JPH11246918A - マイクロ波加熱による製鋼スラグの処理方法 - Google Patents

マイクロ波加熱による製鋼スラグの処理方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来有効活用されていなかった製鋼スラグそ
れ自身を、他の原料として再利用することができるよう
にするとともに、製鋼スラグに含まれている鉄、リンを
資源として効率的に回収する。 【解決手段】 製鋼スラグに炭素系還元剤を配合し、マ
イクロ波の照射により加熱してこの製鋼スラグ中の鉄分
及びリン分を還元し、生成したFe−C−P含有溶融金属
に炭酸カリウム及び酸化剤を加えてリン酸カリウムを得
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、製鋼スラグの処
理方法に関する。より詳しくは、マイクロ波加熱で処理
することにより、製鋼スラグの有効活用を可能にする方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】鉄鋼の製銑工程、製鋼工程においては、
副産物としてスラグが多量に生成されている。かかる鉄
鋼製造プロセスで生成されるスラグのうち、高炉による
製銑工程で生成される高炉スラグは、年間で3000万トン
程度であり、高炉における強還元雰囲気での操業条件の
下で生成されることから、そのスラグ中にはFeがほとん
ど含まれておらず、CaO 、SiO2、Al2O3 、MgO を主成分
としている。
【0003】この高炉スラグからは、溶融スラグの処理
加工の方法に応じて種々の性状の素材を得ることがで
き、それぞれの特色を生かした種々な用途で活用されて
いる。例えば、徐冷スラグはコンクリート用粗骨材、道
路用路盤材などに用いられ、急冷スラグはセメント用
材、コンクリート用細骨材、けい酸質肥料等に用いられ
て有効活用されている。
【0004】一方、転炉などの製鋼炉による製鋼工程で
生成される製鋼スラグは、年間1000万トン程度であり、
CaO 、FeO 、Fe2O3 、SiO2を主成分とし、操業中におけ
る石灰の脱リン作用より生成されたリン成分などを含ん
でいる。この製鋼スラグには、酸化鉄や塩基性成分(Ca
O )が多量に含まれていることから、SiO2やP2O5やFe 2O
3 等と結合していない、いわゆるフリーライムが存在す
る。このフリーライムが水分や空気の侵入に従って逐次
水和、炭酸化して膨張崩壊することがあるため、製鋼ス
ラグは高炉スラグのような用途に利用するのは困難であ
った。また、FeO 、Fe2O3 を含有することにより鉄崩壊
が生じる場合があることも、製鋼スラグの有効利用を阻
んでいた。したがって、製鋼スラグは、大気中に長時間
野積みして崩壊を完了させる処理(エージング)を行っ
た後にアスファルトコンクリート用骨材として用いた
り、焼結、高炉操業等の製銑工程で再利用される一部の
場合を除いて、大半が埋め立て工事用として投棄に近い
状態で処理されていた。しかも、この高炉操業等の製銑
工程で再利用する場合であっても、多量の再利用は製鋼
スラグ中のリン成分により銑鉄中のリン濃度を高めるお
それがあるため、再利用する量には限りがあった。
【0005】ところで、製鋼スラグには、15%程度の鉄
分、3%程度のマンガン分、1〜2%程度のリン分が含
まれていて、これらの成分を資源として回収し、有効活
用することができれば資源のリサイクルの観点からも望
ましい。しかし、現実には、製鋼スラグを粉砕して磁選
により金属鉄を回収し製鉄原料として再利用することが
あるぐらいで、それ以外は資源として回収するプロセス
が確立されていない。
【0006】製鋼スラグから有用資源を回収するための
基礎研究として、鉄中でのリンの化学ポテンシャルを上
げるシリコンを共存させた状態で、製鋼スラグを炭素還
元する方法が試みられている。かかる基礎研究により製
鋼スラグ中からの鉄の回収及びリンの除去が可能になっ
たとされているものの、鉄分は鉄−シリコン合金として
回収されることから、銑鉄に再利用するとシリコン濃度
を高めるおそれがあり、また、この回収された鉄−シリ
コン合金から更に金属鉄を分離回収するにはコストと手
間がかかるために現実的とはいえなかった。
【0007】また、リンは肥料原料として有用であり、
製鋼スラグからリンを抽出して再利用することが可能に
なれば、リン系肥料原料の多くを輸入に頼っている現状
からみて極めて利用価値が高いのであるが、製鋼スラグ
からリンを抽出して再利用する技術はこれまでなかっ
た。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】前述したように、製鋼
スラグは、それ自体、大半が埋め立て用としての消極的
な活用しかされておらず、高炉スラグのようなコンクリ
ート用粗骨材、道路用路盤材、セメント用材、コンクリ
ート用細骨材としての積極的な活用ができなかった。ま
た、製鋼スラグ中には、鉄、リンなどの有用成分が含ま
れているにも係わらず、これらの成分を製鋼スラグから
有効に抽出し再利用することは行われていなかった。
【0009】そこで、この発明は、製鋼スラグそれ自身
を、他の原料として再利用することができるようにする
とともに、製鋼スラグに含まれている鉄、リンを資源と
して効率的に回収することのできる製鋼スラグの処理方
法を提案することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明は、製鋼スラグ
に炭素系還元剤を配合し、マイクロ波の照射により加熱
してこの製鋼スラグ中の鉄分及びリン分を還元除去する
ことを特徴とするマイクロ波加熱による製鋼スラグの処
理方法である。また、この発明は、製鋼スラグに炭素系
還元剤を配合し、マイクロ波の照射により加熱してこの
製鋼スラグ中の鉄分及びリン分を還元し、生成したFe−
C−P含有溶融金属に炭酸カリウム及び酸化剤を加えて
リン酸カリウムを得ることを特徴とするマイクロ波加熱
による製鋼スラグの処理方法である。
【0011】
【発明の実施の形態】発明者らの研究により、製鋼スラ
グの再利用、及び製鋼スラグに含まれている鉄、リンの
回収を図るには、製鋼スラグを炭素により還元すること
が肝要であることが明らかとなった。しかしながら、こ
の製鋼スラグの炭素による還元を、鉄浴式溶融還元炉に
て酸素を吹き込みつつ燃焼加熱させて行う方法では、現
状の製鋼スラグの生成量に対して設備が過剰となって現
実的ではない。すなわち、製鋼炉による製鋼プロセス
は、一回当たりの処理能力が溶鋼300 トン規模のバッチ
式であり、各バッチでは15〜20トンの製鋼スラグが排出
される。この程度の量の製鋼スラグを加熱還元する場合
に、鉄浴式溶融還元炉のような、炭材の燃焼による外部
加熱方式では、着熱効率を上げることは容易ではなく、
設備コストも嵩む。
【0012】そこで、この発明の製鋼スラグの処理方法
では、マイクロ波により製鋼スラグ及びその還元材であ
る炭材を加熱する。このマイクロ波による加熱によれ
ば、誘電損失の高い物質とマイクロ波との相互作用によ
り物質の内部から加熱するため、物質を均一かつ効率良
く加熱することができる。製鋼スラグ中に多く含まれる
酸化鉄の誘電損失は非常に高く、また残りの成分の誘電
損失も1000℃以上では加熱に十分役立つほどに高くな
り、しかも,製鋼スラグの還元のために配合される炭素
系還元材は、比表面積が大きい導電性物質であるため、
マイクロ波が照射されるとジュール熱を発生する。これ
らのことから、マイクロ波を照射することは炭材共存下
での製鋼スラグの処理に非常に効率的な加熱手段であ
る。実験室規模でマイクロ波加熱により製鋼スラグを炭
素還元した場合の昇温挙動の時系列変化を図1に示すよ
うに、マイクロ波の周波数や出力等によるが、室温から
1700℃までを数分間で加熱することができる。
【0013】また、マイクロ波加熱は内部から加熱する
方法であるため、図2に通常の電気炉加熱(同図(a) )
とマイクロ波加熱(同図(b) )のメカニズムを比較して
示すように、通常の電気炉加熱に比べて熱効率が高いの
で有利である。なお、図2において、記号mは加熱しよ
うとする材料、hは電気炉における加熱素子、rは耐火
物、iはマイクロ波加熱装置における断熱材、sは金属
シール、Mはマグネトロンである。
【0014】かくして、この発明に従ってマイクロ波照
射による加熱処理を行い、製鋼スラグを炭材で還元する
ことにより、この製鋼スラグからFe−C−P含有溶融合
金が生成されて分離される。したがって、このFe−C−
P含有溶融合金が分離された後の製鋼スラグは、鉄崩壊
が生じることがないために高炉スラグと同様の使途で用
いることができるようになり、また、しかもリン含有量
が低減されているから、焼結・高炉操業等の製銑工程に
再利用するときにもリン濃度上昇という不具合がない。
【0015】また、この発明のマイクロ波照射による加
熱処理によって製鋼スラグから分離抽出されたFe−C−
P含有溶融合金は、5%程度のリンを含有している。こ
のFe−C−P含有溶融合金に炭酸カリウムを添加するこ
とによって、溶融合金中のリンをリン酸カリウムとして
分離し、付加価値の高いリン肥料の主原料とすることが
できる。更に、リンが分離された後のFe−C含有合金
は、そのまま溶銑中に供給することができるので、製鋼
スラグ中の鉄分が有効活用されることになる。
【0016】以上のことから、この発明により、製鋼ス
ラグから鉄及びリンを資源として回収することができる
とともに、資源回収後の製鋼スラグは従来の用途以外の
使途に活用することができるようになる。
【0017】以下、図面を用いてこの発明をより具体的
に説明する。図3に、この発明の製鋼スラグの処理方法
を活用した製鉄プロセスの一例の流れ図を示す。高炉1
から出銑した銑鉄を転炉2に装入して製鋼処理を行うこ
とにより、溶鋼と製鋼スラグ、すなわち転炉スラグとが
生成される。この転炉スラグを炭素系還元材、例えばコ
ークスと共にスラグ処理装置3に導いてマイクロ波加熱
して炭素還元処理を行い、Fe−C−P含有溶融合金とCa
O −SiO2系スラグに分離する。
【0018】この炭素還元処理を行うに当たり、転炉か
ら排出された直後の流動性を有する転炉スラグを用いた
り、あるいはスラグの温度低下により固化した場合には
予め粉砕した転炉スラグを用いたりすることは、還元反
応を早め、投入するマイクロ波のエネルギー量を少なく
するために好ましい。同じ理由から、コークスも粉状で
あることが望ましい。
【0019】炭素系還元材の配合割合は、炭素当量で0
〜3程度という広い範囲で配合させることができる。こ
こで、炭素当量とは、被還元酸素に対する炭素のモル比
をいう。なかでも好ましい範囲は炭素当量で1.25〜1.5
程度である。これは、炭素系還元材の配合割合が1.25よ
りも小さいと未還元の鉄及びリンがスラグ中に残留し、
それぞれをスラグから十分回収できない点で好ましくな
く、一方、1.5 よりも大きいと炭素は過剰となり未反応
のCがスラグ中に懸濁し、炭材の有効利用を阻害するた
めである。
【0020】照射するマイクロ波の周波数は、処理しよ
うとするスラグの量、スラグの組成、炭素系還元材の配
合割合などによって異なるが、マイクロ波加熱に用いら
れる周波数のいずれもが適用でき、例えば800 MHz 〜30
GHz とする。マイクロ波の出力は、マイクロ波照射によ
る加熱により、転炉スラグが1400℃以上になるような出
力とすればよい。というのは、転炉スラグを1400℃以上
に加熱できなければ、炭素系還元材によるスラグの還元
反応が著しく低下するためである。
【0021】また、スラグ処理装置3による炭素還元処
理をする際に、この転炉スラグ及び炭素系還元剤の他
に、SiO2を添加することは、より好ましい。その理由
は、炭素還元反応により転炉スラグ中の鉄分(酸化鉄)
が分離すると、スラグの融点が上昇するために同一温度
では炭素還元反応が進行し難くなるのに対して、SiO2
添加すれば、転炉スラグの液相線温度を下げることがで
きるからである。また、SiO2を添加することにより、こ
のSiO2と転炉スラグ中のフリーライムとが反応してフリ
ーライム量を低減することができることから、転炉スラ
グの崩壊現象を防止でき、セメント、クリンカー、ケイ
酸石灰肥料などといった高炉スラグと同様の使途へ用い
るのが容易になる。なお、SiO2は溶銑の予備処理で脱珪
処理を行うことで容易に得ることができる。
【0022】スラグ処理装置3による炭素還元処理によ
り、COガスが発生するが、このCOガスは燃料資源等
として有効に活用することができる。また、生成したFe
−C−P含有溶融合金は、脱リン処理装置4に導いて、
炭酸カリウムを添加して酸化反応させることで、リン肥
原料となるK3PO4 が得られる。このK3PO4 を分離させた
残りのFe−C含有合金は、銑鉄に加えられて資源として
回収される。更に、このFe−C−P含有溶融合金を分離
させた後のCaO −SiO2系スラグは、セメント、クリンカ
ー、ケイ酸石灰肥料等に用いられ、また、高炉に他の原
料と共に投入される。
【0023】図4に、この発明に用いて好適なマイクロ
波加熱製鋼スラグ処理設備を模式的に示す。スラグ処理
装置3は、精錬炉からの製鋼スラグを保持するスラグ処
理コンテナ3a及びマイクロ波発生照射装置3bをそな
えている。スラグ処理コンテナ3aはキャビティ壁とな
る鉄皮5で覆われた耐火物6製の容器であり、側壁には
スラグの還元処理によって生成されたFe−C−P含有溶
融金属を排出するための開口7を設け、この開口7から
マイクロ波が漏洩するのを防止するための可動式の鉄扉
8が取り付けられている。耐火物6にはマイクロ波との
相互作用の小さいMgO 系又はスピネル系の耐火物を用い
ることが好ましい。
【0024】マイクロ波発生照射装置3bは、マグネト
ロン(ジャイロトロン)9及びカバー10を有し、マグネ
トロン(ジャイロトロン)9によりマイクロ波の照射を
行い、また、カバー10によりスラグ処理時にはコンテナ
3aの蓋部となる。なお、このカバー10には生成した反
応ガスを排出するための換気装置11が設けてある。脱リ
ン処理装置4はスラグ処理装置3から排出されたFe−C
−P含有合金を収容する容器12及びこの容器12に収容さ
れたFe−C−P含有合金に向けてK3CO3 を投入するラン
ス13を有している。
【0025】図4に示した装置により製鋼スラグを処理
するときには、酸化鉄やリンを多く含む製鋼スラグ(精
錬後のスラグ及び脱珪スラグ)をコークス等の炭素系還
元剤14と共に処理コンテナ3aに装入し、マイクロ波発
生加熱装置3bにより加熱処理を行う。酸化鉄を多く含
むスラグ自身及びコークスの効率的な加熱により、還元
反応が進行し、溶融したスラグ相15の下部にFe−C−P
含有合金浴16が生成する。これよりFe−C−P含有合金
を分離後のスラグは、原料としての付加価値が向上す
る。また、還元反応は主にジュール熱による局部加熱さ
れるコークス表面で起こるため、合金生成反応は従来の
外部加熱方式の比べて極めて早い。なお、副生成したC
Oガスは排気装置11から回収して燃料資源とする。
【0026】還元反応終了後は、コンテナ3aを傾動さ
せて生成した合金を脱リン処理装置4に移し、この脱リ
ン処理装置4において合金浴中に炭酸カリウム粉末を酸
素又は酸化鉄と共に吹き込み、合金中に約5%含まれる
リンをリン酸カリウムとして分離する。このリン酸カリ
ウムは肥料の主原料となる。リンを除去したFe−C含有
合金は従来の溶銑に戻すことで、鉄の歩留まりが1〜2
%向上する。
【0027】
【発明の効果】かくして、この発明では製鋼スラグに炭
素系還元剤を配合し、マイクロ波の照射により加熱して
この製鋼スラグ中の鉄分及びリン分を還元除去すること
から、以下の効果が得られる。 ・製鋼スラグの資源化 従来法では、一部が製銑工程に戻される以外には、精錬
後の製鋼スラグは埋め立て用として投棄に近い状態で処
理され、資源としての価値がほとんどなかったのに対し
て、この発明によれば図3に示すように、高炉スラグと
ほぼ同等の付加価値を有するようになる。
【0028】また、この発明では、製鋼スラグに炭素系
還元剤を配合し、マイクロ波の照射により加熱してこの
製鋼スラグ中の鉄分及びリン分を還元し、生成したFe−
C−P含有溶融金属に炭酸カリウム及び酸化剤を加えて
リン酸カリウムを得ることから、以下の効果が得られ
る。 ・鉄資源の回収 従来、投棄される製鋼スラグ中には15%程度の鉄が含ま
れているが、有用活用されないために鉄資源とは見なさ
れていなかったのに対し、この発明により製鋼スラグか
ら効率的に鉄を回収することができるため、歩留まりが
1〜2%上昇する。なお、小規模実験結果でも製鋼スラ
グの鉄分のうち95%以上が回収されている。 ・リン資源の回収 精錬後の製鋼スラグには鉄と同様、リンも1〜2%含ま
れているが、資源としての回収は試みられていなかった
のに対して、この発明により、鉄合金中に回収され、そ
れをアルカリ炭酸塩と酸化剤で固定化することで、非常
に付加価値の高い肥料の主原料が得られる。図5に示す
ように、小規模実験では炭素当量が1.25以上になる炭素
系還元剤の添加により、50%以上のリンが合金浴に回収
されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】マイクロ波加熱により製鋼スラグを炭素還元し
た場合の昇温挙動の時系列変化を示す図である。
【図2】通常の電気炉加熱法(同図(a) )とマイクロ波
加熱法(同図(b) )とを比較して示す図である。
【図3】この発明の製鋼スラグ処理方法を活用した製鉄
プロセスの一例の流れ図である。
【図4】この発明に用いて好適なマイクロ波加熱製鋼ス
ラグ処理設備の模式図である。
【図5】製鋼スラグと共に添加する炭素系還元剤の炭素
当量とリン物質収支との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 高炉 2 転炉 3 スラグ処理装置 4 脱リン装置 5 鉄皮 6 耐火物 7 開口 8 鉄扉 9 マグネトロン 10 カバー 11 排気装置 12 容器 13 ランス 14 コークス 15 溶融スラグ相 16 Fe−C−P含有合金浴
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年2月5日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0010
【補正方法】変更
【補正内容】
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明は、製鋼スラグ
に炭素系還元剤を配合し、マイクロ波の照射により加熱
してこの製鋼スラグ中の鉄分及びリン分を還元除去する
ことを特徴とするマイクロ波加熱による製鋼スラグの処
理方法である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 製鋼スラグに炭素系還元剤を配合し、マ
    イクロ波の照射により加熱してこの製鋼スラグ中の鉄分
    及びリン分を還元除去することを特徴とするマイクロ波
    加熱による製鋼スラグの処理方法。
  2. 【請求項2】 製鋼スラグに炭素系還元剤を配合し、マ
    イクロ波の照射により加熱してこの製鋼スラグ中の鉄分
    及びリン分を還元し、生成したFe−C−P含有溶融金属
    に炭酸カリウム及び酸化剤を加えてリン酸カリウムを得
    ることを特徴とするマイクロ波加熱による製鋼スラグの
    処理方法。
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