JP4012344B2

JP4012344B2 - 高炉スラグ細骨材の製造方法

Info

Publication number: JP4012344B2
Application number: JP22545599A
Authority: JP
Inventors: 哲治茨城; 祐治遠田; 正人真沢
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2019-08-09
Also published as: JP2001048603A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉から排出された溶融スラグを水を用いて急冷して、コンクリートやモルタル等に用いられる細骨材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炉から排出されるスラグの処理方法は、スラグを溶融状態でヤードやドライピットに流して徐冷する方法と、溶融状態のスラグを、加圧水を噴出している水樋の中で水冷し、急速冷却する方法がある。このうち、水冷する方法で製造された高炉スラグは、水砕スラグと呼ばれる５mm以下の粒径のガラス質の固形スラグである。この水砕スラグは、微破砕して、高炉セメント原料とする用途があるとともに、無加工もしくは、軽破砕して、天然砂代替の土木建築用の原料としても利用されている。
【０００３】
この土木建築用の用途のうちには、コンクリートやモルタル等に使用される細骨材（以降、スラグ細骨材と称す）がある。特に、近年は海砂の採取規制や陸砂開発に伴う環境破壊の問題も発生しており、天然資源を保全するための重要なリサイクル材料として、スラグ細骨材の需要が高まっている。
【０００４】
スラグ細骨材は、高炉セメント原料用の微粉末に用いられる水砕スラグとは異なる物性が要求されており、ＪＩＳ-Ａ５０１1にも規定されているように、比較的比重が大きく、吸水率の少ない水砕スラグである。例えば、特開昭５５−１３６１５１号公報記載の方法のように、その冷却方法も、高炉セメント原料用水砕のものとは異なっており、比較的冷却の強い条件で製造されている。このような冷却方法の改善で、絶対乾燥比重、単位容積質量の大きい、細骨材に適用しやすい水砕スラグを製造する。
【０００５】
このように製造したスラグ細骨材は、通常は、川砂、陸砂、砕砂等の他細骨材との混合用に用いられる。この際に、製品であるスラグ細骨材の重要な要件としては、平均粒径がある。つまり、混合する相手の細骨材との合成粒度分布がＪＩＳＡ５０１1に示される分布範囲の中央になるように混合比率が設定される。したがって、高炉スラグ細骨材の粒径も、平均粒径は２mm前後の粗めのものから１mm以下の細めのものが製造され、混合用細骨材として使用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、コンクリートおよびモルタルの細骨材に要求される物性は、比較的緻密で、絶対乾燥比重、単位容積質量の大きいものが製造されている。しかし、従来技術を用いた水砕スラグの製造方法では、ただ単に溶融スラグを冷却すれば良いとの考えしかなく、水冷の際に溶融スラグから発生する窒素を主体とするガスのため、高炉水砕スラグは粒子内に残留気泡が多い問題を解決できていなかった。つまり、従来技術では、安定的にこの気泡を少なくし、緻密な固形スラグを製造することは困難であった。
【０００７】
細骨材の性能を示す物性値としては、JISに規定された、絶対乾燥比重（単粒子の見かけ比重）と単位容積質量（嵩比重）があり、いずれも高い数値を示す方が良好な細骨材である。また、実積率（粒子の空間充填率）も物性指標であり、通常は５７％以上が要求されている。ところが、従来技術で製造された水砕スラグの場合は、JISを満足することは困難なものが多く、細骨材としての用途も制限されているのが現状であった。
【０００８】
水砕スラグが緻密化しづらい理由は以下の通りである。高炉内では、炉内に吹き込まれた高圧の熱風中の窒素が、溶融スラグ中に窒化物として溶け込んでいる。この窒素が、水で急冷される際に、溶融スラグから放出されるため、水砕スラグは多孔質となる。水砕スラグ製造の水冷装置は、高炉の鋳床のスラグ樋の落し口に設置されており、スラグの温度が高く、また、溶融状態での窒素抜けの時間が十分でないことが一般的な水砕製造装置の条件であった。
【０００９】
一般的な水砕装置においては、発泡反応を抑制するために、特開昭５５−１３６１５１号公報記載の方法の例にも見られるように、スラグの冷却速度を速くすることが行われている。しかし、この方法では、発泡抑制効果が十分でないことから、スラグ細骨材としての性能が安定して実現できなかった。その結果、スラグ温度や冷却水の条件が良好な場合は、緻密な水砕スラグが製造されているものの、その条件を絶えず維持できていなかったことから、定常的に緻密な水砕スラグを得ることができなかった。
【００１０】
この様に、高炉スラグの冷却条件が、十分に解明されておらず、また、発泡抑制の技術が不十分であったことから、高炉スラグを冷却水で急冷することにより、コンクリートおよびモルタル用細骨材向けの高炉水砕スラグを経済的に製造する技術がなかった。したがって、高炉スラグの発泡を抑制しながら、水冷して、コンクリートおよびモルタル用細骨材向けの高炉水砕スラグを安定的に製造する技術が求められていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）から（２）である。
（１）高炉スラグを冷却して、細骨材を製造する方法において、高炉から排出された溶融状態のスラグに、結晶水を３質量％以上含有する粉体を添加して、溶融スラグと粉体の混合物を製造し、当該混合物を５立方メートル以上のスラグ保持容器中で、１５分間以上滞留させ、１,３００℃以上、１,４５０℃以下の温度にした後、噴出する冷却水をかけて急冷することを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
（２）水温６０℃以下、水樋中の流速が５〜２０m/秒の冷却水をスラグ質量の７倍の比率で溶融スラグと接触させることを特徴とする項（１）記載の高炉スラグ細骨材の製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に基づく操業を行った高炉水砕スラグの製造設備の工程フロー図を示す。溶融スラグは出銑孔から溶鉄とともに高炉本体１から、１５００℃から１５８０℃の温度で、排出される。この溶融スラグは大樋２を通り、スキンマー３で溶銑と溶融スラグに分離される。溶融スラグは、スラグ樋５を経由して、溶融スラグ保持容器６で一時滞留した後、更に、スラグ樋７を経由して、水冷装置に落とされる。水冷装置では、冷却水ポンプ１１から冷却水配管１２を経由して、送水された高圧水は冷却水吐出装置９から噴出しており、落ちてきた溶融スラグは水砕樋中の水中で、急速に冷却されて、固化スラグとなる。この固化スラグは、水砕スラグを呼ばれ、通常は、９０％以上のガラス化率である。また、スキンマー３で分離した熔銑は、熔銑樋４を通して、抽出される。
【００１３】
本発明者らは、コンクリートおよびモルタル用細骨材向けの高炉水砕スラグの性能を向上するために、緻密な水砕スラグを製造することを阻害している要因は、高圧の高炉の炉内で押し込まれた溶融スラグ中の窒素であることに注目した。更に、溶融スラグ中の窒素含有量を低減し、かつ、水冷中の溶融スラグの凝固時間を短くすることが重要な要件であることを解明した。本発明者らは、そのために、溶融スラグを保持容器６中で滞留させることにより、過飽和の窒素を抜き、溶融スラグ温度を下げて、冷却中の凝固時間を低減する方法が有効であることを見出した。
【００１４】
窒素除去のために必要なスラグ滞留時間は、この保持容器内での温度でのほぼ飽和窒素濃度になるまで、過飽和状態の窒素を放出させる時間であり、この時間が最低１５分間必要であることを、本発明者らは解明した。この結果を図３に示す。
【００１５】
スラグ保持容器６での溶融スラグの平均滞留時間は、１５分間以上とするため、高炉の溶融スラグの排出速度と１５分間以上の平均滞留時間から計算される容量の保持容器が必要となる。例えば、溶融スラグの排出速度が、毎分１トンの設計の高炉においては、スラグ保持容器６の容積は、１５トン分以上が必要である。溶融状態の高炉スラグの比重は約２．３であることから、この場合は、約６．５立方メートル以上の容積となる。
【００１６】
一方、スラグ保持容器６の容積が小さすぎると、容器内で溶融スラグが固化しやすく、操業できなくなる問題や容器整備上の問題も生じる。この問題の解決のための研究を重ねた結果、本発明者らは、容量が５立方メートル以上であることが操業維持のために、必要であることを見出した。したがって、溶融スラグの保持容器の容積は、５立方メートルもしくは溶融スラグの平均滞留時間が１５分間で計算される容積のいずれか大きい方で決まるものである。
【００１７】
スラグ保持容器６で過飽和の窒素を除去した場合、急冷前の溶融スラグと凝固温度の差が小さいほど、凝固時間が短くなり、窒素が窒化物として固体内に閉じ込められる状態を作れることが判明した。その結果、スラグ保持容器６で抜けきれなかった窒素量を少なくすることができるため、溶融スラグはある温度以下であることが重要であることを解明した。緻密な水砕スラグを製造するためには、水冷装置での冷却開始前の溶融スラグ温度は、スラグ樋での温度降下と溶融スラグ保持容器での温度降下の効果を利用して、１４５０℃以下とすることを本発明の操業条件とした。また、１３００℃未満の温度では、溶融スラグがスラグ樋内で固化してしまうので、急冷前の溶融スラグ温度は、１３００℃以上、１４５０℃以下が本発明の条件である。
【００１８】
次に、効率的に溶融スラグ中の窒素含有量を低減し、かつ、スラグ温度を低化させる方法として、図1に示すように、スラグ保持容器６の前で、常温の粉体を粉体供給ビン１３から粉体供給パイプ14を介して、供給する方法が有効であることを発明した。スラグ樋中のスラグに添加された粉体は、スラグ保持容器６中で溶融スラグと混合する。この時、溶融スラグは冷却され、かつ、温度の低化に伴い、飽和窒素濃度が低減されるため、スラグ保持容器６の中でのスラグの窒素の放出が促進される。
【００１９】
この粉体に結晶水が含まれる場合は、水の酸素と溶融スラグ中の窒素の置き換え反応が生じるため、脱窒素がいっそう促進される。したがって、例えば、蛇紋岩のような、３質量％以上の結晶水を含む粉体を使用することが、更に、望ましい。
【００２０】
次に、本発明の条件である溶融スラグの冷却条件としては、前述した様に、冷却速度が高く、凝固時間が短いほど、窒素の放出量が少なくなり、緻密な水砕スラグを製造できるため、冷却速度の支配因子である、冷却水の溶融スラグの質量比率と冷却水温度が重要である。水砕スラグ１５の製造は、図２に示されるような装置で行われ、溶融スラグ８は、冷却水樋１０中に落下して、そこで、急冷される。
【００２１】
この水砕スラグ１５の製造装置での冷却は、スラグ粒子と冷却水の間の膜沸騰伝熱であるため、冷却水温度の影響が大きく、この温度が６０℃以下であると冷却は良好になることを、本発明者らは解明した。また、冷却水と溶融スラグの質量比率の冷却に影響を与えることから、冷却水／溶融スラグの質量比率が７以上であることも、良好な冷却条件を実現するための条件である。
【００２２】
細骨材としての水砕スラグの粒径は、約２mmから０．６mmの範囲の需要があるため、水砕スラグの製造条件と粒径の関係を調査して、この範囲の粒径の水砕スラグ製造を実現する条件と探索した。その結果、本発明者らは、水砕スラグの粒径が冷却水と高炉スラグが流れる冷却水樋中の冷却水の流速に影響されることを突き止め、種々の研究を繰り返した結果、冷却水の流速が大きいほど、水砕スラグの粒径が小さく、流速が小さいほど、粒径が大きいことを解明した。この結果を図４に示す。約２mmの粒径の水砕スラグを製造するための条件は、５m/sの流速であり、０．６mmの粒径の水砕を製造するための条件は、２０m/sの流速であることを解明した。したがって、良好なスラグ細骨材を製造するためには、冷却水樋中の水の流速を５m/s以上、２０m/s以下とすることが望ましい。
【００２３】
本発明を行うためには、高炉の鋳床にスラグ保持容器を設置する必要があるが、鋳床の面積や高さが不十分である場合は、これが不可能である。その場合は、高炉鋳床のスラグ樋から、５立方メートル以上の容積のスラグ保持容器に溶融スラグを入れ込み、ここに１５分間以上保持し、その後、溶融スラグを冷却水で急冷することでも、前述の方法と同様の効果が得られる。この場合は、溶融スラグを鋳床に戻すことが困難であることが多いので、移動式の保持容器に溶融スラグを入れ、高炉から離れた場所で、溶融スラグを冷却水で急冷することも有効な手段である。スラグ保持容器は、容器表面に固化して付着するスラグの剥離性の良い鉄製のものを使用することが良い。この際、容器製造の容易さからいって、鋳鉄製が望ましい。
【００２４】
以上に説明した方法で製造した高炉水砕スラグは、緻密で、絶対乾燥比重や単位容積質量が大きく、コンクリートおよびモルタル用の細骨材としては、良好な性能を有しているが、その中に一部のスラグが針状となっている。この針状のスラグが存在することにより、セメントと水の混合物と練りこんでモルタルを製造した時の流動性が悪化する問題が残る。
【００２５】
その対策として、上記の方法で製造した高炉水砕スラグを破砕加工することにより、針状のスラグを破壊することが有効な方法である。この時の破砕加工の度合いは、原鉱水砕スラグの性状によって異なる。そこで、本発明の条件で製造した水砕スラグを破砕加工する条件を種々検討を重ねた結果、破砕の度合としては、平均粒径が３／５以下とすることが有効であることを、本発明者らは解明した。平均粒径が３／５以下となるまで、破砕加工をすれば、この効果により、針状スラグのほとんどが破壊され、細骨材としての性能が更に向上するを解明した。破砕の方式は特に限定することはないが、インパクトクラッシャー、コーン式クラッシャーを用いることが良い。
【００２６】
【実施例】
図１に示される装置を用いて、高炉スラグ細骨材を製造した実施例を、表1に、示す。細骨材としての高炉水砕スラグの性能を示す物性指標としては、絶対乾燥比重、単位容積質量、以上、ＪＩＳ-Ａ５０１1の規定値、および、実積率を用いた。
【００２７】
実施例２は脱窒素の粉体添加の実施例として示した。絶対乾燥比重と単位容積質量は更に向上している。実施例３は脱窒素に結晶水を含む粉体を添加した例である。水砕スラグはかなり緻密になり、絶対乾燥比重と単位溶接質量は更に良好な結果であった。
【００２９】
最後に、破砕加工での性能改善の結果を実施例５に示す。加工前の水砕は、実施例１のものを用いた。絶対乾燥比重と単位容積質量ともに、改善しており、また、実積率としては、６１％と天然細骨材と同等の物性となっている。
【００３０】
表1の比較例に、参考として、従来技術による高炉水砕スラグの物性を示す。絶対乾燥比重と単位容積質量ともに、ＪＩＳ-Ａ５０１1の規定値を満足しておらず、細骨材としては、かなり性能の悪いものであった。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、水を用いて急冷した水砕スラグを、緻密に製造することができることから、安価かつ大量に、コンクリート、およびモルタル向け等の細骨材としてを製造できる。また、スラグ細骨材に適正な粒径分布も実現できる。更に、適正な水砕スラグの破砕条件も提供することから、破砕を行うことで原鉱水砕スラグの性状改善を行い、コンクリート、およびモルタル向けに適正な細骨材を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いた装置の概要を示す図である。
【図２】本発明に用いた水砕装置の詳細図である。
【図３】スラグ保持容器中での溶融スラグの保持時間と水砕スラグの絶対乾燥比重の関係を示す図である。
【図４】水砕樋中の冷却水流速と水砕径の関係を示す図である。
【符号の説明】
１高炉本体
２大樋
３スキンマー
４溶銑樋
５スラグ樋
６スラグ保持容器
７スラグ樋
８溶融スラグ
９冷却水吐出装置
１０水砕樋
１１冷却水ポンプ
１２冷却水配管
１３粉体供給ビン
１４粉体供給パイプ
１５水砕スラグ
１６冷却水流

Claims

高炉スラグを冷却して、細骨材を製造する方法において、高炉から排出された溶融状態のスラグに、結晶水を３質量％以上含有する粉体を添加して、溶融スラグと粉体の混合物を製造し、当該混合物を５立方メートル以上のスラグ保持容器中で、１５分間以上滞留させ、１,３００℃以上、１,４５０℃以下の温度にした後、噴出する冷却水をかけて急冷することを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
水温６０℃以下、水樋中の流速が５〜２０m/秒の冷却水をスラグ質量の７倍の比率で溶融スラグと接触させることを特徴とする請求項１記載の高炉スラグ細骨材の製造方法。