JP2014185050A

JP2014185050A - 砂代替材及びその製造方法

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Publication number: JP2014185050A
Application number: JP2013059908A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Katayama; 賢一片山
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: JP6181953B2

Abstract

【課題】建設資材の砂材として利用可能にすることによってステンレス鋼の製鋼スラグの再資源化を図る砂代替材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ステンレス鋼の製鋼工程で生成される製鋼スラグ１０からの砂代替材１００の製造方法は、溶融状態で排出された製鋼スラグ１０を２４時間以上かけて冷却する冷却ステップと、冷却した製鋼スラグ１０を湿式破砕する破砕ステップと、破砕した製鋼スラグ１０を湿式分級することによって、製鋼スラグ１０に含まれる粒状分を分離する分級ステップとを含む。さらに、冷却される製鋼スラグ１０では、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が、０．７〜１．７であり、組成が質量％で、フッ素が０．４％未満、ＣａＯが３５〜６５％、ＳｉＯ_２が２０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１５％である。
【選択図】図１

Description

この発明は、砂代替材及びその製造方法に係り、特に、ステンレス製鋼時に発生する製鋼スラグを使用した砂代替材及びその製造方法に関する。

従来は廃棄処理されていたステンレス鋼の製造工程で発生する製鋼スラグの再資源化が、近年、図られている。ステンレス鋼の製鋼スラグは高硬度であることから、例えば特許文献１に示されるように、製鋼スラグは、ブラスト処理用研削材として使用可能になる。
特許文献１に記載のブラスト処理用研削材は、主成分の組成がＣａＯ（酸化カルシウム）：３０〜４０質量％、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）：６〜１５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）：５〜１７質量％、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）：２０〜３６質量％であるステンレス鋼の製鋼スラグを素材としている。このブラスト処理用研削材は、上記の製鋼スラグを徐冷した後に破砕し、さらに、モース硬度が７〜９であり且つ０．１〜３．０ｍｍの粒度の砂状スラグに分級することによって、製造される。

特開２０１１−８３８６９号公報

しかしながら、特許文献１では、製鋼スラグをブラスト処理用研削材に再利用しているが、ブラスト処理用研削材に再利用するだけでは、製鋼スラグの再利用量が少なく、十分な再資源化を果たすことができないという問題がある。このため、製鋼スラグを建設資材等のより需要が高い資材として再利用できるようにすることが、必要である。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、建設資材の砂材として利用可能にすることによってステンレス鋼の製鋼スラグの再資源化を図る砂代替材及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る砂代替材の製造方法は、ステンレス鋼の製鋼工程で生成される製鋼スラグからの砂代替材の製造方法であって、溶融状態で排出されたスラグ鍋内にある製鋼スラグを２４時間以上かけて冷却する冷却ステップと、冷却した製鋼スラグを湿式破砕する破砕ステップと、破砕した製鋼スラグを湿式分級することによって、製鋼スラグに含まれる粒状分を分離する分級ステップとを含み、冷却される製鋼スラグでは、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が、０．７〜１．７であり、組成が質量％で、フッ素が０．４％未満、ＣａＯが３５〜６５％、ＳｉＯ_２が２０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１５％である。

冷却ステップにおいて、製鋼スラグの温度が７００℃以上のとき、製鋼スラグの温度を毎分１℃以下で低下させるように冷却してもよい。
分級ステップでは、破砕した製鋼スラグに対して、比重選鉱した後、所定の粒径以下の製鋼スラグを篩い分ける処理をし、所定の粒径以下の製鋼スラグを湿式で分級して水中に懸濁する粉状分と粒状分とを分離してもよい。
所定の粒径を超える製鋼スラグは、再び湿式破砕されてもよい。
分級ステップは、製鋼スラグに対して磁力選鉱処理をして、製鋼スラグに含まれる金属成分を分離することを含んでもよい。
製鋼工程では、ステンレス鋼の溶銑は、フッ化カルシウムを含まない脱硫剤を使用する機械攪拌式の脱硫処理を受けてもよい。

また、この発明に係る砂代替材は、ステンレス鋼の製鋼工程で生成される製鋼スラグが２４時間以上かけて冷却された後、破砕及び分級されることによって生成される砂代替材であって、透水係数が５．０×１０^−４〜２×１０^−２ｃｍ／秒であり、単位容積質量が１．９〜２．１ｋｇ／リットルであり、吸水率が１．５〜３．２％である特性を有すると共に、フッ素の水に対する溶出量が水１リットル当たり０．８ｍｇ未満であり、六価クロムの水に対する溶出量が水１リットル当たり０．０５ｍｇ未満である特性を有し、製鋼スラグにおける塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が、０．７〜１．７であり、製鋼スラグの組成が質量％で、フッ素が０．４％未満、ＣａＯが３５〜６５％、ＳｉＯ_２が２０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１５％である。
製鋼スラグは、温度が７００℃以上のとき、製鋼スラグの温度が毎分１℃以下で低下するように冷却されてもよい。

この発明に係る砂代替材及びその製造方法によれば、建設資材の砂材として利用可能にすることによってステンレス鋼の製鋼スラグを再資源化することが可能になる。

砂代替材を製造する各工程を分類して示す図である。実施例１〜８の砂代替材の粒度分布を示すグラフである。比較例１〜６の砂代替材の粒度分布を示すグラフである。比較例７〜１２の砂代替材の粒度分布を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態における砂代替材１００の製造方法について添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、砂代替材１００を製造する工程は、大別すると、原料となる製鋼スラグ１０が生成されるステンレス鋼の製鋼工程１、製鋼スラグ１０を冷却する冷却工程２、及び、冷却後の製鋼スラグ１０から粒状の砂代替材１００を分級するスラグ選鉱処理工程３の３つの工程によって構成されている。

製鋼工程１では、ステンレス鋼を溶製する際に製鋼スラグ１０が発生し、この発生した製鋼スラグ１０が収集される。なお、製鋼スラグ１０は、電気炉で原料を溶解してステンレス鋼の溶銑を生成する溶解工程で生成される溶製スラグと、生成された溶銑から含有される硫黄を除去する脱硫処理工程で生成される脱硫スラグと、脱硫処理後の溶銑に対して転炉及び真空脱ガス処理装置で溶銑に含有される炭素を除去する精錬工程で生成される精錬スラグとによって構成されている。そして、脱硫処理の前及び脱硫処理の後に、溶製スラグ及び脱硫スラグがステンレス鋼の溶銑から除去され、さらに、転炉及び真空ガス処理装置で生成した精錬スラグが製鋼スラグ１０として収集される。製鋼スラグ１０は、原料内の不純物やステンレス鋼の製鋼過程での生成物によって構成されており、その中にステンレス鋼を構成する有用金属である地金１３も含んでいる。

なお、本実施の形態では、溶銑の脱硫処理方法として、機械駆動される攪拌翼で溶銑を攪拌しつつ脱硫剤を添加して溶銑に含有される硫黄をスラグ化して除去するＫＲ法が用いられる。ＫＲ法では、攪拌されることによって溶銑と脱硫剤との脱硫反応が促進されるため、脱硫剤にはＣａＯ（生石灰、酸化カルシウム）を主成分とするものが用いられる。このため、本実施の形態で使用される脱硫剤は、過去に脱硫反応を促進するために用いられたＣａＦ２（蛍石、フッ化カルシウム）を含んでいない。

収集された製鋼スラグ１０は、スラグ鍋に入れられて冷却工程２に移され、冷却固化される。この際、製鋼スラグ１０は、スラグ鍋に入れられた状態で、大気中での自然冷却による空冷と、スラグ鍋に散水して冷却する散水冷却とを組み合わせた冷却によって、２４時間以上かけて冷却される。この冷却過程において、製鋼スラグ１０は、スラグ鍋へ投入され、凝固を始めた後の約１１００℃から、結晶構造の変化、つまり相変態がほぼ終了する約７００℃に温度が低下するまでの間、すなわち製鋼スラグ１０の温度が約７００℃以上である間、１．０℃／分以下の速度で降温するように徐冷される。なお、次の破砕処理での十分な破砕が可能であるように製鋼スラグ１０を十分に固化させるためには、外気温に応じて２８〜３０時間にわたって或いはそれよりも長時間にわたって製鋼スラグ１０を冷却するのが、好ましい。
一方、製鋼スラグ１０の温度が約７００℃以上の時に、例えば冷却水量を増加させる、又は製鋼スラグ１０に直接散水する等をして１．０℃／分を超える速度で製鋼スラグ１０を降温させると、固化後に内部の密度が低く脆いスラグが得られることになる。

また、上述のように製鋼スラグ１０を徐冷することによって、製鋼スラグ１０が固化する際、製鋼スラグ１０に含まれ且つ水和反応を起こすことが可能なフリーのＣａＯやＭｇＯ等の軟質な部分と、密度が高く硬質な鉱物相（シリカ［ＳｉＯ_２］、アルミナ［Ａｌ_２Ｏ_３］等から形成される）とが、互いに分離した異なる層を形成する。実際にはこれらのＣａＯやＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の２種またはそれ以上に複雑に固溶した鉱物相が大部分であるが、上述の冷却速度により軟質なものと硬質な鉱物とが形成される。このため、固化後の製鋼スラグ１０が後述する破砕処理を受けると、鉱物相の間の軟質な部分が細かく砕けることによって硬質な鉱物相の多くが互いに分離して塊状になり、さらにこの塊状の鉱物相が破砕されると粒状になる。これにより、製鋼スラグ１０では、破砕によって粉化するのが軟質な部分によって主に構成されるため、粉化する量が少ない。

固化してその温度が十分に低下した製鋼スラグ１０は、スラグ鍋から出鍋されて、スラグ選鉱処理工程３を構成するジョークラッシャー破砕処理３１及びロッドミル破砕処理３２による破砕を順次受ける。
ジョークラッシャー破砕処理３１では、製鋼スラグ１０は、気中にある状態で、ジョークラッシャーにおける固定歯と固定歯に対して接近及び離脱するように可動な可動歯との間に挟まれて押圧されることによって圧縮破砕される。製鋼スラグ１０は、この処理によって、大まかに乾式破砕される。このとき、製鋼スラグ１０では、硬質な鉱物相の間にあるＣａＯ等の軟質な部分の層が崩壊することによって、鉱物相が多数の塊状に分離する。

ジョークラッシャー破砕処理３１の後のロッドミル破砕処理３２では、製鋼スラグ１０は、内部に水を含むロッドミル内に投入されて水中につけられた状態とされ、ロッドミルが回転されることによって、さらに細かく湿式破砕される。この湿式破砕の過程では、製鋼スラグ１０に含まれる軟質なＣａＯ等は、水和反応してさらに脆くなり、微小粉状に粉砕されて水中に懸濁する。また、製鋼スラグ１０に含まれる塊状の硬質な鉱物相は、ロッドミル内で角張った形状の粒に破砕される。なお、角張った形状の粒によって形成される砂は、表面が滑らかな粒によって形成される砂よりも良好な締め固め性を有する。
上記の２つの破砕処理を受ける過程では、製鋼スラグ１０に含まれる地金１３が、鉱物相やＣａＯ等の微粉などの成分によって構成されるスラグから分離される。そして、製鋼スラグ１０が冷却工程２で十分に固化していることによって、破砕処理時における地金１３とスラグとの分離が容易になる。

破砕処理を完了した製鋼スラグ１０は、スラグ選鉱処理工程３を構成する比重選鉱処理３３を受ける。比重選鉱処理３３では、製鋼スラグ１０は、処理水中に投入され、比重選別機によって鉱物の比重の差異を利用した選別が行われる。製鋼スラグ１０において、高比重であるとして選別されたものは、続いて磁力選鉱処理３４を受け、低比重であるとして選別されたものは、続いて篩い分級処理３５を受ける。ここで、磁力選鉱処理３４及び篩い分級処理３５はスラグ選鉱処理工程３を構成する。

磁力選鉱処理３４では、地金１３を含んだ高比重の製鋼スラグ１０に対して、磁選機によって地金１３が分離・回収される。
また、篩い分級処理３５では、比重選別機から取り出されて処理水中に含まれた状態の低比重の製鋼スラグ１０が、振動篩い機の振動するスクリーン（篩い）上に供給され、そのうちのスクリーンの目開きの大きさ（本実施の形態では５ｍｍ）以下のものが選別される。なお、スクリーンを通過しなかった粒径５ｍｍを超える製鋼スラグ１０は、これが含まれている処理水と共に、再びロッドミル破砕処理３２に戻され、湿式破砕処理を受ける。

スクリーンを通過した粒径５ｍｍ以下の製鋼スラグ１０は、その粒子及び微小粉状粒子並びに処理水が混在したサンドスライム状態であり、エーキンス分級処理３６を受けて、粒状分が分離される。つまり、処理水に含まれた状態の製鋼スラグ１０は、処理水と共にスパイラル型分級機であるエーキンス分級機に送られて分級を受けることによって、特定の粒径（０．１５ｍｍ程度）以上の粒状分が水中に懸濁する粉状分から分離され、粗粒スラグ１１として選別される。これにより、この粗粒スラグ１１は、粒径０．１５ｍｍ以上５ｍｍ以下の粒子で構成される。
粗粒スラグ１１が除去された後の製鋼スラグ１０は、その微小粉状粒子及び処理水が混在したスライム状態であり、シックナー・脱水処理３７を受けて、微小粉状粒子が処理水から分離される。この処理では、処理水に含まれた状態の製鋼スラグ１０が、処理水と共にシックナーに送られて分級を受け、微小粉状粒子で構成される製鋼スラグ１０がスライムから分離される。さらに、水分を含んだ状態で分離された製鋼スラグ１０が脱水処理を受けてパウダー状の微粉スラグ１２として回収される。ここで、エーキンス分級処理３６及びシックナー・脱水処理３７はスラグ選鉱処理工程３を構成する。

そして、上述のエーキンス分級処理３６によって得られた粒径５ｍｍ以下の粗粒スラグ１１が砂代替材１００として使用される。
粗粒スラグ１１は、冷却処理を受ける前の製鋼スラグ１０が、下記の条件を満たし且つ冷却工程２において上述の冷却処理を受けることによって、透水係数５．０×１０^−４〜２．０×１０^−２ｃｍ／ｓeｃ（秒）、単位容積質量１．９〜２．１ｋｇ／Ｌ（リットル）、吸水率１．５〜３．２％を満たす特性を有するようになる。さらに、粗粒スラグ１１は、フッ素（Ｆ）の水に対する溶出量が０．８ｍｇ／Ｌ未満であり、六価クロム（Ｃｒ^６＋）の水に対する溶出量が０．０５ｍｇ／Ｌ未満の特性を有するようになる。さらにまた、下記の条件を満たす粗粒スラグ１１は、０．７ｍｍ以下の微粒子も適度に含むため、路盤材料や盛土材料の品質基準を示す指標である修正ＣＢＲが２０〜４０％の範囲内となり、良好な締め固め性を有する。なお、（社）日本道路協会出典の「舗装施工便覧」では、下層路盤材に求められる修正ＣＢＲが２０％以上とされている。
このようにして本発明による製鋼工程１での成分調整から、冷却工程２、さらにスラグ選鉱処理工程３によって得られた粗粒スラグ１１は、粒度分布が例えばコンクリート用砕砂等のＪＩＳ規格に適合する。通常、粒度分布を一定の範囲内に収めるには、材料を粒度別に数段に篩い分けしたものを、適切に配合して、混合し、目標の粒度分布とするため、作業が煩雑でコストもかかるが、本発明では、その必要がなく、一連のスラグ選鉱処理によってＪＩＳ規格適合の粒度分布が得られる。
また、フッ素の水に対する溶出量０．８ｍｇ／Ｌ未満、及び六価クロムの水に対する溶出量を０．０５ｍｇ未満という範囲は、土壌環境基準を満たすものである。

そして、製鋼スラグ１０が満たすべき条件は、製鋼スラグ１０がスラグ鍋に収集されて冷却処理を受ける前の段階で、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２：ＳｉＯ_２含有量に対するＣａＯ含有量の質量比）が０．７〜１．７となっており、その組成が質量％で、Ｆ（フッ素）が０．４％未満、ＣａＯが３５〜６５％、ＳｉＯ_２が２０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１５％となっていることである。そして、上記範囲限定の理由を以下に説明する。

塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）を０．７〜１．７とする理由は、ステンレス鋼の溶銑の脱硫処理に与える悪影響を抑えるためである。塩基度は、溶銑の脱硫反応に大きな影響を及ぼす。収集された段階の製鋼スラグ１０において、塩基度が０．７未満となっている場合、脱硫処理時に製鋼スラグ１０に含まれるＣａＯと溶銑に含まれるＳ（硫黄）との間で十分な脱硫反応が得られず、１．７を超えている場合、脱硫処理時に製鋼スラグ１０の流動性が低く、溶銑と製鋼スラグ１０との接触界面が減少して脱硫反応が促進されない。ここでいう脱硫反応とは、溶解工程で生成される製鋼スラグと、脱硫処理工程で生成される脱硫スラグと、さらに、転炉及び真空脱ガス処理装置で生成する精錬スラグの全てのスラグで求められる機能である。また、本実施の形態では、脱硫処理方法を機械攪拌式のＫＲ法とし、スラグの流動性を向上させるために用いられてきた蛍石（ＣａＦ_２）が使用されないため、塩基度を調節して製鋼スラグ１０の流動性を確保する必要がある。

収集された段階の製鋼スラグ１０の組成においてＦ（フッ素）を０．４質量％未満とする理由は、砂代替材１００が、土壌環境基準に規定される水に対するフッ素の溶出量の基準を満足するためである。上述したように、本実施の形態では、脱硫処理に蛍石を使用しないため、製鋼スラグ１０の組成におけるＦの含有率が低く抑えられ、製鋼スラグ１０から生成される砂代替材１００は土壌環境基準を満たすことができる。

収集された段階の製鋼スラグ１０の組成においてＣａＯを３５〜６５質量％とする理由は、効果的なステンレス鋼の溶銑の脱硫処理を実施するためである。ＣａＯは、脱硫材の主成分であり且つ脱硫反応に必須の成分である。このため、溶銑を十分に脱硫処理するには、収集された段階の製鋼スラグ１０において、ＣａＯが３５質量％以上で含有されている必要がある。一方、製鋼スラグ１０内のＳｉＯ_２の含有量に対してＣａＯの含有量が過剰になると、塩基度が高くなり過ぎてスラグの流動性が悪化し、製鋼スラグ１０による脱硫反応が促進されなくなるため、収集された段階の製鋼スラグ１０において、ＣａＯの含有率が６５質量％以下となっている必要がある。

収集された段階の製鋼スラグ１０の組成においてＳｉＯ_２を２０〜５５質量％とする理由は、効果的なステンレス鋼の溶銑の脱硫処理を実施するためである。ＳｉＯ_２は、ステンレス鋼の原料から発生し、また還元剤による脱酸反応生成物として発生する。収集された段階の製鋼スラグ１０においてＳｉＯ_２の含有率が２０質量％未満となっていると、脱硫処理時の塩基度が高くなり過ぎていて製鋼スラグ１０による脱硫反応が促進されない。一方、収集された段階の製鋼スラグ１０においてＳｉＯ_２の含有率が５５質量％を超えていると、脱硫処理時の塩基度が低くなり過ぎていて十分な脱硫反応が得られない。このため、収集された段階の製鋼スラグ１０におけるＳｉＯ_２の含有率を２０〜５５質量％とする。

収集された段階の製鋼スラグ１０の組成においてＡｌ_２Ｏ_３を１〜１５質量％とする理由は、製鋼スラグ１０の流動性を確保するためである。Ａｌ_２Ｏ_３は、製鋼に使用する各鍋の耐火煉瓦やステンレス鋼の原料から混入する。製鋼スラグ１０におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有量が低過ぎても高過ぎても、スラグの融点が上昇し、スラグの流動性が低下する。
そして、製鋼スラグ１０では、原料の配合比と、スラグ及びステンレス鋼の間の元素分配比とについての経験則に基づき、溶製する鋼種ごとにスラグ発生源の原料の種類と配合比とを調節することによって、塩基度及び組成を上述のように調節することができる。

（実施例）
以下、本実施の形態の製造方法を用いて製造した砂代替材１００の実施例と、本実施の形態の製造方法と異なる製造方法を用いて製造した砂代替材の比較例とを比較検証する。
実施例及び比較例の砂代替材を構成する製鋼スラグの成分、製鋼時の脱硫処理方法、製鋼スラグの冷却処理方法、並びに製鋼スラグの分級処理方法を、表１に示す。さらに、表２に、実施例の砂代替材の原料であり製鋼工程で収集した段階の製鋼スラグの組成を示す。

実施例１〜８及び比較例１〜９の製鋼スラグは、製鋼過程の脱硫処理の際には、ＣａＯを主成分とする脱硫剤を用いたＫＲ法によって生成され、さらに、これらの製鋼スラグは、塩基度が０．７〜１．７の間であり、その組成が質量％で、Ｆが０．４％未満、ＣａＯが３５〜６５％の間、ＳｉＯ_２が２０〜５５％の間、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１５％の間となるように、成分が様々に調整されて生成されたものである。
比較例１０〜１２の製鋼スラグは、製鋼過程の脱硫処理の際には、ＫＲ法を採用せず、脱硫反応を促進する蛍石を含む脱硫剤を用いて生成されている。さらに、これらの製鋼スラグは、塩基度が１．９〜２．５の間であり、その組成が質量％で、ＣａＯが５５〜６５％の間、ＳｉＯ_２が２５〜３５％の間、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１５％の間となるように、成分が様々に調整されて生成されたものである。

また、実施例１〜８並びに比較例１〜３及び７〜１２の製鋼スラグの冷却処理は、大気中での自然冷却による空冷と、スラグ鍋に散水して冷却する散水冷却とを組み合わせて、２５時間かけて行われた。製鋼スラグの温度が約７００℃以上の間では、実施例１〜８の製鋼スラグの降温速度は、０．３〜０．７℃／分の範囲内にあり、比較例１〜３及び７〜１２の製鋼スラグの降温速度は、０．３〜０．８℃／分の範囲内にあった。
比較例４〜６の製鋼スラグの冷却処理では、水砕設備を使用して高温の溶融した製鋼スラグに多量の圧力水を噴射することによって、製鋼スラグを急冷すると共に水砕した。これによって、製鋼スラグは、粒状化された。

実施例１〜８及び比較例１０〜１２の製鋼スラグの分級処理では、製鋼スラグに対して、ジョークラッシャーによる乾式の破砕処理、ロッドミルによる湿式の破砕処理、比重選鉱処理、目開きの大きさ５ｍｍのスクリーンによる篩い分級処理が順次行われ、さらに、スクリーンを通過した製鋼スラグに対してエーキンス分級処理が行われ、粒径５ｍｍ以下の粗粒スラグが砂代替材として分離・収集された。

比較例１〜３の製鋼スラグの分級処理では、製鋼スラグに対して、ジョークラッシャーによる乾式の破砕処理、ロッドミルによる湿式の破砕処理、比重選鉱処理、目開きの大きさ５ｍｍのスクリーンによる篩い分級処理が順次行われ、さらに、スクリーンを通過した製鋼スラグに対して脱水機を使用して脱水処理が行われ、固形分が砂代替材として収集された。
比較例７〜９の製鋼スラグの分級処理では、製鋼スラグに対して、ジョークラッシャーによる乾式の破砕処理及びロッドミルによる乾式の破砕処理が順次行われ、さらに、製鋼スラグに対して目開きの大きさ５ｍｍのスクリーンによる篩い分級処理が行われ、スクリーンを通過したものが砂代替材として収集された。
なお、比較例４〜６の製鋼スラグでは、冷却処理において粒状の砂代替材が形成されたため、分級処理がなされなかった。

上述のようにして収集された実施例１〜８及び比較例１〜１２の砂代替材の物性が表３に示されている。

なお、表３における社内砂規格は、天然砂をコンクリート骨材や埋め戻し材等の建設用資材として利用する際に要求される透水係数、単位容積質量、修正ＣＢＲ、吸水率、並びに、フッ素及び六価クロムの水に対する溶出量の範囲と、粒度分布のＪＩＳ規格を含めた社内規格である。

また、表３における砂代替材の粒度分布に対する規格合否判定は、コンクリート用細骨材の粒度分布の条件を満たす場合に合格と判定し、満たさない場合に不合格と判定している。つまり、図２〜図４を参照すると、実施例１〜８の砂代替材の粒度分布ラインＥ１〜Ｅ８及び比較例１〜１２の砂代替材の粒度分布ラインＣ１〜Ｃ１２が、コンクリート用細骨材の粒度分布の上限ラインＬｍａｘと下限ラインＬｍｉｎとの間に収まる場合に粒度分布が合格と判定され、上限ラインＬｍａｘと下限ラインＬｍｉｎとの間から外にはみ出る場合に不合格と判定される。なお、図２〜図４において、横軸に篩目つまり篩いの目開き寸法がとられ、縦軸に各目開き寸法の篩いを通過する砂代替材の割合がとられている。

実施例１〜８の砂代替材は、透水係数、単位容積質量、修正ＣＢＲ、吸水率、並びに、フッ素及び六価クロムの溶出量の全ての砂規格を満足すると共に、コンクリート用細骨材の粒度分布条件も満足している。
比較例１〜３の砂代替材は、実施例１〜８の砂代替材と比較して、エーキンス分級処理がなされずに生成されたため、粗粒分と粉状分とに二極分化した粒度分布を有し、締め固め性が高くなっている。この比較例１〜３の砂代替材は、単位容積質量、並びに、フッ素及び六価クロムの溶出量の砂規格を満足しているが、コンクリート用細骨材の粒度分布条件を満たさない。さらに、比較例１〜３の砂代替材の透水係数が砂規格よりも小さく、修正ＣＢＲ及び吸水率が砂規格よりも高くなっている。
比較例４〜６の砂代替材は、急冷水砕によって生成されたため、気孔が多くて脆く軽量な粒によって形成されている。このため、比較例４〜６の砂代替材は、透水係数は測定不可能なくらい大きく、吸水率は測定不可能なくらい低い。さらに、単位容積質量及び修正ＣＢＲも砂規格よりも小さくなっている。また、比較例４〜６の砂代替材は、フッ素及び六価クロムの溶出量の砂規格とコンクリート用細骨材の粒度分布条件とを満足している。

比較例７〜９の砂代替材は、実施例１〜８の砂代替材と比較して、破砕処理が乾式のみでなされ、さらに比重選鉱処理及びエーキンス分級処理がなされずに生成されたため、細粒分及び粉状分の含有率が多くなっている。このため、比較例７〜９の砂代替材は、一部の透水係数が砂規格よりも小さく、吸水率が砂規格よりも高く、そして、コンクリート用細骨材の粒度分布条件を満たさない。また、比較例７〜９の砂代替材は、締め固め性が大きく向上するため、修正ＣＢＲが砂規格よりも大幅に大きくなっている。なお、比較例７〜９の砂代替材は、フッ素及び六価クロムの溶出量の砂規格を満足している。

比較例１０〜１２の砂代替材は、実施例１〜８の砂代替材と同様の冷却処理及び分級処理を受けて製鋼スラグから生成されたが、製鋼スラグ生成時の脱硫処理方法が実施例１〜８と異なる。このような比較例１０〜１２の砂代替材は、透水係数及び単位容積質量が砂規格よりも小さく、修正ＣＢＲ及び吸水率が砂規格よりも大きくなっている。さらに、比較例１０〜１２の砂代替材は、脱硫処理の際に蛍石が使用された製鋼スラグを素材にしているため、フッ素の溶出量の砂規格を満たさず、六価クロムの溶出量の砂規格を満足している。よって、比較例１０〜１２の砂代替材は、砂としての使用に不適格である。

なお、比較例１０〜１２の砂代替材について、製鋼時に脱硫剤である石灰（ＣａＯ）を多量に使用し、塩基度を高めに設定して操業したため、スラグの溶解を促進するために蛍石を使用した。しかし、結果的にＣａＯの溶け残り部分が多く存在したため、後の選鉱処理工程３において得られた粗粒スラグ１１中に、ＣａＯの含有量が多いものが混入し、ＣａＯ分の固化反応によって透水性が阻害され、その反面、締め固め性は高くなり、修正ＣＢＲが高くなったと考えられる。吸水率が高くなったことや単位容積質量が小さくなった原因も実施例と比較して、ＣａＯ含有量が高めになったためと考えられる。
上述より、実施例１〜８の砂代替材が、比較例１〜１２の砂代替材よりも砂代替材として優れた特性を有することがわかる。

このように、この発明に係る砂代替材１００の製造方法は、ステンレス鋼の製鋼工程で生成される製鋼スラグ１０からの砂代替材１００の製造方法であって、溶融状態で排出されたスラグ鍋内にある製鋼スラグ１０を２４時間以上かけて冷却する冷却ステップと、冷却した製鋼スラグ１０を湿式破砕する破砕ステップと、破砕した製鋼スラグ１０を湿式分級することによって、製鋼スラグ１０に含まれる粒状分を分離する分級ステップとを含む。さらに、冷却される製鋼スラグ１０では、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が、０．７〜１．７であり、組成が質量％で、フッ素が０．４％未満、酸化カルシウムが３５〜６５％、二酸化ケイ素が２０〜５５％、アルミナが１〜１５％である。

このとき、冷却時に結晶構造が変化する製鋼スラグ１０を上述のように時間をかけて徐冷することによって、製鋼スラグ１０は相変化を起こしながら徐々に硬化するため、内部が粗になることなく、結晶化の進んだ密度の高い状態で固化することができる。これによって、破砕・分級後の製鋼スラグ１０から密度の高い粒からなる砂代替材１００を得ることができる。そして、湿式に破砕及び分級することによって、破砕時に製鋼スラグ１０から発生する粉量を低減し、さらに、破砕後の製鋼スラグ１０に含まれる粒状分と粉状分とを効果的に分離することができる。また、製鋼スラグ１０が上述の特性を有することによって、製鋼スラグ１０から得られる砂代替材１００は、建設用資材として利用可能な特性を有することができる。

また、砂代替材１００の製造方法の冷却ステップにおいて、製鋼スラグ１０の温度が７００℃以上のとき、製鋼スラグ１０の温度を毎分１℃以下で低下させるように冷却する。冷却初期に製鋼スラグ１０の外表面付近が先行して硬化することによって、冷却固化後の製鋼スラグ１０の密度が低くなるのを防ぐことが可能になる。さらに、冷却固化後の製鋼スラグ１０におけるＣａＯ等の軟質な部分と密度が高く硬質な鉱物相とを互いに分離させた異なる層で形成することができる。これにより、破砕後の製鋼スラグ１０では、粉量が少ない粒状の鉱物相を得ることができる。

また、砂代替材１００の製造方法の分級ステップでは、破砕した製鋼スラグ１０に対して、比重選鉱した後、所定の粒径以下の製鋼スラグ１０を篩い分ける処理をし、所定の粒径以下の製鋼スラグ１０を湿式で分級して水中に懸濁する粉状分と粒状分とを分離する。さらに、所定の粒径を超える製鋼スラグ１０は、再び湿式破砕される。これによって、製鋼スラグ１０の鉱物相から形成される所定の粒径以下の粒状のスラグ（砂代替材１００）を得ることができる。

また、砂代替材１００の製造方法の分級ステップは、製鋼スラグ１０に対して磁力選鉱処理をして、製鋼スラグ１０に含まれる金属成分である地金１３を分離することを含む。これによって、有価な金属成分を回収できる。さらに、磁力選鉱処理によって、砂代替材１００において、水への溶出量が制限されるクロム成分が除去されると共に、酸化すると錆等の有害な不純物を発生させる金属成分を除去することができる。
また、砂代替材１００の製造方法では、製鋼工程において、ステンレス鋼の溶銑は、フッ化カルシウムを含まない脱硫剤を使用する機械攪拌式の脱硫処理を受ける。これによって、砂代替材１００に含まれるフッ素を低減することができる。

１製鋼工程、２冷却工程、３スラグ選鉱処理工程、１０製鋼スラグ、１１粗粒スラグ、１３地金、３１ジョークラッシャー破砕処理、３２ロッドミル破砕処理、３３比重選鉱処理、３４磁力選鉱処理、３５篩い分級処理、３６エーキンス分級処理、１００砂代替材。

Claims

ステンレス鋼の製鋼工程で生成される製鋼スラグからの砂代替材の製造方法であって、
溶融状態で排出されたスラグ鍋内にある前記製鋼スラグを２４時間以上かけて冷却する冷却ステップと、
冷却した前記製鋼スラグを湿式破砕する破砕ステップと、
破砕した前記製鋼スラグを湿式分級することによって、前記製鋼スラグに含まれる粒状分を分離する分級ステップとを含み、
冷却される前記製鋼スラグでは、
塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が、０．７〜１．７であり、
組成が質量％で、フッ素が０．４％未満、ＣａＯが３５〜６５％、ＳｉＯ_２が２０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１５％である砂代替材の製造方法。
前記冷却ステップにおいて、前記製鋼スラグの温度が７００℃以上のとき、前記製鋼スラグの温度を毎分１℃以下で低下させるように冷却する請求項１に記載の砂代替材の製造方法。
前記分級ステップでは、破砕した前記製鋼スラグに対して、比重選鉱した後、所定の粒径以下の前記製鋼スラグを篩い分ける処理をし、前記所定の粒径以下の前記製鋼スラグを湿式で分級して水中に懸濁する粉状分と粒状分とを分離する請求項１または２に記載の砂代替材の製造方法。
前記所定の粒径を超える前記製鋼スラグは、再び前記湿式破砕される請求項３に記載の砂代替材の製造方法。
前記分級ステップは、前記製鋼スラグに対して磁力選鉱処理をして、前記製鋼スラグに含まれる金属成分を分離することを含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の砂代替材の製造方法。
前記製鋼工程では、前記ステンレス鋼の溶銑は、フッ化カルシウムを含まない脱硫剤を使用する機械攪拌式の脱硫処理を受ける請求項１〜５のいずれか一項に記載の砂代替材の製造方法。
ステンレス鋼の製鋼工程で生成される製鋼スラグが２４時間以上かけて冷却された後、破砕及び分級されることによって生成される砂代替材であって、
透水係数が５．０×１０^−４〜２×１０^−２ｃｍ／秒であり、単位容積質量が１．９〜２．１ｋｇ／リットルであり、吸水率が１．５〜３．２％である特性を有すると共に、フッ素の水に対する溶出量が水１リットル当たり０．８ｍｇ未満であり、六価クロムの水に対する溶出量が水１リットル当たり０．０５ｍｇ未満である特性を有し、
前記製鋼スラグにおける塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が、０．７〜１．７であり、前記製鋼スラグの組成が質量％で、フッ素が０．４％未満、ＣａＯが３５〜６５％、ＳｉＯ_２が２０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１５％である、砂代替材。
前記製鋼スラグは、温度が７００℃以上のとき、前記製鋼スラグの温度が毎分１℃以下で低下するように冷却される請求項７に記載の砂代替材。