TW202136527A - 未安定化之還原碴的資源化方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種未安定化之還原碴的資源化方法,其包含:齊備未安定化之還原碴、粉體材料、及水,其中未安定化之還原碴與粉體材料的重量比例為1:1至1:0.2;將未安定化之還原碴、粉體材料、及水混合成一混合物,其中鈣的莫耳數相對於矽及鋁的莫耳數之比值為0.5至2.5;及將該混合物形成至少一試體,該至少一試體於4.855 kgf/cm2
至40.55 kgf/cm2
的蒸氣壓力、150°C至250°C的養護溫度下進行固化反應以得到至少一固化物。藉由上述方法,可在短時間內將原本難以利用的未安定化之還原碴轉化為具經濟價值的材料,提升去化程度與使用途徑,進而降低煉鋼的成本。
Description
本發明係關於一種電弧爐爐碴處理方法。具體而言,本發明係關於一種電弧爐爐碴的資源化處理方法。
鋼鐵工業為我國極重要之基礎工業,其關聯產業十分廣泛,各鋼鐵廠每年產生之爐碴高達一百多萬噸,若不加以合理利用,僅將爐碴儲存會造成儲置空間的問題,也會造成環境污染。
電弧爐煉鋼的冶煉過程依其化學反應分成三個階段,分別為熔解期、氧化期及還原期。電弧爐煉鋼爐碴即是由此煉鋼過程所排出的熔碴,依照出碴時期不同,可分為氧化碴及還原碴。氧化碴含鐡量高、質地堅硬比重大,為物理化學性質安定的黑褐色塊狀物。未安定化之還原碴中的鐵含量少但氧化鈣及氧化鎂含量多,呈灰褐色的粉狀或塊狀。由於還原碴含游離石灰(f-CaO),其遇水膨脹易崩解,故還原碴除了用於水泥製程中的原料之外,因體積穩定性不佳的緣故並無有效的去化途徑而只能堆置,此舉導致造成土地成本的浪費。
國內公共工程及營建業每年對混凝土粒料有十分龐大的需求,其中的溝管工程如污水下水道、自來水管、天然氣管線等工程需大量的控制性低強度材料(Controlled Low-Strength Material,簡稱CLSM),CLSM中的粒料可採用再生粒料及工業副產物替代天然粒料。由於各電弧爐煉鋼廠每年煉鋼產生的還原碴數量龐大,在臺灣天然資源十分有限的情況下,若能將上述還原碴有效率地利用以替代珍貴的天然資源,將能確保資源的永續存在。近來有業者先將未安定化之還原碴進行安定化處理後,再利用所得的安定化之還原碴製成CLSM。但若能直接將大量的未安定化之還原碴轉變成CLSM,不僅節省一道程序所花的時間、亦省下該步驟所需使用的試劑。因此,極需發展一種能直接利用未安定化之還原碴、並能在短時間內將大量未安定化的還原碴轉化為具使用價值的再生資源之方法。
為解決上述問題,本發明之目的在於開發一種能在短時間內將大量未安定化的還原碴直接轉化為再生資源的方法。
為達成前述目的,本發明提供一種未安定化之還原碴的資源化方法,其包含下列步驟:(A)備料步驟:齊備未安定化之還原碴、粉體材料、及水,其中該未安定化之還原碴包含30重量百分比至60重量百分比的氧化鈣和3重量百分比至10重量百分比的氧化鎂,且該粉體材料包含矽氧化物粉、鋁氧化物粉或其組合,且其中該未安定化之還原碴與該粉體材料的重量比例為1:1至1:0.2,且水相對於該未安定化之還原碴與該粉體材料兩者的重量總和之比值為大於或等於0.20且小於或等於0.65;(B)混合步驟:將該未安定化之還原碴、該粉體材料、及該水混合成一混合物,其中在該混合物中,鈣的莫耳數相對於矽及鋁兩者的莫耳數之比值為大於或等於0.5且小於或等於2.5;及(C)固化步驟:先將該混合物形成至少一試體,該至少一試體於4.855 kgf/cm2
至40.55 kgf/cm2
的壓力、150°C至250°C下進行固化反應,以得到至少一固化物。
藉由利用上述方法,可在短時間內將大量的未安定化之還原碴直接轉化為具使用性的固化物,藉此減少土地成本的浪費,並增加未安定化之還原碴的使用途徑。
依據本發明,於該混合物中,鈣的莫耳數相對於矽及鋁兩者的莫耳數之比值較佳地為大於或等於0.5且小於或等於2、更佳地為大於或等於0.5且小於或等於1.5、再更佳地為大於或等於0.5且小於或等於1.2,藉此能以最符合經濟效益的方式形成固化物。
依據本發明,所得到的固化物包含托勃莫來石(tobermorite)。該固化物可進一步視需求產出不同規格的磚、瓦、預鑄混凝土板等水泥製品,或作為控制性低強度材料的粒料及非結構混凝土粒料。
依據本發明,該未安定化之還原碴包含30重量百分比至60重量百分比的氧化鈣、3重量百分比至10重量百分比的氧化鎂、及34重量百分比至60重量百分比之氧化鐵、氧化錳等其餘物質。其中,該未安定化之還原碴較佳地包含40重量百分比至60重量百分比的氧化鈣、更佳地包含45重量百分比至60重量百分比的氧化鈣、再更佳地包含50重量百分比至60重量百分比的氧化鈣。
依據本發明,該未安定化之還原碴與該粉體材料的重量比例可為1:0.7至1:0.2、可為1:0.6至1:0.2、或可為1:0.5至1:0.2。
依據本發明,本方法中所使用的水的用量僅需該未安定化之還原碴與該粉體材料兩者的重量總和之百分之二十即可,過多的水並不影響固化反應,因為多餘的水分於高壓下將汽化成水蒸氣。
依據本發明,於固化步驟中,溫度可為150°C至240°C、150°C至230°C、或150°C至220°C。
依據本發明,於固化步驟中,壓力可為4.855 kgf/cm2
至34.13 kgf/cm2
、4.855 kgf/cm2
至34.13 kgf/cm2
、或4.855 kgf/cm2
至23.66 kgf/cm2
。
依據本發明,該未安定化之還原碴的D90粒度係小於或等於96微米。於一實施態樣中,該未安定化之還原碴之中值粒度(D50)係小於或等於96微米。於一實施態樣中,該未安定化之還原碴的中值粒度為大於或等於45微米且小於或等於96微米;較佳地,未安定化之還原碴的中值粒度為大於或等於45微米且小於或等於80微米。依據本發明,未安定化之還原碴可經由乾式研磨或濕式研磨。於一實施態樣中,未安定化之還原碴於濕式研磨的過程中,可使用蒸壓釜產生的冷凝水或其他來源的熱水進行濕式研磨,除重複利用水資源外,以熱水進行濕式研磨亦有助於在固化步驟期間加速反應。
依據本發明,粉體材料可為飛灰粉、燃煤底灰粉、高爐石粉、廢玻璃粉或其組合。飛灰粉購自於台中火力發電廠的燃煤副產物,可為F級飛灰粉,亦可為N級飛灰粉或C級飛灰粉。燃煤底灰粉亦購自於台中火力發電廠的燃煤副產物。高爐石粉購自於中聯資源股份有限公司,高爐石粉係中國鋼鐵股份有限公司煉鐵製程中的副產物「水淬高爐碴」經研磨後的粉體材料,可使用80級的高爐石粉、100級的高爐石粉、或120級的高爐石粉。廢玻璃類來自於民生廢玻璃(例如啤酒瓶)或工業廢玻璃(例如面板)。其中,飛灰粉或燃煤底灰粉中的晶體礦物組成包含莫來石(3Al2
O3
•2SiO2
)、石英(SiO2
)、磁鐵礦(Fe3
O4
)、石膏(CaSO4
)、鋁酸三鈣(3CaO•Al2
O3
)、黃長石(Ca2
Al2
SiO7
)、方鎂石(MgO)、石灰(CaO)。高爐石粉可包含SiO2
、Al2
O3
、CaO、MgO鍵結在一起形成CaO•SiO2
•Al2
O3
的結構。廢玻璃粉則可包含CaO•SiO2
•Na2
O、CaO•SiO2
•K2
O等的結構。
依據本發明,矽氧化物粉包含二氧化矽(SiO2
)粉;於另一實施態樣中,鋁氧化物粉包含三氧化二鋁(Al2
O3
)粉。
於其中一實施態樣中,以整體粉體材料的總重為基準,該粉體材料包含65重量百分比至75重量百分比的二氧化矽、15重量百分比至25重量百分比的三氧化二鋁、及重量百分比5至20的其餘物質。於另一實施態樣中,以整體粉體材料的總重為基準,該粉體材料包含55重量百分比至65重量百分比的二氧化矽、17重量百分比至25重量百分比的三氧化二鋁、及14重量百分比至22重量百分比的其餘物質。於又另一實施態樣中,以整體粉體材料的總重為基準,該粉體材料包含60重量百分比至70重量百分比的二氧化矽、15重量百分比至25重量百分比的三氧化二鋁、及5重量百分比至15重量百分比的其餘物質。在一實施態樣中,以整體粉體材料的總重為基準,該粉體材料包含45重量百分比至60重量百分比的二氧化矽、15重量百分比至30重量百分比的三氧化二鋁、及15重量百分比至40重量百分比的其餘物質。
在一實施態樣中,粉體材料可經由乾式研磨或濕式研磨。於一實施態樣中,粉體材料於濕式研磨的過程中,可使用蒸壓釜產生的冷凝水或其他來源的熱水進行濕式研磨,除重複利用水資源外,以熱水進行粉體材料研磨有助於在固化步驟期間加速固化反應。依據本發明,為使粉體材料充分反應,粉體材料的D90粒度係小於或等於96微米。在另一實施態樣中,粉體材料的中值粒度(D50)係小於或等於96微米。於一實施態樣中,粉體材料的中值粒度係大於或等於45微米且小於或等於96微米。
依據本發明,固化步驟可進一步包含將混合物先進行造粒步驟或製模步驟,再於高溫飽和蒸氣壓下進行固化反應形成固化物。依據本發明,造粒步驟包含將混合步驟得到的混合物經由擠壓造粒機器製得可為球狀或圓柱狀的至少一試體,再將上述至少一試體置入蒸壓釜內進行固化反應以增加抗壓強度,之後再將上述至少一試體自蒸壓釜取出,以得到至少一固化物。依據本發明,製模步驟可為先將混合步驟得到的混合物灌入至少一模具,再將上述至少一模具置入蒸壓釜內進行固化反應以增加抗壓強度,之後再將各模具自蒸壓釜取出、脫模,以得到至少一固化物。依據本發明,亦可先利用高壓成型製磚機將混合步驟得到的混合物製得至少一磚狀物,再將上述至少一磚狀物置入蒸壓釜內進行固化反應以增加抗壓強度,之後再將各磚狀物自蒸壓釜取出,以得到至少一固化物。
依據本發明,固化步驟的時間可為2小時至8小時、可為3小時至7小時、或可為3小時至6小時,皆能將大量的未安定化之還原碴直接轉化為具使用性的固化物。
依據本發明,本方法可依固化物用途製得抗壓強度為20 kgf/cm2
至300 kgf/cm2
、抗壓強度為90 kgf/cm2
至250 kgf/cm2
、或抗壓強度為100 kgf/cm2
至240 kgf/cm2
的固化物。
以下,將藉由數種實施例示例說明本發明的未安定化之還原碴的資源化方法,熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本發明所能達成之優點與功效,並且於不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更,以施行或應用本發明之內容。
實施例
1
至
5
:固化物
實施例1至5之固化物係利用如下所述之製法製得。
首先,依照下表1,齊備未安定化之還原碴(D90粒度小於或等於96微米)、飛灰(D90粒度小於或等於96微米)、及水。
接著,將未安定化之還原碴、飛灰、及水混合,得到一混合物。未安定化之還原碴包含氧化鈣(CaO)、氧化鎂、氧化鐵、氧化錳等,其中氧化鈣的含量係經由X射線螢光分析儀(廠牌:Bruker,型號:CTX 800)測定;飛灰包含二氧化矽(SiO2
)、三氧化二鋁(Al2
O3
)、氧化鐵、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉等,其中二氧化矽的含量及三氧化二鋁的含量亦經由上述X射線螢光分析儀測定。在計算得到氧化鈣、二氧化矽、及三氧化二鋁的重量後,分別將氧化鈣、二氧化矽、及三氧化二鋁的重量除以其各自的分子量計算得到氧化鈣、二氧化矽、及三氧化二鋁的莫耳數,並由此得到混合物中鈣的莫耳數、矽的莫耳數、及鋁的莫耳數,再以此計算得到混合物中鈣的莫耳數除以矽與鋁的莫耳數之總和(Ca/(Si+Al))的比例。
接著,將該混合物攪拌均勻並灌入數個體積為50 公釐(mm)*50 mm*50 mm的模具,之後將各模具放入蒸壓釜內並持續通入水蒸氣,直到蒸壓釜達到下表1的養護溫度及飽和蒸氣壓,之後進行固化反應數小時,接著降壓、降溫,分別自蒸壓釜取出實施例1至5的固化物。
試驗例
1
:抗壓強度測試
依據CNS 1010測試法進行,將實施例1至5之固化物以萬能材料試驗機(型號:H-300,廠牌:弘達儀器股份有限公司),以每分鐘加載500公斤重(500 kgf/min)之加壓速度進行單軸載重試驗,待破壞固化物後記錄最大值,再將其除以受力面積即可得到各固化物之抗壓強度,如下表1所示。
表1:實施例1至5之未安定化的還原碴、飛灰、及水的重量、固化反應條件、及固化物抗壓強度。
實施例1 | 實施例2 | 實施例3 | 實施例4 | 實施例5 | |
未安定化的還原碴(g) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
飛灰重量(g) | 1000 | 1000 | 510 | 290 | 200 |
水重量(g) | 460 | 700 | 347 | 297 | 420 |
CaO含量(%) | 45 | 55 | 45 | 45 | 35 |
CaO重量(g) | 450 | 550 | 450 | 450 | 350 |
SiO2 含量(%) | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
SiO2 重量(g) | 700 | 700 | 357 | 203 | 140 |
Al2 O3 含量(%) | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
Al2 O3 重量(g) | 200 | 200 | 102 | 58 | 40 |
Ca莫耳數 | 8.04 | 9.82 | 8.04 | 8.04 | 6.25 |
Si莫耳數 | 11.67 | 11.67 | 5.95 | 3.38 | 2.33 |
Al莫耳數 | 3.92 | 3.92 | 2 | 1.14 | 0.78 |
Ca/(Si+Al) | 0.52 | 0.63 | 1.01 | 1.78 | 2.00 |
飽和蒸氣壓(kgf/cm2 ) | 12.8 | 12.8 | 4.86 | 4.86 | 19.55 |
養護溫度(°C) | 190 | 190 | 150 | 150 | 210 |
固化時間(hr) | 3 | 6 | 3 | 6 | 3 |
抗壓強度(kgf/cm2 ) | 153 | 237 | 114 | 105 | 130 |
實驗結果討論
如上表1所示,利用本發明的未安定化之還原碴的資源化方法,只要將未安定化之還原碴與粉體材料的重量比例控制在1:1至1:0.2、水相對於未安定化之還原碴與粉體材料兩者的重量總和之比值控制在大於或等於0.20且小於或等於0.65、及將混合物中的鈣莫耳數相對於矽及鋁兩者的莫耳數之比值控制在0.5至2.5的範圍內,並將於4.855 kgf/cm2
至40.55 kgf/cm2
的飽和蒸氣壓、150°C至250°C的養護溫度下進行固化反應,皆能在短時間內獲得抗壓強度為20 kgf/cm2
至300 kgf/cm2
的固化物。具備上述抗壓強度之固化物為具經濟價值的材料,可大量使用於CLSM材料、非結構混凝土材料,此增加未安定化之還原碴的使用途徑、減少堆置未安定化之還原碴的需求、進而降低煉鋼的成本。
由實施例1至5可知,利用本發明的方法,只要將混合物中的鈣莫耳數相對於矽及鋁兩者的莫耳數之比值控制在0.5至2.00的範圍內,皆能在3小時至6小時內得到抗壓強度為100 kgf/cm2
至250 kgf/cm2
的固化物。
先觀實施1與實施例2,在相同的飽和蒸氣壓及養護溫度的情況下,Ca/(Si+Al)為0.52且固化時間為3小時(實施例1)可得到抗壓強度為153 kgf/cm2
的固化物,而對於Ca/(Si+Al)為0.63的實施例2而言,進一步將固化時間延長為6小時,可得到抗壓強度超過200 kgf/cm2
、甚至接近250 kgf/cm2
的固化物。由以上實驗結果可知,在Ca/(Si+Al)相當且在相同的固化反應條件之情況下,增加固化時間有助於增加固化物的抗壓強度。
又觀實施例3及實施例4,在相同的飽和蒸氣壓及養護溫度下,Ca/(Si+Al)為1.01(實施例3)的固化物之抗壓強度為114 kgf/cm2
,其高於Ca/(Si+Al)為1.78(實施例4)之抗壓強度為105 kgf/cm2
的固化物。上述實施結果表示當Ca/(Si+Al)之比值越低時,有助於增加固化物的抗壓強度。
再觀實施例5,當Ca/(Si+Al)為2時,表示在大量利用未安定化之還原碴的情況下,在210°C的養護溫度及19.55 kgf/cm2
的飽和蒸氣壓下進行固化反應3小時,亦能迅速得到抗壓強度為130 kgf/cm2
的固化物。
綜合上述實驗結果,利用本發明的方法,能在短時間內即將大量的未安定化之還原碴轉化為具使用途徑的再生資源,其可大量使用於CLSM材料、非結構混凝土材料,藉此增加未安定化之還原碴的用途及減少未安定化之還原碴的處理成本。
無
無。
無。
無。
Claims (10)
- 一種未安定化之還原碴的資源化方法,其包含下列步驟: (A) 備料步驟:齊備未安定化之還原碴、粉體材料、及水,其中該未安定化之還原碴包含30重量百分比至60重量百分比的氧化鈣和3重量百分比至10重量百分比的氧化鎂,且該粉體材料包含矽氧化物粉、鋁氧化物粉或其組合,且其中該未安定化之還原碴與該粉體材料的重量比例為1:1至1:0.2,且水相對於該未安定化之還原碴與該粉體材料兩者的重量總和之比值為大於或等於0.20且小於或等於0.65; (B) 混合步驟:將該未安定化之還原碴、該粉體材料、及該水混合成一混合物,其中在該混合物中,鈣的莫耳數相對於矽及鋁兩者的莫耳數之比值為大於或等於0.5且小於或等於2.5;及 (C) 固化步驟:先將該混合物形成至少一試體,該至少一試體於4.855 kgf/cm2 至40.55 kgf/cm2 的壓力、150°C至250°C下進行固化反應,以得到至少一固化物。
- 如請求項1所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中該混合物中鈣莫耳數相對於矽及鋁兩者的莫耳數之比值為大於或等於0.5且小於或等於2。
- 如請求項2所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中該混合物中鈣莫耳數相對於矽及鋁兩者的莫耳數之比值為大於或等於0.5且小於或等於1.5。
- 如請求項1所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中以整體粉體材料的總重為基準,該粉體材料包含45重量百分比至75重量百分比的二氧化矽、及15重量百分比至25重量百分比的三氧化二鋁。
- 如請求項4所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中該未安定化之還原碴之中值粒度係小於或等於96微米。
- 如請求項4所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中該粉體材料之中值粒度係小於或等於96微米。
- 如請求項6所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中該粉體材料係飛灰粉、燃煤底灰粉、高爐石粉、廢玻璃粉或其組合。
- 如請求項6所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中該固化步驟的時間為2小時至8小時。
- 如請求項8所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中該至少一固化物之每一者的抗壓強度為20 kgf/cm2 至300 kgf/cm2 。
- 如請求項1至9中任一項所述之未安定化之還原碴的資源化方法,其中該固化步驟包含: (c1)先將該混合物填充於至少一模具中,使該混合物於該至少一模具中形成該至少一試體; (c2)該至少一試體於4.855 kgf/cm2 至40.55 kgf/cm2 的壓力、150°C至250°C下進行固化反應;及 (c3)脫模,以得到該至少一固化物。
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