により、ストックハウスでの微粉発生が無視できるレベル。
• 高多孔率（>18%）により、より速い還元が可能。
• 高ペレット強度（約250daN/p）により、負担下降中の崩壊に対する良好な抵抗性。選別鉄鉱石と比較して優れたタンブリング指数。
• 選別塊鉱と比較して均一な化学組成。LOI（焼失量）がないこともペレットの利点。

ペレットの膨張指数は重要な冶金的特性です。膨張は還元中のペレット体積変化を示します。還元中のペレット体積膨張はペレット圧縮強度の低下をもたらします。炉内での高膨張はペレット体積増加を引き起こし、これが負担中のボイドを減少させます。これにより炉内ガス流れが阻害され、圧力降下が生じます。これが負担ハンギングとスリッピングの原因となります。ドロマイト添加はペレット膨張特性の改善に有利です。高炉でのペレット最大許容膨張は16〜18%の範囲です。酸性ペレット（DRIペレット）とMgOフリーペレットはより高い膨張を示します。

溶剤入りペレットは、還元性と軟化溶融特性では最高のシンターと同等で、強度と低温崩壊（LTD/RDI）では優れています。溶剤入りペレットは良好な強度、改善された還元性、膨張と軟化溶融特性を示します。これらの特性により、溶剤入りペレットは高炉でより良い性能を発揮します。

高炉負担でのメタリック

シンター、ペレット、選別塊鉱は高炉負担で通常使用される3つの鉄分担持メタリックです。高炉負担でのこれら3メタリックの使用比率は、炉パラメータ調整により0〜100%の範囲で変動可能です。これら3メタリックは、2メタリックまたは3メタリックのいずれの組み合わせでも使用可能です。メタリック選択の標準的な公式はありません。メタリック選択は、プラントごとに異なるいくつかの要因に依存します。メタリック選択に影響する要因の一部を以下に示します。

• 正しい仕様のメタリック材料の入手可能性
• 還元性、熱的崩壊特性、軟化特性などのメタリック材料の冶金的特性
• メタリック材料の相対コスト
• メタリック使用が溶銑全体生産コストに与える影響
• 分配パターン、燃料レートなど様々な炉パラメータの調整可能性
• プロセス制御パラメータでの調整可能性
• 炉ストックハウスで利用可能な設備
• 自社シンタープラントの有無
• 自社鉱山または高炉近隣地域で入手可能な鉄鉱石のタイプ
• ハンギングとスリッピングなしでのスムーズなBF操業に関する課題
• 環境関連課題

高炉でのペレット使用は0〜100%の範囲で可能です。高炉負担でのペレット含有量増加の標準的な解決策はありません。すべての場所と各炉で異なる課題があり、それらを特定、分析し、BF負担で使用できる最大ペレット量に到達するための解決策を見つける必要があります。目的は常に、可能な限り最低コストでトラブルフリーな高炉操業を実現することです。