JP2004276036A

JP2004276036A - スラグ再生フラックス

Info

Publication number: JP2004276036A
Application number: JP2003067261A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Ishizaki; 圭人石▲崎▼; Shigeki Nishiyama; 繁樹西山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: JP3747321B2

Abstract

【課題】サブマージアーク溶接後に発生したボンドフラックスの溶接スラグの再生利用を図り、溶接作業性、拡散性水素量抑制効果及び機械的性能が優れたスラグ再生フラックスを提供する。
【解決手段】溶接スラグを回収して粉砕することによりスラグ原料粉を得、これをボンドフラックス原料粉に７０質量％以下添加する。粒子径３００μｍ以上のものが５質量％以下となるように結合剤を使用して造粒する。ＣＯ_２含有量は２乃至１０質量％である。スラグ原料粉の粒子径が７５μｍ以下のものの割合（％）をａ、スラグ原料粉の粒子径が７５μｍを超えるものの割合（％）をｂ、ボンドフラックス原料粉の粒子径が７５μｍ以下のものの割合（％）をｃ、ボンドフラックス原料粉の粒子径が７５μｍを超えるものの割合（％）をｄ、ＣＯ_２の含有量をｅとしたとき、１５ａ＋３ｂ＋５ｃ＋ｄ≦（−５６１／ｅ）＋８３１を満足する。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はサブマージアーク溶接用ボンドフラックスの溶接スラグを回収して、これを再利用するために、予め成分配合したボンドフラックス原料粉からなる別添原料粉に添加して得たスラグ再生フラックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の急激な産業廃棄物量の増加及び新規産業廃棄物処理場の建設が容易でないという社会情勢により、産業廃棄物処理場不足が懸念されている。従って、産業廃棄物排出量の抑制は今日の大きな課題となっている。従来、溶接スラグは、産業廃棄物として廃棄されてきたが、前述のような社会情勢及び資源の有効活用を考慮し、スラグの再生利用が検討されている。
【０００３】
例えば、特開昭５７−１８１７９６号公報（特許文献１）には、スラグと未使用フラックスの混合比率を規定して再生利用する方法が提案されている。しかし、これは溶融型フラックスに関するもので、粉砕したスラグに対して当初のフラックスと同一成分範囲のフラックスを単純添加するものであり、本発明のように、ボンドフラックスのスラグ再生フラックスとは全く異なる。
【０００４】
また、特開昭６３−１８８４９３号公報（特許文献２）には、スラグに対し予め成分調整した溶解原料を添加し、新製品と全く同品質のフラックスを提供する方法が提案されている。しかし、これは予め成分配合した溶解原料にスラグを原料として添加し、溶解再生を図るものであり、本発明のように、ボンドフラックスのスラグ再生フラックスとは全く異なるものである。
【０００５】
特開平１１−１８８４９６号公報（特許文献３）には、スラグ添加量及び粒子径を規定した耐吸湿性に優れた焼成型フラックスが提案されている。しかし、これは焼成温度が６５０℃以上の所謂高温焼結フラックスであり、フラックス中にＣＯ_２を含まない。本発明のようなボンドフラックスは。通常、焼成温度が４４０乃至５７０℃であり、フラックス中にＣＯ_２を含む（ＣａＣＯ_３及びＭｇＣＯ_３等の炭酸塩として含まれる）ものである。本発明はこの種のボンドフラックのスラグ再生フラックスに関する技術である。
【０００６】
また、特開昭５１−２１５３７号公報（特許文献４）には、スラグに対し予め成分調整した原料を添加し、焼成型フラックスとすることが記載されている。しかし、この公報には、原料の粒度及びスラグ添加量等の具体的な製造条件が記載されておらず、場合によっては良好な溶接部が得られないことも想定される。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５７−１８１７９６号公報
【特許文献２】
特開昭６３−１８８４９３号公報
【特許文献３】
特開平１１−１８８４９６号公報
【特許文献４】
特開昭５１−２１５３７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、スラグの再生利用に関して種々の提案がなされているが、フラックス中にＣＯ_２を含むようなボンドフラックスのスラグ再生利用に関する報告例はない。一般に、ボンドフラックスは、フラックス中に合金成分及び炭酸塩を含み、それらは溶接中のスラグメタル反応による溶接金属の脱酸、合金成分添加及びＣＯ_２の発生により大気中の窒素から溶融池を保護する。このようなボンドフラックスのスラグを原料の一部に使用するには、別添原料として新たなスラグ形成剤、合金成分及び炭酸塩を添加する必要がある。
【０００９】
そこで、本発明者等は新たなスラグ形成剤、合金成分及び炭酸塩を添加し、スラグ再生フラックスを試作した。しかし、フラックス水分量が多く、拡散性水素量も多くなり、実用性に乏しかった。一方、高温で焼成すれば、合金元素の酸化又は炭酸塩の分解等が起こり、目的とする性能が得られない。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、サブマージアーク溶接後に発生したボンドフラックスの溶接スラグの再生利用を図り、溶接作業性、拡散性水素量抑制効果及び機械的性能が優れたスラグ再生フラックスを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、サブマージアーク溶接に使用したボンドフラックスの溶接スラグを回収し、これを粉砕してスラグ原料粉を得る。そして、予め成分配合したボンドフラックス原料粉に、前記スラグ原料粉を、ボンドフラックス原料粉とスラグ原料粉との合計質量に対して前記スラグ原料粉が７０質量％以下になるように添加する。また、その全原料粒度構成において、粒子径３００μｍ以上のものが５質量％以下となるように結合剤を使用して造粒する。更に、全量中のＣＯ_２含有量が２乃至１０質量％である。そして、全量中に含まれる前記スラグ原料粉の粒子径が７５μｍ以下のものの割合（％）をａ、全量中に含まれる前記スラグ原料粉の粒子径が７５μｍを超えるものの割合（％）をｂ、全量中に含まれる前記ボンドフラックス原料粉の粒子径が７５μｍ以下のものの割合（％）をｃ、全量中に含まれる前記ボンドフラックス原料粉の粒子径が７５μｍを超えるものの割合（％）をｄ、全量中のＣＯ_２の含有量をｅとしたとき、１５ａ＋３ｂ＋５ｃ＋ｄ≦（−５６１／ｅ）＋８３１を満足する。
【００１２】
前記結合剤において、２０℃における粘度が２５０ｍＰａ秒以下の結合剤を用いることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳細に説明する。本発明においては、先ず、サブマージアーク溶接に使用したボンドフラックスの溶接スラグを回収し、これを粉砕してスラグ原料粉を得る。そして、予め成分配合したボンドフラックス原料粉に、前記スラグ原料粉を、ボンドフラックス原料粉とスラグ原料粉との合計質量に対して前記スラグ原料粉が７０質量％以下になるように添加する。また、その全原料粒度構成において、粒子径３００μｍ以上のものが５質量％以下となるように結合剤を使用して造粒する。
【００１４】
前述のとおり、ボンドフラックスはフラックス原料粉を混合し、水ガラス等の結合剤を用いて造粒した後、４４０乃至５７０℃程度で焼成し、製造されるものである。そこで、工業生産を目的として造粒性を考慮した場合、原料粉、即ちスラグの粒度構成は重要である。本発明者等は回収したスラグを粉砕し、種々の粒度構成のもとで造粒性を確認した結果、粒子径が３００μｍ以上の割合が５％を超えるものを用いると造粒性が劣化する。従って、スラグの粒子径は３００μｍ以下が好ましい。
【００１５】
図１は、実際の溶接施工において回収したスラグを示す模式図である。ボンドフラックスが完全に溶融した後、凝固した完全溶融凝固スラグ３の上に、溶接熱により半溶融状態となった半溶融スラグ２が形成され、この半溶融スラグ２の上に、未溶融フラックス１が付着している。実際の溶接施工においては、通常散布されたフラックスは吸引装置で回収されるが、未溶融フラックス１は吸引しきれずに、半溶融スラグ２の上部に付着したままである。
【００１６】
実用上これらを分別することは困難であり、未溶融フラックス１及び半溶融スラグ２が混入した状態でも、スラグの再利用を図る必要がある。しかし、未溶融フラックス１及び半溶融スラグ２が含まれるスラグ原料粉の水分量は完全溶融凝固スラグ３と比較して高い。下記表１は未溶融フラックス１及び半溶融スラグ２を含む原料粉と、完全溶融凝固スラグ３の原料粉の水分量の割合を示す。従って、未溶融フラックス１又は半溶融スラグ２を含むスラグを原料として用いると、全てが新品のボンドフラックス原料である場合に比べて、原料水分量が多くなり、スラグ再生フラックス中の水分量が多くなる。そして、フラックス水分量に比例して拡散性水素量が高くなる傾向にあり、低温割れ感受性が高くなってしまう。高温で焼成すれば、合金元素の酸化及び炭酸塩の分解等が起こり、目的とする性能が得られない。
【００１７】
【表１】

【００１８】
本発明者等は焼成温度を４４０乃至５７０℃程度に維持したまま拡散性水素量を低減する方法について鋭意検討した結果、フラックス原料の粒度を特定の範囲にすることが効果的であることを見出した。即ち、スラグ原料粉の粒度と別添原料の粒度を細かく規定することが有効である。前述のとおり、スラグには未溶融フラックス１又は半溶融スラグ２が含まれるため、水分量が多い。これは、図２（ａ）に示すように、未溶融フラックス１及び半溶融スラグ２の一粒は更に細粒の原料からなっているのに対して、図２（ｂ）に示すように、完全溶融凝固スラグ３及び別添原料は一粒からなり、同じ粒子径でも表面積が大きいため、未溶融フラックス１及び半溶融スラグ２に水分が多く吸着し易いことと、半溶融スラグ２中の原料粉が溶接熱により化学反応し、水和物がつくられたことによるものと推察される。
【００１９】
そこで、スラグ回収時に、未溶融フラックス１が含まれる割合が５０％になることを想定し、スラグ中に未溶融フラックス１が５０％含まれるものをスラグ原料として用いることに関して検討を行った。このスラグ原料粉の粒度及び別添原料の粒度、更にはフラックス中のＣＯ_２含有量を調整し、フラックス水分量及び拡散性水素量を測定する。
【００２０】
その結果、フラックス原料粉を構成するスラグ原料粉及び別添原料粉の粒度を夫々７５μｍ以下と７５μｍを超えるものに区別し、その割合とフラックス水分量との関係式を導き出した結果、下記数式１で表されるαは、図３に示すように、フラックス水分量とほぼ等しいことが明らかとなった。図３は、下記数式１で表される値αとフラックス水分量との関係を示す。この図３に示すように、α≒フラックス水分量が成り立つ。
【００２１】
【数１】
α＝１５ａ＋３ｂ＋５ｃ＋ｄ
但し、
ａ：フラックス原料粉（全量）中に含まれるスラグ原料粉の粒子径が７５μｍ以下のものの割合（％）、
ｂ：フラックス原料粉（全量）中に含まれるスラグ原料粉の粒子径が７５μｍを超えるものの割合（％）、
ｃ：フラックス原料粉（全量）中に含まれる別添原料粉の粒子径が７５μｍ以下のものの割合（％）、
ｄ：フラックス原料粉（全量）中に含まれる別添原料粉の粒子径が７５μｍを超えるものの割合（％）
【００２２】
更に、図４は、数式１で与えられる値αと拡散性水素量Ｈとの関係を示す。この図４に示すように、値αが同じでも拡散性水素量Ｈの値は異なる。ＣＯ_２含有率が高いほど拡散性水素量Ｈが低い値を示す傾向にあり、各実測値とＣＯ_２含有量との関係を整理した結果、下記数式２を導き出した。図４において、αと拡散性水素量Ｈとの間には、直線関係があり、数式２中のＣは、この直線をα＝０に外挿したときの拡散性水素量である。このＣはフラックス中のＣＯ_２量により変化し、下記数式３により表される。
【００２３】
【数２】
Ｈ＝（９／１０００）×α＋Ｃ
【００２４】
【数３】
Ｃ＝（５．０５／ｅ）−０．４７５
但し、ｅ：フラックス原料粉（全量）中に含まれるＣＯ_２含有量（２％以上）
【００２５】
なお、この数式３、ひいては数式２はフラックス中に含まれるＣＯ_２含有量が２％以上の場合に成り立ち、２％未満の場合には数式２の計算値と実際の拡散性水素量Ｈとの間には相関関係は認められない。図４のＣＯ_２含有量２％未満のプロットに示すとおり、計算値αの値が低くなっても拡散性水素量の低減の程度は、フラックス中のＣＯ_２含有量が２％以上のものと比較して穏やかである。この理由としては、フラックスに含まれるＣＯ_２は大気中の窒素及び水分から溶融池を保護する役目をしており、ＣＯ_２含有量によりシールド効果に差が出るためである。即ち、ＣＯ_２含有量が２％未満の場合、ＣＯ_２ガスによるシールド効果が不足して大気中の窒素及び水分が侵入し易くなり、拡散性水素量が増加したものと考えられる。従って、数式３及び４が有効となる場合のフラックス中に含まれるＣＯ_２含有量は２％以上である。
【００２６】
以上の知見から明らかなように、拡散性水素量の低減には、スラグ原料の粒度及び別添原料の粒度構成、更には、スラグ再生フラックスの全原料粒度構成と、フラックス中に含まれるＣＯ２含有量を規制することが有効である。そして、本発明においては、拡散性水素量が７ｍｌ／１００ｇを超えるフラックスを、低温割れが発生する虞があり、実用性が乏しいフラックスであると定め、この拡散性水素量Ｈを７ｍｌ／１００ｇ以下に規制するための条件を求めた。つまり、数式２により求まる値Ｈを７以下とするための条件として、αは下記数式４を満足する必要がある。なお、この数式４は、数式２に数式３のＣを代入し、更に、数式１のαを代入し、Ｈ≦７として計算されたものである。
【数４】
α＝１５ａ＋３ｂ＋５ｃ＋ｄ≦（−５６１／ｅ）＋８３１
【００２７】
このスラグ原料の粒度及び別添原料の粒度構成及びフラックス中に含まれるＣＯ_２含有量を上記数式４を満足するように規定することにより、拡散性水素量を７ｍｌ／１００ｇ以下とすることができる。
【００２８】
なお、限定式中のｅ、即ちフラックス中に含まれるＣＯ_２含有量は、シールド効果を考慮して２％以上としたが、一方でＣＯ_２含有量が１０％を超えると、溶吹上げがひどく、ポックマークも発生し、溶接作業性が劣化するため、ＣＯ_２含有量は２乃至１０％の範囲とする。ＣＯ_２源となる炭酸塩としては、ＣａＣＯ_３及びＭｇＣＯ_３等があり、その種類を問わない。
【００２９】
本発明において、スラグ原料粉の添加量はリサイクル性を考えると、より多く添加できるほうが好ましいことは当然である。下限は特に限定されないが、通常のスラグ発生率とスラグ回収率を考慮すると、スラグ原料粉の添加量は別添原料との合計量に対して３０質量％以上が好ましい。要求される溶接作業性及び機械的性能を考慮すると、スラグ再生フラックスには、必要なスラグ形成剤、合金成分及びガス発生剤等を添加する必要があり、これらの分を差し引いて、スラグ原料粉の割合の上限については、７０％とする。
【００３０】
フラックス原料の粒度及び結合剤の粘度は造粒性を左右する重要な因子である。スラグ再生フラックスは従来のフラックス原料よりも粗い粒子径を使用しており、造粒性が劣る傾向にある。これは、スラグを機械粉砕して原料としているため、表面が平坦になり、表面積も小さく、粒になり難いものと考えられる。結合剤の粘度が高すぎると、原料の粒子間に結合剤が十分にわたり難くなり、造粒性が低化する傾向にある。従って、２０℃における粘度が２５０ｍＰａ秒以下の結合剤を用いることが好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、全原料粒度構成において、粒子径３００μｍ以上のものが無い条件で試験を行った。下記表２に示す組成のフラックスを下記表３及び図５に示す溶接条件、開先形状及び電極配置で溶接した。そして、スラグを回収し、粉砕して、スラグ再生フラックスを作製した。下記表４乃至表６は、実施例及び比較例の原料粒度を示す。なお、結合剤の粘度はいずれも２００ｍＰａ秒であり造粒性は良好であった。いずれのフラックスも化学成分はＭｇＯ、ＳｉＯ、ＣａＯ、ＣａＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２が夫々表２に示す成分と±３％の誤差の範囲内であった。このスラグ再生フラックスを、同様に、表３及び図５に示す溶接条件で溶接し、溶接作業性を判断した。また、拡散性水素試験はＪＩＳ規格におけるＺ３１１８に準拠して実施した。表４乃至表６の測定値は３本の平均値である。なお、図５において、Ｅｘｔ．はトーチからのワイヤ突き出し長さを示す。
【００３２】
なお、フラックス水分量の測定は、三菱化学製の質量適定式水分測定装置ＣＡ−０６型を用い、抽出温度は７５０℃、抽出ガスはＯ_２で測定した。フラックスのＣＯ_２含有量は堀場製作所製のＥＭ１Ａを用い、燃焼赤外線吸収法にて測定した。
【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
【表４】

【００３６】
【表５】

【００３７】
【表６】

【００３８】
表４乃至表６中のフラックスＮｏ．１乃至１９が本発明例であり、Ｎｏ．２０乃至４２が比較例である。なお、※はポックマークが発生したことを表す。本発明例のフラックスＮｏ．１乃至１９ではαが（−５６１／ｅ）＋８３１以下であって、数式４を満足するので、拡散性水素量は７ミリリットル／１００ｇ以下であった。また、溶接作業性も良好であった。一方、比較例のフラックスＮｏ．２０、２２、２３、２５、２７、３３、３４及び３７では、フラックス中のＣＯ_２含有量が２％未満であり、拡散性水素量は７ミリリットル／１００ｇを超えた。比較例フラックスＮｏ．２１、２４及び２６においては、フラックス中のＣＯ_２含有率が１０％を超えており、溶接時の吹上げが大きくなり、更にはポックマークが発生した。比較例フラックスＮｏ．２８、２９、３０、３２、３５、３６、３８、３９、４０及び４２はα値が（−５６１／ｅ）＋８３１の値を超えており、拡散性水素量も７ミリリットル／１００ｇを超えた。比較例フラックスＮｏ．３１及び４１はαの値が（−５６１／ｅ）＋８３１の値を超え、フラックス中のＣＯ_２含有率も１０％を超えているので、拡散性水素量は７ミリリットル／１００ｇを超え、溶接時の吹上げが大きくなり、更にはポックマークが発生した。
【００３９】
表７及び表８はスラグ再生フラックスの造粒性を示す。表７及び表８のフラックスＮｏ．Ａ−１乃至Ａ−１５が本発明の実施例、フラックスＮｏ．Ａ−１６乃至Ａ−１９が比較例である。なお、※１はポックマークが発生したことを表す。実施例Ｎｏ．Ａ−１乃至Ａ−１５は、スラグ原料粉の粒子径３００μｍ以上の割合が５％以下であり、造粒性は良好であった。一方、比較例Ｎｏ．Ａ−１６乃至Ａ−１８は、スラグ原料粉の粒子径３００μｍ以上の割合が５％を超えており、造粒性が低い。なお、実施例Ａ−１０乃至Ａ−１２は結合剤中の粘度が２５０ｍＰａを超えるものであるため、実施例Ａ−１乃至Ａ−９よりも、若干造粒性が低い。比較例Ｎｏ．Ａ−１９はスラグ添加量が７０％を超えており、別添原料の割合が少なく、脱酸剤が不足してポックマークが発生した。
【００４０】
なお、造粒性の判定は、歩留が５０％未満のものを×、５０乃至７０％のものを○、７０％以上のものを◎とした。歩留は、造粒から焼成した後、篩にかけ１０×４８メッシュサイズとしたものを製品とし（製品の質量）／（投入したフラックスの原料及び結合剤の質量）×１００＝歩留（％）で計算した。
【００４１】
【表７】

【００４２】
【表８】

【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、サブマージアーク溶接後に発生したボンドフラックスの溶接スラグの再生利用が可能になり、溶接作業性、拡散性水素量抑制及び機械的性能が優れたスラグ再生フラックスを得ることができるという効果を奏し、産業廃棄物の有効利用に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】回収したスラグの形状を示す模式図である。
【図２】フラックス粒子を示す模式図である。
【図３】計算式αとフラックス水分量の関係を示すグラフ図である。
【図４】計算式αと拡散性水素量との関係を示すグラフ図である。
【図５】開先形状及び電極配置を示す模式図である。
【符号の説明】
１；未溶融フラックス
２；半溶融スラグ
３；完全溶融凝固スラグ

Claims

サブマージアーク溶接に使用したボンドフラックスの溶接スラグを回収し、これを粉砕して得たスラグ原料粉を、予め成分配合したボンドフラックス原料粉（以下、これを別添原料粉という）に、合計質量に対して前記スラグ原料粉が７０質量％以下になるように添加し、その全原料粒度構成において粒子径３００μｍ以上のものが５質量％以下となるように結合剤を使用して造粒したものであり、全量中のＣＯ_２含有量が２乃至１０質量％であると共に、全量中に含まれる前記スラグ原料粉の粒子径が７５μｍ以下のものの割合（％）をａ、全量中に含まれる前記スラグ原料粉の粒子径が７５μｍを超えるものの割合（％）をｂ、全量中に含まれる前記別添原料粉の粒子径が７５μｍ以下のものの割合（％）をｃ、全量中に含まれる前記別添原料粉の粒子径が７５μｍを超えるものの割合（％）をｄ、全量中のＣＯ_２の含有量をｅとしたとき、１５ａ＋３ｂ＋５ｃ＋ｄ≦（−５６１／ｅ）＋８３１を満足することを特徴とするスラグ再生フラックス。
２０℃における粘度が２５０ｍＰａ秒以下の結合剤を用いることを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスのスラグ再生フラックス。