(57)【要約】【課題】  回転炉床を有する金属還元炉において、回転炉床上で鉄鉱石や製鉄廃棄物などの酸化鉄、炭材等の還元材からなる酸化鉄塊成物を加熱・還元した還元鉄塊成物を炉外に排出する金属還元炉の排出装置を提供する。【解決手段】  炉床上に還元塊成化物を排出するスクリューを配設した回転炉床を有する金属還元炉の排出装置において、前記スクリューの螺旋羽根又は螺旋羽根の母材の先端部をセラミックで構成することを特徴とする回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。【選択図】      図４
2005283013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉床上に還元塊成化物を排出するスクリューを配設した回転炉床を有する金属還元炉の排出装置において、前記スクリューの螺旋羽根又は螺旋羽根の母材の先端部をセラミックで構成することを特徴とする回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項２】
前記セラミックの材質が窒化物、酸化物、炭化物またはホウ化物の少なくとも１種またはこれらの複合物からなることを特徴とする請求項１記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項３】
前記セラミックが前記螺旋羽根の母材の先端部に、セラミック系接着剤、溶接、嵌合又はボルトにより取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項４】
前記セラミックが前記螺旋羽根の母材の先端部にインロー方式により取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項５】
前記セラミックが前記螺旋羽根の母材の先端部に鋳込みにより取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項６】
前記螺旋羽根の母材の先端部に鋳込まれているセラミックの配列を該螺旋羽根の長手方向に少なくとも１列以上で、かつ千鳥状またはランダム状に配置することを特徴とする請求項５記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項７】
前記セラミックの回転炉床に接触する面の断面形状を円、楕円、多角形の１種又は２種以上として配置することを特徴とする請求項５又は６に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項８】
前記回転炉床に接触する面の、セラミックの総断面積（Ａ）と螺旋羽根断面積（Ｂ）の比：Ａ／Ｂを０．３〜０．８とすることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項９】
前記セラミックが、その断面積において深さ方向で増加するようなテーパー状構造、その深さ方向に少なくとも１つ以上の括れを有する構造、又はそれらの組み合わせ構造とすることを特徴とする請求項５〜８の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項１０】
前記回転炉床に接触する面のセラミックの個々の断面積（ａ）と、鋳込み深さ（Ｈ）の比：ａ／Ｈを０．５〜８とすることを特徴とする請求項５〜９何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項１１】
前記螺旋羽根の母材の材質が、高クロム鋳鉄、高ニッケル合金系グレン鋳鉄、マルテンサイト系ハイス鋼、またはステンレス鋼の何れか１種またはこれらを組み合わせた材料からなることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項１２】
前記螺旋羽根の母材の前記セラミックに対する線膨張係数の比が０．５〜２．０であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【請求項１３】
前記螺旋羽根が、羽根取り付け用ラグにボルトにより取り付けられていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転炉床を有する金属還元炉において、回転炉床上で鉄鉱石や製鉄廃棄物などの酸化鉄、炭材等の還元材からなる酸化鉄塊成物を加熱・還元した還元鉄塊成物を炉外に排出する金属還元炉の排出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
還元鉄や合金鉄を製造するプロセスとして、生産性が高い回転炉床法が実施されているが、この回転炉床法は、固定した耐火物の天井および側壁の下で、中央部を欠いた円盤状の耐火物の炉床がレール上を一定速度で回転する型式の焼成還元炉（以下回転炉という）を主体とするプロセスであり、酸化金属の還元に用いられる。この回転炉の炉床直径は１０〜５０ｍ、幅２〜６ｍを有するものが多い。
【０００３】
原料の酸化金属を含む粉体は、炭素系の還元剤と混合された後、原料ペレットにされて回転炉に供給される。原料ペレットはこの炉床上に敷きつめられ、静置されることから原料ペレットが炉内で崩壊しにくいという利点に加え、炉床上に粉化した原料が付着することもなく、塊の製品歩留まえいが高い長所がある。また、生産性が高く、安価な石炭系の還元剤や粉原料を使用できることからその使用が増加している。更に、この回転炉床法は、高炉、転炉、電気炉から発生する製鉄ダストや圧延工程のシックナースラジの還元と不純物除去の処理にも有効であり、ダスト処理プロセスとしても使用され、資源リサイクルに有効なプロセスでもある。
【０００４】
この回転炉床法の操業は、先ず原料である鉱石、ダスト、スラジの金属酸化物に、この酸化物の還元に必要な量の炭素系還元剤を混合した後、パンペレタイザー等の造粒機に直径数〜数十ｍｍのペレットを製造し、これを回転炉の炉床上に供給して層状に敷き込む。炉床上に敷き込まれたペレットは急速に加熱され、５〜２０分間、１２００〜１３００℃程度の高温で焼成され、回転炉に設けられた排出装置により炉外に排出される。
【０００５】
回転炉の全体プロセスは、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に１例を示すように、成形装置１、乾燥装置２、回転炉３およびこの回転炉３の側部を貫通する排出装置４から構成されている。この排出装置はスクリューを有して炉上に配設され、最高１２００〜１３００℃程度の高温雰囲気中で回転して炉床５に接触・回転しながら還元鉄等の還元塊成化物を炉外に排出するものである。このとき、原料の造粒物は、搬送時の崩れや炉内での爆裂等により一部が粉化し、粉中の金属酸化物が還元雰囲気により還元されて金属となり、これが高温化で焼結して炉床が岩盤化する現象が生じる。
【０００６】
排出装置は通常螺旋状のスクリュー方式が採用されており、螺旋スクリューの羽根取り付けは、溶接タイプとボルト取り付けタイプの２種類があるが、メンテナンスの容易性や熱歪み低減等の理由からボルト取り付けタイプが推奨されている。そして、螺旋羽根の材質は、耐熱鋳鋼、耐熱特殊鋳鋼、耐熱鋳鋼でその表面に耐熱または耐磨耗剤を肉盛りしたものが用いられている。更に、排出装置設置箇所近傍でも回転炉床の表面温度は７００〜９００℃と高温である上に炉床は岩盤化しているために螺旋羽根はどんな材料でも磨耗・損傷し寿命は数ケ月〜１年を短い。磨耗・損傷した螺旋羽根の交換には、炉内を高温状態で交換するには専用交換設備が必要で、炉内を常温状態で交換するには数日間〜１週間程度の設備停止が必要となる。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１に記載されているような還元鉄排出装置が提案されている。この排出装置は、図２（ａ）の排出装置概略構成図、および図２（ｂ）拡大図に示すように、水冷回転軸６の外周に高熱伝導率の不定型耐火物からなる被覆層７を形成して、水冷回転軸６の外周に熱膨張分を吸収するため水冷回転軸６に突設されてなる羽根取り付け用ラグ８に螺旋状に取り付けられた耐熱素材で形成される螺旋羽根９を分割して取り付け、これら螺旋羽根９をボルト・ナット１０で複数個固定することで連続した螺旋羽根が形成されるように構成することを提案している。しかしながら、これら螺旋羽根、ボルト、ナットは高温強度を有する素材とした構成とすることで、ボルトの折損トラブルを回避することを提案している。
【０００８】
しかしながら、幾らこのような構成にしても、排出装置の水冷回転軸外周に設けた螺旋羽根の磨耗・損傷は改善されることはなく、依然として頻繁なる交換作業を強いられている実情にある。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−１２９３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決すべく、回転炉床を有する金属還元炉において、回転炉床上で鉄鉱石や製鉄廃棄物などの酸化鉄、炭材等の還元材からなる酸化鉄塊成物を加熱・還元した還元鉄塊成物を炉外に排出する金属還元炉の排出装置において、水冷回転軸に突設した回転螺旋羽根先端部をセラミック化することで回転螺旋羽根の磨耗・損傷をを極力低減し、長時間の寿命に耐え得る金属還元炉の排出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次の通りである。
【００１２】
（１）炉床上に還元塊成化物を排出するスクリューを配設した回転炉床を有する金属還元炉の排出装置において、前記スクリューの螺旋羽根又は螺旋羽根の母材の先端部をセラミックで構成することを特徴とする回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００１３】
（２）前記セラミックの材質が窒化物、酸化物、炭化物またはホウ化物の少なくとも１種またはこれらの複合物からなることを特徴とする（１）記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００１４】
（３）前記セラミックが前記螺旋羽根の母材の先端部に、セラミック系接着剤、溶接、嵌合又はボルトにより取り付けられていることを特徴とする（１）又は（２）記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００１５】
（４）前記セラミックが前記螺旋羽根の母材の先端部にインロー方式により取り付けられていることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００１６】
（５）前記セラミックが前記螺旋羽根の母材の先端部に鋳込みにより取り付けられていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００１７】
（６）前記螺旋羽根の母材の先端部に鋳込まれているセラミックの配列を該螺旋羽根の長手方向に少なくとも１列以上で、かつ千鳥状またはランダム状に配置することを特徴とする（５）記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００１８】
（７）前記セラミックの回転炉床に接触する面の断面形状を円、楕円、多角形の１種又は２種以上として配置することを特徴とする（５）又は（６）に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００１９】
（８）前記回転炉床に接触する面の、セラミックの総断面積（Ａ）と螺旋羽根断面積（Ｂ）の比：Ａ／Ｂを０．３〜０．８とすることを特徴とする（５）〜（７）の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００２０】
（９）前記セラミックが、その断面積において深さ方向で増加するようなテーパー状構造、その深さ方向に少なくとも１つ以上の括れを有する構造、又はそれらの組み合わせ構造とすることを特徴とする（５）〜（８）の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００２１】
（１０）前記回転炉床に接触する面のセラミックの個々の断面積（ａ）と、鋳込み深さ（Ｈ）の比：ａ／Ｈを０．５〜８とすることを特徴とする（５）〜（９）何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００２２】
（１１）前記螺旋羽根の母材の材質が、高クロム鋳鉄、高ニッケル合金系グレン鋳鉄、マルテンサイト系ハイス鋼、またはステンレス鋼の何れか１種またはこれらを組み合わせた材料からなることを特徴とする（１）〜（１０）の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００２３】
（１２）前記螺旋羽根の母材の前記セラミックに対する線膨張係数の比が０．５〜２．０であることを特徴とする（１）〜（１１）の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【００２４】
（１３）前記螺旋羽根が、羽根取り付け用ラグにボルトにより取り付けられていることを特徴とする（１）〜（１２）の何れか１項に記載の回転炉床を有する金属還元炉における還元塊成化物の排出装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、回転炉床を有する金属還元炉に設置された排出装置の水冷回転軸に突設した回転螺旋羽根又は螺旋羽根の母材の先端部のみをセラミック化することで製造コストパフォーマンスを良好としつつ、高温雰囲気で磨耗を低減させ寿命を従来品に比べて数倍延長することができ、牽いては回転炉設備の稼働率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明に係る回転炉の全体プロセスは、排出装置に係る部分を除き、背景技術にて説明したものと同様である。
【００２７】
回転炉床を有する金属還元炉に設置された排出装置の回転螺旋羽根の磨耗・損傷の実態は、回転螺旋羽根高さ方向での磨耗・損傷の程度が耐熱鋳鋼品ではその寿命が約１ケ月、回転軸冷却と耐熱金属化と肉盛り化でも約３ケ月と短く回転螺旋羽根の交換とそれに伴う回転炉の操業停止という問題があるため、このためメンテナンス負荷低減を目標に耐磨耗性、高温強度、高温硬さに優れる多くの材料を探索する必要があった。
【００２８】
そこで、本発明者らは、耐磨耗性、高温強度、高温硬さを有する材料を探索する中で、この両特性を満足しうる材料としてセラミックが最適であることを知見した。本発明はこの知見に基づいてなされたもので、本発明においては、回転炉床を有する金属還元炉の排出装置において、スクリューの螺旋羽根全体をセラミックとするか、スクリューの螺旋羽根母材の材質を高Ｃｒ鋳鉄、高Ｎｉ合金系グレン鋳鉄、マルテンサイト系ハイス鋼、またはステンレス鋼の何れか１種またはこれらを組み合わせた材料とし、更に、スクリューの螺旋羽根の先端部をセラミックで構成し、これを特殊な形態で螺旋羽根の先端部に取り付けることを最大の特徴とするものである。特に、アルミナ系、窒化珪素系のセラミック材料では相対磨耗量において従来の高Ｃｒ鋳鉄等の硬質金属に比較して約１／１０に、硬さ（Ｈｖ）では約３倍と高温強度、高温硬さに非常に優れた特性を有している。また、セラミック材料の中でも破壊靱性値は、アルミナ系、窒化珪素系、炭化珪素系、超硬合金の順に高くなっていることも判明した。このように、本発明においては、スクリューの螺旋羽根、又はスクリューの螺旋羽根の先端部をセラミックで構成することにより、従来の硬質金属系材料等に比較して耐磨耗性が約５倍程度延びるという優れた効果を発揮することも判明した。このように、本発明においては、スクリューの螺旋羽根、又はスクリューの螺旋羽根の先端部に用いるセラミックの材質としては、窒化物、酸化物、炭化物またはホウ化物の何れかの材質、或いはこれらの複合物であってもよく、高Ｃｒ鋳鉄等の硬質金属に比べて耐磨耗性に優れているものであれば良い。なお、上記螺旋羽根母材のセラミックに対する線膨張係数の比は螺旋羽根母材の高温強度、高温硬さを確保する上で０．５〜２．０とすることが好ましい。
【００２９】
本発明においても、螺旋羽根自体は、従来方法と同様に、羽根取り付け用ラグにボルト接続されることで、メンテナス性が向上し、熱歪による変形も緩和される。
【００３０】
更に、本発明において、上記セラミックを特殊な形態で螺旋羽根又は螺旋羽根の母材の先端部に取り付けることを述べたが、図３に示すようなセラミックまたはセラミックチップの取り付け方法を検討した。図３において、（ａ）は定型小型チップ貼付け型、（ｂ）は全セラミック化型、（ｃ）は部分セラミック簡易型、（ｄ）は部分セラミック化インロー型、（ｅ）はチップ鋳掛け型である。しかしながら、これらの各タイプには以下に述べるように一長一短がある。即ち、（ａ）ではセラミックチップ費用は安価であるが、チップを固定する方法をセラミック系の接着剤または溶接とすると、接合強度が弱くなる傾向があり、嵌合では機械加工費用が嵩む傾向がある。（ｂ）では磨耗代を最大にできるという利点があるが、セラミックの曲面、斜め加工を機械加工とすると加工費用が嵩む傾向がある。（ｃ）では取り付けボルト磨耗、目地磨耗等は多少あるが、セラミックの加工費用は比較的安価である。（ｄ）ではセラミックが脱落しにくいという利点はあるが、セラミックおよび金物両方に加工が必要で加工費用が嵩むという傾向がある。（ｅ）では目地磨耗、鋳掛け時のセラミックチップ割れの可能性は多少あるが、セラミックの脱落が殆どない利点がある。従って、本発明においては、必要とする目的に応じて、（ａ）〜（ｅ）を選択可能であるが、（ｃ）〜（ｅ）が好ましく、コストと信頼性のバランスからすると（ｅ）がより好ましい。
【００３１】
更に、上記（ｅ）のチップ鋳掛け型を採用した場合には、チップの鋳掛け方法としては図４（ａ）のように、平面でみて、チップ１１を螺旋羽根９の先端部の長手方向中心部に直線的に間隔をおいて鋳包む方法が最も簡便な方法である。なお、（ｂ）は（ａ）の断面図である。また、図５（ａ）のように、平面でみて、チップ１１を螺旋羽根９の先端部の長手方向に直線的に間隔をおいて、幅方向に重畳させて千鳥状に鋳包むことで耐磨耗性を更に向上させることもできる。なお、（ｃ）は（ａ）の断面図である。更に、図５（ｂ）のように、図５（ａ）で示した千鳥状配置を複数段重畳させて鋳包むこともより耐磨耗性の向上を図ることもできる。
【００３２】
次に、セラミックチップ１１の形状は、図６に示すように長手方向断面で、円形（ａ）、楕円形（ｂ）、正方形（ｃ）、または六角形（ｄ）のような多角形（矩形）が考えられるが、セラミックチップの加工性等の実用的観点からみれば図７（ａ）のような円形または図７（ｂ）のような楕円形が好ましい。
【００３３】
更に、セラミックチップ１１の深さ方向の形状は、図７に示すような、螺旋羽根の深さ方向に向かって面積が拡大する末広がり状のテーパー方式（ａ）、螺旋羽根の深さ方向で少なくとも１つ以上の括れ部分１２を有する括れ方式（ｂ）を採用することができる。
【００３４】
また、図５および図６に示したような円形または矩形状の断面形状を有するセラミックチップ１１を螺旋羽根９に鋳包む場合には、セラミック総断面積（Ａ）（図４（ａ）で示すセラミックチップ１１の５個の合計断面積）に対する螺旋羽根断面積（Ｂ）（図４（ａ）で示す螺旋羽根９のセラミック部分を含む全断面積）の比：Ａ／Ｂは０．３〜０．８とすることが好ましい。なお、螺旋羽根に鋳包む個々のセラミックチップの断面積（ａ）（図４（ａ）で示すセラミックチップ１１の個々の断面積：ｃｍ2）と鋳包む深さ（Ｈ）（図４（ｂ）で示すセラミックチップ１１の深さ：ｃｍ）の比：ａ／Ｈを０．５〜８とすることが好ましい。この理由は、螺旋羽根の強度、靱性およびセラミックチップの耐磨耗性等の観点から実験的に求めた比であり、実用上長寿命を確保できるからである。
【実施例】
【００３５】
本実施例ではチップ鋳掛け型である図３（ｅ）および図４（ａ）に示すような矩形断面のセラミックチップを螺旋羽根に鋳包む方式について説明する。先端部断面の長さ１８ｃｍ、幅３ｃｍで総断面積５４ｃｍ2 の螺旋羽根９の表面に長さ３ｃｍ、幅２ｃｍの矩形断面を有するセラミックチップ１１を螺旋羽根長手方向に間隔をおいて５個直線的に深さ（Ｈ）３．５ｃｍで鋳包んだ。この時のセラミックチップの総断面積は３０ｃｍ2 で、セラミック総断面積（Ａ）に対する螺旋羽根断面積（Ｂ）の比：Ａ／Ｂは０．５６、あった。また、セラミックチップの断面積（ａ）と鋳包む深さ（Ｈ）の比：ａ／Ｈは１．７であった。このように螺旋羽根表面にセラミックチップを鋳包んだ排出装置を実機で螺旋羽根の磨耗試験を約１０ケ月間実施した。その結果、図８に示すように、従来の耐熱鋳鋼製の螺旋羽根の磨耗量は１０ケ月で約６０ｍｍに達したのに対し、本発明によるセラミックチップ鋳包み螺旋羽根の磨耗量は６ケ月経過しても依然として僅か数ｍｍという著しい効果を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は回転炉床を有する金属還元炉の全体プロセス概略図、（ｂ）は回転炉本体の概略図、（ｃ）は回転炉本体の排出装置前後の断面図である。
【図２】（ａ）は金属還元炉の排出装置の概略構成図であり、（ｂ）は螺旋羽根部分の拡大図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は螺旋羽根又は螺旋羽根の母材の先端部分へのセラミックチップ取り付け方法を示す図。
【図４】（ａ），（ｂ）は本発明による螺旋羽根の母材の先端部分へのセラミックチップを鋳包んだ状態を示す図。
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明による螺旋羽根先端部分へのセラミックチップを鋳包んだ別の態様を示す図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）はセラミックチップの断面形状を示す図。
【図７】（ａ），（ｂ）は本発明による螺旋羽根先端部分へのセラミックチップを鋳包んだ深さ方向での形状を示す図。
【図８】排出スクリューの磨耗試験結果を示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１…成形装置
２…乾燥装置
３…回転炉
４…排出装置
５…炉床
６…水冷回転軸
７…被覆層
８…羽根取り付け用ラグ
９…螺旋羽根
１０…ボルト、ナット
１１…セラミックチップ
１２…括れ部分
１３…還元塊成化物
【図１】
2005283013.tif 000003
【図２】
2005283013.tif 000004
【図３】
2005283013.tif 000005
【図４】
2005283013.tif 000006
【図５】
2005283013.tif 000007
【図６】
2005283013.tif 000008
【図７】
2005283013.tif 000009
【図８】
2005283013.tif 000010