JP2017075380A - 炭素繊維の処理方法および溶鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも簡便に炭素繊維を処理できる炭素繊維の処理方法を提供する。
【解決手段】転炉内に溶銑を装入し酸素ガスを吹き込むことで溶鋼を製造する際に、上記転炉内に炭素繊維および炭素繊維を含む廃プラスチックからなる群から選ばれる少なくとも１種を加炭材として投入して溶解させる、炭素繊維の処理方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、炭素繊維の処理方法および溶鋼の製造方法に関する。

炭素繊維は、軽く、かつ、優れた機械的な特性（高比強度、高比弾性率など）と、炭素質に由来する優れた特性（導電性、耐熱性、低熱膨張率、化学安定性、自己潤滑性、高熱伝導性など）とを併せ持つため、幅広い産業に用いられている。

特開平０６−００８２４７号公報 特開２００７−１３１４６３号公報

使用済みの、または、製造時に不良品となった炭素繊維を焼却処理する場合には、以下の問題が発生する。すなわち、炭素繊維の主成分は炭素であり可燃性であるが、木炭や石炭のようには燃えず、一般ごみの焼却炉では、燃え残りが発生する場合がある。また、燃え残りの短い繊維（フライ）は、電気集塵機において電気短絡事故の原因となる場合がある。このため、使用済みまたは不良品の炭素繊維の多くは、埋め立て処理されている。

ところで、炭素繊維は燃焼させることができればエネルギー源となるため、炭素繊維を、セメント工場でセメント製造の際の燃料として有効活用することが試みられている。
例えば、特許文献１には、廃ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）をセメント製造工程のプレヒーターに投入し、補助燃料として使用する方法が記載されている。しかし、炭素繊維を含む廃プラスチックをセメントキルンのキルンバーナに投入して処理しようとした場合、セメントキルン排気ガス集塵器において、煤塵の捕集効率の低下を引き起こすため、廃プラスチックから予め炭素繊維を除去する必要があった（特許文献２の段落［０００３］を参照）。

そこで、特許文献２には、炭素繊維を含む廃プラスチックをセメントキルンで処理する技術が記載されているが、電気集塵機での補修効率の低下を抑制するためには、廃プラスチックを平均粒径が３ｍｍ以下になるように粉砕すべきことも記載されており（特許文献２の段落［００１８］）、粉砕のための工程および設備が必要となり、煩雑である。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、従来よりも簡便に炭素繊維を処理できる炭素繊維の処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、転炉で溶鋼を製造する際に、加炭材として炭素繊維を投入することで、炭素繊維を簡便に処理できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［５］を提供する。
［１］転炉内に溶銑を装入し酸素ガスを吹き込むことで溶鋼を製造する際に、上記転炉内に炭素繊維および炭素繊維を含む廃プラスチックからなる群から選ばれる少なくとも１種を加炭材として投入して溶解させる、炭素繊維の処理方法。
［２］上記炭素繊維および上記炭素繊維を含む廃プラスチックからなる群から選ばれる少なくとも１種を、最大長さが１０ｃｍ以下となるように処理した状態で、上記転炉内に投入する、上記［１］に記載の炭素繊維の処理方法。
［３］上記炭素繊維を、袋に詰めた状態で、上記転炉内に投入する、上記［１］または［２］に記載の炭素繊維の処理方法。
［４］上記炭素繊維を、プラスチックと混合し塊状にした状態で、上記転炉内に投入する、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の炭素繊維の処理方法。
［５］転炉内に溶銑を装入し酸素ガスを吹き込むことで溶鋼を製造する溶鋼の製造方法であって、上記転炉内に炭素繊維および炭素繊維を含む廃プラスチックからなる群から選ばれる少なくとも１種を加炭材として投入して溶解させる、溶鋼の製造方法。

本発明によれば、従来よりも簡便に炭素繊維を処理できる炭素繊維の処理方法を提供することができる。

転炉の一例を示す概略図である。 押出成形機の一例を示す概略図である。 高周波誘導炉の一例を示す概略図である。 チャンバー内に設置した高周波誘導炉の一例を示す概略図である。

以下に、本発明の炭素繊維の処理方法の好適態様を説明する。この説明の中で、本発明の溶鋼の製造方法の好適態様についても併せて説明を行なう。

製鉄所において、高炉で製造された溶銑（溶融銑鉄）は、転炉で溶鋼（溶融鋼鉄）へと転換される。転炉では、溶銑に酸素ガスを吹き込む酸素吹錬が施され、炭素をはじめとする不純物が酸化物として除去される。

図１に基づいて転炉をより詳細に説明する。図１は、転炉の一例を示す概略図である。
転炉１の内部には、溶銑１２が装入される。転炉１の上部の炉口３を通るランス４からは、溶銑１２に酸素ガスが吹き込まれる。このとき、スラグ１３も形成される。なお、転炉１からは排ガス（主にＣＯガス）が発生するが、これは、炉口３を覆うダクト８を介して、図示しないガス回収装置に回収される。また、転炉１には、転炉１の側壁を貫通する出湯口７と、転炉１の炉底を貫通する底吹き羽口５とが設けられている。底吹き羽口５からは、Ａｒガスや窒素ガスなどの攪拌用ガスまたは精錬用酸素ガスが吹き込まれる。転炉１の上方には、ホッパー９およびシュート１１が配置されている。シュート１１は、ダクト８を貫通して、炉口３の直上に至る。ホッパー９からは、シュート１１を介して、転炉１の内部に、石灰石などの副原料や、後述する加炭材などを投入できる。

上述したように、転炉で溶鋼を製造する際に、転炉内の溶銑に酸素ガス等を吹き込むが、このとき、溶銑に含まれている炭素の酸化熱が発生するため、本来的には、熱量は十分であり、熱の補給は不要である。

ところで、鉄の製造量を増やしたい場合などにおいて、転炉には、鉄源として、溶銑に加えて、鉄スクラップ（図１中、符号１４で示す）を装入する場合がある。更に、二酸化炭素の排出量を削減する観点から、転炉に装入する鉄スクラップ量を増やして、溶銑の配合率を低下させることを指向した操業も試みられている。鉄スクラップ中の炭素量は、溶銑ほど多くはない。
また、転炉での処理の前処理として、溶銑中の硫黄やリンなどを除去する溶銑予備処理が施されるが、この処理によって、転炉に装入される溶銑の温度が低下する場合がある。

このため、転炉内では、溶銑に含まれている炭素の酸化熱を利用した熱量が不足する場合があり、このような場合、酸素吹錬の際に、例えば、石炭、コークス粉、黒鉛（土状黒鉛）、電極粉、ＳｉＣなどを成形したブリケットを加炭材として投入し、不足する熱量を補う。

そして、本発明においては、上述した加炭材に代えて、または、上述した加炭材と共に、炭素繊維および炭素繊維を含む廃プラスチックからなる群から選ばれる少なくとも１種（以下、便宜的に「炭素繊維等」ともいう）を加炭材として転炉内に投入する。投入された加炭材は、溶銑中に溶解し、ランスから酸素を吹き込む酸素吹錬により処理される。

本発明によれば、従来よりも簡便に炭素繊維等を処理できる。例えば、本発明においては、炭素繊維等を溶銑中に溶解させるため、例えば、炭素繊維を含む廃プラスチックについて、予め炭素繊維を除去したり、平均粒径が３ｍｍ以下となるよう粉砕したりすることなく、煩雑な前処理を経ずに、そのまま処理できる。また、本発明においては、炭素繊維等を溶銑中に溶解させることから、燃え残りの短い繊維（フライ）は発生しないか、発生しても極めて少量となるため、電気集塵機を使用する場合にも、電気短絡事故や捕集効率の低下などを回避することができる。

なお、溶鋼を製造する過程においては、鋼の成分調整のために炭素を添加する場合がある。しかし、成分調整のための炭素と比べて、本発明のように熱量を補うために酸素吹錬の際に投入される加炭材は、その添加量が異なる場合がある。
例えば、炭素を投入する対象である溶銑（溶解鉄）の量に対して、成分調整のための炭素の添加量は例えば１質量％程度である。これに対して、加炭材の添加量は、溶銑の量に対して、例えば０．５質量％以上であり、最終的に、溶銑温度、溶銑配合率に応じて、４質量％以下にすることが好ましく、２質量％以下がより好ましい。

本発明に使用される炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル樹脂から製糸、耐炎化、炭素化のプロセスを経て製造されるＰＡＮ系炭素繊維；石油・石炭ピッチから改質・精製、溶融紡糸、不融化、炭素化・黒鉛化のプロセスを経て製造されるピッチ系炭素繊維；等が挙げられる。

また、本発明に使用される炭素繊維の形状としては、例えば、多数の単繊維から構成される長繊維束であるフィラメント（撚り有りまたは撚りなし）；極めて多数のフィラメントから構成される長繊維束であるトウ；フィラメントおよび／またはトウを糸状、ひも状、布状などに成形した成形品；等が挙げられる。

本発明に使用される炭素繊維を含む廃プラスチックとしては、例えば、フィラメントおよび／またはトウを含むプラスチック製品などが挙げられる。
このような炭素繊維を含む廃プラスチックにおけるプラスチックとしては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの熱可塑性プラスチック；フェノール樹脂などの熱硬化性プラスチック；ＡＢＳ、ナイロンなどのエンジニアリングプラスチック；これらのプラスチックの混合物；等が挙げられる。

炭素繊維および炭素繊維を含む廃プラスチックについては、予め、切断、破砕などの処理を施してから転炉に投入してもよい。このとき、最大長さが１０ｃｍ以下となるように切断などの処理することが好ましく、３ｃｍ以下がより好ましい。特に、炭素繊維等が、例えばひも状または布状である場合には、切断することが特に好ましい。
炭素繊維等は、切断などの処理することでハンドリング性が向上し、ベルトコンベアー等を用いてホッパー（図１中、符号９で示す）に貯留し、転炉に投入することができる。

また、炭素繊維を使用する場合（特に、炭素繊維が成形される前の繊維状態である場合）には、炭素繊維の飛散を防止する観点から、炭素繊維を袋に詰めた状態で、転炉内に投入することが好ましい。袋は、砂糖袋などの紙袋や布袋が使用できる。

同様の理由から、炭素繊維を使用する場合には、炭素繊維をプラスチックと混合して塊状にした状態で転炉内に投入してもよい。
ここで、炭素繊維にプラスチックを加えて塊状に成形する方法の一例について説明する。図２は、押出成形機の一例を示す概略図である。
図２に示すように、押出成形機２１は、押出成形機本体２２と、押出成形機本体２２の周りに配置されたヒーター（図示せず）と、ダイス２３と、カッター２４と、を有する。押出成形機本体２２の一端の上部には、供給口２２ａが設けられている。押出成形機本体２２の他端には、ダイス２３が設けられている。ダイス２３には、複数のノズル２３ａが設けられている。ノズル２３ａの前面には、回転羽根２４ａを有するカッター２４が設置されている。
このような押出成形機２１においては、まず、供給口２２ａに炭素繊維３１とプラスチック３２とを投入し、押出成形機本体２２に内蔵されたスクリューで、ヒーターによってプラスチック３２を加熱して溶融しながら、炭素繊維３１とプラスチック３２と含む混合物を混練する。なお、プラスチック３２は、押出成形機本体２２に投入しやすいように、予め破砕してから投入することが好ましい。次いで、混合物は、ダイス２３のノズル２３ａを通過し、棒状に成形される。棒状の成形物は、対向するカッター２４の回転羽根２４ａにより切断され、円筒状の成形物（加炭材）３３が製造される。

なお、炭素繊維と混合して塊状にするためのプラスチックとしては、廃プラスチックを用いることが好ましい。近年、プラスチックの廃棄量が増加し、廃棄物の埋め立て地の確保が年々困難なっていることから、廃プラスチックの有効利用が望まれている。転炉用の加炭材として廃プラスチックを利用することは、廃プラスチックの有効利用に寄与する。
このとき、プラスチックの種類は特に限定されないが、生産量が多く、廃プラスチックとしても収集される可能性の高い、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性プラスチックおよびその混合物が好適に挙げられる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

炭素繊維の加炭材としての効果を確認するために、溶解炉を用いて鉄を溶解させて溶解鉄とし、布状の炭素繊維（トウ）を投入して、溶解鉄における炭素繊維を投入する前の炭素含有量と、炭素繊維を投入した後の炭素含有量とから、加炭量を求めた。なお、炭素含有量は、蛍光Ｘ線分析法を用いて測定した。

溶解炉として高周波誘導炉を使用した。図３は、高周波誘導炉の一例を示す概略図である。図３に示すように、高周波誘導炉４１の内部にはルツボ４２が設置されている。ルツボ４２に、電解鉄１０ｋｇおよび銑鉄１０ｋｇを投入し、１５００℃まで加熱して溶解鉄４３とした。ここで、電解鉄とは、鉄塩水溶液の電解によって得られる純鉄であり、通常、炭素含有量は０．００５質量％以下である。一方、銑鉄とは、高炉において、主として鉄鉱石をコークスにより還元することで生産される鉄である。今回使用した銑鉄における炭素含有量は４．３質量％であった。
次いで、布状である炭素繊維（トウ）を、最大長さが３０ｍｍ程度になるように切断してから、ルツボ４２に投入した。炭素繊維（トウ）の工業分析により固定炭素は９９質量％であった。
ここで、溶解鉄４３に炭素繊維を投入しなかった例を実験例１とし、１００ｇの炭素繊維を投入した例を実験例２とし、２００ｇの炭素繊維を投入した例を実験例３とした。
各実験例について、炭素繊維を投下した後における溶解鉄４３の炭素含有量と、投入した炭素の歩留とを求めた。結果を下記表１に示す。

上記第１表に示すように、炭素繊維を投入しなかった実験例１の炭素含有量は２．２％であった。炭素繊維１００ｇおよび２００ｇを投入した実験例２および３では、いずれも炭素歩留が９５質量％以上であり、投入した炭素繊維が加炭材として溶解鉄４３に留まっていることを示している。これは、炭素繊維を加炭材として投入した後に酸素吹錬を経て、溶銑（溶鋼）を温度上昇させる効果が得られることを示している。

なお、実験例２および３において、溶解鉄４３に対する炭素繊維の投入量は、それぞれ、０．５質量％および１質量％である。上述したように、実際には、加炭材の添加量は、溶銑の量に対して、例えば０．５質量％以上であり、最終的に、溶銑温度、溶銑配合率に応じて、４質量％以下にすることが好ましく、２質量％以下がより好ましい。

次に、図４に示すように、上述した高周波誘導炉４１を、給気配管４５および排気配管４６を有するチャンバー４４の中に配置して、溶解鉄４３に炭素繊維を投入した後の排気を、排気配管４６から回収して水中に吹き込んだ。吹き込みした後の水を、ろ紙を用いてろ過し、水中の浮遊物および浮上物を顕微鏡で観察したところ、炭素繊維は確認できなかった。これは、例えばバーナー火炎による直接的な燃焼処理では発生し得る燃え残りの短い繊維（フライ）が、炭素繊維を溶解鉄に投入した場合には発生しなかったか、または、極めて少量であったからである。すなわち、本発明によれば、電気集塵機を使用した場合に、電気短絡事故が発生する可能性が極めて少ないことを示している。

１：転炉
３：炉口
４：ランス
５：底吹き羽口
７：出湯口
８：ダクト
９：ホッパー
１１：シュート
１２：溶銑
１３：スラグ
２１：押出成形機
２２：押出成形機本体
２３：ダイス
２４：カッター
２２ａ：供給口
２３ａ：ノズル
２４ａ：回転羽根
３１：炭素繊維
３２：プラスチック
３３：成形物（加炭材）
４１：高周波誘導炉
４２：ルツボ
４３：溶解鉄
４４：チャンバー
４５：給気配管
４６：排気配管

Claims (5)

1. 転炉内に溶銑を装入し酸素ガスを吹き込むことで溶鋼を製造する際に、前記転炉内に炭素繊維および炭素繊維を含む廃プラスチックからなる群から選ばれる少なくとも１種を加炭材として投入して溶解させる、炭素繊維の処理方法。
2. 前記炭素繊維および前記炭素繊維を含む廃プラスチックからなる群から選ばれる少なくとも１種を、最大長さが１０ｃｍ以下となるように処理した状態で、前記転炉内に投入する、請求項１に記載の炭素繊維の処理方法。
3. 前記炭素繊維を、袋に詰めた状態で、前記転炉内に投入する、請求項１または２に記載の炭素繊維の処理方法。
4. 前記炭素繊維を、プラスチックと混合し塊状にした状態で、前記転炉内に投入する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素繊維の処理方法。
5. 転炉内に溶銑を装入し酸素ガスを吹き込むことで溶鋼を製造する溶鋼の製造方法であって、前記転炉内に炭素繊維および炭素繊維を含む廃プラスチックからなる群から選ばれる少なくとも１種を加炭材として投入して溶解させる、溶鋼の製造方法。