ペレット製造の極意：ペレットプラント操業の内幕

ペレットとペレットプラント操業の理解

ペレット化は、非常に微細な鉄鉱石を一定径範囲（通常8〜20mm）の球状（ペレット）に変換する凝集プロセスです。これらのペレットは高炉と直接還元プロセスに適しています。ペレット化は、グリーン（未焼成）ペレットまたはボールを形成し、その後加熱焼成して硬化させる点で焼結と異なります。

鉄鉱石ペレットは選鉱済みまたはラン・オブ・マイン鉄鉱石微粉から製造可能です。痩せ鉄鉱石は通常、選鉱によってより高い鉄含有量へアップグレードされます。このプロセスで生成される鉄鉱石フィルターケーキは、製鉄プロセスで使用するためにペレット化する必要があります。また、選鉱不要の高品位鉄鉱石処理中に発生する微粉も、廃棄せずペレット化して利用できます。

ペレットプラントは鉱山、港湾近く、または製鉄所に隣接して立地できます。高度な環境技術を備え、固形・液体残渣を排出しない実質的に公害のない施設です。

ペレット化の歴史

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ット化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二次世界大戦後に米国で始まりました。五大湖周辺のタコナイト（低品位鉄鉱石）の巨大埋蔵量を開発する目的で、米国で様々な研究が行われました。タコナイト鉱石の濃縮プロセスは、鉱石を粉砕して脈石を除去し、鉄鉱石をアップグレードする（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。この問題がペレット化プロセスの開発につながりました。

1943年、ミネソタ大学鉱山実験駅のデイビス博士とその共同研究者たちが、低品位鉄鉱石を含むタコナイト処理方法を発明しました。彼らの発明は、微細磁鉄鉱精鉱をボール盤でボール/ペレット化でき、そのボールを十分高温（通常は初期融点以下）で焼成すれば、高炉使用に適した硬質・焼結ペレットが製造可能であることを示しました。その結果、焼結鉱の高炉性能への疑いなきメリットにもかかわらず、ペレットを高炉原料の主要鉄含有物質として長期操業した製鉄所が優れた性能を達成したため、ペレット化プロセスへの強い関心が生まれました。

ペレット化プラントは、世界の高品位塊鉱埋蔵量が縮小する時代において重要な役割を果たすと期待されています。これらのプラントは低品位鉄鉱石をアップグレードペレットへ濃縮することを促進し、それらは今後数年間で高炉と直接還元炉でますます使用されるでしょう。

鉄鉱石ペレット

鉄鉱石ペレットは酸性ペレットと塩基性ペレットがあります。酸性ペレットはDRI（直接還元鉄）グレードペレットとも呼ばれ、塩基性ペレットはBFグレードまたはフラックスドペレットとして知られます。

• DRIグレードペレット：塩基度は通常0.1未満。焼成ペレット強度は一定程度、多結晶構造の赤鉄鉱ブリッジによるもの。これらのペレットは通常大きな開孔体積を持ちます。還元ガスがこれらの孔を通ってペレットコアへ速やかに浸透し、同時に多くの場所で構造を攻撃します。これにより、低温でペレット全体にわたる初期構造変化が生じます。
• BFグレードペレット：塩基度は0.1より大きく、変動します。通常塩基性ペレットの塩基度は0.1〜0.6で、CaO含有率は低めです。これらのペレット焼成時に、SiO₂、CaO、Fe₂O₃の様々な割合で構成されるガラス質スラグ相が形成されます。フラックス添加増加によりある程度スラグが形成され、それにより鉄鉱石結晶とのスラグ結合がある程度生じます。高塩基度ペレットは塩基度0.6超。これらのペレットはより高いCaO含有率を持ちます。これらのペレットは主にSiO₂、CaO、Fe₂O₃で構成されるガラス相を持つだけでなく、カルシウムフェライト（CaO・Fe₂O₃）も含みます。これらのペレット焼成時、CaOの可用性が赤鉄鉱の結晶成長をかなり促進します。これらのペレットは通常、焼成後に高い機械的強度を持ちます。フラックスドペレットは優れた強度、改善された還元性、膨張、軟化溶融特性を示します。これらの特性により、高炉でより良い性能を発揮します。

ペレット品質は、鉱石または精鉱の性質、関連脈石、添加フラックスの種類と量によって影響を受けます。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、および鉄酸化物還元中のこれら結合相の安定性によって大きく左右されます。焼結中の相形成と微細構造が添加フラックスの種類と量に依存するため、CaO/SiO₂比とMgO含有量の観点からフラックス剤がペレット品質に影響を与えます。

鉱物学的にはペレットは本質的に、赤鉄鉱（元の残存）鉄鉱石粒子、結晶質シリカ（石英、クリストバライト、トリディマイト）、フォーステライト（Mg₂SiO₄）で構成されます。ペレット鉱物学の主要な変動は、製品中に存在する脈石相の割合です。これらはペレット原料と、石灰石、ドロマイト、かんらん石、ベントナイトなどの添加剤の種類と量によって変動します。

鉄鉱石ペレットの強度は、取扱い・出荷中および高炉内での破砕・摩耗による劣化を最小限に抑える上で重要です。ペレットの強力な結合は、磁鉄鉱から赤鉄鉱への酸化に伴う粒成長、または赤鉄鉱の再結晶化によるものと考えられています。スラグ結合はわずかに低い焼成温度でより急速な強化を促進する可能性がありますが、特に熱衝撃抵抗ではペレット強度が通常低下します。ペレット強度は一般的に圧縮試験とタンブル試験で決定されます。9〜18mmサイズ範囲の商業的に許容されるペレットの圧縮強度は通常200〜350kgの範囲です。タンブル試験では、+6mmペレット11.4kgをドラムタンブラー（ASTM E279-65T）で200回転、25rpmで回転させ、その後篩分けします。満足のいく商業ペレットは、タンブル試験後、マイナス0.6mm（マイナス28メッシュ）微粉が約5%以下、プラス6mmサイズが94%以上含まれるべきです。6mm〜0.6mmサイズの破砕ペレットも最小限であることが望ましいです。高炉原料用ペレットのその他重要特性には、還元性、多孔度、見掛け密度があります。一部の精鉱ではこれらを一定範囲内で調整可能です。

ペレット化プロセス

ペレット化プラントは通常、以下の4プロセスステップで構成されます。(1)原料受入、(2)前処理、(3)ボール成形、(4)焼結と冷却。これらのプロセスステップを以下に説明します。

原料受入

ペレット化プラントの立地は、鉄鉱石、添加剤、バインダーなどの原料受入方法に影響します。多くのペレット化プラントは鉄鉱山近くに立地します。これはこれらのプラントが、これらの鉱山で選鉱された鉄鉱石をペレット化するために設置されるためです。このようなプラントは鉄道および/またはスラリーパイプラインで鉄鉱石を受け入れます。他の多くのペレット化プラントは鉄鉱山から離れた場所に設置され、鉄鉱山から独立しています。これらのプラントは鉄鉱石を主に鉄道で受け入れ、一部は長距離スラリーパイプラインで受け入れます。輸入鉄鉱石に依存する港湾立地のペレット化プラントでは、専用船で鉱石を輸送し、岸壁で荷揚げし、ヤードにストックパイルします。このようなプラント向け鉄鉱石は通常、最大経済性のためバルク輸送されます。

前処理プロセス

前処理プロセスでは、鉄鉱石を後続ボール成形プロセスに必要なサイズの微粉へ粉砕します。前処理には精選、脱水、粉砕、乾燥、プレウェッティングが含まれます。一般的に低品位鉄鉱石は、鉱石品質向上、硫黄・リン含有脈石除去、粒度制御のために微粉へ粉砕されます。磁鉄鉱鉱石の場合、磁力分離機でアップグレードと脈石除去を行います。一方、赤鉄鉱鉱石では重力選鉱、浮選、および/または湿式高強度磁力分離機でこれらの操作を行います。粉砕方法は大まかに以下の3観点で分類できます。

• 乾式粉砕または湿式粉砕
• 閉回路粉砕または開回路粉砕
• 単段粉砕または多段粉砕

これらの方法は、鉄鉱石の種類と特性、混合比率、経済的要因を考慮して組み合わせて使用されます。湿式粉砕システムには濃縮機とフィルターによる脱水ユニットが必要ですが、乾式粉砕システムにはプレウェッティングユニットが必要です。プレウェッティングは通常乾式粉砕に関連します。プレウェッティングは、乾式粉砕物質に適量の水を均質に添加し、ボール成形に適したプレウェッティング物質を調製するプロセスです。これはペレット品質に大きく影響する物質特性を調整するプロセスです。場合によっては、製品ペレットの化学組成もこのプロセスで調整され、高品質ペレットを生産します。

ベントナイト、粘土、消石灰、有機バインダーなどのバインダーは、グリーンボールの湿潤強度を取扱いに許容できるレベルまで高めるために一般的に使用されます。ベントナイト消費量は原料トン当たり6.3〜10kgで、重要なコスト要素であり、最終製品のシリカ含有量を増加させます。

石灰および/またはドロマイトの鉱石への添加は、ペレットを目標化学組成に調整します。

ベントナイト使用量削減とより安価な代替品開発のために相当な努力が払われてきました。グリーンボールのボール形成性と強度は、添加剤と精鉱の水分含有量、粒度分布によって影響されます。良好なボール形成のための最適水分含有量は通常9〜12%の範囲です。ボール形成特性は精鉱の化学組成には比較的無関係ですが、物理的特性によって強く影響されるようです。例えば、鏡鉄鉱は板状粒子構造のため磁鉄鉱精鉱よりボール形成が困難です。いずれにせよ、満足のいくペレット形成は通常、約80〜90%マイナス43ミクロン（マイナス325メッシュ）まで粉砕することで達成されます。通常、ペレット化対象物質は少なくとも70%マイナス43ミクロン（マイナス325メッシュ）を含み、比表面積（ブレイン値）が1200cm²/g超で、適切なボール形成特性を持ちます。

ボール成形プロセス

このプロセスでは、前工程で調製されたプレウェッティング物質からボール成形装置がグリーンボールを生産します。ボール盤とディスクペレタイザーがグリーンボール形成に最も広く使用される装置です。両装置とも遠心力を利用して微細物質を球状に成形します。

ボール盤で生産されるグリーンボールは直径が均一ではありません。排出のかなりの部分（約70%）が目標サイズより小さく、通常篩分け後ボール盤へ戻されます。原料条件の変動に合わせてボール盤操作を調整するのは困難です。しかし、均一な原料条件（化学組成、粒度、水分など）では操作は安定します。

ボール盤と比較して、ディスクペレタイザーは軽量で調整可能性が高い利点があります。その固有設計により瞬間的な原料変動の影響を平均化できますが、ボール盤ではできません。ディスクペレタイザーはグリーンボールを自己分級し、戻りペレット量を削減します。ディスクの分級作用により、より均一なサイズのボール排出が促進され、製品篩分けが簡素化されます。ディスクペレタイザー操作は、回転数、傾斜角、ディスク深さを変更することで変動する原料条件に容易に調整可能です。ただし、ディスクの処理能力は低く、一般にボール盤より厳密な管理が必要です。

ボール成形装置をスクリーンと閉回路にし、アンダーサイズ物質を除去・リサイクルすることで、ボールサイズの最良管理が達成されます。グリーンペレットの落下強度と圧縮強度の両方が重要です。

焼結プロセス

ペレット焼成は、酸化条件下で1250〜1350℃の高温において赤鉄鉱粒子の結合を確立します。原料にフラックス脈石が含まれる場合や石灰石が添加されている場合、この焼成ステップで低融点スラグがペレット内で形成されることがあります。これらの場合、製品は赤鉄鉱結合とスラグ結合の両方を持つ中間構造を持つ可能性があります。焼成プロセスは、コークスブリーズ（燃料）と混合された微細鉱石を部分的に溶融・焼結する焼結（より高温を必要とする）より低いプロセス温度で特徴づけられます。

ペレット焼結には通常以下の3システムが使用されます。(1)竪型炉システム、(2)ストレートグレートまたは移動グレートシステム、(3)グレート・キルン・クーラーシステム。各システムは商業的に許容品質ペレット製造に使用されてきたため、資本・運転コスト要因が通常、いずれかのシステム選択に関与します。

ペレット化中の磁鉄鉱から赤鉄鉱への酸化は、すべてのシステムで熱要件の相当部分、約100Mcal/トンを供給します。赤鉄鉱ペレット化では、磁鉄鉱酸化で通常供給される追加焼結エネルギーを補うため、ペレット原料混合物へコークスブリーズ（または何らかの炭素源）を使用することが一般的になっています。

竪型炉システム

竪型炉システムは最も伝統的な設備です。しかし、竪型炉は移動グレートやグレート・キルンシステムほど一般的ではありません。竪型炉設計にはいくつかのバリエーションがありますが、最も一般的なのはエリー型で、図1に示されています。グリーンボールは頂部から投入され、高温ガスと向流で分速25〜40mmで炉内を下降します。総空気の約25%が1280〜1300℃で熱ガス入口から炉内へ入ります。このゾーンのペレットは、磁鉄鉱が赤鉄鉱へ酸化する際に発熱反応熱が放出され温度が上昇するため、1315℃以上に達します。残り75%の炉空気は冷却空気入口から入ります。ペレットは約370℃で排出され、トップガス温度は約200℃です。典型的な炉能力は1000〜2000トン/日です。

竪型炉は移動グレートやグレート・キルンシステムよりエネルギー効率が高いです。竪型炉は磁鉄鉱ペレット化に適していますが、赤鉄鉱質または褐鉄鉱質鉱石物質には適しません。竪型炉の欠点は単位生産性が低く、燃焼ゾーンでの均一温度維持が困難なことです。ホットスポットが発生し、ペレットが融着して大塊となり、排出問題を引き起こす可能性があります。また、竪型炉でフラックスドペレットを製造するのは非常に困難です。竪型炉システムの典型的な概略図は図1に示されています。

図1 竪型炉とグレート・キルンシステムの典型的概略図

ストレートグレートシステム

ストレートグレートシステムは竪型炉のすぐ後に業界に登場しました。これは本質的に焼結プロセスの変形です。グリーンボールはグレートへ連続供給され、ベッド深さ約300〜400mmを形成し、最初の数個のウィンドボックスで焼成ゾーンから回収されたアップドラフト空気で乾燥、続いて冷却ゾーンから回収されたダウンダフト空気で乾燥されます。この熱風配置により、ベッド内水分凝縮によるペレット損傷が制限されます。乾燥後、ペレットは冷却ゾーンからのダウンダフト空気で予熱されます。焼成は燃焼ゾーンでダウンダフトにより、冷却ゾーンからの熱風で燃料油または天然ガスを燃焼させて行われます。冷却ゾーンは燃焼ゾーンに続き、アップドラフト新鮮空気を使用します。

ペレット製造用移動グレートシステムは、ペレット静止層を移動させる単一ユニットで構成されます。乾燥、予熱、焼成、冷却のシンプルな構造を持ちます。比較的操作が容易で、スケールアップも容易なため、多くのプラントで採用されています。

移動グレートシステムの燃料消費は、磁鉄鉱からペレット生産でトン当たり約85〜140Mcal、赤鉄鉱ペレット化では最大240Mcal/トンです。システムは焼成ゾーンで優れた温度制御を提供します。ペレットベッド全体の均一性は、焼成済みペレットの一部をリサイクルしてグレート上にハース層と側壁層を形成することで達成可能です。大型グレート機は幅4mで、年間300万トン以上のペレット生産能力を持ちます。円形グレート機も設計され、操業されています。ストレートグレートシステムの典型的概略図は図2に示されています。

図2 ストレートグレートシステムの典型的概略図

グレート・キルンシステム

図1に示すグレート・キルンシステムは、ペレットを約1040℃まで乾燥・予熱する移動グレート、スループットを最終焼結温度1315℃まで均一に加熱する回転キルン、製品冷却と熱回収を行う環状クーラーで構成されます。焼成熱はキルン排出端の中央油・ガス・石炭・廃木材バーナーで供給されます。キルン内で生成された高温ガスはペレットのダウンダフト予熱に使用されます。クーラーからの熱風はキルン内燃焼を支持し、移動グレートへ回収され乾燥とテンパー予熱に使用されます。

グレート・キルンシステムはプロセス全段階で優れた温度制御を提供し、一貫して均一な品質ペレットを生産します。磁鉄鉱鉱石使用時の標準ペレット生産で75〜100Mcal/トン、赤鉄鉱原料時で最大170Mcal/トンの燃料消費です。フラックスドペレット生産時はこれらの数値がトン当たり60Mcal増加します。ボール成形からペレット積出しまでの動力消費は約23kWh/トンです。

グレート・キルンシステムは制御が容易で、製品ペレットの品質が均一です。かなり大規模へのスケールアップも可能です。グレート・キルンシステムはライン当たり年間600万トンまでの生産能力で設計可能です。これらのシステムは多くのプラントで使用されています。

ペレット化プロセスは常に改良されています。セルフフラックスペレットの生産は、商業規模で受け入れられた革新の一例であり、高炉性能の大幅な進歩をもたらしました。ペレットとペレット化プロセスに関するその他の記事は以下のリンクで入手可能です。

https://www.ispatguru.com/iron-ore-pellets-and-pelletizing-processes/

https://www.ispatguru.com/iron-ore-pellets/

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