JP2018188676A - スラグの改質方法および路盤材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気エージング処理および溶融スラグへの酸素の吹き込みを行うことなく水和膨張を抑制できるスラグの改質方法を提供する。【解決手段】スラグの改質方法であって、鉄含有原料と、乾電池と、ＣａＯを含有する造滓剤とを電気炉で溶解し、溶解して得られた溶鋼の表面に形成される溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高くする。【選択図】図２

Description

本発明は、水和膨張が抑制されるようにスラグを改質するスラグの改質方法および水和膨張が抑制されたスラグを用いた路盤材の製造方法に関する。

電気炉精錬によって生じるスラグに、生石灰（ＣａＯ）が未滓化のまま残留したフリーライムが含まれると水と接触して膨張する。このため、フリーライムを含むスラグを路盤材として使用する場合には、水和膨張を抑制するために、事前に水蒸気エージング処理を行って、スラグに含まれるフリーライムを水和させておく必要がある。一方、スラグの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わずに、スラグをそのまま路盤材にできる可能性がある。なお、フリーライムとは、電気炉精錬に使用された生石灰の未反応物であり、「遊離石灰」、「ｆ−ＣａＯ」とも呼ばれる。

スラグのフリーライムを低減させる技術として、特許文献１には、スラグに固体酸化発熱源を添加したものに酸素を吹き込み、１１００℃以上の温度で焼結処理することで、溶融スラグに含まれるフリーライムと、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３とを反応させ、これにより、溶融スラグに含まれるフリーライムを低減させる技術が開示されている。

特開２００５−６０７４１号公報

特許文献１に開示された技術は、スラグを１１００℃以上の温度で焼結処理してフリーライムを低減させるので、スラグを１１００℃以上に昇温させるためのエネルギーが必要になる。また、スラグを１１００℃以上に昇温させるには、ロータリーキルン等の加熱設備が必要になり、スラグの処理コストを抑制する都合上、当該設備を多数設けることができないことから、その処理能力も限られたものになる、という課題があった。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、水蒸気エージング処理および焼結処理を行うことなく水和膨張を抑制できるスラグの改質方法を提供することを目的とする。

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）鉄含有原料と、乾電池と、ＣａＯを含有する造滓剤とを電気炉で溶解し、
溶解して得られた溶鋼の表面に形成される溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高くする、スラグの改質方法。
（２）（１）に記載されたスラグの改質方法で改質されたスラグを冷却し、所定の粒度に粉砕して路盤材を製造する、路盤材の製造方法。

本発明のスラグの改質方法では、乾電池を装入して溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％よりも高くするだけでスラグのＣａＯの滓化が促進され、スラグのフリーライムを低減できる。これにより、水蒸気エージング処理および焼結処理を行うことなく水和膨張を抑制できるので、スラグを冷却し、所定の粒度に粉砕するだけで水和膨張が抑制された路盤材を製造できる。

本実施形態に係るスラグの改質方法が実施できる電気炉の一例を示す断面模式図である。 溶融スラグの酸化マンガン濃度とスラグの水和膨張試験合格率および溶融スラグの粘度との関係を示すグラフである。 乾電池装入量と溶融スラグの酸化マンガン濃度との関係を示すグラフである。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を説明する。なお、本発明は電気炉精錬によって生じるスラグを対象とするが、以下の実施形態では、電気炉精錬の一例である還元製錬の例を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るスラグの改質方法が実施できる電気炉の一例を示す断面模式図である。電気炉１０は、炉本体１２と、炉蓋１４と、アーク電極１６と、バーナー１８と、酸素ランス２０と、インジェクションランス２１と、を備える。

本実施形態に係るスラグの改質方法は、電気炉１０を用いた還元製練によって実施される。電気炉１０を用いた還元製練では、まず、スクラップ、廃棄物およびダスト等を含む鉄含有原料と、乾電池と、ＣａＯを含む造滓剤と、還元剤である塊コークスとが１回目の装入として、炉蓋１４が外された状態の炉本体１２に装入される。これらの原料が装入された後、炉蓋１４が炉本体１２に装着される。これらの原料は、アーク電極１６によって形成されるアークプラズマと、バーナー１８を用いた鉄含有原料の側面からのカッチングによって溶解される。本実施形態において、ＣａＯを含む造滓剤とは、生石灰（ＣａＯ）だけでなく、石灰石（ＣａＣＯ_３）、ＣａＯを含むダスト、ＣａＯを含む煉瓦屑、ＬＦ設備で発生したスラグ等を意味する。

鉄含有原料のほとんどが溶解し、炉本体１２における鉄含有原料の嵩が低くなった後に、炉蓋１４が外され、鉄含有原料が２回目の装入として炉本体１２に装入される。鉄含有原料は、１回目の装入と同様に、アーク電極１６およびバーナー１８によって溶解される。図１は、鉄含有原料、乾電池、造滓剤および塊コークスが溶解され、炉本体１２において溶鋼２２の表面に溶融スラグ２４が形成された状態を示している。

また、酸素ランス２０からは酸素含有ガスが吹き付けられ、インジェクションランス２１からは、粉コークスが吹き込まれる。酸素ランス２０から吹き付けられる酸素含有ガスに含まれる酸素と、インジェクションランス２１から吹き込まれる粉コークスとが反応して一酸化炭素が生成され、当該一酸化炭素によって溶融スラグ２４がフォーミングされる。また、酸素と粉コークスとの反応は発熱反応であることから、当該一酸化炭素によって溶融スラグ２４をフォーミングさせることで、溶融スラグ２４に反応熱を着熱させ、溶融スラグ２４の温度を上昇させることができる。溶融スラグ２４に着熱された反応熱はさらに溶鋼２２に伝熱し、これにより、溶鋼２２の温度が高められる。

電気炉製練は、アーク電極１６への通電を継続するとともに、酸素ランス２０から酸素含有ガスを吹き付け、インジェクションランス２１から粉コークスを吹き込み、溶鋼２２の温度が約１６００〜１６６０℃になるように制御されて実施される。溶鋼２２の温度および溶鋼２２の炭素濃度が、鋼種ごとに予め定められた温度および炭素濃度になったことを条件に、酸素ランス２０からの酸素含有ガスの吹き付けと、インジェクションランス２１からの粉コークスの吹き込みを停止するとともに、アーク電極１６への通電を停止して電気炉製練を終了する。その後、溶鋼２２は取鍋（不図示）へ出鋼されるとともに、溶融スラグ２４は滓鍋（不図示）に排出される。滓鍋に排出された溶融スラグ２４は、冷却された後に路盤材として定められている所定の粒度に粉砕されて路盤材が製造される。なお、溶融スラグ２４は、電気炉精錬によって生じるスラグである。

本実施形態で使用する炉本体１２の容量は、例えば１４０ｔである。１３０〜１４０ｔの鉄含有原料が、当該炉本体１２に２回に分けて装入される。溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高くするために必要な量の乾電池が、鉄含有原料の１回目の装入とともに装入される。なお、乾電池は、鉄含有原料の１回目の装入とともに全てが装入されてもよく、鉄含有原料の１回目の装入および２回目の装入とともに、分割されて装入されてもよい。

本実施形態に係るスラグの改質方法で用いられる乾電池は、正極材料に二酸化マンガンが使用された乾電池である。正極材料に二酸化マンガンが使用された乾電池とは、例えば、マンガン乾電池やアルカリ乾電池である。また、本実施形態に係るスラグの改質方法で使用される乾電池は、使用されて回収された使用済の乾電池であるが、これに限られず、未使用の乾電池であっても本実施形態に係るスラグの改質方法に用いることができる。

乾電池は、正極材料として炭素および二酸化マンガン、負極材料として亜鉛、電解液として塩化亜鉛、外装として鉄および酸化鉄（錆）を含む。電気炉１０を用いた電気炉製練によって、正極材料の二酸化マンガンは、一部はマンガンに還元されるものの残部は酸化マンガンとして溶融スラグ２４に含まれ、これにより、溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度は向上する。また、外装の酸化鉄も還元され、鉄として回収される。負極材料の亜鉛および電解液の塩化亜鉛は、還元製練中に蒸発し、集塵ダストとして回収される。

本実施形態に係るスラグの改質方法では、スクラップ等の鉄含有原料に加えて乾電池を電気炉１０に装入することで、溶鋼２２の表面に形成される溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度を１０質量％より高くしている。すなわち、スクラップ等の鉄含有原料の一部にはマンガンを含むものもあるが、当該鉄含有原料から回収されるマンガンに加えて、さらに乾電池を装入することで、溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度を１０質量％より高くしている。これにより、水蒸気エージング処理および溶融スラグ２４への酸素の吹き込みを行うことなく、溶融スラグ２４を冷却、粉砕したスラグの水和膨張を抑制できる。

図２は、溶融スラグの酸化マンガン濃度とスラグの水和膨張試験合格率および溶融スラグの粘度との関係を示すグラフである。図２において、横軸は溶融スラグの酸化マンガン濃度（質量％）であり、一方の縦軸は水和膨張試験合格率（％）であり、他方の縦軸は溶融スラグの粘度η（ｐｏｉｓｅ）である。

図２に示すように、溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度を１０質量％より高くすることで、溶融スラグ２４の粘度は低下し、溶融スラグ２４を冷却、粉砕したスラグの水和膨張試験の合格率が急激に高まることがわかる。溶融スラグ２４の粘度が低下すると溶融スラグ２４のＣａＯの滓化が促進されるので、溶融スラグ２４のフリーライムは低減する。これにより、溶融スラグ２４を冷却、粉砕したスラグの水和膨張が抑制され、水和膨張試験の合格率を高めることができたと考えられる。

また、溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度を１５質量％以上にすることで、さらに溶融スラグ２４の粘度は低下し、溶融スラグ２４を冷却、粉砕したスラグの水和膨張試験の合格率をほぼ１００％にできることがわかる。このため、溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度を１５質量％以上とすることがより好ましいことがわかる。

図３は、乾電池装入量と溶融スラグの酸化マンガン濃度との関係を示すグラフである。
図３において、横軸は１チャージ当りに乾電池装入量（ｔ／ｃｈ）であり、縦軸は溶融スラグの酸化マンガン濃度（質量％）である。図３のプロットは、電気炉１０を用いて実施した電気炉製練における乾電池の装入量と滓鍋に排出された溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度の実績値であり、図３の実線は、当該実績値を示すプロットから算出された近似式である。

図３に示すように、乾電池を電気炉１０に装入しないチャージでは、溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高くすることができず、乾電池を電気炉１０に装入することで、溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高くできることがわかる。このように、スクラップ等の鉄含有原料に加えて乾電池を電気炉１０に装入することで、溶鋼２２の表面に形成される溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度を１０質量％より高くできることがわかる。

溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高くする乾電池の装入量は、図３に示した近似式を用いて定めることができる。例えば、当該近似式を用いて、溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高くできる乾電池の装入量を算出し、算出された装入量に鉄含有原料に含まれるマンガン量のばらつきを考慮して定められる安全率を乗じて、乾電池の装入量を定めてよい。

以上、説明したように本実施形態に係るスラグの改質方法では、鉄含有原料、生石灰等を含む造滓剤とともに乾電池を電気炉１０の炉本体１２に装入し、電気炉１０を用いた電気炉製練の実施により、溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度を１０質量％より高くする。溶融スラグ２４の酸化マンガン濃度を１０質量％より高くすることで、スラグのＣａＯの滓化は促進され、スラグのフリーライムは低減する。これにより、水蒸気エージング処理および焼結処理を行うことなく、溶融スラグ２４を冷却、粉砕したスラグの水和膨張を抑制できる。また、スラグの改質方法で改質されたスラグを冷却し、所定の粒度に粉砕するだけで水和膨張が抑制された路盤材を製造できる。

特に、乾電池として、回収された使用済みの乾電池を用いることで、使用済みの乾電池のような廃棄物を有効に活用できるので、廃棄物の処理を促進させることができる。なお、本実施形態では、電気炉精錬の一例である還元製錬の例を用いて説明したが、これに限られず、酸化製錬によって生じる溶融スラグにも本実施形態に係るスラグの改質方法を適用できる。

次に、本発明に係るスラグの改質方法の実施例を説明する。電気炉容量が１４０ｔで、トランス容量が１００ＭＶＡの電気炉１０を用いて還元製錬を実施した。還元製錬の操業条件および当該還元製錬後の溶鋼組成およびスラグ組成を表１に示す。また、造滓剤として、３種の造滓剤（造滓剤Ａ、造滓剤Ｂ、造滓剤Ｃ）を用いた。これらの造滓剤を装入した量（ｔ／ｃｈ）を表２に示し、造滓剤Ａ、造滓剤Ｂ、造滓剤Ｃの各組成を表３に示す。なお、表１において単位ｋｇ／ｔは、溶鋼１ｔあたりの装入質量（ｋｇ）を意味する。

実施例１では、１回目の装入で９０．０ｔ、２回目の装入で５０．３ｔのスクラップを電気炉１０へ装入した。乾電池、アルミ灰、塊コークスおよび造滓剤は、１回目の装入時にスクラップとともに電気炉１０に装入した。装入したスクラップが溶解された後、酸素ランス２０から酸素ガスを吹き付け、インジェクションランス２１から粉コークスを吹き込んで還元製錬を実施した。溶鋼の炭素濃度が０．０８〜０．１５（質量％）の範囲内、溶鋼の温度が１５９０〜１６５０℃の範囲内となった後に、酸素ランス２０からの酸素ガスの吹き付けと、インジェクションランス２１からの粉コークスの吹き込みを停止するとともに、アーク電極１６への通電を停止して還元製練を終了した。その後、溶鋼は取鍋へ出鋼し、溶融スラグは滓鍋に排出した。滓鍋に排出された溶融スラグは、冷却された後に路盤材として定められている所定の粒度に粉砕して路盤材とした。

実施例１では、スクラップに含まれるマンガンに加え、正極材料に二酸化マンガンを含む４０．３ｋｇ／ｔの乾電池を装入することで、溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高い１４．８質量％にすることができた。これにより、水蒸気エージング処理および焼結処理を行うことなく、水和膨張が抑制されたスラグにできることが確認された。

実施例２では、１回目の装入で９０．０ｔ、２回目の装入で４５．０ｔのスクラップを電気炉１０へ装入した。乾電池、アルミ灰、塊コークスおよび造滓剤は、１回目の装入時にスクラップとともに電気炉１０に装入した。装入したスクラップが溶解された後、酸素ランス２０から酸素ガスを吹き付けて還元製錬を実施した。溶鋼の炭素濃度が０．０８〜０．１５（質量％）の範囲内、溶鋼の温度が１５９０〜１６５０℃の範囲内となった後に、酸素ランス２０からの酸素ガスの吹き付けを停止するとともに、アーク電極１６への通電を停止して還元製練を終了した。その後、溶鋼は取鍋へ出鋼し、溶融スラグは滓鍋に排出した。滓鍋に排出された溶融スラグは、冷却された後に路盤材として定められている所定の粒度に粉砕して路盤材とした。

実施例２では、スクラップに含まれるマンガンに加え、正極材料に二酸化マンガンを含む３３．２ｋｇ／ｔの乾電池を装入することで、溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高い１４．４質量％にすることができた。これにより、水蒸気エージング処理および焼結処理を行うことなく、水和膨張が抑制されたスラグにできることが確認された。

実施例３では、１回目の装入で９０．０ｔ、２回目の装入で４８．５ｔのスクラップを電気炉１０へ装入した。乾電池、アルミ灰、塊コークスおよび造滓剤は、１回目の装入時にスクラップとともに電気炉１０に装入した。装入したスクラップが溶解された後、酸素ランス２０から酸素ガスを吹き付け、インジェクションランス２１から粉コークスを吹き込んで還元製錬を実施した。溶鋼の炭素濃度が０．０８〜０．１５（質量％）の範囲内、溶鋼の温度が１５９０〜１６５０℃の範囲内となった後に、酸素ランス２０からの酸素ガスの吹き付けと、インジェクションランス２１からの粉コークスの吹き込みを停止するとともに、アーク電極１６への通電を停止して還元製練を終了した。その後、溶鋼は取鍋へ出鋼し、溶融スラグは滓鍋に排出した。滓鍋に排出された溶融スラグは、冷却された後に路盤材として定められている所定の粒度に粉砕して路盤材とした。

実施例３では、スクラップに含まれるマンガンに加え、正極材料に二酸化マンガンを含む３４．３ｋｇ／ｔの乾電池を装入することで、溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高い１４．２質量％にすることができた。これにより、水蒸気エージング処理および焼結処理を行うことなく、水和膨張が抑制されたスラグにできることが確認された。

１０ 電気炉
１２ 炉本体
１４ 炉蓋
１６ アーク電極
１８ バーナー
２０ 酸素ランス
２１ インジェクションランス
２２ 溶鋼
２４ 溶融スラグ

Claims (2)

1. 鉄含有原料と、乾電池と、ＣａＯを含有する造滓剤とを電気炉で溶解し、
   溶解して得られた溶鋼の表面に形成される溶融スラグの酸化マンガン濃度を１０質量％より高くする、スラグの改質方法。
2. 請求項１に記載されたスラグの改質方法で改質されたスラグを冷却し、所定の粒度に粉砕して路盤材を製造する、路盤材の製造方法。