(57)【要約】【課題】ダウンドラフト焼成技術を用いて水硬性で高度に鉄分を含有する鉄鉱セメントクリンカを製造する方法を提供する。【解決手段】石灰含有廃棄物、酸化鉄を含有する廃棄物及び炭素含有固形廃棄物から均一な原料混合物を調製し、ペレット化して粒状体とし、該ペレット化した粒状体をダウンドラフト焼成技術により焼成及び冷却してクリンカに変換し、該粒状クリンカを石膏を添加するかあるいは無添加で粉砕して鉄鉱セメントまたは種々な用途のバインダーを製造する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダウンドラフト焼成技術を用いて水硬性高鉄含有セメントクリンカを製造する方法であって、
石灰石、石灰、石灰スラッジ、石灰含有固形廃棄物、鉄鉱石、赤泥スライム、含鉄ボーキサイト、ラテライト、粘土、酸化鉄を含有する金属工業又は化学工業の廃棄物、鉱滓、粉炭、木炭、炭素質スラッジ、炭素含有固形廃棄物、及びこれら何れかの混合物から選択された原材料からなる均一な原料混合物を調製し、
該均一原料混合物に水を加えてペレット化して粒状体とし、
該ペレット化した粒状体をダウンドラフト焼成技術により焼成及び冷却してクリンカに変換し、
該粒状クリンカを石膏を添加するかあるいは無添加で粉砕して水硬性高鉄含有セメントまたは種々な用途のバインダーを製造する、ことを特徴とするクリンカ製造方法。
【請求項２】
前記均一原料混合物は、粒度に応じて粉砕し、半湿潤状態または乾燥状態で混合することにより調製されることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項３】
前記均一原料混合物中のＣａＯ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３の比がそれぞれ１．３〜２．５、０．２〜０．５、０．２５〜０．８であることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項４】
前記均一原料混合物の粒度は１５０メッシュ（１００ミクロン）以下のサイズであることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項５】
前記均一原料混合物に含有する焼成熱源となる固形炭素の含有量は４〜１２％の範囲であることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項６】
前記均一原料混合物のペレット化は、８〜１５％の水を含む１５ｍｍサイズ以下の粒状体を生成することを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項７】
前記粒状体の焼成は、ダウンドラフト焼成によりクリンカに変換するため１０５０〜１４５０℃の温度範囲で行われ、粒状体床の高さは３００〜６００ｍｍ、該床の下方より空気を吸引する吸引圧は水圧ゲージ２００〜８００ｍｍ（ＷＧ）、該床の頂上から底部への垂直方向への焼成速度は１５〜２０ｍｍ、の操作条件を維持することを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項８】
前記粒状体のサイズに応じて得られた製品が２００〜１０００℃または４００〜６００℃の間に冷却されることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項９】
セメントクリンカを形成する焼成と冷却の両操作は床中で１５〜３０分の時間範囲でなされることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１０】
前記焼成を行う焼成炉は耐火ライニングをせず、焼成作動中の汚染を制御するためダスト粒子を含む高温ガスを洗浄するガス洗浄装置を備えることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１１】
前記クリンカ化により得られた集合隗を小サイズに破砕し、他の添加物及び石膏を添加するかまたは石膏を添加せず粉砕してセメントあるいは種々の用途のバインダーとすることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１２】
前記原料混合物に、硫酸塩、フッ素、塩素を含む鉱物や化学廃棄物から選択した鉱化剤を添加することを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１３】
前記均一原料混合物の鉄（Ｆｅ２Ｏ３）含有量は前記高鉄原料混合物の４０％以上であること特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１４】
前記均一原料混合物の固体炭素含有量は４〜１２％であることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１５】
前記焼成及び冷却の速度はそれぞれ一分間に２００〜１０００℃、４００〜６００℃の変化率でなされることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はダウンドラフトシンタリング技術を用いた鉄分を高度に含有する水硬性鉄鉱セメントクリンカの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の鉄鉱セメントクリンカは非ポルトランド型のセメントクリンカで、主たる成分として４０％またはそれ以上の鉄分（Ｆｅ２Ｏ３）を含んでいる。この鉄鉱セメントクリンカから製造されるセメントは、水和により明らかに高い結合力を有している。この種の鉄鉱セメントは建設工事においてポルトランドセメントの代わりに使用され、耐硫酸構造物用の特殊セメントとして、製鉄における鉄鉱石、酸化鉄、金属粒子等の焼結やペレット化や固形化のための冶金用セメント又は結合材として、または、有害廃棄物の処理や安定化における水溶性金属を吸収する水硬性バインダとして有用である。
【０００３】
ポルトランドセメントやアルミナセメントの主たるセメント金属相はそれぞれ珪酸カルシウムとアルミン酸カルシウムであって、その硬化システムは知られている。これらのセメントにおける鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の含有量は極めて少なく、ポルトランドセメントで２〜６％、アルミナセメントでは１５％（最大）である。これらセメントの硬化システムにおける鉄や鉄を含むミネラル相は量的にも、セメントの特性的にも全く無意味である。化学的にも、鉱物学的にも本発明による鉄鉱セメントはポルトランドセメントやアルミナセメントとは全く異なる。鉄鉱セメントにおける鉄分（Ｆｅ２Ｏ３）は上記二つのセメントにおける限度を越えている。主として、鉄分相のカルシウム−鉄またはカルシウム−アルミナ−鉄が鉄鉱セメントの大部分のミネラル構成成分であり、水硬特性やセメントの強度はそれらに負うところが大きい。鉄鉱セメントの水硬特性や強度の増大は、種々のフェライト相の固溶体の程度及びミネラルの構造、結晶性及び珪酸カルシウムと他のミネラルとの種々の相の存在に大きく依存している。
【０００４】
鉄鉱セメントクリンカにおいて、種々のフェライトミネラル相の形成は、主として、カルシウム、アルミナ、鉄の化学的パラメータ、焼成及び冷却条件に依存する。比較的に、鉄鉱セメントクリンカのフェライトミネラル相はポルトランドセメントクリンカにおける珪酸カルシウムよりもかなり低い温度で形成される。水硬特性及び強度に関しては、鉄鉱セメントの性能がポルトランドセメントより良い。石灰石と鉄含有原材料が鉄鉱セメントの製造の主たる原料である。鉄鉱セメントのコスト効果、エネルギ効率及びポルトランドセメント以上の性能など多くの有利な性質のため、鉄鉱セメントクリンカの現状における適切な製造方法の開発がより注目されるようになった。
【０００５】
現在、種々の鉱物工業、化学工業及び鉱山業における鉄分に富む固形廃棄物が豊富に利用できる。適当な用途のないこれら廃棄物の蓄積は環境汚染の原因ともなり重大な問題となっている。このように、かかる廃棄材料を使用することで、鉄鉱セメントの製造が更に適切な附加価値を有する。この分野において、過去幾つかの研究活動がなされてきたが、鉄鉱セメント製造の技術開発において重要な進歩は未だなされていない。下記の文献によれば、鉄鉱、赤泥スライム、鉱滓のような原材料を用いて、従来のセメントキルンや溶鉱炉による加熱反応により水硬性の鉄鉱セメントクリンカを開発する努力がなされてきた。
【非特許文献１】Ｖｉｓｎ. Ｌ‘Ｖｉｖ. Ｐｏｌｉｔｅｃｈ. Ｉｎｓｔ. １９７５, ９５, ９８−１００ (Ｕｋｌａｉｎｅ) Ｋｉｍｅｎｋｏ Ｚ.Ｇ., Ｔｉｋｈｏｎｏｖ Ｖ.Ａ., Ｂｏｂｉｋ Ｇ.Ｌ., Ｐｅｔｒｏｖｓｋａｙａ Ｎ.Ｌ., Ｄｍｉｔｒｉｅｖｓｋｉｉ Ｖ.Ｓ., Ｏｚｅｒｏｖ Ｖ.Ｍ. “Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｉｒｏｎ ｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｉｒｏｎ ｏｒｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ (Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｂｓ.:１９７５, ８５:１２９４４５１ｇ)
【非特許文献２】Ｔｒ−Ｍｅｚｈｄｕｎａｒ. Ｋｏｎｇｒ. Ｋｈｉｍ. Ｔｓｅｍ.,６ｔｈ １９７４(Ｐｕｂ.１９７６), ３, １５４−６ (Ｒｕｓｓ) Ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｂｏｌｄｙｒｅｖ Ａ.Ｓ., Ｓｔｒｏｉｉｚｄａｔ:Ｍｏｓｃｏｗ, ＵＳＳＲ. Ｔｉｋｈｏｎｏｖ Ｖ.Ａ., Ｋｌｉｍｅｎｋｏ Ｚ.Ｇ., Ｂｅｒｅｚｈｎｅｎｋｏ Ｅ.Ｔ., Ｚａｈｖｏｒｏｎｋｏｖａ Ｅ.Ｖ.(Ｌ‘Ｖｉｖ. Ｐｏｌｉｔｅｋｈ. Ｉｎｓｔ. Ｌ’Ｖｏｖ,ＵＳＳＲ) “Ｓｐｅｃｉａｌ ｈｉｇｈｌｙ ｆｅｒｒｕｇｉｎｏｕｓ ｃｅｍｅｎｔ”(Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｂｓ.: １９７７, ８６:１１０３８５ｎ)
【非特許文献３】Ｋｏｍｐｌｅｓｋｎ Ｉｓｐｏｌ‘. Ｍｉｎｅｒ. Ｓｙｒ’ｙａ, １９８４ (２) ７２−７５(Ｒｕｓｓ) Ｂｕｒａｅｖ Ｍ.Ｌ., Ｔｕｚｙａｋ Ｖ.ｅ, Ｓｈｐｉｎｏｖａ Ｌ.Ｇ.(Ｌ‘Ｖｉｖ. Ｐｏｌｉｔｅｋｈ. Ｉｎｓｔ. Ｌ’Ｖｏｖ,ＵＳＳＲ) “Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎａ−ｉｒｏｎ ｏｘｉｄｅ ｃｅｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ｒｅｄ ｓｌｉｍｅ” (Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｂｓ.:１９８５，１０２:５００５０ｈ)
【非特許文献４】Ｃｏｎｇｒ. Ｉｎｔ. Ｑｕｉｍ. Ｃｅｍｅｎｔｏ [Ａｎ]８ｔｈ １９８６, ２, ２８５−９２ Ｆｅｎｇ Ｘｉｕｊｉ, Ｚｈｕ Ｙｕｆｅｎｇ(Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔ. Ｂｕｉｌｄ Ｍａｔｅｒ. Ｗｕｈａｎ, Ｐｅｏｐ. Ｒｅｐ. Ｃｈｉｎａ) “Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ａｎ ｅａｒｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｉｒｏｎ” (Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｂｓ.:１９８８, １０９:７８６４１ｙ)
【特許文献１】ＵＳＰ４０３６６５７  “Ｈｉｇｈ ｉｒｏｎ ｏｘｉｄｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｅｍｅｎｔ”
【特許文献２】ＣＮ８７１００８２６ “Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｒｒｉｔｅ ｃｅｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈｌｙ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌａｇ ｆｒｏｍ ｒｅｖｏｌｖｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｔｅｅｌ ｓｍｅｌｔｉｎｇ”
【０００６】
従来の製造方法の問題点は、使用できる鉄含有原材料のタイプに制限のあること、低温度の鉄含有溶液相の形成により耐熱炉の寿命を劣化させること、適当な還元及び酸化雰囲気の維持及び必要な水硬性鉄鉱セメントのミネラル相を達成する急速な冷却条件が困難であること、溶鉱炉によりクリンカを製造する処理ステップを伴うこと、溶融した鉄含有クリンカの粉砕に強力なエネルギを要すること等である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の主たる目的は、上述した問題点を解決するダウンドラフト焼成技術を用いて水硬性で高度に鉄分を含有する鉄鉱セメントクリンカを製造する方法を提供するにある。
本発明の他の目的は、石灰や鉄を含む粒子状、固形状廃棄物など多くの種類の原材料を利用するため製造方法の適応性を維持するにある。
本発明の更なる他の目的は、製造方法における燃料源としてコークス、石炭、木炭及び炭素含有固形廃棄物を使用することにある。
【０００８】
更に、本発明の他の目的は、耐熱炉の使用と高温における溶融処理を排除して、製造方法における原材料の処理ステップ及び焼成ステップの容易性を維持するにある。
更に、本発明の他の目的は、バッチ式又は連続式による商業ベースの製造のため、簡単なプラント設備を用い、環境にやさしい製造方法を提供するにある。
更に、本発明の他の目的は、鉄分（Ｆｅ２Ｏ３）４０％またはそれ以上を含む鉄鉱セメントの製造において、高い生産性と低いエネルギ消費量を維持することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、本発明は、石灰石、石灰、石灰スラッジ、石灰含有廃棄物、鉄鉱石、赤泥スライム、褐色ボーキサイト、ラテライト、粘土、酸化鉄を含有する金属工業又は化学工業の廃棄物、鉱滓、粉炭、木炭、炭素質スラッジ、炭素含有固形廃棄物、及びこれら何れかの混合物から選択された原材料の均一な原料混合物を調製し、該均一原料混合物を水を介在させてペレット化して粒状体とし、該ペレット化した粒状体をダウンドラフト焼成技術により焼成及び冷却してクリンカに変換し、該粒状クリンカを石膏を添加するかあるいは無添加で粉砕して鉄鉱セメントまたは種々な用途のバインダーを製造する、ことからなるダウンドラフト焼成技術を使用する鉄鉱セメントの製造方法を提供する。
本発明の一実施の形態においては、前記均一な原料混合物は、粒度に応じて粉砕し、半湿潤状態または乾燥状態で混合することにより調製される。
【００１０】
本発明の一実施の形態においては、均一な原料混合物中のＣａＯ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、Ｓｉ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）の重量比はそれぞれ１．３〜２．５、０．２〜０．５、０．２５〜０．８である。
【００１１】
本発明の実施形態においては、前記均一な原料混合物の粒度は１５０メッシュ（１００ミクロン）のサイズである。
【００１２】
本発明の更なる他の実施形態においては、焼成においてそれ自体が発熱するために添加される固形炭素の含有量は前記均一混合物の４〜１２％の範囲である。
本発明の更なる他の実施形態においては、前記均一混合物の水を添加して行うペレット化は、８〜１５％の水を含む１５ｍｍサイズ以下の粒状体を生成する。
【００１３】
本発明の更なる他の実施形態においては、前記粒状体の焼成は、ダウンドラフト焼成によりクリンカに変換するため１０５０〜１４５０℃の温度範囲で行われ、粒状体床の高さは３００〜６００ｍｍ、該床の下方より空気を吸引する吸引圧は水圧ゲージ２００〜８００ｍｍ（ＷＧ）、該床の頂上から底部への垂直方向への焼成速度は１５〜２０ｍｍ、の作動条件を維持する。
【００１４】
本発明の更なる他の実施形態においては、前記粒状体のサイズに応じて、得られた製品が１分間当たり４００〜６００℃の間に冷却される。
本発明の更なる他の実施形態においては、セメントクリンカを形成する焼成と冷却の両操作は床中で１５〜３０分の時間範囲でなされる。
【００１５】
本発明の更なる他の実施形態においては、焼成炉は耐火ライニングをせず、焼成作動中の汚染を制御するためダスト粒子を含む高温ガスを洗浄するガス洗浄装置を備える。
本発明の更なる他の実施形態においては、クリンカ化された集合隗を小サイズに破砕し、他の添加物及び石膏を添加するかまたは石膏を添加せず粉砕してセメントあるいは種々の用途のバインダーとする。
【００１６】
本発明の一実施の形態においては、硫酸塩、フッ素、塩素を含む鉱物や化学廃棄物から選択した鉱化剤を原料混合物に添加する。
【発明の効果】
【００１７】
１．石灰分及び鉄分に富む産業廃棄物や鉱業廃棄物及び種々の溶融物質など広範囲な原材料の使用が可能。
２．石炭、コークス、木炭の廃棄粉末等のような固形炭素を含有する材料を燃料として利用できる。
３．種々の用途に適した鉄鉱セメントの製造における原料配分設計の柔軟性。
４．材料粒子内に炭素を存在させることによるクリンカ形成の高い熱効率。
５．良好なセメント特性を達成するためのクリンカ中の鉄ミネラル相の高度な固溶体及びマイクロ結晶性を促進する、焼成システムにおける急速な焼成及び冷却速度。
６．乾燥及びガスやダストを洗浄するガス洗浄装置を備える焼成システムによる汚染の最小化。
７．低い保持時間による焼成システムの高生産性。
８．耐火物質を不要とする焼成システムによるコスト効果。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明における製造方法の詳細を以下に述べる。石灰石、石灰、石灰スラッジ、石灰含有廃棄物、鉄鉱石、赤泥スライム、褐色ボーキサイト、ラテライト、粘土、酸化鉄を含有する鉱業廃棄物又は化学廃棄物、鉱滓、粉炭、木炭、炭素質スラッジ、炭素含有固形廃棄物が鉄鉱セメントの製造に用いられる種々の原材料である。本製造方法においては、硫酸塩、フッ素、塩素を含有する鉱物または化学廃棄物も鉱化剤として使用できる。鉄は鉄鉱セメントの主要成分であって、その含有量はポルトランドセメントやアルミナセメントにおける限度を越えている。鉄鉱セメントの原料混合の設計における化学的パラメータの基準もまたポルトランドセメントやアルミナセメントとは異なる。本発明による鉄鉱セメントの原料混合物の調製においては、種々の原材料及び添加物のＣａＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、炭素などの含有量に基づいて、ＣａＯ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）が１．３〜２．５、ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）が０．２〜０．５、原材料中のＡｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３が０．２５〜０．８、炭素が４〜１２％及び鉱化剤を添加するかまたはしないか、のような基本化学的パラメータを維持して、種々の特性にしたがって配合される。
【００１９】
粒子の粒度、水分含有量及び原材料の性質に基づいて、乾燥または半乾燥し、混合されまたは粉砕されて完全に均一な原材料混合物が調製される。均一な原料混合物の粒度は１００ミクロン以下のサイズに維持される。次いで、均一な原料混合物はペレット化技術によって水を介在させて１５ｍｍ以下のペレット化粒状体とされる。ペレット化の条件は、ペレット化粒状体の含有水分が１５％以下に留まり、焼成操作の取扱いに適する未焼成強度となるように維持される。
【００２０】
粒状体の焼成はダウンドラフト焼成システムにより行われ、セメントクリンカに変換する。ダウンドラフト焼成システム（ＤＤＳ）は製鉄で使用する溶鉱炉用に鉄鉱石粉を塊状集積する技術として製鉄業界や製鋼業界で商業的に知られている。セメントの原料混合物からなる粒状体は底部に火格子を備えたポット状の焼成炉中に充填さる。充填された材料は火格子の上の偽炉床（５０ｍｍ厚さ）層上に置かれ、材料は厚さ３００〜６００ｍｍの床を形成する。焼成炉中の充填材料床の頂部がバーナーまたは燃えている石炭又はコークスにより点火され、加熱前線を生じさせる。火格子の下方に１００〜１０００ｍｍＷＧの空気吸引圧を維持し、加熱前線は一分間に１５〜２０ｍｍの速度で床の頂部から底部へと移動する。クリンカ形成における乾燥仮焼、焼成、冷却は静止した床の上で行われる。充填材料中に存在する炭素がその位置で発熱し１０００〜１５００℃又はそれ以上の高温度を床中に発生する。充填材料床のセメントクリンカへの変換は充填床の高さ及び透過性、空気吸引圧、焼成温度などにより、１５〜３０分で行われる。焼成ポットから取り出されたクリンカ化された製品は１０ｍｍサイズ以下に破砕され、貯蔵され、セメントとするため粉砕される。
【００２１】
上述の方法により製造された鉄鉱セメントクリンカは、原料混合物の組成、硫酸塩、塩素酸塩、フッ素酸塩含有添加剤の存在に基づいて、種々のセメントミネラル相［以下の分子式において、Ｃ：ＣａＯ、Ｆ：Ｆｅ２Ｏ３、Ａ：Ａｌ２Ｏ３、Ｓ：ＳＯ４］の集合体として、Ｃ２Ｆ、Ｃ４ＡＦ、Ｃ６ＡＦ２、及びＣ６Ａ２Ｆを含むフェライト化合物のミネラル構造、ジ及びトリ−カルシウムシリケート及びカルシウムスルフォアルミネート（Ｃ４Ａ３Ｓ）、カルシウムフルオロアルミネート（Ｃ１１Ａ−ＣａＦ２）、カルシウムクロロアルミネート（Ｃ１１Ａ７ＣｌＣｌ２）、カルシウムスルフォアルミノフェライト（Ｃ２ＡｘＦ１−ｘＳｎ）［ｘは０．１〜０．８の間を変化し、ｎは０．０５〜０．５の間を変化する］を含有する。３０〜７０％のフェライト相はジカルシウムシリケートまたはトリカルシウムシリケートと関連して主要なミネラル組成として鉄鉱セメントクリンカ中に現れる。Ｃ４ＡＳ、Ｃ１１Ａ−ＣａＦ２、Ｃ１１Ａ−ＣａＣｌ２及びカルシウムスルフォアルミノフェライトのような他のミネラルも添加剤や融剤の性質によりフェライト相と種々の割合で存在する。
【００２２】
ダウンドラフト焼成（ＤＤＳ）方法の焼成、冷却作動は他の実在するセメントクリンカ化システムより非常に早く、種々のセメントミネラル相のミクロ結晶化とクリンカ中のフェライトミネラルの高度の固溶体の保持を促進する。セメントの高い水硬強度は組成と種々のセメントミネラル相の結晶化に関連する。特に、本製造方法による鉄鉱セメントクリンカは、主に１０ミクロン以下の針状、平板状フェライトミネラル相と４０ミクロン以下のジカルシウム及びトリカルシウム・シリケート結晶及びＣ６ＡＦ２とＣ６Ａ２Ｆの固溶体フェライトミネラル構造を含む。４０％またはそれ以上の鉄分からなる鉄鉱セメントクリンカのこの特殊な鉱物学的特徴及びマイクロ構造の特性が、２８日間硬化させた後のセメントの水硬強度が１２０ＭＰａの高い強度を達成することを助長する。更に、鉄鉱セメントクリンカの形成はほとんどが粒子の僅かな溶融を伴う固体状の反応によるので、セメント粒状体を粉砕が容易なスポンジ状または多孔特性とすることを助長する。
【００２３】
研究室スケールのダウンドラフト焼成システム（ＤＤＳ）は方形の箱型焼成炉からなり、焼成炉のサイズは断面が３００×３００ｍｍで高さが５００ｍｍ、１バッチ当たり粒状原料混合物５０〜６０ｋｇの充填容量を有する。この焼成炉を用いて、充填床高さ、吸引圧、焼成及び冷却速度、組成をそれぞれ種々変更して実験を行い、鉄鉱セメントクリンカの商業的製造に最適なプロセスを求めた。
【実施例】
【００２４】
以下に実験例を説明するが、これら実験例は本発明の技術範囲の限定と解釈すべきではない。
【００２５】
実験例１
乾燥粉末状のアセチレンプラントの石灰スラッジ（ＣａＯ６３．２５％）、溶鉱炉（Ｂｌａｓｔ  Ｆｕｒｎａｃｅ）ダスト（Ｆｅ２Ｏ３４６．７０％、ＳｉＯ２７．２４％、炭素３０．１７％）及び添加剤を混合し、５０ｋｇの原料混合物を調製した。石灰スラッジと溶鉱炉ダストの重量比は２：１とした。混合した原料を均一化のためボールミルで１５メッシュ（ＢＳＳ）の粒度に粉化した。均一化した原料混合物を構成する成分の重量比は、ＣａＯ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）及びＡｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３がそれぞれ１．９６、０．２１、０．３１であった。次いで、均一化した原料混合物に水を加えてディスク造粒機を用いてペレット化し、水分１０％を含む１５ｍｍサイズの粒状体とした。未焼成の粒状体の嵩密度は１２５０ｋｇ／ｍ３であり、５０ｋｇの未焼成粒状体を、研究室内にセットしたＤＤＳユニットの、断面積３００×３００ｍｍ高さ５００ｍｍの箱型の焼成炉に充填し、４５０ｍｍ厚さの床を形成した。床の頂面に火のついた木炭により点火し、３５０ｍｍ水圧ゲージの空気吸引圧を充填床の下方に印加し、３０分間で焼成と冷却操作を完了し、鉄鉱セメントクリンカを製造した。ペレット化粒状体中の固形炭素はクリンカ形成のため１３７５℃に発熱した。５０ｋｇの充填材料から３０ｋｇの鉄鉱セメントクリンカが製造された。
【００２６】
クリンカは主要化学成分として５９．７０％のＡｌ２Ｏ３と２５．５％のＡｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３を含み、主要ミネラル相は５２％が鉄含有フェライト化合物、４０％がトリカルシウムシリケートであった。クリンカは石膏を添加してまたは添加せずに粉砕してセメントとした。石膏なしのセメントにおいては硬化時間は４５〜１６０分で、３、７、２８日間養生した後の圧縮強度（セメント：砂モルタルの比は１：３）はそれぞれ４２０、５６０、７１０ｋｇ／ｃｍ２であった。４％の石膏を添加したセメントでは８５〜２１０分の硬化時間を示し、１：３のセメントと砂の比のモルタル成形体における３、７、２８日間養生した後の圧縮強度はそれぞれ４３０、５７６、７５０ｋｇ／ｃｍ２であった。硬化遅延剤としての石膏の効果は、セメントの強度発現に関しては無視し得るものであった。セメントの膨張はポルトランドセメントの限度内であった。この種の鉄鉱セメントは冶金学的及び建設的用途に適している。
【００２７】
実験例２
乾燥粉末状のアセチレンプラントの石灰、塩基性酸素炉（Ｂａｓｉｃ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｆｕｒｎａｃｅ）ダスト［７６．８０％Ｆｅ２Ｏ３、３．６０％ＳｉＯ２、２．８５％Ａｌ２Ｏ３、１１．０８％ＣａＯ、０．１５％ＴｉＯ２、０．７８％（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）］、粘土（５０．５９％ＳｉＯ２、２０．８２％Ａｌ２Ｏ３、１４．２０％Ｆｅ２Ｏ３、１．６５％ＴｉＯ２）及び粉炭（６８％固定炭素、２９％灰分、３％揮発成分）を異なる重量パーセントで使用し、７％の固形炭素とＣａＯ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）及びＡｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３の重量比がそれぞれ１．４８、０．２７、０．３からなる原料混合物５０ｋｇを調製した。粉砕した混合物を１２％の水と共にディスク造粒機で１５ｍｍサイズ以下の粒状ペレットに成形した。粒状ペレット５０ｋｇを、研究室にセットしたＤＤＳシステムを用い、４００ｍｍ高さの床厚に充填し、２５０ｍｍ水圧ゲージの空気吸引圧で、２８分間で焼成、冷却を完了した。粒状ペレット中の粉炭が発熱し、１４２０℃でクリンカの形成が行われた。５０ｋｇの原料供給量から３４ｋｇのクリンカが得られた。
【００２８】
クリンカは５３％のＣａＯ及び３３％のＦｅ２Ｏ３を含んでおり、鉱物学的には、クリンカはＣ６ＡＦ２、Ｃ４ＡＦの針状高鉄含有フェライトミネラル及び４０ミクロンサイズ以下のトリカルシウムシリケート（Ｃ３Ｓ）とジカルシウムシリケート（Ｃ２Ｓ）からなる。この種のクリンカから調製されたセメントは１２０〜２４０分の硬化時間及び、１：３のセメントとモルタルの比において、１、３、７、２８日間の養生後の圧縮強度はそれぞれ１８０、４３０、６１０、７８０ｋｇ／ｃｍ２であった。セメント中に硬化遅延剤として石膏を使用した場合硬化時間と強度に関してはあまり効果を示さなかった。この種のセメントは冶金学的ならびに建造物の建築に適している。
【００２９】
実験例３
仮焼石灰（８８％ＣａＯ、４．５０％ＳｉＯ２、１．８０％ＭｇＯ）、鉄鉱石スライム（９３％Ｆｅ２Ｏ３、１．１２％ＳｉＯ２、２．１７％Ａｌ２Ｏ３）、ラテライト性ボーキサイト（３８％Ｆｅ２Ｏ３、４１．５％Ａｌ２Ｏ３、３．８％ＳｉＯ２、１．８％ＴｉＯ２）、木炭粉（８８％固定炭素）、蛍石及び石膏とをそれぞれ重量％４８、２２、１６、１０．２、２で混合し、５０ｋｇの原料混合物を調製した。次いで、ボールミルを使用して粉砕し１５０メッシュ（ＢＳＳ篩目）以下の粒子にした。原料混合物のＣａＯ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）及びＡｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３の重量比はそれぞれ１．４２、０．２、０．３５であった。この混合粉末を１５％の水とともに造粒し、１２ｍｍサイズ以下の粒状体にした。５０ｋｇの粒状体をダウンドラフト技術により４６０ｍｍの床厚さ、１４００℃でクリンカを製造した。
製造されたクリンカは５６％のＣａＯと３４％のＦｅ２Ｏ３とを主成分として含み、種々のミネラル相はＣ６ＡＦ２、Ｃ４ＡＦ、カルシウムシリケート（Ｃ３Ｓ、Ｃ２Ｓ）、カルシウムフルオロアルミネート（Ｃ１１Ａ７ＣａＦ２）、カルシウムスルフォアルミネート（Ｃ４Ａ３Ｓ）、カルシウムスルフォアルミノフェライトなどである。このクリンカは種々のミネラル相の微細な結晶構造を有する。１０％の石膏を添加して調整されたセメントは早い硬化時間（６０分より短い）と３、７，２８日間の養生後の圧縮強度が５１０、７００ｋｇ／ｃｍ２と非常に高い圧縮強度を示した。この種の鉄鉱セメントにおいては、石膏の使用が明白な効果を示した。
【００３０】
本発明の製造方法は、種々のタイプの原材料を用いて種々の用途に適した鉄鉱セメントが製造することができるフレキシビリティを有すると思われる。本製造方法における急速な焼成及び冷却が、本鉄鉱セメントクリンカのフェライトと他のミネラル相との細微な結晶構造、高温度における固溶体を達成する特徴であり、セメントの高い水和強度を達成する。これらクリンカ化学及び鉱物学理由に加えて、本鉄鉱セメントの高い水和強度の発現はセメント粒子のサイズ及び遅延剤としての石膏の含有にも関係する。
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月24日(2004.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダウンドラフト焼成技術を用いて少なくとも３３％のＦｅ２Ｏ３を含む水硬性高鉄含有セメントクリンカを製造する方法であって、
石灰石、石灰、石灰スラッジ、石灰含有固形廃棄物、鉄鉱石、赤泥スライム、含鉄ボーキサイト、ラテライト、粘土、酸化鉄を含有する金属工業又は化学工業の廃棄物、鉱滓、粉炭、木炭、炭素質スラッジ、炭素含有固形廃棄物、及びこれら何れかの混合物から選択された原材料からなる均一な原料混合物中の、ＣａＯ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３の比がそれぞれ１．３〜２．５、０．２〜０．５、０．２５〜０．８であり、Ｆｅ２Ｏ３の含有量が４０％未満の範囲にあり、固形炭素の含有量が４〜１２％の範囲にある均一原材料混合物をを調製し、
該均一原料混合物に水を加えてペレット化して粒状体とし、
該ペレット化した粒状体をダウンドラフト焼成技術により焼成及び冷却してクリンカに変換し、
該粒状クリンカを石膏を添加するかあるいは無添加で粉砕して水硬性高鉄含有セメントまたは種々な用途のバインダーを製造する、ことを特徴とするクリンカ製造方法。
【請求項２】
前記均一原料混合物は、原材料の粒度によっては粉砕し、半湿潤状態または乾燥状態で混合することにより調製されることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項３】
前記均一原料混合物の粒度は１５０メッシュ（１００ミクロン）以下のサイズであることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項４】
前記均一原料混合物のペレット化は水を添加して行われ、８〜１５％の水を含む１５ｍｍサイズ以下の粒状体を形成することを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項５】
前記粒状体の焼成は、ダウンドラフト焼成によりクリンカに変換するため１０５０〜１４５０℃の温度範囲で行われ、操作条件は粒状体床の高さは３００〜６００ｍｍ、該床の下方より空気を吸引する吸引圧は水圧ゲージ２００〜８００ｍｍ（ＷＧ）、該床の頂上から底部への垂直方向への焼成速度は１５〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項６】
前記粒状体のサイズに応じて、２００〜１０００℃または４００〜６００℃の間に冷却することにより製品を得ることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項７】
セメントクリンカを形成する焼成と冷却の両操作は床中で１５〜３０分の間になされることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項８】
前記焼成を行う焼成炉は耐火ライニングをせず、焼成作動中の汚染を制御するためダストを含む高温ガスを除去するガス洗浄装置を備えることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項９】
前記クリンカ化により得られた集合隗を破砕し、他の添加物及び石膏を添加するかまたは石膏を添加せず粉砕してセメントあるいは種々の用途のバインダーとすることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１０】
前記均一原料混合物に、硫酸塩、フッ素、塩素を含む鉱物や化学廃棄物から選択した鉱化剤を添加することを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１１】
前記均一原料混合物の鉄（Ｆｅ２Ｏ３）含有量は前記原料混合物の４０％未満であること特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【請求項１２】
前記焼成及び冷却の速度はそれぞれ一分間に２００〜１０００℃、４００〜６００℃であることを特徴とする請求項１記載のクリンカ製造方法。
【国際調査報告】
2005521620.tif 000002
2005521620.tif 000003
2005521620.tif 000004