CN110055370B - 一种高温钢渣改质剂及改性预处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温钢渣改质剂及改性预处理工艺，属于钢渣改性技术领域。它包括含单质硅物质和含单质碳物质，所述含单质硅物质中单质硅含量≥60％；所述含单质碳物质中单质碳含量≥80％。本发明还公开一种高温钢渣改性预处理工艺，包括以下步骤：1)向渣罐中预先加入含单质碳物质和含单质硅物质；2)在转炉出渣时，再向渣罐中同时加入含单质硅物质；3)出渣完毕后，向物料中吹氮气，同时收集产生的粉尘；4)将步骤3)中吹氮处理后的钢渣进行热闷处理。本发明能有效提高钢渣安定性、易磨性及提高渣钢回收率。

Description

一种高温钢渣改质剂及改性预处理工艺

技术领域

本发明属于钢渣改性技术领域，更具体地说，涉及一种高温钢渣改质剂及改性预处理工艺。

背景技术

目前，我国累计堆存钢渣超10亿吨，按年产粗钢8亿吨计，每年新增钢渣量约1亿吨，目前钢渣的资源综合利用率不足30％，除回收其中含铁物料，及少量用于水泥、道路等方面，超过钢渣总量70％的磁选后钢尾渣尚未得到有效利用，大量堆存的钢渣占用土地，同时污染土壤，增加大气中粉尘浓度等。钢渣利用是资源综合利用，也是治理环境污染。

钢渣成分复杂、易磨性差、安定性差及早期强度低等问题是制约钢渣资源化利用的关键因素，因此为从根本上解决钢渣利用问题，需通过对钢渣进行改性，国内有很多相关研究，但由于钢渣高温改性难度大，很多研究仅停留在实验室研究阶段，工业化实施难度大，主要存在改性剂加入方式、均质化以及温度补充等问题没有好的解决方案。

现有技术CN104673965A《一种液态钢渣在线改性方法》中公开了一种采用一种或多种碳酸盐物质作为改性剂，直接加入到高温液态钢渣中，利用高温钢渣显热对碳酸盐分解同时提高钢渣的碱度，将改性后钢渣返回用作转炉造渣剂。该发明主要是通过改性提高提高钢渣碱度使其具备较好的脱磷效果，从而实现钢渣在转炉工序内的循环利用，但是循环到一定次数后钢渣必然会面临外排问题，最终还是要考虑钢渣在其它方面的综合利用问题，且外排钢渣碱度较高，伴随着高含量游离CaO对钢渣后续综合利用造成更大难度，本发明并没有给出具体方案。

授权公告号CN203582742U的实用新型专利《用于钢渣改性处理的蒸压反应釜》中公开了一种用于钢渣改性处理的蒸压反应釜，通过反应釜内蒸汽与钢渣中氧化钙、氧化镁等物质在蒸压过程中起化学反应，消除钢渣体积膨胀同时实现钢渣粒化，该实用新型与公开号为CN105063255A的现有技术《一种立式钢渣有压热闷蒸压釜及钢渣处理方法》中描述的蒸压釜原理类似，此类方法及装置对钢渣安定性的改善及粒化效果有一定效果，但是需要对液态钢渣进行预处理，且投资及运行成本较高，且据目前运行实践来看，热闷钢渣游离CaO含量2％～3％，虽然较传统热泼有所降低，但是仍然难以消除其用于道路及建材方面所面临的安定性隐患。

公开号为CN101328517A的现有技术《一种钢渣安定性改质剂及钢渣安定性处理方法》中一种由高炉渣、石英砂、河砂中的一种或几种混合物组成的钢渣安定性改质剂以及通过吹氮气搅拌的方式进行钢渣改质的方法。该方法能通过降低钢渣碱度从而改善钢渣安定性，但吹入氧气会使钢渣中铁素氧化减少钢渣中铁素回收，同时氧化铁与渣中CaO等非金属组分结合形成铁酸钙等高硬度低胶凝活性矿物，影响钢渣后续资源综合利用。

现有技术CN105110660A公开了一种还原气氛下熔融钢渣还原调质处理方法，其制备过程是：先将钢渣与还原性组分调节材料破碎、粉磨至勃氏比表面积200～400m²/kg，掺入适量水，混合均匀后压制成试饼，烘干，然后置于还原气氛高温炉中进行锻烧(试验时，先对高温电炉进行抽真空)，在气氛保护下锻烧温度1300～1600℃，保温时间30min以上，使各组分在高温下发生化学反应，最后将还原后的物料经冷却、破碎、粉磨制备出改性钢渣粉。该现有技术一方面将钢渣中的Fe₂O₃、FeO还原成单质铁，又能在另一方面将铁铝钙相进行分解，释放出CaO，二者均有利于高胶凝活性的硅酸盐矿物的形成，从本质上优化钢渣的矿物组成，提高钢渣的胶凝活性。该现有技术中提高了单质铁的回收率，但并未对钢渣中游离CaO问题采取相应处理措施，该技术并没有解决钢渣的安定性问题。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有工艺中钢渣改性预处理效果差的技术问题，本发明提供一种高温钢渣改性预处理工艺，提高钢渣安定性、易磨性及提高渣钢回收率。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种高温钢渣改质剂，包括含单质硅物质和含单质碳物质，所述含单质硅物质中单质硅含量≥60％；所述含单质碳物质中单质碳含量≥80％。

优选地，所述改质剂中单质硅与单质碳的重量比为(10～30):1。

优选地，所述改质剂中单质硅含量为待处理钢渣重量的3～5％。

优选地，所述含单质碳物质为石墨、活性炭、烟煤、无烟煤、褐煤、煤矸石中的一种或几种。

优选地，所述含单质硅物质为硅粉、工业硅、硅铁中的一种或几种。

一种高温钢渣改性预处理工艺，包括以下步骤：

1)向渣罐中预先加入含单质碳物质和含单质硅物质；

2)在转炉出渣时，再向渣罐中同时加入含单质硅物质；

3)出渣完毕后，向物料中吹氮气，同时收集产生的粉尘；

4)将步骤3)中吹氮处理后的钢渣进行热闷处理。

优选地，步骤1)所述含单质碳物质中单质碳含量为待处理钢渣重量的0.1～0.3％。

优选地，步骤1)所述含单质硅物质中单质硅含量为待处理钢渣重量的3～5％。

优选地，步骤1)中加入所述含单质硅物质与步骤2)加入所述含单质硅物质的质量比为1:2。

优选地，所述含单质碳物质和含单质硅物质粒度均控制在0.5～2mm之间。

优选地，步骤2)中所述的含单质硅物质与钢渣同时添加完毕。

优选地，步骤3)所述吹氮气的压力为0.5～0.7MPa。

优选地，在渣罐上方设置收尘罩，收集步骤3)所述粉尘。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过添加含有单质硅的改质剂，实现高温液态钢渣高温改性，降低钢渣碱度及游离CaO含量，提高钢渣易磨性和胶凝性，其中单质硅的作用有三：第一，单质硅与钢渣中的氧化铁反应，将氧化铁还原成铁后可以实现铁的回收；第二，反应的同时，生成的二氧化硅可以进一步与钢渣中游离的氧化钙反应生成高胶凝活性的硅酸盐矿物，经改性预处理后的钢渣，硅酸盐含量高，磨制钢渣微粉后胶凝活性得到显著提高；第三，由于生成的二氧化硅与氧化钙发生吸热反应，使体系温度下降，同时发生的单质硅还原氧化铁的过程为体系提供热量补偿，使体系避免冷态改质剂加入而导致温度损失。

(2)由于含单质硅物质成本高，为降低预处理成本，故采用部分单质碳来替代单质硅；用于部分还原钢渣中的氧化铁；加入少量的单质硅，还原氧化铁生成的二氧化硅再与氧化钙反应生成高胶凝活性的硅酸盐矿物。

(3)本发明改质剂中单质硅含量≥60％，这是为了避免含单质硅量过低导致引入的杂质过多而影响改性后钢渣的性质，同时保证改质剂在改性过程中提供足量SiO₂以降低钢渣碱度，从而降低钢渣游离CaO含量，同时单质硅在被FeO_n等化合物氧化的同时可以提供热量补偿。

(4)本发明改质剂中含单质碳物质中单质碳的含量≥80％，这是为了避免含单质碳量过低导致引入的杂质过多而影响改性后钢渣的性质，同时保证改质剂在反应过程中形成良好的还原性气氛，同时减少灰分和杂质带入。

(5)本发明优选改质剂中单质硅与单质碳的重量比为(10～30):1，这是由于钢渣中氧化铁含量在20～30％之间，氧化钙含量一般在35～50％之间，故根据主要发生的下列几个反应：

2Fe₂O₃+3C→4Fe+3CO₂

2FeO+C→2Fe+CO₂

2Fe₂O₃+3Si→4Fe+3SiO₂

2FeO+Si→2Fe+SiO₂

2CaO+SiO₂→Ca₂SiO₄

得到单质硅与单质碳的重量比在(10～30):1时，既能够保证游离氧化钙的消除，又能够在钢渣加入时即使物料充分混合形成还原性气氛，进一步提高改性效果。

(6)本发明的一种高温钢渣改性预处理工艺，首先将含单质碳物质和含单质硅物质分别加入到渣罐中，其目的是考虑含单质碳物质比重小，高温下燃烧变成气体，在接渣前先将其置于渣灌底部，有利于促进含单质碳物质与钢渣中铁氧化物的接触反应，钢渣与碳接触瞬间生成大量的CO₂；在接渣前将单质硅改质剂先加入到渣灌底部，利用出渣前期高温钢渣落入渣灌底部形成的冲击效果及大量的CO₂气体起到一定搅拌作用，形成还原性气氛，更加有利于改质剂与钢渣的接触反应；再在转炉出渣时，再向渣罐中同时加入含单质硅物质，其目的在于利用高温钢渣与改质剂同步落入渣灌的混合过程，提高改质剂在钢渣中的分布均匀性及接触反应效果；出渣完毕后，向物料中吹氮气，避免了现有技术中使用的吹空气的过程中导致的前期被改质剂还原的金属铁被空气氧化，且氮气的吹入使改质剂更好熔化，同时可起到搅拌效果，提高改质效果；同时收集产生的粉尘，避免粉尘污染。

(7)本发明通过在转炉出渣时通过排渣口附近料罐给料加入两种改质剂(含硅物质和含单质碳物质)，实现高温液态钢渣高温改性，降低钢渣碱度及游离CaO含量，提高钢渣易磨性和胶凝性；实施例1中按本发明方法对钢渣进行改性预处理，经过处理后，钢渣中游离CaO含量由改性之前的2.6％降至改性后的1.1％；钢渣改性后，移除单质铁后，钢渣中平均含铁量由25.3％下降至19.2％，可知单质铁的回收率得到较大提高；磨制钢渣微粉按标准检测结果显示，7d活性指数70～73％，28d活性指数85～91％，较未改性钢渣明显提高。

附图说明

图1为本发明钢渣改性预处理工艺示意图；

图中：1、转炉；2、改质剂A料罐；3、改质剂B料罐；4、渣罐；5、平板车；6、金属管；7、氮气；8、集尘罩。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施例中高温钢渣改质剂由单质碳含量为83％的煤粉和单质硅含量为72％的硅粉组成，煤粉粒度为0.5～1.5mm，硅粉粒度为1～2mm。

煤粉添加量为钢渣重量的0.2％，硅粉总添加量为钢渣重量的5％，即单质C实际添加量为渣重量的0.166％，单质硅实际添加量为渣重量的3.6％。

如图1所示，载有渣罐的平板车到转炉炉口下方，转炉1开始出渣，同时在渣罐旁边设置装有改质剂的料仓，改质剂中的含硅物质A和含单质碳物质B分别储存在改质剂A料仓2和改质剂B料仓3，通过料仓螺旋给料计给料，给料口位于接渣渣罐4罐口上方约1米处。吹气工序中，在渣罐吹氮气作业区渣罐上方设置收尘罩。

1)300t转炉出渣时，按渣量30t计算，在渣罐4接渣前，先打开改质剂B料仓3给料阀，按渣量0.2％比例加入改质剂B(煤粉，单质碳含量为83％，粒度为0.5～1.5mm)，累计约0.06吨，之后将改质剂A料仓2中的含单质硅物质(本实施例中为硅粉)的1/3约0.5t改质剂A(硅粉，单质硅含量为72％，粒度为1～2mm)加入到渣罐4底部，开始接渣，并取转炉1中出渣样品检测，TFe含量25.3％；

2)在转炉1出渣的同时，向渣罐4中同时加入余下的2/3含单质硅物质(单质硅粉)1t，控制硅粉流量使之在转炉1排渣结束前完成添加；

3)改质剂添加完成后，立即采用平板车5将渣罐4输送到渣处理间吹气作业工位，在吹氮气7开始前确保集尘罩8处于工作状态，立即将连接氮气的金属管6***渣罐4中开始吹氮气7，压力为0.6MPa，直到改质剂完全熔化并搅拌均匀；

4)吹氮气搅拌结束后，将渣罐吊运至热闷作业区，进行热闷处理，热闷处理后，得到预处理后的钢渣。

预处理后的钢渣再通过磁吸回收单质铁，该钢渣微粉后，经检测，游离CaO含量1.1％，比表面积410m²/kg，钢渣粉中TFe含量19.2％，按照GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准检测结果见下表1。

表1实施例1改性钢渣及其钢渣粉活性指数

结果表明：相对于未改性的钢渣粉，经本发明方法改性的钢渣粉，游离CaO含量降低了1.5％，钢渣粉中TFe降低了6.2％，7d活性指数提高了4％，28d活性指数提高了8％。

对比例1

本对比例与实施例1步骤基本相同，不同之处在于：采用硅粉(单质硅含量72％)代替步骤1)的煤粉，添加量为0.069t，即钢渣重量的0.23％，实际单质硅添加量为渣重量的0.166％。

预处理后的钢渣再通过磁吸回收单质铁，钢渣尾渣磨制成微粉后，经检测，游离CaO含量1.5％，比表面积410m²/kg，钢渣粉中TFe含量21.3％，按照GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准检测结果见下表2。

表2对比例1改性钢渣及其钢渣粉活性指数

结果表明，实施例1中步骤1)中加入的煤粉对硅粉和钢渣的混合起到了关键的作用，当预先添加的煤粉改为硅粉后，虽然也具有还原性能，但其并没有与钢渣充分混合，未能将氧化铁充分还原，且形成的SiO₂未能充分反应，回收的单质铁较少，改性后钢渣粉中铁含量仍较高；游离CaO的降低幅度较小，不利于后续的利用。

对比例2

本对比例与实施例1步骤基本相同，不同之处在于：不预先加入煤粉和部分硅粉，直接将煤粉、硅粉与钢渣同时加入到渣罐中。

预处理后的钢渣再通过磁吸回收单质铁，该钢渣微粉后，经检测，游离CaO含量1.4％，比表面积410m²/kg，钢渣粉中TFe含量20.9％，按照GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准检测结果见下表3。

表3对比例2改性钢渣及其钢渣粉活性指数

结果表明，实施例1步骤1)中预先加入的煤粉对硅粉和钢渣的混合起到了关键的作用，接将煤粉、硅粉与钢渣同时加入到渣罐中，虽然也具有还原性能，但还原效果略差，回收的单质铁较少，改性后钢渣粉中铁含量仍较高；游离CaO的降低幅度较小，同样不利于后续的利用。

实施例2

本实施例与实施例1步骤基本相同，不同之处在于：

本实施例中改质剂由单质碳含量为91％的活性炭和单质硅含量为93％的工业硅组成，活性炭粒度为1～2mm，工业硅粒度为1～2mm；

活性炭添加量为钢渣重量的0.27％，工业硅总添加量为钢渣重量的5.4％，即单质C实际添加量为渣重量的0.25％，单质硅实际添加量为渣重量的5％；

步骤3)吹氮气的压力为0.7MPa。

预处理后的钢渣再通过磁吸回收单质铁，该钢渣微粉后，按照GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准检测结果见下表4。

表4实施例2改性钢渣及其钢渣粉活性指数

结果表明：相对于未改性的钢渣粉，经本发明方法改性的钢渣粉，游离CaO含量降低了61.5％，钢渣粉中TFe降低了24.9％，7d活性指数提高了10.3％，28d活性指数提高了2.5％。

实施例3

本实施例与实施例1步骤基本相同，不同之处在于：

本实施例中改质剂由单质碳含量为85％的烟煤和单质硅含量为75％的硅铁组成，烟煤粒度为0.5～2.0mm，硅铁粒度为1～2mm；

烟煤添加量为钢渣重量的0.35％，硅铁总添加量为钢渣重量的4％，即单质C实际添加量为渣重量的0.3％，单质硅实际添加量为渣重量的3％；

步骤3)吹氮气的压力为0.5MPa。

预处理后的钢渣再通过磁吸回收单质铁，该钢渣微粉后，按照GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准检测结果见下表5。

表5实施例3改性钢渣及其钢渣粉活性指数

结果表明：相对于未改性的钢渣粉，经本发明方法改性的钢渣粉，游离CaO含量降低了38.5％，钢渣粉中TFe降低了19.0％，7d活性指数提高了2.9％，28d活性指数提高了1.2％。

实施例4

本实施例与实施例1步骤基本相同，不同之处在于：

本实施例中改质剂由单质碳含量为85％的烟煤和单质硅含量为75％的硅铁组成，烟煤粒度为0.5～2.0mm，硅铁粒度为1～2mm；

烟煤添加量为钢渣重量的0.12％，硅铁总添加量为钢渣重量的4％，即单质C实际添加量为渣重量的0.1％，单质硅实际添加量为渣重量的3％；

预处理后的钢渣再通过磁吸回收单质铁，该钢渣微粉后，按照GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准检测结果见下表6。

表6实施例4改性钢渣及其钢渣粉活性指数

结果表明：相对于未改性的钢渣粉，经本发明方法改性的钢渣粉，游离CaO含量降低了38.5％，钢渣粉中TFe降低了15.0％，7d活性指数提高了5.9％，28d活性指数提高了2.5％。

实施例5

本实施例与实施例1步骤基本相同，不同之处在于：

本实施例中改质剂由单质碳含量为85％的无烟煤和单质硅含量为75％的硅铁组成，无烟煤粒度为0.5～2mm，硅铁粒度为1～2mm；

无烟煤添加量为钢渣重量的0.23％，硅铁总添加量为钢渣重量的5.33％，即单质C实际添加量为渣重量的0.2％，单质硅实际添加量为渣重量的4％；

预处理后的钢渣再通过磁吸回收单质铁，该钢渣微粉后，按照GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准检测结果见下表7。

表7实施例5改性钢渣及其钢渣粉活性指数

结果表明：相对于未改性的钢渣粉，经本发明方法改性的钢渣粉，游离CaO含量降低了57.7％，钢渣粉中TFe降低了19.8％，7d活性指数提高了10.8％，28d活性指数提高了4.9％。

Claims (7)

1.一种高温钢渣改性预处理工艺，其特征在于，所述高温钢渣为转炉出渣；预处理工艺采用改质剂进行，所述改质剂包括含单质硅物质和含单质碳物质，所述含单质硅物质中单质硅含量≥60％；所述含单质碳物质中单质碳含量≥80％；所述改质剂中单质硅与单质碳的重量比为(10～30):1；

预处理工艺包括以下步骤：

1)向渣罐中预先加入含单质碳物质和含单质硅物质；

2)在转炉出渣时，再向渣罐中同时加入含单质硅物质；

3)出渣完毕后，向物料中吹氮气，同时收集产生的粉尘；

4)将步骤3)中吹氮处理后的钢渣进行热闷处理。

2.根据权利要求1所述的高温钢渣改性预处理工艺，其特征在于，所述含单质碳物质为石墨、活性炭、烟煤、无烟煤、褐煤、煤矸石中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的高温钢渣改性预处理工艺，其特征在于，所述含单质硅物质为硅粉、工业硅、硅铁中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的高温钢渣改性预处理工艺，其特征在于，步骤1)所述含单质碳物质中单质碳含量为待处理钢渣重量的0.1～0.3％。

5.根据权利要求1所述的高温钢渣改性预处理工艺，其特征在于，步骤1)所述含单质硅物质中单质硅含量为待处理钢渣重量的3～5％。

6.根据权利要求1所述的高温钢渣改性预处理工艺，其特征在于，步骤1)中加入所述含单质硅物质与步骤2)加入所述含单质硅物质的质量比为1:2。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的高温钢渣改性预处理工艺，其特征在于，步骤3)所述吹氮气的压力为0.5～0.7MPa。

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