JP2017519707A - 粒状化スラグ生成物およびそれらの生成のためのプロセス - Google Patents

Abstract

溶融スラグ組成物から固体スラグ細粒を作るためのプロセスは、（ａ）溶融スラグ組成物を提供する工程と、（ｂ）分散装置で、溶融スラグ組成物を固体スラグ細粒に変換する工程と、（ｃ）分離器で固体スラグ細粒を形状に基づき選別して、複数の異なる真球度を有する複数の区分を生成する工程とを含む。粒状スラグ生成物は、本プロセスにより生成される固体スラグ細粒の１または複数の区分を含み、孔性または非孔性であり得、コーティングされた、またはコーティングされていないものであり得るプロパント、屋根用細粒、触媒担体を含む。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１４年６月３日に提出された米国仮特許出願第６２／００７，１８０号の優先権および便益を主張する。同仮特許出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、プロパント、屋根用細粒、並びに触媒担体を含む粒状化スラグ生成物、およびそれらの生成のためのプロセスに関する。

スラグは、冶金用炉で行なわれる金属生成プロセスの副産物である。生成されるスラグの組成および量は、具体的なプロセスにかなり依存するが、スラグは典型的には、金属酸化物と二酸化ケイ素とを含む混合物を含み、そのプロセスにより生成される金属の量のおよそ１０パーセントから数倍の範囲の量が生成される。

金属生成の間に、スラグは、溶融した形態で冶金用炉内に存在する。スラグの温度はそのプロセスに依存するが、約摂氏１５００〜１６００度程度であり得る。溶融スラグは周期的に炉から出され、典型的には、熱がその環境へと失われることにより空冷し凝固させられる。

凝固したスラグは、コンクリート混合物または繊維質の断絶材などの多数の商業製品となるよう加工され得るが、大量のスラグが廃棄物として処分され続けている。石油およびガス生成におけるプロパントとして、または屋根用細粒としての粒状化スラグの使用に最近関心が向けられている。しかし、そのような材料の生成のための、凝固したスラグの搬送、研削、および／または再溶融に伴うコストは、これらの使用を経済的に非魅力的にし得る。

加えて、プロパントまたは屋根用細粒などの生成物へとスラグを変換するのに用いられるプロセスは、完全には満足いくものではなく、生成物に関する１または複数の要求事項を満たさない材料が結果として得られ得る。例えば、プロパントは、強度、サイズ、形状、および組成に関して特定の性質を有することが要求される。他の出発原料ではなくスラグを用いることの経済的な利点を維持しつつ、プロパントに関して要求される性質の全てを有するスラグ細粒を生成することは困難である。

商業的に実行可能な粒状生成物へとスラグを変換するための単純であり経済的に適したプロセスに関する、およびそのようなプロセスにより生成される、プロパントおよび屋根用細粒などの粒状生成物に関する必要性が依然としてある。

実施形態において、溶融スラグ組成物から固体スラグ細粒を作るためのプロセスが提供される。プロセスは、
（ａ）溶融スラグ組成物を提供する工程と、
（ｂ）分散装置で、溶融スラグ組成物を固体スラグ細粒に変換する工程と、
（ｃ）分離器で固体スラグ細粒を形状に基づき選別して、複数の異なる真球度を有する複数の区分を生成する工程と
を備える。

他の実施形態において、本明細書で定められるプロセスにより生成された固体スラグ細粒の複数の区分のうち１または複数を備える、粒状スラグ生成物が提供される。粒状スラグ生成物は、プロパント、屋根用細粒、触媒担体を含んでよく、孔性（ｐｏｒｏｕｓ）または非孔性（ｎｏｎ−ｐｏｒｏｕｓ）であってよく、コーティングされていてよい、またはコーティングされていなくてよい。

さらに他の実施形態において、分散装置は微粒子化装置を含み、
溶融スラグ組成物を固体スラグ細粒に変換する工程は、分散装置で、溶融スラグ組成物と気体流とを接触させることにより、溶融スラグ組成物を微粒子化する工程を有する。いくつかの実施形態において、気体流は空気を含む。

さらに他の実施形態において、微粒子化装置はブロワーを含み、
溶融スラグ組成物を微粒子化する工程は、ブロワーを用いて、分散装置で、溶融スラグ組成物の下降流内へと気体流を吹き付け、それにより、溶融スラグ組成物の下降流を、凝固して固体スラグ細粒を形成することになる液滴となるように分離させる工程を含む。いくつかの実施形態において、ブロワーは、約８０水柱インチ（約２０３．２水柱センチメートル）未満の最大総圧力を生成するよう適合させられている。

さらに他の実施形態において、固体スラグ細粒は非孔性である。

さらに他の実施形態において、選別する工程により生成される複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６超の平均真球度を有する固体スラグ細粒から成る。いくつかの実施形態において、固体スラグ細粒は、０．７から約０．９の平均真球度および／または真円度を有する。

さらに他の実施形態において、選別する工程により生成される複数の区分のうち少なくとも１つは、細長の細粒を含んでよい０．６未満の平均真球度を有する固体スラグ細粒から成る。細長の細粒は、ダンベル形状細粒および／または破砕されたダンベル形状細粒を含んでよい。

さらに他の実施形態において、微粒子化装置はさらに衝撃板を含み、固体スラグ細粒のうち少なくとも一部は、液滴が衝撃板に当たることにより生成され、液滴が衝撃板に当たることにより生成される固体スラグ細粒は、０．６未満の平均真球度を有する。

さらに他の実施形態において、プロセスは、密度に基づき固体スラグ細粒を選別する工程をさらに備える。

さらに他の実施形態において、プロセスは、分散装置で、溶融スラグ組成物を固体スラグ細粒に変換する工程の前に、および／またはそれと同時に、溶融スラグ組成物と低密度化添加物とを混合する工程をさらに備える。本実施形態に従って生成される固体スラグ細粒は、内部ボイドを有してよい。いくつかの実施形態において、溶融スラグ組成物と低密度化添加物とを混合する工程は、低密度化添加物を溶融スラグ組成物内へと注入する工程を含む。低密度化添加物は、液体の水、蒸気、炭素、金属炭酸塩、およびこれらのうち任意の２つ、またはそれより多くを含む混合物を含む群から選択されてよい。いくつかの実施形態において、溶融スラグ組成物と低密度化添加物とを混合する工程は、溶融スラグ組成物を固体スラグ細粒に変換する工程の前に、溶融スラグ組成物内へと水および／または蒸気を注入することにより溶融スラグ組成物を膨張させる工程を含む。

さらに他の実施形態において、プロセスは、コーティング装置で固体スラグ細粒のうち少なくとも一部をコーティングする工程をさらに備える。いくつかの実施形態において、コーティングする工程は、樹脂組成物およびセラミック組成物から成る群から選択されたコーティング組成物により固体スラグ細粒をコーティングする工程を有する。いくつかの実施形態において、選別する工程により生成される複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６超の平均真球度を有する固体スラグ細粒から成り、
コーティング組成物は樹脂組成物を含み、
コーティングする工程は、形状に基づき固体スラグ細粒を選別する工程の後に行なわれてよい。

いくつかの実施形態において、コーティングする工程は、樹脂組成物と固体スラグ細粒とを組み合わせる工程を有し、
固体スラグ細粒は、樹脂組成物を溶融させるのに十分な温度まで加熱され、
プロセスは、固体スラグ細粒と樹脂組成物とをタンブリング処理（ｔｕｍｂｌｉｎｇ）して、ポリマーコーティングされたスラグ細粒を生成する工程をさらに備える。

いくつかの実施形態において、コーティングする工程は、樹脂組成物と固体スラグ細粒とを組み合わせる工程を有し、
プロセスは、コーティングする工程の間に、またはその後に、樹脂組成物を硬化させる工程をさらに備えてよい。硬化させる工程は、樹脂組成物を架橋活性化剤により架橋する工程を有し得、
架橋活性化剤は、樹脂組成物に含まれる。

実施形態において、選別する工程により生成される複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６超の平均真球度を有する固体スラグ細粒から成り、
選別する工程により生成される複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６未満の平均真球度を有する固体スラグ細粒から成り、
０．６超の平均真球度を有する固体スラグ細粒の、０．６未満の平均真球度を有する固体スラグ細粒に対する比は、
（ａ）溶融スラグ組成物の温度と、
（ｂ）気体流と、溶融スラグ組成物の下降流との間の角度と
のうち１または複数のパラメータの調整により制御可能であり、
分散装置は微粒子化装置を含む。

さらに他の実施形態において、
溶融スラグ組成物は遊離鉄を含み、
金属鉄は、固体スラグ細粒が実質的に磁気を帯びなくなるよう溶融スラグ組成物を微粒子化する工程の間に実質的に完全に酸化させられる。

さらに他の実施形態において、
プロセスは、
（ｉ）溶融スラグ組成物を冶金用炉に提供する工程と、
（ｉｉ）冶金用炉から溶融スラグ組成物を引き出す工程と、
（ｉｉｉ）溶融スラグ組成物が凝固しないよう溶融スラグ組成物を十分に高い温度に維持しつつ、溶融スラグ組成物を分散装置へ搬送する工程と
をさらに備える。いくつかの実施形態において、溶融スラグ組成物の冶金組成は、溶融スラグ組成物が炉から引き出された後、および溶融スラグ組成物が固体スラグ細粒に変換されるまで一定のままである。

さらに他の実施形態において、形状に基づき細粒を分離させるためのデバイスは、スパイラル式分離器を含む。

さらに他の実施形態において、溶融スラグ組成物は石灰を実質的に含有しない。

さらに他の実施形態において、溶融スラグ組成物は非鉄スラグである。

さらに他の実施形態において、本明細書で説明される、溶融スラグ組成物の気体微粒子化を含んでよいプロセスにより生成される固体スラグ細粒の複数の区分のうち１または複数を備える、粒状スラグ生成物が提供される。粒状スラグ生成物は、屋根用細粒、非孔性プロパント、孔性粒状スラグ生成物、触媒担体、および／またはコーティングされたプロパントを含んでよい。粒状スラグ生成物は、０．６超の平均真球度を有する固体スラグ細粒、任意で硬化される、または部分的に硬化される樹脂組成物でコーティングされた固体スラグ細粒、および／または、０．６未満平均真球度を有する固体スラグ細粒を備えてよい。

ここで添付の図面を参照し、単なる例として本願発明について説明する。

本明細書で説明されるプロセスの実施形態の概略的な図示である。

圧砕の前および後の、本明細書で説明されるプロセスにより生成されるコーティングされた、およびコーティングされていないスラグ細粒の写真であり、図２Ａは、コーティングされていない２０／４０スラグ細粒を示す。 圧砕の前および後の、本明細書で説明されるプロセスにより生成されるコーティングされた、およびコーティングされていないスラグ細粒の写真であり、図２Ｂは、樹脂コーティングされた２０／４０スラグ細粒を示す。 圧砕の前および後の、本明細書で説明されるプロセスにより生成されるコーティングされた、およびコーティングされていないスラグ細粒の写真であり、図２Ｃは、樹脂コーティングされ、１０，０００ｐｓｉで圧砕された２０／４０スラグ細粒を示す。 圧砕の前および後の、本明細書で説明されるプロセスにより生成されるコーティングされた、およびコーティングされていないスラグ細粒の写真であり、図２Ｄは、コーティングされていない、１０，０００ｐｓｉで圧砕されたスラグ細粒を示す（図２Ｄ）。

樹脂コーティングされたスラグ細粒の断面を示す、走査電子顕微鏡画像を示す。

従来のセラミックプロパント粒子の平滑度、真球度および真円度を比較するための、断面を示す、走査電子顕微鏡画像を示す（図４Ａ）。 本明細書で説明されるプロセスに従って生成されるスラグ細粒の平滑度、真球度および真円度を比較するための、断面を示す、走査電子顕微鏡画像を示す（図４Ｂ）。

以下に続くのは、冶金プロセスにより生成されるスラグ組成物から商用の粒状生成物を生成するためのプロセスに関する詳細な説明である。本明細書で説明される３タイプの粒状生成物は、石油および気体回収のためのプロパント、屋根用細粒および触媒担体である。プロパントは、油井またはガス田を囲むエリアで引き起こされた水圧による亀裂が閉じないよう、および石油または気体が油井またはガス田に入る際に通る孔性の経路を提供するよう、それら亀裂に注入される粒子である。プロパントは、高い圧縮強度、耐酸溶性、浸出耐性、および球状を含む複数の性質を有することが要求される。

屋根用細粒は、アスファルトこけら板および壁板に適用され、これらの建築材料に、それらの特徴的なテクスチャおよび外観を提供する粒子である。屋根用細粒は、典型的には、窯で適用されるセラミックコーティングおよび顔料が提供される。

スラグ細粒は、様々なタイプの触媒のための触媒担体として用いられ得、この目的のために触媒粒子によりコーティングされてよい。代替的に、それら細粒自体が、それらの組成に依存して、触媒として用いられてよい。触媒が、粒子の孔性の層の形態である場合、真球度および粒子径分布が、この目的のために用いられるスラグ細粒の重要な性質である。細粒の孔性も重要であり得る。

以下の説明はプロパント、屋根用細粒および触媒担体の生成に限られているが、本明細書で説明されているプロセスは、研磨剤を含む多種多様な粒状生成物の生成に適用され得ることが理解されよう。

本明細書で説明されているプロセスで用いられる出発原料は、スラグ組成物である。典型的には、これらのスラグ組成物は、金属生成のためのプロセスから生じる副産物である。本明細書で説明されているプロセスで用いられるスラグ組成物は、それらが生じるプロセスに依存して様々な組成を有し得る。

本明細書で用いられるスラグ組成物は、鉄のもの、または非鉄のものであり得る。鉄スラグは製鋼で生成され、典型的には、石灰、二酸化ケイ素、アルミナおよびマグネシアを含み、遊離鉄も含み得る。非鉄スラグは、銅、ニッケルおよび鉛などの非鉄金属の生成のための製錬プロセスで生成される。非鉄スラグは、異なる量の二酸化ケイ素、酸化鉄、マグネシア、および石灰を含んでよい。

本明細書で説明されているスラグ細粒が屋根用細粒として用いられる場合、大量の石灰を含有する鉄スラグを避けるのが望ましいかもしれない。なぜならば、石灰は水と組み合わさって、スラグ細粒が用いられる屋根ふきまたは壁板の耐候性を低くし得る水酸化カルシウムを生成する傾向を有するからである。したがって、スラグ細粒が屋根用細粒に用いられる場合、非鉄の、および／または石灰を実質的に含有しないスラグが好ましい。

本明細書で説明される粒状生成物の生成の効率を最大化すべく、事前に冷却および凝固させられたスラグの圧砕および／または溶融を避けることが望ましい。したがって、本明細書で説明される実施形態において、金属生成プロセスの間に生成された溶融スラグ組成物が冶金用炉から引き出され、その炉から分散装置へ移動させられる際に溶融状態に維持される。このやり方で、プロセスは、溶融スラグの熱を保存し、固体細粒への溶融スラグの変換のために熱エネルギーを加える必要性を減らし、または取り除き、また、スラグを機械的に細かく砕く必要性を取り除く。しかし、本明細書で説明されているプロセスの複数の利点は、溶融スラグの熱を保存することに依拠せず、これらの利点は、溶融スラグの熱が維持されるか、またはスラグが再溶融されて固体細粒に変換される前に冷却および凝固させられるかに関わらず達成されることが理解されよう。

図１は、プロパント、屋根用細粒、および／または触媒担体を生成するためのプロセスを図示する概略図である。

炉内のスラグは、その融点よりわずかに高い温度で溶融状態を維持される。溶融スラグの温度は具体的なプロセスに依存するが、製鋼プロセスでは約摂氏１５００〜１６００度の範囲であり、スラグは、その融点より約摂氏４０〜１５０度高く過熱させられ得る。溶融スラグの温度は、非鉄スラグに関しては約摂氏１０００〜１７００度の範囲であり得る。しかし、本明細書で言及されるスラグ温度範囲は限定されなされず、スラグを生成するプロセスに依存することが理解されよう。

溶融スラグは、炉から周期的に出され、直接、可動のスラグ容器、またはスラグ樋またはランナへと出される。溶融スラグは、それら可動のスラグ容器、またはスラグ樋またはランナで、プラントの他のエリアへと搬送される。搬送の間に、スラグは溶融状態のまま維持される。スラグは典型的には、断続的なやり方を基準として出される。

一実施形態において、溶融スラグは、スラグ容器から分散装置へと移動させられる。その分散装置で、溶融スラグは固体スラグ細粒へと変換される。分散装置は、米国特許第３，５８４，１４２号および５，９４４，８６１号で説明される回転ドラムを含むペレット化装置または微粒子化装置のいずれかを備えてよい。しかし、ペレット化装置は典型的には、約０．１５から１３ｍｍの範囲内の直径を有し、粒子の大部分が１．５から１０ｍｍ範囲内の直径を有するスラグ細粒を生成するであろう。これらの直径の粒子は、コンクリート骨材としての使用により適している。

以下の説明では、分散装置が、空気を含んでよい気体流により溶融スラグが微粒子化される微粒子化装置である実施形態に焦点を当てる。微粒子化は、ペレット製造機により生成されるものよりも粒子サイズがより小さく、粒子径分布がより狭いスラグ細粒を生成し、微粒子化された粒子は、プロパントおよび屋根用細粒としての使用により適している。

微粒子化装置は、スラグが、冶金用炉から気体微粒子化プラントへ移動させられる際に溶融状態に維持されるようその炉に極めて近く配置された気体微粒子化プラントを含んでよい。例えば、気体微粒子化プラントと炉とは、約１ｋｍ未満の距離分、離れてよい。

本実施形態において、溶融スラグは、熱の損失と溶融スラグの凝固とを最小化するよう、炉から微粒子化装置へ直接移動させられる。いくつかの実施形態において、溶融スラグは、溶融スラグの組成または性質を変える添加物の添加などの中間処理を何ら受けない。しかし、他の実施形態において、溶融スラグの、微粒子化装置内部での固体スラグ細粒への変換の前に、および／またはそれと同時に、溶融スラグは、低密度化添加物と混合されてよい。

例えば、いくつかの実施形態において、その低密度化添加物は、溶融スラグ組成物内へと注入されてよく、液体の水、蒸気、炭素、または金属炭酸塩のうち１または複数から選択されてよい。溶融スラグと低密度化添加物とを混合することにより、溶融スラグは膨張し、膨張したスラグを微粒子化装置で微粒子化することにより、内部ボイドを有し、したがって、低密度化添加物を使用せず生成される固体スラグ細粒より密度が低く、より孔性が高い固体スラグ細粒が生成されることになる。水を添加することにより、典型的には、内部ボイドおよび非孔性外側面を有する細粒が得られることになり、他方、炭素または金属酸化物を添加することにより、典型的には、内部ボイドと孔性外側面とを有する細粒が得られることになる。目的に合わせた密度および孔性を提供出来るということは、プロパントおよび触媒担体の生成において有利である。

例えば、微粒子化装置で、固体スラグ細粒の性質および／または組成を調整するために、蒸気または液体の水などの低密度化添加物が、気体流内へと組み込まれてよい。考えられる他の添加物は、固体スラグ細粒の密度、孔性、および／または組成を変える炭素および金属炭酸塩を含む。また、金属酸化物が気体流に添加されて、スラグ細粒の組成を変えてよい。

いくつかの実施形態において、プロパント、屋根用細粒および／または触媒担体としての使用のために、低孔性の固体スラグ細粒を生成するのが有利であるかもしれない。例えば、本発明者らは、気体微粒子化されたスラグ細粒、特に、膨張させられていない溶融スラグ組成物から生成されたものが低孔性を有することを発見した。このことは、以下でさらに説明するように、屋根用細粒（窯でコーティングされるセラミックおよび顔料）および触媒担体の場合のように、またはコーティングされたプロパントの場合のように細粒が続いてコーティングされる場合において有利であり得る。低孔性は、均一なコーティングを提供するのに必要とされるコーティング材料の量を減らすことが予想されるので有利である。

加えて、本発明者らは、空気などの酸素を含有する気体による気体微粒子化が、鉄などの、スラグ内のあらゆる遊離金属を酸化させる傾向を有することを発見した。スラグ細粒内の遊離鉄を減らすこと、または取り除くことは、細粒の磁気性を低くし、粒子の錆びる傾向を弱めるので有利である。このことは、プロパントおよび屋根用細粒の両方に関して望ましい。

気体微粒子化プラント内で、溶融スラグはスラグ容器または樋から流し込まれ、気体流がブロワーから吹き込まれる微粒子化チャンバーを通って下降させられる。下降しているスラグの溶融流に気体流が接触した場合に、スラグは、同時に、液滴に分離させられ、固体状態となるよう冷却され、それにより、固体スラグ細粒が形成される。その固体スラグ細粒は、チャンバーの底部へと下降する。

ブロワーへ入れられる気体は、従来技術の空気微粒子化プロセスで一般的に用いられる圧縮気体ではなく、大気圧の気体を含んでよい。大気圧の気体を用いることにより、微粒子化装置は、比較的複雑でありコストがより高い圧縮気体注入システムではなく一般的なブロワーを用いることが可能になる。ブロワーは、約８０水柱インチ（約２０３．２水柱センチメートル）、または２０ｋＰａ未満の最大総圧力を生成するタイプであってよい。

プロパント粒子は、約０．６０超の真球度を有する球状であることが要求される。本プロセスは、プロパントとしての使用に適切である高い真球度を有する固体スラグ細粒を主に生成するよう最適化されてよい。球状粒子の生成を最適化するのに調整され得るパラメータは、微粒子化チャンバーに入る溶融スラグの温度と、微粒子化チャンバー内の溶融スラグの下降流に対する気体流の角度と、ブロワーの気体ノズルの幅に対する樋の幅と、気体／スラグ比とを含む。

微粒子化装置により生成された固体スラグ細粒は、商業製品とするための更なる処理のために回収される。低圧力微粒子化装置は、特定の割合の（０．６０超の真球度を有するものと本明細書で定義される）球状細粒と、特定の割合の（０．６０未満の真球度を有するものと本明細書で定義される）非球状細粒とを生成するであろう。

プロパントとしての使用に適切な球状細粒の生成を最大化するために、本実施形態では、少なくとも２つの別個の区分となるよう固体スラグ細粒を分離する形状分離工程が利用される。これらの区分のうち１つは、球状スラグ細粒で主に構成され、それら区分の他の区分は、非球状スラグ細粒で主に構成される。本発明者らは、この形状分離が、ある割合のかなり球状であるスラグ細粒を含有する粒状スラグ生成物を生成することが出来ることを発見した。例えば、プロパント粒子の推奨されている真球度および真円度は、０．６であり、高強度のプロパントに関しては０．７である。本プロセスに従って生成される球状固体スラグ細粒は、タイトルが「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｒｏｐｐａｎｔｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ Ｇｒａｖｅｌ−Ｐａｃｋｉｎｇ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ」であるＡＮＳＩ／ＡＰＩ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １９Ｃ，Ｆｉｒｓｔ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｍａｙ ２００８に示されているＫｒｕｍｂｅｉｎ−Ｓｌｏｓｓチャートにより定義される真球度および／または真円度が約０．９０もの高さであることを本発明者らは発見した。真球度は、粒子がどれだけ厳密に球体の形状に似ているか、すなわち、粒子の表面積がどれだけ厳密に球体の表面積に一致するかに関係する。真円度は、粒子の形状に関わらず、粒子の縁の鋭敏さの尺度である。

本発明者らは、本プロセスにより生成される固体スラグ細粒が、高度の真円度と高い表面平滑度／低い表面粗度とを有することも発見した。表面粗度は、表面形状の平均高さからの個々の深さ／高さの平均である算術平均表面粗度（Ｒａ）として定義され得る。

図４Ａおよび４Ｂから分かるように、本プロセスにより生成されたスラグ細粒（図４Ｂ）は、従来のセラミックプロパント粒子（図４Ａ）と比較して向上した平滑度、真球度および真円度を有し得る。これらの向上した性質は、それらスラグ細粒が、プロパントまたは触媒担体として用いられる場合に特に有利であることが予想される。なぜならばそれらは、向上した圧縮強度を提供し、そのような粒子の層の孔性を向上させることが予想されるからである。また、そのような粒子のコーティングは、より少ない量のコーティング材料を消費することが予想されるであろう。向上した真円度は、それらスラグ細粒が屋根用細粒として用いられる場合にも有利である。なぜならば、このことは、それら細粒でコーティングされたこけら板の設置の間に、粒子の鋭い縁が屋根職人に怪我を負わせてしまう可能性を低くするからである。

形状分離工程は、球状粒子を非球状粒子から分離するための従来の乾式スパイラル式分離器を含み得るスパイラル式分離器により達成され得る。スパイラル式分離器は、内側の縁における、開孔を有し内側に含まれる螺旋状トラフと、外側の縁における収集トラフとが巻かれる塔を含む単純な装置である。球状粒子は、非球状粒子より速い速度へと加速する。球状粒子は、螺旋の外側の縁を越えて転がり、外側の収集トラフに捕捉される。非球状粒子は、内側の縁に向かって転がり、スロットを通って下降して、分離器の底部で集められる。

形状分離工程に加えて、粒状生成物の他の性質を最大化するために、追加の分離を行うことが望ましいかもしれない。例えば、形状分離に加えて、サイズに基づき固体スラグ細粒を分離するのが望ましいかもしれない。サイズ分離は、いくつかの応用において要求され得る、所定の粒子径分布を有する固体スラグ細粒の複数の区分を生成出来る。

形状分離に加えて、密度に基づき固体スラグ細粒を分離するのが望ましいかもしれない。このことは、例えば、形状分離に用いられたのと同じ分離器であり得るスパイラル式分離器を用いることにより達成され得る。代替的に、密度分離は、微粒子化プロセスの間にスラグ細粒が移動する距離に基づき、それら細粒の異なる複数の区分を分離することにより行なわれ得る。上記で言及したように、ブロワーからの気体流により、溶融スラグは、凝固して微粒子化チャンバーの床に下降する液滴を形成する。気体流は、溶融スラグの下降流に対して角度が付けられ、したがって、スラグ細粒は、チャンバーの床に着地する前に水平方向に移動させられる。より重い、またはより密度の高い粒子は、よりブロワーの近くに着地する傾向を有するであろうし、より軽く、より密度の低い粒子は、ブロワーから水平方向に移動させられる距離がより大きくなる。この密度分離工程は、プロパントなどの特定の生成物の生成において有用であり得る。例えば、密度分離は、プロパントとしての使用には密度が高すぎるかもしれない高密度の粒子を取り除くのに用いられ得る。また、高密度の細粒は、典型的には、低密度細粒とは組成が異なり、低密度細粒より高い含有量の金属を有し得る。したがって、密度分離工程は、例えば、浸出耐性、圧縮強度等の観点からプロパントとしての使用に適していない化学組成を有する細粒を除去するのに用いられ得る。屋根用細粒に関して、遊離鉄を含有するより高い密度の細粒を取り除くことが望ましいかもしれない。なぜならば、細粒が含有する遊離鉄は、錆びるかもしれず、屋根用細粒の変色を引き起こし得るからであり、また、遊離鉄の磁気性によって、鉄を含有している細粒が、屋根用細粒の生成に用いられる器材にくっつくことになり得るからである。

上記で言及したように、溶融スラグの気体微粒子化は、非球状である固体スラグ細粒のうち少なくとも１つの区分を生成する。非球状細粒は、屋根用細粒としての使用に特によく適している。球状スラグ細粒の生成のために気体微粒子化プロセスが最適化された場合であっても、特定の割合のスラグ細粒は非球状であり、屋根用細粒としての使用に適切である。例えば、液滴の一部は、球状となる前に凝固し、細長の形態を有する。また、液滴が一緒にくっついて、非球状細粒を形成し得、または、不完全に凝固した細粒の変形により、ダンベル形状の細長の細粒が形成され得る。上記で言及した気体微粒子化の条件は、非球状粒子の生成を最大化するよう調整され得る。

加えて、微粒子化チャンバーで、気体微粒子化により生じさせられる液滴の経路に衝撃板が載置され得る。液体の、または部分的に凝固した液滴はその板に当たり、屋根用細粒としての使用として適切である非球状となるよう変形および／または破砕され得る。凝固した非球状細粒は微粒子化チャンバーから回収され、非球状固体スラグ細粒の特定の性質を最大化するために、上記で言及した形状、サイズ、または密度分離工程のいずれかが行われ得る。例えば、形状分離が用いられて、生成物に存在する非球状細粒の割合を最大化し得る。

非球状スラグ細粒が、実質的な割合の、ダンベル形状細粒などの細長のスラグ細粒を含む場合、プロセスは、これらの粒子を破砕する軽度の圧砕工程を含み得る。劈開された縁を生成する粒子の破砕は、細粒が屋根用細粒として用いられる場合に望ましいかもしれない。

理解されるように、溶融スラグからの大量の熱が、スラグの微粒子化のために用いられる気体へ伝達される。したがって、気体微粒子化工程は、高温の気体流を生成する。この加熱された気体は、金属生成プロセスの他の場所で用いられ得、または、熱エネルギーは、加熱された気体から抽出され得る。このことに関して、プロセスはさらに、微粒子化装置からの加熱された気体を熱交換器に通して、微粒子化工程の間に、溶融スラグにより失われる熱のうち少なくとも一部を回収する工程を含み得る。

屋根用細粒として用いられる場合に、非球状スラグ細粒は、アスファルトベースの屋根ふきまたは壁板材料の製造の間に更なる処理を受ける。これらの更なる処理工程は、窯での固体スラグ細粒のセラミックおよび／または顔料コーティングを含む。

微粒子化装置から回収された、および任意で分離させられた後、プロパントとして用いられることになる球状スラグ細粒には、樹脂材料またはセラミック材料を含むコーティングが提供され得る。球状スラグ細粒のコーティングはコーティングプラントで実行され、典型的には、タンブリング処理または混合装置で球状スラグ細粒とコーティング材料とを混合して、細粒にコーティング材料の均一な層を提供することを伴う。図３は、樹脂コーティングされたスラグ細粒の断面を示す、走査電子顕微鏡画像を示す。

樹脂コーティングの場合、樹脂組成物は、コーティングプラントなどのコーティング装置でスラグ細粒と組み合わせられる。ここで、それら細粒は、樹脂が溶融し、それら細粒をコーティングすることが可能となるよう加熱される。樹脂組成物は、ポリマー、プレポリマー、モノマー、および／またはオリゴマーを含み得る樹脂を含む。いくつかの実施形態において、それら細粒は、気体微粒子化工程の後に環境温度まで冷却され、その後、コーティング装置で再加熱される。エネルギー消費をさらに減らすべく、本プロセスのいくつかの実施形態は、微粒子化装置から回収された凝固したスラグ細粒の残留熱を利用し得る。凝固したスラグ細粒の残留熱を活用することが望ましい場合、コーティング装置は、微粒子化装置に極めて近く配置され、これにより、固体スラグ細粒は、残留熱が周囲に放散される前に、微粒子化装置からコーティング装置へ搬送され得る。

所望される場合、樹脂コーティングは、固体スラグ細粒に適用された後に、例えば、架橋活性化剤または架橋剤を、コーティング装置で樹脂組成物およびスラグ細粒と組み合わることにより、架橋され得る。

スラグ細粒の樹脂コーティングは、いくつかの目的に適う。上記で言及したように、プロパントは、特に酸性環境において、浸出に対する一定の耐性を保持することが要求される。それらの、酸溶性に対する耐性を高めるために、樹脂コーティングが、固体スラグ細粒へ適用され得る。樹脂コーティングは、特定の応用に関して、固体スラグ細粒の密度を変え適合させるのにも用いられ得、典型的には、スラグ細粒の密度を低下させる。

本発明者らは、スラグ細粒の樹脂コーティングが、それらの圧縮強度を高め、それらが破壊点まで圧縮された場合に微粉を生成する傾向を弱めることも発見した。微粉の生成は、プロパント粒子の所望されない性質である。なぜならばそれら微粉は、プロパント粒子間の空間を埋め、プロパントにより占有される亀裂の孔性をなくしてしまい、プロパントパックの伝導性を低くする傾向を有するからである。

人工のプロパントに関する産業で受け入れられ、推奨されている慣習（ＡＰＩ ＲＰ １９ＣおよびＩＳＯ １３５０３−２）によると、所与のサイズ範囲内のプロパントが、所与の圧縮応力で生成する微粉は、所与の百分率未満であるべきである。微粉とは、プロパント指定の最小のメッシュサイズよりも小さい寸法を有する粒子であると、ＡＰＩ ＲＰ １９ＣおよびＩＳＯ １３５０３−２により定義されている。例えば、２０／４０メッシュプロパント（０．４２５〜０．８５０ｍｍ）に関して、微粉とは、４０メッシュ（＜０．４２５ｍｍ）を通り粒子であると定義される。

本発明者らは、本プロセスにより生成されるポリマーコーティングされたスラグ細粒が破壊点まで圧縮された場合に、微粉生成のレベルは、産業で推奨されている微粉のレベルより低く、コーティングされた細粒は、同等のコーティングされていないスラグ細粒により生成されるより少なく、かつより大きい破砕された生成物を生成することを発見した。したがって、本プロセスにより生成される樹脂コーティングされたスラグ細粒は、より破砕耐性があり、破壊点まで圧縮された場合に、それら自体が挿入される亀裂の孔性を維持する可能性がより高い。
実施例

本プロセスに従って生成される樹脂コーティングされた球状スラグ細粒の複数の性質を試験して、ＩＳＯ １３５０３−２またはＡＰＩ ＲＰ １９Ｃに基づき、産業で受け入れられている推奨されている慣習に従ったプロパントとしての使用のための細粒の適合性を判断した。

本プロセスに従って生成された球状スラグ細粒を加熱し、フェノール樹脂により樹脂コーティングした。フェノール樹脂の、スラグ細粒に対する比は、３．３重量％であった。ヘキサメチレンテトラミン（ＨＥＸＡ）を用いて樹脂コーティングを架橋した。ＨＥＸＡの、スラグ細粒に対する比は、１．６重量％であった。

ＡＰＩ ＲＰ１９Ｃに従う、コーティングされたスラグ細粒のふるい分け試験では、コーティングされた細粒が「２０／４０」プロパントに関する要求事項を満たすことが示された。これによると、試験されたサンプルの最低でも９０％が、４２２ミクロンと８５３ミクロンとの間であるメッシュサイズ２０とメッシュサイズ４０との間のふるいサイズを有するであろう。本プロセスに係るコーティングされた細粒の９８％超が、この範囲内のふるいサイズを有していた。

コーティングされたスラグ細粒に対して、ＡＰＩ ＲＰ１９Ｃに従って圧砕解析を行い、圧縮下での微粉の生成を評価した。２０／４０プロパントに関して、提案されている最大の許容可能な微粉は、７，５００、１０，０００、１２，５００、および１５，０００ｐｓｉの試験圧縮応力レベルで１０％である。以下の表１が示すように、本プロセスに係るコーティングされたスラグ細粒は、これらの圧縮応力レベルのうちそれぞれで、１０％未満の微粉を生成した。

ＡＰＩ ＲＰ１９Ｃに従って、コーティングされていないスラグ細粒も１０，０００ｐｓｉで圧砕解析により試験し、樹脂コーティングされた細粒が生成する微粉が２．５％であるのに対して、３０．２％の微粉を生成することを発見した。微粉の生成が減少することに加えて、本発明者らは、樹脂コーティングされたスラグ細粒の圧砕により生成される破片が、コーティングされていないスラグ細粒の圧砕により生成されるものより大きいことを発見した。このことは図２Ａから２Ｄから分かる。これらはそれぞれ、コーティングされていない２０／４０スラグ細粒（図２Ａ）、樹脂コーティングされた２０／４０スラグ細粒（図２Ｂ）、樹脂コーティングされ、１０，０００ｐｓｉで圧砕された２０／４０スラグ細粒（図２Ｃ）、およびコーティングされていない、１０，０００ｐｓｉで圧砕されたスラグ細粒（図２Ｄ）を示している。

コーティングされたスラグ細粒の圧砕により生成される破片の量が減少し、サイズが大きくなるということは、本プロセスにより生成される樹脂コーティングされたスラグ細粒により開けたままとされる亀裂の孔性および伝導性を維持することにおいて有益な効果を有することが予想される。

セラミックのプロパントおよび樹脂コーティングされたプロパントに関して推奨されている最大酸溶性は、７％である。本プロセスに係るコーティングされていない、およびコーティングされたスラグ細粒の酸溶性を、３０分間、華氏１５０度（約摂氏６５．５６度）で、１２：３のＨＣｌ：ＨＦを用いてＡＰＩ ＲＰ１９Ｃに従って試験した。コーティングされていないスラグ細粒が示した酸溶性は約１４．３％であり、他方、コーティングされたスラグ細粒が示した酸溶性は約７．７パーセントであり、産業用途に許容されるものであった。

上記で既に言及したように、プロパントの推奨されている真球度および真円度は、０．６またはそれより高く、高強度のプロパントに関しては０．７またはそれより高い。本プロセスに係る樹脂コーティングされたスラグ細粒は、ＡＰＩ ＲＰ１９Ｃに従って決定される真球度および真円度が０．９であった。

スラグ細粒の濁度を、ＡＰＩ ＲＰ１９Ｃに従って、樹脂コーティングの前および後に試験した。コーティングされていない細粒は、５５０ＦＴＵの濁度を有し、コーティングされた細粒は、１１０ＦＴＵの濁度を有していた。提案されている最大のプロパントの濁度は、２５０ＦＴＵ未満、またはそれと等しい。

特定の具体的な実施形態を参照しながら本願発明が説明されてきたが、本願発明はそれらに限定されない。むしろ、本願発明は、以下の請求項の範囲に含まれ得る全ての実施形態を含む。

Claims (41)

1. 溶融スラグ組成物から固体スラグ細粒を作るためのプロセスであって、
   （ａ）前記溶融スラグ組成物を提供する工程と、
   （ｂ）分散装置で、前記溶融スラグ組成物を前記固体スラグ細粒に変換する工程と、
   （ｃ）分離器で前記固体スラグ細粒を形状に基づき選別して、複数の異なる真球度を有する複数の区分を生成する工程と
   を備える、プロセス。
2. 前記分散装置は微粒子化装置を含み、
   前記溶融スラグ組成物を前記固体スラグ細粒に変換する前記工程は、前記分散装置で、前記溶融スラグ組成物と気体流とを接触させることにより、前記溶融スラグ組成物を微粒子化する工程を有する、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記微粒子化装置はブロワーを含み、
   前記溶融スラグ組成物を微粒子化する工程は、前記ブロワーを用いて、前記分散装置で、前記溶融スラグ組成物の下降流内へと前記気体流を吹き付け、それにより、前記溶融スラグ組成物の前記下降流を、凝固して前記固体スラグ細粒を形成することになる液滴となるように分離させる工程を含む、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 前記気体流は空気を含む、請求項２または３に記載のプロセス。
5. 前記ブロワーは、約８０水柱インチ（約２０３．２水柱センチメートル）未満の最大総圧力を生成する、請求項３または４に記載のプロセス。
6. 前記固体スラグ細粒は非孔性である、請求項３から５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 選別する前記工程により生成される前記複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６超の平均真球度を有する前記固体スラグ細粒から成る、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. 選別する前記工程により生成される前記複数の区分のうち少なくとも１つは、０．７から約０．９の平均真球度および真円度のうち少なくとも１つを有する前記固体スラグ細粒から成る、請求項７に記載のプロセス。
9. 選別する前記工程により生成される前記複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６未満の平均真球度を有する前記固体スラグ細粒から成る、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
10. ０．６未満の平均真球度を有する前記少なくとも１つの区分は、細長の細粒を含む、請求項９に記載のプロセス。
11. 前記細長の細粒は、ダンベル形状細粒および破砕されたダンベル形状細粒のうち少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のプロセス。
12. 前記微粒子化装置はさらに衝撃板を含み、前記固体スラグ細粒のうち少なくとも一部は、液滴が前記衝撃板に当たることにより生成され、液滴が前記衝撃板に当たることにより生成される前記固体スラグ細粒は、０．６未満の平均真球度を有する、請求項３から１１のいずれか一項に記載のプロセス。
13. 密度に基づき前記固体スラグ細粒を選別する工程をさらに備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載のプロセス。
14. 前記分散装置で、前記溶融スラグ組成物を固体スラグ細粒に変換する前記工程の前に、および／またはそれと同時に、前記溶融スラグ組成物と低密度化添加物とを混合する工程をさらに備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載のプロセス。
15. 前記溶融スラグ組成物と前記低密度化添加物とを混合する前記工程は、前記低密度化添加物を前記溶融スラグ組成物内へと注入する工程を含む、請求項１４に記載のプロセス。
16. 前記低密度化添加物は、液体の水、蒸気、炭素、金属炭酸塩、およびこれらのうち任意の２つ、またはそれより多くを含む混合物を含む群から選択される、請求項１４または１５に記載のプロセス。
17. 前記溶融スラグ組成物と低密度化添加物とを混合する前記工程は、前記溶融スラグ組成物を前記固体スラグ細粒に変換する前記工程の前に、前記溶融スラグ組成物内へと水および蒸気のうち少なくとも１つを注入することにより前記溶融スラグ組成物を膨張させる工程を含む、請求項１６に記載のプロセス。
18. 前記固体スラグ細粒は内部ボイドを有する、請求項１４から１７のいずれか一項に記載のプロセス。
19. コーティング装置で前記固体スラグ細粒のうち少なくとも一部をコーティングする工程をさらに備える、請求項１から１８のいずれか一項に記載のプロセス。
20. コーティングする前記工程は、樹脂組成物およびセラミック組成物から成る群から選択されたコーティング組成物により前記固体スラグ細粒をコーティングする工程を有する、請求項１９に記載のプロセス。
21. 選別する前記工程により生成される前記複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６超の平均真球度を有する前記固体スラグ細粒から成り、
    前記コーティング組成物は樹脂組成物を含み、
    コーティングする前記工程は、形状に基づき前記固体スラグ細粒を選別する前記工程の後に行なわれる、請求項２０に記載のプロセス。
22. 前記コーティング組成物は樹脂組成物を含み、
    コーティングする前記工程は、前記樹脂組成物と前記固体スラグ細粒とを組み合わせる工程を有し、
    前記固体スラグ細粒は、前記樹脂組成物を溶融させるのに十分な温度まで加熱され、
    前記プロセスは、前記固体スラグ細粒と前記樹脂組成物とをタンブリング処理して、ポリマーコーティングされたスラグ細粒を生成する工程をさらに備える、請求項２０または２１に記載のプロセス。
23. 前記コーティング組成物は樹脂組成物を含み、
    前記プロセスは、コーティングする前記工程の間に、またはその後に、前記樹脂組成物を硬化させる工程をさらに備える、請求項２０から２２のいずれか一項に記載のプロセス。
24. 硬化させる前記工程は、前記樹脂組成物を架橋活性化剤により架橋する工程を有し、
    前記架橋活性化剤は、前記樹脂組成物に含まれる、請求項２３に記載のプロセス。
25. 選別する前記工程により生成される前記複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６超の平均真球度を有する前記固体スラグ細粒から成り、
    選別する前記工程により生成される前記複数の区分のうち少なくとも１つは、０．６未満の平均真球度を有する前記固体スラグ細粒から成り、
    前記０．６超の平均真球度を有する固体スラグ細粒の、前記０．６未満の平均真球度を有する固体スラグ細粒に対する比は、
    （ａ）前記溶融スラグ組成物の温度と、
    （ｂ）気体流と、前記溶融スラグ組成物の下降流との間の角度と
    のうち１または複数のパラメータの調整により制御可能であり、
    前記分散装置は微粒子化装置を含む、請求項１から２４のいずれか一項に記載のプロセス。
26. 前記溶融スラグ組成物は遊離鉄を含み、
    前記金属鉄は、前記固体スラグ細粒が実質的に磁気を帯びなくなるよう前記溶融スラグ組成物を微粒子化する前記工程の間に実質的に完全に酸化させられる、請求項３から２５のいずれか一項に記載のプロセス。
27. （ｉ）前記溶融スラグ組成物を冶金用炉に提供する工程と、
    （ｉｉ）前記冶金用炉から前記溶融スラグ組成物を引き出す工程と、
    （ｉｉｉ）前記溶融スラグ組成物が凝固しないよう前記溶融スラグ組成物を十分に高い温度に維持しつつ、前記溶融スラグ組成物を前記分散装置へ搬送する工程と
    をさらに備える、請求項１から２６のいずれか一項に記載のプロセス。
28. 前記溶融スラグ組成物の冶金組成は、前記溶融スラグ組成物が前記炉から引き出された後、および前記溶融スラグ組成物が前記固体スラグ細粒に変換されるまで一定のままである、請求項２７に記載のプロセス。
29. 形状に基づき前記細粒を分離させるための前記デバイスは、スパイラル式分離器を含む、請求項１から２８のいずれか一項に記載のプロセス。
30. 前記溶融スラグ組成物が、石灰を実質的に含有しない、請求項１から２９のいずれか一項に記載のプロセス。
31. 前記溶融スラグ組成物は非鉄スラグである、請求項１から３０のいずれか一項に記載のプロセス。
32. 請求項１から３１のいずれか一項に記載のプロセスにより生成される固体スラグ細粒の前記複数の区分のうち１または複数を備える、粒状スラグ生成物。
33. 請求項１から６、９から１２、２６、および３０から３１のいずれか一項に記載のプロセスにより生成された固体スラグ細粒の前記複数の区分のうち１または複数を備える、粒状スラグ生成物であって、
    屋根用細粒を備える、粒状スラグ生成物。
34. 請求項１から８のいずれか一項に記載のプロセスにより生成された固体スラグ細粒の前記複数の区分のうち１または複数を備える、粒状スラグ生成物であって、
    非孔性プロパントを備える、粒状スラグ生成物。
35. 請求項１４から１７のいずれか一項に記載のプロセスにより生成された固体スラグ細粒の前記複数の区分のうち１または複数を備える、粒状スラグ生成物であって、
    孔性である、粒状スラグ生成物。
36. 請求項１９から２４のいずれか一項に記載のプロセスにより生成された固体スラグ細粒の前記複数の区分のうち１または複数を備える、粒状スラグ生成物であって、
    コーティングされたプロパントを備える、粒状スラグ生成物。
37. 溶融スラグ組成物の気体微粒子化により生成された固体スラグ細粒を備える、粒状スラグ生成物。
38. 前記粒状スラグ生成物はプロパントを有し、
    前記固体スラグ細粒は０．６超の平均真球度を有する、請求項３７に記載の粒状スラグ生成物。
39. 前記固体スラグ細粒は、任意で硬化させられる、または部分的に硬化させられる樹脂組成物によりコーティングされる、請求項３８に記載の粒状スラグ生成物。
40. 前記粒状スラグ生成物は屋根用細粒を有し、
    前記固体スラグ細粒は０．６未満の平均真球度を有する、請求項３９に記載の粒状スラグ生成物。
41. 触媒担体を備える、請求項３７に記載の粒状スラグ生成物。