JP4704061B2 - 製鋼ダストの固形化物およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、溶解炉等による鉄鋼生成過程で生じるダストを製鋼原料として再利用する製鋼ダスト固形化物およびその製造方法に関する。

鉄鋼生成過程、例えば溶鉱炉では、吹き上げられた微細粒子状の鉄および酸化鉄がダストとして集塵機で回収されている。このダスト（以下「製鋼ダスト」と称す）は、鉄および酸化鉄を主成分とするため、再利用することが望ましい。しかしこの製鋼ダストは微細粉体であるため、そのまま溶解炉に投入すると、飛散しながら舞い上がり、その大半は集塵機に再び回収されてしまい、再利用効率が著しく低い。そのため、従来は埋め立て処分されることが多かったが、国内の製鋼ダストの発生量は年間数十万トンにも達しており、埋め立て処分では資源の有効利用の観点のみならず、不足する埋め立て地の問題や環境悪化の観点から見ても好ましくない。

このため、製鋼ダストの再利用について様々な方法が試みられている。例を挙げると、特許文献１には、直径２〜１５ｍｍ程度のダストペレットを作り、電炉に装入することで酸化鉄を溶銑中に回収する方法が例示されている。
特許文献２には、製鋼ダストをブリケットに成形するため熱可塑性プラスチックを添加する方法が例示され、特許文献３には研削スラッジや製鋼ダスト、あるいはこれらに炭素材料を含ませたものをブリケットに成形するために固形化補助剤を添加する方法がそれぞれ例示されている。
特開平１１−１５２５１１号公報 特開平０９−３１６５１２号公報 特開２００２−１９４４４９号公報

特許文献１のペレットを作る方法は、ペレット化する分、回収粉体より電炉へ装入する処理などのハンドリングは容易であるが、寸法的に比較的小さなペレットであるため、電炉への装入効率には問題がある。また、単に製鋼ダストのみを再装入する場合には、使用する電力等が増大するといった問題もある。
特許文献２、特許文献３の添加物を入れる方法は、いずれも強固なブリケットを製造するために有効な手段であるが、プラスチックやバインダーとなる添加物を加えることからその工程は複雑となり、コストが高くなる欠点がある。また、添加物が環境負荷原因となることからも好ましくない。

この発明の目的は、溶解炉等による鉄鋼生成過程で生じる鉄およびその酸化物を主成分とするダストを、成形型に入れて加圧成形して固形化する製鋼ダスト固形化物において、バインダー等の添加物を加えることなく、実用上十分な強度を持つ製鋼ダスト固形化物を低コストで製造することのできる製鋼ダスト固形化物、およびその製造方法を提供することである。

この発明の製鋼ダスト固形化物は、鉄鋼生成過程で生じる鉄およびその酸化物を主成分とするダストを、成形型に入れて加圧成形した固形化物であって、前記成形型に入れる原料を、前記製鋼ダストと、炭素を主成分とする粉体とを混合したものとし、前記原料にバインダを加えず、上記炭素を主成分とする粉体の量が、原料の２〜２５ｗｔ％であり、固形化物の見掛け密度が完全乾燥状態で、１．８〜３．３ｇ／cm ³ であることを特徴とする。固形化物は、ブリケット程度の大きさとすることが好ましい。

この発明の製鋼ダスト固形化物の製造方法は、鉄鋼生成過程で生じる鉄およびその酸化物を主成分とするダストを、成形型に入れ加圧成形して固形化することにより、その固形化物である製鋼ダスト固形化物を製造する方法であって、前記成形型に入れる原料を、前記製鋼ダストと、炭素を主成分とする粉体とを混合したものとし、前記原料にバインダを加えず、上記炭素を主成分とする粉体の量を、原料の２〜２５ｗｔ％とし、固形化物の見掛け密度が完全乾燥状態で、１．８〜３．３ｇ／cm ³ とすることを特徴とする。

電炉等のリサイクルに使用する製鋼ダストのブリケットに炭素粉体等の炭素材料を添加することは、電炉の熱効率を向上させるために極めて重要である。その理由は、添加された炭素粉体が製鋼ダストの還元を行いつつ自然燃焼して発熱するので、外部からのエネルギー投入を削減でき炉の熱効率が大きく改善されるからである。したがって、炭素粉体を添加したブリケットは製鋼ダストのリサイクルに有効な手段となり得る。そこで、本発明者は、様々な調査、実験検証を進めた結果、添加する炭素粉体量を、製鋼ダストと炭素粉体の混合粉体の４０ｗｔ％以下とすることで、高い成形密度が得られることを見出した。このように、製鋼ダストと、炭素を主成分とする粉体とを混合して成形する際に、添加する炭素を主成分とする粉体の添加量を混合粉体の１〜４０ｗｔ％とすることで、特にバインダー等の強化剤を使用しなくても、実用上、十分な強度の製鋼ダスト固形化物が得られる。

前記固形化物の見掛け密度が完全乾燥状態で、１．８〜３．３ｇ／cm³ である。
炭素を主成分とする粉体の添加量と固形化可能な成形圧力を考慮すると、製鋼ダスト固形化物の見掛け密度が完全乾燥状態で１．８〜３．３ｇ／cm³ のとき、ハンドリング可能な強度を維持できる。
また、炭素を主成分とする粉体は炭素粉体またはグラファイトであっても良い。

この発明の製鋼ダスト固形化物は、鉄鋼生成過程で生じる鉄およびその酸化物を主成分とするダストを、成形型に入れて加圧成形した固形化物であって、前記成形型に入れる原料を、前記製鋼ダストと、炭素を主成分とする粉体とを混合したものとし、前記原料にバインダを加えず、上記炭素を主成分とする粉体の量を、原料の２〜２５ｗｔ％とし、固形化物の見掛け密度が完全乾燥状態で、１．８〜３．３ｇ／cm ³ であるため、バインダー等の添加物を加えることなく、実用上十分な強度を持つ製鋼ダスト固形化物となる。
この発明の製鋼ダスト固形化物の製造方法は、鉄鋼生成過程で生じる鉄およびその酸化物を主成分とするダストを、成形型に入れ加圧成形して固形化することにより、その固形化物である製鋼ダスト固形化物を製造する方法であって、前記成形型に入れる原料を、前記製鋼ダストと、炭素を主成分とする粉体とを混合したものとし、前記原料にバインダを加えず、上記炭素を主成分とする粉体の量を、原料の２〜２５ｗｔ％とし、固形化物の見掛け密度が完全乾燥状態で、１．８〜３．３ｇ／cm ³ としたため、バインダー等の添加物を加えることなく、実用上十分な強度を持つ製鋼ダスト固形化物を低コストで製造することができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１において、溶解炉１で生じた製鋼ダストは、排気ガスと共に排気ダクト２から集塵機３に導入され、排気ガス中の製鋼ダスト９が集塵機３で集塵されて粉体となって排出される。この製鋼ダスト９は、鉄およびその酸化物を主成分とするものである。集塵機３から排出された製鋼ダスト９は、製鋼ダスト固形化物製造装置４におけるホッパ５に投入される。このホッパ５には、製鋼ダスト９の供給経路とは別に、炭素を主成分とする粉体１０が供給され、これら製鋼ダスト９と粉体１０とがホッパ５内で混合されて混合粉体１１とされる。

ホッパ５は分配供給手段（図示せず）を有していて、製鋼ダスト９と炭素を主成分とする粉体１０との混合粉体１１が、製鋼ダスト固形化物製造装置４の複数並設された固形化機構部６に分配して投入される。固形化機構部６は、原料となる前記混合粉体１１をブリケット状の製鋼ダスト固形化物（以下「ブリケット」と称す）Ｂに固形化する機構であり、成形型７を備える。
ホッパ５または固形化機構部６には、ホッパ５から供給される混合粉体１１を成形型７内に強制的に充填する強制充填機構２０が設けられている。固形化機構部６は、図２に拡大して示すように、ホッパ５から投入される混合粉体１１を加圧成形する成形型７と、この成形型７に加圧成形のための圧力を付与する加圧手段８とを有する。

成形型７は、縦向きのシリンダ室状であって、前記混合粉体１１を横断面形状が円形の柱状体（つまり円柱状体）に成形可能な形状とされている。成形型７は、具体的には、円筒状のダイ７ａと、このダイ７ａの下端開口に挿入されたプランジャ状の蓋体１２Ａとで構成される。蓋体１２Ａは、駆動源を有する蓋開閉機構（図示せず）によって開閉させられる。蓋体１２Ａは、成形型７内に入らずに、一端で密封するものであっても良い。

加圧手段８は、成形型７内に上方から進入して成形型７内の混合粉体１１を加圧する昇降自在なプランジャ１２と、このプランジャ１２を昇降駆動する加圧装置１３とからなる。加圧装置１３は、例えば油圧シリンダからなり、その駆動が加圧装置制御手段（図示せず）によって制御される。加圧装置１３は、油圧シリンダの他に、モータとその回転を直線運動に変換するボールねじ等の回転・直線運動変換機構（いずれも図示せず）であっても良い。

この構成の製造ダスト固形化物製造装置４（図１）を用いてブリケット（製鋼ダスト固形化物）Ｂを製造する方法、およびその製造されたブリケットＢの利用方法を説明する。溶解炉１で生じて集塵機３から粉体となって排出された製鋼ダスト９は、ホッパ５に投入され、別経路でホッパ５内に供給される炭素を主成分とする粉体１０とホッパ５内で混合される。製鋼ダスト９は鉄およびその酸化物を主成分とするものである。炭素を主成分とする粉体１０の量は、前記成形原料である混合粉体１１の１〜４０ｗｔ％とされる。ホッパ５内の成形原料１１は、固形化機構部６の成形型７内に供給される。

固形化機構部６においては、ホッパ５から成形型７に、製鋼ダスト９と、炭素を主成分とする粉体１０とを混合してなる混合体１１が所定量投入され、その後に加圧装置１３の駆動でプランジャ１２が成形型７内に進入する。この状態で成形型７内の混合粉体１１に所定の圧力が加えられる。この場合に、加圧断面積（つまりプランジャ１２の断面積）ｘ（mm² ）に対する成形圧力Ｐ（ＭＰａ）は、設定範囲となるように付与される。このようにして製造されたブリケットＢは、図３に示すように外形が円柱体状となる。

図１において、固形化機構部６で固形化されたブリケットＢは回収容器（図示せず）に集められて、溶解炉１の原料投入時に、他の原料と共に溶解炉１に投入され、製鋼原料として再利用される。溶解炉１に投入される原料は、例えば主原料が高炉より得られた溶銑であり、この他に鉄くず、生石灰などが副原料として用いられる。

この実施形態のブリケットＢの製造方法によると、成形型７に入れる原料１１を、製鋼ダスト９と、炭素を主成分とする粉体１０とを混合したものとし、炭素を主成分とする粉体１０の量を、原料１１の１〜４０ｗｔ％として加圧成形を行うため、バインダー等を添加することなく実用上十分な強度を持つブリケットＢを製造することができる。その理由を説明する。

ブリケットＢの固形化において、バインダー等の成形体強度を向上させる添加剤を使用しない場合、ブリケットＢの固形化の作用は、加圧成形時に引き起こされる粉体粒子の再配列や接触による付着力によって発現する。これに対して、炭素粉体等の炭素を主成分とする材料が混合される場合には、炭素粉体表面の活性が低いことから、粉体同士の付着力によるブリケット強度が低下する可能性がある。したがって、バインダー添加によりバインダーの接着強度を利用して、ブリケット強度を強化することは効果的ではあるが、本件ではあくまでバインダーを使用しない簡便かつ安価な方法を追求するものであり、供される原料粉体にできるだけ手を加えることなく実用上十分なブリケット強度を得る必要がある。

そこで、炭素粉体等が添加された製鋼ダストについて、様々な調査，実験検証を進めた結果、添加する炭素粉体量を、製鋼ダストと炭素粉体の混合粉体の４０ｗｔ％以下とすることで、特にバインダー等の強化剤を使用しなくても、実用上十分なブリケット強度が得られることを明らかにしたものである。

本発明者は、前記混合粉体の成形性を調査するため、図４に示す円筒状のダイ２１Ａおよび蓋体となる下プランジャ２１Ｃからなる金型である成形型２１、および加圧用のプランジャ２１Ｂを用いて、以下のような固形化実験を行った。なお、図４におけるダイ２１Ａ、下プランジャ２１Ｃ、および加圧用のプランジャ２１Ｂは、上記固形化機構部６（図２）におけるダイ７ａ、蓋体１２Ａ、およびプランジャ１２と同等な部材である。

使用した製鋼ダストは電炉から排出されたものであり、かさ密度が１．４〜１．８ｇ／cm³ 、使用した炭素粉体はかさ密度が０．７５ｇ／cm³ のものである。この固形化実験では、製鋼ダストと炭素粉体の混合比率を種々変えた原料（混合粉体）を作製して行った。なお、原料粉体の含水量は３〜８％の間である。
表１は炭素粉体の添加量と成形圧力を変えて、径サイズがφ７０mm、径に対する高さの比率が８０％の円柱形ブリケットＢを製造し、完全乾燥状態にしたブリケットＢの見掛け密度の測定結果を示したものである。

この測定結果から、以下のことが明らかとなった。炭素粉体の添加量に関わらず、ブリケットＢとして保形し得る最低成形圧力は５ＭＰａであり、これ以下の成形圧力ではハンドリング可能なブリケット強度を維持することができない。一方、最高形成圧力は１５０ＭＰａであり、これ以上の成形圧力ではラミネーションと呼ばれる成形圧力方向に垂直な方向の層状の亀裂が生じ、脱型時にブリケットＢが破損する現象が生じる。ブリケット見掛け密度は、同一の炭素粉体の添加量では成形圧力の増加とともに増加し、同一の成形圧力では炭素粉体の添加量が多いほど減少する。ハンドリング可能なブリケット強度を得ることができる炭素粉体添加量は４０ｗｔ％以下であり、４０ｗｔ％を超える炭素粉体を添加したブリケットＢでは、ブリケット自体が容易に崩壊しハンドリング不可となる。ハンドリング可能なブリケット強度を維持できる成形圧力、および炭素粉体添加量の範囲におけるブリケットＢの見掛け密度は、１．８〜３．３ｇ／cm³ であった。

さらに詳細に炭素粉体添加の影響を調査するため、一定の成形圧力で製造したブリケットＢについて落下強度試験を行った。図５は、径サイズがφ７０mm、径に対する高さの比が８０％の円柱形ブリケットＢを成形圧力７５ＭＰａで成形したときの、ブリケットＢの落下強度試験の結果を示している。炭素粉体の添加量が２５ｗｔ％以下では、ブリケット強度はほぼ一定の水準を保持する。炭素粉体添加量が２５ｗｔ％を超えると、炭素粉体の添加量が増加するにつれてブリケット強度は低下し、炭素粉体量が４０ｗｔ％を超えるとブリケットＢはほぼ保持力を失う。したがって、実用上十分なブリケット強度が得られるのは炭素粉体量が４０ｗｔ％以下の範囲である。

ブリケット強度は同一成形条件の製鋼ダスト単体のブリケットに対して、炭素粉体が添加されることによって全体的な粉体同士の付着力が減少することから低下する懸念がある。しかし、ブリケット自体の見掛け密度が炭素粉体添加量に付随して小さくなるため、落下強度という観点からはブリケット強度が大きく低下することはなく、図５からも分かる通り、炭素粉体の添加量が２５ｗｔ％以下の範囲では、炭素粉体無しの製鋼ダストブリケット強度とほぼ同程度の落下強度が得られた。しかしながら、それ以上の炭素粉体添加量では粉体同士の付着力減少による効果が大きくなり、ブリケット強度が減少する。炭素粉体の添加量は１〜４０ｗｔ％の範囲が望ましい。４０ｗｔ％より多い添加量では、実用上十分なブリケット強度を得ることが困難であり、１ｗｔ％より少ない添加量では、ブリケット強度には問題無いものの、炉の熱効率を改善するという炭素粉体添加の目的が達成できない。さらに、炭素粉体の添加量が２〜２５ｗｔ％の範囲であればより望ましい。これは、炭素粉体の添加量が２５ｗｔ％まではブリケットＢの落下強度が低下しないこと、２〜２５ｗｔ％程度で、炉の熱効率を改善する効用が最も大きくなるためである。

上記炭素粉体添加量と固形化可能な成形圧力を考慮すると、ハンドリング可能なブリケットＢの見掛け密度の範囲は、完全乾燥状態で１．８〜３．３ｇ／cm³ である。さらに、炭素粉体添加量がより望ましい値である２〜２５ｗｔ％の範囲でのブリケットＢの完全乾燥状態での見掛け密度は、２．０〜３．３ｇ／cm³ である。

試験では電炉から排出された製鋼ダストを用いてブリケット製造を行ったが、この発明で用いるダストは、鉄鋼生成過程で生じる鉄およびその酸化物を主成分とするダストであれば良く、転炉や高炉、その他製鋼工程で生じるものが使用できる。また、炭素を主成分とした材料は、実施例で示した炭素粉体以外に、グラファイトや微粉炭等が使用できる。

図１の製鋼ダスト固形化物製造装置４において、固形化機構部６の給粉部分については、含水量によっては混合粉体１１の充填性（成形型７の流し込み特性）に問題がある。そのため、ある程度強制力のある前記強制充填機構３０を設けることが望ましい。
特に成形型方向には制約はなく、強制充填装置３０の成形型方向が縦向きの場合には、給粉機やスクリューによる押し込み等の機構を使用でき、成形型が横向きの場合にはスクリューによる押し込み等の機構を使用できる。

この発明の一実施形態にかかる製鋼ダスト固形化物製造方法の工程説明図である。 同製造方法に用いられる製鋼ダスト固形化物製造装置の概略図である。 同製造方法で製造した製鋼ダスト固形化物の例を示す斜視図である。 同製造方法を得るための基礎となる固形化試験に用いられた成形型の断面図である。 製鋼ダスト固形化物の炭素粉体添加量と保形可能な落下高さの関係を示すグラフである。

符号の説明

４…製鋼ダスト固形化物製造装置
５…ホッパ
６…固形化機構部
７…成形型
８…加圧手段
９…製鋼ダスト
１０…炭素を主成分とする粉体
１１…混合粉体
１２…プランジャ
３０…強制充填機構
Ｂ…ブリケット（製鋼ダスト固形化物）

Claims (3)

1. 鉄鋼生成過程で生じる鉄およびその酸化物を主成分とするダストを、成形型に入れて加圧成形した固形化物であって、前記成形型に入れる原料を、前記製鋼ダストと、炭素を主成分とする粉体とを混合したものとし、前記原料にバインダを加えず、上記炭素を主成分とする粉体の量が、原料の２〜２５ｗｔ％であり、固形化物の見掛け密度が完全乾燥状態で、１．８〜３．３ｇ／cm ³ であることを特徴とする製鋼ダストの固形化物。
2. 請求項１において、炭素を主成分とする粉体が炭素粉体またはグラファイトである製鋼ダストの固形化物。
3. 鉄鋼生成過程で生じる鉄およびその酸化物を主成分とするダストを、成形型に入れ加圧成形して固形化することにより、その固形化物である製鋼ダスト固形化物を製造する方法であって、
   前記成形型に入れる原料を、前記製鋼ダストと、炭素を主成分とする粉体とを混合したものとし、前記原料にバインダを加えず、上記炭素を主成分とする粉体の量を、原料の２〜２５ｗｔ％とし、固形化物の見掛け密度が完全乾燥状態で、１．８〜３．３ｇ／cm ³ とすることを特徴とする製鋼ダストの固形化物の製造方法。

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