TWI817604B - 耐火材料調質轉爐石及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明是有關於一種耐火材料調質轉爐石及其製造方法。此耐火材料調質轉爐石係對轉爐熱渣進行吹射步驟形成吹射產物後，再對吹射產物進行淺盤灑水步驟後獲得。此吹射步驟係使用耐火材料進行，其中耐火材料含有二氧化矽及氧化鋁，可降低吹射產物的共熔點，從而降低吹射產物的黏度，進而可節省均勻混合轉爐熱渣與耐火材料所需的能量。
Description
本發明係有關於一種調質轉爐石，特別是關於一種耐火材料調質轉爐石及其製造方法。
耐火材料廣泛用於冶金、化工、石油、機械製造、動力等工業領域，其中冶金工業主要使用鹼性耐火材料，如：氧化鎂耐火材料。這些耐火材料在使用時，常因為鐵水、鋼液或爐渣之侵蝕、氧化、沖刷、熔融、剝落和水化等原因而損毀，其中氧化鎂含量高(如：大於5%)之廢棄耐火材料還可回收再利用，但氧化鎂含量低(如：小於或等於5%)之廢棄耐火材料難以回收，且目前尚無可有效利用的方法，從而造成資源的浪費。
轉爐石是轉爐煉鋼步驟的副產物轉爐熱渣經冷卻後形成，其中轉爐石可應用於瀝青混凝土道路之鋪設、鋪面磚或作為水泥製品之骨材等。然而，轉爐石之游離氧化鈣含量高，因此轉爐石接觸到水後，轉爐石的游離氧化鈣會經水化作用形成氫氧化鈣，導致轉爐石的體積膨脹而裂
開甚至崩解，是轉爐石目前應用的問題之一。
習知改善轉爐石遇水體積膨脹缺點的方法是利用鋁渣及/或矽砂對轉爐熱渣進行調質，以降低轉爐石的游離氧化鈣含量。然而，不同批次的鋁渣成分不一致，因此利用鋁渣進行調質，轉爐石的品質難以控制。其次，利用矽砂進行調質時，為了均勻混合矽砂及轉爐熱渣，需耗費更多能量。
有鑑於此，亟需一種耐火材料調質轉爐石之製造方法，以解決上述問題。
因此，本發明之一態樣是提供一種耐火材料調質轉爐石之製造方法，其包含利用耐火材料對轉爐熱渣進行吹射步驟形成吹射產物後，再對吹射產物進行淺盤灑水步驟後獲得。
本發明之另一樣態是提供一種耐火材料調質轉爐石，其係利用前述耐火材料調質轉爐石之製造方法後獲得，其中上述製造方法所述的吹射產物之黏度可例如為小於0.25帕斯卡秒(Pa.s)。
根據本發明之上述態樣，提出一種耐火材料調質轉爐石之製造方法。首先，使用耐火材料對轉爐熱渣進行吹射步驟，以獲得吹射產物，其中基於轉爐熱渣為100重量份，耐火材料之用量可例如為2重量份至10重量份，且基於耐火材料為100重量%，耐火材料的氧化鎂含量可例如
為小於5重量%，耐火材料的二氧化矽(SiO2)與氧化鋁(Al2O3)之總含量可例如為大於50重量%，且此耐火材料排除包含鋁元素。接著，對吹射產物進行淺盤灑水步驟，以獲得耐火材料調質轉爐石。
依據本發明之一實施例，基於耐火材料為100重量%，耐火材料可選擇性包含大於或等於10重量%之氧化亞鐵。依據本發明之一實施例，耐火材料的二氧化矽與氧化鋁的比值可例如為0.2至5。依據本發明之一實施例，耐火材料的粒徑可例如為小於或等於2cm。依據本發明之一實施例，轉爐熱渣的溫度可例如為1300℃至1550℃。依據本發明之一實施例，吹射步驟的吹入時間可例如為5分鐘至30分鐘。依據本發明之一實施例，吹射步驟包含吹入混合氣，其中混合氣可包含但不限於氧氣與氮氣，且混合氣的氧氮比可例如為2至6。
根據本發明之上述態樣，提出一種耐火材料調質轉爐石，其係利用上述耐火材料調質轉爐石的製造方法製得，其中耐火材料調質轉爐石的製造方法包含使用耐火材料對轉爐熱渣進行吹射步驟，以獲得吹射產物，以及對吹射產物進行淺盤灑水步驟，以獲得耐火材料調質轉爐石，且吹射產物的黏度可例如為小於0.25帕斯卡秒(Pa.s)。
依據本發明之一實施例，其中耐火材料調質轉爐石的結晶相可包含但不限於大於30%之矽酸鈣相及小於或等於70之鐵酸鈣相。依據本發明之一實施例，耐火材料調質轉爐石的pH值可例如為大於10.5至小於12。
應用本發明之耐火材料調質轉爐石及其製造方法，此耐火材料調質轉爐石係對轉爐熱渣進行吹射步驟後形成吹射產物，再對吹射產物進行淺盤灑水步驟後獲得，其中吹射步驟係使用耐火材料進行，且此耐火材料含有二氧化矽及氧化鋁，可降低耐火材料調質轉爐石的共熔點，從而降低吹射產物的黏度，可節省均勻混合轉爐熱渣與耐火材料所需的能量，並提高製得膨脹率係小於0.5%之耐火材料調質轉爐石的成功率。
100:方法
102,104,106:步驟
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，所附圖式之詳細說明如下：[圖1]係繪示根據本發明之一實施例之耐火材料調質轉爐石之製造方法的流程圖。
承上所述，本發明提供一種耐火材料調質轉爐石及其製造方法。請參閱圖1，其係繪示根據本發明一實施例之耐火材料調質轉爐石之製造方法100的流程圖。首先，如方法100之步驟102所示，利用耐火材料對轉爐熱渣進行吹射步驟，以獲得吹射產物。
本文所述之「耐火材料」可例如為對鹼性渣之抗侵蝕能力較佳的鹼性耐火材料，其中鹼性耐火材料的成分包含鹼金族元素的氧化物，如：氧化鎂。在一實施例中，基
於耐火材料為100重量%，氧化鎂含量可例如為小於5重量%，如：大於1重量%至小於5重量%，否則會增加製得之吹射產物的黏度。在一實施例中，鹼性耐火材料的成分可選擇性包含氧化鈣，其中基於耐火材料為100重量%，氧化鈣含量可例如為小於8重量%，如：5重量%至8重量%，以免增加製得之耐火材料調質轉爐石的游離氧化鈣(f-CaO)含量。
在一實施例中，耐火材料可包含但不限於二氧化矽(SiO2)及氧化鋁(Al2O3)，其中二氧化矽可與轉爐熱渣的游離氧化鈣形成矽酸鈣相，從而降低製得之耐火材料調質轉爐石的游離氧化鈣含量，且氧化鋁可降低吹射產物的共熔點，從而降低製得之吹射產物的黏度。
在一實施例中，基於耐火材料為100重量%，耐火材料的二氧化矽與氧化鋁之總含量為大於50重量%，如：大於50重量%至70重量%。如果二氧化矽與氧化鋁之總含量是小於50重量%，則無法有效降低轉爐熱渣中的游離氧化鈣含量，或者無法有效降低吹射產物的黏度。在一實施例中，耐火材料的二氧化矽與氧化鋁的比值可例如為0.2至5，如：1至1.5，以有效降低轉爐熱渣中的游離氧化鈣含量及降低吹射產物的黏度。
在一實施例中，耐火材料可選擇性包含氧化亞鐵，其中氧化亞鐵經吹射步驟後，所形成之氧化鐵可與游離氧化鈣形成鐵酸鈣相，從而降低所製得之耐火材料調質轉爐石的游離氧化鈣含量。其次，氧化亞鐵形成氧化鐵為放熱
作用，其所產生的熱能可以提高吹射產物的溫度，從而延緩吹射產物降溫而固化的速率。基於耐火材料為100重量%，氧化亞鐵的含量可例如為大於或等於10重量%，如：大於或等於10重量%至小於或等於50重量%。
在一實施例中，在進行吹射步驟前，耐火材料可選擇性進行研磨步驟，以獲得粒徑較小之耐火材料。耐火材料的粒徑不限，可例如為小於或等於2cm，以使耐火材料與1300℃至1550℃之轉爐熱渣混合後呈液相熔融態。
補充說明的是，上述耐火材料排除金屬元素(如：鋁)，以避免金屬元素刮傷吹射步驟及後續淺盤灑水步驟所使用的設備(如：運送耐火材料及/或轉爐熱渣的管線、吹射處理站的吹設管及其他相關設備)。其次，即使耐火材料含有金屬元素，此金屬元素也會在耐火材料的使用過程中被氧化。
本文所述之「轉爐熱渣」是轉爐煉鋼步驟的副產物。詳細而言，鋼鐵的冶煉包含高爐煉鐵步驟及轉爐煉鋼步驟，其中高爐煉鐵步驟包含高溫處理鐵礦、焦炭及石灰石，藉以獲得鐵水及高爐熱渣。此高爐熱渣經加工後可產生高爐石，其中基於高爐石為100%，高爐石之氧化鐵含量係小於1重量%。轉爐煉鋼步驟包含對高爐煉鐵步驟中所產生的鐵水及副原料(如：鐵礦及石灰石)進行高溫處理及吹氧處理，藉以獲得鋼液及轉爐熱渣。在一實施例中，基於高爐石為100%，氧化鐵含量係25重量%至30重量%。剛從轉爐煉鋼步驟的轉爐熱渣的溫度約為1550℃(但不大
於1550℃)，並在後續步驟中緩慢降溫。在一實施例中，進行吹射步驟之轉爐熱渣的溫度可例如為1300℃至1550℃，以確保吹射產物呈液相熔融態。
在一實施例中，基於轉爐熱渣為100重量份，耐火材料之用量為2重量份至10重量份。如果耐火材料之用量過少，則無法有效降低製得之耐火材料調質轉爐石的游離氧化鈣含量。如果耐火材料之用量過多，則會降低轉爐熱渣的溫度，使得轉爐熱渣及/或後續形成之吹射產物無法保持液相熔融態。
本案所述之「吹射步驟」係指進行於吹射處理站中，將吹射管插入轉爐熱渣中，藉以將耐火材料吹入轉爐熱渣的過程。在一實施例中，在進行吹射步驟時，轉爐熱渣的溫度可例如為1300℃至1550℃，以呈現液相熔融態。補充說明的是，本發明在進行吹射步驟時，不需要另外加熱轉爐熱渣，而可達到較佳的能源效益。故，可理解的，在進行吹射步驟前，前述由轉爐煉鋼步驟所獲得之轉爐熱渣的溫度不會降低至小於1300℃。在一實施例中，吹射步驟的吹入時間可例如為5分鐘至30分鐘，以維持轉爐熱渣的溫度在1300℃至1550℃，並減少吹射管進行吹射步驟的時間，從而延長吹射管之壽命。
在一實施例中，吹射步驟可選擇性包含吹入混合氣，其中混合氣可包含但不限於氧氣與氮氣，且混合氣的氧氮比為2至6，以提供安全可控的環境，使氧化亞鐵進行氧化反應而放熱，從而維持轉爐熱渣的溫度在1300℃至
1550℃。
接著，如方法100之步驟104與步驟106所示，對吹射產物進行淺盤灑水步驟，從而獲得耐火材料調質轉爐石。其中，淺盤灑水步驟係將吹射產物倒入鋼製淺盤中，再以灑水方式進行冷卻。可理解的是，前述之「淺盤灑水步驟」亦可稱之為「渣盤灑水冷卻步驟」。此淺盤灑水步驟所使用之設備與方法係本發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知，故在此不另贅述。
值得注意的是，為使耐火材料中的二氧化矽及/或氧化亞鐵可與轉爐熱渣的游離氧化鈣充分作用，在吹射步驟的過程，需持續攪拌吹射產物，其中如果吹射產物的黏度越低，耐火材料及轉爐熱渣越容易均勻混合，而越容易製得膨脹率低的耐火材料調質轉爐石。在一實施例中，吹射產物(未進行淺盤灑水步驟)的黏度可例如為小於0.25帕斯卡秒，如：1400℃之吹射產物的黏度可例如為0.20帕斯卡秒至0.25帕斯卡秒。
由上述方法製得之耐火材料調質轉爐石之游離氧化鈣含量低(如：基於耐火材料調質轉爐石的結晶相為100%，耐火材料調質轉爐石之游離氧化鈣含量係小於0.1%)，因此耐火材料調質轉爐石之體積較不受水化作用影響，故膨脹率低。本文所述之「膨脹率」係指耐火材料調質轉爐石接觸水前後之體積差對耐火材料調質轉爐石接觸水前之體積的百分率。在一實施例中，耐火材料調質轉爐石之膨脹率低表示膨脹率為小於0.5%。
補充說明的是，由於耐火材料調質轉爐石之游離氧化鈣含量，因此相對於未經耐火材料調質之轉爐石，耐火材料調質轉爐石的鹼性較弱，對環境較為友善。在一實施例中，耐火材料調質轉爐石的pH值可例如為大於10.5至小於12，較佳可為小於10.8至小於11.5。
在一實施例中，耐火材料調質轉爐石的結晶相可包含但不限於矽酸鈣相及鐵酸鈣相，其中矽酸鈣相可包含但不限於矽酸二鈣(2CaO．SiO2；簡稱為C2S)及/或矽酸三鈣(3CaO．SiO2；簡稱為C3S)。矽酸鈣相的比例不限，可例如為大於30%，如：35%至50%，或40%至45%。鐵酸鈣相的比例不限，可例如為小於或等於70%，如：35%至70%，或40%至60%，抑或45%至50%。
以下利用數個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。
基於轉爐熱渣為100重量份，實施例1之耐火材料調質轉爐石係利用2重量份的改質劑對1450℃的轉爐熱渣進行吹射步驟達5分鐘，從而獲得吹射產物。吹射步驟的過程中，改質劑及轉爐熱渣會被以攪拌的方式均勻混合，並吹入氮氧混合氣(氧/氮比為3)。實施例1的改質劑是耐火材料。基於耐火材料為100重量%，此耐火材料之二氧化矽及氧化鋁的含量為大於50重量%。然後，將吹射
產物倒入鋼製淺盤中，並灑水冷卻，而獲得耐火材料調質轉爐石。
實施例2之耐火材料調質轉爐石的製造方法與實施例1相同，差異在於實施例2之改質劑(耐火材料)的用量(8重量份)、吹射溫度(1430℃)及混合氣的氧/氮比(6)。
比較例1及比較例2之轉爐石未添加改質劑，係直接將轉爐熱渣倒入鋼製淺盤中，並灑水冷卻後，以獲得比較例1及比較例2之轉爐石。
基於轉爐熱渣為100重量份，比較例3之矽砂改質轉爐石係利用2重量份的改質劑對1450℃的轉爐熱渣進行吹射步驟達5分鐘，從而獲得吹射產物，其中吹射步驟包含攪拌並吹入氧氮混合氣(氧/氮比為3)，且改質劑是矽砂。基於矽砂為100重量%，此矽砂之二氧化矽含量為約99.5重量%，且氧化鋁的含量為小於0.05重量%。然後，將吹射產物倒入鋼製淺盤中，並灑水冷卻，而獲得矽砂改質轉爐石。比較例4之矽砂改質轉爐石的製造方法與比較例3的製造方法相同，差異在於改質劑的用量及吹射溫度不同。
關於實施例1及實施例2之耐火材料調質轉爐石、比較例1至比較例2之轉爐石及比較例3至比較例4之矽
砂調質轉爐石的製造方法之條件(改質劑的種類、改質劑的用量、改質劑的二氧化矽及氧化鋁的含量、轉爐熱渣的溫度、混合氣的氧/氮比)及評價結果(轉爐石的結晶相、膨脹率、pH值及轉爐石於1400℃的黏度)係如表1所示，此處不再贅述。
以X光繞射分析轉爐石之結晶相。X光繞射為本發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知，於此不再贅述。如表1所示，實施例1及實施例2之耐火材料調質轉爐石使用耐火材料做為改質劑，且比較例3及比較例4之矽砂調質轉爐石使用矽砂做為改質劑，對轉爐熱渣進行改質，所以基於轉爐石之結晶相為100%，矽酸鈣相(矽酸二鈣C2S和矽酸三鈣C3S之和)係41.2%至47.7%，且游離氧化鈣(f-CaO)之含量係小於0.2%。然而，比較例1及比較例2之轉爐石未進行改質，所以矽酸鈣相(矽酸二鈣C2S和矽酸三鈣C3S)之和較小，且游離氧化鈣含量較高。
補充說明的是，相較於比較例1至比較例2的轉爐石與比較例3及比較例4之矽砂調質轉爐石，實施例1及實施例2的耐火材料調質轉爐石在吹射步驟使用之混合氣含氧氣，鐵酸鈣相較高，且非鈣氧化物(RO)的比例較低，說明以含有氧氣之混合氣進行吹射步驟，可促使氧化亞鐵氧化，且形成之氧化鐵可與更多的游離氧化鈣形成鐵酸鈣相。
使用CNS 15311 A3419「粒料受水化作用之潛在膨脹試驗法」測試轉爐石的膨脹率，其係將轉爐石浸入前述試驗法所規範的溫度(例如：70±3℃)的水中至少7天，藉以測量因水化作用導致體積增加的比率。
如表1所示，實施例1及實施例2的耐火材料調質轉爐石與比較例3及比較例4之矽砂調質轉爐石的游離氧化鈣含量係小於0.2%，因此膨脹率係小於0.5%。然而，比較例1及比較例2之轉爐石的游離氧化鈣含量係6.6%至8.6%，因此膨脹率係大於3.0。
利用pH檢測儀檢測轉爐石之pH值。如表1所示，實施例1及實施例2之耐火材料調質轉爐石與比較例3及比較例4之矽砂調質轉爐石的游離氧化鈣含量係小於0.2%，因此pH係小於12。然而，比較例1及比較例2之轉爐石的游離氧化鈣含量較高，因此pH係大於12。
利用高溫黏度計檢測吹射產物於1400℃之黏度。如表1所示，相較於比較例1及比較例2(未進行調質)，實施例1及實施例2之耐火材料調質轉爐石經耐火材料的改質，且比較例3及比較例4之矽砂調質轉爐石經矽砂的改質，因此實施例1及實施例2與比較例3及比較例4之吹射產物的黏度較低。
其次，相較於比較例3及比較例4之矽砂調質轉
爐石使用矽砂(二氧化矽的含量係大於99.5%，氧化鋁含量低)做為改質劑，實施例1及實施例2之耐火材料調質轉爐石使用耐火材料(二氧化矽及氧化鋁的含量之總和是大於50重量%，其中二氧化矽的含量為約30重量%，氧化鋁含量為約25重量%)做為改質劑，因此實施例1及實施例2之吹射產物於1400℃的黏度較低。
由上述可知，本發明之耐火材料調質轉爐石及其製造方法，其優點在於使用耐火材料對轉爐熱渣進行吹射步驟，其中基於耐火材料為100重量%，耐火材料的二氧化矽及氧化鋁含量之總和係大於50重量%，形成之吹射產物的黏度較低，不僅可節省混合耐火材料及轉爐熱渣所需的能量，還可提高製得膨脹率小於0.5%之耐火材料調質轉爐石的成功率。
雖然本發明已以數個特定實施例揭露如上，但可對前述揭露內容進行各種潤飾、各種更動及替換，而且應可理解的是，在不脫離本發明之精神和範圍內，某些情況將採用本發明實施例之某些特徵但不對應使用其他特徵。因此，本發明的精神和權利要求範圍不應限於以上例示實施例所述。
表1
100:方法
102,104,106:步驟
Claims (10)
- 一種耐火材料調質轉爐石之製造方法，包含： 使用一耐火材料對一轉爐熱渣進行一吹射步驟，以獲得一吹射產物，其中基於該轉爐熱渣為100重量份，該耐火材料之一用量為2重量份至10重量份，且基於該耐火材料為100重量%，該耐火材料的氧化鎂含量係小於5重量%，該耐火材料的二氧化矽(SiO 2)與氧化鋁(Al 2O 3)之總含量為大於50重量%，該耐火材料排除包含鋁元素；以及 對該吹射產物進行一淺盤灑水步驟，以獲得該耐火材料調質轉爐石。
- 如請求項1所述之耐火材料調質轉爐石之製造方法，其中基於該耐火材料為100重量%，該耐火材料更包含大於或等於10重量%之氧化亞鐵。
- 如請求項1所述之耐火材料調質轉爐石之製造方法，其中該耐火材料的二氧化矽與氧化鋁的比例為0.2至5。
- 如請求項1所述之耐火材料調質轉爐石之製造方法，其中該耐火材料的一粒徑是小於或等於2 cm。
- 如請求項1所述之耐火材料調質轉爐石之製造方法，其中該轉爐熱渣的一溫度為1300°C至1550°C。
- 如請求項1所述之耐火材料調質轉爐石之製造方法，其中該吹射步驟的一吹入時間為5分鐘至30分鐘。
- 如請求項1所述之耐火材料調質轉爐石之製造方法，其中該吹射步驟包含吹入一混合氣，該混合氣包含氧氣與氮氣，且該混合氣的氧氮比為2至6。
- 一種耐火材料調質轉爐石，其係利用如請求項1至請求項7任一項所述之耐火材料調質轉爐石的製造方法製得，其中該耐火材料調質轉爐石的製造方法包含使用一耐火材料對一轉爐熱渣進行一吹射步驟，以獲得一吹射產物，以及對該吹射產物進行一淺盤灑水步驟，以獲得該耐火材料調質轉爐石，且該吹射產物的一黏度為小於0.25帕斯卡秒(Pa.s)。
- 如請求項8所述之耐火材料調質轉爐石，其中該耐火材料調質轉爐石的一結晶相包含大於30%之矽酸鈣相及小或等於70%之鐵酸鈣相。
- 如請求項8所述之耐火材料調質轉爐石，其中該耐火材料調質轉爐石的pH值為大於10.5至小於12。
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