CN101460638B - 稳定炉渣的方法和由此产生的新材料 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种稳定炉渣的方法以及由此产生的新材料，炉渣是在炼钢或炼铁过程中，在转炉炼钢过程中通过脱碳将铁水转化为钢水或者在电弧炉炼钢过程中通过融化废铁产生钢水的精炼完成后，产生的氧化副产品。尤其是，在此公开了一种稳定和回收利用炉渣的方法，其中的转炉渣或电炉渣，因为在冷却后游离石灰(即指代单相CaO的游离氧化钙(CaO))仍有残留而难以回收，在转炉吹炼完成后经过适当的处理，从而限制了游离石灰的产生，并因此将炉渣的分异/膨胀、环境污染和不稳定性减到最小。该稳定炉渣的方法包括让熔渣落下；向落下的熔渣中注射高压气体，将熔渣分离为细小微滴；用注射的气体和和周围的空气将细小微滴淬火。

Description

稳定炉渣的方法和由此产生的新材料
技术领域
本发明涉及一种稳定炉渣的方法。炉渣是在炼钢或炼铁过程中，在转炉炼钢过程中通过脱碳将铁水转化为钢水或者在电弧炉炼钢过程中通过融化废铁产生钢水的精炼完成后，产生的氧化物副产品。更具体地，本发明涉及一种稳定和回收利用炉渣的方法，其中的转炉渣或电炉渣，因为在冷却后游离石灰(即指代单相CaO的游离氧化钙(CaO))仍有残留而难以回收，在转炉吹炼完成后经过适当的处理，从而限制了游离石灰的产生，并因此将炉渣的分异/膨胀、环境污染和不稳定性减到最小。
背景技术
转炉精炼过程用作将铁水转换成钢水.在转炉精炼过程中，铁水从高炉直接输送或者通过适当的预处理，与多种主/副原材料一起装入转炉，然后，高速氧气被吹入加载的铁水中。精炼过程的一个主要目的是通过碳和氧的氧化反应消除饱和在铁水中的碳，以便获得适合应用于成品钢材产品的钢水。除了这个主要目的，精炼过程还有其他重要目的，用来将不纯组分如硫、磷等的含量控制在适当的范围内，以及获得理想物理性能的炉渣。为了实现上述后一目的，特别地，与高炉渣相比，在转炉渣中有必要保持较高的CaO含量.为此，常规情况下，大量能够补充CaO的副原材料，如石灰、白云石、萤石等，在吹炼过程中的合适时间点被倒入炉渣.因此，在吹炼完成后保留在转炉中的炉渣仍含有大量的CaO.
虽然根据铁水的条件及各个铁厂的操作条件会具有细微差别，转炉渣的组成通常属于如下表1所示的组成范围：
表1
 
组分 CaO SiO2 FeO MgO MnO Al2O3 P2O5
含量(wt％) 35-45 9-15 15-26 6-12 3-5 2-4 1-3
在这里，氧化铁(FeO)的含量是指铁基氧化物总重量的百分比。例如，转炉渣中这些铁基氧化物包括FeO、Fe2O3、Fe3O4以及它们与其它组分的组合物.
在实施转炉炼钢过程时，转炉的内部温度由于碳燃烧和铁水的氧化而增高。在转炉吹炼后，这因此会导致转炉渣的温度增加至1600℃或者更高.因此，转炉渣在转炉吹炼完成后停留在在液相。
然而，大多数具有上述组分和温度条件的转炉渣可能会导致一个问题，当转炉渣与随后充入的待精炼铁水混合时，不纯的组分，如磷等，可能混合进入铁水中。出于这个原因，除了用于保护转炉体或用于精炼的特定数量的炉渣外，通常将转炉渣完全排出转炉。
按照常规，转炉渣处理的方式为将炉渣从转炉排出至位于转炉下方的渣罐中，以暂时收纳在渣罐中，此后，再次从渣罐排出至渣场。在这种常规处理方式中，大量的水喷洒至从渣罐中排出的炉渣，以将炉渣冷却和凝固。然后，将凝固的炉渣粉碎，使得炉渣中的铁通过适当的分拣例如磁力分拣等分离出来，以便作为铁源重复使用。然而，已经从中将铁去除的剩余炉渣，没有特殊的用途，因此，主要是埋在地下或用作铺路面的集料等。另外，虽然转炉渣通过向其喷水进行冷却，由于炉渣的低传热效率和高热容量，这种炉渣冷却可能会缓慢进行。图1示例性说明了平衡状态下转炉渣的组成，图2示例性说明了获得转炉渣组合物的炉渣冷却过程.
从上述表1和图1、2可以看出，转炉渣的主要组分包括CaO、SiO2和铁基氧化物.这些氧化物在熔融状态下保持为稳定的3CaO·SiO2组分，但在凝固时可能会产生2CaO·SiO2。这导致了游离CaO的产生，而且相应相位的转炉渣具有分异/膨胀的特征.这种方式下，转炉渣含有大量的游离石灰(即指代单相CaO的游离CaO)，而且当其在以后的过程中接触到水时，游离石灰往往产生氢氧化钙(Ca(OH)2)，其表现为下列方程1.
方程1
CaO+H2O＝Ca(OH)2
氢氧化钙与游离石灰相比具有较大的体积，特征为粉末状的，而不是形成团块.因此，当氢氧化钙被作为路基材料等，它有可能造成路面膨胀等问题，而且，其在粉末状态时也有空气污染的危险。此外，氢氧化钙是水溶性的，因此，可能会通过增加土壤pH值导致土壤污染的问题。
由于这些原因，尽管存在这样一个事实，即全世界产生大量的转炉渣，每年平均超过八千万，但由于其不稳定性，在用作土木工程集料和路基材料时，转炉渣具有较低的使用率。为了解决这个问题，至关重要的是，在其使用前通过稳定或时效处理提前将转炉渣膨胀。
虽然为了解决上述描述的问题，已经提出了多种方法来稳定和回收利用转炉渣，但是至今尚未开发出兼顾到技术和经济方面的工艺。作为解决上述问题的现有技术方案，例如，在日本住友金属工业有限公司(Japan Sumitomo Metal Industries，Ltd.)工作的S.Morishita等，开发出了一种新型蒸汽时效技术，被称作住友川崎时效工艺(SumitomoKawasaki Aging Process，SKAP)，其公开在SEAISI Quarterly ofJanuary1997，p.37的技术报告中。然而，该蒸汽时效技术并不经济且有处理大量炉渣的限制。在另一项现有技术方案中，为了稳定转炉渣和将CO2量下降到满足环保限量的水平，通过利用吹入转炉渣的CO2气体的碳化作用，将转炉渣中的CaO转化为CaCO3，其公开在：7thConference of the European Ceramic Society of 2001，p.879(T.Takahashi and M.Fukuhara)[Key Engineering Materials，vols.206-213(2002)p.879；Adv.Cem.Res.，12(2000)p.97(T.Isoo，T.Takahashi，N.Okamoto and M.Fukuhara；Am.Ceram.Soc.Bull.，80(2001)p.73(T.Isoo，T.Takahashi and M.Fukuhara)；和MateriaJapan，39(2000)7 p.594(M.Fukuhara and T.Takahashi).由上述技术获得的稳定炉渣已被证明是环保的.此外，通过进行将稳定炉渣倾倒入海的试验，也可以发现，稳定炉渣可以增殖浮游生物，因此被提议作为炉渣回收利用的一个代表性示例.然而，实际上，该常规技术对多种繁琐设施和技术流程如粉碎、压缩、成型等具有复杂的需求，这些设施和技术流程对于制作大型渣块是需要的。因此，可以说传统技术是不切实际和浪费的.
作为进一步的现有技术方案，已经报道了一些在钢厂中产生的转炉渣的自回收技术。例如，有一种技术试图通过使用助熔剂如铝、硅等来稳定游离CaO和P2O5，这被一些研究人员认为是炉渣回收利用的关键点，这公开在：84th Steelmaking Conference Proceedings 84(2001)p.317(E.Cruz，J.Neto，F.Neto，E.Ukai and J.Tosetti；和78thsteelmaking Conference Proceedings78(1995)p.79(J.Y.Ryu，C.M.Lee，Y.C.Yoon，J.I.Kim，B.D.You，J.J.Park).然而，这些稳定技术，需要超过1400℃的反应温度，因此，考虑到规模化生产及经济方面的原因未能付诸实际使用.关于另一种现有技术中的方案，是基于这一结论：如果去除掉转炉渣中的磷，在钢厂中转炉渣与助熔剂是可回收的，一些研究者试图在大大低于常规冷却速率的冷却速率下冷却炉渣，然后，基于在凝固时大多数氧化磷被分离入2CaO·SiO2相位中这一发现，通过使用漂浮和溶液挤压的方法，去除含有氧化磷的相位，这公开在：I＆SM，January16(1989)p.47(T.Fujitaand I.Iwasaki)；和The Minerals，Metals & Materials Society，(1990)p.429(E.Fregeau-Wu，S.Pignolet-Brandom and I.Iwasaki)。然而，因其不可能进行大规模处理，这一技术也不能付诸实际使用.
在水泥、玻璃工业等当中采用多种方式利用炉渣，已经取得了其它的技术发展和尝试，但在实际上，由于上述问题可回收炉渣的数量是极其有限的.
发明内容
【技术问题】
因此，鉴于上述问题作出了本发明，本发明的一个目的是提供一种方法，通过消除由于冷却引起的转炉渣的不稳定性，最大限度地减少游离石灰的产生.
本发明的另一目的是，基于转炉渣的条件及转炉的操作条件，通过适当的预处理，提供一种最大限度地减少转炉渣中游离石灰的方法.
【技术方案】
根据本发明的一个方面，可以提供一种稳定炉渣的方法实现上述目标以及其它目标，该方法包括：让熔渣落下；向落下的熔渣中注射高压气体，将熔渣分离为细小微滴；用注射的气体和周围的空气将细小微滴淬火。
在这种情况下，优选为，炉渣的质量流量(Jslag)/注射气体的质量流量(Jgas)的比率在0.4至1.7的范围。
优选为，气体从至少一个具有单孔或多孔的喷嘴、或者拉瓦尔型(Laval-type)喷嘴中注射。
优选为，从具有单孔或多孔的喷嘴中注射的气体，在喷嘴的末端注射线速度在50m/s—90m/s的范围。
优选为，从拉瓦尔型喷嘴中注射的气体，在喷嘴的末端注射线速度在1.5马赫至3马赫的范围.
优选为，注射气体选自空气，氮，氩和氦。
优选为，冷却炉渣的平均尺寸在200μm至5mm的范围.
优选为，该方法可以进一步包括在气体注射区的后方向炉渣喷洒水雾。
优选为，处理前的熔渣温度在1400℃-1550℃的范围。
优选为，熔渣为转炉渣或电炉渣。
优选为，如果熔渣为转炉渣并且氮气喷溅涂覆(splash coating)用于转炉中的炉渣，则只有一部分在实施氮气喷溅涂覆前被排出的炉渣，被用作转炉渣.这有利于炉渣达到所需要的温度.
优选为，在从转炉将炉渣排入渣罐的时间点，如果处理前的熔渣温度为1600℃或更低，可正好在排出一次充料后实施炉渣稳定过程.
优选为，球当量直径在30μm至150μm的范围的碳粒子，随着注射的气体被注射到落下的熔渣中.
根据本发明的另一个方面，提供一种由炉渣稳定方法制造的材料，所述方法包括：让熔渣落下；向落下的熔渣中注射高压气体，将熔渣分离为细小微滴；用注射的气体和和周围的空气将细小微滴淬火，其中该材料的粒径在200μm至5mm的范围，并可以被用作建筑材料如沙子、载体、水泥、混凝土等，废水处理材料，铁源或制铁过程中游离石灰的替代物，炉渣制备剂等.
利用本发明，可以通过在冷却过程中限制游离石灰的产生得到稳定的转炉渣，产生新颖的可用于各种用途的固相转炉渣颗粒.此外，本发明可以对应于多种转炉渣条件，通过提供一种转炉渣制备方法，无论转炉渣的状态如何，均提供一种转炉渣的稳定方法.
【有益效果】
通过本发明制造的转炉渣可以用来作为建筑材料如沙子、载体、水泥、混凝土等，废水处理材料，制铁过程中的铁源或游离石灰的替代物，炉渣制备剂等。
附图说明
本发明的上述及其它目标、特征以及其它优点，将结合附图，从如下详细的说明中得到更清晰的理解，其中：
图1为解释性视图，示例性说明与用CaO-SiO2双相图代表的转炉渣组成相关的冷却路径；
图2为流程图，示例性说明在常规的转炉渣冷却过程中游离石灰的产生和水合；
图3的图表示例性说明根据本发明采用感应熔炼炉对转炉渣稳定方法的实施；
图4的图表示例性说明转炉渣通过注射高速气体淬火时，转炉渣在其移动途径中形状的变化；
图5A和5B为对比照片，分别示例性说明根据本发明的转炉渣稳定方法制造的淬火球形炉渣颗粒，以及现有技术中慢速冷却产生的块状炉渣.
图6的图表示例性说明根据本发明制造并复原的淬火炉渣的粒径分布.
图7A和7B的照片示例性说明根据本发明的方法制造的淬火球形炉渣颗粒的表面形状，是在将其置于固定的安装位置后用扫描电子显微镜(SEM)观察到的；
图8A和8B的图表分别示例性说明现有技术中缓慢冷却的转炉渣以及由本发明的方法制造的淬火转炉渣的X-射线衍射分析结果；
图9A和9B的照片分别示例性说明现有技术中缓慢冷却的转炉渣和利用本发明的方法制造的淬火转炉渣，与水一同经过预定的时间后被收集到烧杯中，氢氧化钙在烧杯表面的析出.
图10的图表对比现有技术中缓慢冷却的转炉渣和利用本发明的方法制造的淬火转炉渣与水混合后，水中pH值的变化；
图11的图表示例性说明当利用常规方法缓慢冷却的转炉渣以及使用流量为90L/min或110L/min的气体淬火后的转炉渣与水混合后，从该时间点经过7天后，溶解的游离石灰的计算量；以及
图12为三元相图的视图，示例性说明基于炉渣的冷却条件，最终炉渣组合物的区域。
具体实施方式
下面，将详细描述本发明。虽然下面的说明以转炉渣为例，应该理解只要电炉渣满足下面限定的温度和组分条件，本发明的方法足以应用于电炉渣.
【炉渣的淬火】
作为解决上述现有技术中的问题的一部分，本发明的发明人发现由于炉渣的低热传导效率，冷却转炉渣的常规方法具有低冷却速率，因此导致了2CaO·SiO2而非3CaO·SiO2的产生，因此由于析出的多余CaO导致了游离石灰的产生。在这个发现的基础上，需要一种不引起上述问题的稳定转炉渣的方法。
与传统方法中将炉渣先堆积后冷却不同，本发明的特征为将高速气体注射到垂直地排向地面的炉渣中，利用其动能将炉渣分离为细小微滴.这种炉渣微滴可有效地从其表层实现高热辐射，因此，可以限制由于缓慢冷却而导致的2CaO·SiO2的产生.炉渣可以从炉渣存储容器例如渣罐中直接落下，或者通过使用漏斗以调节流量。
在这种情况下，排出的炉渣量与注射的气体量之间的相关性是非常重要的.例如，如果在某个时间，排出的炉渣量大大地大于注射的气体量，就难以在冷却过程中维持足以限制炉渣相位变换的淬火条件.这可能产生大量的游离CaO和2CaO·SiO2相，因此使得采用本发明的方法获得的转炉渣颗粒不可能达到上述目标。另一方面，如果排出的炉渣量大大地小于注射的气体量，会过多地延长处理时间并增加气体的消耗，导致了处理的低效率和不经济.因此，设定合适的炉渣排出量/气体注射量的比率是至关重要的.通过使用小型实验炉，作为测量炉渣和气体的质量流量(g/s)的比率的结果，炉渣的质量流量(Jslag)/注射气体的质量流量(Jgas)的比率优选为可以在0.4-1.7的范围，更优为在0.5-1.7的范围.如果比率超过上述范围，则不可能达到所需要的淬火条件，反之如果比率低于上述范围，则球形转炉渣颗粒的大小由于过度淬火而大大地减小，这可以导致气体的过度浪费.
通过上述条件获得的球形转炉渣颗粒的尺寸平均为500μm，且在200μm至5mm的范围。然而，球形转炉渣颗粒的尺寸可以优选为在200μm至2mm的范围，更优为在500μm至1mm的范围.由于气体注射位置、炉渣排出位置等可以视情况需要而改变为多种方式，可以说上述200μm至5mm的范围是可以接受的。当然，可以理解的是，这里限定的炉渣颗粒的平均尺寸是指最外部分转炉渣的平均尺寸，不包括在自由落体位置存在的残余部分转炉渣，以及由铁与炉渣混合物形成、并适于在距离气体注射设备中等距离的地方回收的砾石部分.
在本发明的方法包括的几个步骤中，在转炉渣在渣场中保持在熔融状态的阶段，气体的种类、注射气体的数量、以及气体注射设备的配置成为最重要的因素.下面，对这些因素的范围进行详细描述。
图3示意性地说明了用于淬火过程的气体注射设备。为了方便起见，淬火过程采用的说明方式为，当转炉渣是在感应炉中熔化并从中排出后，气体通过喷嘴注射到排出的熔渣。一般来说，转炉渣的熔点范围为1350℃至1400℃.因此，假定当熔渣在大约1450℃淬火时其在1300℃立即凝固，淬火的气体是氩气且熔渣的质量流量为3.5克/秒，可从下表2计算出的氩气的质量流量必须为约1.56g/s。这就是说，在100psi的背景压力的基础上，气体必须具有53L/min的适当流量。
表2
Figure G2006800549690D00081
在这里，转炉渣为由40％重量的CaO、10％重量的SiO2、25％重量的Fe2O3和包括MgO、Al2O3、P2O5等的其他杂质所组成的组合物。另外，从上述方程可知，可算出氩气密度为0.001783g/cm3。不同于铁的氧化物具有包括FeO、Fe2O3、Fe3O4等各种相位的转炉渣，在气体中淬火的转炉渣主要含有Fe2O3。此外，在上述方程中的J/m·℃用作具体热量的单位。
由于根据由实验和经验获得的知识，不是注射气体的全部能量都传导至排出的转炉渣，因此当具有20mm宽度和2mm高度的矩形的缝形喷嘴用来注射气体时，实际需要的气体流量可能会增加至约90L/min.因此，可以理解，考虑到由实验和经验获得的能量传导效率，在假定的转炉渣质量流量为3.5克/秒的情况下，最优选的用来淬火转炉渣的注射气体的质量流量范围是90L/min到110L/min。在这里，本发明的转炉渣稳定方法可包括的步骤为，将炉渣已确定的必要处理量转换为质量流量，从上述表2中确认所需要的基本气体的质量流量，根据确认的质量流量确定将被使用的喷嘴，并计算气体的流量。在本发明中，喷嘴和可自由落下的熔渣之间的距离没有专门的限定。然而，由于距离越远，气体向转炉渣能量传导的效率越低，因此可取的做法是将气体注射设备安装得尽可能地近，只要喷嘴末端不接触到排出的炉渣即可.此外，可取的做法是，气体注射高度设置得尽可能地高，以便使气体注射到保持最大熔融状态的炉渣中.注射的气体可是选自空气、氮、氩、氦等，这些气体的传热效率顺序为，空气或氮<氩<氦.虽然从热传导的角度使用氦是有利的，但考虑到环境和经济效益，使用空气或氮气是可取的.
上述气体条件，例如质量流量等，在气体为室温(例如，25℃)的基础上进行设定，而且，本领域的技术人员可以理解的是，可以通过使用上表2所述的计算方法，依照气体的温度改变气体的流量.然而，当气体在特定条件下未予冷却或加热时被使用时，可以直接应用本发明中上述的气体质量流量范围，而不会产生任何严重问题。
关于气体注射喷嘴，可以优选为常规的具有单孔的直喷嘴，适于获得具有大约500μm大小的球形转炉渣颗粒。然而，当需要增加炉渣的处理量时，可采用拉瓦尔型喷嘴形式的高速喷嘴以获得更高的气体冷却效率，或者可以使用多孔喷嘴.当采用具有单孔或多孔的喷嘴时，在喷嘴末端的气体线速度优选为在50m/s到90m/s的范围，更优为在60m/s到90m/s的范围。当使用高速喷嘴时，考虑到从喷嘴到炉渣气体速度的降低，线速度可在1.5-3马赫的范围。
当需要用更高的冷却速率冷却炉渣时，用气体分离的细小炉渣微滴可能需额外的冷却过程.额外冷却过程的一个示例包括喷洒水雾。当使用水雾时，水雾的流量可以优选为低于气体质量流量(Jgas)的15％，更优为根据容积在气体质量流量(Jgas)的5％至15％的范围.如果水雾的流量超过上述范围，喷洒后水可能会留在炉渣微滴上，而且转炉渣中的细小强碱性尘粒会溶于水中，产生强碱性水溶液。由于强碱性水溶液这会导致环境污染，而且有悖于本发明的回收利用目标。相反，如果水雾的流量低于上述范围，额外的冷却过程可能会效果不足。
综合上述说明，根据本发明的转炉渣稳定方法的特征为，如果具有合适温度范围的转炉渣从渣罐中排出以自由落下，高速气体被注向呈熔融状态的自由落下的转炉渣中，将转炉渣分离为细小炉渣微滴，并让炉渣微滴通过从其表层热辐射而淬火.在本专利的方法中，可以额外应用水雾喷洒步骤以获得冷却速率的提高.
通过本发明的转炉渣稳定方法获得的转炉渣，根据其形状可以被分为三个类型.特别地，转炉渣包括：落在气体注射设备邻近的残余部分；由热结合的铁颗粒和转炉渣形成、并适于在距离气体注射设备中等距离的地方隔开的砾石部分；以及散布在气体注射设备最远处的最外部分.这些转炉渣的各个部分可以根据其不同特性选择性地应用于合适的用途.
【优选炉渣条件的取得】
为了制造具有上述各种特征的稳定的转炉渣，需要使熔融的转炉渣从渣罐中自由落下。为此，为了促进转炉渣的容易排出，转炉渣在从渣罐中排出前必须保持足够的流动性。为了达到这种足够的流动性，在从渣罐中排出的时间点，转炉渣必须具有1400℃或更高的温度，在炉渣中T.Fe必须大于15重量百分比或者更多.优选为转炉渣可以具有1430℃或更高的温度，更优选转炉渣可以具有1450℃或更高的温度，但不超过1550℃。这是由于过高的温度需要在喷嘴末端具有更快的线速度，这使得难以保持所需要的适合于限制相位转换的淬火条件。关于T.Fe，由于其在总转炉渣组分范围的高含量，这点并无问题，因此，并不特别限定T.Fe的上限。
同时，为了增加转炉的使用期限，当使用氮气进行喷溅涂覆时，在炉渣从转炉中排出前，将冷的氮气喷流直接注射至炉渣.这会导致炉渣显热的大大减少，因此，大部分的炉渣可能在到达渣场前被凝固.为了解决这一问题，需要有大约一半的转炉渣保留在转炉中，而这些保留的部分在精炼后喷溅涂覆前被移出渣罐.这使得只有移出部分的转炉渣被用于稳定处理。
在一些钢厂中，并非在吹炼结束点的碳含量达到常规的0.03％-0.05％的范围时完成氧气吹炼，可能在碳含量为0.4％或更高时完成吹炼。同时，这可能使得炉渣仅在其温度降低至大约1600℃以下时即被移出。在这种情况下，与通常的接受过程中在三次炉料吹炼后接受炉渣不同，需要在仅仅一次炉料吹炼后即将炉渣接受至渣罐中，并立即将渣罐移出以使当炉渣在渣场中排出时仍保持在熔融状态.即，如果在吹炼结束的时炉渣的温度太低，本发明的方法可以进一步包括向炉渣吹入氧气的步骤以氧化具有FeO相的剩余炉渣，使得不仅增加T.Fe的密度，而且通过利用氧化的热量增加炉渣的温度，因此炉渣保持在熔融状态。
同时，本发明的方法可以进一步包括的步骤为：在将渣罐移向渣场的过程中，通过使用渣罐套限制热量向外传导，以最大程度地减少温度的下降，并因此使炉渣保留在熔融状态.
【炉渣颗粒的形状控制】
如果转炉渣用上述方式淬火，一般来说，可获得具有黑色、光滑和清洁的表面的球形炉渣颗粒。这是因为在微滴状态下，最大程度地减小了炉渣的表面张力.
然而，在例如废水处理等特定领域，需要将炉渣颗粒的表面积增加至越大越好，因为比表面积越大，处理的效率越高.增加炉渣颗粒表面积的一种有效方法是提供具有多孔表面的炉渣颗粒。
如图4显示，为了获得多孔颗粒，将具有30μm或更大球当量直径的碳粉与气体一起吹入炉渣是有效的，以使炉渣适于废水处理.如果碳粉的尺寸过大，可引起转炉渣颗粒的表面积增加不足，因此，碳粉的尺寸优选为150μm或更小。保留在炉渣微滴表面的吹入的碳粉，在随后的微滴冷却过程中通过氧化去除，导致了孔洞的形成。
另外，为了获得上述比表面积，本发明的方法可进一步包括将尺寸为100μm或更小的炉渣颗粒烧结的步骤，其由在900℃或更低的温度下通过使用粘合剂，吹入超高速气体(即高于本发明中限定的气体注射流量上限的气体)或者气体喷流而制成，以获得尺寸为1mm至10mm的颗粒。
通过本发明的上述步骤制造的球形转炉渣颗粒，构成了新颖的转炉渣，其与现有技术中的转炉渣具有相同的组成，但是其中包含有与现有技术中的转炉渣不同的相位。即，由本发明的方法制造的转炉渣为包含有仅1％或更低的游离石灰且无水合和粉化反应的稳定转炉渣.另外，该转炉渣的形状为具有光滑或多孔表面的近球形颗粒.
因为本发明的转炉渣颗粒为不会引起如上所述的水合或粉化的稳定颗粒，它们可用作建筑材料如沙子、载体、水泥、混凝土等，废水处理材料，制铁过程中的铁源或游离石灰的替代物，炉渣制备剂等。
本发明并非必须局限于转炉渣，而且可以应用电炉渣等.这种电炉渣的特征为其由30-45％的CaO、15-30％的SiO2、20％或更多的T.Fe、及其它Cr2O3、MgO、MnO、TiO2等所组成，而且CaO/SiO2的碱度为1-3.
【实施例】
现在，将参考如下实施例对本发明进行更详细的解释.在这里，如下实施仅为用做对本发明进行更详细地解释的本发明的示例性实施方案，因此，本发明的技术范围并不限定于如下的实施例.
(实施例)
如图3所示，为了制造熔化的转炉渣，将300克转炉渣在感应炉中加热4小时.这里，使用了由氧化镁制成的坩埚。转炉渣中已经包含了饱和密度的MgO，因此没有在转炉渣和氧化镁坩埚之间发生反应的危险，因此转炉渣的组成不会因MgO的混合而发生实质上的改变。在上述加热步骤中，转炉渣的温度在上升至1500℃时维持在稳定状态。在确定转炉渣处于熔融状态以后，将熔渣排出以使将空气从炉渣的下侧吹入倒出的熔渣中。这种情况下，空气的流量设定在110L/min。另外，炉渣的排出流量保持在大约3.5g/s。这种情况下，转换的质量流量值大约为属于本发明范围内的1.13。使用的转炉渣的组分在下表3中进行说明。
表3
 
组分 CaO SiO2 FeO MgO MnO Al2O3 P2O5
含量(wt％) 41 10 18 9 4 3.5 2.2
一旦转炉渣熔化且开始注射气体，如图3所示，反应炉自身开始倾斜为45°的倾斜角，准备将炉渣排出。然后，如果已经确定了炉渣的排出位置与气体注射位置是否相匹配，即实施炉渣的排出。这种情况下，具有20mm的宽度和2mm的高度的缝状铜管被用作气体喷嘴。为了尽最大可能地在排出前阻止炉渣的温度下降，炉渣排出位置和气体喷嘴之间的距离保持在10mm。另外，喷嘴保持在离反应炉底部10mm的高度.同时，将60cm宽、60cm高、2.4m长的L形铁板准备在对着气体喷嘴的位置以收集生成的球形转炉渣颗粒。
图5A和5B分别示例性说明根据本发明制造的球形炉渣颗粒，以及现有技术中转炉渣(即缓慢冷却的炉渣).如图所示，由本发明制造的颗粒为球形，分布如图6所示.如果颗粒的尺寸超过1.7mm，则颗粒为不典型形状，而不是为球形，而且形式为铁颗粒.
为了显示根据本发明的转炉渣的稳定效果，利用SEM分析现有技术的转炉渣(缓慢冷却的炉渣)和本发明的转炉渣颗粒的相位，结果显示在图7A和7B中.如图7A和7B所示，发现现有技术的转炉渣(缓慢冷却的炉渣)含有由于如图1所示的多次相位分离而产生的游离CaO，而本发明的转炉渣不含有游离CaO.这可以通过如图8A和8B显示的X射线衍射(XRD)看到.即，从附图可以得出，包含在现有技术转炉渣中的CaO，在根据本发明制造的球形转炉渣颗粒中检测不出来.
另外，为了检测由于游离石灰引起的pH升高的问题是否已经解决，将现有技术的转炉渣和由本发明制造的球形转炉渣颗粒分别置入不同的烧杯中。每个烧杯充满蒸馏水。然后，实施pH增加实验，采用的方式为：每份现有技术的转炉渣与本发明的球形转炉渣颗粒，在室温下按照水与炉渣80:1的比率与蒸馏水混合。在该实验中，CaO的量可以根据pH增加的结果测出。每份现有技术的转炉渣和由本发明制造的球形转炉渣颗粒在烧杯中与蒸馏水在混合状态下保持7天，定时测量每一烧杯中收纳的蒸馏水的pH值。结果发现，现有技术中的转炉渣pH为12或更高，而本发明的球形转炉渣颗粒pH为10或更低。如图10所示，本发明的pH范围小于具有低碱性的高炉渣的pH范围，因此属于可允许的范围.
图9A和9B示例性说明了关于上述实验中所用的各个烧杯状态的观察结果。关于如图9A所示的现有技术的转炉渣，炉渣中的Ca+和(OH)-离子是饱和的，因此导致了氢氧化钙(Ca(OH)2)的析出.另一方面，显示在图9B中的本发明的球形转炉渣颗粒是清洁的，没有特异相的析出。这可能是由于限制了与现有技术的转炉渣具有相同组分的转炉渣的相位分离和CaO相形成所致。根据收纳在相应烧杯中的水量将CaO的量转换为百分比，如图11所示，发现现有技术中的转炉渣含有5％或更高的CaO，而本发明的转炉渣颗粒仅有0.5％的CaO.这些结果与XRD的分析结果相吻合。
最后，基于SEM和XRD分析结果的相位限制效果用三元相图形式的图12示例说明。如附图所示，常规上，当在液相区(用黑色圆圈“初始”指定)缓慢冷却时，一部分熔融的转炉渣被分离为两个主要相位(用白色圆圈“慢1”和“慢2”指定)，以及由MgO·FeO相及游离CaO形成的剩余部分.另一方面，本发明的球形转炉渣颗粒在接近液相组分范围的区域形成一个主要相位，因此，当从液相到固相凝固时，能够限制相位转换.
如上述的各个分析结果所证明，本发明可以获得转炉渣的稳定.另外，可以看到产生的稳定球形转炉渣颗粒可被回收利用于与本发明的配置范围和效果有关的如上所述的多种用途。
虽然为了示例的目的，公开了本发明的优选实施方案，本领域的技术人员将会理解，在不偏离公开在所附权利要求中的本发明的范围和实质下，可以进行各种修改、增加和替换。

Claims (5)

1.一种稳定炉渣的方法，包括：
让温度在1400℃-1550℃范围的熔渣落下；
向落下的熔渣中注射高压气体，将熔渣分离为细小微滴；
用注射的气体和周围的空气将细小微滴淬火；
其中炉渣的质量流量(Jslag)/注射气体的质量流量(Jgas)的比率在0.4至1.7的范围；
其中从具有单孔或多孔的喷嘴中注射的气体，在喷嘴的末端注射线速度在50m/s-90m/s的范围。
2.一种稳定炉渣的方法，包括：
让温度在1400℃-1550℃范围的熔渣落下；
向落下的熔渣中注射高压气体，将熔渣分离为细小微滴；
用注射的气体和周围的空气将细小微滴淬火；
其中炉渣的质量流量(Jslag)/注射气体的质量流量(Jgas)的比率在0.4至1.7的范围；
其中从拉瓦尔型喷嘴中注射的气体，在喷嘴的末端注射线速度在1.5马赫至3马赫的范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述温度在1400℃-1550℃范围的熔渣是在实施氮气喷溅涂覆前从转炉中被排出的转炉渣。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中球当量直径在30μm至150μm的范围的碳粒子，随着注射的气体被注射到落下的熔渣中。
5.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
在气体注射区的后方向炉渣喷洒水雾，其中水雾的质量流量为注射气体质量流量的5-15％。 
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