JP2005307263A

JP2005307263A - 製鋼スラグの溶融改質方法。

Info

Publication number: JP2005307263A
Application number: JP2004125013A
Authority: JP
Inventors: Takashi Arai; 貴士新井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】スラグに溶射する石炭灰中の未燃炭素を確実に燃焼させることにより、簡易かつ効率良くスラグ中の気泡を消滅させ、石炭灰を有効に利用することが可能な製鋼スラグの溶融改質方法を提供すること。
【解決手段】石炭灰を溶射して製鋼スラグを改質するに際し、１質量％以上の炭素を含む石炭灰を、酸素ガス或いは空気をキャリアガスとして溶射バーナにて溶融スラグに溶射する溶融改質方法。このように石炭灰を高温で溶射することで、溶融スラグを改質すると共に、石炭灰中の未燃炭素を燃焼させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、製鋼工程で発生するスラグを石炭灰を用いて溶融改質処理する方法に関するものである。

一般に、脱りん、脱硫、脱炭精錬によって生成される製鋼スラグ（以下スラグと記載する。）では装入された石灰が完全には溶解せず、未滓化石灰として存在している。そのため体積安定性が低く、長時間経過すると、この未滓化石灰が水和反応を起こして膨張するため、製鋼スラグを例えば道路路盤材、骨材等にそのまま適用することはできない。その対策として自然養生や蒸気エージングにより未滓化石灰の水和反応を促進させる方法が一般に採られている。
また、転炉から排出された脱炭スラグを溶融状態のまま改質する方法が（非特許文献１）に開示されている。これは、溶融スラグ中に酸素と珪石を浸漬ランスを通じて吹き込み、スラグ中の（ＦｅＯ）を酸化して昇熱しながら改質材によって塩基度を低減し、未滓化石灰を化合物に転換する方法である。この様な処理を行った改質スラグは体積安定性も良好で、河川工事の敷石等に利用されている。
M.Kuehn,et al. 2ndEuropean Steelmaking Congress, Taranto(1997) p445/453

上述のように、近年、スラグの資源化が大きく進展し、鉄鋼業において最も遅れていた製鋼スラグの資源化が行われ始め、その一環として溶融改質法が開発されつつあるが、その際、コスト面及び廃棄物再利用の観点から、石炭灰を使用することが推奨される。
しかし、石炭灰を使用する場合、石炭灰に元々含有されている未燃炭素とスラグ中の酸化鉄（ＦｅＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３）が反応し、ＣＯ、ＣＯ_２ガスが発生し、改質後スラグの凝固時に気泡として残存し、特性、特に強度が著しく劣化する。また、石炭灰を溶射した場合でも、未燃炭素を完全に燃焼させることは難しく、残存した炭素によりＣＯ、ＣＯ_２ガスが発生する。ＣＯ、ＣＯ_２ガス発生が終了するまで溶融状態を保持して脱泡後に凝固させるとすると、溶融状態を長時間維持することが必要とされ、多大なエネルギーを消費することとなり、生産性が低下し、非現実的でもある。
本発明の課題は、このような石炭灰中の未燃炭素を確実に燃焼させることにより、簡易かつ効率良くスラグ中の気泡を消滅させ、石炭灰を有効に利用することが可能な製鋼スラグの溶融改質方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の製鋼スラグの溶融改質方法は、石炭灰を溶射して製鋼スラグを改質するに際し、１質量％以上の炭素を含む石炭灰を、酸素ガス或いは空気をキャリアガスとして溶射バーナにて溶融スラグに溶射することを特徴とする。このように石炭灰を高温で溶射することで、溶融スラグを改質すると共に、石炭灰中の未燃炭素を燃焼させる。
また、上記の方法において、全酸素流量を下記の範囲に制御することが好ましい。
全酸素流量＝（燃料の理論酸素流量＋石炭灰溶射速度×石炭灰中炭素濃度（％）／
１００×２２．４／１２）×α
但し、α＝１〜１．５
この酸素量の設定により、炭素を効率良く燃焼させることができる。
更に、石炭灰を溶射するに当たり、溶融スラグを酸素ガス或いは空気にてバブリングすることが望ましい。これによりスラグが攪拌され、炭素は酸化されて排出され、かつ、微細なＣＯ、ＣＯ_２ガス気泡の浮上が達成される。

本発明に係る溶融改質方法によれば、製鋼スラグの溶融改質に従来では余り活用されていなかった石炭灰を効率良く利用することができ、生産性も高いことから、スラグの資源化に大きく寄与する。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、容器１に収容されている溶融スラグ２を、その上方に設置した１本又は複数本の溶射バーナ３にて溶融改質する場合を示す。本発明では、溶射バーナ３によりスラグに石炭灰を溶射することを特色としているが、この溶射の場合、燃料、燃料用酸素、石炭灰（フライアッシュ）、石炭灰用キャリアガスを使用する。このキャリアガスとしては、酸素ガスもしくは空気（好ましくは酸素富化空気）が最適である。
図２に図１のスラグ改質用溶射バーナの具体例を示す。溶射バーナのノズル先端部４には、中心部に口径の大きい石炭灰噴射口５が、その周囲に複数個の小径の燃料＋酸素噴射口６が開口されており、前記石炭灰噴射口５は石炭灰＋キャリアガス用内管７に、前記燃料＋酸素噴射口６は燃料＋酸素用内管８にそれぞれ連通している。なお、９は酸素用内管であり、ノズル内部で燃料用内管１０と合流する構造となっている。勿論、燃料と酸素はノズル内部でなく、ノズル出側直後で合流させてもよい。
なお、本発明において溶射される石炭灰は、通常フライアッシュの如き石炭飛灰を言うが、これには必ず１質量％以上の炭素を含むものとする。これは、石炭灰中の炭素が１質量％未満であれば、上述した未燃炭素によるＣＯ、ＣＯ_２ガスの発生の問題は起こらないからである。

燃料＋酸素噴射口６からの噴射流に着火すると、ノズル先端から高温のフレームが形成されるが、このフレーム中にノズル中央の石炭灰噴射口５から石炭灰を噴射すると、その噴射直後からフレーム中で急激に加熱されるが、石炭灰近傍の酸素濃度をノズル出口近傍から高位に維持でき、更に、全酸素量を理論量よりも僅かに多めに設定することにより、火炎内全域での酸素分圧を維持でき、石炭灰中の炭素を効率良く燃焼させることが可能となる。この場合、全酸素流量は以下の範囲で制御することが望ましい。
全酸素流量＝（燃料の理論酸素流量＋石炭灰溶射速度×石炭灰中炭素濃度（％）／
１００×２２．４／１２）×α
但し、α＝１〜１．５
なお、係数αは確実な炭素の燃焼と経済性を考慮して１．０５〜１．３とすることが好ましい。

次に、溶射バーナを使用して石炭灰をスラグ中に溶射してスラグの改質を行う際に、併せて溶融スラグ中に酸素ガス或いは空気をバブリングすることによりスラグを攪拌することが望ましい。酸素ガス等の吹き込みは、例えば、耐熱性のランスを浸漬するか、もしくはスラグ容器底部に酸素吹込み手段を装着しておくことにより行う。
スラグ中の炭素はバブリング気泡の酸素或いはスラグ表面雰囲気での酸素の存在により、効率良く酸化されてＣＯ、ＣＯ_２ガスとして系外に排出される。その結果、スラグ中に残留する炭素濃度は極めて低くなり、スラグ中の鉄酸化物（ＦｅＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３）との反応は無視できる程度になり、気泡の発生は無くなる。また、バブリングした酸素のうち、未反応の酸素気泡は、スラグ自体の攪拌で炭素の酸化の促進に寄与するだけでなく、スラグ内に滞留している微細なＣＯ、ＣＯ_２ガス気泡を付着合体させ、効率良く浮上分離させる機能を果たす。

製鋼工程から送られてくる溶融スラグ中に石炭灰を溶射することにより、石炭灰に含有されているＳｉＯ_２は、スラグ中の遊離ＣａＯと反応してその低減に寄与するとともに、石炭灰中のＡｌ_２Ｏ_３もその一部が遊離ＣａＯと反応して同様に遊離ＣａＯを減じることで、溶融スラグの改質が達成される。また、Ａｌ_２Ｏ_３はスラグの融点を下げる働きを有するため、スラグの溶融を促進することとなり、全体のスラグ改質操業の安定性及び容易性の向上に貢献する。通常、製鋼工程からの排出スラグは１３５０℃程度であり、これを本発明の如く溶射バーナで高温（１８００℃程度）にした石炭灰を溶射することで加熱し、かつ、前記の如く融点の下げを考慮すれば、製鋼工程からの溶融スラグに対し別個の加熱手段で加熱することなしにそのままの状態で本発明を適用することが可能である。

転炉からスラグ鍋に溶融状態のスラグを受け、ＬＰＧを燃料とする溶射バーナーを用いてフライアッシュの溶射と各種ガスによる攪拌を行った。試験水準としては、溶射の際のキャリアガス種、送酸量、バブリングによる攪拌の有無、バブリングに使用するガス種を変化させた。
処理パターンは、バブリングを行わない場合は、連続して２０分の溶射を行った。また、バブリングを行う場合は、溶射を５分行った後にバブリングを３０秒行うパターンを４回繰返し、トータルの溶射時間は２０分で統一した。尚、バブリング条件としては、ガス吹込速度を１２００Ｎｍ^３／ｈとし、ランス本数を３本で行った。
上記以外の条件は以下に示すような共通条件とした。

共通条件
・改質前スラグ量：２０ｔｏｎ
・改質前スラグ成分：ＣａＯ＝３８％、ＳｉＯ_２＝２０％、Ｐ_２Ｏ_５＝２％、
（質量％）Ａｌ_２Ｏ_３＝２％、ＭｎＯ＝６％、ＭｇＯ＝７％、
ＦｅＯ＝８％、Ｆｅ_２Ｏ_３＝６％、Ｔ．Ｆｅ＝１３％、
遊離ＣａＯ＝３．５％
・改質前スラグ温度：１３５０℃
・石炭灰成分（質量％）：ＣａＯ＝０．５％、ＳｉＯ_２＝６１％、Ａｌ_２Ｏ_３＝
２８％、ＭｇＯ＝０．８％、Ｆｅ_２Ｏ_３＝％、Ｃ＝２％、Ｎａ_２Ｏ＝０．３％、ＴｉＯ_２＝１．８％、Ｋ_２Ｏ＝
１．４％
・溶射条件：ＬＰＧ流量速度＝４００Ｎｍ^３／ｈ、石炭灰吹込速度＝
６４００ｋｇ／ｈ
・改質後スラグ温度：１４００℃
・排滓、凝固方法：上記処理パターン終了後、鋼製冷却箱に排滓し、厚み
５０〜１００ｍｍになるように冷却。

以下に、結果を表１として示す。なお、下記表中の理論送酸量は、燃料のＬＰＧと石炭灰中の炭素を燃焼させるために必要な化学量論的な値であり、今回の条件では以下に示すように２２４０Ｎｍ^３／ｈとなる。
４００×５＋６４００×０．０２×２２．４／１２≒２２４０Ｎｍ^３／ｈ

Ｎｏ．１は、石炭灰のキャリアガスを窒素としているため石炭中の炭素がフレーム中で燃焼しきれずにスラグに入り、スラグ中の酸素と反応して気泡が長時間にわたって生成しつづけ凝固スラグに微細な気泡が残存し吸水率が６．２質量％と高い。なお、吸水率は気泡の量と比例関係にあり、指標として一般に用いられる。Ｎｏ．２は、石炭灰のキャリアガスを酸素にすることにより溶射フレーム中で石炭灰中の炭素が燃焼が促進され、スラグ中に入る炭素量が大幅に低減し、その結果気泡が大幅に減少し吸水率が半減した。このレベルの吸水率は骨材として使用できる範囲であり、資源として有効に利用できる。Ｎｏ．３は、溶射バーナーでの送酸量（石炭灰キャリアガスも含む）を理論送酸量より過剰にすることにより、フレーム中での石炭灰中の炭素の燃焼が更に促進され、吸水率が更に低減した。Ｎｏ．４は、石炭灰溶射後に酸素によるガスバブリングを行うことにより、スラグ中に残留した炭素を急速に燃焼し、生成した気泡は未反応酸素ガスと合体して浮上した。その結果、気泡は全く無くなり、吸水率も１質量％以下となった。Ｎｏ．５は、キャリアガス種およびバブリングガス種を酸素から空気に変更したものであるが、Ｎｏ．４に対して気泡消滅効果が僅かに減るが、充分に効果がある。

本発明に係る溶融改質方法を説明するための断面説明図である。図１の方法に用いる溶射バーナのノズル部分の具体例を示す断面図と正面図である。

符号の説明

１スラグ容器２溶融スラグ
３溶射バーナ４バーナノズル先端部
５石炭灰噴射口６燃料＋酸素噴射口
７石炭灰＋キャリアガス用内管８燃料＋酸素用内管
９酸素用内管１０燃料用内管

Claims

石炭灰を溶射して製鋼スラグを改質するに際し、１質量％以上の炭素を含む石炭灰を、酸素ガス或いは空気をキャリアガスとして溶射バーナにて溶融スラグに溶射することを特徴とする、製鋼スラグの溶融改質方法。
全酸素流量を下記の範囲に制御することを特徴とする、請求項１記載の製鋼スラグの溶融改質方法。
全酸素流量＝（燃料の理論酸素流量＋石炭灰溶射速度×石炭灰中炭素濃度（％）／
１００×２２．４／１２）×α
但し、α＝１〜１．５
石炭灰を溶射する溶融スラグを酸素ガス或いは空気にてバブリングすることを特徴とする、請求項１又は２記載の製鋼スラグの溶融改質方法。