JP6924330B2 - 凝固製鋼スラグの連続的製造方法及び関連装置 - Google Patents
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Description
本発明は、製鋼スラグの連続的製造方法及び関連装置に関する。
従来の製鋼経路では、銑鉄が製造されて溶鉱炉に入れられ、次いで例えば転換炉内で鋼になる。転換炉では、溶融した銑鉄に酸素を吹き込み、銑鉄の炭素含有量を低下させ、銑鉄を鋼に変える。珪素、リン、及びマンガンのような銑鉄に含まれる不純物を除去し、必要な鋼組成に達するように、石灰及び／又はドロマイトのような鉱物添加物が転換炉に添加される。これらの添加物は、銑鉄から抽出した不純物と共に転換炉スラグを形成する。
次いで、このようにして形成された溶融鋼を精錬処理に供して、高品質の鋼グレードの鋼組成要件を達成することができる。溶融鋼をレードルに注ぎ、合金元素を溶融鋼に添加する一方、特に石灰及び／又はドロマイトのような鉱物添加物の注入により不純物を除去する。レードルスラグは、このような精錬処理の副産物である。
大型製鋼工場は年間数十万本の製鋼スラグを生じさせ、貯蔵コストとそのための利用可能な場所の必要性を発生させる。それにもかかわらず、これらのスラグは、特に靭性及び耐摩耗性の点で良好な機械的特性を有し、それらを土木工学又は道路建設での使用に特に興味深いものにする。道路建設には、骨材の使用を必要とする全ての道路工事、特にアスファルト、路床、路盤、道路システムの基部、又は充填材の製造が含まれる。しかし、この材料に関する主な問題は、骨材を不安定にするかなりの含有率の遊離石灰に由来する。本文の残りの部分では、製鋼スラグという用語を使用するものとする。これは、先に記載したレードルスラグ及び転換炉スラグの両方を含むが、いずれのスラグも製鋼工場の副産物であり、遊離石灰含有率が２％を上回る。
実際に、石灰及び／又はドロマイトの添加により、転換炉スラグ及びレードルスラグは共に最大２５％の高い含有率の遊離石灰（ＣａＯ）を有する。この遊離石灰は、水和反応（１）に従い、短期的には雨水と反応して水酸化カルシウムを形成し、
（１）ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）２
また、炭酸化反応（２）に従い、長期的には空気中の二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムを生成する。
（２）ＣａＯ＋ＣＯ２→ＣａＣＯ３
水酸化カルシウム及び炭酸カルシウムは共に遊離石灰よりも高い体積を有するため、これらのスラグには体積の不安定さが存在し、体積膨張は１０％まであり、それらが使用される道路に損傷を与える可能性がある。これにより、道路工事において転換炉スラグについて伝統的なリサイクルが妨げられる。そこで、遊離石灰含有率を減少させ、製鋼スラグを安定化するためにいくつかの解決策が提案された。
（１）ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）２
また、炭酸化反応（２）に従い、長期的には空気中の二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムを生成する。
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水酸化カルシウム及び炭酸カルシウムは共に遊離石灰よりも高い体積を有するため、これらのスラグには体積の不安定さが存在し、体積膨張は１０％まであり、それらが使用される道路に損傷を与える可能性がある。これにより、道路工事において転換炉スラグについて伝統的なリサイクルが妨げられる。そこで、遊離石灰含有率を減少させ、製鋼スラグを安定化するためにいくつかの解決策が提案された。
例えば、ＪＰ−Ｂ２−５３２７１８４号は、製鋼スラグを閉鎖容器内で溶融状態に保ち、ＣＯ２をＣＯ２の吹き込み量がスラグ１トン当たり０．０７トン以上になるように溶融スラグ内に吹き込む、スラグの製造方法を記載する。その目的は、反応（２）に従い遊離石灰を炭酸カルシウムに変換することにより溶融状態のスラグを安定化することである。吹き込み処理は１０〜６０分間続く。次いで、溶融スラグを凝固装置に移し、そこで８６０℃未満の温度に冷却して凝固させる。この方法により、凝固スラグ中の１．５％未満の遊離石灰含有率に到達することが可能である。しかし、この処理は、冷却装置に加えて注入手段を備えた専用チャンバ、吹き付けながらスラグを溶融状態に保つためのエネルギーを提供することを意味し、それは安定化溶融スラグを冷却装置に向かって移すことを意味する。
ＪＰ−Ｂ２−５０４０２５７号は、スラグを回転ドラムに仕込んで粉砕して冷却する製鋼スラグの処理方法を記載する。次いで、こうして凝固したスラグをＣＯ２と接触させ、反応（２）に従って炭酸化する。この処理には、専用の装置を用いて、炭酸化のさらなるステップが必要である。
ＵＳ−Ａ−５５６９３１４号は、例えば道路工事における骨材として、寸法安定性を必要とする用途に使用するのに適している熱的に安定なスラグを製造する方法を記載する。この方法では、水和反応（１）に従い、遊離石灰を水と反応させるために、まず製鋼スラグの微細粒子に約１００〜４００℃の範囲の温度の水を噴霧する。その後、水和スラグ粒子は、約５００℃〜９００℃の範囲の温度でＣＯ２の存在下で炭酸化され、それによってスラグ粒子中に残存する実質的に全ての遊離石灰が炭酸カルシウムに変換される。この処理には水和のための水及び高温炭酸化ステップのためにスラグを再加熱するための追加エネルギーが必要である。
Ｒ．Ｍ．Ｓａｎｔｏｓ ＆ ａｌ．から「Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｏｘｙｇｅｎ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ ｂｙ ｈｏｔ−ｓｔａｇｅ ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ」と題し、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ ２０３ （２０１２） ｐ．２３９−２５０に掲載された論文は、顆粒状スラグを冷却し、この冷却ステップ中にＣＯ２と接触させる高温段階炭酸化処理を記載する。本稿では、顆粒状スラグ中へのＣＯ２取り込み及び冷却スラグ中の遊離石灰の最終含有率に及ぼす温度及びスラグ粒径の影響を研究する。
Ｒ．Ｍ．Ｓａｎｔｏｓ ＆ ａｌ．から「Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｏｘｙｇｅｎ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ ｂｙ ｈｏｔ−ｓｔａｇｅ ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ ２０３ （２０１２） ｐ．２３９−２５０
本発明の目的は、上記の欠点を克服しつつ、製鋼スラグの安定化を可能にする凝固製鋼スラグの連続的製造方法を提供することである。本発明の追加の目的は、この方法の全体的な生産性を高めるために、短い処理時間を保ちながら、好ましくは１％未満という遊離石灰含有率の低い凝固スラグを得ることである。
本発明による方法は、水及びエネルギーの消費並びに装置への投資を顕著に抑制することを可能にする。
この目的のために、本発明は、凝固製鋼スラグの連続的製造方法であって、次のステップ、
−直径１ｍｍ未満の凝固スラグ粒子を生成するように、少なくとも２重量％の遊離石灰を含む溶融製鋼スラグを凝固させるステップであって、溶融製鋼スラグを第１の炭酸化ガスと接触させるステップ、
−閉鎖チャンバ内で凝固スラグ粒子を３００℃以下の温度まで冷却するステップであって、凝固スラグ粒子を少なくとも１種の第２の炭酸化ガスと接触させるステップ
を含む方法。
−直径１ｍｍ未満の凝固スラグ粒子を生成するように、少なくとも２重量％の遊離石灰を含む溶融製鋼スラグを凝固させるステップであって、溶融製鋼スラグを第１の炭酸化ガスと接触させるステップ、
−閉鎖チャンバ内で凝固スラグ粒子を３００℃以下の温度まで冷却するステップであって、凝固スラグ粒子を少なくとも１種の第２の炭酸化ガスと接触させるステップ
を含む方法。
この製造方法は、単独で、又は組み合わせられる、請求項２〜１９に記載の特徴の１つ以上を含むことができる。
本発明は、請求項２０〜２６に記載の装置にも関する。
本発明は、以下の添付図を参照しながら、以下の記載を読むことにより、よりよく理解されるものである。
図１には本発明による凝固製鋼スラグの連続的製造法が表される。製鋼ステップから生じる溶融製鋼スラグ１は凝固ステップ２１を経て、溶融スラグ温度はスラグの組成に依存するが、一般に１３００〜１６００℃の間に含まれる。この凝固ステップの間に、スラグは粒子６中で凝固し、その温度は１０００℃まで低下する。スラグ粒子６のサイズは１ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ未満である。この特定の粒径の理由については後で説明する。この凝固ステップの間、溶融スラグを第１の炭酸化ガス３１と接触させる。この第１の炭酸化ガス３１は、例えば、少なくとも２０体積％、好ましくは５０体積％超のＣＯ２を含む。第１の炭酸化ガス３１の残りの部分は、水素、メタン、一酸化炭素、窒素、酸素又は水蒸気で構成され得る。この第１の炭酸化ガス３１は、最初に洗浄ステップに供された可能性のあるコークスオーブンガス、溶鉱炉ガス又は転換炉ガスのような製鉄又は製鋼工場からの排気ガスであってもよいし、該排気ガスを含んでいてもよい。この第１の炭酸化ガス３１は、例えば少なくとも２０体積％のＣＯ２、５〜３０体積％の間のＣＯ、１〜５５体積％の間のＨ２、１〜５５体積％の間のＮ２、１〜５体積％の間のＯ２を含む。別の実施形態では、第１の炭酸ガス３１は、ＣＯ２に加えて水蒸気も含み、ガス中の水蒸気の体積は、２０〜７０体積％の間に含まれる。第１の炭酸化ガス３１は、例えば少なくとも２０体積％のＣＯ２、５〜３０体積％の間のＣＯ、１〜５５体積％の間のＨ２、１〜５５体積％の間のＮ２、１〜５体積％の間のＯ２を含み、残りは水蒸気である。第１のガス３１のこの注入は、炭酸化反応（２）に従い、ＣＯ２とスラグに含まれる遊離石灰との間の最初の炭酸化反応を可能にする。さらなる実施形態では、２種以上の第一の炭酸化ガスが存在してもよい。
次いで、スラグ粒子６を冷却ステップ２２に供し、その間に、その温度が３００℃まで低下する。冷却速度は、好ましくは１℃／分〜１００℃／分の間に含まれる。短い処理時間処理を保つためには、冷却速度は１℃／分より上でなければならないが、炭酸化反応に十分なＣＯ２取り込みを得るためには１００℃／分未満でなければならない。この冷却ステップは、閉鎖チャンバ内で実施され、ここで第２の炭酸ガス３２が注入され、この第２の炭酸ガス３２は、例えば、少なくとも２５体積％、好ましくは５０体積％を超えるＣＯ２を含む。第２の炭酸化ガスの残りの部分は、水素、メタン、一酸化炭素、窒素、酸素又は水蒸気で構成され得る。この第２の炭酸化ガス３２は、最初に洗浄ステップに供された可能性のあるコークスオーブンガス、溶鉱炉ガス又は転換炉ガスのような製鉄又は製鋼工場からの排気ガスであってもよいし、該排気ガスを含んでいてもよい。この第２の炭酸化ガス３２は、例えば少なくとも２５体積％のＣＯ２、５〜３０体積％の間のＣＯ、１〜５５体積％の間のＨ２、１〜５５体積％の間のＮ２、１〜５体積％の間のＯ２を含む。この第２の炭酸ガス３２の温度は、必要な冷却速度を達成するように選択されるが、３００〜５００℃の間、含まれる温度を有することが好ましい。別の実施形態では、第２の炭酸ガス３２は、ＣＯ２に加えて水蒸気も含み、ガス中の水蒸気の体積は、２０〜７０体積％の間に含まれる。第２の炭酸化ガス３２は、例えば少なくとも２５体積％のＣＯ２、５〜３０体積％の間のＣＯ、１〜５５体積％の間のＨ２、１〜５５体積％の間のＮ２、１〜５体積％の間のＯ２を含み、残りは水蒸気である。顆粒状スラグ粒子のサイズは１ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ未満であれば粒子のＣＯ２取り込み量が多くなり、炭酸化反応（２）に従ってＣＯ２とスラグに含まれる石灰の間の反応速度が増す。さらなる実施形態では、２種以上の第２の炭酸化ガスが存在することができる。
この冷却ステップの後、反応（２）に従って、溶融スラグに最初に含まれていた遊離石灰の少なくとも６０％、好ましくは７５％超が炭酸塩に変換されている。溶融スラグの注入から冷却スラグ粒子１１の回収までの製造時間は３０分未満、好ましくは１５分未満である。
本発明による製造方法は連続方法であり、全てのステップが中断することなく次々と実施される。これにより、処理時間が短くなる。
図２は、本発明による連続的製造方法を実施するための装置の第１の実施形態を示す。この装置では、スラグ６の凝固粒子を形成するように、製鋼装置２からの溶融スラグ１を造粒装置４上の閉鎖チャンバ３に注入する。この造粒装置４は、例えば回転ホイール（図示のように）であることができる。図２の構成において、回転ホイール４は水平ホイールであるが、図示しない別の実施形態では、垂直ホイールであってもよい。同時に、スラグ注入の隣では、第１の炭酸化ガス３１が、第１のガス注入手段（図示せず）を通って溶融スラグに向かって注入される。この第１の炭酸化ガス３１の特徴は、図１の凝固ステップ２１で使用される第１の炭酸化ガス３１について記載された特徴と同じである。閉鎖チャンバ３は断熱されていてもよい。このように形成された凝固スラグ粒子６は閉鎖チャンバ３内に留まり、そこで前述の冷却ステップ２２に従って冷却される。閉鎖チャンバ３は、凝固スラグ粒子６に向けて第２の炭酸化ガス３２を注入するように設計された注入手段（図示せず）を備える。この第２の炭酸化ガス３２の特徴は、図１の冷却ステップ２２で使用される第２の炭酸化ガス３２について記載された特徴と同じである。閉鎖チャンバは、閉鎖チャンバの内部から排気ガス３４を収集するための収集手段（図示せず）も備える。これらの排気ガス３４は、閉鎖チャンバ内での再注入によって、第１の炭酸化ガス３１及び／又は第２の炭酸化ガス３２の一部又はそれらのガスとしてさらにリサイクルされ得る。
図３は、本発明による製造方法を実施するための装置の第２の実施形態を示す。この装置において、製鋼装置２からの溶融スラグ１は、凝固スラグ粒子６を形成するように噴霧器７によって発射された第１の炭酸化ガス３１と閉鎖チャンバ３で接触する。この第１の炭酸化ガス３１の特徴は、図１の凝固ステップ２１で使用される第１の炭酸化ガス３１について記載された特徴と同じである。噴霧器７は、例えばＥｃｏｍａｉｓｔｅｒ−Ｈａｔｃｈ社が開発したＳＡＴ（スラグ噴霧技術）である。このように形成された凝固スラグ粒子６は閉鎖チャンバ３内に留まり、そこで前述の冷却ステップ２２に従って冷却される。閉鎖チャンバ３は、凝固スラグ粒子６に向けて第２の炭酸化ガス３２を注入するように設計された注入手段（図示せず）を備える。この第２の炭酸化ガス３２の特徴は、図１の冷却ステップ２２で使用される第２の炭酸化ガス３２について記載された特徴と同じである。閉鎖チャンバ３は、閉鎖チャンバの内部から排気ガス３４を収集するための収集手段（図示せず）も備える。これらの排気ガス３４は、さらに、第１の炭酸化ガス３１及び／又は第２の炭酸化ガス３２の一部として、又はこれらのガスとして閉鎖チャンバ内に再注入することができる。
両方の実施形態において、閉鎖チャンバ３は、冷却ステップ中にスラグ粒子を運動させるための手段をさらに備えることができる。これにより、ＣＯ２と凝固スラグ粒子６との接触を高め、凝固スラグ粒子６によるＣＯ２の取り込みを改善することができる。例えば図２及び３に示されるように、閉鎖チャンバ３の底壁５は多孔質であってよく、第３のガス３３が流動床を作り出すように、この多孔質壁５を通して注入されてもよい。この第３のガス３３の流速は、凝固スラグ粒子６を運動させるのに十分でなければならない。第３のガス３３は、少なくとも２５体積％のＣＯ２を含み得、残りの部分は空気及び水蒸気である。スラグ粒子を運動させる手段は、例えば回転ドラムを用いることによって閉鎖チャンバ３を回転させる手段でもよい。この第３のガスは、最初に洗浄ステップに供された可能性があるコークスオーブンガス、溶鉱炉ガス又は転換炉ガスのような製鉄工場又は製鋼工場からの排気ガスであってもよいし、又はこれらのガスを含んでいてもよいし、又は閉鎖チャンバ３から収集された排気ガス３４であってもよい。
実施形態に示されているように、凝固ステップ及び冷却ステップの両方を同じ装置で行い、スラグ粒子を同じ閉鎖チャンバで処理し、処理時間及び収率を改善することができる。
Claims (24)
- 凝固製鋼スラグの連続的製造方法であって、次のステップ、
ａ．直径が１ｍｍ未満の凝固スラグ粒子を生成するように、少なくとも２重量％の遊離石灰を含む溶融製鋼スラグを凝固させるステップであって、このような凝固の間に溶融製鋼スラグを少なくとも第１の炭酸化ガスに閉鎖チャンバ内で接触させるステップ、
ｂ．該閉鎖チャンバ内で凝固スラグ粒子を３００℃以下の温度に冷却するステップであって、このような冷却の間に凝固スラグ粒子を少なくとも１種の第２の炭酸化ガスに接触させるステップ
を含む方法。 - 前記第１の炭酸化ガスが、少なくとも２０体積％のＣＯ２を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記第１の炭酸化ガスが、少なくとも５０体積％のＣＯ２を含む、請求項２に記載の方法。
- 前記第１の炭酸化ガスが水蒸気を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第１の炭酸化ガスが、少なくとも２０体積％の水蒸気を含む、請求項４に記載の方法。
- 前記第１の炭酸化ガスが、少なくとも２０体積％のＣＯ２、５〜３０体積％の間のＣＯ、１〜５５体積％の間のＨ２、１〜５５体積％の間のＮ２、及び１〜５体積％の間のＯ２を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第２の炭酸化ガスが、少なくとも２５体積％のＣＯ２を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第２の炭酸化ガスが、ステップｂ）の間、３００〜５００℃の間に含まれる温度で維持される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第２の炭酸化ガスがさらに水蒸気を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第２の炭酸化ガスが、少なくとも２５体積％の水蒸気を含む、請求項９に記載の方法。
- 凝固スラグ粒子の冷却速度が、ステップｂ）の間、１〜１００℃／分の間に含まれる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記凝固スラグ粒子がステップｂ）の間、運動状態に保たれる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記凝固スラグ粒子が、ステップｂ）の間、閉鎖チャンバ内への第３のガスの注入によって運動状態に保たれる、請求項１２に記載の方法。
- 前記第３のガスが、少なくとも２０体積％のＣＯ２を含む、請求項１３に記載の方法。
- 第１の炭酸化ガス、第２の炭酸化ガス及び／又は第３のガスとしてリサイクルさせるために、閉鎖チャンバ内のガスの少なくとも一部が排気され、収集される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第１の炭酸化ガス、第２の炭酸化ガス及び／又は少なくとも第３のガスが、製鉄、製鋼、焼結又はコーキング工場からの排気ガスであるか、又は該排気ガスを含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第２の炭酸化ガスが、少なくとも２５体積％のＣＯ２、５〜３０体積％の間のＣＯ、１〜５５体積％の間のＨ２、１〜５５体積％の間のＮ２、１〜５体積％の間のＯ２を含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
- ３０分未満の閉鎖チャンバ内での滞留時間を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
- 溶融製鋼スラグの遊離石灰の少なくとも６０％が炭酸カルシウムに変換されている、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
- 閉鎖チャンバ（３）を備える溶融製鋼スラグを処理する装置であって、閉鎖チャンバ（３）が、
−直径が１ｍｍ以下の凝固スラグ粒子を生成することができる凝固装置（４、７）
−底部多孔壁（５）
−少なくとも３つのガス（３１、３２、３３）注入手段
を備える、装置。 - 排気ガス（３４）収集手段及びガス再循環手段をさらに備える、請求項２０に記載の装置。
- 前記凝固装置が噴霧器（７）である、請求項２０又は２１に記載の装置。
- 前記凝固装置が造粒装置（４）である、請求項２０又は２１に記載の装置。
- 前記閉鎖チャンバ（３）の注入手段の少なくとも１つが製鉄、製鋼、焼結又はコーキング工場に接続されている、請求項２０〜２３のいずれか一項に記載の装置。
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