JP2006170513A - 溶融スラグの風水砕方法および装置と、風水砕粒子およびその捕集装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣａＯ／ＳｉＯ₂が１．３以上の高塩基度スラグを球形粒状に固化する際の粉化を防止する。
【解決手段】 ＣａＯ：６０質量％以下、ＳｉＯ₂：５質量％以上を含有し、かつ、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が１．３〜６．０の溶融スラグを鉛直下方に流下させ、この流下させた溶融スラグに対し、水滴と空気流若しくは不活性ガス流を、同時にかつ同位置で衝突させて球形粒子を得る。
【効果】 高塩基度スラグを球状粒子に固化することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄鋼の製造工程で発生する高塩基度スラグ、例えば製鋼スラグ、電気炉スラグ、ステンレス鋼スラグや廃棄物溶融スラグを、溶融状態から球形粒状に固化する風水砕方法および装置、ならびに、その風水砕方法によって製造した粒子および粒子捕集装置に関するもので、その際のクロム酸化物溶出をも防止可能なものである。

空気等のガス体を用いて溶融スラグから球形粒子を得る風砕技術や、大量の水を用いて溶融スラグから砂状粒子を得る水砕技術は公知であり、対象スラグの性質により風砕技術と水砕技術を使い分けている。

このうち、水砕は、水漏れ、滓漏れに対する厳しい管理や、腐食、磨耗などの煩雑な設備維持管理が必要となる。しかも、得られた製品は、気孔や針状突起が多いことから、ポーラスで柔らかい性状となり、天然砂の代替として使用するためには、角取り、気孔の低減、単位容積質量の増加が必要である。また、転炉や電気炉などのバッチ処理の溶融炉から排出される溶融スラグは、一旦、鍋に入れた後に処理場に運ばれるので、鍋からの排出異常時に水蒸気爆発を起こす恐れがあった。

一方、風砕は、大量に処理する場合は、設備面積と消費空気量が莫大になる。また、高塩基度のステンレス製鋼スラグを風砕した場合は、粒状化しても数日以内に粉化することがあるため、高塩基度のステンレス製鋼スラグは高付加価値品として再利用できず、埋め立て処分する他はなかった。また、風砕のみでは、クロム酸化物が溶出するという問題があり、溶出防止処理を行う必要もあった。

また、青色系、緑色系、黒色系、暖色系など、人工的に色彩を調整したスラグを使用して製造する人工石材は、添加剤を添加して０．８５〜１.３程度の低塩基度となるようになされており、余分な添加剤が必要であった。

このような問題点のうち、風砕での粉化防止に関して、特許文献１では、高炉スラグを風砕して回転ドラムで回収し、ガラス化率を保熱槽で調整することで、セメント原料に適したガラス質スラグ粒と、砂代替用に適した結晶質スラグ粒とを作り分けることができる技術が提案されている。
特開平１１−２３６６０９号公報

また、特許文献２では、製鋼スラグを２．５ｍｍ以下の粒径に風砕した後、所定量の水を加えて混錬して所定形状に加圧成形し、その後、炭酸化反応により硬化させて鉄分を多く含んだ黒色の粒子を作って粉化防止を図る技術が提案されている。
特開昭５８−７４５５９号公報

また、風砕での受粒方法に関して、特許文献３では、溶融スラグに〔Ｂ〕，〔ＳｉＯ₂〕等を含むガラス質を添加した後気体で風砕し、その風砕した粒子を流水している傾斜板上で受ける技術が提案されている。
特開２００３−１５５５１１号公報

また、ステンレス鋼スラグからの六価クロム（Ｃｒ⁺⁶）の溶出防止に関して、たとえば特許文献４では、＋５価以下の硫黄を含有する高炉徐冷スラグ冷却排水を用いてクロム含有物質に散水、浸漬させて接触させることでＣｒ⁺⁶を還元して三価クロム（Ｃｒ⁺³）にし、溶出を防止する方法が提案されている。
特開２００２−２４８４４４号公報

また、高塩基度スラグからの青色、緑色の人工砂を得ることに関して、特許文献５に、高炉スラグに塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が０．８５〜１．２になるように長石、石灰を添加するとともに、酸化コバルトを添加して再溶融し、冷却して青色の人工石材を得る方法や、同様に酸化クロムを添加して緑色の人工石材を得る方法が開示されている。
特開平８−９１８８４号公報

しかしながら、前記の特許文献１で提案された風砕技術は、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が１．３未満の低塩基度の高炉スラグを対象としたものである。したがって、塩基度が１．３以上の高塩基度スラグは、ガラス化することが難しく、風砕のみでは粒状固化後の崩壊を免れることができないことに変わりはない。

また、特許文献２に記載された風砕技術では、実施例として記載された製鋼風砕スラグの成分は、ＣａＯ／ＳｉＯ₂＝３．８３〜６．２８、ＭｇＯ＝３．４４〜５．８５質量％などと記載され、特にＦｅＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃を殆ど含まず、ＭｇＯを６質量％以上含むステンレス鋼スラグを使用した実施例についての記載がない。したがって、このようなステンレス鋼スラグを使用した場合に粉化防止が図れるか否かが明らかではない。

また、特許文献３で提案された風砕技術では、余分なスラグ改質材が必要であるとともに、傾斜板に水流を設ける設備も必要になる。

また、特許文献４で提案された技術は、ステンレス鋼スラグからのＣｒ⁺⁶の溶出を防止できると記載されているが、クロムを含有する溶融スラグに対して風砕する空気と同時に硫黄含有水溶液または高炉徐冷スラグ冷却排水を吹き付けて風水砕した場合、あるいは、クロム含有スラグを風水砕した後に高炉徐冷スラグ冷却排水に浸漬または散水した場合に、Ｃｒ⁺⁶の溶出を防止できるかどうかは不明である。また、この特許文献４で提案された技術では、製品を得るのまでに３〜７日間かかり、反応時間が長く、広大な敷地面積が必要である。

このように、従来は、高塩基度スラグは融点が高く再溶融にコストがかかりすぎることと、粉化崩壊により石材形状を保つのが困難であることから、スラグを低塩基度にしないと風砕することができなかった。従って、低塩基度にして融点を下げ、添加物を添加した後、再溶融して人工石材を作る技術が主流であった。

また、前記特許文献５のように、人工的に着色する技術が開示されているが、ＣａＯ／ＳｉＯ₂が１．３以上の高塩基度で、融点が１５００℃以上の高融点のステンレス還元期スラグから、直接、緑色の人工砂を作ることはできなかった。

本発明が解決しようとする問題点は、風砕では、ＣａＯ／ＳｉＯ₂が１．３以上の高塩基度スラグの場合、粉化を防止することができず、また、得られた球形粒子のＣｒ⁺⁶溶出防止処理を短時間で行うことができず、さらに、直接、緑色の人工砂を作ることができないという問題がある点である。

本発明の溶融スラグの風水砕方法は、
ＣａＯ／ＳｉＯ₂が１．３以上の高塩基度スラグを球形粒状に固化する際の粉化を防止するために、
ＣａＯ：６０質量％以下、ＳｉＯ₂：５質量％以上を含有し、かつ、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が１．３〜６．０の溶融スラグを鉛直下方に流下させ、
この流下させた溶融スラグに対し、水滴と空気流若しくは不活性ガス流を、同時にかつ同位置で衝突させて球形粒子を得ることを最も主要な特徴としている。

そして、この本発明方法において、クロム成分を含有する溶融スラグを使用し、
得られた球形粒子を、
＋５価以下の硫黄含有水溶液、若しくは、＋５価以下の硫黄を含有する高炉徐冷スラグ冷却排水に、２４時間以内浸漬するか、
または、
前記溶融スラグに吹き付ける、空気流若しくは不活性ガス流と混合する水滴が、
＋５価以下の硫黄を含む水溶液、または、＋５価以下の硫黄を含む高炉徐冷スラグの冷却排水であるか、
あるいは、
これらの両者を適用した場合には、
Ｃｒ⁺⁶の溶出を可及的に抑えた球状の風水砕粒子を得ることができる。

また、前記本発明方法を実施する本発明の風水砕装置は、
鉛直下方に流下するスラグ流を一旦受け取って下方に流下案内し、先端からスラグ流を膜状として鉛直下方に流下させるＵ字状の樋と、
この膜状に流下する溶融スラグの流下距離が、２００ｍｍ以上で１ｍ以内となる位置で、前記膜状の流下溶融スラグに対し、水滴と空気流若しくは不活性ガス流を衝突させるべく吹き付けるノズルと、
前記水滴と空気流若しくは不活性ガス流との衝突によって風水砕粒子が飛翔する正面側の風水砕点から３〜１０ｍの範囲に配置された傾斜壁面と、
この傾斜壁面を転動落下する風水砕粒子を捕集回収する製品ピットまたは搬出コンベアを備え、
前記ノズルは、空気噴出ノズルの内部であらかじめ水を噴霧し、ノズル吐出口で空気流と水滴を混合させた状態で吹き付ける構成であることを主要な特徴としている。

本発明方法によれば、高塩基度スラグを球状粒子に固化することができるという利点がある。そして、高塩基度スラグがステンレス系の場合には、Ｃｒ⁺⁶の溶出防止ができ、かつ、従来のようにスラグ成分を調整して再溶融することなく、直接、緑色系の色彩を有するスラグ粒子を得ることが出来る。

そして、本発明方法によって得られた粒子は、砂代替として利用することが出来ると共に、パウダー分が殆どないため、透水・排水性舗装材料や、公園や一般道路などの歩道など、景観の良いグリーン舗装が可能となる。ブロックとしては歩道用インターロッキングブロック、タイルなど緑色の骨材として利用できる。

また、本発明装置は、従来の風砕に比べて必要な風量を格段に小さく出来るので、装置が小型化できると共に、ブロワー等の消費電力も小さくできる。また、風水砕粒子の飛翔を最小限に短く出来るため、回収装置も小型化できる。

以下、本発明の新しい着想から課題解決に至るまでの経過とともに、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を用いて詳細に説明する。

（新しい着想について）
ステンレス鋼スラグなどの高塩基度スラグを、（Ａ）粉化させず砂代替等の再利用に耐え得る強度を持ちながら粒子形状を保つこと、また、（Ｂ）Ｃｒ⁺⁶の有害物質が溶出しないこと、（Ｃ）できるだけ小さいエネルギーで処理できること、について、発明者等は、以下の着想を得た。

（Ａ）粉化させず砂代替等の再利用に耐え得る強度を持ちながら粒子形状を保つことについて
ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）は、２１３０℃でα型相（比重３．０７）から１４５０℃でα’型相（比重３．３１）へ、更に８５０℃でγ型相（比重２．９７）若しくは６７５℃でβ型（比重３．２８）へ相転移すること、その際、体積膨張を伴う変化を起こしながら冷却される過程を経ることは、広く知られている。

そこで、発明者等は、固化後の冷却過程で体積膨張を伴わないように急冷却することで、崩壊を防ぐことができると考えた。そして、スラグ改質材を用いないで高塩基度のスラグが粉化せず、粒子形状を維持し続けるためには、大量の水を使うことなく水砕なみに急冷することが必要と考え、風砕をベースに、水のミストスプレーを併用することを考えた。

発明者等は、高塩基度の溶融スラグをできるだけ細かい液滴に分散し、空気と水ミストを用いて急冷すれば、緻密で気孔が少なく、重たく、かつ、粒子圧壊強度の高い粒子が出来ると考えた。また、そのような粒子は、粒子と接する外気雰囲気の酸素や炭酸ガス、水分などのガスが入り込みにくく、安定すると考えた。

（Ｂ）Ｃｒ⁺⁶の有害物質が溶出しないことについて
Ｃｒ⁺⁶の還元時間を短くするには、（ｂ1）Ｃｒ⁺⁶の反応必要量が少ないこと、（ｂ2）還元されるＣｒ⁺⁶が反応しやすい状態にあること、（ｂ3）還元剤が十分に存在すること、といった条件を満足することが重要と考え、条件を満足すれば瞬時に反応が完了することは明白である。

ここで、前記条件のうち、（ｂ2）の還元されるＣｒ⁺⁶が反応しやすい状態とは、溶出するＣｒ⁺⁶が粒子表面のみに存在していることであり、この場合、反応は瞬時に完了するが、内部からＣｒ⁺⁶が溶出してくるようであれば、溶出速度が反応律速となり、反応しにくい、反応に時間がかかる条件となる。

また、（ｂ1）の条件であるＣｒ⁺⁶の反応必要量を少なくするには、単位重量あたりの表面積を小さくできる風砕が良いと考えられる。風砕粒子は溶融スラグが液滴に分散されて固化するため、その表面張力の影響でパウダーに近い粒子が存在せず、比表面積が小さい特徴がある。なお、水砕の場合、水による冷却破砕のため、粒子内部に気孔を有する構造となることと、針状突起が後の搬送、篩などの工程で折れて粉となり、比表面積が増大する。

ステンレス鋼スラグなどの高塩基度スラグ中に存在するＣｒ⁺⁶の溶出防止については、当初、風砕粒子の場合、その表面が非晶質のガラス質となるので溶出しないと考えたが、実験してみるとＣｒ⁺⁶が溶出した。

これは、風水砕粒子では、Ｃｒ⁺⁶は粒子の表面のみに存在し、かつ、風水砕時に水分や水蒸気が粒子周囲に存在するため、溶出しやすい状態になっているためと考えられる。したがって、特許文献４に記載された技術を適用し、＋５価以下の硫黄を含有する高炉徐冷スラグ冷却排水に浸漬すれば、Ｃｒ⁺⁶の還元反応が瞬時に完了すると考えた。更に、風水砕に用いる水に高炉徐冷スラグ冷却排水を用いれば、風水砕と同時にＣｒ⁺⁶の還元も行えると考えた。

（Ｃ）できるだけ小さいエネルギーで処理できることについて
実操業設備として考えた場合、既存のステンレス製鋼工場の炉の近傍に配置するには、装置の小型化が必須であり、風水砕粒子の捕集フードの小型化が重要である。そのためには、粒子の飛翔距離を短縮することが必要と考えた。また、排ガス風量については、風水砕では水の蒸発潜熱を利用するため、空気のみの風砕の場合に比べて１／５〜１／７に少なくでき、装置を格段に小さくできると考えた。

また、均一な製品を安定的に得るためには、冷却速度の遅い粒子が発生しないようにしなければならない。そのためには、スラグ流を一旦樋に受けて薄く広げて水滴と空気流に均一に当てることが効果的であると考えた。

（着想から課題解決に至るまでの経過）
発明者等は、ＣａＯ／ＳｉＯ₂が１．３以上の高塩基度スラグを風砕した場合に、粒子が崩壊せず安定するかどうかについて実験した。その結果、回収したスラグは緑色を呈した球形粒子を得ることができたが、３日後には殆どが粉化した。

この粉化したスラグの結晶構造を調査すると、結晶構造はγ型と判明し、通常の相変態による崩壊過程と同様であった。但し、粒状化に際し急冷したため、粒子強度が向上して崩壊が遅れたものと推測された。風砕の場合、溶融スラグを細かい液滴に分散することにエネルギーを集中させ、冷却は分散に使用したガスとともに飛翔中に行われる形態となっているので、冷却位置が広範囲となって長時間の緩冷却となっていた。

そこで、冷却速度を更に向上するために、溶融スラグの風砕点に圧縮空気と同時に水スプレーを当て、水の蒸発潜熱を使うこととした。この風水砕の冷却形態は、溶融スラグが液滴に分散されると同時に水滴と接触し、水の蒸発潜熱による冷却エネルギーを集中させることに特徴がある。この風水砕を適用した結果、緑色の球形粒子は崩壊せず６か月経過しても粉化しない粒子を得ることができた。

また、顕微鏡による分析の結果、α’型の結晶構造をなしており粉化しないことがわかった。結晶構造の分析と同時に、顕微鏡によりガラス化率を測定したが、その測定方法ではガラス化率は０％であり、従来の風砕に比べて冷却能力を向上させた風水砕でもガラス化していないことが判った。また、粒度は１〜５ｍｍと粗く、大きな粒子ほど崩壊しやすい現象が確認された。

次に、この風水砕スラグを溶出試験した結果、Ｃｒ⁺⁶が溶出した。そのため、この風水砕スラグのＣｒ⁺⁶の溶出防止として、＋５価以下の硫黄を含有する高炉徐冷スラグ冷却排水に２４時間浸漬し、溶出試験を行った。その結果、定量限界０．０２ｍｇ／リットル以下となりＣｒ⁺⁶は検出されなかった。

従来の知見では、＋５価以下の硫黄を含有する水溶液中に酸化クロム含有スラグを浸漬しただけでは、３日以上の反応時間が必要だったことから、この風水砕スラグは、粒子表面からＣｒ⁺⁶が溶出しやすい状態となっており、また、Ｃｒ⁺⁶は表面のみに存在していると考えられる。

更に、反応時間に関し、１分、１時間、１０時間、２４時間と浸漬時間を変更して溶出試験を行った結果、図６に示すように、初期の１分間で殆ど反応が完了して０．０２３ｍｇ／リットル、１時間後には０．０２４ｍｇ／リットル、１０時間後には０．０２０ｍｇ／リットル以下となり、瞬時の反応でＣｒ⁺⁶の溶出防止が図れることが判った。

また、粒子の内部のみを取り出して粉砕した後、溶出試験を行ったところ、粒子内部ではクロムは六価になっておらず、溶出しなかった。これは、風水砕粒子が溶融状態から細かい液滴に分散されて急冷固化される過程で、粒子周囲に存在する物質、例えば酸素によってもともと三価の酸化状態であったクロム成分（ＣａＣｒ₂Ｏ₄）が酸化され、表面のみが六価の酸化状態（ＣａＣｒＯ₄）となるためである。

一方、粒子内部は、急冷固化された風水砕球形粒子が緻密なため、外部雰囲気中の酸素が内部に侵入できず、粒子内部のクロム成分は三価の酸化状態（ＣａＣｒ₂Ｏ₄）のままで存在しているためである。更に、常温になって粒子内部が大気中の酸素と触れても、既に三価で安定しているために六価にならず、溶出しないことが判明した。

更に、風水砕する際、空気と同時に吹き付ける水として、＋５価以下の硫黄を含有する高炉スラグ徐冷処理場の冷却排水を使用した場合、同様の効果が得られた。未処理スラグでは０．１ｍｇ／リットルのＣｒ⁺⁶溶出があるのに対し、０．０５ｍｇ／リットル程度の結果となった。

これは、高炉徐冷スラグ冷却水中の硫黄濃度の変動や高温酸化し、含有する硫黄が燃焼気散したりして、効果が少なくなったものと考えられる。燃焼に対しては、風砕するガスを窒素等の不活性ガスで行うと、その効果が十分に発現できることが容易に類推できる。

また、冷却速度を上げるために粒子を細かくするためにノズル改善を行った。改善は、風砕空気の噴流中で水のスプレーを行い、噴流に対して均一に水滴を分散させ、その噴流を溶融スラグに当てるようにした。その結果、水のガス化による分散力と蒸発潜熱が全てのスラグに行き渡り、平均粒子径が１〜２ｍｍの細かい粒子が得られた。

均一な製品を安定的に得るためには、スラグ流を、空気、水滴噴霧流に如何に効率的に当てるかが課題である。発明者等は、上部容器から薄く広げて排出しても、鉛直下方に流下する溶融スラグは表面張力によって円柱状となって流れていることを知見し、空気、水滴噴霧流の直上で薄く広げなければ、空気、水滴噴霧流と衝突する際に均一さが保てないことを知見した。

また、溶融スラグ円柱流の外周は細かく分散されるが、中心部は分散力、冷却能力ともに分散が不足し、効率の悪い風水砕となることが判明した。そこで、その対策として、スラグ流を横断面がＵ字状の樋に介在させて幅広く広げるようにし、空気流と水滴噴霧流と均一に衝突できるようにした。その結果、殆どのスラグの分散が均一化され、ボタ落ちスラグが殆どなくなった。

風水砕排ガスフードや受粒部については、装置のコンパクト化のため、風水砕部に対して向かい合うように、かつ、風砕点から近距離の位置に傾斜板を配置し、この傾斜板に風水砕粒子を衝突させて回収スラグが球形を維持できる飛距離を求める試験を実施した。前記傾斜板が無い場合は２０ｍ程度飛翔するが、傾斜板の設置位置を１２ｍ，１０ｍと距離を縮め、５ｍの位置まで近づけても、球形は維持されていた。

このことから、装置設計においては風砕点から５ｍ近傍まで傾斜板を近づけても良いことが判明し、装置の小型化が可能となった。

また、衝突した風水砕粒子が自重で転動、落下できるように、傾斜または垂直壁にすることによって集積装置を不要とすることができる。この結果は、溶融スラグを液滴に分散する点で、空気と水を同時に吹き付け、分散と同時に強冷却したために可能となったものである。

また、排ガス風量も、水の蒸発潜熱分を空気顕熱で奪おうとすると、添加水１ｋｇの代わりに約２５Ｎｍ³の空気量が必要になるので、膨大な設備費、運転コストが必要になるが、水の蒸発潜熱を利用すれば、従来の風砕の場合と同程度の設備費、運転コストで可能である。

本発明の溶融スラグの風水砕方法は、以上の知見およびこの知見に基づく種種の調査の結果に基づいてなされたものであり、
ＣａＯ：６０質量％以下、ＳｉＯ₂：５質量％以上を含有し、かつ、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が１．３〜６．０の溶融スラグを鉛直下方に流下させ、
この流下させた溶融スラグに対し、水滴と空気流若しくは不活性ガス流（以下、空気流として説明する）を、同時にかつ同位置で衝突させて球形粒子を得ることを特徴とするものである。

前記本発明の溶融スラグの風水砕方法に適用する溶融スラグの成分範囲を、ＣａＯ：６０質量％以下、ＳｉＯ₂：５質量％以上で、かつ、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が１．３〜６．０とするのは、以下の理由による。

その理由は、高塩基度側での制約条件を、ＣａＯ含有量が６０質量％以下、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が６．０以下としたのは、６．０を超える条件では発明者等の知見がないからである。一方、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）を１．３以上としたのは、１．３未満の低塩基度では、一般的な風砕でも粉化崩壊しないためである。しかし、本発明の風水砕技術が１．３以下の低塩基度スラグにも適用可能であることはいうまでもない。

また、本発明では、溶融スラグの鉄分含有量にも制約がない。鉄を多く含んでいるスラグは、塩基度が高くても粉化しにくいので、容易に適用可能だからである。高炉スラグ、転炉スラグ、電気炉スラグや廃棄物溶融スラグ等への適用が可能である。

次に、本発明において、溶融スラグに水滴と空気流が衝突する形態は、水滴の噴霧流と空気流が近接して平行２層流となって溶融スラグに衝突させる方法と、空気流の中で水滴を噴霧し、空気流の中に水滴が分散している状態で溶融スラグに衝突させる方法があるが、本発明ではいずれの方法を採用しても良い。

また、溶融スラグの流れに対して、どのような角度で水滴と空気流を衝突させても良いが、それぞれの配置に適した噴射角度でスラグ流に衝突させ、水滴と空気流が最も効率よくスラグ液滴を分散させる角度に調整するのが望ましい。

前記本発明の溶融スラグの風水砕方法に、クロム成分を含有する溶融スラグを使用すれば、従来のようにスラグ成分を調整して再溶融することなく、直接、緑色の球形粒子を得ることができる。

また、前記本発明において、クロム成分を含有する溶融スラグを風水砕した球形粒子を、＋５価以下の硫黄含有水溶液、若しくは、＋５価以下の硫黄を含有する高炉徐冷スラグ冷却排水に、２４時間以内浸漬すれば、球形粒子の表面に存在するＣｒ⁺⁶を効果的に還元することができる。ここで、浸漬時間を２４時間以内としているのは、製品処理時に確実性を持たせるためであるが、実際には、風水砕粒子として瞬時に反応完了が可能である。

また、前記本発明において、溶融スラグに吹き付ける、空気流と混合する水滴として、＋５価以下の硫黄を含む水溶液、または、＋５価以下の硫黄を含む高炉徐冷スラグの冷却排水を使用すれば、Ｃｒ⁺⁶の還元がより効果的に行える。

また、前記の本発明においては、図１に示すように、鉛直下方に流下するスラグ流１を、たとえば下向きに４５°〜８０°の角度θ1で傾斜配置した、横断面がＵ字状の樋２で一旦受け、この樋２の先端から膜状に流下する溶融スラグ１’の流下距離が、２００ｍｍ以上で１ｍ以内となるように、前記膜状の流下溶融スラグ１’に対し、たとえば上向きに３０°の角度θ2から吹き付けられる水滴と空気流３を衝突させることが望ましい。

その理由は、鉛直下方に流下するスラグ流１を、傾斜配置した樋２で受けて薄く広げた状態となした後に、この膜状の流下溶融スラグ１’に水滴と空気流３を当てることによって、水滴と空気流３の幅方向に対して溶融スラグの負荷を均一にできるからである。

この場合、樋の先端から膜状に流下する溶融スラグの流下距離が２００ｍｍ未満では、樋の先端からの凝固物成長がスラグ噴流まで達し、溶融スラグと噴流が安定して衝突しなくなる。一方、１ｍを超えると自由落下速度が速くなり、噴流を突き抜けて風水砕されないものが生成される。また、幅方向に薄く広げた溶融スラグが表面張力により再集合が始まって膜状に流下しなくなり、噴流を突き抜けて風砕されないスラグが生成される。したがって、本発明では前記溶融スラグの流下距離は、２００ｍｍ以上で１ｍ以内とすることが望ましい。

本発明で、鉛直下方に流下するスラグ流をＵ字状の樋で受けるのは、平板状の樋の場合、溶融スラグの流量が少ない辺境のあたりで凝固するスラグの付着落下の具合によって、溶融スラグの落下位置が変化し、安定した風水砕が得られないためである。

この樋によって案内する溶融スラグの流下方向の向きは、噴流吐出方向へ流下する向き、若しくは、対向する方向へ流下する向き、あるいは、直交する向きなど、任意に配置することができる。この際、鉛直下方の場合は、円柱状のスラグ流れに対して円周から空気、水滴噴流を均一に吹き付けることで、下方へ吹き飛ばし均一粒子を得ることができる。

クロム成分を含有する溶融スラグを前記の本発明方法により風水砕すれば、＋５価以下の硫黄を含む水溶液、または、＋５価以下の硫黄を含む高炉徐冷スラグの冷却排水中で、瞬時にＣｒ⁺⁶の溶出が完了し、還元反応が完了するので、１時間以内にＣｒ⁺⁶の溶出値が０．０４ｍｇ／リットル以下の球状風水砕粒子を得ることができる。そして、この得られた球状風水砕粒子は、図４に示したように、たとえば粒径が１ｍｍの場合には、海砂の圧壊強度（４８．９Ｎ）よりも強い２９４Ｎ以上の緑色の粒子であった。なお、図４には高炉水砕の圧壊強度も併せて示している。

前記の本発明方法を実施するに際しては、図２に示したように、前記水滴と空気流３との衝突によって風水砕粒子５が飛翔する正面側の風水砕点から３〜１０ｍの範囲に傾斜壁面６を配置し、この傾斜壁面６を自重によって転動落下する風水砕粒子５をたとえば製品ピット７で捕集回収するようにすれば良い。これが本発明の風水砕粒子捕集装置である。なお、鉛直下方に風水砕するときには、樋２を介さず、円柱状の溶融スラグ流れを直接風水砕し、下方の回収部へ落とすこともできる。

従来は、風砕点から２０ｍ程度の長いフードと、その底部に搬出コンベヤーが配置されていたが、本発明では、前述の傾斜壁面による短距離捕集試験結果により短いフードが使用できるようになり、自重で転動するように傾斜をつけることで下部集積場所に集合させることができる。なお、集合させた後にコンベヤーで搬出させても良い。

また、前記の横断面がＵ字状の樋を使用した場合の本発明の風水砕方法を実施するには、前記本発明の風水砕粒子捕集装置に加えて、図１に示すように、横断面がＵ字状の樋２の先端から膜状に流下する溶融スラグ１’の流下距離が、２００ｍｍ以上で１ｍ以内となる位置で、膜状の流下溶融スラグ１’に対し、均一に混合された水滴と空気流３を衝突させるべく吹き付けるノズル４を配置すれば良い。このノズル４は、空気流を吹き付けるエアーヘッダー４ａと、このエアーヘッダー４ａから吹き出される空気流中に水滴を混合させた状態で吹き付けるべく、エアーヘッダー４ａ内であらかじめ水を噴霧する噴霧ノズル４ｂとから構成されている。

このようなノズル４を採用すれば、風水砕粒子の冷却速度のばらつきを減少させることができる。なお、冷却速度のばらつきが問題にならない場合には、空気またはガス体のノズルと、水噴霧ノズルとは重ねて配置し、２層流にして風水砕点に衝突させても良いことは言うまでもない。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果を説明する。
下記表１に風水砕に用いたステンレス鋼スラグの成分を示す。このスラグは、徐冷すると温度の冷えた表面から次々と崩壊していき、最後には全て約４０μｍ以下の白色のパウダー状に粉化してしまうスラグである。

図１に示す装置で滓鍋９から排出するスラグを、一旦、中間ポットを介してノズル孔から定量的に出し、そこで風水砕した。スラグ流量は３０トン／時間、スラグ温度は１６００℃、風砕空気は流量が３０ｍ³／分、圧力が２０００ｍｍＡｑ、水滴の噴霧水量は２〜１０トン／時間の条件で風水砕を行った。

風水砕に使用したノズルの幅は、横が１５０〜２００ｍｍ、縦が４０〜８０ｍｍで、水平から上方に向けて０〜３０°の角度で噴流を形成した。上方から鉛直下方に流れる溶融スラグを風水砕直前に、一旦、４５〜８０°に傾斜した、幅が１５０〜３００ｍｍの横断面がＵ字状の樋で受け、スラグを薄く広げでその先端から１００〜４００ｍｍ下方に位置する噴流に衝突するようにした。

その結果、得られたスラグの粒度分布を図３に示す。

Ｃｒ⁺⁶の溶出試験の結果を下記表２に示す。
Case1は、風水砕のみで未処理の場合、Case2は、風水砕スラグを水道水に２４時間浸漬した場合、Case3は風水砕スラグを＋５価以下の硫黄を含む高炉徐冷スラグ冷却排水に２４時間浸漬した場合、Case4は、風水砕に用いる水に高炉徐冷スラグ冷却排水を用いた場合の結果を示す。

Case1は、明らかにＣｒ⁺⁶が溶出しており、再利用前の溶出防止処理が必要である。Case2は、比較試験のため水道水に浸漬した。Case3は、０．０２ｍｇ／リットル以下となりＣｒ⁺⁶が還元され溶出しなくなった。Case4は、Case3程の効果が得られなかったが、Ｃｒ⁺⁶の溶出は半分以下に低減ができている。

この原因は、下記表３に示す高炉徐冷スラグ冷却排水の水質変動に起因しており、排滓のタイミング、散水、空冷のタイミングなどにより溶存する＋５価以下の硫黄量が変動しているためである。また、高温滓と接触するため溶存しているＳが燃焼して排ガス中に移行してしまい、還元剤となる硫黄が減少していることも考えられる。しかし、Ｃｒ⁺⁶の溶出低減には効果が有ることは明白となった。Ｓ⁻²イオンの好ましい含有量の下限は１００ｐｐｍ程度と予測される。

粒子の圧壊強度を高炉スラグ水砕粒子、海砂と比較した結果を図４に示す。この図４より、本発明品では、粒子そのものは、非常に硬く緻密になっている事が判る。色呈については、高炉、転炉スラグは黒色であるが、ステンレススラグの風水砕粒子は、緑色を呈している。その断面を図５に模式的に示しており、この風水砕粒子５を割ると粒子内部５ｂは灰色で、表面５ａのみが緑色となっていることが判った。

風水砕の排ガス量は、図１に示す前記実施例で試算すると、水量が２トン／時間の蒸発潜熱は１２３８Ｍｃａｌ／時間、それに見合う空気を溶融スラグ分散点に集中させようとすると２２０４４Ｎｍ³／時間となる。

これを図１に示すノズルで供給するには８１６ｍ／秒の吐出速度を確保する必要があり、現実的でないことは明らかである。水は蒸発し蒸気となるので、体積比では、２トン／時間の水は３３４６ｍ³／時間となり、２２０４４／３３４６＝６．６倍の排ガスが発生することになり、排気設備が大きくなることが明らかである。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

本発明方法を実施する本発明装置の一例を示した概略図である。 本発明方法を実施する本発明装置の他の例を示した概略図である。 実験により得られたスラグの粒度分布を示した図である。 本発明粒子の圧壊強度を高炉スラグ水砕粒子、海砂と比較した結果を示した図である。 ステンレススラグの風水砕粒子の断面を模式的に示した図である。 硫黄含有水に浸漬した時間とＣｒ⁺⁶の溶出値を示す図である。

符号の説明

１ スラグ流
１’ 溶融スラグ
２ 樋
３ 水滴と空気流
４ ノズル
４ａ エアーヘッダー
４ｂ 噴霧ノズル
５ 風水砕粒子
６ 傾斜壁面
７ 製品ピット
８ 製品

Claims (8)

1. ＣａＯ：６０質量％以下、ＳｉＯ₂：５質量％以上を含有し、かつ、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が１．３〜６．０の溶融スラグを鉛直下方に流下させ、
   この流下させた溶融スラグに対し、水滴と空気流若しくは不活性ガス流を、同時にかつ同位置で衝突させて球形粒子を得ることを特徴とする溶融スラグの風水砕方法。
2. 前記溶融スラグは、クロム成分を含有するものであることを特徴とする請求項１に記載の溶融スラグの風水砕方法。
3. 前記球形粒子を、＋５価以下の硫黄含有水溶液、若しくは、＋５価以下の硫黄を含有する高炉徐冷スラグ冷却排水に、２４時間以内浸漬することを特徴とする請求項２に記載の溶融スラグの風水砕方法。
4. 前記溶融スラグに吹き付ける、空気流若しくは不活性ガス流と混合する水滴が、
   ＋５価以下の硫黄を含む水溶液、または、＋５価以下の硫黄を含む高炉徐冷スラグの冷却排水であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の溶融スラグの風水砕方法。
5. 鉛直下方に流下するスラグ流を横断面がＵ字状の樋で受け、この樋の先端からスラグ流を膜状に流下させると共に、
   この膜状に流下する溶融スラグの流下距離が、２００ｍｍ以上で１ｍ以内となる位置で、膜状の流下溶融スラグに対し、水滴と空気流若しくは不活性ガス流を衝突させることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の溶融スラグの風水砕方法。
6. 請求項３又は４、或いは、請求項３又は４を引用する請求項５に記載の方法で得られた球状風水砕粒子。
7. 請求項１〜５の何れかに記載の方法によって得られた球状の風水砕粒子を捕集する装置であって、
   前記水滴と空気流若しくは不活性ガス流との衝突によって風水砕粒子が飛翔する正面側の風水砕点から３〜１０ｍの範囲に配置された傾斜壁面と、
   この傾斜壁面を転動落下する風水砕粒子を捕集回収する製品ピットまたは搬出コンベアを備えたことを特徴とする風水砕粒子捕集装置。
8. 鉛直下方に流下するスラグ流を一旦受け取って下方に流下案内し、先端から膜状として鉛直下方に流下させるＵ字状の樋と、
   この膜状に流下する溶融スラグの流下距離が、２００ｍｍ以上で１ｍ以内となる位置で、前記膜状の流下溶融スラグに対し、水滴と空気流若しくは不活性ガス流を衝突させるべく吹き付けるノズルと、
   前記水滴と空気流若しくは不活性ガス流との衝突によって風水砕粒子が飛翔する正面側の風水砕点から３〜１０ｍの範囲に配置された傾斜壁面と、
   この傾斜壁面を転動落下する風水砕粒子を捕集回収する製品ピットまたは搬出コンベアを備え、
   前記ノズルは、空気噴出ノズルの内部であらかじめ水を噴霧し、ノズル吐出口で空気流と水滴を混合させた状態で吹き付ける構成であることを特徴とする風水砕装置。