JFE 技報 No. 40（2017 年 8 月）p. 57-61

低吸水率高炉スラグ粗骨材製造プロセスの開発
Development of Manufacturing Process of Blast Furnace Slag Coarse
Aggregate with Low Absorption
田恵太

TA Yasutaka

JFE スチール

スチール研究所

當房博幸

TOBO Hiroyuki

JFE スチール

スラグ事業推進部

渡辺圭児

WATANABE Keiji

JFE スチール

スチール研究所

スラグ・耐火物研究部

主任研究員（副課長）

主任部員（部長）・博士（工学）
スラグ・耐火物研究部長・博士（工学）要旨
従来の高炉スラグ粗骨材は多孔質であるため，吸水率が高く，コンクリート粗骨材として使用する場合，水分管理が困難である。JFE スチールでは，吸水率を天然骨材と同等の 1％以下にするために，高炉スラグ連続凝固プロⓇ

セス PACSS （Pan type continuous slag solidification）を開発した。本プロセスでは，高炉溶融スラグを鋳型に20～30 mm の厚みで流し込み，凝固させる。スラグ中からガスが発生，成長する前に凝固でき，スラグ中の気孔を低減できる。パイロット設備を建設し，吸水率 1％以下の高炉スラグ粗骨材を製造できた。

Abstract:
Due to the high porosity of blast furnace slag coarse aggregate (BFG), it is difficult to control the water content ofthe concrete where the BFG is used. JFE steel has been developing a pan type continuous slag solidification(PACSSTM) process to reduce water absorption ratio of BFG under 1%. In this process, molten slag is poured intomold, and the slag is solidified at the thickness of 20 mm to 30 mm before the gas in the slag is generated andproduced. The process results in the reduction of the porosity of slag. A pilot plant was constructed, and production of
BFG under 1% became possible using this plant.

1． はじめにラグを破砕して高炉スラグ粗骨材の粒度に作り込み，その品質評価した結果についても報告する。

従来の高炉スラグ粗骨材は多孔質であるため，吸水率が4％程度と高く，コンクリートへ配合する際の骨材の水分管Ⓡ

2． PACSS の開発理が非常に困難である。粗骨材に高炉スラグ粗骨材を 100％2.1

使用したコンクリートでは，ポンプ圧送時に途中で配管が詰
1）Ⓡ

PACSS パイロット設備の概要

まり，圧送できないという報告もあり ，高炉スラグは JIS

PACSS パイロット設備の概要を図 1 に，設備仕様を表 1A 5011 コンクリート用スラグ骨材という規格があるもののに示す。台車上に円形に 50 枚配置した鋳型と凝固したスラあまり普及していない。ただし，現状の粗骨材市場は天然グを回収するスラグピット，鋳型を散水冷却する冷却ノズル資源に頼っており，将来，良質な天然骨材が枯渇する問題ユニットから構成される。鋳型は台形状で上底 0.66 m，下や砕石の採掘による環境破壊を防止する観点から，鉄鋼ス

底 1.0 m，長さ 2.7 m×深さ 0.1 m とした。1 周 3 min で移動ラグを原料とした人工粗骨材を製造する意義は大きい。

し，スラグ 流 量は約 2 t/min でスラグの凝固厚みが 20～

JFE スチールでは，高炉スラグ粗骨材の吸水率を天然骨材と同等の 1％以下にするため，高炉スラグ連続凝固プロセスⓇPACSS （Pan type continuous slag solidification）を開発し2）30 mm となるように設計した。鋳型上に流し込んだスラグは，2 分間冷却され板状に凝固し，鋳型を反転してスラグピットに落下させる。反転した鋳型は冷却システムにより冷却さた 。本プロセスは，高炉溶融スラグを鋳型に 20 mm～れる。冷却後の鋳型は自然乾燥させ次の溶融スラグを受け30 mm の厚みで流し込み，スラグ中からガスが発生，成長る。本設備では 5～6 周でスラグ鍋 1 杯約 30 t を 1 度に処理

3）する前に凝固させ，スラグ中の気孔を低減させる 。

する。

本報では，実用規模のパイロット設備を建設し，溶融高2.2炉スラグを連続的に凝固させ，板状の凝固スラグを大量製造した結果について報告する。また，製造した板状凝固ス

散水冷却システムの設計最適な散水冷却システムを検討するために，散水ノズルの選 定を行った。使 用したノズルの仕 様を表 2 に示す。

2017 年 5 月 29 日受付

Nozzle A は流量密度が高く，短手方向が 9°，長手方向が－ 57 －Copyright © 2017 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

低吸水率高炉スラグ粗骨材製造プロセスの開発

図 2 冷却能力測定方法
Fig. 2Ⓡ

図 1 PACSS パイロット設備概要
TMFig. 1

Schematic drawing of PACSS

Measurement of water-cooling capacity

pilot plantⓇ

表 1 PACSS パイロット設備仕様
TM

Table 1 Specifications of PACSS

pilot plant

W (0.66 m×1.0 m)×L2.7 m
Depth 0.1 m

Dimensions of mold
Number of mold

50

Mold material

SC450

Mold weight

1 280 kg

表 2 ノズルの仕様
Table 2

Specification of Nozzle

図 3 鋼材の表面温度と熱伝達係数の関係

Water flow rate
2L/min/mAngle of sprayNozzle A34360°, 90°Nozzle B

6265°

Fig. 3 Relationship between surface temperature of Steel plateand heat transfer coefficient

60°と楕円形に広がる狭い範囲を冷却するタイプのノズルであり，Nozzle B は流量密度が低く，65°の広範囲の円形に広がるタイプのノズルである。
各ノズルの冷却能力を調査するため，鋼材を散水する際の温度測定を行った。実験方法を図 2 に示す。電気炉で400℃に熱した SC450 のプレート（150×150×56）に対して散水し，時間当たりの温度の低下から熱伝達係数を求めた。

図 4 散水冷却システムの概略図

温度測定は，SC450 のプレートの深さ 2 mm の位置に，熱Fig. 4電対をセットして行った。

Schematic drawing of water-cooling system

鋼材の表面温度と各ノズルの熱伝達係数の関係を図 3 に
2ために，鋳型が錆びることが懸念され，最初に冷却能力を2高めて，鋳型表面温度を下げた後に，均一に鋳型を冷却す示す。Nozzle A は熱伝達係数が高く，300℃で 20 000 W/m /℃であった。一方，Nozzle B は 200℃付近で 10 000 W/m /℃2以下となり，300℃以上では，5 000 W/m /℃以下であった。

ることを考慮した。散水後の鋳型を次の溶融スラグを受け

本実験結果を基に設計した散水冷却システムの概略図をるまでに十分乾燥できるように，散水終了から溶融スラグを

図 4 に示す。散水冷却は 7 個のノズルユニットから成り，受けるまでの時間を 30 秒以上とした。

最初の 2 本は，Nozzle A を鋳型下方のみに配置し，3 本目

パイロット設備には，鋳型の回転軸となる梁などの散水に以降に Nozzle B を鋳型の上下に配置した。ノズル配置の考対して障害となるものが存在するため，散水状況をパイロッ

え方は，スラグを排出した鋳型の表面温度が 300℃以上にな

ト設備の設計図面から 3D-CAD を用いて再現した。設計しることが想定されることや屋外にパイロット設備を設置するた散水冷却システムにおいて，ノズルユニットを地面に垂直JFE 技報 No. 40（2017 年 8 月）

－ 58 －低吸水率高炉スラグ粗骨材製造プロセスの開発Ⓡ

写真 2 PACSS パイロット実験状況

図 5 散水冷却システムの 3D-CAD
Fig. 5TM

Photo 2 PACSS

3D-CAD of water cooling systemⓇ

写真 3 板状凝固スラグ

写真 1 PACSS パイロット設備
Photo 1TMPACSS

pilot plant experiment

Photo 3 Plate-like solidified slags

pilot plantに設置した状態を 3D-CAD によって解析した一例を図 5 に示す。散水は光で表現した。ノズルユニットを数十度傾けた状態も試行したが，ノズルユニットを地面に垂直に設置したときが最も散水への干渉が少ないことがわかった。

2.3ⓇPACSS パイロット設備の実験結果Ⓡ

PACSS パイロット設備を写真 1 に示す。パイロット設備による実験は，以下の手順で行った。高炉からの運搬中に高炉スラグ鍋の表面を覆う凝固したスラグを重機で割り，高写真 4 移動式破砕プラント

炉スラグ鍋の鍋口がパイロット設備のスラグ樋の正面に来Photo 4 Mobile crushing plantるように配置した。スラグ流量が一定になるようスラグ鍋を傾転させ，スラグ樋を介して溶融スラグを鋳型に供給した。
写真 2 にパイロット実験の状況を示す。溶融スラグが鋳型

固スラグ約 30 t を製造し，約 410 t 製造した。

上で広がっている様子が確認できた。その後，凝固したス

移 動 式 破 砕 プ ラ ント を 写 真 4 に 示 す。 本 プ ラ ント はラグを鋳型で搬送し，スラグピットに落下させた。鋳型は散80 mm スクリーン，インパクトクラッシャー，5 mm スクリー

水または放冷させた後に溶融スラグを再び注入した。写真 3ン，磨鉱機から構成される。破砕は以下の手順で行った。にスラグピット内の凝固スラグを示す。凝固スラグは鋳型上板状凝固スラグを 80 mm のスクリーンに入れ，＋80 mm はでは，大気と接触している面と鋳型と接触している面から冷ジョークラッシャーで破砕し，－80 mm にした。－80 mm

えるため，スラグピット落下直後では，スラグ内部は赤く，の板状凝固スラグはインパクトクラッシャーに入れて破砕一部未凝固となっていた。パイロット実験 1 鍋あたり板状凝し，25 mm 以下になるまで破砕した。その後，5 mm スクリー

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JFE 技報 No. 40（2017 年 8 月）

低吸水率高炉スラグ粗骨材製造プロセスの開発

ンで 5 mm 未満の破砕スラグは細骨材とし，5 mm 以上は磨ラグ板を破砕すると，粗骨材は 351 t 製造でき，粗骨材の歩鉱機を通してから粗骨材として分離回収した。粗骨材を写留は 86％であった。
粗骨材の粒度分布を図 6 に示す。本開発品は JIS 規格の真 5 に示す。天然石と変わらない外観を示していた。
粗骨材と細骨材の製造量を表 3 に示す。約 410 t の凝固ス粒度範囲内におさまっていた。

2.4

低吸水率高炉スラグ粗骨材品質

低吸水率高炉スラグ粗骨材の化学成分を表 4 に示す。JIS
規格に規定された成分すべて基準値の範囲内であった。
低吸水率高炉スラグ粗骨材の品質評価として，絶乾密度，表乾密度，吸水率，単位容積質量，微粒分量，すり減り減量，粒形判定実積率を測定した。結果を石灰石の結果と合わせて，表 5 に示す。開発した低吸水率高炉スラグ粗骨材は吸水率 0.73％であり，目標の 1％以下を達成できた。また，低吸水率高炉スラグ粗骨材のすりへり減量は 11.8％と低く，耐摩耗性に優れていた。
写真 5 低吸水率高炉スラグ粗骨材
Photo 5

BFG with low water absorption

高炉スラグ粗骨材は JIS 規格により環境安全品質基準が定められており，溶出は JIS K 0058-1，含有は JIS K 0058-2 を準拠して測定した。結果をそれぞれ表 6，7 に示す。溶出，含有ともに JIS 規格を満たしていた。

表 3 粗骨材と細骨材量
Table 3 Quantity of BFG and fine aggregate
Course aggregate

Fine aggregate

351 t
(86%)

57 t
(14%)

2.5

実験中の鋳型の冷却結果

パイロット設備の鋳型の温度管理をするために，パイロット実験中の鋳型の温度履歴のシミュレーションとして，非定常一次元伝熱解析を行った。溶融スラグ温度を 1 380℃とし，鋳型の初期温度を 20℃とした。1 サイクルは 180 sec で，0～120 sec は鋳型上でスラグが冷却され，120～180 sec は鋳型が水冷または空冷される。パイロット実験の操業はこのサイクルを 6 サイクル繰り返す。温度の実測は，各位置に放射温度計を配置して測定した。パイロット設備の鋳型の温度変化の計算結果および実測値を図 7 に示す。Slag side が鋳

表 4 高炉スラグ粗骨材の化学成分
Table 4CaO

SiO241.6

34.5

0.74

0.110.04≦45.0―≦2.0≦0.5≦3.0Composition (%)

図 6 低吸水率高炉スラグ粗骨材の粒度分布
Fig. 6

Chemical composition of BFG

JIS standard

Particle distribution of BFG

T.S

SO3FeO

表 5 高炉スラグ粗骨材と石灰石粗骨材の品質比較
Table 5 Comparison of quality of BFG and limestone aggregate
BFG

JIS standard

Limestone

JIS standard

2.83―2.69―

Density in absolutely dry condition (g/cm )2.82≧2.42.68≧2.5

Water absorption (%)

0.73≦4.00.30≦3.0

Bulk density (kg/L)

1.72

≧1.35

1.66

―

Amount of material passing test sieve 75 μ m (%)

0.20

＜5.0

2.30

＜5.0

Amount of abrasion loss (%)

11.8

≦35

18.3

≦35

Solid volume percentage for shape determination (%)

61.2

―

61.6

―

3

Density in saturated surface dry condition (g/cm )3JFE 技報 No. 40（2017 年 8 月）

－ 60 －低吸水率高炉スラグ粗骨材製造プロセスの開発

表 6 高炉スラグ粗骨材の溶出試験結果
Table 6

Elution of BFG

6＋

CdPb

CrHg

AsSeFB

Elution (mg/L)＜0.005＜0.001＜0.01＜0.0005＜0.002＜0.0020.090.03

JIS standard (mg/L)

≦0.01

≦0.01

≦0.05

≦0.0005

≦0.01

≦0.01

≦0.8

≦1

表 7 高炉スラグ粗骨材の含有試験
Table 7

Content of BFG

CdPb

Cr6＋

Hg

AsSeF

Content (mg/kg)＜10＜10＜10＜1＜10＜1050067

JIS standard (mg/kg)

≦150

≦150

≦250

≦15

≦150

≦150

≦4 000≦4 000B

3． おわりにⓇ

高炉スラグ連続凝固プロセス PACSS を開発し，パイロット設備を建設した。パイロット設備を用いて，吸水率 1％以下の高炉スラグ粗骨材を製造できた。高炉スラグ粗骨材の各品質評価を行い，良好な結果が得られた。また，鋳型冷却の設計も行い，最適な散水冷却システムを提案できた。
参考文献
1）福田聡之，上原義和，吉田英信，中 博明，片桐健詞．高炉スラグ粗骨材を用いたコンクリートの火力発電所土木設備への適用について（その 1）─基本特性と適用実績について─．土木学会年次学術講演会講演概要集．2002, vol. 55, no. 5, p. 858-859.
2）當房博幸，田 恵太，渡辺圭児，萩尾勇樹．高炉スラグ連続凝固設備による低吸水率骨材の製造．CAMP-ISIJ．2014, vol. 27, p. 704.
3）當房博幸，宮本陽子，渡辺圭児，桑山道弘，小澤達也，田中敏宏．鉄と鋼．2013, vol. 99, p. 532.

図 7 パイロット設備の鋳型の温度変化
Fig. 7

Mold temperature in the pilot plant

型上にスラグが乗っている面の温度，Surface が鋳型の背面の温度である。図より実験中の鋳型の温度変化を非定常 1次元伝熱解析でほぼ推測できた。1 サイクル目で鋳型の表面温度は 200℃を超え，2 サイクル目には，鋳型の表面温度は300℃を超えると推定された。しかし，適切な散水冷却を実施することにより鋳型の表面温度を鋳型が変形しない目安である約 300℃以下に制御できた。

田－ 61 －恵太

當房 博幸

渡辺 圭児

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