JP5953919B2 - ステンレス鋼スラグの冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレス鋼スラグの冷却方法に関する。

ステンレス鋼の精錬の際に発生するステンレス鋼スラグは、冷却されて凝固した後、粉化する場合がある。この粉化現象は、ステンレス鋼スラグの主な鉱物相であるダイカルシウム・シリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）が凝固過程で相変態（α′型→γ型）を起こし、その際の密度差により体積膨張することにより生じる。スラグの粉化は、発塵等の問題を生じさせうるため、環境上の観点から好ましくない。

一方、脱炭精錬などの酸化精錬の際に発生するスラグは、スラグ中のＦｅＯ濃度が高く酸素ポテンシャルが高いため、メタル中のＰが酸化されてスラグ中へＰ_２Ｏ_５として移行する。その結果、冷却時に、α′型→γ型ではなく、α′型→β型の相変態を生じる。この相変態は、密度差が小さく体積膨張が抑制されるため、粉化が生じにくい。

ステンレス鋼スラグの粉化を防止する方法としては、２つ挙げられる。１つ目は、ホウ素（Ｂ）がリン（Ｐ）と同様にα′型→γ型への相変態を防止する効果のあることを利用して、ホウ素化合物を溶融スラグ中に添加する方法である（例えば、特許文献１，２を参照）。２つ目は、スラグを高圧水で吹き飛ばす水砕処理、または、スラグを高圧空気で吹き飛ばす風砕処理によって、スラグを急冷し、粒状化する方法である。

特公平４−１５１８２号公報 特開平３−２３２４３号公報

ステンレス鋼スラグの粉化を防止する方法のうち、１つ目の方法である溶融スラグにホウ素化合物を添加し粉化する方法は、還元精錬およびスラグ処理の工程が増加することがないという観点から、優れた方法である。
ところが、近年、土壌環境基準の項目にホウ素（Ｂ）が加えられたことから、スラグを路盤材等地面下に埋める場合には、Ｂ溶出量は、１．０ｍｇ／Ｌ以下に規制される。スラグ中のＢ含有量が０．０５質量％以上になると、Ｂ溶出量は１．０ｍｇ／Ｌを超える場合があるが、粉化防止のためには、スラグ中のＢ含有量を０．１質量％以上にすることを要する。
したがって、Ｂの溶出量規制の観点から、溶融スラグにホウ素化合物を添加する方法を用いることができなくなった。

また、ステンレス鋼スラグの粉化を防止する方法のうち、２つ目の方法である水砕処理または風砕処理を用いて急冷する方法は、スラグが粒状化されて粉化が防止されるが、平均粒度が１〜３ｍｍ程度の細粒スラグとなる。そのため、スラグの用途は、コンクリート用の細骨材など、天然砂の代替物への適用に限定される。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、ステンレス鋼スラグの冷却に際して、水砕処理または風砕処理による粒状化を回避したうえで、ホウ素化合物を添加することなく粉化を防止することを目的とする。

本発明者らが、上記目的を達成するために鋭意検討を行なった結果、水砕処理または風砕処理を用いないステンレス鋼スラグの冷却において、スラグ中の所定成分の含有量および冷却速度を特定の値にすることで、ホウ素化合物を添加することなく粉化を防止できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（３）を提供する。

（１）水砕処理または風砕処理を用いることなくステンレス鋼スラグを冷却する、ステンレス鋼スラグの冷却方法であって、上記ステンレス鋼スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３含有量が１７質量％以上であって、２５０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で上記冷却を行うことを特徴とする、ステンレス鋼スラグの冷却方法。

（２）上記ステンレス鋼スラグが、３０〜５０質量％のＣａＯ、１０〜２５質量％のＳｉＯ_２、および、１５〜３０質量％のＭｇＯを含有する、上記（１）に記載のステンレス鋼スラグの冷却方法。

（３）上記冷却速度が、５００００℃／ｍｉｎ未満である、上記（１）または（２）に記載のステンレス鋼スラグの冷却方法。

本発明によれば、ステンレス鋼スラグの冷却に際して、水砕処理または風砕処理による粒状化を回避したうえで、ホウ素化合物を添加することなく粉化を防止することができる。

鋳銑機型スラグ冷却装置を模式的に示す側面図である。

本発明のステンレス鋼スラグの冷却方法（以下、単に「本発明の冷却方法」ともいう。）は、水砕処理または風砕処理を用いることなくステンレス鋼スラグを冷却する、ステンレス鋼スラグの冷却方法であって、上記ステンレス鋼スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３含有量が１７質量％以上であって、２５０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で上記冷却を行うことを特徴とする、ステンレス鋼スラグの冷却方法である。

本発明の冷却方法の対象となるステンレス鋼スラグ（以下、単に「スラグ」ともいう。）は、ステンレス鋼の溶解・精錬の際に発生するステンレス鋼スラグであって、例えば、電気炉スラグ、精錬スラグ、転炉スラグ、二次精錬スラグ等が挙げられる。

ここで、本発明に至った経緯について説明する。まず、本発明者らは、ステンレス鋼スラグの組成および冷却速度が粉化に及ぼす影響を評価した。評価試験に用いたスラグ試料の組成の一部を、下記第１表に示す。

スラグＡは、ダスト操業で生じたスラグである。一方、スラグＢは、Ｃｒ鉱石溶融還元操業で生じたスラグである。スラグＡとスラグＢとの違いは、上記第１表に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３含有量であった。

上記２種のスラグ試料について、高温レーザー顕微鏡を用いて、溶融温度から常温までの間の冷却速度を制御し、粉化に及ぼす冷却速度の影響を観察した。

高温レーザー顕微鏡は、試料を加熱する加熱部と、レーザー顕微鏡部とからなる。加熱部は電球からの熱を球体の反射板で集めることで目的の温度を得る。レーザー顕微鏡部は、点光源としてレーザー光を使用し強い光を１点に集中させるので、試料を均一に照明する通常の光学顕微鏡に比べ、周辺からの不要な散乱光がなく、コントラストが向上する。また、焦点以外からの反射光はほとんどがピンホールでカットされ、焦点のあったクリアな画像が作成できる。試料全体を観察するためには、二次元走査し、そのデータを再構成することで画像化する必要があり、その画像は試料をある高さでスライスしたものとなる。加えて試料量が少なくて済むため、比較的広範囲で加熱、冷却速度を制御可能である、という特徴がある。
すなわち、高温レーザー顕微鏡は、比較的広範囲で冷却速度を制御可能であり、かつ、粉化現象等について、オンサイトでクリアな観察画像が得られるという理由から、本試験に適した装置であると判断した。

粉状のスラグ試料（約１００ｍｇ）を、白金ルツボ（直径：５ｍｍ、高さ：５ｍｍ）内に収容した後、高温レーザー顕微鏡の炉内に装入し、温度を上昇させてスラグ試料を溶解させた後、種々の冷却速度で冷却を行い、その際のスラグ試料の状況を観察した。
このとき、スラグ試料の冷却中または冷却後に粉化が観察された場合には、粉化が防止できなかったものとして「×」と評価し、スラグ試料を常温まで冷却しても粉化が観察されなかった場合には粉化が防止できたものとして「○」と評価した。結果を下記第２表に示す。

上記第２表に示す結果から、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が１７質量％以上であるステンレス鋼スラグを、２５０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却した場合に、ホウ素化合物を添加することなく、ステンレス鋼スラグの粉化を防止できることが分かった。
これは、Ａｌ_２Ｏ_３含有量を多くすることで、スラグの液相線が低下し、固体の相が表れない液体に近い状態となり、この状態から急冷することで、粉化の原因となる相変態の発生を防止できるためと考えられるが、このメカニズム以外であっても本発明の範囲内であるとする。

ここで、ステンレス鋼スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３含有量は、１７質量％以上であれば特に限定されないが、スラグを滓化させてスラグ／メタル間反応を促進させるという理由から、１７．０質量％以上であるのが好ましい。
また、ステンレス鋼スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３含有量は、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、ＭｇＯといったその他成分の適正範囲から、２５質量％以下であるのが好ましく、２０質量％以下であるのがより好ましい。

もっとも、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３含有量および冷却速度が上記条件を満たすことによって粉化が防止できるといっても、上述したように、スラグを高圧水で吹き飛ばす水砕処理、または、スラグを高圧空気で吹き飛ばす風砕処理を用いて急冷した場合には、ステンレス鋼スラグは粒径数ｍｍで粒状化し、砂等での利用に限定される。そのため、本発明の冷却方法においては、水砕処理または風砕処理を用いることなくステンレス鋼スラグを冷却することで、粒状化を回避する。

なお、スラグを急冷する水砕処理および風砕処理の冷却速度は、風砕処理中のスラグ粒子温度の伝熱計算結果から、５００００℃／ｍｉｎ程度と推定される。そのため、冷却速度に基づいてスラグの粒状化を回避するという観点から、本発明の冷却方法における冷却速度は、５００００℃／ｍｉｎ未満であるのが好ましく、１００００℃／ｍｉｎ以下であるのがより好ましく、５０００℃／ｍｉｎ以下であるのがさらに好ましく、２０００℃／ｍｉｎ以下であるのがいっそう好ましい。

本発明の冷却方法の対象となるステンレス鋼スラグの組成は、操業条件によって異なるが、Ａｌ_２Ｏ_３のほか、少なくとも、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ等の成分を含有し、これら以外の成分について、その組成および含有量は特に限定されない。
このようなステンレス鋼スラグ中において、ＣａＯ含有量は、３０〜５０質量％が好ましく、３５〜４５質量％がより好ましい。また、ＳｉＯ_２含有量は、１０〜２５質量％が好ましく、１５〜２２質量％がより好ましい。また、ＭｇＯ含有量は、１５〜３０質量％が好ましく、２０〜２５質量％がより好ましい。これらの成分の含有量が上記範囲内であれば、本発明の効果がより優れる。

次に、本発明の一実施の形態について図１に基いて説明する。本実施の形態は、鋳銑機型スラグ冷却装置への適用例であるが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、鋳銑機型スラグ冷却装置を模式的に示す側面図である。図１に示す鋳銑機型スラグ冷却装置（以下、単に「スラグ冷却装置」ともいう。）は、連続鋳滓機１を主体に構成される。連続鋳滓機１では、概略的には、エンドレス状に連結して循環移動するモールド２に流し込まれた溶融スラグ５が冷却されて凝固し、凝固スラグ５′が形成される。

より詳細に説明する。まず、連続鋳滓機１においては、エンドレス状のチェーンコンベア３が、一対のチェーンホイル４に掛け渡されている。チェーンコンベア３は、チェーンホイル４の回転駆動に伴って、連続鋳滓機１の始端（図１中左端）から終端（図１中右端）に向けて所定の傾斜角で循環駆動する。チェーンコンベア３のリングプレート（図示せず）には、金属製の複数個のモールド２が、ブラケット（図示せず）によって取り付けられている。チェーンホイル４の回転によるチェーンコンベア３の駆動に伴い、モールド２が循環移動する。
なお、チェーンホイル４は、無段変速可能で動力として変速可能なモーター（図示せず）と、これに連結する減速機（図示せず）とによって、回転駆動される。このようなモーターおよび減速機を駆動することにより、チェーンホイル４の回転駆動速度が制御される。

循環するモールド２は、連続鋳滓機１の始端から終端までは、溶融スラグ５を受ける凹面２ａ面を上向きに移動するが、終端で折り返されて反転し、始端まで凹面２ａを下向きに移動し、始端にて再び凹面２ａが上向きとなって移動を再開する。

連続鋳滓機１の始端側の上方位置には、溶融スラグ５を収容するスラグ鍋６が配置される。溶融スラグ５は、溶融状態のステンレス鋼スラグである。ステンレス鋼スラグについては、既に説明済みであるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図１に示すように、連続鋳滓機１の始端側の上方位置に配置されたスラグ鍋６を、例えば油圧等によって、連続鋳滓機１側に傾動させることで、溶融スラグ５が払い出される。払い出された溶融スラグ５は、スラグ樋７を介して、循環するモールド２の凹面２ａに流し込まれる。

モールド２に流し込まれた溶融スラグ５は、モールド２により抜熱され、凝固スラグ５′が形成される。このとき、凝固スラグ５′は、モールド２の形状に応じて、板状に凝固する。凝固スラグ５′は、連続鋳滓機１の末端でモールド２が反転することにより、モールド２から剥離し、落下する。

凝固スラグ５′を剥離した後のモールド２は、反転状態で連続鋳滓機１の始端に戻るが、このとき、連続鋳滓機１の下方位置に配置された散水ノズル８から散水され、冷却される。

連続鋳滓機１は、複数個の放射温度計９を有する。具体的には、モールド２に流し込まれた直後の溶融スラグ５の自由表面温度を測定する位置に配置される放射温度計９ａと、モールド２が反転する直前の凝固スラグ５′の自由表面温度を測定する位置に配置される放射温度計９ｂと、散水ノズル８による散水冷却後のモールド２の凹面２ａ温度を測定する位置に配置される放射温度計９ｃとを有する。

このような構成において、まず、チェーンホイル４を回転駆動させ、チェーンコンベア３に取り付けられたモールド２を循環移動させる。これと共に、スラグ鍋６を傾動させることで、溶融スラグ５を払い出し、スラグ樋７を介して、循環するモールド２の凹面２ａに流し込む。

このとき、溶融スラグ５として、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が１７質量％以上であるステンレス鋼スラグを用いる。さらに、モーターおよび減速機を駆動して、チェーンホイル４の回転駆動速度を制御することにより、溶融スラグ５（凝固スラグ５′）の冷却速度を２５０℃／ｍｉｎ以上となるように制御する。これにより、モールド２から剥離して落下した凝固スラグ５′においては、粉化が防止される。

溶融スラグ５の冷却速度は、例えば、モールド２に流し込まれた直後の溶融スラグ５の自由表面温度（放射温度計９ａで測定される温度）と、モールド２が反転する直前の凝固スラグ５′の自由表面温度（放射温度計９ｂで測定される温度）とから求める。
なお、溶融スラグ５の冷却速度は、本来は、溶融スラグ５（凝固スラグ５′）の内部温度に基づいて求めるのが好ましいが、循環移動するモールド２内の溶融スラグ５（凝固スラグ５′）の内部温度を測定するのが困難であることから、ここでは、自由表面温度により求めるものである。

なお、モールド２内の溶融スラグ５（凝固スラグ５′）においては、その自由表面温度と内部温度との間で、温度差が生じ得る。そのため、あらかじめ、使用するモールド２において、溶融スラグ５（凝固スラグ５′）の自由表面温度と内部温度との相関を調べておくのが好ましい。例えば、溶融スラグ５（凝固スラグ５′）の自由表面温度が「Ｔ」℃のときに、内部温度が「Ｔ＋２００」℃であるという相関を調べておく。

自由表面温度と内部温度との相関を調べる方法は、特に限定されない。例えば、別途用意したモールド２の凹面２ａの中心位置に、測温端が位置するように熱電対（図示せず）をセットし、このモールド２に、溶融スラグ５を流し込み、その自由表面温度を別途用意した放射温度計９で測定し、熱電対および放射温度計９の測定結果から、自由表面温度と内部温度との相関を調べる方法が挙げられる。

溶融スラグ５そのものの温度は特に限定されない。しかし、モールド２から剥離落下した凝固スラグ５′に溶融スラグ５が含まれることを防止するという観点から、内部温度がある程度まで冷却されるのが好ましい。そのため、内部温度と自由表面温度との温度差を考慮して、放射温度計９ｂで測定される凝固スラグ５′の自由表面温度を、１１００℃以下まで冷却するのが好ましく、１０５０℃以下まで冷却するのがより好ましい。

モールド２の形状は、特に限定されないが、流し込まれた溶融スラグ５の自由表面温度と内部温度との温度差が少なくなるという理由から、凹面２ａは浅い方が好ましい。一方、凹面２ａが浅すぎると、凝固スラグ５′を形成する効率が劣る。以上の理由から、モールド２の凹面２ａの深さは、５〜３０ｍｍが好ましく、１０〜２５ｍｍがより好ましい。

スラグ鍋６から溶融スラグ５を流出させる流出速度としては、溶融スラグ５の冷却速度が上記速度を満たすように調整された速度であれば、特に限定されない。

モールド２は、溶融スラグ５が流し込まれる際には、乾燥していることが好ましいから、モールド２の凹面２ａ温度（放射温度計９ｃで測定される温度）が、１００〜３００℃になるように、散水ノズル８の散水量を調整するのが好ましい。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１に基いて説明した鋳銑機型スラグ冷却装置を用いて、溶融スラグ５を冷却し、凝固スラグ５′を形成した。このとき、溶融スラグ５としては、下記第３表に示す溶融状態（１５５０℃）のステンレス鋼スラグを用い、モーターおよび減速機を駆動して、チェーンホイル４の回転駆動速度を制御することにより冷却速度を制御した。冷却速度（単位：℃／ｍｉｎ）を下記第３表に示す。なお、冷却速度は、放射温度計９ａで測定される温度と、放射温度計９ｂで測定される温度とから求めた。

モールド２としては、縦１ｍ、横２ｍ、厚さ４０ｍｍで、凹面２ａの深さ２０ｍｍである鋳鋼製鋳型を用いた。
また、凝固スラグ５′は、放射温度計９ｂで測定される自由表面温度が、１０００℃以下まで冷却を行なった。その結果、いずれの例においても、落下した凝固スラグ５′に溶融スラグ５が含まれないことが確認された。
さらに、放射温度計９ｃで測定されるモールド２の凹面２ａ温度が、２５０℃になるように、散水ノズル８の散水量を調整した。

このような条件において、モールド２から剥離落下した凝固スラグ５′について、１週間経過後における粉化の有無を評価した。１週間後においても凝固スラグ５′に粉化が見られなかった場合には、粉化が防止できたものとして「○」と評価し、粉化が見られた場合には粉化が防止できなかったものとして「×」と評価した。評価結果を下記第１表に示す。

なお、いずれの例においても、水砕処理または風砕処理を用いなかったため、粒状化は見られなかった。

上記第３表に示す結果から、比較例１〜３においては凝固スラグ５′に粉化が確認されたのに対して、発明例１〜４においては、粒状化のみならず、粉化も防止できたことが分かった。

１ 連続鋳滓機
２ メタルモールド
２ａ 凹面
３ チェーンコンベア
４ チェーンホイル
５ 溶融スラグ
５′ 凝固スラグ
６ スラグ鍋
７ スラグ樋
８ 散水ノズル
９ 放射温度計

Claims (2)

1. 水砕処理または風砕処理を用いることなくステンレス鋼スラグを冷却する、ステンレス鋼スラグの冷却方法であって、
   前記ステンレス鋼スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３含有量が１７質量％以上であって、２５０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で前記冷却を行い、
   前記ステンレス鋼スラグが、３０〜５０質量％のＣａＯ、１０〜２５質量％のＳｉＯ _２ 、および、１５〜３０質量％のＭｇＯを含有する、ステンレス鋼スラグの冷却方法。
2. 前記冷却速度が、５００００℃／ｍｉｎ未満である、請求項１に記載のステンレス鋼スラグの冷却方法。