CN110156352A - 一种气淬冶金渣微珠的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气淬冶金渣微珠的制备方法，其以转炉钢渣和高炉炼铁渣等冶金渣为原料，在充分了解冶金渣化学成分、微观结构的前提下，按照一定配比将两种渣进行混合调质，采用电弧炉将固态调质渣加热成液态，将温度事宜、流动性良好的液态渣沿流渣槽倾倒，在流渣槽末端，液态渣垂直下落过程中，用高压气体将液态渣吹入带有冷却系统的微珠收集装置。
Description
技术领域
本发明属于冶金渣综合利用技术领域，具体涉及一种气淬冶金渣微珠的制备方法。
背景技术
钢渣为炼钢过程产生的废渣，其产量约为钢产量的15％，我国钢渣年产量为1亿吨以上，利用率不到30％；高炉炼铁渣产量约为生铁产量的34％，利用率在70％左右。截至2016年，我国超过3亿吨的钢渣没有得到有效利用。目前，我国钢渣处理工艺主要包括热泼法、滚筒法、热闷法、风碎法等，其中热泼法和滚筒法最为常用，马鞍山钢铁公司自主研发了钢渣风碎处理工艺，转炉出渣后经粒化器粒化后落入水池快速冷却制得风碎渣，但至今仍没有大面积推广。我国钢渣较国外相比利用率极低，生产的钢渣除了在渣场大量堆积外，其余小部分主要用于烧结和高炉熔剂、生产水泥、道路工程和建筑领域。髙炉渣不断堆积是主要的问题之一，如果不能合理的处理大量的高炉渣，不仅会污染环境，浪费大童的能源，而且会给我国的经济建设带来巨大压力。近年来，高炉渣在国主要应用于建筑材料和水泥配料，产生的附加值比较低，大量髙炉揸内的资源被浪费。因此，研究冶金渣处理的新途径，是非常有必要的。
冶金渣气淬成珠是冶金渣处理的新途径，冶金渣气淬即压缩空气以较大的压力射向渣流，将渣流击碎成大小不等的小液滴，小液滴冷却成珠。冶金渣微珠可以用作烧结原料、高性能混凝土骨料和钢铁构件喷砂除锈颗粒等有较大应用价值领域。现有的冶金渣气淬成珠技术还不够成熟，微珠获得率较低，而且获得的微珠性能不够优良。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种气淬冶金渣微珠的制备方法，以提高微珠获得率，制备粒度均匀、性能良好、稳定性高的气淬钢渣微珠。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种气淬冶金渣微珠的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将高炉渣作为调质剂与转炉钢渣混合均匀；
步骤二：将步骤一中调制混合好的高炉渣与转炉钢渣混合物加入电弧炉内；
步骤三：电弧炉达到一定温度后，将液态冶金渣倾倒至流槽内；
步骤四：打开吹气喷嘴，将液态冶金渣喷吹至微珠收集室，获得微珠。
在上述技术方案中，作为调质剂的高炉渣添加量为20-30％，气淬压力为0.35MPa，喷嘴马赫数为1.6，加热温度1600℃。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明将固态冶金渣进行重熔气淬处理，冶金渣直接气淬成珠是冶金渣处理的新途径，冶金渣气淬即压缩空气以较大的压力射向渣流，将渣流击碎成大小不等的小液滴，小液滴冷却成珠。
2、本发明通过重熔调质钢渣，采用高速空气射流冲击液态渣，形成粒度均匀、性能良好、体积稳定性高的微珠，可以用作烧结原料、高性能混凝土骨料和钢铁构件喷砂除锈颗粒等有较大应用价值领域。
3、当调质剂高炉渣添加量为20-30％，气淬压力为0.35MPa，喷嘴马赫数为1.6，加热温度1600℃时，冶金渣气淬效果最好，其冶金渣气淬率达80％以上，成珠率也在80％以上，获得的微珠的形状近似球形，微珠粒度大小适中(细度模数在2.9左右)，且微珠体积稳定性较高，适合应用于建筑材料和水泥配料。
附图说明
图1是本发明实施例中的设备简图。
图2是高炉渣添加量对气淬率的影响关系图。
图3是喷吹气压对气淬率的影响关系图。
图4是吹气喷嘴孔型对气淬率的影响关系图。
图5是加热温度对气淬率的影响关系图。
图6是高炉渣添加量为0、25％、35％时的微珠图片。
图7是高炉渣添加量为0、25％、35％时的微珠显微图。
图8高炉渣添加量对冶金渣中f-CaO的影响关系图。
其中：
1：空压机，2：储气罐，3：电弧炉，4：流槽，5：吹气喷嘴，6：微珠收集室。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
一种气淬冶金渣微珠的制备方法，其设备简图如图1所示，包括空压机1、储气罐2、电弧炉3、流槽4、吹气喷嘴5和微珠收集室6，储气罐的进气口与空压机连接，由空压机为储气罐补给气压，储气罐的进出气口通过管路与设置在流槽末端的吹气喷嘴连接，微珠收集室设置在流槽下方用于收集吹气喷嘴成型的微珠，电弧炉用于对冶金渣进行加热，加热后的液态冶金渣从电弧炉出料口进入流槽，由流槽末端的吹气喷嘴将液态冶金渣喷吹至微珠收集室，获得微珠。
制备的具体步骤为：
步骤一：预先将高炉渣作为调质剂与转炉钢渣按照实验配比混合均匀；
步骤二：电弧炉内加入2Kg焦炭，开始升温，分三次将步骤一中调制混合好的高炉渣与转炉钢渣混合物加入电弧炉内；
步骤三：电弧炉达到一定温度后，将液态冶金渣倾倒至流槽内；
步骤四：打开吹气喷嘴，将液态冶金渣喷吹至微珠收集室，获得微珠。
下表是16组不同的实验制备条件，制备过程中的高炉渣与转炉钢渣配比、喷吹气压、吹气喷嘴孔型(马赫数)、以及加热温度(即液态冶金渣的温度)等参数按下表进行。
表1钢渣气淬成珠实验方案
一、高炉渣添加量对冶金渣气淬率的影响参见附图2。从图2可以看出，纯转炉钢渣(编号1#)重熔时，需要较高的温度(1600℃以上)，将其重熔加热到1600℃时，倾倒出炉进行喷吹气淬，气淬率不高，为33.5％，主要因为钢渣具有明显的“短渣特性”，当温度降低时，粘度急剧上升，流动性迅速变差，在实验现场观察到，喷吹开始很短时间内，流槽内液态渣流动明显变缓，直至凝固。选用高炉渣做为调质剂对钢渣进行调质，液态渣流动性明显改变，随着高炉炼铁渣的加入，钢渣的流动性变好，粘度降低，气淬率快速上升，当调质剂添加量在20％以上时，由图2可以看出，气淬率一直处于较高水平，稳定在80-90％。但是需要说明的是，当高炉渣(调质剂)加入量高于30％时，虽然能得到更高的气淬率，但获得的冶金渣粒化效果很差，可以参见附图6c，其微珠颗粒呈现细长的黄绿色片状玻璃体结构，继续增加高炉渣添加量，气淬渣将变得更加脆且细长，甚至喷吹成高炉渣纤维，非常不利于应用于建筑材料和水泥配料。
二、喷吹气压对冶金渣气淬率的影响参见附图3。从图3可以看出，喷吹气压和冶金渣的气淬率基本成正比关系，气体压力从0.25MPa升至0.35MPa，冶金渣气淬率由75％变至81％，升幅为6％，气体压力的加大对冶金渣气淬率有微小的促进作用。
三、吹气喷嘴孔型对气淬率的影响参见附图4。由图4可知，喷嘴孔型对实验影响较小，气淬率均能达到70％以上，气淬率随着马赫数的增大呈现微小上升趋势。当喷嘴为直孔(Ma＝1)时，气淬率为73.3％，当喷嘴马赫数为1.4时，气淬率为78.3％，当喷嘴马赫数为1.6时，气淬率为79.8％。马赫数由1.0变大到1.4时，气淬率由73.3％升到79.8％，增长7％，马赫数由1.4变大到1.6时，气淬率由73.3％升到78.3％，增长2％，随着马赫数的增大，气淬率有所上升，上升幅度逐渐降低。
四、加热温度对气淬率的影响参见附图5。由图5可知，当把调质渣加热到1500℃倒渣喷吹气淬时，只倾倒出部分液态渣，流到流槽末端时，不能通过流槽末端底部流孔，直接从流槽末端上部溢出，没有得到微珠，主要原因是，炉内调质渣熔化不彻底，出渣温度低，熔渣粘度大；当把调质渣加热到1550℃时，熔渣流动性得到改善，在微珠收集室收集到了冶金渣微珠，气淬率为59％；当把加热温度升至1600℃时，气淬率迅速上升至78.3％；当加热温度升至1650℃时，气淬率继续上升至83.4％，但此时能耗较大，加热时间较长。出渣温度的升高提高了液态渣的过热度，使其具备较好的流动性，进而提升了冶金渣的气淬率。
冶金渣微珠性能分析如下：
(1)微珠的形状、粒度分析
图6a-6c分别为高炉渣添加量为0、25％、35％时的微珠图片。当直接对纯转炉钢渣(高炉渣添加量为0)喷吹气淬时，成珠率达90％以上，粒化效果明显，其微珠颗粒近似球形、体积较小(图6a)；当高炉渣添加量为25％时，成珠率有所下降，大概85-90％左右，其微珠颗粒近似球形，体积略有增大(图6b)；当高炉渣添加量增大到35％时，粒化效果急剧变差，成珠率降至50％以下，其微珠颗粒主要变成了细长的黄绿色片状玻璃体(图6c)。具体的微珠粒度分布参见表2。
表2冶金渣微珠粒度分布
(2)冶金渣微珠微观结构分析
将气淬微珠制成光薄片在偏光显微镜下进行观察测定，微珠的矿物组成及体积百分含量见表3，显微形态图见图7a-7c，由图7a-7c和表3可以看出，不同高炉渣和转炉钢渣配比情况下获得的微珠的矿物组成有很大区别。当不添加高炉渣时，样品矿物组成简单，主要由不规则的黄长石、磁铁矿和褐铁矿构成，相间均匀分布，且整体结构均匀，晶体普遍无清晰晶形；当高炉渣添加量为25％时，发现微珠中玻璃相大面积分布，达到70-80％，未检测到磁铁矿和褐铁矿，存在微量黄长石，主要矿物为硅酸二钙和方镁石，含量分别为12-15％，7-10％，在样品中均匀分布。当高炉渣含量增加到35％时，方镁石和硅酸二钙大量减少，仅微量存在，而玻璃质达93-95％，各种矿物不均匀分布在玻璃相中。
表3冶金渣微珠矿物组成
(3)微珠体积稳定性分析
图8可以看出，高炉渣和转炉钢渣在未高温气淬之前游离氧化钙含量均较高，在3％以上，高于中国国家标准，因此渣体积稳定性差，严重限制了冶金渣二次利用。冶金渣在1600℃条件下进行气淬成珠，将冷却后的微珠进行分析。经过高温气淬后，微珠中f-CaO降低，且高炉渣添加量越大，f-CaO消解率越大。当不添加高炉渣时，f-CaO值为2.43％，消解率为20.75％，主要是由于高温状态下，f-CaO被吸收生成稳定的钙铝黄长石(C2AS)；当添加高炉渣后，微珠中f-CaO含量大幅度降低，高炉渣添加量为35％时，f-CaO值达到最低0.60％，消解率为84.96％。这主要是添加高炉渣后，重构渣中组分发生巨大变化，高温气淬后发生一系列复杂反应，生成了大量的玻璃质和少量硅酸二钙和黄长石类物质(参见表3)，起到了消解f-CaO的作用，进而提高了微珠体积稳定性。
综上，综合考虑冶金渣气淬率、成珠率、粒化效果、微珠性能以及能耗等因素，当调质剂高炉渣添加量为20-30％，气淬压力为0.35MPa，喷嘴马赫数为1.6，加热温度1600℃时，冶金渣气淬效果最好，其冶金渣气淬率达80％以上，成珠率也在80％以上，获得的微珠的形状近似球形，微珠粒度大小适中(细度模数在2.9左右)，且微珠体积稳定性较高，适合应用于建筑材料和水泥配料。
本实施例中所述的气淬率和成珠率概念如下：
钢渣气淬率：
钢渣成珠率：
公式中，η1andη2分别代表冶金渣气淬率和成珠率，m0为气淬前炉内钢渣总量；mA代表气淬后收集室内气淬冶金渣总量，mB代表气淬冶金渣中微珠的含量。
进一步的说，本实施例所用冶金渣为唐山钢铁公司的转炉钢渣和高炉渣，转炉钢渣、高炉渣和混合渣的化学成分及碱度见表4。参见表4，纯转炉钢渣的四元碱度为2.88，为碱性渣，碱性渣具有短渣的特性，当碱度较高时，随着温度的降低，粘度迅速增大，碱度越高，炉渣的粘度越大，熔化性温度越高，而气淬成珠需要钢渣具备较好的流动性和较低的熔化温度，因此需要对转炉钢渣进行改质处理。高炉渣的碱度为0.99，用高炉渣对钢渣进行改质能有效降低钢渣的碱度，改变钢渣的流动性，能够使其具备较好的气淬条件；同时高炉渣中有较高的SiO2含量，能够有效消解游离氧化钙，起到稳钙的作用。此外，两渣混合使用，对钢铁企业固废处理有很大的促进作用。
表4冶金渣的化学组成和碱度(wt.％)
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种气淬冶金渣微珠的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将高炉渣作为调质剂与转炉钢渣混合均匀；
步骤二：将步骤一中调制混合好的高炉渣与转炉钢渣混合物加入电弧炉内；
步骤三：电弧炉达到一定温度后，将液态冶金渣倾倒至流槽内；
步骤四：打开吹气喷嘴，将液态冶金渣喷吹至微珠收集室，获得微珠。
2.根据权利要求1所述的气淬冶金渣微珠的制备方法，其特征在于：高炉渣添加量为20-30％。
3.根据权利要求1所述的气淬冶金渣微珠的制备方法，其特征在于：气淬压力为0.35MPa。
4.根据权利要求1所述的气淬冶金渣微珠的制备方法，其特征在于：喷嘴马赫数为1.6。
5.根据权利要求1所述的气淬冶金渣微珠的制备方法，其特征在于：加热温度1600℃。
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