JP2009227493A

JP2009227493A - スラグ処理方法

Info

Publication number: JP2009227493A
Application number: JP2008072671A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Iwasaki; 克博岩崎; Hiroyuki Tofusa; 博幸當房; Kazuya Yabuta; 和哉薮田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】精錬工程等で生じたスラグを、風砕スラグのような球形状とすることなく、粉化や水和膨張を生じにくい性状に改質する。
【解決手段】溶融状態であって且つ板状、柱状、細片状または粒状のいずれかの形態にされたスラグに酸化性ガスを吹き付け、スラグを球状に風砕することなくスラグ成分の一部を酸化させる改質処理を施す。溶融状態であって且つ比表面積が大きい形態にされたスラグに酸化性ガスを吹き付けることで、スラグ中の鉄分やＦｅＯが酸化されてフェライト相に改質され、これがスラグ中のカルシウムと結合してカルシウムフェライトが生成されることで、粉化原因となるダイカルシウムシリケート相の生成が抑制されるとともに、カルシウムフェライトなどの生成を通じて遊離ＣａＯの量も少なくなるので、粉化や水和膨張が生じにくいスラグを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鋼製造プロセスなどで発生するスラグを改質処理するための方法に関する。

鉄鋼製造プロセス等をはじめとする種々のプロセスの溶解工程や精錬工程でスラグが生成する。例えば、鉄鋼製造プロセスで生成する代表的なスラグとして、高炉スラグ、製鋼スラグ、溶融還元スラグ（鉄鉱石、Ｃｒ鉱石、Ｎｉ鉱石、Ｍｎ鉱石、ダストスラッジ等の溶融還元スラグ）などがあり、その他にも、製鉄以外の金属製錬炉や精錬炉から発生するスラグ、ごみ焼却灰溶融スラグ、廃棄物ガス化溶融スラグなどがある。
ところで、製鋼工程では、石灰を使用して精錬を行うため、発生するスラグはＣａＯを含有しており、このスラグ中のＣａＯは、粉化原因となるダイカルシウムシリケート相を形成しやすい。また、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）の高い製鋼スラグは、ＣａＯの一部が遊離ＣａＯとして存在し、この遊離ＣａＯが水と接触して水和膨張を起こすという問題がある。

このような遊離ＣａＯの水和膨張を防ぐために、従来では、精錬工程で生じた製鋼スラグを散水冷却等によって一旦固化させた後、蒸気エージング等のエージング処理を施している。
遊離ＣａＯの水和膨張を防ぐための蒸気エージングは、通常１〜２ｍ程度の高さに積んだスラグの下層から、常圧で１００℃の水蒸気を吹き、スラグの温度を１００℃にして処理を行う。
また、オートクレーブ法で５ｋｇｆ／ｃｍ^２、１５０℃程度の加圧蒸気を用いて２時間程度でエージングを行う方法がある。

上述した従来一般に行われている蒸気エージングでは、塩基度が３以上の製鋼スラグのエージング処理に３日間以上かかり、蒸気原単位も大きい。一方、オートクレーブ方式では、短時間で処理できるものの、圧力の高い蒸気を使用するため、その蒸気製造にエネルギーが必要となり、費用がかかる問題がある。また、これらのエージング処理は、遊離ＣａＯによる膨張抑制には効果があるが、粉化原因となるダイカルシウムシリケート相の生成を抑制できるものではない。
また、溶融スラグを風砕して冷却固化させる方法が知られており、この方法によれば、スラグ中の鉄分やＦｅＯが空気で酸化されてフェライト相となり、これとＣａＯによりカルシウムフェライトが生成するため、粉化や水和膨張を生じにくいスラグを得ることができる。しかし、この風砕スラグは、スラグ粒子が真球に近い球形状で安息角がきわめて小さいため、ヤードでの保存やトラック等での搬送に支障があり、このため利用が大幅に制限される。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、溶解工程や精錬工程等で生じたスラグを、風砕スラグのような球形状とすることなく、粉化や水和膨張を生じにくい性状に改質することができるスラグ処理方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、さらにスラグ顕熱を効率的に回収できるスラグ処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］溶融状態であって且つ板状、柱状、細片状または粒状のいずれかの形態にされたスラグに酸化性ガスを吹き付け、スラグを球状に風砕することなくスラグ成分の一部を酸化させる改質処理を施すことを特徴とするスラグ処理方法。
［2］上記［1］のスラグ処理方法において、酸化性ガスが、酸素、二酸化炭素および水蒸気の中から選ばれる１種以上を含むガス、酸素、二酸化炭素のいずれかであることを特徴とするスラグ処理方法。

［3］上記［1］または［2］のスラグ処理方法において、スラグとの接触により昇温した酸化性ガスまたは／および冷媒を、熱源用流体として回収することを特徴とするスラグ処理方法。
［4］溶融スラグを回転するアトマイズ用ドラムのドラム面に供給して粒状に飛散させ、該飛散中の溶融スラグに対して、上記［1］〜［3］のいずれかの処理を行うことを特徴とするスラグ処理方法。

本発明のスラグ処理方法によれば、溶融状態であって且つ比表面積が大きい形態（板状、柱状、細片状または粒状のいずれかの形態）にされたスラグに酸化性ガスを吹き付けることで、スラグ中の鉄分やＦｅＯが酸化されてフェライト相に改質され、これがスラグ中のカルシウムと結合してカルシウムフェライトが生成されることで、粉化原因となるダイカルシウムシリケート相の生成が抑制されるとともに、カルシウムフェライトなどの生成を通じて遊離ＣａＯの量も少なくなるので、粉化や水和膨張が生じにくいスラグを得ることができる。
また、改質処理後のスラグを、さらに冷媒と接触させて冷却することにより、ダイカルシウムシリケート相や遊離ＣａＯ、遊離ＭｇＯの晶出を抑制し、スラグ品質をより高めることができる。
また、溶融スラグとの接触により昇温した酸化性ガスや冷媒などを、熱源用流体として回収することができるため、スラグ顕熱を効率的に回収することができる。

本発明のスラグ処理方法は、溶融状態であって且つ板状、柱状、細片状または粒状のいずれかの形態にされたスラグに酸化性ガスを吹き付け、スラグを球状に風砕スラグ化することなくスラグ成分の一部を酸化させる改質処理を施すものである。
ここで、本発明が除外する「スラグを球状に風砕する」とは、従来知られている風砕法によるスラグの粒状化処理であり、この風砕法では形状係数がほぼ１、高くても１．１未満の球形のスラグが得られる。ここで、形状係数とは、球形（半径ｒ）における比表面積（３／ｒ＝４πｒ²÷（４πｒ³／３））に対する、当該粒子の表面積を容積で割った比表面積の比を示すもので、形状係数が大きいと比表面積は大きく、粒子充填における安息角も大きいので、搬送し易い。本発明では、スラグを粒状化させる場合でも、形状係数が１．５以上、好ましくは２以上のスラグ粒子が主体となる粒状スラグを得る。また、本発明においてスラグを粒状化するとは、数十ｍｍ程度の粗大粒とする場合も含まれる。

処理の対象となる溶融状態のスラグは、鉄鋼製造プロセス等をはじめとする種々のプロセスの溶解工程や精錬工程で生じたスラグである。また、スラグの種類に制限はなく、例えば、高炉スラグ、製鋼スラグ（例えば、転炉脱炭スラグ、脱燐スラグ、脱珪スラグ、脱硫スラグ、電気炉スラグ、鋳造スラグなど）、溶融還元スラグ（例えば、鉄鉱石、Ｃｒ鉱石、Ｎｉ鉱石、Ｍｎ鉱石などの溶融還元により生じるスラグ）、その他の製錬炉や精錬炉から発生するスラグ、ごみ焼却灰溶融スラグ、廃棄物ガス化溶融スラグなど、種々のスラグを対象とすることができる。これらのなかでも、製鋼スラグはダイカルシウムシリケート相による粉化や、遊離ＣａＯ、遊離ＭｇＯによる水和膨張を生じやすいので、処理対象として特に好適である。
板状、柱状、細片状、粒状のいずれかの形態にされた溶融スラグに酸化性ガスを吹き付けるのは、スラグの比表面積を大きくした状態で酸化性ガスを吹き付けた方が、酸化性ガスとスラグ成分との反応を促進できるので、より効率的な改質処理を行うことができるからである。

通常、スラグに吹き付ける酸化性ガスとしては、酸素、二酸化炭素および水蒸気の中から選ばれる１種以上を含むガス、酸素、二酸化炭素のいずれかを用いる。具体的には、例えば、空気、酸素富化空気、酸素、二酸化炭素、二酸化炭素含有ガス、水蒸気含有ガスなどの１種以上を用いることができる。本発明では処理対象が溶融状態のスラグであるため、二酸化炭素（ＣＯ_２）や水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を含むガスを用いても、上述したようなスラグの改質作用（酸化作用）が得られる。また、二酸化炭素は、スラグ温度が低下してきた段階で遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯを炭酸化させることにより、また、水蒸気は遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯを水酸化物に改質することにより、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯを低減させる効果も得られる。

さらに、二酸化炭素や水蒸気が金属鉄や酸化鉄に作用すると、下記反応（但し、ＦｅＯ_1.5＝１／２・Ｆｅ_２Ｏ_３）により可燃性ガスであるＣＯやＨ_２が生成し、
Ｆｅ＋１／２・Ｏ_２→ＦｅＯ
Ｆｅ＋ＣＯ_２→ＦｅＯ＋ＣＯ
Ｆｅ＋Ｈ_２Ｏ→ＦｅＯ＋Ｈ_２
ＦｅＯ＋１／４・Ｏ_２→ＦｅＯ_1.5
ＦｅＯ＋１／４・ＣＯ_２→ＦｅＯ_1.5＋１／２・ＣＯ
ＦｅＯ＋１／２・Ｈ_２Ｏ→ＦｅＯ_1.5＋１／２・Ｈ_２
これらのガス成分が排出ガス中に含まれることになる。これらのガス成分は周囲の空気で酸化・発熱するので、酸化性ガスから熱回収する場合に、回収熱量を増大させることができる。
また、予熱された酸化性ガスを用いることにより、改質反応をさらに促進させることができる。

スラグに酸化性ガスを吹き付ける方法としては、例えば、スラグ樋などから溶融スラグを板状または柱状に流下させ、この流下途中の溶融スラグに対して、吹付ノズルなどのガス吹付手段から酸化性ガスを吹き付ければよい。この場合、酸化性ガスの吹付け圧力により、スラグが粒状化されるようにしてもよい。
図１は、スラグを粒状化させる場合の本発明の一実施形態を示すもので、スラグ鍋１などから溶融スラグＳを板状または柱状に流下させ、この流下途中の溶融スラグＳに対して、吹付ノズル２から酸化性ガスを吹き付ける。この実施形態では、酸化性ガス（例えば、圧縮空気）が供給配管３を通じて吹付ノズル２に供給される。流化する溶融スラグＳに対して吹付ノズル２により側方から酸化性ガスが吹き付けられることにより、溶融スラグＳは改質されるとともに、粒状化され且つ冷却されて粒状スラグＳyが得られる。

なお、この実施形態では、上記のように酸化性ガスが溶融スラグＳに吹き付けられるスラグ処理部がカバー６で覆われ、このカバー６に酸化性ガスを回収するためのガス吸引管７が接続され、このガス吸引管７には熱交換器８、集塵機９、吸引ファン１０が設けられ、この吸引ファン１０によりカバー６内の酸化性ガスがガス吸引管７を通じて吸引される。酸化性ガスは熱交換器８で熱媒と熱交換されることにより、スラグ顕熱が回収される。例えば、熱媒として水を用い、酸化性ガスとの熱交換により蒸気を得る。酸化性ガスは集塵機９で集塵された後、放散される。

図２は、本発明の他の実施形態を示すもので、高速回転するドラム２０（アトマイズ用ドラム）のドラム面２００に対して、スラグ鍋１などから溶融スラグＳを注湯することにより溶融スラグを飛散させ、この飛散した溶融スラグＳに対して、吹付ノズル２から酸化性ガスを吹き付けるようにするものである。この実施形態でも、酸化性ガスが供給配管３を通じて吹付ノズル２に供給される。飛散した溶融スラグＳに対して吹付ノズル２により上方から酸化性ガスが吹き付けられることにより、溶融スラグＳは改質され且つ冷却され、或いはさらに粒状化される。

この実施形態でも、上記のように酸化性ガスが溶融スラグＳに吹き付けられるスラグ処理部がカバー６で覆われ、このカバー６に酸化性ガスを回収するためのガス吸引管７が接続され、このガス吸引管７には熱交換器８、集塵機９、吸引ファン１０が設けられ、この吸引ファン１０によりカバー６内の酸化性ガスがガス吸引管７を通じて吸引される。酸化性ガスは熱交換器８で熱媒と熱交換されることにより、スラグ顕熱が回収される。例えば、熱媒として水を用い、酸化性ガスとの熱交換により蒸気を得る。酸化性ガスは集塵機９で集塵された後、放散される。図において、１５は粒状スラグＳyを受け入れるためにバケットである。

酸化性ガスの吹き付けによるスラグの粒状化は、酸化性ガスが溶融スラグの表面張力に抗してスラグを引きちぎることにより進行するため、引きちぎる力が大きいほど、粒状化したスラグ粒子径は小さくなる。そして、酸化性ガスのスラグに対する衝突速度を大きくするほど、スラグに衝突する酸化性ガスの運動量が大きくなり、スラグを引きちぎる力が強くなる。従来知られている風砕スラグの製造では、空気などのアトマイズガスを亜音速〜音速程度の衝突流速で溶融スラグに衝突させてスラグを粒状化させているが、このような超高速のアトマイズガスでスラグを粒状化させると、ほぼ真球に近い球状のスラグ粒子（形状係数がほぼ１で、高くても１．５未満）となり、このようなスラグはさきに述べたように安息角が非常に小さく、ハンドリングに大きな問題を生じる。本発明では、酸化性ガスの吹付けよってスラグを粒状化させる場合でも、スラグを球状に風砕することなく粒状化する（すなわち、スラグ粒子の形状係数：１．５以上、好ましくは２以上）ものであり、したがって、溶融スラグに対する酸化性ガスの衝突流速は、３００ｍ／sec程度を上限とすることが好ましい。酸化性ガスの衝突流速が３４０ｍ／sec以下であれば、粒状化されたスラグ粒子は風砕スラグのような球状にはならず、安息角も十分に大きい。
一方、スラグを粒状化させる場合には、スラグに対する酸化性ガスの衝突流速は５０ｍ／sec以上、望ましくは１００ｍ／sec以上とすることが好ましい。

本発明のスラグ処理法では、溶融状態であって且つ板状などの比表面積が大きい形態にされたスラグに酸化性ガスを吹き付けることで、スラグ中の鉄分やＦｅＯが酸化されてフェライト相に改質され、これがスラグ中のカルシウムと結合してカルシウムフェライトが形成される。この結果、ダイカルシウムシリケート相の生成が抑制されるとともに、カルシウムフェライトなどの生成を通じて遊離ＣａＯの量も少なくなり、粉化や膨張を生じにくいスラグとなる。また、スラグのなかでも、製鋼スラグはダイカルシウムシリケート相による粉化や、遊離ＣａＯ、遊離ＭｇＯによる水和膨張を生じやすいので、そのような改質処理の対象として特に好適である。

また、本発明のスラグ処理方法では、上記のように改質処理したスラグをさらに水や水蒸気などの冷媒と接触させ、冷却することが好ましい。
さらに、本発明のスラグ処理方法では、スラグとの接触により昇温した酸化性ガスまたは／および冷媒を、熱源用流体として回収することが好ましく、これによりスラグ顕熱を効率的に回収でき、製鉄所等のエネルギー効率を高め且つＣＯ_２ガス発生量を削減することができる。回収された水蒸気等の流体は、例えば、原料・燃料・副原料・廃棄物等の乾燥・予熱用熱源、給湯機用熱源、蓄熱材への供給熱源、吸着式冷凍機の再生用熱源、炭酸ガスその他の吸着装置の吸着材再生熱源などとして利用することができる。

また、冷媒として水や水蒸気を用いる場合、スラグとの接触により発生または昇温した水蒸気が、例えば１２０℃以上の過熱蒸気であれば、熱源用流体として非常に有用であるので、冷媒が接触することでそのような過熱蒸気を生じさせるような高温スラグを冷却対象とすることが好ましい。具体的には、冷却対象となるスラグは表面温度が２００℃以上、望ましくは３００℃以上、さらに望ましくは４００℃以上であることが好ましい。冷媒として水を用いる場合には、スラグ温度が低いと廃水が出やすく、この観点からはスラグ表面温度は３００℃以上、望ましくは４００℃以上が好ましい。また、スラグ表面温度が４００℃以上であれば、発生する水蒸気温度も高くなるので、スラグのエージング効果も期待できる。

水蒸気などを熱源用流体として回収するには、スラグの冷却処理を気密性のある処理容器内で行うことが好ましく、この処理容器から熱源用流体として水蒸気を取り出す。図３は、処理容器として回転式の筒状処理容器（回転ドラム）を用いた実施形態を模式的に示すものである。
この筒状処理容器４は、一端側にスラグ装入部４０、他端側にスラグ取出部４１と蒸気取出部４２を備えるとともに、一端側から他端側に向かって下向きに傾斜し、筒軸を中心に回転可能である。この筒状処理容器４の基本構造は、所謂ローターキルンなどの構造と同様であり、筒状処理容器４内に装入された材料（スラグ）は、長手方向で傾斜した筒状処理容器４が回転することにより、容器長手方向で順次移送される。筒状処理容器４内のスラグ移送方向上流部には、散水機構５が設置されている。

なお、筒状処理容器４によるスラグの処理は、（a）スラグをバッチ式に装入・取出する方式、（b）スラグの装入・取出を適当な時間間隔で行い、処理容器内には常にスラグを滞留させる方式、（c）スラグの装入を適当な時間間隔で行うとともに、スラグの取出を連続的に行う方式、（d）スラグの装入を連続的に行うとともに、スラグの取出を適当な時間間隔で行う方式、（e）スラグの装入・取出を連続的に行う方式、のうちいずれでもよい。これらのうち（a）以外の方式は、スラグが遊離ＣａＯを含む場合には、後から装入したスラグに散水して発生した蒸気が、その前に装入したスラグのエージング処理（遊離ＣａＯの水和反応）に利用される。
本実施形態では、回転する筒状処理容器４のスラグ装入部４０から容器内に高温スラグＳaが装入される。筒状処理容器４が回転しているので、装入されたスラグＳaの容器内壁への付着が防止される。筒状処理容器４の回転速度は任意であり、例えば２〜５回転／分程度でもよい。

筒状処理容器４内に装入された高温スラグＳaには、散水機構５から散水がなされ、この散水により蒸気が発生する。散水で発生した蒸気は、処理容器内をスラグ移送方向下流側に流れ、一方、散水によりある程度の温度まで冷却・降温したスラグＳaも、容器長手方向で順次移動する。この移動中のスラグに、同じ方向に流れる前記蒸気が接触し、両者の間で熱交換がなされるとともに、スラグが遊離ＣａＯを含む場合には、蒸気によりスラグ中の遊離ＣａＯが水和反応を生じるエージング処理がなされる。この際、筒状処理容器４の回転によりスラグが撹拌されるので、蒸気との接触が促進され、遊離ＣａＯの水和反応が効率的に生じることになる。また、水和反応する際の体積膨張（密度の低下による体積膨張）によりスラグが砕け（崩壊する）、新しい遊離ＣａＯがスラグ表面に露出して蒸気と接触し、さらに水和反応が進み、スラグは徐々に砕けて細粒化が進む。このようにスラグはエージング処理により徐々に細粒化するため、散水後におけるスラグの処理容器内での滞留時間（エージング処理時間）を適宜調整することにより、スラグを十分に細粒化し、エージング処理後の破砕工程を省略することができる。

筒状処理容器４内での処理を終えたスラグＳbは、スラグ取出部３から取り出されるとともに、蒸気は蒸気取出部４から取り出され、蒸気としてスラグ顕熱が回収される。
なお、処理容器としては、本実施形態のような方式のものに限らず、例えば、充填層式、移動床式、流動層式など、適宜な方式のものを用いることができる。

本発明の一実施形態を示す説明図本発明の他の実施形態を示す説明図本発明により処理されたスラグから顕熱回収を行うための装置を示す説明図

符号の説明

１スラグ鍋
２吹付ノズル
３供給配管
４筒状処理容器
５散水機構
６カバー
７ガス吸引管
８熱交換器
９集塵機
１０吸引ファン
２０ドラム
４０スラグ装入部
４１スラグ取出部
４２蒸気取出部
２００ドラム面
Ｓ溶融スラグ
Ｓa 高温スラグ
Ｓb スラグ

Claims

溶融状態であって且つ板状、柱状、細片状または粒状のいずれかの形態にされたスラグに酸化性ガスを吹き付け、スラグを球状に風砕することなくスラグ成分の一部を酸化させる改質処理を施すことを特徴とするスラグ処理方法。
酸化性ガスが、酸素、二酸化炭素および水蒸気の中から選ばれる１種以上を含むガス、酸素、二酸化炭素のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のスラグ処理方法。
スラグとの接触により昇温した酸化性ガスまたは／および冷媒を、熱源用流体として回収することを特徴とする請求項１または２に記載のスラグ処理方法。
溶融スラグを回転するアトマイズ用ドラムのドラム面に供給して粒状に飛散させ、該飛散中の溶融スラグに対して、請求項１〜３のいずれかに記載の処理を行うことを特徴とするスラグ処理方法。