(57)【要約】【課題】製鉄工程で発生した製鉄ダストおよび製鉄スラッジを、製鉄ダストの処理コストの増加を抑制しつつ、高い圧壊強度を有する塊状の還元焼結物にできる製鉄ダストの処理方法を提供する。【解決手段】反応容器内に金属酸化物および炭素を含む製鉄ダスト並びに製鉄スラッジの少なくとも１つを充填し、前記金属酸化物を還元および塊成化する製鉄ダスト処理方法において、前記反応容器に充填する際の前記金属酸化物の空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ３以上とすることを特徴とする製鉄ダストの処理方法。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に金属酸化物および炭素を含む製鉄ダスト並びに製鉄スラッジの少なくとも１つを充填し、前記金属酸化物を還元および塊成化する製鉄ダスト処理方法において、
前記反応容器に充填する際の前記金属酸化物の空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ３以上とすることを特徴とする製鉄ダストの処理方法。
【請求項２】
反応容器内に金属酸化物を含む製鉄ダストおよび製鉄スラッジの少なくとも１つと、炭材と、を充填し、前記金属酸化物を還元および塊成化する製鉄ダスト処理方法において、
前記反応容器充填する際の前記金属酸化物の空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ３以上とすることを特徴とする製鉄ダストの処理方法。
【請求項３】
前記製鉄ダストおよび製鉄スラッジの少なくとも１つに、鉄分を６８質量％以上含む酸化鉄を１０質量％以上配合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の製鉄ダストの処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料となる製鉄ダストおよび製鉄スラッジを還元し、高い圧壊強度の還元焼成物にする製鉄ダストの処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に行なわれている製鉄工程においては、鉄を含む金属成分を含有する一定量の製鉄ダストが発生する。製鉄ダストの主な発生源としては高炉、転炉、焼結機である。これらの製鉄ダストには、金属の一部またはその酸化物、還元材もしくは熱源として装入されている石炭またはコークスなどの炭素分を含有している。また、酸性工程・圧延工程では製鉄スラッジとよばれる金属分を含有したスラリー状の物質が排出される。
【０００３】
これらの製鉄ダストおよび製鉄スラッジは、有価金属を含む未利用資源である。このため、製鉄ダストおよび製鉄スラッジに含まれる金属は、何らかの形で製鉄工程にリサイクルすることが望ましい。しかしながら、以下の２つの理由により、直接リサイクルすることが難しい。
【０００４】
１点目は、処理に熱量を必要とする点である。これらの金属成分は酸化物もしくは水酸化物であることが多い。これらを金属に戻すために酸素を取り除く（還元する）には熱量が必要であり、これらを高炉または転炉で溶融するには少なくとも１５００℃まで昇温するための顕熱と溶解熱が必要となる。また、多量の製鉄ダストおよび製鉄スラッジを転炉に投入すると、溶銑中に含まれるカーボンによる直接還元反応により、転炉内の温度が低下してしまい、精錬に支障をきたす場合がある。
【０００５】
２点目は、製鉄ダストおよび製鉄スラッジが微粒状であるので高炉・転炉に装入することが難しい点である。製鉄ダストおよび製鉄スラッジが密度の低い微粒の場合は気流輸送で搬送されるが、流動化し易く搬送が不安定となり、搬送工程で詰まりが発生することがある。仮に、気流輸送ができたとしても、高炉または転炉に導入した際に、高炉内のガスもしくは転炉内のガスにより吹き飛ばされてしまい、溶銑もしくは溶鋼内に固定することが難しく、いわゆる“歩留まり”が低下しやすい。すなわち、製鉄ダストおよび製鉄スラッジをそのまま直接的に転炉・高炉で処理することは難しく、なんらかの方法で還元および焼成化することで、より効率よく製鉄ダストをリサイクルすることが可能となる。
【０００６】
製鉄ダストおよび製鉄スラッジの処理方法として特許文献１には、電気炉ダストに炭材とバインダーとを添加してブリケットを成形し、回転炉床炉内で加熱還元する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−５２１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、回転炉床炉を用いる方法は、製鉄ダストに高価なバインダーを添加して、ブリケットを形成するので、製鉄ダスト処理コストが増加する。また、当該ブリケットの強度を向上させるには、高価なバインダーの添加量をさらに増加することになり、製鉄ダストの処理コストをさらに増加させてしまう、という課題があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決し、製鉄工程で発生した製鉄ダストおよび製鉄スラッジを、製鉄ダストの処理コストの増加を抑制しつつ、高い圧壊強度を有する塊状の還元焼結物にできる製鉄ダストの処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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）反応容器内に金属酸化物および炭素を含む製鉄ダスト並びに製鉄スラッジの少なくとも１つを充填し、前記金属酸化物を還元および塊成化する製鉄ダスト処理方法において、
前記反応容器に充填する際の前記金属酸化物の空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ３以上とすることを特徴とする製鉄ダストの処理方法。
（２）反応容器内に金属酸化物を含む製鉄ダストおよび製鉄スラッジの少なくとも１つと、炭材と、を充填し、前記金属酸化物を還元および塊成化する製鉄ダスト処理方法において、
前記反応容器充填する際の前記金属酸化物の空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ３以上とすることを特徴とする製鉄ダストの処理方法。
（３）前記製鉄ダストおよび製鉄スラッジの少なくとも１つに、鉄分を６８質量％以上含む酸化鉄を１０質量％以上配合することを特徴とする（１）または（２）に記載の製鉄ダストの処理方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の製鉄ダストの処理方法を実施することによって、製鉄ダストの処理コストを増加させることなく、製鉄ダストおよび製鉄スラッジを還元し、高強度であって塊状の還元焼成物にできる。また、製鉄ダストおよび製鉄スラッジを高強度の還元焼結物に塊成化することで、効率的な製鉄ダストおよび製鉄スラッジのリサイクルが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は、反応容器内に充填された混合物と粉状コークスの状態を示す断面図であり、図１（ｂ）は、混合物と粉状コークスが充填された反応容器のＡ-Ａ断面図である。
【図２】トンネル炉内の温度プロファイルの一例を示す。
【図３】還元焼結物の破壊実験装置の概略を示す側面図である。
【図４】破壊実験における空間中鉄濃度と、質量ロスとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者らは、製鉄ダストおよび製鉄スラッジを効率よく還元する方法について検討した。その結果、製鉄ダストおよび製鉄スラッジは、高温の還元雰囲気下に長時間保持されることによって、製鉄ダストに含まれる金属酸化物が還元および焼結化され、還元焼結物に塊成化されることを見出した。さらに、製鉄ダストおよび製鉄スラッジに酸化鉄を配合し、製鉄ダストおよび製鉄スラッジにおける鉄濃度を上昇させることで、還元焼結物の圧壊強度を向上できることを見出した。ここで、圧壊強度とは、ＪＩＳ  Ｚ  ８８４１の造粒物−強度試験方法に規定される圧壊強度のことである。この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１４】
以下、発明の実施形態を通じて本発明を説明する。なお、ステンレス精錬工程における溶融還元工程の転炉および酸化精錬工程の転炉から発生したステンレスダストを製鉄ダストの一例として用い、本発明の実施形態を当該ステンレスダストの処理を例に説明する。
【００１５】
本実施形態に係る製鉄ダストの処理方法において、まず、ステンレスの精錬工程で発生したステンレスダストに酸化鉄を配合して、ステンレスダストに所定量の酸化鉄が配合された混合物を製造する。そして、当該混合物を高温の還元雰囲気に長時間保持することによって、混合物に含まれる酸化鉄および酸化クロムが還元および焼結され、圧壊強度の高い還元焼結物に塊成化できる。ステンレスダストと酸化鉄の混合物は、サガーと呼ばれる円筒型耐熱容器から構成される反応容器を用いて還元および焼結され、還元焼結物に塊成化される。
【００１６】
図１（ａ）は、反応容器内に充填された混合物と粉状コークスの状態を示す断面図である。また、図１（ｂ）は、混合物と粉状コークスが充填された反応容器のＡ-Ａ断面図である。図１（ａ）に示すように、反応容器１０は、ＳｉＣ製の円筒型耐熱容器であるサガー１２と、サガー１２の底部にモルタルで接着されたアルミナ製の円形板１４とから構成される。混合物は、粉状コークスとともに反応容器１０に充填される。
【００１７】
図１（ａ）および図１（ｂ）を用いて、反応容器１０への混合物と粉状コークスの充填方法について説明する。反応容器１０には、まず、粉状コークス１６が充填される。次いで、粉状コークス１６の上に、外周側に粉状コークス１８、中心側に混合物２０が充填される。さらに、その上に、粉状コークス２２が充填される。このように粉状コークスおよび混合物２０が反応容器１０に充填されたのち、混合物２０の中央部に粉状コークス２４がさらに充填される。
【００１８】
図１に示すように、反応容器１０内には混合物２０の周囲を囲むように粉状コークスが充填される。これにより、混合物２０がサガー１２および円形板１４に焼き付くことを防止できる。また、粉状コークス２２を上部に充填することで、混合物２０が酸化することを防止できる。さらに、混合物２０の中央部に粉状コークス２４を充填することで、還元焼結処理が終了した後に、混合物２０の中央部に空洞ができる。この空洞に取り出し治具を上方から挿入し、取り出し治具を還元焼結物の底部に係止させることで、当該還元焼結物を反応容器１０から容易に取り出すことができる。
【００１９】
混合物２０および粉状コークスを充填した反応容器１０は、トンネル炉に搬入され、反応容器１０内に充填された混合物２０が還元焼結処理される。図２は、トンネル炉内の温度プロファイルの一例を示す。このように、反応容器１０内に充填された混合物２０は、トンネル炉内において、１０００℃以上の雰囲気温度で、４２００分以上保持される。なお、トンネル炉内における反応容器１０の雰囲気温度は、１０００℃以上にすることが好ましい。雰囲気温度が１０００℃より低くなると、金属酸化物によってはその還元が進行しなくなる場合があり、得られた金属物の純度が低下する。特に、ステンレスダストに含まれるクロム酸化物は、雰囲気温度が１０００℃より低くなると、酸化クロムの還元率が低くなるので好ましくない。また、保持時間は、４２００分以上４８００分とすることが好ましい。なお、保持時間を４２００分より短くすると、ステンレスダストの焼結が進まず、還元焼結物の強度が弱くなるので好ましくない。また、保持時間を４８００分以上とすると、１つの反応容器がトンネル炉を使用する時間が長くなり、トンネル炉が時間当たりに処理できる反応容器の数が少なくなるので好ましくない。
【００２０】
また、ステンレスダストへ酸化鉄を配合することによって、還元焼結物の圧壊強度を向上できる。ステンレスダストへ酸化鉄を配合することで、混合物の鉄濃度およびＪＩＳ  Ｚ  ２５０４で規定する見掛密度を高めることができる。これにより、反応容器内において混合物の鉄同士の接触部分が増えて焼結が進行しやすくなったことに加え、混合物の伝熱性も向上し、混合物の内部まで温度が伝達され、内部の温度を効果的に上昇させることができた。そして、この結果、還元焼結物の強度が向上したと考えられる。
【００２１】
なお、還元焼結物の強度を向上させるための指標として、反応容器に充填する際の混合物の金属酸化物の鉄濃度（質量％）と混合物の見掛密度（ｋｇ／ｍ３）との積で表される空間中鉄濃度（ｋｇ／ｍ３）を用いた。還元焼結物の圧壊強度を、還元焼結物の搬送工程において破砕されない圧壊強度にするには、ステンレスダストに酸化鉄を配合して、反応容器に充填する際の混合物の空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ３以上にすることが必要である。
【００２２】
次に、空間中鉄濃度と、還元焼結物の圧壊強度との関係を確認した還元焼結物の破壊実験について説明する。図３は、還元焼結物の破壊実験装置の概略を示す側面図である。図３に示すように、破壊実験装置３０は、床面３２上に載置された斜面台３４とから構成される。
【００２３】
破壊実験は、以下の手順にて行なった。まず、ステンレスダストに所定の酸化鉄配合割合になるように酸化鉄を配合して混合物を製造する。当該混合物と粉状コークスとを、図１に示したように、反応容器１０に充填する。混合物と粉状コークスを充填した反応容器１０をトンネル炉に搬入し、図２に示した温度プロファイルに従い、反応容器１０を加熱することで還元焼結処理し、混合物を還元焼結物に塊成化した。
【００２４】
このようにして得られた円筒形状の還元焼結物４０の質量（Ｗ０）を測定し、その後、還元焼結物４０の側面を横向きにして、斜面台３４の高さ３ｍの頂点３６から傾斜角度２０°の斜面および床面３２を５ｍ転がし、その後の還元焼結物４０の質量（Ｗ1）を測定した。
【００２５】
破壊実験の結果として、破壊実験装置３０によって与えられる衝撃により、還元焼結物４０の質量が減った割合である質量ロスを算出した。質量ロス（％）とは、斜面台３４および床面３２を転がった後の質量であるＷ１（ｋｇ）を転がす前の質量であるＷ０（ｋｇ）で除して１００を乗じた値である。なお、破壊実験装置３０における斜面台３４の高さおよび角度は、還元焼結物４０がトラックまたはコンベアで搬送された場合にかかる衝撃および還元焼結物がスクラップシュートを用いて転炉等に装入された場合にかかる衝撃を想定して設定した。
【００２６】
表１に、破壊実験に用いた還元焼結物の製造に用いたステンレスダストおよび酸化鉄の組成を示す。また、表２に、破壊実験を行なった還元焼結物の原料として用いた混合物の使用原料、酸化鉄配合割合（質量％）、鉄濃度（質量％）、見掛密度（ｋｇ／ｍ３）、空間中鉄濃度（ｋｇ／ｍ３）と、還元焼結物の圧壊強度（ＭＰａ）と、破壊実験の結果である質量ロス（質量％）をそれぞれ示す。ここで、鉄濃度の鉄は、酸化鉄の鉄および金属鉄の鉄を含む。また、表１に示したステンレスダストおよび酸化鉄の組成は、蛍光Ｘ線分析を用いて測定した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２において、圧壊強度は、オートグラフを用いて、５ｍｍ／ｍｉｎの載荷速度として、破壊した荷重と試験片の断面積から算出した。実験例１は、酸化鉄を配合せずに、ステンレスダストを還元焼結物にして破壊実験を行なった結果である。また、実験例２〜７は、ステンレスダストに酸化鉄を配合した混合物を還元焼結物にして破壊実験を行なった結果である。実験例２〜７は、ステンレスダストに配合した酸化鉄の配合割合を番号順に２．５質量％ずつ増加させた混合原料を用いた。
【００３０】
表４から、実験例１から実験例４の圧壊強度は低く、実験例５から実験例７の圧壊強度は高いことがわかる。特に、空間中鉄濃度が７８０ｋｇ／ｍ２である実験例４の圧壊強度が０．６７ＭＰａであるのに対し、空間中鉄濃度が８００ｋｇ／ｍ２である実験例５の圧壊強度は１．６６ＭＰａになっており、空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ２以上にすることで、還元焼結物４０の圧壊強度を大きく高められることがわかる。また、質量ロスについても上記結果と対応し、実験例４の質量ロスが５０％であるのに対し、実験例５では、５％になっており、同じく、空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ２以上にすることで、質量ロスを大きく減少できることがわかる。
【００３１】
図４は、破壊実験における空間中鉄濃度と、質量ロスとの関係を示すグラフである。図４において、横軸は、空間中鉄濃度（ｋｇ／ｍ３）であり、縦軸は、質量ロス（％）である。図４から、空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ３以上にすることで、破壊実験における還元焼結物４０の質量ロスを大きく低減できることがみてとれる。これらのことから、表１に示したステンレスダストに、鉄分を６８.４質量％以上含む酸化鉄を１０.０質量％以上配合することで、トラック、コンベアまたはスクラップシュートで搬送したとしても破砕しない十分な圧壊強度を有する還元焼結物に塊成化できることがわかる。
【００３２】
このように、ステンレスダストに酸化鉄を添加して混合物とし、反応容器内における混合物の金属酸化物の空間中鉄濃度を８００ｋｇ／ｍ３以上にする。これにより、バインダー等を用いることなく、ステンレスダストを圧壊強度の高い還元焼結物に塊成化できる。これにより、バインダー等を用いることなくステンレスダストを圧壊強度の高い還元焼結物にできるので、ステンレスダストの処理コストの増加を抑制できる。
【００３３】
また、ステンレスダストを圧壊強度の高い還元焼結物に塊成化できれば、還元焼結物をトラックまたはコンベアで搬送しても、当該搬送による衝撃で還元焼結物が破砕されることを抑制されるので、破砕による粉化し、粉化によって発生した微粉が集塵機に吸引されることによる歩留まりの悪化も抑制できる。また、還元焼結物の圧壊強度を高めることによって、スクラップシュートからスクラップとともに転炉等に装入できるので、簡便な方法で還元焼結物を転炉等に装入でき、効率的なステンレスダストのリサイクルが実現できる。さらに、破砕による粉化を抑制することで、粉化したダストが発火する危険性も大きく低下させることができる。
【００３４】
なお、本発明の実施形態をステンレス精錬工程における溶融還元工程の転炉および酸化精錬工程の転炉から発生したステンレスダストの処理を例に説明した。しかしながら、本実施形態に係る製鉄ダストの処理方法は、ステンレスダストに限らず、製鉄工程で発生する金属成分を含有する製鉄ダストに適用できる。また、酸性工程または圧延工程で発生する金属分を含有したスラリー状の製鉄スラッジにも適用できる。
【００３５】
また、本実施形態において、反応容器１０にステンレスダストに酸化鉄を配合した混合物と粉状コークスを充填する例を示したが、ステンレス精錬工程で発生したステンレスダストのような製鉄ダストは炭素を含むので、この場合には、反応容器１０に炭材である粉状コークスを充填することは必須ではない。しかしながら、例えば、酸性工程または圧延工程で発生する金属分を含有したスラリー状の製鉄スラッジは炭素分を含まないので、この場合においては、反応容器１０に炭材である粉状コークスを充填する。これにより、製鉄スラッジを、製鉄スラッジの処理コストの増加を抑制しつつ、高い圧壊強度を有する還元焼結物に塊成化できる。
【符号の説明】
【００３６】
１０：    反応容器
１２：    サガー
１４：    円形板
１６：    粉状コークス
１８：    粉状コークス
２０：    混合物
２２：    粉状コークス
２４：    粉状コークス
３０：    破壊実験装置
３２：    床面
３４：    斜面台
３６：    頂点
４０：    還元焼結物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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