CN110756759B - 利用钢渣离心铸造复合钢管的方法和复合钢管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了利用钢渣离心铸造复合钢管的方法，包括：C)用离心铸造工艺将熔融状态的钢渣浇铸到钢管内，D)使钢渣冷却，在钢管内表面形成玻璃陶瓷内衬。本发明还提供了用上述方法制造的复合钢管。本发明利用炼钢过程中产生的熔融钢渣，采用离心铸造技术在钢管内表面制备一层耐磨耐腐蚀的玻璃陶瓷内衬层，制备过程不需要外部提供能量。普通钢管内衬钢渣后形成复合钢管，该复合钢管可用于腐蚀性液体、含磨损颗粒的腐蚀性液体及气体的输送，在冶金、矿石和化工领域有广阔的应用前景。

Description

利用钢渣离心铸造复合钢管的方法和复合钢管

技术领域

本发明涉及利用钢渣离心铸造复合钢管的方法和复合钢管。

背景技术

钢铁工业的固体废弃物主要是高炉渣和钢渣，中国粗钢产量约9亿吨，占世界钢产量的一半左右，每年的钢渣产量约1亿吨。钢渣主要由 CaO、SiO₂、Fe₂O₃、MgO、Al₂O₃、MnO和P₂O₅等组成，有些钢渣中还含有TiO₂和V₂O₅，其中还含有约7～10％wt的金属颗粒(钢粒)。钢渣中的矿物相有镁蔷薇辉石(3CaO·MgO·2SiO₂)、钙镁橄榄石(CaO·MgO·SiO₂)、硅酸三钙(3CaO·SiO₂，C₃S)、硅酸二钙(2CaO·SiO₂，C₂S)、铁酸二钙 (2CaO·Fe₂O₃)以及镁、铁、锰等二价氧化物形成的固溶体等(RO相)。钢渣的矿物组成主要取决于化学成分，与渣的碱度关系很大。当C/S＞ 1.8时，C₃S和C₂S含量可达60～80％；碱度提高，C₃S含量增加。钢渣形成温度在1600℃以上，密度约为3.1～3.6g/cm3。钢渣中C₂S硬度高、耐磨性好，因此当钢渣被用于水泥生产时降低了水泥研磨能力，使设备磨损严重。钢渣在降温过程中内部有硅酸三钙转变成硅酸二钙等一系列化学反应、产生体积膨胀，固体钢渣裂解、粉化。此外，钢渣中还含有微量的FeS、MnS，遇水发生反应生成Fe(OH)₃和Fe(OH)₂，产生体积膨胀，因此，钢渣的体积稳定性较差，反应前一般要进行长时间堆放和陈化处理。

钢渣的利用目前主要集中在如下几个方面，一是在钢铁行业内利用，包括钢渣利用磁选方法回收废钢，代替部分石灰用于铁矿烧结，作为原料代替石灰直接用于炼铁返回高炉，直接用于炼钢返回渣。在农业上用钢渣生产磷肥；钢渣还可用于废水处理、吸附水中的Ni、Cu、Pb等元素。在建筑行业用于生产钢渣水泥、修路等等。

在材料领域的应用主要是将钢渣制备成微晶玻璃或陶瓷。微晶玻璃又称玻璃陶瓷，是由特定组成的玻璃经晶化热处理后得到的多晶固体材料，是微晶和玻璃组成的复相材料。微晶玻璃于1957年由美国发明，20 世纪60年代苏联利用高炉渣研制成功矿渣微晶玻璃。将钢渣制造成微晶玻璃有如下优点：①代替天然矿石原料，减少矿产资源开采，消除废渣对环境的不良影响；②制备成本低，属环保项目；③冶金渣微晶玻璃可用化废渣中重金属离子、放射性比天然材料小；④微晶玻璃硬度高、耐磨性好、耐腐蚀、机械强度高，可用于建材、管道、化工等行业；⑤将熔渣直接变成产品，利用熔渣余热，不需外部提供能量，节约能源。

1959年苏联世界上首次利用高炉渣成功合成人工微晶玻璃，到 1975年产量达到150万吨。我国于上世纪70年代起开始研究利用矿渣制造微晶玻璃，如中国建材院、清华大学、东北大学等，但研究成果还处于实验室阶段，成果包括使用粉煤灰和钢渣制备微晶玻璃，利用钢渣制备耐磨微晶玻璃板，但这些成果均未实现工业规模生产。钢渣比高炉渣应用更为困难，因为钢渣CaO、MgO和FeO等碱性氧化物含量高，而多数CaO-SiO₂-Al₂O₃矿渣微晶玻璃以酸性氧化物为主。钢渣种类繁多，成分波动大，也给应用造成一定困难。此外，钢渣中含有大量金属颗粒，处理难度增加。德国蒂森克虏伯公司采用向钢渣中喷吹石英砂和氧气的办法减少渣中CaO和MgO，形成更稳定的硅酸盐相，有些国外公司直接连续向钢渣中加入石英砂，Al₂O₃固体废料，或者加入含B₂O₃的玻璃粉对钢渣进行改质，达到良好效果。

在钢铁公司的固体废弃物中，钢渣的处理难度最大，传统处理工艺是钢渣水淬，再经破碎、粉磨、磁选、筛分，将磁性的含铁颗粒选出，传统工艺因固体钢渣质地坚硬，造成设备磨损严重；传统处理方法没有考虑钢渣熔体的热量，也造成热量损失严重。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了利用钢渣离心铸造复合钢管的方法，其特征在于包括：

C)用离心铸造工艺将熔融状态的钢渣浇铸到钢管内，

D)使钢渣冷却，在钢管内表面形成玻璃陶瓷内衬。

根据本发明的另一个方面，提供了用上述方法制造的复合钢管。

具体实施方式

目前国内外钢渣处理主要以余热回收和废渣回收分开的方式进行，这种工艺将“热”和“渣”分离处理，工艺路线简单，减少了不同工艺过程间的相互干扰，但总体效率低，尤其是固态钢渣，使用前还需破碎、筛选和烘干等工艺处理，大量消耗能源，产品的附加值较低。

由此，钢渣最理想的处理工艺是余热和渣一步同时获得应用，也就是在高温调整钢渣的组成和结构，之后利用特殊冶金工艺处理钢渣，在高温熔融状态将钢渣熔体制备成有用的材料，研发出具有高附加值的产品，同时解决余热回收和固体废弃物排放问题，提高经济、环境和社会效益。

本发明利用炼钢过程中产生的熔融钢渣，采用离心铸造技术在钢管内表面制备一层耐磨耐腐蚀的玻璃陶瓷内衬层，制备过程不需要外部提供能量。普通钢管内衬钢渣后形成复合钢管，该复合钢管可用于腐蚀性液体、含磨损颗粒的腐蚀性液体及气体的输送，在冶金、矿石和化工领域有广阔的应用前景。

本发明包括如下方面：

1、钢渣中含有金属颗粒，传统工艺是先将钢渣粉碎，再使用磁选工艺选出金属。这种工艺在钢渣粉碎过程中设备磨损严重，能耗高，效率低。

根据本发明的一个方面，用离心铸造工艺将钢渣在熔融状态注入钢管内，在钢管内表面形成玻璃陶瓷内衬，钢渣熔体的密度约为3.1-3.6 克/厘米²，而其中熔融金属颗粒(金属熔滴)的密度约为钢的密度，在离心力的作用下，较高密度的金属熔滴与熔渣分层，金属熔滴分布在与钢管内表面接触的玻璃陶瓷内衬的外层，形成金属过渡层，熔渣分布在玻璃陶瓷内衬的内表面。

2、钢渣中含有较多的CaO和MgO，直接制备微晶玻璃或玻璃陶瓷性能较差。根据本发明的一个方面，向熔融钢渣中直接加入石英粉或者加入含B₂O₃的玻璃粉对钢渣进行改质，改善玻璃陶瓷的性能。

3、向熔融钢渣中直接加入石英粉或者加入含B₂O₃的玻璃粉对钢渣进行改质过程中，因为石英粉或玻璃粉溶解，会使钢渣熔体的温度降低，粘度增高，工艺性变差。根据本发明的一个方面，采用铝热离心工艺，先在钢管内装入一定量的铝热剂，使钢管先离心旋转，点燃铝热剂，先在钢管内形成一薄层氧化铝陶瓷层，同时产生热量，补偿因石英粉或玻璃粉加入造成的钢渣熔体温度降低，增加钢渣熔体的流动性，便于制备表面光洁、整体致密的高性能玻璃陶瓷内衬层。

4、铝热离心工艺在钢管内表面首先形成的氧化铝陶瓷层与玻璃陶瓷的热膨胀系数更为接近，相当于在钢管和玻璃陶瓷之间先形成过渡层，减小玻璃陶瓷内衬层的开裂倾向。

针对钢渣回收存在的问题，本发明人在该研究和试验的基础上，提出了采用离心铸造技术处理熔融钢渣熔体，在离心力的作用下使熔融玻璃态的钢渣在钢管内表面形成一层耐磨耐腐蚀的玻璃陶瓷内衬层，制造耐磨耐腐蚀的复合钢管。

根据本发明的一个实施例的利用钢渣离心铸造复合钢管的方法包括：先在特制的容器中收集熔融钢渣，钢渣分前渣和尾渣，一般情况下尾渣玻璃形成能力较强，而且其中金属含量很少。将熔融尾渣注入专门的钢渣收集容器中收集好，之后再浇铸到在离心机上旋转的钢管内，在钢管内表面形成玻璃层，制备得到玻璃内衬复合钢管。

另外，如果钢渣成分不理想，则通过添加改变熔融钢渣特性的有效成分提高熔融钢渣的玻璃形成能力，比如添加石英粉(SiO₂粉)、B₂O₃粉调整钢渣成分。添加的方法有2种，第1种是向钢渣收集容器中添加粉末，搅拌，形成均匀熔体。第2种方法是将添加的粉末先刷涂在钢管内表面上，再浇铸钢渣熔体，达到调整钢渣成分的目的。

此外，如果熔融钢渣浇铸后形成的玻璃的膨胀系数与钢管的膨胀系数之间差别较大，冷却后在玻璃层中会产生很大的热应力(拉应力或压应力)，采用铝热-离心工艺先在钢管内表面制备一层氧化铝陶瓷层，之后再浇铸熔融玻璃，因为有金属和氧化铝陶瓷层存在，能缓解热应力，防止玻璃层开裂。

实施例1：

首先准备钢管，除锈和安装。钢管尺寸：外径159mm，内径139mm，长1000mm。钢管内表面除锈，使用喷砂除锈。之后在钢管两端安装上封头，封头内装上石墨圆片，石墨片中间留出圆孔，石墨耐高温，还能隔离玻璃熔体和钢材，防止钢材质封头被玻璃熔体腐蚀和变形。将两端装有封头的钢管装到离心机上。

将炼钢钢渣收集到特制的渣包(钢渣收集容器)中，选择收集尾渣。开动离心机，待达到要求的转速后，将钢渣熔体通过钢管一端深入到钢管中的漏斗浇铸到钢管内，继续保持钢管高速旋转2-3分钟，待钢渣熔体凝固成形后使离心机停止旋转。将钢管从离心机上卸下来，在大气中放置，缓慢冷却，在钢管内形成厚3-4mm的玻璃内衬层。

实施例2：

首先准备钢管，除锈和安装。钢管尺寸：外径159mm，内径139mm，长1000mm。钢管内表面除锈，使用喷砂除锈。之后在钢管两端安装上封头，封头内装上石墨圆片，石墨片中间留出圆孔。将两端装有封头的钢管装到离心机上。

将炼钢钢渣收集到特制的渣包(钢渣收集容器)中，选择收集尾渣。在尾渣熔体中按设计比例添加20％重量比的石英粉，搅拌，待石英粉完全熔化形成均匀熔体后再准备浇铸。

开动离心机，待达到要求的转速后，将钢渣熔体通过钢管一端深入到钢管中的漏斗浇铸到钢管内，继续保持钢管高速旋转2-3分钟，待钢渣熔体凝固成形后使离心机停止旋转。将钢管从离心机上卸下来，在大气中放置，缓慢冷却，在钢管内形成厚3-4mm的玻璃内衬层。

实施例3：

首先准备钢管、除锈和安装。钢管尺寸：外径159mm，内径139mm，长1000mm。钢管内表面除锈，使用喷砂除锈。将5公斤铝热剂粉末(Fe₂O₃粉末和Al粉末，重量比3:1)加入到钢管内，之后在钢管两端安装上封头，封头内装上石墨圆片，石墨片中间留出圆孔。将两端装有封头的钢管装到离心机上。

将点火器伸入到石墨孔内，之后开动离心机，待达到要求的转速后，按动点火器按钮点燃铝热剂，铝热剂燃烧，在钢管内表面形成金属层和氧化铝陶瓷层。此时钢管被加热，表面呈微红色。将钢渣熔体通过钢管一端深入到钢管中的漏斗浇铸到钢管内，继续保持钢管高速旋转5-10分钟，待钢渣熔体凝固成形后使离心机停止旋转。将钢管从离心机上卸下来，在大气中放置，缓慢冷却，在钢管内形成厚5-6mm的陶瓷玻璃内衬层。

Claims (5)

1.利用钢渣离心铸造复合钢管的方法，其特征在于包括：

A1）在钢管内装入一定量的铝热剂，

A2）使钢管旋转，

A3）点燃铝热剂，在钢管内形成一薄层氧化铝陶瓷层，同时产生热量，

B）向熔融状态下的钢渣中加入石英粉和/或含B₂O₃的玻璃粉，对钢渣进行改质，

C）用离心铸造工艺将熔融状态的钢渣浇铸到钢管内，包括：

C1）使钢管旋转，和

C2) 将熔融状态的钢渣浇铸到钢管内,随后

D）使浇铸到钢管内的钢渣冷却，在钢管内表面形成玻璃陶瓷内衬。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤D）包括：

继续保持钢管高速旋转至少2-10分钟，

待钢渣熔体凝固成形后使离心机停止旋转，

将钢管从离心机上卸下来，在大气中放置，缓慢冷却。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述钢渣是尾渣。

4.用根据权利要求1-3之一所述的方法制造的复合钢管。

5.根据权利要求4所述的复合钢管，其特征在于：

钢渣中的金属熔滴在离心力的作用下与钢渣中的熔渣分层，金属熔滴分布在玻璃陶瓷内衬的外层，形成金属过渡层，熔渣分布在玻璃陶瓷内衬的内表面。