JP5041744B2 - ロータリーキルンによる合金スラッジの連続乾燥処理方法 - Google Patents

Description

本発明は金属スラッジの連続乾燥方法に関する。特に、希土類磁石合金を含むスラッジをロータリーキルンにより高温で連続乾燥処理を行なう方法に関する。

金属スラッジは、軸受鋼や浸炭鋼の鉄系金属や希土類磁石系磁石合金などの合金を研削加工する際に水分を含む研削屑として発生する。特に、希土類系合金は永久磁石合金として大量に使用されており、所望の小型の形状に加工するために機械加工や研削加工に施されるが、その際、小片状研削粉等のスラッジが大量に発生する。そのため、これらのスラッジのリサイクルが極めて有用である。

金属スラッジを効率よくリサイクルするためには、含有酸素や炭素の低減化などの再生処理が必要となるが、このような再生処理として従来は湿式法が採用されてきた。例えば、希土類磁石合金を含むスクラップを塩酸、硝酸、硫酸等の強酸で完全に溶解した後に、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム等のアルカリによりｐＨを調整し、合金中の鉄を水酸化鉄の形で沈殿させ、分離する方法がある。

しかしながら、上記の方法では、多量の酸及びアルカリが必要であり、生成した多量の鉄水酸化物の分別が困難であり、また、多くの人手を要するなどの問題があった。
そこで、希土類磁石メーカーは、採算性よく湿式処理を行うため、金属スクラップを中国、東南アジア等の国々にドラム缶につめて輸出して現地で処理しているが、例えば、中国では、政府の方針の変更によって、従来スクラップとして扱われていたものが廃棄物として扱われるなど、海外における処理への依存は不安定要因も多い。

このようなことから、日本国内における金属スラッジの乾式による効率のよいリサイクル技術の確立が望まれている。

金属スラッジは前述のように一般には研削加工工程によって生じるが、その際純水と一緒に研削されるため多量の水分を含むことが多い。このように多量の水分を含むスラッジをそのまま溶鉱炉に投入すると、当該水分によって溶鉱炉中で水蒸気爆発が生じる。したがって、スラッジを溶鉱炉に装入する前に水分を除去することが必要となる。

スラッジの乾燥処理は、乾燥炉でバッチ式で行なうことも可能であるが、それでは極めて効率が悪く採算性がよくない。例えば、下記の特許文献１には、水蒸気爆発を防ぐため、焼却灰を１０質量％以下の水分含有率までに乾燥してから、反応容器に装入することが開示されているが、連続処理を可能とするものではない。また、希土類磁石の研削屑のような金属スラッジは水分を多量に含むため、水蒸気爆発を生じることなく水分含有率を１０質量％以下まで低下させるためには、低温で長時間乾燥しなければならず、やはり極めて効率が悪くなってしまう。さらに、加熱後の冷却にも１週間程度要するなど、採算性が悪く商業化には適さない。

また、下記特許文献２には、研削液及び鉄系金属研削切粉を含む綿状凝集体を圧縮成形して、水分及び油分を除去する方法が開示されているが、プレスなどによる圧縮成形では、圧縮成形後成形体を粉砕した後ブリケット化する必要があり、リサイクル工程としては効率がよくなく、コストも高くつく。

金属スラッジから金属を効率よくリサイクルするためには、乾式処理により連続乾燥し、水分を除去した後ブリケット化して溶鉱炉で処理することが望ましい。その際、ロータリーキルンを使用して、攪拌、乾燥を同時に効率よく連続処理することが可能である。特に、希土類系磁石合金は、Ｓｅ，Ｓｍなどの自燃性合金が含まれるため、攪拌により、表面をまんべんなく加熱する必要があり、ロータリーキルンによる乾燥処理が極めて有効である。
特開２０００−３２６３２８号公報 特開２００２−１９４４４９号公報

本発明は、金属スラッジをロータリーキルンにより連続乾燥処理する際に発生する問題を解決しようとするものである。ロータリーキルンに水分を多量に含む金属スラッジを装入すると、水蒸気爆発が生じる。特に、効率よく乾燥するためには高温による処理が必要であるが、高温にすればするほど爆発の危険性は高まる。また、希土類磁石合金のなかには自燃性の金属も含まれるため、キルン内で急激に酸化燃焼し爆発が生じやすい。さらに、多量の水を含むスラッジをそのままキルンに投入すると、キルンのレトルト（筒）内に金属スラッジが粘度のように付着してしまうという問題を有する。

このように、金属スラッジをロータリーキルンにより乾燥処理すると多くの困難な技術的問題が生じるため、今まで金属スラッジをロータリーキルンで加熱処理するという試みはなされていなかった。

したがって、本発明の目的は、金属スラッジの再利用において、ロータリーキルンによる乾燥処理を可能にするため、水蒸気爆発などの爆発やレトルト内への付着が生じることなく、安全で効率よく、乾燥処理を連続的に行なう方法を提供することにある。

本発明の方法は、金属スラッジをロータリーキルンで処理する前に乾燥炉で乾燥することにより、含水率を３０％以下に低下させ、その後、ロータリーキルンで処理することにより含水率を１０％以下に低下させるものである。本発明の発明者は、特に、金属スラッジの含水率を乾燥炉による処理で３０％以下、好ましくは２０％以下、より好ましくは１５％以下に低下しておけば、ロータリーキルンの温度を４００℃以上の高温にしても爆発が生じないことを見出した。これにより、水分を多量に含む金属スラッジの乾燥を、乾燥炉及びロータリーキルンによる２段階の連続処理とすることにより、極めて効率よく含水率１０％以下に乾燥することができる。

本発明の方法が対象とするのは研削加工などによって生じる金属スラッジである。特に、希土類系磁石合金は、近年、その需要が急速に高まっており、製造工程において大量に研削屑のスクラップが発生する。希土類系磁石合金としては、特に制限されるものではなく、例えば、コバルトに、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｄ、Ｓｍ等の希土類金属が含まれるものなど公知の合金に適用できる。

本発明の乾燥処理は、乾燥炉内において、大気圧又は減圧状態で５０〜５００℃の温度において、１０分〜５時間加熱することにより行われる。５０℃以下では、乾燥が不十分であり、含水率を３０％以下にするには極めて長時間を要してしまう。また、５００℃以上では、水蒸気爆発の危険がある。好ましいより処理時間は１７〜５０分間であり、処理温度１００〜３５０℃、より好ましくは、処理温度１５０〜３５０℃、さらに好ましくは、処理温度１７０〜３００℃の範囲で行うとよい。

本発明で使用される乾燥炉とは、通常の加熱炉であればよく、特に制限されない。ただし、処理物をロータリーキルンに連続的に投入するために、ベルコンベアによる取出しが容易である構造であればより好ましい。

本発明の乾燥処理に続く加熱処理は、ロータリーキルン内において、大気圧又は減圧状態で４００〜１，０００℃の温度において、１０分〜３時間、直接加熱することにより行なわれる。処理雰囲気は大気でも不活性ガスでもよい。４００℃以下では、含水率を１０％にするために長時間を要し、効率的な処理が出来ない。また、１，０００℃以上では、ロータリーキルンの耐熱性に限界があり危険が生じる。好ましい処理時間は８〜５０分間であり、加熱温度は６５０〜８５０℃、好ましくは７００〜８５０℃、より好ましくは加熱温度７５０〜８５０℃の範囲で行うとよい。

本発明で用いられるロータリーキルンは、上記のように高温での処理が行われるため、通常のキルンより耐熱性があるものが好ましい。例えば、外壁を耐熱性ステンレス鋼により形成されたものなど耐熱構造を有するものが好ましい。

また、高温加熱処理処理後に、大気圧又は減圧状態で１００〜２００℃の温度において、１０分〜５時間、最終乾燥処理を行うことが好ましい。

一般に、ロータリーキルンを含む加熱炉による加熱処理は、電熱、プロパンガス等の硫化物や燐等の有害物質が発生する熱源を用いるため、処理対称物がこれら有害物質に汚染される可能性がある。したがって、前工程の乾燥処理及びロータリーキルンによる加熱は直接加熱とすることが好ましい。直接加熱によれば、熱源として重油、軽油、ガソリン等を使用する必要がないので、処理対象物が硫化物や燐などの有害物質に汚染されることを防ぐことが出来る。

本発明の方法により含水率が１０％以下とされたスクラップは、溶鉱炉に投入するためにブリケットマシンによりブラケット化を行なう。回収されたスクラップは、パウダー状で溶鉱炉に投入すると飛散してしまうため、また、運搬等の容易化のため、ブリケット化される。例えば、コバルト含有希土類磁石合金スクラップの場合、ブリケット化された金属研削屑と母材として純鉄を加えて、溶鉱炉に投入し、コバルト含有ショットを製造する。これにより、コバルト金属含有率２０〜３０％のショットを得ることができる。溶鉱炉としては、一般に電気炉が使用される。

以上のように、本発明の方法によれば、水分を含む金属スラッジが効率よく連続乾燥処理が施され、得られた金属屑はブリケット化された後溶鉱炉で溶解されショット状の製品としてリサイクルされる。ショット状の製品は金属加工会社に納入され、再度原料として使用される。

本発明によれば、水分を多量記含む金属スラッジの乾燥を、乾燥炉、ロータリーキルンによる２段階の連続処理とすることにより、極めて効率よく含水率１０％以下に乾燥することができる。また、ロータリーキルンでの加熱が燃料を使用しない直接加熱とするため、回収対象物が硫化物や燐などにより汚染されることがないという利点を有する。

以下に、具体的実施例に沿って本発明の詳細を説明する。

コバルト、鉄、サマリウム、ネオジウムを含む希土類磁石合金及び水分６０〜７０％を含む金属スラッジ２０ｍｌをドラム缶より取り出し、ステンレスビーカーに入れ、大気圧下のホットプレート上で加熱速度１０℃／分で２５０〜３５０℃まで加熱し、１時間保持した後、取出し、ＩＣＰ発光分光法により含水率を測定したところ、１５〜２５％であった。得られたスクラップをベルトコンベアに載せロータリーキルン中に挿入した。ロータリーキルンは、窒素置換雰囲気中で加熱速度１０℃／分で７５０℃に保持されていた。ロータリーキルン中で０．５時間処理したが、爆発などの危険が生じることなく乾燥することが出来た。スクラップを取り出し、前述と同様の方法により含水率を測定したところ１〜３％であった。

スクラップはブリケットマシンによりブリケット化した。含水率が低下しているためにきわめて容易にブリケット化することができた。得られたブリケットを純鉄と共に電気炉に投入して溶解し、コバルト含有ショットを製造した。得られたショットのコバルト含有率は２５％であった。

実施例１の希土類合金スラッジの乾燥・加熱処理において、適切な乾燥・加熱条件を見出すために、乾燥処理における乾燥温度と乾燥時間及び加熱処理における加熱温度と乾燥時間を変えて実験を行った。

図２は、初期乾燥処理における乾燥時間をそれぞれ１０００秒（１７分）、２０００秒（３３分）、３０００秒（５０分）とした場合における、処理温度と含水率との関係を示す。

図２からわかるように、各処理時間（すなわち、１７〜５０分間）において、処理温度１００〜３５０℃に加熱処理することによって、含水率２０％以下に低下できることがわかる。また、処理温度１５０〜３５０℃に加熱処理することによって、効率よく１５％以下の含水率に低下できることでき、さらに、高温になることを避け効率よく含水率を低下させる観点から、より好ましくは、１７０〜３００℃の範囲で行うとよいことがわかる。

図３は、撹拌熱処理における乾燥時間をそれぞれ５００秒（８分）、１０００秒（１７分）、２０００秒（３３分）、３０００秒（５０分）とした場合における、処理温度と含水率の関係を示す。

図３からわかるように、いずれの処理時間（すなわち、８〜５０分間）においても、６５０〜８５０℃に加熱することによって、含水率５％以下にすることができることがわかる。また、含水率を３％以下にするためには、７００〜８５０℃に加熱する必要があり、特に、２％以下とするためには、７５０〜８５０℃において適切な加熱温度と加熱時間を選択する必要があることがわかる。

以上のように、希土類合金スラッジを爆発などの危険が生じることなく乾燥するためには、乾燥処理を１７〜５０分間、処理温度１００〜３５０℃において行い、高温加熱処理を８〜５０分間、加熱温度は６５０〜８５０℃の範囲で行うとよく、目標とする含水率、処理時間等の観点から、上記範囲において適切な処理条件を選ぶことが可能である。

炭素を０．３％含む鉄鋼研削屑及び水分７０〜８０％を含むスラッジ２０ｍｌをステンレスビーカーに入れ、１時間保持した後、取出し、含水率を測定したところ、１５〜２５％であった。得られたスクラップをベルトコンベアに載せ、ロータリーキルン中に挿入した。ロータリーキルンは、窒素置換雰囲気中で加熱速度１０℃／分で７００〜８００℃に保持されていた。ロータリーキルン中で０．５〜１時間処理したが、爆発などの危険が生じることなく乾燥することが出来た。スクラップを取り出し、含水率を測定したところ１〜５％であった。

本発明の連続処理工程の概略を示す。 初期乾燥処理における各乾燥時間について処理温度と含水率との関係を示す。 撹拌熱処理（高温処理）における各乾燥時間について処理温度と含水率の関係を示す。

Claims (8)

1. 希土類磁石系合金を含む金属スラッジを含水率３０％以下に乾燥処理した後、ロータリーキルンに装入して含水率１０％以下になるまで高温で加熱処理することを特徴とする金属スラッジの連続処理方法。
2. 乾燥処理後の含水率が２０％以下であり、高温加熱処理後の含水率が５％以下である請求項１に記載の連続処理方法。
3. 高温処理後にさらに１００〜２００℃の温度において、１０分〜５時間最終乾燥処理することを特徴とする請求項１又は２に記載の連続処理方法。
4. 前記乾燥処理は、乾燥炉内において、大気圧又は減圧状態で５０〜５００℃の温度において、１０分〜５時間加熱することにより行なわれる請求項１〜３のいずれかに記載の連続処理方法。
5. 前記加熱処理は、ロータリーキルン内において、大気圧又は減圧状態で４００〜１，０００℃の温度において、１０分〜３時間、直接加熱することにより行なわれる請求項１ないし４のいずれかに記載の連続処理方法。
6. 前記乾燥処理は、乾燥炉内において、大気圧又は減圧状態で１００〜３５０℃の温度において、１７〜５０分間加熱することにより行なわれる請求項４に記載の連続処理方法。
7. 前記加熱処理は、ロータリーキルン内において、大気圧又は減圧状態で６５０〜８５０℃の温度において、８〜５０分間直接加熱することにより行なわれる請求項６に記載の連続処理方法。
8. 前記ロータリーキルンは耐熱性ステンレス鋼を外壁として使用した耐熱構造を有する請求項１ないし７のいずれかに記載の連続処理方法。

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