JP2017081814A

JP2017081814A - スラグ材の製造方法

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Publication number: JP2017081814A
Application number: JP2016210112A
Authority: JP
Inventors: 加藤　裕介; Yusuke Kato; 裕介加藤; 博幸當房; Hiroyuki Tofusa; 克則 ▲高▼橋; Katsunori Takahashi
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: JP6340639B2

Abstract

【課題】風砕によって生じた粒状スラグを通常のトラックを用いて輸送する場合、粒状スラグが荷台上で動き走行が安定せず、通常のトラックでは輸送できない、という課題があった。
【解決手段】スラグ材の製造方法であって、溶融状態の製鋼スラグにノズルから空気を吹き付けることによって、前記製鋼スラグをスラグ液滴にして吹き飛ばし、前記ノズルから離れるに従って高くなるように傾斜した斜面に前記スラグ液滴を衝突させて塊状のスラグ材とした後、前記塊状のスラグ材を破砕する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水和膨張を抑制し、運搬容易なスラグ材の製造方法に関する。

脱炭吹錬によって生じる脱炭スラグは、精錬時に使用した生石灰の一部が未反応で残留したフリーライムを含有するので、水と接触すると膨張するという問題がある。そのため、脱炭スラグを路盤材に使用する場合には、水蒸気エージング処理を行いフリーライムを水和させてＣａ（ＯＨ）_２にしておく必要がある。一方、フリーライムを予め低減できれば、水蒸気エージング処理を行なわずに、脱炭スラグをそのまま路盤材にできる可能性がある。

フリーライムを予め低減する技術として、特許文献１には、溶融スラグ中に酸素を吹き込み、スラグ中に含まれるＦｅＯを酸化してＦｅ_２Ｏ_３とし、そのＦｅ_２Ｏ_３をフリーライムと反応させて２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３を生成させてフリーライムを低減できることが記載されている。しかしながら、溶融スラグ中に酸素を吹き込む方法は、溶融スラグ中に酸素を吹き込むので、酸素吹き込み用のランスが必要になる。通常、ランスは、鋼鉄製パイプを用いており、ランスから酸素を高温のスラグに吹き込む際にランス自身が酸化して消耗する。また、溶融スラグ中に酸素を吹き込むとスラグ湯面が大きく変動し容器から溢れてしまう。

溶融スラグ中に酸素を吹き込むことなくフリーライムを低減させる技術として、非特許文献１には、風砕法により溶融スラグを球形状の細粒にし、空気中の酸素によってＦｅＯを酸化させる技術が記載されている。スラグ中に含まれるＦｅＯを空気中で酸化させてＦｅ_２Ｏ_３とし、そのＦｅ_２Ｏ_３をフリーライムと反応させて２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３を生成させてフリーライムを低減できることが記載されている。

また、特許文献２には、溶融スラグを鉛直下方に流下させ、流下した溶融スラグを回転ドラムに衝突させることで溶融スラグを飛翔させてスラグ粒子とし、当該スラグ粒子をステンレススラグ粉が堆積した斜面状の受粒面に着地させることで、スラグ粒子同士が融着することを防止する技術が記載されている。

特開平９−２５６０２７号公報特開２００３−１０４７６１号公報

風砕による転炉スラグの風化崩壊性の改善について、鉄と鋼（１９７９）Ｓ１１４

しかしながら、非特許文献１および特許文献２に記載された風砕法で製造されたスラグは、空気を吹き付けられることによって吹き飛ばされて、数ｍｍ径の球形状のスラグ材になる。当該スラグ材を通常のトラックに積載して輸送すると、球形状なのでトラックの荷台上でスラグ材が動く。また、スラグ材は、高比重であるので、トラックの荷台上で動くことによってトラックの安定走行を妨げ、通常のトラックでは輸送できない。そのため、球形状のスラグ材は、フレコン等に入れて輸送する必要があり輸送コストが増大する、という課題がある。

本発明は、従来技術が抱える上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、製鋼スラグを風砕して、製鋼スラグに含まれるフリーライムを低減させて水和反応による膨張を抑制するとともに、フレコンに入れることなく、通常のトラックで輸送できるスラグ材の製造方法を提供することである。

このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）溶融状態の製鋼スラグにノズルから空気を吹き付けることによって、前記製鋼スラグをスラグ液滴にして吹き飛ばし、前記ノズルから離れるに従って高くなるように傾斜した斜面に前記スラグ液滴を衝突させて塊状のスラグ材とした後、前記塊状のスラグ材を破砕するスラグ材の製造方法。
（２）前記斜面に設けられた熱電対によって測定される前記塊状のスラグ材の最高温度が７００℃以上になるように、前記スラグ液滴を前記斜面に衝突させる（１）に記載のスラグ材の製造方法。
（３）サーモグラフィーを用いて、前記スラグ液滴が前記斜面に衝突し始めてから衝突し終わるまで前記塊状のスラグ材の最高温度を前記ノズルが設けてある側から測定し、前記スラグ液滴が前記斜面に衝突し始めてから衝突し終わるまでの前記最高温度の平均値が１０５０℃以上になるように、前記スラグ液滴を前記斜面に衝突させる（１）に記載のスラグ材の製造方法。
（４）前記塊状のスラグ材を破砕した後に篩分けし、篩下をスラグ路盤材にする（１）から（３）のいずれか１つに記載のスラグ材の製造方法
（５）前記塊状のスラグ材を破砕した後に篩分けし、篩上を海域利用用スラグにする（１）から（３）のいずれか１つに記載のスラグ材の製造方法。
（６）前記塊状のスラグ材の厚さは、８０〜１５０ｍｍである（１）から（５）のいずれか１つに記載のスラグ材の製造方法。

本発明に係るスラグ材製造方法により製造されたスラグ材は、スラグ中のフリーライムを予め減少でき、水和反応による膨張を抑制できる。さらに、空気を吹き付けることで形成されたスラグ液滴は、凝固されて塊状のスラグ材にされる。このようにして製造されたスラグ材は、球形状ではないので、トラックの荷台上における動きが小さくなり、フレコン等のコンテナを用いなくてもトラックの安定走行を妨げることがない。このため、当該スラグ材は、輸送コストを上昇させることなく、通常のトラックで輸送できるものとなる。

スラグ材製造装置１０の側面図である。スラグ材製造試験装置４０の側面図である。球形状の風砕スラグ材を示す写真である。塊状化した風砕スラグ材の断面を示す写真である。ノズル２０からの距離と熱電対で測定したスラグ材の最高温度との関係を示すグラフである。斜面２８へのスラグ液滴の到達頻度とスラグ材の平均温度の関係を示すグラフである。融着スラグおよび半融着スラグを示す写真である。スラグ液滴径ごとに、全Ｆｅ量に対するＦｅ_２Ｏ_３の含有割合（質量％）とノズルからの距離（図６上）と、スラグ中のフリーライムの含有割合（質量％）とノズルからの距離（図６下）との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態に係るスラグ材の製造方法が適用されるスラグ材製造装置１０の側面図である。スラグ材製造装置１０は、樋１４と、ブロアー１６と、凝固台２６とを有する。製鋼工場において発生した溶融状態の製鋼スラグ２４は、スラグ鍋１２に装入される。スラグ鍋１２は、溶融状態の製鋼スラグ２４が装入された状態で搬送され、樋１４の上方に設置される。スラグ鍋１２は、傾動されて製鋼スラグ２４をスラグ鍋１２から流出させる。スラグ鍋１２は、製鋼スラグ２４が流れ始める直前から傾動速度が低下されて、例えば、１ｔ／ｍｉｎの流量で、製鋼スラグ２４を流出させる。ここで、製鋼スラグ２４は、例えば、転炉を用いた脱炭精錬によって生じたフリーライムを１質量％以上含む脱炭スラグである。なお、脱炭スラグに代えて、脱りん精錬によって生じたフリーライムを１質量％以上含む脱りんスラグを用いてもよい。ここで、フリーライムとは、溶鉄の精錬に使用された生石灰の未反応物や高濃度にＣａＯを含む晶出物であり、「遊離石灰」、「ｆ−ＣａＯ」とも呼ばれる。

ブロアー１６は、ブロアー本体１８と、ノズル２０を有する。ブロアー本体１８は、外部の空気を取り込んで、内部の空気の圧力を高める。圧力の高められた空気は、ノズル２０から吹き出される。また、ノズル２０は、不図示の風速調整弁を含む。風速調整弁は、弁の開度が調整されることでノズル２０から吹き出される空気の風速が調整される。

スラグ鍋１２から流出された製鋼スラグ２４は、樋１４を通じてノズル２０の前方に流出される。ブロアー１６は、ノズル２０から製鋼スラグ２４に空気を吹き付け、製鋼スラグ２４をスラグ液滴にして吹き飛ばす（以後、「製鋼スラグ２４に空気を吹き付け、製鋼スラグ２４をスラグ液滴にして吹き飛ばす」ことを「風砕」と称する）。製鋼スラグ２４に含まれるＦｅＯは、空気に含まれる酸素によってＦｅ_２Ｏ_３に酸化される。酸化によって生成されたＦｅ_２Ｏ_３によって、２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３が生成されるので、製鋼スラグ２４中のフリーライムは減少する。このように製鋼スラグ２４のフリーライムを予め減少させることができるので、製鋼スラグ２４の水和反応による膨張を抑制できる。

吹き飛ばされたスラグ液滴は、凝固台２６に形成された斜面２８に衝突して、斜面２８に融着する。そして、斜面２８に融着したスラグ液滴は、融着後に空気および凝固台２６に抜熱されることによって冷却され斜面２８上で凝固する。さらに製鋼スラグ２４の風砕が継続されることで、スラグ液滴は、斜面２８上で凝固したスラグに衝突して、スラグ同士で融着する。そして、スラグ同士が融着した融着物が冷却されて、斜面２８上に塊状のスラグ材３０が製造される。なお、凝固台２６に設けられた斜面２８は、ノズル２０から離れるに従って高くように傾斜した斜面である。凝固台２６の材質は、鋼、コンクリート、および塊状化した風砕スラグであってよく、スラグ材３０の荷重に耐えられる材質であればよい。

凝固台２６の斜面２８には、不図示の熱電対が設けられている。熱電対は、斜面２８上の塊状のスラグ材３０の温度を測定する。本実施形形態において、熱電対によって測定されたスラグ材３０の最高温度が７００℃以上となるように、スラグ鍋１２から流出される製鋼スラグ２４の流量および凝固台２６の位置等を調整する。これにより、スラグ同士の融着が促進され、スラグ材３０の強度を高めることができる。

なお、熱電対に代えて、ノズル２０が設けてある側から斜面２８上のスラグ材３０の温度を非接触で測定するサーモグラフィーを設けてもよい。サーモグラフィーを用いて、斜面２８上の塊状のスラグ材３０の最高温度を測定する。サーモグラフィーを設けた場合において、スラグ液滴が斜面２８に衝突し始めてから衝突し終わるまで、サーモグラフィーによって測定されるスラグ材３０の最高温度の平均値が１０５０℃以上となるように、スラグ鍋１２から流出される製鋼スラグ２４の流量および凝固台２６の位置等を調整する。これにより、スラグ同士の融着が促進され、スラグ材３０の強度を高めることができる。

製鋼スラグ２４の風砕は、スラグ材３０の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで継続される。スラグ材３０は、スクレーパ等を用いて斜面２８から剥離されて回収される。回収されたスラグ材３０は、破砕機によって破砕されてスラグ破砕物にされる。スラグ破砕物は、予め定められた粒径で分級される。分級は、例えば、篩を用いて行われる。予め定められた粒径が３０ｍｍである場合には目開き３０ｍｍの篩を用いて篩分けし、当該篩を通過した篩下のスラグ破砕物を粒径の小さいスラグ破砕物とし、篩上に残ったスラグ破砕物を粒径の大きいスラグ破砕物とする。そして、粒径の小さいスラグ破砕物は、例えば、スラグ路盤材とし、粒径の大きいスラグ破砕物は、例えば、海域利用用スラグとする。

なお、予め定められた粒径は、本実施形態におけるスラグ材の製造方法が実施される場所において、スラグ路盤材として用いられる粒径に基づいて２５〜４０ｍｍの範囲で任意に定めてよい。例えば、スラグ路盤材として用いられる粒径が３０ｍｍの場合には、目開き３０ｍｍの篩を用いてスラグ破砕物が分級される。

粒径の小さいスラグ破砕物をスラグ路盤材にしても、スラグ中のフリーライムは予め減少されており水和反応による膨張は抑制される。そのため、当該スラグ材は、スラグ路盤材として有用なスラグ材となる。さらに、球形状のスラグ材は、通常のコンクリート用細骨材として同様に扱ってもらえないところ、当該スラグ破砕物は球形状ではないので、通常のコンクリート用細骨材として使用できる。

また、海域利用用として製鋼スラグ材を用いると、製鋼スラグに含まれるＣａＯやＦｅ_２Ｏ_３成分によるＨ_２ＳやＰＯ_４ ^３−の化学的除去効果によって海底の底質浄化および海水の浄化がなされることが報告されている。しかしながら、製鋼スラグ材の粒径が１ｍｍ以下では、浮泥等によって表面が完全に覆われて海底の底質浄化能力または海水の浄化能力が消失する。一方、製鋼スラグ材の粒径が１０ｍｍ以上であれば、浮泥等によって製鋼スラグ材の表面が完全に覆われることがないので、海底の底質浄化能力または海水の浄化能力が消失することを防止できる。上述したように、スラグ路盤材として用いられるスラグ破砕物の最大粒径は２５〜４０ｍｍの範囲内であるので、海域利用用スラグとしては、小さくとも目開き２５ｍｍの篩上に残ったスラグ破砕物が用いられる。このように、粒径が２５ｍｍ以上のスラグ破砕物を海域利用用スラグにすることで、当該スラグ材は、海域利用用スラグとしても有用なスラグ材となる。

スラグ材３０の厚さが８０〜１５０ｍｍとなるまで、風砕が継続される。例えば、スラグ路盤材として用いられる粒径が４０ｍｍである場合に、スラグを有効活用することを目的として、４０ｍｍ以下の粒径のスラグ破砕物をスラグ路盤材にし、４０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグにする。海域利用用スラグの歩留を高くするために、スラグ材３０の厚さの下限寸法をスラグ路盤材として用いられる粒径の約２倍程度である８０ｍｍにしている。これにより、海域利用用スラグの歩留を５０質量％以上にすることができる。なお、海域利用用スラグの歩留とは、全スラグ質量に対して海域利用用スラグに用いることができたスラグ質量の割合（質量％）を示す。

一方、スラグ材３０の厚さを厚くしすぎると、スラグ材３０が大きくなりすぎて、スラグ材３０の破砕回数が多くなる。破砕回数が多くなると、微細な破砕物も増えるので、破砕回数は少ないことが好ましい。このため、スラグ材３０の厚さの上限寸法を１５０ｍｍにしている。

次に、ノズル２０から凝固台２６までの距離と、スラグ材３０の温度との関係について説明する。図２は、スラグ材製造試験装置４０の側面図である。図２において、図１と同じ構成には同じ符号を付して重複する説明を省略する。スラグ材製造試験装置４０は、凝固台２６に代えて、ベースプレート５０と、スラグ回収用の鉄板５２と、鉄板５２に設けられた複数の熱電対４２を備える。

スラグ鍋１２から流出された製鋼スラグ２４は、樋１４を通じて、ノズル２０の前方に流出される。ブロアー１６は、製鋼スラグ２４に風速８０〜９１ｍ／ｓで空気を吹き付けて風砕する。風砕されたスラグ材の温度をノズル２０からの距離ごとに測定すべく、ベースプレート５０上に配置した鉄板５２に複数の熱電対４２を設けた。熱電対４２は、ノズル２０から５．６ｍ離れた位置に１つ設け、さらに５．６ｍの位置から約１．７ｍ離れるごとに熱電対を１つずつ設けた。これら熱電対４２の先端は、鉄板５２上に堆積したスラグ材の温度を測定するために鉄板５２の上面から約１ｃｍ突出されている。このスラグ材製造試験装置４０を用いて、ノズル２０から所定距離離れた位置に堆積したスラグ材の温度を測定した。なお、図２において、スラグ材７０は、ノズル２０から５．６ｍまでの位置に堆積したスラグ材である。スラグ材７２は、５．６ｍから７．３ｍまでの位置に堆積したスラグ材であり、スラグ材７４は、７．３ｍから９．１ｍの位置に堆積したスラグ材であり、スラグ材７６は、９．１ｍから１０．８ｍの位置に堆積したスラグ材であり、スラグ材７８は、１０．８ｍから１２．４ｍの位置に堆積したスラグ材であり、スラグ８０は、１２．４ｍから１４．２ｍの位置に堆積したスラグ材である。

図３は、球形状の風砕スラグ材を示す写真である。図３に示した写真は、ノズル２０からの距離が１２.４ｍの位置で回収された球形状のスラグ材７８を示している。図３に示すように、ノズル２０から１２．４ｍ吹き飛ばされたスラグ液滴は、空気中で冷却されて球形状のスラグ材７８になる。すなわち、ノズル２０からの距離が１２．４ｍの位置に凝固台２６を設けても、スラグ液滴は、斜面２８に融着せず、球形状のスラグ材になる。

図４は、塊状化した風砕スラグ材の断面を示す写真である。図４に示した写真は、ノズル２０からの距離が５．６ｍの位置で回収された塊状のスラグ材７０の断面を示している。図４に示すように、ノズル２０から５．６ｍ吹き飛ばされたスラグ液滴は、凝固する前に鉄板５２に落下し、鉄板５２と融着し、その後、空気および鉄板５２に抜熱されることによって冷却されて凝固する。そして、鉄板５２に融着したスラグ材に、さらにスラグ液滴が融着および凝固して、塊状のスラグ材７０が形成される。

図５は、ノズル２０からの距離と熱電対で測定したスラグ材の最高温度との関係を示すグラフである。図５において、同じノズル距離における３つのプロットは、それぞれ異なる日に同じ条件で測定されたスラグ材の最高温度を示す。図５からわかるように、空気に抜熱されることでスラグ液滴は空気中で冷却されるので、ノズル２０から離れるに従いスラグ液滴の温度は低下し、その結果、斜面２８のスラグ材の最高温度も低下する。スラグ液滴を斜面２８で融着させるには、熱電対で測定される塊状のスラグ材の最高温度を７００℃以上にすることが好ましい。得られたスラグ材内部の組織より、スラグ材の最高温度が７００℃以上であるということは、斜面２８に衝突したときのスラグ液滴は、半溶融状態で斜面２８に衝突している。このため、斜面２８上でスラグ液滴同士が強固に融着した融着スラグが形成される。一方、スラグ材の最高温度が７００℃未満の場合、スラグ液滴は、内部がほとんど凝固した状態で斜面２８に衝突する。このため、斜面２８上でスラグ液滴同士が強固に融着せず、スラグ同士が部分的に融着した強度の弱い半融着スラグが多く形成される。

また、スラグ材の最高温度が１２００℃より高くなると、スラグ液滴は、溶融状態で斜面２８に衝突していることになる。このため、斜面２８上でスラグ液滴同士が融着せず、斜面２８の下や凝固台２６の側面から溶融スラグが流れ出る。したがって、スラグ材の最高温度は、１２００℃以下にすることが好ましい。これにより、設備内への溶融スラグの流れ込みを防止できる。

斜面２８上のスラグ材の最高温度を７００℃以上にするには、図５に示した例においては、ノズル２０からの距離が１０ｍ以内であればよい。このため、ノズル２０から凝固台２６までの距離は、１０ｍ以内であることが好ましい。なお、ノズル２０から凝固台２６までの距離とは、図１における矢印２２で示される距離である。また、ノズル２０から凝固台２６までの好ましい距離は、製鋼スラグ２４の種類またはノズル２０から吹き付ける空気の風速等により変化するので、すべての条件において、ノズル２０から凝固台２６までの距離を１０ｍ以内にすることが好ましいとは限らない。

図６は、斜面２８へのスラグ液滴の到達頻度とスラグ材の平均温度の関係を示すグラフである。図６において、横軸は、スラグ液滴の到達頻度［ｇ／（ｃｍ^２×ｓ）］であり、縦軸は、スラグ材の平均温度（℃）である。スラグ液滴の到達頻度とは、斜面２８を約５００ｃｍ^２に区切って１エリアとし、各エリアで凝固したスラグ材の質量を風砕時間および面積で除して算出した値である。スラグ材の平均温度とは、サーモグラフィーを用いてスラグ液滴が斜面２８に衝突し始めてから衝突し終わるまで、ノズル側からスラグ材の最高温度を測定し、スラグ液滴が斜面２８に衝突し始めてから衝突し終わるまでの最高温度の平均値を算出した値である。

図６において、菱形プロットは、半融着スラグが形成されたことを示し、丸プロットは、融着スラグが形成されたことを示す。図６に示すように、スラグ材の平均温度が１０５０℃以上であれば、部分的に半融着スラグが形成されるものの、内部が密になった強度の高い融着スラグが形成される。ここで半融着スラグとは、ノズルから空気を吹き付けることによって吹き飛ばされたスラグ液滴が空中を飛んでいるとき、もしくは斜面２８に衝突した瞬間に抜熱され、内部がほとんど凝固した状態で斜面２８に衝突して形成されるスラグ同士が部分的に融着した強度の弱い塊状のスラグを意味する。

図７は、融着スラグおよび半融着スラグを示す写真である。図７（ａ）は、融着スラグを示す写真であり、図７（ｂ）は半融着スラグを示す写真である。これらの写真に示すように融着スラグは、内部が密になり高い強度を有する。一方、半融着スラグは、その内部に無数の粒状スラグが確認でき、その周囲には多数の空隙が存在する。このように、半融着スラグは、スラグ同士が強固に融着しておらず、多数の空隙が存在するので、路盤材に必要な強度を有さず、運搬作業等によって容易に破砕され、路盤材として求められる粒度分布を満足しない。しかしながら、路盤材として求められる粒度分布には数ｍｍ以下の粒子も含まれるので、塊状のスラグ材の全てが、融着スラグになっている必要はない。このため、塊状のスラグ材の平均温度が１０５０℃以上であれば、部分的に半融着スラグが形成されるものの融着スラグを形成でき、路盤材用途として必要な強度を有することを確認している。

なお、図６に示すように、スラグ材の平均温度を１２００℃以上にすれば半融着スラグは発生せず、内部が密になった強度の高い融着スラグが得られる。このため、塊状のスラグ材の平均温度を１２００℃以上にすることが好ましい。

一方、塊状のスラグ材の平均温度が１５００℃より高くなると、スラグ液滴は、溶融状態のまま斜面２８に衝突していることになる。このため、斜面２８上でスラグ同士が融着せず、斜面２８の下や凝固台２６の側面から溶融スラグが流れ出る。したがって、斜面２８上のスラグ材の平均温度は、１５００℃以下にすることが好ましい。これにより、設備内への溶融スラグの流れ込みを防止できる。

次に、スラグ液滴径と、ＦｅＯの酸化との関係について説明する。図８は、スラグ液滴径ごとに、全Ｆｅ量に対するＦｅ_２Ｏ_３の含有割合（質量％）とノズルからの距離（図８上）と、スラグ中のフリーライムの含有割合（質量％）とノズルからの距離（図８下）との関係を示すグラフである。図８に示した例において、製鋼スラグ２４は、風砕前に１．３質量％のフリーライムを含んでいる。図８のグラフからスラグ液滴径が２．３６ｍｍ以下であれば、風砕によってＦｅＯを酸化して、スラグ中に含まれる鉄の９０質量％以上をＦｅ_２Ｏ_３にできることがわかる。これにより、製鋼スラグ２４に含まれるフリーライムの量は、１．３質量％から０．１質量％以下に低減できる。

一方、スラグ液滴径が２．３６ｍｍより大きい場合、風砕してもＦｅＯを十分に酸化できず、スラグ中に含まれる鉄の７０〜８０質量％しかＦｅ_２Ｏ_３にできない。そのため、製鋼スラグ２４に含まれるフリーライムの量は、１．３質量％から０．３質量％にしか低減できない。このため、風砕により形成されるスラグ液滴の径は小さい方が好ましく、２．３６ｍｍ以下であることがより好ましい。

このように、本実施形態のスラグ材製造方法で製造されたスラグ材は、風砕されることによって、ＦｅＯが酸化されて２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３を生成させ、スラグ中のフリーライムを予め減少できる。また、製造されたスラグ材は、風砕により形成されたスラグ液滴同士が融着して凝固した塊状のスラグ材にされて回収される。このようにして回収された塊状のスラグ材は球形状ではないので、トラックの荷台上における動きは小さくなりトラックの安定走行を妨げない。そのため、当該スラグ材は、フレコン等のコンテナを用いることなく、通常のトラックを用いて輸送できる。

図１に示したスラグ材製造装置１０と同じ装置を用いて、スラグ材の製造方法を実施した。なお、本発明例において、凝固台２６は、ノズル２０から６〜１０ｍ離れた位置に設けた。また、斜面２８の角度は、３０°または４５°にした。さらに、斜面２８に熱電対を５ｍ^２ごとに１つ以上設置するとともに、ノズル２０側から斜面２８のスラグ材の温度を非接触で測定するサーモグラフィーも設置した。

製鋼工場において発生した溶融状態の脱炭スラグをスラグ鍋１２に装入し、樋１４を通じて１ｔ／ｍｉｎの流量でノズル２０の前方に脱炭スラグを流出させた。ブロアー１６を用いて脱炭スラグに９０〜１１０ｍ／ｓの風速で空気を吹き付けて、脱炭スラグをスラグ液滴にして吹き飛ばした。なお、本発明例および比較例で使用した脱炭スラグは、風砕される前において全スラグ量に対してフリーライムを１．３質量％含む。

吹き飛ばされたスラグ液滴は、斜面２８に衝突して当該斜面２８に融着した。斜面２８に融着したスラグ液滴は、その後、冷却されて斜面２８上で凝固した。さらに脱炭スラグの風砕を約１５分継続して、斜面２８上に厚さを８０〜１５０ｍｍの範囲内とした塊状のスラグ材を形成させた。その後、凝固台２６の手前に落下したスラグおよび凝固台２６を飛び越したスラグを取り除いた後、斜面２８上に形成された塊状のスラグ材を回収した。スラグ材の回収割合は、スラグ鍋１２から流出させて風砕した脱炭スラグ全量に対して約９０質量％であった。なお、その他は、凝固台２６の手前に落下したスラグが７質量％あり、凝固台２６を越えて飛翔したスラグが３質量％あった。回収したスラグ材を破砕して、３０ｍｍまたは４０ｍｍの目開きの篩を用いて分級した。

温度測定は、熱電対またはサーモグラフィーを用いて行い、１秒に２回以上の頻度で測定した。熱電対を用いて、斜面２８上のスラグ材の温度を測定する場合、それぞれの熱電対を用いて、斜面２８上のスラグ材の温度を測定しスラグ材の最高温度が３００℃以上となった熱電対の最高温度の平均値を算出した。なお、最高温度が３００℃以下となった熱電対は、その位置のスラグ材の量が著しく少ないと判断し、当該温度を除外して最高温度の平均温度を算出した。また、サーモグラフィーを用いて、斜面２８上のスラグ材の最高温度を測定する場合、スラグ液滴が斜面に衝突し始めてから衝突し終わるまでノズル側からスラグ材の最高温度を測定し、スラグ液滴が斜面に衝突し始めてから衝突し終わるまでの最高温度の平均値を算出した。

熱電対は、斜面２８上のスラグ材の温度と、測定時に新たに衝突したスラグ液滴からの温度の両方の影響を受けた温度を測定するが、斜面２８に衝突したスラグ液滴自体の温度は測定できない。一方、サーモグラフィーは、斜面２８に衝突したスラグ液滴自体の温度を、スラグ液滴が斜面に衝突し始めてから衝突し終わるまで測定できる。吹き飛ばされたスラグ液滴を斜面に衝突させて、融着スラグを形成させる本実施形態に係るスラグ材の製造方法においては、スラグ液滴が斜面２８に衝突している間、衝突したスラグ液滴自体の温度を測定できるサーモグラフィーを用いて、強度の高い融着スラグを形成できるか否かの判定することが好ましい。

熱電対は、斜面２８に衝突し始めたときのスラグ液滴の温度を測定できるものの、スラグ材の厚みが厚くなるに従い、斜面２８に衝突したスラグ液滴の温度を測定できなくなる。しかしながら、スラグ材の厚みが厚くなると、斜面２８に堆積したスラグ自体も高温であり新たに衝突したスラグ液滴の冷却も緩やかになる。したがって、斜面２８に衝突し始めたときのスラグ材の最高温度を測定し当該温度で融着スラグが形成されるか否かを判定すれば、その後のスラグ材はこれ以上の温度になると考えられるので、確実に融着スラグを形成できるといえる。熱電対を用いた判定方法は、熱電対で測定された最高温度の平均を算出するだけで融着スラグが形成できるか否かを判定できるので、より簡便な判定方法であるといえる。

表１に、各発明例の製造条件、製造されたスラグ材の温度、スラグ材のハンドリング、製造したスラグ路盤材の膨張率、路盤材の強度、強度判定、および、海域利用用スラグの歩留を示す。なお、表１において、「斜面」の列は凝固台２６の有無を示す。また、「角度」の列は、斜面２８の角度（°）を示し、「距離」の列は、ノズル２０から凝固台２６までの距離（ｍ）を示す。また、「風速」の列は、ノズル２０から吹き出される空気の風速を示し、「分級」の列は、スラグ破砕物を分級するのに用いた篩の目開き寸法（ｍｍ）を示す。

温度の「測定方法」の列は、温度測定に用いた機器を示す。「最高温度」の列は、熱電対を用いて測定されたスラグ材の最高温度を示す。「平均温度」の列は、サーモグラフィーを用いて測定されたスラグ材の最高温度の平均値を示す。

ハンドリングの「スラグ形状」の列は、一つのスラグ粒子が球形の場合は「球形状」とし、一つのスラグ粒子が複数の球が接着した場合や再融着により球形部分が全く確認できない場合を「非球形状」とした。「トラック輸送」の列は、重機を用いトラックの荷台に積み込んだ際、荷台の隙間からスラグ材のこぼれ落ちが著しい場合や、トラック走行中にスラグ材が荷台上で転がり動く場合を「×」とし、問題なくトラックの荷台に積み込め、トラック輸送できる場合を「○」とした。

また、品質の「路盤膨張」の列は、ＪＩＳＡ５０１５附属書Ｂの水浸膨張試験に準拠して測定したスラグ材の膨張率を示す。「路盤材強度」の列は、ＪＩＳＡ１２１１の修正ＣＢＲ試験に準拠して測定したスラグ材の強度を示す。「強度判定」の列は、スラグ材の強度判定結果を示しており、修正ＣＢＲ値が３０〜５０％を「○」、５０％以上を「◎」、スラグ材を突き固める段階でスラグ材が数ｍｍ以下の粒度に粉砕され、修正ＣＢＲ試験が実施できなかった場合を「×」とした。

本発明例１の製造条件は、斜面２８の角度が３０°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が１０ｍ、ブロアー１６からの風速が９５ｍ／ｓである。本発明例１の条件で風砕され、熱電対で測定された斜面２８に形成されたスラグ材の最高温度は７３２℃であった。このスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

本発明例１の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．０５％と小さくなっていた。このことから風速９５ｍ／ｓの空気を吹き付けることによって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、フリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。斜面２８上には部分的に半融着スラグを含む融着スラグが形成され、スラグ形状は非球形状となり、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できた。また、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物の路盤材強度は４８％であり、路盤材として必要な強度を有していることが確認された。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたので、３０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は、６５％と高くなった。

本発明例２の製造条件は、斜面２８の角度が４５°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が８ｍ、ブロアー１６からの風速が９５ｍ／ｓである。本発明例２の条件で風砕され、熱電対で測定された斜面２８に形成されたスラグ材の最高温度は９５５℃であった。このスラグ材を破砕して目開き４０ｍｍの篩を用いて分級し、４０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、４０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

本発明例２の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．０５％と小さくなっていた。このことから、本発明例２の条件においても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。斜面２８上には融着スラグが形成され、スラグ形状は非球形状となり、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できた。また、４０ｍｍ以下のスラグ破砕物の路盤材強度は５７％であり、路盤材として十分な強度を有していることが確認された。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたので、４０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は、５８％と高くなった。

本発明例３の製造条件は、斜面２８の角度が３０°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が１０ｍ、ブロアー１６からの風速が１１０ｍ／ｓである。本発明例３の条件で風砕され、熱電対で測定された斜面２８に形成されたスラグ材の最高温度は７４０℃であった。このスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

本発明例３の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．０３％と小さくなっていた。このことから、本発明例３の条件においても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。斜面２８上には部分的に半融着スラグを含む融着スラグが形成され、スラグ形状は非球形状となり、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できた。また、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物の路盤材強度は４３％であり、路盤材として必要な強度を有していることが確認された。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたので、３０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は、５３％と高くなった。

本発明例４の製造条件は、斜面２８の角度が３０°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が１０ｍ、ブロアー１６からの風速が９０ｍ／ｓである。本発明例４の条件で風砕され、熱電対で測定された斜面２８に形成されたスラグ材の最高温度は８２３℃であった。このスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

本発明例４の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．１０％と小さくなっていた。このことから、本発明例４の条件においても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。斜面２８上には融着スラグが形成され、スラグ形状は非球形状となり、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できた。また、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物の路盤材強度は６２％であり、路盤材として十分な強度を有していることが確認された。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたので、３０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は、６２％と高くなった。

本発明例５の製造条件は、斜面２８の角度が３０°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が１０ｍ、ブロアー１６からの風速が９５ｍ／ｓである。サーモグラフィーで測定されたスラグ材の最高温度の平均値は１０７１℃であった。このスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

本発明例５の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．０５％と小さくなっていた。このことから、本発明例５の条件においても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。斜面２８上には融着スラグが形成され、スラグ形状は非球形状となり、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できた。また、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物の路盤材強度は５２％であり、路盤材として十分な強度を有していることが確認された。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたので、３０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は、５９％と高くなった。

本発明例６の製造条件は、斜面２８の角度が４５°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が６ｍ、ブロアー１６からの風速が９０ｍ／ｓである。サーモグラフィーで測定されたスラグ材の最高温度の平均値は１２７２℃であった。このスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

本発明例６の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．１０％と小さくなっていた。このことから、本発明例６の条件においても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。斜面２８上には融着スラグが形成され、スラグ形状は非球形状となり、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できた。また、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物の路盤材強度は６８％であり、路盤材として十分な強度を有していることが確認された。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたので、３０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は、５１％と高くなった。

本発明例７の製造条件は、斜面２８の角度が４５°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が８ｍ、ブロアー１６からの風速が９５ｍ／ｓである。サーモグラフィーで測定されたスラグ材の最高温度の平均値は１１３４℃であった。このスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

本発明例７の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．０８％と小さくなっていた。このことから、本発明例７の条件においても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。斜面２８上には融着スラグが形成され、スラグ形状は非球形状となり、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できた。また、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物の路盤材強度は６４％であり、路盤材として十分な強度を有していることが確認された。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたので、３０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は、６２％と高くなった。

このように、本実施形態に係るスラグ材の製造方法を用いることで、本発明例１から本発明例7に示すように、斜面２８上に強度の高い融着スラグを形成させることができ、これにより、路盤材として求められる強度を満足するスラグ材を製造できることがわかる。また、当該スラグ材は風砕されることによって、予めフリーライムが減少されているので、水和反応による路盤膨張を抑制できる。さらに、当該スラグ材は、球形状ではなく塊状であるので、トラックの荷台上での動きは小さくなり、フレコン等のコンテナを使用しなくてもトラックの安定走行を妨げることがない。このように、本実施形態に係るスラグ材の製造方法で製造されたスラグ材は、路盤材として求められる強度を満足し、路盤膨張を抑制でき、フレコン等のコンテナを用いることなく、通常のトラックを用いて輸送できるものになる。

発明例８の製造条件は、斜面２８の角度が３０°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が１０ｍ、ブロアー１６からの風速が９５ｍ／ｓである。参考例２の条件で風砕され、斜面２８に形成されたスラグ材の最高温度は５３１℃であった。このスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

発明例８の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．０４％と小さくなっていた。このことから、発明例８の条件においても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。また、斜面２８に形成されたスラグ材の最高温度が５３１℃と低かったので、斜面２８上では強度の高い融着スラグは形成されず、強度の弱い半融着スラグが形成された。半融着スラグは非球形状であるので、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できたが、修正ＣＢＲ試験を実施しようとした所、突き固める段階でスラグ材が数ｍｍ以下の粒度になり修正ＣＢＲ試験が実施できなかった。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたが、強度の弱い半融着スラグしか形成されなかったので、破砕後、多くのスラグ破砕物の粒径が３０ｍｍ以下になり、３０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は１３％と低かった。

発明例９の製造条件は、斜面２８の角度が４５°であって、ノズル２０から凝固台２６までの距離が１０ｍ、ブロアー１６からの風速が９５ｍ／ｓである。サーモグラフィーで測定されたスラグ材の最高温度の平均値は９１４℃であった。このスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

発明例９の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．０３％と小さくなっていた。このことから、発明例９の条件においても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。また、サーモグラフィーで測定されたスラグ材の最高温度の平均値が９１４℃と低かったので、斜面２８上では強度の高い融着スラグは形成されず、半融着スラグが形成された。半融着スラグは非球形状であるので、問題なくトラック荷台へ積み込んで輸送できたが、修正ＣＢＲ試験を実施しようとした所、突き固める段階でスラグが数ｍｍ以下の粒度になり修正ＣＢＲ試験が実施できなかった。さらに、スラグ材の厚さが８０〜１５０ｍｍになるまで凝固させたが、強度の弱い半融着スラグしか形成されなかったので、破砕後、多くのスラグ破砕物の粒径が３０ｍｍ以下になり、３０ｍｍ以上の海域利用用スラグの歩留は８％と低かった。

このように、本実施形態に係るスラグ材の製造方法を用いることで、本発明例８、本発明例９に示すように、斜面２８上に非球形状の半融着スラグを形成させることができ、これにより、トラック荷台へ積み込んで、フレコン等のコンテナを用いることなくトラックで輸送できるスラグ材を製造できることがわかる。しかしながら、斜面２８上のスラグ材の温度が低くなると、スラグ同士が融着した強度の高い融着スラグが形成されず、強度の弱い半融着スラグが形成される。このような半融着スラグは、路盤材として必要な強度を満足しない。このため、熱電対で測定された斜面２８に形成されたスラグ材の最高温度を７００℃以上にする、または、サーモグラフィーで測定されたスラグ材の最高温度の平均値を１０５０℃以上にして、斜面２８上に強度の高い融着スラグを形成させることが好ましいことがわかる。

一方、比較例１の製造条件は、凝固台２６を設けておらず、ブロアー１６からの風速が９５ｍ／ｓである。製造されたスラグ材のうち塊状となったスラグ材を破砕して目開き３０ｍｍの篩を用いて分級し、３０ｍｍより大きい粒径のスラグ破砕物を海域利用用スラグとし、３０ｍｍ以下のスラグ破砕物をスラグ路盤材とした。

比較例１の条件で製造されたスラグ路盤材の膨張率は、０．０５％と小さくなっていた。このことから、比較例１の条件であっても風砕によって形成されたスラグ液滴径は小さくなっており、空気中でＦｅＯが酸化され、スラグ中に含まれるフリーライムのほとんどが２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３になったと考えられる。一方、凝固台２６が設けられていないので、スラグ液滴は１０ｍ以上吹き飛ばされ、スラグ同士で融着して塊状のスラグ材となったスラグは少なく、そのほとんどが球形状になった。このため、重機を用いトラックの荷台に積み込んだ際、荷台の隙間からスラグ材のこぼれ落ちが著しく、トラック走行中にスラグ材が荷台上で転がり動き、フレコン等に入れなくては通常のトラックを用いて輸送できなかった。さらに、スラグ同士で融着して凝固した塊状のスラグ材の量が少なかったので、海域利用用スラグの歩留は１０％と低かった。また、修正ＣＢＲ試験を実施しようとしたが、ほとんどが球形状のスラグ粒子であったので修正ＣＢＲ試験が実施できなかった。

１０スラグ材製造装置
１２スラグ鍋
１４樋
１６ブロアー
１８ブロアー本体
２０ノズル
２２矢印
２４製鋼スラグ
２６凝固台
２８斜面
３０スラグ材
４０スラグ材製造試験装置
４２熱電対
５０ベースプレート
５２鉄板
７０スラグ材
７２スラグ材
７４スラグ材
７６スラグ材
７８スラグ材
８０スラグ材

Claims

溶融状態の製鋼スラグにノズルから空気を吹き付けることによって、前記製鋼スラグをスラグ液滴にして吹き飛ばし、前記ノズルから離れるに従って高くなるように傾斜した斜面に前記スラグ液滴を衝突させて塊状のスラグ材とした後、前記塊状のスラグ材を破砕するスラグ材の製造方法。
前記斜面に設けられた熱電対によって測定される前記塊状のスラグ材の最高温度が７００℃以上になるように、前記スラグ液滴を前記斜面に衝突させる請求項１に記載のスラグ材の製造方法。
サーモグラフィーを用いて、前記スラグ液滴が前記斜面に衝突し始めてから衝突し終わるまで前記塊状のスラグ材の最高温度を前記ノズルが設けてある側から測定し、前記スラグ液滴が前記斜面に衝突し始めてから衝突し終わるまでの前記最高温度の平均値が１０５０℃以上になるように、前記スラグ液滴を前記斜面に衝突させる請求項１に記載のスラグ材の製造方法。
前記塊状のスラグ材を破砕した後に篩分けし、篩下をスラグ路盤材にする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスラグ材の製造方法。
前記塊状のスラグ材を破砕した後に篩分けし、篩上を海域利用用スラグにする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスラグ材の製造方法。
前記塊状のスラグ材の厚さは、８０〜１５０ｍｍである請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスラグ材の製造方法。