(57)【要約】【目的】本発明は、高炉水砕スラグを適度に破砕して、ＪＩＳ規格に適合する高炉スラグ細骨材を安価に製造する方法を提供するものである。【構成】水冷固化することにより製造した高炉水砕スラグ粒の物性等をベースとして、高炉水砕スラグ粒の衝突速度を決めて、高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に衝突させることにより、粉砕する高炉スラグ細骨材製造方法である。本発明の装置としては、回転式の高炉水砕スラグの投射機構を有し、高炉水砕スラグ粒が蓄積している層の保持する受け部分が２メートル以下の曲率半径であるものを使用することが望ましい。【選択図】　図２
2004067396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の破砕前の粒径分布、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率の各値、および、破砕後の目標となる粒径分布、単位容積質量、および、絶対乾燥比重の各値、のうち少なくとも２項目を変数とする関係を用いて、高炉水砕スラグ粒の衝突速度を決定して、破砕することを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項２】
高炉水砕スラグ粒の衝突速度（Ｖ：メートル／秒）と、破砕前後の高炉水砕スラグ粒の平均粒径の比率（Ｄｆ／　Ｄｉ、なお、Ｄｉは破砕前平均粒径で、Ｄｆは破砕後平均粒径である）の関係を決定する要因として、破砕前の高炉水砕スラグ粒の平均粒径、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率を変数として用いることを特徴とする請求項１に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項３】
高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の衝突速度と破砕前後の高炉水砕スラグ粒の平均粒径の比に対する関係を現す指標であるＶ＊（Ｄｆ　／　Ｄｉ）の値が、１６〜５０の範囲であることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項４】
高炉水砕スラグ粒の衝突速度（Ｖ：メートル／秒）と、破砕前後の高炉水砕スラグ粒の粗粒率の差（Ｆｉ　−　Ｆｆ、なお、Ｆｉは破砕前粗粒率で、Ｆｆは破砕後粗粒率である）の関係を決定する要因として、破砕前の高炉水砕スラグ粒の平均粒径、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率を変数として用いることを特徴とする請求項１に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項５】
高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の衝突速度が、破砕前後の高炉水砕スラグ粒の粗粒率の差に対する比率を現す指標であるＶ／（Ｆｉ　−　Ｆｆ）の値が、４５〜１５０の範囲であることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項６】
高炉水砕スラグ粒の衝突速度（Ｖ：メートル／秒）と、破砕前後の高炉水砕スラグの単位容積質量の差（Ｗａｆ　−　Ｗａｉ　、なお、Ｗａｉは破砕前平均粒径で、Ｗａｆは破砕後平均粒径である）の決定する要因として、破砕前の高炉水砕スラグ粒の平均粒径、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率を変数として用いることを特徴とする請求項１に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項７】
高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の衝突速度が、破砕前後の高炉水砕スラグの単位容積質量の差に対する比率を現す指標であるＶ／（Ｗａｆ　−　Ｗａｉ）の値が、７０〜２００の範囲であることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項８】
高炉水砕スラグ粒の衝突速度（Ｖ：メートル／秒）と、破砕前後の高炉水砕スラグの絶対乾燥比重の差（Ｗｄｆ　−　Ｗｄｉ、なお、Ｗｄｉは破砕前の絶対乾燥比重で、Ｗｄｆは破砕後の絶対乾燥比重である）の関係を決定する要因として、破砕前の高炉水砕スラグ粒の平均粒径、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率を変数として用いることを特徴とする請求項１に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項９】
高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の衝突速度が、破砕前後の高炉水砕スラグの絶対乾燥比重の差に対する比率を現す指標であるＶ／（Ｗｄｆ　−　Ｗｄｉ）の値が、１２０〜３５０の範囲であることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項１０】
回転軸円周部に設置してある放出口から粒を投射する型式の破砕装置を用いて、破砕を行う高炉スラグ細骨材の製造方法において、回転軸円周部分の高炉水砕スラグ粒の出口から投射される高炉水砕スラグ粒の速度を、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の方法で決定することを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項１１】
付着水分が４〜１２質量％の範囲である高炉水砕スラグ粒を用いて、曲率半径が２メートル以下の面の内側に、破砕前の平均粒径の２．５〜１２倍の厚みである高炉水砕スラグ粒の蓄積層を形成して、当該蓄積層に当該高炉水砕スラグ粒を衝突させることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項１２】
中央回転軸の上部に高炉水砕スラグ粒の供給口を、また、当該中央回転軸の円周部分に高炉水砕スラグ粒の放出口を有し、当該放出口から高炉水砕スラグ粒を、曲率半径が２メートル以下の固定外周部の内面に蓄積している高炉水砕スラグ層に向けて、投射することを特徴とすることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法。
【請求項１３】
回転軸円周部分の高炉水砕スラグ粒の出口から投射される高炉水砕スラグ粒の速度を、３０〜９０メートル／秒の範囲とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の方法で決定することを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉から排出される際に、水を用いて急冷して固化させた粒状の固形スラグである、高炉水砕スラグを粉砕して、コンクリートやモルタル等の製造に用いられる高炉スラグ細骨材の製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炉から排出されるスラグの処理方法は、溶融状態でヤードに流して徐冷する方法と、溶融状態で加圧水を噴出している樋の中で水冷し急速冷却する方法がある。このうち、水で急速冷却する方法で製造された高炉スラグは、高炉水砕スラグと呼ばれる最大粒径が６ミリメートル以下のガラス質の固形スラグであり、その物性は天然砂に似ているとともに、水和反応による固結反応する特質も持っているものである。
この高炉水砕スラグは、微粉砕して、高炉セメント原料とする用途に用いられている。また、水砕スラグを、無加工もしくは、軽破砕して、砂代替の土木建築用の原料としても利用されている。この土木建築用の用途のうちでは、コンクリートやモルタル用の高炉水砕スラグの細骨材（以降、高炉スラグ細骨材と称す）として利用する用途がある。特に、近年は、海砂の採取規制や陸砂開発に伴う環境問題の解決の手段として、リサイクル材料の活用が盛んに行われており、この高炉スラグ細骨材も砂代替品としての需要が高まっている。
【０００３】
高炉スラグ細骨材は、高炉セメント原料用の微粉末に用いられる高炉水砕スラグとは異なる物性が要求されている。一般的に言えば、細骨材は生コンクリートの状態での流動性を確保することが重要な性能の一つであり、そのためには、ＪＩＳ　Ａ５０１２−１９８１にも規定されているように、比較的比重が大きく、吸水率の少ない高炉水砕スラグが望まれていた。
しかし、従来技術を用いた高炉水砕スラグの製造方法では、ただ単に溶融スラグを冷却して、これを破砕すれば良いとの考えしかった。その結果、水冷の際に溶融スラグから発生する窒素を主体とするガスのため、高炉水砕スラグは粒子内に残留する気泡が多い問題を解決できていなかった。この問題の解決のために、比重が大きい高炉水砕スラグの製造方法として、例えば、特開昭５５−１３６１５１号公報記載の方法のように、高炉セメント原料用とは異なる冷却の強い条件で凝固させる操業がなされている。このような冷却方法の改善で、絶対乾燥比重（単位：キログラム／リットル、なお、以降、絶乾比重と称す）、単位容積質量（単位：キログラム／リットル、なお、以降、単質と称す）の大きい高炉水砕スラグを製造することは可能である。しかし、この様な冷却方法の改善でも、冷却固化させたままでは、高炉スラグ細骨材としての性能を満足させるために十分な強冷却条件を作ることは困難である。また、冷却を強化するために、冷却水量が過大となり、ポンプ等の設備費が高くなる、電力や水の費用が高くなるといった問題があった。
【０００４】
また、無加工の高炉水砕スラグ（以下、原鉱高炉水砕スラグと称す）には、粒状のものに混じって、径が０．１〜０．５ミリメートル程度で長さが１〜４ミリメートル程度の針状のガラス化したスラグが混合している。この針状スラグが混合しているために、高炉水砕スラグ粒が密に詰まった状態になりづらく、また、その結果、生コンクリートに用いた際に、流動性も悪いものであった。特に、この細骨材を使用した生コンクリートでは、生コンクリートの流動性が悪化して、施工用コンクリートポンプの詰まりを起こしやすいといった問題が生じていた。
したがって、この問題点の解決のため、破砕機を用いて、原鉱高炉水砕スラグを粉砕することにより、粒径を小さくするとともに、針状スラグを破壊することが行われていた。破砕処理の結果、高炉水砕スラグの粒径を球に近い形にすること、針状のスラグを破壊すること、また、粒径分布を改善することにより、細骨材としての性能を向上させる効果がある。その結果、高炉水砕スラグの絶乾比重と単質が改善して、コンクリートやモルタルの細骨材としての性能が向上する。なお、要求される対乾燥比重と単質の条件は、各々、２．５以上と１．４５キログラム／リットル以上である。また、破砕処理によって、粒径分布をＪＩＳ　Ａ５０１２−１９８１に記載される範囲にして、粒径分布を改善できる。または、他の細骨材、例えば、川砂や石灰砕砂などと混合使用する際には、混合する他の細骨材との合成の粒径分布が、ＪＩＳの分布の範囲に入るように、粒径の調整も破砕により可能であり、一般的には、平均粒径が０．８〜２ミリメートル程度の範囲になるように、高炉水砕スラグを破砕する。
【０００５】
従来の破砕方法では、いずれの方法においても、破砕装置の破砕部と高炉水砕スラグを直接接触させており、接触部分の磨耗が大きく、破砕装置の修繕費用が多くかかる問題が発生していた。衝撃を利用する型式の破砕機、例えば、インパクトクラッシャーでは、１カ月の連続稼働で破砕部の部品交換する必要があり、そのための費用もかかっていた。また、部品の経時的な形状変化で、破砕性能が時間と共に変化して、部品交換の直後と直前では、製品である高炉スラグ細骨材の物性が異なるといった品質管理上の問題も生じていた。次に、剪断力を利用する型式の破砕機では、衝撃を利用する型式の破砕機と比べると、比較的小さい粒や針状の水砕スラグの破砕は十分にできていたものの、付着水分がある場合には、破砕された高炉水砕スラグの粉が破砕部分の機器の狭い間隔に付着しやすい欠点を持っていた。
そこで、本発明者らは、原鉱高炉水砕スラグを経済的に破砕して高炉スラグ細骨材を製造するために、特開２０００−１９２７１３公報に記載されている破砕方法を発明した。この方法は、高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて、粉砕する方法である。この方法を実施する装置としては、中央回転軸の上部に高炉水砕スラグ粒の供給口を、また、下部円周部分に出口を有する回転部を有し、ここから原鉱高炉水砕スラグ粒を投射し、この回転部の周りに高炉水砕スラグ粒の蓄積している層を保持する固定ケーシング部分を有する装置を用いる。以降、本文中では、この装置を投射式破砕機と呼ぶ。
【０００６】
この投射式破砕機を用いて、原鉱高炉水砕スラグを破砕すると、破砕に伴う部品磨耗がないことから、整備に関わる稼働時間ロスがすくなくなり、また、整備費用も大幅に低下する効果がある。この装置は、高炉水砕スラグの粒形状が角張ったものや針状のものから球に近いものにする機能に優れている。また、高炉水砕スラグ層を形成して、これに高炉水砕スラグ粒を衝突させるため、高炉水砕スラグの過度な破砕を防止する効果も発揮できる。このように、本方法は、上記の優れた特徴があることから、最近、高炉水砕スラグの破砕処理に採用されることが増えてきている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
投射式破砕機は、運用が簡単で、費用も安いが、以下の問題点があり、操業が簡単ではない問題がある。つまり、破砕刃や衝突部の一定形状をした部品での破砕でなく、高炉水砕スラグ蓄積層に原鉱高炉水砕スラグ粒を衝突させるだけの機構であることから、原鉱高炉水砕スラグの物理的状況に合わせた適正な衝突速度でなければ、目的とする粒径分布とすることが困難であった。従来技術では、原鉱高炉水砕スラグ粒の衝突速度を決定する要因の把握が十分でなかった。このため、投射速度を経験で決めていたことから、必ずしも、一定して目標の製品物性を得られていなかった。
また、原鉱高炉スラグの物理的状況は、原鉱高炉水砕スラグの製造バッチ毎に変化することから、原鉱高炉水砕スラグの物理的状況の変化により、製品である高炉スラグ細骨材の粒径や単質などの物性が変化してしまう問題があった。このような物性の変化があると、高炉スラグ細骨材の品質が安定せず、その結果、この細骨材を使用したコンクリートの品質が安定しない問題があった。このように、従来技術では、ただ単に、原鉱高炉水砕スラグ粒を高炉水砕スラグ蓄積層に衝突させれば良いとの知見しかなく、製品粒径等を適切に制御することができていなかった。
【０００８】
また、投射式破砕機において、金属面の上に高炉水砕スラグ蓄積層を長期間安定して作れない問題もあった。特開２０００−１９２７１３公報に記載されているように、この方法では、高炉水砕スラグ蓄積層の２０ミリメートル以上で安定して生成させる必要があった。投射式破砕機の金属ケーシングの形状によっては、その内面に、この高炉水砕スラグ蓄積層を生成することは、さほど困難ではないが、長時間、これの脱落を防止することは困難であった。したがって、時によっては、高炉水砕スラグ蓄積層が形成されていないことがあり、この間は、硬質の金属製ケーシングに、投射された高炉水砕スラグ粒が直接衝突して、高炉水砕スラグ粒の破砕度合いが増して、予定よりも細かい製品ができる結果となる。このような現象により、高炉スラグ細骨材の品質が安定しない問題もあった。さらに、この現象により、高炉水砕スラグ粒が金属製ケーシングを磨耗させる問題も生じる。この結果、金属製ケーシングの磨耗が大きくなり、整備費が増加する結果となっていた。
以上に説明したように、投射式破砕機は、破砕特性が優れており、また、整備費も安い利点があった。しかし、従来技術では、破砕度合いが安定しない問題や金属製ケーシングの磨耗が生じる問題が残っており、原理的には優秀な投射式破砕機も、必ずしも、原理通りの性能を発揮できていなかった。この結果、破砕後の製品品質の悪化や整備費の増加の問題があった。
そこで、本発明は、以上のような従来技術の問題点を解決し、水を用いて急冷した高炉水砕スラグを原料として、簡易な設備で、安価かつ大量にコンクリートやモルタル向けの細骨材を製造する方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、その要旨は特許請求の範囲に記載した通りの（１）から（１３）の内容である。
（１）製鉄高炉で発生する溶融したスラグに水をかけて急速冷却することにより製造した高炉水砕スラグを、さらに、破砕して、セメントコンクリートやモルタルの細骨材を製造する技術であり、高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグの破砕前の粒径分布、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率の各値、および、破砕後の目標となる粒径分布、単位容積質量、および、絶対乾燥比重の各値のうち、少なくとも２項目を変数とする関係を用いて、高炉水砕スラグスラグ粒の衝突速度を決定して、破砕することを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法、
（２）高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に衝突する、高炉水砕スラグ粒の衝突速度（Ｖ：メートル／秒）と、破砕前後の高炉水砕スラグ粒の平均粒径に対する比率（Ｄｆ／　Ｄｉ、なお、Ｄｉは破砕前平均粒径で、Ｄｆは破砕後平均粒径である）の関係を決定する要因として、破砕前の高炉水砕スラグ粒の平均粒径、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率を変数として用いることを特徴とする（１）に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法、
【００１０】
（３）高炉砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の衝突速度と、破砕前後の高炉水砕スラグ粒の平均粒径の比に対する関係を現す指標であるＶ＊（Ｄｆ　／　Ｄｉ）の値が、１６〜５０の範囲であることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法、ただし、衝突速度の単位はメートル／秒である、
（４）高炉水砕スラグ粒の衝突速度（Ｖ：メートル／秒）と、破砕前後の高炉水砕スラグ粒の粗粒率の差（Ｆｉ　−　Ｆｆ、なお、Ｆｉは破砕前粗粒率で、Ｆｆは破砕後粗粒率である）の関係を決定する要因として、破砕前の高炉水砕スラグ粒の平均粒径、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率を変数として用いることを特徴とする（１）に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法。
【００１１】
（５）高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の衝突速度が、破砕前後の高炉水砕スラグ粒の粗粒率の差に対する比率を現す指標であるＶ／（Ｆｉ　−　Ｆｆ）の値が、４５〜１５０の範囲であることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法、
（６）高炉水砕スラグ粒の衝突速度（Ｖ：メートル／秒）と、破砕前後の高炉水砕スラグの単位容積質量の差（Ｗａｉ　／　Ｗａｆ、なお、Ｗａｉは破砕前平均粒径で、Ｗａｆは破砕後平均粒径である）の決定する要因として、破砕前の高炉水砕スラグ粒の平均粒径、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率を変数として用いることを特徴とする（１）に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法、
【００１２】
（６）高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の衝突速度が、破砕前後の高炉水砕スラグの単位容積質量の差に対する比率を現す指標であるＶ／（Ｗａｆ　−　Ｗａｉ）の値が、７０〜２００の範囲であることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法、
（７）高炉水砕スラグ粒の衝突速度（Ｖ：メートル／秒）と、破砕前後の高炉水砕スラグの絶対乾燥比重の差（Ｗｄｆ　−　Ｗｄｉ、なお、Ｗｄｉは破砕前絶対乾燥比重で、Ｗｄｆは破砕後の絶対乾燥比重である）の関係を決定する要因として、破砕前の高炉水砕スラグ粒の平均粒径、単位容積質量、絶対乾燥比重、および、ガラス化率を変数として用いることを特徴とする（１）に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法、
【００１３】
（９）高炉水砕スラグ粒が蓄積している層に、高炉水砕スラグ粒を衝突させて破砕する方法において、高炉水砕スラグ粒の衝突速度が、破砕前後の高炉水砕スラグの絶対乾燥比重の比に対する比率を現す指標であるＶ／（Ｗｄｆ　−　Ｗｄｉ）の値が、１２０〜３５０の範囲であることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法、
（１０）回転軸円周部に設置してある放出口から粒を投射する型式の破砕装置を用いて、破砕を行う高炉スラグ細骨材の製造方法において、回転軸円周部分の高炉水砕スラグ粒の出口から投射される高炉水砕スラグ粒の速度を、（１）乃至（９）のいずれか記載の方法で決定することを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
【００１４】
（１１）付着水分が４〜１２質量％の範囲である高炉水砕スラグ粒を用いて、曲率半径が２メートル以下の面の内側に、破砕前の平均粒径の２．５〜１２倍の厚みである高炉水砕スラグ粒の蓄積層を形成して、当該蓄積層に当該高炉水砕スラグ粒を衝突させることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法、
（１２）中央回転軸の上部に高炉水砕スラグ粒の供給口を、また、当該中央回転軸の円周部分に高炉水砕スラグ粒の放出口を有し、当該放出口から高炉水砕スラグ粒を、曲率半径が２メートル以下の固定外周部の内面に蓄積している高炉水砕スラグ層に向けて、投射することを特徴とすることを特徴とする（１０）または（１１）に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法、および、
（１３）回転軸円周部分の高炉水砕スラグ粒の出口から投射される高炉水砕スラグ粒の速度を、３０〜９０メートル／秒の範囲とする（１）乃至（１２）のいずれかに記載の方法で決定することを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明において使用する高炉水砕スラグは以下の方法で製造する。まず、図１に示す高炉に付帯する高炉水砕スラグの製造装置にて、原鉱高炉水砕スラグを製造する。その操業では、まず、溶融状態の高炉スラグをスラグ樋１で流して、これを冷却水が流れている水樋４に落とし込む。なお、冷却水は、ポンプ２から冷却水ノズル３を経由して、水樋４に流す。ここで、溶融状態の高炉スラグは、急冷されて固化する。この時の冷却速度は大きいため、高炉スラグはガラス化して、粒状物に針状物が混合した高炉水砕スラグとなる。なお、溶融状態の高炉スラグは、高炉炉内で窒素を過飽和状態まで吸収しており、凝固時にこの窒素ガスを放出し、発泡した状態となる。水樋４で冷却水を混合した状態の高炉水砕スラグは、調整槽５を経由して、フィルター６にて、水と分離される。この後、コンベア７にて、サイロ８に貯蔵される。
高炉スラグ細骨材の製造には、冷却条件を強化した溶融高炉スラグの水冷方法を用いて、緻密な原鉱高炉水砕スラグを製造する。一般的に、細骨材は緻密な粒であることが求められるため、含有窒素起因の発泡現象を抑えることが、良い製造方法である。そのためには、冷却を強くして、気泡が多量に発生する前に凝固を完了させることが望ましい。冷却を強くするための操業条件としては、溶融高炉スラグに対する冷却水量を増加して、かつ、冷却水温度を低くすることが望ましい。この条件を定量的に評価すれば、溶融している高炉スラグに対する冷却水量を１５倍以上とすることと、冷却水温度を６０℃以下とすることが有効である。
【００１６】
この方法で製造された原鉱高炉水砕スラグは、気泡や亀裂を有する、角張った粒が多く、また、針状の粒も含むことから、そのままでは、細骨材としての性能が悪いものである。したがって、これを破砕することにより、細骨材としての性能を向上させる。本発明においての破砕方法では、まず、この原鉱高炉水砕スラグの水分を調整した後に、これを投射して、高炉水砕スラグ蓄積層に衝突させる。この際に、原鉱高炉水砕スラグを破砕することによって、良質な高炉スラグ細骨材を製造する。
この破砕方法を行うために用いる装置は幾種類かあり、いずれの型式の装置でもよいが、図２に示す投射式破砕機が最も良い。この投射式破砕機は、回転軸の中心から遠心力を用いて高炉水砕スラグを金属製外筒の粉体蓄積層に投射する方式の装置である。なお、投射式破砕機の型式は、幾つかあり、高圧空気と噴射する型式のものや、図２に例と同じように、回転子で投射するが、高炉水砕スラグ蓄積層が平面になっているものなどがある。ただし、設備を小さくできることや、電力消費が少ないなどの理由から、図２に示す投射式破砕機はもっとも経済的である。以降、この型式の投射式破砕機を用いて、本発明の方法を説明する。
【００１７】
原鉱高炉水砕スラグは、回転子１０の上部中心にある水砕スラグ供給口１１から供給される。高炉水砕スラグは、回転子１０の下部の円周上に存在する射出口１２から、固定された外周のケーシング１３に形成されているスラグ蓄積層１４に向けて投射される。原鉱高炉水砕スラグの投射速度は、回転子１０の回転数の変更によって制御する。実際の破砕操業では、破砕操作が始まるとすぐに、スラグ蓄積層１４が形成される。その後は、原鉱高炉水砕スラグ粒１５は、スラグ蓄積層１４と衝突する際に、気泡の周囲の薄い部分や亀裂の部分から破砕される。また、針状の高炉水砕スラグは、衝突の衝撃で折れる。その結果、高炉水砕スラグは細骨材として良好な物性を有する粒となり、排出部１６から排出される。なお、投射してから衝突するまでの時間が短いことから、原鉱高炉水砕スラグの衝突速度は投射速度とほぼ同じである。
スラグ蓄積層１４を安定して形成するために、従来技術である特開２０００−１９２７１３公報に記載されている方法では、２０ミリメートル以上の厚みのスラグ蓄積層１４を形成することが記載されているが、前述したように、安定したスラグ蓄積層１４の形成には課題があった。そこで、本発明者らは、曲率半径が２メートル以下であるケーシング１３の内面に、スラグ蓄積層１４を形成することが有効であることを見出した。つまり、２メートル以下の曲率半径のある内面に高炉水砕スラグ粒を蓄積することにより、アーチ効果が発揮できる。この結果、スラグ蓄積層１４の厚みが２０ミリメートル以下であっても、容易に薄利しない層が形成される。この条件では、スラグ蓄積層１４の厚みは、原鉱高炉水砕スラグ粒の平均粒径の２．５倍以上、かつ、１２倍以下であることが必要である。なお、本発明で記されている曲率半径は、その面のある点からの全ての方向で計られた曲率半径のうち、最も小さい値を言う。本発明では、スラグ蓄積層１４が形成される、ケーシング１３の内面の特殊な位置を除いた点で測定された曲率半径が２メートル以下であることが条件である。特殊な位置とは、接合ボルト留め部、ケーシング１３の継ぎ目部などを言う。
【００１８】
本発明者らの解析では、スラグ蓄積層１４の厚みが原鉱高炉水砕スラグ粒の平均粒径の２．５倍以下の場合は、スラグ蓄積層１４での厚み方向での粒子数は、３〜４個であり、これらを粉状の高炉水砕スラグが結合していることが判明した。これよりも、層数が少ない場合は、粒間の結合が悪く、原鉱高炉水砕スラグ粒の衝突時に、スラグ蓄積層１４が欠落する場合が多かった。また、一方、層数が１２を超える場合は、厚過ぎることにより、スラグ蓄積層１４の一部が脱落することもあり、安定した層の形成ができない場合もあった。
ただし、原鉱高炉水砕スラグの水分が、少ない場合は、高炉水砕スラグ粒間の粘着性が低下して、アーチ効果が発揮できないことも解明した。したがって、原鉱高炉水砕スラグの水分は、４質量％以上である必要がある。また、水分が１２質量％以上の場合は、水分が多過ぎて、スラグ蓄積層１４への過剰な付着が起きることと水砕スラグ供給口１１でのつまり現象が生ずることから、原鉱高炉水砕スラグの水分が４〜１２質量％の範囲であることが条件である。
破砕の程度は、主として、原鉱高炉水砕スラグ粒の衝突速度によって決まる。
【００１９】
しかし、本発明者らは、原鉱高炉水砕スラグの物性等の操業条件が変化することにより、同じ衝突速度でも破砕の程度が異なることを見出した。そこで、本発明者らは、高炉スラグ細骨材の製造に即した破砕方法を確立するために、原鉱高炉水砕スラグの物性や衝突速度が、破砕後の高炉水砕スラグの細骨材としての性能に与える影響を調査した。この結果、原鉱高炉水砕スラグの幾つかの物性値と衝突速度の影響が大きいことを見出した。
本発明者らは、原鉱高炉水砕スラグの物性で、破砕に影響の大きな項目は、粒径分布、ガラス化率、絶乾比重、および、単質であることを解明した。実験結果では、絶乾比重や単質が大きいほど、破砕の度合いが小さかった。このことは、比重が大きく、緻密な原鉱高炉水砕スラグ粒ほど破砕されずらいことが原因である。本発明者らは、破砕の度合いに対して、原鉱高炉水砕スラグ粒の粒径分布の影響もあることを解明した。粒径の小さい原鉱高炉水砕スラグ粒ほど、破砕されずらいことがわかった。これは、小さい粒は緻密になっており、破砕されずらいことが原因である。また、原鉱高炉水砕スラグのガラス化率が高いほど、破砕の度合いが大きいことも判明した。これは、ガラス化率が高く、スラグの結晶化が進んでいない場合は、スラグが軟質であることから、破砕されやすいことが原因である。破砕の度合いの指標として、原鉱高炉水砕スラグ粒の平均値（Ｄｉ）と破砕後の粒の平均値（Ｄｆ）の比（Ｄｆ／Ｄｉ、また、破砕比として定義する）を用いた場合は、Ｄｉ値が小さいほど、Ｄｆ／Ｄｉが大きくなる。
【００２０】
また、以上に述べた原鉱高炉水砕スラグの物性が一定の場合は、破砕の度合いは、衝突速度で決まることも解明した。この範囲では、Ｄｆ／Ｄｉはほぼ衝突速度（Ｖ）に反比例することも判明した。つまり、衝突速度（Ｖ）と破砕比の関係は次式で表せる。
Ｖ　＝　Ａ＊（Ｄｆ／Ｄｉ）−１　……　（式１）
ただし、Ａは原鉱高炉水砕スラグ粒の物性により決まる定数である。つまり、Ａはこれらの物性値の関数であり、ここで、定数Ａは、
Ａ＝Ｆ（Ｄｉ，　Ｗｄｉ，　Ｗａｉ，　Ｇ）　　……　（式２）
と表現することができる。ただし、Ｗｄｉ：原鉱高炉水砕スラグの絶乾比重、Ｗａｉ：　原鉱高炉水砕スラグの単質、Ｇ：原鉱高炉水砕スラグのガラス化率である。
これらの物性値の変化する範囲は狭い。例えば、原鉱高炉水砕スラグ粒の平均粒径は、１．５〜３．５ミリメートル、絶乾比重は、２．３〜２．６、単質は、１．２〜１，４５、ガラス化率は、８５〜９９％である。したがって、これらの物性値の影響度は、近似的に一次式で表すことができる。そこで、Ｆ（Ｄｉ，　Ｗｄｉ，　Ｗａｉ，　Ｇ）は簡便に線形関数として、以下に表記できる。
Ｆ（Ｄｉ，　Ｗｄｉ，　Ｗａｉ，　Ｇ）＝　ａ　＋　ｂ＊Ｄｉ　＋　ｃ＊Ｗｄｉ　＋　ｄ＊Ｗａｉ　＋　ｅ＊Ｇ　……（式３）
なお、これら原鉱高炉水砕スラグ粒の物性値のうち、絶乾比重と単質は相互の関係があるので、（式３）中の変数としては、いずれか一方を用いることでも良い。また、原鉱高炉水砕スラグの物性の変化が少ない場合は、単純に、破砕比だけで経験的に衝突速度を決定することもある。
【００２１】
本発明者らは、一般的には、（式３）中のこれらの定数を破砕の経験で決定することが有効であることを見出した。なぜならば、製鉄所毎に、原鉱高炉水砕スラグの製造条件は、少しずつ異なり、物性と粒径の関係の異なることから、どのような製鉄所でも利用できる統一した式とすることは難しい。したがって、基本的には、（式３）を用いた製鉄所毎の衝突速度の決定式を構築することが良い。参考に、本発明者らが行った実験では、（式４）に示される関数が得られる。
Ｆ（Ｄｉ，　Ｗｄ，　Ｗａ，　Ｇ）＝　４４　−　４＊Ｄｉ　＋　２６＊Ｗｄｉ　＋　６＊Ｗａｉ　−　０．７＊Ｇ　……（式４）
これらの式を総合して、原鉱高炉水砕スラグの破砕前の平均粒径と物性値、および、破砕後の平均粒径の目標値から、衝突速度を決定する。なお、本発明者らは、適正な破砕制御であれば、Ａの値、つまり、Ｖ＊（Ｄｆ　／　Ｄｉ）の値が、１６〜５０の範囲であることを見出した。したがって、目標である破砕後の高炉水砕スラグの平均粒径を決めて、破砕前の高炉水砕スラグの平均粒径、絶乾比重、単質、および、ガラス化率の情報から、高炉水砕スラグ粒がスラグ蓄積層１４に衝突する速度を決定する。具体的には、図２に記載される装置の回転子の回転速度を変更して行う。なお、本発明の一般的な破砕処理では、破砕比が０．３５〜０．６５となる。
【００２２】
また、粒の大きさを表す指標として、粗粒率（ＦＭ）がある。粗粒率は５ミリメートルの篩目の上に残る粒の比率、その１／２である２．５ミリメートルの篩目の上に残る粒の比率、さらに、この操作を繰り返し、小さい篩を通して、０．１５ミリメートルの篩上に上に残る粒の比率の総和で示される値である。一般に、良質な細骨材は２〜３の値を取る。原鉱高炉水砕スラグの衝突速度を決める式で、平均粒径の代わりに粗粒率を変数として利用することも可能である。
この場合も、衝突速度（Ｖ）と粗粒率の比の関係は、（式１）に相当する式で表現できるが、粗粒率の性格から、破砕前後の比ではなく、差で評価することが良い。
Ｖ　＝　Ｂ＊（Ｆｉ　−　Ｆｆ）　……　（式５）
ただし、Ｆｉは破砕前の粗粒率、また、Ｆｆは破砕後の粗粒率である。また、定数Ｂも、（式２）から（式４）に相当する解析を行って得ることができる。この式をベースとして、目標となる破砕後の粗粒率から衝突速度を決定する。Ａ値と同様に、Ｂ値は、高炉水砕スラグ粒の物性と粒径の関係が製鉄所によって異なることから、必ずしも、すべてに統一した関数式ではない。参考に、本発明者らが行った実験では、（式６）に示される関数が得られる。
Ｂ　＝　Ｖ／（Ｆｉ−Ｆｆ）　＝　−６　−　４２＊Ｄｉ　＋　２４４＊Ｗｄｉ　＋　３２＊Ｗａｉ　−　４．２＊Ｇ　……（式６）
ここで、適正な破砕制御であれば、Ｂ、つまり、Ｖ／（Ｆｉ　−　Ｆｆ）の値が４０〜１６０の範囲である。なお、本発明の一般的な破砕処理では、破砕前後の粗粒率の比は０．６〜０．８となる。
【００２３】
このように、原鉱高炉水砕スラグを破砕する目的は、平均粒径を小さくすることがあるが、それとともに、細骨材の品質に関わる重要な物性である絶乾比重や単質を向上させる効果がある。したがって、破砕の度合いを決定する判断要因として、これらの物性の目標値を達成することが重要な場合は、このために各変数を考慮して、原鉱高炉水砕スラグ粒の衝突速度を決定する。
破砕後の絶乾比重と単質を目標値にするためには、前述した粒径を目標として作成した（式１）から（式４）と同様の解析を行い、原鉱高炉水砕スラグの絶乾比重または単質の値から目標値の差をベースに衝突速度を決定するための関数を作成する。この関数により、目標にあった衝突速度を決定する。これらの関係式は、各々（式７）と（式８）に記載される通りである。関数の形式は、粗粒率での関数と同様に、破砕前後の値の差で示されるものを使う。
Ｖ　＝　Ｃ＊（Ｗｄｆ−Ｗｄｉ）　……　（式７）
Ｖ　＝　Ｄ＊（Ｗａｆ−Ｗａｉ）　……　（式８）
ただし、ＷｄｉとＷｄｆは破砕前後の絶乾比重、ＷａｉとＷａｆは破砕前後の単質である。定数Ｃ、Ｄは、各々、破砕後の絶乾比重と単質の目標値から、衝突速度（Ｖ）を決定する定数である。本発明者らは、適正な破砕制御であれば、絶乾比重での定数Ｃ、つまり、Ｖ／（Ｗｄｆ　−Ｗｄｉ）の値が７０〜２００の範囲、また、単質での定数Ｄ、つまり、Ｖ／（Ｗａｆ−Ｗａｉ）の値が、１２０〜３５０の範囲であることを見出した。
【００２４】
図３に簡略的に記載されるように、原鉱高炉水砕スラグ粒１７は内部に気泡１８や亀裂１９を有する。原鉱高炉水砕スラグの破砕処理においては、一般的に、これらの気泡や亀裂を起点として粒が割れる。本発明者らは、毎秒３０メートル以下の投射速度の場合は、これらの亀裂や気泡間の狭い部分を完全に破壊できないことを解明した。破砕後の平均粒径が、元の平均粒径の７０〜８０％程度にしか破砕できなかった。その結果、細骨材として要求される物性が大幅に改善されないことが判明した。
一方、顕微鏡観察の結果では、適度の投射速度である毎秒３０〜９０メートルの衝突速度での破砕の場合は、亀裂や気泡間の狭い部分を完全に破壊することができることを解明した。この破砕の結果、高炉水砕スラグ粒は球に近い形状となり、また、針状の高炉水砕スラグも破壊される。粒内部に存在している気泡が露出することにより、絶乾比重が向上する。また、角張った粒と針状物が球形となることから、粒の充填密度も高くなる。この結果、単質も向上する。したがって、この速度の範囲では、上記の説明の破砕方法により、高炉水砕スラグを破砕する処理が効率的に実施できる。
【００２５】
原鉱高炉水砕スラグ粒の衝突速度が毎秒９０メートル以上の場合は、破砕効果が飽和状態となり、投射速度を向上させたにも関わらず、粒子形状の向上代は、毎秒９０メートルの投射速度の場合と大差なかった。また、毎秒９０メートル以上の場合はスラグ蓄積層１４が剥がれ落ちることも頻発して、本発明の破砕条件が必ずしも良好でないことから、衝突速度は３０〜９０メートル／秒が良好な条件である。
本発明によって製造された高炉スラグ細骨材は、絶乾比重や単質などの細骨材に要求される物性を満足することができる。この高炉スラグ細骨材単独でも、良質なコンクリートを製造できる。また、川砂、石灰石砕砂、陸砂、その他の細骨材と混合することにより、粒度構成の良い良質のコンクリートまたはモルタル用の細骨材として使用できる。
【００２６】
【実施例】
本発明を用いて、高炉スラグ細骨材を製造した結果を表１に示す。また、従来法による製造結果も表１に示す。本実施例を行った破砕装置は、図２に示される投射式破砕機を用いた。当該破砕機の処理能力は５５トン／時である。射出口１２から高炉水砕スラグを投射する速度は２５〜１００メートル／秒の任意の速度に制御できるものであった。ケーシング１３は、樽型をしており、スラグ蓄積層１４が形成される内面の曲率半径は、一律であり、１．５５メートルであった。
実施例では、表１に記載された２種類の原鉱水砕スラグを使用した。原鉱１は、平均粒径が２．４ミリメートル、粗粒率２．８８、絶乾比重２．２４、単質１．２７、また、ガラス化率が９８％であった。原鉱２は、平均粒径が３．２ミリメートル、粗粒率３．３１、絶乾比重２．４１、単質１．３３、また、ガラス化率が９１％であった。これらの原鉱の絶乾比重と単質はともにＪＩＳ規格の下限以下であった。水分は各々８．８質量％と１０．３質量％であった。
【００２７】
【表１】
2004067396.tif 000003
実施例１は、原鉱１を平均粒径２．４ミリメートルから１．８ミリメートルまで破砕することを目標とする操業例である。原鉱高炉水砕スラグの投射速度を、式１と式４を組み合わせて計算した。この値は、４０メートル／秒であり、この速度で原鉱高炉水砕スラグを投射した。処理結果は、平均粒径が１．７６ミリメートル、粗粒率２．３３、絶乾比重２．６１、単質１．４７であった。このように、破砕後の平均粒径はほぼ目標通りであった。
【００２８】
実施例２では、原鉱１を平均粒径２．４ミリメートルから１．５ミリメートルまで破砕することを目標とする操業例である。実施例１と同様に、式１と式４を組み合わせて計算した投射速度である５０メートル／秒で、原鉱高炉水砕スラグを投射した。処理結果は、平均粒径が１．５２ミリメートル、粗粒率２．１８、絶乾比重２．６９、単質１．５５であった。この実施例でも、破砕後の平均粒径はほぼ目標通りであった。
実施例３では、原鉱２を平均粒径３．２ミリメートルから２．７ミリメートルまで破砕することを目標とする操業例である。実施例１と同様に、式１と式４を組み合わせて計算した投射速度である４５メートル／秒で、原鉱高炉水砕スラグを投射した結果、平均粒径が２．７８ミリメートル、粗粒率２．９３、絶乾比重２．７１、単質１．５０であった。この実施例でも、破砕後の平均粒径はほぼ目標通りであった。
【００２９】
実施例４では、原鉱２を平均粒径３．２ミリメートルから１．８ミリメートルまで破砕することを目標とする操業例である。実施例１と同様に、式１と式４を組み合わせて計算した投射速度である７０メートル／秒で、原鉱高炉水砕スラグを投射した結果、平均粒径が１．８６ミリメートル、粗粒率２．５５、絶乾比重２．８９、単質１．５６であった。この実施例でも、破砕後の平均粒径はほぼ目標通りであった。
【表２】
2004067396.tif 000004
【００３０】
このように、実施例１〜４においては、適正な破砕が行えて、高炉水砕スラグの粒径を小さくするとともに、絶乾比重と単質は、ＪＩＳ規格の範囲とすることができた。これらの実施例で製造した高炉スラグ細骨材は、コンクリートセメントやモルタル向けの細骨材として優秀な成績であった。
以上の実施例１〜４の結果と衝突速度の関係式である（式４）で計算される定数Ａと実績値のＡを表２に示す。表２に示されるように、原料である原鉱高炉水砕スラグの物性と破砕後の平均粒径が異なっても、定数Ａの実績値と（式４）の計算値は、ほぼ一致した。また、本発明での実験で得ていた、適正な破砕条件である場合の定数Ａの範囲に入っていた。
さらに、粗粒率の場合の定数Ｂにおいても、（式５）と（式６）から計算される値と実績値は、やや誤差はあるが、良い一致を得た。このように、粗粒率を目標として、衝突速度を決定する方法でも良い制御ができる。絶乾比重と単質の定数ＣとＤにおいても、原鉱高炉水砕スラグが同一であれば、ほぼ同じ値となることから、これらをベースとして衝突速度を決定する方法でも良い制御ができた。また、これらの実施例での衝突速度はいずれも本発明の範囲である３０〜９０メートル／秒であった。
本発明者らは、実施例１〜４の操業を行った後に、投射式破砕機の内部を点検した。この結果、樽型のケーシング１３の内面に、スラグ蓄積層１４が形成されていることを確認した。この層厚は７〜２５ミリメートルであり、破砕前の平均粒径の３〜１０倍であり、本発明での適正な層厚の範囲内であった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、水を用いて急冷した高炉水砕スラグを原料として、簡易な設備で、安価かつ大量にコンクリートやモルタル向けの細骨材を製造できるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融した高炉スラグを水冷して、高炉水砕スラグを製造する装置を示す図である。
【図２】本発明に用いた高炉水砕スラグを水砕スラグ層に投射して、高炉スラグ細骨材を製造する装置の例を示した図である。
【図３】破砕前の高炉水砕スラグの構造を表す模式図である。
【符号の説明】
１　：スラグ樋、
２　：ポンプ、
３　：ノズル、
４　：水樋、
５　：調整槽、
６　：フィルター、
７　：コンベア、
８　：サイロ、
９　：トラック、
１０：回転子、
１１：スラグ供給口、
１２：投射口、
１３：ケーシング、
１４：スラグ蓄積層、
１５：原鉱高炉水砕スラグ粒、
１６：排出部、
１７：原鉱高炉水砕スラグ粒、
１８：気泡、
１９：亀裂
【図１】
2004067396.tif 000005
【図２】
2004067396.tif 000006
【図３】
2004067396.tif 000007