CN115365274B

CN115365274B - 一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法

Info

Publication number: CN115365274B
Application number: CN202211144676.9A
Authority: CN
Inventors: 孙增青; 范晓慧; 刘轻松; 甘敏; 季志云; 黄晓贤; 陈许玲; 袁礼顺; 唐庆余; 邢金鑫
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2024-05-28
Anticipated expiration: 2042-09-20
Also published as: CN115365274A

Abstract

本发明公开了一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法。该方法是将钢渣破碎后，与水混合调成浆料，在所述浆料中通入含CO₂的气体进行碳化反应，碳化反应完成后，过滤分离，得到碳化钢渣；所得碳化钢渣依次进行干燥、粉磨和磁选，得到磁选铁精矿和磁选尾渣，该方法能够改善钢渣粉磨效果，提高钢渣中铁回收效率，同时最终磁选尾渣可以作为水泥掺和料或碱激发胶凝材料原料，实现了钢渣和工业烟气的资源化利用。

Description

一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法

技术领域

本发明涉及一种钢渣处理方法，特别涉及一种将钢渣经过碳化预处理以提高钢渣粉末效率以及提高铁矿磁选分离效率的方法，属于固废和废气资源化利用技术领域。

背景技术

我国是钢铁生产大国，2021年我国粗钢产率10.33亿吨，占全球粗钢产率的52.8％。钢铁生产过程中不可避免产生钢渣，钢渣占粗钢产率的10～15％，年产出量超1亿吨。现有钢渣资源化利用技术主要将钢渣细磨后用作建筑材料。但由于钢渣中游离氧化钙(f-CaO)含量高，易导致其作为建材使用过程中体积膨胀，会引发结构安全问题。此外，钢渣中的主要矿物成分(硅酸二钙、硅酸三钙)因经过高温过烧导致结构较为致密、韧性大，加之钢渣中铁氧化物含量高，使得钢渣既难破又难磨，粉磨效率低、成本高。目前，我国钢渣产生量大、利用率低，不仅占用大量土地，同时造成严重的资源浪费和潜在的生态环境污染。现有钢渣工艺普遍采用助磨剂，不仅增加了工艺成本，同时助磨剂粉磨后的钢渣用作建筑材料时，导致其与混凝土外加剂相容性差、应用效果不佳。钢渣细磨可实现含铁组元与钙镁组分的有效解离，对后续磁选回收铁具有促进作用。

此外，钢铁生产过程中同时排放大量CO₂，如我国钢铁工业碳排放量超19亿吨/年，占全国碳排放总量的15％。碳减排是钢铁工业高质量发展面临的重要难题。现有碳捕集技术主要针对燃煤发电领域，由于钢铁工业烟气中CO₂浓度低，导致捕集困难、成本高。

发明内容

针对现有技术中存在钢渣粉磨困难、利用率低以及钢铁冶炼二氧化碳烟气捕集困难，成本高等问题，本发明的目的是在于提供一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法，该方法是利用工业烟气来对钢渣进行碳化预处理，在碳化预处理过程中，一方面，利用钢渣来高效捕集和固定化烟气中的二氧化碳，减少碳排放，另外一方面，利用烟气中的二氧化碳来促进钢渣中难粉磨剥离的杂质物相进行转化通过化学作用方式促进杂质从铁矿物中分离，强化粉磨效果，可以提高后续粉磨效率和铁矿回收效率，第三方面，利用二氧化碳钢渣中游离氧化钙(f-CaO)转化成建筑材料所需的碳酸钙成分，可以解决钢渣直接作为建筑材料存在体系膨胀的技术问题，综上所述，该方法能够改善钢渣粉磨效果，提高钢渣中铁回收效率，同时获得优质的水泥掺和料或碱激发胶凝材料原料，实现了钢渣和工业烟气的资源化利用。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法，该方法是将钢渣破碎后，与水混合调成浆料，在所述浆料中通入含CO₂的气体进行碳化反应，碳化反应完成后，过滤分离，得到碳化钢渣；所得碳化钢渣依次进行干燥、粉磨和磁选，得到磁选铁精矿和磁选尾渣。

本发明技术方案的关键是在于对钢渣进行碳化预处理，碳化预处理过程中利用二氧化碳气体(可以来源于工业烟气)来对钢渣进行碳化反应，钢渣本身具有多孔结构，且包含大量可以与二氧化碳酸性气体反应的活性成分，因此，利用钢渣的物理吸附和化学反应作用可以实现工业烟气中低浓度二氧化碳的高效捕集和固定。同时，钢渣中含有大量铁氧化物及过烧硅酸钙等组分，导致钢渣粉磨困难，在钢渣碳化反应过程中CO₂主要与钙镁组分进行化学反应，CO₂能够高选择性地与钢渣中的Ca、Mg结合生成碳酸盐，不仅实现原始难磨矿相(硅酸二钙、硅酸三钙)的分解，同时有助于Fe-Si-Ca(Mg)界面解离，从而可以大幅度提高钢渣粉磨效率。因此，基于钢渣碳酸化固碳过程中化学反应和界面转化特征，利用二氧化碳酸性气体将钢渣中的铁酸盐及过烧硅酸钙等组分进行化学转化以促进这些组分与铁矿物解离，并强化后续粉磨效果，从而大幅度提高粉磨效果，降低粉磨能耗，有效克服原始钢渣铁酸盐及过烧硅酸钙组分难磨的问题。此外，碳化反应过程中二氧化碳可以将钢渣中的游离氧化钙(f-CaO)转化成碳酸钙，生成的碳酸钙以及钢渣中包含的不定型SiO₂等组分硬度小，在粉磨过程中易于优先细化，这些矿物的选择性细化有助于提高铁矿的磁选分离效果，提升磁选精矿铁品位，而经磁选过程分离铁矿后的矿物可直接用作水泥掺和料或碱激发胶凝材料原料，该方法同步实现了钢铁工业碳减排，钢渣高效粉磨，含铁组元回收及尾渣的资源化利用，对资源循环利用和实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要意义。

作为一个优选的方案，所述钢渣包括电炉钢渣、转炉钢渣、钢包精炼渣中至少一种，这是按照炼钢工艺分类。或者，所述钢渣包括热泼渣、风淬渣、滚筒渣、粒化轮渣、热闷渣中至少一种，这是按冷却方式分类。钢渣的这两种分类方式都是现有技术中比较常规的。

作为一个优选的方案，所述钢渣破碎至中位粒径≤5mm。如果钢渣粒度过粗，会影响后续烟气中二氧化碳的捕集效率，特别是对于二氧化碳浓度较低的工业烟气，必须要保证钢渣破碎的粒径。进一步优选，钢渣破碎至中位粒径1～5mm。

作为一个优选的方案，所述浆料中水与钢渣的液固质量比≥0.5。如果水与钢渣的质量比过低，会导致浆料粘稠，会影响二氧化碳在浆料中的扩散速率，如果水与钢渣的质量过高，会导致钢渣含量低，也会影响二氧化碳的捕集，从而影响固碳效果，进而对后续粉磨工艺造成不利影响。因此，进一步优选水与钢渣的质量比0.5～3.0。

作为一个优选的方案，所述含CO₂的气体中CO₂的体积分数≥8％。如果二氧化碳浓度较低会降低钢渣中钙镁组分转化的过程，CO₂浓度对反应速率具有控制性作用，烟气中CO₂浓度低会导致反应缓慢，影响处理效果，而二氧化碳浓度过高，则导致大部分二氧化碳不能被充分捕集。因此，含CO₂的气体中CO₂的体积分数优选控制在30％以内，最好是控制在10～20％。含CO₂的气体可以选择常规的工业烟气，如钢铁冶炼烟气。

作为一个优选的方案，所述碳化反应的条件为：温度≥20℃，CO₂通入质量与钢渣质量比0.05～0.5，反应时间15～360min。进一步优选的温度为20～80℃。在优选的碳化反应条件下有利于促进钢渣中铁酸盐及过烧硅酸钙等组分进行化学转化，理论上温度越高越有利于促进碳化反应，但是温度越高对设备及操作的要求越高，增加处理成本，因此控制在适当的温度范围内进行碳化反应。

作为一个优选的方案，所述碳化钢渣粉磨至粒度满足-200目粒级的质量分数占60％以上。细磨是钢渣中不同组分解离的重要前提，钢渣粉末-200目粒级的质量分数过低，则粉磨后的钢渣含有较多粗颗粒，其主要有铁、钙、硅、镁等多组分组成，不仅影响磁选分离效果，同时会降低磁选精矿铁品位，不利于钢渣中不同组分的深度分离。所述粉磨工艺按所用设备包括球磨机粉磨、立磨机粉磨、立磨-球磨机联合粉磨、辊压机粉磨、辊压机-球磨机联合粉磨、卧式辊磨粉磨等常规的粉磨方式。优选采用粉磨机粉磨，进一步优选的粉磨的条件为：转速600～1000r/min，球料比20～40:1，时间为5～15min。经过碳化后的钢渣在优选的粉磨条件下可以在较短时间内达到磁选粒度要求。

作为一个优选的方案，所述磁选采用的磁场强度为0.05～0.5T。本发明的磁选铁精矿品位大于36％。所述磁选工艺包括干式弱磁磁选、干式强磁磁选、湿式弱磁磁选、湿式强磁磁选中至少一种。如果采用的磁场强度低，会导致部分含铁颗粒难以被有效回收，进入磁选尾渣中，影响铁的回收率。磁场强度则会增加导致全过程能耗。

本发明的磁选尾渣主要包含碳酸钙和不定型活性硅成分，可用作水泥掺和料或碱激发材料原料。

与已有技术比较，本发明技术方案的优点及有益技术效果如下：

1)本发明基于钢铁工业生产特征，巧妙利用钢渣这种钢铁生产过程中产生的碱性副产物，与钢铁冶炼烟气结合，实现CO₂原位捕集，并且得到的固碳钢渣，其f-CaO含量大幅降低，有效解决了f-CaO制约钢渣在建筑材料中广泛使用的问题，为钢渣的资源化创造了条件，同步实现了钢铁企业CO₂减排和钢渣改性。

(2)本发明创新性地提出并利用钢渣碳酸化固碳和高效粉磨的协同构效关系，通过钢渣中钙镁组分与烟气CO₂的化学反应，促使其与钢渣中含铁组元解离，有效克服原始钢渣铁酸盐及过烧硅酸钙组分难磨的问题，从而大幅度提高粉磨效果，降低粉磨能耗。碳化过程中生成的碳酸钙、不定型SiO₂等组分硬度小，在粉磨过程中优先细化，经磁选过程分离后不仅可直接用作水泥掺和料或碱激发胶凝材料原料，同时其选择性细化有助于提高磁选分离效果，提升磁选精矿铁品位。

3)本发明基于钢渣的理化特征和钢铁工业发展现状，开发的钢渣低碳高效粉磨及全组分资源化利用工艺，同步实现了钢铁工业碳减排、钢渣高效粉磨、含铁组元回收及尾渣的资源化利用，具有可操作性强、成本低、适合大规模生产的特征。对资源循环利用和钢铁工业实现“碳达峰、碳中和”具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为实施例1钢渣碳化前后的对比XRD图谱；其中，左图为钢渣碳化前，右图为钢渣碳化后；从图2中可以看出碳化前钢渣中含有大量的硅酸钙矿物，如larnite，碳化后硅酸钙矿相衍射峰消失，同时在碳化后钢渣中检测出碳酸钙衍射峰，表明硅酸钙等物质参与碳化反应，生成了碳酸钙。

图3为实施例1钢渣碳化前后的微观结构对比扫描电镜图；其中，左图为钢渣碳化前，右图为钢渣碳化后；从图3中可以看出碳化前钢渣颗粒呈黑灰色且结构致密，碳化后钢渣颗粒呈白色且表面疏松多孔，这是由于碳化反应过程中CO₂与钙镁组分反应，大量生成的碳酸钙、碳酸镁等组分呈白色，这些组分与未碳化的组分结合较弱，结构疏松，易于粉磨。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。

以下实施例中钢渣主要组分为CaO、SiO₂、Fe₂O₃等，具体成分如表1所示。

表1钢渣化学组成(％)

对比实施例1

与实施例1相比，唯一区别在于：钢渣破碎后筛分获得平均粒径为10mm的颗粒。

粉磨后-200目含量占比63.1％，最终所得磁选精矿铁品位20.7％。说明粉磨效果差，难以获得高品位磁选精矿。

对比实施例2

与实施例3相比，唯一区别在于：按水/钢渣质量比0.35混合均匀制成浆体。

粉磨后-200目含量占比69.4％，最终所得磁选精矿铁品位21.4％。说明粉磨效果差，难以获得高品位磁选精矿。

实施例1

将钢渣破碎后筛分获得平均粒径5mm的颗粒，按水/钢渣质量比1.0混合均匀制成浆体，将CO₂体积分数15％的烟气通入浆体中进行反应，反应温度25℃，反应时间30min，CO₂通入量与钢渣质量比为0.1，之后将浆体过滤，滤液回用至浆体制备过程，滤渣经干燥后采用球磨机粉磨，转速800r/min，球料质量比30:1，时间为10min，粉磨后-200目含量占比95.2％，采用湿式弱磁选机在0.06T磁场强度下磁选分离，所得磁选精矿铁品位42.3％。

实施例2

将钢渣破碎后筛分获得平均粒径4mm的颗粒，按水/钢渣质量比0.5混合均匀制成浆体，将CO₂体积分数20％的烟气通入浆体中进行反应，反应温度20℃，反应时间200min，CO₂通入量与钢渣质量比为0.4，之后将浆体过滤，滤液回用至浆体制备过程，滤渣经干燥后采用球磨机粉磨，转速800r/min，球料质量比30:1，时间为10min，粉磨后-200目含量占比95.9％，采用干式强磁选机在0.15T磁场强度下磁选分离，所得磁选精矿铁品位45.8％。

实施例3

将钢渣破碎后筛分获得平均粒径5mm的颗粒，按水/钢渣质量比1.5混合均匀制成浆体，将CO₂体积分数10％的烟气通入浆体中进行反应，反应温度30℃，反应时间360min，CO₂通入量与钢渣质量比为0.3，之后将浆体过滤，滤液回用至浆体制备过程，滤渣经干燥后采用球磨机粉磨，转速800r/min，球料质量比30:1，时间为10min，粉磨后-200目含量占比97.3％，采用干式强磁选机在0.2T磁场强度下磁选分离，所得磁选精矿铁品位38.7％。

实施例4

将钢渣破碎后筛分获得平均粒径5mm的颗粒，按水/钢渣质量比2.0混合均匀制成浆体，将CO₂体积分数8％的烟气通入浆体中进行反应，反应温度60℃，反应时间15min，CO₂通入量与钢渣质量比为0.5，之后将浆体过滤，滤液回用至浆体制备过程，滤渣经干燥后采用球磨机粉磨，转速900r/min，球料质量比30:1，时间为8min，粉磨后-200目含量占比96.8％，采用干式强磁选机在0.5T磁场强度下磁选分离，所得磁选精矿铁品位36.9％。

实施例5

将钢渣破碎后筛分获得平均粒径5mm的颗粒，按水/钢渣质量比3.0混合均匀制成浆体，将CO₂体积分数12％的烟气通入浆体中进行反应，反应温度80℃，反应时间105min，CO₂通入量与钢渣质量比为0.05，之后将浆体过滤，滤液回用至浆体制备过程，滤渣经干燥后采用球磨机粉磨，转速700r/min，球料比30:1，时间为12min，粉磨后-200目含量占比91.7％，采用湿式弱磁选机在0.05T磁场强度下磁选分离，所得磁选精矿铁品位42.8％。

Claims

1. 一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法，其特征在于：将钢渣破碎后，与水混合调成浆料，在所述浆料中通入含CO₂的气体进行碳化反应，碳化反应完成后，过滤分离，得到碳化钢渣；所得碳化钢渣依次进行干燥、粉磨和磁选，得到磁选铁精矿和磁选尾渣；所述浆料中水与钢渣的液固质量比为0.5~3.0；所述碳化反应的条件为：温度≥20℃，CO₂通入质量与钢渣质量比0.05~0.5，反应时间15~360 min。

2.根据权利要求1所述的一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法，其特征在于：所述钢渣包括电炉钢渣、转炉钢渣、钢包精炼渣中至少一种；或者，所述钢渣包括热泼渣、风淬渣、滚筒渣、粒化轮渣、热闷渣中至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法，其特征在于：所述钢渣破碎至中位粒径≤5mm。

4.根据权利要求1所述的一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法，其特征在于：所述含CO₂的气体中CO₂的体积分数≥8%。

5.根据权利要求1所述的一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法，其特征在于：所述碳化钢渣粉磨至粒度满足-200目粒级的质量分数占60%以上。

6.根据权利要求1所述的一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法，其特征在于：所述磁选采用的磁场强度为0.05~0.5T。