鋼の生産における焼結：プロセス、設備と重要性
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定義と基本概念
焼結は、鋼鉄産業で使用される熱的凝集プロセスであり、細かい、顆粒状、または粉末状の原材料を焼結と呼ばれる固体の多孔質凝集体に変換します。このプロセスでは、原材料の混合物を融点以下の温度に加熱し、部分的な融解、拡散、および固体状態の結合を通じて粒子が融合します。鋼製造における焼結の主な目的は、鉄鉱石の微粉、フラックス、およびコークスブリーズなどの原材料を、効率的な還元および溶解のために高炉や他の還元装置で使用できるように準備することです。
全体の鋼生産チェーンの中で、焼結は細かく、しばしば使用できない原材料を適切な負荷材料に変換する重要な前処理ステップとして機能します。これは、原鉱の選鉱と高炉の運転との間のギャップを埋め、一定の供給品質、改善された透過性、および強化された冶金性能を確保します。したがって、焼結は材料の取り扱いを向上させ、還元中のエネルギー消費を削減し、下流プロセスの効率と安定性を向上させます。
技術設計と運用
コア技術
焼結の根本的な工学原理は、熱誘発粒子融合による熱的結合であり、これにより多孔質で機械的に安定した凝集体が形成されます。このプロセスは、原材料の層状ベッド内での制御された燃焼と熱伝達に依存し、鉱物粒子の部分的な融解と焼結を引き起こします。
主要な技術コンポーネントには、焼結ストランド（または焼結機）、点火システム、風箱、および冷却システムが含まれます。焼結ストランドは、原材料ベッドをさまざまなゾーンを通じて輸送する連続的な水平コンベヤーベルトです。点火システムは点火端で燃焼を開始し、風箱は燃焼を維持しプロセスを制御するために予熱された空気（熱ガス）を供給します。冷却ゾーンは、焼結を安定させてから排出します。
材料の流れは、原材料（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）の混合から始まり、焼結ストランド上に層状のベッドを形成します。燃焼ガスがベッドを通過し、混合物を点火して熱を生成します。熱は鉱物粒子が接触点で融合する原因となり、多孔質の固体焼結ケーキを形成します。焼結はその後冷却され、ふるい分けおよび高炉への充填のために排出されます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、ベッドの深さ、点火温度、燃焼空気流量、および焼結時間が含まれます。典型的なベッドの深さは、プラントの設計に応じて350〜600 mmの範囲です。点火温度は、過度の融解を避けるために950°Cから1050°Cの範囲で維持されます。
燃焼空気流量は、ベッド内の燃焼率と温度分布に影響を与えます。焼結時間は通常20〜30分で、結合の程度と多孔性に影響を与えます。ベッド内の温度プロファイルは、過焼結や不完全な結合を防ぐために注意深く監視する必要があります。
制御システムは、温度、ガス組成、およびベッドの透過性のセンサーを使用します。自動制御ループは、最適な焼結条件を維持するために空気流量、点火タイミング、およびベッドの動きを調整します。高度なプロセス制御は、リアルタイムデータを統合してスループット、品質、およびエネルギー消費を最適化します。
設備構成
典型的な焼結プラントは、約100〜200メートルの長さと3〜5メートルの幅を持つ焼結ストランドで構成されており、ローラーで支持され、モーターで駆動される連続コンベヤーベルトがあります。ストランドには、点火ステーション、風箱、および冷却ゾーンが装備されています。
設備のバリエーションには、高容量プラント用のマルチストランドシステムや特定の用途向けの回転焼結機が含まれます。時間が経つにつれて、設計の進化は自動化の増加、エネルギー効率の改善、および排出の削減に焦点を当てています。
補助システムには、原材料フィーダー、ふるい分けおよび粉砕ユニット、粉塵収集システム、および静電気集塵装置やバッグフィルターなどの排出制御装置が含まれます。これらのシステムは、環境基準の遵守と運用の安定性を確保します。
プロセス化学と冶金
化学反応
焼結中には、主に酸化、還元、および鉱物変換を含むいくつかの主要な化学反応が発生します。コークスブリーズとフラックスの燃焼は熱を生成し、CO₂、CO、N₂、およびSO₂などのガスを生成します。
重要な反応は、コークス中の炭素の酸化であり、CO₂およびCOを生成し、焼結に必要な熱を提供します：
C + O₂ → CO₂（発熱反応）
炭素の部分的な酸化はCOを生成し、これはその後の鉱物変換における還元剤として機能します。
鉱物反応には、フラックスおよび鉱石成分からのカルシウムシリケート、アルミネート、およびフェライトの形成が含まれます。たとえば、炭酸カルシウムは高温で分解します：
CaCO₃ → CaO + CO₂
次に、酸化カルシウムはシリカおよびアルミナと反応してスラグ相を形成します：
CaO + SiO₂ → CaSiO₃（スラグ）
反応生成物として、硫黄を含む鉱物から硫黄酸化物（SO₂、SO₃）が生成されることがあります。
冶金的変換
焼結は、粒子の結合、孔の形成、および相変換を含む微細構造の変化を引き起こします。鉱物成分の部分的な融解は、相互に接続された経路を持つ多孔質で機械的に安定した構造の形成につながります。
相変換には、焼結マトリックス内でのガラス状および結晶状相の形成が含まれます。焼結の程度は、微細構造、多孔性、および最終製品の機械的強度に影響を与えます。
これらの冶金的変化は、高炉での焼結の還元性、透過性、および取り扱いストレスに耐える能力に直接影響します。焼結条件の適切な制御は、効率的な還元と溶解のための最適な微細構造を