TWI482863B - 鋼爐渣的安定化方法 - Google Patents

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Description

鋼爐渣的安定化方法
本發明是有關於鋼爐渣的安定化方法，且特別是有關於一種利用添加劑將熔融鋼爐渣再生為穩定產物的安定化方法。
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，經由煉鋼製程後，此些雜質形成大量之鋼爐渣。
早期係藉由掩埋之方法處理此些鋼爐渣。近代隨著工業技術之發展，鋼爐渣經安定化處理後可再使用於建築工業中。但鋼爐渣吸水或接觸空氣中之二氧化碳後，易膨脹甚至危害建物，進而限制鋼爐渣再利用之範圍。
因此，亟需提供一種鋼爐渣與上述廢棄物之處理方法，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鋼爐渣的安定化方法，其係將包含助熔劑與玻璃形成劑之添加劑加入熔融鋼爐渣中，利用熔融鋼爐渣殘留之高溫，使熔融鋼爐渣形成非晶質矽酸鹽材料。
根據本發明之上述態樣，提出一種鋼爐渣的安定化方法。在一實施例中，此鋼爐渣的安定化方法係先進行集收步驟，接著再進行安定化步驟。集收步驟係用以收集熔融鋼爐渣，而安定化步驟係將添加劑加入熔融鋼爐渣中但不進行加熱，以形成非晶質矽酸鹽材料。
上述之添加劑包含助熔劑與玻璃形成劑，其中助熔劑至少包含鹼金屬碳酸鹽或鹼金屬氧化物。上述之玻璃形成劑係用以與熔融鋼爐渣形成非晶質矽酸鹽材料，其中玻璃形成劑至少包含二氧化矽或三氧化二硼。基於玻璃形成劑之總重為100重量百分比，二氧化矽或三氧化二硼之含量為至少50重量百分比。
上述之熔融鋼爐渣與添加劑之總重為100重量百分比時，助熔劑之使用量為大於0重量百分比且小於或等於3重量百分比，而玻璃形成劑之使用量為10重量百分比至60重量百分比。
依據本發明一實施例，熔融鋼爐渣與添加劑之總重為100重量百分比時，助熔劑之使用量為5重量百分比至10重量百分比。
依據本發明另一實施例，上述之安定化步驟中，熔融鋼爐渣之溫度係至少1300℃。
依據本發明又一實施例，上述之助熔劑包含碳酸鈉與氧化鈉。
依據本發明再一實施例，上述之玻璃形成劑包含飛灰、玻璃廢料、廢陶土、廢鑄砂、噴砂廢料或原物料矽砂。
依據本發明又另一實施例，在進行安定化步驟後，可 選擇性進行熱處理步驟。熱處理步驟係於至少800℃之溫度處理非晶質矽酸鹽材料，以形成玻璃陶瓷材料。
依據本發明再另一實施例，於進行熱處理步驟前，可選擇性進行淬冷步驟，使玻璃形成劑與熔融鋼爐渣形成非晶質矽酸鹽材料。
應用本發明之鋼爐渣的安定化方法，其係利用熔融鋼爐渣殘留之高溫，在無須進行加熱之情況下，即可使不安定的熔融鋼爐渣，形成安定的矽酸鹽材料，不僅環保節能，且所得之矽酸鹽材料更可進一步形成玻璃陶瓷材料，增加其產業應用範圍，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。
請參閱第1圖，第1圖係繪示根據本發明一實施例之鋼爐渣安定化方法之流程圖。在一實施例中，此鋼爐渣的安定化方法1包含集收步驟11與安定化步驟12。其係先進行集收步驟11以收集熔融鋼爐渣，然後再進行安定化步驟12。上述之安定化步驟12係將一添加劑加入熔融鋼爐渣中但不進行加熱，利用熔融鋼爐渣殘留之高溫，使添加劑與熔融鋼爐渣混合，以形成非晶質矽酸鹽材料。
上述之添加劑包含助熔劑與玻璃形成劑。當添加劑加入熔融鋼爐渣時，助熔劑可降低熔融鋼爐渣之黏度，藉由 熔融鋼爐渣殘留之高溫，促使添加劑與熔融鋼爐渣混合，以利於玻璃形成劑與熔融鋼爐渣進行反應，形成非晶質矽酸鹽材料。
在一例示中，基於熔融鋼爐渣與添加劑之總重為100重量百分比(wt%)，助熔劑之使用量為大於0wt%且小於或等於3wt%。上述之助熔劑至少包含鹼金屬碳酸鹽或鹼金屬氧化物，例如：碳酸鈉、氧化鈉或上述材料之組合。助熔劑可降低熔融鋼爐渣之黏度，惟助熔劑之使用量大於3wt%時，會造成熔融鋼爐渣之黏度過低，導致後續玻璃形成劑與熔融鋼爐渣之反應性不佳，且會加速承裝容器爐襯熔蝕，降低承裝容器爐襯使用壽命，導致成本增加。
在一例示中，上述之玻璃形成劑至少包含二氧化矽或三氧化二硼，例如：飛灰、玻璃廢料、廢陶土、廢鑄砂、噴砂廢料、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，藉由本發明之鋼爐渣的安定化方法，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。
其次，基於熔融鋼爐渣與添加劑之總重為100wt%，玻璃形成劑之使用量為10wt%至60wt%。當玻璃形成劑之使用量小於10wt%時，安定化步驟的反應不完全，會殘留部分熔融鋼爐渣；當玻璃形成劑之使用量大於60wt%時，反應物過量會使後續形成之非晶質矽酸鹽材料殘留玻璃形成劑，進而影響後續處理(例如：熱處理步驟13)甚至降低其產業利用性。
在前述例示中，當玻璃形成劑之總重為100wt%，二氧 化矽或三氧化二硼之含量至少為50wt%。當二氧化矽或三氧化二硼之含量小於50wt%時，玻璃形成劑與熔融鋼爐渣之反應不完全，進而殘留部分熔融鋼爐渣。
在一例示中，於安定化步驟中加入添加劑時，熔融鋼爐渣之溫度係至少1300℃，即可在無須進行加熱之情況下，使添加劑與熔融鋼爐渣混合，並使玻璃形成劑與熔融鋼爐渣充分反應，以利於形成安定的非晶質矽酸鹽材料且又環保節能。
在一例示中，請再參閱第1圖，在進行安定化步驟12後，可選擇性進行一熱處理步驟13。熱處理步驟13係用以處理非晶質矽酸鹽材料，以形成玻璃陶瓷材料，進而擴大其產業利用範圍並增加經濟價值。在一例示中，熱處理步驟13係於至少800℃之溫度進行，以完全將非晶質矽酸鹽材料轉換為玻璃陶瓷材料。
在前述例示中，進行熱處理步驟13前，可選擇性進行淬冷步驟，有利於使玻璃形成劑與熔融鋼爐渣形成非晶質矽酸鹽材料。本發明所述之非晶質矽酸鹽材料係指矽酸鹽材料中無法測得結晶相或僅具有少量結晶相，其中前述之結晶相係根據X光繞射圖譜峰線之有無為斷，而結晶相之結晶度可藉由例如X光繞射圖譜及本技術領域習知之方法來測量。上述之淬冷步驟可包括但不限於水淬方式或其他習知的淬冷方式。
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。
安定化步驟
實施例1
首先，將50wt%之鋼爐渣、5wt%之助熔劑(Na2 CO3 )與45wt%之玻璃形成劑(SiO2 )以球磨濕混方式混合4小時。待其乾燥後，將混合之樣品以10℃/min之升溫速率升至設定的溫度，例如為1300℃，並維持1小時，以模擬熔融鋼爐渣與添加劑處於高溫的狀態。接著再以水淬方式降溫，使玻璃形成劑與熔融鋼爐渣形成非晶質矽酸鹽材料。
實施例1至實施例16與比較例1之鋼爐渣中，各成分或其氧化物之組成比例如下：鈣：52.097wt%，鐵：27.312wt%，矽：6.280wt%，錳：4.163wt%，鎂：4.087wt%，碳：2.566wt%，鋁：1.310wt%，磷：1.256wt%，鈦：0.417wt%，鉻：0.242wt%，釩：0.134wt%，鍶：0.073wt%，鉀：0.034wt%，鈮：0.014wt%，硫：0.010wt%與氯：0.005wt%。
實施例2至實施例16
實施例2至實施例16係使用與實施例1相同之方法與溫度條件進行安定化步驟。不同的是，實施例2、實施例5至實施例8與實施例11至實施例14係使用不同比例的鋼爐渣、助熔劑與玻璃形成劑，而實施例3、實施例4、實施例9、實施例10、實施例15與實施例16係使用不同種類之助熔劑，且其各成分之使用比例亦不同於實施例1，如表1所示。
熱處理步驟
實施例5
實施例5在進行安定化步驟後，所得之非晶質矽酸鹽材料更進行熱處理步驟，其係以10℃/min之升溫速率升至設定的溫度，例如為800℃，並維持30分鐘。然後，所得之玻璃陶瓷材料再以自然爐冷之方式降溫，如表1所示。
實施例6至實施例16
實施例6至實施例16係使用與實施例5相同之方法進行熱處理步驟。不同的是，實施例11至實施例16之熱處理步驟係將所得之非晶質矽酸鹽材料升溫至1000℃，並維持30分鐘。然後，所得之玻璃陶瓷材料再以自然爐冷之方式降溫，如表1所示。
比較例1
比較例1係使用與實施例1相同之方法與溫度條件進行安定化步驟。不同的是，比較例1係使用不同比例的鋼爐渣、助熔劑與玻璃形成劑，如表1所示。
評價方式
1. X光繞射圖譜
實施例1至實施例16與比較例1所得之產物係以Siemens製造，型號為D5000之X光繞射儀(XRD)來進行鑑定，並藉由儀器所測得之XRD圖譜判斷樣品之晶相。
2. 微分掃瞄熱分析圖譜
本發明於進行安定化步驟後，所得之樣品係以 NETZSCH製造，型號為STA 409 PC之微分掃瞄熱分析儀(DSC)來進行量測，並藉由儀器所測得之DSC圖譜觀察樣品之結晶行為。
請參閱第2圖，其係根據本發明實施例1經安定化步驟所得之產物的X光繞射圖譜，其中橫軸為2倍繞射角度(2θ)，縱軸為每單時間內接受光子數之X光繞射強度。由第2圖之結果可知，實施例1之XRD曲線201與矽酸鹽材料樣品的XRD圖譜相比較，曲線201在2θ為25度至35度處有一寬廣峰值，代表實施例1進行安定化步驟後所形成之樣品係非晶質矽酸鹽材料。
請參閱第3圖，其係根據本發明實施例2與比較例1經安定化步驟所得之產物的X光繞射圖譜，其中橫軸與縱軸的定義與第2圖相同。由第3圖與矽酸鹽材料樣品的XRD圖譜相比較之結果可知，曲線301顯示實施例2之結晶相相當少，且僅具有薔薇輝石[Merwinitc；Ca3 Mg(SiO4 )2 ]結晶相，如曲線301上之圖號M所示。此結果代表實施例2經安定化步驟後所得之產物係矽酸鹽材料，且其結晶性不佳。相較之下，由於比較例1的玻璃形成劑之使用量小於10wt%，導致比較例1之曲線302仍具有大量之結晶相，如曲線302上之圖號M所示。
請參閱第4圖，其係根據本發明實施例3與實施例4經安定化步驟所得之產物的X光繞射圖譜，其中橫軸與縱軸的定義與第2圖相同。由第4圖與矽酸鹽材料樣品的XRD圖譜相比較之結果可知，實施例3之XRD曲線401與實施 例4之XRD曲線402顯示進行安定化步驟後所得之產物主要包含非晶質矽酸鹽材料。
相較於實施例1與實施例2，由於實施例3與實施例4之助熔劑之使用量分別係3wt%與1wt%，導致熔融鋼爐渣之黏度過高，影響玻璃形成劑與熔融鋼爐渣之反應性，使得實施例3之XRD曲線401與實施例4之XRD曲線402具有少量之結晶相，如曲線401與曲線402上之圖號X所示之鎂鐵礦(Magnesioferrite；MgFe2 O4 )。
請參閱第5圖，其係根據本發明實施例5至實施例10經安定化步驟所得之產物的微分掃瞄熱分析圖譜，其中橫軸為溫度(℃)，縱軸為放熱熱量(毫瓦特/毫克；mW/mg)。由第5圖之結果可知，實施例5之曲線501至實施例10之曲線506於800℃至900℃皆具有一結晶放熱峰，顯示上揭實施例於進行安定化步驟後，所形成之非晶質矽酸鹽材料於800℃至900℃可形成結晶相。
實施例5至實施例10於進行安定化步驟後，再進行熱處理步驟。請參閱第6圖，其係根據本發明實施例5至實施例10經熱處理步驟所得之產物的X光繞射圖譜，其中橫軸與縱軸的定義與第2圖相同。由第6圖XRD圖譜之結果可知，實施例5之曲線601至實施例10之曲線606顯示進行熱處理步驟後所形成之產物係結晶之玻璃陶瓷材料。其中，各實施例之結晶相如曲線601至曲線606上之圖號M、H與D所示，圖號M係指薔薇輝石[Merwinite；Ca3 Mg(SiO4 )2 ]；圖號H係指鈣鐵輝石[Hedenbergite；CaFeSi2 O6 ]；圖號D係指透輝石[Diopside； Ca(Mg,Al)(Si,Al)2 O6 ]。
相同於實施例5至實施例10，實施例11至實施例16進一步進行熱處理步驟時，則將熱處理溫度提高至1000℃。請參閱第7圖，其係根據本發明實施例11至實施例16經熱處理步驟所得之產物的X光繞射圖譜，其中橫軸與縱軸的定義與第2圖相同。由第7圖XRD圖譜之結果可知，實施例11之曲線701至實施例16之曲線706顯示進行熱處理後所形成之產物係結晶之玻璃陶瓷材料。其中，各實施例之結晶相如曲線701至曲線706上之圖號G與D所示，圖號G係指鈣鋁黃長石[Gehlenite；Ca2 Al2 Si2 O7 ]；圖號D係指透輝石[Diopside；Ca(Mg,Al)(Si,Al)2 O6 ]。
惟在此需補充的是，本發明之鋼爐渣的安定化方法亦可使用其他助熔劑、其他玻璃形成劑、其他反應條件等進行。舉例而言，本發明之助熔劑亦可使用其他鹼金屬碳酸鹽(例如碳酸鋰、碳酸鉀等)或鹼金屬氧化物(例如氧化鋰、氧化鉀等)，本發明之玻璃形成劑亦可使用三氧化二硼等，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，應用本發明之鋼爐渣的安定化方法，其優點在於利用熔融鋼爐渣殘留之高溫，在無須進行加熱之情況下，即可使不安定的熔融鋼爐渣，形成安定的矽酸鹽材料，不僅環保節能，且所得之矽酸鹽材料更可進一步形成玻璃陶瓷材料，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，任何熟習此技藝者，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。
1‧‧‧方法
11‧‧‧集收步驟
12‧‧‧安定化步驟
13‧‧‧熱處理步驟
201/301/302/401/402/501/502/503/504/505/506/601/602/603/604/605/606/701/702/703/704/705/706‧‧‧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鋼爐渣安定化方法之流程圖。
第2圖係根據本發明實施例1經安定化步驟所得之產物的X光繞射圖譜。
第3圖係根據本發明實施例2與比較例1經安定化步驟所得之產物的X光繞射圖譜。
第4圖係根據本發明實施例3與實施例4經安定化步驟所得之產物的X光繞射圖譜。
第5圖係根據本發明實施例5至實施例10經安定化步驟所得之產物的微分掃瞄熱分析圖譜。
第6圖係根據本發明實施例5至實施例10經熱處理步驟所得之產物的X光繞射圖譜。
第7圖係根據本發明實施例11至實施例16經熱處理步驟所得之產物的X光繞射圖譜。
1‧‧‧方法
11‧‧‧集收步驟
12‧‧‧安定化步驟
13‧‧‧熱處理步驟

Claims (6)

  1. 一種鋼爐渣的安定化方法，包含：進行一集收步驟，該集收步驟係用以收集一熔融鋼爐渣；進行一安定化步驟，該安定化步驟係將一添加劑加入該熔融鋼爐渣中但不進行加熱，以形成一非晶質矽酸鹽材料，其中該添加劑包含：一助熔劑，該助熔劑至少包含一鹼金屬氧化物；以及一玻璃形成劑，以與該熔融鋼爐渣形成該非晶質矽酸鹽材料，其中該玻璃形成劑至少包含二氧化矽或三氧化二硼，且基於該玻璃形成劑之總重為100重量百分比，該二氧化矽或該三氧化二硼之含量為至少50重量百分比，其中基於該熔融鋼爐渣與該添加劑之總重為100重量百分比，該助熔劑之使用量為大於0重量百分比且小於或等於3重量百分比，且該玻璃形成劑之使用量為10重量百分比至60重量百分比；以及進行一熱處理步驟，該熱處理步驟係於至少800℃之溫度處理該非晶質矽酸鹽材料，以形成一玻璃陶瓷材料。
  2. 如請求項1所述之鋼爐渣的安定化方法，其中基於該熔融鋼爐渣與該添加劑之總重為100重量百分比，該助熔劑之使用量為5重量百分比至10重量百分比。
  3. 如請求項1所述之鋼爐渣的安定化方法，其中在該 安定化步驟中，該熔融鋼爐渣之溫度係至少1300℃。
  4. 如請求項1所述之鋼爐渣的安定化方法，其中該助熔劑包括氧化鈉。
  5. 如請求項1所述之鋼爐渣的安定化方法，其中該玻璃形成劑包括飛灰、玻璃廢料、廢陶土、廢鑄砂、噴沙廢料或原物料矽砂。
  6. 如請求項1所述之鋼爐渣的安定化方法，其中該熱處理步驟前，更至少包含：進行一淬冷步驟，使該玻璃形成劑與該熔融鋼爐渣形成該非晶質矽酸鹽材料。
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