JP5988682B2 - 電気炉還元スラグの改質方法及びコンクリート用骨材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造による製鋼で発生した電気炉還元スラグの改質方法と、該改質方法で改質した電気炉還元スラグを用いることで水分吸収による膨張、崩壊を抑制したコンクリート用骨材の製造方法に関するものである。

一般的な製鋼の方法としては、主原料に鉄鉱石を用いる高炉・転炉法の他に、主原料に鉄スクラップを用いる電気炉法がある。
上記電気炉法にあっては、鉄スクラップを電気エネルギーで加熱・溶融して溶鋼とした後、溶鋼中に酸素を吹き込むことで鋼に不要な成分を酸化除去する酸化精錬を行い、その後、電気炉あるいは取鍋精錬炉等の炉外精錬炉にて溶鋼中の酸素と硫黄を除去する還元精錬を行なうことで、鋼を製造する。そして上記酸化精錬時には電気炉酸化スラグが生成され、上記還元精錬時には電気炉還元スラグが生成される。
上記電気炉酸化スラグは酸化鉄や酸化マンガンの含有率が高く、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯの含有率が低いので、水分を吸収しても膨張、崩壊を起しにくく、そのままコンクリート骨材等として高度利用可能である。
一方、上記電気炉還元スラグは遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯの含有率が高く、酸化鉄や酸化マンガンの含有率が低いので、水分を吸収して膨張し、砂状に崩壊し易く、そのままではコンクリート骨材には使用しにくい。
そこで、上記電気炉還元スラグを改質するべく、種々の方法が提案されている（特許文献１〜３）。

特開２００４−１４３０３４号公報 特開２００５−３０６６５４号公報 特開２００７−２６２５３７号公報

ところが、上記電気炉還元スラグは、改質処理に要する費用よりも廃棄処理に要する費用の方が低く、改質されることなく略大半を廃棄しているのが現状であるという問題があった。
すなわち、上記電気炉還元スラグの改質の主目的は遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯの含有率を下げることにあり、その方法として、電気炉還元スラグを、電気炉酸化スラグ、山砂、スケール（Ｆｅ_２Ｏ_３）等と混合したうえで、非常に高温度で熱処理して溶融状態とし、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯと、ＳｉＯ_２あるいはＦｅ_２Ｏ_３とを反応させる方法が採用される。
しかし、上記のような熱処理は、改質原料としてのＳｉＯ_２あるいはＦｅ_２Ｏ_３を含有する材料を多く使用するために長時間を要し、更に電気炉還元スラグとスケール等との混合物の溶融に多大なエネルギーを要するので、改質費用が高騰してしまう。
また還元精錬用の取鍋内で電気炉酸化スラグと電気炉還元スラグとを溶融状態で混合して混合スラグとして改質することも提案されている（特許文献３）が、還元精錬は鋼の諸性質を決定する成分元素濃度を調整するための最終工程であり、特に高級な鋼材を製造する場合には重要な工程となるので、溶鋼中から除去した不純物であるスラグを再び取鍋内に戻すことは好ましいことではない。加えて還元精錬用の取鍋内で電気炉還元スラグの改質を行う場合、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯによる悪影響を低減するためには、得られたスラグを別途加圧蒸気でエージング等しなければならず、改質費用が高騰してしまう。

本発明は上記従来の問題点を解決するための手段として、電気炉を用いた酸化精錬と、炉外精錬炉を用いた還元精錬とを経た溶鋼を連続鋳造する製鋼工程に際して発生する電気炉還元スラグの改質方法であって、上記連続鋳造で溶鋼を出鋼した後の取鍋中に残った電気炉還元スラグを回収し、回収した上記電気炉還元スラグを、鉄スクラップの溶解期にある上記電気炉内で溶解中の鉄スクラップ中および／または酸化精錬期にある上記電気炉内の溶融物中に投入して、該溶解中の鉄スクラップおよび／または該溶融物に上記電気炉還元スラグを溶融混合することで、上記鉄スクラップの溶解期および／または上記酸化精錬期にある上記電気炉内で上記電気炉還元スラグを電気炉酸化スラグに改質したうえで、上記電気炉から電気炉酸化スラグを受滓する電気炉還元スラグの改質方法を提供するものである。
上記電気炉還元スラグは、高温溶融状態で回収し、該高温溶融状態のまま上記溶解中の鉄スクラップ中および／または上記溶融物中に投入することが望ましい。
また上記電気炉還元スラグに加えて更に、上記連続鋳造で溶鋼を出鋼した後の取鍋中に残留した溶鋼である残湯を回収し、上記残湯を上記電気炉還元スラグとともに上記鉄スクラップの溶解期にある上記電気炉内で溶解中の鉄スクラップ中および／または上記酸化精錬期にある上記電気炉内の溶融物中に投入し、上記溶解中の鉄スクラップおよび／または上記溶融物に上記残湯を混合することが望ましい。
また上記製鋼工程に際して上記酸化精錬、上記還元精錬及び上記連続鋳造は複数チャージが繰り返し行われ、所定のチャージの連続鋳造で回収した上記電気炉還元スラグを、該所定のチャージの連続鋳造よりも後に行われる他のチャージで、上記鉄スクラップの溶解期にある上記電気炉内で溶解中の鉄スクラップ中および／または上記酸化精錬期にある上記電気炉内の溶融物中に投入することが望ましい。
更に本発明では、上記電気炉還元スラグの改質方法にて上記電気炉から受滓した電気炉酸化スラグを、溶融状態で流下させつつ空気を噴射することで飛散冷却し、粒状化することで得られるコンクリート用骨材の製造方法が提供される。

〔作用〕
本発明の電気炉還元スラグの改質方法によれば、連続鋳造における溶鋼の出鋼後に取鍋から回収された電気炉還元スラグを、鉄スクラップの溶解期および／または酸化精錬期にある電気炉内で、溶解中の鉄スクラップ（以下、「スクラップ融解物」と云う）中および／または溶融物中に投入することにより、該電気炉内におけるアーク熱による熱エネルギーを利用し、電気炉還元スラグを該スクラップ融解物および／または該溶融物に溶解させることができるため、改質のためのみに電気炉還元スラグを溶融するべく多大なエネルギーを使う必要がなく、改質に要する費用の低減を図ることができるとともに、鉄スクラップの溶解処理および／または酸化精錬の処理とともに改質処理が行われるため、上記電気炉還元スラグの改質処理にのみ時間を割く必要がない。
上記電気炉還元スラグ中に含まれる酸化カルシウム（ＣａＯ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、精錬時の溶鋼に投入された還元剤や生石灰の未反応分であるから、上記電気炉還元スラグを電気炉内の溶融物中に溶解させて溶鋼を得ることで、該電気炉還元スラグ中に含まれていた未反応分の還元剤や生石灰が精錬に再利用されるので、スラグ中における遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯの含有量の低減を図ることができるとともに、精錬時における還元剤や生石灰の使用量を低減することができる。
上記電気炉内で上記溶融物に溶融混合されて改質された上記電気炉還元スラグは、酸化精錬において上記電気炉から電気炉酸化スラグとして受滓される。すなわち、本発明で受滓されるスラグは全て電気炉酸化スラグであり、該電気炉酸化スラグは酸化鉄や酸化マンガンの含有率が高く、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯの含有率が低く、更に上記電気炉酸化スラグは産業廃棄物であって価格も低廉であるから、コンクリート骨材として安価で品質の優れたものとなる。
更に本発明では、上記のように受滓された電気炉酸化スラグを溶融状態で流下させつつ空気を噴射することで飛散冷却し、粒状化することで、優れた品質のコンクリート骨材を得ることができる。
また上記電気炉還元スラグは、高温溶融状態で回収し、そのまま高温の上記スクラップ融解物中および／または高温の上記溶融物中に投入することで、電気炉還元スラグを溶融するために必要とするエネルギーの低減を図ることができるとともに、該電気炉還元スラグを高温度に保つためのエネルギーをほぼ使う必要が無くなる。
また取鍋中に残留した溶鋼である残湯を回収し、該残湯を上記電気炉還元スラグとともに上記鉄スクラップの溶解期および／または上記酸化精錬期にある上記電気炉内のスクラップ融解物中および／または溶融物中に投入することで、該残湯はエネルギーを使用することなく溶鋼となり、かつ該残湯が電気炉還元スラグを高温溶融状態に保つため、エネルギー効率の向上を図ることができる。
また上記酸化精錬、上記還元精錬及び上記連続鋳造の各操業を複数チャージ繰り返し行われる製鋼工程においては、所定のチャージの連続鋳造における操業時に回収した上記電気炉還元スラグを、該所定のチャージの連続鋳造よりも後に行われる他のチャージの酸化精錬の操業時に利用することにより、上記電気炉還元スラグが冷めて固化してしまう時間が空いたり、上記電気炉還元スラグを高温溶融状態に保つために多大なエネルギーを要したりする等のような無駄を省くことができ、効率的な運用を図ることができる。

〔効果〕
本発明によれば、製鋼工程で操業中の電気炉内で電気炉還元スラグの電気炉酸化スラグへの改質を行うことができるため、多大な時間及びエネルギーを要することなく改質を、安価に効率よく行うことができ、また受滓されたスラグは全て電気炉酸化スラグであるから遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯの含有率が低いので、コンクリート骨材等として高度利用することが出来る。

実施形態の製鋼工程における連続鋳造のタイムスケジュールの説明図。 風砕装置を示す説明図。

本発明の一実施形態について以下に詳細に説明する。
製鋼工程は、電気炉を用いた酸化精錬と、炉外精錬炉を用いた還元精錬とを経た溶鋼を連続鋳造することで行われる。
上記酸化精錬は、まず鉄スクラップの溶解期において、主原料である鉄スクラップを、電気炉を使用してアーク熱で溶融させて溶解中の鉄スクラップ（スクラップ融解物）とし、次いで酸化精錬期において、該スクラップ融解物に酸素を吹き込んで反応熱で温度を上昇させることで、溶融物である溶鋼を得る工程である。この酸化精錬では上記溶鋼の他に、製鋼カスである酸化性のスラグ、つまり電気炉酸化スラグが溶融物として生成される。
上記還元精錬は、上記酸化精錬で得られた溶鋼から不純物を除くべく脱硫、脱酸、非金属介在物除去等を行うとともに、所望に応じて目的とする成分元素を溶鋼に添加する工程である。この還元精錬では、主として溶鋼を搬送するための取鍋を炉外精錬炉として用い、該取鍋中の溶鋼の表面に浮かび上がるようにして製鋼カスである還元性のスラグ、つまり電気炉還元スラグが生成される。
なお上記還元精錬において上記炉外精錬炉には、二本足の浸漬管を備えた真空槽を取鍋中に装着した構成の真空脱ガス炉（ＲＨ）、一本足の浸漬管を備えた真空槽を取鍋中に装着した構成の真空脱ガス炉（ＤＨ）、取鍋中の溶鋼をアーク放電で加熱できるように構成した取鍋加熱炉（ＬＦ）等があり、製鋼の目的に応じたものが適宜使用される。
上記連続鋳造（ＣＣ）は、連続鋳造機を使用し、精錬が終わった溶鋼中から介在物を除去しつつ、該溶鋼を凝固させ、所定形状の鋼片を作る工程である。この連続鋳造において溶鋼は、上記取鍋に入れられたまま連続鋳造機へ搬送され、該取鍋の底部から該連続鋳造機のタンディッシュへ注がれる。

上記電気炉還元スラグの改質は、上記連続鋳造で溶鋼を出鋼した後の取鍋中に残った電気炉還元スラグを回収し、回収した上記電気炉還元スラグを上記鉄スクラップの溶解期および／または上記酸化精錬期にある上記電気炉内に投入することで行われる。上記電気炉還元スラグは、上記電気炉が上記鉄スクラップの溶解期にあればスクラップ融解物中、あるいは上記電気炉が酸化精錬期にあれば溶融物中に投入することで、結果的に該溶融物中で上記電気炉酸化スラグと溶融混合され、電気炉酸化スラグとして改質される。
すなわち、上記酸化精錬において生成された上記電気炉酸化スラグは、酸化鉄や酸化マンガンの含有率が高く、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯの含有率が低く、これに対して上記還元精錬で生成された上記電気炉還元スラグは、酸化鉄や酸化マンガンの含有率が低く、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯの含有率が高く、電気炉酸化スラグと電気炉還元スラグとを溶融混合して反応せしめ、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯを安定化することにより、改質を行う。
更に上記電気炉還元スラグの改質は、上記酸化精錬の工程で操業中の上記電気炉を使用することにより、アーク熱で高温に加熱して行われるため、上記電気炉酸化スラグと上記電気炉還元スラグとの反応が促進される。
上記したように上記電気炉内に上記電気炉還元スラグを投入するタイミングは、上記鉄スクラップの溶解期または上記酸化精錬期の何れか一方のみ、あるいは上記鉄スクラップの溶解期および上記酸化精錬期の両方の、何れとしてもよい。上記鉄スクラップの溶解期に電気炉還元スラグを投入する場合、該鉄スクラップを溶融させるためのアーク熱による熱エネルギーを電気炉還元スラグに直接的に付与することが可能であるという利点を有し、また酸化精錬期に電気炉還元スラグを投入する場合、反応熱による熱エネルギーを電気炉還元スラグに直接的に付与することが可能であるという利点を有しており、何れの場合も電気炉還元スラグの改質のためのみに熱エネルギーを付与する必要が無く、電気炉にて生じた熱エネルギーを電気炉還元スラグの改質に有効利用できるという効果を奏する。
なお上記電気炉を使用した電気炉還元スラグの改質は、１５００℃〜１７００℃の高温で１０分〜４０分加熱することによって行われ、その間に上記電気炉還元スラグ中の遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯは、電気炉酸化スラグ中の酸化鉄、酸化マンガン、あるいはケイ酸と反応して安定な鉱物となる。例えば上記遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯが鉄含有成分と反応した場合には、２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３やＭｇＯ・ＦｅＯとなり安定化される。
従って本発明においては、上記酸化精錬の工程後に上記電気炉から受滓された全てのスラグが電気炉酸化スラグとして生成される。このため、得られたスラグを別途加圧蒸気でエージングなどする必要がない。

上記電気炉還元スラグの改質において、上記電気炉還元スラグと上記電気炉酸化スラグとの比率は、質量比で３０：７０〜７０：３０とすることが望ましい。上記電気炉酸化スラグの混合量が７０質量比を越えると、電気炉還元スラグの電気炉酸化スラグに対する処理量が少なくなって電気炉還元スラグの処理バランスが悪化するおそれがあり、電気炉還元スラグの混合量が７０質量比より多くなると電気炉還元スラグの改質効率が悪化する。
電気炉を使用した上記製鋼工程においてスラグは一般的に、電気炉還元スラグが３０質量％〜４０質量％、電気炉酸化スラグが７０質量％〜６０質量％の割合で発生するので、上記還元精錬で生成された上記電気炉還元スラグの全量を、上記酸化精錬にて上記電気炉内の溶融物中に投入することが望ましい。

上記電気炉還元スラグの改質にあっては、上記電気炉内の溶融物に対し、上記電気炉還元スラグの他に、スケール（酸化鉄）、鉄スクラップ、赤土等の鉄含有成分、ケイ石粉、山砂、川砂等のケイ砂、ケイ藻土、ガラス屑、陶磁器屑等ケイ酸含有物質等の遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯと反応可能な物質、木炭、石炭、木材、プラスチック廃棄物等の炭素源等の他の添加剤を添加してもよい。
上記鉄成分および／またはケイ酸含有物質の添加量は、電気炉還元スラグと電気炉酸化スラグの混合物１００質量部に対して、上記鉄成分および／またはケイ酸含有物質のそれぞれが５〜１５質量部になるように設定されることが望ましい。
特に上記連続鋳造の工程では、上記還元精錬の工程後の取鍋内において電気炉還元スラグは溶鋼の表面に浮かび上がるようにして生成されているので、取鍋内の溶鋼の全量がタンディッシュへ注がれることはなく、若干量の溶鋼が取鍋中に残留し、この取鍋中に残留した溶鋼が残湯である。上記残湯は、上記電気炉還元スラグを高温溶融状態に保持するとともに、上記電気炉還元スラグの改質において添加される鉄成分となるので、上記残湯を上記電気炉還元スラグとともに上記酸化精錬の工程にて上記電気炉内のスクラップ融解物中あるいは溶融物中に投入することが望ましい。

本実施形態の製鋼工程は、複数チャージを所定時間置きに繰り返し行うことが望ましい。該製鋼工程の一例を図１のタイムスケジュールに示す。
図１に示す製鋼工程では、第１チャージから第９チャージが１時間置きに行われる。各チャージにおいて、酸化精錬の工程は約６０分、還元精錬の工程は約３０分、連続鋳造の工程は約５０分を要する。
例えば、第１チャージで連続鋳造の工程の終了時には、第４チャージが開始されている。そこで、第１チャージで連続鋳造の工程の終了時に取鍋に残留した電気炉還元スラグと残湯とを、第４チャージでの酸化精錬の工程にて電気炉内のスクラップ融解物中あるいは溶融物中に投入する（図１中に矢印鎖線で示す）。そして、該作業を繰り返すことで電気炉還元スラグの改質を、第１〜第９チャージのうち、第４〜第９チャージで連続して繰り返し行うことが可能である。
本例において、上記電気炉還元スラグ及び上記残湯は、その全量が上記電気炉内に投入される。そして上記酸化精錬後に上記電気炉で生成されたスラグの全量が、電気炉酸化スラグとして受滓される。

上記のようにして電気炉還元スラグの改質を連続して繰り返し行う場合、上記電気炉還元スラグは、残湯とともに高温溶融状態で回収され、溶融のためのエネルギーを使用することなく該高温溶融状態のまま上記電気炉内のスクラップ融解物中あるいは溶融物中に投入することが可能である。
更に上記のようにして電気炉還元スラグの改質を連続して繰り返し行う場合、スラグを溶融状態のまま取り扱うことが可能であるため、例えばスラグを溶融させるためのエネルギー等といった余計なエネルギーを必要とせず、また改質に要する熱エネルギーは、製鋼のためのものをそのまま利用できるため、エネルギー効率が非常に良好であり、安価に改質を行うことができる。

上記製鋼工程において、上記酸化精錬の工程後の上記電気炉から受滓された溶融状態の電気炉酸化スラグ（以下、溶融スラグと云う）は、このまま風砕処理の工程へ搬送され、該風砕処理の工程で冷却固化粒状化される。
上記風砕処理にあっては、例えば図２に示す装置を使用する。図２において、１は溶融スラグ吐出ポットであって、該溶融スラグ吐出ポット１は実線位置から点線位置まで傾動することができ、該溶融スラグ吐出ポット１の溶融スラグ吐出口２には受け樋３が接しており、該受け樋３の先端には空気噴射装置４の噴射口が配置されている。
上記装置を使用して風砕処理を行なうには、電気炉から溶融スラグを上記溶融スラグ吐出ポット１に移し、該溶融スラグ吐出ポット１を実線状態から点線状態に傾動させ、溶融スラグ吐出口２から溶融スラグＭを受け樋３に流し出す。該溶融スラグＭは該受け樋３を流下して先端から重力で下方に流下し、その際空気噴射装置４の噴射口から噴射される空気によって飛散され、冷却されて粒状化して粒状スラグＰとなる。
上記風砕処理は、装置が簡潔な点、粉砕機等が不要な点等からみて、溶融スラグの冷却固化粒状化の方法として望ましい。さらに上記風砕処理によって得られた粒状スラグＰは、粒径が略均一であり、また粒の形状も略揃っているので、コンクリート骨材として非常に有用である。

なお上記風砕処理においては、上記装置と上記電気炉との間を樋等で繋ぐ等することにより、上記電気炉から溶融スラグを上記溶融スラグ吐出ポット１に直接的に受滓するように構成してもよい。
また溶融スラグを冷却固化粒状化して上記コンクリート骨材を得るコンクリート骨材の製造方法には、上記風砕処理以外にも、例えば上記溶融スラグを羽根車上に注下して水シャワー中に飛散させ、冷却固化粒状化する水砕法、上記溶融スラグを容器中に流し出し、冷却固化させた後、粉砕機で粉砕する粉砕法等があり、これらの方法を使用してもよい。

以下に本発明の実施例を示す。
図１に示すタイムチャートに従って製鋼を行った。このとき酸化精錬炉における改質は、スラグ１０ｔに対して山砂１ｔ、スケール１ｔをそれぞれ添加し、電気炉にて１６００℃で約３０分加熱溶融して行なった。
上記製鋼において、第１チャージで得た電気炉酸化スラグと電気炉還元スラグの成分を表１に、第４チャージで得た電気炉酸化スラグの成分を表２に示す。

表２を参照すれば、改質を行った第４チャージの電気炉酸化スラグは、第１チャージの電気炉還元スラグに比べて遊離ＣａＯ、遊離ＭｇＯ共に含有率（質量％）がいずれも低下しており、水分に接触しても膨張、崩壊を起さず、コンクリート骨材として充分使用可能なことが認められた。

本発明においては、処理に費用を要した電気炉還元スラグを、安価にかつ簡単に改質してコンクリート骨材として高度利用可能ならしめたので、産業上利用可能である。

１ 溶融物吐出ポット
２ 溶融物吐出口
３ 受け樋
４ 空気噴射装置
Ｍ 溶融物
Ｐ スラグ

Claims (5)

1. 電気炉を用いた酸化精錬と、炉外精錬炉を用いた還元精錬とを経た溶鋼を連続鋳造する製鋼工程に際して発生する電気炉還元スラグの改質方法であって、
   上記連続鋳造で溶鋼を出鋼した後の取鍋中に残った電気炉還元スラグを回収し、
   回収した上記電気炉還元スラグを、鉄スクラップの溶解期にある上記電気炉内で溶解中の鉄スクラップ中および／または酸化精錬期にある上記電気炉内の溶融物中に投入して、該溶解中の鉄スクラップおよび／または該溶融物に上記電気炉還元スラグを溶融混合することで、
   上記鉄スクラップの溶解期および／または上記酸化精錬期にある上記電気炉内で上記電気炉還元スラグを電気炉酸化スラグに改質したうえで、上記電気炉から電気炉酸化スラグを受滓する
   ことを特徴とする電気炉還元スラグの改質方法。
2. 上記電気炉還元スラグは、高温溶融状態で回収し、該高温溶融状態のまま上記溶解中の鉄スクラップ中および／または上記溶融物中に投入する
   請求項１に記載の電気炉還元スラグの改質方法。
3. 上記電気炉還元スラグに加えて更に、上記連続鋳造で溶鋼を出鋼した後の取鍋中に残留した溶鋼である残湯を回収し、
   上記残湯を上記電気炉還元スラグとともに上記鉄スクラップの溶解期にある上記電気炉内で溶解中の鉄スクラップ中および／または上記酸化精錬期にある上記電気炉内の溶融物中に投入し、
   上記溶解中の鉄スクラップおよび／または上記溶融物に上記残湯を混合する
   請求項１又は請求項２に記載の電気炉還元スラグの改質方法。
4. 上記製鋼工程に際して上記酸化精錬、上記還元精錬及び上記連続鋳造は複数チャージが繰り返し行われ、所定のチャージの連続鋳造で回収した上記電気炉還元スラグを、該所定のチャージの連続鋳造よりも後に行われる他のチャージで、上記鉄スクラップの溶解期にある上記電気炉内で溶解中の鉄スクラップ中および／または上記酸化精錬期にある上記電気炉内の溶融物中に投入する
   請求項１から請求項３のうち何れか一項に記載の電気炉還元スラグの改質方法。
5. 請求項１から請求項３のうち何れか一項に記載の電気炉還元スラグの改質方法にて上記電気炉から受滓した電気炉酸化スラグを、溶融状態で流下させつつ空気を噴射することで飛散冷却し、粒状化して得られる
   ことを特徴とするコンクリート用骨材の製造方法。

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