(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉の溶融スラグに対し冷却水を噴射して細粒化することにより水砕スラグを製造する際に、スラグ温度：1350〜1400℃の溶融スラグを、スラグ流量：２〜５ｔ/minで流出させ、この溶融スラグに対し、水砕ノズルから、水温：50〜80℃の冷却水を吐出流速：５〜８ｍ/sec、冷却水の圧力：20〜50kPa、水／スラグの流量比：7〜15の条件で噴射して水砕することにより、単位容積質量が1.45kg／ｌ以上で、粗粒率(F.M.値)が3.7以上の特性を示す水砕スラグを得ることを特徴とする粗粒硬質水砕スラグの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、水砕後の粗粒で硬質の水砕スラグをさらに、コンクリート用細骨材用に粒度調整することを特徴とする粗粒硬質水砕スラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粗粒硬質水砕スラグおよびその製造方法にかかり、とくに、水砕スラグをコンクリート施工時の細骨材として望ましい性状、即ち粗粒かつ硬質 (高比重) の水砕スラグに改質製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炉スラグは、溶融状態のスラグに冷却水を吹き付けて急冷する (水砕処理)ことにより、水砕スラグにされることが多い。こうして得られる水砕スラグは、その性状により、主にセメント等の原料となる“軟質水砕スラグ”とコンクリート用細骨材向けの“硬質水砕スラグ”とに区別されるが、大部分はセメント原料向けの軟質水砕スラグとなる。なお、コンクリート用細骨材向けの硬質水砕スラグは、ＪＩＳ  Ａ５０１１に規定されている。
【０００３】
前記硬質水砕スラグは、これをコンクリート用細骨材として利用するとき、硬質水砕スラグのみで使用することは少ない。すなわち、天然の砂や砂利にこの硬質水砕スラグを混合して用いるのが一般的である。なぜなら、硬質水砕スラグは水硬性があり、保存中に水分と反応し固結し、細骨材として好ましくない形態に変化するためである。即ち、水分を保持したままの硬質水砕スラグは、これを単独で長期保存するのに適していないのである。
【０００４】
一般に、コンクリート用細骨材というのは、その粒度が細かく規定されている。ところが最近の天然砂はその規格を満足できるものが少なく、破砕砂等を混合して粒度を調整するのが普通である。ところで、水砕スラグを破砕砂等の代替品として利用する場合、この水砕スラグの粒度は、混合する天然砂の粒度分布に応じて調整する必要がある。すなわち、天然砂の粒度が細粒のときは粗粒のもの、天然砂の粒度が粗粒のときは細粒のものを混合する必要がある。
【０００５】
例えば、細粒の硬質水砕スラグが求められている場合は、硬質水砕スラグを破砕して粒度調整すればよいが、粗粒の硬質水砕スラグが必要とされている場合は、硬質水砕スラグの粒径をもともと粗くしておく必要がある。
【０００６】
硬質水砕スラグの製造方法としては現在、溶融スラグをスラグ鍋に一旦受けた後、高炉とは別の場所に設けられた水砕設備に搬送して水砕する炉外方式と、高炉に直結した水砕製造設備で製造した軟質水砕スラグの中から、高比重のものだけを選別する炉前方式と、の２つの方式が実施されている。
【０００７】
炉前方式にて軟質水砕スラグを製造する場合、出銑初期のスラグ流量が少ないときは、得られる軟質水砕スラグの粒度は小さく、逆に出銑末期のスラグ流量が多いときは、該軟質水砕スラグの粒度は大きくなる傾向があることは知られている。しかし、選別される硬質水砕スラグについては、これを粗粒化する技術は知られていない。
【０００８】
ただし、水砕スラグの粒度を調整する方法に関しては、例えば特公平６−３９３４０号公報には、スラグ冷却用の冷却水の噴射を４ケ所のノズルから行い、それぞれのノズルの水圧を独立制御し、硬質水砕スラグと軟質水砕スラグを造り分ける技術として開示されている。この技術ではさらに、溶融スラグに最初に当たる冷却水の水圧を低下させると、水砕スラグ粒が粗くなるとの記載がある。しかし、この開示の方法は単に、水圧調整のみによって粗粒化，細粒化を調整しようとする技術である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、設備が複雑で各噴射ノズルの水圧をそれぞれ適切に制御する必要があることから、簡易な設備で効率よく硬質水砕スラグを粗粒化する方法と言える方法ではなかった。また、この従来技術は、コンクリート用細骨材の原料として好適な粒度（ＦＭ値：3.7 以上) の硬質水砕スラグを製造することはできなかった。
【００１０】
本発明の目的は、従来技術が抱えている上述した実情に鑑み、粗粒の硬質水砕スラグを、従来法に比べて簡易にかつ効率よく製造するための方法を提案することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記目的を達成するための手段について鋭意研究を重ねたところ、通常のセメント向け軟質水砕スラグの製造条件よりも遥かに低い冷却水流速（必要に応じさらに冷却水圧力を調整してもよい）にて製造を行うと、従来技術の下では考えられなかったような、粗粒で高比重のコンクリート用細骨材に適した硬質水砕スラグが得られることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１２】
すなわち、本発明は、高炉の溶融スラグを水で急冷して細粒化してなる水砕スラグであって、単位容積質量が1.45kg／ｌ以上で、粗粒率(F.M.値)が3.7以上の特性を示す粗粒硬質水砕スラグを製造する方法である。
【００１３】
即ち、本発明は、溶融状態の高炉スラグをスラグ鍋に一旦受けたり、水砕するまでの段階でスラグ温度をできるだけ低下させることにより、スラグ温度が1350〜1400℃に低下した高炉溶融スラグを、スラグ流量：２〜５ｔ/minで流出させ、この高炉溶融スラグに対し、水砕ノズルから、水温：50〜80℃の冷却水を吐出速度：５〜８ｍ/sec、その冷却水の圧力：20〜50kPa、水／スラグの流量比：7〜15の条件で噴射して水砕することにより、単位容積質量が1.45kg／ｌ以上で、粗粒率(F.M.値)が3.7以上の特性を示す水砕スラグを得ることを特徴とする粗粒硬質水砕スラグの製造方法である。ここで、上記吐出速度とは、以下の式から算出した値である。
吐出速度(m/sec)＝冷却水流量(m３/sec)／ノズル孔総面積（m２）
【００１４】
なお、本発明において、水砕ノズルからの冷却水の噴射に当たっては、水砕後の粗粒で硬質の水砕スラグをさらに粒度調整してコンクリート用スラグ細骨材とすることが好ましい。
【００１５】
また、このようにして得られる硬質水砕スラグは、そのＦＭ値が3.7 以上であることが、コンクリート用細骨材として利用する場合に、とりわけ有利である。なお、このＦＭ値の上限は５とする。その理由は次の根拠によるものである。
即ち、硬質水砕スラグは、粒度調整後、硬質水砕スラグのみまたは天然砂と混合して細骨材とされる。この場合、細骨材の粒度は５ｍｍ以下とするのが普通であるから、もし、粗粒率が５を超えると、５ｍｍ以上の粒の割合が多すぎて、細骨材に適合させるために粉砕等の粒度調整の負荷が大きくなりすぎる。また、５ｍｍ以上の粗大粒になると、溶融スラグ温度が1400℃以下と低い場合でも、粒内の冷却速度が遅いため、内部が発泡した軽量の脆い軟質材となり易く、強度の必要な細骨材に適しなくなる。
【００１６】
ここで、ＦＭ値とは、骨材の粒度を表す一般的指標である、粗粒率（Fineness- Modulas)のことである。この粗粒率は、所定重量のサンプルを80，40，20，10，5, 2.5, 1.2, 0.6, 0.3, 0.15 ｍｍの一連の篩を用いて順次篩い分けを行い、粗い篩目側から合計した残留粒子（各篩に残留する粒子）の重量、即ち累計粒子重量を各篩の代表値とし、この各篩の累計粒子重量の前記所定重量に対する百分率を残留累計百分率とし、各篩の残留累計百分率の合計を１００で割ったものとして定義される。
【００１７】
次に、コンクリート用細骨材として好ましい硬質水砕スラグの単位容積質量は、1.45kg／ｌ以上であり、その上限は1.70kg／ｌである。その理由は、一般的に使用されている天然細骨材の単位容積質量が1.50〜1.60kg／ｌだからである。もし、硬質水砕スラグの単位容積質量が1.7 kg／ｌを超える場合、天然骨材との比重差が大きくなり過ぎるし、比重差の大きい骨材を使用すると、フレッシュコンクリート中で骨材の分離を生じるおそれがあるためである。
【００１８】
なお、硬質水砕スラグ (未処理原滓) には、先の尖った部分が存在し、そのまま細骨材として利用すると、フレッシュコンクリートの流動性の低下やコンクリートの強度低下を招くおそれがある。そのため、硬質水砕スラグの原滓は、破砕機等で処理して、尖った部分や強度のない部分を予め破砕して粒度調整することが好ましい。それは、この破砕処理により粒度が小さくなるため、硬質水砕スラグの原滓は予め粗粒のものにしておく必要がある。しかも、この破砕処理により、強度の弱い部分が破砕除去されていくため、整粒すればするほど粒子の強度は向上する。この点で、硬質水砕スラグの原滓は粗粒ほど粒子強度を大きくできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る上記粗粒水砕スラグの好適製造条件について、本発明を開発するに至った経緯を含めて説明する。
まず、発明者らは、水砕スラグの粒度に及ぼす水砕条件の影響を明らかにするために、従来のセメント向け軟質水砕スラグの製造設備において、冷却水の吐出流速を種々に変更した実験を行った。その結果、吹製装置におけるノズルからの冷却水の吐出流速を低下させたところ、スラグの粗粒化に極めて有効であることが判明した。ちなみに、ノズルからの冷却水の吐出流速を低下させるには、水量を減らす方法とノズルの開口面積を拡大する方法との２通りが考えられるが、水量を減らした場合、水／スラグの比が低下し、水砕スラグが発泡して軽量 (軟質水砕スラグ) となる問題があった。したがって、水／スラグの比を低下させずに水流速を低下させる方法としては、ノズル開口面積の拡大による方法が有利である。
【００２０】
上述したように、冷却水の吐出流速を低下することは水砕スラグの粗粒化に有効に作用するが、その反面で、水比低下と同様に軽量化する問題があった。実際に、軟質水砕スラグ製造設備においては、流速を１０ｍ／sec 以下にすると、高炉の出銑末期におけるスラグ温度が高くかつスラグ流量が多いときに製造した水砕スラグは、いずれも軽量化し過ぎて一部が水に浮くこともあった。
【００２１】
次に、発明者らの研究によると、高比重の硬質水砕スラグを得る方法について検討したところ、スラグ温度の低下が最も有効であることがわかった。即ち、図８に示すように、スラグ温度が1400℃以下であれば原滓の単位容積質量は1.45kg／ｌ以上のものになりやすいのである。スラグ温度を低下させる方法としては、時間をおくこと、即ち高炉の溶融スラグを一旦、鍋に受けて水砕する炉外方式が最も実績があり有効である。もちろん、スラグ温度を低下させるために、その他の方法を採用しても構わない。つまり、高炉の溶融スラグの温度が1400℃以下であれば、スラグ内部でのガス発生による気孔の生成が抑制され、単位容積質量の低下はないことがわかった。
【００２２】
次に、溶融スラグを水砕ノズル部に流す流量についても検討したところ、２〜５ｔ/minが好適であることがわかった。水砕スラグの粒度は、スラグ流量が多くなるほど粗くなる傾向があるが、このスラグ流量が２ｔ/minよりも少ないと、スラグ温度低下が大きくなるため、水砕する前の段階 (スラグ樋中) で凝固する量が多くなってスラグが樋中を円滑に流れなくなり、水砕が不可能になる場合がある。一方、スラグ流量が５ｔ/minよりも多くなると、スラグと水が流れる水砕樋から溢れたり、詰まったりする場合がある。
【００２３】
次に、水とスラグの好適な割合について検討した。その結果、水／スラグの比は７〜15程度が好適であることがわかった。水とスラグの比は小さいほうがスラグ流を砕くエネルギーが小さく、粒度が粗くなる。水の吐出流速が小さい場合 (水／スラグ＜７) 、水砕スラグを押し流す力が不足し、水砕樋で詰まってしまい、一方、水／スラグ＞15では水量が必要以上に多すぎて、配管やポンプが大きなものとなり、高価な設備となってしまう。
【００２４】
次に、水砕ノズルから吐出させる冷却水の温度について検討したところ、50〜80℃が好適であることがわかった。冷却水の温度は高いほど水砕スラグの粒度は粗くなり、比重は軽くなる傾向がある。外観上は硬く見える５ｍｍ程度のスラグ粒を両手の指でつまむと簡単に割れてしまうものが見られる。即ち、気泡の少ない緻密な粒であっても内部にクラックが入っているからである。水砕条件とクラックの関係を調べると、冷却水の温度が低いときにクラックが入りやすいことがわかった。クラックが入ると輸送過程での粒度低下が大きく、ＦＭ値が小さくなる。発明者らの知見では、冷却水の温度は５０℃以上にすると、水砕スラグへのクラックの発生が抑制され、粒は簡単には割れなくなる。
以上説明したように、本発明では、上掲の各条件を全て満足させることにより、粗粒の硬質水砕スラグを安定して製造できる。
【００２５】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
まず、本発明を適用した、炉外方式の水砕スラグ製造設備の概要を図１に示す。この水砕スラグ製造設備は、高炉１の近くに設置した、吹製装置２、水砕樋９、水砕槽３および脱水機４からなるものである。なお、吹製装置２に供給する冷却水は、脱水機から還流する冷却水を貯溜する冷却塔５からポンプを介して供給される。
即ち、このような炉外方式の製造設備は、高炉１からの溶融スラグをスラグ鍋６に一旦受け、このスラグ鍋６からスラグ樋７を介して吹製装置２へ溶融スラグを流下させる際に、水砕ノズルから冷却水を流下溶融スラグに向けて噴射することにより水砕を行うようになっている。このようにして得られる水砕スラグは、水砕槽３から脱水機４へ送られ、ここで固液分離してから、製品槽８に溜められる。
【００２６】
次に、上記水砕スラグ製造設備を用いた、硬質水砕スラグの製造を具体的に説明する。高炉１の下方で溶融スラグをスラグ鍋６に受けたのち、そのスラグ鍋６をディーゼル車で水砕スラグ製造設備に運んだ。次いで、スラグを流す前にスラグ鍋６内のスラグ表面の凝固スラグをバックホーで壊し、スラグ鍋６を傾動位置まで運んだ。そして、流下するスラグ量が一定となるように、鍋を傾転してスラグを排出し、スラグ樋７を介してスラグの流れを安定させて吹製装置２内に流し、該装置に設置された水砕ノズルから吐出する冷却水により水砕した。ここで、冷却水流量は３０〜５０ｍ３／min とし、スラグ鍋６からの１回の排出量は約３０ｔとした。また、冷却水の温度はノズル吐出口手前で４０〜８０℃の範囲として操業した。なお、スラグ温度はスラグ鍋６から流出する際に放射温度計で測定した。
【００２７】
一方、冷却水の吐出流速は、冷却水配管のバルブとノズル吐出口を形成するノズルプレートの開孔面積を調節することにより制御した。より具体的には、開口孔の数が異なるノズルプレートを複数準備し、さらに各プレートの開口孔の一部をプラグがねじ込めるように加工し、そのプラグの取り付け取り外しにより、開口面積を調節し、流量が一定となるようにバルブで調整した。
【００２８】
かくして冷却水の吐出流速を変化して製造された水砕スラグは、炉前方式の水砕処理と同様に、鍋毎３０ｔを製品槽から抜き出し、ダンプカーでヤードまで輸送し、ヤードに一つ一つの山に堆積させた。次に、一山毎にサンプルを採取し、その粒度分布および単位容積質量を測定した。本発明の実施例および比較例を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１は、水砕製造条件と、得られた水砕スラグの品質を示したものである。水砕条件として、鍋から排出された溶融スラグの平均流量 (ｔ/min) 、冷却水流量 (ｍ３／min)とこれらの値で決まる水スラグ比 (水／スラグ) 、鍋から排出される溶融スラグ流の温度 (℃) 、冷却水の温度 (℃) 、ノズルからの水の吐出流速 (ｍ／ｓ）を示し、水砕スラグの品質特性として粗粒率ＦＭ値と単位容積質量 (kg／ｌ）を示した。
表に示された結果からわかるように、No. １〜16の本発明の水砕条件に適合する実施例の場合、ＦＭ値≧3.7 、単位容積質量≧1.45kg／ｌの粗粒硬質水砕スラグが製造できた。しかし、比較例として示すNo. 17〜29は、吐出流速が８ｍ／sec 以上の場合、No. 30〜35は水／スラグが15より大きい場合、No. 36〜39はスラグ流量が 2.0ｔ/min未満の場合、No. 40〜43は水温が50℃未満の場合であり、いずれも本発明の条件を１つまたは複数満足していないため、ＦＭ値が3.7 よりも小さな値となってしまった。なお、スラグ樋での詰まりや水砕樋で溢れるといった現象のため水砕の製造ができなかった場合は、品質の評価ができないため表１には記していない。
それぞれの水砕条件が硬質水砕スラグの粒度に及ぼす影響を以下に図を用いて説明する。
【００３１】
得られた硬質水砕スラグの粗粒率と各製造条件の関係を図２〜５に示す。図２は冷却水流速の影響、図３は冷却水温度の影響、図４はスラグ流量の影響、図５は水とスラグの比の影響を示している。
本発明の製造条件を全て満たす実施例では、粗粒率が3.7 以上の硬質水砕が得られた。即ち、図２に示すように、冷却水流速は小さいほど粒度が粗くなるが、５m/sec 未満では水砕できず、発泡した結晶質の塊状となった。次に、図３に示すように、冷却水温度は高いほど粗粒となる傾向にあることがわかった。なお、80℃を超えると軽量の水砕スラグとなった。次に、図４に示すように、スラグ流量は大きいほど粗粒になる傾向があるが、スラグ流量が２ｔ/min未満となると、スラグ樋上で凝固する量が多くなり、水砕する前に詰まりが生じて安定的に製造できなかった。また、スラグ流量が５ｔ/minを超えると鍋から急激にスラグが溢れて危険であった。次に、図５に示すように、水とスラグの比は小さいほど粗粒となったが、７未満では、水砕樋の中でスラグが押し流されずに詰まり、操業できなかった。
【００３２】
以上の結果から、粗粒率が3.7 以上の硬質水砕スラグを安定して製造するための条件としては、スラグ流量：２〜５ｔ/min、スラグ温度：1350〜1400℃の溶融スラグに対し、水砕ノズルからの吐出流速：５〜８m/sec 、水／スラグ：７〜15、冷却水温度：50〜80℃で水砕することが有効であることがわかった。
このような条件の下で製造される硬質水砕スラグは、図６に示すように、単位容積質量が 1.4〜1.7 kg／ｌで、ＦＭ値が  3.7 〜5.0 の本発明に適合する製品となるのである。
【００３３】
また、図７は冷却水圧力と粒度の関係を示すものであり、冷却水圧力が５０ｋPa以下になると粒度が著しく粗くなり、５０kPa でＦＭ値＞3.7 、３０kPa でＦＭ値＞３．９となることが判明した。
【００３４】
また、図８に単位容積質量の測定結果を整理して示すように、炉外方式では、スラグ温度が低いため、冷却水吐出流速を低下しても単位容積質量はスラグ細骨材の規格値の１．４５ｋｇ／ｌ以上を確保できる。すなわち、本発明法で製造した硬質水砕スラグは、軟質水砕スラグと比重, 粒度の大きく異なる性状のものとなる。
【００３５】
すなわち、本発明法で製造した硬質水砕スラグは、後処理として粒度調整して粒度が低下しても、粒度調整前の硬質水砕スラグの粒自体の径が大きいため、粒度調整後の製品の粒度も大きくでき、コンクリート細骨材として有利であることがわかった。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、スラグ流量、スラグ温度、冷却水吐出流速、水／スラグ比、冷却水温度を適正に制御することにより、従来にない粗粒の硬質水砕スラグ、とくに単位容積質量が1.45kg／ｌ以上で、粗粒率が3.7 以上の硬質水砕スラグを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炉外方式の硬質水砕スラグ製造設備の概要を示す図である。
【図２】水砕スラグの粒度に及ぼす冷却水吐出流速の影響を示す図である。
【図３】水砕スラグの粒度に及ぼす冷却水温度の影響を示す図である。
【図４】水砕スラグの粒度に及ぼすスラグ流量の影響を示す図である。
【図５】水砕スラグの粒度に及ぼす水／スラグ比の影響を示す図である。
【図６】単位容積質量とＦＭ値との関係を示す図である。
【図７】冷却水圧力とＦＭ値との関係を示す図である。
【図８】スラグ温度と単位容積質量と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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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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