CN114126783B - 利用炉渣离心铸造复合钢管的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用炉渣离心铸造复合钢管的方法，包括如下步骤：C)用离心铸造工艺将熔融状态的炉渣浇铸到钢管内，D)使炉渣冷却，在钢管内表面形成玻璃或微晶玻璃内衬；其中炉渣包括从高炉渣和钢渣中选出的一种。以及一种用上述方法制造的复合钢管。该方法利用炼钢过程中产生的熔融炉渣，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。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

利用炉渣离心铸造复合钢管的方法

技术领域

本发明涉及利用炉渣离心铸造复合钢管的方法，所述炉渣包括从高炉渣和钢渣中选出的一种。

背景技术

钢铁工业的固体废弃物主要由高炉渣或钢渣构成，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。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，每吨高炉渣含热量约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。

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，用于水泥生产时设备磨损比较严重。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。

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。

目前钢渣的应用主要在如下几个方面，在钢铁行业内利用磁选方法从钢渣回收废钢，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。

发明内容

根据本发明，提供了一种利用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炉渣浇铸到钢管内，

D)使炉渣冷却，在钢管内表面形成玻璃和/或微晶玻璃内衬，

其中所述炉渣包括从下列物质中选出的一种：高炉渣和钢渣。

具体实施方式，目前业界对高炉渣或钢渣的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。

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

在本申请中，“高炉渣”(Blast furnace slag)指的是在高炉炼铁过程中，由矿石中的脉石、燃料中的灰分和溶剂(一般是石灰石)中的非挥发组分形成的固体废物。

在本申请中，“钢渣”(Steel slag)指的是炼钢过程中的一种副产品，它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。

本发明利用炼铁和炼钢过程中产生的熔融高炉渣或钢渣，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或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。

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。

在本发明的一个实施例中，向熔融钢渣中直接加入玻璃粉、石英粉、或者加入含B₂O₃的玻璃粉对熔融高炉渣进行改质，降低高炉渣中所含CaO和MgO的比例，再将调整成分后的熔融高炉渣注入钢管内，使用离心铸造工艺在钢管内表面形成玻璃和/或微晶玻璃内衬，改善玻璃和/或微晶玻璃的性能。

向熔融高炉渣中直接加入玻璃粉、石英粉和/或含B₂O₃的玻璃粉对钢渣进行改质过程中，因为石英粉或玻璃粉溶解，可能会使钢渣熔体的温度降低，粘度增高，工艺性变差。

在本发明的另一个实施例中，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，补偿因玻璃粉或石英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陶瓷内衬层。

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。

在本发明的又一个实施例中，将钢渣在熔融状态注入钢管内，使用离心铸造工艺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³，而其中熔融金属颗粒(金属熔滴)的密度约为7.8克/厘米³，在离心力的作用下，较高密度的金属熔滴与熔渣分层，分布在与钢管内表面接触的最内层，形成金属过渡层，熔渣分布在最内表面。

钢渣中含有较多的CaO和MgO，直接制备玻璃或微晶玻璃性能较差。

在本发明的又一个实施例中，向熔融钢渣中直接加入玻璃粉、石英粉和/或者加入含B₂O₃的玻璃粉对钢渣进行改质，改善玻璃和/或微晶玻璃的性能。

向熔融钢渣中直接加入玻璃粉、石英粉和/或含B₂O₃的玻璃粉对钢渣进行改质过程中，因为玻璃粉、石英粉和/或玻璃粉溶解，可能会使钢渣熔体的温度降低，粘度增高，工艺性变差。

在本发明的又一个实施例中，先采用铝热离心工艺，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，补偿因玻璃粉、石英粉的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和/或微晶玻璃内衬层。

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。

针对高炉渣和钢渣回收存在的问题，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或钢渣熔体，在离心力的作用下使熔融玻璃态的高炉渣或钢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或钢渣。高炉渣一般成分比较稳定，而钢渣成分波动比较大，而且钢渣分前渣和尾渣，一般情况下尾渣玻璃形成能力较强，其中金属含量也很少。将熔融尾渣注入特殊容器中收集好，之后在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，制备得到玻璃和/或微晶玻璃内衬复合钢管。

另外，如果高炉渣或钢渣成分不理想，可通过添加改变熔融渣特性的有效成分提高熔融高炉渣或钢渣的玻璃形成能力，比如添加普通玻璃粉、石英粉(SiO₂粉)、B₂O₃粉调整高炉渣或钢渣成分。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的钢管内表面上，再浇铸高炉渣或钢渣熔体，达到调整高炉渣或钢渣成分的目的。

此外，如果熔融高炉渣或钢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，之后再浇铸熔融高炉渣或钢渣，因为有金属和氧化铝陶瓷层存在，能缓解热应力，防止玻璃层或微晶玻璃层开裂。

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。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。

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。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5：

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。

将炼钢钢渣收集到特制的渣包中，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6：

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 (7)

1.利用炉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)向熔融状态下的炉渣中加入玻璃粉/石英粉和/或含B2O3的玻璃粉，对炉渣进行改质，

C)在进行了所述步骤A1)－A3)操作之后，用离心铸造工艺将熔融状态的炉渣浇铸到钢管内，随后

D)使浇铸到钢管内的炉渣冷却，在钢管内表面形成玻璃和/或微晶玻璃内衬，

其中所述炉渣是高炉渣，所述高炉渣是高炉炼铁过程中产生的、未被冷却过的熔融高炉渣。

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。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于向熔融状态的炉渣中添加改变熔融状态的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炉渣的收集容器中添加了改变熔融状态的炉渣的特性的材料的粉末，搅拌熔融状态的炉渣，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炉渣的特性的材料的粉末先刷涂在钢管的内表面上。

4.一种复合钢管，其特征在于该复合钢管是采用包括以下步骤的方法制造的：

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)向熔融状态下的炉渣中加入玻璃粉/石英粉和/或含B2O3的玻璃粉，对炉渣进行改质，

C)在进行了所述步骤A1)－A3)操作之后，用离心铸造工艺将熔融状态的炉渣浇铸到钢管内，随后

D)使浇铸到钢管内的炉渣冷却，在钢管内表面形成玻璃和/或微晶玻璃内衬，

其中所述炉渣是高炉渣，所述高炉渣是高炉炼铁过程中产生的、未被冷却过的熔融高炉渣。

5.根据权利要求4所述的复合钢管，其特征在于：

炉渣中的金属熔滴在离心力的作用下与炉渣中的熔渣分层，金属熔滴分布在玻璃和/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。

6.根据权利要求4所述的复合钢管，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。

7.根据权利要求4所述的复合钢管，其特征在于向熔融状态的炉渣中添加改变熔融状态的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炉渣的收集容器中添加了改变熔融状态的炉渣的特性的材料的粉末，搅拌熔融状态的炉渣，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炉渣的特性的材料的粉末先刷涂在钢管的内表面上。