ペレット（鉄鋼業界）
鉄鉱石の形態
LKABがスウェーデン北部で採掘した鉱石から生産した鉄鉱石ペレット。

ペレットは、鉄鋼業界で利用される鉄鉱石の加工品で、高炉や直接還元炉で直接使用できるように特別に設計されています。これらのペレットは球形で、直径は8～18ミリメートルです。

鉄鉱石ペレットの製造には、鉱石の粉砕、バインダーとの混合、そしてペレットの成形と加熱といった複数の工程が含まれます。ペレットの鉄含有量は通常62%から66%です。この濃縮工程により鉄濃度が向上し、鉄鋼生産の効率を高める特定の化学的・機械的特性が付与されます。

歴史

塊成物および銑鉄生産と比較したペレット生産の拡大。

粉末鉄鉱石のペレット化は19世紀末に初めて導入され、タール（重量比1%）を結合剤として使用しました。 [1]この方法では、混合物を回転ドラムで焼成することで高炉に適したペレットを作成し、同時に放出される煙を通して硫黄やヒ素などの不要な元素を除去することも容易でした。[2]

この時期、高品質鉄鉱石製品が直面する凝集化の課題に対処する代替プロセスとして、グレート焼結法と並行してペレット焼結法が開発されました。 [1]ペレット凝集法の概念は、1912年にスウェーデンでA.アンダーソンによって最初に特許取得され、続いて1913年にドイツでも同様の特許が取得されました。[3]結果として得られた製品は、ドイツ語で「圧延」を意味する「GEROELL」に由来する「GEROELL」と名付けられました。この方法で製造されたペレットは、同じ原料から製造された較正済み鉱石や凝集体と比較して、より速い還元速度を示しました。1926年、クルップ社はラインハウゼンにこのペレット化技術の可能性を探るため、産業用パイロットプラントを建設しました。しかし、このプラントは後に大規模なグレート焼結ラインの設置のために解体され、グレート焼結ラインは業界における競合プロセスとして台頭しました。[4]

ペレット焼結法は、鉄鉱石処理の有効な方法として現在も利用されている。アメリカ合衆国では、第二次世界大戦中にメサビ山脈産の微粉鉱石を処理するためにこの技術が用いられた。[5]天然に豊富な鉄鉱石（鉄含有量50%以上）が枯渇しつつあったため、この技術は不可欠であった。通常44mm未満の大きさで鉄含有量が約85%である微粉磁鉄鉱をペレット化する技術の開発は、ミネソタ大学の支援を受けて1943年頃に始まった。この技術は後にヨーロッパ、特にスウェーデンで、還元前鉄鉱石の生産を容易にするために採用された。[4]チリは1978年にワスコ港に最初のペレット化施設（プランタ・デ・ペレット）を開設し、オーストラリア、ブラジル、リベリアでの鉱石生産量の増加に直面しながらも、チリの鉄鉱山の競争力維持に貢献した。 [6] [7]

ペレット生産量は1960年から1980年にかけて大幅に増加しましたが、最終的には年間約3億トンで横ばいとなりました。以下のデータは、数年間にわたるペレット生産量を示しています。[5]

  • 1984年、世界のペレット生産量は1億8900万トンに達し、北米が9000万トン、ソ連が6300万トン、その他の地域で3600万トンを生産しました。[8]
  • 1992年までに[8]生産量は2億6400万トンに増加した。
  • 2008年には[9]生産量はさらに3億1300万トンに増加した。
  • しかし、2009年には経済危機の影響で生産量は2億1500万トンに減少した。[9]
  • 2010年には[10]生産量は3億8800万トンに回復した。

鉄ペレットの国際価格は1981年から1997年まで乾燥ロングトン単位（DLTU）あたり45（±10）米ドルセント前後で推移した。[6]

生産

スウェーデンのキルナ鉱山の濃縮およびペレット化プラント。

ペレットは、採掘現場で直接採掘会社によって製造され、独立した製品として販売されます。一方、高炉で様々な原料の鉄鉱石を混合して製造される塊状鉄鉱石は、ペレットとは異なります。[10]ペレットは、比較的脆い塊状鉄鉱石に比べて、一般的に堅牢で取り扱いが容易です。ペレットの製造工程は、鉄鉱石の地域特性によって大きく異なり、施設によってはヒ素除去などの追加工程が含まれる場合があります。[11]ペレットの製造工程には、いくつかの主要な段階があります。[11]

これらのプロセスにより、ペレットが特定の品質基準を満たすように製造され、取り扱いや輸送の要求に耐えられることが保証されます。[10]

鉄鉱石濃縮物からペレットを作るのに使用される受け皿。

鉱石濃縮物は圧縮工程を経てペレット状に成形されます。この工程は様々な種類の混合装置を用いて行われますが、最も一般的に使用されるのはソーサーです。焼結工程にかけられる前のペレットは「グリーン」または「生ペレット」と呼ばれ、その典型的な直径は5～20mmです。[8]

ペレット化後、ペレットは消費工場へ送られるか、調理炉へ送られます。ペレットはバインダーを使用しても脆さが残るため、一般的に消費工場よりも調理炉での加工に適しています。調理後、ペレットは冷却されます。[8]

蒸解工程では、ペレットを連続した一連の炉に通し、最高1,200℃まで加熱します。この加熱は、複数の方法で実現できます。例えば、単一の連続炉を用いるストレートグレートプロセス、または炉の末端に回転式冷却​​トレイを備えたグレートキルンプロセスです。[12]この工程に必要な熱はバーナーによって供給されます。バーナーは、処理対象の鉱石の種類に応じて、鉱石精鉱に燃料を添加するか、鉱石の酸化を促進するかのいずれかを行います。[11]

利点と限界

利点

ペレット化鉱石は、生の鉄鉱石に比べていくつかの利点を提供し、高炉と直接還元プラントの効率を高めます。[13] [14] [15]

  • 取り扱い耐性: ペレットは、湿った状態を含む取り扱いに対してより耐性があり、貯蔵ホッパー内で詰まりを引き起こしません。
  • 均一な構成: ペレットの一貫した既知の構成により、ペレットを鉄に変換するプロセスがより合理化されます。
  • 最適な多孔性：ペレットの多孔性は、炉内での効率的な気固化学反応を可能にします。この多孔性により、炉内の最高温度域においても、材料の機械的強度と化学反応性を維持することができます。
  • 効率的な還元:ペレット内の酸化鉄の酸化状態が制御されているため、一酸化炭素は、酸化度の低いFe 3 O 4などの化合物に比べて、Fe 2 O 3をより効果的に還元できます。

ペレットは一般に凝集鉱石よりも鉄含有量が高く、プラントの生産性向上と燃料消費量の削減につながります。[15]また、ペレットは耐久性が高く、繰り返しの取り扱いにも耐えます。ペレットは原鉱石よりも通常約70%高価ですが、効率性と性能面で得られるメリットは費用に見合っています。製鉄においては、プロセスを最適化するために、ペレットを焼結鉱と様々な割合で混合することがよくあります。[9] [16]

焼結と同様に、ペレットの高温焙焼・焼結は、硫黄などの有害元素を効果的に除去します。また、高炉の操業を阻害する可能性のある亜鉛を除去する効率的な方法でもあります。907℃の蒸発温度により、焙焼工程で亜鉛が効果的に除去されるため、ペレット化はこの用途に適した方法です。[14] [a]

制限事項

高炉における還元プロセスにおいて、ペレットは硫黄による損傷を受けやすい。二酸化硫黄（SO₂）の濃度が低レベルであっても、還元ガス中の濃度が5～50 ppm（百万分率）と低い場合でも、炉の操業に支障をきたす可能性がある。この問題の詳細なメカニズムは、20世紀末になってようやく完全に解明された。[17]硫黄は当初、酸化鉄からの酸素抽出を促進しますが、金属鉄が形成され始めるとこの効果は逆転し、酸素抽出プロセスが大幅に遅くなる。[3]この異常な挙動は、ペレット表面に形成される金属鉄と硫黄が強い親和性を示し、炭素の浸透を阻害することに起因する。[3]

さらに、ウスタイト（ FeO）と一酸化炭素（CO ）の反応は、 FeOの表面だけでなく、還元鉄の表面下でも起こります。[18]鉄の優れた吸収特性により、ガス輸送の大部分は鉄/酸化鉄相界面で起こります。このプロセスは、鉄が十分な炭素を吸収する能力（浸炭）に依存します。硫黄が炭素吸収を阻害すると、還元は酸化鉄の表面に限定されます。[3]この制限により、鉄の結晶化は還元する酸化鉄の方向にしか進まないため、細長い繊維状の鉄結晶が形成されます。その結果、顆粒の構造が強化され、元の体積の2～3倍に膨張する可能性があります。この顆粒の膨張、つまり「膨張」は、高炉の閉塞や重大な損傷につながる可能性があり、高炉操業におけるペレットの使用に伴う課題を浮き彫りにします。[17]

構成

ペレットは凝集体と同様に、化学的性質に基づいて酸性または塩基性に分類されます。塩基度指数（i c）を決定するには、以下の質量濃度比が使用されます。[19]

私 c ＝ [ C 1つの お ] + [ M グラム お ] [ S 私 お 2 ] + [ あ l 2 お 3 ] {\displaystyle i_{c}={\frac {[CaO]+[MgO]}{[SiO_{2}]+[Al_{2}O_{3}]}}}

この比率はペレットの相対的な塩基度を評価するのに役立ち、高炉やその他の冶金プロセスにおけるペレットの使用を最適化するために重要です。[19]

実際には、ペレットの化学的性質に基づいてペレットを分類するために、簡略化された塩基度指数（i ）が一般的に用いられます。この指数は、酸化カルシウム（CaO）と二酸化ケイ素（ SiO 2）の比を用いて計算されます。 [8]

私 ＝ 酸化カルシウム SiO 2 {\displaystyle {\ce {i={\frac {CaO}{SiO2}}}}}

  • 指数（i）が1未満のペレットは酸性に分類されます。
  • 指数（i）が1より大きいペレットは、基本として分類されます。
  • 指数（i）が1のペレットは自己溶融ペレットと呼ばれます。

ペレットには高濃度のヘマタイトが含まれる場合がありますが、その割合は制御する必要があります。ヘマタイトが過剰になると、還元中にペレットの構造が弱まり、積み重ねられた装入物の重みでペレットが粉塵に分解する可能性があります。これは、ヘマタイト含有量が多いとペレットが崩壊し、還元プロセスにおけるペレットの完全性と有用性が損なわれる可能性があるためです。[17]

酸性ペレット

酸性ペレットは添加剤を添加せずに製造されるため、特定の化学組成となります。典型的な酸性ペレットの組成は、SiO2 2.2%、CaO 0.2%です。1990年代の米国では、酸性ペレットの典型的な特性は以下のとおりでし た。[8]

  • 化学組成: Fe 66%、SiO 2 4.8% 、MgO 0.2%、CaO/SiO 2比 0.04。
  • 圧縮強度：250kg。
  • ISO 還元性: 1.0。
  • 膨潤率：16%。
  • 軟化温度: 1290°C (軟化温度と融点の差は 230°C)。

凝集鉱石はペレット化の際にバインダーにケイ酸塩などの塩基性フラックスを含む場合がありますが、酸性ペレットは球状の固体であるため、酸性組成を維持します。この設計により、機械的特性が維持され、崩壊リスクが低減されます。[17]

酸性ペレットは、ペレット1個あたり250kgを超える耐圧強度を有し、優れた機械的強度を示す。しかし、還元性には改善の余地がある。また、石灰にさらされると膨張しやすく、特に塩基度指数（i = CaO / SiO 2）が0.25を超えると顕著となり、高炉内で問題を引き起こす可能性がある。[20]

自己溶融ペレット

自己溶融ペレット（ベーシックペレットとも呼ばれる）は、1990年代に米国で開発された鉄鉱石ペレットの一種です。これらのペレットは高炉での使用を目的としており、鉄鉱石精鉱に石灰（酸化カルシウム）とマグネシア（酸化マグネシウム）を添加することで冶金特性が向上します。自己溶融ペレットは、一般的に以下の特性を有します。[8]

  • 鉄（Fe）含有量：63％
  • 二酸化ケイ素（SiO 2）含有量：4.2％
  • 酸化マグネシウム（MgO）含有量：1.6％
  • 酸化カルシウムと二酸化ケイ素の比（CaO/SiO 2）：1.10
  • 圧縮強度：ペレット1個あたり240kg
  • ISO還元性: 1.2
  • 膨張率：15％
  • 軟化温度：1,440℃（軟化温度と融点の差は80℃）

これらのペレットは、高い圧縮強度と還元の容易さで知られており、高炉操業に適しています。自己溶融ペレットの製造プロセスでは、鉄鉱石精鉱に石灰石を混入します。この混入は、石灰石の吸熱反応を伴う焼成プロセスのため、ペレット工場の生産性に影響を与えます。その結果、石灰を含まない酸性ペレットの生産と比較して、ペレット工場全体の生産性が約10～15%低下する可能性があります。自己溶融ペレットは高炉における性能向上が評価されていますが、生産効率とのトレードオフを考慮する必要があります。[20]

シリカ含有量の少ないペレット

これらのペレットは直接還元プラントでの使用を目的として設計されています。ペレットの典型的な組成は、鉄（Fe）67.8%、二酸化ケイ素（SiO 2）1.7%、酸化アルミニウム（Al 2 O 3）0.40%、酸化カルシウム（CaO）0.50%、酸化マグネシウム（MgO）0.30%、リン（P）0.01%です。[8]

低シリカペレットは、石灰を添加することで自己融着します。これらの自己融着ペレットの典型的な組成は、鉄（Fe）65.1%、二酸化ケイ素（SiO 2）2.5%、酸化アルミニウム（Al 2 O 3）0.45%、酸化カルシウム（CaO）2.25%、酸化マグネシウム（MgO）1.50%、リン（P）0.01%です。[8]

その他の種類のペレット

特定の顧客ニーズに応えるために、メーカーは異なる特性と性能特性を備えた代替ペレットタイプを開発しました。[8]

  • 自己還元ペレット：自己還元ペレットは鉄鉱石と石炭から構成され、製錬中の内部還元剤として機能します。この設計により、ペレットは追加の還元剤を必要とせずに還元され、特定の冶金プロセスにおける効率が向上します。[8]
  • マグネシアンペレット：マグネシアンペレットは、オリビン[8]や蛇紋石[20]などの鉱物を添加することで作られ、マグ​​ネシア（MgO）含有量が約1.5％に増加します。[8]これらのペレットは、高炉でのバランスの取れた性能を特徴としており、ペレット1個あたりの平均冷間圧壊抵抗は約180kgです。[20]添加されたマグネシアはペレットの冶金特性を改善するのに役立ち、特定の還元条件に適したものになります。

これらの代替ペレットタイプは、さまざまな運用要件に対応し、製鉄プロセスの柔軟性を高めるように設計されています。[8]

注記

  1. ^歴史的に、 硫酸製造の残留物である黄鉄鉱の焙焼は、硫黄と亜鉛を除去することのみを目的としていました。黄鉄鉱には、鉄が60～65%、リンが0.01%未満、硫黄が最大6%、亜鉛が最大12%含まれています。

参考文献

  1. ^ ab ヤン、ライパラ、ホラッパ (2014、pp. 2–88)
  2. ^ フォーサイス（1909年、62ページ）
  3. ^ abcd バガット (2019)
  4. ^ ab Pazdej (1988)
  5. ^ ab Bhagat (2019, p. 11)
  6. ^ ab ミラン、アウグスト (1999)。Historia de la minería del hierro en Chile (スペイン語)。サンティアゴ・デ・チリ:編集大学。 159、163、175ページ。ISBN 956-11-1499-2。
  7. ^ “Planta de Pellets de CMP en Huascocumplió 45 años delineando nuevos desafíos”.レビスタ ミネラ クリソル(スペイン語) 。2023-03-20に取得。
  8. ^ abcdefghijklmn コルビオン (2016、pp. 578–579)
  9. ^ abc Ask World Steel Dynamics (2011)
  10. ^ abc Halt & Kawatra (2013)
  11. ^ abc リーマスら。 (2013, pp. 187–208)
  12. ^ バガット（2019年、279ページ）
  13. ^ 「将来の鉄鋼需要を満たすには鉄鉱石ペレット化が不可欠」Feeco International . 2018年11月1日.
  14. ^ ab Ledebur (1895、pp. 231–233, 245–248)
  15. ^ ab König, Uwe (2022). 「鉄鉱石ペレットと持続可能な鋼鉄 | Malvern Panalytical」. Malvern Panalytical .
  16. ^ バガット（2019年、225ページ）
  17. ^ abcd オーターズ＆ステッフェン（1982年、95～101頁、104～107頁）
  18. ^ バガット（2019年、91ページ）
  19. ^ ab Strassburger et al. (1969)
  20. ^ abcd Geerdes、Toxopeus & Vliet (2009、pp. 31)

参考文献

  • フォーサイス、ロバート（1909）『高炉と銑鉄の製造』デイビッド・ウィリアムズ社
  • パズデイ、R. (1988)。Aide-mémoire sidérurgique : les matières premières (フランス語)。 IRSIDと連携します。
  • コルビオン、ジャック (2016)。 Le savoir… fer — Glossaire du haut-fourneau : Le langage… (savoureux、parfois) des hommes du fer et de lazone fonte、du Mineur au… cokier d'hier et d'aujourd'hui (PDF) (フランス語)。 Vol. 5. ルイリエ。ISBN 978-2-9520787-1-9。
  • World Steel Dynamics (2011) に聞く。「2011年8月 - 産総研」。YUMPU 。産総研。
  • Halt, JA; Kawatra, S. (2013). 鉄鉱石凝集のための有機バインダーのレビュー(PDF) . ミシガン工科大学化学工学部.
  • レムス, ライナー; ルーディエ, セルジュ; デルガド・サンチョ, ルイス; アグアド＝モンソネット, ミゲル A. (2013). 鉄鋼生産における最良利用可能技術（BAT）参考文書. 欧州委員会共同研究センター. pp.  187– 208. ISBN 978-92-79-26476-4。
  • アドルフ、レーデブル（1895年）。 Manuel théorique et pratique de la metalllurgie du fer、Tome I et Tome II (フランス語)。バルバリー・ド・ラングラード訳。231～ 233、245 ～ 248ページ 。
  • オエテルス、フランツ。ステフェン、ロルフ (1982)。 「メラーとコックのホッホフェンフェルハルテン」。冶金: Berichte, gehalten im Kontaktstudium "Metallurgie des Aisens" (ドイツ語)。フェルラーク・シュターライゼン。ページ 95–101、104–107。ISBN​​​​ 9783514002593。
  • ストラスブルガー, ジュリアス H.; ブラウン, ドワイト C.; ダンシー, テレンス E.; スティーブンソン, ロバート L. (1969). 『高炉：理論と実践』第1巻. ニューヨーク: ゴードン・アンド・ブリーチ・サイエンス・パブリッシャーズ. pp.  221– 239.
  • ギアデス、マールテン。トクソペウス、ヒスコ。ブリート、コル・ファン・デル (2009)。現代の高炉製鉄：入門。 iOSを押します。ISBN 9781607500407。
  • バガット、ラム（2019）『鉄鉱石の凝集』CRC Press. ISBN 978-1138035089。
  • Yang, Yongxiang; Raipala, Kalevi; Holappa, Lauri (2014). Treatise on Process Metallurgy: Industrial Processes . Vol. 3. Elsevier. pp.  2– 88. ISBN 978-0-08-096988-6。
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ペレット(鉄鋼産業)&oldid=1326311215」より取得