JP3135042B2

JP3135042B2 - 焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理法および装置

Info

Publication number: JP3135042B2
Application number: JP08026154A
Authority: JP
Inventors: 清高井; 伸吉小池
Original assignee: ラサ商事株式会社; 大平洋金属株式会社
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 2001-02-13
Anticipated expiration: 2016-01-18
Also published as: JPH09156991A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は焼却灰溶融スラグか
らの人工岩石合成処理法および装置に係り、詳しくは、
生活ごみや産業廃棄物の焼却灰または下水汚泥乾燥粉等
を溶融し、焼却灰等に含まれる重金属類や還元可能な酸
化物を溶融還元して除去すると共にＳｉＯ₂等の鉱物質
を主成分とする溶融スラグを生成する技術であって、特
に溶融スラグから有害金属を可及的に含まない天然岩石
に極めて近い組成のコンクリート用人工骨材として供す
ることができる人工岩石を製造する方法および装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】家庭から出るごみや産業廃棄物は焼却さ
れ下水汚泥等は乾燥粉とされることによって減容化さ
れ、埋立地等に廃棄される。しかし、投棄地の容量にも
限界があり、より一層の減容化や再資源化の努力が払わ
れるようになってきている。最近では、資源のリサイク
ル化の観点に立った研究が進み、堆肥化や有価物の回収
といったことも行われる。このような再資源化には無害
化処理が重要であるが、特に注目を浴びるようになって
きているごみ焼却灰や下水汚泥乾燥粉、産業廃棄物焼却
灰等（以下焼却灰という）の溶融スラグから建築資材等
を再生する場合も同様である。

【０００３】焼却灰を１，５００℃以上の温度で溶融す
ると、焼却灰中の可燃物が燃焼しダイオキシンは完全に
分解されること、重金属類はガラス質のスラグ中に閉じ
込められること、焼却灰を１／３以下に減容できること
などの利点が挙げられる。これは、焼却灰中の無機分も
溶けて融液となり、それを冷却すると固化したスラグと
することができるからである。

【０００４】ところで、そのスラグは、路盤材や建築土
木用骨材として使用されたり、成形することによってタ
イルや装飾品に加工することができる。いずれにおいて
も、無害化や化学的安定性が要求されることは言うまで
もないが、そのような溶融スラグを生成させて人工骨材
を製造する方法や装置が種々提案されている。溶融スラ
グを生成する代表的なものとして、旋回溶融法，電気溶
融法，コークス燃焼還元溶融法，表面溶融法といったも
のが採用されている。

【０００５】旋回溶融法は、焼却灰をアノルサイトＣａ
Ｏ・２ＳｉＯ₂・Ａｌ₂Ｏ₃の結晶が析出しやすい組成
に成分調整し、旋回炉を用いて焼却灰を１，４００℃な
いし１，４５０℃の雰囲気で溶融させ、それを急冷して
ガラスとし、その非晶質なスラグを再加熱してアノルサ
イトを均一に析出させ、石材化する方法である。これ
は、焼却灰に含まれている鉄分と硫黄分から硫化鉄を生
成させ、それを結晶核形成物質として利用している。

【０００６】ところで、焼却灰を溶融したときのスラグ
の主成分はＣａＯ，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＦｅＯ，Ｍ
ｇＯである。ＦｅＯおよびＭｇＯは比較的少ないのでス
ラグをＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃の三元系とみなす
と、Ａｌ₂Ｏ₃の多い焼却灰ではスラグ融点が非常に高
くなりまた粘性も増大する。したがって、流動性の良い
スラグの生成は妨げられ、炉からの出滓が困難となりま
た組成分の結晶化も得られにくい。

【０００７】上記した電気溶融炉においてスラグ融点を
低下させかつ流動性を改善するようにしたものが、特開
平４−３５４５７５号公報や特開平４−３５８５８４号
公報に記載されている。これは、金属溶湯上に焼却灰を
投入してアーク加熱により溶融するが、溶融スラグの粘
度が高くなるから、前者では溶融スラグにＦｅＯを添加
している。また、後者では金属溶湯の表面および溶融ス
ラグの表面を酸化性雰囲気にすることによって、溶融ス
ラグ中にＦｅＯが生成されるようにしている。このよう
な操作によれば、スラグに残存する５％ないし２０％の
ＦｅＯによってＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＦｅＯ
系を形成させることができ、スラグ融点は低下し、スラ
グの流動性も改善される。

【０００８】コークス燃焼還元溶融法の例としては、特
開平４−１３２６４２号公報に記載された結晶化スラグ
の製造法がある。溶融炉で溶融させたスラグに石灰また
は珪酸分の多い砕石を添加し、ガラス化を経ることな
く、Ａｌ₂Ｏ₃が１０％ないし２２％、ＣａＯが２４％
ないし４４％、Ｆｅ₂Ｏ₃が２％ないし２０％、ＳｉＯ
₂が２８％ないし４５％の組成をなすようにした結晶化
スラグを直接生成させることができるようにしている。

【０００９】ところで、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂の重
量比）が低くすぎると溶融スラグの粘性は高くなって結
晶化が進みにくくなり、高すぎるとスラグ融点が高くな
って溶融処理のためのエネルギ消費は増大する。したが
って、上記の溶融炉中のスラグの塩基度が低いときには
ＣａＯを添加し、高いときにはＳｉＯ₂を添加して塩基
度が０．６ないし１．５となるように調整される。

【００１０】上記した表面溶融法では、焼却灰を高温で
処理する際に有機物が熱分解して燃焼するときのエネル
ギを使用することにより無機物を溶融させている。炉頂
に燃焼装置を備えた垂直軸回りに回転する炉体と、焼却
灰が装入された炉体の上方を覆うアーチ形反射天蓋とを
備える竪型回転炉が使用され、その天蓋を上下させて炉
負荷が調整されるようになっている。炉体の下方には二
次燃焼炉があり、排出された溶融スラグはさらに加熱さ
れる。このような表面溶融炉においては、可燃物の燃焼
によって発生する熱を利用するので、低燃費の操業が実
現される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記した旋回溶融法で
は焼却灰に予熱空気を吹き込んで旋回させ、ガスやオイ
ルの燃焼によって加熱するようにしている。酸化性雰囲
気で焼却灰を溶融するのでスラグにはＦｅＯが混入し、
それを急冷させるとガラス状になる。また、生成された
スラグには気泡が混じり、そのまま固化させると多孔質
なスラグとなりやすい。そのため、溶融スラグを脱泡処
理した後に熱処理しなければならず、スラグ生成設備は
複雑化する。しかも、ガラス状スラグを再結晶させるた
めには１，２００℃以上の雰囲気に保持する必要があ
り、結晶化炉において多大のエネルギ消費を伴う。な
お、ガラス化したスラグは熱伝導性が極めて低く、それ
ゆえ結晶化のエネルギ節減を図るため固化スラグを小粒
化しておく必要があり、コンクリート用骨材として要求
される粒の大きい石材を得ることができない。

【００１２】電気溶融法では、酸化性雰囲気で生成され
る溶融スラグ中のＦｅＯが６％ないし１５％と高いので
炉床部や出滓部近傍の耐火物は侵蝕されやすく、炉の寿
命が短くなる。また、ＦｅＯを添加してＣａＯ−ＳｉＯ
₂−Ａｌ₂Ｏ₃の三元系のスラグを四元系に改質しスラ
グ融点を低下させているが、溶融スラグを水砕した場合
には粒状水砕スラグとなって非常に脆弱な非晶質となる
一方、徐冷した場合はスラグ中のＦｅＯが再結晶化を阻
み、天然岩石からかけ離れたスラグ塊となる。それのみ
ならず、スラグにＦｅ等の重金属が残留することにな
り、それらをスラグに固定させることができるといえど
も、いずれは溶出する不安定さが残る。

【００１３】コークス燃焼還元溶融法は竪型シャフト炉
に投入したコークスによって形成されるコークスベッド
中で焼却灰を溶融還元するので、溶融スラグ中のＦｅＯ
は減少する。しかし、コークス灰中のＡｌ₂Ｏ₃が溶融
スラグに溶解し、Ａｌ₂Ｏ₃の含有率は高くなってＣａ
Ｏ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系のスラグ融点が高くなりま
たスラグの流動性も悪化し、炉体からのスラグ排出は円
滑とならず操業が阻害される。そこで、この還元溶融法
においては、スラグ融点が高くならない範囲で石灰石を
添加し、流動性を改善している。しかし、この成分調整
によって生成されたスラグはＣａＯの含有量が多くなる
ことから消化しやすくなり、長期にわたる性状の安定や
機械的強度の維持が要求されるコンクリート用人工骨材
として使用するためには不適当である。

【００１４】表面溶融法では、無機物を溶融させるため
電気溶融法と同様にＦｅＯを焼却灰に添加して、溶融ス
ラグの流動性の向上が促されるが、溶融スラグ中に金属
酸化物を残留させることになる。その結果、溶融スラグ
を徐冷しても組成分の結晶化が十分に進まず、重金属類
の溶出は不可避であって、コンクリート用人工骨材にふ
さわしい天然岩石とはかけ離れた石材となる。

【００１５】以上の説明から把握されるように、焼却灰
の各種溶融法は、焼却灰の組成を是認して溶融処理し石
材としての利用を実現するものである。すなわち、スラ
グ中に有害物質や金属成分の封じ込めを図って安全性を
確保しようとしている。しかし、固化スラグ中に重金属
類が含有されるのでそれらがいずれは溶出する可能性が
あって、スラグの無害化は十分でない。それのみなら
ず、焼却灰中の金属資源の回収がなされず、焼却灰の完
全な再資源化が阻まれる。

【００１６】また、溶融スラグを固化させる際にスラグ
組成分を可及的完全に再結晶させる処理が施されておら
ず、天然岩石からはほど遠い非晶質な部分を残した石材
となる。これは、溶融スラグの流動性を向上させるため
にＦｅＯやＣａＯを添加したり、スラグ融点の低下を促
進するためにＳｉＯ₂を配合する結果、多元系相平衡状
態における共晶凝固現象を考慮した熱処理をすることが
できなくなることに基因している。したがって、このよ
うな固化スラグは建築資材としての良質なコンクリート
用人工骨材とはなり難く、非晶質（ガラス質）のままで
使用することが可能な路盤材や緑農地化の資材として利
用できるにすぎない。

【００１７】ちなみに、特開平４−１３９０４０号公報
には、連続した金型に溶融スラグを鋳込み、移送しなが
ら外気温により徐冷してスラグブロックを成形させるよ
うにした装置が記載されている。しかし、コンベアによ
る搬送中には溶融スラグがメタル面に接触するときの初
期冷却速度を制御することが困難であり、結局は急激に
冷却されるために非晶質化し、方向性のある脆い組織と
なることは避けられない。

【００１８】本発明は上記した背景に鑑みなされたもの
で、その目的は、焼却灰の溶融に投入したエネルギの放
散を少なくして溶融スラグの結晶化に要するエネルギの
節減を図ることができること、溶融スラグ中の還元容易
な金属分を分離してその再利用を可能にすると共に、有
害物質の含有を可及的に少なくして安全性が高く、天然
岩石に極めて近い硬質な塊状の建設資材を製造できるこ
と、を実現した焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処
理法および装置を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ごみ焼却灰，
下水汚泥乾燥粉，産業廃棄物焼却灰等の溶融スラグから
人工岩石を合成する処理法に適用される。その特徴とす
るところは、まず、還元剤を用いることにより焼却灰を
還元溶融して溶融スラグを生成する際もしくはそれに先
だち、その溶融スラグのＭｇＯ含有量が５％ないし２０
％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似
した含有％となるようにＭｇＯを含有する冶金滓または
天然鉱物類を焼却灰に添加し、可及的に低融点となりか
つ共晶凝固する組成を有した溶融スラグが得られるよう
に成分調整する。次に、成分調整された焼却灰を還元溶
融することにより焼却灰中のＦｅ系酸化物を還元して生
成された溶融銑鉄を滞留させ、他の重金属類および還元
可能な酸化物類を還元して生じた元素を溶融銑鉄中に溶
解させると共に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を
可及的に含まない溶融スラグを生成して溶融銑鉄の上部
に滞留させる。溶融スラグを溶融銑鉄とは独立して出滓
した後に、溶融スラグを徐冷した状態で共晶凝固現象に
基づいて一次再結晶させる。そして、一次再結晶した鋳
造スラグを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に
保持することにより、その鋳造スラグ中に残留する非晶
質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去し、
溶融スラグからガス含有率の極めて低い、組織の緻密な
再結晶した人工岩石を生成させることである。

【００２０】上記の一次再結晶させる鋳造工程と二次再
結晶させる熱処理工程とに代えて、前記溶融スラグを前
記溶融銑鉄とは独立して出滓した後に９００℃ないし
１，２００℃の温度雰囲気に保持し、共晶凝固現象に基
づいて溶融スラグを一次再結晶させ、かつ、残留する非
晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去す
る鋳造熱処理工程としてもよい。

【００２１】人工岩石合成処理装置の発明にあっては、
図１を参照して、還元剤を用いることにより焼却灰を還
元溶融し焼却灰中のＦｅ系酸化物を還元して生成された
溶融銑鉄２に、他の重金属類および還元可能な酸化物類
を元素に還元して溶解させることができるように溶湯を
貯溜すると共に溶湯を排出する出銑口３ａを有して炉床
に形成される溶湯溜め部３と、ガス含有率が極めて低く
重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ４を溶湯上に
滞留させると共にその溶融スラグ４を排出する出滓口５
ａを有した溶融スラグ溜め部５とを備える還元溶融炉１
と、出滓口５ａから排出された溶融スラグ４が鋳込ま
れ、共晶凝固現象に基づいてスラグを一次再結晶させる
ための断熱性耐火物により形成されたスラグブロック成
形鋳型１０と、スラグブロック成形鋳型１０から脱型さ
れた鋳造スラグ４Ａが投入される炉体１５とその炉体内
の保温を図る加熱手段１６とを有し、保温作用と炉体内
に堆積する鋳造スラグ４Ａの内部からの復熱作用とによ
って残留非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部
歪を除去し、組織の緻密な再結晶した人工岩石２４を生
成する熱処理炉１４とを備えることである。

【００２２】上記したスラグブロック成形鋳型１０から
脱型した鋳造スラグ４Ａが投入される熱処理炉１４に代
えて、図５に示すように、溶融スラグ４が鋳込まれたス
ラグブロック成形鋳型１０を通過させる炉体６１Ａとそ
の炉体内の保温を図る加熱手段６３とを有し、共晶凝固
現象に基づいてスラグを一次再結晶させると共に、加熱
手段６３による保温作用とスラグブロック成形鋳型１０
に鋳込まれて一次再結晶した鋳造スラグ４Ａの内部から
の復熱作用とによって残留非晶質部分を二次再結晶させ
ると共に残留内部歪を除去し、組織の緻密な再結晶した
人工岩石２４を生成する鋳造熱処理炉６１としてもよ
い。

【００２３】還元溶融炉は電気溶融炉１Ａ（図１を参
照）や竪型シャフト炉１Ｂ（図３を参照）を採用するこ
とができる。

【００２４】熱処理炉は、スラグブロック成形鋳型１０
から脱型された鋳造スラグ４Ａが投入される回転炉体１
５Ａと、その回転炉体の裏張り耐火壁１５ａおよび堆積
する鋳造スラグ４Ａを加温する加熱バーナ１６Ａとを有
し、炉体の回転により堆積する鋳造スラグ４Ａの下方へ
回り込んだ耐火壁１５ａによる加温作用と鋳造スラグ４
Ａ内部からの復熱作用とによって残留非晶質部分を二次
再結晶させると共に残留内部歪を除去する回転炉１４Ａ
としておくことができる。また、スラグブロック成形鋳
型１０から脱型された鋳造スラグ４Ａが投入される裏張
り耐火壁を備えた炉体５１Ａと、その炉体内で堆積する
鋳造スラグ４Ａを加温する熱ガス発生装置５５とを有
し、鋳造スラグ内部からの復熱作用によって残留非晶質
部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去する竪
型シャフト炉５１としておいてもよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、焼却灰の還元溶融によ
りＦｅ系酸化物ならびにその他の重金属類や還元可能な
酸化物類を含まず、また、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ
₃の三元系の限られた共晶点の範囲をＭｇＯを添加した
四元系に改質することにより拡大し、四元系相平衡状態
で共晶凝固可能な溶融スラグを生成しやすくすることが
できる。共晶凝固した一次再結晶スラグを熱処理によっ
て僅かな残余非晶質部分をさらに二次再結晶させるか
ら、天然岩石に極めて近似した人造石材を得ることがで
きる。その際、一次再結晶に消費したエネルギの大部分
は二次再結晶に利用され、固化スラグを小粒化しておか
なくても、エネルギ消費を可及的に低減することができ
る。

【００２６】焼却灰は還元性雰囲気で溶融されるので、
溶融スラグが炉床部や出滓部近傍の耐火物を侵蝕させる
こともなく、炉寿命は長く保たれる。そして、焼却灰中
のＦｅ系酸化物を還元し、他の重金属類および還元可能
な酸化物類も除去され、ガス含有率の極めて低い溶融ス
ラグが得られる。還元によって生成された溶融銑鉄は回
収して再資源化も可能である一方、重金属類の溶出しな
いまでに無害化されたコンクリート用人工骨材を得るこ
とができる。焼却灰にＭｇＯを添加することによって溶
融スラグの流動性も改善され、ＣａＯを過剰に添加する
必要もなくスラグ融点の低下にも寄与する。したがっ
て、溶融スラグから人工岩石を合成するための工程にお
ける取り扱いが容易となる。生成された合成岩石は消化
性を伴うことなく長期間の性状安定や機械的強度が確保
される。鋳造工程と該鋳造工程に続く熱処理工程とに代
えて鋳造熱処理工程とすれば、岩石合成処理工程が少な
くなり、そのための装置も簡素化することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る焼却灰溶融
スラグからの人工岩石合成処理法および装置を、その実
施の形態を表した図面をもとに詳細に説明する。図１
は、ごみ焼却灰や下水汚泥乾燥粉または産業廃棄物焼却
灰等（以下焼却灰という）の溶融スラグをコンクリート
用人工骨材とするための人工岩石合成処理装置の例であ
り、その主たる構成は還元溶融炉１，スラグブロック成
形鋳型１０，熱処理炉１４とからなる。

【００２８】還元溶融炉１は少なくとも溶湯を貯溜する
部分および溶融スラグを滞留させる部分を確保した炉体
を備えるもので、図の例では、比重の大きい溶融銑鉄２
を貯溜する溶湯溜め部３、生成された溶融スラグ４を溶
融銑鉄２上に滞留させる溶融スラグ溜め部５、溶融スラ
グ４の上方空間であって焼却灰が堆積する原料収容部６
を備えた電気溶融炉１Ａが採用されている。

【００２９】電気溶融炉１Ａは、三相，単相の交流電気
炉もしくは直流の電気炉のいずれのタイプでもよいが、
図では簡略化して描かれたサブマージドアーク直流抵抗
炉の例となっている。その原料収容部６には、焼却灰に
予めコークスブリーズや造滓材としての副資材を配合し
た粉粒状の原料７が投入され、後述するサブマージドア
ーク電気溶融法により時間をかけて還元溶融されるよう
になっている。

【００３０】炉蓋１ａには、その中央で昇降する可動電
極８が配置される。炉体１ｂには溶湯溜め部３の溶融銑
鉄２を意図的に少し残して排出する出銑口３ａが設けら
れる一方、溶融銑鉄２の上部に滞留した溶融スラグ４を
排出する出滓口５ａも設けられ、出滓栓５ｂを抜いて後
述する工程で必要な量を短時間のうちに流出させること
ができる。なお、出滓栓５ｂにガス供給孔５ｃを設け
て、溶融処理中に出滓口５ａの近傍の溶融スラグ４を攪
拌するためのガスを送り、出滓時のスラグ閉塞を防止す
るようにしておくこともできる。

【００３１】このような電気溶融炉１Ａでは、焼却灰中
のＦｅ系酸化物が還元され溶融銑鉄２を生成して溶湯溜
め部３に貯溜すると共に、他の重金属類Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃ
ｏ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｍｏ等および還元可能なＰ₂Ｏ₅やＡ
ｓ酸化物等を還元して生じた元素Ｐ，Ａｓ等を溶融銑鉄
２に溶解させることができるようになっている。同時
に、上記の重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ４
を生成して溶融銑鉄２の上部に滞留させ、その滞留時間
を十分に確保して脱泡し、ガス含有率が極めて低い溶融
スラグ４とする。

【００３２】上記の還元溶融精錬においては一般的にＳ
ｉＯ₂，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする溶融スラグ
が生成されるが、その溶融スラグ４のＭｇＯ含有量が５
重量％ないし２０重量％（以下％と表示する）までの範
囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％
となるように、ＭｇＯを含有する冶金滓や天然鉱物類が
焼却灰に副資材として添加される。これによって、Ｃａ
Ｏ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系とみなすこ
とができるスラグが得られる。そして、四元系相平衡状
態における共晶点に可及的に近似した成分組成に調整す
れば、溶融スラグ４の融点は最も低下しかつ共晶凝固現
象を呈しやすくなる。すなわち、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａ
ｌ₂Ｏ₃の三元系にＭｇＯを添加すると、該三元系の限
られた共晶点の発生領域を拡大することが可能となる。

【００３３】上記したＭｇＯを含有する冶金滓として
は、高炉滓，製鋼滓，フェロニッケル製錬滓やＣｕ製錬
滓等の非鉄冶金滓などであり、天然鉱物類としてはＭｇ
Ｏの含有率が３４％と高い橄欖石（Ｍｇ・Ｆｅ）₂Ｓｉ
Ｏ₄，蛇紋岩およびこれらの焼成品が使用される。な
お、ＭｇＯを添加するという意味からは、５４％前後の
ＳｉＯ₂を含有するが３６％前後のＭｇＯを含有しそれ
らが一旦溶融したフェロニッケル製錬滓が最も好まし
く、その製錬滓の再利用の途も図られて都合がよい。ち
なみに、必要に応じて石灰石ＣａＣＯ₃やドロマイトＣ
ａＣＯ₃・ＭｇＣＯ₃またはそれらの焼成物などが添加
される。

【００３４】電気溶融炉１Ａの近くには、出滓口５ａか
ら２時間ないし３時間ごとに間歇的に排出された溶融ス
ラグ４を受けるスラグ受け樋９が配置され、それを介し
て熱放散を抑制すべく短時間のうちに溶融スラグ４が鋳
込まれるスラグブロック成形鋳型１０が多数配列され
る。この鋳型１０はスラグ内に共晶凝固現象に基づいた
一次再結晶を図るためのものであり、断熱性耐火物によ
り形成され、溶融スラグ４が内部まで急速に凝固しない
ように保温してブロック状の鋳造スラグ４Ａを成形させ
るような大きさとなっている。すなわち、急冷による非
晶質の発生を抑制したりスラグの内部保有熱の消散を可
及的に少なくすることができればよいので鋳型は金属製
でもよいが、鋳込み面は断熱材耐火物などで覆われ、徐
冷作用の有するものが採用される。

【００３５】スラグブロック成形鋳型１０は溶融スラグ
４の排出量に見あった数が必要であり、しかも、スラグ
受け樋９から流下する溶融スラグ４を連続して鋳込まな
ければならない。そのため、各鋳型１０はコンベア１１
に一列に配置して固定されている。コンベア１１は成形
鋳型１０を搬送する間に所定量の溶融スラグ４を鋳込む
ことができると共に、共晶凝固させかつその一次再結晶
が完了した直後の鋳造スラグ４Ａを脱型させることがで
きる長さに選定される。

【００３６】上記の成形鋳型１０は、例えば図２（ａ）
に示すように、所望するサイズの鋳造スラグを成形する
に必要な大きさの器であり、（ｂ）示すように、隣りあ
う鋳型１０の端部とは重なりあって連続している。各鋳
型１０は、その底面に固定されるブラケット１０ａに取
り付けた無端状チェーン１２によって移動される。コン
ベア１１の一端まで搬送された鋳型１０はチェーン１２
が反転する際に図１のごとく転倒姿勢となり、鋳造スラ
グ４Ａは成形鋳型１０からシュート１３上に落とされる
ようになっている。

【００３７】シュート１３の出口側には、熱処理炉１４
が設置されている。これは、成形鋳型１０から脱型され
た鋳造スラグ４Ａが投入される炉体１５とその炉体１５
内の保温を図る加熱手段１６とを有している。そして、
加熱手段１６による保温作用と鋳造スラグ４Ａの内部か
らの復熱作用とによって残留非晶質部分を二次再結晶さ
せると共に、鋳造による残留内部歪を除去して固化した
スラグの脆弱性を回避し、ガス含有率が極めて低く組織
の緻密な再結晶した人工岩石を生成させるようになって
いる。

【００３８】図１の例では熱処理炉１４は回転炉１４Ａ
であり、成形鋳型１０から脱型された８００℃ないし
１，２００℃の鋳造スラグ４Ａを収容する回転炉体１５
Ａと、鋳造スラグ４Ａを保温するための加熱バーナ１６
Ａとを有している。そして、一次再結晶している鋳造ス
ラグ４Ａは、二次再結晶のために９００℃ないし１，２
００℃の温度雰囲気に１時間ないし２時間保持される。

【００３９】もう少し詳しく述べると、回転炉体１５Ａ
は外周を前後のタイヤ１５ｔによって支持され、ギヤー
１５ｍ，リングギヤー１５ｎを介して炉体の軸線回りに
矢印１７のように例えば１ｒｐｍ程度で回転される。加
熱バーナ１６Ａは大きい火炎１６ａを発生させ、炉体の
裏張り耐火壁１５ａおよび鋳造スラグ４Ａの堆積する表
層を加温するものであり、空気供給管を伴って炉体１５
Ａの軸線上の炉底部に設置される。炉体は通常水平な姿
勢であるが、鋳造スラグ４Ａの装入や二次再結晶の完了
した固化スラグを排出するために、仮想線で示したトラ
ニオン軸１５ｂを中心に破線のごとく傾動できるように
なっている。

【００４０】このような装置によれば、以下のようにし
て、焼却灰を還元溶融しまた共晶凝固による一次再結晶
ならびに非晶質部分の熱処理による二次再結晶により、
ガス含有率の極めて低い組織の緻密な良質のコンクリー
ト用人工骨材としての人工岩石を合成することができ
る。

【００４１】まず、焼却灰に予めコークスブリーズを配
合した粉粒状の原料７を、炉蓋１ａの装入孔（図示せ
ず）から炉体１ｂに降ろされた可動電極８を覆うように
供給する。焼却灰を還元溶融精錬すればＳｉＯ₂，Ｃａ
Ｏ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする溶融スラグが生成される
が、ＭｇＯが５％ないし２０％までの範囲における目標
％もしくはそれに極めて近似した含有％の溶融スラグと
なるようにして共晶凝固現象を発現させやすくすべく、
フェロニッケル製錬滓もしくは橄欖石等が、その他の造
滓材と共に焼却灰に添加される。

【００４２】ちなみに、ＭｇＯの目標％が５％ないし２
０％の範囲としているのは、５％以下であるとＭｇＯを
添加する余地が少なく成分調整の範囲に限りが生じるか
らであり、２０％を越えるとスラグの溶融温度が高くな
り、溶解エネルギが増大するからである。また、必要に
応じて若干量の石灰石等も加えられ、ＣａＯ−ＳｉＯ₂
−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶
点もしくはそれに可及的に近似した状態で共晶凝固させ
ることができる組成を有した溶融スラグが得られように
成分調整する。

【００４３】可動電極８に通電し、原料７を後述するサ
ブマージドアーク電気溶融により２時間ないし３時間を
かけて溶融還元する。このときの約１，５００℃の熱に
より可燃物が燃焼しダイオキシンは分解されまた有害な
Ｚｎ等の低沸点物質はガス化して排出される。焼却灰の
粉粒体は比重が小さくかつ電気伝導度も低いが、原料中
にコークスブリーズが配合されているので、そのカーボ
ンが原料７の導電性を向上させて焼却灰が溶融される。

【００４４】その際に焼却灰中のＦｅ系酸化物を還元し
て溶融銑鉄２が生成され、溶湯溜め部３に滞留する。他
の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた
元素は溶融銑鉄２中に溶解すると共に、溶融スラグ４が
溶融銑鉄２上に生成される。還元反応によって発生する
ＣＯガスは、スラグのフォーミングを促進する。溶融ス
ラグ４上にフォーミングスラグ１８が形成され、それと
原料層との境界にカーボン浮遊層１９が発生する。

【００４５】炉体１ｂに降ろされた可動電極８の下部位
はカーボン浮遊層１９で覆われたフォーミングスラグ１
８に臨むように制御され、かつ、アークは常時原料７や
フォーミングスラグ１８に覆われたサブマージドの状態
となる。カーボン浮遊層１９で発生するアークにより原
料７の加熱のみならず、フォーミングスラグ１８から溶
融銑鉄２に至る間での電気抵抗ジュール熱による効率よ
い溶融も実現される。このフォーミングスラグ１８の生
成によりアークの発生は極めて少なく、電気抵抗ジュー
ル熱による電力伝達効率の飛躍的に高い値を示す溶融製
錬が可能となるので、電力原単位の低減も図られる。

【００４６】焼却灰が還元溶融されると、サブマージド
アーク状態を維持させるべく、原料７が炉蓋１ａを経て
可動電極８の周囲に分布するよう逐次追加供給される。
炉床に溜まった溶融銑鉄２は意図的に少量を残し、出銑
口３ａから１日ないし２日ごとに溶湯受鍋２３に出湯さ
れる。その溶融銑鉄２は、鉄源材として別途利用され
る。

【００４７】一方、溶融スラグ４は溶融銑鉄化した金属
成分等を含まず、その主成分がＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，
ＣａＯ，ＭｇＯとなり、サブマージドアーク溶融法の採
用により溶融銑鉄２上に時間を掛けて滞留させることに
よって、ガスをほとんど含まない状態となる。したがっ
て、爾後的に脱泡処理を施す必要もなくなる。溶融スラ
グ４は出滓口５ａから排出されるが、出滓栓５ｂを抜い
て例えば２時間ごとに２０分という短時間のうちに排出
される。それゆえ、生成された溶融スラグを少しずつ連
続的に排出する場合に比較して、出滓時の溶融スラグ４
からの熱エネルギの放散量も可及的に抑制される。

【００４８】コンベア１１により矢印２０方向へ移動す
るスラグブロック成形鋳型１０に、高い熱エネルギを保
有した溶融スラグ４がスラグ受け樋９から熱放散を抑制
すべく短時間のうちに注入される。成形鋳型１０は断熱
性耐火物で構成されており、移動している間の溶融スラ
グの急激な冷却は防止され、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂
Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしく
はそれに可及的に近似した状態で共晶凝固した鋳造スラ
グ４Ａが鋳造される。

【００４９】例えば、ＣａＯが５％ないし３６％、Ｓｉ
Ｏ₂が３８％ないし５５％、Ａｌ₂Ｏ₃が１０％ないし
２５％、ＭｇＯが５％ないし２０％であれば、その共晶
点は１，３００℃以下である。１，５００℃以上の溶融
スラグはスラグブロック成形鋳型１０内において１，３
００℃以下まで液状で降温するが、共晶点の温度になる
と一斉に析出を開始し、「相律」に基づいて全組成が再
結晶するまで温度がおのずと保持される。スラグの温度
が低下することのない再結晶中の時間帯は鋳型１０が移
動しているコンベア１１上にある。再結晶が完了して降
温しはじめた時点で鋳型１０が反転部位に到達するよう
にコンベア１１の移動速度および搬送距離が定められて
いるので、一次再結晶した鋳造スラグ４Ａは脱型された
時点でも高温を保っている。

【００５０】上記のようにして鋳造スラグ４Ａは共晶凝
固しているとはいえ、現実には９５％ないし９７％の再
結晶となっている。残余は非晶質であって細かいガラス
が点在するので、比較的小さな力を掛けるだけで砕け、
その破片は尖ったものとなりやすい。そこで、成形鋳型
１０から脱型された鋳造スラグ４Ａはシュート１３を経
て直ちに二点鎖線のように持ち上げられた炉体１５Ａに
装入される。

【００５１】回転炉体１５Ａは加熱バーナ１６Ａによっ
て予め加熱された状態にあり、鋳造スラグ４Ａが所定量
投入されるとシュート１３が退避し、回転炉体１５Ａが
実線の位置に降ろされて１ｒｐｍ程度の速度でゆっくり
と回転する。加熱バーナ１６Ａから火炎１６ａを発生さ
せ、耐火壁１５ａおよび鋳造スラグ４Ａの堆積表層が加
温される。炉体１５Ａの回転により堆積した鋳造スラグ
４Ａの下方へ回り込んだ加熱されている耐火壁１５ａに
触れたり火炎に直接触れた鋳造スラグ４Ａは、例えば９
００℃の均一な温度雰囲気に２時間または１，２００℃
の温度雰囲気に１時間保持される。

【００５２】鋳造スラグ４Ａが回転炉１４Ａに装入され
るとき、その表層が８００℃ないし９００℃程度まで降
温していても内部は１，１００℃ないし１，２００℃の
高温であり、加熱バーナ１６Ａによる１，０００℃の保
温中に内部熱が外表に向けて復熱し、表層部に至るまで
残余の非晶質部分の再結晶が図られる。このようにして
二次再結晶の際に鋳造時に生じた内部歪も除去され、ガ
ス含有率の極めて低い組織の緻密な再結晶した人工岩石
が生成される。

【００５３】所定の時間が経過すると加熱バーナ１６Ａ
を止めて、回転炉体１５Ａを破線のように持ち上げてト
ラニオン軸１５ｂを中心に傾動し、装入口１５ｃを下方
に向ければ、天然岩石に極めて近い固化スラグ２４が排
出される。非晶質を含まない固化スラグは極めて硬く、
破砕しても角が余り立たず表面に凹凸を呈する均質なも
のとなる。なお、コンクリート用人工骨材として使用す
る場合には、適当なサイズに破砕される。

【００５４】このようにして得られた人工岩石２４は、
電気溶融炉１Ａにおいて還元容易な金属分が除去されて
おり、しかも、ガス含有量が極めて少なくなっている。
電気溶融炉で溶融スラグに付与された熱エネルギは、
「相律」による温度保持作用もあいまって途中での消失
が少ない状態で熱処理工程まで迅速に持ち込まれ、再結
晶のための熱エネルギ消費量も大幅に低減される。

【００５５】以上の説明から分かるように、焼却灰等を
還元溶融することによって溶融銑鉄と溶融スラグを生成
し、その溶融スラグにはＦｅ系酸化物ならびにその他の
重金属類や還元可能な酸化物類が可及的に少なくなり、
重金属類の溶出しないまでに無害化された良質のコンク
リート用人工骨材を製造することができる。その際に生
成した溶融銑鉄は別途利用できるので、金属資源の回収
が図られる。

【００５６】また、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃の三
元系の限られた共晶点の範囲がＭｇＯを添加した四元系
に改質することにより拡大され、四元系相平衡状態で共
晶凝固可能な溶融スラグを生成することができる。Ｍｇ
Ｏを添加することによって溶融スラグの流動性も改善さ
れ、ＣａＯを過剰に添加する必要もなくスラグ融点の低
下にも寄与させることができる。したがって、溶融スラ
グから人工岩石を合成するための後続工程における取り
扱いが容易となり、生成された合成岩石は消化性を伴う
ことなく長期間の性状安定や機械的強度が確保される。
共晶凝固した一次再結晶スラグを熱処理によって僅かな
残余非晶質部分をさらに二次再結晶させるので、天然岩
石に極めて近似した人工岩石を合成することができる。

【００５７】焼却灰にはコークスブリーズが配合され、
原料の導電性が高くなって溶融化が促進され、また、カ
ーボンによる還元が実現される。焼却灰は還元性雰囲気
で溶融されるので、溶融スラグが炉床部や出滓部近傍の
耐火物を侵蝕させることもなく、炉寿命は長く保たれ
る。それのみならず、フォーミングスラグの発生を促し
て電力伝達効率の向上による電力原単位の低減に大きく
寄与する。溶融スラグは溶融銑鉄上に時間を掛けて滞留
されるので、その間の脱泡作用によりガス含有率が極め
て低くなり、溶融スラグの爾後的な脱泡操作も不要とな
る。

【００５８】さらに、溶融スラグは所定時間ごとの短時
間出滓と迅速な移行形態により、その間での保有熱エネ
ルギの消散が可及的に抑制される。一次再結晶に消費し
たエネルギの大部分は二次再結晶に利用される。それゆ
え、固化スラグを小粒化しておかなくても、エネルギ消
費を可及的に低減することができ、再結晶のための加熱
エネルギの低減も図られる。

【００５９】ちなみに、上記の説明においては、焼却灰
に予めコークスブリーズを配合した粉粒状の原料を電気
溶融炉に装入しているが、焼却灰は極めて細かい粉体で
あることが多い。そこで、ＭｇＯが５％ないし２０％含
有するまでの範囲における目標％もしくはそれに極めて
近似した含有％の溶融スラグとなるように粉状のフェロ
ニッケル製錬滓もしくは橄欖石等や他の副原料を混入さ
せた後にペレタイザーを用いてペレット状原料としてお
けば、装入時の取扱が容易となり都合がよい。このよう
に、その造粒操作の段階でＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ
₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしくは
それに可及的に近似した状態で共晶凝固させることがで
きる組成を有した溶融スラグが得られように成分調整し
ておいてもよいことは述べるまでもない。

【００６０】さらに、電気溶融炉に装入される原料が焼
却灰をすでに溶融してスラグ化したものであれば、それ
を電気溶融炉で還元溶融するに先立ち、焼却灰の固化ス
ラグと共にコークスブリーズやＭｇＯ増補材ならびに副
原料を電気溶融炉に装入したり、予め焼却灰の固化スラ
グにコークスブリーズ，ＭｇＯ増補材，副原料を配合し
ておいたうえで装入するか、それらをペレット化した後
に装入するというような装入形態を採ることもできる。

【００６１】ところで、電気溶融炉１Ａはサブマージド
アーク抵抗炉であれば三相または単相交流形や直流形の
いずれの形式を採用してもよい。しかし、三相交流形は
電極間でアークの発生する方向に偏りが生じたり、原料
の堆積表層のみを加熱する傾向がある。すなわち、各電
極下で形成される溶融ゾーンのバランスが悪くなり、と
りわけ比重の小さい電気伝導度の低い粉粒状原料の場合
に要求される穏やかな還元溶融は実現されがたく、その
結果、均一な加熱状態を得ることができなくなる。ま
た、単相交流形では常に交流電力が往復するので、原料
の加熱が局部的となる。そこで、炉の構造が簡単で制御
しやすく、また、後述する理由によって電気エネルギの
供給が最も安定する直流電気炉を採用するのが最適であ
る。

【００６２】図１の電気溶融炉１Ａは焼却灰の還元溶融
に適したサブマージドアーク直流抵抗炉を簡略化して描
いたものであり、炉体１ｂには可動電極８が挿入される
が、装入される焼却灰にはＦｅ系酸化物等の還元すべき
酸化物の含有量が少ないのが一般的であり、電極の消耗
量は少ない。そこで、人造黒鉛電極よりも操作が容易で
安価な他の種の電極が採用される。なお、炉底にも図示
しない電極が配置されることは言うまでもない。

【００６３】このような電気溶融炉１Ａによれば、炉底
の電極から給電されて可動電極８との間に印加される電
圧が炉床部にかかり、焼却灰に配合されたコークスブリ
ーズによる導電効果と、比重が小さい電気伝導度の低い
粉粒状焼却灰の還元溶融に必要な静かな加熱溶融作用と
により、原料の溶融が実現される。もちろん、前述した
フォーミングスラグの形成による電力伝達効率の向上に
基因して電力消費も著しく低減する。

【００６４】還元溶融炉としては電気溶融炉に限らず、
図３に示す竪型シャフト炉１Ｂを採用してもよい。本発
明は、コークス燃焼還元溶融法と同様に、還元剤を用い
て焼却灰を還元溶融して溶融スラグを生成することがで
きればよいからであり、電気溶融炉に比べれば大型化さ
せることが容易であり、溶融スラグ４を連続出滓するこ
ともできるようになる。しかし、従来技術のところで述
べたコークス燃焼還元法において使用される竪型シャフ
ト炉の場合とは異なり、少なくとも、溶湯を貯溜する溶
湯溜め部３と、生成した溶融スラグ４を溶湯上部に滞留
させる溶融スラグ溜め部５とを備えた構造にしておく必
要がある。

【００６５】この竪型シャフト炉１Ｂにおいても溶融ス
ラグ４を溶融銑鉄２とは独立して排出しなければなら
ず、出銑口３ａの上方となるように出滓口５ａが設けら
れている。副資材を添加したペレット状の原料７やコー
クス塊４０はベル４１が仮想線のように下げられた状態
で炉体上方から投入され、コークス塊と原料が堆積する
コークスベッド４２が形成される。上方部は乾燥・予熱
ゾーン４３であり、耐火壁４４に開口する空気供給口４
５の近傍は原料の分解・燃焼ゾーン４６および溶融ゾー
ン４７が上下に形成される。なお、運転中はベル４１に
よって炉上部が閉止され、排ガスはダクト４８を経て排
出されるようになっている。

【００６６】焼却灰はコークスによって還元されるので
溶融スラグ中のＦｅ系酸化物は減少し、溶融銑鉄２は溶
湯溜め部３に溜まる一方、溶融スラグ４は溶融銑鉄２上
で脱泡されるに十分な時間滞留する。電気溶融炉の場合
と同様に副原料としてフェロニッケル製錬滓等が原料７
に混入されるので溶融スラグ４中のＭｇＯが増加し、た
とえコークス中のＡｌ₂Ｏ₃が溶融スラグ４に溶解して
も、スラグの流動性の低下は抑制される。すなわち、石
灰石を過剰に添加する必要がなく、それゆえ、出滓した
溶融スラグを上記したように鋳造し熱処理して人工岩石
としても、消化性のない長期にわたって性状の安定した
機械的強度の高い石材とすることができる。

【００６７】ところで、図１においては熱処理炉として
回転炉１４Ａを採用しているが、それに代えて図４に示
す公知の竪型シャフト炉５１を採用することもできる。
スラグブロック成形鋳型から脱型された鋳造スラグ４Ａ
は、内面の全てが裏張り耐火壁で覆われた炉体５１Ａに
装入シュート５２を用いて天井から装入され、熱処理後
の固化スラグ２４は炉底部の排出口に設けたクラムシェ
ル式の開閉蓋５３を仮想線のように開いて適宜の量が取
り出される。鋳造スラグ４Ａの収容量は回転炉の場合よ
りも多くすることが容易であり、それに伴って炉内へ持
ち込まれる熱エネルギも多くなるので、加熱量を節減す
ることができる。

【００６８】このような炉によっても、前述した場合と
同様に、鋳造スラグ４Ａ内部からの復熱作用によって非
晶質部分の二次再結晶が可能となる。竪型シャフト炉５
１は可動部材がないので大型化が容易であり、処理量を
多くしたり処理時間を長くとることができる。炉内を火
炎で加熱してもよいが鋳造スラグ４Ａは堆積状態にある
ので、炉体５１Ａを取り巻く下部環状通路５４から熱ガ
ス発生装置５５で発生させた高温ガス５６を供給するよ
うにしてもよい。排ガスは上部環状通路５７を経て熱ガ
ス発生装置５５等へ戻される。

【００６９】上記したいずれの例においても、熱処理炉
１４，５１はスラグブロック成形鋳型から脱型した鋳造
スラグが投入されるが、図５に示すような鋳造熱処理炉
６１を採用し、鋳造工程と熱処理工程とを一つの保温炉
において行わせることもできる。これは、溶融スラグが
鋳込まれたスラグブロック成形鋳型１０をコンベア６２
によって通過させるトンネル状の炉体６１Ａと、炉体内
の保温を図る多数の加熱バーナ６３とを有する。そし
て、加熱バーナ６３によって生じた９００℃ないし１，
２００℃の雰囲気での保温作用とスラグブロック成形鋳
型１０に鋳込まれて一次再結晶した鋳造スラグ４Ａの内
部からの復熱作用とによって残留非晶質部分を二次再結
晶させると共に残留内部歪を除去し、組織の緻密な再結
晶した人工岩石２４を生成させることができる。もちろ
ん、炉体６１Ａやコンベア６２の長さやコンベア６２の
矢印６４方向への移動速度は、溶融スラグ４を一次再結
晶させて鋳造スラグ４Ａとし、鋳型１０に入れたまま二
次再結晶を完了させることができるように決定される。

【００７０】

【実施例】本発明は、ＳｉＯ₂，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を
主成分とする溶融スラグを生成するに際し、溶融スラグ
のＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における
目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるよう
に、ＭｇＯを含有する冶金滓等を添加してＣａＯ−Ｓｉ
Ｏ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における
共晶点もしくはそれに可及的に近似した状態で共晶凝固
する組成を有した溶融スラグが得られるようにしてい
る。そこで、以下に幾つかの例を挙げる。

【００７１】図６は、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−
ＭｇＯ系の１５％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関
係である。辺７１の数字はＣａＯの含有％、辺７２の数
字はＳｉＯ₂の含有％、辺７３はＭｇＯの含有％を示
し、実線や破線は岩石質の境界を表している。数字を含
んだ細い破線上の数字は凝固温度である。そして、点Ａ
は共晶点であり、点Ａから点ａ₁，ａ₂，ａ₃（図６の
要部を拡大した図７を参照）までの部分は凝固時に再結
晶を誘発させやすい領域にある共晶線である。なお、図
６をはじめとして後述する図８，図１０，図１２，図１
３は、E. F. Osborn, R. C. DeVries, K. H. Gee, and
H. M. Kraner. ■ Optimum Compositionof Blast Furn
ace Slag as Deduced from Liquidus Data for the Qua
ternary System CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂' Trans. AIME, 1
954, v. 200, pp. 33-45. （Ｅ．Ｆ．オズボーン・Ｒ．
Ｃ．デブリーズ・Ｋ．Ｈ．ギー・Ｈ．Ｍ．クラナー共著
「ＣａＯ−ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂四元系液相デ
ータから推論した高炉スラグの最適組成」ＡＩＭＥ紀要
第２００巻３３頁ないし４５頁）に記載された四元系相
平衡状態図である。

【００７２】前記した断熱性のある鋳型内で容易に再結
晶させるためには、その共晶凝固温度が１，３００℃以
下であることや、溶融スラグの高い流動性に基づいた結
晶分子の移動が容易であることが不可欠となる。そのよ
うな観点からはＳｉＯ₂が約５５％以下であることや、
人工骨材として使用した場合にアルカリ骨材反応が出や
すくなるフォルステライト結晶が出ないようにすること
が重要である。したがって、アノルサイト・パイロキシ
ン・メリライト三元共晶点の近傍である図中に表示の線
Ａａ₁，Ａａ₂，Ａａ₃上の組成となるように造滓材を
調節配合することが必要となることが分かる。

【００７３】上記した点Ａ，ａ₁，ａ₂，ａ₃を含む幾
つかの黒い点および他の点Ｂ等は凝固温度が最低の１，
３００℃以下を示した共晶点もしくはそれに極めて近似
した点の選択例であり、それぞれは表１のような組成と
なっている。なお、表中の選択点Ａ，ＢにおけるＭｇＯ
含有％は前述した目標％であり、選択点ａ₁，ａ₂，ａ
₃，ｂ₁，ｂ₂は目標％に極めて近似した含有％に相当
する。

【表１】図８は１０％Ａｌ₂Ｏ₃の場合であり、同様にして纏め
ると表２のようになる。いずれの点も四元系相平衡状態
における共晶点もしくはそれに極めて近似した点であ
り、凝固温度すなわち融点の最低温度は１，３００℃以
下である。なお、図９は図８中の選択点の近傍を拡大し
たものである。

【表２】同様に、２０％Ａｌ₂Ｏ₃の場合が図１０および図１１
に表されている。これを纏めると、表３のようになる。
いずれの点も四元系相平衡状態における共晶点もしくは
それに極めて近似した点であり、凝固温度は１，３００
℃以下である。なお、点ｇ₂も四元系相平衡状態におけ
る共晶点に極めて近似した点であるが、この場合の凝固
温度は１，３３０℃ないし１，３５０℃となっている。

【表３】同様に、２５％Ａｌ₂Ｏ₃の場合が図１２に表されてい
る。これを纏めると、表４のようになる。いずれの点も
四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて
近似した点であり、凝固温度は１，４００℃以下であ
る。

【表４】

【００７４】以上をまとめると、ＣａＯが１６％ないし
３５％、ＳｉＯ₂が３６％ないし５４％、Ａｌ₂Ｏ₃が
１０％ないし２５％、ＭｇＯが５％ないし１９％である
と、四元系相平衡状態における共晶点に可及的に近似し
た状態で共晶凝固する組成を有した溶融スラグの得られ
ることが分かる。なお、Ａｌ₂Ｏ₃の含有率は少なすぎ
ても多すぎても溶融スラグの融点が上がることはよく知
られており、５％以下であったり３０％を越えると凝固
点の最低温度は約１，４００℃以上となる。そのような
場合には焼却灰の溶解温度を上げる必要があり、熱エネ
ルギの消費が増大することになるので避けるべきであ
る。

【００７５】ところで、上記した図６ないし図１２にお
いて、他にも四元系相平衡状態における共晶点もしくは
それに極めて近似した点が存在する。図６および図７の
１５％Ａｌ₂Ｏ₃の場合、共晶点Ｃならびに選択点
ｃ₁，ｃ₁₁を表５のように拾い挙げることができ、その
凝固温度は１，３００℃以下である。

【表５】同様に、図１０および図１１の２０％Ａｌ₂Ｏ₃の場
合、共晶点Ｈを表６のように拾い挙げることができ、そ
の凝固温度も１，３００℃以下である。

【表６】同様に、図１２の２５％Ａｌ₂Ｏ₃の場合、共晶点Ｋを
表７のように拾い挙げることができ、その凝固温度は
１，４００℃より低い。

【表７】しかし、いずれもＳｉＯ₂の含有率の高いことに基因し
て、溶融スラグの粘性も高くなり、次工程である鋳造の
ための溶融スラグの還元溶融炉からの流出操作が不便な
ものとなる。したがって、四元系相平衡状態における共
晶点もしくはそれに極めて近似した点といえども、好ま
しくない共晶点の存在することにも注意しておくべきで
ある。

【００７６】ちなみに、焼却灰の組成は一定しないが、
例えば表８のような組成である。例１および例２は、従
来技術の項で述べた電気溶融法等によって得られたスラ
グの組成として公表されているデータである。そして、
例３は本発明者らのテストに供された焼却灰の組成であ
る。

【表８】上記した焼却灰を溶融してスラグ化すると、表９のよう
な組成になる。なお、例１および例２は若干成分調整さ
れているようであり、公表値をそのまま掲げている。

【表９】これらのスラグを再度溶融すると共に還元したスラグの
主たる組成がＣａＯ，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯと
なると、そのスラグの組成は表１０のように書き換えら
れる。

【表１０】例１のＡｌ₂Ｏ₃を２０％とみなすと図１０の点Ｓとな
り、例２のＡｌ₂Ｏ₃を２５％とみなせば図１２の点Ｔ
となる。点Ｓは共晶点Ｆから大きく外れ、点Ｔは共晶点
Ｊとはかけ離れている。いずれも凝固するとアノルサイ
トとなり、凝固温度は高い。例３はＡｌ₂Ｏ₃が高く好
ましいスラグとは言えない。Ａｌ₂Ｏ₃を３０％とみな
すと図１３の点Ｕとなる。

【００７７】上記の例１においてＭｇＯの含有量が状態
図中の共晶点となるようにフェロニッケル製錬滓や適量
の造滓材を添加して調整すると、表１１の例１Ａのよう
になる。例２においても同様に調整すると、例２Ａを得
ることができる。また、例３においても同様に調整する
と、例３Ａを得ることができる。

【表１１】例１Ａは図８の点ｓとなり、例２Ａは図６の点ｔとな
る。例３Ａは図１０中の点ｕとなり、いずれも共晶点
Ｄ，Ａ，Ｆに一致している。

【００７８】上記の表１１の例１Ａ，例２Ａおよび例３
Ａは、それらを成分調整する前の表１０の例１，例２お
よび例３のスラグに比べてＭｇＯの多いことが分かる。
逆に言うと、例１，例２および例３は、多元系相平衡状
態における共晶点に可及的に近似した状態で共晶凝固さ
せることができる組成を有していない。それゆえ、それ
らのスラグは凝固温度が高くて加熱エネルギを大量に要
求し、また、出滓後の空冷で急速に冷却が進み、非晶質
を多く残した再結晶の不十分な石材となる。

【００７９】ちなみに、図６においてはＭｇＯが約６％
ないし約１４％であり、図８では約７％ないし約１９％
である。図１０においては約６％ないし約１７％であ
り、さらには、図１２において約３％ないし約８％であ
ることが分かる。それゆえ、Ａｌ₂Ｏ₃を約１０％ない
し約２５％の範囲に止めておくならば、その条件を満た
して溶融スラグを共晶凝固させることができるＭｇＯ
は、３％ないし１９％となる。しかし、上掲した図６な
いし図１２は例示であって、詳細な研究データと、前述
したようにＭｇＯが５％以下であればＭｇＯを添加する
余地が少なく成分調整の範囲に限りが生じることを考慮
すると、溶融スラグのＭｇＯの含有目標％を５％ないし
２０％までの範囲における値としておけばよいことを確
認することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る焼却灰溶融スラグからの人工岩
石合成処理装置の全体概略構成図。

【図２】（ａ）は連続して配置されたスラグブロック
成形鋳型の部分平面図、（ｂ）はコンベアのチェーンに
取り付けられた成形鋳型の断面図。

【図３】還元溶融炉の他例としての竪型シャフト炉の
断面図。

【図４】熱処理炉の他例としての竪型シャフト炉の断
面図。

【図５】鋳造熱処理炉の概略構成図。

【図６】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系の
１５％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。

【図７】図９の要部拡大図。

【図８】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系の
１０％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。

【図９】図１０の要部拡大図。

【図１０】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系
の２０％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。

【図１１】図１３の要部拡大図。

【図１２】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系
の２５％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。

【図１３】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系
の３０％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。

【符号の説明】

１…還元溶融炉、１Ａ…電気溶融炉、１Ｂ…竪型シャフ
ト炉、２…溶融銑鉄、３…溶湯溜め部、３ａ…出銑口、
４…溶融スラグ、４Ａ…鋳造スラグ、５…溶融スラグ溜
め部、５ａ…出滓口、７…原料、１０…スラグブロック
成形鋳型、１４…熱処理炉、１４Ａ…回転炉、１５…炉
体、１５Ａ…回転炉体、１５ａ…裏張り耐火壁、１６…
加熱手段、１６Ａ…加熱バーナ、２４…人工岩石、５１
…竪型シャフト炉、５５…熱ガス発生装置、６１…鋳造
熱処理炉、６１Ａ…炉体、６３…加熱手段（加熱バー
ナ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 5/00 - 32/02 B09B 1/00 - 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ごみ焼却灰，下水汚泥乾燥粉，産業廃棄
物焼却灰等の溶融スラグから人工岩石を合成する処理法
において、還元剤を用いることにより焼却灰を還元溶融して溶融ス
ラグを生成する際もしくはそれに先だち、該溶融スラグ
のＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における
目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるよう
にＭｇＯを含有する冶金滓または天然鉱物類を前記焼却
灰に添加し、可及的に低融点となりかつ共晶凝固する組
成を有した溶融スラグが得られるように成分調整する工
程と、成分調整された上記焼却灰を還元溶融することにより該
焼却灰中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄
を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を
還元して生じた元素を前記溶融銑鉄中に溶解させると共
に、ガス含有率が極めて低く上記重金属類等を可及的に
含まない溶融スラグを生成して前記溶融銑鉄の上部に滞
留させる還元溶融工程と、上記溶融スラグを前記溶融銑鉄とは独立して出滓した後
に、溶融スラグを徐冷した状態で共晶凝固現象に基づい
て一次再結晶させる鋳造工程と、一次再結晶した鋳造スラグを９００℃ないし１，２００
℃の温度雰囲気に保持することにより、該鋳造スラグ中
に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内
部歪を除去する熱処理工程と、を有し、前記溶融スラグからガス含有率の極めて低い、
組織の緻密な再結晶した人工岩石を生成させることを特
徴とする焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理方
法。
【請求項２】請求項１に記載の鋳造工程と該鋳造工程
に続く熱処理工程とに代えて、前記溶融スラグを前記溶
融銑鉄とは独立して出滓した後に９００℃ないし１，２
００℃の温度雰囲気に保持し、共晶凝固現象に基づいて
溶融スラグを一次再結晶させ、かつ、残留する非晶質部
分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去する鋳造
熱処理工程としたことを特徴とする焼却灰溶融スラグか
らの人工岩石合成処理方法。
【請求項３】ごみ焼却灰，下水汚泥乾燥粉，産業廃棄
物焼却灰等の溶融スラグから人工岩石を合成する処理装
置において、還元剤を用いることにより焼却灰を還元溶融し該焼却灰
中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄に、他
の重金属類および還元可能な酸化物類を元素に還元して
溶解させることができるように溶湯を貯溜すると共に該
溶湯を排出する出銑口を有して炉床に形成される溶湯溜
め部と、ガス含有率が極めて低く上記重金属類等を可及
的に含まない溶融スラグを溶湯上に滞留させると共にそ
の溶融スラグを排出する出滓口を有した溶融スラグ溜め
部とを備える還元溶融炉と、上記出滓口から排出された溶融スラグが鋳込まれ、共晶
凝固現象に基づいてスラグを一次再結晶させるための断
熱性耐火物により形成されたスラグブロック成形鋳型
と、該スラグブロック成形鋳型から脱型された鋳造スラグが
投入される炉体と該炉体内の保温を図る加熱手段とを有
し、該保温作用と炉体内に堆積する鋳造スラグの内部か
らの復熱作用とによって残留非晶質部分を二次再結晶さ
せると共に残留内部歪を除去し、組織の緻密な再結晶し
た人工岩石を生成する熱処理炉と、を備えることを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工
岩石合成処理装置。
【請求項４】請求項３に記載の前記スラグブロック成
形鋳型から脱型した鋳造スラグが投入される熱処理炉に
代えて、溶融スラグが鋳込まれた前記スラグブロック成
形鋳型を通過させる炉体と該炉体内の保温を図る加熱手
段とを有し、共晶凝固現象に基づいてスラグを一次再結
晶させると共に、前記加熱手段による保温作用と前記ス
ラグブロック成形鋳型に鋳込まれて一次再結晶した鋳造
スラグの内部からの復熱作用とによって残留非晶質部分
を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去し、組織の
緻密な再結晶した人工岩石を生成する鋳造熱処理炉とし
たことを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工岩石合
成処理装置。
【請求項５】前記還元溶融炉は、電気溶融炉であるこ
とを特徴とする請求項３または請求項４に記載された焼
却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理装置。
【請求項６】前記還元溶融炉は竪型シャフト炉である
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載された
焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理装置。
【請求項７】前記熱処理炉は、前記スラグブロック成
形鋳型から脱型された鋳造スラグが投入される回転炉体
と、該回転炉体の裏張り耐火壁および堆積する鋳造スラ
グを加温する加熱バーナとを有し、炉体の回転により堆
積する鋳造スラグの下方へ回り込んだ前記耐火壁による
加温作用と鋳造スラグ内部からの復熱作用とによって残
留非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除
去する回転炉であることを特徴とする請求項３、請求項
５または請求項６のいずれかに記載された焼却灰溶融ス
ラグからの人工岩石合成処理装置。
【請求項８】前記熱処理炉は、前記スラグブロック成
形鋳型から脱型された鋳造スラグが投入される裏張り耐
火壁を備えた炉体と、該炉体内で堆積する鋳造スラグを
加温する熱ガス発生装置とを有し、前記鋳造スラグ内部
からの復熱作用によって残留非晶質部分を二次再結晶さ
せると共に残留内部歪を除去する竪型シャフト炉である
ことを特徴とする請求項３、請求項５または請求項６の
いずれかに記載された焼却灰溶融スラグからの人工岩石
合成処理装置。