JP5897064B2 - 溶融材料の造粒機 - Google Patents

Description

本発明は、溶融材料を造粒する装置及び方法に関する。

いくつかのタイプの溶融材料造粒機は、ロータリーアトマイザーを含む。このタイプの造粒機では、溶融材料を回転皿と接触させてから、遠心力によってロータリーアトマイザーの中心から半径方向に噴射させる。理想的には、噴射された溶融材料液滴は、ロータリーアトマイザーからの噴射後からさらなる使用のために回収されるまでの時間に十分に冷却凝固する。種々の造粒機及びロータリーアトマイザーの設計が現存している。

これらの現在の設計の欠点のいくつかは、（i）寸法が大きく、造粒機は、ロータリーアトマイザーから噴射された溶融材料液滴を十分に凝固させるために半径を最大１０ｍにする必要がある場合が多いこと、（ii）ロータリーアトマイザーから噴射される溶融材料液滴の冷却を助けるための大量の空気流の使用に費用がかかり非効率的であること、（iii）溶融スラグ造粒機内で、非理想的なロータリーアトマイザー設計からできる繊維状の凝固スラグである「スラグウール」が発生し、これは、費用がかかる清掃の原因となり造粒機の動作効率を低下させること、及び、（iv）回収段階中の噴射液滴に残っている余熱が、噴射液滴を表面に張り付かせ、凝集させ、かつ／又は再溶融させることである。

本出願人らは、現存するものよりも改善されたロータリーアトマイザーを含む溶融材料造粒機を設計した。本出願人らは、液滴が完全に凝固することができる距離内に十分に入る短い距離だけアトマイザーから離して位置決めされた衝突面へ向けて液滴を噴射することによって、十分な硬さのない半凝固液滴が表面との衝突時に分裂することを発見した。これにより、高温のままである内側コア材料が露出されて、通常可能であるよりも速く冷却されることができる。したがって、飛翔距離を大幅に短縮すること及び半凝固液滴を衝突面と衝突させることによって、造粒機のサイズを大幅に小さくすることができ、冷却空気カーテンを設ける必要なく粒子を冷却することができる。これによりさらに、造粒機の運転費が減る。

一態様において、造粒機であって、
溶融材料を受け取って溶融材料の液滴を噴射するロータリーアトマイザーと、
前記液滴の軌道内に配置されて前記液滴が衝突する衝突面であって、前記ロータリーアトマイザーから、
（i）前記液滴の全部又は実質的に全部が該衝突面に衝突し、
（ii）前記液滴の一部が該衝突面との接触前に完全に凝固しない
ような距離及び角度にある、衝突面と、を備える造粒機が提供される。

液滴が凝固する際、凝固シェルの熱伝達特性に起因して、液体コアがあまり急速に冷めることができなくなると考えられる。本出願人は、半凝固液滴が衝突面に衝突すると、半凝固液滴の少なくとも一部が破砕して、衝突面との衝突時に溶融材料を露出させることを発見した。

さらに、前記衝突面との接触後に、半凝固液滴と衝突面との衝突が半凝固液滴をコレクターへ向け直す。

本発明の好ましい形態では、液滴の割合は、最大寸法又は直径が３ｍｍ以上である。液滴が衝突面に衝突するときに、液滴が２０体積％よりも多く好ましくは９０体積％よりも少なく凝固していることが好ましい。以前の研究では、プロセス設計は、張り付きを回避するために衝突前に実質的に凝固するのに十分な冷却に基づく（したがって、大きな筐体及びより長い飛翔時間を必要とする）ものであった。

別の態様において、溶融材料を造粒する方法であって、
溶融材料の液滴をロータリーアトマイザーから衝突面へ向けて噴射して、前記液滴の一部が飛翔中に半凝固する工程と、
前記液滴の一部が前記衝突面との衝突時に完全に凝固しないように、前記半凝固液滴の全部又は実質的に全部を前記液滴の軌道内に配置されている衝突面に衝突させる工程と、
前記半凝固液滴をコレクターへ向け直す工程と、を含む溶融材料を造粒する方法が提供される。

好ましい形態では、半凝固液滴の一部は、凝固が５０％未満である。溶融材料はスラグであることが好ましい。

上記態様のいくつかの実施の形態では、衝突面が軌道に対して配置される角度は、３０度よりも大きく７５度未満であり得る。好ましい一形態では、範囲の下限は４５度よりも大きく、範囲の上限は６０度未満であり得る。衝突角度は、半凝固液滴を衝突面に張り付かせるほど大きすぎてはならず、衝突角度の選択は、材料の特性及びアトマイザーからの距離、したがって凝固の程度に応じて決まる。

いくつかの実施の形態では、造粒機は、密閉又は実質的に密閉されたチャンバーであり得る。

明確にするために構造特徴の数を減らして示す、本発明の造粒機の中心軸を通る断面を示す図である。 明確にするために構造特徴の数を減らして示す、本発明の造粒機の平面図である。 本発明の造粒機の好ましい実施形態の中心軸を通る断面を示す図である。

図１は、本発明の造粒機の特徴及び動作を示す。通常の動作では、溶融材料２が供給手段４によって造粒機１００に供給される。供給手段４は、スピン手段１６によって一定のスピン速度でスピンしているロータリーアトマイザー８へ溶融材料２を向ける。実質的に垂直な軸を中心としたスピンは、溶融材料２を軌道２４でロータリーアトマイザー８から噴射させる。こうして形成された溶融材料液滴２２は、軌道２４で衝突面２８へ向けて噴射される。溶融材料液滴２２の一部は、衝突面２８に衝突する前には、完全に凝固せずに、溶融材料コアの周りに凝固シェルがある半凝固液滴２６を形成する。衝突面２６に対する半凝固液滴２６の衝突力は、半凝固液滴２６の少なくとも一部の少なくとも凝固シェルを破砕させて破砕液滴３０を形成させる。衝突面２８によって向け直された破砕液滴３０を含む全液滴が、さらに凝固しながらコレクター３２へ向かって進む。

造粒機１００の設計に影響を及ぼす重要な因子として、供給手段４を通る溶融材料２の流量、ロータリーアトマイザー８のスピン速度、溶融材料液滴２２の噴射温度、衝突面２８との衝突前の溶融材料液滴２２の軌道距離及び飛翔時間、溶融材料液滴２２の寸法、溶融材料２を構成する材料、付加的な冷却（環状空気流及び／又は衝突面の冷却等）の有無が挙げられる。すなわち、造粒機１００の任意の一構成要素の正確な設計及び動作条件は、多くの場合は造粒機１００の他の構成要素の設計及び動作条件に応じて変わると共に、造粒対象の材料の物理的及び化学的特性に応じて変わる。例えば、供給温度が高いほど衝突面２８との衝突前の軌道を長くする必要があり得ると共に、溶融材料の熱伝導率が低いほど衝突面２８との衝突前の軌道を長くする必要があり得る。そうではあるが、この説明は、通常の設計パラメーター及び動作条件の指標としての役割を果たす値を提供する。

溶融材料２は、粒状形態を生成することが望ましい任意の溶融材料であり得る。例えば、溶融材料は、溶融金属、ポリマー、マット、又はガラスであり得る。好ましい実施形態では、溶融材料は、金属を精製するために鉱石を精錬するプロセスからの副産物（スラグとしても知られている）である。粒状スラグは、いかなる目的にも用いることができるが、セメント及びコンクリートの製造に特に有用であり得る。

供給手段４は、当該技術分野で既知の任意の適当な手段であり得る。例えば、供給手段４は、管、パイプ、チャネル、トラフ、又は他の形態の導管であり得る。適当な改良型のアトマイザーが、全内容が参照により援用されるオーストラリア仮特許出願第２００８９０３２９６号及び後続の同時係属中の国際特許出願に記載されている。溶融材料２は、当該技術分野で既知の任意の手段によって供給手段４の端から放出され得る。例えば、溶融材料２は、ノズル、スパウト、タップ、又は供給を制御する他の手段によって放出され得る。代替的に、溶融材料２は、供給を制御する他の手段を一切用いずに供給手段４の端から放出され得る。スラグに関する場合、供給手段４は、スラグ投入口と呼ばれ得る。

溶融材料２は、供給手段４を介して高温（本明細書では以下で「供給温度」と呼ばれる）で供給される。供給温度は、材料が実質的に溶融するいかなる温度であってもよく、材料自体に応じて決まる。製鉄スラグに関する場合、溶融材料２の供給温度は、約１４００℃〜約１６００℃であり得る。明らかに、供給温度は、供給手段４の端とロータリーアトマイザー８との間の熱損失に起因して、溶融材料２がロータリーアトマイザー８によって受け取られる時点の温度よりもわずかに高い可能性があるが、本明細書のために、これら２つの温度は同等と見なされるものとする。供給手段４を通ってロータリーアトマイザー８に入る溶融材料２の流量は、可変であり、造粒機１００の他の構成要素の設計及び動作条件と造粒対象の材料とに応じて決まる。通常、流量は、小工場又は試験装置での約１ｋｇ／分〜工業規模の工場の場合の数トン／分であり得る。この流量は、出湯量と呼ばれ得る。

ロータリーアトマイザー８は、供給手段４から放出された溶融材料２がロータリーアトマイザー８の受け部によって受け取られるように位置決めされる。スピン手段１６は、実質的に垂直な軸を中心にロータリーアトマイザーを回転又はスピンさせるために用いられる。スピン手段１６は、当該技術分野で既知の任意のものであり得る。例えば、スピン手段１６は、磁気駆動式又は歯車駆動式であり得る。スピン速度は、可変であり、造粒機１００の他の構成要素の設計及び動作条件と造粒対象の材料とに応じて決まる。通常、スピン速度は、約６００ｒｐｍ〜約３０００ｒｐｍであり得る。ロータリーアトマイザーの設計は、当該技術分野で既知の任意のものであり得る。溶融材料液滴２２の形状及びサイズは、可変であり、造粒機１００の他の構成要素の設計及び動作条件と造粒対象の材料とに応じて決まる。通常、溶融材料液滴２２は、直径約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの実質的に球状である。ロータリーアトマイザー８からの溶融材料液滴２２の噴射速度は、可変であり、造粒機１００の他の構成要素の設計及び動作条件と造粒対象の材料とに応じて決まる。通常、ロータリーアトマイザー８からの溶融材料液滴２２の噴射速度は、約１．５ｍ／秒〜約８ｍ／秒である。

ロータリーアトマイザー８は、当該技術分野で既知の任意の材料から構成され得る。アトマイザーの材料の好ましい要件は、低費用、高伝熱性、及び加工性である。例えば、ロータリーアトマイザー８は、耐火材料又は銅から構成され得る。好ましくは、ロータリーアトマイザー８は、ステンレス鋼又は鋳鉄から構成される。

いくつかの実施形態では、図２に関して、ロータリーアトマイザー８は造粒機１００内の実質的に中心に位置決めされる。より典型的には、ロータリーアトマイザー８は、衝突面２８によって画定される領域内の実質的に中心に位置決めされる。すなわち、ロータリーアトマイザー８は、スピンして、その円周の周りのどこにおいても半径方向に溶融材料液滴２２を噴射しているため、噴射された溶融材料液滴２２の全部又は実質的に全部の軌道内に衝突面２８を配置させることが好ましい。すなわち、衝突面２８が環状であることが好ましい。

噴射された溶融材料液滴２２の全部又は実質的に全部は、続いて、衝突面２８へ向かう軌道を辿る。衝突面は、液滴の一部が衝突面と衝突する前に完全に凝固せずに半凝固液滴２６を形成するような距離だけロータリーアトマイザーから離れて位置決めされる。半凝固液滴２６は、凝固した外側領域又はシェルと溶融した内側領域又はコアとを有する。距離は、溶融材料、材料の温度、及び液滴サイズに応じて決まる。液滴サイズはさらに、アトマイザーの回転速度、したがって液滴の流出速度に応じて決まる。

同じく、衝突面２８は、半凝固液滴２６の大部分が衝突前に完全に凝固していないような、また半凝固液滴２６と衝突面２８との衝突が半凝固液滴２６の少なくとも一部を破砕させて破砕液滴３０を形成させるような、距離及び角度に位置決めされる。半凝固液滴２６のこの破砕は、凝固した外側領域を亀裂、破壊、破裂、又は他の形で破砕させ、溶融した内側領域の少なくとも一部を破砕液滴３０の外部に露出させる。理論に束縛されることは望まないが、本発明者らは、溶融した内側領域の外部への露出が、衝突面２８との衝突時に破砕しない場合の半凝固液滴２６よりも速く破砕液滴３０を冷却凝固させると考える。衝突面２８が軌道に対して配置される角度を変更して、衝突力を制御することもできる。衝突面２８が軌道に対して配置される角度βは、３０度よりも大きく約７５度以下であり得る。この角度は、衝突の半径方向で測定される。範囲の下限は４５度よりも大きく、範囲の上限は６０度未満であり得る。したがって、接触角度の好ましい範囲は、これらの制限範囲の順列を含む。当業者であれば、衝突面２８との衝突時の半凝固液滴２６の破砕が、速度、凝固の程度、衝突角度β、及び半凝固液滴２６のサイズの関数であるか否かを理解するであろう。

理論に束縛されることは望まないが、衝突及び分裂（１つの大きな半凝固液滴から複数のより小さな液滴に）は、約３ｍｍ以上で好ましくは約５０％未満の固形分（体積％）の液滴で生じ得ると考えられる。これは、液滴半径に対して約２０％の凝固シェルの直線厚さに相当する。

部分凝固の程度は、液滴飛翔時間（衝突前）、液滴温度（より厳密には液相線温度よりも高い過熱度）、及び速度（カップスピン速度及びカップ直径に応じて決まる）によって確定される。液体材料の粘度及び表面張力も考慮事項であり得る。

本発明者らによる衝突実験では、液滴が一瞬（飛翔時間）で傾斜屋根と衝突した。衝突前の飛翔時間の範囲内（０．０２秒〜０．１２秒程度）では、大きな液滴（全液滴のうち０％ではないものの約１％を構成する直径約３ｍｍ以上のもの）は、５０体積％未満凝固してわずか３０％凝固すると考えられ、大きな液滴のいくつかは、衝突時に崩壊した。小さな液滴（２ｍｍ以下のもの）は、衝突前により高い固形分に達し、あまり分裂を示さなかった。本出願人が観察したところ、アトマイザーから衝突面までの距離は、２ｍｍ以上の液滴（全液滴のうち５％未満だが０％ではない）の凝固が衝突時に５０体積％未満であるような距離である。

衝突及び分裂は、非常に速く或る程度無作為なプロセスである。凝固が約５０体積％未満である大きな液滴は、凝固の程度がより高い小さな液滴よりも崩壊の可能性が高いと思われる。

液滴の表面がほとんど凝固していない場合、液滴は、衝突時に跳ね返って崩壊するのではなく平坦になって汚れになる。これは、凝固の程度が約２０体積％固形分と推定される値よりも小さい場合に生じると考えられる。したがって、凝固のレベルは、２０体積％よりも大きく好ましくは８０体積％未満であるべきである。汚れを回避するのに適した条件は、試験によって（例えば、出湯温度等の溶融材料のプロセス条件によって）容易に求めることができる。

衝突面は、当該技術分野で既知の任意の材料から作られ得る。例えば、衝突面２８は、耐火材料又は金属であり得る。好ましくは、衝突面２８は、ステンレス鋼から構成される。

衝突面２８との衝突後、破砕液滴３０は、さらに凝固して造粒物３４になり、これがさらなる使用のために回収され得る。造粒物３４は通常、凝固した材料又は少なくとも凝固した外側領域若しくはシェルを有する材料の粒子から成り、溶融した内側領域又はコアも有し得る。当該技術分野で既知の任意のコレクター３２を造粒物３４の回収に用いることができる。例えば、コレクター３２は、単に造粒物３４が造粒機１００から出ることができるように位置決めされた任意の寸法の開口であってもよく、又は造粒物３４の出口用の少なくとも１つの孔を有する環状トラフであってもよい。

図３は、動作中であり得る造粒機１００のより完全な描写を示す。溶融材料液滴２２は、ロータリーアトマイザー８から密閉又は実質的に密閉されたチャンバーであり得るチャンバー４０に噴射される。半凝固液滴２６が衝突面２８と衝突して破砕液滴３０が形成された後、造粒物３４はコレクターへ向けられ、コレクターは、図３ではコレクター３２として造粒機１００の周辺へ向けて配置されるように描かれている。

チャンバー４０は、実質的に円錐台形（錐台とも呼ばれる）である上境界面４２を有し得る。上境界面４２の円錐台形は、供給手段４へ向かって上窄まりになって垂直線と共に鋭角の円錐台形角度を成す。上境界面４２は、供給手段４まで延びていてもよく、又は供給手段４への途中まで延びていてもよい。衝突面２８は、上境界面４２内に位置決めされ得る。好ましくは、上境界面４２の少なくとも一部が衝突面２８である。

チャンバー４０は、下境界面４４を有し得る。下境界面４４は、任意の形状であり得る。下境界面４４の特に好ましい形状は、造粒物３４をコレクター３２へ向けるのに適した形状である。例えば、下境界面４４は、造粒機１００の中心軸へ向かって上窄まり又は下窄まりの実質的に円錐台形でもあり得る。図３は、下境界面４４を上窄まり錐台として示している。この場合、コレクターが下境界面４４内に又は下境界面４４に隣接して位置決めされることが好ましい。例えば、下境界面４４が上窄まり錐台である場合、コレクター３２は、周辺の場所に位置決めされ得る。下境界面４４が下窄まり錐台である場合、コレクターは、中心寄りの場所に位置決めされ得る。後者の場合、コレクターの場所は、最も中心の場所にある必要はなく、造粒機の周辺よりも中心寄りの任意の位置とすることができる。

上境界面４２、衝突面２８、及び／又は下境界面４４は、冷却され得る。例えば、上境界面４２、衝突面２８、及び／又は下境界面４４は、空気、水、若しくは他の冷媒、又は当該技術分野で既知の任意の他の材料によって、これらと上境界面４２、衝突面２８、及び／又は下境界面４４の外面との接触によって冷却され得る。

図３には、代替的な軌道２４も示されている。軌道２４は、可変であり、造粒機１００の他の構成要素の設計及び動作条件と造粒対象の材料とに応じて決まる。最も重要なことであるが、ロータリーアトマイザー８の設計及び動作は、得られる軌道２４の性質に重要である。図３に示される軌道２４の両方の例で、上述の実施形態が存在する。すなわち、溶融材料液滴２２は、ロータリーアトマイザーから衝突面２８へ向けて噴射されてから、破砕液滴３０として、続いて造粒物３４としてコレクター３２へ向け直される。いずれの場合も、液滴の軌道は、接線成分及び動径成分を有する。軌道２４の場合、粒子は、下境界面４４上でコレクター３２へ向かって下方に螺旋運動する。

いくつかの実施形態、特にチャンバー４０が密閉又は実質的に密閉されたチャンバーであるような実施形態では、造粒機１００は、溶融材料の冷却を促し、造粒物３４の凝集の回避を助け、かつ造粒物３４をコレクターへ向けて進ませる空気流をさらに含み得る。好ましくは、空気流は、定常状態のときに正味の上向き速度成分が実質的にない環状の性質を有する。すなわち、従来技術の一部の造粒機とは異なり、本発明の造粒機は、動作時に溶融材料の十分な冷却を達成するために上向きの空気流を必要としない。例えば、本発明の造粒機は、溶融材料液滴の軌道が通過するカーテンを形成するための上向きの空気流を必要とせず、半凝固液滴をさらに冷却するための流動床タイプの装置の存在も必要としない。環状空気流を有する実施形態は、円錐台形の造粒機に特によく適しており、空気流はサイクロン流と言うことができる。

造粒機１００内の空気の速度は、可変であり、造粒機１００の他の構成要素の設計及び動作条件と造粒対象の材料とに応じて決まる。通常、空気流の速度は、約２ｍ／秒〜約２０ｍ／秒である。

造粒機を通る空気の流量は、可変であり、造粒機１００の他の構成要素の設計及び動作条件と造粒対象の材料とに応じて決まり、本発明の造粒機のさらなる利点の実現を可能にするようにさらに制御可能であることが望ましい。より詳細には、空気流を用いて、溶融材料からの熱の形態のエネルギーの回収を助けることができる。例えば、造粒機を通る空気の流量が少ないほど、造粒機から出る空気の温度が高くなる。主に、造粒機を通る空気の流量は、必要な空気流速度及び造粒機の体積の関数である。例えば、造粒機体積が小さく、それに対応して空気流量が少ないほど、造粒機から出る空気の温度が高くなる。通常、スラグに関する場合、造粒機を通る空気の流量は、造粒機から出る空気の温度が約４００℃よりも高くなるように、場合によっては造粒機から出る空気の温度が約６００℃よりも高くなるようになっている。また、造粒機から出る造粒物は、同じく回収することができる熱の形態のエネルギーを含んでいる。スラグに関する場合、造粒物は、約８００℃未満の平均温度で造粒機から出る。放出された細粒の余熱は、例えば、当該技術分野で既知の充填層向流熱交換器に回収することができる。熱気の形態で回収されたエネルギーは、乾燥、予熱、蒸気発生、発電、及び／又は脱塩に用いることができる。

本明細書において開示及び規定された本発明は、言及された、又は本文若しくは図面から明らかな個々の特徴の２つ以上の代替的な組み合わせのすべてを包含することが理解されるであろう。これらの異なる組み合わせのすべてが、本発明の種々の代替的な態様を構成する。

本明細書で用いられる「備える」という用語（又はその文法上の変形）は、「含む」と言う用語と同等であり、他の要素又は特徴の存在を除外するものとみなすべきではないことも理解されるであろう。

Claims (6)

1. 造粒機であって、
   密閉された又は実質的に密閉されたチャンバーと、
   ロータリーアトマイザーに溶融スラグを向ける供給手段であって、ロータリーアトマイザーは軌道に沿って溶融スラグの液滴を噴射するために実質的に垂直な軸を中心としてスピンするように前記チャンバー内に取り付けられ、
   前記チャンバーは前記ロータリーアトマイザーの上方であって前記液滴の軌道内に配置されて前記液滴が衝突する衝突面を備え、
   前記造粒機は、溶融材料の冷却を促し、造粒物の凝集の回避を助け、造粒物をコレクターへ向けて進ませるサイクロン流を含み、
   前記衝突面は水または他の冷媒によって冷却され、前記衝突面が前記ロータリーアトマイザーを出る前記液滴の軌道に対して配置される角度（β）が３０度より大きく６０度未満であり、
   （ｉ) 前記液滴の全部又は実質的に全部が前記衝突面に衝突し、
   （ｉｉ）前記液滴の一部が前記衝突面との接触前に完全に凝固しない、
   ように、前記衝突面は前記ロータリーアトマイザーを出る前記液滴の軌道に対して角度（β）で配置され前記ロータリーアトマイザーから離れた距離にあることを特徴とする造粒機。
2. 請求項１に記載の造粒機であって、
   前記衝突面との接触後に、半凝固粒子又は凝固粒子を回収するためのコレクター領域をさらに備える請求項１に記載の造粒機。
3. 前記コレクター領域は、環状の形状であり、前記衝突面から半径方向外方にある請求項２に記載の造粒機。
4. 請求項２又は３に記載の造粒機であって、
   前記粒子を前記コレクター領域へ向ける円錐台形の下面をさらに備える造粒機。
5. 溶融スラグを造粒する方法であって、
   実質的に垂直な軸でスピンするロータリーアトマイザーに溶融スラグを供給する工程と、
   溶融スラグの液滴を、ロータリーアトマイザーから、水または他の冷媒によって冷却される衝突面へ向けて噴射する工程であって、前記衝突面が前記ロータリーアトマイザーを出る溶融スラグの軌道に対して配置される角度（β）が前記ロータリーアトマイザーの上方に３０度より大きく６０度未満である工程と、
   溶融材料の冷却を促し、造粒物の凝集の回避を助け、造粒物をコレクターへ向けて進ませるサイクロン流を供給する工程と、
   前記液滴の一部が前記衝突面と衝突する時に完全に凝固しないように、半凝固液滴の全部または実質的に全部を、前記液滴の軌道内に配置されている前記衝突面に衝突させる工程と、
   前記凝固液滴を衝突の後でコレクターへ向け直す工程と、
   を含む溶融材料を造粒する方法。
6. 前記衝突面が前記半凝固液滴の軌道に対して配置される角度（β）が４５度より大きく６０度未満である請求項５に記載の方法。

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