JP2020079439A - 溶融炉におけるメタル含有物の処理方法およびその設備 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融メタルと溶融スラブとの分離を促進させることができる、安全で且つ作業負担の低減された溶融炉におけるメタル含有物の処理方法と、かかる方法に用いられるシンプルでメンテナンス性やハンドリング性に優れたメタル含有物溶融処理設備とを提供する。【解決手段】溶融炉(１２)内に投入したメタル含有物を加熱により溶融すると共に上記の溶融炉(１２)内にて溶融スラグ層とその下の溶融メタル層とに分離させた溶融物(１４)を、上記の溶融炉(１２)の下部に設けられた排出口(１２ａ)より抜き出す。上記の排出口(１２ａ)より抜き出した上記の溶融物(１４)を、階段状に配置された複数の鋳型(１８)の最上段に注湯すると共に、オーバーフローする上記の溶融物(１４)を重力に従って順次下側の鋳型(１８)へと注湯して行く。【選択図】図１

Description

本発明は、メタルを含む産業廃棄物などのメタル含有物を溶融処理してメタルを回収する溶融炉におけるメタルの処理方法と、かかる方法に用いるメタル含有物溶融処理設備とに関する。

元来、メタル(金属)を含むスラッジやダストなどのメタル含有物は、その大部分が埋め立て処理されていたが、これらのメタル含有物を溶融してメタルを回収し、回収されたメタルを製鋼原料として使用すると共に、メタルを除く成分は溶融スラグとして高品質路盤材の原料などに再利用する技術が開発されている。
この種の技術として、例えば下記の特許文献１(日本国・特許第３１２２０１５号公報)に記載されたものがある。その従来技術は、次のように構成されている。
炉内に電極を有する電気抵抗式溶融炉の高さ方向中間部の炉壁に溶融スラグの出滓口を設け、前記溶融炉の底面近くの炉壁に溶融メタルの排出口を設ける。電気抵抗加熱により前記溶融炉に投入した焼却灰を溶融し、その焼却灰層内を貫通して前記焼却灰の溶融スラグに電極を挿入し、前記焼却灰を溶融スラグと溶融メタルとに分離して溶融スラグ層およびその下の溶融メタル層を形成し、前記溶融スラグを前記スラグ出滓口から、前記溶融メタルは前記メタル排出口からそれぞれ別々に出湯する。前記スラグ出滓口の外側に複数の鋳型を有する搬送コンベアを設け、前記鋳型の各々に前記スラグ出滓口から出湯した溶融スラグを順次注入して鋳込むと共に、前記メタル排出口の外側に耐火物製の樋を設け、前記メタル排出口から出湯した溶融メタルを前記樋を介して前記鋳型に順次注入することにより、メタルをスラグと同一の鋳型によって鋳込むことを特徴とする。

かかる従来技術によれば、スラグ搬送コンベアで搬送される鋳型内のスラグの一部を凝固させてから溶融メタルを注入することにより前記鋳型を損傷させることなく、メタルとスラグとを同じ鋳型に同時に鋳込むことができる。その結果、従来のメタル搬送コンベアの設置を不要とすることができるので、設備投資額を大幅に減少することができ、工業上有用な効果をもたらすとされている。

特許第３１２２０１５号公報

しかしながら、上記の従来技術には次の問題がある。
メタルとスラグとを同じ鋳型に同時に鋳込んだ場合、溶融スラグと溶融メタルとの混合物が多く発生するようになる。このため、メタルとスラグとを分別するためには、後に粉砕〜磁選といった作業負担がかかると共に、このような粉砕〜磁選を行ったとしても固化したメタルとスラグとをきれいに分離させるのは困難であり、メタルおよびスラグそれぞれの回収率を上げることができないという問題がある。
また、従来のメタル搬送コンベアの設置が不要になったとしても、溶融メタルの排出路と溶融スラグの出滓路とをそれぞれ別個に設ける必要があるのに加え、依然として鋳型の搬送に専用のコンベアの設置が必要であることから、メタル含有物溶融処理設備が複雑でメンテナンス性も劣るものになるという問題もある。
それゆえに、本発明の目的は、溶融メタルと溶融スラグとの分離を促進させることができる、安全で且つ作業負担の低減された溶融炉におけるメタル含有物の処理方法と、かかる方法に用いられるシンプルでメンテナンス性やハンドリング性に優れたメタル含有物溶融処理設備とを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明は、例えば、図１から図３に示すように、溶融炉におけるメタル含有物の処理方法を次のように構成した。
すなわち、溶融炉１２内に投入したメタル含有物を加熱により溶融すると共に上記の溶融炉１２内にて溶融スラグ層とその下の溶融メタル層とに分離させた溶融物１４を、上記の溶融炉１２の下部に設けられた排出口１２ａより抜き出す。上記の排出口１２ａより抜き出した上記の溶融物１４を、階段状に配置された複数の鋳型１８の最上段に注入すると共に、オーバーフローする上記の溶融物１４を重力に従って順次下側の鋳型１８へと注入して行く。

この発明では、溶融炉１２内で２層分離した溶融物１４を、溶融炉１２の下部に設けられた排出口１２ａより抜き出すと、先ず始めに比較的低温で高比重の溶融メタルが吐出された後、比較的高温で低比重の溶融スラグが吐出されるようになる。このため、階段状に配置された鋳型１８の上段側では、オーバーフローを繰り返しながら、上から順に鋳型１８内が溶融メタルで満たされた後、溶融スラグが流入するようになる。ここで、先に溶融メタルが満たされた鋳型１８内に後から溶融スラグが流入すると、鋳型１８内では溶融メタルと溶融スラグとの比重差による比重分離が発生する。この際、上熱気味の溶融炉１２内での溶融物１４の温度勾配により、溶融物１４は流湯するほど溶融物１４の温度が高まるようになる。このため、鋳型１８内では凝固によって上記の比重分離が阻害されることなく、鋳型１８内に後から流入して来た溶融スラグが選択的に浮上して下流側へとオーバーフローして行く。その結果、溶融物１４中のメタル分とスラグ分とを好適に且つ簡単な作業で安全に分離させることができる。

本発明においては、上記の排出口１２ａより抜き出した前記の溶融物１４を、樋１６で受けて整流すると共に、その樋１６の先端に設けられた溶湯吐出口１６ｂより流速を落としつつ真下へ落下させ、前記の最上段の鋳型１８に注湯するのが好ましい。
この場合、上述した溶融メタルと溶融スラグとの比重分離をより一層効率的に行うことができるようになる。

また、第２の発明にかかるメタル含有物溶融処理設備は、上述した溶融炉におけるメタル含有物の処理方法を実行するための装置であって、例えば、図１から図３に示すように、当該装置を次のように構成した。
炉内に投入したメタル含有物を加熱により溶融し、得られた溶融物１４をその下部に設けられた排出口１２ａより抜き出す溶融炉１２と、その後端が上記の排出口１２ａに連設され、当該排出口１２ａより抜き出された上記の溶融物１４を一旦溜めて整流する樋本体１６ａ、および、その樋本体１６ａの先端側にて下向きに開口された溶湯吐出口１６ｂに装着され、内部に下方へ向けて縮径するテーパー状の流路が形成された円筒ブロック２０を有する樋１６と、上記の溶融物１４を収容する鋳型本体２２、および、その鋳型本体２２からオーバーフローする上記の溶融物１４の流れを案内する鋳型樋口部２４からなる鋳型１８であって、オーバーフローする上記の溶融物１４が階段状に鋳型本体２２内へと注湯されるよう上下に複数配設されると共に、最上段のものが上記の溶湯吐出口１６ｂの直下に配設される鋳型１８とを備えることを特徴とする。

本発明においては、上記の鋳型１８が、その内部底面とこれに隣接する内部側面とのなす角θが１００°〜１３５°であって、水平方向の内部断面積が上面開口へ向けて拡大するテーパー状に形成されるのが好ましい。
この場合、鋳型１８内で溶融メタルや溶融スラグを冷却させて得た鋳造凝固物を、当該鋳型１８から簡単に抜き出すことができるようになる。

さらに、本発明は、後述する実施形態に記載された特有の構成を付加することが好ましい。

本発明によれば、階段状に配置した鋳型に溶融物をオーバーフローさせながら流すだけで溶融メタルと溶融スラブとの分離を促進させることができる、安全で且つ作業負担の低減された溶融炉におけるメタル含有物の処理方法と、かかる方法に用いられるシンプルでメンテナンス性やハンドリング性に優れたメタル含有物溶融処理設備とを提供することができる。

本発明の廃棄物溶融処理設備一例を表す概略図で、図１Ａは平面図、図１Ｂは正面図である。 本発明の廃棄物溶融処理設備における樋の一例を示す図で、図２Ａはその正面視部分断面図、図２Ｂは図２ＡにおけるＸ矢視図である。 本発明の廃棄物溶融処理設備における鋳型の一例を示す図で、(ａ)は正面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は平面図、（ｄ）は底面図、（ｅ）は右側面図、（ｆ）は左側面図、（ｇ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図、（ｈ）は（ｆ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明の溶融炉におけるメタルの処理方法と、かかる方法に用いる廃棄物溶融処理設備について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の廃棄物溶融処理設備１０の一例を表す概略図で、図１Ａはその平面図を表わし、図１Ｂはその正面図を表わす。これらの図が示すように、本発明の廃棄物溶融処理設備１０は、溶融炉１２と、樋１６と、鋳型１８とで大略構成される。
なお、本明細書においては、各部位に付される符号に関し、各部位を上位概念で示す場合にはアルファベットの枝番をつけずアラビア数字のみで示し、各部位を区別する必要がある場合（すなわち下位概念で示す場合）にはアルファベット小文字の枝番をアラビア数字に付して区別する。

溶融炉１２は、メタルを含むスラッジやダストなどのメタル含有物に、必要に応じてコークスや石灰石などを加え、電気抵抗加熱により上記のメタル含有物を溶融して保持する炉であり、サブマージドアーク炉(強還元型電気炉)などがこれに該当する。この溶融炉１２の下部(図示実施態様では、下部の側壁)には、炉内で調製した溶融物１４を炉内から抜き出すための排出口１２ａが設けられる。
なお、この溶融炉１２は、炉内の電極(図示せず)に交流電圧をかけてメタル含有物を溶融し、溶融スラグを抵抗体にしてその抵抗熱(ジュール熱)により、順次投入されるメタル含有物を溶融するものであり、炉内で溶融された溶融物１４、すなわち溶融メタルおよび溶融スラグは、比重差によって溶融スラグ層とその下の溶融メタル層とに分離された状態で炉内にて保持される。また、この溶融炉１２では、炉内が上熱気味になることから溶融メタル層は比較的低温であるのに対し、溶融スラグ層は比較的高温となる。

樋１６は、溶融炉１２の排出口１２ａから抜き出される溶融物１４を、後述する鋳型１８の最上段のものへと案内するための部材で、その後端が上記の排出口１２ａに連設され、当該排出口１２ａより抜き出された溶融物１４を一旦溜めて整流する樋本体１６ａを有する(図１Ｂおよび図２Ａ参照)。この樋本体１６ａは上面が開口された長箱状の容器体で、鋼鉄などからなる樋外枠２６と、その樋外枠２６の内面に設けられた黒鉛質のブロックからなる耐火物層２８とで構成される。また、この樋本体１６ａの先端側には、下向きに開口する溶湯吐出口１６ｂが穿設されると共に、この溶湯吐出口１６ｂには、黒鉛で構成され、その内部に下方へ向けて縮径するテーパー状の流路２０ａが形成された円筒ブロック２０が装着されている(図２ＡおよびＢ参照)。溶湯吐出口１６ｂにこのような円筒ブロック２０を装着することによって、溶湯吐出口１６ｂから吐出される溶融物１４の流速を落としつつ真下へと落下させることができるようになる。

鋳型１８は、溶融炉１２より抜き出された溶融物１４を流し込んで所定の形状にて固化させるための型であり、図１に示すように、溶融炉１２の近傍にて堀設されたピット３０内にて階段状に複数(図１の実施形態では６台)配設され、上の鋳型１８からオーバーフローした溶融物１４が順次下側のものへと流下して行くようになっている。なお、図１中の符号３２は、ピット３０内へ出入りするための階段である。
図１で示す実施形態では、ピット３０内にて階段状に配設された鋳型１８のうち、上側の３段は溶融メタルを鋳込むための鋳型１８ａ〜１８ｃが配設され、下側の３段は溶融スラグを鋳込むための鋳型１８ｄ〜ｆが配設されている。

以上のように配設される鋳型１８のうち、特に溶融メタルを鋳込むための鋳型１８ａ〜１８ｃを中心にその構造を説明すると、この鋳型１８は、図３に示すように、上面が開口した逆四角錘台状の鋳型本体２２を有する。鋳型本体２２は、鋼鉄などからなる型外枠３４と、その型外枠３４の内面に設けられた不定形耐火物などからなる５０ｍｍ〜８５ｍｍ厚程度の耐火物層３６とで構成される。この鋳型本体２２の底部には、図示しないフォークリフトの爪が挿入される左右一対のフォーク差込部３８が、そのフォーク差込方向が互いに直交するように上下方向に２段設けられている。また、鋳型本体２２の外周面上部の四隅には、玉掛け用のフック４０が取付けられている。
ここで、この鋳型本体２２は、その内部底面とこれに隣接する内部側面とのなす角θが１００°〜１３５°の範囲で形成されており(図３(ｇ)および(ｈ)参照)、水平方向の内部断面積が上面の開口側へ向けて拡大するテーパー状に形成される。かかる構成により、鋳型１８内で溶融物１４を冷却させて得た鋳造凝固物を、当該鋳型１８から簡単に抜き出すことができるようになっている。
そして、この鋳型本体２２の上端部には、鋳型本体２２からオーバーフローする溶融物１４の流れを案内する、つまり、鋳型本体２２内からオーバーフローする溶融物１４の流出経路となる鋳型樋口部２４が１カ所設けられている。

なお、上述の鋳型１８の説明では、溶融メタルを鋳込むための鋳型１８ａ〜１８ｃを中心に行ってきたが、溶融スラグを鋳込むための鋳型１８ｄ〜１８ｆについても、鋳型本体２２のサイズや耐火物層３６を構成する材料や厚さなどに若干の違いはあるものの、基本的には溶融メタルを鋳込むための鋳型１８ａ〜１８ｃと同様の構造である。
また、上述の説明では、鋳型本体２２の形状を上面が開口した逆四角錘台状のものとしたが、この鋳型本体２２の形状は、水平方向の内部断面積が上面開口へ向けて拡大するテーパー状に形成されるものであれば如何なる形状であってもよく、例えば、逆円錐台状などでもよい。

以上のように構成されたメタル含有物溶融処理設備１０を用いてメタル含有物からメタルと溶融スラグとを回収する、すなわち、本発明のメタル含有物の処理方法を実行する際には、先ず始めに、溶融炉１２内で電気抵抗加熱によって上記のメタル含有物を溶融して溶融物１４を得る。この溶融物１４は溶融炉１２内で比重差による分離が促進され、溶融スラグ層とその下の溶融メタル層とに分離した状態で溶融炉１２内にて保持される。ここで、溶融炉１２内は上熱気味になっていることから、溶融メタル層は比較的低温であり、溶融スラグ層は比較的高温となっている。
そして、その溶融物１４は、溶融炉１２の下部に設けられた排出口１２ａを開口することによって当該排出口１２ａから抜き出され、樋１６へと供給される。その際、排出口１２ａからは、先に比較的低温で高比重の溶融メタルが吐出された後、比較的高温で低比重の溶融スラグが吐出される。

排出口１２ａから抜き出される溶融物１４は、その原料となるメタル含有物の種類(組成)や量などによって、排出口１２ａから吐出される際の勢いや流速が異なる。このため、樋１６では、排出口１２ａから抜き出された溶融物１４の流れが整流されると共に、整流された溶融物１４は、その先端に設けられた溶湯吐出口１６ｂより、流速を落としつつ真下へと落下して最上段の鋳型１８ａへと注湯される。

樋１６より鋳型１８へと注湯される溶融物１４は、重力に従ってそれぞれの鋳型１８をオーバーフローしながら自動的に最上段の鋳型１８ａから最下段の鋳型１８ｆまで流れ続ける。その際、鋳型１８内では、溶融メタルと溶融スラグとの比重差による比重分離が行われるが、上述したように、溶融炉１２内での溶融物１４の温度勾配により、溶融物１４は流湯するほど溶融物１４の出湯温度が高まるようになる。このため、鋳型１８内では凝固によって上記の比重分離が阻害されることなく、鋳型１８内に後から流入して来た溶融スラグが選択的に浮上して下流側へとオーバーフローして行く。その結果、溶融物１４中のメタル分とスラグ分とを効率よく分離させることができる。
また、溶融物１４は重力に従って自動的に下側の鋳型１８へとオーバーフローして行くので、従来のように作業員が溶融物１４を一旦取鍋で受け、その取鍋を傾動させて鋳型へ注湯する方法とは異なり、鋳型１８へ溶融物１４を注湯する際のスプラッシュ飛散の危険性を著しく低減させることができる。

以上のようにオーバーフローならびに比重分離を繰り返しながら各鋳型１８へと注湯された溶融物１４は、冷却・固化した後、鋳型１８から抜き取られ、メタル分として回収された物は製鋼原料として使用される。

ここで、特に溶融メタルを鋳込むための鋳型１８ａ〜１８ｃに関しては、１回の使用ごとに、鋳型本体２２内の耐火物層３６の保護と鋳造したメタル分の剥離性向上のため、石灰乳やＭｇＯ系のモルタル乳を吹き付けて保護層を形成しながら使用するのが好ましい。

なお、上述の実施形態では、所定の樋１６を介して鋳型１８に溶融物１４を注湯する場合を示したが、かかる樋１６が不要な場合には、溶融炉１２の排出口１２ａから直接、鋳型１８に溶融物１４を注湯するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、鋳型１８として上から順に３台のメタル回収用の鋳型１８ａ〜１８ｃと３台のスラグ回収用の鋳型１８ｄ〜１８ｆとを階段状に配置する場合を示しているが、この鋳型１８の構成は、オーバーフローする溶融物１４が階段状に鋳型本体２２内へと注湯されるよう上下に複数配設されるのであれば如何なるものであってもよく、溶融物１４の原料となる産業廃棄物の種類(組成)や量などに応じて、適宜変更可能である。

さらに、上述の実施形態では、メタル含有物を電気抵抗加熱により溶融して溶融物１４を得る場合を示しているが、溶融物１４を得るためのメタル含有物の加熱方法は、これに限定されるものではなく、例えば、高周波アーク状放電などの他の公知の方法を用いることもできる。

また、本発明は、当業者が想定できる範囲でその他の変更を行えることは勿論である。

１０：廃棄物溶融処理設備，１２：溶融炉，１２ａ：排出口，１４：溶融物，１６：樋，１６ａ：樋本体，１６ｂ：溶湯吐出口，１８：鋳型，２０：円筒ブロック，２２：鋳型本体，２４：鋳型樋口部．

Claims (4)

1. 溶融炉内に投入したメタル含有物を加熱により溶融すると共に上記の溶融炉内にて溶融スラグ層とその下の溶融メタル層とに分離させた溶融物を、上記の溶融炉の下部に設けられた排出口より抜き出し、
   上記の排出口より抜き出した上記の溶融物を、階段状に配置された複数の鋳型の最上段に注湯すると共に、オーバーフローする上記の溶融物を重力に従って順次下側の鋳型へと注湯して行く、
   ことを特徴とする溶融炉におけるメタル含有物の処理方法。
2. 請求項１の溶融炉におけるメタルの処理方法において、
   前記の排出口より抜き出した前記の溶融物を、樋で受けて整流すると共に、その樋の先端に設けられた溶湯吐出口より流速を落としつつ真下へ落下させ、前記の最上段の鋳型に注湯する、ことを特徴とする溶融炉におけるメタルの処理方法。
3. 炉内に投入したメタル含有物を加熱により溶融し、得られた溶融物をその下部に設けられた排出口より抜き出す溶融炉と、
   その後端が上記の排出口に連設され、当該排出口より抜き出された上記の溶融物を一旦溜めて整流する樋本体、および、その樋本体の先端側にて下向きに開口された溶湯吐出口に装着され、内部に下方へ向けて縮径するテーパー状の流路が形成された円筒ブロックを有する樋と、
   上記の溶融物を収容する鋳型本体、および、その鋳型本体からオーバーフローする上記の溶融物の流れを案内する鋳型樋口部からなる鋳型であって、オーバーフローする上記の溶融物が階段状に鋳型本体内へと注湯されるよう上下に複数配設されると共に、最上段のものが上記の溶湯吐出口の直下に配設される鋳型とを備える、
   ことを特徴とするメタル含有物溶融処理設備。
4. 請求項３のメタル含有物溶融処理設備において、
   前記の鋳型は、その内部底面とこれに隣接する内部側面とのなす角が１００°〜１３５°であって、水平方向の内部断面積が上面開口へ向けて拡大するテーパー状に形成されている、ことを特徴とするメタル含有物溶融処理設備。