JP2017114717A

JP2017114717A - 鉄鋼スラグの処理方法及び鉄鋼スラグの処理装置

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Publication number: JP2017114717A
Application number: JP2015250697A
Authority: JP
Inventors: 福山　博之; Hiroyuki Fukuyama; 博之福山; 高橋　茂樹; Shigeki Takahashi; 茂樹高橋; 浜崎　拓司; Takuji Hamazaki; 拓司浜崎; 神保　正人; Masato Jinbo; 正人神保; 泰和岡田; Yasukazu Okada; 英俊小川; Hidetoshi Ogawa
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp; Nippon Steel and Sumitomo Metal Slag Products Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Slag Products Co Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: JP6551907B2

Abstract

【課題】鉄鋼スラグのエージング処理と炭酸化処理とを効率良く行うことができる鉄鋼スラグの処理方法及び鉄鋼スラグの処理装置を提供する。
【解決手段】スラグ容器に複数の吹出孔を備えた内部配管を配設しておき、このスラグ容器に鉄鋼スラグを投入し、スラグ容器ごと圧力容器内に収容して蒸気エージングを行った後、前記内部配管を介してエージング後の鉄鋼スラグに冷却用空気を流して冷却し、次いで、スラグ容器を圧力容器内に収容して鉄鋼スラグの炭酸化処理を行うようにする。
【選択図】図２

Description

この発明は、鉄鋼スラグの処理方法及び鉄鋼スラグの処理装置に係るものであり、詳しくは、鉄鋼スラグを天然砕石、骨材等の土木材料、建築材料等の代替品としたり、海域環境を修復する資材等として利用した際のスラグの膨張を防ぐと共に、高アルカリ水や白濁水が溶出するのを抑制するための鉄鋼スラグの処理方法、及びこれに用いる鉄鋼スラグの処理装置に関する。

製鉄所での製鉄過程や精錬過程において発生する高炉スラグや製鋼スラグ等の鉄鋼スラグ（以下、単にスラグと称する場合がある）は、道路の路盤材を始めとして、土木材料、建築材料、海域環境修復資材等として広く利用されているが、スラグに含まれた遊離ＣａＯが水と接触してＣａ(ＯＨ)_２となると体積が約２倍に膨張することから、例えば、路盤材として利用した際に、亀裂や隆起を発生させてしまうおそれがある。また、遊離ＣａＯやＣａ(ＯＨ)_２等のような水可溶性カルシウム成分（水可溶性Ca成分）は、雨水等の水と接触するとｐＨ値の高いスラグ溶出水（pHが約12.5の高アルカリ水）を溶出し、更には、このスラグ溶出水中のカルシウム成分が大気中の二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムを生成すると、スラグ溶出水中の水分が蒸発した後に白色沈殿物として残存し、白色痕として周辺の美観を損ねる等の環境保全の面で問題となるおそれがある。

そこで、スラグを土木材料、建築材料等として利用するにあたり、通常は、スラグ中の遊離ＣａＯの膨張を事前に進行させて割れ等の発生を防止するエージング処理が行われる。また、高アルカリ水等の溶出を防ぐには、スラグ中に含まれる水可溶性カルシウム成分を事前に二酸化炭素（CO₂）と反応させて不溶化させる炭酸化処理を行う必要がある。

このうち、エージング処理としては、スラグを野外で山積みし、半年からそれ以上の期間放置して、雨水等による水和反応を進行させて遊離ＣａＯを安定化させる自然エージング（大気エージング）のほか、側壁三方をコンクリート擁壁で囲ったピット等にスラグを堆積させて、その上面に保温シートを被せて下方から蒸気を供給して水和反応させる蒸気エージング（例えば特許文献１参照）や、圧力容器内にスラグを収容し、加圧した水蒸気を供給して所定の圧力の水蒸気雰囲気下でスラグをエージング処理する加圧式蒸気エージング（例えば特許文献２参照）が知られている。例えば、スラグを路盤材に使用する場合に、JIS A5015の“道路用鉄鋼スラグ”で定められている水浸膨張比１．５％以下にするには、上記のような自然エージングではおよそ２年を要するのに対して、蒸気エージングではそれを２日間程度に短縮でき、更に、加圧式蒸気エージングでは２時間程度で完了させることができる。このように、蒸気を用いたエージング処理によれば、大気下で行われるエージング処理に比べてスラグ中の遊離ＣａＯの水和反応速度を劇的に向上させることができる。

一方で、炭酸化処理については、積み上げられたスラグの左右側面と上面の三方をビニールシートや鉄板等の囲繞材で囲むと共に前後の面を開閉可能な囲繞材で囲み、その底部のガス配管からＣＯ_２含有ガスを供給してスラグの炭酸化処理を行う固定床式の炭酸化処理装置を用いる方法（例えば特許文献３参照）や、内部に攪拌羽等を備えた回転ドラムにスラグを入れてＣＯ_２含有ガスを供給し、スラグに機械攪拌を加えるロータリー式の処理装置を用いる方法が知られている（例えば特許文献４参照）。

ちなみに、この炭酸化処理は、スラグ中の水可溶性Ｃａ成分（CaOやCa(OH)₂）が水に溶解して生成するＣａ^２＋イオンと、ＣＯ_２が水に溶解して生成するＣＯ_３ ^２−イオンとが反応し、水に不溶性のＣａＣＯ_３を生成するという水可溶性Ｃａ成分の炭酸化反応を利用するものであり、その際、水は、水可溶性Ｃａ成分を溶解する媒体として働く。

ところで、上記で説明したように、スラグのエージング処理では、遊離ＣａＯと水との反応によりＣａ(ＯＨ)_２を形成するのに対して、炭酸化処理では、エージング処理で生成したＣａ(ＯＨ)_２や残された遊離のＣａＯにＣＯ_２を反応させて、不溶性のＣａＣＯ_３を形成するものであり、これらは異なる反応を利用した別の処理である。その際、仮に炭酸化処理を先に実施すると、スラグ表面に形成された不溶性のＣａＣＯ_３がスラグ内部への水の浸入を阻害するため、エージング処理を十分に行うことができない。仮に同時に行っても、やはりエージング処理が不十分になってしまう。そのため、通常は、スラグのエージング処理を行った後に炭酸化処理が実施されるが、これらの処理の反応速度を向上させるために、それぞれに適した処理装置が用いられることから、エージング処理が終わったスラグは、一旦、山積みにするか、又は貯蔵ホッパー等に投入しておき、これらの一時的な保管場所からエージング処理後のスラグを炭酸化処理装置に搬送して、スラグの炭酸化処理がなされている。

加えて、なかでも蒸気を用いてスラグ中の水可溶性Ｃａ成分を水和反応させる蒸気エージングや加圧式蒸気エージングでは、処理後のスラグは１００℃程度に加熱される。このような高温のスラグを直ちに炭酸化処理しても、スラグ中の水分が蒸発してしまい水可溶性Ｃａ成分の炭酸化反応が進まないことから、上記のようにエージング処理後のスラグを一時的に保管することは、スラグを冷却させて次の炭酸化処理に備えるための意味もある。

しかしながら、このような従来の処理方法では、エージング処理と炭酸化処理との間でホイルローダー等の重機を用いたスラグの積み替え作業や搬送作業が発生することや、エージング処理後のスラグを一時的に保管するための保管場所が必要になることなどの問題がある。

また、上述した特許文献３には、固定床式の処理装置でスラグの蒸気エージングを行った後、処理後のスラグに対して二酸化炭素（CO₂）を含有したＣＯ_２含有ガスを供給して、スラグの炭酸化処理を行うことが記載されており、炭酸化処理にあたってピット内に堆積したスラグに水を散布するとしている。ところが、このような散水によって蒸気エージング後のスラグを冷却させる効果が見込まれるものの、一般に、スラグの炭酸化処理では、過剰に水分が存在すると炭酸化反応の速度が遅くなると考えられることから（例えば特許文献５の段落0043では、スラグが吸収しきれない水の存在によりCO₂含有ガスの接触が邪魔されて炭酸化速度が遅くなるとする）、炭酸化処理を効果的に行うためには、スラグに散水された余分な水分が乾燥するまでの間、放置して待たなければならない。

特開平８−２５９２８４号公報特開２０１２−４１２３４号公報特開２０１１−８４４２４号公報特開２００５−２００２３４号公報特開２００７−３１２２０号公報

そこで、本発明者らは、鉄鋼スラグを天然砕石や骨材等の土木材料、建築材料等の代替品としたり、海域環境を修復する資材等として利用するにあたり、スラグの膨張や高アルカリ水の溶出等を防ぐために必要なエージング処理と炭酸化処理とを効率良く行う方法について鋭意検討を重ねた結果、加圧式蒸気エージングで用いられるような圧力容器を利用してスラグの炭酸化処理を行うようにし、しかも、圧力容器内にスラグを装入する際に利用するスラグ容器に内部配管を配設して、冷却用空気を流してエージング処理後のスラグを冷却することで、炭酸化処理で求められる温度まで短時間で冷却することができると共に、従来のようなスラグの積み替え作業や搬送の手間を省いたり、各処理間でのスラグの一時的な保管場所や保管設備が不要になることから、本発明を完成させた。

したがって、本発明の目的は、鉄鋼スラグのエージング処理と炭酸化処理とを効率良く行うことができる鉄鋼スラグの処理方法及び鉄鋼スラグの処理装置を提供することにある。

すなわち、本発明の要旨は以下のとおりである。なお、本発明の説明においては、水可溶性の遊離ＣａＯ及び／又はＣａ(ＯＨ)_２を水可溶性カルシウム成分（水可溶性Ca成分）と称する。

（１）投入開口部を有して鉄鋼スラグが投入されたスラグ容器を圧力容器に収容して、加圧状態で鉄鋼スラグを処理する方法であって、先ず、所定の圧力の水蒸気雰囲気に保持された圧力容器内でスラグ容器中の鉄鋼スラグをエージング処理した後、スラグ容器を圧力容器の外部に取り出し、又は、スラグ容器が収容された圧力容器を大気圧に開放して、複数の吹出孔を備えてスラグ容器内に配設された内部配管を介して鉄鋼スラグに冷却用空気を流し、エージング後の鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却して、次いで、所定の圧力のＣＯ_２含有ガス雰囲気に保持された圧力容器内でスラグ容器中の鉄鋼スラグを炭酸化処理することを特徴とする鉄鋼スラグの処理方法。
（２）スラグ容器中の鉄鋼スラグのエージング処理を行うエージング用圧力容器と、スラグ容器中の鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う炭酸化用圧力容器を個別に用意して、エージング用圧力容器で鉄鋼スラグのエージング処理を行った後、スラグ容器内の鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却して、炭酸化用圧力容器で鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う（１）に記載の鉄鋼スラグの処理方法。
（３）スラグ容器中の鉄鋼スラグのエージング処理を行う圧力容器と、スラグ容器中の鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う圧力容器とを共用して、鉄鋼スラグのエージング処理を行った後、スラグ容器内の鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却して、スラグ容器を圧力容器内に戻して鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う（１）に記載の鉄鋼スラグの処理方法。
（４）圧力容器内を０．１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の水蒸気雰囲気にして鉄鋼スラグのエージング処理を行い、圧力容器内を０．１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下のＣＯ_２含有ガス雰囲気にして鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う（１）〜（３）のいずれかに記載の鉄鋼スラグの処理方法。

（５）投入開口部を有したスラグ容器に鉄鋼スラグが投入されるスラグ投入台と、加圧したガスが供給されるガス配管を備えると共に、鉄鋼スラグが投入されたスラグ容器を収容して、スラグ容器中の鉄鋼スラグを加圧状態で処理することができる圧力容器と、鉄鋼スラグをスラグ容器ごと仮置きするスラグ仮置台とが並設されて、かつ、これらに沿うように設置された横行レール上の移載台車を介して、スラグ投入台、圧力容器、及びスラグ仮置台の間でスラグ容器を移動させることができる鉄鋼スラグの処理装置であって、スラグ容器には、複数の吹出孔を備えた内部配管が配設され、スラグ仮置台には、該スラグ容器の内部配管に接続されて冷却用空気をスラグ容器側に供給することができる空気発生装置が設置されていることを特徴とする鉄鋼スラグの処理装置。
（６）前記圧力容器及びスラグ容器をそれぞれ２以上備えている（５）に記載の鉄鋼スラグの処理装置。

本発明によれば、エージング処理後のスラグを短時間で冷却して、引き続き炭酸化処理を施すことができるようになり、しかも、エージング処理と炭酸化処理との間でスラグの積み替え作業や搬送の手間を省け、これらの処理の途中でスラグを一時的に保管するための保管場所や保管設備が不要になることから、従来の方法に比べて効率良くスラグを処理することができるようになる。

図１は、本発明に係る鉄鋼スラグの処理装置を説明するための平面図である。図２は、スラグ容器を説明するための断面図（B-B断面）である。図３は、スラグ容器を説明するための断面図（C-C断面）である。図４は、圧力容器に対するスラグ容器の移動の様子を示した側面説明図である。図５は、スラグ容器を収容した圧力容器を説明するための断面図（A-A断面）である。図６は、圧力容器とスラグ容器とをそれぞれ２つ備えた鉄鋼スラグの処理装置を説明するための正面図である。

以下、本発明について詳しく説明する。
先ず、本発明における鉄鋼スラグの処理方法では、鉄鋼スラグを投入して圧力容器に収容するスラグ容器に対して、複数の吹出孔を備えた内部配管を配設し、この内部配管を介して鉄鋼スラグに冷却用空気を流して、エージング処理後の鉄鋼スラグを冷却できるようにする。すなわち、圧力容器内を所定の圧力の水蒸気雰囲気に保持して行うエージング処理（以下、加圧式蒸気エージングという）では、処理後のスラグは１００℃程度に加熱されるが、上述したように、スラグの炭酸化反応は水を介する反応であることから、このように加熱された状態では水分が蒸発してしまうため、スラグ中の水可溶性Ｃａ成分の炭酸化反応が十分に進行しない。また、スラグの炭酸化反応（スラグ中の水可溶性Ca成分の炭酸化反応）は発熱反応であり、これらを考慮して、スラグ容器内に配設された内部配管を介して鉄鋼スラグに冷却用空気を流し、エージング後の鉄鋼スラグを８０℃以下、好ましくは７０℃以下に冷却するようにする。

ここで、エージング処理後の鉄鋼スラグを冷却するにあたり、スラグ容器を圧力容器の外部に取り出して、内部配管に冷却用空気を流して鉄鋼スラグを冷却するようにしてもよく、或いは、スラグ容器が収容された圧力容器を大気圧に開放して、スラグ容器を圧力容器内に収容したまま内部配管に冷却用空気を流して鉄鋼スラグを冷却するようにしてもよい。後者のように圧力容器内でエージング処理後の鉄鋼スラグを冷却することで、圧力容器内を同時に冷却できるメリットがあるが、圧力容器の内壁に結露が生じる可能性があることなどから、好ましくは、前者のように圧力容器の外でエージング処理後の鉄鋼スラグを冷却するのがよい。

また、鉄鋼スラグの冷却に用いる冷却用ガスについては特に制限はないが、冷却効率を高めることができるなどの観点から、好ましくは、加圧した圧縮空気を用いるのがよい。下記で説明するように、例えば約４０ｃｍ×８０ｃｍ×２５ｃｍの容積を有したスラグ容器にスラグを満載し、加圧式蒸気エージング処理された鉄鋼スラグは水分を２〜５質量％程度含んでおり、スラグの冷却は主にこの水分が蒸発することによるものと考えられる。このとき、このままスラグ容器を放置すると、１００℃程度に加熱されたエージング処理後のスラグの全体が８０℃まで冷却されるには数時間を要してしまう。一方、２０℃の乾燥空気を内部配管に流し、スラグをスラグ容器内に投入されたスラグ層内より１００℃から８０℃へ冷却することを考えると、スラグ層内から流出する空気の湿度が１００％、温度がスラグと同じ履歴をたどると仮定した場合、理論計算では１００Ｌ／min程度の圧縮乾燥空気を流すことでその冷却時間を１０分とすることができる。

本発明において、エージング処理後のスラグを８０℃以下に冷却した後には、所定の圧力のＣＯ_２含有ガス雰囲気に保持された圧力容器内でスラグ容器中の鉄鋼スラグを炭酸化処理する。その際、圧力容器内を０．１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下、好ましくは０．４ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下のＣＯ_２含有ガス雰囲気にして、スラグ中の水可溶性Ｃａ成分の炭酸化反応を行うようにするのがよい。このような加圧状態で炭酸化処理を行うことで、常圧の場合に比べて炭酸化反応を速めることができると共に、処理後のスラグから溶出されるスラグ溶出水のｐＨを効果的に低下させることができる。また、炭酸化処理に用いるＣＯ_２含有ガスについては、二酸化炭素（CO₂）を含有したものであればよく、工業用の炭酸ガスをはじめ、排ガスのようなＣＯ_２濃度が数％程度のものを用いるようにしてもよい。

一方、鉄鋼スラグのエージング処理については、所定の圧力の水蒸気雰囲気に保持された圧力容器内でスラグ容器中の鉄鋼スラグをエージング処理する公知の加圧式蒸気エージングを行うことができる。その際、圧力容器内を０．１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下、好ましくは０．４ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の水蒸気雰囲気で蒸気エージングするのがよい。

このような鉄鋼スラグの処理方法を実施するにあたり、１つの圧力容器を用いて行うようにしてもよく、２以上の圧力容器を用いて行うようにしてもよい。すなわち、鉄鋼スラグのエージング処理を行う圧力容器と炭酸化処理を行う圧力容器とを共用して、鉄鋼スラグのエージング処理を行った後、スラグ容器を圧力容器の外部に取り出し、又は、スラグ容器が収容された圧力容器を大気圧に開放して、スラグ容器内の鉄鋼スラグを冷却し、次いで、スラグ容器を圧力容器内に戻して鉄鋼スラグの炭酸化処理を行うようにしてもよく、或いは、エージング処理を行うエージング用圧力容器と炭酸化処理を行う炭酸化用圧力容器とを個別に用意して、エージング用圧力容器で鉄鋼スラグのエージング処理を行った後、同様にしてスラグ容器内の鉄鋼スラグを冷却して、次いで、炭酸化用圧力容器で鉄鋼スラグの炭酸化処理を行うようにしてもよい。

なかでも、大量のスラグを工業的に処理することができるなどの観点から、好ましくは、図１に示したような処理装置を用いるようにするのがよい。この鉄鋼スラグの処理装置は、投入開口部を有したスラグ容器１にショベルカー等を用いて鉄鋼スラグを投入するスラグ投入台２と、加圧したガスが供給されるガス配管を備えると共に、鉄鋼スラグが投入されたスラグ容器１を収容して、スラグ容器中の鉄鋼スラグを加圧状態で処理することができる圧力容器３と、圧力容器３で処理した鉄鋼スラグをスラグ容器１ごと仮置きするスラグ仮置台４とが横並びに並設されており、これらに沿うように横行レール５が設置され、その上に積載された移載台車６を介して、スラグ投入台２、圧力容器３、及びスラグ仮置台４の間でスラグ容器１を移動させることができるようになっている。

この処理装置におけるスラグ容器１には、図２に示した例のように、複数の吹出孔8aを備えた内部配管８が配設されており、内部配管８の少なくとも吹出孔8aを備えた部分は、投入されたスラグ９によって埋設される。一方、スラグ仮置台４には、圧縮空気等の冷却用空気を供給することができる空気発生装置１０が設置されており、エージング処理後にスラグ容器１をスラグ仮置台４に移動させ、スラグ容器１における内部配管８の接続端部8bに空気発生装置１０を接続することで、スラグ容器中の鉄鋼スラグに冷却用空気を流して冷却することができる。すなわち、スラグ投入台２で鉄鋼スラグが投入されたスラグ容器１を圧力容器３に移動させて収容し、ガス配管から供給された加圧水蒸気により所定の圧力の水蒸気雰囲気下で保持して鉄鋼スラグをエージング処理した後、スラグ容器１をスラグ仮置台４に移動させて、空気発生装置１０から供給される冷却用空気をスラグ容器１の内部配管８に流して、スラグ容器中の鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却することができる。

ここで、スラグ容器１は、図３に示したように、上部から鉄鋼スラグが投入される投入開口部１３を有した略円筒状をしており、かつ、底部が開動可能となるように左右対称の２つの収容部材1a、1bにより形成されている。すなわち、左右の収容部材1a、1bは、ピボット軸１２を回転中心にして底部側の開閉動作が可能であり、鉄鋼スラグの処理が全て終了した後には、スラグ容器１を図１に示した払出ピット１１に移動させて、収容部材1a、1bから形成されるスラグ容器１の開閉部１４からスラグの払い出しが行われる。

また、スラグ容器１の移動にあたり、圧力容器３の長手方向に垂直に敷設された横行レール５に対して、移載台車６には、圧力容器３の長手方向に平行に移載レール７を敷設し、この移載レール７の先端部には、例えば図４に示したように、同じ幅で傾倒可能に接続された橋架レール7aを設けて、圧力容器３の内部に敷設された圧力容器側移載レール3aを通じて、移載台車６の移載レール７に積載されたスラグ容器１を圧力容器３内に収容したり、外部への取り出しが可能になるようにしてもよい。スラグ投入台２やスラグ仮置台４についても同様に、移載台車６に設けた橋架レール7aと接続可能なスラグ投入台側移載レール2a及びスラグ仮置台側移載レール4aを敷設して、移載台車６を介して、スラグ容器１の移動（収容及び取り出し）を可能にすることができる。更には、移載台車６の移載レール７に積載するスラグ容器１は、それ自体に車輪１５を装着してもよく、昇降台車（図示外）を介して移載レール７に積載するようにしてもよい。すなわち、圧力容器３側にスラグ容器１が移動したところで、昇降台車によりスラグ容器１を持ち上げ、圧力容器３の内壁面に突設した支持部（図示外）にスラグ容器１を載せて、昇降台車は移載台車６側に戻して、圧力容器３内にスラグ容器１だけを収容するようにしてもよい。

鉄鋼スラグを処理する圧力容器３については、図５に示したように、開閉蓋3aを有した円筒状のものなどを用いて、内部にスラグ容器１を収容して密閉できるようにする。図５に示した圧力容器３には、加圧した水蒸気が供給される水蒸気供給配管（ガス配管）１６と、加圧したＣＯ_２含有ガスが供給されるＣＯ_２供給配管（ガス配管）１７と、圧力容器３内の雰囲気ガスを外部に排出する排気配管１８とが備え付けられており、これらの配管はいずれもバルブ１９を有している。

そして、エージング処理する際には、スラグ容器１を圧力容器３に収容して、水蒸気供給配管１６と排気配管１８のバルブ１９を開け、水蒸気供給配管１６から加圧した水蒸気を供給すると共に排気配管１８から圧力容器内の雰囲気ガスを外部に排出して、圧力容器３内を水蒸気雰囲気に置換した上で、排気配管１８のバルブ１９を閉めて、水蒸気供給配管１６から加圧した水蒸気を供給し、圧力容器３内を加圧状態の水蒸気雰囲気に保持して鉄鋼スラグを処理するようにすればよい。エージング処理後は上記のようにしてスラグ容器中の鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却し、次いで、スラグ容器１を圧力容器３に移動させて収容し、ガス配管から供給された加圧ＣＯ_２含有ガスにより所定の圧力のＣＯ_２含有ガス雰囲気下で保持して鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う。すなわち、炭酸化処理の際には、ＣＯ_２供給配管１７を用いてエージング処理の場合と同様にして圧力容器３内をＣＯ_２含有ガスに置換した上で、ＣＯ_２供給配管１７から加圧したＣＯ_２含有ガスを供給して、圧力容器３内を加圧状態のＣＯ_２含有ガス雰囲気に保持して鉄鋼スラグを処理すればよい。このように、本発明に係る処理装置によれば、鉄鋼スラグのエージング処理と炭酸化処理とを連続して処理可能にすることができる。

この圧力容器３における排気配管１８は、エージング処理において圧力容器３内を水蒸気雰囲気に置換する際に用いる水蒸気排気配管２０と、炭酸化処理において圧力容器３内をＣＯ_２含有ガス雰囲気に置換する際に用いるＣＯ_２排気配管２１とで個別に備えるようにしてもよい。詳しくは、図５に示したように、水蒸気供給配管１６と圧力容器３との接続口である水蒸気供給口16aが、水蒸気排気配管２０と圧力容器３との接続口である水蒸気排気口20aよりも鉛直方向の上側に位置するようにして、空気より軽い水蒸気（H₂Oの分子量は18）が圧力容器３内の上方から徐々に充満して、圧力容器内の雰囲気ガス（空気）が鉛直方向の下側に位置する水蒸気排気口20aから排気されるようにする。一方で、ＣＯ_２供給配管１７と圧力容器３との接続口であるＣＯ_２供給口17aが、ＣＯ_２排気配管２１と圧力容器との接続口であるＣＯ_２排気口21aよりも鉛直方向の下側に位置するようにして、空気より重いＣＯ_２（CO₂の分子量は44）が圧力容器３内の下方から徐々に充満して、圧力容器内の雰囲気ガス（空気）が鉛直方向の上側に位置するＣＯ_２排気口21aから排出されるようにする。これらの接続口位置関係を有することによって、いずれも効率良く圧力容器内を所定の雰囲気に置換することができる。

また、鉄鋼スラグのエージング処理や炭酸化処理を行うにあたり、スラグ容器１の内部配管８を利用して圧力容器３内に加圧した水蒸気やＣＯ_２含有ガスを流すようにしてもよい。すなわち、スラグ容器１の内部配管８に加圧した水蒸気が供給されるようにして、水蒸気供給口16aから加圧した水蒸気が供給されると共に、スラグ容器１の内部配管８を通じて、投入された鉄鋼スラグに加圧した水蒸気が供給されるようにしてもよい。同様に、スラグ容器１の内部配管８に加圧したＣＯ_２ガスが供給されるようにして、炭酸化処理の際に、ＣＯ_２供給口17aから加圧したＣＯ_２含有ガスが供給されると共に、スラグ容器１の内部配管８を通じて、投入された鉄鋼スラグに加圧したＣＯ_２含有ガスが供給されるようにしてもよい。

この鉄鋼スラグの処理装置は、圧力容器とスラグ容器とをそれぞれ２以上備えて、スラグ投入台で鉄鋼スラグが投入されたスラグ容器を少なくとも１つの圧力容器に収容して鉄鋼スラグのエージング処理を行うと共に、エージング処理後にスラグ仮置台で鉄鋼スラグを冷却したスラグ容器を少なくとも１つの圧力容器に収容して鉄鋼スラグの炭酸化処理を行うようにしてもよい。例えば、図６に示したように、圧力容器３を２つ並べると共にスラグ容器１を２つ用意して、スラグ投入台２で鉄鋼スラグが投入された第１のスラグ容器1_1を第１の圧力容器3_1に収容して鉄鋼スラグのエージング処理を行う間に、エージング処理後にスラグ仮置台４で鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却した第２のスラグ容器1_2を第２の圧力容器3_2に収容して、鉄鋼スラグの炭酸化処理を行うようにすることができる。圧力容器３やスラグ容器１の数を更に増やしたり、並設するスラグ仮置台４を複数にしてもよい。その際、炭酸化処理に要する時間が１〜２時間程度であるのに対して、エージング処理に要する時間が５時間程度であることから、エージング処理を行うことができる圧力容器の数をより多くして、全体的に処理する鉄鋼スラグのバランスが取れるようにしてもよい。

以下、本発明についてより具体的に説明するが、本発明はこれらの内容に制限されるものではない。

〔試験例１〕
図１に示したような処理装置を用いて鉄鋼スラグを処理するにあたり、下記のような実験装置を用意して、表１に示す組成を有するスラグＡのエージング処理、及び炭酸化処理を行った。ここで、スラグＡは、銑鉄を脱リン処理と脱炭処理とに分けて精錬する精錬工程において脱リン処理で排出されたスラグであり、粒度範囲０−３５ｍｍに粒度調整されたものである。また、本発明に係る鉄鋼スラグの処理装置を模して、縦４０ｃｍ×横８０ｃｍ×高さ２５ｃｍの容積を有したスラグ容器１を準備した。このスラグ容器の内側には、図２に示したように、複数の吹出孔を複数備えた内部配管が配設されており、投入されたスラグＡが吹出孔から吹出される冷却用空気により冷却できるようになっている。更に、開閉蓋3bを有した直径８０ｃｍ×長さ１２０ｃｍの円筒状の圧力容器３（容量530L）を準備した。この圧力容器３は、地面に横向きに据え置いた際の頂上部側に水蒸気供給配管１６とＣＯ_２排気配管２１とが接続され、底面部側にはＣＯ_２供給配管１７と水蒸気排気配管２０とが接続されて、圧力容器３に対するこれらの接続口は上述したような接続口位置関係を有している。

先ず、上記のスラグ容器１にスラグＡを100ｋｇ入れ、圧力容器３にスラグ容器１ごと収容して開閉蓋3bを閉じた。そして、この圧力容器内に水蒸気供給配管１６から加圧した水蒸気を供給すると共に水蒸気排気配管２０から圧力容器内の雰囲気ガスを外部に排出して、圧力容器３内が大気圧下で水蒸気濃度が９０vol％になるまで置換した。次いで、水蒸気排気配管２０のバルブ１９を閉めて、圧力容器３内が水蒸気により圧力０．５ＭＰａＧで維持されるようにして、スラグＡの加圧式蒸気エージングを５時間行った。エージング終了後、圧力容器３内を大気圧に開放した上で、圧力容器３の開閉蓋3bを開けてスラグ容器１を取り出し、スラグ容器内に投入されたスラグＡの山の表層部分の温度を測定したところ１００℃であった。また、エージング終了後のスラグＡは約５質量％の水分を保有していた。なお、エージング終了後のスラグＡについて、JIS A5015“道路用鉄鋼スラグ”で規定される水浸膨張比を測定したところ１．２％であった。

ここで、エージング後のスラグＡの冷却が水分の蒸発によってのみ成されると仮定して、このスラグＡが１００℃から８０℃に冷却されるのに必要な水分蒸発量を算出し、その水分が蒸発するのに必要な冷却用乾燥空気の必要流量を計算により求めると以下のとおりである。
先ず、上記の関係について熱バランスをとると下記のようになる。
「スラグの冷却熱(Kcal：１００℃⇒８０℃)＝水の蒸発熱(Kcal)＋空気の持ち去る熱(Kcal)」・・・（１）
このとき、乾燥空気（湿度０wt%）の入側温度は２０℃、出側温度はスラグ温度、湿度は１００％とする。そして、飽和水蒸気量の計算には下記式（２）に示すアントワンの式（Antoine式）を用いて飽和水蒸気圧を算出し、式（３）に示した気体の状態方程式から、単位体積当たりの水蒸気質量（m/V：g-H₂O/Nm³）へ変換する。一方、大気圧と飽和水蒸気圧の差が空気分圧だとすれば、単位体積当たりの空気量（g-Air/Nm³）を算出できる。以上より、単位空気当たりの水蒸気放出量（g-H₂O/g-Air）を計算できる。この関係と式（１）の熱バランスを満たすよう冷却に必要な乾燥空気流量を算出した。

（但し、A＝8.02754、B＝1705.616、C＝231.405、p＝4.881558303mmHgであり、Tは℃を表す。）

〔但し、P：圧力（Pa）、V：体積（Nm³）、m：水蒸気又は空気の質量（g）、M：水又は空気の分子量（18又は28）、R：ガス定数、T：温度（K）である。〕）

上述の計算手法で示したように、エージング後の温度１００℃のスラグＡを８０℃まで冷却する際に発生する水蒸気量は１．１４Nm³であり、例えば、その冷却に必要な冷却用乾燥空気量は５５０Ｌである。すなわち、スラグ容器内のスラグＡの全体に冷却用空気を流すことができるとして、圧縮空気により５０Ｌ/minの冷却用空気を流せば、理論上約１０分で８０℃まで冷却することができることになる。仮にスラグＡに対して十分に冷却空気が流れずに、５０Ｌ/minの圧縮空気の１０％しか流れないとした場合には、８０℃まで冷却するのに１００分の冷却時間が必要となる。なお、計算に用いた詳細条件は表２に示したとおりである。

ちなみに、内部配管から冷却用空気を流さずに、スラグ容器内に投入された状態でスラグをそのまま放置した場合、表面に露出せずに内部に積まれたスラグには空気がほとんど流れずに、スラグ粒子間に存在する空気は直ぐに湿度が１００％になるため、水分の蒸発によるスラグの冷却は進まず、冷却はすべてスラグ層表面からの伝熱のみによりなされることになる。攪拌を行えばスラグ層内の空気の入れ替えが発生し冷却時間が飛躍的に短くなるが、処理規模が大きくなると時間と労力がかかる。実績では、１５００トンのスラグを４ｔのホイールローダー１台による攪拌により９０℃から８０℃に冷却するのに１２時間を要する。この場合、理論計算では１．４ｔの水蒸気を蒸発させる必要があるが、スラグ容器内に配設された内部配管を介してスラグ層内に５０Nm³/minの流量の乾燥空気を流せば、約２時間で乾燥を終了することができる。

そして、エージング後のスラグＡが入れられたスラグ容器１の内部配管８に対して、５０Ｌ/minの圧縮空気を流して３時間冷却したところ、スラグ容器１内の全てのスラグの温度が８０℃以下に低下した。

次に、上記のようにしてスラグＡを冷却した後のスラグ容器１を再び圧力容器３に収容して開閉蓋3bを閉じ、この圧力容器内にＣＯ_２供給配管１７から加圧したＣＯ_２ガス（濃度100vol%）を供給すると共にＣＯ_２排気配管２１から圧力容器内の雰囲気ガスを外部に排出して、圧力容器３内が大気圧下でＣＯ_２濃度が８０vol％になるまで置換した。次いで、ＣＯ_２排気配管２１のバルブ１９を閉めて、圧力容器３内がＣＯ_２ガスにより圧力０．０２ＭＰａＧで維持されるようにして、６０分間スラグＡを炭酸化反応させた。炭酸化終了後、圧力容器３内を大気圧に開放した上で、圧力容器３の開閉蓋3bを開けてスラグ容器１を取り出して処理を終了した。

炭酸化終了後のスラグＡについて、水中に入れて炭酸化処理後のスラグＡから溶出されるスラグ溶出水のｐＨを測定した。このｐＨ測定にあたっては、JIS K0058-1を参考にして、スラグ４０g（S）と純水１リットル（L）とを混合し（液固比：L/S=25）、１５０ｒｐｍの回転速度で溶液部分を攪拌しながら２４時間静置した後、ガラス電極式ｐＨ計を用いて測定した。その結果、炭酸化処理前のスラグＡのスラグ溶出水のｐＨが約１２であったのに対して、この試験例で得られた炭酸化終了後のスラグＡのスラグ溶出水のｐＨはｐＨ＝１０．４まで低下していた。

以上のように、本発明によれば、エージング処理後のスラグを短時間で冷却できて、引き続き炭酸化処理を施すことができるようになる。しかも、本発明によれば、エージング処理と炭酸化処理との間でスラグの積み替え作業や搬送の手間を省いたり、これらの処理の途中でスラグを一時的に保管するための保管場所や保管設備が不要になることから、従来の方法に比べて効率良くスラグを処理することができるようになる。

１：スラグ容器、1a，1b：収容部材、２：スラグ投入台、2a：スラグ投入台側移載レール、３：圧力容器、3a：圧力容器側移載レール、４：スラグ仮置台、4a：スラグ仮置台側移載レール、５：横行レール、６：移載台車、７：移載レール、7a：橋架レール、８：内部配管、8a：吹出孔、8b：接続端部、９：スラグ、１０：空気発生装置、１１：払出ピット、１２：ピボット軸、１３：投入開口部、１４：開閉部、１５：車輪、１６：水蒸気供給配管（ガス配管）、16a：水蒸気供給口、１７：ＣＯ_２供給配管（ガス配管）、17a：ＣＯ_２供給口、１８：排気配管、１９：バルブ、２０：水蒸気排気配管、20a：水蒸気排気口、２１：ＣＯ_２排気配管、21a：ＣＯ_２排気口、２２：ショベルカー。

Claims

投入開口部を有して鉄鋼スラグが投入されたスラグ容器を圧力容器に収容して、加圧状態で鉄鋼スラグを処理する方法であって、先ず、所定の圧力の水蒸気雰囲気に保持された圧力容器内でスラグ容器中の鉄鋼スラグをエージング処理した後、スラグ容器を圧力容器の外部に取り出し、又は、スラグ容器が収容された圧力容器を大気圧に開放して、複数の吹出孔を備えてスラグ容器内に配設された内部配管を介して鉄鋼スラグに冷却用空気を流し、エージング後の鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却して、次いで、所定の圧力のＣＯ_２含有ガス雰囲気に保持された圧力容器内でスラグ容器中の鉄鋼スラグを炭酸化処理することを特徴とする鉄鋼スラグの処理方法。
スラグ容器中の鉄鋼スラグのエージング処理を行うエージング用圧力容器と、スラグ容器中の鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う炭酸化用圧力容器とを個別に用意して、エージング用圧力容器で鉄鋼スラグのエージング処理を行った後、スラグ容器内の鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却して、炭酸化用圧力容器で鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う請求項１に記載の鉄鋼スラグの処理方法。
スラグ容器中の鉄鋼スラグのエージング処理を行う圧力容器と、スラグ容器中の鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う圧力容器とを共用して、鉄鋼スラグのエージング処理を行った後、スラグ容器内の鉄鋼スラグを８０℃以下に冷却して、スラグ容器を圧力容器内に戻して鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う請求項１に記載の鉄鋼スラグの処理方法。
圧力容器内を０．１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の水蒸気雰囲気にして鉄鋼スラグのエージング処理を行い、圧力容器内を０．１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下のＣＯ_２含有ガス雰囲気にして鉄鋼スラグの炭酸化処理を行う請求項１〜３のいずれかに記載の鉄鋼スラグの処理方法。
投入開口部を有したスラグ容器に鉄鋼スラグが投入されるスラグ投入台と、加圧したガスが供給されるガス配管を備えると共に、鉄鋼スラグが投入されたスラグ容器を収容して、スラグ容器中の鉄鋼スラグを加圧状態で処理することができる圧力容器と、鉄鋼スラグをスラグ容器ごと仮置きするスラグ仮置台とが並設されて、かつ、これらに沿うように設置された横行レール上の移載台車を介して、スラグ投入台、圧力容器、及びスラグ仮置台の間でスラグ容器を移動させることができる鉄鋼スラグの処理装置であって、スラグ容器には、複数の吹出孔を備えた内部配管が配設され、スラグ仮置台には、該スラグ容器の内部配管に接続されて冷却用空気をスラグ容器側に供給することができる空気発生装置が設置されていることを特徴とする鉄鋼スラグの処理装置。
前記圧力容器及びスラグ容器をそれぞれ２以上備えている請求項５に記載の鉄鋼スラグの処理装置。