JP7173425B1 - 粒状凝固スラグの製造方法及び製造設備 - Google Patents

Abstract

道路用鉄鋼スラグの規格の粒度範囲に収まる粒度分布を有する粒状凝固スラグを簡易に製造することが可能な粒状凝固スラグの製造方法を提供する。本発明の粒状凝固スラグの製造方法は、鋳型１０内に粒状固形物Ｓ１と溶融スラグＳ２とを供給する工程と、前記鋳型１０内で前記溶融スラグＳ２を前記粒状固形物Ｓ１とともに凝固させて、前記溶融スラグＳ２が凝固してなる凝固域と前記粒状固形物Ｓ１とからなる厚み３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の板状凝固スラグＳを得る工程と、前記板状凝固スラグＳを前記鋳型１０から取り出す工程と、回転する筒状容器を備える回転装置４０の前記筒状容器内に前記板状凝固スラグＳを装入し、前記筒状容器を回転させて前記板状凝固スラグＳを破砕して、粒状凝固スラグＳｇを得る工程と、を有する。

Description

本発明は、溶融スラグを凝固させて得た凝固スラグを破砕して粒状凝固スラグを得る、粒状凝固スラグの製造方法及び製造設備に関する。

溶融スラグに関しては、１ｔの鋼を製造すると、高炉スラグが約３００ｋｇ発生し、製鋼スラグが約５０ｋｇ発生する。このため、大量に発生するこれら鉄鋼スラグを有効に利用する技術開発が行われてきた。特に、製鋼スラグは、その大半が道路用鉄鋼スラグ（ＪＩＳ Ａ ５０１５－２０１８）として用いられている。その製造プロセスは、一部固相が析出している溶融スラグを冷却ヤードに１００ｍｍ以上の厚みで流し込み、凝固して得られた凝固スラグを破砕し、さらに粒度調整を行うことを含む。その後、破砕及び粒度調整された粒状凝固スラグに含まれる遊離石灰（ｆｒｅｅ－ＣａＯ）を水和させるために、数日間１００℃で蒸気エージング処理が行われる。こうして得られた粒状凝固スラグが道路用鉄鋼スラグとして出荷される。

上記した現状のプロセスでは、溶融スラグを１００ｍｍ以上の厚みで凝固させるため、溶融スラグを冷却するのに時間がかかる。

この問題を解決するために、例えば、特許文献１では、溶融した高炉スラグを鉄製の鋳型で厚み２０～４０ｍｍに凝固させて、板状凝固スラグを得るプロセスが考案されている。この方法によれば、溶融スラグを効率的に冷却して、溶融スラグを短時間で凝固させることができる。

特開２０１５－ ４０６３８号公報

特許文献１の方法では、得られた厚み２０～４０ｍｍの板状凝固スラグを破砕して、コンクリート用粗骨材の規格の粒度範囲（スラグ粒子径が最大で２０ｍｍ程度）の粒状凝固スラグを歩留まり良く製造することを志向している。特許文献１では、板状凝固スラグは、溶融スラグが凝固してなる凝固域のみからなるため、高温でも圧縮強度が高く、破砕されにくい。そのため、高温のままの板状凝固スラグをロータリーキルンのような回転装置で破砕しようとしても、このような回転装置の破砕力は小さいことから、ほとんど破砕することができない。そこで、板状凝固スラグを常温まで冷却した後、ジョークラッシャー及び／又はインパクトクラッシャーといった一般的な圧縮破砕タイプの破砕機で破砕することを想定している。その場合、破砕後のスラグの最大粒子径は、板状凝固スラグの厚みである程度決まることになる、厚み２０～４０ｍｍの板状凝固スラグの場合、コンクリート用粗骨材の規格の粒度範囲（スラグ粒子径が最大で２０ｍｍ程度）の粒状凝固スラグが高い歩留まりで得られることになる。

しかしながら、特許文献１の方法では、道路用鉄鋼スラグの規格の粒度範囲（スラグ粒子径が最大で４０ｍｍ程度、後述の規格「ＣＳ－４０」）を高い歩留まりで得ることはできない。板状凝固スラグの厚みが３０ｍｍ以下の場合には、破砕後の粒状凝固スラグのほとんどは粒子径が２０ｍｍ以下であるため、ＣＳ－４０の規格範囲内には収まらない。板状凝固スラグの厚みを４０ｍｍ程度にすれば、ＣＳ－４０に近い粒度分布が得られる可能性はあるが、厚みを４０ｍｍ程度にすると、スラグの冷却速度が大幅に低下することや、鋳型への熱負荷も大きくなることが懸念される。このため、特許文献１を含め従来の考案されているプロセスでは、道路用鉄鋼スラグの規格の粒度範囲に収まる粒度分布を有する粒状凝固スラグを簡易に製造することはできなかった。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、道路用鉄鋼スラグの規格の粒度範囲に収まる粒度分布を有する粒状凝固スラグを簡易に製造することが可能な粒状凝固スラグの製造方法及び製造設備を提供することを目的とする。

本発明者らが検討したところ、
（Ａ）鋳型内に粒状固形物と溶融スラグとを供給して、当該鋳型内で溶融スラグを粒状固形物とともに凝固させること、
（Ｂ）その際、凝固厚みを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすること、及び
（Ｃ）鋳型から取り出した板状凝固スラグを、回転する筒状容器を備える回転装置の前記筒状容器内に装入して、筒状容器を回転させて板状凝固スラグを破砕すること、
の構成を採用することによって、道路用鉄鋼スラグの規格の粒度範囲に収まる粒状凝固スラグを簡易に製造することができるとの知見を得た。これは、溶融スラグを粒状固形物とともに凝固させて、板状凝固スラグ内に亀裂を導入することによって、板状凝固スラグの熱間での破砕性が高まり、一般的な圧縮破砕タイプの破砕機よりも破砕力が小さい回転装置を用いて、板状凝固スラグを適度に破砕することができるためと考えられる。

上記知見に基づき完成された本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
［１］鋳型内に粒状固形物と溶融スラグとを供給する工程と、
前記鋳型内で前記溶融スラグを前記粒状固形物とともに凝固させて、前記溶融スラグが凝固してなる凝固域と前記粒状固形物とからなる厚み３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の板状凝固スラグを得る工程と、
前記板状凝固スラグを前記鋳型から取り出す工程と、
回転する筒状容器を備える回転装置の前記筒状容器内に前記板状凝固スラグを装入し、前記筒状容器を回転させて前記板状凝固スラグを破砕して、粒状凝固スラグを得る工程と、
を有する粒状凝固スラグの製造方法。

［２］前記粒状固形物が、粒状固形スラグ、表面に水和物及び炭酸化物の一方又は両方が形成された粒状固形物質、並びに粒状固形鉄から選択される一つ以上を含む、上記［１］に記載の粒状凝固スラグの製造方法。

［３］前記粒状固形スラグ及び前記粒状固形物質は、粒度範囲が４０～０ｍｍであり、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１：２０１９（ＩＳＯ ３３１０－１：２０１６）に規定する金属製網ふるいの公称目開きで、５３ｍｍの篩い通過率が１００質量％、３７．５ｍｍの篩い通過率が９５～１００質量％、１９ｍｍの篩い通過率が５０～８０質量％、４．７５ｍｍの篩い通過率が１５～４０質量％、２．３６ｍｍの篩い通過率が５～２５質量％の粒度分布を有する、上記［２］に記載の粒状凝固スラグの製造方法。

［４］前記粒状固形鉄は、粒度範囲が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である、上記［２］に記載の粒状凝固スラグの製造方法。

［５］前記粒状固形物の質量が、前記粒状固形物及び前記溶融スラグの合計質量に対して１０質量％以上４０質量％以下である、上記［１］～［４］のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。

［６］前記板状凝固スラグは、前記回転装置の前記筒状容器内に装入される時に６００℃以上１２５０℃以下の平均温度を有する、上記［１］～［５］のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。

［７］前記回転装置で前記板状凝固スラグを粒子径５３ｍｍ以下に全量破砕し、その際、前記粒状凝固スラグの１９ｍｍの篩い通過率が５０質量％以上８０質量％以下である、上記［１］～［６］のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。

［８］前記粒状凝固スラグのうち、ＪＩＳ Ａ ５００５；２０２０規定の砕石２００５の粒度分布に適合するように調整した粗粒スラグを用いた粒形判定実積率が５０．０％以上である、上記［１］～［７］のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。

［９］前記粒状凝固スラグのうち、ＪＩＳ Ａ ５００５；２０２０規定の砕砂の粒度分布に適合するように調整した細粒スラグを用いた粒形判定実積率が５２．０％以上である、上記［１］～［８］のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。

［１０］鋳型と、前記鋳型内に粒状固形物を供給する粒状固形物供給装置と、前記鋳型内に溶融スラグを供給する溶融スラグ供給装置と、を有し、前記鋳型内で前記溶融スラグを前記粒状固形物とともに凝固させて、前記溶融スラグが凝固してなる凝固域と前記粒状固形物とからなる厚み３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の板状凝固スラグを得るスラグ凝固設備と、
回転する筒状容器を備え、前記筒状容器内に装入された前記板状凝固スラグを、前記筒状容器を回転させて破砕して、粒状凝固スラグを得る回転装置と、
を有する粒状凝固スラグの製造設備。

本発明の粒状凝固スラグの製造方法及び製造設備によれば、道路用鉄鋼スラグの規格の粒度範囲に収まる粒度分布を有する粒状凝固スラグを簡易に製造することができる。

本発明の一実施形態による粒状凝固スラグの製造設備１００を示す図である。

（粒状凝固スラグの製造方法及び製造設備）
図１は、本発明の一実施形態による粒状凝固スラグの製造方法を実施することが可能な設備の一例として、本発明の一実施形態による粒状凝固スラグの製造設備１００を示す図である。図１を参照して、粒状凝固スラグの製造設備１００は、鋳型１０、粒状固形物供給装置２０、及び溶融スラグ供給装置３０を有するスラグ凝固設備と、スラグ破砕装置としての回転装置４０と、を有する。

本発明の一実施形態による粒状凝固スラグの製造方法は、
－工程（Ｉ）：鋳型１０内に粒状固形物Ｓ１と溶融スラグＳ２とを供給する工程と、
－工程（ＩＩ）：前記鋳型１０内で前記溶融スラグＳ２を前記粒状固形物Ｓ１とともに凝固させて、前記溶融スラグＳ２が凝固してなる凝固域と前記粒状固形物Ｓ１とからなる厚み３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の板状凝固スラグＳを得る工程と、
－工程（ＩＩＩ）：前記板状凝固スラグＳを前記鋳型１０から取り出す工程と、
－工程（ＩＶ）：回転する筒状容器を備える回転装置４０の前記筒状容器内に前記板状凝固スラグＳを装入し、前記筒状容器を回転させて前記板状凝固スラグＳを破砕して、粒状凝固スラグＳｇを得る工程と、
を有する。

［鋳型］
鋳型１０は、粒状固形物Ｓ１及び溶融スラグＳ２を収容する凹部を有する。凹部の形状は、鋳型１０を反転させることで板状凝固スラグＳを鋳型１０から取り出せるような形状であれば、特に限定されず、例えば、直方体（四角柱）などの多角柱、及び、円柱を挙げることができる。凹部の寸法は、所望の板状凝固スラグＳの寸法が得られるように設定されればよい。凹部の形状が直方体の場合、縦及び横の長さは例えば６００～３０００ｍｍの範囲内とすることができる。凹部の高さは、所望の板状凝固スラグＳの寸法が得られるように設定されればよく、例えば４０～１００ｍｍの範囲内とすることができる。また、図１に示すように、鋳型１０はライン上を搬送されて、順次、粒状固形物供給装置２０から粒状固形物Ｓ１の供給を受け、次いで溶融スラグ供給装置３０から溶融スラグＳ２の供給を受ける。

［粒状固形物供給装置］
粒状固形物供給装置２０は、粒状固形物Ｓ１を収容し、所定量を切り出すホッパー２０Ａと、このホッパー２０Ａで切り出された粒状固形物Ｓ１を鋳型１０内に誘導するための樋２０Ｂと、を有し、鋳型１０内に粒状固形物Ｓ１を供給する。粒状固形物供給装置２０は、鋳型１０が搬送されるラインの上方に位置する。

［溶融スラグ供給装置］
溶融スラグ供給装置３０は、溶融スラグＳ２を収容し、傾動することによって溶融スラグＳ２を流し出す傾動鍋３０Ａと、この傾動鍋３０Ａから流し出された溶融スラグＳ２を鋳型１０に注ぐための樋３０Ｂと、を有し、鋳型１０内に溶融スラグＳ２を供給する。溶融スラグ供給装置３０は、鋳型１０が搬送されるラインの上方に位置し、かつ、粒状固形物供給装置２０よりラインの下流に位置する。

図１に示す例では、まず粒状固形物供給装置２０から粒状固形物Ｓ１を鋳型１０内に供給し、その後、溶融スラグ供給装置３０から溶融スラグＳ２を鋳型１０内に供給する。粒状固形物Ｓ１よりも先に溶融スラグＳ２を鋳型１０内に供給すると、溶融スラグＳ２の温度が下がり、粘度が上昇したり表面の固化が始まったりすることにより、粒状固形物Ｓ１と溶融スラグＳ２とが均一に混合された状態を作るのが難しくなる。このため、図１に示すように。粒状固形物Ｓ１を鋳型１０内に供給した後、溶融スラグＳ２を鋳型１０内に供給することが好ましい。ただし、本発明において、鋳型１０内への粒状固形物Ｓ１及び溶融スラグＳ２の供給順序は限定されない。溶融スラグ供給装置３０を粒状固形物供給装置２０よりラインの上流に配置して、まず溶融スラグ供給装置３０から溶融スラグＳ２を鋳型１０内に供給し、その後、粒状固形物供給装置２０から粒状固形物Ｓ１を鋳型１０内に供給することもできる。また、樋２０Ｂ及び樋３０Ｂを共に鋳型１０の上方に配置して、粒状固形物供給装置２０から粒状固形物Ｓ１を鋳型１０内に供給し、同期間に、溶融スラグ供給装置３０から溶融スラグＳ２を鋳型１０内に供給することもできる。また、スラグの厚みを制御するために、粒状固形スラグＳ１と溶融スラグＳ２の鋳型１０への供給が完了した時点で、鉄製のロールで鋳型１０の上から転圧してもよい。

［工程（Ｉ）及び工程（ＩＩ）］
本実施形態では、鋳型１０内に粒状固形物Ｓ１と溶融スラグＳ２とを供給し（工程（Ｉ））、鋳型１０内で溶融スラグＳ２を粒状固形物Ｓ１とともに凝固させる（工程（ＩＩ））。こうして、溶融スラグＳ２が凝固してなる凝固域と粒状固形物Ｓ１とからなる板状凝固スラグＳを得ることができる。すなわち、「凝固域」とは溶融スラグが凝固した部分であり、「板状凝固スラグ」とは、凝固域及び粒状固形物からなる、鋳型内の鋳片である。

ここで、本実施形態では、鋳型１０内で溶融スラグＳ２を粒状固形物Ｓ１とともに凝固させることと、得られる板状凝固スラグＳの厚み（本明細書において「凝固厚み」とも称する。）を３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下にすることが重要である。鋳型１０内において、粒状固形物Ｓ１相互間の隙間を溶融スラグＳ２で満たした状態で溶融スラグＳ２の凝固を進行させることで、凝固域に亀裂を導入することができる。

常温に近い粒状固形物Ｓ１と１２００℃以上の溶融スラグＳ２とでは温度差が極めて大きいため、溶融スラグＳ２を粒状固形物Ｓ１とともに凝固させると、凝固域の内部に大きな熱応力が発生し、これにより亀裂発生が促進される。また、凝固域は冷却により熱収縮するのに対し、粒状固形物Ｓ１は加熱により熱膨張するため、この体積変化によっても亀裂発生が促進される。さらに、凝固域と粒状固形物Ｓ１との境界部では結晶界面の不整合が生じるため、当該境界部において亀裂が進展しやすい。以上の相乗効果により、本実施形態における板状凝固スラグＳは、溶融スラグのみを凝固させた凝固スラグと比べて熱間での破砕性に優れる。そのため、回転装置４０により板状凝固スラグＳを簡単に破砕できるようになった。

その上で、板状凝固スラグＳの厚みを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下にすることにより、その後の破砕によって得られる粒状凝固スラグＳｇを道路用鉄鋼スラグに適した粒度とすることができる。道路用鉄鋼スラグの粒度分布は、ＪＩＳ Ａ ５０１５－２０１８で規定されており、特にＣＳ－４０が用いられている。ＣＳ－４０は、粒度範囲が４０～０ｍｍであり、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１：２０１９（ＩＳＯ ３３１０－１：２０１６）に規定する金属製網ふるいの公称目開きで、５３ｍｍの篩い通過率が１００質量％、３７．５ｍｍの篩い通過率が９５～１００質量％、１９ｍｍの篩い通過率が５０～８０質量％、４．７５ｍｍの篩い通過率が１５～４０質量％、２．３６ｍｍの篩い通過率が５～２５質量％の粒度分布を有する。高い歩留まりでＣＳ－４０の粒度を得るためには、板状凝固スラグＳの厚みを４０ｍｍ程度に制御することが重要となる。板状凝固スラグＳの厚みが３０ｍｍ未満の場合、得られる粒状凝固スラグの最大粒子径が３０ｍｍ未満となり、粒度が細かくなることから、ＣＳ－４０の歩留まりが低下する。他方で、板状凝固スラグＳの厚みが５０ｍｍ超えの場合、破砕後のスラグの粒度が大きくなり、ＣＳ－４０の歩留まりが低下する。

溶融スラグＳ２は、１２００℃以上の液相を含み、鉄鋼製造工程において副産物として発生する鉄鋼スラグであればよく、高炉スラグ及び製鋼スラグの一方又は両方を含むことができる。

粒状固形物Ｓ１は、粒状固形スラグ、表面に水和物及び炭酸化物の一方又は両方が形成された粒状固形物質、並びに粒状固形鉄から選択される一つ以上を含むことが好ましい。第一に、粒状固形物Ｓ１として粒状固形スラグを用いることができる。例えば、溶融スラグＳ２と同じプロセスで発生する粒状固形スラグを用いることで、異物のコンタミがないため、得られる粒状凝固スラグＳｇの品質を安定化させやすい。また、その他の製鋼スラグ又は高炉スラグであってもよい。また、粒状固形スラグの表面に水和物及び炭酸化物の一方又は両方が形成されている場合には、水和物の分解反応又は炭酸化物の分解反応により、板状凝固スラグＳへの亀裂の生成を促進でき、破砕の負荷をより低減できる。

第二に、粒状固形物Ｓ１として、表面に水和物及び炭酸化物の一方又は両方が形成された粒状固形物質を用いることができる。このような物質として、例えば廃コンクリートを挙げることができる。廃コンクリート表面に形成された水和物又は炭酸化物が高温の溶融スラグと接触することで、水和物の分解反応又は炭酸化物の分解反応により、板状凝固スラグＳへの亀裂の生成を促進でき、破砕の負荷をより低減できる。一般に、水和物の分解は１００～３００℃で生じ、炭酸化物の分解は６００℃以上で生じるとされているため、高温の溶融スラグが接触することで、これらの分解反応は容易に起こりうる。なお、廃コンクリートとは、建設廃材であって、建設リサイクル法によって分別解体や再資源化が義務付けられている特定建設資材となるコンクリートなどである。これら廃コンクリートには、使用されたコンクリートを破砕して、ＪＩＳ Ａ ５０２３：２０１８ 再生骨材コンクリートＬの附属書Ａに適合させたコンクリート用再生材、ＪＩＳ Ａ ５０２３：２０１８ 再生骨材コンクリートＭの付属書Ａに適合させたコンクリート用再生骨材Ｍ、および、舗装再生便覧（日本道路協会、平成２２年度）記載の再生クラッシャラン、再生砂などが含まれる。

第三に、粒状固形物Ｓ１として、粒状固形鉄を用いることができる。粒状固形鉄として、例えば鉄球を使用することで、その他の粒状固形物と比べて、溶融スラグとの温度差が大きくなるために、亀裂の生成をより促進できる効果が期待できる。さらに、鉄は固形スラグよりも伝熱に優れるため、粒状固形物を鉄製にすることで、他の粒状固形物と比較して、粒状固形物の投入量を減らすことができ、溶融スラグの処理量及び処理速度を上げることが期待できる。

粒状固形物Ｓ１として用いる前記粒状固形スラグ及び前記粒状固形物質は、ＣＳ－４０の粒度分布を有するものとすることが好ましい。すなわち、前記粒状固形スラグ及び前記粒状固形物質は、粒度範囲が４０～０ｍｍであり、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１：２０１９（ＩＳＯ ３３１０－１：２０１６）に規定する金属製網ふるいの公称目開きで、５３ｍｍの篩い通過率が１００質量％、３７．５ｍｍの篩い通過率が９５～１００質量％、１９ｍｍの篩い通過率が５０～８０質量％、４．７５ｍｍの篩い通過率が１５～４０質量％、２．３６ｍｍの篩い通過率が５～２５質量％の粒度分布を有することが好ましい。これにより、より確実に、破砕後の粒状凝固スラグＳｇを道路用鉄鋼スラグに適した粒度とすることができる。

粒状固形物Ｓ１として用いる上記粒状固形鉄は、粒度範囲が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。

粒状固形物Ｓ１は、前記粒状固形スラグ、前記粒状固形物質、及び前記粒状固形鉄から選択される一つ以上を含むことが好ましいが、これらから選択される二つ以上を含むことが好ましい。この場合、選択の組み合わせとしては、粒状固形スラグと粒状固形鉄の組み合わせがより好ましい。粒状固形スラグは道路用鉄鋼スラグの原料であるため、溶融スラグとともに凝固させても不純物の混入リスクがほとんどなく、また、粒状固形鉄を用いることで、凝固スラグの亀裂進展を促し、後工程での破砕エネルギーが低減できるという利点も合わせて得られるためである。このとき、粒状固形スラグ及び粒状固形鉄の好ましい粒度範囲は１０～５０ｍｍである。道路用鉄鋼スラグの粒度の規定が５３ｍｍの篩い通過率が１００％であるため、凝固厚みは５０ｍｍ以下にすることが好ましく、粒状固形物の冷却能力を生かすためにも粒状固形スラグ及び粒状固形鉄の粒度範囲を５０ｍｍ以下にすることで、溶融スラグとの接触面積を十分とることができる。

鋳型１０内への粒状固形物Ｓ１及び溶融スラグＳ２の供給量に関して、粒状固形物Ｓ１の質量が、粒状固形物Ｓ１及び溶融スラグＳ２の合計質量に対して１０質量％以上４０質量％以下であることが好ましい。当該比率が１０質量％未満の場合、十分な亀裂の進展が望めないためである。また、当該比率が４０質量％を超えると、粒状固形物Ｓ１間に溶融スラグＳ２が十分に行き渡らずに、粒状固形物Ｓ１と溶融スラグＳ２とがほぼ分離した状態で凝固してしまう。また、溶融スラグＳ２の処理量が減り、溶融スラグの処理速度が遅くなってしまう。

溶融スラグＳ２よりも先に粒状固形物Ｓ１を鋳型１０内に供給する場合、粒状固形物Ｓ１は、鋳型内で当該粒状固形物Ｓ１が１層以上３層以下を形成するように配置されることが好ましい。粒状固形物Ｓ１の積層数を３層以下に制限することによって、凝固域に導入された亀裂が進展しやすく、板状凝固スラグＳの熱間での破砕性が十分に優れる。亀裂の進展を促進する観点からは、粒状固形物Ｓ１の積層数を１層とすることが最も好ましい。

鋳型１０内に粒状固形物Ｓ１と溶融スラグＳ２を供給する際、粒状固形物Ｓ１と溶融スラグＳ２とが混合状態になるように粒状固形物Ｓ１を鋳型１０内に均一に分散することが好ましい。また、粒状固形物Ｓ１の積層数を１層とする場合、鋳型１０内に供給する粒状固形物Ｓ１の最大粒径は、板状凝固スラグＳの厚み以下、かつ板状凝固スラグＳの厚みの１／２以上（より好ましくは３／４以上）にすることが好ましい。粒状固形物Ｓ１の最大粒径（厚み）が板状凝固スラグＳの厚みに比べて小さすぎると、粒状固形物Ｓ１と溶融スラグＳ２とが接触しない部分が生じ、板状凝固スラグＳの内部に破壊の起点となる亀裂が生じない領域が多くなり、粒状凝固スラグＳｇへの破砕処理が困難になるためである。

［工程（ＩＩＩ）及び工程（ＩＶ）］
本実施形態では、工程（ＩＩ）に引き続き、板状凝固スラグＳを鋳型１０から取り出す（工程（ＩＩＩ））。板状凝固スラグＳの鋳型１０からの取り出し方は特に限定されないが、図１に示すように、鋳型１０を反転させることで、板状凝固スラグＳを鋳型１０から引き離し落下させることができる。

本実施形態では、図１に示すように、工程（ＩＩＩ）に引き続き、回転する筒状容器を備える回転装置４０の前記筒状容器内に板状凝固スラグＳを装入し、前記筒状容器を回転させて板状凝固スラグＳを破砕して、粒状凝固スラグＳｇを得る。回転装置４０は、例えばロータリーキルンのような回転する筒状容器を備える装置であり、前記筒状容器内に装入された板状凝固スラグＳを、前記筒状容器を回転させて破砕する。回転装置４０は、筒状容器の内周面に突起をつけ、板状凝固スラグＳを持ち上げて落下させる構成とすることが好ましい。回転装置４０にて板状凝固スラグＳの破砕を行うことにより、破砕後の粒状凝固スラグＳｇは、道路用鉄鋼スラグに適した粒度と粒子形状（丸み）を帯びることができる。

ここで、板状凝固スラグＳは、回転装置４０の筒状容器内に装入される時に６００℃以上１２５０℃以下の平均温度を有することが好ましい。本実施形態は、板状凝固スラグＳを熱間で破砕できることが特徴の一つである。すなわち、装入時の板状凝固スラグＳの平均温度（本明細書において「装入温度」とも称する。）を６００℃以上とすることが好ましい。

なお、装入温度の下限は、破砕後に得られる粒状凝固スラグＳｇに対する後処理の種類に応じて決定することが好ましい。後工程が炭酸化処理の場合、装入温度は６００℃以上とすることが好ましい。これにより、炭酸化処理時の粒状凝固スラグＳｇの平均温度を４００℃以上とすることができる。後工程が熱回収処理の場合、粒状凝固スラグＳｇからの熱回収効率を高める観点から、装入温度は１１００℃以上とすることが好ましい。これにより、熱回収処理時の粒状凝固スラグＳｇの平均温度を９００℃以上とすることができる。

装入温度を１２５０℃以下とすることで、安定して道路用鉄鋼スラグの粒度に近い粒状凝固スラグＳｇを製造することが可能となる。装入温度が１２５０℃よりも高いと、板状凝固スラグＳ内に未凝固分が多く残るため、回転装置４０の内壁などに付着凝固し、その結果、安定して道路用鉄鋼スラグの粒度に近い粒状凝固スラグＳｇを製造することが困難となる。

筒状容器の回転数Ｎ（周／分）は、筒状容器の回転時の遠心力で板状凝固スラグが筒状容器の壁面にくっつき、ある高さまで持ち上げられて、その後落下するように設定することが好ましい。板状凝固スラグが筒状容器の壁面にくっついたまま、筒状容器と同じ回転数で回るときの筒状容器の回転数をＮｃ（周／分）とする。また、板状凝固スラグが持ち上げられない筒状容器の最大の回転数をＮｂ（周／分）とする。Ｎｃ及びＮｂは、板状凝固スラグの充填量や、筒状容器の直径などによって異なるが、回転数Ｎが、Ｎｂ＜Ｎ＜Ｎｃとなる範囲で設定すればよい。

回転装置での処理時間は、特に限定されず、破砕後の粒状凝固スラグＳｇが道路用鉄鋼スラグに適した粒度となるように適宜設定すればよい。

本実施形態では、以上のような工程（Ｉ）～（ＩＶ）を経て、道路用鉄鋼スラグの粒度に近い粒状凝固スラグＳｇを簡易に製造することができる。

また、本実施形態では、回転装置４０で板状凝固スラグＳを粒子径５３ｍｍ以下に全量破砕し、その際、粒状凝固スラグＳｇの１９ｍｍの篩い通過率が５０質量％以上８０質量％以下であることが好ましい。これにより、粒状凝固スラグＳｇの過破砕を防ぐことができ、安定して道路用鉄鋼スラグの規格の粒度範囲に収まる粒状凝固スラグＳｇを製造することができる。なお、「粒子径５３ｍｍ以下に全量破砕」とは、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１：２０１９（ＩＳＯ ３３１０－１：２０１６）に規定する網篩いの呼び寸法５３ｍｍの篩い目を粒状凝固スラグＳｇの全量が通過することを意味する。

また、本実施形態では、得られた粒状凝固スラグＳｇのうち、ＪＩＳ Ａ ５００５；２０２０規定の砕石２００５の粒度分布に適合するように調整した粗粒スラグを用いた粒形判定実積率が５０．０％以上であることが好ましい。これにより、粒状凝固スラグＳｇの粒子が丸みを帯びた形状となり、粒状凝固スラグＳｇが道路用鉄鋼スラグに適したものとなる。粗粒の粒形判定実積率は高いほど好ましいため、その上限は特に限定されないが、本実施形態では、粗粒の粒形判定実積率は概ね６３．０％以下となる。

また、本実施形態では、得られた粒状凝固スラグＳｇのうち、ＪＩＳ Ａ ５００５；２０２０規定の砕砂の粒度分布に適合するように調整した細粒スラグを用いた粒形判定実積率が５２．０％以上であることが好ましい。これにより、粒状凝固スラグＳｇの粒子が丸みを帯びた形状となり、粒状凝固スラグＳｇが道路用鉄鋼スラグに適したものとなる。細粒の粒形判定実積率は高いほど好ましいため、その上限は特に限定されないが、本実施形態では、細粒の粒形判定実積率は概ね６３．０％以下となる。

ここでいう「粒形判定実積率」とは、ＪＩＳ Ａ ５００５：２０２０に規定されている「コンクリート用砕石及び砕砂の６．６粒形判定実積率」を指す。前記粗粒スラグの粒形判定実積率は、以下のように求める。まず、粒状凝固スラグを絶対乾燥状態になるまでよく乾燥し、呼び寸法２０ｍｍの篩いを通過し、呼び寸法１０ｍｍの篩いに留まるものを２４ｋｇ、呼び寸法１０ｍｍの篩いを通過し、呼び寸法５ｍｍの篩いに留まるものを１６ｋｇそれぞれふるい採り、これらを合わせてよく混合して、ＪＩＳ Ａ １１０４：２０１９（ＩＳＯ ６７８２：１９８２）に規定する方法で単位容積質量を求め、それを試料の絶乾密度で割って、粒形判定実積率とする。前記細粒スラグの粒形判定実積率は、以下のように求める。粒状凝固スラグを十分に水洗いしながら、呼び寸法２．５ｍｍの篩いを通過し、呼び寸法１．２ｍｍの篩いに留まるものをふるい採り、その後絶対乾燥状態になるまでよく乾燥し、ＪＩＳ Ａ １１０４：２０１９（ＩＳＯ ６７８２：１９８２）に規定する方法で単位容積質量を求め、それを試料の絶乾密度で割って、粒形判定実積率とする。

［後工程］
粒状凝固スラグＳｇは常温まで冷却後、道路用鉄鋼スラグとして出荷することができる。ただし、本実施形態では、高温の状態で粒状凝固スラグＳｇを得ることができる。このため、粒状凝固スラグＳｇに対して後処理を行ってから、出荷してもよい。後処理としては、熱回収処理、蒸気回収処理、炭酸化処理、蒸気エージング処理、分級処理などを挙げることができる。

熱回収処理は、得られた高温の粒状凝固スラグＳｇをスラグ充填槽に充填し、この状態でスラグ充填槽内に空気等の冷却ガスを供給し、粒状凝固スラグＳｇの保有熱を奪って得られる高温ガスをスラグ充填槽から回収するプロセスである。得られた高温ガスは、例えば製鉄所の各工程へ供給することができ、これにより、溶融スラグＳ２の保有熱の有効活用が図られる。また、熱回収後の粒状凝固スラグＳｇは、熱回収設備から排出されたのち、製品スラグとして出荷される。本実施形態では、高効率の熱回収が可能である。

蒸気回収処理は、得られた高温の粒状凝固スラグＳｇのスラグ熱を利用して蒸気を発生させ、これを回収するプロセスである。この蒸気を利用して、任意の凝固スラグに対して蒸気エージングを行うことができる。

蒸気エージング処理は、得られた高温の粒状凝固スラグＳｇに水蒸気を供給するプロセスである。これにより、以下の式（１）を主反応とする蒸気エージング処理が行われる。かくして得られる製品スラグは、蒸気エージング処理によって膨張反応済のものとなり、道路用鉄鋼スラグとして出荷することが可能になる。本実施形態では、粒状凝固スラグＳｇの総表面積が大きいため、スラグ内部への水蒸気の浸透効率が高く、効率的な蒸気エージング処理が可能である。
ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）_２ ・・・（１）

炭酸化処理は、得られた高温の粒状凝固スラグＳｇに炭酸ガス（ＣＯ_２）を供給するプロセスである。これにより、以下の式（２）を主反応とする炭酸化処理が行われる。かくして得られる製品スラグは、炭酸化処理によって膨張反応済のものとなり、道路用鉄鋼スラグとして出荷することが可能になる。本実施形態では、粒状凝固スラグＳｇの総表面積が大きいため、スラグ内部への炭酸ガスの浸透効率が高く、効率的な炭酸化処理が可能である。これにより、ＣＯ_２を固定できることから、ＣＯ_２排出量の削減に寄与する。
ＣａＯ ＋ ＣＯ_２ → ＣａＣＯ_３ ・・・（２）

分級処理は、篩い目を用いた篩分け法等により粒状凝固スラグＳｇを分級して、所望の粒度の粒状凝固スラグを選別するプロセスである。ここで分級された粒状凝固スラグの全部又は一部は、本実施形態における粒状固形物Ｓ１として再利用することができる。

後処理としては、熱回収処理、蒸気回収処理、炭酸化処理、蒸気エージング処理、分級処理などから選択された２つ以上を組み合わせて行ってもよく、その場合の処理順序は特に限定されない。

（実験例１）
図１に示す製造設備を用いて、溶融スラグの固化及び破砕試験を行った。溶融スラグとしては、製鋼スラグの一種である脱炭スラグを用いた。溶融スラグの温度は、表１に示す。粒状固形物として、溶融スラグと同じプロセスで得られた脱炭スラグ（粒状固形スラグ）を用いた。粒状固形スラグは、３７．５ｍｍの篩い通過率が９７％であり、１９ｍｍの篩い通過率が５０％である、ＣＳ－４０の規格を満たす粒度分布とした。ただし、凝固厚みが２７ｍｍ以下となる表１のＮｏ．１～４については、狙いの凝固厚みよりも粒状固形物の粒度が小さくなるように、最大粒径以下の篩いで分級した粒状固形スラグを使用した。例えば、凝固厚み１５ｍｍのＮｏ．１では、呼び寸法１３．２ｍｍの篩い、凝固厚み１９ｍｍ及び２１ｍｍのＮｏ．２，３では、呼び寸法１９ｍｍの篩い、凝固厚み２７ｍｍのＮｏ．４では、呼び寸法２６．５ｍｍの篩いをそれぞれ通過した粒状固形スラグを用いた。この粒状固形スラグを鋳型内に１層敷き詰めた。その後、表１に示す凝固厚みが得られるように、鋳型内に溶融スラグを供給した。粒状固形物及び溶融スラグの合計質量に対する粒状固形物の質量比率は、表１に示すように２５％とした。このようにして、鋳型内で溶融スラグを粒状固形物とともに凝固させて、板状凝固スラグを得た。

この際、鋳型内に熱電対をセットして、鋳型から板状凝固スラグを取り出せるまでの時間（全ての溶融スラグが凝固するまでの時間）を測定した。結果を表１に示す。

その後、表１に示す装入温度の板状凝固スラグをロータリーキルンに入れて、１０分間破砕を行い、粒状凝固スラグを得た。なお、装入温度（装入時の板状凝固スラグの平均温度）は、サーモビュアーを用いて撮影した熱画像から板状凝固スラグに相当する部分を範囲指定し、その範囲の平均温度を算出して求めた。

得られた粒状凝固スラグの平均温度も、サーモビュアーによって前述と同様の方法で、すなわち撮影した熱画像から粒状凝固スラグに相当する部分を範囲指定し、その範囲の平均温度を算出して求め、表１に示した。また、粒状凝固スラグに対して篩い試験を行い、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１：２０１９（ＩＳＯ ３３１０－１：２０１６）に規定する金属製網ふるいの公称目開きで、全量が５３ｍｍの篩いを通過したか否か、及び、１９ｍｍの篩い通過率を測定し、結果を表１に示した。また、既述の方法で、粗粒スラグの粒形判定実積率及び細粒スラグの粒形判定実積率を測定し、結果を表１に示した。

Ｎｏ．１～４の比較例では、得られた板状凝固スラグの厚みが薄いため、破砕後のスラグ平均温度は１０００℃よりも低くなった。また、１９ｍｍの篩い通過率は８０％以上となり、道路用鉄鋼スラグに適した粒度分布よりも細かくなった。Ｎｏ．９の比較例では、粒状固形スラグが鋳型内に流し込んだ溶融スラグの上部に浮かぶため、凝固までの時間が５．４分と長くなった。１９ｍｍの篩い通過率は４２％と、道路用鉄鋼スラグに適した粒度分布よりも大きくなった。これに対して、Ｎｏ．１～４の発明例では、１９ｍｍの篩い通過率が５０～８０質量％の範囲に収まり、道路用鉄鋼スラグに適した粒度分布が得られた。

（実験例２）
鋳型内に粒状固形物を供給せず、溶融スラグのみを流し込んで、実験例１と同様の試験を行った。実験条件及び実験結果を表２に示す。

Ｎｏ．１０～１４の比較例では、ロータリーキルンで板状凝固スラグを破砕することはほとんどできなかった。このため、回転装置での処理時間が３０分になった時点で、破砕を終了した。いずれの比較例でも、１９ｍｍの篩い通過率は低く、道路用鉄鋼スラグに適した粒度分布は得られなかった。このため、板状凝固スラグを簡易に破砕するためには、粒状固形物の存在が重要であることがわかった。

（実験例３）
表３に示す実験条件で、実験例１と同様の試験を行った。実験結果も表３に示す。Ｎｏ．１５～１８の比較例では、凝固までの時間が長く、破砕後の粒状凝固スラグの形状が丸みを帯びないため、粒形判定実積率が低くかった。これに対し、Ｎｏ．１９～２２の発明例では、凝固までの時間が短く、破砕後の粒状凝固スラグの形状が丸みを帯びたため、粒形判定実積率が高かった。

（実験例４）
表４に示す実験条件で、実験例１と同様の試験を行った。すなわち、粒状固形物として、粒状固形スラグに加えて、鉄球及び廃コンクリートを採用した。いずれの粒状固形物に関しても、実験例１のＮｏ．５～９と同様の粒度分布を有するものを用いた。それぞれの粒状固形物において、粒状固形物及び溶融スラグの合計質量に対する粒状固形物の質量比率を種々変更した。実験結果を表４に示す。

表４から明らかなように、質量比率を１０～４０質量％の範囲とすることで、１９ｍｍの篩い通過率が５０～８０質量％の範囲に収まり、道路用鉄鋼スラグに適した粒度分布が得られた。

本発明の粒状凝固スラグの製造方法及び製造設備によれば、道路用鉄鋼スラグの規格の粒度範囲に収まる粒度分布を有する粒状凝固スラグを簡易に製造することができる。また、高温の粒状凝固スラグを得ることができるため、後工程で粒状凝固スラグに熱回収処理、炭酸化処理、又は蒸気エージング処理を施す際に、粒状凝固スラグの熱を有効活用することで、当該後工程の効率を高めることが可能となる。これは、ＣＯ_２排出量の削減に寄与するため、本発明は工業上極めて有効なプロセスである。

１００ 粒状凝固スラグの製造設備
１０ 鋳型
２０ 粒状固形物供給装置
２０Ａ ホッパー
２０Ｂ 樋
３０ 溶融スラグ供給装置
３０Ａ 傾動鍋
３０Ｂ 樋
４０ 回転装置（スラグ破砕装置）
Ｓ１ 粒状固形物
Ｓ２ 溶融スラグ
Ｓ 板状凝固スラグ
Ｓｇ 粒状凝固スラグ

Claims (10)

1. 鋳型内に粒状固形物と溶融スラグとを供給する工程と、
   前記鋳型内で前記溶融スラグを前記粒状固形物とともに凝固させて、前記溶融スラグが凝固してなる凝固域と前記粒状固形物とからなる厚み３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の板状凝固スラグを得る工程と、
   前記板状凝固スラグを前記鋳型から取り出す工程と、
   回転する筒状容器を備える回転装置の前記筒状容器内に前記板状凝固スラグを装入し、前記筒状容器を回転させて前記板状凝固スラグを破砕して、粒状凝固スラグを得る工程と、
   を有する粒状凝固スラグの製造方法。
2. 前記粒状固形物が、粒状固形スラグ、表面に水和物及び炭酸化物の一方又は両方が形成された粒状固形物質、並びに粒状固形鉄から選択される一つ以上を含む、請求項１に記載の粒状凝固スラグの製造方法。
3. 前記粒状固形スラグ及び前記粒状固形物質は、粒度範囲が４０～０ｍｍであり、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１：２０１９に規定する金属製網ふるいの公称目開きで、５３ｍｍの篩い通過率が１００質量％、３７．５ｍｍの篩い通過率が９５～１００質量％、１９ｍｍの篩い通過率が５０～８０質量％、４．７５ｍｍの篩い通過率が１５～４０質量％、２．３６ｍｍの篩い通過率が５～２５質量％の粒度分布を有する、請求項２に記載の粒状凝固スラグの製造方法。
4. 前記粒状固形鉄は、粒度範囲が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である、請求項２に記載の粒状凝固スラグの製造方法。
5. 前記粒状固形物の質量が、前記粒状固形物及び前記溶融スラグの合計質量に対して１０質量％以上４０質量％以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。
6. 前記板状凝固スラグは、前記回転装置の前記筒状容器内に装入される時に６００℃以上１２５０℃以下の平均温度を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。
7. 前記回転装置で前記板状凝固スラグを粒子径５３ｍｍ以下に全量破砕し、その際、前記粒状凝固スラグの１９ｍｍの篩い通過率が５０質量％以上８０質量％以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。
8. 前記粒状凝固スラグのうち、ＪＩＳ Ａ ５００５；２０２０規定の砕石２００５の粒度分布に適合するように調整した粗粒スラグを用いた粒形判定実積率が５０．０％以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。
9. 前記粒状凝固スラグのうち、ＪＩＳ Ａ ５００５；２０２０規定の砕砂の粒度分布に適合するように調整した細粒スラグを用いた粒形判定実積率が５２．０％以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の粒状凝固スラグの製造方法。
10. 鋳型と、前記鋳型内に粒状固形物を供給する粒状固形物供給装置と、前記鋳型内に溶融スラグを供給する溶融スラグ供給装置と、を有し、前記鋳型内で前記溶融スラグを前記粒状固形物とともに凝固させて、前記溶融スラグが凝固してなる凝固域と前記粒状固形物とからなる厚み３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の板状凝固スラグを得るスラグ凝固設備と、
    回転する筒状容器を備え、前記筒状容器内に装入された前記板状凝固スラグを、前記筒状容器を回転させて破砕して、粒状凝固スラグを得る回転装置と、
    を有する粒状凝固スラグの製造設備。

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