JP5949574B2 - 凝固スラグの形状制御装置、凝固スラグの形状制御方法、および凝固スラグの製造方法 - Google Patents

凝固スラグの形状制御装置、凝固スラグの形状制御方法、および凝固スラグの製造方法 Download PDF

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本発明は、鉄鋼製造プロセス等で排出されるスラグ（鉱滓）を凝固成形する凝固スラグの形状制御装置および形状制御方法と、この形状制御方法によって凝固成形される凝固スラグとに関する。
鉄鋼製造プロセスで排出されるスラグは、水砕処理または徐冷処理などを経て、水砕砂やスラグ骨材として利材化されている。とくにスラグ骨材は、通常、ドライピットに排出されたスラグを徐冷して固めた後、破砕処理および篩い分け等を経て所定の粒度分布（例えばＪＩＳ＿Ａ５０１１−１など）を有するものが製造される。なお、特許文献１には、金属製の移動鋳型を設けた鋳滓機を用いて溶融スラグを厚さ１０ｍｍ〜３０ｍｍになるように凝固成形し、緻密で強度の高い板状の凝固スラグを形成した後、破砕処理および篩い分け等を行なってスラグ骨材を製造する方法が開示されている。
特開２００３−８２６０６号公報
一般に、コンクリート用骨材は、コンクリート施工の際に必要な流動性を得るために、骨材形状や粒度分布が明確に規定されている。このため、スラグ骨材は、破砕処理および篩い分け等を行うことで、適正な形状および粒度分布となるように調整される。図１０は、板状の凝固スラグからスラグ骨材を製造する場合に、破砕した凝固スラグから採取できるスラグ骨材の粒径分布と採取位置とを示す模式図である。この図１０では、破砕や篩い分けの過程で破砕片の角が削られるため、スラグ骨材を球形で示している。この図１０からわかるように、破砕による粒径減少も考慮すると、目的とするスラグ骨材の粒子Ｂの粒径範囲の上限値の１．２〜２．０倍程度の厚さ（凝固厚Ｔ）にスラグを凝固させる必要がある。しかしながら、スラグの凝固厚を厚くした場合、破砕処理のコストが高くなってしまう。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スラグの凝固厚を必要以上に厚くすることなく、破砕後に適正な形状および粒度分布を有するスラグ骨材が低コストで得られる形状に凝固させた凝固スラグを得ることができる、凝固スラグの形状制御装置および形状制御方法を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、破砕後に適正な形状および粒度分布を有するスラグ骨材を低コストで得ることができる凝固スラグを提供することにある。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、連続的に搬送される鋳型に高炉からのスラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグの上面および下面のそれぞれに対して異なる凹凸形状を付与する手段を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、上記発明において、前記凝固スラグの上面の凹凸形状は、成形工具を機械的に押し込む操作により付与され、前記凝固スラグの下面の凹凸形状は、前記鋳型の底部に少なくとも１箇所以上設けられた凸状***部によって付与されることを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、上記発明において、凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具の幅が、凝固スラグの下面に凹凸形状を付与する前記鋳型の底部の最小高さ位置からの高さが３ｍｍ超の領域である凸状***部の幅より小さいことを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、上記発明において、凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具を押し込み面に複数並べた成形装置を有することを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、上記発明において、凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具の先端が鋭角のノッチ形状を有し、凝固スラグの下面の凹凸形状を付与する前記鋳型の底部が曲線からなる形状を有することを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、上記発明において、凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具の間隔が、鋳型の水平方向の位置によって異なることを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、上記発明において、前記鋳型の底部の最小高さ位置からの高さが高いほど、凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具の間隔が狭いことを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、上記発明において、前記鋳型の底部において、最小高さ位置からの高さが０〜３ｍｍの領域である低位部の幅が前記凝固スラグの最大凝固厚の目標値以下であり、且つ、該低位部の位置が前記鋳型の側壁部または底部の凸状***部に隣接していることを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、上記発明において、前記鋳型により成形された凝固スラグから採取される骨材の粒径の上限値をスラグ最大凝固厚とした場合に、前記鋳型の低位部にて凝固する凝固スラグの体積が、該凝固スラグ全体の体積の４５％以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグの形状制御装置は、連続的に搬送される鋳型に高炉からのスラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグの上面および下面のそれぞれに対して異なる凹凸形状を付与するステップを含むことを特徴とする。
また、本発明に係る凝固スラグは、本発明に係る凝固スラグの形状制御方法により凝固成形されることを特徴とする。
本発明によれば、スラグの凝固厚を必要以上に厚くすることなく、破砕後に適正な形状および粒度分布を有するスラグ骨材が低コストで得られる形状に凝固させた凝固スラグを得ることができる。
図１は、本発明の一実施形態の凝固スラグの形状制御装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、２箇所の凸状***部を有した鋳型で成形される凝固スラグから採取できる粒子を示す模式図である。 図３は、図２に示す鋳型によるスラグの冷却効果を示す概念図である。 図４は、ＪＩＳ＿Ａ５０１１−１で規定される粗骨材２００５の粒径分布を示す図である。 図５は、図２に示す鋳型により形成される凝固スラグの粗粒を採取する位置の体積を示す図である。 図６は、鋳型の凸状***部の配置を説明する図である。 図７は、図６に示す鋳型によるスラグの冷却効果を示す概念図である。 図８は、スラグの上面に凹凸を成形する成形工具の形状および配置を説明する図である。 図９は、スラグの上面に凹凸を成形する成形工具の形状および配置を説明する図である。 図１０は、板状の凝固スラグを破砕して採取できるスラグ骨材の粒子を模式的に示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
まず、図１を参照して本発明の一実施形態の凝固スラグの形状制御装置の概略構成について説明する。図１に示すように、形状制御装置１は、移動式の鋳型２１を設けた鋳滓機２と、鋳型２１に高炉からの溶融スラグ３を供給する供給装置４とを備える。鋳型２１内に供給された溶融スラグ３は、鋳型２１内で冷却、凝固成形され凝固スラグ５となる。鋳型２１は、その底部に少なくとも１箇所の凸状***部を有する。なお、鋳滓機２の近傍には熱回収装置６が備えられている。熱回収装置６は、形状制御装置１から排出された凝固スラグ５の顕熱を回収する。
図２は、図中に点線で囲んで示す２箇所の凸状***部Ａを有した鋳型２１と、この鋳型２１で成形される凝固スラグ５から採取できる粒子Ｂとを示す模式図である。この鋳型２１によれば、図２に示すように、凝固スラグ５に板厚差を付与して部分的に板厚を薄くすることができ、凝固厚の厚い部分から粗粒Ｂ１を採取でき、凝固厚の薄い部分から細粒Ｂ２を採取できる。
また、この鋳型２１には、底部の最小高さ位置からの高さＨが０〜３ｍｍである低位部が、鋳型２１の側壁部Ｄおよび凸状***部Ａに隣接して配設されている。またこの低位部の幅Ｙが凝固スラグの最大凝固厚の目標値Ｔｍａｘ以下になるように配設されている。なお、鋳型２１内のスラグは、凝固厚が薄いほど、また、鋳型２１の側壁部Ｄに近いほど冷却されやすく冷却効果が高い。図３は、鋳型２１によるスラグの冷却効果を示す概念図であり、図３中の矢印はその位置での冷却効果を示す。図３に示すように、鋳型２１によれば、鋳型２１周辺部で冷却が促進されるため、鋳型２１周辺部に隣接した位置を、粗粒Ｂ１の採取する位置として設定すれば、凝固厚の違いによる凝固・冷却時間のばらつきが緩和され、スラグ骨材の材質の均一化を図ることができる。
なお、前記鋳型２１の低位部の幅Ｙが凝固スラグの最大凝固厚の目標値Ｔｍａｘより大きくなると、採取される粗粒のサイズが要求される粒度の上限より大きくなるので、２次破砕が必要となり、２次破砕後の粗粒比率を高位に制御できず、破砕コストもかさむ。
図４は、ＪＩＳ＿Ａ５０１１−１で規定される粗骨材２００５（粒径範囲２０ｍｍ〜５ｍｍ）の粒径分布を示す図である。粒径分布は、篩の呼び寸法と、篩を通る質量分率との関係で規定されている。粗骨材２００５の粒径分布を、粒径１８ｍｍ、１３ｍｍ、８ｍｍの３サイズを代表寸法として個数比に変換した場合、それぞれ概ね２：５：１３くらいの個数比となる。即ち、粒径１８ｍｍの粗粒の採取数は、全体の個数に対して１０分の１程度と小さい。また、粗粒が図４の上限値になるように粒径分布を設計した場合でも、１５ｍｍ以上の粗粒の質量比は５０％に満たない。このように、粗粒の必要量は全体に対して少ないため、上記の鋳型２１により成形される凝固スラグ５の凝固厚の厚い部分から必要量の粗粒Ｂ１を採取して、粗粒Ｂ１を採取した残りの砕石や凝固厚の薄い部分を破砕処理して粒度を調整して細粒Ｂ２を形成すればよい。
図５は、図２に示す鋳型２１により形成される凝固スラグ５の粗粒Ｂ１を採取する位置のスラグの体積を示す図である。図５では、底部の最小高さ位置でのスラグの厚さは、最大凝固厚の目標値Ｔｍａｘである。本実施の形態の鋳型２１において、上記の重量比に基づいて、粗粒Ｂ１を採取する位置のスラグの体積Ｖ（＝Ｖ1＋Ｖ２＋Ｖ３）は、凝固スラグ５の全体積の４５％以下になるようにしている。
図６は、１箇所の凸状***部Ａを有した鋳型２１と、この鋳型２１で成形される凝固スラグ５から採取できる粒子Ｂとを示す模式図である。ここでは、鋳型２１の底部の最小高さ位置からの高さＨが３ｍｍ超の領域を凸状***部Ａとする。また、図７は、鋳型２１によるスラグの冷却効果を示す概念図であり、図７中の矢印はその位置での冷却効果を示す。図６に示す鋳型２１では、低位部（底部の最小高さ位置からの高さＨが０〜３ｍｍの位置）が、鋳型２１の側壁部Ｄに隣接して配置される。加えて、鋳型２１の低位部の幅Ｙが凝固スラグの最大凝固厚の目標値Ｔｍａｘ以下になるように、凸状***部Ａが配置される。これにより、凝固スラグから得られる骨材の粒度分布を制御できる。さらに、図７に示すように、最も凝固しにくい粗粒Ｂ１を採取する位置で、側壁部Ｄに近いほど冷却されやすいという効果によって冷却が促進されるため、凝固厚の違いによる冷却速度のばらつきが緩和され、スラグ骨材の材質の均一化も図ることができる。
また、本実施の形態の形状制御装置１は、凝固スラグ上面の凹凸形状付与手段として、鋳型２１の搬送に応じて上下昇降可能な成形ロール２２を備え、鋳型２１内のスラグの上面に凹凸を成形する。この成形ロール２２は、鋳型２１内のスラグを成形可能な程度に小径で、成形工具を押し込み面に複数並べたものである。また、凝固スラグの縦方向および横方向のそれぞれに凹凸形状を付与する複数の成形ロール（２２１，２２２）を備える。本実施の形態の成形ロール２２には、図８および図９に成形ロール２２のスラグに接する部分（押し込み面）の断面図を例示するように、凝固スラグ５に同一方向の凹凸形状を付与する成形工具７を複数並列配置させて、山−谷の繰り返し形状を設けている。
このような成形ロール２２によれば、凝固スラグ５に鋭いノッチ状の凹凸形状を付与することができる。鋭いノッチ状の凹凸形状を付与するためには、成型工具７の幅Ｗは鋳型２１に設けた凸状***部Ａの幅Ｃより小さいことが好ましい。ここで、凸状***部Ａの幅Ｃとは、鋳型２１の底部の最小高さ位置からの高さＨが３ｍｍ超の領域の幅とする。また、各成形工具７の間隔（隣合う成形工具７の山と山との間隔）Ｘ（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・）に応じて、凝固スラグ５に付与される凹凸形状の間隔が変化する。これにより、凝固スラグ５が破砕しやすい形状となり、破砕時に粗粒を採取する位置をより明確に定めることが可能となる。
ここで、上記のような鋳型２１の凸状***部Ａの形状は、熱応力による鋳型２１の破損を起こり難くするため、曲線からなる比較的緩やかな凸形状とすることが望ましい。そこで、スラグとの接触時間が長く熱負荷が大きい鋳型２１を緩やかな凸形状として、凝固スラグ５の下面に板厚分布のみを付与する。一方、スラグとの接触時間が短く熱負荷が小さい成形ロール２２に配置した成型工具７の先端を鋭角のノッチ形状として、凝固スラグ５の上面に急峻な凹凸を付与する。すなわち、図８および図９に示すように、凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する成形工具の幅Ｗと、凝固スラグの下面に凹凸形状を付与する鋳型２１底部の凸状***部Ａの幅Ｃとの関係を、Ｃ＞Ｗとすると共に、成形工具７の先端が鋭角のノッチ形状を有し、鋳型２１の底部が曲線からなる形状を有するのが好ましい。また、押し込み面に配置する複数の成型工具７は、図８に示すように連続して配置しても良いし、図９に示すように間隔をおいて配置しても良い。そして、これらの組み合わせ効果により、凝固スラグ５を破砕した場合に狙いとする粒度分布のスラグ骨材を採取できるような凹凸形状を凝固スラグ５に付与することができる。
そして、本実施の形態では、図８および９に示すように、粗粒Ｂ１を採取する鋳型２１の水平方向の位置と細粒Ｂ２を採取する鋳型２１の水平方向の位置とを、鋳型２１の凸状***部Ａの形状から予め決めておき、凸状***部Ａの直上のスラグの上面に対して細粒Ｂ２を採取するように成形ロール２２で凹凸を成形する。すなわち、鋳型２１でのスラグの凝固厚が薄くなる位置ほど、成形ロール２２により付与する凹凸形状の間隔を小さくするよう成形工具７の間隔Ｘを小さくする。これにより、凝固スラグ５から得られるスラグ骨材の粗粒から細粒までの粒径分布の制御を上下両面から行うことができる。
以上、説明したように、本実施の形態の凝固スラグの形状制御装置および形状制御方法によれば、スラグの凝固厚を必要以上に厚くすることなく、また、上面および下面に対してそれぞれ異なる形状の凹凸形状を付与することで、鋳型の熱負荷を抑えながら、スラグ骨材の形状および粒度分布を直接的に造り込むことができる。そのため、スラグの凝固厚を必要以上に厚くすることなく、破砕後に適正な形状および粒度分布を有するスラグ骨材が得られるような形状に凝固させたスラグを低コストで得ることができ、スラグ骨材の歩留り改善および破砕コスト低減の２つの観点から好ましい。
なお、鋳型２１は、金属製のもの、内面キャスタブル施工など、複層化して耐熱・断熱仕様とした構造のものなどが適用可能である。また、スラグの上面に凹凸形状を付与する成形手段は、成形ロール２２に限らず、例えばプレス状に上下昇降する加工方式や、自重で押し付け成形を行う方式の成形工具などでもよい。その場合、成形手段の凹凸形状は、鋳型２１でのスラグの凝固厚が薄くなる位置ほど凹凸形状の間隔Ｘが小さくなるように配置される。
また、上記実施の形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様などに応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。
１ 形状制御装置
２ 鋳滓機
２１ 鋳型
２２ 成形ロール
３ 溶融スラグ
４ 供給装置
５ 凝固スラグ
６ 熱回収装置
７ 成型工具

Claims (9)

  1. 連続的に搬送される鋳型に高炉からのスラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグの上面および下面のそれぞれに対して異なる凹凸形状を付与する手段を備え、
    前記凝固スラグの上面の凹凸形状は、成形工具を機械的に押し込む操作により付与され、前記凝固スラグの下面の凹凸形状は、前記鋳型の底部に少なくとも１箇所以上設けられた凸状***部によって付与され、
    前記鋳型の底部において、最小高さ位置からの高さが０〜３ｍｍの領域である低位部の幅が前記凝固スラグの最大凝固厚の目標値以下であり、且つ、該低位部の位置が前記鋳型の側壁部または底部の凸状***部に隣接していることを特徴とする凝固スラグの形状制御装置。
  2. 凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具の幅が、凝固スラグの下面に凹凸形状を付与する前記鋳型の底部の最小高さ位置からの高さが３ｍｍ超の領域である凸状***部の幅より小さいことを特徴とする請求項１に記載の凝固スラグの形状制御装置。
  3. 凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具を押し込み面に複数並べた成形装置を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の凝固スラグの形状制御装置。
  4. 凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具の先端が鋭角のノッチ形状を有し、凝固スラグの下面の凹凸形状を付与する前記鋳型の底部が曲線からなる形状を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の凝固スラグの形状制御装置。
  5. 凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具の間隔が、鋳型の水平方向の位置によって異なることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の凝固スラグの形状制御装置。
  6. 前記鋳型の底部の最小高さ位置からの高さが高いほど、凝固スラグの上面に凹凸形状を付与する前記成形工具の間隔が狭いことを特徴とする請求項５に記載の凝固スラグの形状制御装置。
  7. 前記鋳型により成形された凝固スラグから採取される骨材の粒径の上限値をスラグ最大凝固厚とした場合に、前記鋳型の低位部にて凝固する凝固スラグの体積が、該凝固スラグ全体の体積の４５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の凝固スラグの形状制御装置。
  8. 連続的に搬送される鋳型に高炉からのスラグを注ぎ込むことによって形成される凝固スラグの上面および下面のそれぞれに対して異なる凹凸形状を付与するステップを含み、
    前記凝固スラグの上面の凹凸形状は、成形工具を機械的に押し込む操作により付与され、前記凝固スラグの下面の凹凸形状は、前記鋳型の底部に少なくとも１箇所以上設けられた凸状***部によって付与され、
    前記鋳型の底部において、最小高さ位置からの高さが０〜３ｍｍの領域である低位部の幅が前記凝固スラグの最大凝固厚の目標値以下であり、且つ、該低位部の位置が前記鋳型の側壁部または底部の凸状***部に隣接していることを特徴とする凝固スラグの形状制御方法。
  9. 請求項８に記載の凝固スラグの形状制御方法により凝固成形されることを特徴とする凝固スラグの製造方法。
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