CN102503193B - 一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，属于冶金工业中钢渣的处理应用技术，第一步，将硅、铝质的调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合；第二步，将第一步中硅、铝质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理；第三步，快速冷却至常温，得到类水泥熟料，为了方便地混合硅、铝质调整剂与转炉钢渣，可以将高温的转炉钢渣倒入渣包，在倒入的过程中分散加入硅、铝质调整剂，每个渣包倒入钢渣的质量和加入调整剂的种类与质量可根据不同的渣包以及工艺条件做具体调整，为了使调整剂与转炉钢渣更好地混合、反应，在保温的过程中，可以在渣包的底部鼓入氮气进行搅拌均化，本方法能同时解决钢渣安定性和活性低的问题，且工艺简单，成本低廉。

Description

一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法
技术领域
本发明属于冶金工业中钢渣的处理应用技术，具体涉及一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法。
背景技术
近年来，随着中国钢产量的不断攀升，作为炼钢过程中的副产品，钢渣的产量也急剧增长。2008年中国钢渣产量超过1亿吨，但其利用率却仅为40％。大量的钢渣常年露天存放，不仅占用大量土地，而且钢渣中含有可溶性铬离子等有害元素，污染地表和地下水源，危害人们的生活。此外，目前世界正面临资源短缺的困境，钢渣已成为一种资源，对钢渣进行资源化大规模有效利用意义重大。
中国转炉钢渣约占钢渣总量的65％，因此对转炉钢渣的处理应用非常重要。目前，大部分钢渣用于填海、工程回填料、筑路、油田建设等，资源流失比例很大，用于硅酸盐水泥生产的钢渣量还不足钢渣总排放量的3％，远远低于矿渣、粉煤灰在水泥生产中的利用率。制约钢渣在水泥工业中应用的主要原因有两个，一是钢渣中f-CaO(游离氧化钙)含量高，安定性差，二是钢渣有较低的水化活性，难以在早期水化产生较高强度。钢渣的化学组成与水泥熟料相似，但它形成温度在1560℃以上，使得钢渣中C2S、C3S等活性矿物结晶完好、晶粒粗大，水化速度慢。采用适当工艺方法对钢渣进行处理，激发其潜在活性，改善安定性，就可将钢渣大量应用于水泥、混凝土领域。
钢渣的工艺处理方法直接影响钢渣的性能和资源化利用。目前国内外钢渣处理的工艺方法很多，但都存在一定问题。露天倒渣水淬法、热泼水淬法、焖渣水淬法等处理钢渣的方法在一定程度上解决了钢渣安定性问题，但钢渣活性没有得到很好的改善，并且投资较大，处理工艺复杂，污水处理量大。滚筒法处理液态钢渣，可以同时完成冷却、固化、破碎和钢渣分离，工艺简单，处理后钢渣f-CaO含量低，安定性好，但同样的钢渣活性仍较低。风淬法利用高速气流冷却液态钢渣，相比水淬法环境污染小，成本低，但钢渣流动性差，难以控制。国外有处理工艺用氧气将石英砂加入到高温液态渣中，处理后的钢渣使用空气冷却，这种方法可减少钢渣中f-CaO和方镁石的含量，处理后钢渣可用作混凝土骨料，安定性良好，但改性钢渣活性依然较差，并且处理成本较高。欧洲发明了一种稳定钢渣的方法，将热态钢渣转移到一个特制的反应器中，加入硅铁、铝、碳等还原剂，还原钢渣中的氧化亚铁，同时向反应器中吹氧，加热钢渣，反应结束后强制冷却，此工艺对稳定钢渣体积安定性有较好的效果，但没解决钢渣活性较低的问题。还有处理工艺向高温熔融态的钢渣中加入生产氧化铝排出的赤泥，使赤泥中的Al2O3、Fe2O3、SiO2、K2O、Na2O与f-CaO反应，解决钢渣安定性问题，将钢渣作为碎石的替代品用于道路工程中。目前对液态钢渣高温处理的工艺方法都主要降低了游离氧化钙的含量，解决了钢渣安定性问题，但钢渣活性较低的问题没得到解决。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其能够同时解决钢渣安定性和活性低的问题，工艺简单，成本低廉。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，包括以下步骤：
第一步，将调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，具体是指：当钢渣中SiO2质量分数小于15％并且Al2O3质量分数大于3％时，加入硅质调整剂，加入质量为钢渣质量的1％～40％；当钢渣中Al2O3质量分数小于3％并且SiO2质量分数大于15％时，加入铝质调整剂，加入质量为钢渣质量的1％～10％；当钢渣中SiO2质量分数小于15％并且Al2O3质量分数小于3％时，同时加入硅质调整剂和铝质调整剂，加入的调整剂总质量为钢渣质量的1％～50％，且满足硅质调整剂和铝质调整剂质量比例范围为10∶1～1∶10；
硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：10～50％，SiO2：20～50％，Al2O3：10～30％，MgO：0～10％；
铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：0～40％，SiO2：30％～50％，Al2O3：30％～70％；
第二步，将第一步中调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1350℃～1550℃，保温时间为10min～60min；
第三步，冷却至常温，得到类水泥熟料。
特别地，当单独加入硅质调整剂时，加入质量最好为钢渣质量的15％～25％，尤其是为钢渣质量的18％。
当单独加入铝质调整剂时，加入质量最好为钢渣质量的3％～6％，尤其是为钢渣质量的5％。
当同时加入硅质调整剂和铝质调整剂时，加入的调整剂总质量最好为钢渣质量的15％～25％，且硅质调整剂和铝质调整剂质量比例范围为6∶1～1∶1。尤其是加入的调整剂总质量为钢渣质量的18％，硅质调整剂和铝质调整剂质量比例为4∶1。
为了方便地混合调整剂与转炉钢渣，可以将转炉钢渣装入渣包，装入的过程中分散加入调整剂，每个渣包装入钢渣的质量可根据不同的渣包以及工艺条件做具体调整，为了使混合调整剂与转炉钢渣更好地反应，在保温的过程中，可以在渣包的底部鼓入氮气进行搅拌均化，可选择鼓入氮气的压力为0.5MPa，氮气流量83m3/s。
冷却方式可以为水冷或者风冷。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)工艺简单，操作方便，充分利用了刚排出的钢渣热量，不使用外部热源，成本低廉。
(2)采用渣包底部喷吹氮气进行搅拌均化，成本较低。
(3)利用水淬或风冷对改性后钢渣进行降温处理，可有效的降低钢渣中游离氧化钙含量，改善钢渣安定性。
(4)所用硅、铝质调整剂中的矿渣、粉煤灰、石英砂、高岭土来源广泛，成本低廉，与钢渣反应后改变钢渣化学组成和矿物相种类，制备出类水泥熟料的改性钢渣，有效提高钢渣活性，从而使钢渣得到大规模应用。
附图说明
图1热态保温改性处理前钢渣的XRD图谱，A～G分别表示C3S、β-C2S、γ-C2S、C3A、C4AF、C3MS2和CAS的衍射峰。
图2热态保温改性处理后钢渣的XRD图谱，A和B分别表示C3S与β-C2S的衍射峰，D～H分别表示C3A、C4AF、C3MS2、CAS和C2F的衍射峰，J表示FeO的衍射峰。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为10％并且Al2O3质量分数为5％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的1％，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：10％，SiO2：50％，Al2O3：30％，MgO：10％；
第二步，将第一步中硅质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1350℃，保温时间为60min；
第三步，用水冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例二
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为4％并且Al2O3质量分数为20％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的40％，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：50％，SiO2：20％，Al2O3：25％，MgO：5％；
第二步，将第一步中硅质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1550℃，保温时间为10min；
第三步，用水冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例三
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为2％并且Al2O3质量分数为25％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的15％，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：30％，SiO2：40％，Al2O3：30％；
第二步，将第一步中硅质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例四
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为8％并且Al2O3质量分数为20％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的25％，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：35％，SiO2：35％，Al2O3：28％，MgO：2％；
第二步，将第一步中硅质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例五
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为10％并且Al2O3质量分数为20％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的18％，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：35.2％，SiO2：43.8％，Al2O3：15.4％，MgO：5.6％；
第二步，将第一步中硅质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例六
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为20％并且Al2O3质量分数为2％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的1％，铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：10％，SiO2：50％，Al2O3：40％；
第二步，将第一步中铝质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1350℃，保温时间为60min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例七
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为25％并且Al2O3质量分数为2％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的10％，铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：30％，SiO2：40％，Al2O3：30％；
第二步，将第一步中铝质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1550℃，保温时间为10min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例八
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为18％并且Al2O3质量分数为1％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的3％，铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：40％，SiO2：30％，Al2O3：30％；
第二步，将第一步中铝质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例九
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为28％并且Al2O3质量分数为2％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的6％，铝质调整剂的组分及其质量分数为：SiO2：30％，Al2O3：70％；
第二步，将第一步中铝质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用水冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例十
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为26％并且Al2O3质量分数为2％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入质量为钢渣质量的5％，铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：20％，SiO2：35％，Al2O3：45％；
第二步，将第一步中铝质调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例十一
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为8％并且Al2O3质量分数为2％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂、铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入的调整剂总质量为钢渣质量的1％，硅质调整剂和铝质调整剂质量比为10∶1，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：10％，SiO2：50％，Al2O3：30％，MgO：10％；铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：10％，SiO2：50％，Al2O3：40％；
第二步，将第一步中调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1350℃，保温时间为60min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例十二
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为12％并且Al2O3质量分数为2％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂、铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入的调整剂总质量为钢渣质量的50％，硅质调整剂和铝质调整剂质量比为1∶10，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：50％，SiO2：20％，Al2O3：25％，MgO：5％；铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：30％，SiO2：40％，Al2O3：30％；
第二步，将第一步中调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1550℃，保温时间为10min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例十三
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为8％并且Al2O3质量分数为1％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂、铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入的调整剂总质量为钢渣质量的15％，硅质调整剂和铝质调整剂质量比为6∶1，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：30％，SiO2：40％，Al2O3：30％；铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：40％，SiO2：30％，Al2O3：30％；
第二步，将第一步中调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例十四
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为5％并且Al2O3质量分数为2％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂、铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入的调整剂总质量为钢渣质量的25％，硅质调整剂和铝质调整剂质量比为1∶1，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：35％，SiO2：35％，Al2O3：28％，MgO：2％；铝质调整剂的组分及其质量分数为：SiO2：30％，Al2O3：70％；
第二步，将第一步中调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用水冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
实施例十五
一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，测定钢渣中SiO2质量分数为6％并且Al2O3质量分数为2％，该工艺方法包括以下步骤：
第一步，将硅质调整剂、铝质调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，加入的调整剂总质量为钢渣质量的18％，硅质调整剂和铝质调整剂质量比为4∶1，硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：35.2％，SiO2：43.8％，Al2O3：15.4％，MgO：5.6％；铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：20％，SiO2：35％，Al2O3：45％；
第二步，将第一步中调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1450℃，保温时间为30min；
第三步，用风冷方式快速冷却至常温，得到类水泥熟料。
在各个实施例中，为了方便地混合调整剂与转炉钢渣，可以将转炉钢渣装入渣包，装入的过程中分散加入调整剂，每个渣包装入钢渣的质量可根据不同的渣包以及工艺条件做具体调整，为了使混合调整剂与转炉钢渣更好地反应，在保温的过程中，可以在渣包的底部鼓入氮气进行搅拌均化，可选择鼓入氮气的压力为0.5MPa，氮气流量83m3/s，同样，如果利用了渣包，将保温处理后的渣包内钢渣倒入渣盘的过程中进行风冷，可快速使钢渣温度降至室温，得到类水泥熟料。
各个实施例中，测试原钢渣的f-CaO含量为9.8％，经热态保温改性处理后f-CaO含量降为1.1％～2％，有效的解决了钢渣安定性问题。
热态保温改性处理前钢渣的XRD图谱如附图1所示，原渣中最强衍射峰为C3MS2(镁蔷薇辉石)，其次为CAS(钙铝黄长石)和β-C2S，C4AF的衍射峰不明显，说明原渣中以惰性矿物为主，活性矿物含量较少。另外图谱显示原渣中含有少量的γ型硅酸二钙，影响钢渣安定性。
热态保温改性处理后钢渣的XRD图谱如附图2所示，惰性矿物C3MS2(镁蔷薇辉石)和CAS(钙铝黄长石)的衍射峰明显降低，活性矿物β-C2S、C4AF、C2F的衍射峰强度增加，尤其是C4AF、C2F峰强增加明显，说明钢渣活性得到了很好的改善。此外，图谱显示γ型硅酸二钙消失，说明热态保温处理后钢渣安定性变好。

Claims (9)

1.一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将调整剂与炼钢过程产生的高温转炉钢渣混合，具体是指：当钢渣中SiO2质量分数小于15%并且Al2O3质量分数大于3%时，加入硅质调整剂，加入质量为钢渣质量的1%~40%；当钢渣中Al2O3质量分数小于3%并且SiO2质量分数大于15%时，加入铝质调整剂，加入质量为钢渣质量的1%~10%；当钢渣中SiO2质量分数小于15%并且Al2O3质量分数小于3%时，同时加入硅质调整剂和铝质调整剂，加入的调整剂总质量为钢渣质量的1%~50%，且满足硅质调整剂和铝质调整剂质量比例范围为10:1~1:10；
硅质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：10～50%，SiO2：20～50%，Al2O3：10～30%，MgO：0～10%；
铝质调整剂的组分及其质量分数为：CaO：0～40%，SiO2：30%～50%，Al2O3：30%～70%；
第二步，将第一步中调整剂与转炉钢渣的混合物做保温处理，保温处理温度为1350℃～1550℃，保温时间为10min～60min；
第三步，冷却至常温，得到类水泥熟料。
2.根据权利要求1所述的一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，单独加入硅质调整剂时，加入质量为钢渣质量的15%～25%。
3.根据权利要求1所述的一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，单独加入硅质调整剂时，加入质量为钢渣质量的18%。
4.根据权利要求1所述的一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，单独加入铝质调整剂时，加入质量为钢渣质量的3%～6%。
5.根据权利要求1所述的一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，单独加入铝质调整剂时，加入质量为钢渣质量的5%。
6.根据权利要求1所述的一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，同时加入硅质调整剂和铝质调整剂时，加入的调整剂总质量为钢渣质量的15%~25%，且硅质调整剂和铝质调整剂质量比例范围为6:1~1:1。
7.根据权利要求1所述的一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，同时加入硅质调整剂和铝质调整剂时，加入的调整剂总质量为钢渣质量的18%，且硅质调整剂和铝质调整剂质量比例为4:1。
8.根据权利要求1所述的一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，第一步中所述的混合是将高温转炉钢渣倒入渣包，在倒入的过程中分散加入调整剂。
9.根据权利要求8所述的一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，其特征在于，所述第二步保温处理过程中，在渣包底部鼓入氮气进行搅拌均化，鼓入氮气的压力为0.5MPa，氮气流量83m3/s。
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