JP4932308B2

JP4932308B2 - 溶融高炉スラグの処理方法及び処理装置

Info

Publication number: JP4932308B2
Application number: JP2006110194A
Authority: JP
Inventors: 一郎江藤; 悦郎野田; 均三瓶; 正己小野田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: JP2007284263A

Description

本発明は，スラグ粒の再融着を防止しつつ溶融高炉スラグが保有する熱を回収するとともに，必要に応じ，簡易に硬質（コンクリート細骨材用）スラグあるいは軟質（セメント用）スラグを作り分けることが可能な，溶融高炉スラグの処理装置及び処理方法に関するものである。

高炉から排出される銑鉄から比重分離した溶融スラグを冷却処理してスラグ粒子が製造されている。溶融高炉スラグの処理方法として，溶融高炉スラグを大量の水で急冷してスラグ粒子を製造する水砕による処理方法と，流下する溶融高炉スラグに機械的な打撃を加えて粒子化し，冷却してスラグ粒子を製造する乾式粒滴化法による処理方法がある。また，処理したスラグの用途としては，主に建設資材用（コンクリート細骨材）とセメント用の２種が主である。前者は砂代替品として需要が高まりつつあり，硬質であることが要求される。後者は潜在水硬性を活かしたセメント用としての需要が高く，軟質でガラス化率が９５％以上と高く反応性に富むことが要求される。

溶融高炉スラグが保有する熱を回収する方法としては，特許文献１に開示されているような技術がある。一方，冷却流体として水を使用したり，間接冷却する冷却固化装置が特許文献２に開示されている。また，溶融高炉スラグが保有する熱を回収するとともに，硬質（コンクリート細骨材用）スラグあるいは軟質（セメント用）スラグに作り分けることが可能な方法としては，例えば，特許文献３や特許文献４に開示されている発明がある。また，特許文献５や特許文献６に開示されている発明では，硬質（コンクリート細骨材用）スラグあるいは軟質（セメント用）スラグを作り分けことは可能である。更に，特許文献７には，粒スラグに気水スプレーから霧化水を吹き付け，８００℃に冷却した粒スラグをホッパーに装入し，熱回収する発明が記載されている。

特公昭５８−１７１３６号公報特開２００１−９７７４８号公報特開平１１−２３６６０８号公報特開平１１−２３６６０９号公報特開２０００−３４１３８号公報特開平１１−３１４９４６号公報特開昭５９−２４１８４号公報

しかしながら，特許文献１に開示されているような技術は，空冷のみで冷却するため，スラグは硬質化するが，融着して大径・異形の粒子となったり，熱交換器内で付着して大塊になったり，軟質（セメント用）スラグを製造できない等の課題があった。一方，特許文献２に開示された冷却固化装置では，硬質（コンクリート細骨材用）スラグあるいは軟質（セメント用）スラグを作り分けることができないとともに，水冷ドラムが損傷する等の課題があった。また，特許文献３や特許文献４に開示されている発明は，スラグの冷却がガスとの熱交換のみで行われる方式のため，冷却速度が不足し粒子同士の融着が起こり，大径・異形の粒子となったり，スラグウールが生成し，コンクリート細骨材としての利用が不可能となる問題があった。また，特許文献５や特許文献６に開示されている発明では，水砕による処理方法のため，溶融高炉スラグの保有する熱が低温の温水として回収され，有効に利用することができない問題があった。更に，特許文献７に記載された発明では，硬質（コンクリート細骨材用）スラグあるいは軟質（セメント用）スラグを作り分けることができないとともに，スラグウールの発生量が多い等の課題がある。

そこで，本発明は上記問題点を解消し，溶融高炉スラグが保有する熱を回収するとともに，必要に応じ，簡易に硬質（コンクリート細骨材用）スラグあるいは軟質（セメント用）スラグを作り分けことが可能な，溶融高炉スラグの処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため，本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）高炉から排出される溶融スラグを，回転ドラムに供給して粒子化するとともに飛翔させ，回転筒の長手方向における回転ドラムからの飛翔距離２ｍ未満で水を噴霧して２００〜９５０℃まで冷却した後，回転筒内に落下させ，次いで，回転筒から排出したスラグ粒子の顕熱を熱交換器で回収すると共に，セメント原料用スラグを製造することを特徴とする溶融高炉スラグの処理方法。
（２）高炉から排出される溶融スラグを，回転ドラムに供給して粒子化するとともに飛翔させ，回転筒の長手方向における回転ドラムからの飛翔距離２ｍから７ｍの範囲で水を噴霧して２００〜９５０℃まで冷却した後，回転筒に落下させ，次いで，回転筒から排出したスラグ粒子の顕熱を熱交換器で回収すると共に，コンクリート細骨材用スラグを製造することを特徴とする溶融高炉スラグの処理方法。
（３）回転ドラムに供給する際の溶融スラグの温度が１３５０〜１４００℃のとき，回転ドラムの周速を毎秒７〜１０ｍとし，溶融スラグの温度が１４００超〜１４５０℃のとき，回転ドラムの周速を毎秒７〜１５ｍとし，溶融スラグの温度が１４５０超〜１５７０℃のとき，回転ドラムの周速を毎秒７〜２０ｍとすることを特徴とする（１）又は（２）記載の溶融高炉スラグの処理方法。
（４）高炉から排出された溶融スラグの顕熱を回収する溶融高炉スラグの処理装置において，入り側よりも出側が低くなるように斜めに設置された回転筒と，前記回転筒の入り側に設置された回転ドラム，及び前記回転筒内の長手方向に移動自在で，かつ噴霧量を調整自在なノズルと，前記回転筒の出側から排出されたスラグ粒子を搬送するスラグ搬送手段と，スラグの顕熱を回収する熱交換器とを有し，コンクリート細骨材用スラグ又はセメント用スラグを製造できることを特徴とする溶融高炉スラグの処理装置。

本発明の溶融高炉スラグの処理方法及び処理装置により，溶融高炉スラグが保有する顕熱を回収するとともに，必要に応じ，簡易に硬質（コンクリート細骨材用）スラグあるいは軟質（セメント用）スラグを作り分けることが可能となる。

以下，本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は，本発明の実施の形態に係る溶融高炉スラグの処理装置の構成を示す。また，図２に図１の一部透過斜視図を示す。高炉から排出された溶融スラグを，溶融スラグ樋１を介して前方方向（図１中において時計回転方向）に回転する水平方向に設けた１対の回転ドラム５に上から供給する。これら１対の回転ドラム５は，回転筒２の入り側（図１中において回転筒２の左端側）に配置されており，かつ，各回転ドラム５の回転軸が回転筒２の長手方向に対して直交するように配置されている。

回転ドラム５は，溶融スラグ樋１を介して上から供給された溶融スラグを，その回転によって粒滴化するとともに回転筒２の内部に向けて飛翔させる。入り側（図１中において回転筒２の左端側）よりも出側（図１中において回転筒２の右端側）が低くなるように斜めに傾けた回転筒２の内部の上方に設けた複数の水噴霧ノズル７より噴霧される水によって飛翔したスラグ粒子を冷却し，回転筒２内部に落下させ，回転筒２の出側下方に配置した出口９から排出させる。また，噴霧された水は蒸発して固気分離部１０でスラグ粒子と分離され，回転筒２の出側から排気される。こうして出口９から排出したスラグ粒子を，スラグ搬送手段である耐熱コンベア８を介して熱交換器３に導入してスラグ顕熱をガスによって回収し，廃熱ボイラー４でスラグから回収した熱を水蒸気に変換するよう形成してある。熱風のみを製造したい場合は，廃熱ボイラー４は不要である。

溶融スラグは高炉から排出される溶銑から樋または鍋で比重分離した物であり，通常1350〜1570℃の温度範囲で使用する。スラグ温度の上限は溶銑温度から，下限は回転ドラムに供給するためのスラグの流動性から決まる。

溶融スラグ樋１の内面には耐火物を施工することが望ましいが，耐火物を施工しなくても良い。耐火物がない場合は，溶融スラグが冷却されて固化し，耐火物の代わりの役目をするからである。回転ドラム５はスラグ製造条件によって，周速を変えられるようにしてあり，溶融スラグと直接接する羽根部は水冷構造とすることが好ましい。水噴霧ノズル７もスラグ製造条件によって，水量や円筒内長手方向に噴霧位置を変えられるようにしてある。

回転筒２の長手方向は水平軸に対し下方に傾斜２°で傾いており，入り側よりも出側が低く配置されている。このように入り側よりも出側が低く配置された回転筒２を回転させることにより，回転筒２の内部においてスラグ粒子を入り側から出側に向けて順次搬送させることができる。回転筒２は，例えばＳＳ鋼でできており，熱変形防止及びスラグ粒子の融着防止のために，外冷水ノズル６で冷却できる構造とすることが好ましい。回転筒２の回転数はスラグの融着を防止する観点から決め，直径２．８ｍの回転筒の場合，３rpm以上とすることが好ましい。耐熱コンベア８は高温のスラグ粒子を搬送できるよう，ＳＵＳ鋼製のバケットコンベアとすることが好ましい。熱交換器３は耐火物で内張りした多段流動床とすることが好ましく，廃熱ボイラー４は12kg/cm²程度の低圧蒸気を製造するためのボイラーとすることが好ましい。

溶融高炉スラグを粒滴化する際，針状または繊維状のスラグウールの発生が問題となる。スラグウールはスラグ粘度が増加，または，スラグ温度が低い程，発生し易く，回転ドラム５の周速が速い程，発生し易い。従って，スラグウールの発生を抑制するために，溶融高炉スラグの温度に合わせて回転ドラム５の周速を調整することが好ましい。具体的には溶融高炉スラグの温度が１３５０〜１４００℃の際は回転ドラム５の周速を毎秒７〜１０ｍとし，溶融高炉スラグの温度が１４００超〜１４５０℃の際は回転ドラム５の周速を毎秒７〜１５ｍとし，溶融高炉スラグの温度が１４５０超〜１５７０℃の際は回転ドラム５の周速を毎秒７〜２０ｍになるように調整することが好ましい。

本発明者らは種々の試験を行い，回転筒２内の噴霧水量が過少でスラグ粒子の温度が９５０℃を超えると，スラグ粒子が互いに融着し，コンクリート細骨材としての利用が不可能となることを見いだした。また，噴霧水量が過多でスラグ粒子の温度が２００℃を下回ると，スラグ粒子からの顕熱回収の効果が小さくなる。この問題を解決するために，回転筒２から排出されるスラグ粒子の温度を２００〜９５０℃になるように水噴霧ノズル７の水量を調節する。尚，スラグ粒子の温度は回転筒２出側の排出口に設置した温度計で計測した値とする。

溶融高炉スラグは，通常１３５０〜１５７０℃で当該装置に導入され，回転ドラム５で粒子化するとともに回転筒２内に飛翔し，飛翔中に雰囲気ガスおよび水噴霧ノズル７からの噴霧水によって冷却され固化する。このとき，回転筒２内の水噴霧ノズル７を使用しスラグ粒子を回転筒２の長手方向における回転ドラム５からの飛翔距離２ｍ未満の範囲で２００〜９５０℃に急冷することで，ガラス化率が９５％以上の軟質（セメント用）スラグを製造することが可能である。尚，回転ドラム５における飛翔の始点は，溶融スラグ樋１を介して上から供給される溶融高炉スラグが回転ドラム５に当たった位置とする。

また，回転筒２内の回転筒内水噴霧ノズル７を使用しスラグ粒子を回転筒２の長手方向における回転ドラム５からの飛翔距離２ｍから７ｍの範囲で２００〜９５０℃に冷却することで，ＪＩＳ−Ａ５０１１−１に記載のコンクリート用高炉スラグ細骨材の品質を満足する硬質（コンクリート細骨材用）スラグを製造することが可能である。

このように簡易に硬質スラグあるいは軟質スラグを作り分けることができるように，水噴霧ノズル７は回転筒２内の長手方向に移動することができる，または，回転筒２内に水噴霧ノズル７を長手方向に沿って複数設け各ノズルの噴霧量を任意に調整できるようにする必要がある。水噴霧ノズル７の位置は，回転筒２外部からヘッダー管毎移動させる手法が単純で望ましい。また，ヘッダー管を移動させなくても，ノズルを複数設け，各ノズルに電磁弁を装備して噴霧量を調整しても良い。

溶融高炉スラグを水で急冷すればガラス化率が高くなるとともに発泡して硬質スラグにはなりにくいことは一般的に知られている。一方，飛翔距離２ｍ以降で水で急冷することで硬質スラグを製造することができるのは，飛翔したスラグ粒子の表面が固化して，水と反応しなくなるためと思われる。

また，飛翔距離７ｍを超えて水を噴霧しても，融着したスラグ粒子が増加するとともに排出されるスラグ粒子の温度が低下するため，硬質スラグを製造する場合の水噴霧位置は飛翔距離２〜７ｍの範囲が最適である。

本発明により，スラグ粒子が融着する問題とスラグウールが発生する問題を解決しつつ，スラグが保有する熱を回収するとともに，必要に応じ，簡易に硬質（コンクリート細骨材用）スラグあるいは軟質（セメント用）スラグを作り分けることが可能となった。

主に，ステンレス鋳鋼製の直径９８０ｍｍの回転ドラム５と，普通鋼製の直径２．８ｍ，長さ８ｍの回転筒２から構成され，回転筒２を水平方向から２°斜め下方向に傾斜させて，４０本の水噴霧ノズル７を回転筒２の長手方向に２０ｃｍ間隔で設置し，回転筒２の先端（入り側）がスラグ粒子の飛翔の出発点となるようにした図１，２に示す装置にて，温度を変えた溶融高炉スラグを20t/Hrの供給速度で処理した際の，回転ドラム５の周速とスラグウール発生割合の関係を図３に示す。回転ドラム５の周速を遅くする程，スラグウール発生割合は減少し，回転ドラム５に供給する溶融高炉スラグの温度を高くする程，スラグウール発生割合は減少する。また，回転ドラム５の周速が毎秒７ｍ未満では，機械的な打撃が弱く，粒径10mm以上のスラグ粒子が０〜５ｗｔ％発生し，コンクリート用細骨材またはセメント原料には不適切であった。スラグウールは，スラグ粒子を搬送する際に障害になったり，排水溝を詰まらせたり，セメント原料や細骨材原料として不適切なため，スラグウールの発生割合は１ｗｔ％以下が望ましい。従って，溶融高炉スラグの温度が１３５０〜１４００℃の際は回転ドラム５の周速を毎秒７〜１０ｍ，溶融高炉スラグの温度が１４００超〜１４５０℃の際は回転ドラム５の周速を毎秒７〜１５ｍ，溶融高炉スラグの温度が１４５０超〜１５７０℃の際は回転ドラム５の周速を毎秒７〜２０ｍとすることが望ましい。高炉スラグの温度が１３５０℃未満では流動性が悪化して，スラグを当該装置に供給する事ができない。また，溶融高炉スラグの温度は高炉操業の観点から１５７０℃以下と考えられる。

水噴霧ノズル７を回転筒２内の長手方向で移動自在に制御した点を除いて実施例１と同じ装置を用いて，溶融高炉スラグを20t/Hrの供給速度で処理した際の，溶融高炉スラグの温度と回転筒２内の水噴霧ノズル７の位置及び処理したスラグのガラス化率の関係を図４に示す。回転筒２の出側から排出されるスラグ粒子の温度を６００℃で管理し，水噴霧ノズル７の噴霧水量を調整した。例えば，図４中の０〜２ｍとは，使用した全ての水噴霧ノズル７の回転筒２先端（入り側）からの距離，つまり回転筒２の長手方向におけるスラグ粒子の飛翔距離が０〜２ｍ未満となるように位置を制御した結果であり，回転筒２内の前段で噴霧し，スラグ粒子を急冷する程，処理したスラグのガラス化率は増加する。

また，溶融高炉スラグの温度を高くする程，処理したスラグのガラス化率は増加する。軟質（セメント用）スラグの目標はガラス化率が９５％以上であるため，溶融高炉スラグの温度が１３５０℃〜１５７０℃の範囲で，軟質（セメント用）スラグを作るためには，回転筒２内における水噴霧ノズル７の位置を回転筒２の先端から２ｍ未満とすることが望ましい。

実施例２と同じ装置を用いて，溶融高炉スラグを20t/Hrの供給速度で処理した際の，溶融高炉スラグの温度と回転筒２内の水噴霧ノズル７の位置及び処理したスラグの絶乾密度の関係を図５に示す。ＪＩＳ−Ａ５０１１−１に記載のコンクリート用高炉スラグ細骨材の品質には，単位容積質量，絶乾密度及び吸水率があるが，ここでは，例として，絶乾密度のデータを示す。単位容積質量，絶乾密度及び吸水率には相関があり，JIS規格A5011-1：2003解説にも述べられており，どれを取り上げても良いと考えられるため，今回は絶乾密度のデータを取り上げた。

回転筒２の出側から排出されるスラグ粒子の温度を６００℃で管理し，水噴霧ノズル７の噴霧水量を調整した。図５から明らかなように，回転筒２内の後段で噴霧し，スラグ粒子の飛翔初期の冷却を弱める程，処理スラグは硬質化する。また，溶融高炉スラグの温度を低くする程，処理スラグは硬質化する。硬質（コンクリート細骨材用）スラグの目標は絶乾密度が２．５ｇ／ｃｍ３以上であるため，溶融高炉スラグの温度が１３５０℃〜１５７０℃の範囲で，硬質（コンクリート細骨材用）スラグを作るためには，回転筒２内における水噴霧ノズル７の位置を回転筒２の先端から２〜７ｍとすることが望ましい。

本発明は，溶融高炉スラグの処理において有用である。

本発明の実施の形態に係る溶融高炉スラグの処理装置の概略図である。本発明の実施の形態に係る溶融高炉スラグの処理装置の一部透過斜視図である。回転ドラムの周速とスラグウール発生割合の関係を示した図である。溶融高炉スラグの温度と処理物のガラス化率の関係を示した図である。溶融高炉スラグの温度と処理物の絶乾密度の関係を示した図である。

符号の説明

１溶融高炉スラグ樋
２回転筒
３熱交換器
４廃熱ボイラー
５回転ドラム
６外冷水ノズル
７水噴霧ノズル
８耐熱コンベア（スラグ搬送手段）
９回転筒の出口
10 固気分離部

Claims

高炉から排出された溶融スラグを，回転ドラムに供給して粒子化するとともに飛翔させ，回転筒の長手方向における回転ドラムからの飛翔距離２ｍ未満で水を噴霧して２００〜９５０℃まで冷却した後，回転筒に落下させ，次いで，回転筒から出たスラグ粒子の顕熱を熱交換器で回収すると共に，セメント原料用スラグを製造することを特徴とする溶融高炉スラグの処理方法。
高炉から排出される溶融スラグを，回転ドラムに供給して粒子化するとともに飛翔させ，回転筒の長手方向における回転ドラムからの飛翔距離２ｍから７ｍの範囲で水を噴霧して２００〜９５０℃まで冷却した後，回転筒に落下させ，次いで，回転筒から排出したスラグ粒子の顕熱を熱交換器で回収すると共に，コンクリート細骨材用スラグを製造することを特徴とする溶融高炉スラグの処理方法。
回転ドラムに供給する際の溶融スラグの温度が１３５０〜１４００℃のとき，回転ドラムの周速を毎秒７〜１０ｍとし，溶融スラグの温度が１４００超〜１４５０℃のとき，回転ドラムの周速を毎秒７〜１５ｍとし，溶融スラグの温度が１４５０超〜１５７０℃のとき，回転ドラムの周速を毎秒７〜２０ｍとすることを特徴とする請求項１又は２記載の溶融高炉スラグの処理方法。
高炉から排出された溶融スラグの顕熱を回収する溶融高炉スラグの処理装置において，
入り側よりも出側が低くなるように斜めに設置された回転筒と，
前記回転筒の入り側に設置された回転ドラム，及び前記回転筒内の長手方向に移動自在で，かつ噴霧量を調整自在なノズルと，
前記回転筒の出側から排出されたスラグ粒子を搬送するスラグ搬送手段と，
スラグの顕熱を回収する熱交換器とを有し，
コンクリート細骨材用スラグ又はセメント用スラグを製造できることを特徴とする溶融高炉スラグの処理装置。