JP4637880B2 - 製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気炉などの製鋼工程において生成される還元期の溶融スラグを冷却する際に、スラグの崩壊による粉塵の発生を防止できる製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法に関する。

電気炉製鋼法又はステンレス製鋼法において発生する還元期の溶融スラグ（以下、単に還元期スラグ又は溶融スラグともいう）は、冷却過程において粉化するため、その取り扱い作業中に粉塵が発生していた。
一般に、上記した方法で発生する還元期スラグは、脱硫などに代表される精錬能力を高めるため、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が高くなる傾向がある。このスラグのうち、塩基度が１．５以上のスラグは、トリカルシウムシリケート（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２）とダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）を含んでいる。

このトリカルシウムシリケートは、冷却過程でダイカルシウムシリケートとライム（ＣａＯ）に分解する。
また、ダイカルシウムシリケートは、冷却過程で、約２１３０℃で液相からα型に、約１４５０℃でα型からα´型へ相転移し、更に約８５０℃でα´型からγ型に相転移する。このうち、α´型からγ型への相転移は、ダイカルシウムシリケートの密度が３３１０ｋｇ／ｍ^３から２９７０ｋｇ／ｍ^３へと小さくなる膨張変態であるため、体積膨張により粉化現象が生じる。

従来、これらの還元期スラグの処理方法としては、溶滓鍋で運搬されてきた高温の溶滓を滓畠全体に広がるように（展開状に）放流し、空冷させる方法がある。しかし、この方法では、処理に長時間を要するだけでなく、広い場所（畠）を確保しなければならず、更には、屋外で冷却するため強風時に粉化したスラグが発塵するという問題があった。
そこで、処理時間の短縮と、発塵の防止を目的として、例えば、特許文献１には、溶融スラグを地表に配置した傾斜床上に広げて急冷する方法が開示されている。また、特許文献２には、水砕スラグを製造する方法であり、高温スラグを鍋から水砕樋を介して水槽中に投入する方法が開示されている。

詳細には、特許文献１では、ステンレス鋼溶製時に発生する溶融スラグを、その温度が１３００℃以下になるまで溶滓鍋中に保持した後、地表に配置した傾斜床上に放流し、この溶融スラグに散水して急冷することで、β型に変態した緻密なスラグに固化させている。
また、特許文献２では、溶融スラグを専用の溶滓鍋に受け取り、この溶融スラグを溶滓鍋から、巾広く噴射された高圧水上に注出して小粒化すると共に、この小粒滓と水の混合物を水槽内に落下させて急速に冷却している。

特開昭６３−２７７５４１号公報 特開昭６３−６９７３５号公報

しかしながら、特許文献１では、１３００℃以下の溶滓を傾斜床上に広げて放流した後、この溶融したスラグに散水してスラグを急冷するため、散水された冷却水が溶滓表面上に滞留する。これにより、冷却水が急激に加熱されて沸騰し水蒸気となり、体積が急激に膨張して上昇気流が生じるため、スラグ表面で粉化したスラグがこの上昇気流と共に舞い上がり、環境を悪化させる恐れがある。
また、特許文献２では、溶融スラグを冷却水により急冷するため、スラグ崩壊による発塵の問題が生じないばかりでなく、スラグの冷却場所も不要である。しかし、この処理に際しては、処理装置が必要であり、多額の設備投資とその処理費用がかかって経済的でなく、しかもスラグ量に対する冷却水量が過小の場合には、水蒸気爆発の危険性を伴うという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、還元期の溶融スラグの冷却を、環境に悪影響を与えることなく、経済的かつ安全に実施可能な製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法は、製鋼工程で発生する還元期の溶融したスラグを放冷して６００℃以上８００℃以下の温度に凝固させた後、該凝固したスラグの上部に、該スラグ１ｍ^２当たり０．４ｍ^３／時間以上１．５ｍ^３／時間以下、かつ該スラグ１トン当たり０．５ｍ^３以上１．４ｍ^３以下の冷却水を霧状に散水して、該スラグの崩壊による粉塵の発生を防止しながら該スラグを冷却する。

本発明に係る製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法において、前記冷却水による散水は、前記凝固したスラグを１５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の厚みに均して行うことが好ましい。
本発明に係る製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法において、前記放冷は、前記還元期の溶融したスラグを溶滓鍋に受けて冷却した後、該溶滓鍋を冷却ピットに移動させて傾倒して、該スラグを該冷却ピットに排出して行い、前記冷却水による散水は、前記凝固したスラグを水冷ピットに入れて行うことが好ましい。

請求項１〜３記載の製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法は、スラグの上部に対して所定量の冷却水を霧状に散水し、スラグの表面を均一に冷却するので、小さな水滴がスラグ表面で気化し、その蒸発熱でスラグの熱を奪うことができる。このため、スラグの冷却効率を高めることができ、冷却時間の短縮が図れる。
また、スラグを凝固させた後に、冷却水を散水しスラグを冷却するため、溶融状態のスラグに冷却水が接触することで起こる冷却水の突沸現象、及び十分に冷却されていないスラグ（例えば、未冷却塊スラグ）が冷却水中に浸漬することで起こるスラグの突沸現象を防止でき、粉塵の発生、及びこれに伴う粉塵の飛散を防止できる。
そして、冷却水を霧状に散水するので、スラグの上方にミストのカーテン（霧で覆われた空間）を形成できる。これにより、スラグの表層部で発生した粉塵を包み込み、また粉塵が飛散した場合には、その粉塵を捕捉して落下させることができるので、粉塵の発生及び飛散を防止できる。
以上のことから、還元期の溶融スラグの冷却を、環境に悪影響を与えることなく、経済的かつ安全に実施できる。

特に、凝固したスラグの温度を規定するので、冷却水による散水の際に、スラグの突沸現象を確実に防止して、粉塵の発生を防止できる。
請求項２記載の製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法は、均したスラグの厚みを規定するので、スラグを適切な厚みに調整でき、冷却水による冷却効率を更に高めることができる。
請求項３記載の製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法は、水冷ピットに入れたスラグに対して、冷却水による散水を行うので、粉塵が飛散した場合には、冷却水に捕捉されて水冷ピット内に堆積させることができる。このため、全てのスラグは冷却水により浸潤された状態となり、その後の処理作業で粉塵の発生はなく、例えば、スラグの水切り等の処理を行って、スラグの水分量を調整することで、骨材等の二次利用も可能となる。
なお、還元期の溶融したスラグは、スラグの処理を行う際に通常使用する溶滓鍋、冷却ピット、及び水冷ピットを使用して冷却処理するので、多大な設備投資を行うことなく、既存の設備を使用でき経済的である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法の説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法に使用する粉塵発生防止装置の平面図、側断面図、図３は実験に使用した散水式装置の説明図、図４は実験に使用した放流式装置の説明図、図５はスラグ１トン当たりの注水原単位と粉塵濃度との関係を示す説明図である。

図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法は、製鋼工程で発生する還元期の溶融したスラグ（以下、還元期スラグ又は溶融スラグともいう）を放冷して凝固させた後、凝固したスラグ（以下、凝固スラグともいう）１０の上部に冷却水を霧状に散水して、凝固スラグ１０の崩壊による粉塵の発生を防止しながら凝固スラグ１０を冷却する方法である。以下、詳しく説明する。

まず、製鋼工程で発生する溶融スラグを溶滓鍋１１に受滓して、鍋内で一定時間（例えば、４〜５時間程度）冷却し、溶融スラグの温度を、例えば、８００〜１３００℃の範囲内の温度まで下げる。なお、溶融スラグは、例えば、電気炉又はＡＯＤ炉から発生したものを使用できる。
次に、鍋運搬車１２により、溶滓鍋１１を冷却ピット１３に移送し、表層部が凝固した状態で、内部が溶融状態となった半凝固スラグ１４を、溶滓鍋１１を傾倒させることで、溶滓鍋１１から冷却ピット１３へ排出して放冷する。

半凝固スラグ１４を冷却ピット１３内で放冷し（例えば、放冷時間、１〜２時間）、その内部が凝固した時点、例えば、スラグの温度が６００℃以上１０００℃以下となった時点で、この凝固スラグ１０を重機（例えば、バックホー）１５により水冷ピット１６に入れる。
ここで、凝固スラグ１０の温度を６００℃以上１０００℃以下（好ましくは、上限を８００℃）とすることで、過剰に冷却時間を要することなく、しかも半凝固スラグ１４を確実に凝固することができる。

また、水冷ピット１６に入れられる凝固スラグ１０は、その厚みが１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下（好ましくは、下限を１５０ｍｍ、上限を３００ｍｍ）となるように、均し作業を行う。これにより、凝固スラグ１０の冷却効率を十分に高めることができる。
均し作業が終了した直後、凝固スラグ１０の上部に対して、図１、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す水冷ピット１６の上部に設けられた複数（１つでもよい）の散水ノズル１７により、冷却水を霧状に散水し、ミストカーテン１８（霧で覆われた空間）を形成する。
この水冷ピット１６は、例えば、深さが２〜５ｍ程度、一辺が３〜１０ｍ程度で、平面視して長方形（例えば、正方形、多角形、円形、又は楕円形でもよい）となっている。

また、散水ノズル１７は、冷却水を霧状に散水できるものであり、散水ノズル１７からの散水範囲が水冷ピット１６の開放部を覆うように、本実施の形態では、水冷ピット１６の各コーナー部に、それぞれ１台ずつ配置されている。なお、上記した条件を満足できれば、この配置の仕方に限定されない。
そして、散水ノズル１７は、冷却水の散水条件（例えば、水冷ピットの大きさ、散水ノズルの設置個数、又は冷却水の噴霧水圧）に応じて、水平方向、斜め上方向、又は斜め下方向に冷却水を噴霧できる。
以上に示した水冷ピット１６と散水ノズル１７が、粉塵発生防止装置１９を構成する。

ここで、冷却水を散水する理由について、散水式冷却（以下、単に散水式ともいう）と放流式冷却（以下、単に放流式ともいう）を比較した小規模実験の結果を用いて説明する。
まず、実験に供したスラグの組成と塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）を表１に示す。この表１においては、代表的な化学成分量を分析しているため、その合計値が１００質量％になっていない。

この散水式の実験には、図３に示す散水式装置２０を使用した。この散水式装置２０は、前記した粉塵発生防止装置１９の実験装置であり、内径５６０ｍｍ、深さ８５０ｍｍの缶２１（水冷ピット１６に相当）と、この缶２１の上部に取付けられた散水ノズル２２（散水ノズル１７に相当）とを有している。なお、缶２１の内部で発生した粉塵は、缶２１の上部に設けられた円筒型のろ紙２３を介して吸引ポンプ２４により吸収され、その濃度が測定される。
一方、比較例である放流式の実験には、図４に示す放流式装置２５を使用した。この放流式装置２５は、上記した缶２１と同一構成の缶２６と、この缶２６の上部側壁近傍に、放水口２７が真下を向くように取付けられた給水用配管２８とを有しており、上記した散水式装置２０と同様の手段により、粉塵の濃度を測定できるものである。

実験に際しては、各缶２１、２６の底部に、それぞれ凝固した１０００℃の凝固スラグ２９を、厚みが１５０〜３００ｍｍとなるように敷き詰めた後、開閉バルブ３０を開き、散水式試験については、冷却水を散水ノズル２２により凝固スラグ２９の上面に対して均一に１５分間散水し、放流式試験については、給水用配管２８により缶２６の底部に冷却水を放流してその液面を上昇させ、それぞれ発生した粉塵の濃度を測定した。
得られた結果を表２に示す。なお、各実験１〜４は、凝固スラグ量、スラグの厚み、及び冷却水の注水量を、それぞれ変えた結果である。

表２から明らかなように、散水式装置２０を使用した場合の粉塵濃度は０．４〜１．４５ｇ／ｍ^３であり、一方、放流式装置２５を使用した場合の粉塵濃度は５．９〜３６．８５ｇ／ｍ^３であった。このように、散水式装置２０を使用した場合は、飛散する粉塵量が少なく、放流式装置２５を使用した場合の粉塵量の１／４〜１／２５程度であった。

このように、散水式装置２０を使用した場合に粉塵濃度を低値にできたのは、凝固スラグ２９の上面全体が冷却水により充分に浸潤され、これにより凝固スラグ２９の表面で水分が蒸発して凝固スラグ２９の熱を奪うことができ、また発生した粉塵をミストカーテンで捕捉して落下させたためだと考えられる。一方、放流式装置２５を使用した場合に粉塵濃度が高値になったのは、缶２６の底部から水位を上昇させながら高温の凝固スラグ２９を冷却するため、水が溜まった状態で水の沸騰と蒸発が同時に生じ（突沸現象）、粉化した粉塵が蒸気と共に舞い上がったためだと考えられる。
この実験により、散水式装置２０を使用した場合、即ち粉塵発生防止装置１９を使用した場合の有効性を確認できた。

なお、粉塵発生防止装置１９の散水ノズル１７を使用して冷却水を散水するに際しては、凝固スラグ１０に対して、凝固スラグ１ｍ^２当たり０．４ｍ^３／時間（ｍ^３／ｈｒ・ｍ^２とも言う）以上１．５ｍ^３／時間以下、かつ凝固スラグ１トン当たり０．２ｍ^３（ｍ^３／ｔ−スラグとも言う）以上１．４ｍ^３以下の冷却水を、霧状に散水する。
ここで、凝固スラグ１ｍ^２当たりの冷却水量（ｍ^３／時間）を規定した理由について、表２を参照しながら説明する。
散水式装置の場合、注水量を０．４ｍ^３／時間以上１．５ｍ^３／時間以下（好ましくは、下限を０．７ｍ^３／時間、上限を１．２ｍ^３／時間）の範囲内に調整することで、粉塵濃度を０．４〜１．４５ｇ／ｍ^３の範囲にでき、放水式装置と比較して大幅に低減できることが分かった。

また、凝固スラグ１トン当たりの冷却水量（ｍ^３）を規定した理由について、図５を参照しながら説明する。なお、図５は、前記した散水式装置２０により得られた表２に示す注水原単位と粉塵濃度との関係を、グラフ化したものである。
散水式装置（◆）の場合、注水原単位を０．２ｍ^３以上１．４ｍ^３以下（好ましくは、下限を０．５ｍ^３、上限を１．０ｍ ^３ ）の範囲内に調整することで、粉塵濃度を０．４〜１．４５ｇ／ｍ^３の範囲にでき、放水式装置（■）と比較して大幅に低減できることが分かった。
以上のことから、上記した２つの散水条件を満足した冷却水の散水は、粉塵発生防止に有効であることが分かった。

従って、粉塵発生防止装置１９を使用し、凝固スラグ１０に冷却水を散水して冷却することにより、スラグの突沸現象を防止でき、粉塵の発生、及びこれに伴う粉塵の飛散を防止できる。
また、冷却水を霧状に散水することにより、凝固スラグの表面を均一に冷却しながら、発生する粉を包み込み、かつ飛散した粉塵をミストカーテン１８で捕捉して水冷ピット１６に降下させることができるので、粉塵の飛散を防止できる。このとき、飛散した粉塵も捕捉されて水冷ピット１６内に堆積するため、凝固スラグ１０はすべて水により浸潤された状態となり、その後の処理作業で粉塵の発生はなく、水切り等の処理を行って適度な水分量にすることで、骨材等の二次利用もできる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について、図１、図２（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら説明する。
まず、製鋼工程のＡＯＤ炉（図示しない）で発生した溶融スラグを溶滓鍋１１に１チャージ（１回当たり）５トン受滓した後、鍋内で４〜５時間冷却してスラグ温度を８００〜１３００℃にした。次に、このスラグを鍋運搬車１２により冷却ピット１３に移送し、溶滓鍋１１を傾倒させ、半凝固スラグ１４を冷却ピット１３に入れて放冷した。なお、この冷却ピット１３には、４チャージ分の半凝固スラグ１４を２０トン移して放冷した。

このように、半凝固スラグ１４を放冷した後、内部の溶滓が凝固した時点（放冷時間：１〜２時間、スラグ温度：約６００〜１０００℃）で、これを重機（バックホー）１５で水冷ピット１６（一辺：５ｍ×８ｍ、深さ：３ｍ）に移して均し作業を行った。その直後、水冷ピット１６のコーナ上部４点から、散水ノズル１７による冷却水の霧状散水を行い、凝固スラグ１０の表面を均一に冷却しながら、発生する粉を包み込み、かつ飛散する粉塵をミストカーテン１８で捕捉し、水冷ピット１６に降下させて、粉塵の飛散を防止した。
得られた結果を表３に示す。なお、表３には、散水式の試験結果と共に、放流式の試験結果も合わせて記載している。

表３に示す散水式の試験で使用した凝固スラグ量は２０トン、その厚みは平均０．３ｍであり、冷却水の散水による冷却前のスラグ温度は６００〜１０００℃であった。
また、散水ノズル１７は、広角（噴射角度９０度以内）のフラット型（水圧０．２ＭＰａ）であり、これを水冷ピット１６の４角に設置した。この散水ノズル１７を用い、冷却水を２５０Ｌ／分（リットル／分）の水量で２０分間散水することにより、合計２０ｍ^３の冷却水を散水した。このとき、冷却水の散水量は、１ｍ^３／分で２０分（即ち、１．５ｍ^３／ｈｒ・ｍ^２）であり、散水原単位は１．０ｍ^３／ｔ−スラグであった。

また、放流式の試験には、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す放流式装置３１を使用した。この放流式装置３１は、粉塵発生防止装置１９の水冷ピット１６の上部側壁に、放水方向（軸心）が真下に近づくように放水用配管３２を斜めに取付けたものである。
この放流式装置３１を使用し、水冷ピット１６に対して冷却水を下向きに放水し、凝固スラグ１０の底部から冷却した。なお、凝固スラグ量、その厚み、及び冷却前のスラグ温度は、前記した散水式の試験と同じである。
また、冷却水の放流量は、１ｍ^３／分で２０分であり、散水式の場合と同様、合計を２０ｍ^３とした。

冷却水の散水、又は放流が終了した後は、スラグ１０が３００℃に冷却されるまで水冷ピット１６内に放置し、冷却時間の経過と共にその温度を測定した。ここで、スラグ１０の冷却時間の測定を、スラグ温度が３００℃になるまでとしたのは、次工程でのスラグの取り扱いを、安全かつ効率的に実施できる温度が３００℃程度だからである。なお、散水式及び放流式のいずれについても、試験は５回ずつ行っており、得られた温度の平均値及びその偏差を、冷却時間ごとに、表３に記載している。

放流式では、冷却時間が６時間のときに突沸現象が発生して、多大な粉塵が発生した（表３中の＊１）。この突沸現象は、図７に示すように、十分に冷却されていなかった未冷却の塊スラグが、凝固スラグの上部から崩れ落ち、冷却水中に水没して爆裂したためと考えられる。なお、凝固スラグの温度が３００℃以下に低下するまで８時間を要した。
一方、散水式では、突沸現象は生じなかった。また、凝固スラグの温度が３００℃に低下するまで６時間を要し、放流式よりも２時間短縮できることを確認できた。なお、表３の８時間経過時の凝固スラグの温度が、７時間経過時の凝固スラグの温度より上昇しているのは、凝固スラグ中に塊スラグが残存し、冷却しにくい状態の試験結果が含まれていたことに起因するものと考えられる（表３中の＊２）。

なお、散水式については、上記した処理を１ヶ月間行ったが、突沸現象は１度も発生しなかった。一方、放流式については、１ヶ月間に３回の突沸現象が発生した。
このように、水冷ピット１６内で３００℃まで冷却されたスラグは、約２２質量％の水分を含んで泥状になっているため、重機１５で水冷ピット１６から排出して水切りし、水分を調整して（約１４質量％以下）骨材等の用途に供する。この間の作業中は、スラグが水分を含んでいるため、粉塵の発生（飛散）はなかった。
以上のことから、本発明を適用することで、還元期の溶融スラグの冷却を、環境に悪影響を与えることなく、経済的かつ安全に実施できることを確認できた。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。

本発明の一実施の形態に係る製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法に使用する粉塵発生防止装置の平面図、側断面図である。 実験に使用した散水式装置の説明図である。 実験に使用した放流式装置の説明図である。 スラグ１トン当たりの注水原単位と粉塵濃度との関係を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来例に係る放流式装置の平面図、側断面図である。 未冷却塊スラグの突沸現象の説明図である。

１０：スラグ、１１：溶滓鍋、１２：鍋運搬車、１３：冷却ピット、１４：半凝固スラグ、１５：重機、１６：水冷ピット、１７：散水ノズル、１８：ミストカーテン、１９：粉塵発生防止装置、２０：散水式装置、２１：缶、２２：散水ノズル、２３：円筒型のろ紙、２４：吸引ポンプ、２５：放流式装置、２６：缶、２７：放水口、２８：給水用配管、２９：凝固スラグ、３０：開閉バルブ、３１：放流式装置、３２：放水用配管

Claims (3)

1. 製鋼工程で発生する還元期の溶融したスラグを放冷して６００℃以上８００℃以下の温度に凝固させた後、該凝固したスラグの上部に、該スラグ１ｍ^２当たり０．４ｍ^３／時間以上１．５ｍ^３／時間以下、かつ該スラグ１トン当たり０．５ｍ^３以上１．４ｍ^３以下の冷却水を霧状に散水して、該スラグの崩壊による粉塵の発生を防止しながら該スラグを冷却することを特徴とする製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法。
2. 請求項１記載の製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法において、前記冷却水による散水は、前記凝固したスラグを１５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の厚みに均して行うことを特徴とする製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法。
3. 請求項１又は２記載の製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法において、前記放冷は、前記還元期の溶融したスラグを溶滓鍋に受けて冷却した後、該溶滓鍋を冷却ピットに移動させて傾倒して、該スラグを該冷却ピットに排出して行い、前記冷却水による散水は、前記凝固したスラグを水冷ピットに入れて行うことを特徴とする製鋼還元期スラグの粉塵発生防止方法。

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