TWI390025B - 由霧化熔渣製成之研磨性材料，其製造設備及製造方法 - Google Patents

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Description

由霧化熔渣製成之研磨性材料，其製造設備及製造方法
本發明係關於研磨性材料之渣球，其製造設備及方法。詳而言之，本發明係關於應用於噴砂處理(blast cleaning)中作為研磨性材料以及藉由在鐵碾磨機中從鍊鋼加工之煉鋼後所剩下之霧化廢料煉鋼熔渣(atomizing waste steel－making slag)(轉爐熔渣或電爐熔渣)製備之渣球。
噴砂處理(blast cleaning)係指經由諸如沙粒或鋼球之硬研磨性材料之高速注入而產生之碰撞粒子之動能，而磨蝕物體表面或從物體表面去除陳舊塗料或鏽垢(rust scales)之表面處理。
視注入方式而定，噴砂處理一般分為(1)利用高壓空氣之動力噴砂(power blast)，(2)在液相中利用水和研磨性材料之濕式噴砂(亦稱“液體搪磨(liquid honing)”)，(3)利用快速旋轉輪之離心力之離心噴砂，(4)伴隨注入研磨性材料並同時經由使用真空而恢復研磨性材料和粉末之真空噴砂。
依據上述組成之材料，應用於噴砂處理之研磨性材料可分類為用於珠粒噴擊法(shot blasting)之金屬研磨材料以及用於沙粒噴砂(sand blasting)之非金屬研磨材料。
上述研磨性材料中當作珠粒磨料(slot abrasive)已曾被提議於它處，例如，鋼珠(steel shot)(韓國專利登記申請案第10－0420127號)、鋼球(韓國專利早期公開申請案第1983－0001153號)、形狀控制鋼珠(韓國專利早期公開申請案第2001－0020307號)、稀土金屬(韓國專利早期公開申請案第2003－0048032號)、鈰基金屬(韓國專利早期公開申請案第2004－0002949號)、α鋁金屬(韓國專利早期公開申請案第1997－0707253號)、鋼礫(steel grit)、鋼切粒(steel cut wire)、SUS珠、SUS鋼切粒以及鋁鋼切粒。
與非金屬研磨性材料比較，金屬研磨性材料具有極好的持久性和研磨效率。然而，金屬研磨性材料有其缺點，諸如產物單位成本非常昂貴，即較非金屬磨料高10倍至70倍，同時也需要特別製造適合各個材料性質之噴砂機，因此其使用和應用之範圍較窄，而需要特別表面加工之研磨性產物使用上也有所限制。
另一方面，已被提議之非金屬研磨性材料有石榴石(garnet)(韓國專利早期公開申請案第2004－0050607號)、碳化矽(韓國專利早期公開申請案第1999－0007593號)、多用途沙粒(韓國專利早期公開申請案第2000－0060632號)、塑膠材料(plustic materials)(韓國專利早期公開申請案第1980－0001577號)、噴砂沙粒、銅(Cu)熔渣、剛石粉(emery)、玻璃珠、陶珠、金剛砂和碳化矽(SiC)。
然而，非金屬研磨性材料中，取自天然礦物之諸如噴砂沙粒等礦物磨料存在諸如天然資源枯竭以及環境破壞等問題，因此，其使用上有所限制。同樣地，其他研磨性材料也有諸如原料成本昂貴和產物成本高等限制。
為克服資源取得之限制，韓國專利早期公開申請案第2003－0080207號提出利用銅熔渣作為磨料之方法該技術本質上從廢棄材料回收之立場來看是令人鼓舞和有前瞻性的，但因諸如高產物單位成本、低硬度、噴砂後工件粗糙度不足、銅熔渣之腐蝕性、噴砂後大量粉末產生而無法再次使用等問題，以致在磨料上應用上較少吸引注意。
依此，為克服噴砂處理中習知研磨性材料之缺點，技術上需研發滿足下列要求之研磨性材料：(1)足夠硬度，(2)噴砂後工件之高粗糙度，(3)為不造成工件之腐蝕而需要足夠的穩定度，(4)不因噴砂時研磨性材料碎裂而產生粉末，(5)多次使用之能力，以及(6)為將環境危害及破壞程度減至最低而可由廢棄材料製成之能力。
因此，鑒於上述問題而作成本發明，且本發明之目的係提供一種可展現與金屬研磨性材料之研磨效率相比之具有足夠硬度和粗糙度、不造成工件腐蝕、不產生粉末及可重複使用之非金屬研磨性材料，以及其製造設備和方法。
本發明另一目的係提供以廢棄鋼熔渣製造而對環境保護有很大貢獻之非金屬研磨性材料，其製造設備及方法。
本發明又一目的係提供具有易於任何噴砂設備使用之均勻粒子大小之研磨性材料。
根據本發明之一樣態，藉由以霧化轉爐或電爐熔渣製備且具有粒徑0.1至0.2毫米和摩式硬度(Mohs hardness)6.5至8.0之研磨性材料之供料可實現上述及其他目的。
其中，轉爐或電爐熔渣較佳含有14至63重量百分比之CaO、22至45重量百分比之Fe2 O3 、10至20重量百分比之SiO2 、6至10重量百分比之MgO、小於3重量百分比之FeO、小於5.5重量百分比之Al2 O3 、以及剩餘其他無法避免之雜質。
該研磨性材料較佳地具有小於1.3之均勻係數(uniformity coefficient)，該均勻係數以下列方程式表示：均勻係數(UC)＝P6 0 /P1 0 其中P6 0 代表60%之樣品可通過之篩孔大小(mesh size)，而P1 0 代表10%之樣品可通過之篩孔大小。
研磨性材料之粒徑為0.4至2.0毫米為有效。
根據本發明之另一樣態，提供製造研磨性材料之設備，包括接收和排放熔融熔渣之盛渣桶(slag pot)、短暫貯存和排放從盛渣桶所排放之熔融熔渣之斗槽(tundish)、向前注入氣體之氣體噴嘴，以藉由氣體之動能而注入和輸送從斗槽排出之熔融熔渣。
較佳地，為冷卻藉由從氣體噴嘴注入之氣體而向前輸送之熔渣，該設備進一步包含注入水或水汽之冷卻籬(cooling fence)。
較佳地，對研磨性材料該設備進一步包含用於轉移該被輸送之熔渣之載體以及將熔渣分級為所需粒子大小之粒子大小篩選裝置。
製造設備之氣體注入噴嘴為以較高和較低噴嘴所構成之二段式噴嘴為有效率的。
根據本發明之另一樣態，提供一種製造研磨性材料之方法，其包括排出熔融熔渣；藉由高速氣流將排出之熔渣霧化成細小微滴；將磨成粉狀之細小微滴冷卻為固態渣球；將該冷卻之渣球篩分為具有粒子大小0.1至2.0毫米之研磨性材料。
現在將更詳細地敘述本發明。
根據本發明，藉由霧化轉爐熔渣或電爐熔渣以製備研磨性材料，即使視製備之鋼種類而可能有所不同，該熔渣通常仍具有下表1所示之成分。
由具有此種組成物之渣球其中可能包含諸如2CaO．Fe2 O3 、3CaO．Fe2 O3 、MgO．Al2 O3 以及3CaO．SiO2 之各種形式之複合相(composite phase)。此等化合物通常為穩定且硬度高。特別是，此等複合相中以相MgO．Al2 O3 具有稱作尖晶石(spinel)之極穩定相，因而大幅提供渣球之硬度之提升。因此，用於本發明之渣球具有非常高之硬度，即摩氏硬度(Mohs hardness)6.5至8以及維克氏硬度(Vickers hardness)。於是，噴砂該渣球至工件所欲噴砂之處，因為其渣球之高硬度，而可能磨蝕工件表面，或可能輕易移除諸如存在於工件表面上之鐵鏽或塗膜之雜質。
當噴砂渣球至工件時，根據渣球大小，其各種不同大小的渣球會導致工件之噴砂目標(blasting marks)之不同大小，因此造成粗糙度非常不足。此外，渣球粒子大小不均勻可能也使噴砂設備使用上有所限制，所以要求粒子大小均勻。
因此，較低之均勻係數會產生具有均勻噴砂效果，本發明之用以作為研磨性材料之渣球需要具有小於1.3之均勻係數，其均勻係數以於下列方程式1表示：均勻係數(UC)＝P6 0 /P1 0 (方程式1)其中P6 0 代表60%之樣品可通過之篩孔尺寸(mesh size)，而P1 0 代表10%之樣品可通過之篩孔尺寸。若所有樣品具有相同之粒子尺寸，均勻係數則為1。
此外，為了具有適合之動能而達到工件和渣球間之碰撞，渣球具有密度3.2至4.0g/cm3 以及直徑0.1至2.0毫米為較佳。更佳地，為達到更均勻之磨料表面，渣球之分佈直徑為介於0.4和2.0毫米之間。
製備該渣球滿足上述要求：(1)具有高硬度，(2)不含有實質粉末和不具有易碎性，其導致無實質粉末產生(3)因而可多次使用，(4)因均勻粒子直徑而具有提高工件之粗糙度之能力，以及(5)以廢棄材料製成，因而從環境保護之觀點來看是有利的。
以下，將參考第1圖說明製造渣球磨料之設備以及方法。
從第1圖觀之，從轉爐或電爐排出之熔融熔渣收至於盛渣桶(slag pot)1，其盛渣桶為裝盛熔渣之容器。然後將收至於盛渣桶1之熔融熔渣2倒入斗槽(tundish)3，該斗槽3係使熔融熔渣流量變為均勻，同時維持其穩定流率，以供熔融熔渣在斗槽3之倒入面可以廣泛地散開而掉落。
為控制熔渣之流量使熔渣可充足地留在斗槽3，同時可順利地排出，斗槽3之排出口之排出角度為水平向下10至60度為較佳。
從斗槽3排出和掉落之熔渣掉至從噴嘴注入之氣體或氣體/水混合物之注入區域，然後以氣體或氣體/水混合物碰撞熔渣。注入氣體或氣體/水混合物之噴嘴以較高和較低之噴嘴4和5所構成之二段式噴嘴為較佳地。較高之噴嘴4用以藉由注入氣體或氣體/水混合物之動能而將該掉落之熔融熔渣磨成細小微滴，同時將得到之細小微粒輸送至推置場位置(piling yard site)。而較低之噴嘴5用以協助較高之噴嘴4以及將沒有因從較高之噴嘴4所注入之氣體或氣體/水混合物而被輸送至推置場位置之掉下熔渣磨成確定尺寸，同時將磨過之熔渣輸送至推置場位置。
廣泛和徹底的研究該二段式噴嘴之氣體注入角度之結果，本發明已證實將氣體噴嘴設置於水平向上0至45度角以注射氣體對其渣球大小控制和其順利輸送為有效率的。因此，分別地將二段式噴嘴設置於角度0至45度以注入氣體為較佳者。
此外，由二段式噴嘴注入之氣體係以100至1050mmHg之噴砂壓力注入以有效控制渣球粒子大小和其順利輸送。
水注入噴嘴(圖中未顯示)進一步包含於二段式噴嘴之兩側。水注入噴嘴藉由將供水與從二段式噴嘴注入之氣體摻合而供作淬火(quench)霧化熔渣用。
藉由氣體或氣體/水混合物之注入流之媒介而輸注至推置場位置之過程中，熔渣微粒6從噴出水或水汽之區域而通過冷卻籬7(cooling fence)區域。熔渣微粒6進一步以冷卻籬7淬火以及固化成適合作為研磨性材料之渣球。
輸送過程中固化之渣球掉落至堆置場位置。掉落之渣球經由諸如箕式升運機(bucket elevator)8或運送帶(conveyor belt)之載體而轉移至將渣球篩至具有本發明所需之粒子大小之熔渣磨料之篩子(sieve screen)9。
實例
轉爐精煉程序後，將從轉爐排出之熔渣收至盛渣桶，接著利用運輸車將盛渣桶輸送至處理區域。
藉由上空之起重機和以適合之角度傾斜，再次直接將該輸送之盛渣桶移動至斗槽上方，以排放熔融熔渣至斗槽。熔融熔渣之排放率設定為每分鐘1000至1500公斤。為保持穩定排放率，視剩餘熔渣質量而定，傾斜盛渣桶使盛渣桶之傾斜角度逐步變陡。
斗槽之排放口之角度固定於水平向下30度。二段式噴嘴之氣體注入角度分別固定於水平向上24度(較高之噴嘴)和30度(較低之噴嘴)。
其中，不操作水注入噴嘴，而單獨注入氣體。設置冷卻籬於距離水注入噴嘴前端10至15公尺，以致能淬火因氣體而分散和輸送之熔渣微粒。
利用錐鬥機(pay loader)和箕式升運機(bucket elevator)，將堆置場位置中冷卻之渣球轉移至篩子。利用篩子篩選具有粒子大小0.4至2.0毫米之渣球，其渣球之後用以作為研磨性材料。
根據測量該研磨性材料之均勻係數，然後得到UC為1.22，因此得到符合UC之較佳範圍而可使用於本發明。
此外，該研磨性材料之X射線繞射(XRD)分析之結果顯示該研磨性材料不含有實質之游離石灰(free lime)。因此，確認該研磨性材料沒有因水合物甚至長時間貯存其中而有研磨性材料之繞射。
進一步地，為測量該研磨性材料是否會造成水或土地污染，進行重金屬過濾測試。其結果顯示於表2。
從表2可看出根據本發明之研磨性材料並無濾出重金屬。
下述表3顯示根據本發明之研磨性材料與習知研磨性材料之性質比較結果。
如第3圖所示，根據本發明之渣球具有低於鋼球實際比重(約7.2克/立方公分)之實際比重(3.54克/立方公分)，但可看到本發明之渣球具有作為研磨性材料之絕佳性質，考慮廣泛使用於噴砂材料以及具有實際比重2.62之天然沙粒。此外，與鋼球作比較，本發明之渣球在硬度上沒有很大的不同，而且噴砂後工件之粗糙度與鋼球程度相近。此外，從表2之結果可看出本發明之渣球絲毫沒有濾出有害之重金屬，而可輕易回收成為普遍廢棄物。另外地，鋼球或珠球(shot balls)不可用於使用沙粒之沙粒噴砂設備之噴砂處理，而使用沙粒噴砂設備之鋼球噴砂需要很多部份之設備修改。然而，用於本發明之熔渣研磨性材料大致上不受結合噴砂設備之限制。
特別地，當與同樣使用於沙粒噴砂但昂貴之石榴石做比較時，熔渣研磨性材料之絕佳性質為清楚。與石榴石比較，渣球具有稍微低之比重，但具有高硬度，所以加工之工件具有非常好之表面粗糙度。
對於各種射出之磨料，利用噴砂設備根據其尺寸而評估研磨性質。
為達此目的，沙粒、熔渣研磨性材料和鋼球各自分級為粒子分佈0.1至0.4毫米、0.4至1.0毫米和1.0至2.0毫米，而用於評估。由本發明之申請人製造一種沙粒空氣噴砂測試裝置(Model ASP－20)，係用於該實驗。使用該裝置，同時以注入距離30公分和注入速率70至80公尺/秒方式分別注入1000克之各個研磨性材料至相同的腐蝕鋼板。測量結果顯示於表4。
表面粗糙度之顯示結果代表以各個磨料之研磨程度，對所有三種磨料，較大之粒子比較小粒子更理想。此外，當根據各種磨料測量表面粗糙度時，表面粗糙度從最高至最低依序為鋼球、熔渣研磨性材料以及沙粒。因此，可看出根據本發明之熔渣研磨性材料較習知所使用之沙粒更有效率，且有可與鋼球相比之研磨效果。
此外，對於所有三種磨料，證實較小粒子之研磨區域顯著地比較大粒子之研磨區域更大。根據各種磨料，研磨區域也有所不同，而熔渣研磨性材料之研磨區域展現比相同尺寸之沙粒更大。
尤其，研磨處理中產生之粉末為非常影響工作者健康之污染物質。因此，在距離噴砂工作場所5公尺處安裝粉末監測器以測量產生之粉末。結果，沙粒在磨料表面經由碰撞而碎裂使其產生大量粉末，而熔渣研磨性材料與具有相同尺寸之沙粒相比，熔渣研磨性材料因具有較高硬度而展現出減少產生粉末1/3。
因此，當射出之研磨性材料之大小變大時，表面粗糙度則會變高，但處理區域變小，而產生之粉末變多。以研磨效率而言，熔渣研磨性材料之結果優於沙粒。
從上述可清楚看出，根據本發明以熔融煉鋼熔渣之特別加工而得到之研磨性材料，以及其製作方法提供各種優點，諸如利用熔渣而不需習知方法所需之破壞步驟、高硬度、因均勻粒子尺寸而增加研磨之工件之表面粗糙度、因磁性而容易復原和重複使用、以及大幅減少粉末的產生。
此外，根據本發明，因為可能改變工業廢棄煉鋼熔渣之用途為可回收以作為研磨性材料之有益環境之材料，因此也提供諸如節省製鐵加工中熔渣處置所需之經常花費、將環境污染減至最低、減輕開墾土地不足等等之優點。
雖然已揭漏本發明之較佳實施例因作為說明而揭示，熟悉此技術者在未脫離本發明之範疇和宗旨下，可作各種修正、增加以及替代之可能，其本發明之範疇和宗旨揭露於所附之申請專利範圍中。
1．．．盛渣桶
2．．．熔融熔渣
3．．．斗槽
4．．．較高之噴嘴
5．．．較低之噴嘴
6．．．熔渣微粒
7．．．冷卻籬
8．．．箕式升運機
9．．．篩子
上述和其他之目的、特點以及本發明之其他優點將從以上詳細說明配合所附圖式而有更清楚的了解第1圖為依據本發明之製造研磨性材料之設備。
1．．．盛渣桶
2．．．熔融熔渣
3．．．斗槽
4．．．較高之噴嘴
5．．．較低之噴嘴
6．．．熔渣微粒
7．．．冷卻籬
8．．．箕式升運機
9．．．篩子

Claims (9)

  1. 一種由霧化轉爐或電爐熔渣製備而成之研磨性材料，該研磨性材料具有粒徑0.1至2.0毫米(mm)和摩氏硬度(Mohs hardness)6.5至8.0，其中該霧化包括以下步驟：排出熔融熔渣；藉由高速氣流將該排出之熔渣霧化成細小微滴；將磨成粉狀之細小微滴冷卻成固態渣球；將該冷卻之渣球篩分為具有粒子尺寸0.1至2.0毫米之研磨性材料。
  2. 如申請專利範圍第1項之研磨性材料，其中該轉爐或電爐熔渣含有14至63重量百分比之CaO、22至45重量百分比之Fe2 O3 、10至20重量百分比之SiO2 、6至10重量百分比之MgO、小於3重量百分比之FeO、小於5.5重量百分比之Al2 O3 、以及剩餘之其他無法避免之雜質。
  3. 如申請專利範圍第1項之研磨性材料，其中該研磨性材料具有小於1.3之均勻係數(uniformity coefficient)，該均勻係數以下列方程式1表示：均勻係數(UC)=P60 /P10 (方程式1)其中P60 代表60%之樣品可通過之篩孔大小(mesh size)，而P10 代表10%之樣品可通過之篩孔大小。
  4. 如申請專利範圍第1項之研磨性材料，其中該研磨性材料具有粒徑0.4至2.0毫米。
  5. 一種以霧化熔渣製成研磨性材料之製造設備，包括：接收和排放熔融熔渣之盛渣桶(slag pot)； 短暫貯存和排放從盛渣桶所排放之熔融熔渣之斗槽(tundish)；以及向前注入氣體之氣體噴嘴，以藉由氣體之動能而注入和輸送從斗槽排出之熔融熔渣。
  6. 如申請專利範圍第5項之設備，進一步包括：注入水或水汽之冷卻籬(cooling fence)，用以冷卻藉由從該氣體噴嘴注入之該氣體而向前輸送之熔渣。
  7. 如申請專利範圍第5項之設備，進一步包括：用於轉移該被輸送之熔渣之載體；以及將該熔渣分級為該研磨性材料所需粒子大小之粒子大小篩選裝置。
  8. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該氣體噴嘴為以較高和較低噴嘴所構成之二段式噴嘴。
  9. 一種由霧化熔渣製成之研磨性材料之製造方法，包括：排出熔融熔渣；藉由高速氣流將該排出之熔渣霧化成細小微滴；將磨成粉狀之細小微滴冷卻成固態渣球；將該冷卻之渣球篩分為具有粒子尺寸0.1至2.0毫米之研磨性材料。
TW94137769A 2004-11-23 2005-10-28 由霧化熔渣製成之研磨性材料，其製造設備及製造方法 TWI390025B (zh)

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