CN114804671A - 富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法 - Google Patents

富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法。该方法包括：向富铁镍渣中加入还原剂和调质剂，进行还原熔炼，得到铁水和熔融态二次渣；向铁水中加入球化剂和孕育剂，进行球化和孕育处理并铸造成球；对铸球进行热处理，得到球墨铸铁磨球；将熔融态二次渣进行急冷，干燥，经球磨得到活性微粉胶凝材料。本发明以富铁镍渣为原料，将富铁镍渣金属提取制备铸铁磨球与熔渣同步改性制备胶凝材料联用，优化了镍渣处理的工艺流程，降低了成本，提高了生产效率，且产品附加值高，有市场竞争优势；通过全组分利用的方式，有可效提高镍渣利用率，促进富铁镍渣的资源化、无害化利用。

Description

富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法
技术领域
本发明涉及镍渣处理技术领域，是一种镍渣综合处理工艺，特别是涉及一种富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法。
背景技术
镍渣是冶炼镍铁过程中产生的以FeO、SiO2和MgO为主要成分的熔融物经水淬后形成的工业废渣。根据矿石来源(氧化矿或硫化矿)和冶炼工艺(闪速炉法、富氧顶吹法、回转窑直接还原法或回转窑-矿热炉联合法)的不同，每生产1吨镍，会排出6～16吨的镍渣，镍渣已成为我国继铁渣、钢渣、赤泥之后的第四大冶炼工业废渣。
根据生产原料和工艺的不同，镍渣的化学成分存在差异，但其中的TFe含量均在40％左右，远高于我国铁矿石的平均品位，还含有少量的镍、铜等合金元素，以及25～35％的SiO2、1～5％的CaO、5～10％的MgO，是一种具备有价金属回收价值并进行胶凝材料开发的资源。另一方面，我国从2003年开始已经成为全球最大的铁矿石进口国，且进口量整体呈逐年上升态势，近六年我国铁矿石对外依存度一直保持在80％以上，仅2020年进口量已达11.7亿吨，对外依存度为80.6％，兼之铁矿石的不可再生性，寻求铁矿石的替代资源势必成为促进钢铁行业健康发展的必经之路。因此，对镍渣进行资源化利用是解决镍渣大量堆积造成土地浪费和环境污染的迫切需求，也是变废为宝、寻求可用钢铁生产原料、降本增效、促进资源循环利用的重要途径。
目前富铁镍渣的利用方向主要包括：(1)提取有价金属，如CN104988302A公开了一种高效回收铁资源的镍渣处理方法；(2)用作充填原料；(3)制备微晶玻璃，如CN109399940A公开了一种镍渣微晶玻璃的制备方法；(4)生产建筑材料，如水泥、混凝土、砌块和蒸压制品等，如CN 112608043 A公开了一种高强度镍渣基固废胶凝材料及制备方法；CN 111559901A公开了一种碱激活再生镍渣水泥混凝土；CN104671825A公开了一种镍渣蒸压加气混凝土砌块及其制备方法。但是，以上对于镍渣的利用方式是相互平行的，产品线单一，比如单纯提取镍渣中的有价金属，虽可作为钢铁行业的原料使用，但其中会产生大量的二次渣，而将镍渣不经任何处理直接做胶凝材料，浪费了其中的有价金属资源，二者均无法对镍渣价值进行充分发挥，镍渣综合利用程度低。
综上，现有技术对富铁镍渣的处理方法，功能单一，未能对镍渣的有价组分进行充分利用，经济效益较低，同时对镍渣中金属元素的提取停留在制备钢铁生产所用原料阶段，很少涉及后续产品生产的工艺流程，实际应用价值不明确。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，以解决现有技术中镍渣综合利用程度低、镍渣利用操作流程复杂、产品单一且附加值低等问题。
本发明的上述目的可以通过以下技术方案实现：
本发明提供的一种富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，包括：向富铁镍渣中加入还原剂和调质剂，进行还原熔炼，得到铁水和熔融态二次渣；向铁水中加入球化剂和孕育剂，进行球化和孕育处理并铸造成球；对铸球进行热处理，得到球墨铸铁磨球；将熔融态二次渣进行急冷，干燥，经球磨得到活性微粉胶凝材料。
可选地，所述铁水的成分为：C 3％～3.8％，Si 2％～3.5％，Mn 0.5％～2.5％，P≤0.1％，S≤0.03％，Cu 0～0.5％，余Fe。
可选地，所述富铁镍渣、还原剂、调质剂的质量比为100：2～15：10～30；其中，所述还原剂为含碳原料，所述调质剂为含CaO原料。
可选地，还原熔炼时，熔炼温度为1350℃～1550℃。
可选地，出铁时，出铁温度为1460℃～1520℃。
可选地，向铁水中加入球化剂和孕育剂，进行球化和孕育处理并铸造成球的步骤中，采用随流冲入的方式将球化剂和孕育剂加入铁水中；所述铁水、孕育剂、球化剂的质量比为100：0.3～1：1～2。可选地，所述孕育剂为硅铁粒孕育剂、硅钡孕育剂或硅钡钙孕育剂。所述球化剂为镁合金球化剂。可选地，所述铸造成球，其浇注温度≥1420℃。
可选地，对铸球进行热处理得到球墨铸铁磨球的步骤中，采用先等温淬火后时效处理方式进行热处理。
可选地，所述等温淬火在贝氏体转变的温度区间内进行等温淬火。
可选地，所述等温淬火包括：打磨清理铸球，进行奥氏体化；移至等温淬火装置进行等温淬火引入贝氏体组织。
可选地，等温淬火，包括：将打磨清理后的铸球在880℃～940℃保温60～150min进行奥氏体化；迅速移至等温淬火装置中进行等温淬火引入贝氏体组织，其中，等温温度为220℃～350℃，保温时间为60min～180min；等温淬火后空冷。
可选地，等温淬火的步骤之后进行时效处理。所述时效处理，包括：将等温淬火后铸球置于时效处理装置中，于130℃～160℃保温20h～26h，例如24h，空冷至室温，得到球墨铸铁磨球。
可选地，所述球墨铸铁磨球表面硬度≥50HRC。
可选地，球磨步骤中，采用所述球墨铸铁磨球作为球磨介质。
可选地，将熔融态二次渣进行急冷，干燥，经球磨得到活性微粉胶凝材料的步骤中：采用喷水冷却或快速倒入水中同时搅拌的方式进行急冷，得到水淬湿渣。采用烘干设备，将所述水淬湿渣烘干至含水率＜1％，得到水淬干渣。采用所述球墨铸铁磨球作为球磨介质，于球磨设备中对所述水淬干渣进行粉磨，粉磨至比表面积＞400m2/kg，出料，得到活性微粉胶凝材料。
可选地，所述活性微粉胶凝材料，其密度＞2.83g/cm3，胶砂试块标养7d活性指数＞72％，标养28d活性指数＞88％。
有益效果：本发明将富铁镍渣金属提取制备铸铁磨球与熔渣同步改性制备胶凝材料联用，即利用富铁镍渣提取的有价金属含铁物料来制备球墨铸铁磨球，并利用提铁过程的熔融态二次渣制备胶凝材料，从而打通了从废渣到多种成品的工艺路线，产品附加值高；优化了镍渣处理工艺，降低了成本；实现了镍渣全组分利用，提高了镍渣利用率，促进了富铁镍渣的资源化无害化利用。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点和有益效果：
(1)本发明采用有价金属组分还原+熔渣热态同步改性的方式，制备球墨铸铁磨球和胶凝材料，通过联产联用，实现富铁镍渣的全组分高值开发。
(2)本发明对还原熔炼的熔融态的二次渣进行急冷获得大量玻璃相，使其活性提升，无需配加其他物料即可直接制备得到用于水泥混合材和混凝土掺合料的活性微粉胶凝材料，工艺流程简单，有效提高了镍渣利用率。
(3)进一步地，本发明通过先等温淬火后时效处理的热处理工艺对球墨铸铁磨球引入贝氏体组织，消除了残余应力，提高了强度和耐磨性，提高了磨球产品附加值，更具市场竞争力。克服了现有的常规淬火+低温回火热处理方式，存在的无法完全保证获得贝氏体组织的问题。
(4)进一步地，本发明还可以将制备得到的球墨铸铁磨球作为球磨介质引入二次渣制备胶凝材料步骤中，从而实现镍渣制备金属产品和建筑产品的复合交叉应用，为镍渣资源化高值化利用提供可靠路径；通过产品交互、联产联用，真正做到降本增效、综合利用。
附图说明
图1是本发明一实施例中的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，包括：将富铁镍渣进行还原熔炼得到铁水和二次渣；采用所述铁水通过铸造和热处理制备球墨铸铁磨球；采用二次渣通过急冷干燥球磨制备活性微粉胶凝材料。
本发明提出的富铁镍渣“有价金属组分还原制备球墨铸铁磨球+熔渣热态同步改性制备胶凝材料”的联用方式，通过优化工艺流程，为富铁镍渣的全组分高价值利用提供了切实可行的路径；产品附加值高，有效提高了镍渣利用率，促进富铁镍渣的资源化、无害化利用。
本发明，在二次渣制备活性微粉胶凝材料过程中，球磨时，优选采用本发明制备得到的球墨铸铁磨球作为球磨介质；从而实现镍渣制备金属产品和建筑产品的复合交叉应用，通过产品交互、联产联用，真正做到降本增效、综合利用。
在一优选实施例中，采用所述铁水通过铸造和热处理制备球墨铸铁磨球的步骤中，采用先等温淬火后时效处理进行热处理，通过等温淬火热处理工艺对球墨铸铁磨球引入贝氏体组织，提高了强度和耐磨性，提高了磨球产品附加值，更具市场竞争力；在等温淬火后进行时效处理，进一步消除了消除残余应力，防止工件开裂，得到贝氏体型球墨铸铁磨球，保证了获得贝氏体组织。
图1示意性地示出了本发明一实施例中的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法的工艺流程。如图1所示，一种富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，包括：
(1)还原熔炼提铁：向富铁镍渣中加入一定比例的还原剂和调质剂，混合均匀后送入熔炼炉中进行还原熔炼，生成铁水和二次渣，二次渣熔体在铁水的上层，不定期进行出铁水和出渣。
其中，还原熔炼所采用的熔炼炉可以为侧吹熔炼炉、电弧炉、矿热炉、中频炉等。优选地，在熔炼过程中对熔池进行充分搅拌，可加快反应进程；搅拌方式可以采用气体搅拌、电磁搅拌和机械搅拌的一种或多种。
本发明中，富铁镍渣：还原剂：调质剂＝100：2～15：10～30；以得到所需成分铁水，并调节二次渣成分。其中，所述还原剂为含碳原料，如煤粉、焦粉等。所述调质剂优选采用富CaO原料，例如石灰石、生石灰、白云石等的其中一种或多种，从而可以使得得到的活性微粉在制备水泥等建材时，成品满足各成分含量要求。本发明通过所述富CaO调质剂调节碱度及二次渣的成分组成，以得到活性微粉。进一步地，采用所述调质剂调节二次渣的C/S≈1.0，例如0.9、1.0、1.2等，从而保证了得到的微粉具有良好的胶凝活性。
还原熔炼过程中，炉内物料加热至1350℃～1550℃形成熔池，而后进行30～150min的还原提铁和造渣过程。铁水成分炉前检测合格后即可出铁，温度为1460～1520℃，出铁时需注意挡渣。得到的铁水成分为：C 3～3.8％、Si2～3.5％、Mn 0.5～2.5％，P≤0.1％，S≤0.03％，Cu 0～0.5％，余Fe。本发明实施方式中，采用富铁镍渣作为产铁原料；同时采用还原提铁同时调成分改性的方法，从而提高渣粉制备胶凝材料的可能性。
(2)制备球墨铸铁磨球：向步骤(1)得到的铁水中配入一定比例的孕育剂和球化剂，进行孕育和球化处理，而后浇注成型、冷却起模，得到铸球；所得铸球打磨清理后，进行先等温淬火后时效处理的热处理工艺，得贝氏体型球墨铸铁磨球。
其中，铁水铸造成铸球的过程采用工艺简单的模铸进行铸球，例如可选择砂模铸造或金属模铸造工艺，浇注温度≥1420℃，浇注时需注意挡渣。
优选地，在浇注时，采用随流冲入的方式将球化剂和孕育剂加入铁水中，采用该方式可以保证球墨铸铁的机械强度。其中，铁水：孕育剂：球化剂＝100：0.3～1：1～2。其中，所述孕育剂可选自硅铁粒孕育剂、硅钡孕育剂、硅钡钙孕育剂中的一种。本发明通过采用所述孕育剂促进石墨化，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量，细化基体组织，在孕育处理后的短时间内(约5～8min)有良好的效果。所述球化剂可选自镁合金球化剂。采用所述球化剂可促进组织中石墨结晶成球形并保持长时间不变形，还在提高机械强度的同时，兼具脱氧、脱硫作用。
铁水铸造后所得组织容易不均匀，本发明在铸造后进行热处理通过对铸球进行热处理工艺可以提高其使用寿命。其中，采用先等温淬火后时效处理的热处理工艺，具体地，包括：
首先，在贝氏体转变的温度区间内进行等温淬火：将铸球在880～940℃保温60～150min进行奥氏体化，而后快速移至等温淬火装置中保温一段时间，后空冷；其中，等温温度为220～350℃，保温时间为60～180min。然后，等温处理后进行时效处理，即于130～160℃保温20h～26h，时效处理结束后空冷至室温，通过时效处理进一步消除了消除残余应力，防止工件开裂。
其中，所述等温淬火装置可选择中频淬火炉、高频淬火炉、工频淬火炉、网带式等温淬火炉、立式淬火炉和盐浴炉等。盐浴介质可选择硝酸钠、硝酸钾、氯化钠等。所述时效处理装置具有烘干功能设备，例如可选择烘箱、干燥箱等。
本发明中，通过先等温淬火后时效处理引入的贝氏体组织，可以显著提高磨球的冲击韧性、断裂韧性、耐磨性和使用寿命，本发明的贝氏体型球墨铸铁磨球表面硬度≥50HRC，符合GB/T 17445-2009铸造磨球标准，生产成本低，是磨球材料的合适选择。本发明热处理采用等温淬火+时效处理，在贝氏体转变的温度区间等温，可保证所得磨球室温组织为贝氏体，磨球具备较高硬度的同时韧性亦得到提高。克服了现有的常规淬火+低温回火热处理方式，存在的无法完全保证获得贝氏体组织的问题。
(3)制备活性微粉：提铁后熔融态的二次渣经急冷、干燥、球磨后，即得用于水泥和混凝土的活性微粉胶凝材料。而提铁后制备的铸铁磨球可作为球磨介质，对二次渣进行粉磨，实现产品的有效利用。
熔融态的二次渣先进行急冷，采用喷水冷却或直接倒入水中冷却方式进行急冷。进一步地，冷却过程中，对二次渣进行及时搅拌，以提高冷却速率。通过对熔融态的二次渣进行急冷，从而保证大量活性玻璃相的形成。
急冷后得到的水淬湿渣，在制备活性微粉前，先进行烘干，得到含水率<1％的水淬干渣，从而避免了水淬湿渣会在粉磨过程中发生水化反应的问题。其中，烘干设备可以未烘箱、干燥箱等。
烘干后的水淬干渣送入球磨设备进行粉磨，球磨设备可选择滚筒式球磨机、锥形球磨机、卧式球磨机、行星球磨机等，采用本发明制备得到的贝氏体型球墨铸铁磨球作为球磨介质，将水淬干渣粉磨至所需比表面积，后出料，得到用于水泥和混凝土的活性微粉胶凝材料。将通过将制备得到的球墨铸铁磨球引入到胶凝材料制备冲，产品交互、联产联用，真正做到降本增效、综合利用程度高。
所得活性微粉，其比表面积＞400m2/kg，密度＞2.83g/cm3，胶砂试块标养7d活性指数＞72％，标养28d活性指数＞88％，符合JC/T 2503-2018用于水泥和混凝土中的镍铁渣粉的技术指标要求。
本发明通过对还原熔炼的熔融态的二次渣进行急冷获得大量玻璃相，使其活性提升，无需配加其他物料即可直接制备得到用于水泥混合材和混凝土掺合料的活性微粉胶凝材料，工艺流程简单，有效提高了镍渣利用率。
本发明富铁镍渣在还原熔炼提取有价金属组分制备球墨铸铁磨球的同时，对熔渣进行了热态改性，所得二次渣在制备活性微粉辅助胶凝材料时无需加入激发剂，仅通过磨至所需比表面积的简单方式即可用于水泥混合材和混凝土掺合料，优化了镍渣处理的工艺流程，降低了成本、提高了生产效率，可实现对富铁镍渣的全组分高值利用。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
实施例1
富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，包括：
1)富铁镍渣提铁
装置：侧吹熔炼炉。
富铁镍渣：煤粉：生石灰＝100：4：20。
炉内物料加热至1400℃形成熔池，而后进行40min的还原提铁和造渣，出铁时提温至1480℃，挡渣出铁。得到的铁水成分为：C 3.08％、Si 2.56％、Mn 1.26％，P 0.06％，S0.01％，Cu 0.24％，余Fe。
2)铸球成型
磨球采用铁型覆砂铸造工艺成型，浇注温度1460℃，随流冲入镁合金球化剂和硅铁粒孕育剂，铁水：孕育剂：球化剂＝100：0.3：1.2，球径为φ30mm。
3)热处理
对所得铸球进行等温热处理，将铸球在920℃保温120min进行奥氏体化，而后快速移至温度为320℃的盐浴炉中保温120min后空冷，盐浴介质为硝酸钾和硝酸钠的1:1混合物。将等温处理后的磨球置于140℃烘箱内保温24h，并空冷至室温。
4)活性微粉制备
出铁后的熔渣，倒入水中进行急冷，使其玻璃体化，烘干后入球磨机粉磨，磨后渣粉比表面积为428m2/kg，密度为2.916g/cm3，胶砂试块标养7d活性指数82％，标养28d活性指数106％。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，包括：
向富铁镍渣中加入还原剂和调质剂，进行还原熔炼，得到铁水和熔融态二次渣；
向铁水中加入球化剂和孕育剂，进行球化和孕育处理并铸造成球；对铸球进行热处理，得到球墨铸铁磨球；
将熔融态二次渣进行急冷，干燥，经球磨得到活性微粉胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，所述铁水的成分为：C 3％～3.8％，Si 2％～3.5％，Mn 0.5％～2.5％，P≤0.1％，S≤0.03％，Cu 0～0.5％，余Fe。
3.根据权利要求1所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，
所述富铁镍渣、还原剂、调质剂的质量比为100：2～15：10～30；其中，所述还原剂为含碳原料，所述调质剂为含CaO原料；
还原熔炼时，熔炼温度为1350℃～1550℃；
出铁时，出铁温度为1460℃～1520℃。
4.根据权利要求1所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，向铁水中加入球化剂和孕育剂，进行球化和孕育处理并铸造成球的步骤中，
采用随流冲入的方式将球化剂和孕育剂加入铁水中；所述铁水、孕育剂、球化剂的质量比为100：0.3～1：1～2；所述孕育剂为硅铁粒孕育剂、硅钡孕育剂或硅钡钙孕育剂；所述球化剂为镁合金球化剂；
所述铸造成球，其浇注温度≥1420℃。
5.根据权利要求1所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，对铸球进行热处理得到球墨铸铁磨球的步骤中，采用先等温淬火后时效处理进行热处理；
其中，所述等温淬火在贝氏体转变的温度区间内进行等温淬火，包括：
将打磨清理后的铸球在880℃～940℃保温60～150min进行奥氏体化；
迅速移至等温淬火装置中进行等温淬火引入贝氏体组织，其中，等温温度为220℃～350℃，保温时间为60min～180min；
等温淬火后空冷。
6.根据权利要求5所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，
所述时效处理，包括：将等温淬火后铸球置于时效处理装置中，于130℃～160℃保温20h～26h，空冷至室温。
7.根据权利要求1所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，所述球墨铸铁磨球表面硬度≥50HRC。
8.根据权利要求1所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，球磨步骤中，采用所述球墨铸铁磨球作为球磨介质。
9.根据权利要求8所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，将熔融态二次渣进行急冷，干燥，经球磨得到活性微粉胶凝材料的步骤中，
采用喷水冷却或快速倒入水中同时搅拌的方式进行急冷，得到水淬湿渣；
采用烘干设备，将所述水淬湿渣烘干至含水率＜1％，得到水淬干渣；
采用所述球墨铸铁磨球作为球磨介质，于球磨设备中对所述水淬干渣进行粉磨，粉磨至比表面积＞400m2/kg，出料，得到活性微粉胶凝材料。
10.根据权利要求9所述的富铁镍渣制备球墨铸铁磨球协同制备胶凝材料的方法，其特征在于，所述活性微粉胶凝材料，其密度＞2.83g/cm3，胶砂试块标养7d活性指数＞72％，标养28d活性指数＞88％。
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