スラグの処理方法
【課題】
ＣＯガスの気泡発生をなるべく抑えながら，溶融スラグ全体を均一に加熱及び改質できる手段を提供することで，品質の優れたスラグを得るとともに，スラグ中の粒鉄を鉄源として効率良く回収することを可能とすることを目的とする。
【解決手段】
スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａを所定時間静置し，その後，溶融ａスラグを加熱する工程と溶融スラグａを攪拌する工程とを同時に行う処理，または，それらの工程を交互に一回ずつもしくは複数回ずつ行う処理を，溶融スラグａに含有される粒鉄２０の溶融温度以上になるまで行うことを特徴とする，スラグの処理方法である。
ＣＯガスの気泡発生をなるべく抑えながら，溶融スラグ全体を均一に加熱及び改質できる手段を提供することで，品質の優れたスラグを得るとともに，スラグ中の粒鉄を鉄源として効率良く回収することを可能とすることを目的とする。
【解決手段】
スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａを所定時間静置し，その後，溶融ａスラグを加熱する工程と溶融スラグａを攪拌する工程とを同時に行う処理，または，それらの工程を交互に一回ずつもしくは複数回ずつ行う処理を，溶融スラグａに含有される粒鉄２０の溶融温度以上になるまで行うことを特徴とする，スラグの処理方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，製鋼工程などで発生するスラグを溶融状態で改質処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
脱りん，脱硫，脱炭精錬によって生成されるスラグ（製鋼スラグ）は，道路路盤材，コンクリート用骨材等に利用される。だが製鋼スラグに含まれる遊離ＣａＯは，水和反応を起こして膨張するため体積安定性が低く，製鋼スラグは，土木工事用の仮設材，道路の地盤改良材，下層路盤材等の低級用途に専ら利用され，より高級用途である上層路盤材，コンクリート用骨材，石材原料等には用いがたい。
【０００３】
このため，自然養生や蒸気エージングによってスラグ中の遊離ＣａＯの水和反応を促進させる方法が，一般に採用されている。しかしながら，このように自然養生や蒸気エージングを行うためには，膨張特性が無視できるようになるまで長期間の養生と広い敷地が必要となる。またこの方法では，遊離ＣａＯを効果的に消滅させることができず，依然としてスラグの用途が限られてしまう。
【０００４】
そこで従来，転炉から排出された脱炭スラグを溶融状態のまま改質する方法が開示されている（非特許文献１参照）。これは，溶融スラグ中に酸素と珪石を浸漬ランスを通じて吹き込み，スラグ中のＦｅＯを酸化して昇熱しながら改質材によってスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）を低減し，未滓化石灰を体積安定性のある化合物に変化させる方法である。また同様に，溶融スラグ中に改質材と昇温材を浸漬ランスから吹き込み，スラグを昇熱させつつ改質材によってスラグの塩基度を低減する方法も開示されている（特許文献１参照）。また，電気炉に貯えた溶融スラグに成分調整剤を装入し，ガスバブリングする方法も開示されている（特許文献２参照）。そして，ランスの形状としては，ランスを中心にして２孔で水平方向にガスを吹出す構造も開示されている（特許文献３参照）。その他，溶鋼を入れた取鍋の底部からガスをバブリングする方法も開示されている（特許文献４参照）。
【０００５】
【非特許文献１】M.Kuehn,et al.,2nd European Steelmaking Congress,Taranto(1997)p445/453
【特許文献１】特開平２−２０４３４８号公報
【特許文献２】特開平８−１７５８５３号公報
【特許文献３】特開平９−１２５１３０号公報
【特許文献４】特開２００３−２２２３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１や特許文献１〜４に記載されたように，従来から，ランスからガスを吹出して溶融スラグを攪拌することにより，スラグ鍋に入れられた溶融スラグ全体を加熱し，均一な改質を行うことができることが知られている。しかし，転炉などから排出されてスラグ鍋に入れられた直後の溶融スラグ中には粒鉄が懸濁しており，この懸濁粒鉄の表面に存在する炭素と溶融スラグ中の酸化鉄が反応することにより，溶融スラグ中においてＣＯガスの気泡が発生する。かようなＣＯガスの発生は，時間経過とともに粒鉄が自重でスラグ鍋の底部に沈降することにより次第に収まっていくが，上述の従来方法のようにランスからガスを吹出して溶融スラグを攪拌した場合，粒鉄の円滑な沈降が妨げられ，ＣＯガスの気泡の発生がなかなか収まらなくなってしまう。加えて従来は，スラグ鍋の底部に一旦沈降した粒鉄が，ガスの吹出しによって再び舞い上げられて溶融スラグ中に懸濁した状態となり，ＣＯガスの気泡発生が更に長期化するといった懸念もあった。このように，均一な改質という点では，従来方法のようにガスの吹出しによって溶融スラグを攪拌することが好ましいが，そうすると，ＣＯガスの気泡発生がなかなか収まらなくなってしまうという問題や，溶融スラグ中に粒鉄を含有した状態でスラグを凝固させた場合には，スラグ中に粒鉄が残留しているため，この粒鉄が錆びることにより赤褐色に変色するため外観が悪くなるとともに，スラグ中の粒鉄を鉄源としてほとんど回収できなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は，ＣＯガスの気泡発生をなるべく抑えながら，溶融スラグ全体を均一に加熱及び改質できる手段を提供することで，品質の優れたスラグを得るとともに，スラグ中の粒鉄を鉄源として効率良く回収することを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために，本発明によれば，スラグ鍋に入れられた溶融スラグを所定時間静置し，その後，溶融スラグを加熱する工程と溶融スラグを攪拌する工程とを同時に行う処理，または，溶融スラグを加熱する工程と溶融スラグを攪拌する工程とを交互に一回ずつもしくは複数回ずつ行う処理を，溶融スラグに含有される粒鉄の溶融温度以上になるまで行うことを特徴とする，スラグの処理方法が提供される。
【０００９】
前記溶融スラグを加熱する工程において，スラグの塩基度を低下させる改質材を溶融ス
ラグに溶射しても良い。また，前記溶融スラグを攪拌する工程において，スラグ鍋に挿入
したランスから噴射したガスによって溶融スラグを旋回した流動状態とさせても良い。
【００１０】
また，処理方法で処理した溶融スラグを，複数の羽根が設置された回転しているドラム上に注入し，スラグを飛散させながら散水冷却することによりスラグを粒化させても良い。
【００１１】
また，処理後のスラグの組成において，質量比でＣａＯ／ＳｉＯ2≦２．２となる様にスラグを処理しても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば，粒鉄をスラグ鍋の底部に沈降させた気泡の発生しにくい状態で溶融スラグを加熱することにより，伝熱効率を向上させて溶融スラグを効率良く加熱することができ，溶融スラグ中に含まれる遊離ＣａＯを効果的に低減することが可能となる。溶融スラグを攪拌する場合，ランスを中心にして溶融スラグを旋回させることにより，予めスラグ鍋の底部に沈降させた粒鉄を再び溶融スラグ中に懸濁させずに，スラグ鍋の底部に沈降させた状態を維持させたまま溶融スラグを攪拌できる。そして，粒鉄の溶融温度以上になるまで加熱工程と攪拌工程を行うことにより，スラグ鍋の底部に沈降させた粒鉄を溶融状態あるいは地金として回収できるようになる。このため，ＣＯガスの気泡発生が抑制され，また，スラグ中から粒鉄を精度良く分離できるようになるとともに，スラグの改質および品質向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は，本発明の実
施の形態にかかる処理方法を実施するための処理装置１の概略的な構成を示す説明図である。図２は，この処理装置１に備えられるランス４の下端部における部分拡大縦断面図（図３におけるＹ−Ｙ断面図）であり，図３は，ランス４の下端部における拡大横断面図（図２におけるＸ−Ｘ断面図）である。図４，５は，本発明の実施の形態にかかる溶融スラグａの処理方法の工程説明図である。
【００１４】
図１に示すように，スラグ鍋２は，上面が開口し，底面が閉塞された略円筒形状の容器である。後述するように，このスラグ鍋２には，例えば製鋼工程から排出された溶融スラグ（溶銑予備処理スラグ）ａが溶融状態のまま入れられる。スラグ鍋２の底面には，栓７によって塞がれた開口部が設けられている。
【００１５】
スラグ鍋２の上方には，スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａを加熱するためのバーナ３と，溶融スラグａを攪拌するためのランス４が配置される。これらバーナ３とランス４は，それぞれの移動機構（図示せず）によって支持されている。それによって，バーナ３は，スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａの液面から所定の高さの位置に移動させられるようになっている。一方，ランス４は，スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａの液中にランス４先端の噴射口１０を浸漬させた位置に移動可能になっている。
【００１６】
バーナ３は，例えばＬＰＧ，重油，微粉炭，排プラスチックなどを燃料として，スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａに向って火炎を照射する。また，バーナ３は，そのように火炎を噴出して溶融スラグａを加熱すると共に，スラグの塩基度を低下させる改質材を，必要に応じて溶融スラグａの液面に向って溶射できるようになっている。
【００１７】
図２，３に示すように，ランス４は，底面が閉塞した円筒形状のランス本体５と，このランス本体５の外周面及び下面を被覆した耐火物６とで構成されており，ランス４全体も円筒形状に形成される。ランス本体５は例えば鋼製である。ランス４の下端部には，外周面に開口する噴射口１０が複数箇所に設けられている。図示の例では，ランス４の下端部外周面に４つの噴射口１０が開口しており，各噴射口１０同士は，ランス４の中心軸Ｏ（鉛直方向）に対して，中心角が９０℃ずつとなる間隔で配置されている。また，これら各噴射口１０は，互いに同じ高さに配置されている。
【００１８】
各噴射口１０には，ランス４の内部空間（ランス本体５の内部空間）１１に連通する連通路１２が接続される。各連通路１２は，何れも各噴射口１０と同じ高さにおいて連通するように設けられている。
【００１９】
連通路１２は，ランス４の内部空間１１に直接連通する連通路内側部１５と噴射口１０に直接連通する連通路外側部１６からなり，連通路内側部１５は，ランス４の中心軸Ｏから放射状に延びるランス４の半径ｒに沿う方向に指向している。これに対して，ランス４外周面の噴射口１０に直接連通する連通路外側部１６は，上から見た状態において，ランス４の半径ｒに対していずれも時計回転方向に角度αずつ傾斜して設けられている。これにより，後述するようにランス４の内部空間１１にガスを圧入すると，噴射口１０からランス４の外側に向って水平面内にガスが吹出され，その際，ガスの圧力によって，ランス４の周りにある溶融スラグａに対して，ランス４を中心にして時計回転方向（上から見た状態において）の旋回流を発生させるようになっている。
【００２０】
さて，以上のように構成された処理装置１において，例えば転炉から排出された溶融スラグａが溶融状態のままスラグ鍋２に入れられる。なお，このように溶融スラグａをスラグ鍋２に入れる場合は，図示しないそれぞれの移動機構により，バーナ３とランス４を，作業の邪魔とならない位置に退避させておく。また，スラグ鍋２の底面に形成された開口部は，栓７によって塞いでおく。
【００２１】
図４（ａ）に示すように，こうしてスラグ鍋２に入れられた直後の溶融スラグａ中には
粒鉄２０がまだ懸濁しており，この懸濁した粒鉄２０の表面に存在する炭素と溶融スラグａ中に含有される酸化鉄が反応することにより，溶融スラグａ中においてＣＯガスの気泡２１が発生する。なお，このようにスラグ鍋２に溶融スラグａを入れた際には，溶融スラグａがスラグ鍋２の内面に接触して部分的に冷却固化されることにより，スラグ鍋２の内面に沿って，スラグの固化層２２が形成されることになる。
【００２２】
そこで先ず，このように転炉などから排出されてスラグ鍋２に入れられた直後から，溶融スラグａを所定時間静置し，溶融スラグａ中に懸濁していた粒鉄２０を，図４（ｂ）に示すように，スラグ鍋２の底部に充分に沈降させてしまう。この場合，静置する時間は，粒鉄２０の沈降速度と溶融プールの深さ（溶融スラグａの深さ）で決る。つまり，静置時間は溶融プール深さを沈降速度で割った値よりも大きくとれば良い。沈降速度は，ストークスの式に支配され，粒鉄２０の大きさと溶融スラグａの粘性で決る。例えば粘性１．４３Ｐａ・ｓ（気泡を体積割合で６７％含有している発泡スラグを想定）で粒径１．０ｍｍの粒鉄２０の沈降速度を計算すると２．２１ｍｍ／ｓｅｃとなり，溶融プール深さ１０００ｍｍとすると，４５２ｓｅｃ（約７．５分）以上静置すれば粒径１ｍｍ以上の粒鉄２０はすべて沈降することになる。ここで，粒径１．０ｍｍ以上の粒鉄２０を対象としたのは，粒径１．０ｍｍ未満では沈降に時間がかかりすぎ，実際的でないことや，また，沈降させても鉄原料として使用しにくいことが，その理由である。また溶融プール深さ１０００ｍｍというのは，実操業面ではほぼ最小の高さであるため，この高さを目安としたことによる。したがって，溶融プール深さが大きな場合，それに応じて静置する時間を長く設定することが重要である。実際は，発泡によるスラグの流動により，上記推定よりは沈降効率が悪い。そこで，上記推定時間の２倍以上の時間を目安に静置することが望ましい。なお，こうして粒鉄２０を沈降させている間に，溶融スラグａ中に存在していた気泡２１は
浮上して排出されるので，溶融スラグａの液面高さは徐々に下がっていく。
【００２３】
こうして粒鉄２０をスラグ鍋２の底部に充分に沈降させた後，溶融スラグａを加熱する工程と溶融スラグａを攪拌する工程とを同時に行う処理，または，溶融スラグａを加熱する工程と溶融スラグａを攪拌する工程とを交互に一回ずつもしくは複数回ずつ行う処理を，溶融スラグに含有される粒鉄の溶融温度以上になるまで行う。
【００２４】
即ち，溶融スラグａを加熱する工程を行う場合は，先ず図示しない移動機構によって，バーナ３をスラグ鍋２に入れられた溶融スラグａの液面から所定の高さの位置に移動させる。この場合，バーナ３下端の噴出口から噴出される火炎２５の温度の最も高くなる位置が，溶融スラグａの液面付近となるように設定すると良い。次いで，図４（ｃ）に示すように，バーナ３から溶融スラグａの液面に向って下向きに火炎２５を噴出し，溶融スラグａを加熱する。これにより，溶融スラグａの液面付近に，溶融スラグａの高温領域ａ’が徐々に形成される。この場合，前述のように粒鉄２０をスラグ鍋２の底部に沈降させる過程で溶融スラグａ中に混入していた気泡２１を浮上排出させ，粒鉄２０を沈降させた気泡の発生しにくい状態で溶融スラグａを加熱しているので，伝熱効率を向上させて溶融スラグａを内部まで効率良く加熱することが可能となる。
【００２５】
また，このように溶融スラグａを加熱する工程において，バーナ３から溶融スラグａに向けて，スラグの塩基度を低下させる改質材を溶射しても良い。改質材としては，溶融スラグａよりも塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２（質量比））が低いものであれば特に限定されないが，例えばＳｉＯ２を含有する物質を溶射しても良い。ＳｉＯ２を含有する物質としては，フライアッシュ，珪砂等が例示できる。また，改質材の溶射量は，溶融スラグａの成分や温度，目標とする改質スラグの成分等から，適宜設定すれば良い。
【００２６】
一方，溶融スラグを攪拌する工程を行う場合は，図示しない移動機構によってランス４を移動させて，図４（ｄ）に示すようにスラグ鍋２のほぼ中央にランス４を挿入し，噴射口１０をスラグ鍋２に入れられた溶融スラグａの液中に浸漬させた状態にする。そして，ランス４の内部空間１１に例えば空気，酸素，窒素等のガスを圧入して，ランス４の下端部外周面に開口している噴射口１０から溶融スラグａ中にガス２６を噴射する。
【００２７】
こうして溶融スラグａ中において複数の噴射口１０からランス４の外側に向ってガス２６を噴射すると，先に図２，３において説明したように，溶融スラグａに対して，ランス４を中心にした時計回転方向の旋回流が与えられる。こうして，スラグ鍋２内の溶融スラグａはランス４を中心にして時計回転方向に旋回しながら，全体的に攪拌されていく。
【００２８】
このようにスラグ鍋２内の溶融スラグａを攪拌することにより，溶融スラグａの温度を均一化して流動性を向上させ，溶融スラグａ中からの気泡の浮上排出を促進させることができる。また同時に，溶融スラグａ中に存在する遊離ＣａＯを溶融スラグａ中や溶射した改質材に含まれるＳｉＯ２などと反応させて，体積安定性のある化合物（２ＣａＯ・ＳｉＯ２等）に変化させることができ，溶融スラグａ全体について均一な改質を施すことができる。なお，ランス４の噴射口１０から溶融スラグａ中に酸素を吹込んだ場合は，溶融スラグａ中のＦｅＯを酸化させ，その際に発生する酸化熱によって溶融スラグａの流動性を向上させ，その結果，溶融改質を更に促進させることができるようになる。
【００２９】
こうしてバーナ３による加熱操作（図４（ｃ）参照）とランス４による攪拌操作（図４（ｄ）参照）を同時に行うか（もしくは，バーナ３による加熱操作および改質材の溶射操作とランス４による攪拌操作を同時に行うか），または，バーナ３による加熱操作とランス４による攪拌操作とを１回ずつもしくは複数回ずつ適宜交互に行う（もしくは，バーナ３による加熱操作および改質材の溶射操作とランス４による攪拌操作とを１回ずつもしくは複数回ずつ適宜交互に行う）ことにより，気泡の除去と溶融スラグａの改質を行いながら，スラグ鍋２中の溶融スラグａの温度を，溶融スラグａ中に懸濁する粒鉄２０の溶融温度以上になるまで昇温・保持する。
【００３０】
そして，この様に粒鉄２０の溶融温度以上になるまで昇温・保持することにより，粒鉄２０は溶融状態となる。こうして，先に図４（ｂ）で説明したように予めスラグ鍋２底部に粒子状で網の目状に部分的に凝集・合体した状態で沈降させられていた粒鉄２０も溶融することとなる。また，併せてスラグ鍋２の壁面に存在していたスラグの固化層２２も溶融状態となることにより，図５（ｅ），（ｆ）に示すように，溶融鉄３０が，溶融スラグａと分離し，比重差によりスラグ鍋２底部に沈降した状態となる。こうして，溶融スラグａ中から粒鉄を溶融鉄３０として鍋２底部に沈降分離させることにより粒鉄を効果的に回収することができ，また，溶融スラグａについても粒鉄が除去されたことにより，改質および品質向上がはかられ，スラグ量も増大することとなる。
【００３１】
なお，粒鉄の溶融温度は例えば，鉄と鋼 Vol.88（２００２）No2 ｐ５１〜５８に記されているように，FactStage等の市販の計算ソフトを用いて，粒鉄組成より溶融温度（液相線温度）を算出することが可能である。また同様に，実際の精錬工程で採取した代表的な粒鉄について，例えば示差熱分析装置を用いて予め溶融温度を測定して求めることもできる。例えば，溶銑予備処理工程においては，スラグ中の粒鉄の炭素濃度は高々２質量％程度であり，溶融温度は１４００℃以上となる。一般に酸化物の粘性は温度が高くなるほど小さくなる傾向にあり，スラグの粘性が小さくなればスラグと粒鉄の分離はより容易になる。
【００３２】
ここで，具体的に処理後のスラグ温度（Ｔｓag）から，粒鉄中のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ等の組成から計算で求めた粒鉄の溶融温度（Ｔr）を引いた（Ｔsag）―（Ｔr）の値をΔＴ（℃）として，粒鉄の分離率を比較して図６に示した。なお，粒鉄の分離率＝１−（改質後のスラグ中の１ｍｍ以上の粒鉄質量／改質前スラグ中の１ｍｍ以上の粒鉄質量）とした。この図６に示される様に，ΔＴが大きくなればなるほど，粒鉄の分離率は向上することが分かる。
【００３３】
また，スラグ中に懸濁する粒鉄の溶融温度（液相線温度）は，主として粒鉄中の炭素濃度で決定されるので，炭素濃度が高いほど溶融温度は低くなる。従って，これらを考慮してΔＴをより大きくすることが好ましい。但し，ΔＴは特に規定するものではなく，全体のコスト等を考慮して，適宜設定すれば良い。
【００３４】
次に，図５（ｇ）に示したように，溶融鉄３０を溶融スラグａと分離させてスラグ鍋２底部に沈降させた後，栓７を抜くことにより，図５（ｈ）に示すように，スラグ鍋２の底面の開口部から溶融鉄３０を排出する。その際に，溶融鉄３０を凝固させるための所定の形状の鋳型に排出して冷却することにより，所定の形状の塊状の地金として回収することが可能となり，冷鉄源として転炉工程などでの利用が容易となる。
【００３５】
また，溶融鉄３０をスラグ鍋２底面の開口部から排出した後，図５（ｉ）に示すように，栓７によってスラグ鍋２底面の開口部を塞ぐ。その後，図５（ｊ）に示すようにスラグ鍋２を傾転し，処理後の溶融スラグａ（改質された溶融スラグａ）を凝固容器等に直接排出することにより，所定の形状の塊状のスラグ固化体を得ることが可能となる。この場合，スラグ鍋２底面の開口部から溶融鉄３０を予め排出しているので，スラグ鍋２には粒鉄を含まない改質された高温の液相の溶融スラグａのみが存在する。スラグ鍋２から溶融スラグａを流し出す際には，溶融鉄３０や粒鉄２０の流出を懸念すること無く，スラグ鍋２の傾転が可能となるため，スラグ鍋２内の改質スラグを短時間で凝固容器に排出することができ，温度低下も小さく，短時間で歩留まり良くスラグ固化体を製作できる。なお，スラグ鍋２底部に排出用の開口部が無い場合には，スラグ鍋２を傾けて処理後の溶融スラグ３３を凝固容器に排出する際に，底部に溶融状態で残留している溶融鉄３０を同時に排出しないように，スラグ鍋２の傾け角度や傾ける際の速度を適宜調節すれば良い。
【００３６】
また，操業時間に余裕がある場合等は，図５（ｉ）に示したようにスラグ鍋２内に溶融スラグａのみが入っている状態で，処理後の溶融スラグａ中に攪拌用ランス４を浸漬させ，酸素ガスを吹き込んでスラグ中に残存するFeOを更に酸化させてFe2O3とすることにより，発熱反応を生じせしめ，スラグを昇温することも有効である。
【００３７】
また図５（ｊ）では，塊状のスラグ固化体を得る方法を説明したが，砂や細骨材を簡便に製造するためには，図７に示す様に，スラグ鍋２を傾けてスラグ鍋２中の溶融スラグａを複数の羽根が設置された高速回転（通常はドラム周速；１〜３０ｍ／秒程度）している回転ドラム４０上に注入して，スラグを粒状に飛散させると良い。そして，散水ノズル４１から散水した冷却水を飛散させたスラグに接触させて冷却固化（通常は，冷却水量／スラグ質量；０．２〜３．０ｍ３／ｔｏｎ・スラグ程度である）させることにより，粒化させたスラグを容器４２内に回収することができる。こうして得られた粒状のスラグは，粒鉄をほとんど含有せず，道路路盤材，コンクリート用骨材等の砂や細骨材として利用することができるものとなる。
【００３８】
また，処理後スラグの組成を質量比でＣａＯ／ＳｉＯ2≦２．２とすることが好ましい。特に，図７で説明したように溶融スラグａを複数の羽根を設置した高速回転する回転ドラム４０上に注入し，散水ノズル４１から散水冷却して，粒鉄を含有しない粒状のスラグを得る場合に，溶融改質したスラグの組成を質量比でＣａＯ／ＳｉＯ2≦２．２とすることにより，粒子径が均一な粒状スラグが得られ，品質の良好な細骨材を得ることが可能となる。
【００３９】
すなわち，処理後のスラグの組成において，質量比ＣａＯ／ＳｉＯ2（以降，塩基度と記載することがある）が高すぎるとスラグの溶融温度が高くなり，改質処理終了後の温度低下が生じた場合に，固相率が大となり，得られた粒状スラグの粒子径が不均一になり，粒子の直径が１０ｍｍ以上の粗大なものが生成してしまう。そこで，スラグの塩基度の上限を２．２とすることが好ましい。なお，操業時間の余裕を考えると，処理後のスラグの塩基度の上限は２．０以下がより好ましい。
【００４０】
また，処理後のスラグの塩基度の下限については，０．６以上であることが好ましい。なぜなら，図８に示すように，製鋼スラグの塩基度が低いと，得られたスラグ粒子形状が繊維状となる比率が高くなり，砂としての特性が得られなくなるためである。従って，得られたスラグ粒子形状が繊維状となる比率をより低くするには，処理後スラグの塩基度の下限は１．０以上がより好ましい。ここで，図８に示す繊維状スラグ割合とは，粒状化処理後回収した質量１００ｇのスラグを形態別に分類し，縦と横の比が２以上のものを繊維状と定義し，縦と横の比が２未満の粒子状スラグの質量；Ｍｒを測定し，繊維状スラグの質量（１００−Ｍｒ）を算出し，回収したスラグ中の質量％を求めたものである。
【００４１】
以上に説明した本発明の実施の形態によれば，溶融スラグａを所定時間静置し，その後，スラグ処理工程においてスラグに含有される粒鉄２０の溶融温度以上になるまで加熱や攪拌を行うことで，スラグを改質処理することにより，粒鉄２０をスラグ鍋２の底部に効率よく沈降させかつ溶融鉄３０として溶融状態した状態でスラグと分離可能となるために，溶融鉄３０を直接鋳型内に注入して鉄塊を製作することができる。また，従来のように凝固後にスラグを粉砕して，磁選を行うとういう工程が不要となり，スラグ処理を迅速にかつ効率的に実施することが可能となる。
【００４２】
併せて，溶融スラグａを攪拌する工程において，スラグ鍋２のほぼ中央に挿入したランス４を中心にして溶融スラグａを旋回させることにより，スラグ鍋２の底部に沈降させた粒鉄２０を舞い上げずに，スラグ鍋２の底部に沈降させた状態を維持させたまま溶融スラグａを攪拌できる。このため，ＣＯガスの気泡発生を抑制しながら，気泡の除去と溶融スラグａの改質を行うことができる。また，スラグ中から粒鉄を精度良く分離できるので，スラグの品質向上がはかれる。こうして改質処理されたスラグは，水浸膨張比が低減され，強度が向上したものとなる。また，粒状化させることにより天然砂の代替が可能な粒状スラグを得ることも可能となる。このため，処理されたスラグは，上層路盤材，アスファルト混合道路用材，アスファルト舗装用骨材，コンクリート用骨材，コンクリート二次製品用原料，窯業・タイル用原料，人工石材原料等の各種有用な原料に適用することができ，再生資源として有効利用できるようになる。また，スラグと分離した溶融鉄３１を利用し易い形状凝固させることにより，鉄原料として利用し易くなる。
【００４３】
以上，本発明の好ましい実施の形態を例示したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。例えば，上から見た状態においてスラグ鍋２に入れられた溶融スラグａに反時計回転方向の旋回流を発生させて攪拌しても良いことはもちろんである。また，バーナ３による加熱操作とランス４による攪拌操作は，もしくは，バーナ３による加熱操作および改質材の溶射操作とランス４による攪拌操作は，１回ずつ交互に行っても良いし，複数回ずつ交互に繰り返して行っても良い。
【００４４】
ランス４に設けられる噴射口１０は複数箇所にあれば良く，必ずしも４箇所でなくても良い。ランス４を中心にして溶融スラグａに旋回流を生じさせるように，同一の旋回方向に指向しているガスを複数箇所に設けられた噴射口１０からそれぞれ噴出させれば良い。また，各噴射口１０の高さは必ずしも同じでなくても良く，異なる高さにある複数の噴射口１０からそれぞれガスを噴出して，溶融スラグａをランス４を中心に旋回させるようにしても良い。更に，攪拌中，ランス４を上下動させても良い。また，ランス４から溶融スラグａ中に吹き込むガスは常温でも良いが，高温ガスを用いれば，溶融スラグａが冷却されることを回避できる。また，ランス４の代りに，例えば攪拌羽根を用いて，溶融スラグａを機械的に攪拌しても良い。なお，以上に説明したランス４は，水平方向の旋回流を必要とする他の流体（スラグ以外の流体）についても適用可能である。
【実施例】
【００４５】
図１〜３で説明した処理装置において，製鋼工程からの溶銑予備処理スラグ２５ｔｏｎ（スラグ改質処理前の直径１ｍｍ以上の粒鉄量は１５質量％）をスラグ鍋に排滓し，１５分間静置した。その後，バーナによって溶融スラグ（溶銑予備処理スラグ）を加熱しながら，改質材としてフライアッシュを６４００ｋｇ／ｈの速度で５分間溶射した後，直ちにランスを溶融スラグに浸漬させて水平向きにガス（空気）を６００Ｎｍ３／ｈで吹き込み，ランスを中心に溶融スラグを回転させて攪拌した。バブリング時間（攪拌時間）は１分間である。こうして，５分のバーナによる加熱とフライアッシュの溶射，１分のランスによるガス攪拌を交互に５回繰り返した。
その後，スラグの温度を熱電対で測温したところ，１５１０℃（粒鉄の組成から得られた液相線温度は１４０２℃）であった。その後，スラグ鍋底の排出孔より溶融鉄を冷却鋳型内に排出して鉄塊として回収し，スラグ鍋内をスラグだけの状態にした。得られた鉄塊は３５６０ｋｇであり，処理前のスラグ中の約９５質量％の粒鉄が鉄塊として回収できた。
その後，改質されたスラグ鍋内の溶融スラグ５ｔｏｎを複数の羽根を設置し高速回転(ドラム周速；１〜１５ｍ/秒）する回転ドラム上に注入し，スラグを飛散させながら散水冷却（冷却水量／スラグ質量；２．０ｍ３／ｔｏｎ・スラグ）し粒状スラグを製造した。その後，スラグ鍋を傾け改質スラグの凝固容器に改質したスラグを排出，冷却し，スラグ固化体を製作した。加熱および溶射をする工程と，攪拌する工程の何れにおいても発泡現象は起こらず，得られた粒子状スラグは吸水率０．８質量％であり，凝固容器に排出しスラグ固化体としたスラグも吸水率０．９質量％であり，いずれも砂，骨材として十分使用可能であった。
【００４６】
（比較例）
上記実施例と同様の装置を用いて製鋼工程からの溶銑予備処理スラグ２０ｔｏｎ（スラグ改質処理前の直径１ｍｍ以上の粒鉄量は２０質量％）をスラグ鍋に排滓し，直ちにバーナで溶融スラグを加熱しながら，改質材としてフライアッシュを６４００ｋｇ／ｈの速度で５分間溶射し，更に，溶融スラグに浸漬させた単管ランスから下向きに空気を６００Ｎｍ３／ｈで１分間バブリングして溶融スラグを攪拌した。こうして，５分のバーナによる加熱とフライアッシュの溶射，１分の単管ランスによる攪拌を交互に３回繰り返した。その後，スラグの温度を熱電対で測温したところ，１３７５℃（粒鉄の組成から得られた液相線温度は１３９８℃）であった。その後，スラグ鍋を傾けて，改質された溶融スラグを排出した。
加熱および溶射をする工程と，攪拌する工程の何れにおいても激しい発泡現象が継続して発生し，発泡現象が収まるまで一旦処理を中断した。排出されたスラグには多数の気泡，粒鉄が目視でも確認でき，崩壊しやすいスラグであった。また，吸水率は７．３質量％であった。スラグ中の粒鉄は，改質スラグを冷却した後に粉砕し，その後で，磁選を実施することにより回収する必要が生じた。
そこで，処理後スラグを排出し，粉砕工程を経て，磁選を実施したところ，処理後スラグ中に存在した凝固１ｍｍ超の粒鉄は３２２０ｋｇであった。従って，処理前のスラグに含有されていた粒鉄量は４０００ｋｇであったことから，処理前に存在した粒鉄の約８０％が改質スラグに残存しており，改質処理中での粒鉄の分離が十分できていないことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は，製鋼工程等で発生するスラグの処理などに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態にかかる処理装置の概略的な構成を示す説明図である。
【図２】ランスの下端部における部分拡大縦断面図（図３におけるＹ−Ｙ断面図）である。
【図３】ランスの下端部における拡大横断面図（図２におけるＸ−Ｘ断面図）である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる溶融スラグの処理方法の工程説明図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる溶融スラグの処理方法の工程説明図である。
【図６】ΔＴと粒鉄の分離率の関係を示す図である。
【図７】スラグ塩基度と繊維状スラグ割合の関係を示す図である。
【図８】粒状スラグ製造装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 処理装置
２ スラグ鍋
３ バーナ
４ ランス
５ ランス本体
６ 耐火物
７ 栓
１０ 噴射口
１１ 内部空間
１２ 連通路
１５ 連通路内側部
１６ 連通路外側部
２０ 粒鉄
２１ 気泡
２２ スラグの固化層
２５ 火炎
２６ ガス
３０ 溶融鉄
４０ 回転ドラム
４１ 散水ノズル
４２ 容器
ａ 溶融スラグ
ａ’ 高温領域
ｒ ランスの半径
【技術分野】
【０００１】
本発明は，製鋼工程などで発生するスラグを溶融状態で改質処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
脱りん，脱硫，脱炭精錬によって生成されるスラグ（製鋼スラグ）は，道路路盤材，コンクリート用骨材等に利用される。だが製鋼スラグに含まれる遊離ＣａＯは，水和反応を起こして膨張するため体積安定性が低く，製鋼スラグは，土木工事用の仮設材，道路の地盤改良材，下層路盤材等の低級用途に専ら利用され，より高級用途である上層路盤材，コンクリート用骨材，石材原料等には用いがたい。
【０００３】
このため，自然養生や蒸気エージングによってスラグ中の遊離ＣａＯの水和反応を促進させる方法が，一般に採用されている。しかしながら，このように自然養生や蒸気エージングを行うためには，膨張特性が無視できるようになるまで長期間の養生と広い敷地が必要となる。またこの方法では，遊離ＣａＯを効果的に消滅させることができず，依然としてスラグの用途が限られてしまう。
【０００４】
そこで従来，転炉から排出された脱炭スラグを溶融状態のまま改質する方法が開示されている（非特許文献１参照）。これは，溶融スラグ中に酸素と珪石を浸漬ランスを通じて吹き込み，スラグ中のＦｅＯを酸化して昇熱しながら改質材によってスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）を低減し，未滓化石灰を体積安定性のある化合物に変化させる方法である。また同様に，溶融スラグ中に改質材と昇温材を浸漬ランスから吹き込み，スラグを昇熱させつつ改質材によってスラグの塩基度を低減する方法も開示されている（特許文献１参照）。また，電気炉に貯えた溶融スラグに成分調整剤を装入し，ガスバブリングする方法も開示されている（特許文献２参照）。そして，ランスの形状としては，ランスを中心にして２孔で水平方向にガスを吹出す構造も開示されている（特許文献３参照）。その他，溶鋼を入れた取鍋の底部からガスをバブリングする方法も開示されている（特許文献４参照）。
【０００５】
【非特許文献１】M.Kuehn,et al.,2nd European Steelmaking Congress,Taranto(1997)p445/453
【特許文献１】特開平２−２０４３４８号公報
【特許文献２】特開平８−１７５８５３号公報
【特許文献３】特開平９−１２５１３０号公報
【特許文献４】特開２００３−２２２３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１や特許文献１〜４に記載されたように，従来から，ランスからガスを吹出して溶融スラグを攪拌することにより，スラグ鍋に入れられた溶融スラグ全体を加熱し，均一な改質を行うことができることが知られている。しかし，転炉などから排出されてスラグ鍋に入れられた直後の溶融スラグ中には粒鉄が懸濁しており，この懸濁粒鉄の表面に存在する炭素と溶融スラグ中の酸化鉄が反応することにより，溶融スラグ中においてＣＯガスの気泡が発生する。かようなＣＯガスの発生は，時間経過とともに粒鉄が自重でスラグ鍋の底部に沈降することにより次第に収まっていくが，上述の従来方法のようにランスからガスを吹出して溶融スラグを攪拌した場合，粒鉄の円滑な沈降が妨げられ，ＣＯガスの気泡の発生がなかなか収まらなくなってしまう。加えて従来は，スラグ鍋の底部に一旦沈降した粒鉄が，ガスの吹出しによって再び舞い上げられて溶融スラグ中に懸濁した状態となり，ＣＯガスの気泡発生が更に長期化するといった懸念もあった。このように，均一な改質という点では，従来方法のようにガスの吹出しによって溶融スラグを攪拌することが好ましいが，そうすると，ＣＯガスの気泡発生がなかなか収まらなくなってしまうという問題や，溶融スラグ中に粒鉄を含有した状態でスラグを凝固させた場合には，スラグ中に粒鉄が残留しているため，この粒鉄が錆びることにより赤褐色に変色するため外観が悪くなるとともに，スラグ中の粒鉄を鉄源としてほとんど回収できなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は，ＣＯガスの気泡発生をなるべく抑えながら，溶融スラグ全体を均一に加熱及び改質できる手段を提供することで，品質の優れたスラグを得るとともに，スラグ中の粒鉄を鉄源として効率良く回収することを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために，本発明によれば，スラグ鍋に入れられた溶融スラグを所定時間静置し，その後，溶融スラグを加熱する工程と溶融スラグを攪拌する工程とを同時に行う処理，または，溶融スラグを加熱する工程と溶融スラグを攪拌する工程とを交互に一回ずつもしくは複数回ずつ行う処理を，溶融スラグに含有される粒鉄の溶融温度以上になるまで行うことを特徴とする，スラグの処理方法が提供される。
【０００９】
前記溶融スラグを加熱する工程において，スラグの塩基度を低下させる改質材を溶融ス
ラグに溶射しても良い。また，前記溶融スラグを攪拌する工程において，スラグ鍋に挿入
したランスから噴射したガスによって溶融スラグを旋回した流動状態とさせても良い。
【００１０】
また，処理方法で処理した溶融スラグを，複数の羽根が設置された回転しているドラム上に注入し，スラグを飛散させながら散水冷却することによりスラグを粒化させても良い。
【００１１】
また，処理後のスラグの組成において，質量比でＣａＯ／ＳｉＯ2≦２．２となる様にスラグを処理しても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば，粒鉄をスラグ鍋の底部に沈降させた気泡の発生しにくい状態で溶融スラグを加熱することにより，伝熱効率を向上させて溶融スラグを効率良く加熱することができ，溶融スラグ中に含まれる遊離ＣａＯを効果的に低減することが可能となる。溶融スラグを攪拌する場合，ランスを中心にして溶融スラグを旋回させることにより，予めスラグ鍋の底部に沈降させた粒鉄を再び溶融スラグ中に懸濁させずに，スラグ鍋の底部に沈降させた状態を維持させたまま溶融スラグを攪拌できる。そして，粒鉄の溶融温度以上になるまで加熱工程と攪拌工程を行うことにより，スラグ鍋の底部に沈降させた粒鉄を溶融状態あるいは地金として回収できるようになる。このため，ＣＯガスの気泡発生が抑制され，また，スラグ中から粒鉄を精度良く分離できるようになるとともに，スラグの改質および品質向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は，本発明の実
施の形態にかかる処理方法を実施するための処理装置１の概略的な構成を示す説明図である。図２は，この処理装置１に備えられるランス４の下端部における部分拡大縦断面図（図３におけるＹ−Ｙ断面図）であり，図３は，ランス４の下端部における拡大横断面図（図２におけるＸ−Ｘ断面図）である。図４，５は，本発明の実施の形態にかかる溶融スラグａの処理方法の工程説明図である。
【００１４】
図１に示すように，スラグ鍋２は，上面が開口し，底面が閉塞された略円筒形状の容器である。後述するように，このスラグ鍋２には，例えば製鋼工程から排出された溶融スラグ（溶銑予備処理スラグ）ａが溶融状態のまま入れられる。スラグ鍋２の底面には，栓７によって塞がれた開口部が設けられている。
【００１５】
スラグ鍋２の上方には，スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａを加熱するためのバーナ３と，溶融スラグａを攪拌するためのランス４が配置される。これらバーナ３とランス４は，それぞれの移動機構（図示せず）によって支持されている。それによって，バーナ３は，スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａの液面から所定の高さの位置に移動させられるようになっている。一方，ランス４は，スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａの液中にランス４先端の噴射口１０を浸漬させた位置に移動可能になっている。
【００１６】
バーナ３は，例えばＬＰＧ，重油，微粉炭，排プラスチックなどを燃料として，スラグ鍋２に入れられた溶融スラグａに向って火炎を照射する。また，バーナ３は，そのように火炎を噴出して溶融スラグａを加熱すると共に，スラグの塩基度を低下させる改質材を，必要に応じて溶融スラグａの液面に向って溶射できるようになっている。
【００１７】
図２，３に示すように，ランス４は，底面が閉塞した円筒形状のランス本体５と，このランス本体５の外周面及び下面を被覆した耐火物６とで構成されており，ランス４全体も円筒形状に形成される。ランス本体５は例えば鋼製である。ランス４の下端部には，外周面に開口する噴射口１０が複数箇所に設けられている。図示の例では，ランス４の下端部外周面に４つの噴射口１０が開口しており，各噴射口１０同士は，ランス４の中心軸Ｏ（鉛直方向）に対して，中心角が９０℃ずつとなる間隔で配置されている。また，これら各噴射口１０は，互いに同じ高さに配置されている。
【００１８】
各噴射口１０には，ランス４の内部空間（ランス本体５の内部空間）１１に連通する連通路１２が接続される。各連通路１２は，何れも各噴射口１０と同じ高さにおいて連通するように設けられている。
【００１９】
連通路１２は，ランス４の内部空間１１に直接連通する連通路内側部１５と噴射口１０に直接連通する連通路外側部１６からなり，連通路内側部１５は，ランス４の中心軸Ｏから放射状に延びるランス４の半径ｒに沿う方向に指向している。これに対して，ランス４外周面の噴射口１０に直接連通する連通路外側部１６は，上から見た状態において，ランス４の半径ｒに対していずれも時計回転方向に角度αずつ傾斜して設けられている。これにより，後述するようにランス４の内部空間１１にガスを圧入すると，噴射口１０からランス４の外側に向って水平面内にガスが吹出され，その際，ガスの圧力によって，ランス４の周りにある溶融スラグａに対して，ランス４を中心にして時計回転方向（上から見た状態において）の旋回流を発生させるようになっている。
【００２０】
さて，以上のように構成された処理装置１において，例えば転炉から排出された溶融スラグａが溶融状態のままスラグ鍋２に入れられる。なお，このように溶融スラグａをスラグ鍋２に入れる場合は，図示しないそれぞれの移動機構により，バーナ３とランス４を，作業の邪魔とならない位置に退避させておく。また，スラグ鍋２の底面に形成された開口部は，栓７によって塞いでおく。
【００２１】
図４（ａ）に示すように，こうしてスラグ鍋２に入れられた直後の溶融スラグａ中には
粒鉄２０がまだ懸濁しており，この懸濁した粒鉄２０の表面に存在する炭素と溶融スラグａ中に含有される酸化鉄が反応することにより，溶融スラグａ中においてＣＯガスの気泡２１が発生する。なお，このようにスラグ鍋２に溶融スラグａを入れた際には，溶融スラグａがスラグ鍋２の内面に接触して部分的に冷却固化されることにより，スラグ鍋２の内面に沿って，スラグの固化層２２が形成されることになる。
【００２２】
そこで先ず，このように転炉などから排出されてスラグ鍋２に入れられた直後から，溶融スラグａを所定時間静置し，溶融スラグａ中に懸濁していた粒鉄２０を，図４（ｂ）に示すように，スラグ鍋２の底部に充分に沈降させてしまう。この場合，静置する時間は，粒鉄２０の沈降速度と溶融プールの深さ（溶融スラグａの深さ）で決る。つまり，静置時間は溶融プール深さを沈降速度で割った値よりも大きくとれば良い。沈降速度は，ストークスの式に支配され，粒鉄２０の大きさと溶融スラグａの粘性で決る。例えば粘性１．４３Ｐａ・ｓ（気泡を体積割合で６７％含有している発泡スラグを想定）で粒径１．０ｍｍの粒鉄２０の沈降速度を計算すると２．２１ｍｍ／ｓｅｃとなり，溶融プール深さ１０００ｍｍとすると，４５２ｓｅｃ（約７．５分）以上静置すれば粒径１ｍｍ以上の粒鉄２０はすべて沈降することになる。ここで，粒径１．０ｍｍ以上の粒鉄２０を対象としたのは，粒径１．０ｍｍ未満では沈降に時間がかかりすぎ，実際的でないことや，また，沈降させても鉄原料として使用しにくいことが，その理由である。また溶融プール深さ１０００ｍｍというのは，実操業面ではほぼ最小の高さであるため，この高さを目安としたことによる。したがって，溶融プール深さが大きな場合，それに応じて静置する時間を長く設定することが重要である。実際は，発泡によるスラグの流動により，上記推定よりは沈降効率が悪い。そこで，上記推定時間の２倍以上の時間を目安に静置することが望ましい。なお，こうして粒鉄２０を沈降させている間に，溶融スラグａ中に存在していた気泡２１は
浮上して排出されるので，溶融スラグａの液面高さは徐々に下がっていく。
【００２３】
こうして粒鉄２０をスラグ鍋２の底部に充分に沈降させた後，溶融スラグａを加熱する工程と溶融スラグａを攪拌する工程とを同時に行う処理，または，溶融スラグａを加熱する工程と溶融スラグａを攪拌する工程とを交互に一回ずつもしくは複数回ずつ行う処理を，溶融スラグに含有される粒鉄の溶融温度以上になるまで行う。
【００２４】
即ち，溶融スラグａを加熱する工程を行う場合は，先ず図示しない移動機構によって，バーナ３をスラグ鍋２に入れられた溶融スラグａの液面から所定の高さの位置に移動させる。この場合，バーナ３下端の噴出口から噴出される火炎２５の温度の最も高くなる位置が，溶融スラグａの液面付近となるように設定すると良い。次いで，図４（ｃ）に示すように，バーナ３から溶融スラグａの液面に向って下向きに火炎２５を噴出し，溶融スラグａを加熱する。これにより，溶融スラグａの液面付近に，溶融スラグａの高温領域ａ’が徐々に形成される。この場合，前述のように粒鉄２０をスラグ鍋２の底部に沈降させる過程で溶融スラグａ中に混入していた気泡２１を浮上排出させ，粒鉄２０を沈降させた気泡の発生しにくい状態で溶融スラグａを加熱しているので，伝熱効率を向上させて溶融スラグａを内部まで効率良く加熱することが可能となる。
【００２５】
また，このように溶融スラグａを加熱する工程において，バーナ３から溶融スラグａに向けて，スラグの塩基度を低下させる改質材を溶射しても良い。改質材としては，溶融スラグａよりも塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２（質量比））が低いものであれば特に限定されないが，例えばＳｉＯ２を含有する物質を溶射しても良い。ＳｉＯ２を含有する物質としては，フライアッシュ，珪砂等が例示できる。また，改質材の溶射量は，溶融スラグａの成分や温度，目標とする改質スラグの成分等から，適宜設定すれば良い。
【００２６】
一方，溶融スラグを攪拌する工程を行う場合は，図示しない移動機構によってランス４を移動させて，図４（ｄ）に示すようにスラグ鍋２のほぼ中央にランス４を挿入し，噴射口１０をスラグ鍋２に入れられた溶融スラグａの液中に浸漬させた状態にする。そして，ランス４の内部空間１１に例えば空気，酸素，窒素等のガスを圧入して，ランス４の下端部外周面に開口している噴射口１０から溶融スラグａ中にガス２６を噴射する。
【００２７】
こうして溶融スラグａ中において複数の噴射口１０からランス４の外側に向ってガス２６を噴射すると，先に図２，３において説明したように，溶融スラグａに対して，ランス４を中心にした時計回転方向の旋回流が与えられる。こうして，スラグ鍋２内の溶融スラグａはランス４を中心にして時計回転方向に旋回しながら，全体的に攪拌されていく。
【００２８】
このようにスラグ鍋２内の溶融スラグａを攪拌することにより，溶融スラグａの温度を均一化して流動性を向上させ，溶融スラグａ中からの気泡の浮上排出を促進させることができる。また同時に，溶融スラグａ中に存在する遊離ＣａＯを溶融スラグａ中や溶射した改質材に含まれるＳｉＯ２などと反応させて，体積安定性のある化合物（２ＣａＯ・ＳｉＯ２等）に変化させることができ，溶融スラグａ全体について均一な改質を施すことができる。なお，ランス４の噴射口１０から溶融スラグａ中に酸素を吹込んだ場合は，溶融スラグａ中のＦｅＯを酸化させ，その際に発生する酸化熱によって溶融スラグａの流動性を向上させ，その結果，溶融改質を更に促進させることができるようになる。
【００２９】
こうしてバーナ３による加熱操作（図４（ｃ）参照）とランス４による攪拌操作（図４（ｄ）参照）を同時に行うか（もしくは，バーナ３による加熱操作および改質材の溶射操作とランス４による攪拌操作を同時に行うか），または，バーナ３による加熱操作とランス４による攪拌操作とを１回ずつもしくは複数回ずつ適宜交互に行う（もしくは，バーナ３による加熱操作および改質材の溶射操作とランス４による攪拌操作とを１回ずつもしくは複数回ずつ適宜交互に行う）ことにより，気泡の除去と溶融スラグａの改質を行いながら，スラグ鍋２中の溶融スラグａの温度を，溶融スラグａ中に懸濁する粒鉄２０の溶融温度以上になるまで昇温・保持する。
【００３０】
そして，この様に粒鉄２０の溶融温度以上になるまで昇温・保持することにより，粒鉄２０は溶融状態となる。こうして，先に図４（ｂ）で説明したように予めスラグ鍋２底部に粒子状で網の目状に部分的に凝集・合体した状態で沈降させられていた粒鉄２０も溶融することとなる。また，併せてスラグ鍋２の壁面に存在していたスラグの固化層２２も溶融状態となることにより，図５（ｅ），（ｆ）に示すように，溶融鉄３０が，溶融スラグａと分離し，比重差によりスラグ鍋２底部に沈降した状態となる。こうして，溶融スラグａ中から粒鉄を溶融鉄３０として鍋２底部に沈降分離させることにより粒鉄を効果的に回収することができ，また，溶融スラグａについても粒鉄が除去されたことにより，改質および品質向上がはかられ，スラグ量も増大することとなる。
【００３１】
なお，粒鉄の溶融温度は例えば，鉄と鋼 Vol.88（２００２）No2 ｐ５１〜５８に記されているように，FactStage等の市販の計算ソフトを用いて，粒鉄組成より溶融温度（液相線温度）を算出することが可能である。また同様に，実際の精錬工程で採取した代表的な粒鉄について，例えば示差熱分析装置を用いて予め溶融温度を測定して求めることもできる。例えば，溶銑予備処理工程においては，スラグ中の粒鉄の炭素濃度は高々２質量％程度であり，溶融温度は１４００℃以上となる。一般に酸化物の粘性は温度が高くなるほど小さくなる傾向にあり，スラグの粘性が小さくなればスラグと粒鉄の分離はより容易になる。
【００３２】
ここで，具体的に処理後のスラグ温度（Ｔｓag）から，粒鉄中のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ等の組成から計算で求めた粒鉄の溶融温度（Ｔr）を引いた（Ｔsag）―（Ｔr）の値をΔＴ（℃）として，粒鉄の分離率を比較して図６に示した。なお，粒鉄の分離率＝１−（改質後のスラグ中の１ｍｍ以上の粒鉄質量／改質前スラグ中の１ｍｍ以上の粒鉄質量）とした。この図６に示される様に，ΔＴが大きくなればなるほど，粒鉄の分離率は向上することが分かる。
【００３３】
また，スラグ中に懸濁する粒鉄の溶融温度（液相線温度）は，主として粒鉄中の炭素濃度で決定されるので，炭素濃度が高いほど溶融温度は低くなる。従って，これらを考慮してΔＴをより大きくすることが好ましい。但し，ΔＴは特に規定するものではなく，全体のコスト等を考慮して，適宜設定すれば良い。
【００３４】
次に，図５（ｇ）に示したように，溶融鉄３０を溶融スラグａと分離させてスラグ鍋２底部に沈降させた後，栓７を抜くことにより，図５（ｈ）に示すように，スラグ鍋２の底面の開口部から溶融鉄３０を排出する。その際に，溶融鉄３０を凝固させるための所定の形状の鋳型に排出して冷却することにより，所定の形状の塊状の地金として回収することが可能となり，冷鉄源として転炉工程などでの利用が容易となる。
【００３５】
また，溶融鉄３０をスラグ鍋２底面の開口部から排出した後，図５（ｉ）に示すように，栓７によってスラグ鍋２底面の開口部を塞ぐ。その後，図５（ｊ）に示すようにスラグ鍋２を傾転し，処理後の溶融スラグａ（改質された溶融スラグａ）を凝固容器等に直接排出することにより，所定の形状の塊状のスラグ固化体を得ることが可能となる。この場合，スラグ鍋２底面の開口部から溶融鉄３０を予め排出しているので，スラグ鍋２には粒鉄を含まない改質された高温の液相の溶融スラグａのみが存在する。スラグ鍋２から溶融スラグａを流し出す際には，溶融鉄３０や粒鉄２０の流出を懸念すること無く，スラグ鍋２の傾転が可能となるため，スラグ鍋２内の改質スラグを短時間で凝固容器に排出することができ，温度低下も小さく，短時間で歩留まり良くスラグ固化体を製作できる。なお，スラグ鍋２底部に排出用の開口部が無い場合には，スラグ鍋２を傾けて処理後の溶融スラグ３３を凝固容器に排出する際に，底部に溶融状態で残留している溶融鉄３０を同時に排出しないように，スラグ鍋２の傾け角度や傾ける際の速度を適宜調節すれば良い。
【００３６】
また，操業時間に余裕がある場合等は，図５（ｉ）に示したようにスラグ鍋２内に溶融スラグａのみが入っている状態で，処理後の溶融スラグａ中に攪拌用ランス４を浸漬させ，酸素ガスを吹き込んでスラグ中に残存するFeOを更に酸化させてFe2O3とすることにより，発熱反応を生じせしめ，スラグを昇温することも有効である。
【００３７】
また図５（ｊ）では，塊状のスラグ固化体を得る方法を説明したが，砂や細骨材を簡便に製造するためには，図７に示す様に，スラグ鍋２を傾けてスラグ鍋２中の溶融スラグａを複数の羽根が設置された高速回転（通常はドラム周速；１〜３０ｍ／秒程度）している回転ドラム４０上に注入して，スラグを粒状に飛散させると良い。そして，散水ノズル４１から散水した冷却水を飛散させたスラグに接触させて冷却固化（通常は，冷却水量／スラグ質量；０．２〜３．０ｍ３／ｔｏｎ・スラグ程度である）させることにより，粒化させたスラグを容器４２内に回収することができる。こうして得られた粒状のスラグは，粒鉄をほとんど含有せず，道路路盤材，コンクリート用骨材等の砂や細骨材として利用することができるものとなる。
【００３８】
また，処理後スラグの組成を質量比でＣａＯ／ＳｉＯ2≦２．２とすることが好ましい。特に，図７で説明したように溶融スラグａを複数の羽根を設置した高速回転する回転ドラム４０上に注入し，散水ノズル４１から散水冷却して，粒鉄を含有しない粒状のスラグを得る場合に，溶融改質したスラグの組成を質量比でＣａＯ／ＳｉＯ2≦２．２とすることにより，粒子径が均一な粒状スラグが得られ，品質の良好な細骨材を得ることが可能となる。
【００３９】
すなわち，処理後のスラグの組成において，質量比ＣａＯ／ＳｉＯ2（以降，塩基度と記載することがある）が高すぎるとスラグの溶融温度が高くなり，改質処理終了後の温度低下が生じた場合に，固相率が大となり，得られた粒状スラグの粒子径が不均一になり，粒子の直径が１０ｍｍ以上の粗大なものが生成してしまう。そこで，スラグの塩基度の上限を２．２とすることが好ましい。なお，操業時間の余裕を考えると，処理後のスラグの塩基度の上限は２．０以下がより好ましい。
【００４０】
また，処理後のスラグの塩基度の下限については，０．６以上であることが好ましい。なぜなら，図８に示すように，製鋼スラグの塩基度が低いと，得られたスラグ粒子形状が繊維状となる比率が高くなり，砂としての特性が得られなくなるためである。従って，得られたスラグ粒子形状が繊維状となる比率をより低くするには，処理後スラグの塩基度の下限は１．０以上がより好ましい。ここで，図８に示す繊維状スラグ割合とは，粒状化処理後回収した質量１００ｇのスラグを形態別に分類し，縦と横の比が２以上のものを繊維状と定義し，縦と横の比が２未満の粒子状スラグの質量；Ｍｒを測定し，繊維状スラグの質量（１００−Ｍｒ）を算出し，回収したスラグ中の質量％を求めたものである。
【００４１】
以上に説明した本発明の実施の形態によれば，溶融スラグａを所定時間静置し，その後，スラグ処理工程においてスラグに含有される粒鉄２０の溶融温度以上になるまで加熱や攪拌を行うことで，スラグを改質処理することにより，粒鉄２０をスラグ鍋２の底部に効率よく沈降させかつ溶融鉄３０として溶融状態した状態でスラグと分離可能となるために，溶融鉄３０を直接鋳型内に注入して鉄塊を製作することができる。また，従来のように凝固後にスラグを粉砕して，磁選を行うとういう工程が不要となり，スラグ処理を迅速にかつ効率的に実施することが可能となる。
【００４２】
併せて，溶融スラグａを攪拌する工程において，スラグ鍋２のほぼ中央に挿入したランス４を中心にして溶融スラグａを旋回させることにより，スラグ鍋２の底部に沈降させた粒鉄２０を舞い上げずに，スラグ鍋２の底部に沈降させた状態を維持させたまま溶融スラグａを攪拌できる。このため，ＣＯガスの気泡発生を抑制しながら，気泡の除去と溶融スラグａの改質を行うことができる。また，スラグ中から粒鉄を精度良く分離できるので，スラグの品質向上がはかれる。こうして改質処理されたスラグは，水浸膨張比が低減され，強度が向上したものとなる。また，粒状化させることにより天然砂の代替が可能な粒状スラグを得ることも可能となる。このため，処理されたスラグは，上層路盤材，アスファルト混合道路用材，アスファルト舗装用骨材，コンクリート用骨材，コンクリート二次製品用原料，窯業・タイル用原料，人工石材原料等の各種有用な原料に適用することができ，再生資源として有効利用できるようになる。また，スラグと分離した溶融鉄３１を利用し易い形状凝固させることにより，鉄原料として利用し易くなる。
【００４３】
以上，本発明の好ましい実施の形態を例示したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。例えば，上から見た状態においてスラグ鍋２に入れられた溶融スラグａに反時計回転方向の旋回流を発生させて攪拌しても良いことはもちろんである。また，バーナ３による加熱操作とランス４による攪拌操作は，もしくは，バーナ３による加熱操作および改質材の溶射操作とランス４による攪拌操作は，１回ずつ交互に行っても良いし，複数回ずつ交互に繰り返して行っても良い。
【００４４】
ランス４に設けられる噴射口１０は複数箇所にあれば良く，必ずしも４箇所でなくても良い。ランス４を中心にして溶融スラグａに旋回流を生じさせるように，同一の旋回方向に指向しているガスを複数箇所に設けられた噴射口１０からそれぞれ噴出させれば良い。また，各噴射口１０の高さは必ずしも同じでなくても良く，異なる高さにある複数の噴射口１０からそれぞれガスを噴出して，溶融スラグａをランス４を中心に旋回させるようにしても良い。更に，攪拌中，ランス４を上下動させても良い。また，ランス４から溶融スラグａ中に吹き込むガスは常温でも良いが，高温ガスを用いれば，溶融スラグａが冷却されることを回避できる。また，ランス４の代りに，例えば攪拌羽根を用いて，溶融スラグａを機械的に攪拌しても良い。なお，以上に説明したランス４は，水平方向の旋回流を必要とする他の流体（スラグ以外の流体）についても適用可能である。
【実施例】
【００４５】
図１〜３で説明した処理装置において，製鋼工程からの溶銑予備処理スラグ２５ｔｏｎ（スラグ改質処理前の直径１ｍｍ以上の粒鉄量は１５質量％）をスラグ鍋に排滓し，１５分間静置した。その後，バーナによって溶融スラグ（溶銑予備処理スラグ）を加熱しながら，改質材としてフライアッシュを６４００ｋｇ／ｈの速度で５分間溶射した後，直ちにランスを溶融スラグに浸漬させて水平向きにガス（空気）を６００Ｎｍ３／ｈで吹き込み，ランスを中心に溶融スラグを回転させて攪拌した。バブリング時間（攪拌時間）は１分間である。こうして，５分のバーナによる加熱とフライアッシュの溶射，１分のランスによるガス攪拌を交互に５回繰り返した。
その後，スラグの温度を熱電対で測温したところ，１５１０℃（粒鉄の組成から得られた液相線温度は１４０２℃）であった。その後，スラグ鍋底の排出孔より溶融鉄を冷却鋳型内に排出して鉄塊として回収し，スラグ鍋内をスラグだけの状態にした。得られた鉄塊は３５６０ｋｇであり，処理前のスラグ中の約９５質量％の粒鉄が鉄塊として回収できた。
その後，改質されたスラグ鍋内の溶融スラグ５ｔｏｎを複数の羽根を設置し高速回転(ドラム周速；１〜１５ｍ/秒）する回転ドラム上に注入し，スラグを飛散させながら散水冷却（冷却水量／スラグ質量；２．０ｍ３／ｔｏｎ・スラグ）し粒状スラグを製造した。その後，スラグ鍋を傾け改質スラグの凝固容器に改質したスラグを排出，冷却し，スラグ固化体を製作した。加熱および溶射をする工程と，攪拌する工程の何れにおいても発泡現象は起こらず，得られた粒子状スラグは吸水率０．８質量％であり，凝固容器に排出しスラグ固化体としたスラグも吸水率０．９質量％であり，いずれも砂，骨材として十分使用可能であった。
【００４６】
（比較例）
上記実施例と同様の装置を用いて製鋼工程からの溶銑予備処理スラグ２０ｔｏｎ（スラグ改質処理前の直径１ｍｍ以上の粒鉄量は２０質量％）をスラグ鍋に排滓し，直ちにバーナで溶融スラグを加熱しながら，改質材としてフライアッシュを６４００ｋｇ／ｈの速度で５分間溶射し，更に，溶融スラグに浸漬させた単管ランスから下向きに空気を６００Ｎｍ３／ｈで１分間バブリングして溶融スラグを攪拌した。こうして，５分のバーナによる加熱とフライアッシュの溶射，１分の単管ランスによる攪拌を交互に３回繰り返した。その後，スラグの温度を熱電対で測温したところ，１３７５℃（粒鉄の組成から得られた液相線温度は１３９８℃）であった。その後，スラグ鍋を傾けて，改質された溶融スラグを排出した。
加熱および溶射をする工程と，攪拌する工程の何れにおいても激しい発泡現象が継続して発生し，発泡現象が収まるまで一旦処理を中断した。排出されたスラグには多数の気泡，粒鉄が目視でも確認でき，崩壊しやすいスラグであった。また，吸水率は７．３質量％であった。スラグ中の粒鉄は，改質スラグを冷却した後に粉砕し，その後で，磁選を実施することにより回収する必要が生じた。
そこで，処理後スラグを排出し，粉砕工程を経て，磁選を実施したところ，処理後スラグ中に存在した凝固１ｍｍ超の粒鉄は３２２０ｋｇであった。従って，処理前のスラグに含有されていた粒鉄量は４０００ｋｇであったことから，処理前に存在した粒鉄の約８０％が改質スラグに残存しており，改質処理中での粒鉄の分離が十分できていないことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は，製鋼工程等で発生するスラグの処理などに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態にかかる処理装置の概略的な構成を示す説明図である。
【図２】ランスの下端部における部分拡大縦断面図（図３におけるＹ−Ｙ断面図）である。
【図３】ランスの下端部における拡大横断面図（図２におけるＸ−Ｘ断面図）である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる溶融スラグの処理方法の工程説明図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる溶融スラグの処理方法の工程説明図である。
【図６】ΔＴと粒鉄の分離率の関係を示す図である。
【図７】スラグ塩基度と繊維状スラグ割合の関係を示す図である。
【図８】粒状スラグ製造装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 処理装置
２ スラグ鍋
３ バーナ
４ ランス
５ ランス本体
６ 耐火物
７ 栓
１０ 噴射口
１１ 内部空間
１２ 連通路
１５ 連通路内側部
１６ 連通路外側部
２０ 粒鉄
２１ 気泡
２２ スラグの固化層
２５ 火炎
２６ ガス
３０ 溶融鉄
４０ 回転ドラム
４１ 散水ノズル
４２ 容器
ａ 溶融スラグ
ａ’ 高温領域
ｒ ランスの半径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラグ鍋に入れられた溶融スラグを所定時間静置し，その後，溶融スラグを加熱する工程と溶融スラグを攪拌する工程とを同時に行う処理，または，溶融スラグを加熱する工程と溶融スラグを攪拌する工程とを交互に一回ずつもしくは複数回ずつ行う処理を，溶融スラグに含有される粒鉄の溶融温度以上になるまで行うことを特徴とする，スラグの処理方法。
【請求項２】
前記溶融スラグを加熱する工程において，スラグの塩基度を低下させる改質材を溶融スラグに溶射することを特徴とする，請求項１に記載のスラグの処理方法。
【請求項３】
前記溶融スラグを攪拌する工程において，スラグ鍋に挿入したランスから噴射したガスによって溶融スラグを旋回した流動状態とすることを特徴とする，請求項１または２に記
載のスラグの処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の処理方法で処理した溶融スラグを，複数の羽根が設置された回転しているドラム上に注入し，スラグを飛散させながら散水冷却することによりスラグを粒化させることを特徴とする，スラグの処理方法。
【請求項５】
処理後のスラグの組成において，質量比でＣａＯ／ＳｉＯ2≦２．２であることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載のスラグの処理方法。
【請求項１】
スラグ鍋に入れられた溶融スラグを所定時間静置し，その後，溶融スラグを加熱する工程と溶融スラグを攪拌する工程とを同時に行う処理，または，溶融スラグを加熱する工程と溶融スラグを攪拌する工程とを交互に一回ずつもしくは複数回ずつ行う処理を，溶融スラグに含有される粒鉄の溶融温度以上になるまで行うことを特徴とする，スラグの処理方法。
【請求項２】
前記溶融スラグを加熱する工程において，スラグの塩基度を低下させる改質材を溶融スラグに溶射することを特徴とする，請求項１に記載のスラグの処理方法。
【請求項３】
前記溶融スラグを攪拌する工程において，スラグ鍋に挿入したランスから噴射したガスによって溶融スラグを旋回した流動状態とすることを特徴とする，請求項１または２に記
載のスラグの処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の処理方法で処理した溶融スラグを，複数の羽根が設置された回転しているドラム上に注入し，スラグを飛散させながら散水冷却することによりスラグを粒化させることを特徴とする，スラグの処理方法。
【請求項５】
処理後のスラグの組成において，質量比でＣａＯ／ＳｉＯ2≦２．２であることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載のスラグの処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１９９９８４（Ｐ２００６−１９９９８４Ａ）
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０９８５（Ｐ２００５−１０９８５）
【出願日】平成１７年１月１８日（２００５．１．１８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１８日（２００５．１．１８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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