JP2009540127A - 鎔銑の予備処理中に発生するスラグの冷却方法 - Google Patents

Abstract

本発明は鎔銑中に含有された硫黄などを除去するための鎔銑予備処理過程で発生するスラグの冷却方法に関するものである。その冷却方法は、鎔銑予備処理スラグを水冷する前に、積み重ねられた鎔銑予備処理スラグ上に、遊離酸化カルシウムを全体重量の１０％以下で含有するとともに必須の活性酸素を含有するスラグを塗布することを特徴とする。このような冷却方法によって、鎔銑予備処理スラグを従来より５０％以上速い速度で常温まで冷却させることができる。さらに、経済的である。

Description

本発明はスラグ冷却方法に係り、より詳しくは鎔銑予備処理過程で発生するスラグ（以下、単に“鎔銑予備処理スラグ”という）を低費用で迅速に冷却させる方法に関する。鎔銑予備処理スラグは一般的に冷却速度が非常に遅い。
本発明による“予備処理”または“予備工程”という用語は鎔銑の脱硫処理などを意味する。

鉄鋼産業では多様な種類のスラグが副産物として発生するが、これらは処理及び施設の種類と溶融によって生産される鉄鋼の種類によって違う組成及び特性を有する。
例えば、銑鉄を生産する工程に用いられる高炉の副産物として高炉スラグが生成される。また、鎔銑予備処理施設、転炉及び電炉から副産物として鎔銑予備処理スラグ、転炉スラグ及び電炉スラグが生成される。
一般に、スラグは１０００℃以上の温度を有する。よって、スラグはそれが含有している金属（地金）の回収及び再活用のために運搬される前、通常炉の近所で冷却される。このような冷却は、通常処理領域及び冷却時間の短縮のために水冷が行われる。
また、鎔銑予備処理スラグは鎔銑から分離された後、高炉に隣接した指定場所に積み重ねられ、水冷される。

しかし、従来の水冷法は、鎔銑予備処理スラグを内部まで冷却させるのにかかる時間が他のスラグに比べてかなり長いため、水冷処理中に過量の水を消耗しなければならない問題点がある。
鎔銑予備処理スラグを高く積み重ねるよりは広く展開すれば、冷却速度を向上させることができるが、このような処理法はかなり広い空間を必要とする。
したがって、本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、その目的は、他の製鉄スラグと同等またはそれ以上の速い速度で鎔銑予備処理スラグを内部まで完全に冷却させることができる方法を提供することである。
本発明の他の目的は、鎔銑の予備処理においてスラグを経済的に冷却させる方法を提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明は、鎔銑予備処理スラグを水冷する前、積み重ねられた鎔銑予備処理スラグ上に、遊離酸化カルシウム（ｆｒｅｅ−ＣａＯ）を全体重量の１０％以下で含有するとともに活性酸素を含有する溶融状態のスラグを塗布することを含む、鎔銑予備処理スラグの冷却方法を提供する。
この方法において、活性酸素は溶融スラグに含まれた気体酸素及び／またはＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃などの酸化鉄の形態で存在することができ、鎔銑予備処理スラグに塗布されるスラグは転炉スラグであることが好ましい。そして、スラグの塗布厚さは鎔銑予備処理スラグの積重ね高さにかかわらず、５０〜３００ｍｍ程度であることが好ましい。

前述したように設計された鎔銑予備処理スラグの冷却方法によれば、従来の方法に比べて５０％以上速い冷却速度で鎔銑予備処理スラグを常温まで冷却させることができる。
さらに、本発明による方法は製鋼製造工程で発生する転炉スラグを利用することができるので、経済的である。

前記のような鎔銑予備処理スラグ冷却方法は次のような認識から導出された。
一つ目は、鎔銑予備処理スラグ中に含有されている炭素成分が鎔銑予備処理スラグの冷却を妨害することである。すなわち、鎔銑予備処理スラグ中の炭素成分は冷却過程で鎔銑予備処理スラグの表面に析出する。このような炭素析出物は水に対する湿潤性が足りなくて鎔銑予備処理スラグの内部に水が浸透することを妨害する。
二つ目は、鎔銑予備処理のために使用される多量の生石灰のうち、硫黄などと反応せず、スラグに残る生石灰（約１５％以上）が鎔銑予備処理スラグの冷却を妨害することである。すなわち、残留の生石灰（ＣａＯ）は大気中の水分と反応して（ＣａＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）₂）膨脹（約２倍）するとともにスラグを破砕／粉化させる。このように粉化したスラグは緻密であるだけでなく、散水の際に凝集して（スラリー形態になる）鎔銑予備処理スラグの内部への水の浸透を妨害する。一方、生石灰の水化反応過程は発熱過程であり、その反応熱はスラグに散水された冷却水を一部蒸発させる。このような冷却水の蒸発は所要冷却水量を増加させる。

このような理由で、冷却水が積み重ねられた鎔銑予備処理スラグの内部に侵透することができず、その表面に沿って流れて鎔銑予備処理スラグの冷却を遅延させ、さらに冷却水の消耗量が過多になるものである。
したがって、本発明では、冷却水の浸透を阻害する炭素及び遊離ＣａＯ（ｆｒｅｅ−ＣａＯ）の水化反応によって発生したスラグ微粉を鎔銑予備処理スラグ表面から除去するために、遊離酸化カルシウム（ｆｒｅｅ−ＣａＯ）を全体重量の１０％以下で含有するとともに必須的な活性酸素を含有する溶融状態のスラグ、特に転炉スラグを鎔銑予備処理スラグ上に塗布する（以下鎔銑予備処理スラグに塗布されるスラグを単に“塗布スラグ”という）。
ここで、塗布スラグに遊離ＣａＯが１０％より多く含有されるか塗布スラグが溶融相ではない固相の場合、鎔銑予備処理スラグ冷却促進効果は小さい。塗布スラグが溶融相ではない場合、生石灰の水化反応過程によって微粉化したスラグが鎔銑予備処理スラグ表面から十分に除去されず、塗布スラグに遊離ＣａＯが１０％より多く含有された場合、塗布スラグの鎔銑予備処理スラグ粉化遮断機能が低下するか喪失されるからであると判断される。

また、鎔銑予備処理スラグに塗布されたスラグは、後述するような、多孔性構造を形成して、鎔銑予備処理スラグの内部への冷却水浸透を容易にする。
すなわち、塗布スラグ中に含まれた活性酸素（ほとんどが酸化鉄の形態として存在する）は、鎔銑予備処理スラグ表面に析出した炭素と反応して炭素を除去する（ＣＯなどとして除去される）とともに炭素との反応によって発生したガス（ＣＯなど）が塗布スラグ層の上部に放出されながら、塗布スラグ層に多孔性構造を形成する。この際、塗布スラグ層の内部に空隙が形成される程度であってはならず、塗布スラグ層の内部から塗布スラグ層の表面まで連結されたチャネル構造（以下“透過性チャネル”）が形成される程度でなければならない。塗布スラグ層上に散水された冷却水は、このような透過性チャネルを通じて塗布スラグ層の表面から鎔銑予備処理スラグ側に容易に浸透することができる。
多孔性構造を発生させるために塗布スラグ内にはどのくらいの酸素が含まれなければならないかという疑問があるが、 塗布スラグに含まれた活性酸素の量は具体的な操業過程によって変えることができるので、所要酸素量を数量化して提示することは容易でない。ただ、概して塗布スラグが１％以上の酸素を含む場合、本発明で意図する効果は充分に得られると判断される。
本発明によれば、前記のような塗布スラグの条件に最も適合したものは転炉操業過程で発生する転炉スラグである。転炉スラグは酸素を１％以上含み、遊離ＣａＯが塗布スラグ重量の５％以下で存在する。

一方、鎔銑予備処理スラグに塗布される塗布スラグの厚さは５０〜３００ｍｍ程度でなければならない。厚さが小さい場合、炭素除去効果が十分でなく、多孔性表面が得られない。厚さがあまり厚い場合、気泡が外部に放出することができず、塗布スラグ層の内部に捕集されるため、多孔性の塗布スラグ層を得ることができなくなる。
ここで、スラグが塗布される鎔銑予備処理スラグの積重ね高さは重要な要素として作用しない。鎔銑予備処理スラグの積重ね高さが高くても低くても、本発明による塗布スラグによって鎔銑予備処理スラグの表面処理がなされた場合、冷却水は鎔銑予備処理スラグの内部に迅速に浸透することができる。鎔銑予備処理スラグの内部に冷却水が浸透することができないことは、鎔銑予備処理スラグの表面で炭素及び遊離ＣａＯ（ｆｒｅｅ−ＣａＯ）の反応による微粉が水の浸透を妨害するからであり、このような遮断膜を除去すれば、冷却水は透過性チャネルを通じて鎔銑予備処理スラグの内部に容易に浸透することができるものである。

塗布スラグの条件を決定するために、高炉作業で得られた鎔銑を脱黄処理した後、鎔銑からスラグを分離して積み重ね、積み重ねられた鎔銑予備処理スラグに塗布スラグを均一に塗布した後、散水して冷却する過程を繰り返し実施した。
主要観察対象は、１）塗布スラグ内の遊離ＣａＯの含量、２）活性酸素の存在有無、及び３）塗布される物質の相（ｐｈａｓｅ）が鎔銑予備処理スラグに及ぼす影響を確認することであった。
下記の表１は、前記三つの条件がそれぞれ異なる塗布スラグを鎔銑予備処理スラグに２５０ｍｍ塗布した後、鎔銑予備処理スラグを１００℃まで冷却させるのにかかる時間を測定した結果の代表例である。比較例で使用された塗布スラグは脱燐スラグ及び鋳造スラグであり、実施例で使用された塗布スラグは転炉スラグである。比較例１は塗布スラグを使用しないで直接散水して鎔銑予備処理スラグを冷却させた結果である。

前記表１から分かるように、塗布スラグを使用しない場合、鎔銑予備処理スラグの冷却時間は３０時間以上必要であった。
溶融相の塗布スラグを鎔銑予備処理スラグに塗布した場合、鎔銑予備処理スラグの冷却時間は相当に短縮した。この際、比較例５及び６から分かるように、鎔銑予備処理スラグの表面層改質による鎔銑予備処理スラグ冷却時間の短縮のためには、塗布スラグ中に活性酸素が存在する必要があり、塗布スラグは液相ではなければならない。
また、遊離ＣａＯは、塗布スラグ中に１０質量％以下で存在するとき、鎔銑予備処理スラグの冷却に効果的であり（冷却時間５０％程度減少）、５質量％以下で存在するときにもっと効果的であった。遊離ＣａＯが１０質量％より多いときには、冷却時間が多少短縮したが、２０時間以上の多少長い冷却時間を必要とした。

一方、鎔銑予備処理スラグに塗布された塗布スラグの厚さ及び鎔銑予備処理スラグが積み重ねられた高さが、鎔銑予備処理スラグの水冷に及ぼす影響を確認するために、次のような実験を実施した。
具体的に、表１の比較例１の条件を持つスラグ、つまり遊離ＣａＯ５〜１０％、酸素１％以上を含む転炉スラグを鎔銑予備処理スラグに塗布した後、散水し、鎔銑予備処理スラグを１００℃まで冷却させるのにかかる時間を測定した。この際、転炉スラグの塗布厚さ及び鎔銑予備処理スラグの積重ね高さを変化させながら、冷却時間を測定した。その代表的な結果を下記の表２に記載する。

前記表２から分かるように、鎔銑予備処理スラグの積重ね高さは、塗布スラグの塗布厚さと比べて、冷却速度に及ぼす影響は小さかった。その例は、実施例１と実施例３の比較によって確認することができる。すなわち、鎔銑予備処理スラグの積重ね高さが３００ｍｍから１０００ｍｍに増加しても、塗布スラグの塗布厚さを１００〜３００ｍｍ程度に維持する場合、冷却時間の差はほんの１時間程度である。この程度の差は、鎔銑予備処理スラグの積重ね高さが増加したことに比例して冷却すべき鎔銑予備処理スラグの量が増加した結果として当然生じる程度の差であると思われる。このような結果は、本発明によって鎔銑予備処理スラグの表面改質がなされる場合、冷却水はかなり迅速に鎔銑予備処理スラグの内部に浸透するということを表している。
一方、鎔銑予備処理スラグの積重ね高さにかかわらず、塗布スラグの塗布厚さがあまりにも薄くなるか（５０ｍｍ未満）、あまりにも厚い場合（３００ｍｍ超過）には、冷却効率は大きく減少した。このような結果は、塗布スラグの塗布厚さが５０〜３００ｍｍ程度であるとき、好ましくは１００〜３００ｍｍ程度であるとき、透水チャネルが効果的に発生することを表している。

本発明は製鉄工程に適用することができる。特に、本発明によれば、鎔銑予備処理過程で発生するスラグを従来より速かに冷却させることができるので、本発明は製鉄工程の費用節減に寄与する。

Claims (7)

1. 鎔銑予備処理過程で発生したスラグを冷却させる方法において、
   鎔銑予備処理スラグを積み重ねる段階；
   前記積み重ねられた鎔銑予備処理スラグ上に製鉄工程で発生するスラグを塗布する段階；及び
   前記鎔銑予備処理スラグを水冷させる段階を含んでなり、
   その塗布スラグは溶融相のもので、遊離酸化カルシウム（ｆｒｅｅ−ＣａＯ）を全体重量の１０％以下で含み、鎔銑予備処理スラグの表面に存在する炭素と反応して発生する気泡によって、少なくとも塗布スラグに、水の浸透が可能な多孔性構造を形成させることができる程度の活性酸素を含むことを特徴とする、鎔銑予備処理スラグの冷却方法。
2. 前記塗布スラグは、全体重量に対して１％以上の活性酸素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の鎔銑予備処理スラグの冷却方法。
3. 前記塗布スラグは、５０〜３００ｍｍの厚さで鎔銑予備処理スラグ上に塗布されることを特徴とする、請求項１または２に記載の鎔銑予備処理スラグの冷却方法。
4. 前記塗布スラグは、転炉操業過程で発生する転炉スラグであることを特徴とする、請求項１に記載の鎔銑予備処理スラグの冷却方法。
5. 鎔銑予備処理過程で発生したスラグを冷却させる方法において、
   鎔銑予備処理スラグを積み重ねる段階；
   前記積み重ねられた鎔銑予備処理スラグ上に転炉操業過程で発生する溶融状態の転炉スラグを５０〜３００ｍｍの厚さで塗布する段階；及び
   溶融状態の転炉スラグが塗布された鎔銑予備処理スラグ上に冷却水を散水する段階を含んでなることを特徴とする、鎔銑予備処理スラグの冷却方法。
6. 前記転炉スラグは、遊離酸化カルシウム（ｆｒｅｅ−ＣａＯ）を全体重量の１０％以下で含むことを特徴とする、請求項５に記載の鎔銑予備処理スラグの冷却方法。
7. 前記転炉スラグは、全体重量の１％以上の活性酸素を含むことを特徴とする、請求項５または６に記載の鎔銑予備処理スラグの冷却方法。