JP5594936B2 - フェロアロイの製造 - Google Patents
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Description
新規の添加剤を用いて電気アーク炉(EAF)でフェロアロイ(例えばスチールなど)を製造する方法が開示される。その主要な機能において、新規の添加剤は、スラグ発泡剤、還元剤として機能する。しかし、本添加剤は、付加的に燃料及び/又は加炭・復炭剤(recarburiser)として機能し得る。
過去50年間においてプラスチック産業は多大な成長を遂げた結果、今やプラスチック材料及び製品は社会に必須のものとなっている。日本などの国におけるプラスチック製造は、年間およそ1500万トンに達し、その結果年間約900万トンの関連廃棄物が生じ、その内50%は、民生用固形廃棄物に関連する。
第一の局面においては、電気アーク炉でのフェロアロイの製造方法において、非塊状化炭素含有ポリマーを炉内に投入し、その結果該ポリマーがスラグ起泡剤としての機能を発揮する工程が提供される。
―炉にフェロアロイの供給原料を投入する工程;
―炉の中の供給原料を加熱して溶融状態にし、合金/供給原料の溶融表面上にスラグを形成する工程;及び
―スラグ発泡剤として機能する非塊状化炭素含有ポリマーを炉に投入する工程、である。
―スラグ中の各種金属酸化物の化学的還元を惹起してフェロアロイを製造すること;、
その結果得られた鉄及び炭素の合金を加炭・復炭すること、である。
―所定のポリマーのスラグ発泡能力を反映するパラメータの数値を導出する工程;、
そのパラメータを一つ又はそれ以上の他のポリマーから導出された一つ又はそれ以上のパラメータ数値と比較する工程;
これらのパラメータ数値から一定の範囲又は尺度を開発する工程、である。
EAFスチール製造に関する広範な研究において、溶質炭素/固体炭素とスラグとの化学反応が、スラグ発泡のプロセスを惹起することが認められたのである。スラグ発泡は、スラグ中での炭素による鉄酸化物の還元の結果惹起されるCOガス生成によって、また炭素の酸化によって生起するものであった。スラグ発泡は、炭素供給材料の性質に強度に依存すること而も高温におけるかかる供給材料の特性がスラグ発泡現象を支配することが認められた。
フェロアロイの製造方法の非制限的な実施例を以下に説明する。
スラグ発泡を検討するために、静滴下(sessile drop)アプローチを用いて実験室規模の水平管抵抗炉において先ずスラグ/炭素相互作用を検討した。実験構成の概略図を図1に示す。スラグの使用重量は、〜0.20gであった。最初に試料を試験片ホールダー上に保持した。この試験片ホールダーは、ステンレススチール棒を用いて炉の高温ゾーンの中心に押出すことが出来るものであった。
グラファイト/スラグ系:グラファイト/スラグ系におけるスラグ発泡についての予備的な結果を図2Aから図2Fに時間の関数として示す。
動作・運転中のEAFのプラント動作・運転データの分析から、コークス注入量を増加すると、酸素消費量が増加することが判明したが、投入スチール1トン当りの電力消費量においては何らの明確なパターンは得られなかった。
1.液体鉄への炭素溶解の動力学は、炭素質材料の性質に強く依存した。例えば、コークスに対する溶解速度定数はグラファイトに対するものよりも小さかった。
2.実施例1のグラファイト/スラグ系及びコークス/スラグ系の結果から、グラファイトによるスラグ発泡の速度及び程度が、コークスよりもかなり高いことが判明した。
3.炭素/スラグ相互作用の動力学は、溶質炭素及びコークスに対してかなり異なることが予期され、その結果スラグ発泡挙動に幅広い変化がもたらされた。
本発明者らは次に、伝統的な炭素供給源の少なくともいくつか(例、コークス)の代わりにEAFプロセスに廃プラスチックを添加することをテストした。下記する原材料を集めて、EAFに供給する原材料をシミュレーションした。
以下の炭素質材料、プラスチック及びスラグを用いてスラグ発泡比較実験を行なった。
静滴下実験を行なうために図1の水平炉を用いた。セラミック炉管の寸法は、内径がΦ50mm及び長さが1000mmであった。アルミナ又はグラファイト製の試験片ホールダーは、炉カバーを通じて管に挿入した。この装置は、炉が所望の温度、この実施例においては典型的には1550℃まで加熱されないうちは試料が炉の低温ゾーンに保持されることを可能にするものであった。
スラグ発泡を検討するために、最初に水平管抵抗炉においてスラグ/炭素相互作用を検討した。炉の高温ゾーンにおいて所望の温度(1550℃)が達成されて平衡に達するまで、スラグ/炭素集合体を炉の低温ゾーンに保持した。次いで集合体を所望の温度の高温ゾーンに挿入した。この手順によって、より低温において起こり得る、目的の温度において研究されるべき現象に影響し得るあらゆる反応が排除された。実験の継続時間にわたって炉管はアルゴンでパージした。
この実験を行なうことによって、スラグ中の鉄酸化物と、炭素質材料:グラファイト、グラファイト/プラスチック残さ混合物及びコークスとの反応によって惹起されるスラグ発泡挙動を検討した。典型的な画像を図4Aから図4Cに示す。
グラファイト/プラスチック混合物の調製プロセス
滴下管炉(DTF)を用いてプラスチック−グラファイトブレンドの高温気相反応を行なった。図5に滴下管炉を概略的に示す。
スラグと炭素質材料との反応に付随するEAFスラグ発泡現象
廃プラスチックの燃料効率を検討することによって、EAF又はその他の非高炉型式の炉における燃料としての廃プラスチックの適合性をテストした。実施例4と同じ条件を用いて、図5の滴下管炉(DTF)を用いて燃焼効率を評価した。各テスト実施の前後(即ち各試料がDTFに通された後)に試料の%Cを求めた。炭素含有量の求めるためにLECO炭素含有量分析器を用いた。
フェロアロイ製造における加炭・復炭剤としての廃プラスチックの機能を検討するために、図11に概略的に示されるような実験室規模の誘導電気炉において炭素質残さの炭素溶解を検討した。
コークス/プラスチック混合物の燃焼効率
コークス及びそのプラスチック(50wt%まで)との混合物を、20%のO2を含有する酸化性雰囲気の中で1200℃にてDTF中で燃焼させた。供給速度は、おおよそ0.0278g/sであった。炭素質残さを集めてその炭素含有量を測定した。DTFでの燃焼に際して灰の無視出来る損失があることを想定して、燃焼効率ηを次のように算出した。
炭素質残さでのスラグ発泡
DTFにおける燃焼後のコークスとプラスチックの混合物からの炭素質残さを9トン/cm2荷重下でプレスしてさいころ型に成型し、スラグ発泡実験に対する基体として用いた。所望の温度に達した後、スラグが溶融し始め、スラグ中に存在する鉄酸化物は、炭素質基体との反応を開始して、CO及びCO2ガス並びに金属鉄を生成した。スラグ相を通過したCO及びCO2ガスの放出によって、スラグ発泡が惹起されるのである。反応プロセスは、CCDカメラを用いてモニターされ、更なる画像分析のためにDVDディスクに記録された。図15は、スラグと30%プラスチック+70%コークスの混合物との反応の典型的な画像を示す。スラグが溶融した後、直ちにガス泡がスラグ相を通過して放出されることが観察された。ガスバブルの生成及び破裂のため、スラグ小滴が基体上を活発に転がり回った。約600秒後、ガス生成が相当程度減少するに伴って、スラグ小滴は徐々に沈静化した。
図4に示されるように、実施例3に記載されたものと同様の実験手順において、コークス/スラグ系及び50%コークス/50%プラスチック/スラグ系の発泡特性を検討した。この場合のプラスチックは、高密度ポリエチレン(HDPE)であり、その粒径は、100マイクロメートルより小さかった。スラグは実施例5のものと同様であり、二つの系に対してそれぞれ0.078グラム及び0.092グラムのスラグを用いた。試験実施が異なる時間に行なわれたため、スラグの重量は全く同じではない。しかし、この重量差は実験結果に影響しない。
本発明者は、プラスチックのフェロアロイ製造における再使用及び他の非高炉タイプの炉における可燃性燃料としての再使用に対する適合性を示す指数(index)を着想し,提案したのである。この指数は、プラスチックのグリーンインデックス(Green Index for Plastics)(又は“GIP”指数)と称するものであった。本発明者は、この指数が、プラスチックの再利用性に関するものとして一般的な意味で使用され而もGIP指数として公知となり得るものと考えたのである。
Claims (10)
- 下記の工程からなる、電気アーク炉によってフェロアロイを製造する方法:
(a)フェロアロイの供給原料を炉に投入する工程;
(b)炉の中の供給原料を加熱して溶融状態にし、合金/供給原料の溶融表面上に溶融スラグを形成する工程;および
(c)スラグの容積が持続されるように、原子炭素、水素および選択的に酸素を含む廃プラスチック中の炭素によるスラグ中の酸化鉄の還元および上記廃プラスチック中の炭素の酸化によって一酸化炭素ガスを生成することによって上記廃プラスチックがスラグ発泡前駆物質として機能するように、上記廃プラスチックを溶融スラグ中に投入してスラグを発泡させる工程。 - 前記廃プラスチックが、投入されることによって炉の中で燃焼して溶融合金/供給原料に熱エネルギーを放出し且つスラグを発泡させる薬剤を生成する、請求項1に記載の方法。
- スラグを発泡させること以外に、廃プラスチックは、スラグ中の各金属酸化物の化学還元を惹起してフェロアロイを生成させること、及び/又は、得られた鉄と炭素の合金を加炭・復炭すること、を特徴とする請求項2に記載の方法。
- 付加的な炭素供給源が炉に投入される、請求項1に記載の方法。
- 付加的な炭素供給源が、石炭、コークス、炭素木炭、木炭及び/又はグラファイトである、請求項4に記載の方法。
- 前記廃プラスチックと付加的な炭素供給源が、1:1の重量比で炉に投入される、請求項4に記載の方法。
- 前記廃プラスチックが、本質的に原子C、H及び選択的にOからなる、請求項1に記載の方法。
- 前記廃プラスチックが、ポリマー粒子の形状で炉に投入される、請求項1に記載の方法。
- 製造されるフェロアロイがスチールである、請求項1に記載の方法。
- 電気アーク炉によるフェロアロイの製造に廃プラスチックをスラグ起泡剤として用いる、請求項1に記載の方法。
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