Utilization of Induction-Furnace Slag as a Partial Silica-Sand Replacement in CO 2 –Sodium Silicate Molding: Effects on Mold Properties and Casting Quality
本研究は、CO₂-ケイ酸ナトリウム型造形においてシリカ砂の25〜30%を誘導炉スラグに置換することが、産業廃棄物を有効活用しつつ、許容可能な型特性および鋳造品質を維持できる、実行可能かつ費用対効果の高い解決策となることを実証している。
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毎年、製鉄所は二重の負担に直面しています。一方では、溶融金属を注ぎ込む型を作るための、粒子の粗い白い材料である高純度シリカ砂のコスト上昇に支払わなければなりません。もう一方では、鋼を溶かした後に残る、スラグと呼ばれる重く岩のような廃棄物を処分するための費用を支払わなければなりません。通常、このスラグは埋め立て地へと運び出されますが、これはコストがかかり、環境への負荷も高いプロセスです。一方で、世界の供給量の多くが他の産業に転用されているため、シリカ砂の需要は逼迫しています。また、シリカダストを吸い込むことによる健康リスクも、工場がより安全な代替品を求める要因となっています。エンジニアが直面している問いは単純ですが困難です。これら二つの問題を、廃棄物であるスラグを型の有用な一部に変えることで、同時に解決できるのではないか、という問いです。
これに答えるべく、研究者たちは中規模の工場で一般的な、特定の型作りプロセスに着目しました。この手法では、砂とナトリウムシリケートと呼ばれる液体結合剤の混合物を、パターン（型）の周囲にきつく詰め込みます。その後、二酸化炭素ガスを混合物に吹き付けることで化学反応を誘発し、液体状の結合剤を硬い糊のようなネットワークへと変化させ、数秒で型を硬化させます。この迅速な硬化により、鋼部品の素早い生産が可能になります。課題は、使用する砂が、形状を保持できるだけの強度を持ち、かつ溶融金属が当たった際にガスを逃がすことができる程度の透水性（通気性）を備えていなければならない点です。もし砂が弱すぎれば型は壊れ、もし透水性が不十分であれば、金属の中にガスが閉じ込められ、気泡や穴が生じてしまいます。
ある研究チームは、高価なシリカ砂の一部を、特定の低合金鋼を溶かす際に発生する誘導炉スラグの粉砕物に置き換えることができるかどうかをテストすることにしました。彼らは単に推測に基づいたのではなく、スラグが砂の総重量に対して占める割合を、少量から始まり、ほぼ半分に達するまで段階的に増やした一連のテスト用型を作成しました。それぞれの混合物について、砂をシリンダーに詰め、ガスで硬化させた後、一連の標準的なテストに供しました。彼らは、詰められた材料の中をどれほど容易に空気が通過するか、型が落下や圧迫に対してどの程度耐えられるか、そして表面の硬さがどの程度であるかを測定しました。また、これらの型を用いて実際の鋼部品を鋳造し、砂の混合物の変化が金属の表面に目に見える欠陥を引き起こすかどうかを確認しました。
結果は明白かつ一貫していました。スラグを添加するにつれて、型の性能は着実に低下しました。型がガスを逃がす能力は低下し、型が崩れる前に耐えられる力（強度）も大幅に減少しました。混合物の中にスラグが40パーセントに達したとき、型は純粋な砂を用いたものよりも明らかに弱く、かつ通気性も低くなっていました。研究者たちは、この性能低下の原因を主に二つに特定しました。第一に、スラグの化学組成が異なっていたことです。スラグには純粋なシリカ砂よりもケイ素が少なく、鉄、マンガン、その他の金属が多く含まれていたため、液体結合剤がスラグ粒子に効果的に付着しませんでした。第二に、スラグ粒子の物理的なサイズが問題でした。研究者たちはスラグを砂に似た見た目になるよう粉砕しましたが、最終的な材料ははるかに細かく、非常に多くの微細な塵のような粒子を含んでいました。これらの微細な粒子はあまりにも密に詰まってしまい、通常ガスが逃げるはずの小さな隙間を塞いでしまいました。さらに、これらの粒子は表面を覆うためにより多くの液体結合剤を必要としたため、大きな粒同士を繋ぎ止めるための結合剤が不足してしまったのです。
こうした強度の低下や通気性の低下にもかかわらず、研究は実用的な妥協点を見出しました。スラグが混合物の25パーセントから30パーセントの間であれば、型は生産の厳しさに耐えうる強さを維持し、ガスを安全に逃がすための通気性も確保できることが分かりました。これを裏付けるため、チームはスラグの含有量をゼロから最高レベルまで変化させた型に、1600度の溶融鋼を流し込みました。金属が冷却され、型が取り除かれた後、得られた鋼部品の検査を行いました。驚くべきことに、スラグがどれほど含まれていても、鋳造品にピンホールや亀裂といった表面欠陥は見られませんでした。金属の表面テクスチャはすべてのテストにおいて滑らかで一貫しており、スラグの含有量が増加しても悪化する傾向は見られませんでした。
この研究は、製鉄所が、鋳造の品質を損なうことなく、この特定の種類の鋼スラグを用いてシリカ砂の相当部分を安全に代替できることを示唆しています。25パーセントから30パーセントのスラグを使用することで、工場は高価で希少な砂への依存を減らし、同時に廃棄物処分のコストを削減することができます。本研究は、あらゆる種類のスラグやあらゆる金属に対してこれが機能すると主張しているわけではありません。廃棄物の化学組成は幅広く変化するためです。しかし、今回テストされた鋼については、この解決策は実行可能です。これは、廃棄物を資源へと変えるための直接的な道筋を提示しており、注意深いテストを行えば、産業副産物がそれを生み出したプロセスそのものの中で新たな命を見出せることを証明しています。
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