JP2017088434A - クリンカーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造する際の焼成温度を低減することが可能であり、しかも廃棄物使用量を増やせるセメントクリンカーの安定的な製造方法を提供する。
【解決手段】セメントクリンカーを、廃棄物・副産物原料と天然原料を原料として使用し、ロータリーキルン方式の炉で焼成してボーグ式により算出されるＣ_３Ｓ量が６０〜６７％、Ｃ_３Ａが８〜１０％、Ｃ_４ＡＦが１５〜２０％、かつ鉄率が０．８〜１．３となるように原料を調整し、これを１３００〜１４００℃で焼成するものとし、前記組成となるよう予定して計量された全ての廃棄物・副産物原料と天然原料とを混合し、該混合物の化学組成を分析して計算された組成になっているか否かの可否判断を行い、該判断で可であった場合は、そのまま炉内に混合原料を導入し、否であった場合には、混合原料に追加の廃棄物・副産物原料及び／又は天然原料を加えて化学組成の再調整を行った後に炉内に導入する。
【選択図】なし

Description

本発明はセメントクリンカーおよびセメント組成物の製造方法に係る。詳しくは従来よりも低温で焼成可能であり、廃棄物・副産物の使用量を増加させたセメントクリンカーを安定的に得られる製造方法に係る。

セメント産業は、大量生産・大量消費型産業であり、省資源・省エネルギーは最重要課題となっている。例えば、最も大量に製造されているポルドランドセメントは所定の化学組成に調整された原料を１４５０℃〜１５５０℃もの高温で焼成してクリンカーとする必要があり、焼成工程が最もエネルギー消費の大きい工程である。すなわち、クリンカーの焼成温度を低減することができればエネルギー削減につながる。クリンカーの焼成温度低減にはクリンカーの主要鉱物であるＣ_４ＡＦ（４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３）を増加させる技術が開発されている。（特許文献１）
一方で、近年の地球環境問題と関連して、廃棄物・副産物等の有効利用は重要な課題となっている。セメント産業、セメント製造設備の特徴を生かし、セメント製造時に原料や燃料として廃棄物を有効利用あるいは処理を行なうことは、安全かつ大量処分が可能という観点から有効とされている。廃棄物、副産物はＡｌ_２Ｏ_３含有量が高いものが多く、上記したＣ_４ＡＦを増やす系においては、該セメントクリンカーのＡｌ_２Ｏ_３含有量が従来のポルトランドセメントクリンカーよりも増加することから、廃棄物・副産物を従来のポルトランドセメントクリンカーよりも多く使用することが可能となる。この点においても特許文献１記載のクリンカーは優れている。

特許第５６６５６３８号公報

特許文献１記載のクリンカーは確かに、低温で焼成でき、Ａｌ_２Ｏ_３含有廃棄物の使用量も多くできるが、本発明者等の検討により、なかでも、Ｃ_３Ｓ量が６０〜６７％、Ｃ_３Ａが８〜１０％、Ｃ_４ＡＦが１５〜２０％、かつ鉄率（Ｉ．Ｍ．）が０．８〜１．３の範囲にあるものが、強度や凝結性能などの各種物性バランスに優れ、かつ低温での焼成がしやすいことが明らかとなった。

しかしながら、上記のように組成範囲が比較的狭いため、原料の化学組成のずれがあると、製造することが困難となる傾向が強い。特に、連続式で焼成するロータリーキルン方式の炉ではその傾向が顕著である。

そこで本発明は、従来のセメントクリンカーに比べ、製造する際の焼成温度を低減することが可能であり、しかも廃棄物使用量を増やすことが可能なセメントクリンカーを安定的に得ることができる製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討を進め、ロータリーキルン方式の炉では従来、仮焼炉や窯尻ハウジング、窯前から投入されることの多かった廃棄物・副産物原料が、比較的組成のブレが大きく、そのため組成がずれやすい点を見出し、その解決方法についてさらに検討を進めた結果、全ての廃棄物・副産物および天然原料を混合して分析を行ない計算された組成になっていな場合には、再調整を行なうことで原料の組成変動を少なくすることを着想し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、廃棄物・副産物原料と天然原料を原料として使用し、ロータリーキルン方式の炉で焼成してボーグ式により算出されるＣ_３Ｓ量が６０〜６７％、Ｃ_３Ａが８〜１０％、Ｃ_４ＡＦが１５〜２０％、かつ鉄率（Ｉ．Ｍ．）が０．８〜１．３となるように原料を調整し、これを１３００〜１４００℃で焼成するセメントクリンカーの製造方法であって、
前記組成となるよう予定して計量された全ての廃棄物・副産物原料と天然原料とを混合し、該混合物の化学組成を分析して計算された組成になっているか否かの可否判断を行い、該判断で可であった場合は、そのまま炉内に混合原料を導入し、否であった場合には、混合原料に追加の廃棄物・副産物原料及び／又は天然原料を加えて化学組成の再調整を行った後に炉内に導入することを特徴とするセメントクリンカーの製造方法である。

本発明によれば低温でのセメントクリンカーの安定的な焼成が可能となり、かつ従来のポルトランドセメントクリンカーよりも廃棄物・副産物の使用量を増加させることが可能となる。

本発明におけるＣ_３Ａ、Ｃ_４ＡＦおよびＣ_３Ｓ量は、ボーグ（Ｂｏｇｕｅ）式によって求められるものである。

ボーグ式は、係数・諸比率とならんで利用され、主要化学分析値を用いておよその主要化合物組成を算出する計算式であり、当業者には周知の式であるが、念のため、以下にボーグ式によるクリンカー中の各鉱物量の求め方を記しておく。

Ｃ_３Ｓ量 ＝ （４．０７×ＣａＯ）―（７．６０×ＳｉＯ_２）―（６．７２×Ａｌ_２Ｏ_３）―（１．４３×Ｆｅ_２Ｏ_３）
Ｃ_２Ｓ量 ＝ （２．８７×ＳｉＯ_２）―（０．７５４×Ｃ_３Ｓ）
Ｃ_３Ａ量 ＝ （２．６５×Ａｌ_２Ｏ_３）―（１．６９×Ｆｅ_２Ｏ_３）
Ｃ_４ＡＦ量 ＝ ３．０４×Ｆｅ_２Ｏ_３

また鉄率（Ｉ．Ｍ．）は、水硬率（Ｈ．Ｍ．）ケイ率（Ｓ．Ｍ．）、活動係数（Ａ．Ｉ．）および石灰飽和度（Ｌ．Ｓ．Ｄ．）とならんで、主要化学成分値を用いて求められ、クリンカー製造管理のための特性値として、回数・諸比率の一つとして利用されており、当業者には周知の係数であるが、念のため、以下に当該鉄率の計算方法を他の係数値と併せて記しておく。

水硬率（Ｈ．Ｍ．） ＝ ＣａＯ／（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）
ケイ酸率（Ｓ．Ｍ．） ＝ ＳｉＯ_２／（Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）
鉄率（Ｉ．Ｍ．） ＝ Ａｌ_２Ｏ_３／Ｆｅ_２Ｏ_３
活動係数（Ａ．Ｉ．） ＝ ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３
石灰飽和度（Ｌ．Ｓ．Ｄ．） ＝ ＣａＯ／（２．８×ＳｉＯ_２＋１．２×Ａｌ_２Ｏ_３＋０．６５×Ｆｅ_２Ｏ_３）

なお、上記中の「ＣａＯ」、「ＳｉＯ_２」、「Ａｌ_２Ｏ_３」および「Ｆｅ_２Ｏ_３」は、それぞれＪＩＳ Ｒ ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析法」やＪＩＳ Ｒ ５２０４「セメントの蛍光Ｘ線分析法」などに準拠した方法により測定できる。

本発明において製造されるセメントクリンカーはＣ_３Ｓ量が６０〜６７％である。６０％よりも少ないと、十分な強度が得にくい。一方、６７％を超えるとロータリーキルン方式の炉では、安定して低温で焼成することが困難となる。Ｃ_３Ｓ量は６２％以上であることが好ましく、６３％以上であることが特に好ましい。

セメントクリンカーの間隙相であるＣ_３Ａ、Ｃ_４ＡＦの量は各々８〜１０％、１５〜２０％である。間隙相の量が多くなりすぎるとクリンカー鉱物が生成する温度よりも溶融温度の方が低くなり、キルン内でのコーチングの発達等、キルンの運転に影響を及ぼすようになる。Ｃ_４ＡＦは、低温でも十分に焼結させることができ、かつクリンカー中のｆ−ＣａＯ量を少なくできる点で、単独で１５％以上存在させる。Ｃ_３Ａは正常な凝結性状を確保する点で８％以上とする。

本発明で製造するセメントクリンカーにはさらにＣ_２Ｓが含まれていてもよい。その量は１７％以下であり、３％以上であることが好ましい。長期強度を得るという観点から、特に好ましくはＣ_３Ｓ量との合計量が６９％以上となる量である。

本発明で製造するセメントクリンカーにおいて最も重要なことは鉄率（Ｉ．Ｍ．）を０．８〜１．３以下とすることにある。鉄率が０．８を下回ると十分な凝結性状が得られず、硬化体を形成しにくくなり、強度発現性を得ることができない。鉄率が１．３を超えると、本発明のセメントクリンカーにおける他の要件を満足していても十分な強度発現性（より具体的には、例えばモルタル強さ発現）を得ることができない。さらに鉄率が１．３を超える場合、凝結開始から終結までの時間が長くなりすぎる傾向にあり、この点からも鉄率は０．８〜１．３とする。より好ましい鉄率の範囲は１．０〜１．３であり、特に好ましくは１．１４〜１．２７である。

水硬率及びケイ酸率は特に限定されるものではないが、各種物性のバランスに優れたものとするために、水硬率は好ましくは１．８〜２．２、特に好ましくは１．９〜２．１であり、またケイ酸率は好ましくは１．０〜２．０、特に好ましくは１．１〜１．７である。

本発明においては、廃棄物の有効利用、環境負荷の低減の観点から上記クリンカー原料の一部として廃棄物及び／又は副産物を用いる。本発明の製造方法で用いる廃棄物・副産物および天然原料は、従来セメントクリンカーの製造において使用される原料と同様なものが特に制限なく使用される。使用可能な廃棄物・副産物を具体的に例示すると、高炉スラグ、製鋼スラグ、非鉄鉱滓、石炭灰、下水汚泥、浄水汚泥、製紙スラッジ、建設発生土、鋳物砂、ばいじん、焼却飛灰、溶融飛灰、塩素バイパスダスト、木屑、廃白土、ボタ、廃タイヤ、貝殻、都市ごみやその焼却灰等が挙げられる（なお、これらの中には、セメント原料になるとともに熱エネルギー源となるものもある）。

また廃棄物・副産物のみではカルシウム源が不足する傾向が強いため、天然原料である石灰石をカルシウム源として使用する。成分調整のため、その他の天然原料を使用してもよく、軟珪石、粘土等が使用できる。

従来、上記廃棄物・副産物の一部は、仮焼炉、窯尻ハウジング、窯前などからキルン内に投入されることがしばしば行われてきていた。しかしながら、廃棄物・副産物は化学組成のブレが大きく、このような従来法でキルン内に投入すると、クリンカー組成が前記した範囲からずれることが生じやすく、結果、焼成不良を起こしやすい。

従って本発明では、まず前記組成となるよう計量された全ての廃棄物・副産物原料と天然原料とを混合する。そして、該混合物の化学組成を分析して計算された組成になっているか否かの可否判断を行い、該判断で可であった場合は、そのまま炉内に混合原料を導入し、否であった場合には、混合原料に追加の廃棄物・副産物原料及び／又は天然原料を加えて化学組成の再調整を行う。その分析結果が、可の場合は、炉内に導入し、否の場合は、可になるまで上記した再調整を繰り返し行なう。これによりキルン内での化学組成が安定し、その結果、安定した焼成が可能となる。

化学分析の方法は特に限定されないが、原料混合物を良く混合、粉末化し、これをＪＩＳ Ｒ ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析法」やＪＩＳ Ｒ ５２０４「セメントの蛍光Ｘ線分析法」などに準拠した方法により分析可能である。

原料の混合、粉砕は公知の方法で行えばよく、例えば、原料を全てボールミルに入れ、粉砕しつつ混合する方法が挙げられる。無論、混合と粉砕を別々に行っても良く、各原料を粉砕後、所定の比率で混合してもよい。

本発明の製造においては、連続式で効率よく生産するためロータリーキルン式の炉を用いる。当該ロータリーキルン式の炉としては、例えば、ＳＰキルンやＮＳＰキルン等を挙げることができる。焼成温度、即ち、炉内の最高温度は１３００〜１４００℃とする。

本発明の製造方法で製造されたセメントクリンカーは、従来公知のセメントクリンカーと同様、セッコウと共に粉砕または個別に粉砕した後、混合することにより、セメントとすることができる。当該セメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメントが挙げられる。またポルトランドセメントとする以外にも、各種混合セメントや、土壌固化材等の固化材の構成成分として使用することも可能である。

セッコウを加えてセメントとする場合、使用するセッコウについては、二水セッコウ、半水セッコウ、無水セッコウ等のセメント製造原料として公知のセッコウが特に制限なく使用できる。セッコウの添加量は、ポルトランドセメントの場合、そのなかのＳＯ３量が１．５〜５．０質量％となるように添加することが好ましく、１．８〜３質量％となるような添加量がより好ましい。上記セメントクリンカーおよびセッコウの粉砕方法については、公知の技術が特に制限なく使用できる。

また、当該セメントには、高炉スラグ、シリカ質混合材、フライアッシュ、炭酸カルシウム、石灰石等の混合材や粉砕助剤を適宜添加して混合粉砕するか、粉砕後に混合材と混合してもよい。また塩素バイパスダスト等を混合してもよい。

セメントの粉末度は、特に制限されないが、ブレーン比表面積で２８００〜４５００ｃｍ^２／ｇに調整されることが好ましい。

さらに必要に応じ、粉砕後に高炉スラグ、フライアッシュ等を混合し、高炉スラグセメント、フライアッシュセメント等にすることも可能である。

Claims (5)

1. 廃棄物・副産物原料と天然原料を原料として使用し、ロータリーキルン方式の炉で焼成してボーグ式により算出されるＣ_３Ｓ量が６０〜６７％、Ｃ_３Ａが８〜１０％、Ｃ_４ＡＦが１５〜２０％、かつ鉄率（Ｉ．Ｍ．）が０．８〜１．３となるように原料を調整し、これを１３００〜１４００℃で焼成するセメントクリンカーの製造方法であって、
   前記組成となるよう予定して計量された全ての廃棄物・副産物原料と天然原料とを混合し、該混合物の化学組成を分析して計算された組成になっているか否かの可否判断を行い、該判断で可であった場合は、そのまま炉内に混合原料を導入し、否であった場合には、混合原料に追加の廃棄物・副産物原料及び／又は天然原料を加えて化学組成の再調整を行った後に炉内に導入することを特徴とするセメントクリンカーの製造方法。
2. Ｃ_４ＡＦ量が１５％以上となるように原料が調整される請求項１記載のセメントクリンカーの製造方法。
3. Ｃ_３ＳおよびＣ_２Ｓの合計量が６９％以上となるように原料が調整される請求項１または２記載のセメントクリンカーの製造方法。
4. 請求項１、２または３いずれか１項に記載の製造方法でセメントクリンカーを得、これに対してセッコウを加えるセメント組成物の製造方法。
5. 更に、高炉スラグ、シリカ質混合材、フライアッシュ及び石灰石からなる群から選ばれるいずれか１種以上の混合材を加える請求項４記載のセメント組成物の製造方法。