JP2010008030A - 竪型溶解炉を用いた溶銑製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】竪型溶解炉を用いて鉄系スクラップを溶解し、溶銑を製造する方法において、安定した操業を行いつつ、製造コストを増大させることなくダスト中の亜鉛濃度を高める。
【解決手段】シュレッダー処理をした鉄系スクラップを、０．１≦Ａ／Ｂ≦０．６（但し、Ａ：シュレッダー処理をした鉄系スクラップ量、Ｂ：全鉄系スクラップ量）を満足する割合で使用する。全鉄系スクラップ中でのシュレッダー処理した鉄系スクラップの割合を最適化することにより、ダスト中の亜鉛濃度を高めつつ、通気性を確保した安定的な操業が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、竪型溶解炉を用い、コークスの燃焼熱により鉄系スクラップを溶解して溶銑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。

また、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、竪型溶解炉から排出・回収されるダスト中には、亜鉛が３０mass％前後含まれているが、亜鉛を資源として再利用するためには、製錬用の亜鉛原料として４０mass％程度以上の亜鉛濃度が必要である。
そのため、製鉄所内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して、再び発生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

上記のようなプロセスで溶銑を製造する場合、特許文献２の方法で発生ダスト中の亜鉛濃度を高めるには、ダストを塊成化するための設備が必要となるだけでなく、鉄系スクラップに付着している土砂、プラスティック等のゴミの一部がダスト中に混入するため、これらのゴミの低減が必要となるケースもあり、製造コストの増加が問題となる。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、竪型溶解炉を用いて鉄系スクラップを溶解し、溶銑を製造する方法において、安定した操業を行いつつ、製造コストを増大させることなく発生ダスト中の亜鉛濃度を高めることができる溶銑製造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、鉄系スクラップに付着するゴミを低減するためには、鉄系スクラップをシュレッダー処理することが有効であることが判った。しかし、一方において、シュレッダーされた鉄系スクラップは形状が小さくなるため、これを竪型溶解炉で多量に使用すると炉内通気性を確保できず、操業が困難になることが判った。そこで、シュレッダー処理した鉄系スクラップの配合割合を変化させて、ダスト中の亜鉛濃度と操業安定性の指標となる通気性指数を測定する試験を実施し、検討を進めた結果、使用する全鉄系スクラップ中でのシュレッダー処理された鉄系スクラップの割合を最適化することにより、ダスト中の亜鉛濃度を高めつつ、通気性を確保して安定した操業が可能となることが判った。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］竪型溶解炉において、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を製造する方法であって、シュレッダー処理をした鉄系スクラップを下記（1）式を満足する割合で使用することを特徴とする竪型溶解炉を用いた溶銑製造方法。
０．１≦Ａ／Ｂ≦０．６ …（1）
但し、Ａ：シュレッダー処理をした鉄系スクラップ量（ton）
Ｂ：全鉄系スクラップ量（ton）
［2］上記［1］の溶銑製造方法において、鉄系スクラップとともに、鉄含有ダストおよび／または鉄含有スラッジの塊成化物を装入することを特徴とする堅型溶解炉を用いた溶銑製造方法。
［3］上記［1］または［2］の製造方法において、発生ダストを精錬用の亜鉛原料として回収することを特徴とする竪型溶解炉を用いた溶銑製造方法。

なお、本発明においてシュレッダー処理した鉄系スクラップとは、市場で売買されている鉄屑の場合は、日本鉄リサイクル工業会が定めるところの等級でＡＳ、Ａ、Ｂ、Ｃのものを指し、また、シュレッダー鉄屑として購入しない場合においては、シュレッダーマシンを用いてヘビー屑等を破砕し、磁選、風選した後の鉄系スクラップを指す。また、シュレッダー後の鉄系スクラップの大きさとしては、最大長さで４００ｍｍ以下のものが主体となる。

本発明によれば、炉内装入する全鉄系スクラップ中でのシュレッダー処理した鉄系スクラップの割合を最適化することにより、ダスト中の亜鉛濃度を高めつつ、通気性を確保した安定的な操業が可能となる。このため、竪型溶解炉の発生ダストからの亜鉛回収が容易になるとともに、溶銑を高い生産性で安定的に製造することができる。

図１は、本発明で用いる竪型溶解炉（この実施形態では竪型スクラップ溶解炉。以下、単に「溶解炉」という）とその基本的な操業形態を模式的に示している。図において、１は炉体、２は炉頂に設けられる原料装入部、３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）、４はこの羽口３に熱風を供給する熱風管、５は炉体上部に接続される排気ダクト、６はこの排気ダクト５の途中に設けられる集塵装置である。
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。羽口数に制限はないが、通常、４〜１２本程度である。

このような溶解炉では、炉頂の原料装入部２から鉄系スクラップとコークスを装入するとともに、複数の羽口３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から炉外に取り出される。また、炉内では上昇する熱風に伴いダストが生成し、このダストは排気ダクト５を経由して集塵装置６で捕集される。
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、主たる炉装入原料は鉄系スクラップとコークスであるが、さらに鉄源として、鉄含有ダストおよび／または鉄含有スラッジの塊成化物（以下、説明の便宜上「鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物」という。）を装入することができる。この鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物を装入すると、鉄系スクラップ単独装入の場合に比べてコークス原単位が増加するため、排ガス量が増加するが、送風酸素富化を実施することにより排ガス量を低減できるので、例えば、羽口内に酸素噴射ノズルを配置し、この酸素噴射ノズルを通じて酸素を供給する、などの方法で送風酸素富化を行うのが好ましい。溶解炉には、上記鉄源およびコークス以外にも、例えば、銑鉄、還元鉄、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。鉄系スクラップと鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物を併せて装入する際の炉内への装入方法は任意であるが、なるべく均一に装入する方が操業の安定性には良い。

鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物は、鉄含有ダスト、鉄含有スラッジの１種以上またはこれを主体とする原料を塊状に固めたものであればよく、したがって塊成化物の種類や製法を問わないが、一般には、鉄含有ダスト、鉄含有スラッジの１種以上に水硬性バインダーを配合し、さらに必要に応じて還元用の炭材粉などを配合した原料に水を加えて混合した後、成形し、この成形物を水和硬化させて塊成化物としたものが用いられる。なお、鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物の構成成分や製法については、後に詳述する。

本発明では、ダスト中の亜鉛濃度を高めつつ、通気性を確保して安定した操業を行うために、シュレッダー処理をした鉄系スクラップを下記（1）式を満足する割合で使用する。
０．１≦Ａ／Ｂ≦０．６ …（1）
但し、Ａ：シュレッダー処理をした鉄系スクラップ量（ton）
Ｂ：全鉄系スクラップ量（ton）

図１に示す構造を有する炉床径２ｍ、羽口数６本、羽口からの有効高さ７ｍの堅型溶解炉を用いて、以下のような試験を行った。
鉄源としては、シュレッダーマシンでシュレッダー処理した鉄屑の装入割合と、プレス屑等の市中スクラップ、所内で発生するスクラップ屑の装入割合を変化させた。熱源であるコークスは、鋳物コークスと篩目４０ｍｍで篩った篩上の高炉コークスを用い、鋳物コークスの質量比率は５０質量％で一定とした。溶銑の出銑温度が１５１０〜１５３０℃となるように送風量およびコークス原単位を調整し、送風量：１２０００〜１４０００Ｎｍ^３／ｈ、コークス原単位１２５〜１９０ｋｇ／ｔ・pigと変化させた。また、送風温度は５５０℃とし、炉頂ガス温度は２００〜２５０℃となった。

図２に、炉内装入する全鉄系スクラップ量（Ｂ）中のシュレッダー処理した鉄系スクラップ量（Ａ）の比率（Ａ／Ｂ）と、ダスト中の亜鉛濃度および操業中の送風圧力指数との関係を調べた結果を示す。送風圧力指数は、シュレッダー処理した鉄系スクラップを装入しない場合の送風圧力を“１”とした指数である。また、ダスト中の亜鉛濃度は、スクラップ原料の変動による影響も考えられるため、１日毎にサンプリングを行い、１週間の平均を分析値とした。図中には、その最大値と最小値も併記している。

図２によれば、比率（Ａ／Ｂ）が大きくなると、鉄系スクラップに付着するゴミ等が低減することでダスト中の亜鉛濃度が増加することが判る。また、比率（Ａ／Ｂ）が大きくなると、亜鉛濃度の最大値と最小値のバラツキが小さくなり、安定して高亜鉛濃度のダストが得られるようになる。特に、比率（Ａ／Ｂ）が０．１以上において、目標の亜鉛濃度４０mass％以上が達成できることが判る。

一方、比率（Ａ／Ｂ）が大きくなるにつれて送風圧力指数も大きくなり、比率（Ａ／Ｂ）が０．６を超えると送風圧力指数が２．５超となり、スラグの噴き出しやガスの不均一流れ等が生じて安定操業域から外れてしまう。
以上の結果から、発生ダスト中の亜鉛濃度を高め且つ安定操業を行うためには、炉内装入すべき全鉄系スクラップ量中のシュレッダー処理した鉄系スクラップ量の比率（Ａ／Ｂ）を０．１〜０．６に制御することが重要であることが判った。

なお、シュレッダー処理をした鉄系スクラップとシュレッダー処理をしない鉄系スクラップを炉内装入する方法は任意であるが、シュレッダー処理をした鉄系スクラップはシュレッダー処理をしない鉄系スクラップに較べてサイズが小さいため、両者が適度に混じった状態で炉内に装入される方が、通気性を確保する上で好ましい。特にＡ／Ｂが０．２以上の範囲においては、シュレッダー処理をした鉄系スクラップとシュレッダー処理をしない鉄系スクラップを、リフマグ等で交互に装入することが望ましい。
本発明では、発生ダストの亜鉛濃度を４０mass％以上にできるため、その発生ダストを精錬用の亜鉛原料として回収することができる。

以下、鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物の構成成分や製法などについて、それらの好ましい実施形態を説明する。
前記鉄含有ダストは、酸化鉄及び／又は金属鉄を含むダストであり、その種類に特に制限はないが、代表的なものとしては、鉄鋼製造プロセスで生じる製鋼ダストを挙げることができる。この製鋼ダストには、溶銑予備処理工程で生じる溶銑予備処理ダスト、転炉脱炭工程で生じる転炉ダスト、電気炉で生じる電気炉ダストなどが含まれる。これらの製鋼ダストは、製鋼工程で発生した排ガスから集塵することにより回収されたものである。また、これらの中でも、転炉脱炭工程で生じる転炉ダスト、いわゆるＯＧダストが、不純物の含有量が少なく、したがって鉄含有量が高いため特に好ましい。また、製鋼ダスト以外の鉄含有ダストとしては、例えば、高炉ダスト、圧延ダストなどがある。
また、前記鉄含有スラッジは、酸化鉄及び／又は金属鉄を含むスラッジであり、その種類に特に制限はないが、上述したような各種ダストが湿式集塵機で捕集されることでスラッジ化したものが、代表例として挙げられる。

さきに述べたように、鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物は、一般には、鉄含有ダストまたは／および鉄含有スラッジに水硬性バインダーを配合し、さらに必要に応じて還元用の炭材粉などを配合した原料に水を加えて混合した後、成形し、この成形物を水和硬化させることにより得られる。
前記水硬性バインダーとしては、例えば、ポルトランドセメント、高炉セメント、アルミナセメント、フライアッシュセメントなどの各種セメント、高炉水砕スラグ微粉末、生石灰などの１種以上を用いることができる。原料中の水硬性バインダーの配合量は、強度の発現及びスラグ生成量の抑制の観点から、一般に２〜２５mass％程度とすることが好ましい。

前記炭材粉とは炭素を主成分とする粉体のことであり、竪型溶解炉中で酸化鉄の還元材となる。一般に、製鉄用の竪型溶解炉では還元材として塊コークスが用いられるが、塊コークスよりもコークス粉などの炭材粉の方が価格が安く、コスト的に有利なことに加え、酸化鉄と炭素の接触面積が増大するため、酸化鉄の還元反応も速やかに進行する利点がある。炭材粉としては、コークス粉、石炭粉（好ましくは無煙炭粉）、プラスチック粉などの１種以上を用いることができるが、特に、コークス粉などのように揮発分が少ないものが好ましい。また、鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物中に大きな炭材が存在すると、その部分から亀裂が生じ、強度を低下させる原因となるため、炭材粉は粒径３ｍｍ以下が好ましい。原料中の炭材粉の配合量は、一般に２〜２５mass％程度が好ましい。

また、鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物の原料中には、上述した鉄含有ダストまたは／および鉄含有スラッジ、水硬性バインダーおよび炭材粉以外の材料を必要に応じて適宜配合してもよい。例えば、硬化速度調整剤、界面活性剤、ベントナイト、さらには、鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物の圧縮強度を高めるための塩化物、原料に適度な粒度分布を与えて成型性を高めるための材料として焼結篩下粉、ミルスケールなどの鉄含有粉粒物、スラグの塩基度を調整するための石灰石、硅石などの粉粒物などの１種以上を配合してもよい。
また、生成するスラグ量をなるべく少なくするという観点から、原料中でのＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯの合計量を２５mass％以下とすることが好ましい。当然、これら成分は水硬性バインダーなどに含有されるものも含まれる。

水硬性バインダーを用いて鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物を得るには、上述した原料に水を加えて混合した後、成形し、この成形物を水和硬化させる。
水の量は原料の配合によっても異なるが、成形時に圧縮しても水がしみ出てこない最大水量が望ましい。定量的には、ＪＩＳ−Ａ−１１０１（コンクリートのスランプ測定方法）に準じた測定においてスランプが０である最大水量となるように調整することが好ましい。水の量が少なすぎると適切に成形できず、また水硬性バインダーの硬化も進行しない。一方、水の量が多すぎて成形時に水がしみ出てくると、その水の処理などに特別な対応が必要になるからである。

成形工程は、型枠を用いた成形、押し出し成形、ロールプレス成形など任意の方式で行うことができるが、成形物を高密度にすると鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物は高強度化する傾向があるため、できるだけ高密度化に成形することが好ましい。このため原料と水の混合物を圧縮成形し、または加振しつつ圧縮成形することが好ましい。具体的には、ブリケット成形機、プレス成形機、押出成形機などのような圧縮成形機や、これに加振機能を持たせたものなどを用いて成形することが好ましい。
成形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、成形物の大きさも任意であるが、あまり小さいと竪型溶解炉に装入した際に炉の圧力損失を増大させ、一方、あまり大きいと竪型溶解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、一般には容積で２０〜２０００ｃｍ^３程度のサイズが好ましい。

原料と水の混合物を成形して得られた成形物は、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１〜７日間程度が好ましい。
また、鉄含有ダスト／スラッジ塊成化物としては、上述したような水硬性バインダーを用いて成形体を水和硬化させる製法以外の方法で製造されたものでもよい。

本発明で使用する竪型溶解炉とその基本的な操業形態を模式的に示す説明図 炉内装入する全鉄系スクラップ量（Ｂ）中のシュレッダー処理した鉄系スクラップ量（Ａ）の比率（Ａ／Ｂ）と、ダスト中の亜鉛濃度および操業中の送風圧力指数との関係を示すグラフ

符号の説明

１ 炉体
２ 原料装入部
３ 羽口
４ 熱風管
５ 排気ダクト
６ 集塵装置

Claims (3)

1. 竪型溶解炉において、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を製造する方法であって、
   シュレッダー処理をした鉄系スクラップを下記（1）式を満足する割合で使用することを特徴とする竪型溶解炉を用いた溶銑製造方法。
   ０．１≦Ａ／Ｂ≦０．６ …（1）
   但し、Ａ：シュレッダー処理をした鉄系スクラップ量（ton）
   Ｂ：全鉄系スクラップ量（ton）
2. 鉄系スクラップとともに、鉄含有ダストおよび／または鉄含有スラッジの塊成化物を装入することを特徴とする請求項１に記載の堅型溶解炉を用いた溶銑製造方法。
3. 発生ダストを精錬用の亜鉛原料として回収することを特徴とする請求項１または２に記載の竪型溶解炉を用いた溶銑製造方法。

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