JP4757926B2 - 鉄鋼副生成物の焙焼還元装置および鉄鋼副生物の焙焼還元方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼副生物から有価金属を回収するための焙焼還元を行うにあたり、特に、鉄、ニッケル、クロム、マンガンなどの有価金属を含む製鋼ダスト、酸洗スラッジ、焼鈍時のスケール材などの鉄鋼副生物を効率よく、安全に還元して、有価金属を回収することを可能にする焙焼還元設備ならびに焙焼還元方法に関するものである。

製鉄所で発生する製鋼ダスト、スラグ、酸洗スラッジ、焼鈍時のスケール材などの鉄鋼副生物は、鉄、ニッケル、クロム、マンガンなどの有価金属を含有しており、従来から多くの回収方法が提案されてきた。そのような技術として具体的には、これらの副生物を石炭やコークスなどの炭素源と混合してブリケット状に成型し、図２（ａ）に示すように、電気精錬炉１内にブリケット２を装入し、このブリケット２を電極３により加熱溶融し、スラグ分４と還元メタル分５とに分離して有価金属を回収する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２および７参照）。

また、副生物を石炭やコークスなどの炭素源と混合してブリケット状に成型し、ブリケットを一旦焙焼して水分などの揮発成分を除去した後に、アーク式電気炉にて加熱して還元処理する方法が提案されている（例えば、特許文献３〜６参照）。

これらの方法では、原料の成分によっては、アーク式電気炉にて、後述する棚吊りやそれに伴うと考えられる吹上げといった操業上の不具合を発生することがあった。また、スラグの溶融性や流動性が適正でなく、有価金属の回収率が低下してしまうという問題も抱えていた。

上記のような焙焼を行った後、アーク式電気炉で加熱して還元する方法において、有価金属を効果的に回収するために、アルミ灰を添加する方法が開示されているが（例えば特許文献７参照）、電気炉での反応が激しすぎるため、炉のコントロールが困難であり、爆発等の危険が伴う場合もあった。

吹上げは、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような機構で発生する。すなわち、装入された原料（ブリケット２）が崩壊して粉体が発生し、空孔６が形成されて棚吊り７が形成されてしまう。それが崩落する時に、原料に含まれる水分が急激に膨張する、いわゆる水蒸気爆発である。棚吊り７は、粉体が存在すると、原料どうしが焼結しやすくなり発生する。そして、原料中の水分が多いと、吹上げによる爆発規模が大きく、危険をともなう。

また、粉体は、図３に示すごとく、副生成物をブリケット成型した後の焙焼工程においても多大な悪影響を及ぼす。すなわち、図３（ａ）に示すように、粉体の発生が少ないと焙焼ボックス１２内は通気が良く全体が加熱されて未焙焼ブリケット１１よりも焙焼ブリケット１６の方が多く形成されるが、図３（ｂ）に示すように、粉体が多いと、焙焼ボックス１２底部に溜まってしまいやすく、この状態でバーナー加熱すると、粉体部分のみが塊状化して通気性が損なわれてしまい、塊上部が生焼け状態となって未焙焼ブリケット１１が多く発生してしまい、アーク式電気炉に装入する際に水分が残ってしまう。したがって、製団した後の原料から、粉体を除去し、効果的に焙焼して水分を除去することが安定操業に必要な条件である。

このような問題に対して、原料を製団するにあたり、製鋼ダスト、スラグ、酸洗スラッジ、焼鈍時のスケールなどの原料配合を適正化したり、これらの原料の粒度を適正化して強度を上げたりすることが検討されている。また、図４に示すように、製団機２２下流のベルトコンベアー２３の繋ぎ目に篩２５を設けて粉体を除去する技術や、図５に示すように、可動式ベルトコンベアー２６を用いてベルトコンベアー端部を前後に振動させて、移送用ボックス２４内にブリケットが崩壊しないよう均一な高さに充填される技術が検討されている。さらに、原料中の有価金属量に対応してコークス投入量を適正化する技術も検討されており、このように、数々の改善がなされている（例えば、特許文献８〜１２参照）。

特開平８−２８００１４号公報 特開２００３−２４７０２６号公報 特開昭６１−１５９２９号公報 特開昭６１−１７７３３１号公報 特開昭６１−１７７３３２号公報 特開昭６１−１７７３３７号公報 特開平１０−３３０８２２号公報 特開２００８−３１５４８号公報 特開２００８−３１５４９号公報 特開２００８−２４０１３８号公報 特開２００８−３０８７５５号公報 特開２００９−７６３２号公報

しかしながら、上記特許文献に記載の技術を以ってしてもなお、製団機によって成型されたブリケット中には１３〜２０ｍａｓｓ％程度の粉体は混在しており、焙焼工程におけるブリケットの焼けの悪さの問題や、それによる還元工程での吹上げの問題は完全に抑制されるには至っていなかった。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、鉄鋼副生物を炭材と混合後、アーク式電気炉に装入して加熱し、還元して有価金属を回収する方法において、生産コストを上げることなく、安定かつ安全な操業を実現し、高い有価金属回収率を確保することが課題である。特に、本発明の目的は、製鋼ダスト、酸洗スラッジ、スケールを主体とする鉄鋼副生物を、炭材、水分とともにブリケット状に成型し、培焼して水分を揮発させ、次いでアーク式電気炉で加熱して還元処理する工程で、生産コストを上げることなく、電気炉操業時に、吹上げを防止しつつ、高い有価金属回収率を確保することが可能な還元リサイクル原料とそれを朋いた焙焼還元技術を提案することである。

上記目的を達成するために、本発明者らは鋭意研究した。すなわち、種々の原料を配合し、実機操業を行った。ここで用いたのは、ステンレス鋼の精錬工程で発生する製鋼ダスト、焼鈍酸洗ラインで生じる酸洗スラッジ、および、熱延、連続鋳造などで生成するスケールである。場合によって、ＡＯＤ、ＶＯＤにおける仕上げスラグ、フェロニッケルスラグ、ＳｉＣも配合した。実機とは、還元リサイクル原料を製団してブリケットに成型し、焙焼ボックスに入れ焙焼し、次いでアーク式電気炉で加熱し、還元する工程である。

一連の操業結果を鋭意解析した結果、粉体が従来のブリケット中の含有量である１３〜２０ｍａｓｓ％程度含まれていても、小規模の吹上げは発生することがわかった。すなわち、根本的な解決策は、粉体を強制的に除去するべきであるという結論に至った。そこで、鋭意設備を検討し、実験を重ねた結果、ブリケットを、連続的に移動可能な（ここで言う連続的な移動態様については後述する）篩を通過させ、粉体を除去することが可能であることを見出した。

すなわち、本発明は、鉄鋼副生物である製鋼ダスト、廃酸スラッジ、およびスケール材を主成分とする酸化物原料の焙焼還元装置であって、粉末状の鉄鋼副生物をブリケットに製団するための製団手段と、ブリケットを搬送するベルトコンベアーと、ブリケットから発生する粉体を除去するためにベルトコンベアーの中途に設けられた第１粉体除去手段と、ベルトコンベアーから運ばれたブリケットを受けるための移送用容器と、移送用容器に保持されたブリケットを乾燥する乾燥手段と、乾燥した後のブリケットをベルトコンベアーから移送用容器に装入する際に発生した粉体を除去する第２粉体除去手段と、粉体を除去した後のブリケットを焙焼する焙焼手段と、焙焼したブリケットを溶解し、還元するためのアーク式電気炉とを備えた焙焼還元装置である。

また、この鉄鋼副生物の焙焼還元装置において、第１粉体除去手段は篩であり、第２粉体除去手段は、ブリケットを装入するホッパーと、ホッパー下からブリケットを移送するベルトコンベアーと、ベルトコンベアー下流に設けられた篩全体としては定位置に設置されながら篩の目を構成する弾性材料からなる格子が所定の振幅および振動数にて移送方向に平行な向きに伸縮しながら粉体を篩い落としつつ、ブリケットを下流方向に移送する篩とを備え、ブリケットが第２粉体除去手段に設けられた篩を通過して回収されるまでに、ブリケットに含まれる粉体が除去可能な構造であることを好ましい態様としている。

好ましくは、第２粉体除去手段に設けられた篩の目が各辺５〜３０ｍｍであることが良い。さらに、第２粉体除去手段に設けられた篩は、篩の目を構成する格子が、振幅５〜４０ｍｍ、周期３〜２０Ｈｚで振動することが望ましい。

さらに本発明では、上記の鉄鋼副生物の焙焼還元装置を用いて焙焼還元を行う方法も提案する。すなわち、上記に説明した培焼還元装置を用いて、製団した後のブリケットから効果的に粉体を除去し、鉄鋼副生物を焙焼還元する方法である。また、ここで言う鉄鋼副生物は、製鋼ダスト、酸洗スラッジ、スケール材、フェロニッケルスラグであると良い。特に限定しないが、本発明おいて有価金属とは、鉄、ニッケル、クロム、マンガンを指す。

本発明によれば、まず第１粉体除去手段によって大部分の粉体が除去される。続いて、乾燥手段によってブリケットの強度が向上するので、ブリケット移送中の崩壊によるさらなる粉体の発生を抑制することができる。また、第２粉体除去手段によって、移送用容器に保持された残りの粉体をも除去することができるので、粉体がほぼ除去されたブリケットのみを焙焼工程に供することが可能となる。それにより、焙焼工程において粉体がブリケットの加熱を阻害することが抑制され、効果的に水分あるいは亜鉛分などの揮発性成分がブリケットから除去されて、その後アーク式電気炉に装入されるため、吹上が防止できるという効果を奏する。吹上げは、工場外部に粉塵を撒き散らすこともあるために、環境面の改善でも多大な効果がある。なおかつ、当然オペレーターへの安全性も向上する。

本発明の実施形態を示す模式図である。 吹上げを模式的に示す図である。 焙焼ボックス内におけるブリケットの焙焼状態を示す図である。 従来技術におけるブリケットからの粉体除去用の篩を模式的に示す図である。 従来技術における可動式ベルトコンベアーによるブリケット移送用ボックスへのブリケットの装入を模式的に示す図である。 本発明のブリケット移送用ボックスの一例の寸法図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の焙焼還元装置およびその方法は、鉄鋼副生物からＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうち少なくとも１種類を含む有価金属を回収する方法であり、後述するような特定の鉄鋼副生物に水分、油脂分及び炭材を混合し、これを製団機によりブリケットに製団し、このブリケットを焙焼ボックス内で焙焼し、次いで、炭材並びにＳｉＣをさらに混合した後に、この混合物をサブマージドアーク式電気炉に装入して加熱し、有価金属を還元し、メタル分とスラグ分に分離する装置およびその方法である。

本発明においては、ブリケットの製団後にベルトコンベアーでの輸送途中で発生した粉体を篩で低減し、ブリケットの乾燥工程を挟んで、ブリケットをブリケット移送用ボックスを経て焙焼ボックスに移送する際、粉体を再度除去し、ブリケット移送用ボックスへの装入時の繰り返し衝突による粉体発生を緩和することが最大の特徴である。したがって、以下、本発明において特徴的な装置の仕様、材料および工程について説明する。なお、その他の工程においては、一般公知の従来技術を用いることができる。

本発明では、鉄鋼副生物の製鋼ダスト、酸洗スラッジ、スケール材を原料として配合し、炭材、水分、油脂分とともに、図１に示すように、双ロール式の製団機２２を用いて、各辺４０〜６０ｍｍ×４０〜６０ｍｍ×２５〜４０ｍｍのサイズを持つブリケット２１ａに成型する。炭材は、還元反応に必要な分と、焙焼工程での熱源として、配合した原料１ｔに対して１００〜２００ｋｇの重量で配合するのがよい。条件によっては、ＳｉＣ、フェロニッケルスラグ、仕上げスラグも混合しても構わない。

製団されたブリケット２１ａには、未製団あるいはブリケットが崩壊してできた粉体２１ｂが含まれているが、これらはベルトコンベアー２３に供給される。ベルトコンベアー２３の途中には、本発明の第１粉体除去手段の一例である篩２５が設けられており、ここで粉体２１ｂの大部分は篩い落とされて、粉体回収ボックス２４ｂに回収され、場合によっては製団機２２に再び供給されてブリケットに成型される。篩い切れなかった残りの粉体２１ｂとブリケット２１ａは、ベルトコンベアー２３で移送されて、ブリケット移送用ボックス２４ａに装入される。

ブリケット移送用ボックス２４ａに装入されたブリケット２１ａ（および粉体２１ｂ）は、次の工程に移送される前に、詳細を図６に示したブリケット移送用ボックス２４ａに保持したまま室温で２〜３日乾燥される。この乾燥工程でのブリケットの品位を向上させるため、ブリケット移送用ボックス２４ａの側面にはφ１０〜２０ｍｍの孔が一面あたり7つあけられており、底面から２００ｍｍ以上、３００ｍｍ以下の位置に１段目の孔をあけ、さらにこの位置から２００ｍｍ以上、３００ｍｍ以下の位置に２段目の孔をあける。また、横方向の間隔は、２５０〜３５０ｍｍが適当といえる。このようにブリケットの品位を向上させるためにブリケット移送用ボックス２４ａの側面に整序された孔を開ける理由は、乾燥の際に蒸発する水分がバケット内壁面に結露し、底面にたまり底部にあるブリケットが再び吸湿するのを防ぐためである。これらの乾燥手段を講じることにより、ブリケット２１ａの乾燥が進行して強度が向上し、次の工程における崩壊を抑制することができる。

上記乾燥手段としては、常温での自然乾燥の他、加熱炉を使用するなど、任意の乾燥手段を用いることができる。自然乾燥の場合は、２〜３日間の期間とすることが好ましい。

その後、ブリケット移送用ボックス２４ａ内のブリケット２１ａおよび粉体２１ｂは、第２粉体除去手段に移送される。第２粉体除去手段は、原料を投入するホッパー２７と、原料を移送するベルトコンベアー２３と、原料をブリケットと粉体に分けるための連続的に移動可能な篩２８とから構成されている。

ここで篩２８は、篩全体が上流から下流へ移動するのではなく、篩全体としては定位置に設置されながら、篩の目を構成する弾性材料からなる格子が所定の振幅および振動数にて移送方向に平行な向きに伸縮しながら、粉体２１ｂを篩い落としつつ、ブリケット２１ａを弾くようにして下流方向に移送する。

篩い落とされた粉体２１ｂは、さらにベルトコンベアー２３で移送されて粉体回収ボックス２４ｂに回収され、ブリケット２１ａは、ブリケット移送用ボックス２４ａに回収されて、図示しない焙焼工程へ移送される。

第２粉体除去手段の好ましい設備的な仕様は、以下に述べる通りである。すなわち、篩の目が各辺５〜３０ｍｍであることがよい。さらに、上記の連続的に移動可能な篩を構成する格子は、振幅５〜４０ｍｍ、周期３〜２０Ｈｚで移送方向に振動することが望ましい。その理由は以下の通りである。

篩の各辺５〜３０ｍｍ
篩の目が各辺５ｍｍ未満で小さいと、粉体が充分に篩い落とされない。３０ｍｍを超えて大きいと、割れてはいるが大型で操業に悪影響を与えないブリケットまでもが篩い落とされてしまい、歩留りが低下してしまう。そのため、篩の目は５〜３０ｍｍとした．好ましくは７〜２８ｍｍであり、さらに好ましくは、１０〜２５ｍｍである。形状は、角型が好ましいが、もちろん円形でも構わない。円形の場合、直径が５〜３０ｍｍがよい。角型では、正方形であっても、長方形であっても構わない。

篩の格子の振幅５〜４０ｍｍ
振幅が５ｍｍ未満では、篩い落とす能力が劣り、粉体が十分に篩われない。４０ｍｍを超えて大きく振幅すると、製団されたブリケットが破壊されてしまい、粉体が増えてしまう。そのため、振幅は５〜４０ｍｍとした。好ましくは８〜３５ｍｍであり、より好ましくは１０〜３０ｍｍである。

篩の振動周期３〜２０Ｈｚ
振幅周期が３Ｈｚ未満であると、篩い落とす能力が劣り、粉体が十分に篩われない。２０Ｈｚを超えて大きいと製団されたブリケットが破壊されてしまい、粉体が増えてしまう。そのため、周期は３〜２０Ｈｚとした。好ましくは、４〜１５Ｈｚであり、さらに好ましくは５〜１２Ｈｚである。

また、篩後のブリケットは、図１において角度θおよび破線で示すように、篩機出側のゲートを篩面に対し０から３０度傾斜させ、２４ａのボックスに堆積するブリケットの面を均一にし、傾斜面を作らないように排出させる。このことによって、ブリケットにかかる衝撃を緩和させブリケット強度を保持することができる。

このようにして第２粉体除去手段で篩われて選別された粉体は、条件により全体量の１５〜２５ｍａｓｓ％発生する。この粉体は、前記した原料に戻り、再び製団されてブリケットに成型することが好ましい。粉体を原料に戻すために、ベルトコンベアーで運び、さらに運搬車などで製団機に戻すとよい。このように、粉体を循環させることで、これを廃棄することなく、全量処理できる。

その後、ブリケット２１ａを装入したブリケット移送用ボックス２４ａをフォークリフトで運搬し、以下に記述する焙焼工程に移行する。具体的なブリケットの焙焼工程としては、上記のようにして成型されたブリケットをブリケット移送用ボックスから焙焼ボックスに装入し、焙焼ボックス上部をダクトで密閉し、排風機を用いて吸引しながら、下部をバーナーで２０〜３０分間加熱して着火し、いわゆる焙焼処理を１２０〜１８０分間行い、水分や亜鉛といった揮発成分を揮発させるとともに、各ブリケット内部の原料粒子を焼結させることができる。その結果、焙焼ボックス内のブリケットの平均含水率が６重量％以下、好ましくは焙焼ボックス内の７０重量％以上のブリケットの平均含水率が５重量％以下とすることができる。焙焼後のブリケット強度は、具体的には、５０ｋｇｆ／個以上とすることができ、また、１回の電気炉の操業にかかる時間を４．５時間以内に短縮することができた。 このような焙焼後のブリケットは、粉体発生を抑制するとともに、含水率も低減できているため、サブマージドアーク電気炉による還元工程においても、吹上げを良好に防ぐことができる。

これらの焙焼したブリケットをアーク式電気炉に装入して加熱することで、吹上げ現象を起こすことなく、還元したメタル分とスラグ分に分離し、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ のうち少なくとも１種類を含む有価金属を回収する。電気炉への装入時、適宜、スラグ量と塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）調整の目的で、石灰石および／または珪砂とともに電気炉に装入してもよい。また、原料の組成によっては、炭材を適宜追加することもできる。特に、スラグ側については、上記の化学成分を持つ還元リサイクル原料を用いることで、十分なスラグ量を確保できて、なおかつ、溶融性および流動性が好ましい領域に制御できる。最も望ましいスラグ組成は、特に限定はしないが、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯを８０質量％以上含み、ＣａＯ／ＳｉＯ_２の比率が０．８〜１．４、好ましくは１．０〜１．２、Ａｌ_２Ｏ_３の含有率が０．６〜７．０質量％の範囲である。

電気炉のサイズが原料の装入量で１３トンの場合、電力原単位はおよそ１８００ｋＷＨ／メタルトンとして、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎから構成されるメタルを、およそ３〜１０トン回収することができる。また、残部はスラグとして回収される。

以下、本発明の電気製錬方法に好適に用いられる材料組成について説明する。
１．製鋼ダスト
製鋼ダストはステンレス鋼の精錬工程で発生するものであり、有価金属Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎの含有量を確保するため、また、鉄鋼副生物におけるＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ濃度を好適な範囲に制御するために、配合率が１０〜５０重量％であると好ましい。また、製鋼ダストには、揮発性のＺｎＯが多く含まれるため、吹上げの発生を抑えるために、製鋼ダストの配合率を５０重量％以下に制限することが好ましい。

２．酸洗スラッジ
酸洗スラッジは焼鈍酸洗ラインで生じるものであり、有価金属Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎの含有量を確保するため、また、鉄鋼副生物におけるＣａＯ、Ｆ、Ｓ濃度を好適な範囲に制御するために、配合率が５〜３０重量％であると好ましい。また、酸洗スラッジには、Ｓが多く含まれるため、Ｓの含有率が多すぎると、脱硫が困難になるため、酸洗スラッジの配合率を３０重量％以下に制限することが好ましい。

３．スケール材
スケール材は、熱延、連続鋳造などで生成するものであり、有価金属Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎを含む原料である。また、スケール材は、最大粒径２０ｍｍという比較的大型の粒子を含む原料であるため、１０〜４０重量％であることが望ましい。この粒度は、ブリケットに形成したときの全体の３〜４０重量％を占めるように配合することが好ましい。そのため、有価金属Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎの含有量を確保するため、また、骨材としての効果を発揮するために、スケール材の配合率を３０重量％以上に規定することが好ましい。一方、スケール材の配合率が６０重量％を超えると、粒度が粗すぎて逆に強度が確保できない。したがって、スケール材の配合率を３０〜６０重量％とすることが好ましい。

４．ＳｉＣ、フェロニッケルスラグ及び仕上げスラグ
本発明における鉄鋼副生物は、電気炉におけるスラグ組成を制御するために、上記材料組成に加えて、ＳｉＣ、フェロニッケルスラグ、及び、仕上げスラグのうち少なくとも１種類を合計で１０重量％以下混合したものであってもよい。具体的には、ＳｉＣはスラグ中のＳｉＯ_２源として、また、燃焼時の熱源として混合できる。フェロニッケルスラグは、有価金属であるＦｅが含まれているため有効な材料であり、さらに、主としてＭｇＯ、ＳｉＯ_２から構成されるものであり、ＭｇＯあるいはＳｉＯ_２源として混合できる。また、仕上げスラグは、ステンレス鋼、特殊鋼のＡＯＤやＶＯＤの精錬で発生するスラグであり、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、ＭｇＯを主体とするものであるため、電気炉におけるスラグの塩基度調整のために有効な材料である。

５．水分
水分は、成型後で焙焼前の初期のブリケット強度を２０ｋｇｆ／個以上確保するために必要である。水分の含有率は、低すぎても、高すぎてもブリケット強度が得られないために、１５〜２６重量％とすることが好ましい。なお、この含有率は、水分、油脂分、副生物原料および内装炭材と混合されて製団された直後における上記の固形原料の総重量に対する割合である。例えば、原料１ｔに対しては、１５０〜２６０ｋｇである。水分がこの範囲を超えて多いと、内装された炭材から発生する熱量では水分を蒸発させて乾燥させることができず、酸化物原料の焼結が不十分となってしまう。また、この範囲未満であると、酸化物原料のブリケットが形状を保てず、粉体の発生の原因となってしまう。

６．油脂分
油脂分は、成型後で焙焼前の初期のブリケット強度を２０ｋｇｆ／個以上確保するために、必要である。油脂分の含有量は、低すぎても、高すぎてもブリケット強度が得られないために、０．２〜３重量％とすることが好ましい。なお、この含有率は上記の固形原料の総重量に対する割合である。例えば、原料１ｔに対しては、２〜３０ｋｇである。

７．炭材
本発明における炭材は、焙焼工程での熱源として製団工程で混合される内装炭材と、還元反応に必要な分として還元工程で添加される外装炭材がある。内装炭材は、原料に対して１０〜２０質量％、すなわち、配合した原料１ｔに対して１００〜２００kｇの重量で配合することが好ましい。

８．化学成分
本発明においては、上記材料組成を上記比率で配合することにより、原料中の化学成分を、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちの少なくとも１種類：合計で２０質量％以上８０質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３：０．３〜３．５質量％、ＭｇＯ：２〜７質量％、ＣａＯ及びＳｉＯ_２：合計で３５質量％以下、Ｆ：１〜６質量％、Ｓ：０．１〜２質量％、ＺｎＯ：２質量％以下とすることができ、これにより、電気炉にて得られるスラグを、操業に適した特性とすることができる。以下に、各成分の限定理由を説明する。

なお、上記の各構成成分はＳ、Ｆ以外は酸化物として表記されているが、実際は水酸化物、フッ化物、硫化物、硫酸化物など複雑であるため、簡便のために酸化物表記としている。また、本発明おける有価金属とは、特に限定されるものではないが、少なくとも鉄、ニッケル、クロム、マンガンが含まれる。

（１）Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ
本発明において、これらは還元されて有価金属となるため、必要不可欠な成分である。Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちの少なくとも１種類の含有率が合計で２０質量％未満では、製錬にかかるコストに見合わないため、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちの少なくとも１種類の含有率を合計２０質量％以上とすることが好ましい。コストを考慮して、好ましくは２５質量％以上であり、さらに好ましくは３０質量％以上である。

また、上限は８０質量％以下に抑える。その理由は、次のとおりである。すなわち、８０質量％を超えると、スラグ量が著しく少なくなってしまう。スラグをある程度確保せねば、電気炉操業時に温度コントロールが困難になったり、スラグと溶鋼間で起こる脱硫反応が不充分になってしまい、溶鋼中のＳ濃度が０．０５質量％を超えて高くなるためである。得られた鋼塊は、ステンレス鋼の製鋼工程で原料としてリサイクルされるものであるから、Ｓ濃度が高すぎると脱硫負荷が高くなり、コスト高を引き起こしてしまう。このような理由から、電気炉における脱硫反応に必要なスラグ量を確保するために、上限は８０質量％以下に抑える。より好ましくは７５質量％以下、さらに好ましくは６５質量％以下である。

（２）Ａｌ_２Ｏ_３
Ａｌ_２Ｏ_３はスラグの融点を適正値に制御するのに必要な元素である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有率が０．３質量％未満又は３．５質量％超では、融点が高くなり、流動性が悪化し、その結果有価金属回収率を低下させる。そのため、Ａｌ_２Ｏ_３の含有率を０．３〜３．５質量％とすることが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３は製鋼ダストに含まれる成分であり、製鋼ダストの配合率を１０〜５０重量％とすることで、この範囲に制御できる。

（３）ＭｇＯ
ＭｇＯはスラグの融点を適正値に制御するのに必要な元素である。ＭｇＯの含有率が２質量％未満又は７質量％超では、融点が高くなり、流動性が悪化し、その結果有価金属回収率を低下させる。そのため、ＭｇＯの含有率を２〜７質量％とすることが好ましい。ＭｇＯは製鋼ダストに含まれる成分であり、製鋼ダストの配合率を１０〜５０重量％とすることで、この範囲に制御できる。また、必要に応じて仕上げスラグ、フェロニッケルスラグで添加してもよい。

（４）ＣａＯ及びＳｉＯ_２
ＣａＯ及びＳｉＯ_２はスラグの主成分であり、流動性や融点を調整するために必要である。これらの成分は、電気炉に投入する前に、石灰石および／または珪砂で調節することが可能である。しかしながら、もとの原料における含有率が３５質量％を超えて高いと、石灰石および／または珪砂を添加せずとも、スラグ量が増加し、逆にメタル量が少なくなり、コスト高となってしまう。そのため、ＣａＯ及びＳｉＯ_２の含有率を３５質量％以下とすることが好ましい。好ましくは、ＣａＯとＳｉＯ_２の含有率が合計で７．５〜３５質量％である。７．５質量％は含有した方が望ましいのは、石灰石、珪砂の副原料費を抑えるためである。より好ましくは、ＣａＯの含有率が３〜１５質量％であり、ＳｉＯ_２の含有率が４．５〜２０質量％の範囲である。ＣａＯは主に酸洗スラッジに含まれる成分であり、酸洗スラッジの配合比率を５〜３０重量％にすると上記の成分範囲を得ることができる。ＳｉＯ_２は主に製鋼ダストに含有されており、製鋼ダストの配合比率を１０〜５０重量％とすることで、この範囲に制御できる。また、必要に応じて、フェロニッケルスラグを添加して調整してもよい。

（５）Ｆ
Ｆはスラグの流動性を適正範囲に制御するために必要な成分である。Ｆの含有率が１質量％未満では、流動性が悪く、その結果、有価金属回収率を低下させる。逆に６質量％を超えて高いと、流動性が良すぎる他にも、ＨＦ、ＳｉＦ_４などの腐食性ガスを発生させ、設備を腐食、損傷させる。そのため、Ｆの含有率を１〜６質量％と規定することが好ましい。Ｆは酸洗スラッジに含まれる成分であり、酸洗スラッジの配合比率を５〜３０重量％にすると、上記の成分範囲を得ることができる。

（６）Ｓ
Ｓは電気炉において、溶鋼の表面張力を低下させて、流動性を確保するために必要な成分である。流動性が十分でないと、コークベッドをうまく通過しない。電気炉において、Ｓの一部は脱硫されてスラグ中に分配される。そのような脱硫反応を経て、最終的に、溶鋼中に０．０１〜０．２質量％の範囲に制御することが好ましい。Ｓ濃度が高すぎると、回収メタルを製鋼工場の電気炉にて溶解してステンレス鋼などの原料にリサイクルする際に脱硫負荷が高くなり、製錬時間の延長や石灰石投入量が増え、コスト高を引き起こしてしまう。また、Ｓ濃度が低すぎる場合は、還元炉操業において、充分な溶鋼流動性が得られず、還元炉内にて形成されるコークベッドをうまく通過できない。そのため、脱硫反応も考慮して、電気炉の溶鋼中でこの範囲を確保するために、還元リサイクル原料中では、Ｓの含有率を０．１〜２質量％に制御する必要があり、そのように定めた。Ｓは酸洗スラッジに含まれる成分であり、酸洗スラッジの配合比率を５〜３０重量％にすると、上記の成分範囲を得ることができる。

メタル中のＳは、下記式によりスラグとメタルに分配されることが分かった。
（ＣａＯ）＋Ｓ＝（ＣａＳ）＋Ｏ
Ｓを０．０１〜０．２％に調整するためには、系の酸素ポテンシャルとスラグ中のＣａＯの活量を適正な値に制御すればよい。そのためには、石灰石を適正量としておき、ＣとＳｉＣを適正量に制御すればよいことが分かった。なお、ここで、石灰石はスラグ中のＣａＯ源の一つであり、その他のＣａＯ源としては、廃酸スラッジもある。これらを調節して適正量を得ている。

（７）ＺｎＯ
ＺｎＯがＣで還元されると、亜鉛のガスが発生し、これが原料内の気圧を上昇せしめ突沸現象を起こすため、抑制せねばならない成分である。ＺｎＯの含有率が２質量％を超えて高いと、その傾向が強く現れるようになり、電気炉内で吹上げ現象を引き起こす。そのため、ＺｎＯの含有率を２質量％以下と規定することが好ましい。ＺｎＯは製鋼ダストに含有する成分であり、製鋼ダストの配合率を５０重量％以下に制限することで、この範囲に抑制できる。

以下、実施例によって本発明の具体例をさらに詳細に説明する。
製鋼ダスト、酸洗スラッジ、スケール材を原料として配合し、炭材、水分、油脂分とともに双ロール式の製団機を用いて４１×４８×２９ｍｍのサイズを持つブリケットに成型した。炭材は、還元反応に必要な分と、焙焼工程での熱源として、配合した原料１ｔに対して１００〜２００ｋｇの重量で配合した。条件によっては、ＳｉＣ、フェロニッケルスラグ、仕上げスラグも混合した。表１および２に、操業に供した各原料の配合比率および化学成分をそれぞれ示す。表２に示す化学成分はいずれもドライ状態での数値である。１００％に満たないのは、不可避的不純物であるＰ、Ｃｕ、Ｍｏなどの元素が含まれるためである。

その後、製団したブリケットを第１粉体除去装置に通し、乾燥手段として室温で２日間養生し、さらに第２粉体除去装置に通した。連続的に移動可能な篩の条件は、篩の目は形状が角型であって長方形の７ｍｍ×２６ｍｍのサイズ、振幅２４ｍｍ、周期８．３Ｈｚとした。篩い落とされた粉体の量は、いずれの場合も２０％ほどであった。表３には製団直後と乾燥養生後の含水率と圧壊強度を示す。製団後、第１粉体除去装置に通した後に乾燥養生工程を加えることによって、製団直後と比較し３〜８割増の圧壊強度を得ることができた。

続けて、ブリケットを焙焼ボックスに装入した。この際、焙焼ボックス上部をダクトで密閉し、俳風機を用いて吸引しながら、下部をバーナーで２０〜３０分間加熱して着火し、焙焼処理を１２０〜１８０分間行った。水分を揮発させるとともに、各ブリケット内部の原料粒子を焼結させた。

その後、これらのブリケットをアーク式電気炉に装入してカロ熱することで、還元したメタル分とスラグ分に分離し、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎの有価金属を回収した。適宜、スラグ量と塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）調整の目的で、石灰石および／または珪砂とともに電気炉に装入した。

電気炉のサイズは１３ｔであり、電力原単位はおよそ１８００ｋＷＨ／メタルトンであった。およそ５〜６トンのメタルを回収し、残部がスラグであった。

表１の各項目の測定方法を説明する。
・原料の化学成分：蛍光Ｘ線分析装置を用いて、定量分析した。
・スラグの化学成分：蛍光Ｘ線分析装置を用いて、定量分析した。
・メタルの化学成分：蛍光Ｘ線分析装置を用いて、定量分析した。
・有価金属回収率：下記式にしたがい算出した。

このように設定した条件で、１００チャージ連続して操業を実施した。その結果、電気炉操業中の吹上げ現象は発生せず、安全かつ効率的に操業を行えた。さらに、有価金属回収率も９０％を超えて高かった。

鉄鋼副生物から効率良くメタル分を回収し、ステンレス鋼や特殊鋼等の高品質な原料としてリサイクル使用が可能になるとともに、産業廃棄物の量を低減することができる。

１…サブマージドアーク電気炉、２…還元リサイクル用原料ブリケット、３…電極、４…スラグ分、５…還元メタル分、６…空孔、７…棚つり、１１…未焙焼ブリケット、 １２…焙焼ボックス、１３…バーナー、１４…排風、１５…ボックス内の通気、１６…焙焼ブリケット、１７…クリンカー、２１ａ…ブリケット、２１ｂ…粉体、２２…製団機、２３…ベルトコンベアー、２４ａ…ブリケット移送用ボックス、２４ｂ…粉体回収ボックス、２５…篩、２６…可動式ベルトコンベアー、２７…装入ホッパー、２８…篩。

Claims (7)

1. 鉄鋼副生物である製鋼ダスト、廃酸スラッジ、およびスケール材を主成分とする酸化物原料の焙焼還元装置であって、
   粉末状の上記鉄鋼副生物をブリケットに製団するための製団手段と、上記ブリケットを搬送するベルトコンベアーと、上記ブリケットから発生する粉体を除去するために上記ベルトコンベアーの中途に設けられた第１粉体除去手段と、上記ベルトコンベアーから運ばれたブリケットを受けるための移送用容器と、上記移送用容器に保持されたブリケットを乾燥する乾燥手段と、乾燥した後のブリケットを上記ベルトコンベアーから上記移送用容器に装入する際に発生した粉体を除去する第２粉体除去手段と、粉体を除去した後のブリケットを焙焼する焙焼手段と、焙焼した上記ブリケットを溶解し、還元するためのアーク式電気炉とを備えたことを特徴とする鉄鋼副生物の焙焼還元装置。
2. 前記第１粉体除去手段は篩であり、
   前記第２粉体除去手段は、前記ブリケットを装入するホッパーと、上記ホッパー下からブリケットを移送するベルトコンベアーと、上記ベルトコンベアー下流に設けられた篩全体としては定位置に設置されながら篩の目を構成する弾性材料からなる格子が所定の振幅および振動数にて移送方向に平行な向きに伸縮しながら粉体を篩い落としつつ、ブリケットを下流方向に移送する篩とを備え、
   上記ブリケットが上記第２粉体除去手段に設けられた篩を通過して回収されるまでに、上記ブリケットに含まれる粉体が除去可能な構造であることを特徴とする請求項１に記載の鉄鋼副生物の焙焼還元装置。
3. 前記第２粉体除去手段に設けられた篩の目が各辺５〜３０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄鋼副生物の焙焼還元装置。
4. 前記第２粉体除去手段に設けられた篩は、篩いの目を構成する格子が振幅５〜４０ｍｍ、周期３〜２０Ｈｚで振動することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鉄鋼副生物の焙焼還元装置。
5. 前記鉄鋼副生物は、製鋼ダスト：１０〜５０重量％、酸洗スラッジ：５〜３０重量％、スケール材：３０重量％以上を合計で９０重量％を超えて含有し、フェロニッケルスラグを１０重量％以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鉄鋼副生物の焙焼還元装置。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の焙焼還元装置を用いて、鉄鋼副生物を焙焼還元することを特徴とする鉄鋼副生物の焙焼還元方法。
7. 前記鉄鋼副生物は、製鋼ダスト：１０〜５０重量％、酸洗スラッジ：５〜３０重量％、スケール材：３０重量％以上を合計で９０重量％を超えて含有し、フェロニッケルスラグを１０重量％以下含有することを特徴とする請求項６に記載の鉄鋼副生物の焙焼還元方法。
   

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