鉱石：鋼の生産と加工における重要な原材料
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定義と基本概念
鉱石は、価値のある金属、鉱物、または他の地質材料を処理を通じて利益を上げて抽出できる自然に存在する固体材料です。鋼の生産の文脈では、鉱石は主にヘマタイト（Fe₂O₃）、マグネタイト（Fe₃O₄）、またはリモナイトなどの鉄酸化物を含む鉱床を指し、これらは鉄製造のための主要な原材料として機能します。
鋼製造における鉱石の基本的な目的は、鋼を生産するために必要な重要な金属成分—主に鉄—を供給することです。鉱石は、鉄鋼を生産するために、鉱石の選鉱、還元、精製を経て生産される生鉄または直接還元鉄（DRI）の初期投入物として機能します。
全体の鋼製造プロセスの流れの中で、鉱石は通常、地球から採掘され、鉄含量を濃縮するために処理され、その後、高炉または直接還元プラントに輸送されます。これらの施設は鉱石を金属鉄に変換し、その後、さまざまな鋼グレードに精製されます。したがって、鉱石は鋼生産の初期冶金段階における基礎的な原材料を形成します。
技術設計と運用
コア技術
鉱石処理の背後にある工学原則は、不純物と廃棄物を最小限に抑えながら鉄の抽出を最大化することに焦点を当てています。コア技術には、鉱物選鉱、破砕、粉砕、磁気分離、浮遊選鉱、ペレット化が含まれます。
選鉱は、密度、磁気感受性、または表面化学などの鉱物特性の違いを利用する物理的分離技術を含みます。たとえば、磁気分離は磁場を使用してマグネタイトを鉱石鉱物から分離し、浮遊選鉱は試薬を使用して特定の鉱物粒子に選択的に付着させます。
主要な技術コンポーネントには、サイズを縮小するための破砕機とミル、磁気鉱物回収用の磁気分離機、鉱物濃縮用の浮遊選鉱セル、そして塊状化用のペレット化装置が含まれます。これらのコンポーネントは連携して、高い鉄含量を持つ濃縮鉱石製品を生産します。
材料の流れは、採掘された鉱石が破砕および粉砕ユニットに輸送され、粒子サイズが分離を容易にするために縮小されることから始まります。濃縮された鉱石は、その後、ペレット化または焼結に進み、高炉または直接還元プロセス用の適切な原料を形成します。
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、磁場強度、試薬投与量、スラリー密度、温度が含まれます。粉砕後の典型的な粒子サイズは45〜150マイクロメートルであり、分離効率の最適化が図られています。
磁気分離は、鉱石の鉱物学に応じて、0.1〜0.5テスラの磁場強度で効果的に機能します。浮遊選鉱の試薬濃度は、鉱物回収を最大化しながら試薬消費を最小限に抑えるために特定の範囲内で厳密に制御されます。
プロセスパラメータは、濃縮物の品質、回収率、エネルギー消費に直接影響します。たとえば、より細かい粉砕は解放を改善しますが、エネルギー使用が増加し、不適切な試薬投与は分離効率の低下を引き起こす可能性があります。
制御システムは、粒子サイズ分布、磁束、試薬レベル、スラリー粘度などのパラメータを監視するためにセンサーと自動化を使用します。高度な制御アルゴリズムは、リアルタイムでの運用を最適化し、一貫した製品品質を確保します。
設備構成
典型的な鉱石処理プラントは、流れの順序で配置された一連の相互接続されたユニットを特徴としています。一次破砕機は大きな岩を管理可能なサイズに縮小し、その後、二次破砕機と粉砕ミル（ボールミル、SAGミル）が続き、より細かい粒子の準備を行います。
磁気分離機は粉砕後に配置され、磁気鉱物を回収し、浮遊選鉱セルは非磁性の鉱石を分離するために使用されます。ペレット化機械または焼結ドラムは、下流に配置され、高炉用の適切な原料を生産します。
設備の寸法はプラントの能力に基づいて異なり、数百トンを処理する小型モジュールユニットから、年間数百万トンを処理する大規模施設までさまざまです。現代のプラントは、自動化、粉塵収集、環境制御システムを組み込んでいます。
補助システムには、コンベヤ、スラリーポンプ、試薬投与システム、水処理ユニットが含まれます。これらは、継続的な運用、材料の取り扱い、および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
鉱石処理中の主要な化学反応は、鉄酸化物を金属鉄に還元することです。選鉱では、物理的分離は化学反応を伴わず、鉱物特性に依存します。
溶鉱では、重要な反応は高炉内でのヘマタイトまたはマグネタイトの還元です：
$$\mathrm{Fe_2O_3} + 3 \mathrm{CO} \rightarrow 2 \mathrm{Fe} + 3 \mathrm{CO_2} $$
この吸熱反応は、高温（約1500°C）で熱力学的に有利です。コークスの燃焼から生成される一酸化炭素（CO）が還元剤として機能します。
副産物には二酸化炭素（CO₂）や、一部の場合には一酸化炭素（CO）排出が含まれます。シリカ、アルミナ、硫黄などの不純物は、スラグを形成するか、金属内に保持されます。
冶金的変化
選鉱中は、鉱物の微細構造が物理的分離を通じて変化しますが、重要な冶金的変化はありません。しかし、溶鉱では、還元反応が酸化鉱物から金属鉄への相変化を引き起こします。
微細構造的には、得られた生鉄はフェライト、セメンタイト、残留スラグ包有物の混合物を含みます。微細構造は、硬度、延性、靭性などの機械的特性に影響を与えます。
ペレット化または焼結中は、熱処理が相変化と