(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
都市ごみ焼却灰を溶融し空冷して得る結晶化スラグの製造方法であって、
溶融時のスラグ組成を、
Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５以上０．０８未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７５以上１．１以下、
Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０８以上０．１２未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７０以上１．１以下、
Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．１２以上０．１５以下のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．６０以上１．１以下となるように調製し、
溶融後、空冷することを特徴とする結晶化スラグの製造方法。
【請求項２】
都市ごみ焼却灰を溶融し空冷して得る結晶化スラグであって、
溶融時のスラグ組成を、
Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５以上０．０８未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７５以上１．１以下、
Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０８以上０．１２未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７０以上１．１以下、
Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．１２以上０．１５以下のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．６０以上１．１以下となるように調製し、
溶融後空冷して製造し、結晶化の程度となる下記の式（１）で定義する硬度比が５０〜８０％であることを特徴とする結晶化スラグ；
硬度比＝［（結晶化スラグのビッカース硬度）／（１００％非晶質スラグのビッカース硬度）］×１００  （％）・・・（１）、
ここで、１００％非晶質スラグは、当該結晶化スラグと同じ組成の溶融スラグを急冷したものである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみ焼却灰や建設残土などの廃棄物を溶融処理してできるスラグ、特に、路盤材などに適した結晶化スラグの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ焼却灰や建設残土などの廃棄物は、溶融処理によりスラグ化されて減容、無害化され、土木・建築材料などに有効利用されるようになってきている。
【０００３】
こうした廃棄物を溶融処理後水冷や空冷によって固化させると、できたスラグは非晶質で脆く路盤材などに用いる上で好ましくない。そのため、特開昭５０−１２２５０８号公報、特開昭５６−５４２４８号公報、特開昭５７−２００２５９号公報、特開昭５８−６０１１４号公報、特開昭５８−６０１１８号公報、特開平３−２７５５３９号公報、特開平４−１３２６４２号公報、特開平４−３１７４３６号公報、特開平５−２１３６４２号公報、特開平５−５８６９０号公報などには、ＣａＯやＳｉＯ2などを添加して溶融スラグのＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比すなわち塩基度を調製したり、溶融後の冷却速度を遅くしたり、溶融後の冷却時にある温度範囲に保持したり、固化後再加熱したりしてスラグを結晶化させる方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許公報に記載された方法には、以下のような問題がある。
【０００５】
イ）都市ごみ焼却灰などのスラグの主成分はＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3であるが、その結晶化にはそれ以外の成分の影響も大きく作用するため、上記特許公報に記載された塩基度や冷却条件をコントロールしても安定して路盤材などに適した結晶化スラグが得られない。
【０００６】
ロ）溶融後の冷却条件をコントロールしたり、固化後再加熱したりすると、スラグの生産性の低下や設備コストの増大を招く。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、路盤材などに適した結晶化スラグを安定して、しかも生産性の低下や設備コストの増大を招くことなく得られる結晶化スラグの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、都市ごみ焼却灰を溶融し空冷して得る結晶化スラグの製造方法であって、溶融時のスラグ組成を、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５以上０．０８未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７５以上１．１以下、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０８以上０．１２未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７０以上１．１以下、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．１２以上０．１５以下のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．６０以上１．１以下となるように調製し、
溶融後、空冷することを特徴とする結晶化スラグの製造方法により解決される。
【０００９】
なお、ここで言う空冷とは溶融スラグを受け皿に取ってそのまま放冷することで、溶融スラグの結晶化が起る１２００℃から８００℃の温度範囲における空冷の冷却速度は１０〜３０℃／ｍｉｎである。
【００１０】
生産性の低下や設備コストの増大に繋がる溶融後の冷却条件のコントロールや固化後再加熱を行わないで済ませるには、溶融後の冷却を空冷で行いスラグの結晶化を図ればよい。
【００１１】
本発明者等が空冷でもスラグの結晶化を促進できる溶融時のスラグ組成を検討したところ、Ｎａ2Ｏの存在により、スラグの主成分であるＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3の３元状態図における３つの結晶すなわちＣａＯ・ＳｉＯ2（Ｐｓｅｕｄｅ−ｗｏｌｌａｓｔｏｎｉｔｅ）、ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2（Ａｎｏｒｔｈｉｔｅ）、２ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・３ＳｉＯ2（Ｇｅｈｌｅｎｉｔｅ）のうち最も析出し易いＧｅｈｌｅｎｉｔｅの析出領域が拡大されるということが明らかになった。
【００１２】
図１に、Ｐｓｅｕｄｅ−ｗｏｌｌａｓｔｏｎｉｔｅ、Ａｎｏｒｔｈｉｔｅ、Ｇｅｈｌｅｎｉｔｅの初晶領域とＮａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比との関係を示す。図１で、（Ａ）はＮａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０、（Ｂ）はＮａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５、（Ｃ）はＮａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．１５のときの結果を表す。
【００１３】
これは、Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2の重量比が０．３０〜０．６５の範囲にある都市ごみ焼却灰を用いて検討した結果であるが、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５以上で、Ｇｅｈｌｅｎｉｔｅの初晶領域が著しく拡大している。
【００１４】
したがって、溶融時のスラグ組成を、ＳｉＯ2、ＣａＯ、ＣａＣＯ3などを添加して、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５以上になるように調製すれば、空冷でもスラグを安定して結晶化できる。
【００１５】
しかしながら、非晶質の状態から結晶質のＧｅｈｌｅｎｉｔｅを析出させると、結晶相で亀裂の伝播が阻害されて靭性は向上するが、結晶相の占める割合が多くなると結晶の異方性による強度低下を招くので、Ｇｅｈｌｅｎｉｔｅの析出の程度すなわちスラグの結晶化の程度を路盤材などに適した範囲にコントロールする必要がある。
【００１６】
そこで、スラグの破壊靭性値ＫICおよび一軸圧縮強度とスラグの結晶化度の関係を調査した。ここで、破壊靭性値ＫICの測定はＪＩＳ  Ｒ  １６０７（ファインセラミックスの破壊靭性試験法）のＳＥＰＢ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｅｄｇｅ−Ｐｒｅｃｒａｃｋｅｄ−Ｂｅａｍ）法にしたがって行い、一軸圧縮強度は３×４×１０ｍｍの試験片を作製して３×４ｍｍの面に圧縮荷重をかけたときの破壊強度から求めた。また、スラグの結晶化の程度は、通常、Ｘ線回折で測定されているが、必ずしも精度良く測定できないので、本発明者等が考案した下記の式（１）で定義した硬度比により評価した。
【００１７】
硬度比＝［（結晶化スラグのビッカース硬度）／（１００％非晶質スラグのビッカース硬度）］×１００（％）……（１）
ここで、ビッカース硬度は、冷却後のスラグを樹脂に埋め込み、研磨後荷重１ｋｇで測定した。
【００１８】
図２に、破壊靭性値ＫICと硬度比の関係を示す。
硬度比が８０％以下であれば破壊靭性値ＫICは０．８ＭＰａ・ｍ0.5以上となり、路盤材として靭性に優れたスラグが得られる。
【００１９】
図３に、一軸圧縮強度と硬度比の関係を示す。
硬度比が５０％以上であれば一軸圧縮強度は１０Ｋｇ／ｍｍ2となり、路盤材として十分な強度のスラグが得られる。
【００２０】
したがって、路盤材などに適したスラグにするには、その結晶化の程度を上記硬度比で５０〜８０％にする必要がある。
【００２１】
溶融後空冷によりＧｅｈｌｅｎｉｔｅを析出させ、硬度比を安定して５０〜８０％にするには、その詳細は実施例で述べるが、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５以上０．０８未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７５以上１．１以下、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０８以上０．１２未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７０以上１．１以下、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．１２以上のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．６０以上１．１以下にする必要がある。
【００２２】
なお、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比の上限は、０．１５を超えると、Ｎａ2ＣＯ3を添加する必要が生じてコスト増になるとともに、溶融炉の炉壁の損傷が促進されるので、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比は０．１５以下にする必要がある。
【００２３】
溶融時に、非酸化性雰囲気で金属元素を比重分離すると、廃棄物中に多量に存在するＦｅがスラグ中から除去され、品位の高いスラグが得られる。
【００２４】
【実施例】
都市ごみ焼却灰を、炭素電極を有する抵抗加熱式電気炉を用い非酸化雰囲気である水蒸気分圧１５〜３５％の大気中で、１４５０℃〜１５００℃で溶融し、約２０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却して非晶質スラグを作成した。このスラグの組成は、ＳｉＯ2：５１．０６ｗｔ％、ＣａＯ：１６．９５ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3：１８．１６ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ：３．９５ｗｔ％、ＭｇＯ：２．５４ｗｔ％、K2Ｏ：１．５３ｗｔ％、FeO：１．９７ｗｔ％、ＴｉＯ2：１．０２ｗｔ％であった。
【００２５】
このスラグにＳｉＯ2、ＣａＣＯ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2ＣＯ3を添加して、溶融時におけるＮａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５〜０．１５、ＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比が０．４０〜１．１０となるように調製された試料をカ−ボン坩堝に入れて、窒素雰囲気中で１５００℃で１時間溶融後空冷した空冷スラグを作成した。この時の１２００℃から８００℃までの温度範囲における冷却速度は１７℃／ｍｉｎであった。また、溶融後直ちに室温の鋼板上に流し出して急冷スラグ（１００％非晶質試料）も作成した。
【００２６】
そして、各試料の空冷後と急冷後のスラグのビッカ−ス硬度を測定し、上記式（１）の硬度比を求めた。なお、各スラグの硬度は、１ｍｍピッチで５点測定し、最大値と最小値を取り除いた３点の値を平均して求めた。
【００２７】
硬度比の測定結果を表１に示す。
Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０５以上０．０８未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７５以上、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．０８以上０．１２未満のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．７０以上、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比が０．１２以上のときはＣａＯ／ＳｉＯ2の重量比を０．６０以上にすると、硬度比は５０〜８０％となり、路盤材などに適したスラグが得られる。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、路盤材などに適した結晶化スラグを安定して、しかも生産性の低下や設備コストの増大を招くことなく得られる結晶化スラグの製造方法を提供できる。
【００３０】
なお、本発明法で作成された結晶化スラグは、路盤材の他、埋戻材、アスファルトやコンクリートの骨材にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｐｓｅｕｄｅ−ｗｏｌｌａｓｔｏｎｉｔｅ、Ａｎｏｒｔｈｉｔｅ、Ｇｅｈｌｅｎｉｔｅの初晶領域とＮａ2Ｏ／ＳｉＯ2の重量比との関係を示す図である。
【図２】破壊靭性値ＫICと硬度比の関係を示す図である。
【図３】一軸圧縮強度と硬度比の関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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