特開 2023-92853 押出成形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023092853

(43)【公開日】2023-07-04

(54)【発明の名称】押出成形方法

(51)【国際特許分類】

   B28B 3/20 20060101AFI20230627BHJP

【ＦＩ】

B28B3/20 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021208102

(22)【出願日】2021-12-22

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(72)【発明者】

【氏名】藤坂 岳之

【テーマコード（参考）】

4G054

【Ｆターム（参考）】

4G054AA01

4G054BD00

(57)【要約】

【課題】原料の押し詰まりを抑制することが可能な、新規かつ改良された押出成形方法を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、原料の押し詰まりが発生していない正常な押出成形が可能な原料の単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲を求める工程と、使用予定の原料の単軸崩壊応力及び剪断応力が適正範囲内になるように使用予定の原料の原料条件を決定する工程と、を含むことを特徴とする、押出成形方法が提供される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料の押し詰まりが発生していない正常な押出成形が可能な前記原料の単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲を求める工程と、
使用予定の原料の単軸崩壊応力及び剪断応力が前記適正範囲内になるように前記使用予定の原料の原料条件を決定する工程と、を含むことを特徴とする、押出成形方法。

【請求項2】

前記原料条件が、原料の水分、原料の粒度、及び原料の配合の少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の押出成形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、押出成形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

微粉状の鉄鉱石や製鉄所内で発生するダストを塊成化する方法として、焼結法や焼成ペレット法が一般に用いられているが、省エネルギーの観点から焼成工程を必要としない非焼成塊成化法も用いられている。非焼成塊成化法では、成形体に高炉での使用に耐え得る強度を発現させるために結合剤としてセメントが用いられる。主な成形方法として転動造粒法や押出成形法が知られている。押出成形法で成形体を安定的に生産するためにはダイスでの原料の押し詰まり防止が重要となる。

【0003】

押出成形法では、図１に示すように、胴部に投入された原料は、胴部内に設けられたスクリュー等の押出部（図示せず）によって圧力を加えられながらダイス部に向かって移動する。そして、原料は、ダイス部を通過する過程で圧密され、成形体となり、押出成形機から排出される。

【0004】

ここで、胴部内の原料をダイス部に向けて押し出すのに要する圧力について、以下の経験式（１）が知られている（非特許文献１）。

【0005】

【数1】

【0006】

式（１）において、Ｐは原料の押し出しに要する全圧力、Ｐ_１は断面積（胴部の長さ方向に垂直な断面積）減少に伴う圧力損失、Ｐ_２はダイス部における押し出しに伴う圧力損失、Ｖはダイス部における原料の押出速度、Ａ_０は胴部の中空部の断面積（胴部の長さ方向に垂直な断面積）、Ａはダイス部の中空部の断面積（胴部の長さ方向に垂直な断面積）、Ｌはダイス部の中空部の長さ、Ｃはダイス部の中空部の周長、τ_ｙは原料の降伏値、τ_０は胴部の内壁面での剪断応力、αおよびβは定数である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】粉体の成形：粉体工学会編、日刊工業新聞社、東京、２００９、ｐ．１２１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

同一の押出成形機を用いて成形体の生産速度を一定に維持する操業においては、成形している原料の条件が変化すると押出負荷が変動する。押出負荷の変動に応じて押出成形機のモーター出力（トルク）が調整されるが、押出負荷が押出成形機のモーター出力上限に到達すると、押出成形機は原料（成形体）を排出することができなくなり「押し詰まり」の状態となる。その結果、成形体の生産の継続が困難となる。

【0009】

したがって、押出成形法で成形体を安定的に生産するためには押し詰まりの防止が重要であり、押出負荷の変動（特に、過剰な上昇）を抑制する必要がある。しかし、原料の条件を適正に保って押し詰まりを回避しつつ安定した生産を継続するための方法は、これまで何ら提案されていない。

【0010】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、原料の押し詰まりを抑制することが可能な、新規かつ改良された押出成形方法を提供することにある。特に、鉄鋼分野における非焼成塊成鉱を押出成形法により製造するプロセスを想定して、湿潤粉体である原料の押出成形における押し詰まりの発生を防止する押出成形方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、原料の押し詰まりが発生していない正常な押出成形が可能な原料の単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲を求める工程と、使用予定の原料の単軸崩壊応力及び剪断応力が適正範囲内になるように使用予定の原料の原料条件を決定する工程と、を含むことを特徴とする、押出成形方法が提供される。

【0012】

ここで、原料条件が、原料の水分、原料の粒度、及び原料の配合の少なくとも一つを含んでいてもよい。

【発明の効果】

【0013】

本発明の上記観点によれば、原料の押し詰まりを抑制することが可能となり、ひいては、生産性の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】押出成形法の概要を示す側断面図である。

【図2】単軸崩壊応力の定義を説明するための説明図である。

【図3】押出成形機の一例を示す側断面図である。

【図4】粉体層剪断試験の方法および単軸崩壊応力の測定方法の概要を示す説明図である。

【図5】単軸崩壊応力および剪断応力の測定結果の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

＜１．本発明者による検討＞
まず、本発明者による検討について説明する。上述した式（１）によれば、操業時に押出負荷の変動を与える因子は、原料物性、すなわちτ_ｙ及びτ_０である。押出負荷を発生させる現象と、本実施形態で着目している押し詰まり現象とは同一の機構で生じるものではないと思われる。しかし、本発明者は、押し詰まり現象を支配する因子も、τ_ｙ及びτ_０と類似のものではないかと考えた。そして、本発明者は、τ_ｙ及びτ_０にそれぞれ対応し、原料物性として独立して測定可能なパラメータとして、原料の単軸崩壊応力及び剪断応力に着目した。なお、通常、式（１）のτ_ｙ及びτ_０を直接的に実測することは困難である。これらのパラメータは、Ｖやダイス寸法を様々に変化させて実際に実機を稼働させて間接的に求められる。

【0016】

本発明者は、原料の単軸崩壊応力及び剪断応力を事前に（使用予定の原料を押出成形機に投入する前に）粉体層剪断試験により測定し、その結果を用いて事前に原料物性を調整することで押し詰まりの発生を防げるのではないかと着想した。そして、後述のようにその可能性を実験で確認して本発明を完成させた。

【0017】

＜２．押出成形方法＞
次に、本実施形態に係る押出成形方法について説明する。本実施形態に係る押出成形方法は、以下の３つの工程（ステップ）で構成される。
（工程１）原料の押し詰まりが発生していない正常な押出成形が可能な原料の単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲を求める。
（工程２）使用予定の原料の単軸崩壊応力及び剪断応力が適正範囲内になるように使用予定の原料の原料条件を決定する。
（工程３）工程２で決定された原料条件で押出成形を行う。

【0018】

（２－１．単軸崩壊応力）
式（１）における原料の降伏値τ_ｙは原料が流動し始めるときの応力に対応するパラメータであることから、本発明者は、それに関連すると考えられる指標として単軸崩壊応力に着目した。単軸崩壊応力とは、図２に示すように側面が拘束されていない粉体層（水平方向の応力σ_ｈ＝０）を崩壊（流動）させるのに要する垂直応力（σ_ｃ）である。図２（ａ）は成形体に垂直応力が掛けられていない状態、図２（ｂ）は押圧部により垂直応力が成形体に掛けられ、成形体が崩壊した状態を示す。単軸崩壊応力は粉体層剪断試験によって求めることができる。詳細は後述する。

【0019】

（２－２．剪断応力）
実際の押出成形機の内壁面は原料が付着している。そのため、胴部の内壁面での剪断応力τ_０は粉体間の剪断応力ととらえることができる。そこで、本発明者は、胴部の内壁面での剪断応力τ_０に関連すると考えられる指標として、粉体層剪断試験で測定される剪断応力に着目した。

【0020】

（２－３．押出成形工程）
本実施形態が適用可能な押出成形工程は特に制限されない。押出成形工程の原料は、例えば一般に非焼成塊成鉱の製造に用いられるものであり、鉄鉱石、コークス粉、及び製鉄ダストを含み、結合剤としてセメントを含む。原料は、通常１ｍｍ以下となるようにボールミル等で粉砕される。粉砕された原料は押出成形に適した水分に調湿され、押出成形機で成形される。得られた成形体は所定の期間養生され、セメント水和反応の硬化作用により強度が発現し、非焼成塊成鉱となる。

【0021】

ここで、押出成形機として、例えばスクリュー式押出成形機やローラー式押出成形機がある（図３）。スクリュー式押出成形機では胴部に投入された原料が胴部内で回転するスクリューによってダイス部から押し出される。ローラー式押出成形機では胴部に投入された原料が胴部内で回転するローラーによってダイス部から押し出される。いずれの場合も原料の性状によって押し詰まりが発生することがある。このように押し詰まりが問題となる押出成形機に対して本実施形態に係る押出成形方法が適用される。

【0022】

（２－４．単軸崩壊応力の測定方法）
単軸崩壊応力は、粉体層剪断試験により測定される指標の一つであり、図２に示したように側面が拘束されていない粉体層（水平方向の応力σ_ｈ＝０）を崩壊（流動）させるのに要する垂直応力である。

【0023】

主な粉体層剪断試験装置には、ジェニケセル型、回転セル型、下部セル直動型、及び平行平板型などがあるが、本実施形態ではいずれを用いてもよい。なお、各試験装置の詳細や粉体層剪断試験を用いた測定方法はＪＩＳＺ８８３５：２０１６に示されている。

【0024】

図４は、粉体層剪断試験の方法および単軸崩壊応力の測定方法の概要を示す。まず、測定セルに試料を充填する（図４（ｂ））。ここで、測定セルは上下に分割可能となっている。すなわち、剪断が可能となっている。続いて、試料に所定の垂直応力を加えて圧密（予圧密）する。続いて、垂直応力σを加えた状態で試料粉体層を剪断し、剪断応力τを測定する。試料粉体層に加える垂直応力を変化させて剪断応力の測定を繰り返し行い、σ―τ図にプロットすることで破壊包絡線を得る（図４（ａ））。続いて、破壊包絡線に接し、原点を通るモール円を描く（図４（ａ））。このとき、モール円とσ軸との交点が単軸崩壊応力σ_ｃとなる。
なお、単軸崩壊応力は、図２に示したように成形体の側面が拘束されていない状態で垂直応力を加える一軸圧縮試験により測定してもよい。

【0025】

（２－５．剪断応力の測定方法）
前述の通り、剪断応力は単軸崩壊応力を求める過程で測定される。剪断応力は垂直応力の大きさによって変化するため、単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲を求めるにあたっては、特定の垂直応力のときの剪断応力を採用する。通常、剪断応力は垂直応力に対して線形に変化するため、採用する垂直応力に特に制限はない。ただし、一旦垂直応力を決定した後は、その垂直応力における剪断応力を採用する。

【0026】

（２－６．工程１：単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲の決定）
工程１では、原料の押し詰まりが発生していない正常な押出成形が可能な原料の単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲を求める。言い換えれば、押出成形が正常に行われているときと押し詰まりが発生したときの原料の単軸崩壊応力と剪断応力を上述した粉体層剪断試験により測定し、押し詰まりが発生しない単軸崩壊応力と剪断応力の適正範囲を求める。ここで、押し詰まりとは、原料がダイスに詰まり、成形体をダイスから押し出すことができなくなった状態を意味する。

【0027】

より具体的に説明すると、少なくとも１回以上、押出成形が正常なときと、押し詰まりが発生したときの原料をそれぞれ採取し、それらの単軸崩壊応力および剪断応力を測定する。測定結果の一例を図５に示す（具体的な測定方法は実施例で説明する）。押し詰まりが発生したときの原料では単軸崩壊応力と剪断応力が高い値を示した。これは、前述の（１）式に基づいて考えると、τ_ｙ（単軸崩壊応力に関連）およびτ_０（剪断応力に関連）が上昇し、押出負荷が増加したためと考えられる。一方、押出成形が正常なときの単軸崩壊応力及び剪断応力は押し詰まりが発生したときの単軸崩壊応力及び剪断応力より小さい値を示した。図５の例では、単軸崩壊応力が１５．５ｋＰａ以下、剪断応力が９．６ｋＰａ以下が適正範囲となる。ここで、適正範囲の上限値は、押出成形が正常なときの単軸崩壊応力及び剪断応力の最大値とする。適正範囲の下限値は特に制限されないが、成形体が押出成形できる程度の値であればよい。

【0028】

（２－７．工程２：原料条件の決定）
次に、使用予定の原料の単軸崩壊応力及び剪断応力が適正範囲内になるように使用予定の原料の原料条件を決定する。

【0029】

具体的には、使用予定の原料の単軸崩壊応力および剪断応力を粉体層剪断試験により測定する。測定した単軸崩壊応力と剪断応力が適正範囲内の場合は、そのまま押出成形に使用することができる。一方、測定した単軸崩壊応力と剪断応力が適正範囲外となる場合には、原料条件を変化させて単軸崩壊応力と剪断応力を繰り返し測定し、適正範囲内となる条件を決定する。具体的には、例えば、原料の水分、原料の粒度、及び原料の配合の少なくとも一つ以上を変化させる。原料の配合とは、例えば鉄鉱石、コークス粉、及び製鉄ダストの種類の他、これらの配合割合を意味する。

【0030】

原料の水分の増加により、原料粒子間に液架橋が形成されるため、原料粒子間の結合力が向上する。すなわち、単軸崩壊応力と剪断応力が向上する。しかし、水分が過剰になりキャピラリー域（原料粒子間の空隙が完全に充填された状態）を超えると、原料がスラリー状に変化するため、単軸崩壊応力と剪断応力は低下する。通常、押出成形はキャピラリー域より低い水分で操業されるため、キャピラリー域より低い範囲で水分を変化させる。

【0031】

原料の粒度の低減（原料の粉砕）により、原料の付着性が増加するため単軸崩壊応力と剪断応力が向上する。一方、原料粒度が過剰に大きいとダイス孔での目詰まりや粒子同士の噛み込みによる押し詰まりが発生するため、原料粒度は１ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、原料粒度は例えばレーザー回折散乱法や篩分け法により測定される。また、原料粒度はメジアン径（質量積算５０％粒径）で表すことが好ましい。

【0032】

原料の配合を変化させると、原料の濡れ性や粒子形状などの違いにより、単軸崩壊応力及び剪断応力は複雑に変化する。原料の配合を変化させる場合、鉄鉱石、コークス粉、及び製鉄ダストの種類や配合割合を変化させる他に、結合剤や潤滑剤を加えることで単軸崩壊応力及び剪断応力を調整することができる。

【0033】

（２－８．工程３：押出成形）
工程３では、工程２で決定された原料条件で押出成形を行う。この原料条件では、単軸崩壊応力及び剪断応力が適正範囲内となっているので、原料の押し詰まりを発生させることなく押出成形を行うことができる。

【0034】

以上説明した通り、本実施形態によれば、原料の押し詰まりが発生していない正常な押出成形が可能な原料の単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲を求め、使用予定の原料の単軸崩壊応力及び剪断応力が適正範囲内になるように使用予定の原料の原料条件を決定する。したがって、原料の押し詰まりを発生させることなく押出成形を行うことができる。すなわち、原料の押し詰まりを抑制することが可能となり、ひいては、生産性の低下を抑制することができる。

【実施例0035】

つぎに、本実施形態の実施例を説明する。本実施例では、以下の工程を行うことで本実施形態の効果を確認した。

【0036】

＜１．工程１：単軸崩壊応力及び剪断応力の適正範囲の決定＞
ローラー式押出成形機（不二パウダル社製、型式Ｆ－５Ｓ／１１－１７５Ｄ型、ダイス孔径１０ｍｍ）で様々な原料を用いて押出成形した際の操業実績から、押出成形が正常だったときと押し詰まりが発生したときの原料の単軸崩壊応力と剪断応力をそれぞれ４回測定した。

【0037】

粉体層剪断試験は、回転セル型装置（Ｆｒｅｅｍａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製、型式ＦＴ－４、セル内径５０ｍｍ）を用いた。なお、予圧密は９ｋＰａとし、その後、垂直応力σを７ｋＰａ、６ｋＰａ、５ｋＰａ、４ｋＰａ、３ｋＰａと変化させ、剪断応力を測定した。単軸崩壊応力は前述の方法（図４（ａ））で求め、剪断応力は垂直応力７ｋＰａのときの値とした。測定結果を図５に示した。このとき、適正範囲は、単軸崩壊応力が１５．５ｋＰａ以下、剪断応力が９．６ｋＰａ以下と求められた。ここで、適正範囲の上限値は、押出成形が正常なときの単軸崩壊応力及び剪断応力の最大値とした。

【0038】

＜２．工程２：原料条件の決定＞
次に、新たに押出成形で使用予定の配合原料Ａについて単軸崩壊応力及び剪断応力を測定した。なお、配合原料Ａは、鉄鉱石粉４０質量％、焼結集塵ダスト３５質量％、コークス粉２０質量％、早強セメント５質量％で構成（乾燥基準割合）され、水分は１２質量％（湿潤基準割合）、原料粒度は１１０μｍ（質量積算メジアン径）であった。表１に測定結果を示す。

【0039】

【表1】

【0040】

配合原料Ａは、単軸崩壊応力、剪断応力とも工程１で求めた適正範囲外であった。ここで、配合原料Ａから水分を１３質量％、原料粒度を２１０μｍに変化させた原料を配合原料Ａ’として単軸崩壊応力と剪断応力を再度測定した。その結果、単軸崩壊応力と剪断応力がステップ１で求めた適正範囲内となった。

【0041】

＜３．工程３：押出成形＞
そこで、配合原料Ａ´を用いて押出成形したところ、押し詰まりが発生することなく正常に成形体を成形することができた。

【0042】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】