JP2011006301A - 製鋼スラグの処理方法及び改質スラグ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】溶銑が保持されている反応容器に装入された製鋼スラグを加熱手段で加熱しながら、SiO2含有改質材および還元用炭素源を添加し、製鋼スラグを溶融改質還元処理する製鋼スラグの処理方法において、溶融改質還元処理を通じて製鋼スラグ中のAl2O3濃度が7質量%以上20質量%以下となるように、Al2O3含有物質を添加し、溶融改質還元処理後の製鋼スラグの塩基度が0.7以上となるようにSiO2含有改質材を添加するようにした。
【選択図】図2
Description
初めに、本発明に係る製鋼スラグの処理方法の概略について説明する。本発明に係る製鋼スラグの処理方法は、製鋼スラグを加熱手段で加熱しながら、製鋼スラグにSiO2含有改質材および還元用炭素源を添加し、製鋼スラグを溶融改質還元処理する方法である。すなわち、本発明に係る製鋼スラグの処理方法では、製鋼スラグを反応容器に装入した後に、加熱手段を用いて加熱して溶融させた製鋼スラグに対してSiO2含有改質材および還元用炭素源を添加し、製鋼スラグを溶融状態で改質及び還元する。なお、製鋼スラグは、種湯として溶銑が保持されている反応容器に装入される。以下、このような本発明に係る製鋼スラグの処理方法に関する各項目について詳細に説明する。
本発明は製鋼スラグを改質処理の対象としており、改質対象の製鋼スラグとしては、特に限定されるものではなく、例えば、脱炭スラグ、溶銑予備処理スラグ、電気炉スラグ等を使用することができる。
また、本発明では、上述したように製鋼スラグを加熱手段により溶融させ、製鋼スラグが溶融した状態で改質処理及び還元処理を行う。このように溶融状態で処理を行うのは、f・CaOの滓化(溶融均一化)やスラグの還元反応を促進するためには、処理対象のスラグが溶融状態であることが有効だからである。以下、この点についてより詳細に説明する。
溶融状態の製鋼スラグにSiO2含有改質材を添加して改質処理を行うことにより、製鋼スラグ中の未反応のf・CaOを滓化させ、滓化したf・CaOとSiO2等との反応によりf・CaOを低減させることができる。したがって、f・CaOの水和反応(Ca+2H2O→Ca(OH)2+H2)による体積膨張を防止することができる。ここで、溶融状態で改質処理を行うのは、溶融温度未満で改質処理を行った場合には、処理前に未滓化のスラグが固相として残存し、固相として高融点の析出相が残存する場合があるため、SiO2との反応が十分に進行せず、安定してf・CaOを減少させることができないためである。
本発明では、溶融状態で製鋼スラグの還元処理を行うことにより、製鋼スラグ中の酸化鉄を低減し(これにより、トータル鉄(以下、「T.Fe」と記載する。)が低減される。)、COガスを主とする気泡の発生を防止することができる。このCOガスの気泡は、転炉などから排出された直後の溶融状態の製鋼スラグ(以下、「溶融スラグ」と記載する場合がある。)中には粒鉄が懸濁しており、この懸濁粒鉄に含まれる炭素と溶融スラグ中の酸化鉄とが反応することにより発生する。そこで、溶融スラグ中の酸化鉄を還元して酸素源である酸化鉄の量を低減させることにより、COガスの発生を防止することができる。
また、本発明では、溶融状態の製鋼スラグを種湯としての溶銑が保持された反応容器に装入する。これにより、製鋼スラグの改質還元反応の際、溶融状態の製鋼スラグの顕熱だけでなく、種湯溶銑の顕熱を利用でき、吸熱反応である還元反応中に一旦溶融したスラグが溶融状態を維持することができる。その結果、上述したように、スラグ中のf・CaOの滓化を促進し、スラグの還元速度を維持し、かつ、COの脱泡速度を維持することもできる。ここで、溶銑が有する顕熱を利用することにより、還元反応(吸熱反応)中もスラグの溶融状態を維持するという観点からは、種湯溶銑の質量は、製鋼スラグの質量の1/4以上であることが好ましく、製鋼スラグと同質量以上であることがさらに好ましく、製鋼スラグの質量の1.5倍以上であることが最も好ましい。製鋼スラグの質量に対し、溶銑の質量が1/4未満である場合には、還元反応中にスラグの温度低下を招き、スラグの溶融状態を維持することが困難となるため、溶銑の質量が製鋼スラグの質量に対して1/4以上であることが好ましい。
本発明では、改質処理および還元処理を行う際に同一の処理温度を維持するために、加熱手段として加熱用バーナー等による加熱手段(以下、「バーナー加熱手段」という。)、または、燃焼用炭材を供給しながらランス等により酸素を吹き込むことによる加熱手段(以下、「酸素ガスを使用する加熱手段」という。)を使用することが好ましい。ここで、上記加熱用バーナーの燃料としては、例えば、重油、液化石油ガス(LPG)などを使用することができる。また、酸素ガスを使用する加熱手段の場合には、燃焼用炭材を燃焼させた際に発生する燃焼熱を利用して製鋼スラグを加熱する。燃焼用炭材は、製鋼スラグの還元処理に使用する還元用炭素源と同一の形態でも異なる形態でもよい。また、燃焼用炭材と還元用炭素源とは、その双方を同一の加熱手段、例えば、粉体溶射バーナーから供給してもよく、異なる加熱手段から、例えば、燃焼用炭材は粉体溶射バーナーから供給し、還元用炭素源は粉体溶射バーナーとは別のスラグ上面側に設置したパイプから供給してもよい。
また、改質還元処理の際、上述したような加熱はスラグ上面側から行われるため、スラグ上面側では改質反応や還元反応が十分に進む一方で、スラグ下面側(溶銑側)ではスラグ上面側からの加熱の効果が及びにくいため、改質反応や還元反応が十分に進まないことがある。そこで、改質還元処理中の製鋼スラグを均熱化するため、製鋼スラグ中に上吹きランス等からガスの吹込みを行って、処理中のスラグを撹拌するようにしてもよい。このような撹拌に使用するガス種としては、例えば、アルゴンなどの不活性ガスを使用することができるが、スラグに燃焼用炭材が供給される場合には、撹拌用ガスとして酸素を含むガスを使用することにより、撹拌用の酸素含有ガスが燃焼用炭材を燃焼させることができるため、スラグ撹拌と同時にスラグ温度の維持を効率的に行うことができる。
また、本発明において、SiO2含有改質材は、改質処理において、製鋼スラグの塩基度(CaO/SiO2の質量比)を低減するために、製鋼スラグに添加される。このようなSiO2含有改質材としては、ケイ酸を含有しているものであれば特に限定はされないが、SiO2含有量が50質量%以上のものが好ましく、例えば、石炭灰、ケイ砂などが例示できる。なお、SiO2含有改質材について、SiO2成分の残部は主にAl2O3成分である場合が多い。また、SiO2含有改質材のサイズについては、特に限定はされない。
コークス供給速度(kg/h)
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(「%CO」及び「%CO2」は、それぞれ、排ガス中のCO濃度およびCO2濃度(体積%)を表す。)
また、本発明に係る製鋼スラグの処理方法では、溶融状態の製鋼スラグにAl2O3含有物質を添加することが必要である。このようなAl2O3含有物質としては、アルミナを含有しているものであれば特に限定はされないが、例えば、石炭灰、ボーキサイト、赤泥、アルミナ耐火物屑などが例示できる。本発明者らの検討によれば、Al2O3含有物質の添加により、改質還元処理において、製鋼スラグの粘度を低下させ、これにより、製鋼スラグ中の酸化鉄やP2O5等の酸化物の還元反応の反応速度を向上させて、製鋼スラグの改質還元処理に要する時間を短縮するために添加される。
誘導溶解炉にて15kgの溶銑を溶解した後、2kgの溶銑予備処理スラグを添加し、FeO量の経時変化を調査した。本実験においては、還元用の炭素源は添加せず、溶銑中のC(炭素分)による還元速度で評価した。また、本実験では、溶解炉内への熱供給は誘導加熱によって行い、処理温度は1450℃で一定に保持した。また、浴内にArガスを吹き込むことにより攪拌を行った。
−d[FeO]/dt = k・t
種湯溶銑100tを保持する転炉型反応容器に、SiO2含有改質材として使用する5〜10mm径の石炭灰2t、Al2O3含有物質として使用する5〜20mm径に粉砕したアルミナ系耐火物屑、還元用炭素源として使用する10〜50mm径のコークス3.3tを事前に一括投入した。その後、溶銑予備処理スラグ20tを溶融状態のまま転炉型反応容器に装入した。なお、石炭灰の投入量は、転炉型反応容器に装入する前の溶銑予備処理スラグを採取し、蛍光X線分析装置にて組成を分析し、目標とするCaO/SiO2の比1.2とするのに必要なSiO2量を算出することにより決定した。また、アルミナ系耐火物屑は、改質還元処理後のスラグ中のAl2O3濃度を変化させるため、変数とした。改質還元処理後のAl2O3濃度として5質量%〜42質量%に変化させた。
コークス供給速度(kg/h)
=(%CO+%CO2)/100×Q/22.4×12/(コークス中の炭素割合)
(「%CO」及び「%CO2」は、それぞれ、排ガス中のCO濃度およびCO2濃度(体積%)を表す。)
本発明において、以上説明したような還元処理のために使用する還元用炭素源や燃焼用炭素源としては、主にコークスを使用することができるが、これには限られず、例えば、廃プラスチック、バイオマス、パルプ屑等の炭素質廃棄物などを使用することもできる。かかる炭素質廃棄物は、還元用炭素源または燃焼用炭素源のいずれか一方として使用してもよく、還元用炭素源および燃焼用炭素源の双方に使用してもよい。
以上、本発明に係る製鋼スラグの処理方法について詳細に説明したが、続いて、上述した改質還元処理により得られる本発明に係る改質スラグについて詳細に説明する。
(i)Al2O3濃度が7質量%以上20質量%以下
(ii)塩基度が0.7以上
<Al2O3濃度について>
また、上記(i)の条件については、Al2O3濃度が7質量%未満であると、スラグの粘度が高く、スラグ中の酸化鉄やP2O5等の酸化物の還元速度が遅くなるために、改質還元処理に要する時間が長くなり、生産効率が低下するため、Al2O3濃度を7質量%以上とした。一方、Al2O3濃度が20質量%を超えると、一旦低下したスラグの粘度が再び高くなり、スラグ中の酸化鉄やP2O5等の酸化物の還元速度が遅くなるために、改質還元処理に要する時間が長くなり、生産効率が低下するとともに、改質還元処理後の製鋼スラグ中に還元剤として添加した炭素分が残留しやすくなるため、処理後の改質スラグの強度が低下するため、Al2O3濃度を20質量%以下とした。また、Al2O3濃度の下限値について、FeO等の還元速度の向上効果および改質スラグの強度の向上効果をより確実に奏するようにするためには、改質スラグ中のAl2O3濃度が8質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがさらに好ましい。一方、Al2O3濃度の上限値について、FeO等の還元速度の向上効果および改質スラグの強度の向上効果を維持しながら、よりコストを低減させるという観点から、改質スラグ中のAl2O3濃度が19質量%以下であることが好ましく、18質量%以下であることがさらに好ましい。
また、上記(ii)の条件については、改質スラグが、上層路盤材、コンクリート用骨材、石材原料(割栗石等)、砥砂等の高級用途に十分使用可能な強度となるように、改質スラグの塩基度を0.7以上と規定した。
また、本発明に係る改質スラグの組成としては、改質スラグ中のS濃度が0.7質量%以下であることが好ましく、0.6質量%以下であることがより好ましく、0.5質量%以下であることがさらに好ましい。このように、改質スラグ中のS濃度を0.7質量%以下とする組成は、本発明に係る改質スラグを得るための溶融改質還元処理の際に、加熱手段として酸素を使用する加熱手段を用いることにより実現することができる。
また、本発明に係る改質スラグの組成としては、改質スラグ中のT.Feの濃度が1質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以下であることがより好ましい。ここで、「T.Feの濃度」とは、スラグ中に含まれるFeO、Fe2O3及び金属鉄の合計の濃度のことを意味する。T.Feの濃度が1質量%以下とすることにより、上述したように、COガスを主とする気泡の発生を抑制すること、スラグを白色化または透明化してスラグの高付加価値化を図ること等の効果が得られる。
また、本発明に係る改質スラグの組成としては、改質スラグ中のMgO濃度が15質量%以下であることが好ましい。MgO濃度が高過ぎると、MgOの体積膨張による影響(微小な亀裂や開気孔の発生等)が懸念されるためである。
種湯溶銑100tを保持する転炉型反応容器に、SiO2含有改質材として使用する5〜10mm径の石炭灰2t、Al2O3含有物質として使用する5〜20mm径に粉砕したアルミナ系耐火物屑2t、還元用炭素源として使用する10〜50mm径のコークス3.3tを事前に一括投入した。その後、溶銑予備処理スラグ20tを溶融状態のまま転炉型反応容器に装入した。なお、石炭灰の投入量およびアルミナ系耐火物屑の投入量は、転炉型反応容器に装入する前の溶銑予備処理スラグを採取し、蛍光X線分析装置にて組成を分析し、目標とするCaO/SiO2の比1.2およびAl2O3濃度15質量%とするのに必要なSiO2量およびAl2O3量を算出することにより決定した。また、コークスは、炭素分で転炉型反応容器に装入した溶銑予備処理スラグの質量100質量%に対して外数で15質量%となる添加量とした。
コークス供給速度(kg/h)
=(%CO+%CO2)/100×Q/22.4×12/(コークス中の炭素割合)
(「%CO」及び「%CO2」は、それぞれ、排ガス中のCO濃度およびCO2濃度(体積%)を表す。)
種湯溶銑100tを保持する転炉型反応容器に、SiO2含有改質材として使用する5〜10mm径の石炭灰2t、Al2O3含有物質として使用する5〜20mm径に粉砕したアルミナ系耐火物屑5.1t、還元用炭素源として使用する10〜50mm径のコークス3.3tを事前に一括投入した。その後、溶銑予備処理スラグ20tを溶融状態のまま転炉型反応容器に装入した。なお、石炭灰の投入量およびアルミナ系耐火物屑の投入量は、転炉型反応容器に装入する前の溶銑予備処理スラグを採取し、蛍光X線分析装置にて組成を分析し、目標とするCaO/SiO2の比1.2およびAl2O3濃度25質量%とするのに必要なSiO2量およびAl2O3量を算出することにより決定した。また、コークスは炭素分で転炉型反応容器に装入した溶銑予備処理スラグの質量100質量%に対して外数で15質量%となる添加量とした。
種湯溶銑100tを保持する転炉型反応容器に、SiO2含有改質材として使用する5〜10mm径の石炭灰2t、Al2O3含有物質として使用する5〜20mm径に粉砕したアルミナ系耐火物屑0.3t、還元用炭素源として使用する10〜50mm径のコークス3.3tを事前に一括投入した。その後、溶銑予備処理スラグ20tを溶融状態のまま転炉型反応容器に装入した。なお、石炭灰の投入量およびアルミナ系耐火物屑の投入量は、転炉型反応容器に装入する前の溶銑予備処理スラグを採取し、蛍光X線分析装置にて組成を分析し、目標とするCaO/SiO2の比1.2およびAl2O3濃度6質量%とするのに必要なSiO2量およびAl2O3量を算出することにより決定した。また、コークスは炭素分で転炉型反応容器に装入した溶銑予備処理スラグの質量100質量%に対して外数で15質量%となる添加量とした。
Claims (6)
- 溶銑が保持されている反応容器に装入された製鋼スラグを加熱手段で加熱しながら、前記製鋼スラグにSiO2含有改質材および還元用炭素源を添加し、前記製鋼スラグを溶融改質還元処理する製鋼スラグの処理方法において、
前記溶融改質還元処理を通じて前記製鋼スラグ中のAl2O3濃度が7質量%以上20質量%以下となるようにAl2O3含有物質を添加し、
前記溶融改質還元処理後の前記製鋼スラグの塩基度が0.7以上となるように前記SiO2含有改質材を添加することを特徴とする、製鋼スラグの処理方法。 - 前記加熱手段として、酸素ガスを使用する加熱手段を用いることを特徴とする、請求項1に記載の製鋼スラグの処理方法。
- 溶銑が保持されている反応容器に装入された製鋼スラグを加熱手段で加熱しながら、前記製鋼スラグにSiO2含有改質材および還元用炭素源を添加し、前記製鋼スラグを溶融改質還元処理して得られる改質スラグであって、
前記改質スラグ中のAl2O3濃度が7質量%以上20質量%以下であり、
前記改質スラグの塩基度が0.7以上であることを特徴とする、改質スラグ。 - 前記改質スラグ中のS濃度が0.7質量%以下であることを特徴とする、請求項3に記載の改質スラグ。
- 前記改質スラグ中のトータル鉄の濃度が1質量%以下であることを特徴とする、請求項3または4に記載の改質スラグ。
- 前記改質スラグ中のMgO濃度が15質量%以下であることを特徴とする、請求項3〜5のいずれかに記載の改質スラグ。
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