鋼鉄生産における凝集プロセス：技術と重要性
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定義と基本概念
鉄鋼業における凝集プロセスは、鉄鉱石の微粉、ダスト、またはその他の微細残渣などの細かい、粒状、または粉末状の原材料を、より大きく、扱いやすく、プロセスに適した形状に変換するために使用される一連の熱的および機械的処理を指します。これらのプロセスは、ペレット、焼結物、またはブリケットなどの凝集物を生成し、効率的な取り扱い、輸送、およびその後の冶金反応を促進します。
凝集の基本的な目的は、還元性、透過性、機械的強度などの原材料の特性を改善し、これにより高炉または直接還元操作中の挙動を最適化することです。これらのプロセスは、原材料の選鉱と高温還元または溶融段階との間の重要な準備ステップとして機能します。
全体の製鋼チェーンの中で、凝集プロセスは選鉱または選鉱に類似した処理の後、溶融または還元の前に位置しています。これらは原材料準備段階に不可欠であり、一貫した原料供給の質を確保し、下流のプロセス効率を向上させます。
技術設計と運用
コア技術
凝集プロセスは、熱処理、機械的圧縮、および化学的結合の原則に基づいています。コアエンジニアリングは、細かい粒子を、次の冶金プロセスに十分な機械的強度と透過性を持つ大きな球状または不規則な形状の塊に変換することを含みます。
ペレット化、焼結、ブリケット化が主な技術アプローチです。ペレット化は、湿った微粉を球状のペレットに転がし、その後熱処理によって硬化させるプロセスです。焼結は、微粉とフラックスの混合物を加熱して、粒子を部分的に融合させ、孔のある強い凝集物を形成します。ブリケット化は、微粉を機械プレスを使用して密なブロックに圧縮し、しばしばバインダーを使用します。
主要な技術コンポーネントには、ディスクまたはドラムペレタイザー、焼結ストランド機、油圧または機械的ブリケットプレスが含まれます。これらの機器ユニットは、原材料の混合、成形、および熱処理を促進します。プロセスフローは、原材料の微粉を供給し、必要に応じてバインダーやフラックスを追加し、材料を成形し、その後結合と強度の発展を促すために熱を加えることを含みます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、水分含量、温度、滞留時間、およびバインダーの追加が含まれます。ペレット化の典型的な水分レベルは約8-12%であり、焼結温度は1250°Cから1350°Cの範囲です。ブリケット化は、通常8-15%の水分レベルと100-300 MPaの圧縮圧力を必要とします。
プロセスパラメータは、凝集物の物理的および冶金的特性に直接影響を与えます。たとえば、焼結中の高温はより良い結合を促進しますが、制御されない場合は過度の溶融や変形を引き起こす可能性があります。水分含量はグリーン強度と透過性に影響を与え、取り扱いやその後の還元に影響を与えます。
制御システムは、温度、水分、および機械的強度を監視するためにセンサーと自動化を使用します。フィードバックループは、最適な条件を維持するためにフィードレート、バインダーの追加、および熱入力を調整します。
設備構成
典型的なペレット化プラントは、直径3〜6メートルのディスクまたはドラムペレタイザーを備えており、毎時数トンを生産する能力があります。焼結プラントは、通常1〜2メートルの幅を持つ連続焼結ストランドを利用し、長さは20〜50メートルで、速度は毎分0.2〜0.5メートルで運転されます。
ブリケット化設備には、100〜500トン/時の能力を持つ油圧プレスが含まれ、さまざまな原材料のサイズと水分含量に対応しています。補助システムには、コンベヤーベルト、フィーダー、乾燥ユニット、および冷却ゾーンが含まれ、連続運転をサポートします。
設計の進化は、スループット、エネルギー効率、および環境適合性の向上に焦点を当てています。現代のプラントは、環境への影響を最小限に抑え、運用の信頼性を向上させるために、高度な自動化、ダスト収集、および排出制御システムを組み込んでいます。
プロセス化学と冶金
化学反応
凝集中、特に焼結およびペレット化において、主要な化学反応は鉱物成分の酸化、還元、および融合を含みます。焼結では、石灰石やドロマイトなどのフラックスが不純物と反応し、結合を促進するスラグ相を形成します。
熱力学的には、カルシウムシリケート、アルミネート、およびその他の複雑な酸化物の形成などの反応が高温で発生し、粒子の結合を助ける液相の形成を促進します。反応速度は温度、粒子サイズ、および組成に依存し、反応速度は温度が高く、粒子が細かいほど増加します。
反応生成物には、鉄酸化物、シリケート、およびその他の鉱物化合物が豊富な焼結物またはペレット相が含まれます。スラグ、ダスト、およびオフガス（CO2、SOx、NOx）などの副産物が生成され、適切な管理が必要です。
冶金的変化
凝集プロセスは、原材料に微細構造の変化を引き起こします。焼結では、部分的な溶融が、冷却時に機械的に堅牢な構造に固化する、融合した鉱物相の多孔性で相互接続されたネットワークを作成します。
ペレット化は、成形中に最小限の冶金的変化を伴いますが、強度を発展させるために熱処理が必要です。最終的な凝集物の微細構造は、還元性、透過性、および機械的強度に影響を与えます。
相変化には、次の還元段階での鉄酸化物の金属鉄への還元が含まれ、初期の凝集物構造がこれらの変化の効率に影響を与えます。冶金的変化の適切な制御は、下流プロセスに最適な特性を確保します。
材料相互作用
金属を含む粒子、スラグ相、および耐火ライニング間の相互作用は重要です。高