JP4961779B2

JP4961779B2 - 路盤材の製造方法

Info

Publication number: JP4961779B2
Application number: JP2006068947A
Authority: JP
Inventors: 圭児渡辺; 真紀子山本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: JP2007247172A

Description

本発明は、高炉徐冷スラグを用いた路盤材の製造方法に関する。

工業の発展にともなって各種産業において生成される各種産業副産物も年々増加しているが、近時、地球環境保全の見地から、このような産業副産物をリサイクル資材として再利用することが試みられている。このようなリサイクル資材の代表例として高炉スラグが挙げられ、その有効利用の一つとして路盤材がある。高炉スラグの路盤材への適用については、ＪＩＳＡ５０１５−１９９２（非特許文献１）の「道路用鉄鋼スラグ」に記載されている。また、高炉スラグとしては高炉急冷スラグと高炉徐冷スラグとがあるが、路盤材としては一般的に高炉徐冷スラグが用いられている。なお、路盤材とは、路床の上に設けられた路盤からの荷重を分散させ路床に伝える役割をもつ部分に使用される資材をいう。

ところで、高炉徐冷スラグを路盤材として用いる場合、検査項目として水浸膨張試験を実施しその水浸膨張比を管理して出荷をしている。通常では３〜６ヶ月のエージング後に出荷をしているが、まれに膨張がおさまらず、通常のエージング期間では合格基準を満たせない場合がある。そのような場合は、さらに長期間のエージングが必要となり、広大な敷地が必要になる等、管理運用上の問題が生じる。
ＪＩＳＡ５０１５−１９９２

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、膨張に起因して長期間のエージングの必要が生じる等の不都合が生じない、高炉徐冷スラグを用いた路盤材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、路盤材に使用する高炉徐冷スラグの膨張の原因について検討した。その結果、高炉徐冷スラグは、使用中に水の存在下で溶出するＳやＣａ等の成分によってエトリンガイト（Ｃａ_６Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３（ＯＨ）_１２・２６Ｈ_２Ｏ）のような水和物を生成することがあり、このような水和物が高炉徐冷スラグに膨張を生じさせることがあることを見出した。そして、高炉徐冷スラグの結晶粒が大きいと粒界から成分の溶出が生じやすくなり、その結果エトリンガイト等の水和物が生成しやすくなることを見出した。本発明はこのような知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明は、高炉から溶融スラグを厚みが５０ｃｍ以下になるように流し出し、そのスラグ表面温度が５００℃以上の時に、表面に０．３ｔ／ｍ^２・ｈｒ以上の流量で散水冷却し、前記散水冷却した後の高炉徐冷スラグの表面温度が３００℃以下になった後、その上にさらに高炉から溶融スラグを同様に流し出して同様の散水冷却を行う処理を１回または２回以上行い、得られた高炉徐冷スラグを破砕し、エージングして路盤材とすることを特徴とする路盤材の製造方法を提供する。

本発明によれば、高炉から溶融スラグを厚みが５０ｃｍ以下になるように流し出し、そのスラグ表面温度が５００℃以上の時に、表面に０．３ｔ／ｍ^２・ｈｒ以上の流量で散水冷却し、散水冷却した後の高炉徐冷スラグの表面温度が３００℃以下になった後、その上にさらに高炉から溶融スラグを同様に流し出して同様の散水冷却を行う処理を１回または２回以上行うことにより、エトリンガイト等の水和物が生じ難い微細な結晶とすることができる。

以下、本発明について具体的に説明する。
高炉徐冷スラグは、一般に、ドライピットにて溶融スラグを積み重ねた後、散水処理をして冷却し、破砕処理を実施する。これは、溶融スラグを排出するごとに散水処理を行うと、スラグ表面に残存した水が、次の溶融スラグが持ち込まれた後に急激に膨張して水蒸気爆発が生じることが懸念されるためである。

しかし、このような処理を施した高炉徐冷スラグは、結晶が粗大になって粒界部分に亀裂が多く存在し、水の存在下でその亀裂からＳやＣａ等が溶出してエトリンガイト等の水和物を生成するおそれがある。したがって、このような高炉徐冷スラグを路盤材として用いると、水和物生成時に膨張が生じるおそれがある。

これに対して、高炉から排出された溶融スラグを水砕処理して得られる高炉水砕スラグはガラス化し、その表面積が著しく小さくなっているため、ＳやＣａのような成分の溶出は徐冷スラグに比較すると小さい。しかしながら、水砕スラグは、その粒径が数ｍｍ以下であり、単独で路盤材として使用することは好ましくない。

そこで、本発明では高炉徐冷スラグの結晶粒径を微細にすることにより、結晶粒界に亀裂が発生することを防止し、粒界からのＳやＣａ等の成分の溶出を防止する。具体的には、粒径０．２ｍｍ以下の結晶粒の占有面積率が５０％以上である高炉徐冷スラグを路盤材として用いる。

このように粒径０．２ｍｍ以下の結晶粒の占有面積率が５０％以上であれば、粒界の亀裂が抑制され、ＳやＣａ等の成分の溶出抑制効果を有効に発揮させることができる。好ましくは、粒径０．２ｍｍ以下の結晶粒の占有面積率が７０％以上である。

ここで、結晶粒径としては、スラグ粒を断面観察し、各結晶粒の面積を画像解析により求め、面積を円に換算した際の直径の値を用いる。

このような微細な結晶粒径を実現するためには、高炉から流出した溶融スラグの冷却工程を適切に調整すればよく、本発明者らが検討した結果、高炉から溶融スラグを厚みが５０ｃｍ以下になるように流し出し、そのスラグ表面温度が５００℃以上の時に、表面に０．３ｔ／ｍ^２・ｈｒ以上の流量で散水冷却することによりこのような微細な結晶粒径が得られることを見出した。そして、このようにして得られた高炉徐冷スラグを破砕し、エージングすることによりエトリンガイト等の生成による膨張の小さい路盤材を得ることができる。

結晶粒径に影響を及ぼすのは、冷却温度および冷却速度であり、ドライピット等の冷却場所でこれらに影響を及ぼす因子は、散水を開始するスラグ温度、散水流量、スラグの厚みである。まず、散水を開始するスラグ温度については、表面スラグ温度が５００℃未満で散水を開始しても、スラグの組織の変化は認められず、結晶粒が粗大化したままであり、ＳやＣａの溶出を抑制する効果は認められない。また、表面に散水する際の流量が０．３ｔ／ｍ^２・ｈｒ未満では、冷却速度が遅くなりすぎ、結晶粒径を目標値にすることが困難である。散水の時間は長時間であるほど結晶微細化効果が高く、１時間以上であることが望ましい。冷却する際のスラグの厚みについては、５０ｃｍを超えると散水してもスラグ内部の冷却速度が低くなり、結晶粒を十分に微細化することができない。

実際の操業においては、高炉からの溶融スラグは間欠的に排出され、その都度に上記条件での散水による冷却を行うことになるが、この場合に、従前の散水冷却した後の高炉徐冷スラグの表面温度が３００℃以下になった後に、その上に高炉から溶融スラグを流し出すことが好ましい。３００℃を超えた温度では冷却が不十分になって結晶粒が大きくなるおそれがある。なお、このような溶融スラグ排出ごとの散水では、水蒸気爆発が懸念されていたが、実際には操業を工夫することにより、水蒸気爆発を十分に回避することができることが判明した。この場合には、このように溶融スラグの排出および散水をさらに１回または２回以上繰り返した後に、破砕処理およびエージング処理を行う。

次に、高炉から排出された溶融スラグを急冷してガラス状塊を作製し、それを所定温度の電気炉へ投入後、一定時間経過後に取り出し、結晶生成する時間を評価した。その際のＴＴＴ線図を図１に示す。この図に示すように、結晶の生成温度域は、約９００〜１４００℃であることがわかる。９００℃未満の温度域では結晶生成の影響が小さく、１４００℃以上では溶融状態であり結晶は生じない。この９００〜１４００℃が高炉スラグの過冷却液体域であるが、一般にこの温度域の中の低温部分では核生成速度が大きく、高温部分では核成長速度が大きいことが知られている。したがって、高温度域を速く冷却させることで核成長速度は小さく、核生成速度が大きい低温域の時間を長くすることで、小さな結晶を多数生じさせることが可能となる。上述したように、結晶粒界に亀裂が存在することが確認されているが、結晶粒径を小さくすることにより、亀裂を防止ないしその大きさを小さくすることができることが実験室で確認されている。

このように、実際に重要な温度域は９００℃以上であるが、溶融スラグを冷却する上で、表面温度は内部よりも低温になっており、表面温度を５００℃以上とすれば、所望の結晶粒径が得られることが見出された。このため、本発明では、スラグの表面温度が５００℃以上のときに散水を開始することにした。

図２に示すように、取鍋１に溶融高炉スラグ２を貯留し、冷却ポート３へ流し出し、散水冷却する実験を行った。ここでは、スラグ積み重ね数を４層に固定し、１層のスラグ厚み、散水開始時の表面スラグ温度、散水流量、散水手法を変化させて冷却を行い、その後、破砕処理を実施し、３ヶ月エージング処理後にエトリンガイトの生成の有無をＸ線回折により評価した。また、冷却後の高炉徐冷スラグについて、結晶粒径を測定した。結晶粒径については、スラグ粒を表面研磨した後、ナイタール液で粒界を腐食し、光学顕微鏡により微細組織観察を実施した。ゲーレナイト鉱物の粒子の粒子面積を画像解析で求め（粒子数：２０点）、その面積を円に換算した際の直径を結晶粒径とした。１０個のスラグ粒について同様の測定を行い（合計２００個の結晶粒）、粒径分布と平均粒子径を求めた。また、上記のようにして冷却した高炉徐冷スラグから各２０本のサンプリングを行ってＪＩＳＡ５０１５−１９９２に準拠して水浸膨張試験を行った。

表１に、各試験におけるスラグの冷却条件と、水和物の有無、結晶粒径、ならびに膨張試験における膨張率の最大値および平均値を示す。この表に示すように、比較例１、２では、スラグを４層積み重ねた後に散水を行っており、冷却開始時のスラグ厚みが大きいため、結晶粒径が大きく、エトリンガイトの生成が確認された。また、比較例３は散水開始時のスラグ表面温度が４００℃と低く、比較例４は散水流量が少ないため、やはり結晶粒径が大きく、エトリンガイトの生成が確認された。これに対して、スラグ厚が５０ｃｍ以下で散水を開始し、その際の温度が５００℃以上で、散水流量が０．３ｔ／ｍ^２・ｈｒ以上とした実施例１〜４はいずれも粒径０．２ｍｍ以下の結晶粒の占有面積率が５０％以上と本発明の範囲を満たし、エトリンガイトの生成が認められなかった。

いずれのスラグも水浸膨張試験においてＪＩＳＡ５０１５−１９９２に規定される水浸膨張比の基準（１．５％）を超えなかったが、比較例では最大値が０．５％以上であるのに対し、実施例では全て０．１％未満と極めて安定した特性を保有していた。安全を見て膨張率０．５％で製品管理をする場合が多いため、比較例条件ではさらにエージング処理が必要である。

本発明は、膨張に起因する不都合が生じない、安定的な路盤材を提供するものであり、その産業上の利用価値は極めて高い。

高炉スラグのＴＴＴ線図。実施例の操作を説明するための図。

符号の説明

１；取鍋
２；溶融高炉スラグ
３；冷却ポート

Claims

高炉から溶融スラグを厚みが５０ｃｍ以下になるように流し出し、そのスラグ表面温度が５００℃以上の時に、表面に０．３ｔ／ｍ^２・ｈｒ以上の流量で散水冷却し、前記散水冷却した後の高炉徐冷スラグの表面温度が３００℃以下になった後、その上にさらに高炉から溶融スラグを同様に流し出して同様の散水冷却を行う処理を１回または２回以上行い、得られた高炉徐冷スラグを破砕し、エージングして路盤材とすることを特徴とする路盤材の製造方法。