JP7680667B2 - 混練成型機における混練部内の混練原料レベル計測管理方法および混練成型機 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼における非焼成含炭塊成鉱などを製造するために用いる混練成型機における混練部内の混練原料レベル計測管理方法および混練成型機に係る技術に属する。

高炉では、炉上部から原料鉱石と塊状コークスを投入しつつ炉下部から送風し、塊状コークスと送風エアから生成する還元ガスを炉下部から炉上部へと通風しながら、原料鉱石中の酸化鉄を還元溶解している。炉内での還元ガスの通風性を確保するため、原料鉱石には炉内で粉化しない強度を持つことが要求されている。このため、高炉では通常、焼結鉱や焼成ペレットのように、事前に高温で焼成した原料が用いられている。

これに対し、セメントなどの水硬性バインダーを用いて焼成に必要なエネルギー消費を抑え、地球温暖化ガスである炭酸ガスの発生量を抑制する非焼成含炭塊成鉱が開発されている。この非焼成含炭塊成鉱の原料には、焼結性が低く、塊状に成型することが難しいとされてきた劣質な粉鉱石も用いることができる可能性がある。

また、特許文献１に記載あるように、非焼成含炭塊成鉱には、粒径が小さく高炉へ直接装入するのが困難な粉コークスや、価格は安いが粘結性が低くコークス化困難な無煙炭も還元材として配合できる可能性があり、高炉の還元材比を削減できると期待されている。最新の知見では、非焼成含炭塊成鉱に内装されるカーボン含有率（Ｔ.Ｃ.）は、酸化鉄を還元して金属鉄とするために必要な理論炭素量の１２０～２００質量％（Ｔ.Ｃ.換算で１５～２５質量％に相当）とすることで、高炉での還元材比低減効果が最大になることが明らかとなっている。

水硬性バインダーの硬化反応により形成される非焼成含炭塊成鉱中の水和物は、高炉内で約400℃以上に加熱されると吸熱反応により分解される。このため、非焼成含炭塊成鉱の強度は炉内で著しく低下し、粉化する懸念がある。非焼成含炭塊成鉱が高炉内で粉化すると、炉内の通気性を悪化させるため、高炉用非焼成含炭塊成鉱には一定の熱間強度が求められる。一方で、熱間強度確保のために水硬性バインダーを大量に使うと、吸熱反応により奪われる熱を補填するために高炉への還元材投入量が増加し、溶銑コストが増加してしまう。従って、非焼成含炭塊成鉱の製造方法では、なるべく少ない水硬性バインダーで高炉使用に必要な熱間強度を発現できる製造方法が求められている。

高炉使用に必要な熱間強度を発現できる製造方法として、最近では、真空押出成型法を用いた高炉用の非焼成含炭塊成鉱製造技術がある。

非焼成含炭塊成鉱の真空押出成型機は、図１の例に示すように第一の押出部（混練部）と第二の押出部（押出成型部）からなる。また第一の押出部（混練部）の出側から第二の押出部（押出成型部）までは、成型体の必要強度を確保するため―４０ｋＰａＧ以下に真空脱気され、真空押出成型を安定的に継続するためには、混練部と押出成型部の内部の混練原料充填率を適正範囲に維持する必要がある。混練部の混練原料充填率の適正値は５０体積％以上９０体積％以下であり、５０体積％以上６５体積％以下であれば最適である。また、押出部の混練原料充填率の適正値は５０体積％以上９５体積％以下であり、５０体積％以上６０体積％以下であれば最適である。

ここで、本プロセスのように湿潤粉体を混練成型する装置では、容器内の混練原料レベルが一様に変動することは稀であり、局所的な混練原料レベルの変動が起点となり、装置全体の混練原料レベルの変動に至ることが多い。したがって、装置内の混練原料充填率の変動を効果的に抑制して最適な範囲に管理するためには、混練原料レベルの変動の起点となる場所で混練原料レベル変動を迅速に検知して操業アクションを実施することが重要である。

しかし、従来技術では、特許文献２、３に記載あるように、縦型の混合機または混練機において内部の液レベルを検知する技術が多いが、非焼成含炭塊成鉱製造装置に用いるような水平方向に混練原料を搬送しつつ連続的に混合、混練を行うような混練部の混練原料レベルを検知するようなものは少ない。また、特許文献４に記載あるように、本プロセスと同様に水平方向に混練原料を搬送する装置（スクリューポンプ）の内部の混練原料レベルを検知、管理する先行発明はあるが、装置内部の原料レベルを均一とみなしており、本プロセスのように、装置内の局所的な混練原料レベルの上昇を想定した技術ではない。

さらに非焼成含炭塊成鉱の混練成型について具体的に説明する。粉体の混練成型では、混練機内に混練原料と、必要に応じて水分を投入し、装置内の混練羽根やスクリューで粉体混練原料を混練する。その後、後工程の押出成型機にて混練原料を押出成型する。混練成型装置には様々なタイプがあるが、混練原料を連続的かつ大量（例えば数ｔｏｎ/ｈ以上）に混練成型する場合は、一般的に、図１の例に示すような、水平に設置された１軸または多軸のシャフト４ｂに取り付けられた混練羽根４ｃ（スクリューの場合もある）を用いて、混練原料を水平方向に連続的に搬送しながら混練する形式の混練部４と、混練原料を押出成型羽根７ｃ（スクリューの場合もある）で押出成型堰７ｄから押し出して成型する形式の押出成型部７から成る非焼成含炭塊成鉱混練成型機が使用されることが多い。なお、図１に示す例では押出成型部７はケーシング７ａの内側で押出成型羽根７ｃにより混練原料が搬送されるが、この押出成型羽根７ｃは回転可能な押出成型部シャフト７ｂに備えられている。

図１の例に示すような混練部４において、混練原料への加水は、混練部４の上部（接続管３の内部も含む）の任意の位置に設置された任意の形状の１本または複数本の加水ノズル５を用いて行われる。また、混練部４の出側には、混練原料を圧密するために様々な形状の堰４ｄ（多孔板等、排出抵抗になるものであれば形状は問わない）が設置されている。また堰４ｄの手前には、混練原料が密に堰４ｄに密着し充填されるために、混練部４より内径が絞られた混練原料圧密部４ｅが配置されている。混練原料は堰４ｄと混練原料圧密部４ｅにおいて圧密され、混練羽根４ｃにより特に大きなせん断力を受けることで混練を促進させられている。

また図１の例の様に、混練部４の出側から先が真空脱気されていて、押出成型部７が構成されている場合は、混練原料圧密部４ｅで内径が絞られ圧密された混練原料は、真空脱気条件を維持するためのマテリアルシールの役割も担っている。なお、堰４ｄと混練原料圧密部４ｅにはさまざまな形状（例えば、混練原料圧密部４ｅは入側から出側に向かって絞り込むようにテーパーがついている場合があり、堰４ｄは多孔板になっている場合がある等）があるが、基本的な役割は同じである。

図１に示すような、混練部４と押出成型部７から成る形式の混練成型装置では、混練部４と押出成型部７のいずれにおいても装置内部混練原料レベルの管理が必要である。混練部４と押出成型部７のいずれにおいても、混練原料レベルが過大であれば、装置内の混練原料の充填率が過大となり、装置からの混練原料の溢れ出しや装置の過負荷が発生して操業継続が不可能となる。一方で、混練部４と押出成型部７のいずれにおいても、混練原料レベルが過少であれば、装置内の混練原料の充填率が過少となり、マテリアルシールが維持できなくなり、必要な真空脱気条件を保てなくなる。

次に混練原料レベルを管理する上で重要となる、混練部４と押出成型部７の構造の違いについて説明する。混練部４は、混練原料を圧密する混練原料圧密部４ｅ以外の部分は、上面が開放可能で、上面から内部が観察可能な構造（開放、グレーチング、覗き窓、簡易に開閉可能な蓋等）である。このため、混練部４は装置上面から内部の混練原料レベルを容易に観察することが可能である。一方で、押出成型部７は、混練原料圧密と真空脱気条件維持のため、真空室６以外のすべての範囲について上下左右が強固なライナーで囲まれており、装置上面から装置内部を観察することができない。

さらに、真空室６の上部に覗き窓を設置して押出成型部７の内部の混練原料レベルを計測しようとしても、混練部４の出側から押出成型部７へ真空室内を落下する混練原料が測定に干渉する。例えば、真空室上部に設置した覗き窓からレベル計を用いて押出成型部７の混練原料レベルを測定しようとした場合、レベル計が覗き窓から落下混練原料までの距離を頻繁に拾ってしまうため、定量的に混練原料レベルを測定継続することができない。このため、安定的に押出部成型部７の内部の混練原料レベルを計測するには、混練部４とは異なる方法が必要である。

＜混練機安定操業のポイント＞
１）混練原料レベルの管理
一般的に、混練を安定的に継続するためには、混練部４内の混練原料レベルを適切な範囲に維持管理することが重要である。例えば、混練原料レベルが高すぎると、混練部４の上部から混練原料が溢れ出して操業継続が不可になったり、混練部４に過大な負荷かがかかり操業停止となったりする。一方で、混練原料レベルが低すぎると、加水ノズルからの散水がシャフトや混練羽根４ｃの先に当たってしまい、混練原料に偏りなく加水できなかったり、混練羽根４ｃから混練原料に力が加わりにくくなって、混練原料を安定して混練できなくなったりすることがある。これらのような場合、後工程に混練不足の混練原料を供給してしまうため、製品歩留の低下や、操業停止を発生させる懸念がある。

図１の例に示すような混練成型機では、大量の粉体混練原料の供給と排出を連続的に行っているため、混練原料の供給量と排出量のバランスが崩れた場合は、混練成型機全体または特定箇所の混練原料レベルが比較的短時間（数十秒～数分程度）で変動してしまうため混練原料レベルの管理が難しい。また、操業条件（混練原料粒度、混練原料水分、シャフト４ｂの回転数の変化等）の少しの変化で流動性が大きく変動するような性状の混練原料を混練している場合には、混練原料レベル変動が特に発生しやすい。

その理由は、混練原料の流動性の変化により、堰４ｄで混練原料に加わる排出抵抗や、混練羽根４ｃによる混練原料の搬送力が大きく影響を受けるからである。さらに、流動性が比較的小さな混練原料（安息角の高い混練原料）の場合は、局所的な混練原料レベルの変動が発生しやすく、それを起点にして全体の混練原料レベル変動が発生する場合もある。

そこで、例えば図１の例に示すような非焼成含炭塊成鉱混練成型機を用いて安定した混練処理を継続維持するためには、混練部４内の混練原料レベル変動を監視し、適切な範囲内に混練原料レベルを維持する必要がある。特に、上記のような混練原料レベルが変動しやすい混練原料を用いるときは、さらに注意して混練原料レベルを管理する必要がある。

２）混練原料レベルの調整方法
前述の様に、混練機内の混練原料レベルの調整は、図１の例に示すような混練部機４への混練原料投入量、シャフト４ｂの回転速度、加水ノズル５からの加水量などの条件を変えることで実施可能である。例えば、混練部４への混練原料投入量を増やすと混練原料レベルは上昇し、混練原料投入量を減らすと混練原料レベルは低下する。

また、シャフト４ｂの回転速度を増やすと混練羽根４ｃによる混練原料の搬送能力が上がるため、混練原料レベルは低下する。一方で、回転速度を減らすと混練原料レベルは上昇する。また、加水量を増やすと混練原料の流動性が上昇して混練羽根４ｃと接した時に混練原料がスリップしやすくなり混練原料が搬送されにくくなるため、混練原料レベルは上昇する傾向がある。一方で、加水量を減らすと混練原料と混練羽根４ｃとのスリップが少なくなり、混練原料が搬送されやすくなるため、混練原料レベルは低下する傾向にある。しかし、混練原料水分が過少になると混練原料が流動性を失い、搬送が困難となり、混練原料レベルが上昇する。

また、ハード条件として、混練羽根４ｃや堰４ｄの磨耗による減肉は、それぞれ混練原料の搬送能力、排出抵抗を低下させてしまうので混練原料レベル変動の原因となる。これらハードの磨耗影響は、ある程度であれば、シャフト４ｂの回転の調整によりカバー可能であるが、摩耗が一定以上進行した場合は、ハードの交換が必要である。また、混練部４のケーシング４ａ、シャフト４ｂ、混練羽根４ｃへの混練原料付着は、混練原料の搬送力を低下させるため、混練原料レベル上昇の原因となるが、これは定期的な清掃を実施することにより防止、解消できる。

＜現状の原混練料レベルの監視方法とその課題＞
図１の例に示すような非焼成含炭塊成鉱の混練成型機では、混練部４の上面に設置されたグレーチングや窓、開口等４ｆから作業者が定期的に目視で混練原料レベルを監視していることが多い。しかし、作業者の目視による定期的な監視は、短期間で発生する混練原料レベル変動の見逃しや、作業者ごとの判断ばらつきが発生しやすく、必ずしも混練原料レベルの変動を迅速に検知できる手段とはならない。さらに、作業者の目視による監視は、混練成型機の近くに混練原料レベルの監視作業に従事する作業者を常に配置せねばならず、製造コストの上昇要因にもなる。作業者の目視による管理の難しさは、複数系統の混練成型機を並列で操業している場合に特に問題となる。

これまで、レベル計やレベルスイッチ等による混練原料レベル監視技術も開発されてきたが、従来技術では、自動で混練原料レベルを監視する対象としては、縦型の混練成型機や混合部、または、ホッパーに付属するスクリューフィーダー等に限られており、図１の例に示すような水平に混練原料を搬送する混練成型機を対象としたものはない。さらに、これらは、混練原料レベルを装置内で一定とみなしているため、容器内の局所的な原料レベルの変動を迅速に検知することができるとは限らない。

以上のような状況から、図１の例に示すような非焼成含炭塊成鉱の混練成型機において、内部の混練原料レベルを自動で定量的に監視し、混練原料レベル変動を早期に検知できる技術の開発が強く求められている。

特許第５０００４０２号公報 特開昭６１－２１６７４９号公報 特開２００３－２００４１４号公報 特開平１０－３１９６９４号公報

本発明は、非焼成含炭塊成鉱混練成型機に用いられる混練部のような、水平に設置された１軸また多軸のシャフトに取り付けられた混練羽根やスクリューを用いて、混練原料を水平方向に輸送しながら混練する連続式混練部について、安定的に連続稼働させるための、混練部内の原料レベルの計測装置と原料レベルの管理方法を提供する。

上記課題を解決するため、
（１）混練原料投入口、混練原料を混練部へと導く接続管、羽根車を備えたシャフトが配置された混練機、混練原料が押し出される堰、が順に配置され、前記堰の手前の混練原料圧密部の入側、及び／または加水ノズル設置位置にて混練原料レベルを測定することを特徴とする、混練成型機における混練部内の混練原料レベル計測管理方法とする。

また、
（２）前記混練原料レベルを混練部高さの５０％から９０％に維持することを特徴とする、（１）に記載の混練成型機における混練部内の混練原料レベル計測管理方法とすることも好ましい。

また、
（３）前記加水ノズルが混練原料を混練部へと導く接続管内に配置されている場合、加水ノズル設置位置での混練原料レベル測定は、混練部入側にて測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の混練成型機における混練部内の混練原料レベル計測管理方法とすることも好ましい。

さらに、
（４）混練原料投入口、混練原料を混練部へと導く接続管、羽根車を備えたシャフトが配置された混練機、混練原料が押し出される堰、が順に配置され、前記堰の手前の混練原料圧密部の入側、及び／または加水ノズル設置位置にて混練原料レベルを測定する装置が備えられていることを特徴とする混練成型機とする。

さらに、
（５）前記加水ノズルが混練原料を混練部へと導く接続管内に配置されており、加水ノズル設置位置での混練原料レベル測定位置は、混練部入側であることを特徴とする（４）に記載の混練成型機とすることも好ましい。

本発明により、混練成型機において混練部内の混練原料レベルを安定的に管理できる管理方法と、それが可能な混練成型機が提供され、その技術的意義は大きい。

第一の押出部（混練部）と第二の押出部（押出成型部）からなる混練成型機を示す図である。 混練成型機において、混練原料圧密部４ｅの手前から混練部４の入側に遡って混練原料が次第に滞留していき、徐々に混練部４全体の混練原料レベルが上昇していく状況を示す図である。 混練成型機において、混練部４の水平部分の上部に加水ノズル５を設置して、水平方向に搬送されている混練原料に上部から加水する形式を示す図である。 本発明の適用の一例を示す図である。 混練原料圧密部４ｅの手前１５０ｍｍの位置に設置したマイクロ波レベル計で計測した混練原料レベルの実測データを示す図である。

以下に発明を実施するための形態を示す。図１の例に示すような混練成型機を用いて、安定した混練処理を継続維持するためには、混練部４内の混練原料レベル変動を監視し、適切な範囲内に混練原料レベルを維持する必要がある。また特に、上記のような混練原料レベルが変動しやすい混練原料を用いるときは、さらに注意して原料レベルを管理する必要がある。

その理由は、混練部４では混練原料への加水をしているために混練原料と添加水の混合状態により混練原料レベルが変動しやすいためと、混練部４は押出成型部７より許容される混練原料充填率の上限が小さい（押出成型部７の上限：９５％、混練部４の上限：９０％）ためで、押出成型部７より精緻な混練原料レベル管理が求められるからである。一般的に、実操業においても、混練部４の混練原料レベル変動に起因するトラブル（過負荷、マテリアルシール崩壊等）の頻度は、押出成型部７の混練原料レベル変動に起因するトラブルよりも多い。以上から、本発明では、混練部４を対象とする。

＜本発明のポイントとメカニズム＞
調査の結果、図１の例に示すような混練部４の混練原料レベル変動は、混練原料圧密部４ｅの手前と、加水ノズル５の設置位置の２か所で発生する局所的な原料レベル変動が起点となっている場合が多いことが分かった。そして、この２か所に原料レベルを測定する計器を設置することで、混練部４全体の混練原料レベルを安定的に管理できることが分かった。以下で、上記２か所のそれぞれについて、混練原料レベル変動の起点となるメカニズムと、混練部４を安定操業させるための混練原料レベル管理範囲について、調査結果の詳細を説明する。

ここで混練原料圧密部４ｅの範囲は、堰４ｄ～混練部４の入側端の長さを１００％とすると、堰４ｄ～混練部４の入側端の範囲の０～１００％の全てか、堰４ｄ～混練部４入側端の範囲の一部のみか、が考えられる。本発明では後者であり、堰４ｄを起点とし、堰４ｄより混練部４の入側端に向けての０％超～２５％以下の範囲であることが好ましい。前述の様に混練原料圧密部４ｅでは混練機４より内径が絞られているため、堰４ｄに向かって混練原料が密に充填されるが、堰４ｄより混練部４の入側端に向けて０％ではマテリアルシールを形成しきれないことが多く、２５％超では混練原料の密な充填部分が多くなり過ぎて混練波根４ｃやシャフト４ｂ、それらを駆動する電動機などの駆動源に負荷がかかり過ぎ、設備の損傷や大型化につながり好ましくない。本発明では、混練原料圧密部４ｅの入側手前～上流に混練原料レベルを配置し、混練原料が混練原料圧密部４ｅで密に充填されて堰４ｄにてマテリアルシールが形成される様にする。

真空押出成型法では、混練原料圧密部４ｅで混練原料を圧密してマテリアルシールを形成させることで、以後の真空室６～押出成型堰７ｄの間の真空脱気条件を成型体強度確保に必要な―４０ｋＰａＧ以下に保っている。混練原料圧密部４ｅは、混練原料を圧密するために、前述の様にそれ以前の部分（堰４ｄより混練部４の入側端に向けての２５～１００％）に比べて径が絞られ、上下左右が強固なケーシング４ａで覆われており、混練原料が出側に設置されている堰４ｄから抵抗を受ける構造となっている。

この構造により、混練原料圧密部４ｅ内は原料レベル１００％が許容される（堰４ｄでは混練原料レベル１００％が必要）。一方で、混練部４の入側端～堰４ｄのうち、混練原料圧密部４ｅの入側端～混練部４の入側端の部分は、混練原料レベルが１００％になることを想定しておらず（適正範囲５０～９０％）、その上面は、内部の混練原料レベルを監視するため、混練部４の上面の内部観察部４ｆとしてグレーチング、覗き窓付き鋼板、または、容易に開閉可能な鋼板などが設置されている。このため前述の様に、混練原料圧密部４ｅの範囲は、堰４ｄより混練部４入側端に向けてのおおよそ０％超～２５％以下の範囲に特定されることが好ましい。

ここで、本調査では、混練原料として、製鉄用ペレット原料（通常操業時の平均水分は９質量％～１４質量％程度）を用いた。製鉄用ペレット原料は、一般的に野外の原料ヤードで保管されているため、気温や降水により水分が変動しやすいため、混練部４へ投入する混練原料の水分が意図せず変動してしまうことがあるため、水分条件等のわずかな変化で流動性が変動しやすい。

さらに、粒度条件等にもばらつきが発生しやすいため、混練原料レベルが変動しやすい。尚、本調査では、混練部４の出側から先を真空脱気条件≦－４０ｋＰａで造粒するものであり、それを維持するために、図１の真空ポンプ８で真空脱気すると共に、堰４ｄと押出成型堰７ｄが混練原料でマテリアルシールされる必要がある。なお、図１に示す例においては、真空ポンプ８は真空ポンプ接続管９を介して真空室６と接続されている。

＜混練原料圧密部４ｅの手前の混練原料レベル管理＞
混練原料圧密部４ｅでは、混練部４の入側から搬送されてきた混練原料が堰４ｄにより抵抗を受けるため、混練原料がケーシング４ａ内で圧密されている。通常操業時は、堰４ｄによる混練原料の排出抵抗と混練羽根４ｃによる混練原料の搬送力がバランスしており、混練原料圧密部４ｅ内のみで混練原料レベルが高い状態である。しかし、何らかの原因で混練原料の押出力が低下した場合や混練原料の流動性が低下した場合は、一時的に堰４ｄによる排出抵抗が混練羽根４ｃの押出力に勝ってしまい、堰４ｄから後工程への混練原料排出速度が低下してしまう。このとき、図２に示すように、混練原料圧密部４ｅの手前から混練部４の入側に遡って混練原料が次第に滞留していき、徐々に混練部４全体の混練原料レベルが上昇していく。

なお、何らかの原因で、混練部４の入側からの混練原料供給量が増加した場合も混練原料レベルが上昇し、混練原料の排出抵抗が低下したり混練原料の流動性が上昇したりした場合には、混練原料圧密部４ｅの手前を起点にして混練原料レベルが低下していく。また、何らかの原因でよって混練部４の入側からの混練原料供給量が減少した場合も混練原料レベルが低下する。これらの現象について、混練原料圧密部４ｅの手前近傍に混練原料レベルの計測手段を設置すれば、混練原料レベルの変動を早期に検知し、安定した混練を継続できる。

ここで、混練を安定的に継続できる、混練原料圧密部４ｅの始点の混練原料レベルの条件を調査した。この調査の結果を表１に示す。調査結果から、混練部４の高さ（ケーシング４ａの底面から上面までの高さ）を１００％としたとき、混練原料圧密部４ｅの始点の手前となる位置（例えば、混練原料圧密部４ｅの始点から混練部４の入側方向へ１００ｍｍから３００ｍｍ程度の位置）の混練原料レベルを５０％から９０％の範囲内で管理しておけば、混練原料圧密部４ｅにて混練原料が圧密され、少なくとも堰４ｄで混練原料レベルが１００％となりマテリアルシールが形成され、安定した混練を継続維持できることがわかった。混練原料圧密部４ｅの始点から混練部４の入側方向へ１００ｍｍから３００ｍｍ程度の位置における混練原料レベルが９０％を超えると５～３０分程度で原料レベルが１００％を超えて、操業不可となってしまう一方で、混練原料圧密部４ｅの始点から混練部４の入側方向へ１００ｍｍから３００ｍｍ程度の位置における混練原料レベルが５０％未満になったときは、混練原料圧密部４ｅで混練原料が圧密されないため混練原料を十分に混錬できず、混練不足の混練原料を後工程に送ってしまい、後工程での造粒が安定しなかった。

上記の調査では、混練原料レベルの測定手段として、混練原料圧密部４ｅの始点から混練部４の入側方向へ１５０ｍｍ程度の位置の混練部４の上部に設置したマイクロ波レベル計を用いた。なお、混練原料レベルの測定は、あらかじめ基準を定めておけば、作業者の目視でも実施可能である。また、レベル計の計測手段はマイクロ波レベル計に限定されることはなく、混練部内の混練原料レベルを計測できるものであれば種類（レーザ距離計、ミリ波レベル計、近接センサ、各種レベルスイッチ等）は問わないが、混練原料や混練羽根４ｃ等との接触によるセンサや混練部４の破損の防止や、センサへの原料付着による計測精度低下の防止のため、レーザ距離計やマイクロ波レベル計等の非接触式のレベル計が好ましい。さらに、混練部４の内部からは原料由来の粉塵や水蒸気が発生する場合があるため、粉塵や水蒸気の存在下でも比較的安定した測定が可能なマイクロ波レベル計やミリ波レベル計がより好ましい。

混練状態の判定については、混練部４を第一の押出部として用いた押出成型機の操業状態から判断した。操業状態に問題があるのは、具体的には、混練部４にて混練原料圧密部４ｅで混練原料が圧密できなかったり、加水が偏りなく添加できなかったりして、マテリアルシール維持ができなかったり混練原料の混練が不十分となったりしてしまう場合であり、ペレットの歩留が低下したりペレットの強度が低下したりする。真空脱気条件≦―４０ｋＰａを満たしつつペレット製造を１ｈｒ以上継続できる場合の混練状態を〇とし、歩留や強度低下のため製品を安定製造できない状態を×とした。

この様に混練原料圧密部４ｅの手前の混練原料レベルの制御範囲については、５０％以上９０％以下であれば連続安定稼働が可能となるが、５０％以上７０％以下であればなお良く、さらに５０％以上６０％以下であれば最適である。その理由は、混練原料レベル（混練原料の充填率）を一定に制御することで、混練羽根４ｃが堰４ｄへ混練原料を押し付ける力が安定するため、排出される混練原料の性状ばらつきが小さくなるためである。

ここで、混練原料圧密部４ｅの手前での混練原料レベル調整は上述のとおり、混練原料投入量、シャフト４ｂの回転速度、加水ノズル５からの加水量を調整することで調整できる。上記の方法でも調整できない場合は、ハードの磨耗やハードへの混練原料付着の可能性が高いので、部品交換や清掃を実施することで、混練原料変動を抑制できる。

＜混練部４の加水位置の混練原料レベル管理＞
混練部４には混錬に必要な水分を添加するための加水ノズル５が設置されている場合があり、加水ノズル５の位置（加水位置）では、混練原料水分がその前後の位置の混練原料に比較して比較的高いため、流動性が高くなりやすい。このため、加水位置では、何らかの理由で混練原料水分が過多（流動性過大）になってしまい、混練原料が混練羽根４ｃと接触するときにスリップしやすくなる場合がある。この時、混練原料の搬送速度が低下し、加水位置から混練部４の入側にかけての混練原料レベルが上昇する。一方で、このとき、加水部以降では、混練原料搬送速度が低下しているために混練原料供給不足となり、混練原料レベルが低下する。

ここで、安定的に混錬を継続できる、加水位置の混練原料レベルの条件を調査した。調査方法は上記の混練原料圧密部４ｅと同様の方法で行ったが、混練原料レベルの計測はあらかじめ設定していた基準に従い作業者の目視で実施した。この調査の結果を表２に示す。調査結果から、加水位置の混練原料レベルが９０％を超えると５～３０分程度で同位置の混練原料レベルが１００％を超えて混練機上面の内部観察部４ｆから溢れ出て操業不可能になることが分かった。一方で、同位置の原料レベルが５０％未満になると、加水ノズルからの散水が、粉体原料に当たる前に、シャフト４ｂや混練羽根４ｃに当たってしまう。この場合、原料に偏りなく散水できず、混練原料の水分がばらついてしまい、マテリアルシールが崩壊し、後工程で造粒が安定的に継続できないことが分かった。

この様に加水位置の混練原料レベルの制御範囲については、５０％以上９０％以下であれば連続安定稼働が可能となるが、５０％以上７０％以下であればなお良く、さらに５０％以上６０％以下であれば最適である。その理由は、混練原料レベル（混練原料の充填率）を一定に制御することで、加水ノズルから混練原料への水のかかり方が一定になるため、混練部４から排出される混練原料の性状ばらつきが小さくなるためである。

ここで、混練原料レベルの調整は上述のとおり、混練原料投入量、シャフト４ｂの回転速度、加水ノズル５からの加水量を調整することで調整できる。上記の方法でも調整できない場合は、ハードの磨耗や混練原料付着の可能性が高いので、部品交換や清掃を実施することで、混練原料変動を抑制できる。特に、加水位置を起点とする混練原料レベル上昇は、加水位置での混練原料の水分が過大になったときに発生することが大半であるため、加水量の低減が有効であることが多い。加水量の低減可否は、排出混練原料の水分の実測値とあらかじめ設定している水分値を比較することで判断できる（例えば、本調査のペレット原料の場合は、通常の水分値上限である１４質量％を超えていれば水分過剰と判断し、加水量を低減させる）。

次に加水ノズル５の設置位置について説明する。加水ノズル５の設置方法には、接続管３の内部に加水ノズル５を設置して、接続管３の内部を落下している混練原料に水を噴霧する形式と、混練部４の水平部分（図３の混練機上面の内部観察部４ｆに相当する部分）の上部に加水ノズル５を設置して、水平方向に搬送されている混練原料に上部から加水する形式（この場合、加水ノズル５の先端が混練機上面の内部観察部４ｆ面より上にあっても下にあってもかまわない）の２種類がある。後者の設置方法の場合は、加水ノズル５は、加水後の混練原料の混練時間を十分に確保するために、一般的に、接続管３の出側端（即ち混練部４上面の内部観察部４ｆの始点）を始点として、混練部４の機長の５０％程度の範囲内に設置されることが好ましい。

本発明は、後述するように、前者と後者のどちらの場合にも適用可能である。レベル計の設置位置について説明する。混練原料レベルは混練部４の入側と出側で測定する。レベル計は、混練部４の入側として上記の加水ノズル５の設置範囲の混練原料レベルを測定する入側レベル計１０と、混練部４の出側として混練原料圧密部４ｅの手前の混練原料レベルを測定する出側レベル計１１を設置する。特に入側レベル計１０の位置は、局所的な混練原料水分が最も高いと推定できる場所の混練原料レベルが測定できるような位置である。その理由は、このような位置では混練原料が混練羽根４ｃと接触時にスリップしやすく、混練原料が滞留してレベル上昇が発生しやすいからである。

具体的には、加水ノズルが接続管３内に設置されている場合は、混練部４の水平部分（グレーチング４ｆ）の始点に設置することが好ましい。一方で、加水ノズルが混練部４の水平部分（グレーチング４ｆ）に設置されている場合は、加水ノズルの直後（混練機出側）に設置することが好ましい。後者の場合で特に、加水ノズルが複数ある場合には、もっとも混練部４出側の加水ノズル位置の直後に設置するのが好ましく、その理由は、このような位置では混練原料水分が最も高いと推定できるからである。

図１の例に示すような混練部４において、混練原料圧密部４ｅの手前（混練原料圧密部４ｅの始点から混練部４入側方向へ１００～３００ｍｍの位置が好ましい）、加水ノズル５の設置位置（接続管３の出側端（即ち混練機上面の内部観察部４ｆの始点）を始点として、混練機４の機長の５０％程度の範囲内が好ましい）の混練原料レベルを計測し、当該混練原料レベルを混練部４の高さの５０％から９０％に維持することで安定した混練を継続できる混練部４の原料レベルの管理方法を発明した。

検出した混練原料レベルが所定範囲を外れた場合の調整方法について説明する。混練部４は、一般的に、生産量一定での操業が通常であるため、混練原料レベルの調整は、シャフト４ｂの回転数、加水ノズル５からの加水量の２つの手段を用いる。調整方法の例を以下に示す。

例えば、混練原料圧密部４ｅの手前の混練原料レベルが上昇傾向にあるときは、シャフト４ｂの回転数を上げて堰４ｄからの混練原料の排出を促進させることで混練原料レベルを低下させる。一方で、混練原料圧密部４ｅの混練原料レベルが低下傾向にあるときは、シャフト４ｂの回転数を低下させて混練原料レベルを上げる。

加水位置の混練原料レベルが上昇している場合は、混練原料水分が過剰になっている場合が大半であるので、混練部４から排出される混練原料の水分を測定し、混練原料水分が過剰である場合は、加水ノズル５からの加水量を適正範囲まで低減させることで、混練原料レベルを低下させる。

また、混練原料水分が適正範囲にも関わらず、混練原料レベルが上昇傾向にある場合は、シャフト４ｂの回転数を上げて混練原料レベルを低下させ、混練原料レベルが低下している場合は、シャフト４ｂの回転数を下げて、混練原料レベルを上昇させている。添加水量が過剰ではないときの混練原料レベルの上下変動は、混練原料圧密部４ｅの手前の混練原料レベルの上下と加水位置の混練原料レベルの上下とが連動している場合が多い。つまり、一方の混練原料レベルが上昇しているときはもう一方も上昇、一方の混練原料レベルが低下しているときはもう一方も低下傾向にある。

したがって、混練部４の出側の水分を計測して混練原料水分が過剰でないことを確認できた場合は、シャフト４ｂの回転数により混練部４内の混練原料レベルを一様に調整しても良い場合が大半である。シャフト４ｂの回転数や加水ノズル５からの加水量で混練原料レベルが調整できない場合は、混練部４への混練原料供給量で混練原料レベルを調整する。混練原料供給量を下げると混練原料レベルは低下し、混練原料供給量を上げると混練原料レベルは上昇する。

本技術の適用例は先の図４に示した通りであり、ミキサ１から送られた混練原料が混練原料投入口２に投入される。混練原料投入口２に投入された混練原料は接続管３を通って混練部４へと導かれ、シャフト４ｂに備えられた混練羽根４ｃなどを用いて混練される。混練原料が押し出される堰４ｄの手前には混練原料圧密部４ｅが設けられているが、この混練原料圧密部４ｅに混練材料などを適切に搬送できるようにするために、混練原料圧密部４ｅの手前にレベル計を設置している。本実施例では、混練原料圧密部４ｅの手前のレベル計は、混練原料圧密部４ｅの始点から混練部入側へ１５０ｍｍ程度の位置に設置している。また、加水ノズル５は、グレーチング４ｆの始点（接続管３とグレーチング４ｆの境）から堰４ｄまでの長さを１００％としたとき、０～２５％の位置に設置しており、混練原料レベルの判定は２５％の位置付近で実施する。

図５にレベル計１０（混練原料圧密部４ｅの手前１５０ｍｍの位置）に設置したマイクロ波レベル計で計測した混練原料レベルの実測データを示す。入側レベル計１０、出側レベル計１１での監視により、シャフト４ｂの回転数、加水ノズル５からの加水量を調節することで、おおむね５０～８０％の範囲内で混練原料レベルを制御できていることがわかる。なお、図５の混練原料レベルは、一般的に行われるように、シャフト４ｂの回転に伴う周期的な変動を無視するために移動平均値（本実施例の場合は５ｓ間の移動平均値）を用いている。

表３に本発明の実施例と比較例を示す。表３の実施例１～５は混練原料圧密部４ｅの手前と加水ノズル５の位置の混練原料レベルがそれぞれ５０～９０％の範囲にあり、安定操業できている例である。比較例１は混練原料圧密部４ｅの手前の混練原料レベルが９０％を超え、比較例２では混練原料圧密部４ｅの混練原料レベルが５０％未満になっているため、いずれも安定操業できていない例である。比較例３は加水ノズル５の位置の混練原料レベルが９０％を超え、比較例４では加水ノズル５の位置の混練原料レベルが５０％未満になっているため、いずれも安定操業できていない例である。

本発明は、例えば図１～図４の例に示すような形式の混練部４であれば、加水ノズル５の本数や設置位置や形状、堰４ｄと混練原料圧密部４ｅのサイズや形状、混練羽根４ｃのサイズや形状や枚数によらず適用可能である。

１ ミキサ
２ 投入口
３ 接続管
４ 混練部
４ａ ケーシング
４ｂ シャフト
４ｃ 混練羽根
４ｄ 堰
４ｅ 混練原料圧密部（堰手前で混練原料が圧密され、混練が特に顕著に実施される場所）
４ｆ 混練機上面の内部観察部（グレーチング、ガラス窓、開口等）
５ 加水ノズル
６ 真空室
７ 押出成型部
７ａ ケーシング
７ｂ 押出成型部シャフト
７ｃ 押出成型羽根
７ｄ 押出成型堰
８ 真空ポンプ
９ 真空ポンプ接続管

Claims (4)

1. 混練原料投入口、混練原料を混練部へと導く接続管、羽根車を備えたシャフトが配置された混練機、混練原料が押し出される堰、が順に配置され、
   混練部の出側が-４０ｋＰａＧ以下に真空脱気される、混練成型機における混練部内の混練原料レベル計測管理方法であって、
   前記堰の手前の混練原料圧密部の入側、及び／または加水ノズル設置位置にてマイクロ波レベル計またはミリ波レベル計を用いて混練原料レベルを測定し、混練原料レベルを混練部高さの５０％から９０％に維持することを特徴とする、混練成型機における混練部内の混練原料レベル計測管理方法。
2. 前記加水ノズルが混練原料を混練部へと導く接続管内に配置されている場合、加水ノズル設置位置での混練原料レベル測定は、混練部入側にて測定することを特徴とする請求項１に記載の混練成型機における混練部内の混練原料レベル計測管理方法。
3. 混練原料投入口、混練原料を混練部へと導く接続管、羽根車を備えたシャフトが配置された混練機、混練原料が押し出される堰、が順に配置され、前記堰の手前の混練原料圧密部の入側、及び／または加水ノズル設置位置にて混練原料レベルを測定する装置が備えられており、混練部の出側が-４０ｋＰａＧ以下に真空脱気される混練成型機であって、
   前記堰の手前の混練原料圧密部の入側、及び／または加水ノズル設置位置にマイクロ波レベル計またはミリ波レベル計を配置し、
   継続混練原料レベルが混練部高さの５０％から９０％に維持されるように操業される混練成型機。
4. 前記加水ノズルが混練原料を混練部へと導く接続管内に配置されており、加水ノズル設置位置での混練原料レベル測定位置は、混練部入側であることを特徴とする請求項３に記載の混練成型機。