TWI641578B - 轉爐石細粉料之資源化處理方法 - Google Patents

轉爐石細粉料之資源化處理方法 Download PDF

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Abstract

本發明轉爐石細粉料之資源化處理方法，其依序包含有備料步驟、細篩步驟等；其中，該備料步驟備具有一轉爐石細粉料；另，該細篩步驟備具有一#100 mesh篩網，以將該轉爐石細粉料通過該#100 mesh篩網而得一轉爐石粉體材料，即可使該轉爐石粉進行運用；是以，該轉爐石細粉料通過#100 mesh篩網所得之轉爐石粉體材料，由於其內f-CaO成分和環境中之水氣反應轉換成Ca(OH)2，如此將可避免轉爐石粉體材料後續使用過程中產生膨脹問題，促使該轉爐石粉體材料後續使用不再因膨脹問題而受限制。

Description

轉爐石細粉料之資源化處理方法
本發明係有關於一種資源化處理方法，特別是一種轉爐石細粉料之資源化處理方法。
轉爐石為煉鋼過程中，鐵礦原料所含的黏土雜質與石灰石助溶劑在高溫熔爐中反應所產生之融渣，煉鋼過程中自轉爐排出冷卻所得之固體，稱為轉爐石「Basic Oxygen Furnace Slag，簡稱BOF Slag」；而該轉爐石成分分析後，主要的礦物組成為C2S，C2S在高於1000℃熱碴階段，其礦物相為β-C2S，當溫度低於630℃時，β-C2S開始轉變成γ-C2S礦物相，此時晶相體積膨脹10%，且有粉末(Dust)生成的現象，轉爐石粒徑通過#200號mesh佔比約20%~35%，幾近1/3細粉狀態的爐碴，在環境管理及資源化處理議題上，挑戰提昇許多。
為了保護精煉爐(Ladle)爐體之耐火材料不被熔碴侵蝕破壞，因此，在精煉階段必須投入過量之氧化鈣及氧化鎂，維持爐碴的鹽基度，氧化鈣可為石灰或螢石，氧化鎂一般為輕燒氧化鎂，在短暫的精煉時間內，不足以讓添加劑完全熔解碴化，因此產生氧化鈣及氧化鎂殘留，即游離氧化鈣及氧化鎂；而且在精煉過程中，游離氧化鈣及氧化鎂常被低熔點液態碴所包覆，當 轉爐石接觸到水分，暴露在外的游離石灰立即發生水化反應，造成體積膨脹；然而，被包覆在爐碴內部之游離氧化鈣及氧化鎂，水分僅能藉緩慢的滲透作用，才能產生水化反應；但就整體轉爐石而言，粒徑大小不一，游離氧化鈣及氧化鎂隨機分佈，水化膨脹及體積崩解持續發生，造成爐石膨脹的不確定性；尤其，各家電弧爐煉鋼廠製程不盡相同，包括使用造碴劑不同，投料順序及升溫條件等，影響各家轉爐石特性。
轉爐石體積膨脹特性，造成轉爐石應用於土木營建材料的侷限，僅少量使用於回填工程，一旦應用於混凝土材料，即有脹裂問題；當水泥砂漿中添加不同粒徑之轉爐石後進行高溫蒸養程序，試體會出現爆裂(pop-outs)或脹裂(crack)的現象，稱之為健性(soundness)問題，即硬固水泥漿體受游離氧化鈣/氧化鎂延時水化膨脹，形成體積的變化。
因此，轉爐石資源化的主要問題有三：(1)體積膨脹問題(2)水泥水化反應弱(3)大部份為細粉狀爐碴；目前台灣轉爐石僅能少量運用於替代瀝青混凝土粒料，道路基層或底層回填材料及控制性低強度混凝土回填材料(Controlled Low Strength Materials,CLSM)，資源化數量有限，其中，轉爐石細粉料年產出量超過40萬公噸，且同樣具有體積膨脹問題，因此急需有效之解決方案。
因此，本發明之目的，是在提供一種轉爐石細粉 料之資源化處理方法，其後續使用過程中不會產生膨脹問題，以便有效被利用。
本發明轉爐石細粉料之資源化處理方法，其依序包含有備料、細篩等步驟；其中，該備料步驟備具有一轉爐石細粉料；另，該細篩步驟備具有一#100 mesh篩網，以將該轉爐石細粉料通過該#100 mesh篩網後所得轉爐石粉體材料，即可使該轉爐石粉體材料進行運用；是以，藉由通過該#100 mesh篩網所得之轉爐石粉體材料，使其內f-CaO成分容易和環境中之水氣先行反應轉換成Ca(OH)2，如此將可避免轉爐石粉體材料後續使用過程中產生膨脹問題，促使該轉爐石粉體材料後續使用上不再因為膨脹問題受限制。
圖1 本發明第一較佳實施例之方塊圖。
圖2 轉爐石細粒料之快速砂漿棒試驗結果。
圖3 轉爐石細粒料快速砂漿棒28天結果。
圖4 轉爐石細粒料及轉爐石粉體材料之X光繞射圖譜比較。
圖5 本發明第二較佳實施例之方塊圖。
圖6 三種轉爐石粉體材料漿體之熱壓膨脹試驗結果彙整表。
圖7 研磨轉爐石細粉料熱壓膨脹前後XRD比較圖
圖8 砂漿試體不同齡期之抗壓強度比較圖。
圖9 砂漿試驗體不同齡期之活性指數比較表。
圖10 本發明第三較佳實施例之方塊圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地明白。
參閱圖1，本發明轉爐石細粉料之資源化處理方法第一較佳實施例，本實施例中依序包含有一備料步驟、細篩步驟等；其中，該備料步驟備具有一轉爐石細粉料，而轉爐石細粉料為挑選粒徑小於7mm，或者轉爐石經一#4 mesh篩網篩選後所得之物，而本實施例圖中係以通過#4 mesh篩網為例說明；另，該細篩步驟則備具有一#100 mesh篩網，已將該轉爐石細粉料藉由該#100 mesh篩網選進行篩選，以通過該#100 mesh篩網所得之轉爐石粉體材料；至於，為使該轉爐石細粉料內含磁性成分(如鐵質)降低，故可適時於細篩步驟前或該細篩步驟後增加有一磁選步驟，或者同時於該細篩步驟前、後皆設有一磁選步驟，該磁選步驟透過磁力分選以將該轉爐石粉體材料含磁量降至10%重量百分比以下，而本實施例以下僅以於該細篩步驟前設有一磁選步驟為例說明。
因此，透過篩選粒徑小於#100mesh篩網之轉爐石粉體材料，使小於#100mesh篩網的該轉爐石粉體材料中f-CaO能和環境中之水氣反應，轉換成Ca(OH)2，因此後續使用時，並不會造成水泥材料之膨脹問題。
經下列實驗，以茲證明本發明轉爐石細粉料之資源化處理方法處理過後，確實不會有膨脹之問題。
本發明先將未通過該#100 mesh篩網之轉爐石(稱為轉爐石細粒料)，依CNS 13619快速砂漿棒試驗法和熱壓膨脹試驗法(CNS 1258)，分別評估細粒料和粉體材料之穩定性。
依據CNS 13619快速砂漿棒試驗法，水泥砂漿棒之膨脹量於80℃，1N氫氧化鈉溶液中，養治齡期14天後，量測其水泥砂漿棒之長度變化若大於0.1%，則可判定此粒料具鹼骨材反應特性，即具體積膨脹問題；轉爐石細粒料之快速砂漿棒試驗結果如圖2所示，14天養治齡期之長度變化率已超過0.1%，而且經28天養治後，砂漿棒呈現開裂狀態，如圖3所示。因此轉爐石細粒料具體積膨脹的問題，不能應用於水泥材料之中。
另外，將通過#100 mesh篩網之轉爐石(下稱轉爐石粉體材料，圖4中代號RBOFS100)，該轉爐石粉體材料熱壓膨脹試驗結果，其長度變化率為0.185%(規範值：<0.8%)，顯示轉爐石粉體材料具長期體積穩定性；參閱圖4，轉爐石細粒料和轉爐石粉體材料之X光繞射圖譜發現轉爐石細粒料含有f-CaO的晶相；然而，轉爐石粉體材料卻未發現f-CaO的晶相；由本發明人經試驗結果得知，造成轉爐石細粒料長期體積膨脹問題之主要因素為f-CaO，且發現f-CaO的存在和粒徑大小有關，當粒徑小於#100mesh篩網時(轉爐石粉體材料)，其成分內f-CaO會與環境中之水氣反應，轉換成Ca(OH)2效果最佳也最穩定，因此，後續使 用不會造成水泥材料之膨脹問題。
然而，該轉爐石粒徑大於#100篩網時(轉爐石細粒料，圖4中代號為RBOFS)，可以發現f-CaO仍存在於細粒料當中，當轉爐石細粒料在水泥材料硬固之後，f-CaO遇水反應生成Ca(OH)2，此過程體積膨脹1.26倍，造成體積膨脹問題，而f-CaO主要存在粒料的原因在於，該轉爐石於冷卻過程時粒料表面遇冷結塊速度快，將內部之f-CaO包裹起來，使其冷卻後因未與水接觸，因此沒有進行水化反應，當粒料應用於水泥建材時，因粒料在製成時因攪拌摩擦等機械力，使粒料出現裂縫，於水化反應期間水分透過裂縫滲入粒料之中，因此導致水泥漿體後期膨脹，故以上實驗證明可確定粒徑小於#100篩網時的轉爐石粉體材料，將不會有膨脹問題產生。
參閱圖5，為本發明第二較佳實施例，其主要步驟皆與第一實施例相同，恕不詳述，特別是，本實施例該篩選步驟後未通過該#100 mesh篩網之轉爐石粉體材料可再進行一研磨步驟，以將未過#100 mesh篩網研磨成細度至少3000cm2/g以上，亦可達到後續使用時避免膨脹問題產生，此外，為使後續使用時活性更佳，更可將該細篩步驟後之轉爐石進行一研磨步驟，以將轉爐石粉體材料研磨細度至少3000cm2/g以上；而本發明健性試驗為凝土之試驗標準，可判斷轉爐石細粉料是否具應用為卜作嵐材料之價值；根據CNS1258標準方法，於高壓蒸釜加速水化反應的情況下，可評估卜作嵐材料內之CaO或 MgO是否會引發潛在的後期脹裂問題；熱壓膨脹試驗結果如圖6所示，顯示轉爐石粉體材料(RBOFS100)、研磨轉爐石粉體材料(GBOFS100)和研磨轉爐石細粉料(GBOFS4)等三種材料，其健性試驗後呈穩定狀態，均不超過0.8%(依據CNS 15826水泥熱壓膨脹要求需<0.8%)。
仍續前述，配合參閱圖7，在轉爐石細粉料(OGBOF100)熱壓膨脹試驗前，分析其水泥水化反應一天後XRD分析結果，並無f-CaO或f-MgO之晶像，且鈣矽水化產物於熱壓膨脹程序後，轉化形成矽酸三鈣產物，結晶型態更為明顯，即呈現更為穩定的狀態，此即研磨轉爐石細粉料健性呈現穩定的原因。
此外，再測試該轉爐石粉體材料(RBOFS100)、研磨轉爐石粉體材料(GBOFS100)、研磨轉爐石細粉料(GBOFS4)等，於使用時之鹼活化活性指數，更可證明經研磨程序後能有效提高其活性指數，以增加使用時之抗壓強度。
下以將以習知鹼活化水粹高爐石粉(簡稱AAS)作為比較基準；另外以未經研磨之轉爐石粉體材料(ARBOFS100，通過#100 mesh篩網)，本發明鹼活化研磨轉爐石粉體材料(AGBOFS100，通過#100 mesh篩網且研磨後細度5500cm2/g)，本發明鹼活化研磨轉爐石粉體材料(AGBOFS4，通過#4 mesh篩網，不通過#100 mesh篩網，研磨後細度5500cm2/g)等分別取代20%水淬高爐石粉體材料取代水粹高爐石 粉後，其砂漿之抗壓強度之比較，如圖8所示，鹼活化水粹高爐石砂漿試體之3、7、14、28天抗壓強度分別為28.4、31.8、34.7、41.1MPa，當20%轉爐石粉體材料取代水粹高爐石粉後，其砂漿之抗壓強度同樣下降至23.1、28.1、28.2、33.3Mpa。
配合參閱圖9，以鹼活化活性指數換算後，得知於鹼活化程序下，以轉爐石取代20%之水粹高爐石粉製成之砂漿試體，其抗壓強度與鹼活化水粹高爐石粉體(同含鹼當量和同鹼模數比)抗壓強度比較後得知，所有轉爐石細粉之鹼活化活性指數皆大於75%，故轉爐石細粉料應用於鹼活化程序下使用時，透過一研磨步驟將有助於提高鹼活化研磨轉爐石之抗壓強度，因此，該故研磨程序有利活化轉爐石細粉料。
參閱圖10，本發明第三較佳實施例，其與第二較佳實施例相同，恕不詳述，特別是，於本實施例中，其由第二較佳實施例所形成之爐石粉體材料(RBOFS100)、研磨轉爐石粉體材料(GBOFS100)和研磨轉爐石細粉料(GBOFS4)等材料可再增加有一混合步驟，該混合步驟備具有一鹼性藥劑，該鹼性藥劑與該轉爐石粉混合而形成一活性更佳之工程材料，其中，該轉爐石細粉料與該鹼性藥劑的添加重量配比為1：1~2，而該鹼性藥劑為氫氧化鈉、碳酸鈉、矽酸鈉之其一或其混合。
本發明經實驗後，先將該轉爐石細粉料與該鹼性藥劑的添加重量配比為1：1~2，其於該添加配比範圍條件內，其能有效提升其抗壓強度，經實驗證實，砂漿試體於齡期28 天之抗壓強度增加，分別由26.2MPa提升到32.6MPa再提升至35MPa，且當該轉爐石細粉料與該鹼性藥劑的添加量增加時，抗壓強度也提升，分別由35MPa提升至42MPa，其抗壓強度高於波特蘭水泥砂漿試體之抗壓強度；另外，以活性指數進行測試，即以此砂漿試體之抗壓強度與水泥砂漿試體(比較基準)抗壓強度比較，得出活性指數加入鹼性藥劑後，鹼活化轉爐石細粉料更可優越於波特蘭水泥砂漿試體之抗壓強度更佳，因此，本發明轉爐石細粉料之資源化處理方法，能確實將轉爐石粉體材料轉換成工作性質良好之工程材料，促使該轉爐石粉體材料能有效被利用。
綜上所述，得知本發明轉爐石細粉料之資源化處理方法，具有下列功效：
1.透過備料步驟，細篩步驟後，將該備料步驟所備置之轉爐石直接通過該#100篩網之轉爐石粉體材料，該轉爐石粉體材料中f-CaO會與環境中之水氣反應，轉換成Ca(OH)2，因此直接透過#100篩網後之轉爐石粉體材料，即可當作一摻配料使用，而不會造成使用後產生膨脹問題(例如用於水泥材料，並不會造成水泥材料之膨脹問題)，故能有效降低處理成本。
2.當該粒徑小於#100篩網之轉爐石粉體材料，亦可再透過一研磨步驟，以形成一研磨轉爐石粉體材料，將可有效提升活性指數，以增加該轉爐石粉體材料添加使用時水泥材料時，亦有助於抗壓強度之提升。
3.該轉爐石粉體材料可再適時與一鹼性藥劑且於一定配比下進行混合後再進行使用，將可有效提升該轉爐石粉體材料之活性指數，使該轉爐石粉體材料轉換成工作性質良好之工程材料。
歸納前述，本發明轉爐石細粉料之資源化處理方法，該備料步驟備具有一通過#4 mesh篩網之轉爐石粉體材料，且備具有一#100 mesh篩網，以篩選通過該#100 mesh篩網之轉爐石粉體材料(即細篩步驟)，即可使該轉爐石粉進行運用；是以，透過粒徑小於#100 mesh篩網之轉爐石粉體材料，使其內f-CaO成分和環境中之水氣先行反應轉換成Ca(OH)2，如此將可避免轉爐石粉體材料後續使用過程中產生膨脹問題，故確實能達到本發明之目的。
惟以上所述者，僅為說明本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施例之範圍，及大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (7)

  1. 一種轉爐石細粉料之資源化處理方法，其包含有：一備料步驟，其備具有一轉爐石細粉料，而該轉爐石細粉料為挑選粒徑小於7mm所得之物；及一細篩步驟，其備具有一#100 mesh篩網，以將該轉爐石細粉料通過該#100 mesh篩網篩選，進而得到一轉爐石粉體材料以進行運用，使該轉爐石粉體材料後續使用中不會有膨脹問題產生。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述轉爐石細粉料之資源化處理方法，其中，該細篩步驟後再設有一研磨步驟，以將該轉爐石粉體材料研磨成至少細度3000cm2/g以上。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述轉爐石細粉料之資源化處理方法，該細篩步驟後再增加有一混合步驟，該混合步驟備具有一鹼性藥劑，該鹼性藥劑與該轉爐石粉混合而形成一工程材料，其中，該轉爐石細粉料與該鹼性藥劑的添加重量配比為1：1~2。
  4. 根據申請專利範圍第2項所述轉爐石細粉料之資源化處理方法，該研磨步驟後再增加有一混合步驟，該混合步驟備具有一鹼性藥劑，該鹼性藥劑與該轉爐石粉混合而形成一工程材料，其中，該轉爐石細粉料與該鹼性藥劑的添加重量配比為1：1~2。
  5. 根據申請專利範圍第3項所述轉爐石細粉料之資源化處理方 法，其中，該鹼性藥劑為氫氧化鈉、碳酸鈉、矽酸鈉之其一或其混合。
  6. 根據申請專利範圍第1項或第2項所述轉爐石細粉料之資源化處理方法，其中，該細篩步驟後未通過該#100 mesh篩網之轉爐石粉體材料再進行一研磨步驟，以研磨成至少3000cm2/g以上。
  7. 根據申請專利範圍第1項或第2項所述轉爐石細粉料之資源化處理方法，該轉爐石細粉料再經過一磁選步驟，以將含磁成分篩選降至10%以下。
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TW201024424A (en) * 2008-12-17 2010-07-01 Wei-Shen Chen An innovative method that to age the basic oxygen furnace slag rapidly as a cement additive
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