特許 7184179 製鋼スラグの改質方法およびランス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-28

(45)【発行日】2022-12-06

(54)【発明の名称】製鋼スラグの改質方法およびランス

(51)【国際特許分類】

   C04B 5/06 20060101AFI20221129BHJP

   C04B 35/66 20060101ALI20221129BHJP

   C21C 7/00 20060101ALI20221129BHJP

   C21C 5/28 20060101ALI20221129BHJP

   C21C 1/02 20060101ALI20221129BHJP

【ＦＩ】

C04B5/06

C04B35/66

C21C7/00 J

C21C5/28 C

C21C1/02 L

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021519336

(86)(22)【出願日】2020-04-22

(86)【国際出願番号】 JP2020017380

(87)【国際公開番号】W WO2020230561

(87)【国際公開日】2020-11-19

【審査請求日】2021-09-24

(31)【優先権主張番号】P 2019089603

(32)【優先日】2019-05-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100184859

【弁理士】

【氏名又は名称】磯村 哲朗

(74)【代理人】

【識別番号】100123386

【弁理士】

【氏名又は名称】熊坂 晃

(74)【代理人】

【識別番号】100196667

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100130834

【弁理士】

【氏名又は名称】森 和弘

(72)【発明者】

【氏名】加藤 裕介

(72)【発明者】

【氏名】細原 聖司

(72)【発明者】

【氏名】中村 善幸

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 克則

【審査官】田中 永一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１４１１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５４８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８３７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０３３１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０２００５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２６６０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第３４３０９４０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ５／０６

Ｃ０４Ｂ ３５／６６

Ｃ２１Ｃ １／０２

Ｃ２１Ｃ ５／００ － ５／５０

Ｃ２１Ｃ ７／００

Ｃ２１Ｃ ７／０７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶融状態の製鋼スラグに酸素含有気体を吹込んで改質する製鋼スラグの改質方法であって、
金属製の管の周囲に厚さ５ｍｍ以上の耐火物が施工されたランスを浸漬させて、内部の温度が１４５０℃以上の改質前の製鋼スラグに酸素濃度が２０体積％以上の前記酸素含有気体を、前記ランスの先端部での線速度が３０ｍ／ｓｅｃ以上６０ｍ／ｓｅｃ以下となるように吹込む、製鋼スラグの改質方法。

【請求項2】

前記耐火物は、Ｃを含有せず、Ｍｇを０．５質量％以上１７．０質量％以下で含み、且つ、ＭｇＯで示される結晶相を含まない、請求項１に記載の製鋼スラグの改質方法。

【請求項3】

前記酸素含有気体を吹込む際に、２重管である前記管において、外周側から吹込む前記酸素含有気体の線速度を内周側から吹込む前記酸素含有気体の線速度よりも速くすると共に、外周側から吹込む前記酸素含有気体の酸素濃度を内周側から吹込む前記酸素含有気体の酸素濃度よりも低くする、請求項１または請求項２に記載の製鋼スラグの改質方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶融状態の製鋼スラグに酸素含有気体を吹込んで製鋼スラグを改質する製鋼スラグの改質方法および溶融状態の製鋼スラグに酸素含有気体を吹込むランスに関する。

【背景技術】

【0002】

鉄鋼の製造における高炉、予備処理プロセス、転炉、電気炉からスラグが副生される。これらのうち、予備処理プロセス、転炉、電気炉から副生されるスラグを製鋼スラグという。製鋼工程では、溶銑・溶鋼中に含まれる燐や珪素を除去するために副原料として多量の石灰が使用される。このため、製鋼スラグには未溶解の石灰や、冷却時に晶出した石灰が遊離ＣａＯ（フリーライムともいう。以下、「ｆ－ＣａＯ」と記載する。）として残留している。

【0003】

このｆ－ＣａＯは、水和反応によってＣａ（ＯＨ）_２となり、約２倍程度に堆積膨張する。このため、ｆ－ＣａＯを多量に含むスラグが水に接触すると、ｆ－ＣａＯの水和によってスラグが膨張崩壊する。製鋼スラグの用途の１つに路盤材があるが、ｆ－ＣａＯを多量に含む製鋼スラグを路盤材に用いると、ｆ－ＣａＯの水和膨張により路盤が隆起するという問題が発生する。このため、路盤隆起の原因となる製鋼スラグ中のｆ－ＣａＯを低減するために下記（１）、（２）の処理が行われている。

【0004】

（１）エージング処理
エージング処理とは、スラグに含まれるｆ－ＣａＯを水和反応によりＣａ（ＯＨ）_２に変化させて安定化する方法である。エージング処理には、スラグをヤードに野積みして行う大気エージング処理と、水蒸気を用いて水和反応を促進させる蒸気エージング処理とがある。

【0005】

（２）改質処理
改質処理とは、特許文献１に記載されているように、溶融状態のスラグに酸素含有気体を吹込むとともに、必要に応じてＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３を含む改質材を添加することによって、スラグを改質させる処理である。この改質処理により、ｆ－ＣａＯを水和膨張しない安定鉱物相に改質させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００４－３３１４４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記（１）のうち、大気エージング処理では、スラグ中のｆ－ＣａＯが安定化するまでに数か月といった長い時間が必要になる。蒸気エージング処理では、大気エージングに比べて処理時間を短くできるものの大量の水蒸気を使用するので処理コストが増大する。さらに、これらのエージング処理は、低温で行われるので、完全にｆ－ＣａＯを無くすことが困難である。上記（２）の改質処理では、スラグ中のｆ－ＣａＯを低減できるものの、金属製のランスやカロライジング管ランスを１４５０℃以上の溶融スラグに浸漬させて酸素含有気体を吹込むとランスが燃焼し短時間で焼損してしまう。このランスの焼損により、処理コストが増大する。本発明は、このような従来技術を鑑みてなされた発明であり、その目的は、改質処理により製鋼スラグの膨張安定性を確保しつつ、改質時のランスの損耗を抑制できる製鋼スラグの改質方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

このような課題を解決する本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）溶融状態の製鋼スラグに酸素含有気体を吹込んで改質する製鋼スラグの改質方法であって、金属製の管の周囲に厚さ５ｍｍ以上の耐火物が施工されたランスを浸漬させて、内部の温度が１４５０℃以上の改質前の製鋼スラグに前記酸素含有気体を吹込む、製鋼スラグの改質方法。
（２）前記酸素含有気体の酸素濃度は２０体積％以上であり、前記ランスの先端部での線速度が３０ｍ／ｓｅｃ以上となるように前記酸素含有気体を吹込む、（１）に記載の製鋼スラグの改質方法。
（３）前記耐火物は、Ｃを含有せず、Ｍｇを０．５質量％以上１７．０質量％以下で含み、且つ、ＭｇＯで示される結晶相を含まない、（１）または（２）に記載の製鋼スラグの改質方法。
（４）溶融状態の製鋼スラグに酸素含有気体を吹込むランスであって、金属製の管と、前記金属製の管の周囲に施工された厚さが５ｍｍ以上の耐火物と、を有するランス。
（５）前記耐火物は、Ｃを含有せず、Ｍｇを０．５質量％以上１７．０質量％以下で含み、且つ、ＭｇＯで示される結晶相を含まない、（４）に記載のランス。

【発明の効果】

【0009】

本発明に係る製鋼スラグの改質方法を用いることで、ランスの損耗が抑制される。これにより、製鋼スラグの改質処理コストの増大を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本実施形態に係る製鋼スラグの改質方法が実施できる製鋼スラグ改質設備１０の一例を示す断面模式図である。

【図2】図２は、本実施形態に係る製鋼スラグの改質方法が実施できる製鋼スラグ改質設備１０の一例を示す断面模式図である。

【図3】図３は、本実施形態に係る製鋼スラグの改質方法が実施できる別の製鋼スラグ改質設備３０の断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を本発明の実施形態を通じて説明する。図１は、本実施形態に係る製鋼スラグの改質方法が実施できる製鋼スラグ改質設備１０の一例を示す断面模式図である。製鋼スラグ改質設備１０は、スラグ鍋１２と、ランス１４とを有する。スラグ鍋１２は、溶融状態の製鋼スラグ（以後、溶融スラグ１８と記載する。）を収容し、製鋼スラグを溶融状態に維持する。溶融スラグ１８とは、液相が７０％以上である製鋼スラグを意味する。製鋼スラグとは、例えば、脱燐プロセスで副生される脱燐スラグ、脱炭プロセスで副生される脱炭スラグ、予備処理プロセスで副生される予備処理スラグおよび電気炉精錬プロセスで副生される電気炉スラグである。

【0012】

溶融スラグ１８の上方から浸漬されたランス１４を通じて、所定量の酸素含有気体１６が溶融スラグ１８に吹込まれる。吹き込まれた酸素含有気体１６により、製鋼スラグは膨張安定性を有する製鋼スラグに改質される。本実施形態において、酸素含有気体１６とは、酸素濃度が２０体積％以上である気体であり、例えば、空気である。

【0013】

酸素含有気体１６の酸素濃度は高い方が好ましい。酸素濃度が高い酸素含有気体１６を用いることで、製鋼スラグの温度が高く保たれる。酸素濃度が３０体積％以上の酸素含有気体１６を用いる場合には、酸素含有気体１６を供給する配管のパッキンやグリスを酸素仕様とするとともに、ゲージ圧力を１ＭＰａ未満とし、消炎素子を備えた逆火防止器具を酸素配管に設置することが好ましい。

【0014】

製鋼スラグの改質は２つの反応によって進行する。１つ目の反応は、吹込まれた酸素含有気体１６に含まれる酸素により製鋼スラグに含まれるＦｅ、ＦｅＯが酸化されてＦｅ_２Ｏ_３が生成する反応である。２つ目の反応は、製鋼スラグに含まれるｆ－ＣａＯが１つ目の反応で生成したＦｅ_２Ｏ_３と反応して、安定な化合物である２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３が生成する反応である。このように、酸素含有気体１６を溶融スラグ１８に吹込み、製鋼スラグに含まれるｆ－ＣａＯを２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３にすることで、膨張安定性を有する製鋼スラグに改質できる。このようにして、本実施形態に係る製鋼スラグの改質方法が実施される。

【0015】

製鋼スラグに酸素を吹込むとともに、珪砂や石炭灰などのＳｉＯ_２源やＡｌ_２Ｏ_３源を添加してもよい。但し、ＳｉＯ_２源やＡｌ_２Ｏ_３源の添加により製鋼スラグの温度が低下するとｆ－ＣａＯとＦｅ_２Ｏ_３から２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３が生成する反応が滞る。このため、ＳｉＯ_２源やＡｌ_２Ｏ_３源を添加する場合には、その添加量は製鋼スラグの質量１トンあたり合計７０ｋｇ以下であることが好ましく、合計３５ｋｇ以下であることがより好ましく、添加しないことがさらに好ましい。ＳｉＯ_２源やＡｌ_２Ｏ_３源として金属Ｓｉや金属Ａｌを添加してもよい。これにより、製鋼スラグの温度低下が抑制されるが、コストの観点から製鋼スラグの質量１トンあたり合計７ｋｇ以下とすることが好ましく、添加しないことがさらに好ましい。

【0016】

所定量の酸素含有気体１６が吹込まれた後、溶融スラグ１８からランス１４が引き抜かれ、スラグ鍋１２が傾転され、改質された溶融スラグ１８がスラグ鍋１２から排出される。排出された溶融スラグ１８は、大気中で冷却された後、破砕と篩分けとによってサイズごとに選別されたスラグ粒状材とされ、路盤材の原料として使用される。

【0017】

溶融スラグ１８を収容するスラグ鍋１２は、直径と深さの比が１：０．２５から１：４範囲内であることが好ましい。深さに対する直径の比が上記範囲より大きくても小さくても、比表面積が大きくなり放熱が大きくなるとともにスラグ鍋１２を構成する構造材の量が多くなり不経済となるので好ましくない。

【0018】

ランス１４は、炭素鋼製の管２０と、当該管２０の周囲に施工された厚さ５ｍｍ以上の耐火物２２とを有する。耐火物２２は、少なくとも溶融スラグ１８に浸漬される管２０の周囲に施工されていればよい。このように、金属製の管２０の周囲に厚さ５ｍｍ以上の耐火物２２を設けることで、溶融スラグ１８に浸漬させたときの管２０の温度が下がり、管２０の焼損が抑制される。ランス１４は、中心側に炭素鋼製の管２０を有する。このように、ランス１４が金属製の管２０を有することで、耐火物のみからなるランスよりも強度が向上し、ランス１４の折損が抑制される。

【0019】

耐火物２２の施工厚みは、５ｍｍ以上であることが必要である。耐火物には溶損を抑制することを目的として１ｍｍ以上の骨材が使用されるが、施工厚みが５ｍｍ未満であると骨材が偏在してしまい、局所的に溶損による損耗が激しくなる部分が生じる。厚み５ｍｍの耐火物が施工されたランスを用い、且つ、３０ｍ／ｓｅｃ以上の線速度で酸素含有気体１６を溶融スラグ１８に吹込むことで、酸素含有気体１６による冷却と、耐火物２２の伝熱抵抗とにより、管２０の温度を８００℃以下に維持できる。３０ｍ／ｓｅｃ以上の線速度で酸素含有気体１６を溶融スラグ１８に吹込むことで、ランス先端から離れた位置でも製鋼スラグに含まれるＦｅ、ＦｅＯが酸化されてＦｅ_２Ｏ_３が生成する反応（この反応は発熱反応である）が起きるので、ランス先端近傍での当該反応の比率が下がり、ランス先端の温度を下げることができる。耐火物２２の施工厚みは１００ｍｍ以下であってもよい。

【0020】

管２０は、炭素鋼製である例を示したが、これに限らない。炭素鋼製の管２０に代えて、ステンレス系耐熱鋼やＮｉ基耐熱合金の管を用いてもよい。これにより、改質する溶融スラグ１８の量が多く、酸素含有気体１６の吹込み時間が長くなる場合や、溶融スラグ１８の温度が１６００℃を超える場合であっても曲損することがない。

【0021】

図１に示した例では、管２０が１重管である例を示したが、管２０は２重管であってもよい。管２０を２重管とし、外周側の酸素含有気体１６の線速度を内周側の酸素含有気体１６の線速度よりも速くすることで、溶融スラグ１８に吹込まれた後の気体の線速度の上昇を抑制でき、溶融スラグの飛散を起こすことなく管２０の温度を下げることができる。さらに、２重管の外周側から吹込む酸素含有気体の酸素濃度を、内管側から吹込む酸素含有気体の酸素濃度よりも低くして、酸化による損耗を抑制させてもよい。

【0022】

管２０の周囲に施工する耐火物２２は、Ｃを含まない耐火物を用いることが好ましい。耐火物がＣを含むと、Ｃの酸化により耐火物２２の耐用性が低下するので好ましくない。さらに、ＭｇＯで示される結晶相を含まない、すなわち、スピネル化したＭｇＯを含み、スピネル化していないＭｇＯを含まない耐火物を用いることが好ましい。スピネル化していないＭｇＯは水和反応により膨張するので、配合したＭｇＯが耐火物から欠損して溶融スラグ１８に混入すると、当該ＭｇＯが製鋼スラグの水和膨張を助長するので好ましくない。一方、スピネル化したＭｇＯは水和膨張しないだけでなく、融点が高く耐火性に優れるので、スピネル化したＭｇＯは、耐火物２２にＭｇの換算値で０．５質量％以上含まれていることが好ましい。

【0023】

ここで、スピネルの理論組成におけるＭｇの換算値が１７．０質量％であるので、スピネル化したＭｇＯを含むことを前提にすると、耐火物２２に含まれるＭｇの含有量は１７．０質量以下となる。したがって、耐火物２２は、Ｍｇを０．５質量％以上１７．０質量％以下で含むことが好ましい。

【0024】

酸素含有気体１６のランス１４の先端部での線速度は３０ｍ／ｓｅｃ以上１２０ｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。酸素含有気体１６のランス１４の先端部での線速度を３０ｍ／ｓｅｃ以上１２０ｍ／ｓｅｃ以下にすることで、溶融スラグ１８の量が多く、酸素含有気体１６の吹込み時間が１５分以上となる場合、および、溶融スラグ１８の温度が１６００℃を超える場合であっても、安価な炭素鋼製の管２０を曲損することなく用いることができる。酸素含有気体１６の線速度は、ランス１４の内径および本数を変えることで調整してよい。

【0025】

一方、ランス１４の先端部における酸素含有気体１６の線速度が３０ｍ／ｓｅｃ未満であると、溶融スラグ１８と酸素との反応位置がランス１４の近傍に偏り、製鋼スラグの改質効率が低下する。さらに、酸素含有気体１６の線速度が３０ｍ／ｓｅｃ未満であると、ランス１４の近傍の温度が酸化反応により上昇し、ランス１４の損耗が激しくなるおそれが生じるので好ましくない。

【0026】

ランス１４の先端部における酸素含有気体１６の線速度が１２０ｍ／ｓｅｃより速いと、酸素含有気体１６が未反応のまま溶融スラグ１８内を進む距離が長くなり、製鋼スラグの改質効率が低下するので好ましくない。さらに、酸素含有気体１６の線速度を１２０ｍ／ｓｅｃより速くすると、酸素含有気体１６がスラグ鍋１２に直撃して損傷させないように、スラグ鍋１２を大きくする必要が生じるので好ましくない。さらに、酸素含有気体１６の線速度を１２０ｍ／ｓｅｃより速くすると、溶融スラグ１８の飛散量も多くなるので好ましくない。

【0027】

酸素含有気体１６を吹込む改質前の溶融スラグ１８の内部の温度は１４５０℃以上であることが必要である。溶融スラグ１８の内部の温度を１４５０℃以上にすることで溶融スラグ１８が流動し、酸素含有気体１６の吹込みにより溶融スラグ１８が撹拌されるので、溶融スラグ１８の改質反応を効果的に進めることができる。一方、改質前の溶融スラグ１８の内部の温度を１４５０℃未満にすると、溶融スラグ１８の流動性が低下し、製鋼スラグの改質反応を効果的に進めることができない。溶融スラグ１８の内部の温度は１６５０℃以下であることが好ましい。一方、溶融スラグ１８の内部の温度が１６５０℃より高くなるとランス１４の損耗が激しくなるので好ましくない。溶融スラグ１８の内部の温度は、吹込む酸素含有気体１６の量で調整できる。溶融スラグ１８の内部の温度は、熱電対などの温度計を溶融スラグ１８の表面から内部側に１００ｍｍ以上浸漬させて測定する。溶融スラグ１８が流動し、表面が更新されている場合には表面温度と内部の温度との差が少ないので、溶融スラグ１８の表面温度を赤外線温度計などの非接触式の温度計で測定し、当該温度を内部の温度としてもよい。赤外線温度計を用いるにあたっては、溶融スラグ１８の放射率によって表示される温度が変化するので、予め熱電対などの温度計と赤外線温度計とを同時に用いて温度を測定し、表示される値が一致するように放射率を設定してもよい。

【0028】

図２は、本実施形態に係る製鋼スラグの改質方法が実施できる製鋼スラグ改質設備１０の一例を示す断面模式図である。図２に示すように、溶融スラグ１８の撹拌効率や、ランス１４の耐用性を向上させるために、ランス１４を鉛直方向から傾けた状態で、酸素含有気体１６を吹込んでもよい。

【0029】

図３は、本実施形態に係る製鋼スラグの改質方法が実施できる別の製鋼スラグ改質設備３０の断面模式図である。図３に示した例において、図１と共通する要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省略する。図３に示すように、スラグ鍋１２の上方に蓋状の防熱・防飛散板４０を設けてもよい。これにより、スラグ鍋１２の周囲に飛散するスラグ量が少なくなる。防熱・防飛散板４０を設けることで、溶融スラグ１８の上面からの熱放射を低減して溶融スラグの温度低下を抑止する効果も得られる。

【実施例】

【0030】

以下の手順にて酸素含有気体の吹込みを行い、製鋼スラグの改質を行った実施例を説明する。転炉から約１０ｔの溶融スラグをスラグ鍋に排出し、当該スラグ鍋をランス位置まで搬送した。内径２１．６～６７．９ｍｍのランス３～５本を溶融スラグに浸漬させ、所定流量の約３０体積％の酸素含有気体を流して製鋼スラグの改質を行った。使用したランスは、炭素鋼製の管の周囲に所定の厚みで耐火物を施工したランスである。施工した耐火物の組成は、Ａｌ_２Ｏ_３：９５.３質量％、ＭｇＯ：０．５質量％、ＣａＯ：０．３質量％、ＳｉＯ_２：３．４質量％、他は不可避的不純物である。

【0031】

酸素含有気体の酸素濃度、流量、吹込み時間、線速度、耐火物厚みを変えて、製鋼スラグの改質を行った。酸素含有気体の吹込みが終了した後、ランスを上昇させ、気体流量を０にした。スラグ鍋を傾転位置まで搬送し、スラグ鍋を傾転させて溶融スラグを排滓して大気中で冷却した。

【0032】

改質後のランス長さを測定し、改質前のランス長さから損耗量を算出し、当該損耗量と、吹込み時間とからランス損耗速度を算出した。ランスの一部が焼損または溶損した場合には、最も損耗している部分、すなわち、溶融スラグ中にランスを浸漬させた場合、気体が吐出する部分をランス先端として改質後のランス長さを評価した。発明例および比較例の改質条件および結果を下記表１に示す。

【0033】

【表1】

表１に示すように、発明例１～５および比較例１の全てにおいて、製鋼スラグを膨張安定性に優れる製鋼スラグに改質できた。一方、耐火物の施工厚みを５ｍｍ以上とした発明例１～５のランス損耗速度は、耐火物の施工厚みを０ｍｍの比較例１のランス損耗速度より遅くなった。この結果から、耐火物の施工厚みを５ｍｍ以上にすることで、ランスの損耗を抑制できることが確認された。このように、ランスの損耗を抑制できれば、ランスの耐用性が向上してランスの交換頻度が低くなるので、製鋼スラグの改質処理コストの増大を抑制できる。

【0034】

さらに、酸素含有気体のランス先端の線速度を３０ｍ／ｓｅｃ以上にした発明例１～４のランス損耗速度は、酸素含有気体のランス先端の線速度が２５ｍ／ｓｅｃとした発明例５のランス損耗速度より遅くなった。この結果から、酸素含有気体のランス先端の線速度を３０ｍ／ｓｅｃ以上にすることで、ランスの損耗をさらに抑制できることが確認された。このように、ランスの損耗をさらに抑制できれば、さらにランスの交換頻度が低くなるので、製鋼スラグの改質処理コストの増大をさらに抑制できる。

【符号の説明】

【0035】

１０ 製鋼スラグ改質設備
１２ スラグ鍋
１４ ランス
１６ 酸素含有気体
１８ 溶融スラグ
２０ 管
２２ 耐火物
３０ 製鋼スラグ改質設備
４０ 防熱・防飛散板

【図1】

【図2】

【図3】