JP2011105519A

JP2011105519A - 製鋼スラグの迅速エージング方法

Info

Publication number: JP2011105519A
Application number: JP2009258890A
Authority: JP
Inventors: Akie Ichihara; 明恵市原
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】製鋼スラグのうち、ｆ−ＭｇＯ系の膨張を示すスラグに対して効果が高く、短時間で処理可能な製鋼スラグの迅速エージング方法を提供することである。
【解決手段】製鋼スラグを１．０〜２．０ＭＰａの飽和蒸気にて水和反応処理によるエージング処理を施すことにより、製鋼スラグのうち、特にｆ−ＭｇＯが膨張要因となる製鋼スラグの膨張特性に対して水和反応処理であるエージング処理により、例えばエージング前の水浸膨張率が３．０％程度のスラグを１．５％以下に低減するために、０．５ＭＰａの飽和水蒸気にて６時間必要であった水和反応処理である４時間未満のエージング処理を施すことにより、ｆ−ＭｇＯが要因の製鋼スラグの図１に示すＪＩＳの規格値以下の膨張安定性を確保する道路の路盤用またはアスファルト混合物用の製鋼スラグの迅速エージング方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、加圧蒸気を用いた製鋼スラグの迅速エージング方法、特に製鋼スラグを道路用あるいは土木用の材料、例えば道路の路盤用またはアスファルト混合物用としてエージング処理を施す方法に関する。

先ず、製鋼スラグについて説明する。鉄鋼の生産の際に、同時に生成する非金属性の滓を、総じて「鉄鋼スラグ」という。鉄鋼スラグは、高炉で銑鉄を製造する際に副精製する「高炉スラグ」と、溶銑、スクラップなどを精錬して鋼を製造する際に、同時に生成する「製鋼スラグ」に分類される。この製鋼スラグは、精錬炉の種類によって、転炉スラグ、電気炉スラグに分類される。

このうち、製鋼スラグは金属酸化物を含有するため、高比重でかつ高強度なため、緩冷凝固により鉱物状に凝固させた後、破砕および粒度調整を行い、路盤材やアスファルト骨材等の道路用材料や、埋め戻し材や、基礎工事用など土木用材料などにリサイクル材料として有効利用されている。

この製鋼スラグの成分について説明する。製鋼工程で鋼を精錬するために、石灰やシリカ、酸化アルミ系の造滓材と呼ばれる副原料が精錬炉や取鍋炉の溶鋼中に投入され、これら非金属成分と、溶鋼が酸化した酸化鉄などの金属酸化物が、製鋼スラグの主成分となっている。また、精錬方法や鋼種特性などの違いによっては、副原料や原料として酸化マグネシウムやマグネシウムが溶鋼中に添加される。一方、精錬炉の耐火物には酸化マグネシウムが含まれており、この耐火物の溶損によっても、製鋼スラグにはＭｇＯが含まれる。

以上に説明したように、製鋼スラグの成分は、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯおよび金属酸化物であるが、その比率は精錬方法や鋼種特性などの違いによって種々様々となっている。

ここで、製鋼スラグの膨張特性について説明する。製鋼スラグを道路用途或いは土木用途に供する際に、満足すべき規格として、水浸膨張率が挙げられる。これら用途の規格である、ＪＩＳＡ５０１５「道路用鉄鋼スラグ」にも路盤材として供する際の規格として水浸膨張率１．５％以下と規定されている。

この製鋼スラグの膨張要因は、スラグ中に溶融で存在しているＣａＯ（以下、「ｆ−ＣａＯ」という。）およびＭｇＯ（以下、「ｆ−ＭｇＯ」という。）であり、これらが下記に示す（１）式および（２）式の水和反応を示すことで、ｆ−ＣａＯ単体で約１．９５倍の膨張反応およびｆ−ＭｇＯ単体で約２．２５倍の膨張反応がそれぞれ起こる。
ｆ−ＣａＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）₂ ・・・（１）
ｆ−ＭｇＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）₂ ・・・（２）

ｆ−ＣａＯの水和反応は、単体の場合８４℃で、約１日で水和反応が完了するなど、反応速度が速いことが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。これに対し、ｆ−ＭｇＯの水和反応は、焼結ＭｇＯの水和速度が約３８０日で最終到達膨張の４０%と、ｆ−ＣａＯに比べ、極めて遅い（例えば、非特許文献２参照。）。このため、ｆ−ＭｇＯが残存した状態で製鋼スラグ製品を出荷した場合、施工後、数年から場合によっては十数年を経た後に膨張し、花咲き現象などの路面悪化現象を起こすこととなり、大掛かりな保証問題に発展しかねない問題がある。

これらの製鋼スラグの膨張対策について説明する。これらの製鋼スラグの膨張要因である水和反応を終了させて、製鋼スラグの体積安定化を図る処理をエージングという。このエージングを行うためには、製鋼スラグを露天下のエージングヤードに山積みし、雨水や大気中の水分と反応させる通常のエージング方法である大気エージングの他に、蒸気や温水あるいは加圧蒸気にて処理を行う促進エージングの方法がある。

従来の技術で、この大気エージング方法は、処理期間が長く、広大なエージングヤードが必要となるため、スラグ製品の製造においては促進エージングが広く採用されており、その各種の処理方法およびその応用に関して多くの特許技術がある。すなわち、温水エージング関連特許として、スラグの破砕処理およびエージング処理方法（例えば、特許文献１参照。）、製鋼スラグの処理方法（例えば、特許文献２参照。）がある。さらに蒸気エージング関連特許として、蒸気エージング設備のエージングピツト（例えば、特許文献３参照。）、スラグの蒸気エージング装置（例えば、特許文献４参照。）、製鋼スラグのエージング処理装置および処理方法（例えば、特許文献５参照。）、製鋼スラグのエージング方法（例えば、特許文献６参照。）およびスラグ路盤材の製造方法（例えば、特許文献７参照。）がある。また、さらに加圧式蒸気エージング関連特許として、製鋼スラグのエージング方法およびその装置（例えば、特許文献８参照。）、製鋼スラグのエージング方法（例えば、特許文献９参照。）および製鋼スラグのエージング方法（例えば、特許文献１０参照。）がある。

これらの従来技術の問題点を挙げる。製鋼スラグの膨張要因として、含有率および膨張の発生頻度が高く、主たる膨張要因とされているのがｆ−ＣａＯであり、先述した既存のエージング処理による膨張抑制対策は、ｆ−ＣａＯを対象とした処理が多く見られる。
蒸気エージングや加圧式蒸気エージングでも、ｆ−ＭｇＯの処理は可能であり、特に加圧式蒸気エージングは、ｆ−ＭｇＯに対して効果が高い。しかし、特許文献８の製鋼スラグのエージング方法およびその装置および特許文献９の製鋼スラグのエージング方法、の加圧式蒸気エージング設備の処理圧力は、２．０〜１０．０ｋｇ／ｃｍ²Ｇであり、当該特許の請求項にある２〜６時間、あるいは１〜５時間の処理範囲では、製鋼スラグの組成、膨張特性は極めて多様であるため、製鋼スラグによっては、十分な膨張抑制効果が得られない場合がある。また特許文献１０の製鋼スラグのエージング方法では、加圧蒸気による処理中に一旦圧力を設定圧力の５０％以下に減圧後、再度昇圧する必要があり、降圧、昇圧にかかる処理時間が必要な上、再昇圧のための蒸気が必要となるため、エネルギーロスが多かった。

特許第３２４１１６１号公報特許第３２６７７３７号公報特許第３２２２６９８号公報特許第２８７１５１７号公報特許第３２３０４１２号公報特許第３３２０５４０号公報特許第２９２７１５０号公報特許第２８７３１７８号公報特許第２６６７８００号公報特開２００７−１０６６３１号公報

ＪｕｔｇｅｎＧｅｉｓｅｌｅｒ、ＲｕｔｈＳｃｈｌｏｓｓｅｒ、ＲｕｄｉｇｅｒＳｃｈｅｅｌ、ＫｉａｕｓＫｏｃｈ and ＤｉｅｔｅｒＪａｎｋｅ共著「ＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈ」５８（１９８７）、ｐ．２１０横幕豊一、水渡英昭、井上亮、高橋愛知共著「材料とプロセス」（１９７７）、Ｓ．４１８

本発明が解決しようとする課題は、製鋼スラグのうち、特にｆ−ＭｇＯ系の膨張を示すスラグに対して効果が高く、従来の１０時間以上の長時間処理に比して、より短時間で処理が可能な製鋼スラグの迅速エージング方法を提供することである。ここで、本発明の方法はｆ−ＭｇＯ系膨張スラグだけでなく、ＭｇＯ含有煉瓦の膨張抑制対策としても利用可能で、ＭｇＯ含有煉瓦を路盤材などの用途に利用する際にも適応できる製鋼スラグの迅速エージング方法を提供することである。なお、本願明細書では、エージング前の水浸膨張率が２．０％未満のｆ−ＭｇＯ系膨張を示すスラグを「低ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグ」、２．０％以上のｆ−ＭｇＯ系膨張を示すスラグを「高ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグ」と定義する。

上記の課題を解決するための手段は、本発明の請求項１の手段では、製鋼スラグに対し、１．０〜２．０ＭＰａの飽和蒸気にて水和反応処理であるエージング処理を施すことにより、製鋼スラグの膨張要因のうち、特にｆ−ＭｇＯの水和反応を促進し、従来の１．０ＭＰａ以下の処理に比べて短時間のエージング処理にて製鋼スラグの膨張安定性を確保する、製鋼スラグの迅速エージング方法である。例えばエージング前の水浸膨張率が３．０％程度のスラグを１．５％以下に低減するために、０．５ＭＰａの飽和蒸気にて６時間必要であったエージング処理を、１．０ＭＰａの飽和蒸気にてエージング処理を施すことで、４時間未満で膨張安定性を確保することを特徴とする製鋼スラグの迅速エージング方法である。

請求項２の手段では、請求項１の手段の製鋼スラグの迅速エージング方法において、処理を行う製鋼スラグの粒度を４０ｍｍ以下として水和反応処理を施すことを特徴とする製鋼スラグの迅速エージング方法である。

本発明により、１．０ＭＰａ以上の加圧飽和蒸気にてエージング処理を実施することで、特にｆ−ＭｇＯ系スラグの迅速なエージング処理が可能となった。これにより、処理時間の短縮化が図れる。加圧式蒸気エージングは、従来の大気エージングや野積み式の蒸気エージングに比べ、設備投資が高額であり、また処理量および処理時間によって、設備設計を行う必要があるが、本発明の方法により、処理時間の短縮化が図れる結果、設備の縮小につながり、設備投資面でのメリットが得られる。この場合、処理を行う製鋼スラグの粒度を４０ｍｍ以下とすることでより一層に迅速なエージングが実施できる。

縦軸を水浸膨張率、横軸を加圧式蒸気エージング処理時間として、製鋼スラグおよび煉瓦屑の０．５ＭＰａ〜１．８ＭＰａの処理圧力での水浸膨張試験の結果を示すグラフである。縦軸を水浸膨張率、横軸を加圧式蒸気エージング処理圧力として、製鋼スラグおよび煉瓦屑の０．５ＭＰａ〜１．８ＭＰａの処理圧力での水浸膨張試験の結果を示すグラフである。ｆ−ＣａＯ系製鋼スラグ１〜５とｆ−ＭｇＯ系製鋼系スラグ１〜５の水浸膨張率を棒グラフにより示す。

本発明を実施するための形態について、表および図面を参照して説明する。製鋼スラグのうち、特にｆ−ＭｇＯが膨張要因となる製鋼スラグの膨張特性に対し、１．０〜２．０ＭＰａの飽和蒸気にて水和反応処理を施すことにより、４時間未満の短時間で膨張安定性を確保することができる理由を以下に順次説明する。

ｆ−ＭｇＯ系膨張を示す製鋼スラグおよび煉瓦屑に対して、０．５ＭＰａ〜１．８ＭＰａの処理圧力でエージング試験を行った。ここで、製鋼スラグを道路用或いは土木用の材料に供する場合、４０ｍｍ以下の粒度に破砕し製品化することが多く、スラグの膨張要因であるｆ−ＣａＯ或いはｆ−ＭｇＯはスラグ塊中に点在していることから、４０ｍｍ以下の製品粒度に破砕後にエージング処理を行うほうが、膨張抑制効果が高いことは明らかである。よって、エージング前の試料は４０ｍｍ以下に破砕後採取し、エージング処理は４０ｍｍに破砕した試料に関して実施した。試験後のサンプルは、ＪＩＳＡ５０１５における「道路用鉄鋼スラグ附属書２鉄鋼スラグの水浸膨張試験方法」に規定の方法にて試料を作成し、８０℃±３℃の温水中で２４時間、膨張反応が終了するまで試験を行った。加圧式蒸気エージング処理時間０hrとは、エージング前の処理時間のことであり、およびその水浸膨張率である。この膨張率は、製鋼スラグ中の膨張要因であるｆ−ＭｇＯの含有量によって変化する。エージング前の水浸膨張率が２．０％未満と低い低ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグの認定番号ａ．１〜ａ．５、エージング前の水浸膨張率が２．０％以上である高ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグの認定番号ｂ．１〜ｂ．１５並びにＭｇＯ含有煉瓦屑の認定番号ｃ．１〜ｃ．４からなる３種類のサンプルについて、水浸膨張試験を実施した。その結果を表１並びに図１および図２に示す。ここで、路盤材などの用に供される製鋼スラグの水浸膨張率の上限は、ＪＩＳＡ５０１５における「道路用鉄鋼スラグ」より、１．５％以下である。

上記の認定番号ｃ．１〜ｃ．４のＭｇＯ含有の煉瓦屑は、製鋼スラグのＭｇＯ混入源であり、極めて高いｆ−ＭｇＯ系膨張を示すモデルサンプルとして、エージング処理済みの製鋼スラグに２０％混合されている。

図１は、認定番号ｂ．の高ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグについて、０．５ＭＰａ、１．０ＭＰａ、１．５ＭＰａ、１．８ＭＰａの加圧蒸気にて、２時間、４時間、１０時間および２０時間のエージング処理を行った結果を、圧力ごとに整理し、処理圧力による膨張抑制効果を示す図である。同じ処理時間であれば圧力が高いほど、処理後の水浸膨張率が低く、高圧ほど処理の効果が高いことが図１よりわかる。すなわち、水浸膨張率１．５％を満足するためには、処理圧力が高いほど短時間の処理で済み、０．５ＭＰａの圧力では６時間程度の処理が必要であるのに対し、１．０ＭＰａでは３時間程度、１．８ＭＰａでは２時間程度の処理時間で、規格値の１．５％を満足する処理が可能であることがわかる。

次に、図２に、認定番号ａ．の低ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグ、認定番号ｂ．の高ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグおよび認定番号ｃ．のＭｇＯ含有の煉瓦屑を、それぞれ、２時間、４時間、２０時間、加圧蒸気エージング処理した試料についての水浸膨張試験結果をまとめて示す。エージング処理前の水浸膨張率が規格値である１．５％を僅かに超えている認定番号ａ．の低ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグは、圧力の上昇に伴う効果が低く、圧力によらず２時間の処理で規格値の１．５％以下の膨張率となる。しかし、エージング処理前の膨張率が３％程度ある認定番号ｂ．の高ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグでは、０．５ＭＰａの処理圧力では規格を満足せず、４時間以上の処理時間が必要となるのに対し、１．０ＭＰａの処理圧力では４時間の処理時間で規格を満足する。さらに高いｆ−ＭｇＯ系の膨張を示す認定番号ｃ．のＭｇＯ含有の煉瓦屑では、圧力による効果が明確で、０．５ＭＰａの２０時間処理では３．０％あった水浸膨張率が、１．０ＭＰａの２０時間では０．７％程度まで減少し、圧力の増加に伴って膨張率が低減されている。

次に、図３に１．０ＭＰａによる加圧式蒸気エージングの効果を示す。表２に１．０ＭＰａの加圧式蒸気エージングの効果を示す。すなわち、１．０ＭＰａの加圧式蒸気エージング設備を導入し、この加圧式蒸気エージング設備により、ｆ−ＣａＯ系膨張スラグおよびｆ−ＭｇＯ系膨張スラグについて、２時間および４時間の加圧蒸気エージングを実施し水浸膨張率を測定した。この結果を表２および図３に示す。処理圧力１．０ＭＰａによる加圧式蒸気エージングによって、ｆ−ＭｇＯ系膨張スラグだけでなく、ｆ−ＣａＯ系膨張スラグにも、高い膨張抑制効果が得られ、規格を満足するスラグ製品が得られることがわかる。

Claims

製鋼スラグを１．０ＭＰａ〜２．０ＭＰａの飽和蒸気にて水和反応処理を施すことにより、ｆ−ＭｇＯが要因の製鋼スラグの膨張安定性を確保することを特徴とする製鋼スラグの迅速エージング方法。
請求項１に記載の製鋼スラグの迅速エージング方法において、処理を行う製鋼スラグの粒度を４０ｍｍ以下として水和反応処理を施すことを特徴とする製鋼スラグの迅速エージング方法。