鋳造室における高炉スラグの造粒：プロセス概要

鋳造室での高炉スラグ造粒

高炉（BF）は密閉システムで、鉄分原料（鉄鉱石塊、焼結鉱、ペレット）、フラックス（スラグ形成剤）、還元剤（コークス）が炉頂充填システムから連続的に装入されます。BF内部で起こる還元プロセスの生成物は溶銑（HM）と液状スラグです。これらはBF炉床に蓄積され、スラグは密度が低いため溶銑表面に浮きます。炉床に溜まった溶銑と液状スラグは、タップホールからランナーシステムへ定期的に流出し、堰とダムのシステムで溶銑とスラグが分離されます。溶銑は溶銑レードル（オープントップまたは魚雷型）へ、液状スラグは炉横の大型ピットへ流して空冷し骨材製品とするか、スラグ造粒設備へ送られます。1970年代まではBFスラグは廃棄物と見なされ、BFから離れた便利な場所に捨てられていました。

鋳造室での液状スラグ造粒の各種プロセスは1970年代初期頃に開発されました。これらは湿式造粒スラグの脱水方法に違いがあります。今日、液状BFスラグの造粒は広く受け入れられた技術で、世界中の全BFで使用されています。

液状スラグ量は装入材料、例えば鉄鉱石グレード、鉄鉱石の雑質含有量、液状スラグ化学組成調整用フラックス添加量に大きく依存します。1940〜50年代頃まではBFスラグ生成量は約980kg/tHMでした。現在、スラグ生成メカニズムと全体的BFプロセスの理解向上により、BFスラグ生成を制御・最適化・最小化することが可能です。現在、BFでのスラグ単位生成量は175〜350kg/tHMの範囲です。液状スラグ温度は約1400〜1550℃です。

BFスラグの性質と造粒目的

BFスラグは製鉄プロセスで生成される非金属副産物で、主にケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、カルシウムアルミノケイ酸塩で構成されます。液状スラグは装入材からの硫黄（S）を多く吸収します。スラグ造粒プラントの主目的は、液状BFスラグをセメント・建設業界向けの貴重な原料に加工することです。造粒スラグ品質に影響するパラメータには（1）液状スラグ化学、（2）液状スラグ温度、（3）造粒スラグのガラス含有量、（4）造粒スラグ粒子の平均分布があります。最初の2つはBF操業に関わり、後ろ2つはスラグ造粒プロセスに関わります。スラグ造粒プロセスのパラメータには、造粒用水の温度・圧力、流量、熱伝達のための造粒面積があります。

スラグの価値はその鉱物学的・化学的・物理的・機械的特性、例えば塩基度、ガラス含有量、構造、水分含有量に依存します。これら技術的特性はBF負荷とプロセス、適用造粒技術とその操業条件、貯蔵と脱水時間などに関連します。図1はスラグ技術的特性の複雑な依存関係を示しています。

造粒スラグはコンクリート砂のような外観で、ガラス質かつ繊維状です。形成時に結晶化熱がなく、セメントと同様に固体水和物を形成する潜在水硬性を持ちます。しかし、セメントが水に溶解して水和を促進するのに対し、造粒スラグはアルカリ溶液でのみ溶解します。アルカリ条件は賦活剤や塩基性「触媒」（石灰など）の添加で生成可能です。造粒スラグの典型的特性を表1に示します。

表1 造粒スラグの典型的特性
No.	項目	単位	値
物理的特性
1	状態		固体粒粒
2	サイズ	mm	10未満
化学的特性
3	SiO₂	%	32-38
4	FeO	%	0.2-2
5	CaO	%	32-38
6	MnO	%	0.02-5
7	Al₂O₃	%	16-22
8	S	%	0.1-1.2
9	MgO	%	6-17
10	TiO₂	%	0.5-1.2
11	CaO+MgO+Al₂O₃/SiO₂		1-2
12	水分含有量	%	8-15
13	不溶残分	%	0.7-5
14	着火減量	%	なし
15	ガラス含有量	%	90%以上

液状スラグ製品には主に（1）空冷BFスラグ、（2）造粒BFスラグがあります。

造粒BFスラグは、液状スラグを急冷してガラス状にし、結晶化をほとんどまたは全く起こさせないことで製造されます。このプロセスにより砂粒大（フリット状）の断片が形成され、通常ある程度脆いクリンカー状物質を含みます。造粒スラグの物理構造と粒度は、スラグ化学組成、水淬時の温度、製造方法に依存します。造粒スラグから微粉高炉スラグ（GGBS）を製造可能です。GGBSはセメント質特性を持ち、ポートランドセメントの部分代替や添加剤として使用できます。空冷BFスラグは液状スラグをベッドに流し込み、環境条件下で徐冷することで製造されます。空冷スラグは結晶構造を持ち、硬い塊状スラグとなり、後で破砕・篩分けされます。

コンクリート混合用BFスラグ粗骨材は空冷スラグを破砕・篩分けして製造し、細骨材は造粒スラグを軽く破砕して粒度制御後、篩分けして製造します。図2にBFスラグ生産フローを示します。

スラグ造粒の概念

スラグ造粒プロセスは、BF近接の造粒ヘッドで高圧水噴霧を通して液状スラグを注ぐことで行われます。造粒プロセスは、結晶成長の時間を与えないよう冷水で液状スラグを制御急冷するものです。大量の水が必要で（液状スラグ1に対し水10程度が最適）、この急冷プロセスで液状スラグは制御された水流条件下で加速冷却され、固体造粒スラグ粒子の約97%が3mm未満、平均約1mmのガラス質砂に変換されます。液状スラグと高圧水の衝突点はスラグ流量、温度、ホットランナーの傾斜と形状に依存します。

液状スラグと造粒水の熱交換は極めて速やかに行われなければなりません。造粒水ジェットがスラグ流を液状スラグ薄層に分割し、これが初期にはフィラメント、次に液滴に分解されます。最良の熱伝達は液状スラグと水の接触面積が最大、つまりスラグが液滴となり水で完全に包まれたときに起こります。凝固時間はスラグ液滴サイズ、液状スラグと造粒水の温度差、スラグと水の接触環境に依存します。

スラグ液滴周辺の造粒水温度により、異なる熱伝達メカニズムが働きます。（1）造粒水温度が沸点と等しい場合：蒸気放出のみによる熱除去、（2）ほとんどのケースに適用：蒸気放出と造粒水への熱伝達、（3）造粒水が冷たく生成蒸気の即時凝縮を許す場合：蒸気放出なし、造粒水への熱伝達のみ。

一般に、冷水造粒では沸点に達しません（一時的高スラグ流量による局所スポットを除く）。冷水で良好な乱流があれば、蒸気放出なしの熱除去が可能です。しかし最も一般的なのは蒸気放出と造粒水への熱伝達の両方です。スラグ造粒プロセスの概念を図3に示します。

液状スラグの造粒プロセスは高温または低温造粒水で実施可能で、2種類の水回路レイアウトがあります。高温水造粒回路設計のスラグ造粒プラントには冷却塔がありません。閉ループ循環する造粒水は沸点近くまで加熱されます。高温水造粒での液状スラグからの熱除去は主に蒸気放出によるものです。蒸気と水分損失を補うためのみ冷たい補給水がシステムに添加されます。回路内平均水温は約90〜95℃。衝突点では95℃以上の水温が予想されます。

冷水造粒の場合、造粒水が液状スラグと接触した時点でプロセス開始（図3）。スラグ流が薄層・フィラメントに分割され、次に液滴になります。冷ランナーを通過する途中でスラグの一部のみが造粒されますが、受入ホッパー内の衝撃板に衝突しホッパー内へ落下することで完了する可能性が高いです。この設計では、水流の一部のみが直接造粒に使用され、一部はコールドランナー前端の耐摩耗プレート冷却に使用されます。

閉ループ冷水回路設計のスラグ造粒プラントには冷却塔があり、プロセス（造粒）水を一定の低温に保ちます。冷水接触での液状スラグ熱除去は水への熱伝達と一部蒸気放出によるものです。蒸気放出による熱伝達は造粒水温度と瞬間スラグ流量により変化します。低スラグ流量では冷水への熱伝達が主体、高スラグ流量では蒸気放出が主体です。冷水回路のスラグ造粒プラントは高温水回路設計より高速熱除去のポテンシャルが高いです。

コールドランナー設計では、コールドランナーをホットランナーの継続として設置し、前端に内蔵ブローボックスを備えます。ブローボックスはコールドランナーに完全埋め込まれ、ホットランダーエンドスポウト下に設置されます。コールドランナーは水・スラグ/砂混合物を受入ホッパーへ誘導し、造粒スラグ粒子が極めて研磨性が高いため耐摩耗ライニングを備えます。液状スラグの熱流束にはコールドランナー前端沿いの水噴霧が必要です。

ホットランナースポウト端下の造粒槽は水槽で、プラントレイアウトによりサイズが変わります（図3）。槽は規定レベルまで水で満たされ、回路水に追加の水を造粒用に供給可能です。したがって造粒は乱流水浴により持続され、コールドランナーレイアウトより高速です。このレイアウトでは水流量を減らせますが、安全性を損なうことなくより多くの水を造粒に利用可能です。槽は容易に耐摩耗保護可能ですが、コールドランナーでは高メンテナンスが必要です。槽レイアウトではスラグを槽内水位下へ押し込む量を削減するポテンシャルがあります。スラグ液滴と水の熱交換はブローボックスからの水ジェットだけでなく、槽内で各液滴を包囲する水からも与えられます。造粒槽内水面への水ジェット衝突が槽内乱流を生み、スラグ液滴のより速い冷却・造粒を促進します。この設計では水/スラグ比は減少しますが、造粒用水量は槽内水量とブローボックス水流で増加します。造粒プロセスが高速化し、凝固時間が短縮されます。

スラグ造粒プラント

スラグ造粒プラントの主要コンポーネント：（1）ホットランナー、（2）ブローボックス、（3）造粒槽、（4）スタックと凝縮塔、（5）分配器と減速ボックス、（6）脱水設備、（7）温水タンク、（8）ポンプ、（9）冷却塔、（10）冷水タンク、（11）バッファタンク、（12）補給水、（13）コンベアベルト、（14）ストックパイル。

スラグ造粒プラントは（1）造粒セクション、（2）脱水セクション、（3）貯蔵セクションで構成されます。造粒セクションはBFのホットスラグランナーと脱水セクションを連結します。スラグ造粒プラントの概略図を図4に示します。

造粒セクション

ここで液状BFスラグが水淬され微細粒子に固化し、大型破砕設備が不要になります。液状スラグはランナーでBFから造粒ユニットへ流れます。ランナーから約1500℃の液状スラグ流が造粒噴霧ヘッドで高速水流に注がれ、造粒槽で約50℃になります。この急速固化と微細化は過剰水量により制御されます。液状スラグの高温により水は部分蒸発し、造粒槽上部の凝縮塔で凝縮されます。

BFタッピング時のスラグ生産量は通常最大10トン/分。この変動に対応するため、造粒ユニットへの水流をエネルギーバランス計算で制御し、効率的・経済的性能を確保します。制御要素はバルブで、造粒噴霧ヘッドへの水流一部を調整します。

造粒噴霧ヘッドは造粒機の技術的心臓部で、水とスラグが集中的に混合し、高速・効率的な造粒を実現します。噴霧ヘッドは最適混合のための特定水流パターンを生成するよう設計され、自由落下する液状スラグ流へ高圧水ジェットを向ける位置に設置されます。

水の主流はジェットで造粒シュート底部に高速移動水層を形成します。この水層の目的はスラグ造粒に加え、造粒ランナー保護と造粒混合物の搬送です。さらに、スラグ流側面に複数のジェットを配置し、全スラグを可能な限り速やかに微細化し、追加冷却とスラグ/水混合物のシュート内推進を行います。水ジェット配置は、通常条件下で液状スラグが造粒シュート底部に接触しないよう設計されています。噴霧ヘッドは一般に着脱可能なノズルプレート（セラミックインサート付き）と噴霧ヘッダーを備え、短時間メンテナンスで迅速交換可能です。

噴霧ヘッド水量：下部底面噴霧ヘッド約1200㎥/h、上部底面噴霧ヘッド約600㎥/h、側面噴霧約100㎥/h。通常条件下では1800㎥/hを造粒に使用しますが、BF鋳造末期にスラグ量が増加する場合、追加噴霧ヘッドを作動させ総流量を2400㎥/hまで増やせます。

噴霧ヘッド要件：（1）シンプル論理的構造で製造コスト削減と交換簡素化、（2）耐摩耗材料構築（ノズル・ガイド用セラミックインサート等）、（3）検査・交換が容易、（4）アクセス・清掃が容易。

この急冷プロセス中、水は蒸発しSOx化合物が放出されます。これらの排出は、水噴霧ノズルアセンブリを含む凝縮塔の適用で除去可能です。これらの噴霧で排出物を水に溶解させ、スラグ中のCaOで部分中和します。

造粒槽全体は耐摩耗耐火物でライニングされ、水とスラグ粒子の高度に乱流・侵食性の混合物に曝されます。この混合物は重力で脱水セクションへ移送され、スラグ粒子と水が分離されます。

脱水セクション

造粒セクションでスラグに添加された水を除去・リサイクルする必要があります。脱水は水分含有量を約10〜12%まで低減するために必要です。脱水スラグは直接トラックへ、またはマテリアルハンドリングシステムへ排出されさらなる輸送が可能です。様々な脱水システムが異なるタイプのスラグ造粒プラントで使用されています。これには砂利層フィルターベッド、脱水機、回転脱水ホイール、脱水ドラム、静的脱水サイロなどが含まれます。

貯蔵セクション

脱水された造粒スラグは造粒スラグ貯蔵へ搬送されます。サイロとオープン貯蔵の両方が使用されます。

スラグ造粒プラントは通常コンパクトな設置で、限られたスペースでの適用に適しています。造粒、脱水、貯蔵施設は物理的に独立しており、別々の場所に設置可能です。プラントは複数の組み合わせを許容します。

鋳造室スラグ造粒プロセス

鋳造室スラグ造粒には複数のプロセスがあります。現在操業中の主要スラグ造粒プロセスは、OCP（オープンサイクルプロセス）造粒システム、ロシア設計プラント（図5）、RASAシステム、INBAスラグ造粒プラント（図6）などです。

鋳造室スラグ造粒プロセスは、溶銑から液状スラグ分離で始まります。液状スラグはライニングと砂で保護された一連のランナーを通じて造粒室へ導かれます。造粒室で加圧水流と液状スラグが直接接触します。急速冷却と水圧衝撃により、液状スラグはガラス質砂状粒子に造粒され、水とのスラリー混合物を形成します。この水と造粒スラグのスラリー混合物は脱水セクションへ輸送されます。

最もシンプルな脱水方法は砂利層フィルターベッドです。このフィルターベッドは水と空気で定期的に逆洗し、スラグ微粒子による目詰まりを除去します。RASAの脱水設備は複数のフィルターベッドで構成され、底部に異なる粒径の小石層を備えます。最も普及している脱水設備はINBAプロセスの回転脱水ドラムです。造粒スラグと水のスラリーをドラム全長に均一分配します。ドラム内部の軸方向ベーンが造粒スラグを連続的に持ち上げ、ドラム上部のコンベアベルトへ堆積させます。ドラム外部の細かいメッシュが造粒スラグを保持し、水をろ過させます。ドラム底部の造粒スラグ層が自己ろ過効果を生みます。

脱水後、造粒スラグの残留水分は約10〜12%です。脱水水は清浄化・冷却されリサイクルされます。乾燥スラグは造粒スラグ貯蔵へ搬送され顧客へ出荷されます。スラグ造粒時に発生した水蒸気は通常ステンレス製スタックから排出されます。

スラグ造粒プロセス中の排出

BFスラグのS含有量は約1%で、コークスと石炭のS含有量により最大2%になることもあります。主要S化合物は硫化カルシウム（CaS）で、造粒時に気体S化合物が生成・排出されます。これらは主に硫化水素（H₂S）と二酸化硫黄（SO₂）で、簡略化反応式（1）CaS + H₂O = H₂S + CaO、（2）CaS + 3/2 O₂ = SO₂ + CaOによります。これら反応は主に1100℃以上で起こります。スラグ液滴が液状の間はCaSがスラグ/蒸気表面に十分供給されます。Sの接触面への供給は流動と拡散で行われます。しかし、液滴表面が硬化（スキン形成）すると、S移行は拡散のみになります。固体拡散係数は液体より遥かに小さいため、液体から表面へのS供給は停止します。硬いスキン形成後はスキン内のSのみが蒸気と反応します。蒸気はH₂O蒸気と気体S化合物（H₂S、SO₂）が周囲造粒水と接触することで生成されるため、関連分圧に従いS化合物は溶液へ移行します。水温、水pH、H₂SとSO₂の溶解度などの条件により、蒸気を通じて大気放出されるS化合物量と、水中CaOと結合する量が決まります。

スラグ造粒のメリット

スラグ造粒プロセスのメリット：（1）廃棄物を価値ある有用製品に変換、（2）スラグ捨てとその全欠点を排除、（3）投資・運転コストがスラグ捨てより低い、（4）信頼性の高いプロセス、（5）スラグ捨て比で要員削減、（6）完全自動化可能、（7）スラグ捨て用土地面積を節約、（8）造粒プラントのコンパクト設計で少面積で済む、（9）BF鋳造室隣接設置で、造粒プラントからの連続データフローによりBF操業を支援。