鉄鉱石の鋼生産における重要な材料と処理の洞察
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定義と基本概念
鉄鉱石は、金属鉄が経済的に抽出できる自然に存在する鉱物の集合体です。主にヘマタイト（Fe₂O₃）、マグネタイト（Fe₃O₄）などの鉄酸化物と、シリカ、アルミナ、硫黄、リンなどの不純物で構成されています。
鋼製造チェーンにおいて、鉄鉱石は生鉄を生産するための主要な原材料として機能し、その後、鋼を製造します。これは、高炉および直接還元プロセスにおける基礎的な投入物であり、鋼製品の合金化と成形に必要な鉄分を提供します。
全体の製鋼プロセスの流れの中で、鉄鉱石は鉱床から採掘され、鉄分を濃縮するために処理され、次に一次還元ユニットに供給されます。これらのユニットは鉱石を液体または固体の鉄に変換し、さらに精製および合金化されてさまざまな鋼グレードを生産します。
技術設計と運用
コア技術
鉄鉱石処理の背後にあるコアエンジニアリング原則は、物理的選鉱と化学的還元です。目標は、鉄鉱鉱を濃縮し、製鋼に適した形に変換することです。
主要な技術コンポーネントには、クラッシャー、粉砕ミル、磁気分離器、浮選セル、ペレット化装置が含まれます。クラッシャーとミルは鉱石のサイズを縮小し、鉄鉱鉱の解放を促進します。磁気分離器と浮選ユニットは、価値のある鉄鉱鉱を廃石（廃棄物）から分離します。
主な運用メカニズムには、解放を達成するための破砕と粉砕、鉄を濃縮するための磁気または浮選分離、還元のために鉱石を準備するためのペレット化または焼結が含まれます。材料の流れは通常、採掘された鉱石から始まり、選鉱を経て、ペレットまたは焼結の生産に至ります。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、粒子サイズ分布、磁場強度、浮選試薬の投与量、および水分含量が含まれます。粉砕後の典型的な粒子サイズは、ペレットフィード用に45〜150マイクロメートルの範囲です。
プロセスパラメータは、濃縮物のグレード、回収率、およびペレットの品質に直接影響します。たとえば、磁場強度を増加させると、磁気分離の効率が向上しますが、機器の摩耗を引き起こす可能性があります。
制御システムは、スペクトロメーターや水分分析器などのリアルタイムセンサーを使用し、自動化プラットフォームと統合されています。これらのシステムはパラメータを継続的に監視し、スループットと品質を最適化するための調整を可能にします。
設備構成
典型的な鉄鉱石選鉱プラントは、一連のクラッシャー、粉砕ミル、磁気分離器、浮選セル、およびペレット化または焼結ユニットで構成されています。設備の寸法は容量に応じて異なり、大規模なプラントは毎時数千トンを処理します。
設計のバリエーションには、乾式または湿式処理ルートが含まれ、湿式システムは回収率が高いため一般的です。時間の経過とともに、設備は高度な自動化、エネルギー効率の良い駆動装置、および耐摩耗材料を取り入れるよう進化しています。
補助システムには、スラリー用ポンプ、濃縮タンク、脱水スクリーン、集塵システム、および水再利用ユニットが含まれます。これらは継続的な運転と環境遵守をサポートします。
プロセス化学と冶金
化学反応
選鉱プロセスは主に物理的分離を含みますが、製鋼中の還元時には化学反応が中心となります。高炉では、鉄酸化物が一酸化炭素（CO）と反応して金属鉄と二酸化炭素（CO₂）を生成します：
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
同様に、マグネタイトは次のように還元されます：
Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂
熱力学的には、これらの反応は高温（約1500°C）で好まれ、反応速度は粒子サイズと還元雰囲気によって影響を受けます。
副産物にはCO₂が含まれ、鉱石に存在する場合は硫黄やリン化合物も含まれ、これらは後の精製中に除去する必要があります。
冶金的変化
選鉱中には、鉱物の解放と濃縮などの物理的変化が発生します。還元中には、鉄酸化物が相変化を経てヘマタイトまたはマグネタイトから金属鉄に移行します。
微細構造的には、還元プロセスは多孔質の鉄構造を発展させ、機械的特性に影響を与えます。溶融中のスラグ相の形成も微細構造に影響を与え、延性と強度に影響を与えます。
これらの変化は、微細構造が硬度、靭性、および溶接性を決定するため、望ましい鋼の特性を達成するために重要です。
材料相互作用
鉱石、スラグ、耐火物、および雰囲気間の相互作用は、処理中に重要です。鉄鉱石はフラックス（石灰岩、シリカ）と反応してスラグを形成し、不純物を捕捉します。
鉱石と耐火 lining の間の反応は、特に高温で摩耗や劣化を引き起こす可能性があります。廃石鉱物からの汚染は、鋼の純度に影響を与える可能性があります。
これらの相互作用を制御するには、適切な耐火材料を選択し、スラグ化学を最適化し、安定した温度と雰囲気条件を維持する必要があります。
プロセスフローと統合
投入材料
主な投入物は採掘された鉄鉱石であり、特定の化学的および物理的仕様を満たす必要があります。たとえば、高い鉄分（通常は>60%）、低い不純物、および適切な粒子サイズです。
準備には、粉砕、粉砕、および選鉱が含まれ、一貫した品質の濃縮物またはペレットフィードを生成します。取り扱いには、均一なフィードストックを確保するための搬送、保管、およびブレンドが含まれます。
投入物の品質は、プロセス効率、回収率、お