JP2019182671A - 人工石材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】還元スラグから人工石材を短時間で製造することができる人工石材の製造方法を提供する。【解決手段】人工石材の製造方法は、還元精錬にて副生する還元スラグを原料とする。人工石材の製造は、還元スラグの重量に対して０．４％以上１．８％以下の廃石膏を、還元精錬後の流動可能な還元スラグに加え、その後に還元スラグの温度を低下させて固化させることにより行われる。「廃石膏」として、廃石膏ボードを破砕し壁紙等の異物が除去された粒状物が使用される。【選択図】 図１

Description

本発明は、製鋼過程で副生する還元スラグの有効利用に関する。

鉄くずを主原料とし加熱溶解して精錬する電気炉製鋼法では、溶鋼中に酸素を供給して不要成分を酸化、除去する酸化精錬、および還元剤、石灰等を加えて溶鋼中の酸素を除去する還元精錬が行われる。
ここで、酸化精錬で生ずる酸化スラグは、その冷却固化物が安定した鉱物相を多く含み、天然砂、天然砂利、砕砂や砕石の代替として、例えばコンクリート骨材に利用される。

これに対し、還元精錬で生成する還元スラグは、その冷却固化物が大気環境下における吸湿および乾燥の繰り返しに起因する膨張、崩壊により粉化するために、その活用が大きく制限されていた。
この固化した還元スラグにおける崩壊、粉化等の問題に対して、還元スラグの組成を調整し固化時の冷却を管理（制御）することにより、還元スラグを人工石材として利用可能とする技術が提案された（特許文献１）。

特開２０１５−３６３５０号公報

特許文献１に提案された技術では、還元スラグを所定時間高温に維持し（例えば１３８０℃以上で１４１０℃以下の温度に２時間から４時間保持）、その後に除冷（例えば１０℃／ｈ〜２０℃／ｈの冷却速度で４００℃まで冷却）することで天然素材と同等の強度を有する人工石を得るとされる。特許文献１に提案された技術によれば、還元スラグの冷却速度が制限されるために、還元スラグの冷却固化に５０時間前後またはそれ以上の時間を要する。

一方で、電気炉製鋼法における還元精錬のタイムサイクル（還元精錬の開始から終了までの所要時間）は、特許文献１に提案された技術による還元スラグの冷却固化時間に比べて大幅に短い。したがって、特許文献１に提案された還元スラグの冷却法では、還元精錬を行う炉外精錬炉（取鍋）を効率的に（連続して）稼働させようとすると、炉外精錬炉から取り出された副生還元スラグを人工石化する冷却設備（例えば排滓鍋等）を数多く備える必要がある。また、冷却設備を数多く備えるには、広い設置場所も必要となる。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、還元スラグから人工石材を短時間で製造することができる人工石材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る人工石材の製造方法は、還元精錬にて副生する還元スラグを原料とする。
人工石材の製造は、還元スラグの重量に対して０．４％以上１．８％以下の廃石膏を還元精錬後の流動可能な還元スラグに加え、その後に還元スラグの温度を低下させて固化させることにより行われる。
「廃石膏」として、廃石膏ボードを破砕し壁紙等の異物が除去された粉または粒状物が使用される。また還元スラグの温度の低下は、強制冷却、自然放冷のいずれの手段でもよい。

本発明によると、還元スラグから人工石材を短時間で製造することができる人工石材の製造方法を提供することができる。

図１は還元スラグを収容して固化させる排滓鍋の概要を示す図である。 図２は廃石膏添加量と人工石材の機械的強度との関係を示す図である。 図３は冷却途中で排滓鍋から取り出した還元スラグの図である。

図１は還元スラグを収容して固化させるための排滓鍋１の概要を示す図である。図１において（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
図１を参照して、排滓鍋１は、円錐台の形状を有する鉄製の本体１１と、本体１１の内面を覆う耐火層１２とからなる。耐火層１２は耐火煉瓦で形成されている。排滓鍋１は、還元スラグから人工石材を製造するための装置である。排滓鍋１として耐火層１２を有しないものも使用可能である。

初めに、還元スラグが副生物として得られる電気炉製鋼法について説明する。電気炉製鋼法は、酸化精錬、還元精錬および連続鋳造で構成される。酸化精錬では、鉄スクラップが電気炉にて熔解され、コークス等の存在下で酸素が供給されて不純物が取り除かれた溶鋼を得る。
還元精錬は、酸化精錬で得られた溶鋼が取鍋によって還元精錬炉に移されて行われる。還元精錬炉では、溶鋼に合金鉄、石灰等が加えられて成分が整えられ、例えばアーク放電により加熱されて温度調整される。還元精錬は、酸化精錬後の溶鋼を受けた取鍋内で行うのも一般的である。還元精錬が終了すると、製鋼カス（還元スラグ）が分離される。連続鋳造では、還元精錬で成分調整が行われた溶鋼が還元精錬炉から取り出され、連続的に冷却されて鋳片が鋳造される。

さて、本件における人工石材の製造方法では、還元精錬は取鍋の中で行われる。酸化精錬で得られた溶鋼が収容された取鍋内に合金鉄、石灰を加えることにより成分が調整され、アーク加熱装置により還元精錬の温度が調整される。還元精錬が終了した後、溶鋼および還元スラグを収容する取鍋内にアルゴンが吹き込まれて取鍋内が攪拌され、この中に廃石膏が所定量投入される。

ここで使用された廃石膏ボードは、建物の内壁、天井等に使用された石膏ボードが建物の解体等により回収されて破砕され、破砕物から壁紙等の異物が除去された粒状を呈するものである。以下「廃石膏ボード」を「廃石膏」と称する。
投入された廃石膏が還元スラグに適度に混合された後、溶鋼が連続鋳造のために取鍋から徐々に取り出される。

人工石材は、溶鋼が取り出された後の取鍋内に残る副生物である還元スラグを、図１の排滓鍋１に移して固化させることにより得られる。
上記方法では、鋳造のための溶鋼の取り出し中に還元スラグの温度が低下して還元スラグの流動性が悪くなることから、溶鋼および還元スラグを収容する取鍋内に廃石膏を投入した。流動性を維持した還元スラグ単体に所定量の廃石膏を加え、その後放冷等して還元スラグを固化させても、人工石材を製造することができる。

表１は、前述した人工石材の製造方法において還元精錬後の取鍋への廃石膏の投入量を種々変えて得た人工石材の機械的強度の測定結果である。
表１の各実施例および比較例４を除く各比較例は、還元スラグを収容する排滓鍋１が、特段の冷却手段および保温手段を用いることなくそのまま屋内に放置されたものである。なお、排滓鍋１に移された直後の還元スラグの温度は、１４００℃前後である。

機械的強度測定のための試料は、還元スラグを排滓鍋１に収容してから２４時間経過後に、排滓鍋１を転倒させて固化した還元スラグを取り出し、これを所定の大きさに調整して得た。
表１における「モース硬度」は、硬度の異なる１０種の標準鉱物のうちのいずれが測定対象物にひっかき傷をつけることができるかを調べたものである。例えばモース硬度が６．５とは、モース硬度６の標準鉱物である正長石ではひっかき傷ができず、モース硬度７の標準鉱物である石英でひっかき傷ができたことを示す。

表１の「圧縮強度」は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１００ｍｍの試料片を用いて「ＪＩＳ Ａ ５００３（石材）」に準じて測定した。「曲げ強度」は、載荷時のスパンを２００ｍｍとして「ＪＡＳＳ ９Ｔ １０１（石材の曲げ試験）」に準じて測定した。

表１から、各実施例における機械的強度は、天然素材である花崗岩の機械的強度と遜色無いことが解る。
表２は、取鍋への廃石膏の投入量を種々変えたときの還元スラグ固化物の主な成分の割合である。

表２の各成分の測定は、溶融状態の還元スラグを排滓鍋１から採取し、これが固化した
後に蛍光Ｘ線分析法により行った。
表２から、これに示された廃石膏の添加量の範囲では、還元スラグ固化物の各成分量に大差ないことが解る。
表３は、取鍋において溶鋼と廃石膏とが一定時間共存することから、廃石膏の投入が鋳造品（ＳＤ３４５鋼）に与える影響を調べた結果である。

表３から、今回行った人工石材の製造条件内においては、いずれも鋳造品（ＳＤ３４５
）のＪＩＳ規格を満たしており、廃石膏が主生成品である鋳造品の構成成分に悪影響を与えないことが解る。
図２は表１における廃石膏添加量と生成した人工石材の機械的強度との関係を示す図、図３は冷却途中で排滓鍋１から取り出した還元スラグの図である。

表１〜３および図２から、廃石膏の還元スラグへの添加量は、排滓鍋１での冷却によって石化が観察された範囲、すなわち還元スラグ重量に対して０．４％以上が適切である。廃石膏の還元スラグへの添加量の上限は、表１および図２からは規定できない。しかし、比較例３おいて還元スラグを取鍋から排滓鍋１に移すとき硫化臭（硫化水素臭）がしたことから、廃石膏の還元スラグへの添加量の上限は、還元スラグ重量に対して１．８％が好ましい。硫化臭を感じさせる化合物は人体に有害であるからである。

排滓鍋１に移し替えた還元スラグの冷却は、自然放冷で行われる。自然放冷では、排滓鍋１が置かれた環境の温度および排滓鍋１の容量により冷却時間（冷却速度）が左右される。表１の各実施例では冷却時間がおおよそ２４時間であったが、それ以上の冷却時間およびそれ以下の冷却時間であっても、廃石膏を用いれば表１の実施例と同等の人工石材を得ることができる。

また、還元スラグを排滓鍋１に移してから８時間後、排滓鍋１を転倒させて還元スラグを取り出しても、表１の実施例と同等の人工石材を得ることができる。この場合、還元スラグは、外面が固化しても内部は固化途中で強度が低く衝撃等により塊状に割れるが（図３）、その後の自然放冷により強固な人工石材となる。
上述の実施形態において、還元精錬を取鍋ではなく固定された還元精錬炉で行ってもよい。廃石膏が投入された後の還元スラグの温度低下は、自然放冷の他に強制冷却手段を用いてもよい。

その他、還元精錬を行う方法および還元精錬を行う装置の各構成等は、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明は、還元スラグから強固な人工石材を短時間で製造する場合に利用することができる。

１ 取鍋（還元精錬装置）

Claims (1)

1. 還元精錬にて副生する還元スラグから人工石材を製造する方法であって、
   前記還元スラグの重量に対して０．４％以上１．８％以下の廃石膏を前記還元精錬後の流動可能な前記還元スラグに加え、
   その後に前記還元スラグの温度を低下させて固化させる
   ことを特徴とする人工石材の製造方法。