CN115677246A - 一种利用钢渣制备水泥混合材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用钢渣制备水泥混合材的方法,所述方法包括如下步骤:对钢渣依次进行铵盐处理和筛分,得到筛上粗粒钢渣和第一筛下混合料;将得到的筛上粗粒钢渣依次进行第一磁选、酸处理和筛分,得到筛上粗粒稳定化钢渣和第二筛下混合料;将得到的筛上粗粒稳定化钢渣依次进行第一烘干、第一研磨和风选,得到细粒钢渣微粉;将得到的第一筛下混合料和第二筛下混合料均进行脱水处理,得到混合料,对混合料依次进行第二磁选、碱处理、第二烘干、第二研磨得到细粒钢渣粉,之后将细粒钢渣粉和细粒钢渣微粉混合,得到所述水泥混合材。克服了现有钢渣制备水泥混合材方法存在游离氧化钙消解不彻底、钢渣掺入量有限及惰性组分无法有效活化等问题。
Description
技术领域
本发明涉及固废资源综合利用领域,具体涉及一种利用钢渣制备水泥混合材的方法。
背景技术
钢渣是钢铁生产过程产生的副产物,平均冶炼1吨钢将产生约0.125吨钢渣。钢渣的主要化学成分包括:CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5,除此之外还含有一些重金属元素钒、镍和稀有金属钛等其他成分。钢渣主要矿物组成为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、钙镁橄榄石(CaO·RO·SiO2)、钙镁蔷薇辉石(3CaO·RO·2SiO2)、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰的氧化物形成的固熔体(RO),还含有少量游离氧化钙(f-CaO)/氧化镁、氢氧化钙、碳酸钙、金属铁、氟磷灰石等。
目前,我国钢渣的资源综合利用率不到50%,国内积存钢渣已有1亿吨以上,且每年仍以数千万吨的排渣量递增,大量钢渣堆积成渣山,不仅占用大量土地,而且其在存放过程中因风化而产生碱性粉尘,严重污染周围的环境。
目前,在世界范围内利用钢渣的主要途径分为以下几类:
①生产钢渣水泥:钢渣中含有大量硅酸二钙和硅酸三钙等活性物质,将钢渣破碎后与其他掺合料和适量石膏一起混合磨细后即可制得钢渣水泥。
②配制混凝土:采用磨细钢渣掺合料可以取代部分水泥应用在混凝土中,不仅对水泥适应性好,还可改善混凝土拌合物粘聚性、减小摩擦力等,提高混凝土的强度、抗渗性、抗冻性及耐久性等。
③用作水泥掺和料:钢渣中含有较高的Fe2O3,适合替代铁矿粉用于水泥生产的掺合料,且有较高的CaO含量,可作为部分石灰石的替代品。
④生产钢渣砖和砌块:将钢渣与粘结剂、激发剂按照一定的配比,经轮碾压制成型,再烧结或者经蒸汽养护而制成,其质量可达到或超过普通粘土烧结砖的标准,可广泛用于工业和民用建筑中。
⑤用作地基材料:钢渣膨胀粉化后,可与石料、土夹石等回填料同时使用,经常规压实,作为地基材料使用,其承载压强可达300KPa。
⑥用作公路、铁路基础和回填工程材料:钢渣碎石具有容重大、强度高、表面粗糙、稳定性好、耐磨性好、与沥青结合牢固等优点,因而可以广泛用于修筑公路、铁路的基础、工程回填等领域。
尽管钢渣的利用途径很多,钢渣资源化技术的开发及应用也取得了一定的成绩。但是总体而言,我国钢渣的利用率还不高,要稳定可靠地应用钢渣还存在许多制约因素。随着我国城镇化建设迅猛发展,我国水泥年消耗量超过20亿吨。水泥一般是由水泥熟料、石膏缓凝剂以及其他矿渣、粉煤灰等水泥混合材组成,其中水泥中水泥熟料的用量占比大约为75%。大量水泥的消耗也就意味需要生产更多的水泥熟料,而大量水泥熟料的生产也将消耗大量的石灰石资源,同时排放大量的温室气体CO2。钢渣中含有的硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸钙等具有胶凝活性的矿物与水泥熟料基本相似。将钢渣用于水泥生产代替部分水泥熟料,不仅可减少石灰石资源开采以及减少温室气体CO2排放,而且也可实现钢渣等固废资源大规模有效利用。
将钢渣磨细后制成钢渣微粉可用于水泥生产,但钢渣粉的添加量非常有限。一方面钢渣含有的活性氧化钙、氧化镁等容易引起水泥制品安定性不良,另一方钢渣中的惰性组分显著降低水泥制品的强度。因此,消除钢渣的不安定因素以及减少钢渣中惰性组分含量或者激发惰性组分胶凝活性,是实现钢渣大规模用于水泥生产的关键。
目前,利用钢渣直接制备水泥混合材的方法主要是将钢渣先进行长时间陈化然后磨制成钢渣微粉,所得钢渣微粉与矿渣微粉按照一定比例掺入水泥熟料中制成钢渣硅酸盐水泥,所得钢渣微粉的掺量一般不高于20%,进一步提高钢渣微粉的掺加量不仅会引起水泥安定性不合格,而且也显著降低了水泥强度。
如CN110563353A公开了一种利用矿渣和钢渣尾渣制备钢渣复合微粉的方法,其主要是先将矿渣和钢渣尾渣按照一定质量比混合破碎选铁,然后添加激发剂并进行研磨活化风选得到复合微粉。CN110885203A公开了一种复合矿物掺和料及其制备方法,其主要是将钢渣粉与铁尾矿微粉和矿渣粉按照一定比例混合研磨,利用钢渣粉中的钙基组分与经过机械力化学活化的铁尾矿微粉或者矿渣微粉中的活性硅铝质材料充分反应,由此制得具有较高活性的复合矿物掺和料。
然而上述方法都需要添加其他矿物原料如矿渣、铁尾矿等与钢渣混合研磨,利用酸性矿物如活性硅铝质材料与钢渣中游离氧化钙反应,由此消除钢渣不稳定因素。由于上述反应为固固反应过程,难以充分进行,一方面存在水泥制品安定性不良的影响,另一方面钢渣掺入量也有限,难以实现钢渣大规模用于水泥生产的目的,进一步地也无法对钢渣中的惰性组分无法完全活化的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种利用钢渣制备水泥混合材的方法,以克服现有钢渣制备水泥混合材方法存在游离氧化钙消解不彻底、钢渣掺入量有限及惰性组分无法有效活化等问题,可以有效控制所制得水泥混合材中游离氧化钙含量,从而显著提高水泥制品的安定性,并且可以在不需添加其他矿物的情况下,直接将钢渣制备水泥混合材,由此可以现钢渣大规模用于水泥生产。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供了一种利用钢渣制备水泥混合材的方法,所述方法包括如下步骤:
(1)对钢渣依次进行铵盐处理和筛分,得到筛上粗粒钢渣和第一筛下混合料;
(2)将步骤(1)得到的所述筛上粗粒钢渣依次进行第一磁选、酸处理和筛分,得到筛上粗粒稳定化钢渣和第二筛下混合料;
(3)将步骤(2)得到的所述筛上粗粒稳定化钢渣依次进行第一烘干、第一研磨和风选,得到细粒钢渣微粉;
(4)将步骤(1)得到的所述第一筛下混合料和步骤(2)得到的所述第二筛下混合料均进行脱水处理,得到混合料,对所述混合料依次进行第二磁选、碱处理、第二烘干、第二研磨得到细粒钢渣粉,之后将所述细粒钢渣粉和步骤(3)得到的所述细粒钢渣微粉混合,得到所述水泥混合材。
本发明提供的技术方案首先采用物理粉碎、筛分处理方法,实现钢渣分级利用,然后采用化学药剂浸蚀的方法,实现钢渣中游离氧化钙、氧化镁高效选择性脱除,最后通过碱对化学浸蚀后所得细颗粒钢渣表面的硅羟基发生反应进而实现惰性物质的活化,从而原位形成具有能与水泥熟料之间发生交联作用的硅酸钠/硅酸钾,由此将钢渣中非活性组分有效活化,所制备的水泥混合材可大掺量用于水泥生产,所得水泥混合材的比表面积>450m2/kg。
本发明的技术方案中通过采用铵盐介质可以使的钢渣表面的惰性矿物活化,可以使颗粒钢渣表面生成更多的硅羟基,进而可以强化碱处理过程,使得钢渣与水泥熟料之间具有较好的相容性,使得水泥混合材可以代替水泥熟料使用。
作为本发明优选的技术方案,步骤(1)所述钢渣的粒度≤2.36-4.75mm,例如可以是2.36mm、2.4mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm、3mm、3.1mm、3.2mm、3.3mm、3.4mm、3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm或4.75mm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,步骤(1)所述铵盐处理中的铵盐介质为硝酸铵或醋酸铵的水溶液。
优选地,所述水溶液中铵根离子的浓度为5-10mol/L,例如可以是5mol/L、5.5mol/L、6mol/L、6.5mol/L、7mol/L、7.5mol/L、8mol/L、8.5mol/L、9mol/L、9.5mol/L或10mol/L等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(1)所述铵盐处理中的固液比g/mL为1:(5-10),例如可以是1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5、1:8、1:8.5、1:9、1:9.5或1:10等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(1)所述铵盐处理的温度为80-100℃,例如可以是80℃、82℃、84℃、86℃、88℃、90℃、92℃、94℃、96℃、98℃或100℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(1)所述铵盐处理的时间为30-90min,例如可以是30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min、80min、85min或90min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,步骤(1)所述筛上粗粒钢渣的粒度>0.15-0.3mm,例如可以是0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.2mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm、0.29mm或0.3mm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,步骤(2)所述酸处理的对象为所述第一磁选得到的磁选尾矿。
优选地,步骤(2)所述酸处理中的酸介质为硝酸或醋酸。
优选地,所述酸介质中氢离子的浓度为0.5-1mol/L,例如可以是0.5mol/L、0.55mol/L、0.6mol/L、0.65mol/L、0.7mol/L、0.75mol/L、0.8mol/L、0.85mol/L、0.9mol/L、0.95mol/L或1mol/L等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(2)所述酸处理中的固液比g/mL为1:(5-10),例如可以是1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5、1:8、1:8.5、1:9、1:9.5或1:10等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(2)所述酸处理的温度为60-90℃,例如可以是60℃、62℃、64℃、66℃、68℃、70℃、72℃、74℃、76℃、78℃、80℃、82℃、84℃、86℃、87℃、88℃或90℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(2)所述酸处理的时间为30-90min,例如可以是30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min、80min、85min或90min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,步骤(2)所述筛上粗粒稳定化钢渣的粒度>0.1-0.3mm,例如可以是0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm、0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.2mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm、0.29mm或0.3mm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,步骤(3)所述第一烘干后物料的含水率<1%,例如可以是0.9%、0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、0.4%、0.3%、0.2%、0.1%、0.05%或0.01%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(3)所述第一研磨的时间为20-90min,例如可以是20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min、80min、85min或90min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(3)所述细粒钢渣微粉的粒度<30μm,例如可以是29μm、28μm、26μm、24μm、22μm、20μm、18μm、16μm、14μm、12μm、10μm、8μm、6μm、4μm、2μm或1μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,步骤(4)所述碱处理的对象为所述第二磁选得到磁选尾矿。
优选地,步骤(4)所述碱处理的碱介质包括氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
优选地,步骤(4)所述碱处理中碱介质的质量浓度为0.1-1%,例如可以是0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%或1%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(4)所述碱处理中的固液比g/mL为1:(0.01-0.05),例如可以是1:0.01、1:0.015、1:0.02、1:0.025、1:0.03、1:0.035、1:0.04、1:0.045或1:0.05等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(4)所述第二烘干后的物料的含水率<1%,例如可以是0.9%、0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、0.4%、0.3%、0.2%、0.1%、0.05%或0.01%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(4)所述第二研磨的时间为20-60min,例如可以是20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,步骤(4)所述脱水处理中所述第一筛下混合料经所述脱水处理得到的料液依次经碳酸化处理和固液分离,得到碳酸钙和滤液。
优选地,所述碳酸化处理为向溶液中通入二氧化碳气体。
优选地,所述二氧化碳气体包括经过除杂提纯的工业尾气或含有杂质气体的二氧化碳混合气体。
优选地,所述滤液返回步骤(1)所述铵盐处理。
优选地,步骤(4)所述脱水处理中所述第二筛下混合料经所述脱水处理得到料液返回步骤(2)所述酸处理。
作为本发明优选的技术方案,所述方法包括如下步骤:
(1)对钢渣依次进行铵盐处理和筛分,得到筛上粗粒钢渣和第一筛下混合料;所述钢渣的粒度≤2.36-4.75mm;所述铵盐处理中的铵盐介质为硝酸铵或醋酸铵的水溶液;所述水溶液中铵根离子的浓度为5-10mol/L;所述铵盐处理中的固液比g/mL为1:(5-10);所述铵盐处理的温度为80-100℃;所述铵盐处理的时间为30-90min;所述筛上粗粒钢渣的粒度>0.15-0.3mm;
(2)将步骤(1)得到的所述筛上粗粒钢渣依次进行第一磁选、酸处理和筛分,得到筛上粗粒稳定化钢渣和第二筛下混合料;所述酸处理的对象为所述第一磁选得到的磁选尾矿;所述酸处理中的酸介质为硝酸或醋酸;所述酸介质中氢离子的浓度为0.5-1mol/L;所述酸处理中的固液比g/mL为1:(5-10)mL;所述酸处理的温度为60-90℃;所述酸处理的时间为30-90min;所述筛上粗粒稳定化钢渣的粒度>0.1-0.3mm;
(3)将步骤(2)得到的所述筛上粗粒稳定化钢渣依次进行第一烘干、第一研磨和风选,得到细粒钢渣微粉;所述第一烘干后物料的含水率<1%;所述第一研磨的时间为20-90min;所述细粒钢渣微粉的粒度<30μm;
(4)将步骤(1)得到的所述第一筛下混合料和步骤(2)得到的所述第二筛下混合料均进行脱水处理,得到混合料,对所述混合料依次进行第二磁选、碱处理、第二烘干、第二研磨得到细粒钢渣粉,之后将所述细粒钢渣粉和步骤(3)得到的所述细粒钢渣微粉混合,得到所述水泥混合材;所述碱处理的对象为所述第二磁选得到磁选尾矿;所述碱处理的碱介质包括氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液;所述碱处理中碱介质的质量浓度为0.1-1%;所述碱处理中的固液比g/mL为1:(0.01-0.05);所述第二烘干后的物料的含水率<1%;所述第二研磨的时间为20-60min;
其中,步骤(4)所述脱水处理中所述第一筛下混合料经所述脱水处理得到的料液依次经碳酸化处理和固液分离,得到碳酸钙和滤液;所述碳酸化处理为向溶液中通入二氧化碳气体;所述二氧化碳气体包括经过除杂提纯的工业尾气或含有杂质气体的二氧化碳混合气体;所述滤液返回步骤(1)所述铵盐处理;步骤(4)所述脱水处理中所述第二筛下混合料经所述脱水处理得到料液返回步骤(2)所述酸处理。
本发明所用对象为钢铁行业生产过程产生的大量难处理固体废渣,主要含有钙、镁、铁、铝和硅等有价元素,其中钢渣中还含有大量游离的氧化钙,容易吸收空气中的水和CO2使自身体积发生膨胀,从而使得钢渣制品体积不稳定,容易开裂。利用钢渣制备水泥混合材,其关键在于一方面如何消除钢渣中游离氧化钙、氧化镁的影响,同时尽可能不破坏钢渣中具有胶凝活性的矿物组成,另一方面就是如何有效激发钢渣中非活性组分,使之能有效于水泥熟料之间发生交联作用,从而不影响所制得水泥制品强度的发挥。
本发明的技术方案中一方面通过利用低浓度酸性介质对钢渣的较强渗透作用,可以高效选择性脱除钢渣内部包裹的活性氧化钙、氧化镁,同时可尽量保持钢渣所具有的潜在胶凝特性,由此使得处理后的钢渣具有广阔的应用市场,另一方面采用高浓度铵盐介质可以使钢渣表面暴露的活性氧化钙、氧化镁高效脱除,并且可以同时把钢渣表面的惰性矿物活化,使钢渣颗粒表面生成更多的硅羟基,进而可以强化碱处理过程,使得钢渣与水泥熟料之间具有较好的相容性,使得产品可以代替水泥熟料使用。
本发明中,上述粒度小于或大于一定的范围为筛分后保证筛下或筛上的粒度小于或大于范围内的值即可,如钢渣的粒度≤2.36-4.75mm,实际选择钢渣的粒度可以是≤2.36mm、≤3mm、≤4.75mm等。其他的类似关于粒度的限定依次类推即可。
与现有技术方案相比,本发明至少具有以下有益效果:
(1)相比于传统方法,本发明可以近乎完全选择性脱除钢渣中活性氧化钙、氧化镁,由此可彻底消除传统方法所制备水泥混合材存在安定性不良的隐患。
(2)相比于传统方法,本发明可以在不需添加其他矿物的情况下,直接将钢渣制备成比表面积>450m2/kg水泥混合材,活性指数达到国家标准(GB/T51003-2014),由此可以实现钢渣大规模用于水泥生产。
(3)本发明采用高浓铵盐介质和低浓度酸性介质耦合处理钢渣并生产水泥混合材的方法,一方面可以有效减少碱性激发剂的用量,由此减少水泥碱集料反应程度,进一步提升了所得钢渣水泥混合材的产品质量,另一方面采用低浓度酸性介质处理粗颗粒钢渣,使得钢渣颗粒表面裂纹增多,可显著减少钢渣粉磨电耗。
(4)本发明特别适合利用冷态钢渣制备水泥混合材,易于大规模工业应用,经济效益显著和工业应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明实施例1中水泥混合材的制备方法示意图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子,并不代表或限制本发明的权利保护范围,本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
为更好地说明本发明,便于理解本发明的技术方案,本发明的典型但非限制性的实施例如下:
实施例1
本实施例提供了一种利用钢渣制备水泥混合材的方法,如图1所示。
本实施例中选用的钢渣中主要成分为:~45%CaO、~10%MgO、~20%SiO2、~20%FeO、以及~5%其他杂质,具体工艺过程如下:
(1)将20000g钢渣进行机械粉碎,得到钢渣固体颗粒;
(2)将机械粉碎后的钢渣颗粒进行物理筛分处理,对于粒径大于4.75mm的钢渣颗粒返回步骤(1)进行机械粉碎;
(3)向由步骤(2)得到粒径小于4.75mm的钢渣颗粒中加入100L铵根离子浓度为10mol/L的硝酸铵溶液,在100℃下搅拌90分钟;
(4)将由步骤(3)得到的钢渣铵盐媒质混合料浆进行一次湿式筛分,筛网孔径为0.15mm,由此得到17000g粒径>0.15mm但<4.75mm的粗钢渣颗粒,以及粒径≤0.15mm的细钢渣颗粒与铵盐媒质混合而成的料浆;
(5)将由步骤(4)得到的细钢渣颗粒与铵盐媒质混合而成的料浆进行一次过滤分离,得到3000g含水率为30%的细颗粒滤饼以及含硝酸钙、硝酸铵及氨水混合滤液;
(6)将步骤(5)中得到的含铵盐媒质滤液中通入纯度为99.5%的CO2气体,在反应温度80℃,CO2分压1bar及反应时间30分钟条件下进行碳酸化反应,得到含水率为0.5%的轻质碳酸钙产品1600g,分离出轻质碳酸钙产品的滤液直接返回步骤(3)中;
(7)将由步骤(4)得到的粗钢渣颗粒进行一次磁选,磁选出600g钢粒后,得到16400g粗颗粒钢渣砂(磁选尾矿);
(8)向由步骤(7)得到的粗颗粒钢渣砂中加入82L氢离子浓度为1.0mol/L的硝酸,在60℃下搅拌30分钟;
(9)将步骤(8)二次浸出反应后得到的物料进行二次湿式筛分,筛网孔径为0.1mm,由此得到15000g粒径>0.1mm但<4.75mm的稳定化粗钢渣砂,以及粒径≤0.1mm的细钢渣颗粒与硝酸、硝酸钙及水混合而成的料浆;
(10)将步骤(9)二次湿式筛分分离出稳定化粗钢渣砂后的物料进行二次过滤分离,得到1000g含水率为30%的细颗粒钢渣滤饼及滤液,所得滤液补充一定量的硝酸,使得滤液中氢离子浓度达到1.0mol/L后返回步骤(8);
(11)将步骤(8)得到的稳定化粗钢渣砂进行一次烘干使得粗钢渣砂含水率小于1%,然后进行球磨90分钟;
(12)将步骤(11)球磨后的物料进行风选,分离出12000g粒径≤30微米的细钢渣微粉,剩余3000g粒径较大的钢渣颗粒返回步骤(3)一次浸出过程;
(13)将步骤(5)得到的一次浸出残渣以及及步骤(10)得到的二次浸出残渣混合后进行二次磁选,磁选出1000g含水率20%铁品位为45%的细铁粉,得到3600g含水率为30%的细颗粒钢渣粉滤饼(磁选尾矿);
(14)将步骤(13)磁选后得到的细颗粒钢渣粉滤饼中加入25.2mL质量浓度为1%的氢氧化钠溶液并混合均匀;
(15)将步骤(14)得到的混合物料进行二次烘干使得细颗粒钢渣粉含水率小于1%,然后进行球磨60分钟;
(16)将步骤(12)风选后得到的细钢渣微粉以及步骤(15)球磨后的细颗粒钢渣粉进行混合,得到14520g比表面积为550m2/kg的活性钢渣微粉(水泥混合材)。
将该活性钢渣微粉作为水泥的掺合料代替50%的水泥熟料,所得矿粉经检测,7天活性指数达到80%,28天活性指数达到92%。
此外,在本实施例步骤(12)风选后剩余的3000g粒径较大的钢渣颗粒重新返回步骤(3)至步骤(16)后,得到1750g比表面积为500m2/kg的活性钢渣微粉,以及得到1200g铁品位为40%的细铁粉。
基于此,本实施例中处理每吨钢渣可以得到800kg的可以替代部分水泥熟料的活性钢渣微粉,同时分离出细铁粉80kg,钢粒30kg,并得到高品质轻质碳酸钙80kg,具有良好的经济效益。
实施例2
本实施例提供了一种利用钢渣制备水泥混合材的方法,本实施例中选用的钢渣中主要成分为:~45%CaO、~10%MgO、~20%SiO2、~20%FeO、以及~5%其他杂质,具体工艺过程如下:
(1)将20000g钢渣进行机械粉碎,得到钢渣固体颗粒;
(2)将机械粉碎后的钢渣颗粒进行物理筛分处理,对于粒径>2.36mm的钢渣颗粒返回步骤(1)进行机械粉碎;
(3)向由步骤(2)得到粒径≤2.36mm的钢渣颗粒中加入100L铵根离子浓度为5mol/L的醋酸铵溶液,在60℃下搅拌90分钟;
(4)将由步骤(3)得到的钢渣铵盐媒质混合料浆进行一次湿式筛分,筛网孔径为0.15mm,由此得到16500g粒径>0.15mm但≤2.36mm的粗钢渣颗粒,以及粒径≤0.15mm的细钢渣颗粒与铵盐媒质混合而成的料浆;
(5)将由步骤(4)得到的细钢渣颗粒与铵盐媒质混合而成的料浆进行一次过滤分离,得到3000g含水率为30%的细颗粒滤饼以及含醋酸钙、醋酸铵及氨水混合滤液;
(6)将步骤(5)中得到的含铵盐媒质滤液中通入纯度为99.5%的CO2气体,在反应温度100℃,CO2分压10bar及反应时间10分钟条件下进行碳酸化反应,得到含水率为0.5%的轻质碳酸钙产品2000g,分离出轻质碳酸钙产品的滤液直接返回步骤(3)中进行细钢渣颗粒中活性氧化钙、氧化镁的溶出;
(7)将由步骤(4)得到的粗钢渣颗粒进行一次磁选,磁选出600g钢粒后,得到15900g粗颗粒钢渣砂(磁选尾矿);
(8)向由步骤(7)得到的粗颗粒钢渣砂中加入159L氢离子浓度为1.0mol/L的醋酸,在95℃下搅拌90分钟;
(9)将步骤(8)二次浸出反应后得到的物料进行二次湿式筛分,筛网孔径为0.1mm,由此得到14000g粒径>0.1mm但≤2.36mm的稳定化粗钢渣砂,以及粒径≤0.1mm的细钢渣颗粒与醋酸、醋酸钙及水混合而成的料浆;
(10)将步骤(9)二次湿式筛分分离出稳定化粗钢渣砂后的物料进行二次过滤分离,得到1400g含水率为30%的细颗粒钢渣滤饼及滤液,所得滤液补充一定量的醋酸,使得滤液中氢离子浓度达到1.0mol/L后返回步骤(8);
(11)将步骤(8)得到的稳定化粗钢渣砂进行一次烘干使得粗钢渣砂含水率小于1%,然后进行球磨30分钟;
(12)将步骤(11)球磨后的物料进行风选,分离出10500g粒径小于20微米的细钢渣微粉,剩余3500g粒径较大的钢渣颗粒返回步骤(3)一次浸出过程;
(13)将步骤(5)得到的一次浸出残渣以及步骤(10)得到的二次浸出残渣混合后进行二次磁选,磁选出1200g含水率20%铁品位为45%的细铁粉,得到4000g含水率为30%的细颗粒钢渣粉滤饼(磁选尾矿);
(14)将步骤(13)磁选后得到的细颗粒钢渣粉滤饼中加入120mL质量浓度为0.1%的氢氧化钠溶液并混合均匀;
(15)将步骤(14)得到的混合物料进行二次烘干使得细颗粒钢渣粉含水率小于1%,然后进行球磨30分钟;
(16)将步骤(12)风选后得到的细钢渣微粉以及步骤(15)球磨后的细颗粒钢渣粉进行混合,得到13500g比表面积为520m2/kg的活性钢渣微粉(水泥混合材)。
将该活性钢渣微粉作为水泥的掺合料代替50%的水泥熟料,所得矿粉经检测,7天活性指数达到85%,28天活性指数达到95%。
此外,在本实施例步骤(12)风选后剩余的3500g粒径较大的钢渣颗粒重新返回步骤(3)至步骤(16)后,得到2250g比表面积为530m2/kg的活性钢渣微粉,以及得到1200g铁品位为40%的细铁粉。
基于此,本实施例中处理每吨钢渣可以得到800kg的可以替代部分水泥熟料的活性钢渣微粉,同时分离出细铁粉80kg,钢粒30kg,并得到高品质轻质碳酸钙100kg,具有良好的经济效益具有良好的经济效益。
实施例3
本实施例提供了一种利用钢渣制备水泥混合材的方法,本实施例中选用的钢渣中主要成分为:~45%CaO、~10%MgO、~20%SiO2、~20%FeO、以及~5%其他杂质,具体工艺过程如下:
(1)将20000g钢渣进行机械粉碎,得到钢渣固体颗粒;
(2)将机械粉碎后的钢渣颗粒进行物理筛分处理,对于粒径>3.35mm的钢渣颗粒返回步骤(1)进行机械粉碎;
(3)向由步骤(2)得到粒径≤3.35mm的钢渣颗粒中加入120L铵根离子浓度为6mol/L的醋酸铵溶液,在80℃下搅拌60分钟;
(4)将由步骤(3)得到的钢渣铵盐媒质混合料浆进行一次湿式筛分,筛网孔径为0.1mm,由此得到17000g粒径>0.1mm但≤3.35mm的粗钢渣颗粒,以及粒径≤0.1mm的细钢渣颗粒与铵盐媒质混合而成的料浆;
(5)将由步骤(4)得到的细钢渣颗粒与铵盐媒质混合而成的料浆进行一次过滤分离,得到3000g含水率为30%的细颗粒滤饼以及含醋酸钙、醋酸铵及氨水混合滤液;
(6)将步骤(5)中得到的含铵盐媒质滤液中通入纯度为99.5%的CO2气体,在反应温度80℃,CO2分压8bar及反应时间20分钟条件下进行碳酸化反应,得到含水率为0.5%的轻质碳酸钙产品2000g,分离出轻质碳酸钙产品的滤液直接返回步骤(3);
(7)将由步骤(4)得到的粗钢渣颗粒进行一次磁选,磁选出600g钢粒后,得到15900g粗颗粒钢渣砂(磁选尾矿);
(8)向由步骤(7)得到的粗颗粒钢渣砂中加入159L氢离子浓度为1.0mol/L的醋酸,在95℃下搅拌90分钟;
(9)将步骤(8)二次浸出反应后得到的物料进行二次湿式筛分,筛网孔径为0.1mm,由此得到14000g粒径>0.1mm但≤3.35mm的稳定化粗钢渣砂,以及粒径≤0.1mm的细钢渣颗粒与醋酸、醋酸钙及水混合而成的料浆;
(10)将步骤(9)二次湿式筛分分离出稳定化粗钢渣砂后的物料进行二次过滤分离,得到1400g含水率为30%的细颗粒钢渣滤饼及滤液,所得滤液补充一定量的醋酸,使得滤液中氢离子浓度达到1.0mol/L后返回步骤(8);
(11)将步骤(8)得到的稳定化粗钢渣砂进行一次烘干使得粗钢渣砂含水率小于1%,然后进行球磨30分钟;
(12)将步骤(11)球磨后的物料进行风选,分离出10500g粒径≤25微米的细钢渣微粉,剩余3500g粒径较大的钢渣颗粒返回步骤(3)一次浸出过程;
(13)将步骤(5)得到的一次浸出残渣以及及步骤(10)得到的二次浸出残渣混合后进行二次磁选,磁选出1200g含水率20%铁品位为45%的细铁粉,得到4000g含水率为30%的细颗粒钢渣粉滤饼(磁选尾矿);
(14)将步骤(13)磁选后得到的细颗粒钢渣粉滤饼中加入40mL质量浓度为0.3%的氢氧化钠溶液并混合均匀;
(15)将步骤(14)得到的混合物料进行二次烘干使得细颗粒钢渣粉含水率小于1%,然后进行球磨40分钟;
(16)将步骤(12)风选后得到的细钢渣微粉以及步骤(15)球磨后的细颗粒钢渣粉进行混合,得到13500g比表面积为550m2/kg的活性钢渣微粉(水泥混合材)。
将该活性钢渣微粉作为水泥的掺合料代替50%的水泥熟料,所得矿粉经检测,7天活性指数达到85%,28天活性指数达到95%。
此外,在本实施例步骤(12)风选后剩余的3500g粒径较大的钢渣颗粒重新返回步骤(3)至步骤(16)后,得到2250g比表面积为560m2/kg的活性钢渣微粉,以及得到1200g铁品位为40%的细铁粉。
基于此,本实施例中处理每吨钢渣可以得到800kg的可以替代部分水泥熟料的活性钢渣微粉,同时分离出细铁粉80kg,钢粒30kg,并得到高品质轻质碳酸钙100kg,具有良好的经济效益具有良好的经济效益。
实施例4
本实施例提供了一种利用钢渣制备水泥混合材的方法,本实施例中选用的钢渣中主要成分为:~45%CaO、~10%MgO、~20%SiO2、~20%FeO、以及~5%其他杂质,具体工艺过程如下:
(1)将20000g钢渣进行机械粉碎,得到钢渣固体颗粒;
(2)将机械粉碎后的钢渣颗粒进行物理筛分处理,对于粒径>3.35mm的钢渣颗粒返回步骤(1)进行机械粉碎;
(3)向由步骤(2)得到粒径≤3.35mm的钢渣颗粒中加入120L铵根离子浓度为6mol/L的硝酸铵溶液,在80℃下搅拌60分钟;
(4)将由步骤(3)得到的钢渣铵盐媒质混合料浆进行一次湿式筛分,筛网孔径为0.1mm,由此得到17000g粒径>0.1mm但≤3.35mm的粗钢渣颗粒,以及粒径≤0.1mm的细钢渣颗粒与铵盐媒质混合而成的料浆;
(5)将由步骤(4)得到的细钢渣颗粒与铵盐媒质混合而成的料浆进行一次过滤分离,得到3000g含水率为30%的细颗粒滤饼以及含硝酸钙、硝酸铵及氨水混合滤液;
(6)将步骤(5)中得到的含铵盐媒质滤液中通入纯度为99.5%的CO2气体,在反应温度80℃,CO2分压8bar及反应时间20分钟条件下进行碳酸化反应,得到含水率为0.5%的轻质碳酸钙产品2000g,分离出轻质碳酸钙产品的滤液直接返回步骤(3);
(7)将由步骤(4)得到的粗钢渣颗粒进行一次磁选,磁选出600g钢粒后,得到15900g粗颗粒钢渣砂(磁选尾矿);
(8)向由步骤(7)得到的粗颗粒钢渣砂中加入159L氢离子浓度为0.8mol/L的硝酸,在95℃下搅拌90分钟;
(9)将步骤(8)二次浸出反应后得到的物料进行二次湿式筛分,筛网孔径为0.1mm,由此得到14000g粒径>0.1mm但≤3.35mm的稳定化粗钢渣砂,以及粒径≤0.1mm的细钢渣颗粒与硝酸、硝酸钙及水混合而成的料浆;
(10)将步骤(9)二次湿式筛分分离出稳定化粗钢渣砂后的物料进行二次过滤分离,得到1400g含水率为30%的细颗粒钢渣滤饼及滤液,所得滤液补充一定量的硝酸,使得滤液中氢离子浓度达到1.0mol/L后返回步骤(8);
(11)将步骤(8)得到的稳定化粗钢渣砂进行一次烘干使得粗钢渣砂含水率小于1%,然后进行球磨40分钟;
(12)将步骤(11)球磨后的物料进行风选,分离出10500g粒径≤25微米的细钢渣微粉,剩余3500g粒径较大的钢渣颗粒返回步骤(3)一次浸出过程;
(13)将步骤(5)得到的一次浸出残渣以及及步骤(10)得到的二次浸出残渣混合后进行二次磁选,磁选出1200g含水率20%铁品位为45%的细铁粉,得到4000g含水率为30%的细颗粒钢渣粉滤饼(磁选尾矿);
(14)将步骤(13)磁选后得到的细颗粒钢渣粉滤饼中加入40mL质量浓度为0.3%的氢氧化钠溶液并混合均匀;
(15)将步骤(14)得到的混合物料进行二次烘干使得细颗粒钢渣粉含水率小于1%,然后进行球磨40分钟;
(16)将步骤(12)风选后得到的细钢渣微粉以及步骤(15)球磨后的细颗粒钢渣粉进行混合,得到13500g比表面积为600m2/kg的活性钢渣微粉(水泥混合材)。
将该活性钢渣微粉作为水泥的掺合料代替50%的水泥熟料,所得矿粉经检测,7天活性指数达到85%,28天活性指数达到95%。
此外,在本实施例步骤(12)风选后剩余的3500g粒径较大的钢渣颗粒重新返回步骤(3)至步骤(16)后,得到2250g比表面积为580m2/kg的活性钢渣微粉,以及得到1200g铁品位为40%的细铁粉。
基于此,本实施例中处理每吨钢渣可以得到800kg的可以替代部分水泥熟料的活性钢渣微粉,同时分离出细铁粉80kg,钢粒30kg,并得到高品质轻质碳酸钙100kg,具有良好的经济效益具有良好的经济效益。
对比例1
与实施例1的区别仅在于将步骤(3)的铵盐处理替换为等浓度的醋酸进行处理,得到比表面积为300m2/kg的活性钢渣微粉(水泥混合材)。将该活性钢渣微粉作为水泥的掺合料代替50%的水泥熟料,所得矿粉经检测,7天活性指数仅为40%,28天活性指数仅为45%。
本对比例中,采用高浓醋酸对粉碎后的钢渣进行处理,使得钢渣中大量具有胶凝特性的硅酸钙矿物发生溶解,生成大量无胶凝活性的二氧化硅。在少量碱性激发剂作用下,这些大量无胶凝活性的二氧化硅无法与水泥熟料产生交联作用,由此将其替代水泥熟料时,使得水泥性能显著降低。
对比例2
与实施例1的区别仅在于将步骤(8)中的酸处理替换为等浓度的铵盐处理,得到比表面积为350m2/kg的活性钢渣微粉(水泥混合材)。
将该活性钢渣微粉作为水泥的掺合料代替50%的水泥熟料,将该活性钢渣微粉作为水泥的掺合料代替50%的水泥熟料,所得矿粉经检测,7天活性指数仅为52%,28天活性指数达到56%,并且所配置的水泥安定性检测不合格。
本对比例中,采用低浓度的铵盐对湿筛后的粗颗粒钢渣进行处理,使得粗颗粒钢渣中含有的游离氧化钙、氧化镁无法有效脱除,由此使得磨细后的钢渣微粉中游离氧化钙含量超标,安定性不良。这主要是由于铵盐介质无法脱除粗颗粒钢渣中被包裹的游离氧化钙、氧化镁,当粗颗粒钢渣磨细后其含有的游离氧化钙、氧化镁也一同进入钢渣微粉中,使得所得钢渣微粉中游离氧化钙含量超标,并且与传统钢渣粉一样,无法大比例替代水泥熟料使用。此外,本对比例中,由于低浓度铵盐对粗颗粒钢渣几乎不起作用,由此导致粗颗粒钢渣粉磨能耗显著升高。
对比例3
与实施例1的区别仅在于步骤(3)中铵盐处理的钢渣粒度为≤10mm,得到比表面积为400m2/kg的活性钢渣微粉(水泥混合材)。
将该活性钢渣微粉作为水泥的掺合料代替50%的水泥熟料,所得矿粉经检测,7天活性指数仅为48%,28天活性指数仅为50%,并且所配置的水泥安定性检测不合格。
本发明中所述活性指数参照GB/T51003-2014进行检测。
通过上述实施例和对比例的结果可知,本发明提供的技术方案首先采用物理粉碎和筛分处理方法,实现钢渣分级利用,然后采用化学药剂浸蚀对特定粒度的粉料实现钢渣中游离氧化钙、氧化镁高效选择性脱除,同时对物料进行初步活化,最后通过碱对化学浸蚀后所得细颗粒钢渣表面的硅羟基发生反应进而实现惰性物质的活化,从而原位形成具有能与水泥熟料之间发生交联作用的硅酸钠/硅酸钾,由此将钢渣中非活性组分有效活化,所制备的水泥混合材可大掺量用于水泥生产,所得水泥混合材的比表面积>450m2/kg。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征,但本发明并不局限于上述详细结构特征,即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种利用钢渣制备水泥混合材的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)对钢渣依次进行铵盐处理和筛分,得到筛上粗粒钢渣和第一筛下混合料;
(2)将步骤(1)得到的所述筛上粗粒钢渣依次进行第一磁选、酸处理和筛分,得到筛上粗粒稳定化钢渣和第二筛下混合料;
(3)将步骤(2)得到的所述筛上粗粒稳定化钢渣依次进行第一烘干、第一研磨和风选,得到细粒钢渣微粉;
(4)将步骤(1)得到的所述第一筛下混合料和步骤(2)得到的所述第二筛下混合料均进行脱水处理,得到混合料,对所述混合料依次进行第二磁选、碱处理、第二烘干、第二研磨得到细粒钢渣粉,之后将所述细粒钢渣粉和步骤(3)得到的所述细粒钢渣微粉混合,得到所述水泥混合材。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述钢渣的粒度≤2.36-4.75mm。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述铵盐处理中的铵盐介质为硝酸铵或醋酸铵的水溶液;
优选地,所述水溶液中铵根离子的浓度为5-10mol/L;
优选地,步骤(1)所述铵盐处理中的固液比g/mL为1:(5-10);
优选地,步骤(1)所述铵盐处理的温度为80-100℃;
优选地,步骤(1)所述铵盐处理的时间为30-90min。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述筛上粗粒钢渣的粒度>0.15-0.3mm。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述酸处理的对象为所述第一磁选得到的磁选尾矿;
优选地,步骤(2)所述酸处理中的酸介质为硝酸或醋酸;
优选地,所述酸介质中氢离子的浓度为0.5-1mol/L;
优选地,步骤(2)所述酸处理中的固液比g/mL为1:(5-10);
优选地,步骤(2)所述酸处理的温度为60-90℃;
优选地,步骤(2)所述酸处理的时间为30-90min。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述筛上粗粒稳定化钢渣的粒度>0.1-0.3mm。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法,其特征在于,步骤(3)所述第一烘干后物料的含水率<1%;
优选地,步骤(3)所述第一研磨的时间为20-90min;
优选地,步骤(3)所述细粒钢渣微粉的粒度<30μm。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法,其特征在于,步骤(4)所述碱处理的对象为所述第二磁选得到磁选尾矿;
优选地,步骤(4)所述碱处理的碱介质包括氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液;
优选地,步骤(4)所述碱处理中碱介质的质量浓度为0.1-1%;
优选地,步骤(4)所述碱处理中的固液比g/mL为1:(0.01-0.05);
优选地,步骤(4)所述第二烘干后的物料的含水率<1%;
优选地,步骤(4)所述第二研磨的时间为20-60min。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法,其特征在于,步骤(4)所述脱水处理中所述第一筛下混合料经所述脱水处理得到的料液依次经碳酸化处理和固液分离,得到碳酸钙和滤液;
优选地,所述碳酸化处理为向溶液中通入二氧化碳气体;
优选地,所述二氧化碳气体包括经过除杂提纯的工业尾气或含有杂质气体的二氧化碳混合气体;
优选地,所述滤液返回步骤(1)所述铵盐处理;
优选地,步骤(4)所述脱水处理中所述第二筛下混合料经所述脱水处理得到料液返回步骤(2)所述酸处理。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)对钢渣依次进行铵盐处理和筛分,得到筛上粗粒钢渣和第一筛下混合料;所述钢渣的粒度≤2.36-4.75mm;所述铵盐处理中的铵盐介质为硝酸铵或醋酸铵的水溶液;所述水溶液中铵根离子的浓度为5-10mol/L;所述铵盐处理中的固液比g/mL为1:(5-10);所述铵盐处理的温度为80-100℃;所述铵盐处理的时间为30-90min;所述筛上粗粒钢渣的粒度>0.15-0.3mm;
(2)将步骤(1)得到的所述筛上粗粒钢渣依次进行第一磁选、酸处理和筛分,得到筛上粗粒稳定化钢渣和第二筛下混合料;所述酸处理的对象为所述第一磁选得到的磁选尾矿;所述酸处理中的酸介质为硝酸或醋酸;所述酸介质中氢离子的浓度为0.5-1mol/L;所述酸处理中的固液比g/mL为1:(5-10);所述酸处理的温度为60-90℃;所述酸处理的时间为30-90min;所述筛上粗粒稳定化钢渣的粒度>0.1-0.3mm;
(3)将步骤(2)得到的所述筛上粗粒稳定化钢渣依次进行第一烘干、第一研磨和风选,得到细粒钢渣微粉;所述第一烘干后物料的含水率<1%;所述第一研磨的时间为20-90min;所述细粒钢渣微粉的粒度<30μm;
(4)将步骤(1)得到的所述第一筛下混合料和步骤(2)得到的所述第二筛下混合料均进行脱水处理,得到混合料,对所述混合料依次进行第二磁选、碱处理、第二烘干、第二研磨得到细粒钢渣粉,之后将所述细粒钢渣粉和步骤(3)得到的所述细粒钢渣微粉混合,得到所述水泥混合材;所述碱处理的对象为所述第二磁选得到磁选尾矿;所述碱处理的碱介质包括氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液;所述碱处理中碱介质的质量浓度为0.1-1%;所述碱处理中的固液比g/mL为1:(0.01-0.05);所述第二烘干后的物料的含水率<1%;所述第二研磨的时间为20-60min;
其中,步骤(4)所述脱水处理中所述第一筛下混合料经所述脱水处理得到的料液依次经碳酸化处理和固液分离,得到碳酸钙和滤液;所述碳酸化处理为向溶液中通入二氧化碳气体;所述二氧化碳气体包括经过除杂提纯的工业尾气或含有杂质气体的二氧化碳混合气体;所述滤液返回步骤(1)所述铵盐处理;步骤(4)所述脱水处理中所述第二筛下混合料经所述脱水处理得到料液返回步骤(2)所述酸处理。
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