焼結：鋼鉄生産と原材料準備の重要なプロセス

定義と基本概念

焼結は、主に鉄鉱石の微粉、フラックス、その他の原材料を溶融点未満の温度で加熱することによって生成される多孔質の凝集材料です。このプロセスは、これらの微細粒子を結合させて、一貫性のある管理可能な塊を形成し、これを高炉やその他の製鋼プロセスの原料として使用できるようにします。

製鋼チェーンにおいて、焼結は重要な中間体として機能し、微細で扱いにくい原材料を効率的な還元と溶解のための適切な形に変換します。これは、生の鉱石と高炉の間のギャップを埋め、一貫した品質、改善された透過性、および炉負荷内の材料フローの最適化を確保します。

焼結プロセスは、生の鉱石の選鉱後、そして高炉での主要な還元の前に位置しています。これは、低品位の微粉や廃棄物の利用を可能にする重要なステップであり、資源効率を高め、塊鉱への依存を減少させます。

技術設計と運用

コア技術

焼結の基本的な工学原理は、熱凝集を含み、微細粒子が部分的に溶融し、完全な液化に達することなく結合を促進するために加熱されます。これにより、ガスの流れと材料の還元を促進する多孔質で強力かつ透過性のあるベッドが形成されます。

主要な技術コンポーネントには、焼結ストランド（またはストランドコンベヤ）、点火システム、風箱、およびさまざまな供給システムが含まれます。焼結ストランドは、原材料ベッドをプロセスの異なるゾーンを通じて輸送する連続的な水平コンベヤです。

プロセスは、鉄鉱石の微粉、フラックス、コークスブリーズ、リターンファインを混合し、均一な混合物を形成することから始まります。この混合物は焼結ストランドに均等に広げられ、そこで予熱され、点火され、燃焼がベッドを通じて伝播するにつれて焼結されます。燃焼中に生成される熱いガスはベッドを通過し、熱伝達と焼結形成を助けます。

材料の流れは、均一なベッドの厚さと温度分布を確保するために慎重に制御されます。焼結された製品は冷却され、管理可能なサイズに破砕され、品質を確認するためにふるい分けられた後、高炉に送られます。

プロセスパラメータ

重要なプロセス変数には、ベッド温度、点火時間、燃焼ゾーンの高さ、および焼結ベッドの深さが含まれます。典型的なベッド温度は1250°Cから1350°Cの範囲で、全体のベッドを溶融させることなく結合を促進するのに十分です。

点火時間は通常数分であり、完全な燃焼と均一な焼結を確保するために最適化する必要があります。燃焼ゾーンの高さは焼結の程度とベッドの透過性に影響を与え、通常は1.2メートルから1.5メートルに維持されます。

焼結ベッドの深さは一般的に0.6メートルから1.2メートルの間で変動し、スループットと焼結品質のバランスを取ります。ガス流量、酸素濃度、および水分含量も焼結特性に影響を与える重要なパラメータです。

制御システムは、温度、ガス組成、およびベッドの透過性のリアルタイムセンサーを使用し、高度なプロセス制御システムに統合されています。これらのシステムは、最適な焼結条件と製品品質を維持するために動的な調整を可能にします。

設備構成

典型的な焼結プラントは、約100メートルから300メートルの長さの焼結ストランドで構成され、幅は3メートルから6メートルです。ストランドはローラーによって支持され、モーターによって駆動され、連続運転を可能にします。

供給システムには、原材料を均等にストランドに導入するためのコンベヤベルト、ホッパー、およびフィーダーが含まれます。点火システムは、ストランドの戦略的なポイントに配置されたガスバーナーや点火装置を含むことがよくあります。

補助システムには、原材料用の予熱器、制御された空気供給のための風箱、および焼結が急速に冷却され、過焼結や変形を防ぐための冷却ゾーンが含まれます。

設計のバリエーションは、バッチプロセスから連続プロセスへと進化しており、現代のプラントは自動化、エネルギー効率、および環境制御を強調しています。耐火ライニングや耐摩耗材料は、高温や摩耗条件に耐えるために使用されます。

プロセス化学と冶金

化学反応

焼結中には、主に酸化、還元、および鉱物相の結合を含むいくつかの主要な化学反応が発生します。コークスブリーズやその他の炭素質材料の燃焼は、一酸化炭素（CO）と二酸化炭素（CO₂）を生成し、還元反応を促進します。

主な反応には以下が含まれます：

• 炭素の燃焼：C + O₂ → CO₂
• 鉄を含む鉱物の部分的酸化：Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• 結合相の形成：シリケートと酸化物は高温で融合し、粒子を結合するガラス状のマトリックスを形成します。

熱力学的には、これらの反応は温度、酸素の可用性、およびガスの部分圧によって支配されます。反応速度は粒子サイズ、温度勾配、およびガス流量に依存し、結合の速度と焼結強度に影響を与えます。

重要な反応生成物には、金属鉄、シリカとアルミナが豊富なスラグ相、およびCO₂、NOx、SOxなどのガス状排出物が含まれ、これらは環境制御を必要とします。

冶金的変化

焼結プロセスは、鉱物相の部分的な溶融、ガラス状マトリックスの形成、および粒子の結合を含む微細構造の変化を引き起こします。これらの変化は、機械的強度と透過性を向上させます。

微細構造的には、焼結はスラグマトリックス内に埋め込まれた金属鉄粒子で構成されています。結合相は主にシリケートと酸化物であり、温度が上昇するにつれて発展し、多孔質でありながら凝集した構造を形成します。

相変化は、鉄酸化物の金属鉄への還元と、鉱物相の焼結した凝集体への融合を含みます。これらの変化は、高炉での還元性を改善し