CN113186486A - 利用高炉渣离心铸造复合钢管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了利用高炉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高炉渣浇铸到钢管内，D)使高炉渣冷却，在钢管内表面形成玻璃和/或微晶玻璃内衬。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高炉渣，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和/或微晶玻璃内衬层，制备过程不需要外部提供能量。普通钢管内衬高炉渣后形成复合钢管，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

利用高炉渣离心铸造复合钢管的方法

技术领域

本发明涉及利用高炉渣离心铸造复合钢管的方法。

背景技术

高炉渣是炼铁过程的副产品，产量巨大，每冶炼1吨生铁可产生300～450kg高炉渣，按吨铁产渣量350kg计算，我国2018年生铁产量7.71亿吨，高炉渣产量则高达2.7亿吨。高炉渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质所形成的易熔物质，高炉渣的化学成分波动小，高炉渣的化学成分与普通硅酸盐水泥类似，组成为硅酸盐和铝硅酸盐，主要成分有CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃和MnO等，一些特种生铁渣中还有TiO₂和V₂O₅等。高炉渣出渣温度在1400℃以上，吨渣热量约1675MJ，与58kg标准煤释放的热量相当。目前，我国高炉渣处理主要途径是经水淬或空冷后用于生产水泥或混凝土，不但在冷却过程中浪费了大量的熔渣热量，而且其附加值一般较低，仅高炉渣热量损失一项，能源损失量就高达1420万吨标煤/年。

高炉渣的利用目前主要集中在如下几个方面，最广泛和成熟的应用是在建筑行业，高炉渣经水淬后再粉碎球磨，用于生产水泥。在材料领域的应用主要是将高炉渣制备成微晶玻璃和多孔玻璃，也有人研究利用离心工艺将高炉熔渣制备成玻璃纤维和纤维制品，例如矿物棉，用于保温和隔热材料，但还没有成熟的工业应用。

以高炉渣为主要原料制备微晶玻璃的工艺已经较为成熟，所制备的微晶玻璃性能亦较为稳定。但由于高炉渣中Al₂O₃、SiO₂含量较高，限制了高炉渣的利用率以及微晶玻璃的性能。

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年代前苏联利用高炉渣研制成功矿渣微晶玻璃。将高炉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，享受国家减免税待遇；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年前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，但这些成果均未实现工业规模生产。

矿物棉主要包括岩棉、玻璃棉和矿渣棉，大多数矿物棉以玄武岩、辉绿岩、白云石和花岗石等为原料生产。矿物棉纤维具有质轻、保温、隔热、隔音、防震等性能，常用做保温材料、防火材料和吸音材料，其产品类型主要包括保温板、保温毡、吸音板等，广泛用于冶金、机械、建筑、化工和交通等部门。国内外矿物棉的需求市场巨大，我国每年需要保温施工的建筑面积合计约40亿平方米，需要400～1000万吨的墙体保温材料，但我国矿物棉的研制起步较晚，产量较低，远远不能满足建筑市场和其它领域对保温材料的需求。但是，目前国内外还没有高炉熔渣直接合成和制备成纤维的工业化应用，现有的矿物棉生产主要以冲天炉重熔方式进行，消耗了大量的矿物资源和大量焦炭等能源，生产1吨渣棉能耗高达490kg标煤。

发明内容

根据本发明，提供了利用高炉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高炉渣浇铸到钢管内，

D)使高炉渣冷却，在钢管内表面形成玻璃和/或微晶玻璃内衬。

具体实施方式

总之，目前国内外高炉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，但总体效率比较低，尤其是固态高炉渣，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。

高炉渣最理想的处理工艺是余热和渣一步同时获得应用，也就是能够在高温调整高炉渣的组成和结构，之后利用特殊冶金工艺处理高炉渣，在高温熔融状态将高炉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。

本发明利用高炉炼铁过程中产生的熔融高炉渣，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或微晶玻璃内衬层，制备过程不需要外部提供能量。普通钢管内衬高炉渣后形成玻璃内衬复合钢管，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。

1.高炉渣的主要成分有CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃和MnO等，化学成分与普通硅酸盐玻璃类似，本项目拟使用离心铸造工艺将熔融高炉渣注入钢管内，在钢管内表面形成玻璃或微晶玻璃内衬。

2.高炉渣中含有较多的CaO和MgO，直接制备玻璃和/或微晶玻璃性能较差，本项目拟向熔融高炉渣中直接加入玻璃粉、石英粉和/或含B₂O₃的玻璃粉对高炉渣进行改质，改善玻璃和/或微晶玻璃的性能。

3.向熔融高炉渣中直接加入玻璃粉、石英粉和/或含B₂O₃的玻璃粉对高炉渣进行改质过程中，因为石英粉和/或玻璃粉溶解，可能会使高炉渣熔体的温度降低，粘度增高，工艺性变差。本项目拟采用铝热离心工艺，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，补偿因石英粉和/或玻璃粉加入造成的高炉渣熔体温度降低，增加高炉渣熔体的流动性，便于制备表面光洁、整体致密的高性能玻璃和/或微晶玻璃内衬层。

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和/或微晶玻璃的热膨胀系数更为接近，相当于在钢管和玻璃和/或微晶玻璃之间先形成过渡层，减小玻璃和/或微晶玻璃内衬层的开裂倾向。

针对高炉渣回收存在的问题，本发明人进行了研究和试验，并在该研究和试验的基础上，提出采用离心铸造技术处理熔融高炉渣熔体，在离心力的作用下使熔融玻璃态的高炉渣在钢管内表面形成一层耐磨耐腐蚀的玻璃和/或微晶玻璃内衬层，制造耐磨耐腐蚀的复合钢管。

具体的方法是先在特制的容器中收集熔融高炉渣，将熔融高炉渣注入特殊容器中收集好，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，如果高炉渣成分不理想，可通过添加改变熔融高炉渣特性的有效成分提高熔融高炉渣的玻璃形成能力，比如添加石英粉(SiO₂粉)、B₂O₃粉调整高炉渣成分。添加的方法有2种，第1种是向高炉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的钢管内表面上，再浇铸高炉渣熔体，达到调整高炉渣成分的目的。

此外，如果熔融高炉渣浇铸后因为形成玻璃的膨胀系数与钢管之间差别较大，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：

首先是准备钢管，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。

将熔融高炉渣收集到特制的渣包中。开动离心机，待达到要求的转速后，将高炉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，待高炉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：

首先是准备钢管，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。

将熔融高炉渣收集到特制的渣包中。在高炉渣熔体中按设计比例添加15％重量比的玻璃粉，搅拌，待玻璃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，将高炉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，待高炉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：

首先是准备钢管，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。

将熔融高炉渣收集到特制的渣包中。在高炉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，将高炉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，待高炉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4：

首先是准备钢管、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。将高炉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，待高炉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 (9)

1.利用高炉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高炉渣浇铸到钢管内，

D)使高炉渣冷却，在钢管内表面形成玻璃和/或微晶玻璃内衬。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括：

B)向熔融状态下的高炉渣中加入石英粉和/或含B2O3的玻璃粉，对高炉渣进行改质。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括在所述步骤C)之前进行的如下步骤：

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。

4.根据根据权利要求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，

待高炉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。

5.根据根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于进一步包括：

向熔融状态的高炉渣中添加改变熔融状态的高炉渣的特性的材料，以提高熔融状态的高炉渣的玻璃形成能力。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于改变熔融状态的高炉渣的特性的材料包括石英粉和/或B2O3粉。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于向熔融状态的高炉渣中添加改变熔融状态的高炉渣的特性的材料的步骤包括从以下步骤中选出的一种：

-在所述步骤C)之前，向盛放有熔融状态的高炉渣的收集容器中添加了改变熔融状态的高炉渣的特性的材料的粉末，搅拌熔融状态的高炉渣，形成均匀熔体，

-在所述步骤C)之前，将添加了改变熔融状态的高炉渣的特性的材料的粉末先刷涂在钢管的内表面上。

8.用根据权利要求1-7之一所述的方法制造的复合钢管。

9.根据权利要求8所述的复合钢管，其特征在于：

高炉渣中的金属熔滴在离心力的作用下与高炉渣中的熔渣分层，金属熔滴分布在与钢管内表面接触的玻璃和/或微晶玻璃内衬的外层，形成金属过渡层，熔渣分布在玻璃和/或微晶玻璃内衬的内表面。