CN115849814A - 一种利用冶金炉渣制备3d打印基料及其制备方法 - Google Patents

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聂荣恩
崔猛
李亚志
张璞锜
魏晓阳
王连全
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Abstract

本发明提供一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，包括：喷涂基料和浇注基料，所述喷涂基料包括一定质量比的基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E；所述浇注基料包括一定质量比的基料B2、基料C、基料D以及基料E。本发明的有益效果是实现炉渣二次利用，减少冶金固废对环境的不利影响，打印出的产品，具备一定的附加值，提高冶金炉渣固体废弃物的资源化利用水平。

Description

一种利用冶金炉渣制备3D打印基料及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金炉渣回收利用技术领域，尤其是涉及一种利用冶金炉渣制备3D打印基料及其制备方法。
背景技术
3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
目前，我国钢铁行业每年产生约5亿吨钢渣和1亿吨除尘污泥，约80％实现回收利用于其他行业，但每年仍有1亿吨钢渣难以利用，全国冶金固废的存储量超过10亿吨。如何实现冶金炉渣回收再利用是冶金领域重点关注的难题之一。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种利用冶金炉渣制备3D打印基料及其制备方法，有效的解决现有技术中钢渣污泥等无法进行回收利用，浪费资源，且对周围环境产生不利影响。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，包括：喷涂基料和浇注基料，所述喷涂基料包括一定质量比的基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E；所述浇注基料包括一定质量比的基料B2、基料C、基料D以及基料E。
进一步的，所述喷涂基料中基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E的质量比值为13.5：23:4.5:28:23～16.5:27:5.5:32:27。
进一步的，所述浇注基料中的基料B2、基料C、基料D以及基料E的质量比为23:33:18:18～27:37:22:22。
进一步的，所述基料A为高炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、K2O、Na2O、FeO、V2O5、TiO2和MnO；优选的，所述基料A中各组分质量占比为CaO：38～40％，SiO2：32～34％，MgO：8～10％，Al2O3：15～17％，K2O：0.5～1％，Na2O：0.3～0.6％，FeO：0.4～0.8％，V2O5：0.5～2％，TiO2：1～2％，MnO：0.15～0.3％。
进一步的，所述基料B1为转炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、FeO、TiO2、MnO和P2O5；优选的，所述基料B1中各组分质量占比为CaO：42～45％，SiO2：18～20％，MgO：7～8.5％，Al2O3：1.5～3.0％，FeO：18.0～20.0％，TiO2：1.5～2.5％，MnO：4～5％，P2O5：2～3％，且所述炉渣粒度小于2mm。
进一步的，所述基料B2为转炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、FeO、TiO2、MnO和P2O5；优选的，所述基料B2中各组分质量占比为CaO：42～45％，SiO2：18～20％，MgO：7～8.5％，Al2O3：1.5～3.0％，FeO：18.0～20.0％，TiO2：1.5～2.5％，MnO：4～5％，P2O5：2～3％，且所述炉渣粒度大于2mm且小于6mm。
进一步的，所述基料C为转炉工序产生的除尘泥，其包括TFe、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、TiO2、MnO、K2O、Na2O和Zn；优选的，所述基料C中各组分质量占比为TFe：40～45％，CaO：10～12％，SiO2：6～8％，MgO：3～4％，Al2O3：1.0～1.5％，TiO2：0.2～0.5％，MnO：2～3％，K2O：0.5～1％，Na2O：0.5～1.0％，Zn：2～2.5％。
进一步的，所述基料D包括采用P·S·A 42.5矿渣硅酸盐水泥、合成纤维以及建筑胶粉，优选的，所述基料D中各组分质量占比为矿渣硅酸盐水泥：88-92％：合成纤维2.8-3.2％:建筑胶粉6.5-7.5％，优选的，所述合成纤维为水泥混凝土用纤维。
进一步的，所述基料E为水。
本发明还提供了另一技术方案，一种制备利用冶金炉渣制备3D打印基料的方法，包括：将所述基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E按照一定比例在容器内搅拌44-46min，混合均匀，得到所述喷涂料；将所述基料B2、基料C、基料D以及基料E按照一定比例在容器内搅拌29-31min，混合均匀，得到所述浇注料；优选的，所述喷涂基料中基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E的比值为13.5：23:4.5:28:23～16.5:27:5.5:32:27；所述浇注基料中的基料B2、基料C、基料D以及基料E的比值为23:33:18:18～27:37:22:22。
采用上述技术方案，实现炉渣二次利用，减少冶金固废对环境的不利影响，打印出的产品，具备一定的附加值，提高冶金炉渣固体废弃物的资源化利用水平。
采用上述技术方案，冶金炉渣制备3D打印基料具有较好的可挤出性，且喷涂均匀，定型性强，产品的力学、抗压等性能符合要求，减少了固体废弃物对环境的污染，可用于制作建筑设施、交通防护设施、日常便民设施等，实现了冶金炉渣变废为宝。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
除非另有定义，下文中所使用的的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的的专业术语只是为了描述具体实施例和对比例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。应当特殊说明的是对于同一种有机物结构可能有多种名称，只要其结构在本专利范围内都属于本专利的保护对象。
除非另有定义，以下实施例中和对比例中的原料、试剂等都可以从市场上够买所得或根据已报导的方法制备所得。
一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，包括：喷涂基料和浇注基料，喷涂基料包括一定质量比的基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E；浇注基料包括一定质量比的基料B2、基料C、基料D以及基料E，将基料混合均匀，即可得到喷涂基料以及浇注基料。
一些可行的实施例中，喷涂基料中基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E的质量比为13.5：23:4.5:28:23～16.5:27:5.5:32:27，优选为15：25:5：30:25。
一些可行的实施例中，浇注基料中的基料B2、基料C、基料D以及基料E的质量比为23:33:18:18～27:37:22:22，优选为25：35:20：20。
具体的，基料A为高炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、K2O、Na2O、FeO、V2O5、TiO2和MnO；优选的，基料A中各组分质量占比为CaO：38～40％，SiO2：32～34％，MgO：8～10％，Al2O3：15～17％，K2O：0.5～1％，Na2O：0.3～0.6％，FeO：0.4～0.8％，V2O5：0.5～2％，TiO2：1～2％，MnO：0.15～0.3％，更优选的，基料A中各组分质量占比为CaO：39％，SiO2：33％，MgO：9％，Al2O3：16％，K2O：0.75％，Na2O：0.45％，FeO：0.6％，V2O5：1.3％，TiO2：1.5％，MnO：0.225％。
一些可行的实施例中，对基料A中的炉渣的粒度要求为3～6mm，并且炉渣选用前需进行充分混匀并取样化验，充分利用基料A中炉渣的Si、V、Ti、Al、Na、K元素，并要求炉渣密度小且具备一定孔隙，使打印品明亮、防滑性能好，还具有良好的耐磨性。
基料B1为转炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、FeO、TiO2、MnO和P2O5；优选的，基料B1中各组分质量占比为CaO：42～45％，SiO2：18～20％，MgO：7～8.5％，Al2O3：1.5～3.0％，FeO：18.0～20.0％，TiO2：1.5～2.5％，MnO：4～5％，P2O5：2～3％；更优选的，基料B1中各组分质量占比为CaO：43.5％，SiO2：19％，MgO：8％，Al2O3：2.3％，FeO：19％，TiO2：2％，MnO：4.5％，P2O5：2.5％；且炉渣粒度小于2mm，炉渣选用前需进行充分混匀并取样化验，充分利用炉渣中Ca、Fe、Ti、Mg元素含量，保证打印品的强度和耐腐蚀性。
基料B2为转炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、FeO、TiO2、MnO和P2O5；优选的，基料B2中各组分质量占比为CaO：42～45％，SiO2：18～20％，MgO：7～8.5％，Al2O3：1.5～3.0％，FeO：18.0～20.0％，TiO2：1.5～2.5％，MnO：4～5％，P2O5：2～3％；更优选的，基料B2中各组分质量占比为CaO：43％，SiO2：19％，MgO：8％，Al2O3：2.5％，FeO：19％，TiO2：2％，MnO：4.5％，P2O5：2.5％；且炉渣粒度大于2mm且小于6mm，炉渣选用前需进行充分混匀并取样化验，充分利用炉渣中Ca、Fe、Ti、Mg元素含量，保证打印品的强度和耐腐蚀性。
基料C为转炉工序产生的除尘泥，其包括TFe、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、TiO2、MnO、K2O、Na2O和Zn；优选的，基料C中各组分质量占比为TFe：40～45％，CaO：10～12％，SiO2：6～8％，MgO：3～4％，Al2O3：1.0～1.5％，TiO2：0.2～0.5％，MnO：2～3％，K2O：0.5～1％，Na2O：0.5～1.0％，Zn：2～2.5％；更优选的，基料C中各组分质量占比为TFe：42.5％，CaO：11％，SiO2：7％，MgO：3.5％，Al2O3：1.25％，TiO2：0.3％，MnO：2.5％，K2O：0.75％，Na2O：0.75％，Zn：2.25％。
一些可行的实施例中，对基料C中的炉渣的粒度要求为0.5-2mm，并且炉渣选用前需进行充分混匀并取样化验，充分利用炉渣粒度细、含铁量高、氧化钙高的特点，保证打印品的强度稳定性。
基料D包括采用P·S·A 42.5矿渣硅酸盐水泥、合成纤维以及建筑胶粉，优选的，基料D中各组分质量占比为矿渣硅酸盐水泥：88-92％：合成纤维2.8-3.2％:建筑胶粉6.5-7.5％，优选的，矿渣硅酸盐水泥90％：合成纤维3％:建筑胶粉7％，基料D加入的目的是为了保证3D打印材料的塑性，流动性与吸附凝聚性能。
一些可行的实施例中，合成纤维选为水泥混凝土用纤维。
基料E为水。
喷涂基料的制备：将基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E分别各自混匀，并按照上述质量比加入至一个容器中，搅拌44-46min，优选为45min，混合均匀即得。
浇注基料的制备：将B2、基料C、基料D以及基料E分别混匀，并按照上述质量比加入至一个容器中，搅拌29-31min，优选为30min，混合均匀即得。
使用上述基料进行3D打印的流程为：
根据3D打印材料用途，确定原料的配比。按要求称量各基料的重量。
喷涂基料制备：在单独容器内进行物料混匀、搅拌45分钟，得到混合均匀的喷涂料；
浇注基料制备：在单独容器内进行物料混匀、搅拌30分钟，得到混合均匀的浇注料；
根据3D模型图，配合使用钢筋头，先进行骨架部位的浇注基料定型。
将喷涂基料交付3D打印使用，按照3D模型程序完成打印，完成以炉渣作为基料的3D成型品。
下面列举具体实施例：
实施例1
某3D打印物件经测算需要喷涂料600kg，浇注料200kg。
称量基料A型炉渣90kg、细系基料B型炉渣150kg、基料C型炉渣30kg、基料D渣料180kg(矿渣硅酸盐水泥162kg，合成纤维5.4kg，建筑胶粉12.6kg)、基料E自来水150kg。在单独容器内进行物料混匀、搅拌45分钟，得到混合均匀的喷涂基料。
称量粗系基料B型炉渣50kg、基料C型炉渣70kg、基料D渣料40kg(矿渣硅酸盐水泥36kg，合成纤维1.2kg，建筑胶粉2.8kg)、基料E自来水40kg。在单独容器内进行物料混匀、搅拌30分钟，得到混合均匀的浇注基料；
根据3D模型图，配合使用钢筋头，先进行骨架部位的浇注料定型。
将喷涂料交付3D打印使用，按照3D模型程序完成打印，完成以炉渣作为基料的3D成型品。
应当说明的是，以上内容仅是对本发明的一些实施例，本领域技术人员根据本发明的主要思想和有关内容进行适当的修改和变更所产生的内容也应该属于本发明权利要求的保护范围。而且本发明中涉及的专业术语和其他材料仅是为了明确阐述本发明的优势和效果，不应作为本发明创新性的限制。以上实施例是针对本发明实际应用效果的一部分说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡是本领域人员在本发明的基础上所做出的的改进和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，包括：喷涂基料和浇注基料，所述喷涂基料包括一定质量比的基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E；所述浇注基料包括一定质量比的基料B2、基料C、基料D以及基料E。
2.根据权利要求1所述的一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，其特征在于：所述喷涂基料中基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E的质量比为13.5：23:4.5:28:23～16.5:27:5.5:32:27。
3.根据权利要求1所述的一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，其特征在于：所述浇注基料中的基料B2、基料C、基料D以及基料E的质量比为23:33:18:18～27:37:22:22。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，其特征在于：所述基料A为高炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、K2O、Na2O、FeO、V2O5、TiO2和MnO；优选的，所述基料A中各组分质量占比为CaO：38～40％，SiO2：32～34％，MgO：8～10％，Al2O3：15～17％，K2O：0.5～1％，Na2O：0.3～0.6％，FeO：0.4～0.8％，V2O5：0.5～2％，TiO2：1～2％，MnO：0.15～0.3％。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，其特征在于：所述基料B1为转炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、FeO、TiO2、MnO和P2O5；优选的，所述基料B1中各组分质量占比为CaO：42～45％，SiO2：18～20％，MgO：7～8.5％，Al2O3：1.5～3.0％，FeO：18.0～20.0％，TiO2：1.5～2.5％，MnO：4～5％，P2O5：2～3％，且所述炉渣粒度小于2mm。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，其特征在于：所述基料B2为转炉工序产生的炉渣，其包括CaO、SiO2、MgO、Al2O3、FeO、TiO2、MnO和P2O5；优选的，所述基料B2中各组分质量占比为CaO：42～45％，SiO2：18～20％，MgO：7～8.5％，Al2O3：1.5～3.0％，FeO：18.0～20.0％，TiO2：1.5～2.5％，MnO：4～5％，P2O5：2～3％，且所述炉渣粒度大于2mm且小于6mm。
7.根据权利要求1-3任一所述的一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，其特征在于：所述基料C为转炉工序产生的除尘泥，其包括TFe、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、TiO2、MnO、K2O、Na2O和Zn；优选的，所述基料C中各组分质量占比为TFe：40～45％，CaO：10～12％，SiO2：6～8％，MgO：3～4％，Al2O3：1.0～1.5％，TiO2：0.2～0.5％，MnO：2～3％，K2O：0.5～1％，Na2O：0.5～1.0％，Zn：2～2.5％。
8.根据权利要求1-3任一所述的一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，其特征在于：所述基料D包括采用P·S·A 42.5矿渣硅酸盐水泥、合成纤维以及建筑胶粉，优选的，所述基料D中各组分质量占比为矿渣硅酸盐水泥：88-92％：合成纤维2.8-3.2％:建筑胶粉6.5-7.5％，优选的，所述合成纤维为水泥混凝土用纤维。
9.根据权利要求1-3任一所述的一种利用冶金炉渣制备3D打印基料，其特征在于：所述基料E为水。
10.一种制备如权利要求1所述的利用冶金炉渣制备3D打印基料的方法，其特征在于：将所述基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E按照一定比例在容器内搅:44-46min，混合均匀，得到所述喷涂料；将所述基料B2、基料C、基料D以及基料E按照一定比例在容器内搅拌29-32min，混合均匀，得到所述浇注料；优选的，所述喷涂基料中基料A、基料B1、基料C、基料D以及基料E的比值为13.5：23:4.5:28:23～16.5:27:5.5:32:27；所述浇注基料中的基料B2、基料C、基料D以及基料E的比值为23:33:18:18～27:37:22:22。
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