JP5817156B2 - 鉄分及び水分を含有する粉状物の塊成化方法 - Google Patents

Description

本発明はダスト、スラッジ等の鉄分及び水分を含有する粉状物を塊成化して、竪型炉、特に鉄スクラップを溶解する炉に装入し、炉内において還元・溶融せしめ溶銑として回収する際に用いる、鉄分及び水分を含有する粉状物の塊成化方法に関する。

竪型炉では、金属鉄および／または酸化鉄等の鉄分を含有する物質と熱源および還元材として働く物質を炉頂より装入し、炉下部から空気または酸素富化した空気を常温または高温にして吹き込み、熱交換および／または還元反応を生じさせ、溶融した銑鉄を製造している。

鉄分を含有する物質としてたとえば塊状の鉄鉱石、粉状の鉄鉱石を焼結したいわゆる焼結鉱、粉状の鉄鉱石を造粒したペレットなどの酸化鉄を主体としたものや、鉄スクラップや還元鉄など金属鉄を主体としたものを用いることができる。

熱源あるいは還元材としては広く一般にコークスが用いられるが、補助として微粉炭や廃プラスチックを送風に同伴させて吹込むことも実施されている。

鉄分を含有する物質として、前述のものの他に、製鉄所で発生する鉄分を含むダストを塊成化して炉頂より装入することもできる。塊成化したダストは、時間と共に炉下方の高温領域に降下していき、還元性のガス（ＣＯガス）またはコークスと接触して還元・溶融反応が進み、溶融銑鉄（以下、「溶銑」と記載する。）を得ることが可能である。塊成化する理由は、竪型炉では炉下部から炉頂に向かうガスの流れがあり、粉体のままでは炉頂装入したダストの一部または全部がガス流に同伴して炉外に排出されてしまい、溶銑を得ることができないためである。

このように、製鉄の工程で発生する鉄分を含むさまざまなダストを塊成化しキュポラなど竪型炉に装入して、鉄源を回収してリサイクルする方法が古くから検討されており、たとえば特許文献１が開示されている。

特許文献１に記載の方法は、酸化鉄粉に所定の生石灰または消石灰を配合し、必要に応じて炭質物粉を配合し１ペレットあたりの圧潰強度が２０ｋｇ以上になる期間、炭酸ガス含有気流中で養生して、高強度なペレット（塊成化物）を短期間で製造する技術である。

また、製鋼湿ダストを焼結鍋等に投入して充填層を形成し、充填層の一端を着火または自然発火により昇温して酸化発熱の開始面とし、空気を酸化発熱の開始面から酸化発熱の終了面へ通風して製鋼湿ダストを塊成化する方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開昭４８−２３６１３号公報 特開平０７−９０３９５号公報

Horsfield, H.T. 「J. Soc. Chem. Ind」５３、１９３４年、ｐ．１０７ 大竹一友、藤原俊隆著 「燃焼工学」コロナ社 １９８５年、ｐ．１７２ 粉体工学の基礎編集委員会編 「粉体工学の基礎」日刊工業新聞社 １９９２年、ｐ．３８ 石田恒雄著 「焼結材料工学」森北出版株式会社 １９９７年、ｐ．１２２

竪型炉でダスト塊成化物を使用して、その鉄分から溶銑を得るために重要なことは、塊成化物が十分な強度を有することである。強度の低い塊成化物は炉への装入前あるいは装入時さらには炉内において粉化し、ふたたびダストとして回収されてしまい、溶銑としての歩留まりが低くなるからである。さらに粉化により発生したダストが炉内に蓄積されると、充填層の空隙が埋まり、通気抵抗が高くなり送風圧力が上昇するため操業が不安定化したり、送風のためのエネルギー（電力コスト）が増大し経済的な操業ができないなどの問題が発生したりする。

特許文献１に記載の方法では、塊成化物の強度を向上させるために炭酸ガス雰囲気下での養生を必要とし、短期間で強度の向上が可能となる一方で、大気と遮断された養生室の建設が必要となり、設備コストが甚大であるという問題がある。

特許文献２に記載の方法では、既存の設備である焼結鍋等を利用して湿ダストを塊成化することができるが、塊成化の対象とするダスト中に金属鉄などの酸化発熱物質を含有しない場合には適用することができず、汎用性に劣るという欠点がある。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、湿ダスト等の鉄分及び水分を含有する粉状物を原料として、低コストでしかも高強度を有する塊成化物を製造可能として、竪型炉を用いて銑鉄を製造できる、鉄分及び水分を含有する粉状物の塊成化方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）鉄分と水分とを含有する粉状物の塊成化物を竪型炉に装入して金属鉄を回収する際に用いる粉状物の塊成化方法であって、
前記粉状物が少なくとも酸化鉄および／または水酸化鉄を鉄分として含有するものであり、
前記粉状物を直火型キルンを用いて乾燥し、該乾燥後の粉状物を塊状に成型して塊成化物とすることを特徴とする鉄分および水分を含有する粉状物の塊成化方法。
（２）前記直火型キルンのバーナー火炎の理論燃焼温度を１０００℃以上として前記粉状物を乾燥することを特徴とする（１）に記載の鉄分および水分を含有する粉状物の塊成化方法。
（３）鉄分および水分を含有する粉状物が乾燥状態で水酸化鉄を１５ｍａｓｓ％以上含有している場合、前記直火型キルン内壁の最高温度が８００℃以上となるように乾燥することを特徴とする（１）または（２）に記載の鉄分および水分を含有する粉状物の塊成化方法。

本発明によれば、湿ダスト、スラッジ等の鉄分及び水分を含有する粉状物を用いて、著しく高強度を有する塊成化物を製造できる。これにより前記粉状物を原料として用いた溶銑製造の歩留まりが向上し、経済的な操業を安定的に継続できる。

乾燥試験後の粒度分布測定結果を示すグラフ。 熱風型キルンの概略と内部のダスト・スラッジの挙動を示す図。 直火型キルンの概略と内部のダスト・スラッジの挙動を示す図。 バーナーの理論燃焼温度とスプレッドパラメーター（分布指数）との関係を示すグラフ。 直火型キルンの出口直前部分のキルン本体断面での温度分布の模式図。 水酸化鉄を含むダスト・スラッジの熱天秤による分析結果の一例を示すグラフ。 本発明の一実施形態を示す、粉状物の塊成化方法のフロー図。

本発明者らは、製鉄所で発生する鉄分及び水分を含有する粉状物の事前乾燥試験を種々繰り返し、その後に塊成化試験を実施して、製造した塊成化物の強度を調査して、直火型キルンで比較的高温で乾燥することにより著しく高強度の塊成化物が製造可能であることを見い出し、本発明を完成した。

一般に粉状物の圧縮成型を行う際には、粉状物の粒度分布が広い方が成型物の密度が大きくなり緻密化するために、成型物の強度は大きくなることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

そこで本発明者らは、対象となる鉄分及び水分を含有する粉状物の粒度分布を広くする方法について検討した。

ただし、ここでいう鉄分及び水分を含有する粉状物とは、湿ダスト、スラッジ等の、たとえば転炉ＯＧダストや圧延スラッジ、鋼片表面の酸洗廃液を中和沈殿した酸洗スラッジ、メッキ工程で発生する表面処理スラッジ等であり、鉄分を２０ｍａｓｓ％以上、水分を３０ｍａｓｓ％以上含有する粉状物である。これらの粒子は非常に狭い粒度分布を有している。たとえば転炉ダストについては製鋼工程において鉄に純酸素を吹き付け、銑鉄中の炭素を燃焼除去し溶鋼を製造する際に発生するダストであり、高温条件下で溶鋼が気化してその後冷却されて生成されることから、粒子径は１〜数μｍに集中した極めて微細かつ狭い粒度分布を有するものである。また酸洗スラッジについては、鋼片を圧延機で圧延して所定の厚さの鋼板を得るためにその前処理として表面に生成した酸化鉄を塩酸や硫酸等の酸で除去するが、その際に酸中に溶存する鉄イオンを中和沈殿させた際に生成するものであり、やはり数μｍ程度に集中した狭い粒度分布を有している。他に、製鉄所内の各工場から発生する環境集塵ダストなどもあるが、これら集塵は気流輸送により行われるため細粒のものが多く、基本的に粗粒のものは少なく、粒度分布は細粒側に偏っている。

一方、これらのダストやスラッジは最終的に湿状態で回収され、フィルタープレス等で脱水処理されるものの、その脱水後の水分は少ないものでも３０〜７０ｍａｓｓ％に達する。圧縮成型での材料の適正水分値は、材料の保水性に依存するが概ね１０〜２５ｍａｓｓ％であり、事前に乾燥工程が必要となる。

乾燥工程で用いる乾燥機には複数の種類があり、連続処理可能なものとしてキルン型のものが知られている。さらに熱源として蒸気を用いるものや、別に熱風発生炉を持ちキルン内に数百℃の熱風を導入して乾燥するものなどさまざまである。本発明者らは、直火型のキルンで鉄分及び水分を含有する粉状物を強加熱し、鉄分及び水分を含有する粉状物の一部を焼結させることで粗粒物を生成させて、粒度分布を広くすることができ、これにより製造される塊成化物の強度が向上できるのではないかと考えた。

バーナー火炎で加熱するタイプの直火型キルンであれば、燃料として重油等の液体燃料や、ＬＮＧ等の気体燃料を使用可能である。また、本発明で用いる直火型キルンの燃料には、ＲＰＦ、廃プラスチック等を混合することも可能である。

また、直火型キルンにおけるバーナーの位置は、バーナーが粉体供給側に有る並流タイプであっても、粉体出口側に有る向流タイプであっても、本発明に使用可能である。一般に、向流タイプでは熱効率が高く、所用熱量が小さくて経済的であるが、一方で、有機物を含む物質を処理する場合、一旦揮発した有機物が燃焼ガスに同伴され温度が低下するとキルン内での固着トラブルを起こす場合がある。したがって、粉状物中の有機物含有量に応じて、並流タイプ、あるいは向流タイプを選択することが好ましい。

上記の知見に基づき、実際に乾燥試験を実施し、その粒度分布の測定を行った。その一例を以下に示す。表１に試験に用いたダスト（転炉ＯＧダスト）、スラッジ（酸洗スラッジ）の組成を示す。

ダストとスラッジとを質量比１：２で混合して、熱風型キルン（熱風式乾燥機）を用いて熱風温度５５０℃で、または直火型キルンを用いてバーナー火炎の理論燃焼温度１５００℃で乾燥させて、乾燥後の粒度分布を測定した。尚、ダストとスラッジとの質量比は製鉄所における発生比率に合わせている。また、理論燃焼温度とは断熱火炎温度のことであり、これは、未燃燃料の組成と初期温度が与えられているとき、この未燃燃料を等圧下でしかも外界との間に断熱状態で燃焼させるときに得られる平衡ガス温度である（例えば、非特許文献２参照。）。図１に乾燥試験後の粒度分布測定結果を示す。

熱風型キルンで乾燥させたものと直火型キルンで乾燥させたものとを比較すると、直火型キルンで乾燥させたダストとスラッジの混合物（以下、「ダスト・スラッジ」と記載する。）の粒度分布は、熱風型キルンによる粒度分布に比較して広くなることが確認された。これは図２、図３に示す機構によるものと推定される。

図２は熱風型キルンの概略図と内部のダスト・スラッジの挙動を、図３は直火型キルンの概略図と内部のダスト・スラッジの挙動を示している。熱風型キルン１において、乾燥前のダスト・スラッジは水分により凝集・造粒されて擬似粒子２となっているが、熱風型キルン１で熱風３により乾燥が進むと擬似粒子２が崩壊し比較的均一で細粒に偏った狭い粒度分布の粒子４になりやすい。一方、直火型キルン７で強熱されたダスト・スラッジの擬似粒子２は乾燥が進むと共に、一部粒子間での固相焼結が生じ、粗粒物８が生成され粒度分布が広がると考えられる。

次に、直火型キルン７で粗粒物８を得るために必要な温度について検討した。たとえば非特許文献４に記載されているように、無加圧の条件で酸化物粉体を焼結するためには一般に焼結温度は融点の９０％が選択されている。本発明で用いられる材料は鉄系のダスト・スラッジであり、高温領域では水酸化鉄は分解（脱水）して酸化鉄を主たる成分とすることから、酸化鉄の融点（ＦｅＯ：融点１６４３Ｋ）の９０％である１４７９Ｋ、したがって１２０６℃付近に臨界値があるものと考え、１２０６℃付近で以下の実験を繰り返し行った。

図４は、直火型キルンのバーナーの燃焼条件を空燃比を変えることで変化させて、バーナー火炎の理論燃焼温度が乾燥後のダスト・スラッジの粒度分布に及ぼす影響を調査した結果である。直火型キルンは、直径４．１ｍ、長さ２０ｍのキルンを用い、重油バーナーが粉体入口側に有る、並流タイプのキルンを用いた。

粒度分布の広がりは、実測の粒度分布をロジン・ラムラー（Rosin-Rammler）分布（例えば、非特許文献３参照。）で近似し、そのスプレッドパラメーター（分布指数）を求めその大きさで評価した。スプレッドパラメーターの数値が小さいほど粒度分布の広がりが大きいといえる。

図４によれば、理論燃焼温度が９００℃を超えると急激に粒度分布が広がりはじめ（粒子間の固相焼結が始まることに対応）、１０００℃以上の温度では粒度分布が広がる効果の増加は緩慢となった。したがってダスト・スラッジの粒度分布幅を広げ、成型物の密度を大きくし高強度を得るためには、理論燃焼温度１０００℃以上でバーナーを燃焼させればよいことがわかる。必要な理論燃焼温度が酸化鉄の融点の９０％である１２０６℃よりも小さくなった理由は、第一に理論燃焼温度はバーナー火炎の温度の平均値を示しているにすぎず、バーナー火炎には温度の分布があり、１０００℃よりも高い温度になっている部分もあれば低い温度になっている部分もあるが、一部にせよ１２０６℃程度の温度が酸化鉄に伝えられれば、焼結による粗大粒化が進行することが挙げられる。第二に、非特許文献４に記載された融点の９０％の焼結温度はセラミックス材料など高強度材料の焼成温度であり、本発明のダスト・スラッジ粒子の焼成による粗大粒化においては、焼結の程度は軽度で良いため、より低温側で効果が発現したと推定される。尚、直火型キルンにおいてバーナー火炎の理論燃焼温度を１０００℃以上とするとは、理論的に燃焼温度が１０００℃以上となるような条件でバーナーに燃料と空気等とを供給することを意味する。本発明において、実測温度ではなく理論燃焼温度を採用したのは、熱電対などの接触式温度計を用いて火炎温度を実測した場合、測定位置による温度の違いが極めて大きいこと、また放射温度計などの非接触式温度計で火炎温度を実測した場合、キルン内の粉塵等に妨害されて測定値がばらつき真の温度を計測することが困難なためである。一般に、理論燃焼温度は、熱損失による影響を受け易いため、真の温度よりも若干低位になる傾向があるが、本発明に必要なバーナーの燃焼温度を規定する手段としては最も誤差が小さく適しているものと考える。

図５に、直火型キルンの出口直前部分のキルン本体１１の断面での温度分布を模式的に示す。図５中の矢印はキルン本体の回転方向を示し、点線は等温線を表している。キルン本体１１内で乾燥されるダスト・スラッジ１２の温度分布は中心部のバーナー火炎に近いほど高くなっており、キルン本体１１の壁面に近い部分では温度が低い。ダスト・スラッジ１２の粒度分布を広げるためには、一部のダスト・スラッジが焼結すれば良いため、キルン本体１１内に温度分布があっても問題はない。ただし、ダスト・スラッジ１２中の鉄分が水酸化鉄を１５ｍａｓｓ％以上含有する場合には注意が必要である。図６に、水酸化鉄を含むダスト・スラッジである酸洗スラッジの熱天秤による分析結果の一例を示す。図６の縦軸の質量変化は、ダスト・スラッジにおける加熱後の質量を加熱前（１０５℃で２ｈｒ事前乾燥後）の質量で除した数値である。ダスト・スラッジはさまざまな不純物を含んでおり、加熱の過程で質量が減少していく。最終的に下記（ａ）式で示される水酸化鉄の脱水反応が生じ、
２ＦｅＯ（ＯＨ） → Ｆｅ₂Ｏ₃ ＋ Ｈ₂Ｏ ・・・（ａ）
８００℃以上の温度で質量減少は停止する。

このことは、常温でダスト、スラッジ等の鉄分及び水分を含有する粉状物の高強度の塊成化物を製造しても鉄分及び水分を含有する粉状物の事前加熱が不十分な場合、竪型炉内で成型物が加熱昇温される段階で上記（ａ）式の反応で脱水反応を生じ、そのために亀裂、破壊を生じることを示唆している。下記の実施例で詳述するが、水酸化鉄の含有量が１５ｍａｓｓ％未満の鉄分及び水分を含有する粉状物の塊成化物を竪型炉に装入した場合では大きな問題は無いが、水酸化鉄の含有量が１５ｍａｓｓ％以上の粉状物の塊成化物を竪型炉に装入した場合には、高温での粉化率が大きくなり竪型炉の操業に影響を及ぼすようになる。したがって、水酸化鉄の含有量が１５ｍａｓｓ％以上の鉄分及び水分を含有する粉状物を用いる場合は、すべての鉄分及び水分を含有する粉状物を（図５に示すような温度分布の内、最低部分の温度でも）８００℃以上に加熱しておくことが好ましいことになる。尚、上記における水酸化鉄の含有量は水分を除いた粉状物に対する水酸化鉄の含有比率である。

以上のように、鉄分及び水分を含有する粉状物を、直火型キルンでバーナー火炎の理論燃焼温度１０００℃以上で加熱して乾燥し、粒度分布の広がりを大きくすることで、粉状物を用いて製造する塊成化物の密度を向上させて、高強度化することができる。乾燥状態での粉状物が水酸化鉄を１５ｍａｓｓ％以上含有する場合は、粉状物の全体を８００℃以上で加熱することが好ましい。

粉状物の全体を８００℃とするためには、粉状物の温度の実測が必要であるが、上述のように粉状物は中心に近いほど高温になっていることを考慮すれば、キルンの内壁温度を測定し、その温度が８００℃以上となっていれば、粉状物の最低温度は８００℃以上になっていると考えることができる。具体的には図３に示す熱電対９ａ〜９ｄのように、キルン７の長手方向に複数の温度計を設置して温度測定を行い、その最高温度が８００℃を超えるようにすればよい。キルン７に熱電対等の温度センサーの設置がなく内壁温度の測定が困難な場合は、乾燥後のダスト・スラッジをサンプリングし、前述のような熱天秤測定を実施し、８００℃前後での質量減少を定量し、質量減少の無い場合はキルン内壁温度は８００℃に達しており、質量減少がある場合はキルン内壁温度は８００℃に達していないと判断することもできる。

塊成化物は、乾燥後の粉状物に、例えば、水硬性バインダーと酸化鉄を還元するための炭素材と水とを混合して、成形機を用いて圧縮成型して製造される。塊成化物はその後、水硬性バインダーの硬化のための養生設備で養生する。

塊成化物のサイズについては、小さすぎると竪型炉の通気を阻害し、大きすぎると塊成化物内部の昇温が遅れ還元不良や溶解不良を生じる。このため、球状であれば直径１０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下のものが好適に使用可能であり、より望ましくは直径５０ｍｍ以上、２００ｍｍ以下のサイズとする。また形状は必ずしも球体である必要は無く、立方体や直方体あるいは多面体など各種形状のものが使用可能である。これらの球体以外の場合は、その容積が前述の球体の場合の範囲（０．５ｃｍ³以上、６５０００ｃｍ³以下、望ましくは６５ｃｍ³以上、４２００ｃｍ³以下）となるようにすれば良い。

水硬性バインダーとしては、ポルトランドセメント等のセメントを用いることが好ましい。他に、セメントの一部または全量を高炉セメントやアルミナセメント、生石灰などで置換することもできる。また必要に応じ硬化速度調整剤や、界面活性剤、ベントナイト等を用いても良い。

炭素材としては、コークス粉を用いることが好ましい。コークス粉の他にも、無煙炭など炭素を含むものであれば大きな制約無く使用できるが、望ましくは揮発分が少なく粒度は３ｍｍ以下程度のものを選ぶようにする。高揮発分の石炭粉や、廃プラスチック粒子等は、揮発分が多くなると竪型炉内で加熱昇温された際にガス化して、塊成化物に亀裂を生じせしめ強度を低下させる原因となり、また、酸化鉄の還元は固体炭素と酸化鉄が接触している面で生じやすく、ガス相では生じにくいため還元材としての効果が小さいが、使用は可能である。炭素材の粒径として３ｍｍ以下が好ましい理由は、塊成化物中に大きな炭素材が存在するとその部分から亀裂が生じ、強度を低下させる原因となりうることによる。

塊成化物の成形に用いる成形機には、たとえばブリケットマシンと呼ばれる双ロール型のものや、一方向からプレス成型するもの、あるいはプレス中に振動を加えて材料の圧密性を向上させた振動成型などさまざまな種類のものを用いることができ、特に限定されるものではない。また、振動と圧縮を組み合わせた成型方法を用いることも可能である。塊成化物の養生は、セメントの硬化を促進するため蒸気による加熱と加湿で行うことが好ましいが、必ずしも加熱と加湿を行う必要はなく、常温、大気雰囲気下での養生でも良い。

本発明で鉄分及び水分を含有する粉状物を塊成化して装入し、還元・溶融して溶銑として金属鉄を回収する竪型炉としては、竪型の還元炉を用いることが好ましく、キュポラ炉、高炉、スクラップ溶解炉、等を用いることができる。

以下、本発明の一実施形態を図７を用いて説明する。

図７に、鉄分及び水分を含有する粉状物の塊成化方法のフロー図を示す。鉄分及び水分を含有する粉状物２１は、通常発生元の違い等により、組成の異なるものが複数種類存在するため図中では２１ａ、２１ｂとして図示したが、１種であっても２種以上の複数種類であっても良い。これを直火型キルンを用いた乾燥機７に送り、乾燥するとともに熱分解（脱水反応）および一部粉状物の固相焼結を行う。原料槽２２は成型のためのセメント槽２２ａ、乾燥後の鉄分及び水分を含有する粉状物を貯留するダストスラッジ槽２２ｂ、別種類の乾燥後の鉄分及び水分を含有する粉状物を貯留するダストスラッジ槽２２ｃおよび還元用の炭材槽２２ｄからなる。複数種類のセメントや３種以上の鉄分及び水分を含有する粉状物を使用する場合には、必要に応じて原料槽２２を増加させても良い。これらの塊成化物成型用原料は、定量切り出しおよび搬送装置２３を経て、ミキサー２４へ所定量投入され、さらにミキサー２４において所定量の水２５が添加される。この水２５は水硬性バインダーであるセメントを硬化させるために加えられる。その後セメント、水、炭材の混合された乾燥後の鉄分及び水分を含有する粉状物は成形機２６において圧縮成型されて塊成化物となり、セメントの硬化のための養生設備２７に運ばれる。成形機２６はたとえばブリケットマシンと呼ばれる双ロール型のものや、一方向からプレス成型するもの、あるいはプレス中に振動を加えて材料の圧密性を向上させた振動成型などさまざまな種類のものが考えられるが、特に限定されるものではない。養生設備２７はセメントの硬化を促進するため蒸気２８により加熱と加湿を行うことが好ましいが、必ずしも加熱と加湿を行う必要はなく、常温、大気雰囲気下での養生でも良い。養生後の塊成化物は分級機２９により篩い分けられ篩上３０が製品として竪型炉（図示せず。）で使用され、篩下（おおむね５ｍｍアンダー）は篩下回収ライン３１により再びミキサー２４へ供給され再利用される。

次に、実際にダスト・スラッジの塊成化物を製造し、竪型炉（鉄スクラップ溶解炉）において使用した結果について示す。

表１に、塊成化物の製造に用いた各原料の化学組成の一覧を示す。

用いた転炉ＯＧダストは全鉄量（Ｔ．Ｆｅ）が８３．９ｍａｓｓ％と非常に高く鉄源として有効である。表１の右端に水酸化鉄の含有割合を示しているが、これは別途実施したＸ線回折試験により、水酸化鉄のピーク面積と標準試料（水酸化鉄含有量が既知である粉体）のピーク面積の比較から算出したもので、全鉄量中での割合である。転炉ＯＧダストでは金属鉄および酸化鉄の回折ピークが観測されたが水酸化鉄のピークは観測されなかったため、水酸化鉄の含有率は０ｍａｓｓ％とした。

酸洗スラッジとは前述したように圧延の前に鋼片表面に生成した酸化鉄を塩酸や硫酸等の酸で除去した際に酸中に溶存する鉄イオンを中和沈殿させた際に生成されたものである。Ｘ線回折試験の結果によれば水酸化鉄のピークが強く観測され、鉄分の大部分が水酸化鉄であることがわかった。

水硬性バインダーとしてはポルトランドセメントを用いた。酸化鉄を還元するための炭素材として、コークス粉を用いた。

直火型キルン（試験Ｎｏ．１０のみ熱風型キルン）を乾燥機として用いて転炉ＯＧダストと酸洗スラッジとを別々に乾燥後に、図７に示す塊成化工程により、表１に示す原料を、表２に示す条件で配合し、プレス成型で容積が約１０００ｃｍ³の四角柱の塊成化物を製造し、大気雰囲気下で５日間養生した塊成化物を竪型炉に装入してＮｏ．１〜１０の操業試験を行った。各試験の操業条件と操業成績とを表２に併せて示す。

試験Ｎｏ．１は本発明例であり、乾燥機のバーナー理論燃焼温度を１０００℃以上、キルン内壁の最高温度を８００℃以上とした場合である。バーナーの理論燃焼温度を１０００℃以上としたことで、乾燥機内でダストやスラッジが一部焼結して粒度分布が広くなることにより、圧縮成型時の圧密性が改善し製品の塊成化物が高強度となった。３日養生後の圧縮強度は１４．３ＭＰａと十分に強く竪型炉の操業も順調であった。

試験Ｎｏ．２も本発明例であるが、酸洗スラッジの配合量が多く、したがって水酸化鉄の含有割合が高い場合である。バーナーの理論燃焼温度を１０００℃以上としたことで、乾燥機内でダストやスラッジが一部焼結して粒度分布が広くなることにより、圧縮成型時の圧密性が改善し製品塊成化物が高強度となった。３日養生後の圧縮強度は１４．１ＭＰａと十分に強い。また、水酸化鉄含有量が１５ｍａｓｓ％を超えるため、竪型炉内で昇温された場合水酸化鉄の脱水反応による形態変化に起因する亀裂生成・粉化が懸念されたが、キルン内壁の最高温度を８００℃以上とすることにより成型前に脱水反応を完了させたため、竪型炉の送風圧力が増大することなく順調に操業することが可能であった。

試験Ｎｏ．３も本発明例であり、バーナーの理論燃焼温度は１０００℃以上であるが、水酸化鉄の含有量が１４．２ｍａｓｓ％と１５ｍａｓｓ％よりも低く、キルン内壁の最高温度を２１０℃まで低下させた場合である。キルン内壁の最高温度はキルン内での原料の滞留時間により調整可能であり、原料の供給速度を上昇させることによりキルン内壁の最高温度を低下させた。バーナーの理論燃焼温度を１０００℃以上としたことで、乾燥機内でダストやスラッジが一部焼結して粒度分布が広くなることにより、圧縮成型時の圧密性が改善し製品塊成化物が高強度となった。３日養生後の圧縮強度は１４．２ＭＰａと十分に強い。また、水酸化鉄含有量が１５ｍａｓｓ％に満たないため、キルン内壁の最高温度を２１０℃まで低下させても竪型炉内での水酸化鉄の脱水反応による形態変化に起因する亀裂生成・粉化が顕著ではなく、竪型炉の送風圧力が増大することなく順調に操業することが可能であった。試験Ｎｏ．３のように、水酸化鉄の含有量が少ない場合はキルン内壁の最高温度をできるだけ低下させ、ダスト単位質量あたりの投入熱量を低下させることが乾燥コスト低減のために有効である。

試験Ｎｏ．４も本発明例であり、バーナーの理論燃焼温度は１０００℃以上であるが、水酸化鉄の含有量が３０．４ｍａｓｓ％と１５ｍａｓｓ％を超え、キルン内壁の最高温度が６８０℃と８００℃に満たない場合である。バーナーの理論燃焼温度を１０００℃以上としたことで、乾燥機内でダストやスラッジが一部焼結して粒度分布が広くなることにより、圧縮成型時の圧密性が改善し製品塊成化物が高強度となった。３日養生後の圧縮強度は１４．０ＭＰａと十分に強い。一方、キルン内壁の最高温度が低く乾燥時の水酸化鉄の脱水反応が不十分のため、竪型炉内で昇温された場合、製品塊成化物中の水酸化鉄が脱水反応を生じ亀裂生成・粉化が生じて、竪型炉の送風圧力およびコークス比が試験Ｎｏ．１〜３に対してやや増大したが、概ね順調に操業することが可能であった。

試験Ｎｏ．５も本発明例であり、バーナーの理論燃焼温度は１０００℃以上であるが、水酸化鉄の含有量が１６．７ｍａｓｓ％と１５ｍａｓｓ％を超え、キルン内壁の最高温度が６８０℃と８００℃に満たない場合である。バーナーの理論燃焼温度を１０００℃以上としたことで、乾燥機内でダストやスラッジが一部焼結して粒度分布が広くなることにより、圧縮成型時の圧密性が改善し製品塊成化物が高強度となった。３日養生後の圧縮強度は１４．１ＭＰａと十分に強い。一方、キルン内壁の最高温度が低く乾燥時の水酸化鉄の脱水反応が不十分のため竪型炉内で昇温された場合製品塊成化物中の水酸化鉄が脱水反応を生じ亀裂生成・粉化が生じるため竪型炉の送風圧力およびコークス比が試験Ｎｏ．１〜３に対してやや増大したが、概ね順調に操業することが可能であった。

試験Ｎｏ．６も本発明例であり、バーナーの理論燃焼温度は１０００℃以上であるが、水酸化鉄の含有量が２０．２ｍａｓｓ％と１５ｍａｓｓ％を超え、キルン内壁の最高温度が６８０℃と８００℃に満たない場合である。バーナーの理論燃焼温度を１０００℃以上としたことで、乾燥機内でダストやスラッジが一部焼結して粒度分布が広くなることにより、圧縮成型時の圧密性が改善し製品塊成化物が高強度となった。３日養生後の圧縮強度は１４．２ＭＰａと十分に強い。一方、キルン内壁の最高温度が低く乾燥時の水酸化鉄の脱水反応が不十分のため竪型炉内で昇温された場合製品塊成化物中の水酸化鉄が脱水反応を生じ亀裂生成・粉化が生じるため竪型炉の送風圧力およびコークス比が試験Ｎｏ．１〜３に対してやや増大したが、概ね順調に操業することが可能であった。

試験Ｎｏ．７も本発明例であり、バーナーの理論燃焼温度は１０００℃以上であるが、水酸化鉄の含有量が２４．８ｍａｓｓ％と１５ｍａｓｓ％を超え、キルン内壁の最高温度が６８０℃と８００℃に満たない場合である。バーナーの理論燃焼温度を１０００℃以上としたことで、乾燥機内でダストやスラッジが一部焼結して粒度分布が広くなることにより、圧縮成型時の圧密性が改善し製品塊成化物が高強度となった。３日養生後の圧縮強度は１４．０ＭＰａと十分に強い。一方、キルン内壁の最高温度が低く乾燥時の水酸化鉄の脱水反応が不十分のため竪型炉内で昇温された場合製品塊成化物中の水酸化鉄が脱水反応を生じ亀裂生成・粉化が生じるため竪型炉の送風圧力およびコークス比が試験Ｎｏ．１〜３に対してやや増大したが、概ね順調に操業することが可能であった。

試験Ｎｏ．８も本発明例であり、バーナーの理論燃焼温度は１０００℃以上であるが、水酸化鉄の含有量が３８．０ｍａｓｓ％と１５ｍａｓｓ％を超え、キルン内壁の最高温度が６８０℃と８００℃に満たない場合である。バーナーの理論燃焼温度を１０００℃以上としたことで、乾燥機内でスラッジが一部焼結して粒度分布が広くなることにより、圧縮成型時の圧密性が改善し製品塊成化物が高強度となった。３日養生後の圧縮強度は１４．３ＭＰａと十分に強い。一方、キルン内壁の最高温度が低く乾燥時の水酸化鉄の脱水反応が不十分のため竪型炉内で昇温された場合製品塊成化物中の水酸化鉄が脱水反応を生じ亀裂生成・粉化が生じるため竪型炉の送風圧力およびコークス比が試験Ｎｏ．１〜３に対してやや増大したが、概ね順調に操業することが可能であった。

試験Ｎｏ．９は比較例であり、バーナーの理論燃焼温度が１０００℃に満たない場合である。乾燥機内でダストやスラッジの焼結が期待できず、粒度分布が狭くなることにより、圧縮成型時の圧密性が悪く製品塊成化物が低強度となった。３日養生後の圧縮強度は７．２ＭＰａと非常に弱いものであった。このため、竪型炉へ装入された製品塊成化物が炉内で粉化し空隙を埋めるため送風圧力が大幅に増大し、操業を安定させるためにはコークス比を試験Ｎｏ．１〜３に対して大幅に（２割程度）増大させる必要があった。これにより銑鉄製造コストは大きく増大した。

試験Ｎｏ．１０も比較例であり、乾燥機に直火型キルンではなく、熱風型キルンを用いて熱風乾燥を行った場合を示す。熱風の温度は５５０℃であり、この温度では乾燥機内でのダストやスラッジの焼結が期待できず、粒度分布が狭くなることにより、圧縮成型時の圧密性が悪く製品塊成化物が低強度となった。３日養生後の圧縮強度は６．５ＭＰａと非常に弱いものであった。このため、竪型炉へ装入された製品塊成化物が炉内で粉化し空隙を埋めるため送風圧力が大幅に増大し、操業を安定させるためにはコークス比を試験Ｎｏ．１〜３に対して大幅に（２割程度）増大させる必要があった。これにより銑鉄製造コストは大きく増大した。

１ 熱風型キルン
２ 擬似粒子
３ 熱風
４ 細粒の粒子
５ ダスト・スラッジ入側
６ ダスト・スラッジ出側
７ 直火型キルン
８ 粗粒物
９（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ） 熱電対
１１ キルン本体
１２ ダスト・スラッジ
２１（２１ａ、２１ｂ） 鉄分及び水分を含有する粉状物
２２ 原料槽
２２ａ セメント槽
２２ｂ ダストスラッジ槽
２２ｃ ダストスラッジ槽
２２ｄ 炭材槽
２３ 搬送装置
２４ ミキサー
２５ 水
２６ 成形機
２７ 養生設備
２８ 蒸気
２９ 分級機
３０ 篩上
３１ 篩下回収ライン

Claims (2)

1. 鉄分と水分とを含有する粉状物の塊成化物を竪型炉に装入して金属鉄を回収する際に用いる粉状物の塊成化方法であって、
   前記粉状物が少なくとも酸化鉄および／または水酸化鉄を鉄分として含有するものであり、
   前記粉状物を、直火型キルンのバーナー火炎の理論燃焼温度を１０００℃以上とする直火型キルンを用いて乾燥し、該乾燥後の粉状物を塊状に成型して塊成化物とすることを特徴とする鉄分および水分を含有する粉状物の塊成化方法。
2. 鉄分および水分を含有する粉状物が乾燥状態で水酸化鉄を１５ｍａｓｓ％以上含有している場合、前記直火型キルン内壁の最高温度が８００℃以上となるように乾燥することを特徴とする請求項１に記載の鉄分および水分を含有する粉状物の塊成化方法。

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