JP6191675B2 - 製鋼スラグ粒子、製鋼スラグ、及び製鋼スラグ粒子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製鋼スラグ粒子、製鋼スラグ、及び製鋼スラグ粒子の製造方法に関する。

製銑、製鋼工程、具体的には高炉、混銑車（予備処理プロセスなどを行う。以下、単に「予備処理プロセス」ともいう）、転炉、電気炉の各処理工程において、副生成物としてスラグが発生する。これらのうち、予備処理プロセス、転炉、電気炉などの製鋼工程におけるスラグを製鋼スラグと称する。製鋼スラグは、土木・建築材料、地盤改良材、肥料・土壌改良材などの用途に供される。土木・建築材料の用途でセメント原料や骨材として使用される場合、製鋼工程における副原料として投入される石灰を多く含む製鋼スラグは、石灰の一部が完全には溶解せず遊離石灰（ｆ−ＣａＯ）として残留しているため、水と接触した際、遊離石灰が水和膨張するという問題を生じる。この遊離石灰による水和膨張を抑制する手段としては幾つかの処理方法があり、その一つとして特許文献１に記載されるような風砕処理が知られている。

風砕処理とは、空気などの気体を溶融状態のスラグに吹き付けて冷却固化させる処理のことである。風砕処理された製鋼スラグは、風砕スラグと呼ばれる平均粒径が数ｍｍ以下の球状の粒子となる。このような球状の風砕スラグの用途として、膨張しないという特徴と数ｍｍ以下という平均粒径とに基づき、コンクリートやアスファルトなどに使用される細骨材として利用されている。

特開２００４−２３８２３４号公報

しかしながら、風砕スラグのような球状の製鋼スラグは、これを搬送、保管する際の積み上げ時の安息角（以下、単に「安息角」ともいう）が小さく、積み上げ形状を維持できないため、ベルトコンベアなどの既存設備を用いたハンドリングや保管が困難である。従って、細骨材として使用するためには、ハンドリングや保管のために新たな設備や手法などが必要となる。また、球状の製鋼スラグを粉砕することで、安息角を大きくすることが可能であるが、その場合、粒径が細かくなり過ぎて細骨材として使用できない。そこで、本発明は、安息角を大きくし、ベルトコンベア及びトラックなどの設備を用いたハンドリング並びにヤードなどでの保管が容易であって、水和膨張し難く、細骨材として好適に使用することができる製鋼スラグ粒子をその製法に併せて提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、製鋼スラグの処理方法、製鋼スラグ粒子の形状などについて鋭意研究を行った。その結果、製鋼スラグを曲面と破断面とを有する粒子の形状とし、その表面積の１０〜９０％を曲面で構成することにより、風砕スラグのような球状の製鋼スラグよりも大きな安息角を達成し、ベルトコンベア及びトラックなどの設備を用いたハンドリング並びにヤードなどでの保管が容易で細骨材として好適に使用することができることを見出した。本発明は、この知見に基づき完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は、次の通りである。
１．閉曲面の一部が破断面となる表面形状を有し、表面積の１０〜９０％が曲面で構成されることを特徴とする、製鋼スラグ粒子。

２．平均粒径が０．１〜５ｍｍであることを特徴とする、前記１に記載の製鋼スラグ粒子。

３．製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグに気体を吹き付けて球状スラグとし、該球状スラグを機械的に破砕してなることを特徴とする、前記１又は２の製鋼スラグ粒子。

４．通過質量５０％の前記製鋼スラグ粒子が、通過質量５０％の前記球状スラグの平均質量の０．１〜０．５の範囲の平均質量を有することを特徴とする、前記３の製鋼スラグ粒子。

５．前記１〜４のいずれかの製鋼スラグ粒子を含む、製鋼スラグ。

６．製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグに気体を吹き付けて、球状スラグを得る工程と、
該球状スラグを機械的に破砕する工程と、
を具えることを特徴とする、前記１〜４のいずれかの製鋼スラグ粒子の製造方法。

７．前記球状スラグを、ロッドミルを用いて機械的に破砕することを特徴とする、前記６の製造方法。

本発明によれば、安息角が大きく、ベルトコンベア及びトラックなどの設備を用いたハンドリング並びにヤードなどでの保管が容易であって、水と接触しても膨張せず、細骨材として好適に使用することができる製鋼スラグ粒子、前記製鋼スラグ粒子を含む製鋼スラグ、並びに前記製鋼スラグ粒子の製造方法を提供することができる。

［製鋼スラグ粒子］
以下、本発明の製鋼スラグ粒子について、具体的に説明する。
本発明の製鋼スラグ粒子は、閉曲面の一部が破断面となる表面形状を有し、その表面積の１０〜９０％が曲面で構成されることを特徴とする。ここで、「閉曲面」とは、球面のように閉じている曲面を意味する。閉曲面の一部が破断面となることにより、製鋼スラグ粒子表面は、１以上の曲面と１以上の破断面とから構成されることとなる。ここで、「曲面」とは、曲線が動いてできる連続的に曲がった凸面であって、機械的な力による破壊を受けていないものを意味する。かかる曲面は、光沢を有し、滑らかで角を持たない。かかる曲面の曲率は、特に限定されず、球面の曲率と比較して、小さくても大きくてもよい。また、「破断面」とは、閉曲面からなる表面形状を有する球状の製鋼スラグ（本明細書中では、「球状スラグ」と称する）が、例えば、破砕など、機械的な力を受けて破壊されるときに、該球状スラグの任意の面に沿って新たに生成される断面を意味する。前記任意の面は、前記閉曲面を有する球状スラグの中心を通っていてもいなくてもよい。かかる破断面は、光沢を有さず、必ずしも平滑でなく、１つの破断面上に、凸面及び／又は凹面や角が１つ以上存在していてもよい。本発明の製鋼スラグ粒子は、かかる破断面を１つ以上有する。

製鋼スラグ粒子が、閉曲面の一部が破断面となる表面形状を有することは、目視により又は拡大鏡や光学顕微鏡などを用いて、１以上の曲面と１以上の破断面とから構成されていることを観察することにより、確認することができる。曲面は、光沢を有し、滑らかで角を有さない凸曲面として観察され、一方、破断面は、光沢を有さない褐色がかった面として観察される。

また、本発明の製鋼スラグ粒子は、表面積の１０〜９０％が曲面で構成され、表面積の１５〜８０％が破砕前の球状スラグの曲面から構成されることが好ましい。「表面積の１０〜９０％が曲面で構成される」とは、当該製鋼スラグ粒子の表面積、すなわち、１以上の曲面の総面積と１以上の破断面の総面積とを合計した面積のうちの１０〜９０％を該１以上の曲面の総面積として占めることを意味する。当該１以上の曲面の総面積が表面積に占める割合、すなわち、曲面面積率は、公知の手法で測定又は概算することによって、決定することができる。具体的には、製鋼スラグ粒子を数百g採取し、縮分機で数十gに縮分し、その製鋼スラグ粒子を1層に並べた状態で上部より写真を撮る。そして、撮影した写真上に、正方形の一辺の長さが製鋼スラグ粒子径と同等かそれ以下となる格子線を均等に書き込む。その格子線同士が交わる点（交点）と重なる製鋼スラグ粒子の表面が、光沢をもつ曲面か光沢を持たない破断面か目視で判断する。曲面と重なるもの、破断面と重なるもの、それぞれの交点の個数を数えることで、破砕後の製鋼スラグの１以上の曲面の総面積と１以上の破断面の総面積との割合（％）を算出することができる。

本発明の製鋼スラグ粒子は、閉曲面の一部が破断面となる表面形状を有し、表面積の１０〜９０％が曲面で構成されるため、球状スラグと比べて大きな安息角を有する。そのため、該製鋼スラグ粒子を、例えば、コンベアベルトのような傾斜を伴う平面上に積み上げて運搬する場合であっても、該製鋼スラグ粒子が転がって崩れ落ちることがない。従って、ベルトコンベアなどの設備及びトラックなどの運搬手段を用いたハンドリング並びにヤードなどでの保管を容易にすることができる。また、表面積の１０〜９０％が曲面で構成されるため、一定の粒径及び平均粒径を保つことができ、コンクリートやアスファルトにおける細骨材として好適に使用することができる。

本発明の製鋼スラグ粒子は、０．１〜５ｍｍの平均粒径を有することが好ましい。ここで、「平均粒径」とは、ＪＩＳ Ａ １１０２に準拠して、対象とする粒子が各ふるいを通過する質量分率を求め、これによって定まる該質量分率が５０％となる粒径を意味する。平均粒径を０．１〜５ｍｍとすることにより、必要以上に小さい又は大きい粒径の粒子が存在せず、コンクリートやアスファルトにおける細骨材として好適に使用できるからである。本発明の製鋼スラグ粒子の平均粒径は、ＪＩＳ Ａ １１０２に準拠して、該製鋼スラグ粒子が各ふるいを通過する質量分率を求め、これによって定まる該質量分率が５０％となる粒径を特定することによって、求めることができる。

本発明の製鋼スラグ粒子は、特に限定しないが、製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグに気体を吹き付けて球状スラグとし、該球状スラグを機械的に破砕してなることが好ましい。製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグとして用いることができるスラグは、予備処理プロセス、転炉、電気炉のいずれかから副生されたものでよく、その組成によって特に限定されない。製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグを容器から例えば鉛直方向から水平方向に流出させて気体を吹き付けると、該溶融状態のスラグに表面張力が働くとともに冷却固化されて、球状スラグとすることができる。該溶融状態のスラグに吹付ける気体は、特に限定しないが、空気、酸素、二酸化炭素、水蒸気などが挙げられる。吹き付ける気体の流速は、特に限定しないが、８０〜１５０ｍ／ｓが好ましい。

製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグにかかる気体を吹き付けて球状スラグとする処理は、風砕処理とも呼ばれる。風砕処理を行うと、該溶融状態のスラグ中の鉄分やＦｅＯが空気などで酸化されてフェライト相となり、前記フェライト相と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球状スラグを得ることができる。また、前記気体として、炭酸ガス、炭酸イオン若しくは炭酸水素イオンなどを含む水溶液を、空気、酸素、二酸化炭素、水蒸気などと共に吹付けて、球状スラグ表面に炭酸化物の被膜を形成させてもよい。前記単酸化物の被膜は、水和膨張を一層生じにくくすることができる。

前記風砕処理によって得られた球状スラグ（風砕スラグ）は、特に限定しないが、コンクリートやアスファルトにおける細骨材として好適に使用できる製鋼スラグ粒子を得ることができるため、０．１〜５ｍｍの平均粒径を有するのが好ましい。

本発明の製鋼スラグ粒子は、上述のような風砕処理を行って得られた球状スラグ（風砕スラグ）を機械的に破砕してなることが好ましい。本発明において、破砕とは、破砕対象の粒子に力を加えて粗く砕き、０．１〜５ｍｍの粒径を有する比較的大きな粒子とすることを意味する。ここで、「粒径」とは、個々の粒子の長軸径を意味し、「長軸径」とは、粒子の輪郭をこれに接する２本の平行線で挟んだときの最も大きい平行間隔を意味する。

破砕するときに破砕対象の粒子に加える力としては、特に限定しないが、圧力、衝撃力、せん断力、摩擦力、屈曲力、遠心力などが挙げられる。一種類の力のみを加えて破砕してもよく、又は二種類以上の力を組み合わせて加えて破砕してもよい。これらの力を機械的に加えることができる破砕手段としては、例えば、各種の破砕機、粉砕機、ミルなどが挙げられる。より具体的には、例えば、ロッドミル、ジェットミル、ボールミルなどが挙げられる。製鋼スラグの組成、硬度、製鋼スラグ粒子について所望する平均粒径などに応じて、加える力の種類、その他の破砕条件などを適切に選択することができる。

上述のように機械的に破砕してなる本発明の製鋼スラグ粒子が有する曲面は、破砕前の球状スラグの表面を構成していた曲面が保持されたものである。機械的に破砕してなる本発明の製鋼スラグ粒子の曲面面積率は、下記で説明する製造方法において用いる破砕手段、破砕条件、破砕される球状スラグの組成及び硬度などの条件を適宜調整することによって、制御することができる。

また、上述のように機械的に破砕してなる本発明の製鋼スラグ粒子は、その通過質量５０％の粒子が、機械的に破砕される前の球状スラグの通過質量５０％の粒子の平均質量の０．１〜０．５の範囲の平均質量を有することが好ましい。本明細書中において、「通過質量５０％の粒子の平均質量」とは、前記平均粒径を有する粒子の平均質量を意味する。「機械的に破砕してなる製鋼スラグ粒子の通過質量５０％の粒子が、前記球状の製鋼スラグの通過質量５０％の粒子の平均質量の０．１〜０．５の範囲の平均質量を有する」とは、破砕されてなる製鋼スラグ粒子が、質量で、破砕前の球状スラグの約１０分の１〜約２分の１となることを意味する。言い換えると、球状スラグ１個が、約２個〜約１０個に破砕されたことを意味する。球状スラグと比べて大きな安息角を有することができるとともに、比較的範囲の狭い粒度分布及び平均粒径を保つことができ、コンクリートやアスファルトにおける細骨材として好適に使用できるからである。通過質量５０％の粒子の平均質量は、平均粒径の真球であると仮定して、その体積に粒子密度を乗じることによって推定することができる。

［製鋼スラグ］
本発明の製鋼スラグは、上述する製鋼スラグ粒子を含むことを特徴とする。本発明の製鋼スラグは、１個以上の上述する製鋼スラグ粒子を含めばよく、１個以上の上述する製鋼スラグ粒子のみから構成されてもよい。

［製鋼スラグ粒子の製造方法］
閉曲面の一部が破断面となる表面形状を有し、表面積の１０〜９０％が曲面で構成されることを特徴とする製鋼スラグ粒子は、製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグに気体を吹き付けて、球状スラグを得る工程と、該球状スラグを機械的に破砕する工程と、を具える製造方法によって製造することが好ましい。

製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグに気体を吹き付けて、球状スラグを得る工程において、製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグとして用いることができるスラグは、予備処理プロセス、転炉、電気炉のいずれかから副生されたものでよい。当該溶融状態のスラグを容器から例えば鉛直方向から水平方向に流出させて気体を吹き付けると、該溶融状態のスラグに表面張力が働くとともに冷却固化されて、球状スラグとすることができる。該溶融状態のスラグに吹付ける気体は、特に限定しないが、空気、酸素、二酸化炭素、水蒸気などが挙げられる。吹き付ける気体の流速は、特に限定しないが、８０〜１５０ｍ／ｓが好ましい。

本発明の製造方法は、製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグに気体を吹き付けて得られた球状スラグを機械的に破砕する工程を具える。破砕するときに破砕対象の球状スラグに加える力、及び破砕手段は、上述する通りである。球状スラグを機械的に破砕することによって、前記球状スラグを、各々が球状スラグの表面に由来する曲面に加えて１つ以上の破断面を有する、２つ以上の製鋼スラグ粒子とすることができる。

上記破砕手段の中でも、前記球状スラグを、その被処理量の一部のみでなく被処理量の全体を均等に破砕して、細骨材として好適に使用できる平均粒径０．１〜５ｍｍの製鋼スラグ粒子とすることができるため、ロッドミルが好ましい。ロッドミルでは、回転するミル内において、ロッドの落下や、ロッドとスラグとの衝突により、球状スラグに力が加えられる。ロッドミルの回転数は、特に限定しないが、１００〜２００ｒｐｍであるのが好ましい。

前記破砕工程後に得られた製鋼スラグ粒子に、必要に応じて、ふるい分け、分級などを行ってもよい。本発明の製鋼スラグ粒子は、安定角が大きいため、ベルトコンベア及びトラックなどの設備を用いたハンドリング並びにヤードなどでの保管が容易である。製造過程において風砕処理を行っている場合、水和膨張もしにくい。また、一定の粒径を保持しているため、コンクリートやアスファルトにおける細骨材として好適に使用することができる。

以下、発明例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。

脱炭した転炉スラグを、製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグとして用いた。この転炉脱炭スラグを１５５０℃以上で溶解した後、溶融状態のスラグの入った容器を傾転して、スラグを排出し、容器下部に設置したノズルより高速の空気を、落下中のスラグに吹付けて飛散させた。吹付けた空気の流速は１００〜１５０ｍ／ｓであり、使用したノズルの断面は５０ｍｍ×３ｍｍであった。このようにして得た球状スラグは、光沢のある球に近い閉曲面を有しており、平均粒径が１．０ｍｍであった。この球状スラグを採集し、ロッドミル、ボールミル、ロッドもボールも用いない回転ミル、のいずれかの破砕手段を用いて機械的に力を加えて破砕処理を行った。

実施例及び比較例の構成及び結果を表１に示す。結果は、（１）破砕状況、（２）安息角評価（ベルトコンベア運搬状況）、（３）曲面面積率、および（４）破砕後質量／破砕前質量、によって評価した。（１）〜（４）の評価方法は、下記の通りである。

（１）破砕状況
破砕処理後の製鋼スラグ粒子の状態に基づき、破砕状況を評価した。破砕処理後の製鋼スラグ粒子が、閉曲面の一部が破断面となる表面形状を有するものが主であり、且つ０．１〜１．０ｍｍの範囲内の平均粒径を有した場合に、破砕状況を良と評価した。一方、破砕処理後の製鋼スラグ粒子が、閉曲面の一部が破断面となる表面形状を有さないものが主であった場合、又は平均粒径０．１ｍｍ（１００μｍ）未満であった場合に、破砕状況を不良と評価した。表面形状は、顕微鏡を用いて表面形状を拡大観察して評価した。平均粒径は、ＪＩＳ Ａ １１０２に準拠して、測定した。

（２）安息角評価
各実施例及び比較例で破砕処理後に得られた製鋼スラグ粒子を、水平な幅６００ｍｍのベルトコンベア上に載せて、速度１８０ｍ/ｍｉｎで１００ｍを運搬し、ベルト上で該粒子の転がりが認められるか否かを観察した。製鋼スラグ粒子の転がりが認められなかった場合は「良」と評価し、製鋼スラグ粒子の転がりが認められた場合は「不良」と評価した。評価が良である場合は、破砕処理後に得られた製鋼スラグ粒子の安定角が大きく、良好な又は使用に足る表面形状を有する。一方、評価が不良である場合は、破砕処理後に得られた製鋼スラグ粒子の安定角が小さく、破砕処理前の球状スラグの安息角と同等である。

（３）曲面面積率
破砕後の製鋼スラグ粒子を１００g採取し、縮分機で１０gに縮分し、その製鋼スラグ粒子を1層に並べた状態で上部より写真を撮った。撮影した写真を拡大し、その上に、正方形の一辺の長さが製鋼スラグ粒子の粒径以下である格子線を均等に書き込んだ。その格子線同士の交点と重なる製鋼スラグ粒子の表面が、光沢をもつ曲面か、光沢を持たない破断面か、目視で判断した。曲面と重なる交点の数、破断面と重なる交点の数、それぞれを数えることで、破砕後の製鋼スラグ粒子の表面積における曲面と破断面との割合を算出し、曲面の面積率（％）を算出した。

（４）破砕後質量／破砕前質量
破砕処理前に球状スラグの通過質量５０％の粒子の平均質量を求めた。同様に、各実施例及び比較例において破砕処理後に得られた製鋼スラグ粒子の通過質量５０％の粒子の平均質量を求め、これを、破砕処理前の球状スラグの通過質量５０％の粒子の平均質量で割って得られた値を表１に示した。

ロッドミルを用いた発明例では、球状スラグが破砕されて、本発明の製鋼スラグ粒子が得られた。発明例で得られた製鋼スラグ粒子は、光沢のある曲面と光沢の無い破断面とからなり、光沢のある曲面の総面積が表面積全体の１０〜９０％を占めていた。つまり、発明例で得られた製鋼スラグ粒子は、表面積の１０〜９０％が破砕前の球状スラグに由来する曲面で構成されていた。また、通過質量５０％の製鋼スラグ粒子が、破砕処理前の球状スラグの平均質量の０．１〜０．５の範囲内の平均質量を有し、平均粒径１００μｍ未満まで小さく破砕されていることも無かった。また、大きな安息角を有し、コンベアベルト上での転がりが認められず、安息角評価（ベルトコンベア運搬状況）も良好であった。

一方、ミル内にボールやロッドを入れずスラグのみを回転させた回転ミルの場合、ミルを３０分回転させた後でも球状スラグが僅かに欠けただけで、得られた製鋼スラグ粒子は、表面積の９０％超が曲面で構成されており、投入時のままの球形を殆ど保持した。また、直径５ｍｍのボールを１０個入れて回転させたボールミルの場合にも、ミルを６０分回転させた後に得られた製鋼スラグ粒子は、表面積の９０％超が曲面で構成されており、投入時のままの球形を殆ど保持した。これら表面積の９０％超が曲面で構成された製鋼スラグ粒子は、安息角が小さいため、コンベアベルト上で転がりが認められ、安息角評価（ベルトコンベア運搬状況）が不良であった。

また、ロッドの本数又はボールの個数を増やす、ミルの回転数（ｒｐｍ）を増やして回転速度を速めるといった、過酷な条件下で破砕を行った場合には、得られた製鋼スラグ粒子は、曲面面積率が１０％未満であり、平均粒径０．１ｍｍ（１００μｍ）未満まで小さく粉砕されて、細骨材としての使用に適さなかった。

上記結果から明らかなように、発明例の製鋼スラグ粒子は、大きな安息角を有し、細骨材として好適に使用できることが分かる。

本発明の製鋼スラグ粒子及び該製鋼スラグ粒子を含む製鋼スラグは、コンクリートやアスファルトにおいて使用される細骨材として好適に利用することができる。また、本発明の製造方法は、コンクリートやアスファルトに細骨材として好適に利用できる製鋼スラグ粒子の製造方法として、製鋼過程で発生したスラグの再利用に利用することができる。

Claims (7)

1. 凸曲面と破断面とからなる表面形状を有し、以下の方法で求められる曲面面積率が１０〜９０％であることを特徴とする、製鋼スラグ粒子。
   製鋼スラグ粒子を数百g採取し、縮分機で数十gに縮分し、その製鋼スラグ粒子を1層に並べた状態で上部より写真を撮り、撮影した写真上に、正方形の一辺の長さが製鋼スラグ粒子径と同等かそれ以下となる格子線を均等に書き込み、その格子線同士の交点と重なる製鋼スラグ粒子の表面が、光沢をもつ凸曲面か光沢を持たない破断面か目視で判断し、曲面と重なる交点の数をＡ、破断面と重なる交点の数をＢとしたときに、｛Ａ／（Ａ＋Ｂ）｝×１００を「曲面面積率」とする。
2. 平均粒径が０．１〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の製鋼スラグ粒子。
3. 製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグに気体を吹き付けて球状スラグとし、該球状スラグを機械的に破砕してなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の製鋼スラグ粒子。
4. 通過質量５０％の前記製鋼スラグ粒子が、通過質量５０％の前記球状スラグの平均質量の０．１〜０．５の範囲の平均質量を有することを特徴とする、請求項３に記載の製鋼スラグ粒子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の製鋼スラグ粒子を含む、製鋼スラグ。
6. 製鋼の過程で発生した溶融状態のスラグに気体を吹き付けて、球状スラグを得る工程と、
   該球状スラグを機械的に破砕する工程と、
   を具えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製鋼スラグ粒子の製造方法。
7. 前記球状スラグを、ロッドミルを用いて機械的に破砕することを特徴とする、請求項６に記載の製鋼スラグ粒子の製造方法。