ペレット（鉄鋼業界）

ペレットは、鉄鋼業界で使用される鉄鉱石を加工した形態であり、特に高炉や直接還元プラントでの使用を目的として設計されています。これらのペレットは球形で、直径は8～18ミリメートルです。

鉄鉱石ペレットの製造には、鉱石の粉砕、結合剤との混合、成形、加熱など、いくつかの工程が含まれます。ペレットの鉄含有量は一般的に62%から66%です。この濃縮プロセスにより鉄濃度が向上し、製鉄効率を高める特定の化学的および機械的特性が付与されます。

粉末鉄鉱石のペレット化は19世紀末に初めて導入され、結合剤として重量比1%のタールが使用された。 ^{[ 1 ]}この方法は、回転ドラム内で混合物を焼成して高炉に適したペレットを作成すると同時に、発生する煙を通して硫黄やヒ素などの不要な元素を除去することを可能にした。 ^{[ 2 ]}

この時期、ペレット焼結は、高品質鉄鉱石製品が直面する凝集の問題に対処するための代替プロセスとして、格子焼結と並行して発展しました。 ^{[ 1 ]}ペレット凝集の概念は、1912年にスウェーデンのA.アンダーソンによって最初に特許が取得され、続いて1913年にドイツで同様の特許が取得されました。^{[ 3 ]}結果として得られた製品は、ドイツ語で「圧延」を意味する言葉に由来する「GEROELL」と名付けられました。この方法で製造されたペレットは、同じ原料から作られた校正済みの鉱石や凝集物と比較して、より速い還元率を示しました。1926年、クルップはラインハウゼンに工業用パイロットプラントを建設し、このペレット化技術の可能性を探りました。しかし、このプラントは後に解体され、業界で競合するプロセスとして登場した大規模な格子焼結ラインの設置場所が確保されました。^{[ 4 ]}

ペレット焼結は鉄鉱石の処理方法として依然として有効である。米国では、第二次世界大戦中にメサビ山脈からの微細な精鉱を処理するためにこの技術が採用された。^{[ 5 ]}これは、天然の鉄鉱石（鉄分50%以上を含む）が枯渇しつつあったため必要であった。通常44mm以下のサイズで鉄分が約85%の微細な磁鉄鉱をペレット化する開発は、ミネソタ大学の支援を受けて1943年頃に始まった。このプロセスは後にヨーロッパ、特にスウェーデンで、還元前の鉄鉱石の生産を容易にするために採用された。 ^{[ 4 ]}チリは1978年に最初のペレット化施設であるワスコ港のペレット工場を開設し、オーストラリア、ブラジル、リベリアでの鉱石生産の増加に直面してチリの鉄鉱石採掘が競争力を維持するのに役立った。^{[ 6 ] [ 7 ]}

ペレット生産量は1960年から1980年の間に大幅に増加したが、最終的には年間約3億トンで横ばいとなった。以下のデータは、数年間のペレット生産量を示している。^{[ 5 ]}

• 1984年には、世界のペレット生産量は1億8900万トンに達し、北米が9000万トン、ソ連が6300万トン、その他の地域が3600万トンを生産した。^{[ 8 ]}
• 1992年までに^{[ 8 ]}生産量は2億6400万トンに増加した。
• 2008年には^{[ 9 ]}生産量はさらに増加し​​、3億1300万トンに達した。
• しかし、2009年には経済危機のため生産量が2億1500万トンに減少した。^{[ 9 ]}
• 2010年には^{[ 10 ]}生産量が3億8800万トンに回復した。

鉄ペレットの国際価格は、1981年から1997年にかけて、乾燥ロングトン単位（DLTU）あたり約45（±10）米ドルセントで推移した。^{[ 6 ]}

ペレットは、鉱山会社によって採掘現場で直接製造され、さまざまな供給源からの鉄鉱石を混合して高炉現場で製造される凝集物とは異なり、独立した製品として販売されます。^{[ 10 ]}ペレットは、比較的壊れやすい凝集物と比較して、一般的に頑丈で取り扱いに適しています。ペレットの製造プロセスは、鉄鉱石の地域特性によって大きく異なる場合があり、一部の施設では、ヒ素除去などの追加の段階が含まれる場合があります。^{[ 11 ]}ペレットの製造プロセスには、いくつかの重要な段階があります。^{[ 11 ]}

• 粉砕：鉄鉱石はまず細かく粉砕され、貴重な鉄鉱石と価値のない脈石物質が分離されます。
• 濃縮：鉱石の特性に応じて、濃縮は粉砕（複数段階で実施でき、乾式または湿式のいずれかの方法を用いることができる）と磁気分離および浮選技術を用いることによって達成される。
• 混合：鉱石精鉱は、所望の化学組成を得るために添加剤と混合されることがあります。一般的な添加剤には、ドロマイト、オリビン、珪岩などがあり、これらは通常、ペレットの重量の3～3.5％を占めます。
• 結合：ペレット化工程中の凝集性を確保するために、通常は湿潤ベントナイトとトウモロコシ粉またはポリアクリルアミドを組み合わせた追加の結合剤が添加されます。

これらの工程により、ペレットが特定の品質基準を満たし、取り扱いや輸送の要求に耐えられることが保証されます。^{[ 10 ]}

鉱石精鉱は圧縮工程を経てペレット状に成形される。この工程は様々な種類の混合装置を用いて行うことができるが、最も一般的に使用されるのは皿状の混合器である。焼結される前のペレットは「グリーンペレット」または「未加工ペレット」と呼ばれ、その典型的な直径は5～20mmである。^{[ 8 ]}

ペレット成形後、それらは消費工場に送られるか、調理炉に送られます。結合剤を使用してもペレットは本質的に脆いため、一般的に消費工場よりも調理炉での処理に適しています。調理後、ペレットは冷却されます。^{[ 8 ]}

調理工程では、ペレットを連続したオーブンのチェーンに通し、最高 1,200 °C まで加熱します。これは、単一の途切れないチェーンのためのストレート グレート プロセス、またはチェーンの最後に回転冷却トレイを含むグレート キルン プロセスなど、さまざまな方法で実現できます。^{[ 12 ]}このプロセスに必要な熱はバーナーによって供給され、処理される鉱石の種類に応じて、鉱石精鉱に燃料を追加したり、鉱石の酸化を促進したりすることができます。^{[ 11 ]}

ペレットは、凝集物と同様に、化学的性質に基づいて酸性または塩基性に分類されます。塩基性指数（ic _）を決定するには、次の質量濃度比が使用されます。^{[ 19 ]}

${\displaystyle i_{c}={\frac {[CaO]+[MgO]}{[SiO_{2}]+[Al_{2}O_{3}]}}}$

この比率はペレットの相対的な塩基度を評価するのに役立ち、高炉やその他の冶金プロセスでの使用を最適化するために重要です。^{[ 19 ]}

実際には、化学的性質に基づいてペレットを分類するために、簡略化された塩基度指数（i ）が一般的に使用されます。この指数は、酸化カルシウム（CaO）と二酸化ケイ素（SiO ₂）の比率を使用して計算されます。 ^{[ 8 ]}

${\displaystyle {\ce {i={\frac {CaO}{SiO2}}}}}$

• 指数（i）が1未満のペレットは酸性に分類されます。
• 指数（i）が1より大きいペレットは、基本ペレットに分類されます。
• インデックス（i）が1のペレットは自己溶融性ペレットと呼ばれます。

ペレットには高濃度のヘマタイトが含まれることがありますが、その割合は制御する必要があります。過剰なヘマタイトは還元中にペレットの構造を弱め、積み重ねられた装薬の重みでペレットが粉塵に砕けてしまう可能性があります。これは、ヘマタイト含有量が高いとペレットが崩壊し、還元プロセスにおけるペレットの完全性と使用性が損なわれるためです。^{[ 17 ]}

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• 集積体（鉄鋼業）