JP2022137928A - 造粒物および造粒物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微粉状原料のリサイクルを高い生産効率で可能にする。【解決手段】廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料によって形成され、粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満であり、圧壊強度が３５ｋｇｆ以上７０ｋｇｆ以下である造粒物が提供される。また、廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料にバインダーおよび水を添加して混練物を生成する工程と、混練物を非圧縮成形して造粒物を生成する工程と、造粒物を粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満になるように篩分けする工程とを含む造粒物の製造方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、造粒物および造粒物の製造方法に関する。

近年、スラグやダストを含む廃耐火物の廃棄先の減少や廃棄コストの上昇、および製鉄用副原料の価格上昇により、これらの廃材をリサイクルする需要が高まっている。リサイクル先としては、例えば耐火物補修材、および造滓材またはスラグフォーミング鎮静剤のような精錬炉投入副原料などが知られている。このようなリサイクルに関する技術として、特許文献１には、耐火物のブロックを破砕し、必要に応じて篩い分けを行い、粒度を所定の範囲に調整した後、そのまま、製鋼精錬工程で発生するスラグフォーミングの鎮静剤として使用する技術が記載されている。また、特許文献２には、ＭｇＯを主成分とする廃耐火物を５ｍｍ以下に粉砕し、バインダーおよび水を添加および混練しブリケット状に成形してスラグ濃度調整剤を製造する技術が記載されている。

特開２００４－２９１５号公報 特開平１０－３１７０４０号公報

しかしながら、廃耐火物やスラグ、ダストなどの原料が微粉状である場合、耐火物補修材としてのリサイクルは難しい。また、特許文献１に記載されたように廃耐火物を精錬炉投入副原料として使用する場合は、比較的大きな粒径の廃耐火物が用いられる。廃耐火物やスラグ、ダストなどを微粉状のまま投入した場合は、炉内で発生するガス流によって巻き上げられ、排ガスとともに排出される割合が高くなる結果、十分な効果が得られないためである。特許文献２に記載されたように微粉状の原料をブリケット状に成形すれば精錬炉投入副原料として利用可能になるが、ブリケットの成形では混練された原料を型枠に入れて圧縮する工程が必要になるため、必ずしも生産効率が高いとはいえない。

そこで、本発明は、微粉状原料のリサイクルを高い生産効率で可能にする、造粒物および造粒物の製造方法を提供することを目的とする。

［１］廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料によって形成され、粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満であり、圧壊強度が３５ｋｇｆ以上７０ｋｇｆ以下である造粒物。
［２］バインダーとしてポルトランドセメントが添加されている、［１］に記載の造粒物。
［３］［１］または［２］に記載の造粒物を５０質量％以上含有するスラグフォーミング鎮静剤。
［４］［１］または［２］に記載の造粒物を５０質量％以上含有する造滓材。
［５］廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料にバインダーおよび水を添加して混練物を生成する工程と、混練物を非圧縮成形して造粒物を生成する工程と、造粒物を粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満になるように篩分けする工程とを含む造粒物の製造方法。
［６］原料含水率と添加水分率との合計が１３質量％以上１６質量％以下になるように原料に水を添加する、［５］に記載の造粒物の製造方法。
［７］バインダーはポルトランドセメントである、［５］または［６］に記載の造粒物の製造方法。
［８］混練物を生成する工程は、１分間以上の空混練工程を含む、［５］から［７］のいずれか１項に記載の造粒物の製造方法。
［９］造粒物を生成する工程は、造粒機のアーム回転方向を反転させる工程を含む、［５］から［８］のいずれか１項に記載の造粒物の製造方法。
［１０］２日間以上の乾燥工程をさらに含む、［５］から［９］のいずれか１項に記載の造粒物の製造方法。

上記の構成によれば、廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料について、原料が微粉状であっても所定の粒度および強度を有する造粒物に加工することによって、例えば精錬炉投入副原料などとしてリサイクルすることが可能になる。造粒物を非圧縮成形で形成するため、例えば圧縮成形によって造粒物を形成する場合に比べて生産効率を向上させることができる。

ペレットの最適な粒度分布について説明するための写真である。 各検討例におけるペレットの強度を示すグラフである。 各検討例におけるペレットの粒度分布を示すグラフである。 造粒後のペレットの乾燥期間と強度との関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、割合を示す％は、別途記載がない限り質量％を意味する。

本発明の実施形態では、廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む微粉状の原料から造粒物を製造する。本実施形態で用いられる原料は、例えば使用済みのアルミナ系耐火物とスラグとの混合物、または使用済みのドロマイトれんが屑とステンレスダストとの混合物であるが、これらの例には限られない。微粉状とは、粒径が５ｍｍ未満であることを意味するが、原料のすべてが微粉状でなくてもよく、微粉状ではない、すなわち粒径が５ｍｍ以上の原料が微粉状の原料とともに用いられてもよい。

本実施形態では、廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料の粒度分布を改善して、精錬炉への投入を可能にするとともに生産効率を向上させるために、バインダーとしてセメントおよび水を使用して原料をペレット状に成形する。ここで、ブリケットおよびペレットはいずれも造粒物であるが、ブリケットは圧縮成形された造粒物であり、ペレットは非圧縮成形された造粒物であるという点で異なる。つまり、本実施形態で原料をペレット状に成形する工程には、圧縮の工程は含まれない。これによって、本実施形態では、例えば原料を圧縮成形によってブリケット状にする場合に比べて生産効率を向上させることができる。なお、製造された造粒物が非圧縮成形されたペレットであることは、後述するように圧縮成形されたブリケットとの強度の違いによって識別することができる。

図１は、精錬炉投入副原料として使用されるペレットの最適な粒度分布について説明するための写真である。本発明者らは、原料をペレット状に成形して精錬炉投入副原料として利用するにあたり、最適な粒度分布を特定するための実験を行った。実験には使用済みの耐火物とスラグとの混合物をペレット状に成形したものを、３段階の粒度分布に篩分けしたものを用いた。図１（ａ）に示す例では粒度ｄが５ｍｍ未満、図１（ｂ）に示す例では粒度ｄが５ｍｍ以上２５ｍｍ未満、図１（ｃ）に示す例では粒度ｄが３０ｍｍ以上５０ｍｍ未満である。３種類のペレットを転炉で各々３０チャージ程度、スラグフォーミング鎮静剤として使用した結果を表１に示す。

転炉ではスラグフォーミングの鎮静が不十分だと出鋼が１回では完了せずに再度の出鋼が必要になるため、１チャージあたりの平均出鋼回数で鎮静剤のスラグ鎮静効果を評価することができる。表１に示された結果において、粒度ｄが５ｍｍ未満の場合は平均出鋼回数が１．８回であり、ほとんどのチャージで２回以上の出鋼が必要になっている。これに対して、粒度ｄが５ｍｍ以上２５ｍｍ未満、および粒度ｄが３０ｍｍ以上５０ｍｍ未満の場合には平均出鋼回数が１．１回であり、ほとんどのチャージで１回で出鋼が完了している。この結果から、粒度ｄが５ｍｍ未満の場合には、スラグフォーミング鎮静剤として投入されたペレットの大部分がガス流によって巻き上げられて湯面に到達せず、スラグ鎮静効果が不十分であることがわかる。従って、本実施形態では、粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の造粒物が得られるようにペレットの製造条件を最適化する。

本実施形態において、造粒物としてペレットを製造する方法は、原料にバインダーおよび水を添加して混練物を生成する工程と、混練物を非圧縮成形してペレットを生成する工程と、ペレットを粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満になるように篩分けする工程とを含む。ペレットの製造条件の最適化にあたっては、篩分けする工程において粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満のペレットの歩留まりが十分に高くなるように、混練および造粒の工程における製造条件を検討した。

表２に、検討例におけるペレットの製造条件を示す。Ｎｏ．１～Ｎｏ．９のそれぞれにおいて、使用した原料は使用済みのアルミナ系耐火物とスラグとの混合物であり、原料の粒度は５ｍｍ未満である。ペレットの成形には混練機および造粒機の機能を備えたペレタイザー（ペレガイア（登録商標）ミキサー）を使用し、原料とバインダーおよび水との混練ならびに造粒を一連の工程として実施した。バインダーとしてはポルトランドセメントを使用し、バインダー量（原料に対する外掛け）を５％～１５％の範囲で変化させた。また、水分添加量は原料含水率と添加水分率との合計である合計含水率によって設定し、合計含水率を１２％～１７％の範囲で変化させた。ここで、含水率はバインダーを含まない原料および水について算出される。混練工程における空混練、すなわち水を添加する前のバインダーと原料との事前混練は、通常は１５秒間で実施されるが、Ｎｏ．６およびＮｏ．９では１分間で実施した。また、ペレガイア（登録商標）ミキサーにおける造粒時のアームの回転については、通常の場合は１方向に一定の速度で回転させるが、Ｎｏ．７では１方向に回転させながら造粒工程の後半で回転速度を低速に変更し、Ｎｏ．８およびＮｏ．９では一定の速度で回転させながら造粒工程の後半で回転方向を反転させた。

図２は、各検討例におけるペレットの強度を示すグラフである。表２に示した各検討例において、造粒工程で得られたペレットを、粒子間の接着を防ぐためのほぐし工程を挟んで２日間～３日間にわたって乾燥させた後で、ＪＩＳ Ｚ８８４１に規定されるように圧壊強度試験機を用いて圧壊強度を測定した。図２のグラフに示された結果において、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２およびＮｏ．３を比較すると、合計含水率が１４％であるＮｏ．２の強度が、合計含水率がそれぞれ１２％および１７％であるＮｏ．１およびＮｏ．３の強度を上回っており、合計含水率を適切な範囲に設定することによってペレットの強度が向上することがわかる。また、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４およびＮｏ．５を比較すると、バインダー量（外掛け）が５％のＮｏ．４の強度よりも１０％のＮｏ．２の強度が高く、また１５％のＮｏ．５の強度はさらに高いため、バインダー量を多くすることによってペレットの強度が向上することがわかる。さらに、Ｎｏ．２、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７およびＮｏ．８を比較すると、空混練の時間を１５秒間から１分間にしたＮｏ．６や、造粒時にアームの回転方向を反転させたＮｏ．８では造粒物の強度が大きく向上したのに対して、造粒時にアームの回転速度を変更したＮｏ．７では造粒物の強度がさほど向上しておらず、ペレットの強度を向上させるためには空混練の時間延長や造粒時の回転方向の反転の方がより効果的であることがわかる。Ｎｏ．９は、上記の知見に基づいて製造条件を最適化した例であり、平均強度は５５ｋｇｆとすべての例の中で最大になった。

ここで、ペレットの強度は、ペレットを例えばスラグフォーミング鎮静剤のような精錬炉投入副原料として利用した場合の効果そのものには直接的に関係しないが、例えば運搬や投入の際に割れが生じて製造時よりも粒度が低下することによって効果が十分に発揮されなくなるのを防ぐ点で重要な指標である。具体的には、３５ｋｇｆ以上の圧壊強度をもたせることによって、通常の副原料と同様の運搬や投入の手段が使用可能になり、十分な取り扱い性を持たせることができる。検討例の中でこの強度の基準を満たすのはＮｏ．５，Ｎｏ．６，Ｎｏ．８，Ｎｏ．９である。また、強度が高ければ、篩分けの工程で粒子が崩れにくくなり、歩留まりが向上する。なお、適切なバインダー量で非圧縮成形されたペレットの場合、圧壊強度は７０ｋｇｆが上限になる。同様の材料で圧縮成形されたブリケットの場合は乾燥すると９０ｋｇｆ前後の圧壊強度になるため、この点で本実施形態に係る造粒物であるペレットと識別することができる。

図３は、各検討例におけるペレットの粒度分布を示すグラフである。表２に示した各検討例において、乾燥後に造粒物を篩分けして粒度分布を測定した。図３のグラフに示された結果において、Ｎｏ．１では造粒物の粒径が目立って小さく、上述した粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の造粒物の割合は２０％程度であった。また、Ｎｏ．３では水分量が多すぎる結果、篩分けによる粒度分布の測定が困難であった。Ｎｏ．４でも粒度分布自体は測定できているものの、バインダー量が少ないために水分量が多すぎるのと同じような状態になり、実用には適さなかった。それ以外、つまりＮｏ．２およびＮｏ．５～Ｎｏ．９では、粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の造粒物の割合が概ね５０％以上になり、実用に適する状態であった。これは、例えば後述するようなスラグフォーミング鎮静剤または造滓材などとして各検討例におけるペレットを利用した場合に、これらのスラグフォーミング鎮静剤または造滓材などに粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の造粒物が５０％以上含有されることを意味する。歩留まりが最も高かったのはＮｏ．９であり、粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の造粒物の割合が７５％に達した。

図４は、造粒後のペレットの乾燥期間と強度との関係を示すグラフである。表３に示すような原料およびバインダー（ポルトランドセメント）の配合で、屋内、屋外のそれぞれで造粒後のペレットを乾燥させ、所定の経過日数での圧壊強度を測定した。図３のグラフに示されるように、いずれの例でも２日間の経過までは強度が顕著に上昇するが、その後は強度の変化が小さくなる。従って、造粒後のペレットの強度を十分に発現させることができる乾燥工程の期間としては、２日間以上が好ましいと考えられる。

以上のような検討の結果から、粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の造粒物を得るためのペレットの製造条件として、以下が挙げられる。なお、上記の検討例によっても示されるように、すべての製造条件が満たされる必要はなく、原料の物性や製造装置の特性に応じて以下の条件の中から任意の条件を組み合わせることによってペレットの粒度分布を最適化することができる。

・バインダーとしてポルトランドセメントを外掛けで１０％以上添加する。
ポルトランドセメントは、例えばアルミナセメントのような他の種類のセメントに比べて凝結時間、すなわち水と混合されてから強度の発現までの時間が長く、従って原料とバインダーおよび水との混練物が早期に固化して造粒が困難になるといったことがなく安定した造粒が可能である。ポルトランドセメントの添加量は、造粒物の強度確保の観点から外掛けで１０％以上とすることが好ましい。バインダーの添加量が多すぎると造粒時の成形性が低下するため、例えば外掛けで２０％程度をポルトランドセメントの添加量の上限としてもよい。

・合計含水率が１３％以上１６％以下になるように水分添加量を調節する。
原料含水率と添加水分率との合計である合計含水率が少なすぎると造粒物の粒径が小さすぎて歩留まりが低下する。また、合計含水率が多すぎても造粒物の強度が低かったり、また水分量が多すぎることによって実用に適さない場合がある。従って、合計含水率は例えば上記のような適切な範囲に調整することが好ましい。ここで、原料になる廃耐火物やスラグ、ダストは、本来乾燥した環境から排出されるが、例えば保管中に雨水などによって含水するため、添加水分率のみによって水分添加量を調節した場合には水分量が多くなりすぎる可能性がある。従って、本実施形態のように合計含水率によって水分添加量を調節することが好ましい。

・混練工程において、空混練工程の時間を延長する。
・造粒工程において、造粒機のアーム回転方向を反転させる。
バインダー量および水分添加量の調節に加えて、１分間以上の空混練工程を実施したり、造粒機のアーム回転方向を反転させたりすることによって原料とバインダーおよび水との混合を促進することによっても造粒物の強度が上がり、その結果として取り扱い性や歩留まりを向上させることができる。混練および造粒を一連の工程として実施し、造粒工程においてアーム回転方向を反転させることが可能なペレタイザーとしてペレガイア（登録商標）ミキサーが例示されるが、他の混練機および造粒機を使用することも可能である。

・乾燥工程を２日間以上の期間で実施する。
造粒後にバインダーが凝結することによって造粒物の強度が発現するため、乾燥工程を２日間以上の期間で実施することが好ましい。

以上で説明したような本発明の実施形態によれば、廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料について、原料が微粉状であっても所定の粒度および強度を有する造粒物に加工することによって、例えば精錬炉投入副原料などとしてリサイクルすることが可能になる。本実施形態において造粒物は非圧縮成形によって形成されるペレットであるため、圧縮成形によって造粒物を形成する場合に比べて生産効率を向上させることができる。製造された造粒物は、上述した例のようにスラグフォーミング鎮静剤として利用可能である他、発煙防止剤としても利用可能である。これらのスラグフォーミング鎮静剤または発煙防止剤は、例えばスラグ鍋、溶銑鍋、または取鍋などに投入される。また、上記の造粒物は、造滓材など他の用途の精錬炉投入副原料として利用されてもよい。また、造粒物の用途は精錬炉投入副原料に限られず、他の用途、例えば転炉または電気炉などの内張りれんがの損傷部の補修材としても利用可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims (10)

1. 廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料によって形成され、粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満であり、圧壊強度が３５ｋｇｆ以上７０ｋｇｆ以下である造粒物。
2. バインダーとしてポルトランドセメントが添加されている、請求項１に記載の造粒物。
3. 請求項１または請求項２に記載の造粒物を５０質量％以上含有するスラグフォーミング鎮静剤。
4. 請求項１または請求項２に記載の造粒物を５０質量％以上含有する造滓材。
5. 廃耐火物、スラグまたはダストの少なくともいずれかを含む原料にバインダーおよび水を添加して混練物を生成する工程と、
   前記混練物を非圧縮成形して造粒物を生成する工程と、
   前記造粒物を粒度分布が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満になるように篩分けする工程と
   を含む造粒物の製造方法。
6. 前記水を添加する工程では、原料含水率と添加水分率との合計が１３質量％以上１６質量％以下になるように前記原料に水を添加する、請求項５に記載の造粒物の製造方法。
7. 前記バインダーはポルトランドセメントである、請求項５または請求項６に記載の造粒物の製造方法。
8. 前記混練物を生成する工程は、１分間以上の空混練工程を含む、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の造粒物の製造方法。
9. 前記造粒物を生成する工程は、造粒機のアーム回転方向を反転させる工程を含む、請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の造粒物の製造方法。
10. ２日間以上の乾燥工程をさらに含む、請求項５から請求項９のいずれか１項に記載の造粒物の製造方法。

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