JP2014521830A - スラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、スラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置に関するものであって、転炉または電気炉から排出された溶融スラグが貯蔵されるスラグ改質処理ポット（１０）と、前記溶融スラグの有価金属を回収するための還元剤を、前記スラグ改質処理ポットの上部から内部に流入させる還元剤流入部（２０）と、前記溶融スラグの有価金属を回収するための還元剤を、前記スラグ改質処理ポット（１０）の側面下部から内部に流入させる還元剤投入部（２５）と、前記有価金属が回収された前記溶融スラグを多孔性構造の軽量物に形成するためのバブル発生および制御冷却を行う冷却手段（３０、４０）とを含む。

Description

本発明は、スラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置に関するものであって、より詳細には、転炉、電気炉などの製鋼工程で発生するスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置に関するものである。

本発明は、２０１１年１１月２９日付で出願された韓国特許出願第１０−２０１１−０１２６３７８号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。

スラグは、鉄鋼製錬工程で必然的に発生する生成物である。スラグは、製銑過程で鉄鉱石やコークスの脈石成分から、製鋼過程では溶銑または溶鋼の酸化および脱酸時に生成される酸化物、または精錬を目的として添加される副原料などによって必然的に生成される。

本発明の目的は、製鋼溶融スラグ中の有価金属（Ｆｅ、Ｍｎ）を回収し、スラグの改質によりセメントおよび混和材料および特殊用途材料として活用できるようにした、スラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の特徴によれば、本発明は、転炉または電気炉から排出された溶融スラグが貯蔵されるスラグ改質処理ポットと、前記溶融スラグの有価金属を回収するための還元剤を、前記スラグ改質処理ポットの上部から内部に流入させる還元剤流入部と、前記溶融スラグの有価金属を回収するための還元剤を、前記スラグ改質処理ポットの側面下部から内部に流入させる還元剤投入部と、前記有価金属が回収された前記溶融スラグを多孔性構造の軽量物に形成するためのバブル発生および制御冷却を行う冷却手段とを含む。

前記還元剤流入部は、前記還元剤を貯蔵するホッパと、前記還元剤を前記スラグ改質処理ポットに噴射するように、前記ホッパから前記スラグ改質処理ポットの内部に延びたランスパイプと、前記ランスパイプを介して前記スラグ改質処理ポットに流入する前記還元剤の流入量を算出する流入量制御部とを含む。

前記還元剤投入部は、前記スラグ改質処理ポットの下部側面に設けられ、前記還元剤とガスを前記スラグ改質処理ポット内に流入させる噴射パイプと、前記噴射パイプの一側に連結され、前記噴射パイプに前記還元剤と前記ガスを供給する供給パイプと、前記噴射パイプに設けられ、前記噴射パイプの出口詰まり時に開孔を行う開孔機とを含む。

前記開孔機は、前記噴射パイプの出口反対側端部に設けられ、内部に油圧または空圧の入出される空間が形成されたボディ部と、前記ボディ部の内部から前記噴射パイプの出口に向かって入出可能で、先端外周面の一部が前記噴射パイプの内径に対応する開孔部とを含む。

前記開孔部は、先端が円錐形状に形成されている。

前記噴射パイプ内の前記還元剤の流れの有無によって前記噴射パイプの出口詰まりを感知する還元剤感知部と、前記還元剤感知部の感知信号を受信し、前記噴射パイプの出口が詰まっていると判断されると、前記開孔機を作動させて、前記噴射パイプの出口を開孔する開孔機制御部とを備える。

前記供給パイプは、前記還元剤を貯蔵するホッパに連結された還元剤供給パイプおよびガス供給パイプに連結され、供給された前記還元剤と前記ガスとが前記供給パイプで混合され、前記噴射パイプに制御供給される。

前記還元剤供給パイプおよびガス供給パイプに、前記還元剤および前記ガスの供給量を調節する注入バルブが設けられる。

前記冷却手段は、前記溶融スラグを冷却して固相スラグを製造するためのスチームを前記スラグ改質処理ポット内に流入させるスチーム供給部と、前記溶融スラグと前記還元剤との反応を極大化するためのキャリアガスを前記スラグ改質処理ポット内に流入させるガス供給部とを含み、前記溶融スラグ内に前記スチームと前記キャリアガスとの混合気体を注入して冷却が行われる。

本発明は、転炉または電気炉から排出されたスラグ中の有価金属（Ｆｅ、Ｍｎ）を回収し、スラグのフォーミングおよび制御冷却により低比重のスラグを確保した後、多機能骨材に製造することができる利点がある。このような多機能骨材は、成分自体が天然骨材、セメントなどと成分が類似し、膨張性が低く、建物の層間騒音防止材などの特殊用途に製造される多機能性軽量骨材を代替するのに好適であり、組成をセメント（Ｃｅｍｅｎｔ）組成に変更してセメントを製造するのに好適であるという効果がある。

特に、本発明は、還元剤流入部および還元剤投入部を介して還元剤をスラグ改質処理ポットの内部に投入するため、還元剤の撹拌力が向上し、十分な撹拌が行われて還元剤がスラグ内に均一に分散し、還元効率がより向上する効果がある。還元効率の向上は、有価金属回収率を高めるだけでなく、費用の面で効率的である。

また、本発明は、還元剤投入部の噴射パイプに開孔機が備えられ、スラグ改質処理ポットと噴射パイプとの連結部分が詰まる場合にも、容易に開孔を行うことで還元剤の注入が円滑に行われるようにするため、還元剤の撹拌力を向上させるのに十分に寄与することができる効果がある。

本発明の実施形態にかかるスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の構成図である。 本発明の実施形態にかかる還元剤投入部を示した図である。 本発明の実施形態にかかる還元剤投入部の使用状態を示した過程図である。 本発明の実施形態にかかる還元剤投入部の使用状態を示した過程図である。 図１のスチーム用ポーラスプラグ（ｐｏｒｏｕｓ ｐｌｕｇ）の形状を示した斜視図である。 図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の回収装置の一実施形態の構成図である。 図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の回収装置の他の実施形態の構成図である。 図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の傾動装置を示した図である。 図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の溶着防止部の第１実施形態を示した構成図である。 図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の溶着防止部の第２実施形態を示した構成図である。 図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の溶着防止部の第３実施形態を示した構成図である。 多機能性骨材の活用例を示した図である。

以下、本発明の実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。

本発明は、図１に示されたスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置１００を用いて有価金属を回収し、多機能性骨材を製造する。

多機能性骨材の製造方法は、還元期操業前、転炉、電気炉の溶融スラグをスラグ改質処理ポット１０内に排出し、還元剤を流入させて、溶融スラグに含まれた有価金属を回収する。

以後、有価金属が回収された溶融スラグを多孔性構造の軽量物に形成するために、有価金属が回収された溶融スラグにバブルを発生させ、制御冷却を行うことで多孔質構造の固相スラグを形成し、多孔質構造の固相スラグを粉砕および破砕した後、骨材形状に成形するのである。このような多機能性骨材は、成分自体が天然骨材、セメントと類似し、高品質セメント、軽量骨材、混和材料として活用が可能であり、特に、比重が低く、吸湿性が少なく、多様な用途の特殊骨材として活用可能である。

有価金属を回収し、多機能性骨材を製造する本プロセスを、「ＫＨ（Ｋｉ−Ｈｗａｎｇ）ｐｒｏｃｅｓｓ」と称する。

電気炉の製鋼工程中に分析した製鋼スラグの化学組成は下記の表１の通りである。

転炉、電気炉で発生する製鋼スラグには２０％以上の有価金属酸化物が含有されており、なかでも、電気炉の初期スラグには３０％以上の有価金属酸化物が含有されている。

スラグに含有された有価金属酸化物はＦｅＯが代表的であり、ＦｅＯの含有量が高ければ、スラグを骨材に製造する時に破砕が困難であり、セメント原料への活用時に制約が大きい。したがって、スラグに含まれた有価金属を回収した後、制御冷却によりスラグを多孔性構造の軽量物に形状変更する。

スラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置１００は、スラグ改質処理ポット１０と、還元剤流入部２０と、還元剤投入部２５と、冷却手段３０、４０とを含む。

電気炉スラグの排出は、酸化精錬が完了し、かつ、還元精錬が進行する前、すなわち、酸化精錬中期以降から施行する。酸化精錬末期に進むと、スラグ中の金属酸化物が減少するにつれ、スラグの流動性が悪くなるため、スラグの排出が困難になる。したがって、スラグ排出時期の選択が重要である。

スラグは、電気炉を傾けたり、ドア（Ｄｏｏｒ）がある場合、ドアを開放して別のスラグポット（図示せず）にスラグを先に排出した後、スラグ改質処理ポット１０に溶融スラグを装入させる。

これ以外にも、スラグを電気炉からスラグ改質処理ポット１０内に直接排出することも可能である。

スラグ改質処理ポット１０の内壁は、熱伝導率が高い銅板や鉄板で構成され、転炉または電気炉から排出された溶融スラグがスラグ改質処理ポット１０に流入するように、スラグ改質処理ポット１０の上部には、スラグ改質処理ポット１０の上部を開閉するポットカバー１１が備えられる。

転炉または電気炉から排出された溶融スラグがスラグ改質処理ポット１０に貯蔵されると、還元剤流入部２０を用いて溶融スラグの有価金属を回収するための還元剤をスラグ改質処理ポット１０に流入させる。

還元剤流入部２０は、還元剤を貯蔵するホッパ２１と、還元剤をスラグ改質処理ポット１０の内部に噴射するように、ホッパ２１からスラグ改質処理ポット１０の内部に延びたランスパイプ２２と、ランスパイプ２２を介してスラグ改質処理ポット１０に流入する還元剤の流入量を算出する流入量制御部２３とを含む。

還元剤の撹拌力を向上させるために、還元剤投入部２５がさらに備えられる。

図２に示されているように、還元剤投入部２５は、スラグ改質処理ポット１０の下部側面に設けられ、還元剤とガスをスラグ改質処理ポット１０内に流入させる噴射パイプ２６と、噴射パイプ２６の一側に連結され、噴射パイプ２６に還元剤とガスを供給する供給パイプ２７と、噴射パイプ２６に設けられ、噴射パイプ２６の出口詰まり時に開孔を行う開孔機２６ａとを含む。

粒子のある還元剤を、ガスと同時に、スラグ改質処理ポット１０の下部側面に投入すると、還元剤の撹拌力が向上し、十分な撹拌が行われて還元剤がスラグ内に均一に分散し、還元効率がより向上する。

供給パイプ２７は、還元剤を貯蔵するホッパ２１に連結される還元剤供給パイプ２８およびガス供給パイプ２９に連結され、供給された還元剤とガスとは供給パイプ２７で混合され、噴射パイプ２６に制御供給される。

還元剤を、ガスと同時に、噴射パイプ２６に供給すると、還元剤がガスに乗ってスラグ改質処理ポット１０の内部に容易に注入される。粒子のある還元剤の容易な注入のために、ガスは高圧状態で供給される。

還元剤供給パイプ２８およびガス供給パイプ２９に還元剤およびガスの供給量を調節する注入バルブ２８ａ、２９ａ が設けられる。注入バルブ２８ａ、２９ａは、以下に説明される開孔機制御部Ｃの制御によって開閉が調節可能になる。

開孔機２６ａは、噴射パイプ２６の出口反対側端部に設けられ、内部に油圧または空圧の入出される空間が形成されたボディ部２６ｂと、ボディ部２６ｂの内部から噴射パイプ２６の出口に向かって入出可能で、かつ、先端外周面の一部が噴射パイプ２６の内径に対応する開孔部２６ｃとを含む。

噴射パイプ２６の出口は、スラグ改質処理ポット１０と連通し、噴射パイプ２６に供給された還元剤とガスがスラグ改質処理ポット１０の内部に容易に注入できるようになる。

しかし、噴射パイプ２６の出口部分が凝固したスラグによって詰まることがある。この場合、還元剤がスラグ改質処理ポット１０内に注入されず、還元効率の向上を期待しにくいため、開孔機２６ａを用いて凝固したスラグ層を開けることで還元剤の注入が容易に行われるようにする。

開孔機２６ａは、噴射パイプ２６の出口部分が詰まっていない場合、開孔部２６ｃが噴射パイプの出口反対側部分に移動して、供給パイプ２７と噴射パイプ２６とが互いに連通するようにし、噴射パイプ２６の出口部分が詰まった場合には、噴射パイプ２６の出口部分に移動して、噴射パイプ２６の出口を開ける役割を果たす。

この時、開孔部２６ｃは、外径が噴射パイプ２６の内径に対応して形成され、還元剤およびガスを噴射パイプ２６に供給する供給パイプ２７と噴射パイプとの連結部分を塞ぎ、噴射パイプ２６に還元剤およびガスが供給されるのを遮断する。

開孔部２６ｃは、噴射パイプ２６の出口を塞いでいる凝固したスラグ層を容易に開けることができるように、先端が円錐形状に形成される。これ以外にも、凝固したスラグ層を容易に開けることができれば、開孔部２６ｃの先端がねじ形状に形成されても構わない。

噴射パイプ２６内の還元剤の流れの有無によって噴射パイプ２６の出口詰まりを感知する還元剤感知部Ｓと、還元剤感知部Ｓの感知信号を受信し、噴射パイプ２６の出口が詰まっていると判断されると、開孔機２６ａを作動させて、噴射パイプ２６の出口を開孔する開孔機制御部Ｃとを備える。

還元剤感知部Ｓは、還元剤とガスが噴射パイプ２６の出口に移動するか否かを感知する。開孔機制御部Ｃは、還元剤感知部Ｓの感知信号を受信し、還元剤とガスが噴射パイプ２６の出口部分に移動しないと判断されると、噴射パイプ２６の出口部分が詰まっていると判断する。

すると、図３および図４に示されているように、ボディ部２６ｂに油圧または空圧を供給して開孔部２６ｃを前進させることにより、凝固したスラグ層を開けて噴射パイプ２６の出口が開孔されるようにする。

この時、開孔機制御部Ｃは、開孔機２６ａを作動させると共に、還元剤およびガスの供給量を調節する注入バルブ２８ａ、２９ａを遮蔽し、噴射パイプ２６内への還元剤およびガスの供給を中断させることができる。

以下、スラグ改質処理ポット１０内に排出された溶融スラグに還元剤を流入させる過程を説明する。

還元剤は、溶融スラグの有価金属酸化物中、特にＦｅＯをＦｅに還元させるためのものである。還元剤としては、酸素との親和力が大きい炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）などの酸素親和力が大きい物質が使用され、その他、シリコン（Ｓｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）およびＣＯガスの中から選択された１種以上も使用可能である。

炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）およびＣＯガスの中から選択された１種以上の還元剤は、上部の還元剤流入部２０および側面下部の還元剤投入部２５を介してスラグ改質処理ポット１０に供給される。

この時、撹拌力を高めて反応速度を増加させるために、還元剤と共に、キャリアガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）を流入させることもできる。キャリアガスは、空気（ａｉｒ）、窒素またはアルゴンガスであり得、後述するガス供給部４０を介してスラグ改質処理ポット１０に供給される。

還元剤投入部２５を介して還元剤をスラグ改質処理ポット１０の内部に供給する場合にも、上述のように、高圧の空気（ａｉｒ）、窒素またはアルゴンガスを共に注入し、還元剤がガスに乗ってスラグ改質処理ポット１０の内部に容易に供給できるようにする。

この時、還元剤と同時に、スラグ改質処理ポット１０の内部に供給された高圧のガスは、スラグ内への還元剤の分散を容易にし、還元剤の撹拌力を高める作用をする。

一方、還元剤のうち、アルミニウム（Ａｌ）は、鉄（Ｆｅ）の強力な還元のために流入する。

溶融スラグに含有された鉄（Ｆｅ）の還元は、溶融スラグの温度が高く、かつ、反応速度が高いほど有利である。しかし、炭素（Ｃ）による鉄（Ｆｅ）の還元反応は吸熱反応であるため、溶融スラグの温度を低下させる。

溶融スラグは、排出時の温度が１６００℃程度であるが、炭素（Ｃ）による鉄（Ｆｅ）の還元反応と外的要因などによって排出された後には、溶融スラグの温度が１時間あたり２００〜３００℃程度低下する。

溶融スラグを高温に維持するために、別の熱源が必要であるが、還元剤としてアルミニウム（Ａｌ）を使用すると、アルミニウム（Ａｌ）酸化エネルギーが発生する。アルミニウム（Ａｌ）による鉄（Ｆｅ）の還元反応式は、３ＦｅＯ＋２Ａｌ→３Ｆｅ＋Ａｌ_２Ｏ_３−−−１８７．１ｋｃａｌと発熱反応であり、この反応は還元されながら熱を発生するため、テルミット反応（Ｔｈｅｒｍｉｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ）という。

アルミニウム（Ａｌ）の流入量は、溶融スラグの温度を１３００〜１６００℃に維持する範囲で制御する。溶融スラグの温度は、高温であるほど鉄（Ｆｅ）の還元に有利であるが、１６００℃を超えると、スラグポットの過度の侵食が発生することがあり、１３００℃未満であれば、還元反応が急激に低下する。

具体的にその過程を説明すると、電気炉の溶融スラグがスラグポット内に排出されると、流入した炭素（Ｃ）が還元剤の役割を果たし、ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯの還元反応が進行する。

この過程で溶融スラグの温度が低下し得るが、以後、アルミニウム（Ａｌ）を流入させると、３ＦｅＯ＋２Ａｌ→３Ｆｅ＋Ａｌ_２Ｏ_３−−−１８７．１ｋｃａｌの発熱反応によって溶融スラグの温度が高温に維持され、還元反応が促進される。ここで、還元反応によって生成されたＡｌ_２Ｏ_３は、スラグの組成変化を起こし、融点を低下させる。

溶融スラグの温度を１３００〜１６００℃に維持するためのアルミニウム（Ａｌ）の流入量は、スラグ１ｔｏｎあたり１０〜５０ｋｇである。アルミニウム（Ａｌ）の流入量は、操業条件に応じてアルミニウム（Ａｌ）の実収率を５０〜１００％に設定した値である。

アルミニウム（Ａｌ）の流入量は、下記の反応式および発熱量公式によって算出する。
＜反応式＞３ＦｅＯ＋２Ａｌ→３Ｆｅ＋Ａｌ_２Ｏ_３−−−１８７．１ｋｃａｌ
＜発熱量＞Ｑ＝ＣＭＴ
ここで、Ｑ：発熱量、Ｃ：スラグ熱容量、Ｍ：スラグ重量、Ｔ：昇温温度である。

例えば、スラグ重量が１０ｔｏｎ、スラグ中のＦｅＯの含有量が１ｔｏｎであると仮定すると、アルミニウム（Ａｌ）の流入量は２５１ｋｇとなる。

計算過程は下記の通りである。
ＦｅＯ １ｍｏｌｅと反応するＡｌは２／３ｍｏｌｅ
ＦｅＯ １ｍｏｌｅ＝７１．８ｇ
ＦｅＯ １ｔｏｎ＝１００００００／７１．８＝１３９２８ｍｏｌｅ
ＦｅＯ １３９２８ｍｏｌｅと反応するＡｌは９２８５ｍｏｌｅ
Ａｌ ９２８５ｍｏｌｅ→９２８５ｍｏｌｅ×２７ｇ／ｍｏｌｅ＝２５１ｋｇ
溶融スラグ中のＦｅＯの含有量の測定は、分光計（ｓｐｅｃｔｒｏ ｍｅｔｅｒ）を利用したり、湿式などの方法を利用することができる。

上述のように、溶融スラグの温度を１３００〜１６００℃に維持するためのアルミニウム（Ａｌ）の流入量は、スラグ１ｔｏｎあたり１０〜５０ｋｇであり、このような適正量の還元剤を流入させるために、流入量制御部２３では、溶融スラグの温度を１３００〜１６００℃の範囲に維持可能な還元剤の量を算出する。

そのために、流入量制御部２３は、スラグ改質処理ポット１０の下部に配置され、スラグ改質処理ポット１０内の溶融スラグを、重量を測定する計重装置（スラグ改質処理ポットの底面を支持するように設けられる、図示せず）から測定された溶融スラグの重量から、溶融スラグの温度を１３００〜１６００℃の範囲に維持可能な還元剤の量を算出する。

計重装置は、ロードセル（Ｌｏａｄ Ｃｅｌｌ）から構成された電子秤などが用いられるとよく、これ以外にも、重量を測定するために使用されるいずれの形式の秤でも適用可能である。

例えば、流入量制御部２３は、計重装置から測定された溶融スラグの重量が１ｔｏｎの場合、還元剤であるアルミニウム（Ａｌ）の流入量を１０〜５０ｋｇとして算出し、パイプ上の制御バルブ２４、注入バルブ２８ａ、２９ａを調節することにより、算出された還元剤（アルミニウム）の量だけ、ホッパ２１からスラグ改質処理ポット１０の内部にランスパイプ２２および噴射パイプ２６を介して流入させるものである。

一方、還元剤流入部２０を介して、溶融スラグの融点および比重を低下させ、かつ、スラグの改質のための接種剤がさらに流入できる。

制御冷却前に、溶融スラグの融点および比重を低下させ、かつ、スラグの改質のための接種剤を流入させることができる。接種剤は、１３００℃以上の溶融スラグのフォーミングを誘導して融点と比重を低下させる方向で溶融スラグの物理、化学的組成を変化させる。

溶融スラグの比重は３．０ｇ／ｃｍ^３以下を満足する。この時、溶融スラグの比重は、接種剤の投入とＦｅＯがＦｅとして回収される要因が複合的に作用して低くなる。

その原理は、接種剤を流入させると、酸化反応によって低融点酸化物が形成され、また、スチームとキャリアガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）によって冷却されながら、溶融スラグの容積が膨張し、スラグの比重が低くなる。そして、低融点酸化物によって溶融スラグの融点も低くなる。

ここで、接種剤は、アルミニウム、シリコン、生石灰などから選択された１種以上であり得る。

アルミニウム、シリコン、生石灰などは、スラグ１ｔｏｎあたり４００ｋｇ以下で流入する。アルミニウムとシリコンは、添加量が増加すると、溶融スラグの比重および融点を低下させる役割を果たす。しかし、過度に添加されると、反応前の溶融スラグの熱を奪ってスラグを凝固させるため、スラグ１ｔｏｎあたり４００ｋｇを超えないようにする。なぜなら、融点と比重を低下させるための反応は、溶融スラグ状態でのみ可能であるからである。

本発明の有価金属回収および多機能性骨材の製造装置１００は、溶融スラグと還元剤、または接種剤との効率的な反応のために、ポットカバー１１に配置され、溶融スラグの温度を維持または上昇させるバーナ６０をさらに含む。前記バーナ６０により溶融スラグの温度を一定に維持させることにより、溶融スラグと還元剤、または接種剤との反応性を一定水準以上維持させることができる。

ここで、バーナ６０は、ＬＮＧ、オイル（Ｏｉｌ）および酸素を燃料とし、本発明の有価金属回収および多機能性骨材の製造装置１００は、スラグ改質処理ポット１０内に前記ＬＮＧ、オイル（Ｏｉｌ）および酸素を供給するように、ポットカバー１１を貫通して形成された燃料供給管６１、６２、６３をさらに含む。図１を参照すれば、図面番号６１はＬＮＧ供給管、図面番号６２はオイル（Ｏｉｌ）供給管、図面番号６３は酸素供給管である。

還元は、アルミニウム（Ａｌ）の流入から１〜２時間後で完了する。

還元が完了すると、比重の高い鉄（Ｆｅ）がスラグ改質処理ポット１０の下部に分離され、その上部に溶融スラグが位置する。

還元完了後、溶融スラグの制御冷却を行う前、制御冷却の効率を高め、かつ、溶融スラグを多孔質構造の固相スラグとして作るために、溶融スラグから回収され、スラグ改質処理ポット１０の下部に分離された有価金属（Ｆｅ）をスラグ改質処理ポット１０の外部に排出する必要があり、これは、スラグ改質処理ポット１０の一側に形成された排出口１２を介して行われ、図１に示されているように、排出口１２がスラグ改質処理ポット１０の下部に形成されてもよい。

本発明の冷却手段３０、４０は、有価金属が回収された溶融スラグを多孔性構造の軽量物に形成するために、スラグ改質処理ポット１０内で溶融スラグの制御冷却を行う。

前記冷却手段３０、４０は、溶融スラグを冷却して固相スラグを製造するためのスチームをスラグ改質処理ポット１０内に流入させるスチーム供給部３０と、溶融スラグと還元剤との反応を極大化するためのキャリアガスをスラグ改質処理ポット１０内に流入させるガス供給部４０とを含み、制御冷却は、前記溶融スラグ内に前記スチームと前記キャリアガスとの混合気体を注入することによって行われる。

具体的には、スチーム供給部３０は、スラグ改質処理ポット１０の内壁または底に形成され、スチームが噴射されるスチーム噴射口３３と、スチーム噴射口３３とスラグ改質処理ポット１０の外壁との間に形成されたスチーム用ポーラスプラグ（ｐｏｒｏｕｓ ｐｌｕｇ）３２と、スチームパイプ３１とを含む。

図１を参照すれば、スラグ改質処理ポット１０の内壁および底には、内部にスチームを噴射する複数のスチーム噴射口３３が形成され、スチーム噴射口３３にスチームパイプ３１が連通して連結された構造を有する。スチームの注入量および注入圧力を調節するための流量調節器３４がスチームパイプ３１上に備えられている。また、図示しないが、スチームパイプ３１には、スチームの熱損失によって生成された凝縮水を排出する排出管が備えられるとよい。

ここで、スチーム用ポーラスプラグ（ｐｏｒｏｕｓ ｐｌｕｇ）３２は、酸化アルミニウムなどを主成分とする多孔性の耐火物からなり、図５に示されているように、複数の孔３２ａが不規則に配列されている。前記孔３２ａは、スチーム用ポーラスプラグ３２の表面だけでなく、ポーラスプラグ３２の内部にも不規則に形成されていて、スチームパイプ３１から伝達される気相または液相のスチームは前記孔３２ａを介して円滑に通過するのに対し、固相または粒子の大きい粒の伝達は防止される。

図５を参照すれば、スチーム用ポーラスプラグ３２の外径は、スラグ改質処理ポット１０の外壁側から内壁側へいくほど小さくなるように形成されることが好ましい（図５を参照すれば、Ｄ１＞Ｄ２）。これにより、スラグ改質処理ポット１０内の圧力が高くなる場合でも、スラグ改質処理ポット１０内に流入したスチームがスチームパイプ３１側に逆流するのを防止することができる。

ここで、前記のようなポーラスプラグのような構成だけでなく、各種流入管または鉄管などを用いてスラグ改質処理ポット１０内にスチームを流入させることができる。

また、スラグ改質処理ポット１０の内部で感知された溶融スラグの静圧に基づいて、スラグ改質処理ポット１０内に流入する前記スチームおよび前記キャリアガスの流入圧力を調節することにより、スチームまたはキャリアガスがスラグ改質処理ポット１０の外部に逆流するのを防止する圧力調節部１３がさらに備えられるとよい。

圧力調節部１３は、スラグ改質処理ポット１０内の溶融スラグの静圧を感知するセンサと、前記静圧に基づいて、スラグ改質処理ポット１０内に流入するスチームまたはキャリアガスの流入圧力を制御する制御部とから構成される。

具体的には、スラグ改質処理ポット１０内の溶融スラグの静圧が高くなると、スラグ改質処理ポット１０内に流入したスチームまたはキャリアガスがスチームパイプ３１またはガスパイプ４１側に逆流することがある。この場合、逆流を防止するように、圧力調節部１３は、自動的にスラグ改質処理ポット１０内に流入するスチームおよびキャリアガスの流入圧力を調節する。

このために、所定のセンサによってスラグ改質処理ポット１０内の溶融スラグの静圧を感知し、感知された静圧が所静圧力以上の場合、前記静圧を克服し、スラグ改質処理ポット１０内にスチームとキャリアガスが円滑に流入できるように、圧力調節部１３の所定の制御部でスチームおよびキャリアガスの流入圧力を上昇させるようにする。

また、図示しないが、スチーム用ポーラスプラグ３２の孔３２ａを用いる代わりに、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ステンレス鋼のうちの１種で構成された複数の微細管をスチームパイプ３１に連結し、前記複数の微細管を介してスラグ改質処理ポット１０内にスチームを噴射する構成も採用することができる。

ガス供給部４０の構造も、前記スチーム供給部３０の構造および機能がほぼ類似する。ガス供給部４０は、スラグ改質処理ポット１０の内壁または底に形成され、キャリアガスが噴射されるガス噴射口４３と、前記ガス噴射口４３とスラグ改質処理ポット１０の外壁との間に形成されたガス用ポーラスプラグ（ｐｏｒｏｕｓ ｐｌｕｇ）４２と、ガスパイプ４１とを含む。ここで、前記キャリアガスは、空気（Ａｉｒ）、窒素またはアルゴンガスが使用可能である。

スラグ改質処理ポット１０の内壁および底には、内部にキャリアガスを噴射する複数のガス噴射口４３が形成され、ガス噴射口４３にガスパイプ４１が連通して連結された構造を有する。ガスの注入量および注入圧力を調節するための流量調節器４４がガスパイプ４１上に備えられている。

ガス用ポーラスプラグ４２は、前記スチーム用ポーラスプラグ３２とその構造および機能が類似するため、説明を省略する。

前記実施形態のように、スチームとキャリアガスがそれぞれ別個のスチーム供給部３０とガス供給部４０を介してスラグ改質処理ポット１０内に注入される場合には、スチームおよびキャリアガスの流量および注入圧力を個別的に制御することができる利点がある。

しかし、本発明は、これに限定されず、前記スラグ改質処理ポット内にスチームとガスを供給するためのスチーム供給部のスチームパイプとガス供給部のガスパイプとが互いに連結され、ガスとスチームとが混合され、スラグ改質処理ポット内に制御供給されることも可能である。

一方、スチームと前記キャリアガスとの混合気体を溶融スラグ内に注入して制御冷却を行うと、比重と融点が低くなった溶融スラグは、内部に気泡が生成された状態で冷却され、多孔質構造の固相スラグになり、大きな力を加えなくても容易に破砕できるようになる。

仮に、本発明の制御冷却でない、溶融スラグを一般的な水冷または空冷処理すると、Ｆｅの含有量が高く、破砕が困難であり、３．５ｇ／ｃｍ^３以上の高い比重およびｆ−ＣａＯとｆ−ＭｇＯの相変態による膨張性によって、セメント原料として使用が不可能になる問題が発生する。

還元後、フォーミングと制御冷却によって製造された多孔質構造の固相スラグは、０．６〜３．０の容積密度（Ｂｕｌｋ Ｄｅｎｓｉｔｙ）を有する。容積密度は、物質と物質との間の容積（空き空間）を考慮した密度を意味し、仮密度ともいう。

容積密度が０．６未満であれば、建築物の軽量骨材に適用する時、層間騒音を防止する効果がわずかしかなく、３．０を超えると、セメント原料として使用が困難である。

スチームはスラグの冷却のために注入され、キャリアガスは溶融スラグと還元剤との撹拌反応のために注入される。スチームは、スラグの温度を低下させながら、膨張力が少なく、冷却効率に優れる。参考として、水は膨張力が大きくて爆発の危険性があるため、高温の溶融スラグの冷却に適用しないようにする。

冷却は、常温まで１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却することができる。冷却速度は、常温のキャリアガスおよびスチームの注入量および圧力の調節によって最大最小値を有するようになり、この冷却速度に応じて固相スラグの形状、強度、組織の緻密度に差がある。

したがって、冷却速度が５〜５０℃／ｓｅｃに維持されるように、常温のガスおよびスチームの注入量および圧力の調節を行う。これは、固相スラグの破砕効率を高めるためのもので、冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上の場合、スラグの平均粒度が５０ｍｍ以下と破砕効率が高い。そして、冷却速度の上限値は、常温のキャリアガスおよびスチームの注入量および圧力の調節による最大値を適用することとする。

本発明の有価金属回収および多機能性骨材の製造装置１００は、スラグ改質処理ポット１０の熱変形を防止する水冷ライン７０をさらに含む。

スラグ改質処理ポット１０の内部では、高温の溶融スラグによる熱衝撃が繰り返し加えられ、それによって、スラグ改質処理ポット１０が熱変形を起こすことがある。これを防止するように、スラグ改質処理ポット１０の外壁の周りに配置される水冷ライン７０を介して常温の水を流動させることにより、スラグ改質処理ポット１０が熱変形することが防止可能になる。

図６は、図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の回収装置の一実施形態の構成図である。

本発明の一実施形態にかかる有価金属回収および多機能性骨材の製造装置１００は、スラグ改質処理ポット１０の内部で溶融スラグを冷却させた後に発生する高温のスチーム、前記スラグ改質処理ポットの内部で未反応の還元剤粉体、および溶融スラグと還元剤との反応から発生するダストを回収する回収装置９０をさらに含む。

ここで、前記回収装置９０は、前記高温のスチームとダスト（未反応の還元剤粉体を含む）をそれぞれ回収して貯蔵するスチーム貯蔵部９１およびダスト回収部９２と、共通配管９３と、スチーム配管９４と、ダスト配管９５と、調節部９６とを含む。

具体的には、スラグ改質処理ポット１０の内部で溶融スラグを冷却させた後には高温のスチームが発生し、前記高温のスチームは、共通配管９３を介してスラグ改質処理ポット１０の外部に排出される。これと類似して、溶融スラグと還元剤との反応からダストが発生すると、前記ダストは、共通配管９３を介してスラグ改質処理ポット１０の外部に排出される。

図６を参照すれば、共通配管９３に流入する前記スチームとダストは、それぞれスチーム貯蔵部９１とダスト回収部９２に案内される。

具体的に説明すれば、高温のスチームは、溶融スラグを冷却させる時に発生するものであり、ダストは、溶融スラグと還元剤との反応時に発生するものであるため、前記スチームとダストが発生する時点は異なる。

各時点によって説明すれば、溶融スラグと還元剤との反応時には、共通配管９３を通過したダストがダスト回収部９２に案内されるように調節部９６を調節し、ダスト配管９５側にダストを案内して収集する。

また、溶融スラグを制御冷却する時には、共通配管９３を通過したスチームがスチーム回収部９１に案内されるように調節部９６を調節し、スチーム配管９４側に高温のスチームを案内して収集する。ここで、前記調節部９６は、ソレノイドバルブのような方向切換バルブなどを用いることができる。

すなわち、前記回収装置９０は、調節部９６を用いてスラグ改質処理ポット１０の内部で溶融スラグを冷却させた後に発生する高温のスチームと、溶融スラグと還元剤との反応から発生するダストを選択的に回収することができる。

このように、スチーム貯蔵部９１に案内されて回収された高温のスチームの配列を回収して再活用することで効率を高めることができ、ダスト回収部９２に案内されたダストを集塵処理することで汚染物質の排出を防止することができる。

図７は、図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の回収装置の他の実施形態の構成図である。

図７に示された回収装置９０は、スラグ改質処理ポット１０の上部から離隔して、前記スチームとダストを吸引して捕集する集塵フード９７を含むことができる。

したがって、スラグ改質処理ポット１０の上部に排出されるスチームまたはダストは集塵フード９７によって捕集され、集塵フード９７で捕集されたスチームまたはダストは共通配管９３に排出され、それぞれ選択的にスチーム貯蔵部９１とダスト回収部９２に案内されて貯蔵できる。

図８は、図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の傾動装置を示した図である。

本発明の有価金属回収および多機能性骨材の製造装置１００は、スラグ改質処理ポット１０内で制御冷却が完了した固相スラグを外部に排出するように、スラグ改質処理ポット１０を傾動させる傾動装置７５をさらに含む。

制御冷却によって溶融スラグが多孔質構造の固相スラグになると、これを破砕、粉砕するために外部に排出させる。

図８を参照すれば、傾動装置７５がスラグ改質処理ポット１０の側面にヒンジ結合され、所定の動力源（図示せず）から動力を受けてスラグ改質処理ポット１０を傾動させることにより、固相スラグを外部に排出させる。

図８では、傾動装置７５がスラグ改質処理ポット１０の側面に固定され、スラグ改質処理ポット１０を傾動させているが、傾動装置７５の配置位置は限定がなく、傾動装置７５をスラグ改質処理ポット１０の下部に固定させ、スラグ改質処理ポット１０を上下に移動させることも可能である。

また、図８では、傾動装置７５として所定の油圧源（図示せず）から油圧が供給される油圧シリンダを用いてスラグ改質処理ポット１０を傾動させる油圧傾動装置を用いる実施形態を示しているが、油圧方式でなく、電源を動力とするモータを傾動装置として用いることも可能である。

図９は、図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の溶着防止部の第１実施形態を示した構成図、図１０は、図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の溶着防止部の第２実施形態を示した構成図、図１１は、図１に示された有価金属回収および多機能性骨材の製造装置の溶着防止部の第３実施形態を示した構成図である。

本発明の有価金属回収および多機能性骨材の製造装置１００は、スラグ改質処理ポット１０内で制御冷却が完了した固相スラグがスラグ改質処理ポット１０の内壁に溶着するのを防止するために、前記スラグ改質処理ポット１０の外部に備えられた溶着防止部８０をさらに含む。

制御冷却がスラグ改質処理ポット１０内で行われている間、溶融スラグが冷却されながら、スラグ改質処理ポット１０の内壁に溶着されることがある。この場合、傾動装置７５を用いてスラグ改質処理ポット１０を傾動させても、内壁に溶着されたスラグは、スラグ改質処理ポット１０の外部に排出できない問題がある。したがって、制御冷却が完了した固相スラグがスラグ改質処理ポット１０の内壁に溶着されないようにする溶着防止部８０を採用する。

図９を参照すれば、前記溶着防止部８０は、スラグ改質処理ポット１０の外部からスラグ改質処理ポット１０に向かって高周波を放射する高周波加熱器８１であってもよい。金属の加熱に利用される高周波加熱（高周波誘導加熱）は、高周波電流を利用した電磁誘導作用によるもので、高周波によってスラグ改質処理ポット１０の外壁を加熱し、内壁に伝導された熱によってスラグ改質処理ポット１０の内壁のスラグに一時的に熱を加えることによって溶着を防止する。

その他にも、図１０を参照すれば、前記溶着防止部８０は、スラグ改質処理ポット１０の下部に配置され、スラグ改質処理ポット１０に微細な振動を伝達する振動装置８２であってもよい。また、図１１を参照すれば、前記溶着防止部８０は、スラグ改質処理ポット１０の外壁と内壁との間に埋め込まれ、スラグ改質処理ポット１０の内壁と外壁との間を加熱する熱線８３であってもよい。

制御冷却によって溶融スラグが多孔質構造の固相スラグになると、これを傾動装置７５を用いて外部に排出させた後、破砕、粉砕する。

多孔質構造の固相スラグは、有価金属であるＦｅの含有量が低く、多孔質構造によって破砕および粉砕が容易である。破砕および粉砕された固相スラグの平均粒度は５０ｍｍ以下と均一になる。

図１２は、多機能性骨材の活用例を示した図である。

このように製造された多機能骨材は、主成分はＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２で、図１２に示されたような活用例を有し、セメント原料として活用する時、別の焼成過程を要求しない。したがって、セメントの製造時に使用される燃料の使用量を減少させるだけでなく、電力消費量も減少させる。

また、多機能骨材を用いたセメントは、既存のセメントを生産する時に比べると、焼成過程が要求されないことにより、二酸化炭素の排出量を約４０％程度低下させる。

さらに、多機能骨材は、化学抵抗性に優れ、塩化物イオンに対する浸透抵抗性に優れる。また、耐アルカリ−シリカ反応（ＡＳＲ、Ａｌｋａｌｉ Ｓｉｌｉｃａ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）に対する抑制効果があり、耐久性の高いコンクリート構造物に活用可能である。

上述した方法および装置は、転炉から排出されたスラグにも同様に適用可能である。

本発明の権利は、上述した実施形態に限定されず、請求の範囲に記載されたところによって定義され、本発明の技術分野における通常の知識を有する者が請求の範囲に記載された権利範囲内で多様な変形および改作が可能であることは自明である。

１０：スラグ改質処理ポット
２０：還元剤流入部
２５：還元剤投入部
２６：噴射パイプ
２６ａ：開孔機
２６ｂ：ボディ部
２６ｃ：開孔部
２７：供給パイプ
２８：還元剤供給パイプ
２９：ガス供給パイプ
２８ａ、２９ａ：注入バルブ
Ｓ：還元剤感知部
Ｃ：開孔機制御部
３０：スチーム供給部
４０：ガス供給部
６０：バーナ
７０：水冷ライン
８０：溶着防止部
９０：回収装置
１００：スラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置

Claims (9)

1. 転炉または電気炉から排出された溶融スラグが貯蔵されるスラグ改質処理ポットと、
   前記溶融スラグの有価金属を回収するための還元剤を、前記スラグ改質処理ポットの上部から内部に流入させる還元剤流入部と、
   前記溶融スラグの有価金属を回収するための還元剤を、前記スラグ改質処理ポットの側面下部から内部に流入させる還元剤投入部と、
   前記有価金属が回収された前記溶融スラグを多孔性構造の軽量物に形成するためのバブル発生および制御冷却を行う冷却手段と、
   を含むことを特徴とする、スラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。
2. 前記還元剤流入部は、
   前記還元剤を貯蔵するホッパと、
   前記還元剤を前記スラグ改質処理ポットに噴射するように、前記ホッパから前記スラグ改質処理ポットの内部に延びたランスパイプと、
   前記ランスパイプを介して前記スラグ改質処理ポットに流入する前記還元剤の流入量を算出する流入量制御部と、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。
3. 前記還元剤投入部は、
   前記スラグ改質処理ポットの下部側面に設けられ、前記還元剤とガスを前記スラグ改質処理ポット内に流入させる噴射パイプと、
   前記噴射パイプの一側に連結され、前記噴射パイプに前記還元剤と前記ガスを供給する供給パイプと、
   前記噴射パイプに設けられ、前記噴射パイプの出口詰まり時に開孔を行う開孔機と、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。
4. 前記開孔機は、
   前記噴射パイプの出口反対側端部に設けられ、内部に油圧または空圧の入出される空間が形成されたボディ部と、
   前記ボディ部の内部から前記噴射パイプの出口に向かって入出可能で、かつ、先端外周面の一部が前記噴射パイプの内径に対応する開孔部と、
   を含むことを特徴とする、請求項３に記載のスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。
5. 前記開孔部は、先端が円錐形状に形成されていることを特徴とする、請求項４に記載のスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。
6. 前記噴射パイプ内の前記還元剤の流れの有無によって前記噴射パイプの出口詰まりを感知する還元剤感知部と、
   前記還元剤感知部の感知信号を受信し、前記噴射パイプの出口が詰まっていると判断されると、前記開孔機を作動させて、前記噴射パイプの出口を開孔する開孔機制御部と、
   を備えることを特徴とする、請求項３に記載のスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。
7. 前記供給パイプは、前記還元剤を貯蔵するホッパに連結された還元剤供給パイプおよびガス供給パイプに連結され、供給された前記還元剤と前記ガスとが前記供給パイプで混合され、前記噴射パイプに制御供給されることを特徴とする、請求項３に記載のスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。
8. 前記還元剤供給パイプおよび前記ガス供給パイプに、前記還元剤および前記ガスの供給量を調節する注入バルブが設けられたことを特徴とする、請求項７に記載のスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。
9. 前記冷却手段は、
   前記溶融スラグを冷却して固相スラグを製造するためのスチームを前記スラグ改質処理ポット内に流入させるスチーム供給部と、
   前記溶融スラグと前記還元剤との反応を極大化するためのキャリアガスを前記スラグ改質処理ポット内に流入させるガス供給部とを含み、
   前記溶融スラグ内に前記スチームと前記キャリアガスとの混合気体を注入して冷却が行われることを特徴とする、請求項１に記載のスラグを用いた有価金属回収および多機能性骨材の製造装置。

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