JP2013543473A - 溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法 - Google Patents

Abstract

溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法において、溶融スラグの温度を1400℃-1500℃に制御して、温度制御鋳造成形を進行する段階と、成形されたスラグを800℃-1000℃の温度でかつ非還元性雰囲気において1−5時間保温し、また2−5時間以内に徐々に室温まで温度を下げて、還元石材原料を得る段階とを含む。当該方法は、高炉スラグの総合利用のために、省エネかつ高効率的なルートを提供し、製造された還元石材原料は色の安定性、耐摩耗性、圧力性、無剥離性、小さい膨張係数及び低い収縮率などの特性を有する。
【選択図】 なし

Description

本発明は無機非金属材料の分野に関し、特に溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法に関する。

鉄冶金における廃棄スラグの産量が多く、廃棄スラグに対する総合的な利用が困難であるため、環境に深刻な悪影響を与えており、産業の発展を制約している。従来、これらの廃棄スラグの処理方法として、1500−1600℃のスラグが排出された後、水で冷却し（製造上「水砕」と称する）、その後、水中からスラグを取り出して、乾燥、粉末化してセメントの生産に用いる。しかし、この工程によって一部の廃スラグしか処理できず、しかも処理において廃水、廃ガスが生じ、高炉スラグに含まれる大量の顕熱が無駄になるだけでなく、環境に悪影響を与える原因になっているのが厳しい問題となっていた。

従来、高炉スラグを総合的に利用するための生産と研究はすべて上記の水砕後の廃スラグを対象として行うため、廃スラグの冷却に用いられる生水（fresh water）の消費問題があり、スラグに含まれる熱エネルギーも十分に利用できず、かつ二次廃棄物が生じ、しかも廃スラグを全て処理することもできない。

よって、大量のスラグを有用なものにする方法の提出が課題となっていた。

本発明の目的は、溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法を提供することである。

上述の目的を実現するために、本発明は溶融スラグの温度を1400℃-1500℃に制御して、温度制御鋳造成形を進行する段階と、成形されたスラグを800℃-1000℃の温度でかつ非還元性雰囲気において1−5時間保温し、また2−5時間以内に徐々に室温まで温度を下げて、還元石材原料を得る段階とを含み、その中で、前記溶融スラグの成分は10−40wt%のAl₂O₃、5−25wt%のMgO、10−50wt%のSiO₂、10−40wt%のCaO、0.1−5wt%のTiO₂、0.1−5wt%のFeO、0.1−5wt%のMnOであることを特徴とする溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法を提供する。より具体的にいうと、降温速度は1.5−10℃/分であるのが好ましい。

本発明の実施例において、温度制御鋳造成形の段階の前に、溶融スラグを保温・調質池に入れ、前記スラグの温度を1450℃-1600℃に維持させ、製品の要求によって、溶融スラグについて成分及び/又は色を調整する。

本発明の実施例において、前記溶融スラグの成分は、10−20wt%のAl₂O₃、5−10wt%のMgO、20−35wt%のSiO₂、20−30wt%のCaO、0.1−5wt%のTiO₂、0.1−5wt%のFeO、0.1−5wt%のMnOである。

本発明の実施例において、成分調整剤は粘土、磁土、磁石、陶土、長石および石英砂の中の少なくとも１つが用いられ、その添加量は溶融スラグの添加量の0−10ｗt%である。色彩調整剤はTi、Cr、Ni、Cu、Co、Feの酸化物と、前記酸化物を含有する粉鉱と産業廃棄物（例えば、酸化アルミニウムの製造で生じられる赤泥）の中の少なくとも１つが用いられ、その添加量は溶融スラグの添加量の0−5ｗt%である。

本発明の実施例において、温度制御鋳造成形の段階で、前記溶融スラグは金型で成形してもよく、金型なし任意に成形されてもよい。

本発明の実施例において、前記溶融スラグは冶金反応器から直接排出された溶融スラグ又は再び精錬されたスラグである。

以下、本発明による実施例を詳細に説明する。

高炉溶融スラグは高炉製鉄生産において排出される廃棄物で、その元素組成は10−40wt%のAl₂O₃、5−25wt%のMgO、10−50wt%のSiO₂、10−40wt%のCaOの範囲内にあり、更に少量のFeO、C、MnO、Sなどの元素を含み、溶液の温度は1350℃−1480℃の範囲にある。また、高炉溶融スラグの元素組成は10−20wt%のAl₂O₃、5−10wt%のMgO、20−35wt%のSiO₂、20−30wt%のCaOの範囲内にあり、更に少量のFeO、C、MnO、Sなどの元素を含むのが好ましい。

本発明による実施例は溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法を提供し、前述の溶融スラグの組成成分は、10−40wt%のAl₂O₃、5−25wt%のMgO、10−50wt%のSiO₂、10−40wt%のCaO、0.1−5wtの%TiO₂、0.1−5wt%のFeO、0.1−5wt%のMnOを含む。また、前述の溶融スラグの組成成分は、10−20wt%のAl₂O₃、5−10wt%のMgO、20−35wt%のSiO₂、20−30wt%のCaO、0.1−5wt%のTiO₂、0.1−5wt%のFeO、0.1−5wt%のMnOを含むのが好ましい。かつ、前述の溶融スラグは冶金反応器から直接排出された溶融スラグでもよく、再度精錬されたスラグでもよい。本発明の方法によれば、高炉から排出される溶融スラグを直接利用することができるため、原料を溶融するためのエネルギー消費を節約するだけでなく、高炉スラグの水砕冷却に用いる水資源の消費と二次廃棄物の発生を回避することができる。

当該方法において、保温・調質池（thermal refining pool）の内部で溶融スラグの温度を1450℃−1600℃に制御する。製品の硬さ、密度、色彩の要求によって、調質処理の工程を確定する。その中で、前記調質処理は成分及び/又は色彩の調整を含む。

より具体的にいうと、成分調整剤として粘土、磁土、磁石、陶土、長石及び石英砂の中の少なくとも１つが用いられ、その添加量は溶融スラグの添加量の0-10ｗt%であり、色彩調整剤としてTi、Cr、Ni、Cu、Co、Feの酸化物（例えばTiO₂、Cr₂O₃、NiO、CuO、Cu₂O、CoO、FeO、Fe₂O₃など）と、このような酸化物を含有する粉鉱及び産業廃棄物（例えば、酸化アルミニウムの製造で生じられた赤泥）の中の少なくとも１つが用いられ、添加量は溶融スラグの添加量の0−5ｗt%である。

次に、調質された溶融スラグ又は調質されなかった溶融スラグの温度を1400℃−1500℃に制御して温度制御鋳造成形を行う。より具体的にいうと、温度制御鋳造成形の過程で、金型により鋳造成形してもよく、金型なしに鋳造成形してもよい。一定の形状とサイズを有する還元石材原料を必要とする場合、形状とサイズが対応する金型で鋳造成形することができる。必要に応じて、広い場所で溶融スラグを重力の作用下で自然的に成形させることができる。この場合、形状が様々な石材原料を製造して住宅団地、公園などの公共の場の景観石として使用することができる。具体的には、金型により又は金型なしに鋳造成形されることに関わらず、全て需要する石材原料の用途によって色彩調整剤を添加して色を調整することができる。必要に応じて、金型による鋳造成形は需要する石材の大きさに応じてサイズと形状が対応する金型を選択し、金型なしの鋳造成形は鋳造過程での流量と流動速度によって製造しようとする石材の大きさを制御することができる。

その後、鋳造成形されたスラグを800℃−1000℃の温度下で、かつ非還元性雰囲気において1−5時間保温し、そして2−5時間以内に徐々に室温まで温度を下げ、需要する還元石材原料（還元石材というのは、生産過程で火成岩に類似した物質が生じられるため、最終的に得られた原料を“還元石材”と言う。）を得る。その中で、降温速度は1.5−10℃/分である。降温速度が速すぎると欠陥が発生しやすくなり、降温速度が遅すぎると設備と生産効率に影響を与える。

高炉溶融スラグの溶液は温度と時間が異なる条件下で、各種鉱物に結晶化されることができる。例えば、高炉溶融スラグを1280℃の温度において１時間保温する場合、黄長石鉱物結晶を主成分とする岩石が生成されることができ、1000℃−900℃の温度において透輝石を主成分とする岩石が生成されることができ、温度を急速に下げて500℃-200℃の温度で保温するように制御する場合、ガラス相（glass phase）の固体が生成されることができ、ガラス相の固体を再び1100℃に昇温させて1時間保温する場合、結晶状鉱物の岩石に再結晶化されることができる。

以下、本発明の方法の実施例について具体的に説明する。

実施例1

15wt%のAl₂O₃、15wt%のMgO、30wt%のSiO₂、35wt%のCaO、1wt%のTiO₂、2wt%のFeO、2wt%のMnOで組成された溶融スラグを使用し、1600℃で石英砂を添加してその粘度と成分を調整し、その添加量は溶融スラグの添加量の10wt%である。実施例１において色彩調整剤を添加しない。そして、1500℃の温度で鋳造成形し、鋳造成形されたスラグを1000℃の温度でかつ非還元性雰囲気において１時間保温し、10時間内に室温まで温度を徐々に下げて、需要な形状とサイズを有する製品を製造する。

実施例2

14wt%のAl₂O₃、17wt%のMgO、28wt%のSiO₂、32wt%のCaO、1.5wt%のTiO₂、4wt%のFeO、3.5wt%のMnOで組成された溶融スラグを使用し、1450℃で成分と色に対して調整せずに直接鋳造成形する。鋳造成形されたスラグを800℃の温度でかつ非還元性雰囲気下において１時間保温し、２時間以内に徐々に室温まで温度を下げて、需要な形状とサイズを有する製品を製造する。

実施例3

15wt%のAl₂O₃、15wt%のMgO、30wt%のSiO₂、35wt%のCaO、1wt%のTiO₂、2wt%のFeO、2wt%のMnOで組成された溶融スラグを使用し、1500℃で磁石を添加してその粘度と成分を調整し、その添加量は溶融スラグの添加量の7wt％である。また、ベンガラを添加して色を調整するが、その添加量は2wt％である。次に、1400℃の温度で鋳造成形し、鋳造成形されたスラグを1000℃の温度でかつ非還元性雰囲気において3時間保温し、また６時間以内に徐々に室温まで温度を下げて、需要な形状とサイズを有する製品を製造する。

実施例4

14wt%のAl₂O₃、17wt%のMgO、28wt%のSiO₂、32wt%のCaO、1.5wt%のTiO₂、4wt%のFeO、3.5wt%のMnOで組成された溶融スラグを使用し、1450℃で粘土を添加してその粘度と成分を調整し、その添加量は溶融スラグの添加量の5wt％である。また、ベンガラを添加して色を調整するが、その添加量は5wt％である。次に、1400℃の温度で鋳造成形し、鋳造成形されたスラグを900℃の温度でかつ非還元性雰囲気において２時間保温し、４時間以内に徐々に室温まで温度を下げて、需要な形状とサイズを有する製品を製造する。

本発明の実施例による溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法は以下のような利点がある。

1) 高炉スラグの総合利用のために、省エネかつ高効率的なルートを提供する。

2) 高炉から排出された溶融スラグを直接利用することで、原料を溶融するエネルギーの消費を節約するだけでなく、高炉スラグの水砕冷却に使用される水資源の消費と二次廃棄物の発生を避ける。

3) 製造された還元石材原料は色の品質の安定性、耐摩耗性、耐圧性、無剥離性、小さい膨張係数及び低い収縮率などの特性を有する。

本発明は上記の実施例に限定されず、本発明に記載された範囲を超えてない場合、各種変形と修正を行うことができる。

Claims (11)

1. 溶融スラグの温度を1400℃-1500℃に制御して、温度制御鋳造成形を進行する段階と、
   成形されたスラグを800℃-1000℃の温度でかつ非還元性雰囲気において1−5時間保温し、また2−5時間以内に徐々に室温まで温度を下げて、還元石材原料を得る段階とを含み、
   その中で、前記溶融スラグの成分は10−40wt%のAl₂O₃、5−25wt%のMgO、10−50wt%のSiO₂、10−40wt%のCaO、0.1−5wt%のTiO₂、0.1−5wt%のFeO、0.1−5wt%のMnOであることを特徴とする溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
2. 前記溶融スラグの成分は、10−20wt%のAl₂O₃、5−10wt%のMgO、20−35wt%のSiO₂、20−30wt%のCaO、0.1−5wt%のTiO₂、0.1−5wt%のFeO、0.1−5wt%のMnOであることを特徴とする請求項１に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
3. 温度制御鋳造成形の段階の前に、溶融スラグを保温・調質池に入れ、かつ前記スラグの温度を1450℃-1600℃に維持させ、製品の要求によって、溶融スラグについて成分及び/又は色を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
4. 成分調整剤は粘土、磁土、磁石、陶土、長石及び石英砂の中の少なくとも１つであり、その添加量は溶融スラグの添加量の0−10ｗt%であることを特徴とする請求項３に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
5. 色彩調整剤はTi、Cr、Ni、Cu、Co、Feの酸化物と、前記酸化物を含有する粉鉱と産業廃棄物の中の少なくとも１つであり、その添加量は溶融スラグの添加量の0−5ｗt%であることを特徴とする請求項３に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
6. 前記色彩調整剤は酸化アルミニウムの生産で生じられる赤泥或はベンガラであることを特徴とする請求項５に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
7. 前記温度制御鋳造成形の段階において、鋳造成形の過程は金型により鋳造されるか、または金型なしに鋳造されることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
8. 前記温度制御鋳造成形の段階において、鋳造成形の過程は金型により鋳造されるか、または金型なしに鋳造されることを特徴とする請求項３に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
9. 前記溶融スラグは、冶金反応器から直接排出された溶融スラグ又は再び精錬されたスラグであることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
10. 降温速度は1.5-10℃/分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。
11. 降温速度は1.5-10℃/分であることを特徴とする請求項３に記載の溶融スラグを利用して還元石材原料を製造する方法。