1

３Ｒ先進事例発表会

製鋼スラグからの有価物回収利⽤プロセスの開発
⽇本製鉄㈱ 技術開発本部製鋼研究部
原⽥ 俊哉（製鋼スラグ資源化グループ代表）
2020年 10⽉ 16⽇

2

現在の製鉄プロセス
高炉

転炉

転炉

Fe2O3還元

酸化脱Ｐ

酸化脱Ｃ

酸素、スラグ酸素、生石灰

鉄鉱石、石灰石、コークス

鋼材[P] 0.10%

溶鋼

溶銑

溶銑

鉄鉱石
(P2O5) 0.06%[P] 0.02%[P] 0.03%

スラグリサイクル
高炉スラグ

製鋼（転炉）スラグ(P2O5) ＜0.1%(T.Fe) ＜1%(P2O5)

3%(T.Fe)

20%（一部排出）● 製鋼スラグは現在も工程内でリサイクルされ、スラグ量削減に努めている。
● 製鉄プロセスはリンの濃縮プロセスである。
●製鋼スラグには鉄分が20%含まれているが、回収されていない。
2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

3

製鋼スラグと鉱⽯の成分⽐較
単位： mass％

製鋼スラグ
鉄鉱石
リン鉱石

Ｔ．Ｆｅ
２０％
６５％
－

Ｐ2Ｏ5３％－３０％温度
１３００℃超－－製鋼スラグ中 (T.Fe)、 (P2O5) は鉄鉱石、リン鉱石の含有量と比較すると圧倒的に低いが、製鋼スラグ発生時の温度は１３００℃以上ある。
そのままの温度で還元できれば、低品位の悪影響が軽減され、鉱石還元と同等の熱効率が得られる。

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

開発プロセス概要

現状プロセス
鉄鉱石(P2O5) 0.06%

4

製鋼工程

高炉

転炉（脱リン脱炭処理）
鋼材

溶銑

溶鋼

[P] 0.10%[P] 0.02%

高炉スラグ
セメント、骨材
ケイ酸肥料

溶鉄リサイクル

製鋼スラグ[P] 2% → 0.10%(T.Fe) 20%(P2O5) 3%

開発プロセス

報文３
還元スラグ
製品化

スラグ還元プロセス
炭材、石炭灰、ﾚﾝｶﾞ屑

高りん酸スラグ
製品化

リン酸濃縮プロセス
報文１
報文２

酸素＋脱リン剤

リン酸肥料
リン原料

高炉スラグ相当品

セメント
骨材
ケイ酸肥料

(T.Fe)
20%→1%(P2O5) 3%→0.1%

Fe分増加[P] 0.10% → 2%

Ｆｅ回収： FeO＋C → Fe + CO
Ｐ回収： P2O5 + 5C → 2P + 5CO(P2O5) 15%

Ｐ濃縮： 2P + 5/2 O2 → P2O5

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

5

開発プロセスにおける３Ｒ
粉砕・磁選
蒸気ｴｰｼﾞﾝｸﾞ

路盤材、土工材料

Reuse
現行プロセス

製鋼スラグ
開発プロセス
溶融還元

Reduce （酸化鉄の還元分離によるスラグ量削減）

成分調整

フライアッシュ、レンガ屑等の廃棄物

Reuse （酸化鉄の還元分離）

骨材、石材、肥料

Reuse （高付加価値化）

還元スラグ

普通溶銑
高リン溶銑

Recycle（未利用鉄源利用）

脱リン処理
高リン酸スラグ

リン酸肥料
リン製品原料Reuse（国内リン資源活用）

開発プロセスでは、還元改質によるスラグの高付加価値化、未利用鉄源の回収、および含有リンの濃縮・製品化を通して、製鋼スラグの完全利用を図る。
2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

6

パイロット試験設備
課題： ①熱効率・還元効率の向上②溶融スラグ装入の課題解決（泡立ち、凝固）
還元効率向上
熱効率向上
粉体原料投入可

粉体原料投入（C, SiO2, Al2O3）

パイロット設備新設（密閉型直流電気炉＋保持炉）

排ガス燃焼用酸素ノズル排ガス集塵

密閉型直流電気炉（空気侵入遮断）
スラグ保熱
傾動

スラグ保持炉（傾動角で装入量調整）

スラグ層
出滓口
メタル層

弱撹拌型電気炉（界面反応抑制）・スラグフォーミング防止・スラグ内高温還元出銑口・スラグ装入時の突沸回避・炉内高温化→スラグ凝固防止

浅底部 （突沸防止）・スラグ装入時のスラグメタル混合回避

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

7直流還元電気炉パイロット試験設備

投入電力：
炉内溶銑量：
炉内スラグ量：
原料：
還元材：

Max 4.0 MW
10 ton4～6 ton
転炉スラグ
コークス粉
2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

8

製鋼スラグの移し替え

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

9

溶融スラグの保持炉への装入

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

10

パイロット試験電気炉設備

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

11

スラグ排出作業2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

12還元効率と熱効率
12001063

電力原単位 [kWh/t]

1000

76
800
229
600

586

214

0

炉体熱ロス
排ガス顕熱
反応熱

7863

400
200

Ｆｅ, Ｐ 共に90%超の還元効率が得られた。

141

スラグ顕熱
521

メタル顕熱

13010196

Hot SlagCold Slag

スラグを熱間装入することで、電力原単位は45%低減した。
2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

13

スラグ・メタル層のフローパターン解析
Slag phase

Slag‐metal interface① 中央部下降流 ( Lorenz force )⇒炭材粒子がホットスポットに集中。
② スラグ表面の半径方向流 ( Gas drag force )⇒ 炭素粒子がスラグ相内を漂流。
③ 界面でのスラグメタル干渉 小⇒ 還元反応は主としてスラグ相内で進行。
⇒ 界面脱炭抑制によるスラグフォーミング抑制
Furnace Center

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

14

溶融スラグ装入時のフォーミング発生対策

Oxyge
OxygenOff gasElectrode

Feed tube
Coke, ModifierTilting
Slag tap
holeSlagMetal tap hole
Metal

Shallow bottom portion

Fig.2 Schematic diagram of the test furnace (Test 3)

Shallow bed

溶融スラグ装入時のスラグメタルの挙動シミュレーションを示す。 スラグ装入速度が 10 t/minになるとスラグとメタルが混濁状態となったが、落ち口に浅底部を設けたところ、混濁状態は解消した。
実際にレンガブロックを設置したところ、溶融スラグ装入時の突沸フォーミングを防止することができた。

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

15

脱リン試験によるリン濃縮方法の開発
35

CaO, SiO2,MgO, Fe2O3

スラグ(P2O5) [mass%]

302520C/S＜1.015C/S＜2.010C/S＜3.0

酸素ジェット50Ar 底吹溶銑(800kg/ch)

C/S≧3.000.5

11.5

2

[P] [mass%]
Fig. 1 脱リン試験設備

Fig. 2 脱リン処理後スラグ(P2O5)とメタル［Ｐ］との関係(P2O5) [mass%]

35302825【Fig.2】・高リン溶鉄を脱リンすると、脱リンスラグの(P2O5)は30%程度で停滞する。
・スラグの塩基度（CaO)/(SiO2)が高い方が(P2O5)が高い。

Slag量=65kg/t

201815

Slag量=178kg/t

105
00 0.10.50.7

1[P] [mass%]

1.5
処理前[P]

2【Fig.3】
スラグ量と脱リン量をコントロールすれば目標とする(P2O5)濃度のスラグを得ることができる。

Fig. 3 処理後の(P2O5)と[P] に及ぼすスラグ量の影響
2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

16

ポット試験結果
脱リンスラグサンプルは、市販肥料と同等かそれに近い収量となった。

Test 1

Test 2

Test 3

Test 4

肥料A

肥料B
2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.

17まとめ●パイロット試験設備を新設し、製鉄所で発生する製鋼スラグを溶融状態から還元し、唯一残された未利用鉄源の回収方法を確立した。
●その過程でフライアッシュ等の廃棄物を成分調整材として有効利用した。
●製鋼スラグ中のリン酸をさらに濃縮し、国内資源として、リン酸肥料およびリン鉱石代替品を製造できることを実証した。

2020年10月16日:

３Ｒ先進事例発表会資料© 2020 NIPPON STEEL CORPORATION All Rights Reserved.