about 90% in pellet 3.1〜4.1 about 5% in sinter 17.8 about 90% as ore 22.4 Dendritic hematite about 20% in sinter 18.0 Skeletal rhombohedral hematite sount 7〜9% in sinter 46.5 Lattice hematite about 100% as ore 17.7 Granulaar hematite about 100% as ore 10.3
Magnetite 0% in sinter 0
( ) : contetn of hematite in sample Porphyric hematite
Linear hematite
Kind of hematite
- 30 -
H2ガスが還元粉化に及ぼす影響は統一的な見解が得られていない。また、H2ガスの拡散係 数はCOガスの約 5倍であり、還元反応の反応様式が変化することが想定される。春名ら の知見[81]に基づけば、反応様式の変化が還元粉化挙動に影響を及ぼすと推定されるが、高 H2雰囲気下での反応様式は定量的に明らかになっていないため、反応様式と還元粉化挙動 の関係の定量的な評価は十分でない。
- 31 -
1.2.3. 鉄鉱石塊成鉱の低温還元粉化挙動の評価技術
焼結鉱の還元粉化に関する報告は、1964年に初めて八幡製鉄所と住友金属から発表され、
両者とも還元粉化は500~600℃で急上昇することを確認している[84][85]。その後、還元粉 化を評価する指標としてRDIが提案され、1965年の広畑製鉄所以降、各所・各社で測定さ れてきた。しかしながら、当時のRDIの測定方法は還元温度や時間、ガス組成などが統一 されておらず、還元粉化のメカニズム解明と抑制技術の確立を妨げていた。そこで、1974 年の製銑部会にてRDIの測定条件が議論され、現在のJISやISOの基となるRDI統一法 が設定された(Fig.1-21)。一方、JISやISOで規定されるオフラインの還元粉化挙動の評価 試験では、一定の温度とガス組成(例えば 550℃, 30%CO-70%N2)で試料を還元し、室温ま で冷却した試料の冷間強度試験後に篩分けを実施し、試料全質量中の 3.15mm の篩目を通 過した質量割合である還元粉化指数RDIを操業管理の指標としている。Fig.1-23に実炉と オフラインの還元粉化挙動の差異を示す。オフライン試験では、還元反応に伴う反応劣化 に加えて、実炉では生じない冷却過程の熱応力によるき裂生成が想定され、実炉の粉化挙 動との乖離が想定される。実際に、還元後試料の冷却条件を変化させると粉化挙動に影響 を及ぼし、冷却速度が大きい程、粉化量が増大することが知られている[86]。
Fig.1-23 Factor of reduction disintegration and difference of the behaviors between actual furnace and off-line test (RDI) conditions
- 32 -
上記の観点から、還元過程に衝撃または荷重を負荷した試験方法が提案されている
[87]-[89]。これまでに提案されてきた還元粉化挙動の評価方法をFig.1-24に示す。例えば、
リンダー試験は還元過程の熱間タンブラー試験としてよく知られている[87]。城本らは高炉 のシャフト部での荷重を負荷した還元試験装置を考案した[88]。町田らは高炉内の粉化挙動 を模擬するため、熱間で圧縮とせん断応力を付与できる還元粉化シミュレーターを開発し た [89]。しかしながら、いずれの評価手法も各国の製鉄所や鉄鉱石サプライヤーにて焼結 鉱やペレット、塊鉱石に対して実施されているRDIの測定手法に比べて複雑で測定時間が 長いため、高炉の管理指標として、および鉄鋼メーカーと鉄鉱石サプライヤーとの契約管 理値として採用することは困難である。さらに、最終的に冷却された試料を還元粉化挙動 の評価対象としているため、冷却過程の熱応力によるき裂生成を評価することができず、
還元粉化のメカニズム解明の評価手法としては十分ではない。特に、従来知見が少ない高 H2雰囲気下での還元粉化挙動のメカニズム解明のためには、還元粉化挙動のin-situ評価技 術を確立する必要がある。
Fig.1-24 Comparison of evaluation methods of the reduction disintegration behavior
年代 1950~ 1970~ 1990 ~ 2010 ~ 特徴
背景 ・低温域(500‑600℃)、高H2雰囲
気下で還元粉化が助長
オフライン 評価試験
・簡易的、バルク評価
・実操業での管理指標
・荷重、衝撃を加えながら焼結 鉱を還元可能
In‑situ 評価
・対象は表面き裂
・分解能に難あり
・簡易的、バルク評価
・in‑situ評価が可能 荷重付加試験(城本ら, (1971))
熱間粉化試験(Linder et al,(1958)
せん断還元試験(町田ら, (2013))
AE法
(水谷ら, (2017))
透過型X線
(Kim et al, (2003))
RDI試験 (1964 〜)
RDI統一法設定 (1974) 自溶性焼結鉱
重油吹込 オールコークス操業 高PC操業へ移行
レーザー顕微鏡
(Kashiwaya et al, (2007) 他)
- 33 -
還元過程のき裂形成に関わるin-situ評価技術に関して、KimらはシンクロトロンX線の 透過画像により、600℃で還元した焼結鉱の還元挙動を観察しているが、本手法では100 m 以下の気孔やき裂の観察が難しい [90]。また、ウスタイトから金属鉄までの還元反応を対 象としたレーザー顕微鏡による酸化鉄の還元挙動のその場観察技術も報告されているが、
この手法では試料内部のき裂発生評価ができない[91]。
一方、ラボレベルでの材料中のき裂や欠陥の解析に対して、Acoustic Emission (AE)法の 適用例が数多く報告されている[92]-[97]。AE法はき裂生成や欠陥をリアルタイムで検出で きる非破壊検査技術であり、主にガスホルダー等の構造物のき裂生成の監視など設備診断 技術として普及されている[94]。また、セラミックスやコンクリート材などの疲労破壊や圧 縮き裂をAE法により解析した事例も報告されている[96][97]。一方、焼結鉱やペレット等 の鉄鉱石塊成鉱の還元過程にも多数のき裂が生成しているが、その過程に発生するAEを測 定した事例の報告はない。
- 34 - 1.3. 本研究の目的
鉄鋼業の環境問題と資源問題の両者を同時に解決するためには、高炉原料として低品位 鉱石を使用しつつ、高H2雰囲気条件下における低還元材比操業技術の確立を目指す必要が ある。本研究では、特に高炉上部の450〜650℃の低温領域で顕著になる鉄鉱石塊成鉱の低 温還元粉化挙動に着目し、そのメカニズム解明および粉化性の制御に必要な基礎的知見の 取得を目的とした。具体的には、鉄鉱石塊成鉱の低温還元、体積膨張およびき裂生成の各 挙動とその支配因子を基礎実験により解明し、得られた結果に基づいて、高炉操業の改善 に向けた高炉装入物の低温還元粉化挙動の制御手段を提示することである。
- 35 - 1.4. 本論文の構成
以下に、本論文の構成を示す。
第1章 序論
本研究の背景および位置付けと現況、目的について述べた。
第2章 高水素雰囲気下における鉄鉱石塊成鉱の低温還元粉化挙動に及ぼす還元ガス組成 の影響
高炉原料鉄鉱石塊成鉱の低温還元粉化挙動の支配因子の評価を狙いとして、各種高炉原 料の低温還元粉化試験を行うとともに、試験後試料の組織観察により、き裂形態と還元反 応の反応様式の評価を行い、還元ガス組成および温度が還元粉化挙動に及ぼす影響につい て検討した[98][99]。
第3章 鉄鉱石ペレットの低温還元過程におけるThiele数の導出、およびThiele数と還元 粉化挙動の定量的関係
第 2 章では低温還元粉化の支配因子の一つとして還元反応の反応様式が挙げられた。そ こで、低温還元過程における反応速度と拡散係数の比からなる無次元数Thiele数を導出し、
還元ガス条件（組成、温度）や鉄鉱石塊成鉱の物性が反応様式や還元粉化挙動に及ぼす影 響を検証した[99]。
第4章 鉄鉱石ペレットの低温還元過程に発生する膨張応力およびき裂面積の定量的評価 前章までに得られた知見を検証するため、低温還元過程に鉄鉱石塊成鉱中に発生する応 力とき裂生成量を定式化し、さらに反応様式とき裂生成量の比較と評価を通じて、鉄鉱石 塊成鉱の還元粉化挙動のメカニズムについて検討した[98]。
- 36 -
第5章 AE法による鉄鉱石塊成鉱の低温還元過程に生成するき裂のin-situ評価
Acoustic Emission法と低温還元試験を組み合わせた新規試験装置と測定手法を開発し、
鉄鉱石塊成鉱の低温還元過程におけるき裂の生成と伸展挙動を解析した。また、生成した き裂と粉化挙動およびAE特性の比較と評価を行い、鉄鉱石塊成鉱の低温還元粉化現象への in-situ評価の可能性を検証した[100]。
第6章 結論
本研究全体を総括した。
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