JP2012056814A

JP2012056814A - スラグの処理方法

Info

Publication number: JP2012056814A
Application number: JP2010203010A
Authority: JP
Inventors: Susumu Mukawa; 進務川; Tomoaki Tazaki; 智晶田崎; Tatsuya Sado; 達也佐渡
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP5517063B2

Abstract

【課題】内部に冷却水供給手段を備えたロータリークーラーによりスラグの冷却を行う高温スラグの冷却処理工程において、同時に、塩基度や温度等スラグの性状の関わりなく、常にスラグに含有される遊離ＣaＯの水和処理を完全に行うことができるスラグの処理方法に関する技術を提供すること。
【解決手段】ロータリークーラー内部に第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段を設け、ロータリークーラーへの投入時に１２５０〜８００℃の温度を有する高温スラグを、第１の冷却水供給手段により４６０〜３００℃まで冷却し、第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段との間で該４６０〜３００℃を一定時間保持した後、２の冷却水供給手段により２００〜１００℃まで冷却したスラグをロータリークーラーから排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、製鋼工程や溶銑予備処理工程において発生する高温のスラグの処理方法に関するものである。

製鋼工程や溶銑予備処理工程からは、１２００℃〜１６００℃の高温スラグが大量に発生する。また通常、製鋼工程における脱硫剤や脱リン剤としてＣａＯを添加するため、これらの高温スラグにはＣａＯが含有されている。

従来はこれらの高温スラグを面積の広いスラグヤードに排出し、大量の散水を行って冷却していた。しかし冷却効率が悪く冷却に長時間を要するうえに、凝固したスラグの表面から発生する粉塵の飛散を防止するために、集塵コストが嵩むという問題があった。

また、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）の高い製鋼スラグでは、含有しているＣａＯの一部が遊離ＣａＯとして存在しており、遊離ＣａＯは水和膨張するため、スラグを路盤材として使用する前処理として、スラグヤードにおける散水により遊離ＣａＯを予め水和させておくことが必要となるが、スラグヤードで大量の散水を行っても水がスラグ内部に均一に到達しにくく、水と接触しないままスラグ中に遊離ＣａＯが残留し、このスラグを路盤材として使用する場合に、遊離ＣａＯが水和膨張などの障害を引き起こすおそれがあった。

これらの問題を解決する手段として、本件出願人は、冷却ピットにおいて１２００〜８００℃まで一時冷却した高温スラグを、内部に冷風吹付け手段と冷却水供給手段とを備えたロータリークーラーに投入し、水冷却と空冷とを併用して３００℃以下まで冷却する技術を開示している（特許文献１）。

しかし、塩基度や温度が各々異なるスラグ性状によっては、特許文献１記載の冷却処理後にもスラグ中に遊離ＣａＯの残留が散見される問題があった。また、遊離ＣａＯの残留により、スラグの利用用途によっては、水浸膨張を回避するために、別途長時間（例えば４８〜９６時間）の蒸気エージング処理が必要となる問題もあった。

特開２００９−１２７０９３号公報

本発明の目的は前記を解決し、内部に冷却水供給手段を備えたロータリークーラーによりスラグの冷却を行う高温スラグの冷却処理工程において、同時に、塩基度や温度等スラグの性状の関わりなく、常にスラグに含有される遊離ＣaＯの水和処理を完全に行うことができるスラグの処理方法に関する技術を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明のスラグの処理方法は、遊離ＣａＯを含有する高温スラグをロータリークーラーに投入して冷却するスラグの処理方法において、ロータリークーラー内部に第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段を設け、ロータリークーラーへの投入時に１２５０〜８００℃の温度を有する高温スラグを、第１の冷却水供給手段により４６０〜３００℃まで冷却し、第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段との間で該４６０〜３００℃を一定時間保持した後、２の冷却水供給手段により２００〜１００℃まで冷却したスラグをロータリークーラーから排出することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のスラグの処理方法において、ロータリークーラーの内部に冷却ガス供給手段を設け、該冷却ガスのガス流れを、ロータリークーラーの上流に向けた向流とし、第２の冷却水供給手段からの冷却水供給によって高温スラグから生じる蒸気を該向流により、４６０〜３００℃で保持されている高温スラグに供給し、該４６０〜３００℃で保持されている高温スラグの水和反応を促進させることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のスラグの処理方法において、遊離ＣａＯの含有率に応じて、ロータリークーラー内における、第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段からの冷却水供給位置を各々変更し、４６０〜３００℃での保持時間を調整することを特徴とするものである。

本発明に係るスラグの処理方法は、ロータリークーラー内部に設けた第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段から、各々、第１次冷却水および第２次冷却水を高温スラグに供給し、ロータリークーラーへの投入時に１２５０〜８００℃の温度を有する高温スラグに冷却水供給を行って、まず４６０〜３００℃まで冷却し、該４６０〜３００℃を一定時間保持した後に、更に冷却水供給を行って２００〜１００℃まで冷却してロータリークーラーから排出する構成を有している。遊離ＣａＯを含有する高温スラグを、４６０〜３００℃で一定時間保持することにより、ロータリークーラー内で高温スラグの冷却処理と同時に、高温スラグに含有される遊離ＣaＯの水和処理を完全に行うことができる。これにより、従来、遊離ＣaＯの残留に起因して、スラグの利用用途によっては、水浸膨張を回避するために、別途長時間（例えば４８〜９６時間）の蒸気エージング処理が必要となっていた問題を解消することもできる。また、当該方法は、従来設備を利用しつつ、冷却曲線の管理手段の追加のみで対応することができるため、大がかりな設備投資が不要である点も利点にあげられる。

なお、遊離ＣａＯの水和反応では下記の反応(化１)が進行し、ここで生成するCa(OH)₂は付着性が高い性質を有するが、本発明ではロータリークーラー内のスラグ温度を１００℃以上に維持することにより、自由水の生成を抑制している。これにより、自由水の生成に伴う毛管力の発生によってスラグがロータリークーラー内壁へ付着することを効果的に防止し、作業性の向上を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、第２の冷却水供給手段からの冷却水の供給によって高温スラグから生じる蒸気を該向流により、４６０〜３００℃で保持されている高温スラグに供給し、該４６０〜３００℃で保持されている高温スラグの水和反応を促進させることにより、効率よく水和処理を行うことができる。

本発明の実施に好適な装置形態を示す図である。本装置による実施例におけるスラグ、ガスの入り口温度、出口温度をもとに、内部の温度分布を推定した結果である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は、本発明の実施形態の説明図であり、ＣａＯを含有する高温のスラグをスラグパン１からピット２に流下させ、先ず一次冷却を行う。本発明で処理対象とする高温のスラグは、炉または鍋から排出された製鋼スラグや溶銑予備処理スラグであり、製鋼スラグには転炉吹錬スラグ、溶銑予備処理スラグには溶銑脱リンスラグ、溶銑脱硫スラグなどが含まれる。

これらの製鋼スラグまたは溶銑予備処理スラグ中には、溶銑中に吹き込まれたＣａＯの微粉末の一部が未反応の遊離ＣａＯとして含有され、その含有率は1〜３０質量％である。なお、炉や鍋から排出されるスラグの温度はスラグの種類により異なるが、一般的には製鋼スラグでは１４００〜１６００℃であり、溶銑予備処理スラグでは１２００〜１４００℃である。

一次冷却を行うピット２の構造は特に限定されるものではないが、ここでは砕石層の上に厚さ０.２５ｍのスラブを敷き詰めた構造を採用している。このほか、冷却ボックスを使用して一次冷却を行うこともできる。高温のスラグはピット２上で均一な厚さに掻き均され、大きな塊や地金を取り除かれる。さらに自由水を発生させない範囲で散水ノズル３から冷却水を噴霧する。このとき、噴霧した冷却水が瞬時に蒸発してスラグから気化熱を奪い、自由水の状態で残留しないようにすることが必要であり、自由水を発生させるとスラグ全体からのアルカリ溶出の問題が生ずるので好ましくない。この一次冷却によって、スラグ温度を８００〜１２５０℃程度にまで降下させる。

次にピット２からパワーショベル等の適宜の機器４によりスラグを取り出し、ロータリークーラーにおいて二次冷却を行う。ロータリークーラーの前段にはホッパー５が設置されている。一次冷却によって８００〜１２５０℃となったスラグは回転ドラム９の上端のホッパー５から投入され、回転ドラム９の回転に連れて徐々にロータリークーラーの出口方向に移動して行く。

二次冷却のための冷却装置として使用するロータリークーラーは、回転ドラム９を水平面に対してわずかに傾斜させた軸線のまわりに回転させ、その内部に冷却水供給配管６および冷風供給用配管７を設けたものである。

冷却水供給配管６は、ロータリークーラーの上流側と下流側の２か所に設けられ、冷却水供給は、上流側の冷却水供給配管６からの第１次冷却水供給と、下流側の冷却水供給配管６からの第２次冷却水供給の２段構成で行う。具体的には、当該構成により、ロータリークーラーへの投入時に１２５０〜８００℃の温度を有する高温スラグを、第１次冷却水供給により４６０〜３００℃まで冷却し、該４６０〜３００℃を一定時間保持した後第２次冷却水供給を行い、第２次冷却水供給により２００〜１００℃まで冷却したスラグをロータリークーラーから排出する。このように、本発明では、第１次冷却水供給後かつ第２次冷却水供給前に、４６０〜３００℃で一定時間保持することにより、遊離ＣａＯを1
〜３０質量％含有する高温スラグにおいて前記(化１)の反応の進行を促している。

なお、遊離ＣａＯの含有率や温度等のスラグ性状に応じて、ロータリークーラー内における、第１次冷却水供給位置および第２次冷却水供給位置を適宜変更し、４６０〜３００℃での保持時間を調整することにより、スラグに含有される遊離ＣａＯを完全に水和反応させることが好ましい。

ここで生成するCa(OH)₂は付着性が高い性質を有するが、本発明ではロータリークーラー内のスラグ温度を１００℃以上に維持することにより、自由水の生成を抑制し、自由水の生成に伴う毛管力の発生によってスラグがロータリークーラー内壁へ付着することを防止している。

冷風供給用配管７は、回転ドラム９の中心を貫通するように設置されており、冷却風を噴出して内部のスラグを冷却する構造のクーラーである。冷却風のガス流れは、ロータリークーラーの上流に向けた向流となっている。

ロータリークーラーの下流側に設けた冷却水供給配管６から高温スラグに向けて第２次冷却水を供給にすると蒸気が生じるが、前記の向流ガス流れを形成することにより、第１次冷却水供給後かつ第２次冷却水供給前に４６０〜３００℃で一定時間保持されている高温スラグに対して、下流側から満遍なく水蒸気を吹付けることができる。更に、回転ドラム内で回転落下しながら下流へ移動する高温スラグ（粒・塊）に、下流側から衝突するように満遍なく水蒸気を吹付けることにより、ロータリークーラーの回転ドラム９の回転運動の作用によって水蒸気と高温スラグを効率良く混合・接触され、水和反応を速やかに促進することができる。水和反応の速やかな促進により、遊離ＣaOの残留による水浸膨張の問題が解消され、また、残留した遊離ＣaOを長時間かけて別途の蒸気エージング処理する工程が省略可能、あるいは処理時間の短縮が可能となるという効果を奏する。

なお、回転ドラム９の外周にも外壁冷却用冷却水配管８が配置されて外部冷却を行うようになっている。

ロータリークーラー内での冷却処理により３００℃以下にまで冷却されたスラグは、コンベヤ１０に排出される。

このように、本発明の高温スラグの処理方法によれば、冷却温度曲線を、塩基度や温度が各々異なるスラグ性状に応じて、各々のスラグにおける遊離ＣａＯの水和反応に最適な条件に管理することにより、従来問題となっていた冷却処理後のスラグにおける遊離ＣａＯの残留による水浸膨張を、冷却曲線の管理という簡便な手法で効果的に回避することができる。

（実施例１）
溶銑予備処理炉から排出された約１３００℃の溶銑予備脱りんスラグを、一次冷却を行うピット２にて地金を分離するとともに１１００℃まで冷却した。次に、図１に示すロータリークーラーに連続的に装入（単位時間あたり５０t/h）し、回転ドラム９内を移動させつつ、空冷および散水による冷却を行った。この際、冷風６５０００Nm³/hを送風して空冷を行うとともに、回転ドラム９外面を１０L/m²/minの割合で冷却水を供給して冷却を行った。回転ドラム９の大きさは、長さ１８m、内径２．８mの鋼製円筒であり、僅かに傾斜させた軸のまわりに回転することでスラグがゆっくりと送られる。なお、本ロータリークーラーのスラグの平均通過時間は２２．５minであった。また、排ガス温度は４００℃に達しており、熱エネルギーとして回収可能である。

本実施例では、ロータリークーラーの上流側より１１．１m〜１２．１mの位置、および１５m〜１６mの位置で、冷却水供給配管６に散水ノズルを設け、各々３．５t/hの冷却水を供給した。その際、内部の温度変化を伝熱モデルで推定した結果、図２(a)に示す温度履歴を辿ったものと推定される。

ロータリークーラーから取り出された処理済みスラグをＪＩＳ法（ＪＩＳＡ５０１５^{−１９９２}）の水浸膨張試験に供し、膨張特性を評価した結果、水浸膨張比は０．５%以下と問題無いレベルであった。特に、（化１）の水和反応が進み易い温度域である３００〜４５０℃の温度範囲を、ほぼ一定の温度で通過するパターンをつくることにより、十分な水和反応が起きたものと推定される。また、この場合、２段目の散水にて生成するH₂O蒸気が前方に流れる向流接触としたことにより、後段の散水で生成した水蒸気が有効に反応したものと思われる。

（実施例２）
溶銑脱硫処理炉から排出された約１３００℃の溶銑脱硫処理スラグを、一次冷却を行うピット２にて地金を分離するとともに１１００℃まで冷却した。次に、図１に示すロータリークーラーに連続的に装入（単位時間あたり５０t/h）し、回転ドラム９内を移動させつつ、空冷および散水による冷却を行った。この際、冷風６５０００Nm³/hを送風して空冷を行うとともに、回転ドラム９外面を１０L/m²/minの割合で冷却水を供給して冷却を行った。回転ドラム９の大きさは、長さ１８m、内径２．８mの鋼製円筒であり、僅かに傾斜させた軸のまわりに回転することでスラグがゆっくりと送られる。

本実施例のスラグは実施例１の脱りんスラグに比べて遊離CaOの含有率が多いため、より水和反応時間を確保するため、ロータリークーラーの上流側より１〜２mの位置、および１５m〜１６mの位置で、冷却水供給配管６に散水ノズルを設け、上流では８．１t/h、下流では４．９t/hの冷却水を供給した。その際、内部の温度変化を伝熱モデルで推定した結果、図２(b)に示す温度履歴を辿ったものと推定される。ロータリークーラーから取り出された処理済みスラグをＪＩＳ法（ＪＩＳＡ 5015^-1992）の水浸膨張試験に供し、膨張特性を評価した結果、水浸膨張比は1%以下と問題無いレベルであった。

（比較例１）
冷却水の供給条件以外は実施例１と同様の条件下で、比較例１を行った。比較例１では、ロータリークーラーの上流側より１ｍ〜２mの位置のみに冷却水供給配管６に散水ノズルを設け、１３．６t/hの冷却水を供給した。この場合、冷却速度が大きく、ロータリークーラーの回転ドラム９の長さが大幅に短縮できる可能性はあるものの、水和反応が不十分となり、水浸膨張比が２%を超えており、４８時間の長時間蒸気エージング処理が必要となった。これは、水和反応が速やかに生じる３００〜４５０℃の温度域を通過する時間が短く、十分な水和反応が進まなかったためと考えられる。

（比較例２）
冷却水の供給条件以外は実施例２と同様の条件下で、比較例２を行った。比較例２では、ロータリークーラーの上流側より１５ｍ〜１６ｍの位置のみに冷却水供給配管６に散水ノズルを設け、大量の冷却水を供給した。その結果、この位置で約５００℃から一気に温度が低下したものと推定されたが、水和反応時間が不十分であったため、水浸膨張比は４%を越えていた。そのため、別途９６時間の長時間蒸気エージング処理が必要となった。

１スラグパン
２一次冷却ピット
３散水ノズル
４スラグハンドリング用重機
５ホッパー
６冷却水供給配管
７冷風供給用配管
８外壁冷却用冷却水配管
９回転ドラム
１０搬出コンベア

Claims

遊離ＣａＯを含有する高温スラグをロータリークーラーに投入して冷却するスラグの処理方法において、
ロータリークーラー内部に第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段を設け、
ロータリークーラーへの投入時に１２５０〜８００℃の温度を有する高温スラグを、第１の冷却水供給手段により４６０〜３００℃まで冷却し、第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段との間で該４６０〜３００℃を一定時間保持した後、２の冷却水供給手段により２００〜１００℃まで冷却したスラグをロータリークーラーから排出することを特徴とするスラグの処理方法。
ロータリークーラーの内部に冷却ガス供給手段を設け、該冷却ガスのガス流れを、ロータリークーラーの上流に向けた向流とし、第２の冷却水供給手段からの冷却水供給によって高温スラグから生じる蒸気を該向流により、４６０〜３００℃で保持されている高温スラグに供給し、該４６０〜３００℃で保持されている高温スラグの水和反応を促進させることを特徴とする請求項１記載のスラグの処理方法。
遊離ＣａＯの含有率に応じて、ロータリークーラー内における、第１の冷却水供給手段と第２の冷却水供給手段からの冷却水供給位置を各々変更し、４６０〜３００℃での保持時間を調整することを特徴とする請求項１または２記載のスラグの処理方法。