CN101194028B - 一种处理冶金炉渣的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种处理含有金属氧化物的冶金炉渣原料而获得处理后的炉渣产品的方法。该方法包括将炉渣原料与还原剂进行混合，获得反应混合物；对反应混合物进行加热以使还原剂将炉渣中的金属氧化物还原，获得特别是含有锰铁的熔融金属和特别是锰含量至多10质量％的熔融处理后的炉渣。该方法还包括使熔融处理后的炉渣与熔融金属分离，并使处理后的熔融熔渣固化，从而得到处理后的熔渣固体产品。这种处理后的熔渣产品可以根据需要用作制砖填料或用于生产预拌混凝土、用作填充水泥的添加材料或用于生产混合水泥或用作施工建筑业的集料。

Description

一种处理冶金炉渣的方法
本发明总体上涉及一种处理冶金炉渣的方法。更具体地说，本发明涉及一种处理废弃冶金炉渣原料的方法，所述炉渣原料含有环境上不希望的重金属成分，并且在处理炉渣原料的同时生产出至少一种有价值的产品。
本发明提供一种处理废弃冶金炉渣原料的方法，所述炉渣原料含有不希望的重金属成分，并且在处理炉渣原料的同时生产出至少一种有价值的产品，所述方法的特征在于，它包括以下步骤：
将炉渣原料与还原剂进行混合，获得反应混合物；
对反应混合物进行加热以使还原剂将所述炉渣原料中的一种或多种重金属化合物还原，获得熔融金属和熔融处理后的炉渣；
使熔融金属与熔融处理后的炉渣分离；和
使处理后的熔渣固化。
炉渣原料中的重金属成分可能是环境上不希望的，或者使处理后的炉渣无法用于其他目的。
一般地，重金属化合物包括选自重金属氧化物、重金属硅酸盐和其混合物的化合物，但是这些化合物和其他能够还原的重金属化合物经常存在于炉渣中，并可以用还原剂进行还原。另外，炉渣原料中还可能存在自然金属态的重金属，这些重金属在加热处理炉渣的过程中将被熔融，并随还原后的金属一起从处理后的炉渣中分离出来。
经混合获得反应混合物的炉渣原料和还原剂在混合时可以为固体形式。另外，经与还原剂混合获得反应混合物的至少一部分炉渣原料可以为熔融形式，其中还原剂可以为固体形式。因此，当在生产熔融形式的炉渣原料的冶金炉附近以诸如废物场或堆存处等原料堆形式获得炉渣原料时，使用从原料堆获得的一部分固体形式的炉渣原料与从冶金炉获得的一部分熔融形式的炉渣原料，这样可以在加热步骤中节省达到35％或更大的能源，熔融炉渣的温度通常为1100-1650℃，例如1200-1550℃。
这种方法包括在混合前将固体形式的炉渣原料和还原剂中的至少一种粉碎以实现粒度减小的步骤。更具体地说，可以粉碎炉渣原料以实现粒度减小，然后在混合前将粉碎的炉渣原料进行粒度分级，从而获得所需的粒度级，再与还原剂混合得到反应混合物。这种粒度级可以包括通过在环境温度下粉碎得到的粒度至多70mm的粒子。
反应混合物的加热可以使用熔炉进行，所述方法包括将熔融金属和熔融炉渣在1300-1650℃的温度下从熔炉内排放的步骤。更具体地说，从熔炉内排放熔融金属和熔融炉渣的温度可以为1350-1550℃。尽管原则上可以使用感应炉进行加热，并且尽管可以基本上连续进行，但是熔炉优选为可间歇操作的电弧炉。
不论是以基本上连续或者基本上间歇的方式进行加热，将熔融金属从熔融处理后的炉渣中分离出来通常均可以利用重力分离过程实现，其中，熔融处理后的炉渣作为一层漂浮在熔融金属上。因此，这种分离过程可以在熔炉自身内进行，或者可以在诸如倾动式坩埚等另一个容器内进行，其中该容器下部可以设有放出孔。熔融金属可以从该容器下部放出，并且通过倾斜容器可以例如作为溢流从容器上部倒出或倾析出炉渣。另外，可以通过倾斜容器首先倒出炉渣，然后再倒出金属。因此，整个过程(即，使均为熔融形式的处理后的炉渣和金属彼此分离)的特征的主要优点在于，不仅可以得到未被金属污染的相对无金属形式的处理后的炉渣，而且可以得到未被炉渣污染的相对无炉渣形式的金属。因此，处理后的炉渣和金属两者均可以是相对纯的形式，更便于预期的后期应用。此外，本发明方法的上述特征使得除重力分离之外还可以使用各种不同的分离方法(通过倾斜容器放液、倾析、倒出等)，从而增加了本发明方法的多样性。另外，使用诸如感应炉或电弧炉等电力熔炉还可以使炉渣和金属在还原反应后总是保持在它们处于熔融状态的温度，直至它们被分离。因此需要强调的是，不论使用的反应温度如何，均应一直进行加热以保持炉渣和金属处于熔融状态，至少在使它们分离前。
所述方法可以包括以下步骤：通过使熔融处理后的炉渣利用自然对流进行空气冷却而固化，通常可以以相对较慢的速率将其倾倒在诸如废物场或堆存处等开阔的原料堆上，使其冷却充足时间，然后将固化处理后的炉渣进行粉碎以实现粒度减小，从而使其成为集料形式，所述集料为所述的有价值产品。
此外，所述方法可以包括以下步骤：通过使熔融处理后的炉渣与液态水接触而固化，使处理后的炉渣粒化，得到粒化处理后的炉渣产品，所述粒化处理后的炉渣为所述的有价值产品。
尽管处理后并经空气冷却的集料形式的炉渣产品通常被当作是最终产品而销售给施工建筑业的使用者，但是粒化处理后的炉渣产品可以被当作一种中间产品储存起来以便后期进一步处理，或者可以作为添加材料或填料销售给制造商，例如在根据需要研磨成粒度足够小的粉末后用于制砖、预拌混凝土和炉渣填充的混合水泥等。此外，如下文所述，粒化处理后的炉渣中间产品还可以被进一步处理，以生产基本上最终的处理后的炉渣产品。
炉渣原料通常来自于金属生产中使用的冶金炉。这种炉渣不仅包括在炼钢过程中得到的碱性氧气转炉(BOF)炉渣或电弧炉(AF)炉渣，而且重要的是它们还包括从冶炼其他金属使用的熔炉得到的炉渣，例如锰或锰铁生产过程中产生的炉渣，这种炉渣可以合金的形式存在，而且可能具有毒性。这种炉渣通常堆积在金属生产厂的厂区外，或者任选地在生产后现场以熔融形式立即使用，或者在利用空气对流而被空气冷却的固化后现场堆积。因此，可以提供固体炉渣原料的原料堆，从而可以根据需要连续或间歇地回收按本发明方法处理的炉渣原料，以进一步处理。炉渣原料在与还原剂混合前例如可通过碾碎进行粉碎，以实现粒度减小。经粉碎的炉渣原料在与还原剂混合之前例如可通过筛选进行分类，以得到具有所需粒度和/或所需粒度分布的分类后的粒状炉渣原料。
如下文所述，含硅试剂，方便的是含氧化硅试剂，可以与炉渣原料混合，形成反应混合物，并且这种试剂可以是固体，比如可以是硅砂。还原剂同样可以是固体，例如可以是含硅、含铝或者尤其是含硅铁或含碳的还原剂，例如煤。与含铝或含硅铁的还原剂相比，含碳还原剂，例如煤，由于来源充足且价格低廉，因而是相当优选的，而且在处理某些炉渣产品的时候确实可以避免产生污染物。这些还原剂和试剂在与炉渣原料混合得到反应混合物之前同样可以进行粉碎和分类，获得所需的粒度和/或粒度分度。在这种情况下，反应混合物可以是固体颗粒混合物，按上述进行加热，用以熔融反应混合物，并形成熔融金属和熔融处理后的炉渣，随后粒化。本发明的申请人发现可以使用一些私人拥有的制粒机来方便地实现粒化，例如使用南非贝特曼金属有限公司(South Africafrom Bateman Metals Limited，Bartlett Road，Beyers Park，Boksburg，Gauteng Province，South Africa)生产的制粒机。
如下文所述，可以使粒化处理后的炉渣脱水，然后进一步处理；并且例如可以通过碾压和/或研磨粉碎粒化处理后的炉渣，例如通过在脱水过程中或脱水后进行研磨。随后，可以收集粉碎脱水处理后的炉渣，然后销售给使用者，或者立即现场用于生产前述终端产品，其中炉渣形成用作添加材料的成分。
本发明的申请人已经成功地将粉碎并空气冷却后的锰铁原料和粒度达到70mm并经空气冷却的BOF炉渣原料与筛选后粒度达到30mm的煤还原剂混合。在将诸如硅砂或石灰石等固体含硅或含钙试剂与BOF炼钢炉渣原料、锰或锰铁生产炉渣原料混合时，含硅或含钙试剂的粒度优选至多30mm。使用任何含镁试剂也要如此考虑。
尽管如上所述，加热反应混合物的过程优选使用电弧炉以间歇方式进行，但是也可以连续方式在感应炉内进行。然而，在每一种情况下，处理过程的其他步骤根据需要均可以是基本上连续的或间歇的，并从原料堆等连续或间歇地回收炉渣原料，而且根据需要以相似连续或间歇的方式进行碾碎、筛选和混合，从而适宜地供应到熔炉中，而不管是电弧炉或感应炉。
除了诸如前述的含碳或含硅铁的还原剂等还原剂之外，可以向熔炉内的反应混合物中加入各种任选的添加剂，包括含铝、含磷、含硅或含钙试剂。熔炉也可以被配置成按情况以间歇或连续方式在上述1300℃-1650℃、优选1350℃-1550℃的温度下排放熔融炉渣，并且以间歇或连续方式排放液态金属，液态金属例如再利用到从中得到炉渣原料的金属生产过程之前可以在砂床上空气冷却。
反应混合物的加热也可以使用多个平行操作的感应炉进行，从而生产熔融金属和熔融处理后的炉渣，其中每个感应炉都供应有反应混合物。另外，可以使用单个电弧炉，其具有两个或多个移动倾倒式坩锅或可以往返于加料点、配有共用电极组的熔融点以及一个或多个倾倒点的容器。
熔炉废气可以用于在碾压或研磨煤料的过程中对其进行干燥，还可以在碾压或研磨所述煤和脱水后的炉渣的过程中对脱水后的炉渣进行干燥。
处理后的炉渣的粒化包括使炉渣玻璃化，以使其粒度至多10mm，其中玻璃含量至少50质量％，通常至少67质量％，优选至少80质量％，并可达到90质量％或更大。
在使处理后的炉渣脱水后，可以干燥至水分至多1质量％，通常0.5-1质量％。然后研磨脱水粒化处理后的炉渣，并且在研磨之后，优选其粒度至多105μm，通常其表面/质量系数或比表面为3500-4500cm2/g。
本发明延伸到使用上文所述的本发明方法得到的处理后的炉渣。此外，本发明还延伸到包含所述粒化处理后的炉渣并被其填充的填充水泥或混凝土产品，或者延伸到填充的砖产品。
如果研磨处理后的炉渣用作普通波特兰水泥(普通硅酸盐水泥)的添加材料，那么其可以与波特兰水泥混合，使得炉渣与水泥质量比为6∶94-95∶5，通常为15∶85-65∶35，优选为30∶70-50∶50。
如果粒化处理后的炉渣用于制砖，那么其通常占砖产品的至多45质量％，通常为15-45质量％，并且在使用时，研磨处理后的炉渣通常占砖产品的2-15质量％。
粒化过程可以至少部分地造成足够快速的冷却，以使炉渣玻璃化。因此，处理后的炉渣的粒化尤其可实现炉渣的玻璃化，所述粒化使粒化后的炉渣其粒度至多10mm且玻璃含量至少为50质量％。所述方法可以包括使粒化处理后的炉渣脱水的步骤；所述方法可以包括粉碎粒化处理后的炉渣以实现粒度减小的步骤，例如，这样可以使其适于用作制砖填料、用于生产预拌混凝土或用作填充诸如普通波特兰水泥(OPC)等水泥的添加材料来生产混合水泥。
除了可以生产作为诸如用于施工建筑业的集料或者制砖或混凝土/水泥生产中的填料或添加材料等有价值产品之外，本发明的方法还可以生产作为有价值产品的金属，其可以是合金形式。应该强调，从经济方面来说，希望可以同时生产处理后的炉渣和还原后的金属或合金作为有价值的产品，因此本发明的方法是有经济效益的或者至少是可行的，而且本发明自然可以扩展到包括这种同时生产的方法形式。
因此，从熔融炉渣中分离出来的熔融金属可以为所述的有价值产品；并且分离出来的金属可以被送至冶金炉中进一步处理。这可以使用熔融形式的金属进行，但是希望通常从处理后炉渣中分离出来的金属在送至冶金炉中进一步处理前被固化。
在本发明的特定实施方案中，炉渣原料可以至少部分地选自含锰炉渣、含铁炉渣和其混合物。这种含锰炉渣通常希望来自锰铁生产过程。因此，炉渣原料可以包括至少一种含锰炉渣和至少一种含铁炉渣的混合物，从而金属产品包括锰铁，并且有益的是，其可以返回到从中得到含锰炉渣原料的锰铁生产过程。所述方法可以包括以下步骤：在将炉渣原料与还原剂进行混合以获得反应混合物的同时，还混合含硅试剂，使得反应混合物含有硅。所述方法还可以包括以下步骤：在将炉渣原料与还原剂进行混合以获得反应混合物的同时，还混合含钙试剂，使得反应混合物含有钙。含硅试剂通常是氧化硅，含钙试剂可以包括生石灰、熟石灰或碳酸钙。加入含硅试剂或含钙试剂可以用于优化反应混合物中CaO和SiO2的质量比，而且尽管通常希望用于诸如锰铁生产等合金冶炼过程的炉渣原料中，但是加入含硅试剂或含钙度剂可以用于任意的炉渣原料中，例如分别向碱性氧气转炉(BOF)炉渣中加入含钙试剂或含硅试剂，从而提高按CaO计的钙含量，或者提高按SiO2计的硅含量。因此，对于BOF炉渣来说，所述方法可以包括向其中加入诸如氧化硅等含硅试剂，以降低CaO和SiO2的质量比。
可以选择反应混合物的组成，以提供锰含量为70-90质量％、优选76-80质量％和铁含量为5-20质量％、优选10-15质量％的锰铁产品。
特别地，含铁炉渣可以是来自碱性氧气转炉(BOF)炼钢过程的炉渣。按Fe2O3计，含铁炉渣可以含有20-45质量％、通常25-38质量％的铁。BOF炉渣是一种廉价的铁来源，这种炉渣可以方便地除去金属并进行空气冷却；含锰炉渣可以是来自锰铁生产过程的炉渣，例如已经除去金属的所谓的新沉积物(fresh horizons)。按MnO计，含锰炉渣可以含有15-65质量％、通常15-27质量％的锰。
在特定实施方案中，反应混合物含有钙、镁和硅，当分别按CaO、MgO和SiO2计时，钙、镁和硅的存在比例为反应混合物提供按(CaO+MgO)∶SiO2质量比计为1.3∶1-1.8∶1，通常为1.4∶1-1.7∶1的碱度。需要时可以通过加入含钙和含硅试剂获得反应混合物中的钙和硅，并且需要时可以通过加入诸如氧化镁或碳酸镁等含镁试剂相似地获得反应混合物中的镁。
反应混合物中可以使用充足的还原剂，以使处理后的炉渣中的锰含量按MnO计至多10质量％，优选至多7质量％。
本发明还延伸到一种通过本发明的上述方法获得的金属或合金产品。
下文结合附图通过非限制性实施例对本发明进行说明，其中附图是框图，表示实施本发明方法的设备流程图，用于处理从炼钢过程中得到的碱性氧气转炉(BOF)的炉渣。
在附图中，附图标记10一般指实施本发明方法的设备。设备10包括从炼钢过程得到的BOF炉渣原料的原料堆12。原料堆12沿固料输送线14向棒条给料器16供料，然后沿固料输送线18向颚式粉碎机20供料。颚式粉碎机20沿固料输送线22向锥式粉碎机24供料，细料旁路输送线26连接给料器16和输送线22。
锥式粉碎机24沿固料输送线28向三层筛选装置30供料，然后从其中央和最上层沿固料输送线32向锥式粉碎机34供料。筛选装置30从其最下层沿固料输送线36向原料堆38供料，并将通过其最下层筛的物料沿固料输送线40送至双层筛选装置42。双层筛选装置42从其上层沿固料输送线44向原料堆46供料，从其下层沿固料输送线48向原料堆50供料，并将通过其下层筛的物料沿固料输送线52送至原料堆54。锥式粉碎机34沿固料输送线56向原料堆58供料。上述设备10的各个部分一起组合成粉碎设备，并通常用附图标记59表示。
设备10还包括三个料斗，即炉渣原料料斗60、硅砂料斗62和煤料斗64。原料堆58沿固料输送线66向料斗60供料，输送线66包括传送带。超声/激光设备(图中未示)控制给料器沿输送线66从原料堆58向料斗60供料。附图标记68表示的是硅砂翻车，附图标记70表示的是原煤翻车。翻车68沿传送带式固料输送线72将硅砂送至硅砂料斗62；翻车70沿传送带式固料输送线74将原煤送至煤料斗64。超声/激光设备(图中未示)分别控制硅砂从翻车68沿输送线72送至料斗62和控制煤从翻车70沿输送线74送至煤料斗64。料斗60、62和64以及翻车68和70一起组合成原料处理设备，并通常用附图标记75表示。
设备10还包括四个感应炉76，它们配置成并行操作，并分别沿固料输送线(图中用附图标记77表示)从料斗60、62和64供料。每个感应炉76配有处理后的炉渣分流线78，它们汇至同一个砂床形式的熔融炉渣出渣槽80，熔融炉渣在重力作用下送至制粒机82。每个感应炉76配有金属分流线84，每一分流线84将金属送至相连的砂床85，进行空气冷却和回收金属流。感应炉76和其分流线78、84以及出渣槽80和砂床85一起组合成熔炉设备，并通常用附图标记86表示。熔炉设备86还包括热气抽出线87，将来自感应炉76的热气送至静电滤尘器88，然后沿配有鼓风机91的输气线99送至集气部分92。
设备10还包括粒化和脱水设备，并通常用附图标记93表示，该设备由出渣槽80供料。设备93包括制粒机82和料仓83。制粒机82是专有设计，并可以从贝特曼金属有限公司(Bateman Metals Limited)得到，被配置成用于使来自出渣槽80的处理后的炉渣粒化，包括使炉渣与液态水接触，以使粒化后的炉渣能100％穿过10mm的网筛，并且其玻璃含量或玻璃化程度至少50质量％。在闭合回路中，制粒机82与冷却塔94相连，用以冷凝制粒机82产生的蒸汽并冷却制粒机82使用的水。该闭合回路还包括脱水设备96，用于使从制粒机82沿固料输送线98送出的炉渣脱水。脱水设备96将脱水粒化处理后的炉渣沿固料输送线100送至料仓83中的粒化炉渣原料堆102；并且设备96还被配置成用于沿该回路将水再循环到制粒机82和冷却塔94。出渣槽80在熔炉76和制粒机82之间设有分流线103。图中为表示方便，只部分地显示出了分流线，该分流线连接至料仓83中的原料堆105，在那里炉渣进行空气冷却，然后送至粉碎设备59，这将在下文说明。
最后，设备10还包括炉渣研磨和排放设备，并通常用附图标记104表示，其具有驱动料斗106，该料斗通过前端装载机108从原料堆102供料。料斗106沿传送带式输送线110向研磨给料器112供料，然后向滚筒碾磨机114供料。配有鼓风机118的输气线116将熔炉热气从抽出线87送至研磨机114。研磨机114沿输气线120向袋式过滤器122供气，然后沿配有鼓风机125的输气线124送至集气部分126。研磨机114沿固料输送线128向配有袋式过滤器132的贮仓130供料。
根据本发明的处理方法，来自BOF过程的含有硅酸铁、氧化铁和/或金属铁的炉渣原料堆积在原料堆12中。棒条给料器16将炉渣原料中的细料除去，并在控制条件下将粗料送至颚式粉碎机20，细料沿输送线26送至输送线22，然后再送至锥式粉碎机24，在那里进一步粉碎。筛选装置30筛选沿输送线28从粉碎机24接收的粉碎后的炉渣原料。将筛选装置30最上层和中间层保持的物料沿输送线32送至锥式粉碎机34，在那里进一步粉碎至粒度至多70mm。将筛选装置30最下层保持的物料沿输送线36送至原料堆38，而通过筛选装置30最下层的物料沿输送线40送至筛选装置42，在那里进一步筛选。
将筛选装置42上层保持的物料沿输送线44送至原料堆46，而将筛选装置42下层保持的物料沿输送线48送至原料堆50。通过筛选装置42的所述下层的物料沿输送线52送至原料堆54。原料堆38、46、50和54中的物料形成集料产品，这种集料产品符合关于混凝土集料的BS EN(英国标准/欧洲规范)12620：2002的规格，符合关于用作土建工程和筑路用的未粘结和液压粘结集料的BS EN 13242：2002的规格。从锥式粉碎机34出来的粉碎后的炉渣原料沿输送线56送至原料堆58。
粉碎后的炉渣原料沿传送带66从原料堆58送至料斗60。然后，依次地将最大粒度为2mm的硅砂从翻车68沿传送带72送至硅砂料斗62，将粒度至多为8mm的原煤从翻车70沿传送带74送至煤料斗64。
粉碎后的粒状炉渣原料、硅砂和原煤分别自料斗60、62和64沿输送线77输送至相应的感应炉76。
在感应炉内进行熔融，其中煤用作还原剂，使炉渣原料中的铁化合物还原，在1450-1600℃的温度下加热使炉渣转化成熔融处理后的炉渣。硅砂的加入量为炉渣的12-15质量％，它用于消除炉渣原料中的游离石灰引发的问题，通常CaO和SiO2的质量比为0.9∶1-1.4∶1。使用煤还原剂可以还原达到90质量％的铁化合物，处理后的炉渣含有至多4质量％的Fe2O3和至多0.5％的金属铁。诸如铝、生石灰和磷等额外的炉渣添加剂可任选地加到感应炉76的炉渣中。
感应炉76连续作业，并且在1450-1600℃的温度下以溢流的方式向出渣槽80排放处理后的炉渣。熔融金属也以溢流的方式由感应炉76排放至砂床85进行空气冷却，然后再循环至产生炉渣原料的炼钢过程。
熔融处理后的炉渣在制粒机82中粒化，相连的冷却塔用于保存水并将其温度保持在至多35℃。粒化后的炉渣沿输送线98送至脱水设备96进行脱水，脱水后的炉渣沿输送线100送至原料堆102。将从感应炉76沿抽出线87发出的熔炉气体沿抽出线87送至静电滤尘器88，然后沿输气线99经鼓风机91送至集气部分92，在那里相似地排放到大气中。
部分来自出渣槽80的熔融处理后的炉渣绕过制粒机82并沿输送线103送至料仓83内的原料堆105，在那里绕过的炉渣经空气冷却后用于粉碎设备中，这将在下文说明。
前端装载机108用于将处理后的炉渣由原料堆102送至驱动料斗106，然后送至传送带110。据预期，来自原料堆102的部分粒化后的炉渣经常被销售给土建工程和建筑业用作集料。
传送带110向研磨给料器112供料，然后送至滚筒碾磨机114，在那里处理后的炉渣被研磨成粒度至多50μm(微米)。鼓风机118将熔炉热气沿输气线116由感应炉76吹向研磨机114，从而在研磨机114的研磨过程中对处理后的炉渣进行干燥。熔炉气体沿输气线120由研磨机114送至袋式过滤器122，然后沿输气线124经鼓风机125送至集气部分126，并排放到大气中。
研磨处理后的炉渣自研磨机114沿输送线128送至贮仓130，来自贮仓130的气体经袋式过滤器132排放到大气中。
如上所述，空气冷却后的炉渣自原料堆105送至粉碎设备59。在粉碎设备59内，通过给料器16从原料堆12向粉碎机20供料可以变更为通过给料器16从原料堆105向粉碎机20供料。来自原料堆12的物料经本发明的方法粉碎，并通过原料堆58送至原料处理设备75；而来自原料堆105的物料在粉碎后堆积在原料堆38、46、50和54中，作为集料出售。
本发明的申请人已对图示的基础设备进行了各种研究和改进。因而，本发明的申请人发现使用一个配备一对移动倾倒式坩锅或容器的电弧炉(图中未示)代替四个感应炉76更有益。这种容器可以往返于加料点(图中未示)，并通过输送线77自料斗60、62和64加料，可以往返于熔融点(图中未示)，熔融点配有排成一排的共用电极组并可以使容器中的固体物料熔融，以及可以往返于倾卸点(图中未示)，这种容器可以分别倾倒出熔融金属和熔融炉渣。在倾倒点处，容器被配置成将熔融金属倾倒在砂床85内，使金属空气冷却并回收固体形式的金属。在倾倒点处，容器也被配置成将熔融炉渣倾倒在制粒机82中，或者倾倒在料仓83内的原料堆105中，这种情况可以省去炉渣分流线78、出渣槽80和金属分流线84。
使用电弧炉来代替四个感应炉76使得部分BOF炉渣原料可以直接由原料堆12送至原料堆58而不经粉碎机20、24或34。这使得输送线56还可被自原料堆12到原料堆58的输送线(图中未示)代替，然后粉碎机34通过输送线(图中未示)向筛选装置30供料，由粉碎机24排放的部分物料离开筛选装置30并送至原料堆58，便利的是经从粉碎机排放的输送线进入从原料堆12到原料堆58的输送线。在这种情况下，本发明的申请人发现使用一个石灰料斗(图中未示)与料斗60、62和64一起作为原料处理设备75的一部分而用于沿输送线77向电弧炉供料更加方便。最后，还发现使用包括袋式过滤器的气体过滤设备(图中未示)来代替滤尘器88更具有优点。
对于发展和改进方法的操作在大多数方面很大程度上与图示的基本方法相似，但有一些变化。因此，代替从粉碎机34经输送线56供料，而是直接部分地从原料堆12和部分地从粉碎机24向原料堆58供料，粉碎机24的其余输出与粉碎机34的输出一起送至筛选装置30。另外，自原料处理设备75沿输送线77向熔炉设备86的供料除了自料斗60、62和64的供料之外还包括自石灰料斗的石灰供料。
与感应炉76类似的是，电弧炉容器在加料点由料斗60、62和64以及石灰料斗进行加料，然后将容器移至熔融点，在那里使用电极组的电极熔融其中的物料。然后将容器移至倾倒点，在那里倾倒，将熔融炉渣排放到制粒机82并将熔融金属排放到砂床85。重要的是，需要强调，使用感应炉76可以基本上连续地作业，但使用电弧炉的容器却需要间歇和交替地作业，从而当一个容器在熔融物料的时候，另一个容器倾倒排放出熔融物料，然后再次加入原料，反之亦然。这种方式可以通过提高加料点、熔融点和倾倒点的利用率来增加经济效益(与配有单个容器的电弧炉相比)，同时使用电弧炉可以将粗炉渣自粉碎设备59送至熔炉设备86。
本发明的申请人发现使用结合附图所述的本发明方法获得的研磨处理后的炉渣适于用作水泥添加材料(或者作为研磨前的填料)，并用于制砖、预拌混凝土或填充炉渣的水泥等。本发明的特征是，可以把环境上不希望的冶金炉渣原料转换为制砖或水泥制造业用的有用成分。尽管结合附图描述了本发明的方法用于处理从炼钢得到的BOF炉渣原料，但本发明的方法可以基本上类似的方式用于处理锰铁生产的炉渣原料，这将在下文说明。
因此，在本发明使用锰铁生产的炉渣原料而不是炼钢的BOF炉渣原料的变型中，原料堆12包括空气冷却后的锰铁炉渣，这种炉渣已经进行过脱金属处理。原料堆12补充有额外的炉渣原料供应(图中未示)，包括锰铁生产过程的1200-1400℃的熔融炉渣，额外的熔融炉渣沿输送线(图中未示)直接送至电弧炉。空气冷却后的炉渣与熔融炉渣的质量比通常为40∶60。当然，可以不要熔融炉渣，而是仅使用空气冷却的炉渣，这样与使用熔融炉渣相比可以节省达到35％的能源。
原料堆12中空气冷却后的锰铁炉渣原料含有15-27质量％、通常约23质量％的MnO。原料堆12的炉渣原料可以直接送至料斗60；锰铁生产过程的熔融炉渣可以直接送至代替感应炉76的电弧炉(图中未示)。固体炉渣原料与熔融炉渣原料的质量比可以高于40∶60，例如100％的固体(空气冷却后的)炉渣，但是其质量比也可以低于40∶60，降到固体与熔融炉渣的质量比低至10∶90。
理想的碱度或MnO到Mn的转化率为1.4∶1-1.8∶1，这可以根据需要通过将适量的石灰或其他钙源以及在需要时的适量氧化硅加到每一批料中进行控制。例如，对于CaO和SiO2的质量比为1∶1并且MnO含量为23质量％的900kg锰铁炉渣原料，可以加入65kg的钙(例如，按石灰计)，以及CaO和SiO2的质量比为2.7∶1-3∶1并且Fe2O3含量为30-35质量％的100kg BOF炼钢炉渣原料，从而获得(CaO+MnO)∶SiO2质量比约为1.5∶1且CaO和SiO2的质量比约为1.2∶1的碱度。钙可以通过料斗62供料。从成本效益上来说，加入BOF炼钢炉渣原料可以提高锰铁产品中的铁含量，得到的锰铁合金产品中含有76-80质量％的Mn和13-16质量％的铁。BOF炼钢炉渣原料可以是从料斗64供给的空气冷却和脱金属后的炉渣。
当从锰铁产品分离出来的处理后的炉渣被粒化并减小粒度以生产处理后的炉渣填料或水泥添加材料时，其中的CaO和SiO2的质量比可能的话按质量计应为1∶1-1∶1.4。在将MnO还原为Mn后，CaO和SiO2的质量比经常高于1.4∶1，但是可以在粒化前例如从合适的料斗(图中未示)向熔融处理后的炉渣中加入额外的SiO2使其降低。
碳是优选的还原剂，每900kg锰铁炉渣原料中，可以加入约65kg的碳(例如煤)和100kg所述的BOF炼钢炉渣原料，其中碳可以将锰铁炉渣中的MnO含量由23质量％降至处理后的锰铁炉渣内的6质量％。碳(例如煤)可以通过合适的料斗(图中未示)加到代替感应炉76的电弧炉内。
在之前试图将本发明方法用于冶金炉渣所遇到的问题在于，重金属成分对环境有害，并且在用作制砖填料或生产预拌混凝土时，用作填充水泥的添加材料或用作施工建筑业的集料时，都没有吸引力。重金属污染的问题甚至对于诸如铁等相对可以接受的重金属也存在，但当涉及到诸如锰等有毒的重金属时，这种问题特别严重。本发明的特征在于，通过从重金属含量相对较高的炉渣原料提供重金属含量相对较低的处理后的炉渣，尽管有时基本上不能消除，但是可以降低使用含有重金属的炉渣产品造成的问题。本发明的申请人发现，本发明的方法可以生产出符合EN197(欧洲规范第197号)所有要求的水泥填充产品。另外，使用本发明的方法还可以生产诸如锰或锰铁等重金属或重金属合金产品。

Claims (28)

1.一种处理废弃冶金炉渣原料的方法，所述炉渣原料含有不希望的重金属成分，并且在处理炉渣原料的同时生产出至少一种有价值的产品，所述方法的特征在于，它包括以下步骤：
将包括至少一种含锰炉渣和至少一种含铁炉渣的混合物的炉渣原料与还原剂进行混合，获得反应混合物；
对反应混合物进行加热以使还原剂将炉渣原料中的一种或多种重金属化合物还原，获得熔融锰铁和熔融处理后的炉渣；
使作为所述的有价值产品的熔融锰铁与熔融处理后的炉渣分离；和
使处理后的熔渣固化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的重金属化合物包括从由重金属氧化物和重金属硅酸盐构成的组中选择的化合物。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经混合获得反应混合物的炉渣原料和还原剂在混合时为固体形式。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经与还原剂混合获得反应混合物的至少一部分炉渣原料为熔融形式，还原剂为固体形式。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在混合前将固体形式的炉渣原料和还原剂中的至少一种粉碎以实现粒度减小的步骤。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，粉碎炉渣原料以实现粒度减小，然后在混合前将粉碎的炉渣原料进行粒度分级，从而获得所需的粒度级，再与还原剂混合得到反应混合物。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用熔炉加热反应混合物，所述方法包括将熔融锰铁和熔融处理后的炉渣在1300-1650℃的温度下从熔炉内排放的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，从熔炉内排放熔融锰铁和熔融处理后的炉渣的温度为1350-1550℃。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述熔炉为可间歇操作的电弧炉。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过使熔融处理后的炉渣利用自然对流进行空气冷却而固化，然后将固化处理后的炉渣进行粉碎以实现粒度减小，从而使其成为集料形式，所述集料为所述的有价值产品。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过使熔融处理后的炉渣与液态水接触而固化，使处理后的炉渣粒化，得到粒化处理后的炉渣产品，所述粒化处理后的炉渣为所述的有价值产品。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，处理后的炉渣的粒化使炉渣玻璃化，所述粒化使粒化后的炉渣其粒度至多10mm且玻璃含量至少为50质量％。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括使粒化处理后的炉渣脱水的步骤。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括粉碎粒化处理后的炉渣以实现粒度减小的步骤。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分离出来的锰铁被送至冶金炉中进一步处理。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，从处理后的炉渣中分离出来的锰铁在送至冶金炉进一步处理前被固化。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在将炉渣原料与还原剂进行混合以获得反应混合物的同时，还混合含硅试剂。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在将炉渣原料与还原剂进行混合以获得反应混合物的同时，还混合含钙试剂。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择反应混合物的组成，以提供锰含量为70-90质量％和铁含量为5-20质量％的锰铁产品。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，锰含量为76-80质量％，铁含量为10-15质量％。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，含铁炉渣是来自碱性氧气转炉(BOF)炼钢过程的炉渣。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，按Fe2O3计，含铁炉渣含有20-45质量％的铁。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，含锰炉渣是来自锰铁生产过程的炉渣。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按MnO计，含锰炉渣含有15-65质量％的锰。
25.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应混合物含有钙、镁和硅，当分别按CaO、MgO和SiO2计时，钙、镁和硅的存在比例为反应混合物提供按(CaO+MgO)∶SiO2质量比计为1.3∶1-1.8∶1的碱度。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，碱度为1.4∶1-1.7∶1。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应混合物中使用充足的还原剂，以使处理后的炉渣中的锰含量按MnO计至多10质量％。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，处理后的炉渣中的锰含量按MnO计至多7质量％。
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