JPH11171612A

JPH11171612A - 人工軽量骨材およびその製造方法

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Publication number: JPH11171612A
Application number: JP33443397A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Naganami; 武長南; Koji Kawamoto; 孝次川本; Shingo Sudo; 真悟須藤; Atsushi Kagakui; 敦加岳井
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1999-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】石炭の使用量にほぼ比例して、急増する石炭
灰の有効利用法を図る。【解決方法】ナトリウム、カリウム、硼素および鉛か
らなる群より選択された１種以上と石炭灰とで作製され
るガラス状の融点降下剤と粘結剤と発泡剤とを石炭灰に
混合して粉砕し、該粉砕物を成型した後、焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人工軽量骨材に関
し、具体的には、石炭火力発電所や石炭焚きボイラーな
どから発生する石炭灰を、特に土木・建築用の人工軽量
骨材として再資源化して有効利用するための人工軽量骨
材の製造方法およびこの方法により得られた人工軽量骨
材に関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭は、石油に比べて資源が豊富で単位
発熱量あたりの価格も安価なことから、国内のエネルギ
ー政策により、特に発電用燃料として大幅な使用量の増
加が計画または実施されつつある。その結果、石炭火力
発電所や石炭焚きボイラーなどから発生する石炭灰が、
石炭使用量にほぼ比例して増加する結果、急増する石炭
灰の有効利用法が大きな課題となっている。

【０００３】石炭灰の有効利用としては、人工軽量骨材
としての利用が、その需要量の大きさから大量処理の面
で適している。

【０００４】しかし、石炭灰は、シンターグレード方式
で一部が骨材化されているものの、人工軽量骨材として
の利用は国内では極めて少ない。

【０００５】その原因は、石炭火力発電所や石炭焚きボ
イラーなどでは、ボイラーの水管やボイラー壁への灰の
付着を軽減するために、高融点の灰を発生する石炭を選
択して使用しているところにある。すなわち、石炭火力
発電所などの石炭焚きボイラーから発生する石炭灰は、
一般的には融点が高く、軽量骨材化するには、低融点の
粘土や頁岩を多量に混合して焼成しなければならない。
しかし、これらの粘土や頁岩を多量に確保するのが困難
であること、またこれらの粘土や頁岩を採掘・運搬・前
処理・混合するのに多くの費用を要する結果、人工軽量
骨材の製造コストが高くなっていること、さらには単位
製品あたりの石炭灰の使用率が低いことから石炭灰の有
効利用上好ましくない。

【０００６】また、石炭灰を使用した人工軽量骨材の絶
乾比重は１．３〜１．４程度であり、絶乾比重がより小
さい軽質な人工軽量骨材を製造する技術が無く、用途が
制限されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、入手
が容易で低価格な添加剤を少量添加することにより、比
較的低温で高強度を発現し、且つ高品質な人工軽量骨材
を安価に製造する方法およびこの方法により得られた人
工軽量骨材を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、単位製品
あたりの石炭灰の使用率を増加してその有効利用率を高
めるために、添加剤について鋭意検討した結果、石炭灰
に融点降下剤と粘結剤と発泡剤とを混合した骨材配合と
することにより、上記した問題点を解決できることを見
い出し、本発明を完成するに至った。

【０００９】すなわち、上記課題を解決するための本発
明による人工軽量骨材の製造方法は、ナトリウム、カリ
ウム、硼素および鉛からなる群より選択された１種以上
と石炭灰とで作製した融点降下剤と粘結剤と発泡剤とを
石炭灰に混合して粉砕して粉砕物とし、該粉砕物を必要
に応じて湿式混練してから、成型・乾燥した後、９５０
℃〜１３００℃、好ましくは１０００℃〜１２５０℃で
焼成することからなる。

【００１０】前記融点降下剤は、前記ナトリウムなどと
石炭灰とを混合した後、加熱溶融してガラス状にして冷
却粉砕したものである。

【００１１】また、前記発泡剤は、酸化鉄と、炭化珪素
および／または炭材とで構成される。

【００１２】なお、焼成前に必要に応じて乾燥処理を行
う。

【００１３】また、本発明の方法により得られた人工軽
量骨材は、０．４〜１．５の絶乾比重を有する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細およびその作
用についてさらに具体的に説明する。

【００１５】本発明では、ナトリウム、カリウム、硼素
および鉛からなる群より選択された１種以上と石炭灰と
を混合した後に加熱溶融してガラス状にし、冷却粉砕し
たものを融点降下剤として石炭灰に添加することによ
り、石炭灰の融点を９５０℃〜１３００℃、好ましくは
１０００℃〜１２５０℃の工業的に焼成しやすい温度に
低下させる。

【００１６】融点降下剤について、以下に記述する。

【００１７】石炭灰は、液相を生成して焼結を開始する
温度が１４００℃〜１５００℃と極めて高い場合が多
い。人工軽量骨材を１４００℃〜１５００℃で焼成する
ことは、焼成設備の耐火度やエネルギーコストおよび発
泡剤の選定が困難な点で実用的ではない。従来、このよ
うな高耐火度の原料を焼成する場合には、アルカリ金属
類を多く含む低耐火度の粘土や頁岩などの天然鉱物や特
開平９−７７５４０号公報に報告されているようなビン
ガラスなどの廃ガラスを融点降下剤として多量に加える
方法が一般的であった。

【００１８】本発明者等は粘土、頁岩類の添加効果を種
々検討した結果、これらを構成する成分のうちでアルカ
リ金属類が少量で液相温度を著しく低下することを確認
した。このような液相温度の低下効果を発揮する元素
は、前記アルカリに限らず、低融点酸化物を構成する元
素、例えば硼素、鉛なども含む。

【００１９】以下に、アルカリ金属類を融点降下に使用
したときの性状について言及する。

【００２０】アルカリ金属類の含有量の多い工業薬品を
石炭灰に添加すると、石炭灰を造粒したペレットの表面
のみが溶融して内部が焼成できない。このような現象
は、次のように説明できる。融点降下に有効なアルカリ
金属類の工業薬品であるナトリウム、カリウム塩類は水
溶性を有するものが大半であるために、水に溶出した前
記塩類が造粒物の乾燥段階で水の蒸発に伴ってペレット
表面へ拡散して濃縮する結果、焼成時にペレット表面の
みが溶融して内部が焼成できない。

【００２１】そこで、工業用のアルカリ金属化合物の水
溶性を防止する方法を検討した結果、例えば炭酸ナトリ
ウムや炭酸カリウムなどのアルカリ金属の化合物と石炭
灰とを混合して１０００℃〜１２００℃で加熱溶融して
ガラス状とした融点降下剤を冷却粉砕して石炭灰に添加
した場合に、ガラス状にした融点降下剤を骨材配合量の
全体に対して１重量％以上となるように添加すると、９
５０℃〜１３００℃、好ましくは１０００℃〜１２５０
℃の温度において、造粒したペレット内部から均一に発
泡した高強度な人工軽量骨材を焼成できる。

【００２２】本発明において、融点降下剤に利用される
炭酸ナトリウムや炭酸カリウムなどのアルカリ金属化合
物は、工業薬品として安価に量産されているため本願発
明はコスト的に有利である。さらに、アルカリ金属類の
炭酸塩や炭酸水素塩は加熱時に有害なガスを発生しない
ため好ましい。このアルカリ金属化合物を石炭灰に添加
することにより、アルカリ金属類とシリカで水に難溶性
のガラスを形成する。このように石炭灰をガラス形成の
ためのシリカ源とするので、融点降下剤としても石炭灰
を使用でき、且つその利用率も向上できるため新たな資
源を必要としない点で好ましい。

【００２３】ガラス状にした融点降下剤に存在するナト
リウム、カリウム、硼素および鉛からなる群より選択さ
れた１種以上の酸化物換算での含有量は特に限定されな
いが、エネルギーコストの点から１０〜５０重量％であ
ることが好ましい。

【００２４】本願発明の人工軽量骨材において、ガラス
状にした融点降下剤の好ましい添加量は、骨材配合量の
全体に対し１〜１０重量％である。これは、石炭灰の化
学組成が炭種により異なるものの、ＳｉＯ₂：５０〜５
５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃：２５〜３０重量％、Ｎａ₂Ｏ：
０．２〜２重量％、Ｋ₂Ｏ：０．２〜１重量％からな
り、前記アルカリ金属類の添加量によって融点降下が大
きく、かつ溶化温度幅が長くなるからである。融点降下
剤の量が１重量％未満では融点降下の効果が十分に発揮
されない。一方、１０重量％を超えても融点低下の効果
が少なく、且つ添加剤の増加により製造コストが増加す
るため好ましくない。

【００２５】粘結剤は、造粒物の成型性と強度を付与す
るために添加する。粘結剤の種類は特に限定されない
が、例えばベントナイト、水ガラスなどの無機類、澱
粉、糖蜜、リグニン、ポリビニルアルコール、メチルセ
ルロース、天然ゴム、パルプ廃液などの有機類が挙げら
れる。また、その添加量も特に限定されないが、添加効
果およびコストを考慮すると０．５重量％〜１０重量％
の範囲が好ましい。

【００２６】発泡剤は、人工軽量骨材の絶乾比重を０．
４〜１．５程度にコントロールするために添加する。す
なわち、平均粒度１０μｍ以下の酸化鉄と、炭化珪素お
よび／または石炭やコークスなどの炭材とを発泡剤とし
て添加することによって、絶乾比重０．４〜１．５程度
の強度が高い人工軽量骨材とする。ここで、特に絶乾比
重を１以下にするには、骨材配合量の全体に対する酸化
鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）の量を３重量％以上にする必要がある。
なお、炭材は、酸化鉄と反応して脱酸素反応（発泡作
用）を行うと共に、焼成時の造粒したペレット内部の還
元状態を調整する機能を有する。

【００２７】酸化鉄としては、前記効果を発揮するもの
であれば特に限定されないが、酸化度の高いヘマタイト
が好ましい。酸化鉄の粒度は、特に限定されないが、焼
成中の炭材による脱酸素反応を促進するために、１０μ
ｍ以下とすることが好ましい。また、好ましいＦｅ₂Ｏ₃
添加量は、骨材配合量の全体に対し１重量％〜１０重量
％である。１重量％未満では発泡剤としての効果が少な
く、人工軽量骨材の絶乾比重を０．４〜１．５程度まで
コントロールできない。逆に、１０％を超えても発泡に
よる軽量化の効果は増加しない。なお、酸化鉄の比重は
石炭灰と比較して著しく大きいから、発泡が促進されな
いと、人工軽量骨材の比重を増加させることになる。

【００２８】炭化珪素は、造粒により作製されたペレッ
トが加熱より多量の液相を生成するときに、酸化鉄と効
率よく反応してＣＯ、ＣＯ₂ガスを発生する。このＣ
Ｏ、ＣＯ₂ガスを捕捉してペレットの発泡膨潤を促進す
る。炭化珪素の添加量は、骨材配合量の全体に対し０．
１重量％〜１０重量％であることが好ましい。０．１重
量％未満では絶乾比重の軽量化に対する効果が十分でな
く、絶乾比重１．０以下の人工軽量骨材が得られない。
逆に１０重量％を超えても軽量化効果は増大しない。

【００２９】炭材は、効果は小さいが酸化鉄と反応して
発泡作用といった機能を発揮する。したがって、炭化珪
素の一部を炭材に置き換えたりすることが可能である。
なお、炭材は、焼成中のペレット内部の還元度を調整す
る効果が大きい。炭材の添加量は、骨材配合量の全体に
対し０．２重量％〜１０重量％であることが好ましい。
０．２重量％未満では、発泡による軽量化の効果が得ら
れない。また、１０重量％を超えても発泡膨張による軽
量化効果は増加せず、逆に未焼成の炭素がペレット内部
に残留して人工軽量骨材の強度を低下させる可能性があ
る。

【００３０】本発明に用いる粉砕方法は、混合した骨材
配合の原料が平均粒径３０μｍ以下、好ましくは２０μ
ｍ以下まで微粉砕できるものであればいずれの方法でも
よく、例えばポットミル、振動ミル、遊星ミルなどのボ
ールミル、衝突式のジェット粉砕機、ターボ粉砕機など
が挙げられる。

【００３１】次に、石炭灰、融点降下剤、粘結剤および
発泡剤とを混合して粉砕して得た粉砕物は、必要に応じ
て湿式混練するが、採用する混練方法は特に限定されず
公知の混練装置を用いることができる。

【００３２】成型方法としては、所定の径になるように
成型できるものであればよく、例えばパンペレタイザー
や押し出し成型機を用いると簡便である。

【００３３】また、焼成法は特に限定されないが、例え
ば連続操業や品質の均一性を勘案すればロータリーキル
ンを用いることが好ましく、所望とする骨材特性に合わ
せて雰囲気を任意に選択できる。

【００３４】

【実施例】以下、実施例および比較例により、本発明を
さらに説明する。

【００３５】ただし、本発明は下記実施例に限定される
ものではない。

【００３６】融点降下剤は、表１に示す配合で１１００
℃、１０分間熱処理した後、粉砕したものである。ま
た、用いた石炭灰の主成分は、ＳｉＯ₂：５６．２０
％、Ａｌ₂Ｏ₃：３２．１０％、Ｆｅ₂Ｏ₃：３．５７％、
ＣａＯ：０．５９％、ＭｇＯ：１．４０％、Ｎａ₂Ｏ：
０．２２％、Ｋ₂Ｏ：０．４８％である。

【００３７】

【表１】

【００３８】［実施例１］石炭灰６８．４重量％、ベン
トナイト５重量％、ヘマタイト５重量％、炭化珪素０．
５重量％、コークス２重量％およびガラス状の融点降下
剤（配合Ｎｏ．１）１９．１重量％からなる骨材配合原
料を、ボールミルにて混合粉砕した。該粉砕物に水を添
加しながら、パンペレタイザーで直径約５〜１５ｍｍ程
度の球状に造粒した後、１０５℃の温度で通風乾燥して
乾燥骨材を得た。該乾燥骨材をロータリーキルン（煉瓦
内径５００ｍｍ×長さ４８００ｍｍ）に供給して、燃焼
ガス中の酸素濃度１０％、１１００℃の条件下で焼成し
た。

【００３９】焼成して得た人工軽量骨材の評価として、
絶乾比重はＪＩＳＡ１１１０に基づいて測定した。
また、圧潰強度（一軸圧縮破壊荷重）は、圧潰試験機に
よって直径１０ｍｍの各人工軽量骨材について測定し、
その平均値を求めた。評価結果を表２に示す。

【００４０】表２に示すように、市販の人工軽量骨材の
絶乾比重１．２〜１．４での圧潰強度（５０〜６０ｋｇ
ｆ）に比べ、絶乾比重１未満でも８６ｋｇｆと強度の高
い人工軽量骨材が得られた。

【００４１】［実施例２］石炭灰７４．８重量％、融点
降下剤（配合Ｎｏ．１）１２．７重量％とした以外は、
実施例１と同様にして焼成した。

【００４２】［実施例３］石炭灰６０．１重量％、融点
降下剤（配合Ｎｏ．２）２７．４重量％とした以外は、
実施例１と同様にして焼成した。

【００４３】［実施例４］石炭灰４５．４重量％、融点
降下剤（配合Ｎｏ．３）４２．１重量％とした以外は、
実施例１と同様にして焼成した。

【００４４】［実施例５］石炭灰５８．９重量％、融点
降下剤（配合Ｎｏ．３）２８．６重量％とした以外は、
実施例１と同様にして焼成した。

【００４５】［実施例６］石炭灰６１．９重量％、融点
降下剤（配合Ｎｏ．３）２５．５重量％とした以外は、
実施例１は同様にして焼成した。

【００４６】［実施例７］石炭灰７１．４重量％、ベン
トナイト２重量％とした以外は、実施例１と同様にして
焼成した。

【００４７】［実施例８］石炭灰７１．４重量％、ヘマ
タイト２重量％とした以外は、実施例１と同様にして焼
成した。

【００４８】［実施例９］石炭灰６９．４重量％、コー
クス０．７重量％とした以外は、実施例１と同様にして
焼成した。

【００４９】［実施例１０］石炭灰５０重量％、融点降
下剤（配合Ｎｏ．４）３７．５重量％、焼成温度１１２
０℃とした以外は、実施例１と同様にして焼成した。

【００５０】［実施例１１］石炭灰６８．４重量％、融
点降下剤（配合Ｎｏ．５）１９．１重量％とした以外
は、実施例１と同様にして焼成した。

【００５１】［実施例１２］石炭灰６６．２重量％、融
点降下剤（配合Ｎｏ．６）２１．３重量％とした以外
は、実施例１と同様にして焼成した。

【００５２】実施例２〜１２の評価結果を表２に示す。

【００５３】表２に示すように、実施例３〜５、７、
８、１１および１２は絶乾比重１以下でも市販の人工軽
量骨材に比べ高強度の骨材が得られた。また、実施例２
および１０は、市販の人工軽量骨材とほぼ同等の絶乾比
重であるが、圧潰強度が１５０ｋｇｆを超える極めて高
い強度が得られた。さらに、実施例６は、市販の人工軽
量骨材にくらべてやや低めの絶乾比重であるが、圧潰強
度が１００ｋｇｆを超える高強度の人工軽量骨材が得ら
れた。さらに、実施例９は絶乾比重０．５以下でも市販
の人工軽量骨材と同等の圧潰強度を有する人工軽量骨材
が得られた。

【００５４】［実施例１３］石炭灰６８．９重量％、炭
化珪素０重量％とし、且つロータリーキルンでの焼成温
度を１１２０℃とした以外は、実施例２と同様にして実
施例１３を得た。評価結果を表２に示す。

【００５５】表２に示すように、圧潰強度１００ｋｇｆ
を超える高強度の人工軽量骨材が得られた。

【００５６】［実施例１４〜１６］ロータリーキルンで
の焼成温度を１０４０℃（実施例１４）、１０６０℃
（実施例１５）、１０８０℃（実施例１６）とした以外
は、実施例１と同様にして、焼成した。評価結果を表２
に示す。

【００５７】表２に示すように、実施例１６は絶乾比重
１未満でも１２５ｋｇｆと高強度の骨材が得られた。ま
た実施例１４〜１５は市販の人工軽量骨材とほぼ同等の
比重であるが、圧潰強度が１５０ｋｇｆを超える極めて
高い強度の人工軽量骨材が得られた。

【００５８】［実施例１７］石炭灰６２．１重量％、融
点降下剤（配合Ｎｏ．１）２５．４重量％、ロータリー
キルンでの焼成温度を１０４０℃とした以外は、実施例
１と同様にして人工軽量骨材を得た。評価結果を表２に
示す。

【００５９】表２に示すように、絶乾比重が１でも９７
ｋｇｆの高強度の人工軽量骨材が得られた。

【００６０】［比較例１］石炭灰２８．８重量％、融点
降下剤（配合Ｎｏ．１）１５重量％とした以外は、実施
例１と同様にして焼成した。

【００６１】［比較例２］ロータリーキルンでの焼成温
度を９００℃とした以外は、実施例１と同様にして焼成
した。

【００６２】［比較例３］石炭灰７３．４重量％、ベン
トナイト０重量％とした以外は、実施例１と同様にして
焼成した。

【００６３】比較例１〜３の評価結果を表２に示す。

【００６４】表２に示すように、比較例１では表層部も
発泡しているため強度が３０ｋｇｆ未満と低かった。ま
た比較例２では焼成温度が低いために発泡が不十分であ
る結果、絶乾比重が２以上と高く、さらに比較例３では
粘結剤を全く使用しないために焼成前の乾燥骨材の強度
が低く、ロータリーキルン投入時の衝撃により割れが多
発した。

【００６５】

【表２】

【００６６】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、石炭火力発電所や石炭焚きボイラーなどから発生す
る石炭灰を原料として、極めて軽質で強度が高く、且つ
高品質な人工軽量骨材を低コストで効率的に生産するこ
とができる。したがって、産業廃棄物を埋め立てて処理
することなく、特に軽量化を必要とする土木・建築材料
などに再資源化できることから、環境の保全とエネルギ
ーの安定供給に寄与するところ大である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加岳井敦千葉県市川市中国分３−18−５住友金属鉱山株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ナトリウム、カリウム、硼素および鉛か
らなる群より選択された１種以上と石炭灰とで作製され
る融点降下剤と粘結剤と発泡剤とを石炭灰に混合して粉
砕し、該粉砕物を成型した後、焼成することを特徴とす
る人工軽量骨材の製造方法。
【請求項２】９５０℃〜１３００℃の温度範囲内で焼
成することを特徴とする請求項１記載の人工軽量骨材の
製造方法。
【請求項３】融点降下剤が、ナトリウム、カリウム、
硼素および鉛からなる群より選択された１種以上と石炭
灰とを混合した後、加熱溶融してガラス化したものであ
ることを特徴とする請求項１〜２記載の人工軽量骨材の
製造方法。
【請求項４】発泡剤が、酸化鉄と、炭化珪素および／
または炭材とからなることを特徴とする請求項１〜２の
いずれか１項記載の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項記載の方法
により得られ、０．４〜１．５の絶乾比重を有すること
を特徴とする人工軽量骨材。