スラグ

一般的な用語であるスラグは、生産される材料の種類に応じて、製錬（乾式冶金）鉱石およびリサイクル金属の副産物または併産物である場合があります。[ 1 ]スラグは主に金属^酸化物と二酸化ケイ素の混合物です。大まかに、鉄（鉄鋼の処理の副産物）、フェロアロイ（フェロアロイ製造の副産物）、または非鉄/卑金属（銅、ニッケル、亜鉛、リンなどの非鉄材料の回収の副産物）に分類できます。 [ 2 ]これらの一般的なカテゴリ内で^、スラグは、その前駆体と処理条件によってさらに分類できます（例：高炉スラグ、空冷高炉スラグ、粒状高炉スラグ、塩基性酸素炉スラグ、および電気アーク炉スラグ）。EAFプロセスから生成されるスラグには、人体と環境の健康に有害な可能性のある有毒金属が含まれている可能性があります。^[3]

鉄鋼、鉄合金、非鉄金属の需要が大きいため、リサイクル（特に鉄鋼業界）やアップサイクルの取り組みにもかかわらず、スラグ生産量は年々増加しています。世界鉄鋼協会（WSA）は、生産される鉄鋼1トンあたり600kgの共材（副産物および副産物）（約90重量%がスラグ）が発生すると推定しています。^[5]

スラグは通常、金属酸化物と二酸化ケイ素の混合物です。ただし、スラグには金属硫化物や元素金属が含まれる場合があります。溶融スラグが凝固して非晶質および結晶質の成分を形成すると、酸化物形態が存在する場合と存在しない場合があることに注意することが重要です。

これらのスラグの主成分には、カルシウム、マグネシウム、シリコン、鉄、アルミニウムの酸化物が含まれ、使用される原材料の特性に応じて、マンガン、リン、その他の元素も少量含まれています。さらに、スラグは他の主成分の中で鉄の含有量に基づいて分類することができます。^[1]

より詳しい鉱物情報については鉄鋼スラグをご覧ください。

自然界では、鉄、銅、鉛、ニッケルなどの金属は、鉱石と呼ばれる不純な状態で存在し、酸化されて他の金属のケイ酸塩と混ざっていることが多い。製錬中に鉱石が高温にさらされると、これらの不純物は溶融金属から分離され、除去することができる。スラグは除去された化合物の集まりである。多くの製錬プロセスでは、スラグの化学組成を制御するために酸化物が導入され、不純物の除去を助け、炉の耐火ライニングを過度の摩耗から保護する。この場合、スラグは合成スラグと呼ばれる。良い例は製鋼スラグである。生石灰（CaO）とマグネサイト（MgCO ₃）は耐火保護のために導入され、金属から分離されたアルミナとシリカを中和し、鋼から硫黄とリンを除去するのに役立つ。^[要出典]

製鋼の副産物として、スラグは典型的には高炉-酸素転炉ルート、または電気炉-取鍋炉ルートのいずれかで生産されます。^[6]製鋼中に生成されるシリカをフラックスするために、石灰石および/またはドロマイトが添加され、さらにカルシウムアルミネートや蛍石などの他のタイプのスラグ調整剤も添加されます。

スラグには、鉄スラグ、合金スラグ、非鉄スラグの 3 種類があり、それぞれ異なる製錬プロセスを通じて生成されます。

鉄スラグは製鉄および製鋼工程のさまざまな段階で生成されるため、さまざまな物理化学的特性が得られます。さらに、スラグ材料の冷却速度によって結晶化度が左右され、特性の範囲がさらに多様化します。たとえば、低速冷却高炉スラグ (または空冷スラグ) は、急冷高炉スラグ (粉砕された粒状高炉スラグ) よりも結晶相が多くなる傾向があり、密度が高く骨材としてより適しています。また、遊離酸化カルシウムと酸化マグネシウムの含有量が多い場合もあり、過度の体積膨張が望ましくない場合は、これらを水和形態に変換することがよくあります。一方、水冷高炉スラグは非晶質相が多く、ポルトランドセメントに似た潜在的な水硬性特性 (1862 年にエミール ランゲンが発見) を備えています。^[7]

鉄を精錬する過程で鉄スラグが生成されますが、その大半はカルシウムとシリコンの成分で構成されています。このプロセスを通じて、鉄スラグは高炉スラグ (溶融鉄の鉄酸化物から生成) と鉄鋼スラグ (鉄スクラップと溶融鉄が結合して生成) に分解されます。鉄スラグの主要相には、カルシウムを豊富に含むオリビングループ ケイ酸塩とメリライトグループ ケイ酸塩が含まれています。

製鉄所の製鉄 スラグは、鉄分の損失を最小限に抑えるように設計されており、大量の鉄、それに続いてカルシウム、シリコン、マグネシウム、アルミニウムの酸化物が生成されます。スラグが水で冷却されると、約2,600°F（1,430°C）の温度からスラグ内でいくつかの化学反応（酸化など）が発生します。 ^[1]

米国ペンシルベニア州バークス郡とチェスター郡のホープウェル国立歴史公園でのケーススタディによると、鉄スラグには通常、非鉄スラグよりもさまざまな種類の微量元素の濃度が低い。しかし、ヒ素（As）、鉄、マンガンなどの一部の微量元素は、地下水や表層水に蓄積して環境ガイドラインを超えるレベルになる可能性がある。^[1]

非鉄スラグは、天然鉱石の非鉄金属から生産されます。非鉄スラグは、鉱石の組成により銅、鉛、亜鉛のスラグに分類され、鉄スラグよりも環境に悪影響を与える可能性が高くなります。たとえば、非鉄製錬における銅、鉛、ボーキサイトの製錬は、これらの鉱石によく含まれる鉄とシリカを除去し、鉄ケイ酸塩ベースのスラグとして分離するように設計されています。^[1]

銅鉱石の精錬で生じる廃棄物である銅スラグが、米国カリフォルニア州の廃坑となったペン鉱山で調査された。この地域は年間6～8か月間水没し、飲料水や灌漑用の貯水池となる。貯水池から採取されたサンプルには、規制ガイドラインを超える高濃度のカドミウム（Cd）と鉛（Pb）が含まれていた。^[1]

スラグは、製錬の温度制御を補助したり、溶融金属を炉から取り出して固体金属を作る前に最終的な液体金属製品の再酸化を最小限に抑えるなどの他の目的にも使用できます。二酸化チタンを生成するためのイルメナイト製錬などの一部の製錬プロセスでは、スラグが貴重な製品になることがあります。^[8]

地中海地域の青銅器時代には、さまざまな冶金プロセスが使用されていました。そのような作業の副産物であるスラグは、古代の銅鋳造所のスラグの表面に見られる色鮮やかなガラス状の物質です。それは主に青や緑色で、かつては削り取られて溶かされ、ガラス製品や宝飾品に使われていました。また、陶磁器に使用する釉薬に加えるために粉末に挽かれました。スラグの副産物の最も古い用途のいくつかは、古代エジプトで発見されています。^[9]

歴史的には、鉄鉱石スラグの再製錬は一般的な慣行でした。製錬技術の向上により、鉄の収量が増加し、場合によっては当初の達成量を超えることもありました。20 世紀初頭には、鉄鉱石スラグは粉末に粉砕され、スラグガラスとしても知られる瑪瑙ガラスの製造にも使用されました。

建設業界でのスラグの使用は1800年代にまで遡り、当時は高炉スラグが道路や鉄道のバラストの建設に使用されていました。この時期には骨材としても使用され、ジオポリマーとしてセメント産業に取り入れられ始めていました。^[10]

現在、粉砕された高炉スラグは、ポルトランドセメントと組み合わせて「スラグセメント」を作るために使用されています。高炉スラグは、セメントの水和中に形成されるポルトランド石（Ca（OH）₂ ）とポゾラン反応を介して反応し、主にコンクリートの強度増加に寄与するセメント質特性を生み出します。これにより、浸透性が低下し、耐久性が向上したコンクリートが生まれます。使用するスラグの種類には注意が必要です。酸化カルシウムと酸化マグネシウムの含有量が多いと、コンクリートの体積膨張が過剰になり、ひび割れが生じる可能性があるためです。^[11]

これらの水理特性は道路や鉄道建設における土壌の安定化にも利用されてきた。^[12]

高炉スラグ粒は高性能コンクリートの製造に使用され、特に橋梁や海岸地帯の建設に使用されるコンクリートでは、その低い浸透性と塩化物や硫酸塩に対する高い耐性により、腐食作用や構造物の劣化を軽減するのに役立ちます。^{[13] [ユーザー生成ソース? ]}

スラグは、スラグウールと呼ばれる断熱材として使用される繊維の製造にも使用できます。

スラグは道路舗装用のアスファルトコンクリートの骨材としても使用されています。2022年にフィンランドで行われた研究では、フェロクロムスラグを含む路面から非常に研磨性の高い粉塵が放出され、自動車部品の摩耗が通常よりも大幅に速くなることが判明しました。^[14]

スラグを溶解するとアルカリが生成され、廃水処理で金属、硫酸塩、過剰な栄養素（窒素とリン）を沈殿させるために使用できます。同様に、鉄スラグは土壌pHのバランスを調整するための土壌改良剤として、またカルシウムとマグネシウムの供給源としての肥料として使用されています。 ^[15]  

リン含有スラグは、ゆっくりと放出されるリン酸含有量と石灰効果のため、製鉄地域の庭園や農場の肥料として重宝されています。しかし、最も重要な用途は建設です。^[16]

スラグは、高濃度の酸化カルシウムと酸化マグネシウムを含んでいるため、産業アルカリ廃棄物の中で最も炭酸化の可能性が高く、二酸化炭素_回収・貯留（CCS）法（直接水隔離、乾式ガス固体炭酸化など）での実現可能性をテストするためのさらなる研究を促進しています。^{[17] [18]これらのCCS法では、スラグを}沈殿炭酸カルシウムに変換してプラスチックやコンクリート産業で使用したり、浸出して金属にしたりして電子産業で使用することができます。^[19]

しかし、異なるタイプのスラグ間での物理的および化学的変動が大きいため、性能と収率に一貫性がありません。^[20]さらに、炭酸化ポテンシャルの化学量論ベースの計算は、過大評価につながり、材料の真のポテンシャルをさらに不明瞭にする可能性があります。 ^{[21]この目的のために、特定のスラグ材料の反応性（}溶解など）をテストする一連の実験を実行したり、複雑な化学ネットワークを説明するためにトポロジカル制約理論（TCT）を使用することを提案する人もいます。^[22]

スラグはスラグ尾鉱とともに「スラグ廃棄場」に運ばれ、そこで風化にさらされ、有毒元素や高アルカリ性の流出物が土壌や水に浸出する可能性があり、地元の生態系を危険にさらす。浸出の懸念は、通常、有毒元素の濃度が高い傾向がある非鉄金属または卑金属スラグに関するものである。しかし、鉄および鉄合金スラグにも有毒元素が含まれている可能性があり、風化の進んだスラグ廃棄場やリサイクル材料に関する懸念が生じている。^{[23] [24]}

スラグの溶解により、pH値が12を超える高アルカリ性の 地下水が生成されることがあります。 ^{[25]スラグ内の}ケイ酸カルシウム（CaSiO ₄）は水と反応して水酸化カルシウムイオンを生成し、地下水中の水酸化物（OH-）の濃度を高めます。このアルカリ性により、溶解したCO ₂（大気から）の鉱化が促進され、方解石（CaCO ₃）が生成されます。方解石は20cmの厚さにまで蓄積することがあります。これにより、鉄（Fe）、マンガン（Mn）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）など、スラグ内の他の金属も溶解し、水に不溶性となり、粒子状物質として移動します。アルカリ性の地下水の排出を解毒する最も効果的な方法は、空気散布です。^[25]

製錬工程にリサイクルされるか、または他の産業（建設業など）でアップサイクルされるスラグを粉砕する際に生成される微細スラグとスラグダストは、風によって運ばれ、より広い生態系に影響を及ぼす可能性があります。摂取したり吸入したりすることで、工場、鉱山、廃棄物処理場などの近くのコミュニティに直接的な健康リスクをもたらす可能性があります。 ^{[23] [24]}

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• Dimitrova, SV (1996). 「高炉スラグへの金属吸着」水研究30 ( 1): 228–232. Bibcode :1996WatRe..30..228D. doi :10.1016/0043-1354(95)00104-S.
• Roy, ​​DM (1982)。「高炉スラグセメント、モルタル、コンクリートの水和、構造、特性」。ACIジャーナルプロシーディングス。79 （6）。
• Fredericci, C.; Zanotto, ED; Ziemath, EC (2000). 「高炉スラグガラスの結晶化メカニズムと特性」. Journal of Non-Crystalline Solids . 273 (1–3): 64–75. Bibcode :2000JNCS..273...64F. doi :10.1016/S0022-3093(00)00145-9.

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• スラグの種類
• 電気アーク炉（EAF）スラグ、米国EPA