TW201341340A - 遠紅外線放射性材料及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種遠紅外線放射性材料及其製造方法，其係於轉爐外收集大量的熔融鋼爐渣後，直接利用含氧載氣將添加劑吹入高溫之熔融鋼爐渣中同時進行攪拌，以於短時間內進行改質吹煉步驟，藉此形成具有遠紅外線放射性的多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物。

Description

遠紅外線放射性材料及其製造方法
本發明是有關於一種遠紅外線放射性材料及其製造方法，且特別是有關於一種將熔融鋼爐渣改質為遠紅外線放射性材料及其製造方法。
煉鋼製程係現代工業中重要之一環節。藉由煉鋼製程可生產各種工業中不可或缺之原料或器具。然而鋼鐵原料含有大量之雜質，經由煉鋼製程加入造渣劑以及助熔劑後，形成大量之鋼爐渣。
早期係藉由掩埋之方法處理此些鋼爐渣，然而隨著時間之流逝，掩埋之鋼爐渣含有游離態氧化鈣，導致衍生體積膨脹及pH值升高問題。近代隨著工業技術之發展，鋼爐渣經過再處理，例如安定化、水淬、風碎粒化等處理後，可應用至多方面，包括建築材料(例如與瀝青混合應用於鋪設道路，或與水泥混合應用於混凝土)、煉鋼製程(例如作為冶煉熔劑)、微晶玻璃材料、鋰電池陽極材料、水處理劑等。
然而上述鋼爐渣之處理製程仍存在以下問題。舉例而言，在轉爐內進行造渣冶煉後的鋼爐渣，其鹽基度大幅降低，對轉爐爐襯耐火磚將會造成嚴重腐蝕。其次，倘若熔融鋼爐渣經冷卻後形成冷渣，必須再加熱才能進行進一步的處理，相當耗能又不環保。再者，熔融鋼爐渣含有游離態氧化鈣，日後應用鋼爐渣時，鋼爐渣所含之游離態氧化鈣易產生水化膨脹的問題。以上可參酌台灣專利公告號第I225098號專利、中國專利公開號第CN101638708A號以及第CN1302338A號等申請案。
綜言之，習知鋼爐渣改質的方法成本高、處理時間較長且耗能，而處理後之鋼爐渣的安定性較差，一旦吸水或接觸空氣中之水氣後，易因水化膨脹而衍生各種的體積崩裂或pH值升高問題，進而限制鋼爐渣再利用之範圍。
因此，亟需提供一種鋼爐渣之處理方法，以徹底解決習知技術中處理鋼爐渣的缺陷，提升其產業利用性，增加其經濟價值。
因此，本發明之一態樣是在提供一種遠紅外線放射性材料的製造方法，其係於轉爐外收集大量的熔融鋼爐渣後，直接將添加劑利用含氧載氣吹入高溫之熔融鋼爐渣中同時進行攪拌，以於短時間內進行改質吹煉步驟，藉此形成具有遠紅外線放射性的多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽材料。
其次，本發明之另一態樣是在提供一種遠紅外線放射性材料，其係利用上述方法所製得，且所得之多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽材料之平均遠紅外線放射率為75百分比至90百分比。
根據本發明之上述態樣，提出一種遠紅外線放射性材料的製造方法。在一實施例中，此遠紅外線放射性材料的製造方法係先進行集收步驟後，直接進行改質吹煉步驟。
在上述實施例中，上述集收步驟係於轉爐外收集熔融鋼爐渣，其中此熔融鋼爐渣至少包含游離態氧化鈣(free CaO)、游離態氧化鎂(free MgO)、矽酸鹽(silicate)化合物及鐵酸鹽(ferrite)類化合物等。
在上述實施例中，上述之改質吹煉步驟則將添加劑利用含氧載氣吹入高溫熔融鋼爐渣中，同時攪拌混合添加劑與熔融鋼爐渣10分鐘至60分鐘，以形成遠紅外線放射性材料。在一例示中，上述之添加劑係由二氧化矽材料所組成，且基於熔融鋼爐渣為100重量百分比，上述之添加劑之使用量為10重量百分比至30重量百分比。由此所得之遠紅外線放射性材料為多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物，其中此多晶相矽酸鹽材料至少包含磁鐵礦(Fe2O3)等鐵酸鹽類但不具有游離態氧化鈣及氧化鎂，且此多晶相矽酸鹽材料之平均遠紅外線放射率為75百分比至90百分比。
依據本發明一實施例，上述之含氧載氣包括空氣、氧氣或上述之組合。
依據本發明一實施例，上述之二氧化矽材料包括飛灰、玻璃廢料、廢陶土、廢鑄砂、噴砂廢料、高爐石或原物料矽砂。
根據本發明之另一態樣，提出一種遠紅外線放射性材料，其係利用上述之遠紅外線放射性材料的製造方法所製得。
應用本發明之遠紅外線放射性材料及其方法，其係於轉爐外收集大量的熔融鋼爐渣後，直接將添加劑利用含氧載氣吹入高溫之熔融鋼爐渣中同時進行攪拌，以於短時間內進行改質吹煉步驟，藉此形成遠紅外線放射性材料，不僅環保節能，所得之遠紅外線放射性材料更可增加熔融鋼爐渣之產業應用範圍並提高其經濟價值。
以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
本發明此處所稱之「遠紅外線放射性材料」係指在煉鋼過程後，由熔融鋼爐渣經改質而得之材料，且此材料於波長4 μm至14 μm之平均遠紅外線放射率為75百分比至90百分比。
上述之遠紅外線放射性材料的製造方法可利用下述方法製得。請參閱第1圖，其係繪示根據本發明一實施例之遠紅外線放射性材料的製造方法的部分流程圖。在一實施例中，可在煉鋼過程後，如步驟101所示，進行熔融鋼爐渣之集收步驟，其係於轉爐外收集大量(例如20噸或20噸以上)的熔融鋼爐渣，其中此熔融鋼爐渣至少包含游離態氧化鈣(free CaO)、游離態氧化鎂(free MgO)、矽酸鹽(silicate)化合物以及鐵酸鹽(ferrite)化合物。
在一例示中，上述熔融鋼爐渣之主要晶相包括石灰(lime；CaO)、氧化鐵(FeO)、鈣鐵鋁石(brownmillerite；Ca2(Al,Fe)2O5)、磁鐵礦(Fe3O4)、β-矽酸鈣(β-lamite；β-Ca2SiO4)等。
在熔融鋼爐渣之集收步驟101之後，直接進行一改質吹煉步驟，如步驟103所示。此處所述之改質吹煉步驟不須額外對集收之熔融鋼爐渣進行加熱，同時集收之熔融鋼爐渣亦排除習知技術需經冷卻後再升溫至1500℃之處理。在一實施例中，改質吹煉步驟103包含將一添加劑利用一含氧載氣吹入溫度1350℃至1600℃之熔融鋼爐渣中。
在一例示中，前述之含氧載氣包括空氣、氧氣或上述之組合，可與熔融鋼爐渣之氧化鐵(FeO)等鐵酸鹽或殘留鋼液反應而產生額外熱能，進而促使添加劑完全熔解於熔融鋼爐渣中，以生成所需之多晶相矽酸鹽或鐵酸鹽材料。倘若不使用含氧載氣，則無法產生額外熱能使熔融鋼爐渣得以維持在1350℃至1600℃，進而影響添加劑無法完全熔解於熔融鋼爐渣中。在其他例示中，前述之熔融鋼爐渣的溫度維持在1500℃至1600℃，所得之遠紅外線放射性材料之平均遠紅外線放射率會更高。
在另一例示中，前述之添加劑係由二氧化矽材料所組成，例如：飛灰、玻璃廢料、廢陶土、廢鑄砂、噴沙廢料或原物料矽砂、其他合適之材料或上述材料之組合。上述之材料皆係其他工業所產生之廢棄物，並不包含上述二氧化矽材料以外的材料。藉由本發明之遠紅外線放射性材料的製造方法，可解決上述廢棄物之處理問題，提升其再利用性，增加經濟價值。
基於熔融鋼爐渣為100重量百分比，前述之添加劑之使用量為10重量百分比至30重量百分比。惟需說明的是，在改質吹煉步驟步驟103中，倘若添加劑吹入熔融鋼爐渣時，熔融鋼爐渣之溫度低於1350℃，則添加劑無法完全熔解於熔融鋼爐渣中。倘若添加劑吹入熔融鋼爐渣時的使用量低於10重量百分比，則可能尚有游離態氧化鈣或氧化鎂存在，待冷卻至室溫後，更有可能與水氣發生水合反應，造成體積膨脹崩解。倘若添加劑之使用量大於30重量百分比，反而會造成熔融鋼爐渣之黏度過低，導致添加劑與熔融鋼爐渣之反應性不佳。
另外，上述改質吹煉步驟103中，在吹入添加劑之同時，可攪拌混合添加劑與熔融鋼爐渣，促使添加劑完全熔解於熔融鋼爐渣中，以形成該遠紅外線放射性材料。在一例示中，可利用流量10立方公尺/分鐘(Nm3/min)至30 Nm3/min之含氧載氣攪拌混合添加劑與熔融鋼爐渣。在另一例示中，添加劑與熔融鋼爐渣可攪拌混合10分鐘至60分鐘，惟以16分鐘至20分鐘為較佳。
在一實施例中，所得之遠紅外線放射性材料為一多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽材料化合物，此多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽材料至少包含磁赤鐵礦(Fe2O3)等鐵酸鹽類化合物，但不具有游離態氧化鈣及/或游離態氧化鎂。在一例示中，上述遠紅外線放射性材料之主要晶相包括鈣鐵鋁石(brownmillerite；Ca2(Al,Fe)2O5)、磁鐵礦(Fe3O4)、β-矽酸鈣(β-lamite；β-Ca2SiO4)、方鐵礦(wustite；FeO)、赤鐵礦(hematite；Fe2O3)等。由於上述所得之多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物材料之結晶礦物相沒有石灰(lime；CaO)或方鎂石(periclase；MgO)，代表實質上已被完全安定化，可避免日後因水化膨脹衍生各種的問題。
值得一提的是，本發明之遠紅外線放射性材料的製造方法在無須對集收之熔融鋼爐渣進行額外加熱之情況下，在轉爐外直接進行改質吹煉步驟，以於短時間內(10分鐘至60分鐘或16分鐘至20分鐘)處理大量(等於或大於20公噸)熔融鋼爐渣。本發明之遠紅外線放射性材料的製造方法不僅環保節能，且由此所得之多晶相化合物的安定性佳(即，不具有游離態氧化鈣及游離態氧化鎂)，且其平均遠紅外線放射率為75百分比至90百分比，進而擴大其產業利用範圍並增加經濟價值。
以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。
製備遠紅外線放射性材料
實施例1
首先，在煉鋼過程後，進行集收步驟，其係從轉爐中出清熔融鋼液，再將爐內剩餘的熔融鋼爐渣倒入渣桶。在此步驟中，渣桶內可連續倒入數爐之熔融鋼爐渣，每桶渣桶可容納約20噸或20噸以上之熔融鋼爐渣，其中熔融鋼爐渣至少包含游離態氧化鈣(free CaO)、游離態氧化鎂(free MgO)、矽酸鹽(silicate)或鐵酸鹽(ferrite)類化合物。
接著，直接進行改質吹煉步驟，其係利用平均流量約2.0NM3/min、壓力約6.0 kg/cm2之空氣作為含氧載氣，將平板玻璃用之一般市售矽砂原料(silica sand；SiO2含量＞85%，粒度＜0.7mm%，水份＜0.5%)之添加劑吹入溫度1500℃至1600℃之熔融鋼爐渣中，並利用1 Nm3/min至4 Nm3/min或利用平均約2 Nm3/min之攪拌速率攪拌混合矽砂與熔融鋼爐渣達20分鐘。添加劑的送料速度為約50 kg/min至300 kg/min，平均約180kg/min。基於熔融鋼爐渣為100重量百分比，上述市售矽砂之使用量為15重量百分比。
在改質吹煉步驟之中期階段，例如改質吹煉步驟進行5分鐘至15分鐘時，可選擇性吹入氧氣，以平均約0.92NM3/min之平均流量、14NM3之總吹入量，藉此增加與熔融鋼爐渣之氧化鐵(FeO)或殘留鋼液反應而產生額外的熱能，使矽砂與熔融鋼爐渣充分反應。上述改質吹煉步驟歷時約16分鐘。經自然冷卻後，即可製得多晶相化合物，並進一步檢測其化學組成、晶相組成以及遠紅外線放射率，其檢測相關方法詳如後述。
實施例2
實施例2係使用與實施例1相同之方法與溫度條件進行集收步驟以及改質吹煉步驟。不同的是，實施例2係使用廢玻璃粒料(平均直徑＜0.7mm；SiO2＞66%，Al2O3＜18%，CaO＜8%，水份＜0.5%)作為添加劑，吹入溫度1350℃至1500℃之熔融鋼爐渣中。添加劑的送料速度為約60~300kg/min。基於熔融鋼爐渣為100重量百分比，上述市售矽砂與廢玻璃塊之使用量為20重量百分比。實施例2之改質吹煉步驟亦利用平均流量2.0NM3/min、壓力5.5~7.3kg/cm2之空氣作為含氧載氣，惟在改質吹煉步驟之中期階段，例如改質吹煉步驟進行5分鐘至15分鐘時，可選擇性吹入氧氣，其平均流量為2.5~4.0NM3/min之平均流量，且總吹入量為14~22NM3。上述改質吹煉步驟歷時約16~20分鐘。經自然冷卻後，即可製得多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物並檢測其化學組成、晶相組成以及遠紅外線放射率。
實施例3
實施例3係使用與實施例1相同之方法與溫度條件進行集收步驟以及改質吹煉步驟。不同的是，實施例3係使用矽砂粉末(例如，商品名：石英粉，高A，金晶矽砂公司；粒度＜0.1mm；SiO2＞95%,Al2O3＜3%,水份＜0.5%)作為添加劑，吹入溫度1350℃至1500℃之熔融鋼爐渣中。添加劑的送料速度為約70 kg/min至250 kg/min。基於熔融鋼爐渣為100重量百分比，上述市售矽砂與廢玻璃塊之使用量為15重量百分比。實施例2之改質吹煉步驟亦利用平均流量2.0 NM3/min、壓力5.5 kg/cm2至7.3 kg/cm2之空氣作為含氧載氣，惟在改質吹煉步驟之中期階段，例如改質吹煉步驟進行5分鐘至15分鐘時，可選擇性吹入氧氣，其平均流量為2.5~4.0NM3/min之平均流量，且總吹入量為14~22NM3。上述改質吹煉步驟歷時約16~20分鐘。經自然冷卻後，即可製得多晶相化合物。
評估遠紅外線放射性材料之效能
1.　化學組成
實施例1所得之多晶相化合物係利用市售之X射線螢光(X-ray Fluorescence；XRF)光譜設備，例如X射線螢光光譜儀(X-ray Fluorescence Spetrometer)(SRS 3400，Bruker-AXS GmbH)以及濕式分析方法(wet method)，以鑑定其化學組成，其結果如第1表所示。
由第1表可得知，在改質吹煉前，實施例1之熔融鋼爐渣至少包含游離態氧化鈣(free CaO)、游離態氧化鎂(free MgO)、矽酸鹽(silicate)或鐵酸鹽(ferrite)類化合物。然而，實施例1之熔融鋼爐渣經改質吹煉後，所得之多晶相化合物至少包含赤鐵礦(hematite,Fe2O3)等鐵酸鹽化合物，但不具有游離態氧化鈣以及游離態氧化鎂。
2.　晶相組成
其次，實施例1所得之多晶相化合物係利用市售X射線繞射(X-ray diffraction；XRD)設備，例如X射線繞射儀(X-ray diffractometer)(D8 Advance，Bruker-AXS GmbH,德國)，以鑑定其結晶相(crystalline phases)組成。
請參閱第2圖與第3圖，其係分別顯示根據本發明實施例1之熔融鋼爐渣經改質吹煉之前(第2圖)或之後(第3圖)的XRD分析結果，其中第2圖與第3圖之橫軸為掃描角度(2θ°)，而縱軸為強度(每秒訊號計數；counts per second，cps)，CaO代表石灰(lime；CaO)之峰值，FeO代表氧化鐵(FeO)之峰值，B代表鈣鐵鋁石(brownmillerite；Ca2(Al,Fe)2O5)之峰值，Fe3O4代表磁鐵礦(Fe3O4)之峰值，L代表β-矽酸鈣(β-lamite；β-Ca2SiO4)之峰值，FeO代表方鐵礦(wustite；FeO)之峰值，而Fe2O3代表赤鐵礦(hematite；Fe2O3)之峰值。
由第2圖之XRD分析結果顯示，熔融鋼爐渣經改質吹煉前之主要晶相包括石灰(lime；CaO)、氧化鐵(FeO)、鈣鐵鋁石(brownmillerite；Ca2(Al,Fe)2O5)、磁鐵礦(Fe3O4)、β-矽酸鈣(β-lamite；β-Ca2SiO4)等。然而，熔融鋼爐渣經過實施例1之改質吹煉後，由第3圖之X光繞射儀分析結果顯示，改質吹煉後之熔融鋼爐渣為多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物，其主要晶相包括鈣鐵鋁石(brownmillerite；Ca2(Al,Fe)2O5)、磁鐵礦(Fe3O4)、β-矽酸鈣(β-lamite；β-Ca2SiO4)、方鐵礦(wustite；FeO)、赤鐵礦(hematite；Fe2O3)等，但不具有石灰(lime；CaO)及方鎂石(periclase；MgO)。在比較第2圖與第3圖後可輕易得知，熔融鋼爐渣經改質吹煉後，已沒有石灰(lime；CaO)(即游離態氧化鈣)及方鎂石(即游離態氧化鎂)。
3.　遠紅外線放射率
再者，實施例1至實施例3所得之多晶相化合物係利用傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy；FT-IR)，例如VERTEX 70 FT-IR(Bruker Optik GmbH，德國)，以鑑定其遠紅外線放射率，其結果如第4圖以及第2表所示。
請參閱第4圖，其係顯示根據本發明實施例1至3以及參考物之遠紅外線放射率，其中第4圖之橫軸為遠紅外線之波長(μm)，而縱軸為遠紅外線放射率。一般而言，遠紅外線放射率(ε)係定義為樣品試片與黑體標準片的比值，無法以實際單位表示，通常為0~1之間，可依下式(I)計算：
其中M(T)為樣品試片於30℃與40℃的遠紅外線放射量，Mb(T)則為黑體標準片於30℃與40℃的遠紅外線放射量。
至於第2表為本發明實施例1至3以及參考物於特定溫度的遠紅外線放射率，其中參考物為BBCH經絡穴位氣場黑色圓片狀產品(中國東莞市柏弼禪宏貿易公司，中華民國佳美貿易公司進口)。
綜合第4圖以及第2表可得知，實施例1至3之熔融鋼爐渣經改質吹煉後，所得之多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物於波長4 μm至14 μm之平均遠紅外線放射率為75百分比至90百分比，確實可達到本發明之目的。
惟在此需補充的是，本發明之遠紅外線放射性材料及其製造方法亦可使用其他熔融鋼爐渣、含氧載氣、其他添加劑、其他反應條件等進行，此為本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者所熟知，故不另贅述。
綜言之，由上述本發明實施方式可知，應用本發明之遠紅外線放射性材料及其製造方法，其優點在於先在轉爐外收集大量的熔融鋼爐渣後，直接利用含氧載氣將添加劑吹入高溫之熔融鋼爐渣中同時進行攪拌，以於短時間內進行改質吹煉步驟，藉此形成具有遠紅外線放射性的多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物，在無須額外進行加熱亦無需冷卻後再升溫之情況下，即可使不安定的熔融鋼爐渣，形成安定的多晶相矽酸鹽材料，不僅環保節能，克服習知鋼爐渣之水化膨脹衍生各種的問題，且所得之多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物具有良好的遠紅外線放射率，更可作為遠紅外線放射性材料，增加其產業應用範圍，提高其經濟價值。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．方法
101．．．熔融鋼爐渣之集收步驟
103．．．改質吹煉步驟
105．．．形成遠紅外線放射性材料
401/403/405/407．．．曲線
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖係繪示根據本發明一實施例之遠紅外線放射性材料的製造方法的部分流程圖。
第2圖與第3圖係分別顯示根據本發明實施例1之熔融鋼爐渣經改質吹煉之前(第2圖)或之後(第3圖)的XRD分析結果。
第4圖係顯示根據本發明實施例1至3以及參考物之遠紅外線放射率。
100．．．方法
101．．．熔融鋼爐渣之集收步驟
103．．．改質吹煉步驟
105．．．形成遠紅外線放射性材料

Claims (8)

  1. 一種遠紅外線放射性材料的製造方法，包含：進行一集收步驟，該集收步驟係於一轉爐外收集一熔融鋼爐渣，其中該熔融鋼爐渣至少包含游離態氧化鈣(free CaO)、游離態氧化鎂(free MgO)、矽酸鹽(silicate)化合物或鐵酸鹽(ferrite)化合物；以及在該集收步驟之後，直接進行一改質吹煉步驟，以形成一遠紅外線放射性材料，其中該改質吹煉步驟包含：將一添加劑利用一含氧載氣吹入溫度1350℃至1600℃之該熔融鋼爐渣中，其中該添加劑係由二氧化矽材料所組成，且基於該熔融鋼爐渣為100重量百分比，該添加劑之使用量為10重量百分比至30重量百分比；以及在吹入該添加劑之同時，攪拌混合該添加劑與該熔融鋼爐渣10分鐘至60分鐘，以形成該遠紅外線放射性材料，其中該遠紅外線放射性材料為一多晶相矽酸鹽及鐵酸鹽化合物，該多晶相化合物至少包含赤鐵礦(hematite；Fe2O3)但不具有游離態氧化鈣及游離氧化鎂，且該多晶相材料之平均遠紅外線放射率為75百分比至90百分比。
  2. 如請求項1所述之遠紅外線放射性材料的製造方法，其中該含氧載氣包括空氣、氧氣或上述之組合。
  3. 如請求項1所述之遠紅外線放射性材料的製造方法，其中該二氧化矽材料包括飛灰、玻璃廢料、廢陶土、廢鑄砂、噴砂廢料、高爐石或原物料矽砂。
  4. 如請求項1所述之遠紅外線放射性材料的製造方法，其中將該添加劑利用該含氧載氣吹入溫度1500℃至1600℃之該熔融鋼爐渣中。
  5. 如請求項1所述之遠紅外線放射性材料的製造方法，其中該改質吹煉步驟係利用1立方公尺/分鐘(Nm3/min)至4 Nm3/min之一攪拌速率攪拌混合該添加劑與該熔融鋼爐渣。
  6. 如請求項1所述之遠紅外線放射性材料的製造方法，其中該改質吹煉步驟係利用2 Nm3/min之一攪拌速率攪拌混合該添加劑與該熔融鋼爐渣。
  7. 如請求項1所述之遠紅外線放射性材料的製造方法，其中該添加劑與該熔融鋼爐渣係攪拌混合10分鐘至30分鐘。
  8. 一種遠紅外線放射性材料，其係利用如請求項1至7任一項所述之遠紅外線放射性材料的製造方法所製得。
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