JP7644576B2

JP7644576B2 - 回転撹拌型熱処理装置

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Publication number: JP7644576B2
Application number: JP2020116870A
Authority: JP
Inventors: 義一岡田; 昌広久永
Original assignee: Japan New Metals Co Ltd
Current assignee: Japan New Metals Co Ltd
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2025-03-12
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: JP2022014524A

Description

本発明は、被処理物に対して、撹拌熱処理を施す回転撹拌型熱処理装置および該装置を用いた熱処理方法に関する。

被処理物に対して、種々の熱処理を施すべく回転撹拌型熱処理装置が用いられている。この回転撹拌型熱処理装置は、回転する円筒形の炉へ被処理物を導入し、円筒形の炉の回転により、被処理物を炉の上流から下流に向かって移動させつつ熱処理を行うものである。
一方、この熱処理の目的は被処理物によって異なり、その目的として、例えば、石灰に対しては焼成、電極材料に対しては混合、金属粉に対しては酸化等をあげることができる。

そして、この回転撹拌型熱処理装置において、熱処理をより効果的に行うために種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、回転する炉心管の内周を転動して被処理物に衝撃を付与するビータ部材を有する回転撹拌型熱処理装置が記載され、転動するビータ部材により被処理物に衝撃を与え、被処理物が炉心管の内周への付着を防止するとされている。

また、例えば、特許文献２には、回転する炉心管内に３枚または４枚の羽根で構成された回転子を有し、回転子の羽根の長さをＬ、炉心管の内径をＲとするとき、Ｌ／Ｒが０．１～０．６である回転撹拌型熱処理装置が記載され、電解銅粉を酸化第二銅粉へ酸化させることができるとされている。

特開２０１２－１６３２８２号公報特許第６０５６７０９号公報

特許文献１に記載の回転撹拌型熱処理装置は、石灰を主成分とする５ｍｍ以下の被処理物を熱処理の対象とし、特許文献２に記載の回転撹拌型熱処理装置は、電解銅粉を熱処理の対象としているように、被処理物が粉体または粉体に近い大きさの小さなものであれば、特許文献１および２に記載されている熱処理装置は記載されたとおりの熱処理が可能である。しかし、これら特許文献１および２には、塊状被処理物の熱処理については記載がなく、本発明者の検討によれば、これら回転撹拌型熱処理装置はビータ部材または回転子を有しているものの、実際に塊状被処理物の熱処理を行ってみると十分な熱処理が困難であることが判明した。

本発明の目的は、特に、塊状被処理物の熱処理を確実に行うことができる回転撹拌型熱処理装置および該装置を用いた熱処理方法を提供することにある。

本発明者は、近年、安価かつ確実なリサイクルが求められているタングステン（Ｗ）を含む塊状のスクラップのような、特に、目開きが５ｍｍの篩を通過せず、同３０ｍｍの篩を通過する大きさまでの塊状被処理物であっても熱処理が可能な回転撹拌型熱処理装置の構造について、鋭意検討した。
ここで、目開きが５ｍｍ、３０ｍｍの篩とは、それぞれ、一辺が５ｍｍ、３０ｍｍの正方形の目開きを有する篩をいう。

その結果、円筒体（炉心管）の内周方向に分割され、かつ、円筒体の長手方向に沿って、複数個の処理ゾーンを設け、この処理ゾーンが円筒体の回転により回転し、かつ、各処理ゾーンに供給された前記塊状被処理物を他の処理ゾーンへ移行（移動）することを抑制して、撹拌、解砕、整粒されつつ熱処理されるようにすれば、確実な熱処理が可能であるという新規な知見を得た。

本発明は、この知見に基づくものであって、以下のとおりのものである。
「（１）被処理物を熱処理する回転撹拌型熱処理装置であって、
前記処理物は、一辺が５ｍｍの正方形の目開きを有する篩を通過せず、一辺が３０ｍｍの正方形の目開きを有する篩を通過する大きさのタングステンを含む塊状のスクラップであり、
前記被処理物をその一端から供給し、内部で熱処理し、他端から排出する１個の円筒体を有する熱処理部と、
前記円筒体の内部を加熱する加熱手段と、
前記円筒体の内部に、前記円筒体の内周方向に分割され、かつ、前記円筒体の長手方向に沿って複数設けられた処理ゾーンを形成する処理ゾーン形成手段を有し、
前記処理ゾーン形成手段は、その中心に円筒部を有し、該円筒部の外周に等間隔で複数の羽根を設けたラディブレードであり、
前記ラディブレードは、前記円筒体の回転により揺動しながら回転し、
前記ラディブレードは、前記ラディブレードを前記円筒体の中心に置いたときの前記羽根の先端と前記円筒体の内周との距離をＭ、前記円筒体の内径をＤとするときＭ／Ｄが０．０１～０．１０であって、各前記処理ゾーンに供給された前記被処理物が他の前記処理ゾーンへ１０容量％以下の移動を許容する構造を有し、
各前記処理ゾーンでは前記被処理物を撹拌、解砕、整粒されつつ８５０～９００℃で酸化処理すること、
を特徴とする回転撹拌型熱処理装置。
（２）前記ラディブレードの前記複数の羽根は８～１６枚であり、前記円筒体の径方向の断面における前記円筒部の断面積の占める割合は、２５～３５％であることを特徴とする前記（１）に記載の回転撹拌型熱処理装置。
（３）前記（１）または（２）に記載の回転撹拌型熱処理装置を用いることを特徴とする被処理物の熱処理方法。」

本発明の回転撹拌型熱処理装置は、特に、塊状被処理物の確実な熱処理が可能なものであり、また、本発明の熱処理方法は同塊状被処理物の熱処理を確実に行うことができる方法である。

本発明の回転撹拌型熱処理装置の一例の断面模式図である。処理ゾーン形成手段の一例の断面模式図である。処理ゾーン形成手段の他の例の断面模式図である。処理ゾーン形成手段のさらに他の断面模式図である。図４の処理ゾーン形成手段の斜視模式図である。図４の処理ゾーン形成手段と円筒体の内周との距離を説明する模式図である。図６の○部分（丸で囲んだ部分）の拡大図である。

以下、図面を参照しながら、塊状被処理物を熱処理する本発明の実施形態について説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

なお、本明細書でいう塊状被処理物とは、目開きが５ｍｍの篩を通過せず、同３０ｍｍの篩を通過する大きさの塊状被処理物（前記３０ｍｍの篩を通過しない塊状被処理物を破砕したものである場合は、破砕によって生じる前記５ｍｍの篩を通過する大きさのものを意図せずに含むことがある）であり、該塊状被処理物の熱処理とは、チタン、モリブデン、クロム、銅等の金属を塊状被処理物とする大気中（酸化雰囲気中）の酸化処理、スクラップ等の産業廃棄物を被処理物とする焼成処理を例示できる。

図１に示す本発明の実施形態である回転撹拌型熱処理装置１は、上流から下流に向かって、供給部２、熱処理部３、および、排出部４を有している。図１において、熱処理部３に設けられている処理ゾーン形成手段の図示は省略している。

供給部２は、例えば、ホッパー２１とスクリューコンベア２２（詳細な構成の図示は省略）を有している。ホッパー２１内には、熱処理を施す塊状被処理物、例えば、タングステンを含む塊状のスクラップが貯留されており、この貯留された塊状被処理物はスクリューコンベア２２により、熱処理部３へ所定量供給される。

排出部４は、熱処理部３で熱処理が施された塊状被処理物を回転撹拌型熱処理装置１の外へ排出する排出手段４１を有している。この排出手段４１は、熱処理を施された塊状被処理物を排出することができれば、その構造に特に制約はなく、適宜公知の手段を採用すればよい。

熱処理部３は、図示を省略された手段によって回転する円筒体（炉心管）３１を有している。図示を省略している架台に対して、この円筒体３１は一端側（供給部２を有する側、上流）が他端側（排出部４を有する側、下流）よりも高くなるように傾斜している。すなわち、円筒体３１は、排出部４側が供給部２側よりも高さが低い。円筒体３１の中には、処理ゾーン形成手段５が設けられ、後述するように、円筒体３１の回転より、処理ゾーン形成手段５が揺動しながら回転し、供給部２から供給された塊状被処理物が、撹拌、解砕、整粒されながら熱処理されて（詳細は処理ゾーン形成手段５の説明で述べる）、排出部４に向かって移動する。そして、塊状被処理物が円筒体３１の排出部４側の端部に到着すると、排出部４へ落下して排出手段４１により回転撹拌型熱処理装置１の外へ排出されるように構成されている。

また、熱処理部３には、図示を省略しているが、塊状被処理物を加熱するための加熱手段として、例えば、抵抗加熱体によって構成されるヒータが設けられており、このヒータを発熱させて円筒体３１の内部を所定温度に加熱する。なお、円筒体３１が回転できるように、円筒体３１とヒータとの間には所定の隙間が設けられている。

円筒体３１の内周方向に分割され、かつ、円筒体の長手方向に沿って複数の処理ゾーン６を形成する処理ゾーン形成手段５が、円筒体３１の内部に設けられている。この処理ゾーン形成手段５は、複数の処理ゾーン６のそれぞれに供給された塊状被処理物が回転撹拌型熱処理装置１により熱処理を施されている間に、他の処理ゾーン６に移動することを抑制した構造（具体的な構造は後述する）を有し、かつ、円筒体３１の回転より揺動しながら回転するような構造を有している。ここで、塊状被処理物が移動することを抑制するとは、塊状被処理物が移動することが全くないということではなく、各処理ゾーン６内の塊状被処理物が最大で１０容量％程度は、移動することを許容するという意味である。

処理ゾーン形成手段５をこのような構造とする理由について説明する。前述の特許文献１に記載されたビータ部材、および、同特許文献２に記載された回転子のような処理ゾーン形成手段５では、回転撹拌型熱処理装置の円筒体の回転によって、揺動しながら回転するものの、熱処理中に、各処理ゾーン６内の塊状被処理物が他の処理ゾーン６に移動することが抑制されていないために、熱処理によって酸化されていない塊状被処理物に酸化された塊状被処理物が覆い被さってしまい、塊状被処理物全体としてみたときに未酸化部分が残存して、均一な熱処理が困難になってしまうと考えられ、これを防止するためである。

円筒体３１の径方向の断面で切断した処理ゾーン形成手段５の例を図２～５に模式的に示す。

これら図２、図３に示す処理ゾーン形成手段５は、図から明らかなように、中心部に円筒状の空洞である円筒部７、その周囲に処理ゾーン６を有し、円筒体３１の回転により揺動しながら回転をし、かつ、各処理ゾーン６の外縁は互いに隔離されているから、各処理ゾーン６に供給された塊状被処理物が、回転撹拌型熱処理装置１によって熱処理が施されている間に他の処理ゾーン６へ移動することが抑制されている（移動することはない）。

図４に示された処理ゾーン形成手段５は、ラディブレードを用いたものであり、その斜視模式図を図５に示す。これらの図から明らかなように、ラディブレードは、中心に円筒部７を有し、この円筒部７の外周に等間隔で複数の羽根を設け、処理ゾーン６を構成している。

図４に示されたラディブレードの枚数は８枚であるが、ラディブレードの枚数は、２枚あれば本発明の目的は達成でき、３～１６枚のとき、本発明の目的がより確実に達成でき、さらに、４～８枚のときがより一層確実に達成できて好ましい。

前述のとおり、熱処理中に、各処理ゾーン６にそれぞれ供給された塊状被処理物を他の処理ゾーン６へ移動することを抑制すべく、ラディブレードの羽根の先端と円筒体３１の内周との距離を調整することがより好ましい。塊状被処理物であるとき、例えば、図６および図７に示すように、ラディブレードの円筒部の中心を円筒体の中心に一致するようにおいたときのラディブレードの羽根の先端と円筒体の内周との距離をＭ、円筒体の内径をＤとするとき、Ｍ／Ｄが０．０１～０．１０（１～１０％）であることがより好ましい。

その理由は、この範囲にあるとき、円筒体の回転が与えるラディブレードの揺動回転によって塊状被処理物の撹拌、解砕、整流がなされながら熱処理が施され、かつ、各処理ゾーン６にそれぞれ供給された塊状被処理物を他の処理ゾーン６へ移動することの抑制がより確実になされるためである。そして、熱処理が酸化処理を目的とするとき、Ｍ／Ｄが０．０１～０．１０（１～１０％）であると、酸化率がより向上する。

処理ゾーン形成手段５がラディブレードのとき、処理ゾーン形成手段５は円筒体３１の上流から下流に向かって、一つであってもよいし、同一形状のものを複数個、例えば４個、設けてもよい。この場合は、各処理ゾーン形成手段５は、ほぼ同期して回転する。そのため、隣接する処理ゾーン形成手段５において、上流側の処理ゾーン形成手段５の各処理ゾーン６の塊状被処理物は、傾斜する円筒体３１の回転により、下側流の処理ゾーン形成手段５の各処理ゾーン６にそれぞれ移行する。

なお、設備の保守の容易性を考慮すると、処理ゾーン形成手段５がラディブレードのときは、円筒体３１の上流から下流（円筒体３１の長手方向）までひとつの処理ゾーン形成手段５とするよりも、同一形状の処理ゾーン形成手段５を複数個設けることが好ましい。すなわち、１個あたりの処理ゾーン形成手段５が軽量化され扱いが簡便になり、また、万一破損したとき、該当する処理ゾーン形成手段５のみを交換すればよいからである。

ここで、図２～５に示される処理ゾーン形成手段５が円筒体３１の回転により揺動しながら回転する機構について説明する。まず、処理ゾーン形成手段５は、円筒体３１の回転に付随して、回転体３１と同じ方向に若干回転する。すわなち、回転体３１の回転により、処理ゾーン形成手段５の先端が円筒体３１の内周に当接した状態で、処理ゾーン形成手段５は若干の回転移動をする。そして、この回転移動が所定量なされると、処理ゾーン形成手段５の重心の移動が生じ、それまで円筒体３１の内周に接していなかった別の処理ゾーン形成手段５の先端が円筒体３１の内周に当接するようになり、揺動を伴い処理ゾーン形成手段５が回転する。この処理ゾーン形成手段５の円筒体内周に当接する先端の変更が継続することによって、処理ゾーン形成手段５は円筒体３１と同一方向に、円筒体３１とは異なった回転速度で揺動しながら回転することになる。

処理ゾーン形成手段５の揺動をしながらの回転により、処理ゾーン形成手段５によって形成された各処理ゾーン６内に供給された塊状被処理物は、各処理ゾーン６内で撹拌、解砕、整粒され、効率よく熱処理される。

各処理ゾーン６には、ほぼ同一量の塊状被処理物を供給することが好ましい。その理由は、各ゾーンの塊状被処理物が均等に円筒体３１の内部の雰囲気に接することができ、しかも、処理ゾーン形成手段５の回転が均一となり、より確実に塊状被処理物が処理ゾーン６内で撹拌されるためである。

ここで、図２～５において、円筒部７と示した箇所は処理ゾーン６ではなく、塊状被処理物は供給されない。円筒体３１の径方向の断面における円筒部７の断面積の占める割合は、２５～３５％が好ましい。その理由は、この範囲にあると円筒体７の中心部での塊状被処理物の移動の抑制が確実に行われ、高い生産効率を確保できるためである。ただし、処理ゾーン形成手段５がラディブレードで、そのブレードの枚数が３枚以下のときは、円筒部７の断面積は、ラディブレードが処理ゾーン形成手段５としての力学的強度を確保できるのであれば、その占める割合は、特に規定されない。

なお、回転撹拌型熱処理装置１の円筒体３１の回転によって、熱処理中に、塊状被処理物が他の処理ゾーン６に移動することを抑制するように構成された処理ゾーン形成手段５であれば、これら図に示されているもの以外の形状であっても、本発明に含まれることはいうまでもない。

以下に本発明の回転撹拌型熱処理装置の一実施例について具体的に説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。

塊状被処理物として、タングステンを含むスクラップ（ＷＣ－Ｃｏスクラップ（ＷＣとＣｏの質量比が９：１））を用いた。このスクラップは破砕されたものであった。そして、このスクラップに対して、処理ゾーン形成手段５がラディブレードである回転撹拌型熱処理装置１を用いて熱処理を行った。その結果（実施例１～８）を表１に示す。

これに対して、比較のために、実施例１～８と同じスクラップを塊状被処理物として、処理ゾーン形成手段５を有していない（比較例１）、および、処理ゾーン形成手段５としてラディブレードを有してはいるものの、各処理ゾーン内の塊状被処理物が他の処理ゾーンに移行することが抑制されていない（比較例２～４）回転撹拌型熱処理装置を用いて熱処理を行った。その結果を表２に示す。

表１、２において、供給量、処理温度、処理時間は同じにし、処理ゾーン形成手段の有無、または、塊状被処理物の移行の抑制の有無のみが異なっている。ここで、供給量とは、スクラップの供給量であり、処理温度は回転撹拌型熱処理装置の円筒体の最高温度と最低温度であり、処理時間とは、スクラップの円筒体内の滞留時間である。また、隙間とは、前述したとおりのラディブレードの羽根の先端と円筒体の内周との距離をＭ、円筒体の内径をＤとしたときのＭ／Ｄの値（％表示）をいう。

また、質量増加率（％）は、
［（熱処理後の質量）／｛（熱処理前の質量）×１．１９｝］×１００
で定義されるもので、酸化率に相当する。
なお、１．１９は、ＷＣ－Ｃｏスクラップ（ＷＣとＣｏの質量比が９：１）が完全に酸化され、ＷＯ_３、ＣｏＷＯ_４およびＣＯ_２が生成するときの、酸化前と酸化後の質量比である。

表１および２から明らかなように、実施例１～８は、いずれも、各処理ゾーン内の塊状被処理物が他の処理ゾーンへの移行することが抑制されているため、高い質量増加率を示し、酸化処理が効率よく行われていた。これに対して、比較例１はラディブレードを有しておらず、塊状被処理物の撹拌、解砕、整粒が不十分であるため、また、比較例２～４は各処理ゾーン内の塊状被処理物が他の処理ゾーンへ移行することが抑制されていないため、それぞれ、質量増加率が低く、酸化処理が十分に行われていないことが確認できた。

本発明は、特に、塊状被処理物の熱処理が効率よく行うことができ、熱処理の省エネルギー化、さらには低コスト化に十分に満足できる対応が可能である。

１回転撹拌型熱処理装置
２供給部
２１ホッパー
２２スクリューコンベア
３熱処理部
３１円筒体（炉心管）
４排出部
４１排出手段
５処理ゾーン形成手段
６処理ゾーン
７円筒部
Ｄ円筒体の内径
Ｍラディブレードの羽根の先端と円筒体の内周との距離

Claims

被処理物を熱処理する回転撹拌型熱処理装置であって、
前記被処理物は、一辺が５ｍｍの正方形の目開きを有する篩を通過せず、一辺が３０ｍｍの正方形の目開きを有する篩を通過する大きさのタングステンを含む塊状のスクラップであり、
前記被処理物をその一端から供給し、内部で熱処理し、他端から排出する１個の円筒体を有する熱処理部と、
前記円筒体の内部を加熱する加熱手段と、
前記円筒体の内部に、前記円筒体の内周方向に分割され、かつ、前記円筒体の長手方向に沿って複数設けられた処理ゾーンを形成する処理ゾーン形成手段を有し、
前記処理ゾーン形成手段は、その中心に円筒部を有し、該円筒部の外周に等間隔で複数の羽根を設けたラディブレードであり、
前記ラディブレードは、前記円筒体の回転により揺動しながら回転し、
前記ラディブレードは、前記ラディブレードを前記円筒体の中心に置いたときの前記羽根の先端と前記円筒体の内周との距離をＭ、前記円筒体の内径をＤとするときＭ／Ｄが０．０１～０．１０であって、各前記処理ゾーンに供給された前記被処理物が他の前記処理ゾーンへ１０容量％以下の移動を許容する構造を有し、
各前記処理ゾーンでは前記被処理物を撹拌、解砕、整粒されつつ８５０～９００℃で酸化処理すること、
を特徴とする回転撹拌型熱処理装置。
前記ラディブレードの前記複数の羽根は８～１６枚であり、前記円筒体の径方向の断面における前記円筒部の断面積の占める割合は、２５～３５％であることを特徴とする請求項１に記載の回転撹拌型熱処理装置。
請求項１または２に記載の回転撹拌型熱処理装置を用いることを特徴とする被処理物の熱処理方法。