JP2008291331A - 亜鉛含有ダスト塊成化物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】竪型スクラップ溶解炉で発生する亜鉛含有ダストを塊成化し、炉内で粉化しにくい高強度のダスト塊成化物を製造する。
【解決手段】亜鉛を１０mass％以上含有するダストと水硬性バインダーとを主体とし、水硬性バインダー量が４〜１５mass％である原料に水を加えて、原料１００質量部に対する水分量を［１１＋０．３３×Cem］〜［１３＋０．３３×Cem］質量部（但し、Cem：原料中の水硬性バインダー量（mass％））とし、該原料を混合した後、圧縮成型し、該成型体を水和硬化させてダスト塊成化物とする。好ましくは、原料を混合する工程では、撹拌羽根を有する混合機のフルード数Ｆｒ（−）と混合時間τ（ｍｉｎ）の積が１００以上となるように混合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄系スクラップを主原料として溶銑を製造する竪型溶解炉において発生する亜鉛含有ダストを塊成化し、ダスト塊成化物を製造する方法に関する。

従来、竪型溶解炉を用いて鉄系スクラップを溶解するプロセスが知られており（例えば、特許文献１）、このプロセスでは、竪型溶解炉の炉頂部から鉄系スクラップとコークスを装入し、炉下部に設けられた複数の羽口（送風羽口）から熱風を吹き込み、コークスの燃焼熱で鉄系スクラップを溶解することにより溶銑が得られる。一般に、鉄系スクラップには亜鉛めっき材などに由来する亜鉛が相当量含まれており、上記プロセスでは、鉄系スクラップに含まれる亜鉛が炉内を降下する過程で加熱されて金属蒸気となる。この亜鉛の金属蒸気は炉内ガス流に随伴して上昇し、温度が低い炉頂付近に達すると酸化されて微細な酸化亜鉛になり、ダストの一部として炉排ガスとともに排出される。このため炉排ガスから回収されるダストには、亜鉛が２０〜３０mass％程度含まれている。

このようなダストに含まれる亜鉛は、資源として再利用される必要があるが、亜鉛含有ダストをそのまま精錬用の亜鉛原料として利用するには、少なくとも５０mass％程度の亜鉛濃度が必要である。したがって、上記プロセスで回収されるような亜鉛濃度のダストは、精錬用の亜鉛原料とするためには亜鉛を濃縮するための特別な処理が必要であり、処理コストがかかる。
このような問題に対して、製鉄用の竪型溶解炉で発生する亜鉛含有ダストを塊成化し、このダスト塊成化物を竪型溶解炉にリサイクル装入することで、２次ダスト（炉にダスト塊成化物を装入して操業した際に生成するダスト）中に亜鉛を濃化させ、亜鉛濃度が高められたダストを回収する方法が知られている（例えば、特許文献２）。
特開昭５６−１５６７０９号公報 特開昭５５−１２５２１１号公報

しかし、特許文献２に示される方法では、２次ダスト中に亜鉛を高濃度に濃化させることが難しく、このため亜鉛含有量が５０mass％以上の亜鉛含有ダストを回収することは事実上困難である。
ここで、２次ダストを由来別に分類すると以下のようになる。
（i）原燃料に由来するダスト：竪型溶解炉の操業において通常発生するダストである。例えば、装入原燃料に付着している粉や、原燃料が竪型溶解炉内で粉化したものが炉排ガスに随伴して炉外に排出されるダストである。
（ii）ダスト塊成化物に由来するダスト：ダスト塊成化物に付着している粉や、ダスト塊成化物が炉内に装入された際に粉化したものが炉排ガスに随伴して炉外に排出されるダストである。
（iii）亜鉛、鉛などの易蒸発性金属に由来するダスト：鉄系スクラップの一部として竪型溶解炉に装入された亜鉛や鉛などの易蒸発性金属は、炉内での降下に伴って加熱されると比較的容易に金属蒸気となり、炉内ガス流に随伴して上昇する。この金属蒸気は、温度が低い炉頂付近に達すると酸化されて金属酸化物（酸化亜鉛、酸化鉛）となり、ダストの一部となる。

以上のような２次ダストの亜鉛濃度を高める方策について考えると、まず、上記（iii）のダストについては、特に亜鉛めっき材等のスクラップを選別して竪型溶解炉に投入すれば、ダスト中の亜鉛分率が上昇するが、原料として使用するスクラップの種類は需給バランスやその時々の時価によっても左右されることから、特殊な種類のスクラップを継続的に使用することは一般的には困難である。
一方、上記（ii）のダストについては、炉内でのダスト塊成化物の粉化を防止すれば、２次ダスト中の亜鉛量は一定でも亜鉛以外のダスト分が減少し、２次ダスト中の亜鉛濃度が上昇することになる。
一般にダスト塊成化物は、炉に装入される際にその衝撃力で粉化しやすく、このような粉化を防止するためには、強度の高いダスト塊成化物を作る必要がある。しかし、ダストとして捕集される酸化亜鉛はきわめて微粒（一般に粒径１μｍ前後）で、しかも粒度分布も狭いため、高強度の塊成化物を得ることは一般に困難である。また、圧縮成型によって塊成化をしようとすると、嵩密度が小さいため成型機内で浮遊状態となり、内部に空気が残る。その結果、成型圧に対して反発力が働くため容易に高密度充填ができず、高強度のものができにくい。

したがって本発明の目的は、鉄系スクラップを主原料として溶銑を製造する竪型溶解炉において発生する亜鉛含有ダストを塊成化し、炉内で粉化しにくい高強度のダスト塊成化物を製造することができる方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのような高強度のダスト塊成化物を炉にリサイクル装入することで、亜鉛が濃化した２次ダストを回収することができる竪型溶解炉の操業方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、亜鉛含有ダストを塊成化して高強度のダスト塊成化物を製造することができる最適な製造条件を見出した。すなわち、本発明の要旨は以下通りである。
［1］鉄系スクラップを主原料として溶銑を製造する竪型溶解炉において発生する亜鉛含有ダストまたはこれを含むダストを塊成化し、ダスト塊成化物を製造する方法であって、
亜鉛を１０mass％以上含有するダストと水硬性バインダーとを主体とし、水硬性バインダーの配合量が４〜１５mass％である原料に水を加えて、原料１００質量部に対する水分量を［１１＋０．３３×Cem］〜［１３＋０．３３×Cem］質量部（但し、Cem：原料中の水硬性バインダーの配合量（mass％））とし、該原料を混合した後、圧縮成型し、該成型物を水和硬化させてダスト塊成化物とすることを特徴とする亜鉛含有ダスト塊成化物の製造方法。

［2］上記［1］の製造方法において、原料を混合する工程では、撹拌羽根を備えた混合機を用いて、混合機のフルード数Ｆｒ（−）と混合時間τ（ｍｉｎ）の積が１００以上となるように混合することを特徴とする亜鉛含有ダスト塊成化物の製造方法。
［3］上記［1］または［2］の製造方法において、原料を圧縮成型する工程では、振動を加えつつ圧縮成型することを特徴とする亜鉛含有ダスト塊成化物の製造方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの製造方法で製造された亜鉛含有ダスト塊成化物を、鉄系スクラップを主原料として溶銑を製造する竪型溶解炉に装入して操業を行い、該操業時の炉排ガスから亜鉛が濃化した亜鉛含有ダストを回収することを特徴とする竪型溶解炉の操業方法。

本発明の亜鉛含有ダスト塊成化物の製造方法によれば、炉内で粉化しにくい高強度の亜鉛含有ダスト塊成化物を安定して製造することができる。
また、本発明の竪型溶解炉の操業方法によれば、そのような高強度の亜鉛含有ダスト塊成化物を用いてダストのリサイクル装入を行うことにより、亜鉛が高濃度に濃化した２次ダストを回収することができる。

本発明は、鉄系スクラップを主原料として溶銑を製造する竪型溶解炉（以下、便宜上「竪型スクラップ溶解炉」という）において発生する亜鉛含有ダストまたはこれを含むダストを塊成化し、ダスト塊成化物を製造する方法である。
図１は、竪型スクラップ溶解炉の一例を模式的に示すもので、１は炉頂に設けられる原料装入部、２は炉下部の周方向において適当な間隔で設けられる複数の羽口（送風羽口）、３はこの羽口２に熱風を供給する熱風管、４は排ガス出口、５は出銑口である。この溶解炉の大きさ等に本質的な制限はないが、実質的に操業可能若しくは操業上有利なサイズとして、通常は、羽口位置での炉内径が２〜４ｍ程度、炉高が６〜１０ｍ程度である。

このような溶解炉では、炉頂の原料装入部１から主原料である鉄系スクラップとコークスを装入するとともに（後述する堅型溶解炉の操業方法では、本発明で製造されたダスト塊成化物も装入する。）、複数の羽口２から熱風を吹き込み、コークスの燃焼ガスの熱で鉄系スクラップを溶解し、溶銑とする。生成した溶銑は炉底部の出銑口５から炉外に取り出される。
主原料である鉄系スクラップとコークスは、炉内に同時に装入してもよいし、交互に装入してもよい。また、主たる炉装入物は鉄系スクラップとコークスであるが、それ以外に、例えば、銑鉄、還元鉄、ダスト・スラッジ類の塊成化物、鉄鉱石等の鉄源、木炭や無煙炭等の炭材などを装入してもよい。

本発明において塊成化の対象となるダストは、亜鉛を１０mass％以上含有するダストである。ダストの亜鉛含有量が１０mass％未満であれば、本発明を適用するまでもなく所定の強度を持つ塊成化物を容易に製造することができる。これに対して酸化亜鉛を多く含み、亜鉛含有量が１０mass％以上であるようなダストは、さきに述べたように酸化亜鉛自体が微粒（一般に粒径１μｍ前後）で且つ粒度分布が狭いため高強度の塊成化物が得られにくい。すなわち、微粒であると接合面積が大きくなるため、バインダーを多くしないと粒子間の接合力を確保できず、また、粒度分布が狭いと粒子どうしの噛み合いが不十分であるため構造的に強度が弱くなる。また、酸化亜鉛を多く含むダストは嵩密度が小さい（通常、嵩密度０．８以下）ために、圧縮成型によって塊成化をしようとすると成型機内で浮遊状態となり、内部に空気が残り、成型圧に対して反発力が働くため容易に高密度充填ができず、高強度のものが得られにくい。以上のように、本発明において塊成化の対象となる亜鉛含有ダストは、転炉ダストなどに較べて、特異的に塊成化しにくい、或いは高強度の塊成化物が得られにくいダストであると言える。

一方、ダストの亜鉛含有量が５０mass％以上の場合、亜鉛は十分に高濃度であり、通常の場合、塊成化して竪型溶解炉でリサイクル装入して亜鉛を濃縮する工程を経ることなく、直接亜鉛の精錬工程に送った方がコストや環境負荷の面からは有利である。したがって、ダストの亜鉛含有量は５０mass％未満であることが好ましい。
本発明において塊成化する亜鉛含有ダストは、亜鉛を１０mass％以上含有するものであれば、竪型スクラップ溶解炉で発生するダストのみからなるものでもよいし、竪型スクラップ溶解炉で発生するダストに対して他のダスト、例えば、転炉ダストなどを混合したものでもよい。一般に、転炉ダストは嵩密度が１．５程度あり、亜鉛含有ダストと比較して十分に嵩密度が大きい。したがって、転炉ダストを添加することにより、亜鉛含有ダストの成型性を向上させ、ダスト塊成化物の高強度化を促進できる。

本発明法では、以上のような亜鉛含有ダストと水硬性バインダーとを主体とする原料に適量の水を加えて混合した後、圧縮成型し、水和硬化させてダスト塊成化物とする。
水硬性バインダーとしては、ポルトランドセメントが一般的であるが、それ以外に、例えば、高炉セメント、高炉水砕スラグ微粉末、生石灰、アルミナセメントなどを用いてもよく、これら水硬性バインダーの１種以上を用いることができる。なお、石膏（硫酸カルシウム）などのように硫黄を含有する水硬性バインダーは、溶銑中の硫黄濃度を上昇させるため、あまり好ましくないが、溶銑中から不純物である硫黄を除去する工程に余裕がある場合には使用してもよい。また、硬化速度の調整のために、必要に応じて硬化促進剤を使用してもよい。
なお、以下に述べる試験例は、いずれもポルトランドセメントを用いた例であるが、他の水硬性バインダー（例えば、高炉セメントなど）を用いた場合も同様の結果が得られた。

本発明では、原料中での水硬性バインダーの配合量を４〜１５mass％、原料１００質量部に対する水分量を［１１＋０．３３×Cem］〜［１３＋０．３３×Cem］質量部（但し、Cem：原料中の水硬性バインダーの配合量（mass％））とし、この原料を混合した後、圧縮成型する。図２は、本発明法における原料中の水硬性バインダー量（原料中での割合）と水分量（原料１００質量部に対する割合）の範囲を示している。以下、その限定理由について説明する。
原料中での水硬性バインダー（ポルトランドセメント）の配合量と製造されたダスト塊成化物の強度（７日養生後の圧縮強度）との関係を調べた結果を図３に示す。この試験では、原料１００質量部に対する水分量を［１２＋０．３３×Cem］質量部、混合時の[Ｆｒ×τ]を１２０（この“Ｆｒ×τ”の意義については後述する）とし、水硬性バインダーの配合量を変えてダスト塊成化物を製造し、その強度を測定した。図３によれば、水硬性バインダー量が４mass％を下回ると強度は急激に低下している。これはバインダーの絶対量が不足するためである。一方、水硬性バインダー量を増していくと緩やかに強度が増大していくが、水硬性バインダー量が１５mass％を超えると強度の増大はほぼ飽和状態となる。これは水硬性バインダーと亜鉛含有ダストの接着力が上限に達し、水硬性バインダー量の増加に見合う接着力が得られなくなるためであると考えられる。以上の理由から本発明では、原料中での水硬性バインダーの配合量は４〜１５mass％、好ましくは７〜１２mass％とする。

本発明では、原料として亜鉛含有ダスト、水硬性バインダー以外の粉粒物を適宜配合してもよい。例えば、原料に適度な粒度分布を与えて成型性を高めるために、亜鉛含有ダストよりも粒度が大きい粉粒物、好ましくは、鉄酸化物を含み、粒径１０μｍ以上の粒子割合が５０mass％以上であるような粉粒物を配合することができる。この粉粒物としては、例えば、焼結篩下粉、鉄鉱石粉、ミルスケールなどのような製鉄プロセスで発生する粉体などを用いることができる。また、その他に、スラグの塩基度を調整可能な石灰石、硅石などの粉粒物が挙げられ、以上のような粉粒物の１種以上を配合することができる。
以上のような粉粒物の配合量に特別な制限はないが、２次ダストの亜鉛濃縮と塊成化工場での処理量低減などの観点から、原料中の割合で１５mass％以下とすることが好ましい。

次に、原料に添加する水分量について説明する。
原料中の水分量が多すぎると、養生後、水分が蒸発して気孔が発生するためダスト塊成化物の強度は弱くなる。一方、原料中の水分が少なすぎても、高強度のダスト塊成化物はできない。この理由は、水分が少なすぎると、図４（ａ）に示すように成型機内では１〜２ｍｍ程度の大きさの２次粒子（＝ダスト粒子が水分で凝集してできた粒子）が多数存在し、これらが成型機内で浮遊状態になって、圧縮した際に内部の空気が抜けるのを妨げ、圧縮力の抗力として作用するため高密度の充填体ができないためであると考えられる。これに対して、水分量が適正範囲内にある場合には、図４（ｂ）に示すように２次粒子の粒径が４〜５ｍｍ程度に成長し重くなるため、成型機内で浮遊状態とならずに空隙率が小さくなり、高密度の充填体ができるものと考えられる。

図５は、亜鉛含有ダストと水硬性バインダーの混合物に水分がどのように作用するかを示している。水硬性バインダーには水和（硬化）のための水が必要であり、一方、亜鉛含有ダストには架橋現象（粉体間で凝集するための力を発現する現象）や圧縮時の粉体間のすべり（粉体分子間の潤滑）を確保するためのいわゆるキャピラリー水が必要である。
上記のような水分割合を実験的に求めると、以下のようになる。
原料の水分量（原料１００質量部に対する割合）と製造されたダスト塊成化物の強度（７日養生後の圧縮強度）との関係を調べた結果を図６に示す。この試験では、水硬性バインダー（ポルトランドセメント）の配合量を１０mass％、混合時の[Ｆｒ×τ]を１２０で一定とし、水分量を変えてダスト塊成化物を製造し、その強度を測定した。図６によれば、原料１００質量部に対して水分量１５．３質量部で強度が極大値（８ＭＰａ）を示す。また、水分量が１５．３±１質量部の範囲であれば、６ＭＰａ以上の強度を確保できることが判る。

このように図６において強度が極大値を示す配合、すなわち原料中の水硬性バインダー（ポルトランドセメント）の配合量を１０mass％、原料１００質量部に対する水分量を１５．３質量部としたものを十分に混合し、これを外部との水の授受が無い状態（ビニール袋で密閉する）にして１ヶ月以上保持し、水和固化させた。その後、１２０℃以下（水和物が分解しない温度）で十分乾燥し、その質量減少量と元の水分量とから水和水量を求めた。また、この乾燥作業により蒸発した水量をキャピラリー水量として求めた。これらの水分量をそれぞれ水硬性バインダー量、亜鉛含有ダスト量との比率に換算すると、水和水は水硬性バインダー量の４５mass％、同じくキャピラリー水は亜鉛含有ダスト量の１２mass％であった。したがって、必要とされる水和水を水硬性バインダー量の４５mass％、同じくキャピラリー水を亜鉛含有ダスト量の１２mass％とすると、水分量は、亜鉛含有ダストと水硬性バインダーの合計１００質量部に対する割合（質量部）で以下のようになる。
水分量(質量部)＝0.45×Cem＋0.12×(100−Cem)＝12＋0.33×Cem
但し Cem：原料中の水硬性バインダーの配合量（mass％）
ここで、図６の試験では、Cem＝１０mass％であるから、強度が極大値（８ＭＰａ）を示す水分量１５．３質量部は［１２＋０．３３×Cem］質量部である。

さらに、水硬性バインダーの配合量を変えて原料の適正水分量（原料１００質量部に対する割合）を調べた結果を図７に示す。この試験では、水硬性バインダー（ポルトランドセメント）の配合量を８mass％，１０mass％、１２mass％の３水準とし、混合時の[Ｆｒ×τ]を１２０で一定とし、水分量を変えてダスト塊成化物を製造し、その強度を測定した。図７によれば、水硬性バインダーの配合量が１０mass％の場合（＝図６の結果）だけでなく、配合量が８mass％，１２mass％の場合にも、水分量が［１２＋０．３３×Cem］質量部で強度が極大値（ほぼ８ＭＰａ）を示している。また、［１２＋０．３３×Cem］±１質量部であれば６ＭＰａ以上の強度を確保できることが判る。
以上の結果から、本発明では原料の水分量を原料１００質量部に対して［１１＋０．３３×Cem］〜［１３＋０．３３×Cem］質量部とする。なお、原料１００質量部は原料のドライ換算での質量である。
原料は通常水分を含んでいるので、本発明を実施するに当たっては、原料がすでに含んでいる水分量を考慮して水を添加し、添加後の原料の水分量が上記範囲となるようにする。

本発明では、以上のような条件で水分が添加された原料を混合するものであるが、その際の混合条件がダスト塊成化物の強度に及ぼす影響を検討した。
図８に、水を添加した原料（亜鉛含有ダスト＋水硬性バインダー）の混合前後の分散状況を模式的に示すが、ダスト塊成化物の強度を高めるには、基本的に亜鉛含有ダストと水硬性バインダーと水を可能な限り均一に混合し、亜鉛含有ダストと水硬性バインダーの接触点を増大させる必要がある。

混合機（ミキサー）には多種多様なものがあるが、本発明者らは、撹拌羽根を有する混合機であればその種類に関わりなく、混合機のフルード数Ｆｒ（−）と混合時間τ（ｍｉｎ）の積［Ｆｒ×τ］により最適な混合条件を規定できることを見出した。混合機の撹拌能はフルード数Ｆｒで表現できる。図９に、撹拌羽根を有する混合機のフルード数Ｆｒの概念図を示す。このフルード数Ｆｒは下式で求めることができ、このフルード数Ｆｒが大きいほど撹拌能が高いことを意味する。
Ｆｒ＝r×ω²／g
但し r：混合機の撹拌羽根の半径（ｍ）
（但し、撹拌羽根の半径とは、撹拌羽根の回転軸中心から撹拌羽根先端までの距離）
ω：混合機の撹拌羽根の角速度（rps）
g：重力加速度（ｍ/ｓ^２)
したがって、［Ｆｒ×τ］が大きいほど、原料がより均一に混合され、亜鉛含有ダストと水硬性バインダーの接触点が増大することになる。

原料を混合する際の［Ｆｒ×τ］と製造されたダスト塊成化物の強度（７日養生後の圧縮強度）との関係を調べた結果を図１０に示す。この試験では、［Ｆｒ×τ］を１２０，２００の２水準とするとともに、水硬性バインダー（ポルトランドセメント）の配合量を１０mass％で一定として、水分量を変えてダスト塊成化物を製造し、その強度を測定した。図１０によれば、［Ｆｒ×τ］が大きい方が、相対的に高い強度が得られている。同様の試験を、さらに［Ｆｒ×τ］を変化させて行い、製造されたダスト塊成化物の強度を測定した結果（図に示す強度は極大値）を図１１に示す。これによれば、［Ｆｒ×τ］が１００以上で特に高い強度が得られ、２００以上ではほぼ一定値となる。混合に要する電力量を考慮すると、［Ｆｒ×τ］は小さい方がよい。
以上の理由から、本発明において水分が添加された原料を混合する工程では、撹拌羽根を備えた混合機を用いて、［Ｆｒ×τ］が１００以上、好ましくは１００〜２００となるように混合することが好ましい。

本発明法では、上記のようにして混合された原料を圧縮成型する。この圧縮成型工程は、型枠を用いた成型、押し出し成型、ロールプレス成型など任意の方式で行うことができるが、亜鉛含有ダストという成型性が極めて悪い粉体を適切に圧縮成型して安定した品質の成型物を得るという観点からは、型枠を用いた成型が好ましく、そのなかでも型枠を振動させながら圧縮成型を行う振動成型が特に好ましい。この振動成型は、嵩密度が小さい亜鉛含有ダストを型枠内に高密度に充填するのに適している。
成型物の形状は任意であるが、炉に装入した際の粉化をなるべく抑えるために角部が少ない方が好ましい。また、成型物の大きさも任意であるが、あまり小さいと炉に装入した際に炉の圧力損失を増大させ、一方、あまり大きいと炉に装入した際に塊成化物の中心部の昇温遅れによる還元・溶解遅れを生じるので、一般には０．５〜３リットル程度のサイズが好ましい。

原料を圧縮成型して得られた成型物は、水硬性バインダーにより水和硬化させるため、一定期間養生させる。この養生の方法や期間は任意であり、例えば、蒸気による一次養生を行った後、大気下での二次養生を行ってもよい。養生期間は、養生スペースや生産性などの面からはなるべく短い方が好ましいが、養生後の必要強度に応じて適宜選択すればよい。一般には、１週間以上が好ましい。なお、養生期間が長ければ成型物の保管すべき量が増加するので、十分な置き場が確保できない場合は、硬化促進剤などを用いて、期間を短縮するなどの対応をすることが好ましい。
本発明法によれば、７日養生後の圧縮強度が６ＭＰａ以上のダスト塊成化物を安定して製造することができ、また、特に原料配合量及び水分量を最適化することにより８ＭＰａ以上のダスト塊成化物を製造することができ、さらに混合条件を最適化することにより、１０ＭＰａ以上のダスト塊成化物を製造することができる。

ここで、圧縮強度は、ＪＩＳ−Ａ−１１０８に準拠して測定する。但し、供試体形状は１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの直方体を基準形とし、１００ｍｍ×１００ｍｍの面方向に圧縮した値を圧縮強度の基準する。ダスト塊成化物が上記基準形よりも大きい場合には、同形に切り出して測定する。一方、ダスト塊成化物が上記基準形よりも小さい場合には、上記基準形の相似形に切り出して測定する。この相似形の場合の強度換算は、下式により算出する。
Ｓt＝Ｓt*×（Ｓt_１／Ｓt_１*）
Ｓt：ダスト塊成化物が基準形よりも小さいときの圧縮強度換算値（ＭＰａ）
Ｓt*：小さいダスト塊成化物を基準形の相似形に切り出して測定した圧縮強度（ＭＰａ）
Ｓt_１：任意の基準形のダスト塊成化物の圧縮強度（ＭＰａ）
Ｓt_１*：Ｓt_１を測定するときに用いたダスト塊成化物を、Ｓt*を測定する際の相似形に切り出して測定した圧縮強度（ＭＰａ）
個体間のばらつきが大きいため、最低５塊程度は測定して、その平均値を圧縮強度とする。
ダスト塊成化物の高強度化は、輸送に伴う落下衝撃や、炉に装入する際の落下衝撃による粉化を防止するために重要である。本来、強度測定は落下強度で規定すべきものであるが、落下強度と圧縮強度は良い正相関があることから、ここでは圧縮強度を基準とした。

本発明の竪型溶解炉の操業方法は、上述したような製造方法で製造された亜鉛含有ダスト塊成化物を、竪型スクラップ溶解炉に装入して操業を行い、この操業時の炉排ガスから亜鉛が濃化した２次ダストを回収する。すなわち、亜鉛含有ダスト塊成化物を原料の一部として堅型スクラップ溶解炉の炉頂部から装入する。これにより、同炉の炉排ガス中のダストには亜鉛が濃縮され、そのまま精錬用の亜鉛原料として使用できる高い亜鉛濃度のダストを回収することができる。
亜鉛含有ダスト塊成化物の炉内への装入は、常時行ってもよいが、短期間に大量に装入した方がダスト中の亜鉛の濃化を促進でき、高い亜鉛濃度のダストを回収できる。このため、操業期間を通じてダスト塊成化物の装入期間を間隔的に設け、それ以外の操業期間（ダスト塊成化物を装入しない期間）で発生した亜鉛含有ダストから製造したダスト塊成化物を、その装入期間に集中して装入し、その装入期間の炉排ガスから高い亜鉛濃度の２次ダストを回収するようにすることが好ましい。

なお、炉内装入されたダスト塊成化物は、粉化して炉排ガス中に飛散する部分を除き、亜鉛分が金属蒸気となって最終的にダストの一部となり、鉄分が溶解して溶銑の一部となり、残部の大部分（例えば、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３など）が溶解してスラグの一部となる。そして、上述した本発明法により製造される高強度のダスト塊成化物は、炉内で粉化しにくい（飛散率が低い）ため、結果的にダスト発生量が少なくなり、その分、ダスト中の亜鉛濃度が高まることになる。

図１２に示す設備を用いて、亜鉛含有ダストの塊成化物を製造した。竪型スクラップ溶解炉６で発生した亜鉛含有ダスト（以下、「竪型炉発生ダスト」または単に「ダスト」という）を湿式回収し、シックナー７およびフィルタープレス装置８で簡易脱水（水分：２０〜５０mass％）し、次いで乾燥機９にて乾燥させた。乾燥機９から取り出したダスト（乾ダスト）を、ホッパー（図示せず）に一旦貯留し、このホッパーから適宜切り出したダストを、ポルトランドセメントおよび水とともにミキサー１０に投入し、原料の混合を行った。このミキサー１０で混合した原料を成型機１１で圧縮成型（振動成型）して成型物とした。この成型物を、養生炉１２で蒸気養生（一次養生）した後、分級機１３で篩分し、所定の粒度を満足する塊成化物を二次養生工程に送り、二次養生を施してダスト塊成化物（製品）とした。分級機１３の篩下（粒径５ｍｍ以下）はミキサー１０に返送し、再度原料として用いた。

表１に原料の組成を示す。また、図１３に竪型炉発生ダストの粒度分布を示す。竪型炉発生ダストは酸化亜鉛を２８．５mass％（金属亜鉛換算：約２３mass％）含み、嵩密度は０．７と非常に小さかった。また、粒度分布も粒径１μｍに集中して存在し、相当に微粒であることが判る。
得られた発明例および比較例のダスト塊成化物（製品）の強度（７日養生後の圧縮強度）を測定するとともに、図１２の竪型スクラップ溶解炉６（炉直径３．４ｍ）にリサイクル装入して操業を行った。その結果を、ダスト塊成化物の製造条件、測定強度、堅型溶解炉の操業条件などとともに表２に示す。

・発明例１
ダスト塊成化物の冷間における強度は十分に高い。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が７０ｔ／ｈｒ、送風圧力が１１．８ｋＰａ、コークス比が１６５ｋｇ／ｔであり、炉直径が３．４ｍであるこの竪型スクラップ溶解炉としては標準的な値である。一方、２次ダストの亜鉛濃度は５２mass％にまで濃化し、有価物（精錬用の亜鉛原料）としての処理が可能なレベルとなっている。これはダスト塊成化物の強度が十分で、粉化が抑制されたためであると推定される。
・発明例２
ダスト塊成化物の冷間における強度は十分に高い。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が７０ｔ／ｈｒ、送風圧力が１２．０ｋＰａ、コークス比が１６６ｋｇ／ｔであり、炉直径が３．４ｍであるこの竪型スクラップ溶解炉としては標準的な値である。一方、２次ダストの亜鉛濃度は５１mass％にまで濃化し、有価物としての処理が可能なレベルとなっている。これはダスト塊成化物の強度が十分で、粉化が抑制されたためであると推定される。

・発明例３
ダスト塊成化物の冷間における強度は十分に高い。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が７０ｔ／ｈｒ、送風圧力が１１．６ｋＰａ、コークス比が１６４ｋｇ／ｔであり、炉直径が３．４ｍであるこの竪型スクラップ溶解炉としては標準的な値である。一方、２次ダストの亜鉛濃度は５５mass％にまで濃化し、有価物としての処理が可能なレベルとなっている。これはダスト塊成化物の強度が十分で、粉化が抑制されたためであると推定される。
・発明例４
ダスト塊成化物の冷間における強度は十分に高い。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が７０ｔ／ｈｒ、送風圧力が１２．６ｋＰａ、コークス比が１６７ｋｇ／ｔであり、炉直径が３．４ｍであるこの竪型スクラップ溶解炉としては標準的な値である。一方、２次ダストの亜鉛濃度は５０mass％にまで濃化し、有価物としての処理が可能なレベルとなっている。これはダスト塊成化物の強度が十分で、粉化が抑制されたためであると推定される。

・比較例１
ダスト塊成化物を装入することなく、通常のスクラップ溶解操業を行った場合の例である。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が７０ｔ／ｈｒ、送風圧力が１１．５ｋＰａ、コークス比が１６３ｋｇ／ｔであり、炉直径が３．４ｍであるこの竪型スクラップ溶解炉としては標準的な値である。一方、ダストの亜鉛濃度は２３mass％と低く、有価物としての処理が可能なレベルとなっておらず、さらなる亜鉛濃縮処理が必要である。
・比較例２
ダスト塊成化物の原料中の水硬性バインダー量が少なすぎた例である。水硬性バインダー量が少ないため、冷間における強度は５．３ＭＰａと低い値を示している。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が６５ｔ／ｈｒに低下し、送風圧力が１５．５ｋＰａに増大し、コークス比も１７２ｋｇ／ｔに増大している。炉直径が３．４ｍであるこの竪型スクラップ溶解炉としては、やや不調といえる値である。一方、２次ダストの亜鉛濃度は比較例１よりは濃化しているものの３２mass％と低く、有価物としての処理が可能なレベルとなっておらず、さらなる亜鉛濃縮処理が必要である。

・比較例３
ダスト塊成化物の原料の水分量が少なすぎた例である。水分量が少ないため冷間における強度は４．５ＭＰａと低い値を示している。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が６３ｔ／ｈｒに低下し、送風圧力が１５．６ｋＰａに増大し、コークス比も１７３ｋｇ／ｔに増大している。炉直径が３．４ｍであるこの竪型スクラップ溶解炉としては、やや不調といえる値である。一方、２次ダストの亜鉛濃度は比較例１よりは濃化しているものの３０mass％と低く、有価物としての処理が可能なレベルとなっておらず、さらなる亜鉛濃縮処理が必要である。

・比較例４
ダスト塊成化物の原料の水分量が多すぎた例である。水分量が多いため冷間における強度は５．２ＭＰａと低い値を示している。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が６４ｔ／ｈｒに低下し、送風圧力が１５．５Ｐａに増大し、コークス比も１７２ｇ／ｔに増大している。炉直径が３．４ｍであるこの竪型スクラップ溶解炉としては、やや不調といえる値である。一方、２次ダストの亜鉛濃度は比較例１よりは濃化しているものの３１mass％と低く、有価物としての処理が可能なレベルとなっておらず、さらなる亜鉛濃縮処理が必要である。

・比較例５
原料の混合が極端に不足した場合の例である。原料および水分の混合が不十分であるため、冷間における強度は３．８ＭＰａと低い値を示している。竪型スクラップ溶解炉の操業については、出銑量が６２ｔ／ｈｒに低下し、送風圧力が１５．６Ｐａに増大し、コークス比も１７５ｇ／ｔに増大している。炉直径が３．４ｍであるこの竪型炉としては、やや不調といえる値である。一方、２次ダストの亜鉛濃度は比較例１よりは濃化しているものの２８mass％と低く、有価物としての処理が可能なレベルとなっておらず、さらなる亜鉛濃縮処理が必要である。

竪型スクラップ溶解炉の一例を模式的に示す説明図 本発明法において、原料中での水硬性バインダー配合量と原料の水分量の適正範囲を示すグラフ 原料中での水硬性バインダーの配合量と製造されたダスト塊成化物の強度（７日養生後の圧縮強度）との関係を示すグラフ 原料の水分量が過少な場合と適正な場合について、圧縮成型の際の原料の挙動を比較して示す説明図 原料中の亜鉛含有ダストと水硬性バインダーに水分が及ぼす作用を示す説明図 原料の水分量（原料１００質量部に対する割合）と製造されたダスト塊成化物の強度（７日養生後の圧縮強度）との関係を示すグラフ 水硬性バインダーの配合量を変えた原料について、原料の水分量（原料１００質量部に対する割合）と製造されたダスト塊成化物の強度（７日養生後の圧縮強度）との関係を示すグラフ 水を添加した原料（亜鉛含有ダスト、水硬性バインダー）の混合前後の分散状況を模式的に示す説明図 撹拌羽根を備えた混合機のフルード数Ｆｒの概念図 撹拌羽根を備えた混合機により原料を混合する際の［Ｆｒ×τ］を変えた製造条件において、原料の水分量（原料１００質量部に対する割合）と製造されたダスト塊成化物の強度（７日養生後の圧縮強度）との関係を示すグラフ 撹拌羽根を備えた混合機により原料を混合する際の［Ｆｒ×τ］と製造されたダスト塊成化物の強度（７日養生後の圧縮強度）との関係を示すグラフ 実施例で用いた設備構成を示す説明図 実施例で用いた竪型炉発生ダストの粒度分布を示すグラフ

符号の説明

１ 原料装入部
２ 羽口
３ 熱風管
４ 排ガス出口
５ 出銑口
６ 堅型スクラップ溶解炉
７ シックナー
８ フィルタープレス装置
９ 乾燥機
１０ ミキサー
１１ 成型機
１２ 養生炉
１３ 分級機

Claims (4)

1. 鉄系スクラップを主原料として溶銑を製造する竪型溶解炉において発生する亜鉛含有ダストまたはこれを含むダストを塊成化し、ダスト塊成化物を製造する方法であって、
   亜鉛を１０mass％以上含有するダストと水硬性バインダーとを主体とし、水硬性バインダーの配合量が４〜１５mass％である原料に水を加えて、原料１００質量部に対する水分量を［１１＋０．３３×Cem］〜［１３＋０．３３×Cem］質量部（但し、Cem：原料中の水硬性バインダーの配合量（mass％））とし、該原料を混合した後、圧縮成型し、該成型物を水和硬化させてダスト塊成化物とすることを特徴とする亜鉛含有ダスト塊成化物の製造方法。
2. 原料を混合する工程では、撹拌羽根を備えた混合機を用いて、混合機のフルード数Ｆｒ（−）と混合時間τ（ｍｉｎ）の積が１００以上となるように混合することを特徴とする請求項１に記載の亜鉛含有ダスト塊成化物の製造方法。
3. 原料を圧縮成型する工程では、振動を加えつつ圧縮成型することを特徴とする請求項１または２に記載の亜鉛含有ダスト塊成化物の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれかの製造方法で製造された亜鉛含有ダスト塊成化物を、鉄系スクラップを主原料として溶銑を製造する竪型溶解炉に装入して操業を行い、該操業時の炉排ガスから亜鉛が濃化した亜鉛含有ダストを回収することを特徴とする竪型溶解炉の操業方法。

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