焼結鉱品質最適化：鉄鉱石焼結の主要プロセス

焼結鉱品質と鉄鉱石焼結プロセス

焼結鉱は通常、高炉（BF）装入バーデンの主要構成要素です。焼結鉱は、鉄鉱石焼結プロセス中に生成される多くの鉱物相で構成されます。焼結鉱の品質と特性は、焼結鉱の鉱物構造に依存します。しかし、焼結条件が通常焼結層全体で均一ではないため、相組成、ひいては焼結鉱品質は焼結層内で変動します。

焼結鉱構造は不均一です。様々なサイズの気孔と、それぞれ異なる特性を持つ複雑な鉱物相凝集体で構成されます。これらの気孔と鉱物相の組み合わせ、およびそれら相互作用が焼結鉱品質を決定しますが、同時に焼結鉱特性の予測を非常に困難にしています。焼結鉱について多数の研究が行われてきましたが、焼結鉱の化学組成と鉱物学、およびその特性と挙動との相関関係はまだ明確には理解されていません。

焼結原料混合物と製品焼結鉱の概略図を図1に示します。

図1 焼結原料混合物と製品焼結鉱の概略図

焼結プロセスは、鉄鉱石、フラックス、コークス、プラント固形廃棄物（粒度-10mm）のグリーンミックスを凝集させ、高炉内に存在する操業圧力と温度条件に耐えられる焼結鉱を生産するプロセスを指す一般用語です。粉塵、スラッジ、スラグ、ミルスケールなどの固形廃棄物は、これらの材料の複雑な化学構造と鉱物成分のため、焼結原料混合物で利用されます。焼結プロセスの詳細については、https://www.ispatguru.com/the-sintering-process-of-iron-ore-fines-2/ の別記事で説明されています。

焼結プロセス中、微細コークス粒子燃焼が700℃～800℃で始まると、CO（一酸化炭素）ガスが生成されます。鉄鉱石コア表面と付着微粉はマグネタイトに還元されます。温度が1100℃に上昇すると、Fe₂O₃·CaO、FeO·CaO、FeO·SiO₂などの低融点相が固-固反応により形成されます。SFCA（ケイ酸・フェライト・カルシウム・アルミニウム）と呼ばれる相がこの段階で形成されます。SFCAは、少量の溶解Al₂O₃とSiO₂を含むCaO·2Fe₂O₃の固溶体として同定されます。この相は複雑な四元相と見なされます。

焼結プロセス中、炎フロントが焼結層を急速に通過するため、平衡相関係は通常達成されません。これにより焼結鉱の高度な不均質性と、熱力学的考慮からは期待されない非平衡相が形成されます。したがって、焼結鉱組成は、個々の鉱石・フラックス粒子の性質とそれら間の反応程度に依存して、バルク材料内で場所によって異なります。

マクロスコピックに焼結鉱は大きな不規則気孔を持つ不均一構造です。ミクロスコピックには、結合相、残留鉱石粒子、残留ガラス質相、非常に小さな不均一気孔とクラックで構成されます。温度、組成、酸素分圧、時間、雰囲気などの様々なパラメータにより、異なる相が異なる割合で形成され、異なるモルフォロジーが発達します。モルフォロジーは本質的に形成様式を反映し、特定の化学組成、焼結鉱の加熱・冷却速度に関連します。

針状SFCAは1185℃以下で形成開始し、温度が1245℃に達すると未反応ヘマタイトが消失し、SFCA結晶サイズが増大します。温度が1300℃を超えるとSFCAは分解開始し、酸素分圧が高く温度が1350℃未満ならヘマタイトを、酸素分圧が低く温度が1350℃超ならマグネタイトを形成し、スラグ成分が溶融相に再分配されます。SFCA分解は、分解温度以上での延長時間と最高温度上昇により促進されます。

焼結プロセスでは、上記化学反応が高温で起こり、溶融相形成をもたらします。これは固-液反応で鉄鉱石微粉とフラックスの同化と結合に使用されます。プロセス中、溶融相形成は温度が1100℃以上の炎フロントで起こります。この溶融相が凝固して、焼結鉱内の大部分を占める結合相になります。主要結合相は通常SFCAで構成されます。

溶融相体積は焼結プロセスで重要な役割を果たします。過度な溶融は均質ガラス質構造をもたらし、還元性が低くなります。一方、非常に低い溶融濃度は強度不足を招き、大量の返り焼結鉱（リターンファイン）を生じます。

焼結中の化学反応により焼結ケーキが形成され、これは不均一ミクロ構造を持つ多相材料です。ヘマタイト、マグネタイト、鉄鉱石、SFCA、二珪酸カルシウム、ガラス質相などの複数鉱物相で構成され、主要相はこれらです。異なる相の鉱物学的分布が焼結鉱ミクロ構造を決定し、これが機械的強度や高炉還元時の挙動など焼結鉱品質を付与します。SFCAは、焼結鉱内での豊富さと焼結鉱品質への顕著な影響により、結合相の最も重要な構成要素と見なされます。

焼結メカニズムから明らかなように、焼結相は主に焼結プロセス中、1100℃以上の温度で形成されます。したがって、焼結プロセスの温度-時間特性が焼結鉱のミクロ構造と相組成に強く寄与します。

焼結層温度プロファイルは、加熱サイクル中の最高温度への急峻な上昇で特徴づけられます。到達最高温度は通常1300℃超で、1350℃に達することもあります。最高温度到達後の緩やかな傾斜は、冷却サイクル中の完成焼結鉱の比較的緩やかな冷却を示します。

焼結プロセス中の層透過率変化により、焼結層上部から下部で異なる温度プロファイルが得られます。したがって、加熱速度、到達最高温度、1100℃以上での滞在時間、冷却速度は通常、焼結層の上部、中部、下部で異なります。これらの温度-時間特性差により、焼結層を通じて相組成に変動があります。これらの差異により、焼結鉱は以下のように分類できます。

• 上部焼結鉱 - 通常弱く脆く、許容サイズグレーディングの焼結鉱歩留まりが悪い。高温で融解後即座に冷却される。焼結ストランドから冷えた状態で排出される。
• 中部焼結鉱 - 融解と焼鈍の最適条件で形成され、許容サイズグレーディングの焼結鉱最大歩留まりを与える。焼結ストランドから冷えた状態で排出される。
• 下部焼結鉱 - 熱い状態で排出され、ホット焼結鉱ブレーカー通過と排出スクリーン経由で焼結クーラーへ落下する際に激しく冷却される。これにより物理的特性が悪く、許容サイズグレーディング焼結鉱歩留まりが低い。ストランド上冷却を適用すれば、中部層焼結鉱とほぼ同等特性になる。

焼結鉱の重要品質関連特性

以下は焼結鉱の重要品質関連特性です。

• 焼結鉱構造には、焼結鉱強度と還元性に有益な特性を持つフェライトが存在する。最適構造は通常、ヘマタイト核を針状フェライト格子が取り囲む形で形成される。この構造はより高い焼結塩基度で作業時に促進される。
• 鉄鉱石サイズは焼結特性に影響する。鉄鉱石サイズ増大は焼結生産性を促進するが、タンブラー強度をわずかに低下させ、コークスをわずかに節約できる。
• 焼結鉱鉱物学は、その物理化学的特性よりも化学組成からより容易に予測できる。
• 焼結鉱中MgO濃度増加は、スピネル（マグネシウムアルミニウム酸化物）とガラス質相量を増加させる。焼結鉱中MgO存在は、マグネタイトを安定化しヘマタイト含有量を減らすことで、ヘマタイトからマグネタイトへの還元時の焼結鉱応力を低減させるため、RDIを改善する。
• 焼結鉱中SiO₂濃度増加は、総SFCA量を増加させ、針状/柱状SFCA比とガラス質相含有量を減少させる。
• 焼結鉱中Al₂O₃含有量増加は、SFCA相濃度が増加するにもかかわらず、化学的・物理的特性を劇的に悪化させる。アルミナ含有量増加により、針状・柱状・ブロッキーSFCA量が著しく増加し、樹枝状・共晶SFCA量が大幅に減少する。
• 鉄焼結鉱のMgOとSiO₂含有量は、物理化学的特性に相互関連した効果を持つようだ。MgOとSiO₂の変動量が焼結鉱特性に与える影響予測は複雑。明確な傾向は、AI（摩耗指数）がMgO含有量増加で増加し、焼結鉱のRIとAIがSiO₂含有量増加で減少することのみ。
• 低FeO含有（<8%）焼結鉱はより良い還元性を支持する。鉱石混合物化学組成が固定されている場合、FeOは特にコークス率について焼結条件の指標となり得る。焼結鉱中FeO含有量増加はRDI指数を低下（改善）させる。しかしFeO含有量増加時、還元性は低下する。RDIを改善しつつ他の焼結鉱特性を変えない最適FeO含有量を見つけることが重要。
• フラックスを原料焼結混合物に添加する鉱物形態（酸化物vs炭酸塩）は、生成焼結鉱の鉱物学と特性に顕著な影響を与える。
• 原料中の様々な化学組成と不均一粒度分布により、焼結プロセス中の反応は不均一で、不均一構造の焼結鉱を生成する。