JP7494922B2 - 製鋼スラグの炭酸化率の推定方法および製鋼スラグの炭酸化処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、製鋼スラグの炭酸化率の推定方法および製鋼スラグの炭酸化処理方法に関する。

製鋼スラグは、製鉄所にて発生する産業副産物であり、例えば、道路の路盤および加熱アスファルト混合物に利用される。これらの用途に使用される製鋼スラグは、道路の隆起等を引き起こすことを防止するため水和膨張基準を満たす必要がある。このような水和膨張基準としては、ＪＩＳ Ａ ５０１５「道路用鉄鋼スラグ」が挙げられる。製鋼スラグの水和膨張は、当該製鋼スラグ中に含まれる遊離ＣａＯ（ｆ－ＣａＯ）の水和に起因する。したがって、製鋼スラグの水和膨張を抑制するため、製鋼スラグ中のｆ－ＣａＯを予め水和させるエージング処理が行われている。しかし、このエージング処理で生成するＣａ（ＯＨ）_２は、水溶性であるため、水と接するとアルカリ性が高い水溶液や白濁水が生じる。そこで、製鋼スラグにおけるｆ－ＣａＯおよびＣａ（ＯＨ）_２等の水溶性のＣａ成分の含有量を低減するために、Ｃａ成分とＣＯ_２とを反応させて、水に不溶なＣａＣＯ_３とする炭酸化処理が行われている。この炭酸化処理における反応は、Ｃａ成分（ＣａＯやＣａ（ＯＨ）_２）が水に溶解して生成するＣａ^２＋と、ＣＯ_２が水に溶解して生成するＣＯ_３ ^２－とが、主として製鋼スラグ表面の付着水を介して反応し、製鋼スラグの表面にＣａＣＯ_３を生成するものである。

製鋼スラグの炭酸化処理は、このような水溶性のＣａ成分を低減する技術としてのみならず、最近では、製鉄所から排出されるＣＯ_２量削減のための技術としても期待されている。このような背景から、製鋼スラグの炭酸化処理の効率化を図るための技術が提案されている。

例えば、特許文献１および２には、製鋼スラグに撹拌を加えて炭酸化処理を行うに際し、製鋼スラグの粒子の造粒を抑える技術がそれぞれ開示されている。特許文献１には、炭酸化処理前に製鋼スラグを乾燥処理して水分量を０．５～４質量％に調整することが開示されている。特許文献２には、炭酸化処理前から炭酸化処理後にかけて、製鋼スラグに含まれる粒径２．３６ｍｍ以下のスラグ粒の減少割合が３０％未満となるように攪拌することが開示されている。

また、特許文献３には、エージング処理を行った後の鉄鋼スラグを圧力容器に収容して密閉し、加圧したＣＯ_２含有ガスを供給して前記圧力容器内が０．１ＭＰａＧ以上２．０ＭＰａＧ以下に保持されるようにしながら、ＣＯ_２含有ガスを鉄鋼スラグに接触させることが開示されている。

さらに、特許文献４には、製鋼スラグにＣＯ_２濃度が１体積％以上１００体積％未満のＣＯ_２含有ガスを供給して接触させる炭酸化処理の条件に関して、処理済スラグから溶出する水のｐＨが、炭酸化処理の処理時間、製鋼スラグ中に含まれる水可溶性Ｃａ成分の含有量、およびＣＯ_２含有ガスのＣＯ_２濃度の多変数関数として制御されることが開示されている。

特許第６２６０１１５号公報 特許第６４１３４５１号公報 特許第６６２６３４２号公報 特許第６２９９３７５号公報

特許文献１～３はいずれも、製鋼スラグの炭酸化を確実にあるいは効率的に行うことを目的としたものであり、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率を見積もるものではない。また、特許文献４には、炭酸化処理後の製鋼スラグから溶出する水のｐＨが、製鋼スラグのｆ－ＣａＯの含有量およびＣＯ_２含有ガスのＣＯ_２濃度の変数を含む関数として制御されることが示されている。しかし、特許文献４には、製鋼スラグの炭酸化率を見積もることは示されていない。このため、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率を確認するためには、炭酸化処理後の製鋼スラグの分析を行うほかなかった。

また、炭酸化処理の方法に関する記載についてこれらの文献を参照すると、特許文献１および２では、水分量の調整や製鋼スラグの径を考慮して炭酸化処理条件の設定を行うことが記載されている。しかし、このような条件の設定を行うのみでは、依然として炭酸化率のばらつきは低減できず、目標とする炭酸化率に満たないことがあった。また、特許文献３のように、加圧条件下で炭酸化処理をして加圧容器内の圧力を制御することにより、大気圧下での同処理によりも炭酸化処理時間を短くすることができる。しかし、特許文献３の条件設定を採用しても、炭酸化率のばらつきを解消するには至っていない。さらに、特許文献４の技術は、炭酸化に寄与する製鋼スラグ中の相としてｆ－ＣａＯおよびＣａ（ＯＨ）_２のみを考慮して炭酸化処理を行うものである。後述するように、これらの条件を考慮するのみでは、依然として、炭酸化率のばらつきを低減することができず、目標とする炭酸化率に満たないことがあった。従来の炭酸化処理方法においては、炭酸化率のばらつきが大きいため、炭酸化処理後の製鋼スラグが十分に炭酸化されたことを頻繁に確認する必要があり、多くの手間を要していた。

本発明は前記課題を解決し、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率を精度よく推定できる製鋼スラグの炭酸化率の推定方法および製鋼スラグの炭酸化処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するものであり、その手段は、以下の通りである。
［１］ 製鋼スラグに二酸化炭素含有ガスを供給し、前記製鋼スラグを炭酸化させる製鋼スラグの炭酸化処理がなされた前記製鋼スラグの炭酸化率を推定する製鋼スラグの炭酸化率の推定方法であって、
前記炭酸化処理前の前記製鋼スラグに含まれる金属鉄以外の成分の体積分率（Ｖ_ｅ）、前記炭酸化処理前の前記製鋼スラグを構成する粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）、前記炭酸化処理前の前記製鋼スラグの見かけ密度（ρ_ｓ）、前記炭酸化処理において前記製鋼スラグに供給される前記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）、及び前記炭酸化処理の処理時間（ｔ）、を変数として含む、前記炭酸化処理後の前記製鋼スラグの推定炭酸化率（Ｗ_％）を表す関数を決定すること、
前記体積分率（Ｖ_ｅ）、前記粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）及び前記見かけ密度（ρ_ｓ）の値をそれぞれ決定すること、
前記二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）の値及び前記処理時間（ｔ）の値をそれぞれ決定すること、
決定された前記体積分率（Ｖ_ｅ）、前記粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）、前記見かけ密度（ρ_ｓ）、前記二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）及び前記処理時間（ｔ）を前記関数に用いて前記推定炭酸化率（Ｗ_％）を算出すること、
を含む、製鋼スラグの炭酸化率の推定方法。
［２］ 前記粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）として、前記炭酸化処理前の前記製鋼スラグの比表面積径（Ｄ）を用い、
前記関数は、前記見かけ密度（ρ_ｓ）の前記変数として、炭酸カルシウムの密度に対する前記見かけ密度（ρ_ｓ）の比（ρ_ｒ，ｉ）を含み、
前記関数が、下記式（１）で表される、［１］に記載の製鋼スラグの炭酸化率の推定方法。

ただし、式（１）において、Ｗ_％は、質量％で表した推定炭酸化率である。Ｖ_ｅは、体積％で表した、炭酸化処理前の製鋼スラグに含まれる金属鉄以外の成分の体積分率である。Ｄは、ｍｍで表した炭酸化処理前の製鋼スラグの比表面積径である。ρ_ｒ，ｉは、炭酸化処理前の製鋼スラグの見かけ密度（ρ_ｓ）の、炭酸カルシウムの密度に対する比である。ｋは、ｍｍ^２を単位とする定数である。Ｖ_ＣＯ２は、標準状態（１ａｔｍ、０℃）換算の体積％／時間（ｈ）で表した、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素濃度の時間平均値である。ｔは、時間（ｈ）で表した炭酸化処理の処理時間である。Ｃは、ｍｍ^２を単位とする定数である。
［３］ 製鋼スラグに二酸化炭素含有ガスを供給し、前記製鋼スラグを炭酸化させる製鋼スラグの炭酸化処理方法であって、［１］または［２］に記載の製鋼スラグの炭酸化率の推定方法において、前記推定炭酸化率（Ｗ_％）を目標とする炭酸化率として設定し、当該目標とする炭酸化率に対応した処理条件を決定し、前記処理条件にて炭酸化処理を行う、製鋼スラグの炭酸化処理方法。
［４］ 前記二酸化炭素含有ガスが、炭素含有物質を反応させて発生した排ガスである、［３］に記載の製鋼スラグの炭酸化処理方法。
［５］ 前記二酸化炭素含有ガスが、製鉄所内で発生する副生ガスである、［３］に記載の製鋼スラグの炭酸化処理方法。
［６］ 前記二酸化炭素含有ガスが、製鉄所内で発生する副生ガスである、［４］に記載の製鋼スラグの炭酸化処理方法。

本発明によれば、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率を精度よく推定することができる。また、目標とする炭酸化率に処理された製鋼スラグを得ることが可能となる。

本発明の実施例および比較例に係る製鋼スラグの炭酸化処理方法における、目標炭酸化率と実績炭酸化率との関係を示すグラフである。 本発明の実施例および比較例に係る製鋼スラグの炭酸化処理方法における、推奨処理時間および実績処理時間に対して、実績炭酸化率の合否をプロットしたグラフである。

［製鋼スラグの炭酸化率の推定方法］
本発明の一実施形態に係る製鋼スラグの炭酸化率の推定方法（以下、単に「第１実施形態」と記載することがある）は、製鋼スラグに二酸化炭素含有ガスを供給する炭酸化処理がなされた製鋼スラグの炭酸化率を推定するものである。製鋼スラグの炭酸化率の推定方法は、炭酸化処理前の製鋼スラグに含まれる金属鉄以外の成分の体積分率（Ｖ_ｅ）、炭酸化処理前の製鋼スラグを構成する粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）、炭酸化処理前の製鋼スラグの見かけ密度（ρ_ｓ）、炭酸化処理において製鋼スラグに供給される二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）、及び炭酸化処理時間（ｔ）、を変数として含む、炭酸化処理後の製鋼スラグの推定炭酸化率（Ｗ_％）を表す、関数を決定すること、体積分率（Ｖ_ｅ）、粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）及び見かけ密度（ρ_ｓ）の値をそれぞれ決定すること、二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）の値及び、処理時間（ｔ）の値をそれぞれ決定すること、決定された体積分率（Ｖ_ｅ）、粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）、見かけ密度（ρ_ｓ）、二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）及び前記処理時間（ｔ）を前記関数に用いて推定炭酸化率（Ｗ_％）を算出することを含む。

第１実施形態では、はじめに、炭酸化処理に供される製鋼スラグの性質および炭酸化処理の条件と、得られる製鋼スラグの炭酸化率との関係に基づいて、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率を推定する関数が決定される。この関数は、炭酸化処理前の製鋼スラグに含まれる金属鉄以外の成分の体積分率（Ｖ_ｅ）、炭酸化処理前の製鋼スラグを構成する粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）、炭酸化処理前の製鋼スラグの見かけ密度（ρ_ｓ）、製鋼スラグに供給する二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）、および炭酸化処理時間（ｔ）を変数として含む。前記関数は、実際に行った炭酸化処理から得られた、前記各変数と炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率との関係を、回帰分析して決定してもよく、熱力学計算により決定してもよい。

本実施形態において、推定または実測される製鋼スラグの炭酸化率（Ｗ_％）は、下記式（２）にて定義される。

この炭酸化率を推定するための前記関数が、変数として体積分率（Ｖ_ｅ）を含むことで、炭酸化処理の対象とする製鋼スラグに含まれる相（成分）のうち、炭酸化に寄与しない相の影響を除くことができ、炭酸化率の推定精度が向上する。一般に、製鋼スラグには、ｆ－ＣａＯおよびＣａ（ＯＨ）_２の他、Ｃ_３Ｓ（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、Ｃ_２Ｓ（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、Ｃ_４ＡＦ（２ＣａＯ・（２－ｘ）Ａｌ_２Ｏ_３・ｘＦｅ_２Ｏ_３），Ｃ_２Ｆ（２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３）、ｆ－ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）_２、および金属鉄（粒鉄）等の相が含まれる。これらの相のうち、金属鉄以外は、炭酸化処理により二酸化炭素と反応してＣａＣＯ_３またはＭｇＣＯ_３を生成するが、金属鉄は二酸化炭素と反応しない。このため、炭酸化処理後の炭酸化率の推定にあたり、製鋼スラグ中の全ての相を考慮するよりも、金属鉄を考慮対象から除外した方が、推定精度が向上すると考えられる。なお、上述した炭酸化に寄与する相の全てについてその量を考慮して評価すると、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率を極めて高精度に推定することができる。しかし、サンプリング試料によるばらつきや、分析・測定の誤差を踏まえると、処理対象の製鋼スラグのうち、金属鉄を除く他の相が全て炭酸化に寄与すると近似して評価すれば十分である。

前記体積分率（Ｖ_ｅ）は、処理対象とする製鋼スラグの処理前の質量（ｍ_ｓ（ｋｇ））、処理対象とする製鋼スラグの処理前の見かけ密度（ρ_ｓ（ｋｇ／ｍ^３））および処理対象とする製鋼スラグ中の金属鉄の含有割合（Ｍ_Ｍ－Ｆｅ（質量％））に基づいて、下記式（３）から算出することができる。ここで、Ｍ_Ｍ－Ｆｅについては、処理対象とするスラグを化学分析することで求める。化学分析の方法としては、容量法（滴定法）等が採用できる。

また、前記関数が、変数として製鋼スラグを構成する粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）および見かけ密度（ρ_ｓ）を含むことで、炭酸化反応の反応速度を推定炭酸化率の推定に反映させることができる。すなわち、炭酸化反応は製鋼スラグを構成する粒子の表面から進む。このため、その反応速度は製鋼スラグを構成する粒子の表面積の影響を受ける。したがって、製鋼スラグを構成する粒子の粒径および見かけ密度によって表面積の見積もりが可能となる。当該粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）としては、比表面積径（Ｄ）を用いることができる。比表面積径（Ｄ）は、製鋼スラグを構成する粒子の粒径（粒度分布）Ｄ_ｉと、該粒径を有する粒子の個数ｎ_ｉとを用いて、下記式（４）から算出することができる。なお、見かけ密度（ρ_ｓ）については、炭酸化処理の操業管理が、通常、製鋼スラグの質量で行なわれていることから、前記粒径（粒度分布）Ｄ_ｉを有する製鋼スラグを構成する粒子の質量の、当該粒径を有する粒子の個数ｎ_ｉへの換算を可能とすることで、比表面積径（Ｄ）の導出にも寄与している。また、製鋼スラグを構成する粒子の粒径（粒度分布）Ｄ_ｉは、例えば、篩分(メッシュ)法で測定することができる。なお、当該粒径を有する粒子の個数ｎ_ｉは、例えば、篩分した後の各篩目の重量をその篩目のサイズの１粒子あたりの重量で割ることで算出することができる。

前記関数における変数のうち、二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）および処理時間（ｔ）は、炭酸化反応に影響を及ぼす操業条件である。両者には相関があり、二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）が高ければ、炭酸化処理は早く進むので、同じ炭酸化率を得るための処理時間（ｔ）は短くなる。これに対して、二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）が低ければ、炭酸化処理は進みにくくなり、同じ炭酸化率を得るための処理時間（ｔ）は長くなる。二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）は、一定の二酸化炭素濃度を有するガスを供給しながら炭酸化処理を行う場合には、該一定の値とすればよい。他方、二酸化炭素含有ガスとして、炭素含有物質を反応させて発生した排ガスを用いる場合など、反応条件の変動に伴ってガス中の二酸化炭素濃度が変動する場合には、二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）は、当該変動を反映したものとすることが好ましい。

前記関数としては、下記式（１）で表されるものを用いることが好ましい。この関数を用いることで、製鋼スラグの炭酸化率をより高精度で推定することができる。

式（１）において、Ｗ_％は、質量％で表した推定炭酸化率である。Ｖ_ｅは、体積％で表した、炭酸化処理前の製鋼スラグに含まれる金属鉄以外の成分の体積分率である。Ｄは、ｍｍで表した炭酸化処理前の製鋼スラグの粒子の比表面積径である。ρ_ｒ，ｉは、炭酸化処理前の製鋼スラグの見かけ密度（ρ_ｓ）の、炭酸カルシウムの密度に対する比である。ｋは、ｍｍ^２を単位とする定数である。Ｖ_ＣＯ２は、標準状態（１ａｔｍ、０℃）換算の体積％／時間（ｈ）で表した、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素濃度の時間平均値である。ｔは、時間（ｈ）で表した炭酸化処理時間である。Ｃは、ｍｍ^２を単位とする定数である。このように、式（１）の関数は、見かけ密度（ρ_ｓ）の変数として、炭酸カルシウムの密度に対する見かけ密度（ρ_ｓ）の比（ρ_ｒ，ｉ）を含む。

定数Ｃは、下記式（５）および（６）から算出される。

ここで、式中のＷ_％，０は、炭酸化処理に用いる（炭酸化処理前の）製鋼スラグについて実測した炭酸化率（質量％）を示す。Ｗ_ｄは、熱重量分析（ＴＧ）で得られる５００～８５０℃での重量減少率を示す。ＭＭ_{ＣａＣＯ３}は、ＣａＣＯ_３のモル質量（＝１００．１ｇ／ｍｏｌ）を示す。ＭＭ_ＣＯ２はＣＯ_２のモル質量（＝４４．０ｇ／ｍｏｌ）を示す。なお、前記Ｗ_ｄの値は、ＣａＣＯ_３の脱炭酸による重量減少率に相当する。

また、定数ｋは、体積分率（Ｖ_ｅ）、製鋼スラグの粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）（製鋼スラグの比表面積径：Ｄ）および見かけ密度の比（ρ_ｒ，ｉ）、二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）、処理時間（ｔ）及び、定数Ｃの値から上記式（１）により算出される推定炭酸化率（Ｗ_％）と、実測された炭酸化率との残差平方和が最小となる値として、下記式（７）により決定される。なお、発明者の調査では、スラグが製鋼スラグであれば、定数ｋは１．０×１０－５～１．０×１０^－３となる。

第１実施形態では、炭酸化処理に用いる製鋼スラグを分析・測定することで、前述の体積分率（Ｖ_ｅ）、製鋼スラグの粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）およびρ_ｓをそれぞれ決定する。炭酸化率の推定に用いる関数として、上記式（１）を用いる場合には、実測した炭酸化率（質量％）（Ｗ_％，0）についても測定を行う。また、実施予定の炭酸化処理での炭酸化率を推定する場合には、適用予定の炭酸化処理条件に基づいて、また実際に行った炭酸化処理での炭酸化率を推定する場合には、適用した炭酸化処理条件に基づいて、前述の二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）及び、処理時間（ｔ）を決定する。そして、決定した前記体積分率（Ｖ_ｅ）、製鋼スラグの粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）見かけ密度（ρ_ｓ）、二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）及び、処理時間（ｔ）を前述の関数に用いて推定炭酸化率（Ｗ_％）を算出する。

以上説明した製鋼スラグの炭酸化率の推定方法によれば、炭酸化処理に用いる製鋼スラグの性状および炭酸化処理条件から、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率を精度よく推定することができる。このため、実施予定の炭酸化処理について、目標とする炭酸化率が得られるように、処理条件を決定することができる。また、炭酸化処理後の製鋼スラグについて、炭酸化率を確認するための分析を省略したり、分析を行う場合でもその頻度を低下させたりすることができる。

［製鋼スラグの炭酸化処理方法］
本発明の他の実施形態に係る製鋼スラグの炭酸化処理方法（以下、単に「第２実施形態」と記載することがある）は、製鋼スラグに二酸化炭素含有ガスを供給する炭酸化処理において、前述した第１実施形態を実行することにより、目標とする炭酸化率が得られるとされた処理条件にて炭酸化処理を行う。言い換えれば、推定炭酸化率（Ｗ_％）を目標とする炭酸化率として設定し、当該目標とする炭酸化率に対応した処理条件を決定し、当該処理条件にて炭酸化処理を行う。

第２実施形態において処理対象とする製鋼スラグは、製鉄所内で発生した炭酸化処理を必要とする製鋼スラグであれば特に制限されるものではない。このような製鋼スラグとしては、一例として、溶銑予備処理工程（脱珪、脱りん、脱硫）で発生する予備処理スラグ、転炉での脱炭工程で発生する転炉スラグ、電気炉での工程で発生する電気炉スラグ、二次精錬工程で発生する二次精錬スラグ、鋳造工程で発生する造塊スラグ等が挙げられる。製鋼スラグは、１種類のみを単独で用いてもよく、２種類以上を混合して用いてもよい。また、製鋼スラグは、事前に破砕・分級して粒径を整えた後、エージング処理を行ったものでもよい。また製鋼スラグは、事前にエージング処理を行わないものを用いて、本実施形態によりエージングと炭酸化処理を同時に進めてもよい。事前に製鋼スラグのエージング処理を行う場合、その方法には、大気エージング、蒸気エージング、および加圧エージング等の通常使用されるものを用いることができる。

第２実施形態では、製鋼スラグに対して二酸化炭素含有ガスを供給する。二酸化炭素含有ガスとしては、二酸化炭素ガス、ならびに自動車の排気および工場からの副生ガス等の、炭素含有物質の化学反応により発生した排ガス等を用いることができる。特に、炭素含有物質の反応により発生した排ガスを二酸化炭素含有ガスとして使用することで、大気中に放出される二酸化炭素量の減少につながるため、地球温暖化対策にもなる点で好ましい。また、製鉄所内で発生する副生ガスを二酸化炭素含有ガスとして用いた場合、製鋼スラグ中のカルシウムの水不溶化処理と、大気中への二酸化炭素の排出抑制処理とを同じ敷地内で行うことができるため、効率的である。

第２実施形態で炭酸化処理に使用する炭酸化処理設備は、特に制限されるものではない。例えば、炭酸化処理設備内に製鋼スラグを予め装入し、この炭酸化処理設備内に二酸化炭素含有ガスを断続的、あるいは連続的に供給して行うバッチ式処理、炭酸化処理設備内に製鋼スラグおよび二酸化炭素含有ガスを断続的、あるいは連続的に供給して行う連続式処理、のいずれであってもよい。また、バッチ式処理および連続式処理について、それぞれ、撹拌式、流動床式、固定床式等の公知の反応器の形式を採用することができる。さらに反応器内の圧力も、大気圧であっても加圧であってもよい。具体的な設備としては、ロータリーキルン、プロシェアミキサー、ドラムミキサー、チューブミル、ローラミル、ボールミル、円筒型圧力容器（オートクレーブ）などが例示できる。

第２実施形態では、炭酸化処理を行う前または炭酸化処理の最中に、当該炭酸化処理によって得られる製鋼スラグの炭酸化率を、上述した第１実施形態により推定する。その際、推定炭酸化率（Ｗ_％）を目標とする炭酸化率とし、使用する関数中の変数のうち、炭酸化処理中に変動しないものを予め決定した定数とする。その上で、前記関数を満たすように、該関数中の変数のうち、炭酸化処理中に変動し得るものの影響を考慮しつつ、炭酸化処理時に制御を行うもの（制御変数）の値を決定する。

制御変数としては、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）および炭酸化処理の処理時間（ｔ）を用いることができる。これらを制御変数とする場合には、使用する炭酸化設備の直近の操業実績に基づいて二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）を決定し、該Ｖ_ＣＯ２の値に基づいて、目標とする炭酸化率が得られるようにｔの値を決定することもできる。また、二酸化炭素含有ガスとして炭素含有物質の化学反応により発生した排ガスを用いる場合には、当該排ガス中の二酸化炭素濃度が炭酸化処理の間に変動し得ることを考慮して、処理時間（ｔ）のみを制御変数としてもよい。この場合、製鋼スラグに供給する二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素含有量を連続分析して、供給された二酸化炭素の積算量を処理時間で除することで、その時点までの平均二酸化炭素濃度の実績値を求めるとよい。この平均二酸化炭素濃度の実績値を二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）として上記関数にフィードバックすることで、処理時間（ｔ）を調整するとよい。

第２実施形態では、決定された前記制御変数が得られる条件で炭酸化処理を行う。これにより、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率のばらつきが低減されると共に、目標炭酸化率からの乖離が小さい製鋼スラグが得られる。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

本実施例においては、製鉄所の製鋼工程で発生した製鋼スラグを用いた。製鋼スラグは、ピットに放流して凝固・冷却させ、破砕と分級とを繰り返して粒度分布が０ｍｍ超４０ｍｍ以下であるものを用いた。この製鋼スラグに蒸気エージングを施した後、蒸気を停止して放冷した。放冷後の製鋼スラグからサンプリングした試料の分析・測定を行い、体積分率（Ｖ_ｅ）、製鋼スラグの粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）（比表面積径Ｄ）、見かけ密度（ρ_ｓ）、及び、実測した炭酸化率（質量％）（Ｗ_％，0）を求めた。この結果に基づいて上述した式（１）を決定し、これを用いて目標炭酸化率を得るための制御変数である推奨される炭酸化処理の処理時間（ｔ）（以下、推奨炭酸化処理時間ともいう）を算出した。その際、製鋼スラグの見かけ密度ρ_ｓ（３．０ｇ／ｃｍ^３）から見かけ密度の比（ρ_ｒ，ｉ）を算出するために用いる炭酸カルシウムの密度は２．７１ｇ／ｃｍ^３とし、定数ｋは３．３×１０^－４とした。その後、処理対象の製鋼スラグをオートクレーブ式の炭酸化処理設備に装入した。製鉄所内で発生した副生ガスを二酸化炭素含有ガスとして用い、これを製鋼スラグに供給して前述の推奨処理時間（ｔ）で、実施例に係る炭酸化処理を行った。なお、炭酸化処理が行われている間、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）を計測した。この値に基づいて、炭酸化処理の処理時間（ｔ）を微調整した。

比較例の炭酸化処理は、式（１）に依ることなく過去の操業実績から経験的に炭酸化処理時間を決定した以外は実施例と同様の方法で行った。なお、比較例に係る炭酸化処理で採用された炭酸化処理時間は、式（１）から算出された推奨処理時間とは異なっていた。

実施例および比較例に係る炭酸化処理の条件を表１に示す。なお、比較例の炭酸化処理の条件のうち、変数および推奨処理時間は、式（１）の算出に用いられたものではなく、また式（１）から算出されたものではない。すなわち、これらの値は、実際の炭酸化処理時間（実績処理時間）と、推奨処理時間と、を比較しやすくするために示したものである。

実施例および比較例に係る炭酸化処理後の製鋼スラグについて、サンプリングした試料の熱重量分析（ＴＧ）を行って重量減少率（Ｗ_ｄ）を求めた。また、上述した初期炭酸化率（Ｗ_％，０）と同様の方法で、炭酸化率の実績値（実績炭酸化率）を算出した。得られた実績炭酸化率を推定（目標）炭酸化率（Ｗ_％）と比較し、実績炭酸化率と推定（目標）炭酸化率（Ｗ_％）との差異が±３σ（σ：標準偏差）以内となったものを合格（○）と、該差異が±３σを超えたものを不合格（×）と、それぞれ判定した。その結果、実施例の製鋼スラグについては、いずれも合格判定となったのに対し、比較例の製鋼スラグについては、いずれも不合格判定となった。製鋼スラグの目標炭酸化率と実績炭酸化率との関係を図１に示す。また、実績炭酸化率の合否を、推奨処理時間および実績処理時間に対してプロットしたグラフを図２に示す。

以上の結果から、目標炭酸化率を式（１）の推定炭酸化率（Ｗ_％）として設定して炭酸化処理の処理時間（ｔ）を決定した実施例では、実施例とは異なる処理時間（ｔ）で炭酸化処理を行った比較例に比べて、実績炭酸化率が推定炭酸化率（目標炭酸化率）（Ｗ_％）によく一致することが判る。また、実績処理時間が推奨処理時間にほぼ一致する場合に、実績炭酸化率が推定炭酸化率（目標炭酸化率）（Ｗ_％）によく一致することが判る。

本発明によれば、炭酸化処理後の製鋼スラグの炭酸化率を精度よく推定することができる。したがって、本発明は、炭酸化処理後の製鋼スラグについて、炭酸化率を確認するための分析を省略したり、分析を行う場合でもその頻度を低下させたりできる点で有用である。また、本発明の他の態様によれば、目標炭酸化率からの乖離が小さい製鋼スラグが得られる。このため、本発明は、製鋼スラグからアルカリ性が高い水溶液や白濁水の発生を効率的に抑制できる点でも有用である。さらに、本発明は、製鋼スラグを炭酸化するための二酸化炭素含有ガスとして、炭素含有物質の反応により発生した排ガスを用いる場合、推定された炭酸化率から、大気中に排出される二酸化炭素量の低減度合いを精度よく推定でき、また実際に二酸化炭素排出量を目標通りに低減できる点でも、有用である。

Claims (4)

1. 製鋼スラグに二酸化炭素含有ガスを供給し、前記製鋼スラグを炭酸化させる炭酸化処理がなされた前記製鋼スラグの炭酸化率を推定する製鋼スラグの炭酸化率の推定方法であって、
   前記炭酸化処理前の前記製鋼スラグに含まれる金属鉄以外の成分の体積分率（Ｖ_ｅ）、前記炭酸化処理前の前記製鋼スラグを構成する粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）、前記炭酸化処理前の前記製鋼スラグの見かけ密度（ρ_ｓ）、前記炭酸化処理において前記製鋼スラグに供給される前記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）、及び前記炭酸化処理の処理時間（ｔ）、を変数として含む、前記炭酸化処理後の前記製鋼スラグの推定炭酸化率（Ｗ_％）を表す関数を決定すること、
   前記体積分率（Ｖ_ｅ）、前記粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）及び前記見かけ密度（ρ_ｓ）の値をそれぞれ決定すること、
   前記二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）の値及び前記処理時間（ｔ）の値をそれぞれ決定すること、
   決定された前記体積分率（Ｖ_ｅ）、前記粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）、前記見かけ密度（ρ_ｓ）、前記二酸化炭素濃度（Ｖ_ＣＯ２）及び前記処理時間（ｔ）を前記関数に用いて前記推定炭酸化率（Ｗ_％）を算出すること、
   を含み、
   前記粒子の粒径（粒度分布）（Ｄ_ｓ）として、前記炭酸化処理前の前記製鋼スラグの比表面積径（Ｄ）を用い、
   前記関数は、前記見かけ密度（ρ_ｓ）の前記変数として、炭酸カルシウムの密度に対する前記見かけ密度（ρ_ｓ）の比（ρ_ｒ，ｉ）を含み、
   前記関数が、下記式（１）で表される、製鋼スラグの炭酸化率の推定方法。
   

   

   ただし、式（１）において、Ｗ _％ は、質量％で表した推定炭酸化率である。Ｖ _ｅ は、体積％で表した、炭酸化処理前の製鋼スラグに含まれる金属鉄以外の成分の体積分率である。Ｄは、ｍｍで表した炭酸化処理前の製鋼スラグの比表面積径である。ρ _ｒ，ｉ は、炭酸化処理前の製鋼スラグの見かけ密度（ρ _ｓ ）の、炭酸カルシウムの密度に対する比である。ｋは、ｍｍ ^２ を単位とする定数である。Ｖ _ＣＯ２ は、標準状態（１ａｔｍ、０℃）換算の体積％／時間（ｈ）で表した、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素濃度の時間平均値である。ｔは、時間（ｈ）で表した炭酸化処理の処理時間である。Ｃは、ｍｍ ^２ を単位とする定数である。
2. 製鋼スラグに二酸化炭素含有ガスを供給し、前記製鋼スラグを炭酸化させる製鋼スラグの炭酸化処理方法であって、
   請求項１に記載の製鋼スラグの炭酸化率の推定方法において、前記推定炭酸化率（Ｗ_％）を目標とする炭酸化率として設定し、前記関数を用いて当該目標とする炭酸化率に対応した処理条件を決定し、
   前記処理条件にて炭酸化処理を行い、
   前記処理条件を決定するに際し、前記関数の変数のうち、前記炭酸化処理中に変動しないものを予め決定された定数とし、
   前記関数の変数のうち、前記炭酸化処理時に制御を行うものを制御変数として決定し、
   前記目標とする炭酸化率に応じた前記制御変数の値を決定する、製鋼スラグの炭酸化処理方法。
3. 前記二酸化炭素含有ガスが、炭素含有物質の反応により発生した排ガスである請求項２に記載の製鋼スラグの炭酸化処理方法。
4. 前記二酸化炭素含有ガスが、製鉄所内で発生した副生ガスである請求項２又は３に記載の製鋼スラグの炭酸化処理方法。

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