(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
見掛け比重が１．５トン／ｍ３  以上で金属含有率が２０％以上の金属含有物粉体、水分含有量１８％以下の繊維質補強材１０〜４０重量％、及びマトリックス型結合剤２〜７重量％を含む、金属含有物粉体成型組成物。
【請求項２】
金属含有物粉体が、フェロマンガン粉、シリコンマンガン粉、フェロシリコン粉等の合金鉄粉、Ｎｉ触媒粉、その他製鉄工程で発生する粉砕粉、集塵粉、鉱滓からなる群より選ばれる、少なくとも１種である請求項１記載の金属含有物粉体成型組成物。
【請求項３】
繊維質補強材が、製紙スラッジ、木材チップのダスト、木材の樹皮、砂糖きびの絞りかす、麦わら、稲わら及び古綿からなる群より選ばれる繊維質の産業廃棄物の少なくとも１種である請求項１又は２記載の金属含有物粉体成型組成物。
【請求項４】
マトリックス型結合剤が、石炭系ピッチ及び／又は石油系ピッチである、請求項１〜３の何れか１項記載の金属含有物粉体成型組成物。
【請求項５】
下記工程を含む、請求項１記載の金属含有物粉体成型組成物の製造方法。
（１）  比重が１．５トン／ｍ３  以上で金属含有率が２０％以上の金属含有物粉体、及び水分含有量１８％以下の繊維質補強材１０〜４０重量％を混合する工程、
（２）  工程（１）  の混合物に、マトリックス型結合剤２〜６重量％を添加して、加熱混練し、冷却することによって硬化させる工程、及び
（３）  該混練物に０．５〜２．５トン／ｃｍの圧力をかけて成型し、粒径１０〜８０ｍｍの粒状または塊状物の金属含有粉体成形組成物を得る前記製造方法。
【請求項６】
金属含有物粉体が、フェロマンガン粉、シリコンマンガン粉、フェロシリコン粉等の合金鉄粉、Ｎｉ触媒粉、その他製鉄工程で発生する粉砕粉、集塵粉、鉱滓からなる群より選ばれる、少なくとも１種である請求項５記載の製造方法。
【請求項７】
金属含有物粉体の含有量が、繊維質補強材及びマトリックス型結合剤の含有量の残部である請求項５又は６記載の製造方法。
【請求項８】
繊維質補強材が、製紙スラッジ、木材チップのダスト、木材の樹皮、砂糖きびの絞りかす、麦わら、稲わら及び古綿からなる群より選ばれる繊維質の産業廃棄物の少なくとも１種である請求項５〜７のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項９】
マトリックス型結合剤が、石炭系ピッチ又は石油系ピッチである、請求項５〜８の何れか１項記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、製鉄業、石油産業などで発生する有用な金属含有物の粉体を、製造コストの低減、資源の有効利用の観点から再利用するための金属含有物粉体成型組成物、及びその製造方法に関する。さらに詳細に説明すると、製鉄業、石油産業などで発生する有用な金属含有物粉体を、簡単、かつ経済的に成型でき、製鉄業で実用的に転炉用脱酸材、微量成分調節剤などとして利用できる、金属含有物粉体成型組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄業において、有用な金属を含む合金鉄などの粉体が各所で発生し、その再生利用が、製造コストの低減、資源の有効利用の観点から重要な課題となっている。
一方、溶鋼中の溶存酸素を取り除き高品位の鋼を製造する目的で添加する脱酸材、および鉄鋼成分元素を調整する目的で添加する元素添加材として一般に合金鉄（フェロアロイ）が用いられているが、これら合金鉄は転炉での吹練時に添加されるため、一般に３ｍｍ径以上の粒状物でなければ、吹練時のガスにより飛散され有効利用率が非常に低い。
そのため、製鉄過程や合金鉄製造過程などで発生する合金鉄などの粉体やハンドリング時に発生する粉体の利用価値は低く、従来は少量を粒状物に混合して添加したり、製造ラインに戻し、原料に混合して処理したりしていたが、製造ラインに戻された時には、再度加熱溶融処理を経るためエネルギーのムダとなり製造コストの上昇の要因となっていた。
また、石油産業などの脱硫装置などで使用されている金属触媒の再生過程で発生する粉体、粉状化した劣化品などの産業廃棄物などにも、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｖなどの鉄鋼業にとって有用な元素が含まれているが、主に粉体であるため、再利用の範囲も限られている。
【０００３】
そのため、従来から合金鉄や金属触媒から発生する粉体などの産業廃棄物を有効利用するため成型する試みがなされていたが、好ましい結果が得られていなかった。その理由は、前記金属含有物粉体は、比熱が高く（熱容量が大きい）、成型品の重量が重いなどの特性を有しているためである。
すなわち、従来から成型に際して使用されている、金属含有物粉粒体間の空隙を結合するマトリックス型結合剤は、石炭系ピッチ、石油系ピッチなどであって、加熱により溶融浸透し、冷却により硬化して粉体を相互に結合するのであるが、同時に加熱される金属含有物粉体は、熱容量が大きく冷却し難いので、成型品自体の温度がなかなか下がらず、結果的にマトリックス型結合剤の硬化も遅れ、製品の初期強度（成型直後）が低くなるため、成型品が初期の取扱過程で崩壊することが多い。また、取扱に注意して冷却した成型品であっても、成型品の比重が大きいため、移送途中のベルトコンベアーの乗り継ぎ部、貯蔵槽に集積する際や、トラック積み込み時の落下などの衝撃で容易に破壊され、さらに、金属含有物粉体は、一般に細粒粉体で構成されているため、成型品の一部が破壊されると脆くなり、粉化し易いという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来、成型が困難であった金属含有物粉体を、石炭系ピッチ、石油系ピッチなどのマトリックス型結合剤を使用して製造した、製鉄用金属含有物粉体成型組成物、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
従来技術で説明したように、金属含有物粉体を石炭系ピッチ、石油系ピッチなどのマトリックス型結合剤で成型する場合、成型品の初期強度が低く、初期の取扱過程で崩壊し易く、その後も移送途中の衝撃で破壊され易く、さらに、成型品の一部が破壊されると、成型品全体が粉化し易いという問題があった。本発明者等はこれらの問題を検討した結果、金属含有物粉体を含む成型物全体の熱容量の低下を図り、該成型品の比重を下げて耐衝撃性を向上させ、さらに原材料間の結合を強め、耐摩耗性を向上させることが必要であるという方針を得た。本発明者らがこの方針に基づき研究を行った結果、見掛け比重が１．５トン／ｍ３  以上で金属含有率が２０％以上の金属含有物粉体であっても、所定量の繊維質補強材とマトリックス型結合剤を組み合わせて使用することにより、初期強度が高く、移送途中の衝撃でも破壊され難く、さらに、成型品の一部が破壊されても成型品全体が安定な金属含有物粉体成型組成物が得られるという知見を得た。
したがって、本発明は、見掛け比重が１．５トン／ｍ３  以上で金属含有率が２０％以上の金属含有物粉体、水分含有量１８％以下の繊維質補強材１０〜４０重量％、及びマトリックス型結合剤２〜７重量％を含む金属含有物粉体成型組成物を提供する。
【０００６】
さらに本発明は、下記工程を含む、前記金属含有物粉体成型組成物の製造方法を提供する：
（１）  見掛け比重が１．５トン／ｍ３  以上で金属含有率が２０％以上の金属含有物粉体、及び水分含有量１８％以下の繊維質補強材１０〜４０重量％を混合する工程、
（２）  工程（１）  の混合物に、マトリックス型結合剤２〜７重量％を添加して、加熱混練し、冷却することによって硬化させる工程、及び
（３）  該混練物に０．５〜２．５トン／ｃｍの圧力をかけて成型し、粒径１０〜８０ｍｍの粒状または塊状物の金属含有粉体成形組成物を得る工程である。以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いる金属含有物粉体は、見掛け比重が１．５トン／ｍ３  以上で金属含有率が２  ０％以上の金属含有物粉体である。該粉体の見掛け比重を１．５トン／ｍ３  以上、好ましくは１．５〜５．５トン／ｍ３  、特に好ましくは１．５〜４．０トン／ｍ３  とするのが適当である。なお、このように見掛け比重を１．５トン／ｍ３  以上に限定するのは、これ以下の場合は従来技術においても繊維質補強材を用いなくても比較的簡単に成型可能であり、本発明では従来技術では成型が困難な見掛け比重の材料を対象とするからである。またこの比重が５．５トン／ｍ３  より高い金属含有物粉体も成型可能であるが、成型品の耐衝撃性を増すために、繊維質補強材の量を増すことが必要となり、結果的に成型品の金属含有率の低下を招くため好ましくない。また該粉体の金属含有率は２０％以上が好ましく、この含有量が高い程商品価値が高くなる。このように金属含有率を２０％以上に限定するのは、見掛比重とも関連するが、含有率が少ない物は軽いため、比較的成型し易く、本発明では、従来技術では成型が困難である物を対象としているからである。
【０００７】
なお、該金属含有物粉体の具体的な例を挙げると、フェロマンガン粉、シリコンマンガン粉、フェロシリコン粉、フェロクロム粉、シリコクロム粉、フェロニッケル粉、フェロチタン粉、フェロタングステン粉、フェロモリブデン粉、フェロバナジウム粉、金属シリコン粉、金属シリコンなどの転炉用フェロアロイ製造時に発生する合金鉄や、石油産業で発生するＮｉ触媒粉等の産業廃棄物、その他製鉄業において発生する粉砕粉、集塵粉、鉱滓などを主成分とし必要に応じて、これらを単独でも、２種以上組み合わせても使用することができる。
また、本発明の成型組成物における、これらの金属含有物粉体の含有量は、繊維質補強材とマトリックス型結合剤、その他必要に応じて加えられる添加物を除いた残部であり、一般に５４〜８８重量％、好ましくは６０〜８８重量％、特に好ましくは７０〜８８重量％とするのが適当である。
本発明で用いる繊維質補強材は、水分含有量が１８％以下の繊維質物質であって、具体的な例を挙げると、製紙スラッジ、木材チップのダスト、木材の樹皮、砂糖きびの絞りかす、麦わら、又は古綿などのセルロースを含む繊維質の産業廃棄物がある。
【０００８】
なお、該繊維質補強材の水分含有量は、１８重量％以下、好ましくは５〜１８重量％、特に好ましくは５〜１０重量％とするのが適当である。特に水分含有量を１８重量％以下とするのは、図３に示す如く水分含有量が高いと成型品の強度が実用化に適さないためである。又、水分値が低ければ低い程品質は改善されるが、低過ぎると、特に５％以下になると取扱い時に発塵が多くなり作業環境上も好ましくないからである。該繊維質補強材の含有量は、本発明の成型組成物に対して、１０〜４０重量％、好ましくは１０〜３０重量％、特に好ましくは１０〜１５重量％とするのが適当である。このように繊維質補強材の量を限定するのは、１０重量％よりも少ないと、本発明の成型組成物の強度の安定性が低くなるからであり、４０重量％よりも多いと脱酸材や元素添加材として有効な量の金属含有物粉体を加えることができないからである。
【０００９】
また、本発明のマトリックス型結合剤は、加熱することにより溶融して粉体に浸透し、かつ冷却すると硬化して、粉体粒子を結合できるものであれば、特に制限なく使用することができるが、特に石炭系ピッチ、石油系ピッチなどが好ましい。本発明でマトリックス型結合剤の含有量は、本発明の成型組成物に対して、２〜７重量％、好ましくは２〜５重量％、特に好ましくは２〜４重量％とするのが適当である。このようにマトリックス結合剤の量を限定するのは、２重量％よりも少ないと粉体粒子の表面全体を包み込むことができず、結合剤としての架橋状態が弱くなり、成型品の強度が弱くなるからであり、７重量％よりも多いと逆に結合剤が過剰となって、粉体粒子間隔が離れることにより結果的に強度の低下を招くこととなり、好ましくないからである。
【００１０】
また、本発明の成型組成物の粒径は、１０ｍｍ〜８０ｍｍ、好ましくは２０〜６０ｍｍ、特に好ましくは３０〜５０ｍｍとするのが適当である。このように粒径を限定するのは、１０ｍｍ未満では生産効率が低下し、成型組成物の単価が上昇するからであり、８０ｍｍよりも大きいと成型時の圧力が分散され、単位寸法当りの成型圧力も下がり成型組成物の強度を維持するのが困難となり、そのため成型圧力を上げようとすれば成型機の能力を増す必要があり、経済的でないからである。
本発明の成型組成物は、次のように製造する。まず、見掛け比重が１．５トン／ｍ３  以上で金属含有率が２０％以上の金属含有物粉体、及び水分含有量１８％以下の繊維質補強材１０〜４０重量％を、パドルミキサーなどの強力な混合装置を使用して比重差の大きい物をできるだけ均一に混合し、該混合物にマトリックス型結合剤を２〜７重量％を添加して、およそ結合剤の軟化点＋１０℃で加熱混練し、ついで、ダブルロール式成型機などの装置を用いて該混練物に０．５〜２．５トン／ｃｍ、好ましくは１．０〜２．０トン／ｃｍ  、特に好ましくは１．５〜２．０トン／ｃｍ  の圧力をかけて成型し、粒径１０〜８０ｍｍの粒状または塊状物の金属含有粉体成形組成物に成形し、その後、冷却後製品とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明は、従来製造が困難であった金属含有物粉体の成型組成物を、ペーパースラッジ等の繊維質産業廃棄物と、安価な石炭系ピッチ、石油系ピッチ等の結合剤を用いることにより、実用に耐えられる強度を有する安価で高品位の金属含有物粉体の成型組成物として提供することを可能にする。
【００１２】
【実施例】
〔参考例〕
まず、従来のマトリックス型結合剤である石炭系ピッチを用いて、金属含有物粉体の成型が可能であるか否かを検証するため、フェロマンガン粉単体に結合剤としてピッチ（ソフトピッチ、軟化点４５度Ｃ）を用いて成型試験を行った。
成型試験条件を表１に、その結果を図１に示した。図１から明らかなように、ソフトピッチの結合剤とフェロマンガン粉単体では実用に耐えられる成型品ができないことが判った。
さらに成型品の強度を改善する目的で消石灰を添加して再度成型試験を実施したが、強度の向上は見られるものの、実用に耐えられる成型品はできなかった。その判断基準としては、実用上の目安となる初期強度（成型後１時間後の値）について、コークス用ドラム強度（３０回転後の３ｍｍ以上の粒子の比率）７０％以上、圧潰強度７５ｋｇ／個以上を評価の基準とした。ここで、成型試験条件はテスト機械の条件であり成型品形状は特に限定するものではない。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
〔実施例１〕
次に、本発明の繊維質補強材として産業廃棄物であるペーパースラッジを用いて成型試験を実施した。見掛け比重が４．８トン／ｍ３  以上で金属含有率が７５％のフェロマンガン粉に、水分含有量１５％以下のペーパースラッジを加え、結合剤として石炭系ピッチを３重量％を添加後、加熱混練した後、約２トン／ｃｍの圧力で成型し、粒径４６ｍｍの成型組成物を得た。その結果を表２に整理し、図２に強度変化について示した。
この結果、ペーパースラッジを１０重量％以上混合することにより実用レベルを越える強度を有する成型品を得ることができた。ここで、成型品の一般的強度指標であるトロンメル強度についても併記表示しており、ペーパースラッジ無添加の場合も従来の実用適応レベル（９０％）をクリアーしているが、これはトロンメル強度試験機の直径（内径５００ｍｍ）が小さく、金属系の成型物のような高強度が要求される成型品には条件がゆるやか過ぎて、検出感度が低いためである。そのため、成型組成物の比重が２．０を越える物については、衝撃条件の厳しいコークス強度試験機（内径１５００ｍｍ）を用いて評価した。
実用化判定基準は参考例１に示すとおりである。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
〔実施例２〕
次に、ペーパースラッジの含有水分が、本発明の成型組成物にどのような影響を与えるかについて検証した。産業廃棄物であるペーパースラッジは非常に高い（例えば５０％程度）水分を含んでいるが、そのままの状態で成型の原料として用いることが可能であれば乾燥などの工程を省略でき、安価な原料として有効に活用を図ることができる。
しかし、合金鉄粉の成型に繊維質補強材として用いる場合には、ペーパースラッジの含有水分に限界があると考えられるので、その限界水分含有率を求めるため、成型試験を実施した。見掛け比重が４．８トン／ｍ３  で金属含有率が７５％のフェロマンガン粉に、含有水分を変化させたペーパースラッジを加え、結合剤として先の石炭系ピッチを３重量％を添加後、加熱混練し、成型した。その結果を、成型組成物の圧潰強度への影響として図３に示した。
その結果、ペーパースラッジの混合率によって異なるが、実用適応強度レベルを保つためには、ペーパースラッジの限界水分含有率は１８％以下に調整することが必要であることが明らかになった。
〔実施例３〕
同様に各種金属含有粉の成型について成型試験を行い、繊維質補強材としてのペーパースラッジの有効性を検証した。
表３に成型した金属含有物粉体の品位と配合率、及び成型組成物の品位を示し、その測定結果を成型組成物の見掛け比重と各強度の関係で図４に示した。
【００１７】
【表３】
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【００１８】
この結果、成型組成物の強度は見掛け比重との関係が強くみられた。成型組成物の見掛け比重とコークス用ドラム強度の関係については、見掛け比重が増加するとドラム強度が低下する傾向がある。ペーパースラッジ無しの場合は実用化強度（７０％以上）は達成できなかった。ペーパースラッジを１０％添加することにより、強度は平均２０％の向上をみることができ、実用化に充分な強度が得られた。また、圧潰強度との関係では、見掛け比重が増す毎に上昇する。そして、ペーパースラッジ無しの場合は実用化強度（７５ｋｇ／個以上）は達成できなかった。さらにペーパースラッジを１０％添加することにより、強度が顕著に向上し、平均１４０ｋｇ／個の上昇をみることができ、実用化に充分な強度が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の成型品の強度を検証するため成型試験を行ったときのバインダー添加率と成型品強度の関係を示した図である。
【図２】原料の繊維質補強材としてペーパースラッジの配合割合を変化させた時の成型品強度を示した図である。
【図３】ペーパースラッジ中の含有水分が成型品の強度に与える影響について示した図である。
【図４】各種金属含有粉の成型結果を、成型品の見掛け比重との関係で示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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