(57)【要約】【課題】還元スラグの用途を拡大して有効に活用するために、還元スラグを用いた骨材及びその製造方法を提供する。【解決手段】還元スラグを取り出して冷却後、蒸気エージング工程Ｓ２００で水蒸気を接触させて蒸気エージングを行った後、造粒工程Ｓ４００で還元スラグをＣＯ２濃度１００％のガスを導入した造粒装置内で撹拌しながら７時間ＣＯ２固化を行うことで骨材を得た。【選択図】図２
2009062222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元スラグを原料として、撹拌しながら二酸化炭素を含むガスと反応させることで粒状化されたＣＯ２固化体からなり、少なくとも呼び寸法が０．１５ｍｍのふるいを通る粒子が１５質量％以下であることを特徴とする還元スラグを用いた骨材。
【請求項２】
呼び寸法が０．６ｍｍのふるいを通る粒子が２０質量％以上〜８０質量％以下の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の還元スラグを用いた骨材。
【請求項３】
還元スラグを原料として、撹拌しながら二酸化炭素を含むガスと反応させて粒状化されたＣＯ２固化体からなる骨材とすることを特徴とする骨材の製造方法。
【請求項４】
還元スラグを蒸気エージングした後、二酸化炭素を含むガスと反応させることを特徴とする請求項３記載の骨材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鋼における還元精錬工程で発生する還元スラグを用いた骨材及び還元スラグを用いた骨材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銑鉄、スクラップ等を精錬し、電気炉製鋼により鋼を製造する場合、副産物として大量の酸化スラグと還元スラグが発生する。酸化スラグは、酸素を加えて鋼中の炭素と反応させて不要成分を除去する酸化精錬時に発生する。そして酸化精錬後、酸化スラグを排出し、還元材、生石灰等を加え、溶鋼中の酸素を除去する還元精錬時に、還元スラグが発生する。還元スラグはＣａＯ成分を主体とし、膨張性を有し、微粉状であり、高アルカリ性（ｐＨ１１〜１２）で、Ｓ成分を含有するという特徴を有している。
【０００３】
従来、酸化スラグは、適当な大きさに破砕して路盤材として利用されていた。これに対し、還元スラグは、ＣａＯ成分を大量に含んでいることから、路盤材として使用した際に、経時的に体積膨張して数年後に路面が膨らむ虞があるため、そのままでは、路盤材等に利用することができなかった。
【０００４】
そこで、還元スラグの処理方法として、還元スラグを水の存在下に数ヶ月おいて体積膨張させるエージング処理を行った後に、酸化スラグと配合して路盤材として利用する方法が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、鉄鋼製造プロセスで発生したスラグを原料として、炭酸化反応で生成させたＣａＣＯ３をバインダーとして固結させ塊状化してなる石材を海中沈設用石材として用いることが公知である（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
また、還元スラグをコンクリートの原料として用いることが公知である（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特公平３−２１６８２号公報
【特許文献２】特開平１１−７１１６０号公報
【特許文献３】特開２００２−４７０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の様に還元スラグを酸化スラグと混合して使用する場合、路盤材の配合比に限界があり、全ての還元スラグを路盤材として利用することができないという問題があった。また、還元スラグをエージングして膨張させる処理を行う場合、還元スラグを数ヶ月間一つの場所に滞留させるために広大な土地を必要とするが、広大な土地を確保するのは困難である。
【０００９】
また、特許文献２に記載されているように、還元スラグを海中沈設用石材に利用したとしても、その用途だけでは、発生する還元スラグを全て処理することは不可能である。現状では、製鋼工程において発生する還元スラグの全量が有効に利用されているものではない。還元スラグの用途を拡大して有効活用することが要望されている。
【００１０】
また、特許文献３に記載されているように、還元スラグはコンクリートの混和材料として用いられている。しかしながら、特許文献３の表１に記載されているように、還元スラグからなる混和材料の使用量は、酸化スラグからなる骨材の１０分の１程度の量にすぎない。このように還元スラグをコンクリートの混和材料として用いていたのでは、処理量に限界がある。還元スラグの処理量を増やすにはコンクリート骨材として利用することが考えられる。しかし還元スラグは、微粉化して粉状になってしまうので、これまでコンクリート等の骨材として利用することはできなかった。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、還元スラグの用途を拡大して有効に活用するために、還元スラグを用いた骨材を提供すること、及び還元スラグを用いた骨材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の還元スラグを用いた骨材は、還元スラグを原料として、撹拌しながら二酸化炭素を含むガスと反応させることで粒状化されたＣＯ２固化体からなり、少なくとも呼び寸法が０．１５ｍｍのふるいを通る粒子が１５質量％以下であることを要旨とする。
【００１３】
上記骨材において、呼び寸法が０．６ｍｍのふるいを通る粒子が２０質量％以上〜８０質量％以下の範囲にあることが好ましい。
【００１４】
本発明の還元スラグを用いた骨材の製造方法は、還元スラグを原料として、撹拌しながら二酸化炭素を含むガスと反応させて粒状化されたＣＯ２固化体からなる骨材とすることを要旨とする。
【００１５】
上記骨材の製造方法において、還元スラグを蒸気エージングした後、二酸化炭素を含むガスと反応させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の骨材は、還元スラグを原料として、撹拌しながら二酸化炭素を含むガスと反応させることで粒状化されたＣＯ２固化体からなり、少なくとも呼び寸法が０．１５ｍｍのふるいを通る粒子が１５質量％以下であるから、天然骨材の代替品として、建築用又は土木用のセメントモルタルやコンクリート等に使用することが可能である。還元スラグを骨材として利用することができるので、従来の還元スラグをコンクリート混和材料として利用するのと比較して、大量消費が期待できる。本発明によれば還元スラグの用途を拡大して有効に活用することができる。
【００１７】
本発明に係る骨材の製造方法は、還元スラグを原料として、撹拌しながら二酸化炭素を含むガスと反応させて粒状化されたＣＯ２固化体からなる骨材とする方法を採用したことにより、微粉の還元スラグが凝集して粒度が改善され、上記の特定の粒度を持つ還元スラグを用いた骨材が確実に得られる。
また還元スラグをＣＯ２固化体とすることで、下記の効果が得られる。
（１）還元スラグのｐＨが１１〜１２であるのをｐＨ９〜１０に下げることができる。
（２）還元スラグ中のＣａ（ＯＨ）２分が中和され、得られた骨材の体積膨張を抑制できる。
（３）還元スラグの重金属等の溶出抑制効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る骨材について詳細に説明する。本発明の骨材は、原料として還元スラグを用いるものである。表1は還元スラグを用いた骨材の成分組成を示すものである。表1に示すように、一般に骨材の組成はＣａＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等を主成分としている。骨材の組成としては、表１に示す成分以外に、ＭｎＯ、Ｆ、ＴｉＯ２、Ｃ、水分（結晶水）等が含まれている場合がある。
【００１９】
【表１】
2009062222.tif 000003
【００２０】
骨材の組成は、原料として用いられる還元スラグの組成に依存する。還元スラグは、製鋼の二次精錬におけるＣａＯを主体とした副産物である。このような還元スラグとして具体的には、ＬＦ（取鍋精錬）スラグ又はＡＯＤスラグ等が挙げられる。また還元スラグは、リン（Ｐ）成分が一次精錬である酸化精錬の際にほとんど除去されていることから、骨材とした際にも、Ｐ成分を実質的に含まない。
【００２１】
更に本発明の骨材は、還元スラグが二酸化炭素を含むガスの雰囲気中で撹拌されることで粒状化されたＣＯ２固化体からなるものである。図１は造粒前の還元スラグと、前記還元スラグを造粒した後の固化体からなる骨材との通過質量百分率を示すグラフである。図１に示すようにＣＯ２固化前の還元スラグは、呼び寸法が０．１５ｍｍのふるいを通過する粒子が約９０質量％以上存在する。これは、ＣＯ２固化前の還元スラグが、微粉末の状態であることを示している。このＣＯ２固化前の還元スラグの状態では、粒子が細かすぎて、そのままでは骨材として利用できない。これに対し、本発明の骨材は、前記還元スラグが、二酸化炭素を含むガスの雰囲気中で撹拌することで粒状化されたＣＯ２固化体であり、少なくとも呼び寸法が０．１５ｍｍのふるいを通過する粒子が１５質量％以下であるから、骨材として利用可能である。上記ふるいの呼び寸法０．１５ｍｍのふるいは、ＪＩＳ  Ｚ  ８８０１−１に規定するふるいの公称目開き１５０μｍのふるいのことである。
【００２２】
本発明の骨材は、更に好ましくは、０．６ｍｍのふるいを通る粒子が２０質量％以上〜８０質量％以下の範囲にあることが、大小の粒子が適度に分布することになり、粒度分布の幅が広がることから好ましい。
【００２３】
図２は本発明の骨材の製造方法の一例を示す工程図である。以下、骨材の製造方法について説明する。図２に示すように、骨材の原料として、製鋼の二次精錬において副産物として発生する還元スラグ１を用いる。先ず冷却工程Ｓ１００では、溶融状態で取り出された還元スラグ１を所定の容器等に入れて放置し冷却する。冷却工程Ｓ１００では、還元スラグの温度が外気温程度になるまで冷却することが、次工程での取扱いが容易であることから好ましい。
【００２４】
次に、冷却した還元スラグを水蒸気に接触させる処理を行う蒸気エージング工程Ｓ２００を行う。蒸気エージング工程を行うことで、その後のＣＯ２固化の際のＣＯ２との反応が進みやすく、骨材とした後の体積膨張を抑制し、体積安定性が良好になるという利点がある。また、還元スラグを蒸気エージングすることで、Ｓ成分が除去されるので、造粒工程でＣＯ２と反応させる際にＨ２Ｓガスを抑制できる。
【００２５】
蒸気エージング工程Ｓ２００において、還元スラグに接触させる水蒸気の温度は、１００〜１１０℃が好ましい。還元スラグに水蒸気を接触させる時間は、１００〜１１０℃の水蒸気の場合、７〜１０日程度行うことが好ましい。蒸気エージング工程Ｓ２００を行った後の還元スラグは、ＣａＳ、ＣａＯ成分が、Ｃａ（ＯＨ）２に変わり微粉状になる。
【００２６】
蒸気エージング工程Ｓ２００において還元スラグに水分を接触させると、下記の（１）式に示すように、還元スラグ中に含まれている硫化カルシウムが水と反応して脱硫反応が進行し、Ｓ成分が除去されて水酸化カルシウムが得られる。なお還元スラグに水分を接触させると、下記（２）式に示すように酸化カルシウムも水酸化カルシウムとなる。
ＣａＳ＋２Ｈ２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）２＋Ｈ２Ｓ↑・・・（１）
ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）２          ・・・（２）
【００２７】
蒸気エージング工程Ｓ２００を行った後の還元スラグは、ダイカルシウムシリケートの変態と水和反応により微粉化して微粉末の状態となっている。この還元スラグは、図１のグラフに示すように、呼び寸法が０．１５ｍｍのふるいを通過する粒子が約９０質量％以上存在する極めて微細な粒子である。したがってこの状態では、骨材として利用不可能であった。これに対し、二酸化炭素（ＣＯ２）を供給可能であり、且つ撹拌装置を備える造粒機に、上記の蒸気エージング後の還元スラグを投入し、還元スラグを撹拌した状態でＣＯ２と接触させて炭酸固化（ＣＯ２固化）すると、還元スラグの粒子径が拡大して、骨材として利用可能な強度と粒度を備えるようになることを本発明者は発見した。
【００２８】
すなわち、蒸気エージング工程Ｓ２００の次に、還元スラグを撹拌しながら二酸化炭素（ＣＯ２）と反応させてＣＯ２固化体とする造粒工程Ｓ４００を行う。造粒工程Ｓ４００において、微粉末状の還元スラグを、炭酸ガス等のＣＯ２ガス雰囲気とした造粒装置に投入し、撹拌しながらＣＯ２と反応させることで大きな塊の生成を抑制しつつ微粉末状の粒子を大きく成長させて粒状化したＣＯ２固化体が得られる。ＣＯ２固化体は、還元スラグ中に含まれるＣａ（ＯＨ）２成分がＣＯ２と反応してＣａＣＯ３となっているので、ｐＨが低下して９〜１０程度であり、還元スラグの高アルカリを抑制することができる。
【００２９】
造粒工程Ｓ４００では、造粒機の内部でＣＯ２固化が行われ、下記の（３）式に示すように、還元スラグのＣａＯの微粉末表面に存在しているＣａ（ＯＨ）２がＣＯ２と反応してＣａＣＯ３が生成する。
Ｃａ（ＯＨ）２＋ＣＯ２→ＣａＣＯ３＋Ｈ２Ｏ  ・・・（３）
【００３０】
そして粒子表面のＣａＣＯ３は、粒子間を結合するマトリックスとなり粒子同士が結合し粒子径が拡大する。ここでＣＯ２固化は、還元スラグを撹拌して流動している状態で行うことが重要である。還元スラグを撹拌せずに、静置した状態でＣＯ２固化を行った場合は、全体が塊状化したブロック状のＣＯ２固化体になってしまう。このような大きな塊状のＣＯ２固化体は、そのままの状態では骨材として使用することはできない。骨材として利用するには、粉砕処理等の手間の掛かる後処理が必要である。また大きな塊状体を粉砕して骨材とすることは、技術的に困難であり、実用的ではない。これに対し、還元スラグを撹拌しながらＣＯ２固化を行うことで、全体がブロック状に固まってしまうことはなく、骨材に適した粒度のものが得られる。
【００３１】
造粒工程Ｓ４００における還元スラグのＣＯ２との反応は、以下の機構により進行するものと考えられる。
(i)まず、前記（３）式の反応式に示すように、マトリックス部に存在するＣａ（ＯＨ）２成分がＣＯ２と反応してＣａＣＯ３化して、部分的な反応が始まる。
(ii)次いで、生成したＨ２Ｏが発熱反応により外部に排出される。
(iii)マトリックス部が減圧されて、マトリックス部にＣＯ２が進入する。
(iv)上記(i)〜(iii)が繰り返されることにより、マトリックス部のＣａＣＯ３化が進行する。
なお上記反応は、気相（ＣＯ２）−液層（Ｈ２Ｏ）−固相[Ｃａ（ＯＨ）２]で進行していると思われる。
【００３２】
造粒工程Ｓ４００において用いられる造粒装置は、撹拌装置を備えており、内部にＣＯ２を導入可能な装置であれば、各種ミキサー、ロータリー装置等の造粒装置を利用することができる。
【００３３】
骨材の粒子径は、造粒工程Ｓ４００の造粒条件により調節可能である。造粒工程Ｓ４００において、ＣＯ２との反応時間が長くなると、粒子径も大きくなる。すなわち造粒工程S４００における上記反応時間（以下、造粒時間ということもある）を調節することで、粒子径及び粒度分布を調節することが可能である。
【００３４】
造粒工程Ｓ４００において用いるＣＯ２を含むガスは、炭酸ガスのようなＣＯ２濃度の高いガス、或いは、ボイラー、ＳＲ、加熱炉等の燃料を燃焼させた後の排ガスのようなＣＯ２濃度が８〜９体積％程度のＣＯ２濃度の低いガスのいずれも用いることができる。ＣＯ２濃度の高いガスは、造粒時間が短くて済み、ＣＯ２固化体の強度も高くなるという利点がある。また、ＣＯ２濃度の低いガスは、製鋼工場のボイラー等の排ガスとして発生するガスを利用できるので経済的であり、更に工場の炭酸ガス排出量を削減できるという利点がある。
【００３５】
造粒工程Ｓ４００で得られたＣＯ２固化体は、ふるい分け工程Ｓ５００で、所望の粒度分布に調節した後、乾燥工程Ｓ６００で、乾燥を行い、水分量を所望の量に調節することで、骨材２が得られる。
【実施例】
【００３６】
製鋼工程で発生した溶融状態の還元スラグを取り出して、常温まで冷却後、１００〜１１０℃の水蒸気を７日間接触させて蒸気エージングを行った。この還元スラグを、ＣＯ２濃度１００％のガスを導入した造粒装置を用いて、ＣＯ２雰囲気下で撹拌しながら、常温で７時間ＣＯ２固化を行って造粒し、骨材を得た。得られた骨材の成分組成を表２に示す。また図１に還元スラグの粒度分布及び得られた骨材の粒度分布を示す。図１に示すように、実施例の骨材は、粒子径が大きくなって骨材として利用可能なものが得られた。なお、造粒装置としては、モルタルミキサーを用いた。
【００３７】
【表２】
2009062222.tif 000004
【００３８】
本発明の骨材は、建築又は土木用の、コンクリート又はモルタルセメント等の天然骨材代替の細骨材として最適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の還元スラグを用いた骨材の実施例の粒度分布を示すグラフである。
【図２】本発明の還元スラグを用いた骨材の製造方法の一例を示す工程図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  還元スラグ
２  骨材
Ｓ２００  蒸気エージング工程
Ｓ４００  造粒工程
【図１】
2009062222.tif 000005
【図２】
2009062222.tif 000006