JP2013177292A - 凝固スラグの熱回収システムおよび熱回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凝固スラグから顕熱を容易に回収可能な凝固スラグの熱回収システムおよび熱回収方法を提供すること。
【解決手段】連続的に搬送される鋳型に高炉から得られた溶融スラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグ５の上面および下面それぞれに対して異なる凹凸形状を付与し、凹凸形状を付与された凝固スラグ５を熱回収装置６に装入することにより、凝固スラグ５の顕熱を回収する。これにより、スラグの凝固厚を薄くするとともに凝固スラグ５を熱回収装置６に充填した際にもガスの流路を確保できるので、凝固スラグ５から顕熱を回収し易くなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、鉄鋼製造プロセス等で排出されるスラグ（鉱滓）を凝固成形した凝固スラグの顕熱を回収する凝固スラグの熱回収システムおよび熱回収方法に関する。

鉄鋼製造プロセスで排出されるスラグは、水砕処理または徐冷処理などを経て、水砕砂やスラグ骨材として利材化されている。一方、溶融スラグの顕熱は、銑鉄トン当たり０．５ＧＪほどの大きさを有することから、溶融スラグの顕熱を回収できれば、大きな省エネルギー効果が期待できる。このため、スラグの利材化と同時にスラグの顕熱を回収して利用する技術も期待されている。

スラグの顕熱を回収する方法として、特許文献１には、鋳滓機を用いて溶融スラグを比較的肉厚な形状に凝固成形し、熱回収装置に凝固スラグを高温の状態で挿入して顕熱を回収する方法が記載されている。スラグを肉厚に凝固成形した場合、スラグ単位体積当りの表面積が小さくなるため、凝固スラグが保温されやすく、搬送等による凝固スラグの温度低下が抑えられ、高温で熱回収装置に供給することができる。また、厚みを有するため、凝固スラグの板厚（凝固厚）の中心が高温のまま保持されやすく、高い顕熱を有する状態で熱回収装置に供給することができる。

特開昭５７−１８２０８６号公報

しかしながら、一般にスラグの熱伝導率が低いため、特許文献１記載の方法のように溶融スラグを比較的肉厚な形状に凝固成形すると、スラグ内部の熱伝導律速から、熱回収装置においてスラグの表面の温度がスラグの内部の温度よりも大幅に低下する。その結果、熱回収の媒体であるガスの温度が低下してしまう。一方、スラグの内部は冷えにくいため、熱回収装置で十分にスラグを冷却することができずにスラグの排出時の温度が高くなり、熱回収率が低下する。

なお、このような問題点を解決するために、スラグの凝固厚を薄くすることが考えられる。しかしながら、スラグの凝固厚を薄くした場合、多数の平坦な板状の凝固スラグを熱回収装置に装入、充填した際、互いに密着した積層部分が多数発生し、熱を奪いにくくなる。このため、スラグの凝固厚を薄くしただけでは熱回収率を高めることができない。加えて、スラグの凝固厚を薄くし過ぎると、熱回収後に破砕した凝固スラグに形状不良が生じ、回収するスラグ骨材の歩留まりが悪化する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、凝固スラグから容易に顕熱と良好な形状のスラグ骨材とを回収可能な凝固スラグの熱回収システムおよび熱回収方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る凝固スラグの熱回収システムは、連続的に搬送される鋳型に高炉から得られた溶融スラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグの上面および下面のそれぞれに対して異なる凹凸形状を付与する鋳滓機と、前記鋳滓機により凹凸形状を付与された凝固スラグの顕熱を回収する熱回収装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る凝固スラグの熱回収システムは、上記発明において、前記鋳型の底部に少なくとも１箇所以上設けられた凸状隆起部により、前記凝固スラグの下面に凹凸形状を付与することを特徴とする。

また、本発明に係る凝固スラグの熱回収システムは、上記発明において、前記鋳型内のスラグ上面に対して成形工具を機械的に押し込む操作により前記凝固スラグの上面に凹凸形状を付与することを特徴とする。

また、本発明に係る凝固スラグの熱回収システムは、上記発明において、前記凝固スラグの表面温度が３００℃以上である状態で熱回収装置に凝固スラグを装入することを特徴とする。

また、本発明に係る凝固スラグの熱回収方法は、連続的に搬送される鋳型に高炉から得られた溶融スラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグの上面および下面のそれぞれに対して異なる凹凸形状を付与する形状付与ステップと、前記形状付与ステップにより凹凸形状を付与された凝固スラグの顕熱を回収する熱回収ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、スラグの凝固厚を薄くするとともに凝固スラグを熱回収装置に充填した際にガスの流路を確保できるので、凝固スラグから顕熱を容易に回収することができる。また、熱回収後に破砕した凝固スラグから良好な形状のスラグ骨材を回収することができる。

図１は、本発明の一実施形態の熱回収システムの概略構成を示す図である。 図２は、１箇所の凸状隆起部を有する鋳型を示す模式図である。 図３は、本実施の形態の凝固スラグを熱回収装置に装入し充填した状態を示す模式図である。 図４は、平坦な板状の凝固スラグを熱回収装置に装入し充填した状態を示す模式図である。 図５は、鋳型内のスラグの上面に機械的に凹凸を成形する成形工具の形状および配置を示す模式図である。 図６は、鋳型内のスラグの上面に機械的に凹凸を成形する成形工具の形状および配置を示す模式図である。 図７は、熱回収率を算出するシミュレーションのモデルを示す図である。 図８は、熱回収率を算出するシミュレーションのモデルを示す図である。 図９は、熱回収率を算出するシミュレーションの条件を示す図である。 図１０は、熱回収率を算出するシミュレーションの結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

まず、図１を参照して本実施の形態の凝固スラグの熱回収システムの概略構成について説明する。図１に示すように、熱回収システム１は、移動式の鋳型２１を設けた鋳滓機２と、鋳型２１に高炉からの溶融スラグ３を供給する供給装置４と、鋳型２１から排出された凝固スラグ５を装入してスラグの顕熱を回収する熱回収装置６とを備える。

鋳型２１は、その底部に少なくとも１箇所の凸状隆起部を有する。図２は、１箇所の凸状隆起部を有した鋳型２１を示す模式図である。図２に点線で囲んで示す凸状隆起部ａにより、凝固スラグ５の下面（底面）に凹凸形状（板厚差）を付与して部分的に凝固厚を薄くすることができる。なお、図２では、鋳型２１底部の最小高さ位置（隆起のない部分）からの高さＨが３ｍｍ超の領域を凸状隆起部ａとする。

このように凹凸形状が付与された凝固スラグ５を熱回収装置６に装入し充填して凝固スラグ５の顕熱を回収する。凝固スラグ５は、その表面温度を３００℃以上で装入するものとする。これにより、例えば凝固スラグ５の顕熱を蒸気として回収する場合、工場で使用する１０ｋｇ／ｃｍ^２低蒸気圧（１８０℃飽和蒸気）以上の蒸気条件にて回収が可能となる。

図３は、凹凸形状が付与された凝固スラグ５を熱回収装置６に装入し充填した状態を示す模式図である。図４は、平坦な板状の凝固スラグを熱回収装置６に装入し充填した状態を示す模式図である。図４に示すように、平坦な板状の凝固スラグを熱回収装置６に充填すると、互いに密着して積層する部分ｂ（斜線部）が多く発生するため、熱回収のガスの流路を確保しづらく、顕熱を回収しにくい。これに対し、凹凸形状が付与された凝固スラグ５を熱回収装置６に充填すると、図３に示すように、積層部分にも隙間が生じ、熱回収のガスの流路を確保できるため、熱回収率が向上する。

なお、図２に、この鋳型２１で成形される凝固スラグ５から採取できる粒子Ｂを模式的に示す。このように部分的に凝固厚を薄くすることで、凝固スラグ５から破砕処理および篩い分け等を行なってスラグ骨材を製造する際に、凝固厚の厚い部分から粗粒を採取でき、凝固厚の薄い部分から細粒を採取できる。

また、この鋳型２１には、底部の最小高さ位置（隆起のない部分）からの高さＨが０〜３ｍｍである低位部の幅Ｙが、凝固スラグ５の最大凝固厚の目標値Ｔｍａｘ以下になるように、鋳型２１の側壁部Ｄ（および、複数の凸状隆起部ａがある場合には凸状隆起部ａ）に近接して配置されている。したがって、図２に示す鋳型２１によれば、鋳型２１周辺部で冷却が促進されるため、鋳型２１周辺部に隣接した位置を最も凝固しにくい粗粒Ｂを採取する位置として設定することにより、凝固厚の違いによる凝固・冷却時間のばらつきが緩和され、スラグ骨材の材質の均一化を図ることができる。

なお、鋳型２１の低位部（最小高さ位置からの高さＨが０〜３ｍｍ位置）の幅Ｙが凝固スラグの最大凝固厚の目標値Ｔｍａｘより大きくなると、採取される粗粒Ｂのサイズが要求される粒度の上限より大きくなるので、２次破砕が必要となるため、２次破砕後の粗粒比率を高位に制御できず、破砕コストもかさむ。

ＪＩＳ＿Ａ５０１１−１で規定される粗骨材２００５の粒径分布によれば、粒径２０〜２５ｍｍの粗粒の必要量は１０mass％以下と小さく、粒径１５〜２５ｍｍの粗粒の必要量は１５〜４５mass％程度とされる。上記の鋳型２１により成形される凝固スラグ５の凝固厚の厚い部分と凝固厚の薄い部分との比率が、必要とされる粒度分布に合うように鋳型２１の凹凸形状を設計すれば、必要量の粗粒と細粒とを採取できる。その結果、この凝固スラグ５から適正な形状および粒度分布のスラグ骨材を製造することができる。

なお、粒径２０〜２５ｍｍの粗粒の必要量は、個数比に換算すると全体の個数に対して１０分の１程度と小さく、質量比でも５０％に満たない程度なので、部分的に凝固スラグ５の凝固厚を薄くして粗粒の採取可能な部分を減らしても特に問題は無い。

ところで、上記のように底部に凸状隆起部を有する鋳型２１には、熱応力による鋳型２１の破損を起こり難くするため、凝固スラグ５の下面には曲線からなる比較的緩やかな凸形状とすることが望ましい。そこで、スラグとの接触時間が長く熱負荷が大きい鋳型２１を緩やかな凸形状として、凝固スラグ５の下面に板厚分布のみを付与する。一方、スラグとの接触時間が短く熱負荷が小さい成形ロール２２に配置した成形工具の先端を鋭角のノッチ形状として、凝固スラグ５の上面に急峻な凹凸を付与する。

そこで、本実施の形態の熱回収システム１は、鋳型２１の搬送に応じて上下昇降可能な成形ロール２２を備え、鋳型２１内のスラグの上面に機械的に凹凸を成形する。図５および図６に成形ロール２２のスラグに接する部分（押し込み面）の断面図を例示するように、本実施の形態の成形ロール２２には、凝固スラグ５に機械的な押し込みにより凹凸形状を付与する凸形状の成形工具７を複数並列配置させて、山−谷の繰り返し形状が設けられている。凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する成形工具７の幅Ｗと、凝固スラグの下面に凹凸形状を付与する鋳型２１底部の凸状隆起部ａの幅（鋳型２１底部の最小高さ位置からの高さＨが３ｍｍ超の領域の幅）Ｃとの関係を、Ｃ＞Ｗとするとともに、成形工具７の先端が鋭角のノッチ形状を有し、鋳型２１の底部が曲線からなる形状を有することが好ましい。なお、押し込み面に配置する複数の成形工具７は、図５に示すように連続して配置してもよいし、図６に例示するように間隔をおいて配置してもよい。そして、これらの組み合わせ効果により、凝固スラグ５を破砕した場合に必要とされる粒度分布のスラグ骨材を採取できるように、凹凸形状を凝固スラグ５に付与することができる。

本実施の形態の成形ロール２２は、鋳型２１の凸状隆起部ａの形状から粗粒を採取する鋳型２１の水平方向の位置と細粒を採取する鋳型２１の水平方向の位置とを予め決めておき、凸状隆起部ａの直上のスラグの上面に対して、細粒を採取するように成形ロール２２で凹凸を成形する。すなわち、鋳型２１でのスラグの凝固厚が薄くなる位置ほど成形ロール２２により付与する凹凸形状の間隔を小さくするよう、成形工具７の間隔（隣合う成形工具７の山と山との間隔）Ｘ（Ｘ_１，Ｘ_２，Ｘ_３，・・・）を小さくする。これにより、凝固スラグ５から得られるスラグ骨材の粗粒から細粒までの粒径分布の制御を上下両面から行うことができる。

このような鋳型２１および成形ロール２２によれば、凝固スラグ５に凹凸形状が付与されることで凝固スラグ５の表面積が拡大し、凝固スラグ５から顕熱を回収し易くなる。また、熱回収装置６のスラグ充填槽内に凝固スラグ５が積層した際にも、ガスが充填槽内を流れ易くなるので、熱回収効率が大幅に向上する。また、凝固スラグ５の上面および下面に対してそれぞれ異なる形状の凹凸形状を付与することで、鋳型２１の熱負荷を抑えながら、スラグ骨材の形状および粒度分布を直接的に造り込むことができるので、２次破砕が不要となり、スラグの凝固厚を必要以上に厚くすることなく低コストでスラグ骨材を得ることができる。

以上、説明したように、本実施の形態の熱回収システム１によれば、スラグの凝固厚を薄くするとともに凝固スラグ５を熱回収装置６に充填した際にもガスの流路を確保できるので、凝固スラグ５から顕熱を容易に回収することができる。加えて、顕熱を回収した後の凝固スラグから形状および粒度分布が良好なスラグ骨材が得られるので、スラグを効率よく利材化できる。

なお、鋳型２１は、金属製のもの、内面キャスタブル施工など、複層化して耐熱・断熱仕様とした構造のものなどが適用可能である。また、スラグの上面に凹凸形状を付与する成形手段は、成形ロール２２に限らず、例えばプレス状に上下昇降する加工方式や、自重で押し付け成形を行う方式の成形工具などでもよい。その場合、成形手段の凹凸形状は、鋳型２１でのスラグの凝固厚が薄くなる位置ほど凹凸形状の間隔Ｘが小さくなるように配置される。

上記実施の形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。

（実施例）
本発明の実施例として以下のような計算を行った。先ず、凹凸成形を行わないケースとして、凝固厚２５ｍｍ×幅１５０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの板状の凝固スラグＡ０を熱回収装置に装入して顕熱を回収し、熱回収のガスの温度および熱回収率を算出するシミュレーションを行なった。シミュレーションにあたり、凝固スラグＡ０を１０００℃で熱回収装置に装入して５ｍの高さに積層させ、１ｔ／ｍｉｎのピッチでスラグの装入および排出を繰り返しながら２５℃の空気（ガス）１０万Ｎｍ^３／ｈを向流方式で送風して熱交換を行なうものと仮定した。

次に、凹凸成形を行ったケースを示す。凝固スラグＡ０に付与する凹凸形状は、モデルの簡易化のため、２次元の凹凸形状のみとした。また、スラグ骨材の粒径分布として粗骨材２００５（粒径範囲２０ｍｍ〜５ｍｍ）を想定し、上面に凹凸形状を付与した凝固スラグＡ１、および下面に凹凸形状を付与した凝固スラグＡ２としてそれぞれ計算した。この計算のベースとなる凝固厚は、凹凸付与をした場合には２次破砕が不要になるため、骨材粒径範囲の最大値である２０ｍｍとし、上記の凹凸成形を行わないケースより薄くした。

図７は、上面に凹凸形状を付与した凝固スラグＡ１のシミュレーションモデルを示す図である。このモデルの上面には、図７に示すように、１０ｍｍの正三角形状のノッチが７箇所付与されている。このように上面に凹凸形状が付与された凝固スラグ（凝固厚の平均は１４．５ｍｍ）Ａ１の熱回収率は、計算を簡略化するため、凹凸形状が付与された凝固スラグと表面積が一致する凝固厚１４．５ｍｍの平板形状の凝固スラグＡ１’と等価と仮定する。

図８は下面に凹凸形状が付与された凝固スラグＡ２のシミュレーションモデルを示す図である。このモデルの下面には、図８に示すように、高さ７ｍｍの緩やかな台形状の鋳型形状が付与されている。このように下面に凹凸形状が付与された凝固スラグ（凝固厚の平均は１６ｍｍ）Ａ２の熱回収率は、計算を簡略化するため、凹凸形状による表面積の拡大は考慮せず、凝固厚１６ｍｍの平板形状の凝固スラグＡ２’と等価と仮定する。

上記の３つの凝固スラグについて、熱回収率を算出するシミュレーションを行った。図９にシミュレーション条件を示す。図１０は、シミュレーション結果を示す。図１０に示すように、上面に凹凸形状を付与した凝固スラグＡ１’（Ｃａｓｅ２）および下面に凹凸形状を付与した凝固スラグＡ２’（Ｃａｓｅ３）の方が、凹凸形状を付与する前の凝固スラグＡ０（Ｃａｓｅ１）に比べて顕熱を回収したガスの温度（熱回収ガス温度）が高くなっており、熱回収後の凝固スラグの温度（スラグ排出温度）が十分に低下することで熱回収率も向上している。

なお、図１０は、上記のとおり、凝固スラグに凹凸形状を付与したモデル（Ａ１，Ａ２）を、凝固厚を一様に低減させた平板形状のモデル（Ａ１’，Ａ２’）に換算して熱回収率を算出している。ただし、実際には凹凸形状を付与した凝固スラグを熱回収装置６に充填した際にガスの流路を確保できることによる効果も得られる。したがって、図１０に示す結果より、さらに熱回収ガス温度が上昇し、熱回収率も向上する。

１ 熱回収システム
２ 鋳滓機
２１ 鋳型
２２ 成形ロール
３ 溶融スラグ
４ 供給装置
５ 凝固スラグ
６ 熱回収装置
７ 成形工具

Claims (5)

1. 連続的に搬送される鋳型に高炉から得られた溶融スラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグの上面および下面のそれぞれに対して異なる凹凸形状を付与する鋳滓機と、
   前記鋳滓機により凹凸形状を付与された凝固スラグの顕熱を回収する熱回収装置と、
   を備えることを特徴とする凝固スラグの熱回収システム。
2. 前記鋳型の底部に少なくとも１箇所以上設けられた凸状隆起部により、前記凝固スラグの下面に凹凸形状を付与することを特徴とする請求項１に記載の凝固スラグの熱回収システム。
3. 前記鋳型内のスラグ上面に対して成形工具を機械的に押し込む操作により、前記凝固スラグの上面に凹凸形状を付与することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の凝固スラグの熱回収システム。
4. 前記凝固スラグの表面温度が３００℃以上である状態で熱回収装置に凝固スラグを装入することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の凝固スラグの熱回収システム。
5. 連続的に搬送される鋳型に高炉から得られた溶融スラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグの上面および下面のそれぞれに対して異なる凹凸形状を付与する形状付与ステップと、
   前記形状付与ステップにより凹凸形状を付与された凝固スラグの顕熱を回収する熱回収ステップと、
   を含むことを特徴とする凝固スラグの熱回収方法。

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