專利名稱：一種快速制備用于水泥混凝土的水淬爐渣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保技術(shù)和新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及工業(yè)廢渣資源化利用及處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
熔融高爐渣在常溫下緩慢冷卻時易粘結(jié)成堅(jiān)硬大塊，幾乎完全沒有水硬活性，而且因塊大而無法方便地實(shí)行資源化利用。我國很多地方都有大量的大塊爐渣被排放并堆積，不僅占地、浪費(fèi)資源，而且還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。但需要指出的是，一些熔融高爐渣經(jīng)水淬急冷后，可使形成的物相組成大部分成為玻璃體，具有較高的化學(xué)潛能，在受激發(fā)的條件下具有水硬活性，因而這種?；郀t渣可作為水泥混合材用于生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥，不僅可以降低水泥的生產(chǎn)成本，而且可以大幅度提高水泥產(chǎn)量。
通常，用作水泥混合材的高爐渣的化學(xué)成分主要是CaO、Al2O3、SiO2，還有少量的MgO、MnO、FeO、TiO2等雜質(zhì)含量低的普通高爐渣，國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對用作為水泥混合材的高爐渣的成分有明確的限制，有些地區(qū)或企業(yè)排放的高爐渣中由于含有大量的除CaO、Al2O3、SiO2等活性成分以外的雜質(zhì)而幾乎沒有潛在水硬活性，摻入水泥中后會顯著降低水泥的強(qiáng)度，且對水泥的其它性能也有很大不利影響，因此無法在水泥行業(yè)作為水泥混合材得到很好的利用。但是，隨著人們對循環(huán)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)廢渣的認(rèn)識的提高，越來越多的人們和企業(yè)已認(rèn)識到工業(yè)廢渣只是放錯了地方的潛在資源，只要加強(qiáng)研究，通過人們持續(xù)不懈的努力，在不遠(yuǎn)的將來必將能實(shí)現(xiàn)大部分工業(yè)企業(yè)的零排放和零污染，真正做到固體廢棄物的全部資源化利用，將冶煉企業(yè)與水泥企業(yè)一起構(gòu)建成可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)工業(yè)園區(qū)。而且，目前沒能得到很好地利用的許多工業(yè)廢渣，主要是因?yàn)槿藗儗λ鼈兊恼J(rèn)識的不夠，而不是它們的成分和組成確實(shí)不適宜在水泥行業(yè)作為水泥混合材利用。而其中一個很大的原因是因?yàn)檫@些工業(yè)廢渣的排放企業(yè)沒能對他們進(jìn)行有效的水淬處理，使其潛在活性能釋放出來。此外，還有一部分工業(yè)廢渣沒能作為水泥混合材得到利用的一個重要的原因是冶煉企業(yè)的生產(chǎn)中沒有考慮到廢渣的有效利用，如果冶煉企業(yè)能在金屬冶煉生產(chǎn)中就有意識地調(diào)整化學(xué)成分，根據(jù)廢渣的資源化利用需要對成分進(jìn)行調(diào)整，也就可以解決目前大量存在的工業(yè)廢渣不能得到有效利用的問題，但這需要事先進(jìn)行研究，以確定合適的成分組成，但這樣的研究工作也需要對廢渣進(jìn)行水淬處理?？傊?，無論是工業(yè)生產(chǎn)還是科學(xué)研究都需要對工業(yè)廢渣進(jìn)行水淬處理，這樣才能獲得具有高水硬活性的可作為水泥混合材使用的?；癄t渣。
通常用作水泥混合材的是TiO2含量低的普通高爐渣，而有些高爐渣中含有大量的TiO2(22～26％)，減少了CaO的含量，且大部分形成了鈣鈦礦和鈦輝石，因此幾乎沒有潛在水硬活性，摻入水泥中后會顯著降低水泥的強(qiáng)度，對水泥的其它性能也有很大影響，因而這些高爐渣的綜合利用狀況至今不理想。目前主要是用作回填材料、路基墊層等，其資源價值不能得到充分利用。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC418-91《用于水泥中的?；郀t鈦礦渣》規(guī)定，這些高爐渣在水泥生產(chǎn)中只能用作非活性混合材，其摻量受到了限制。
需要確定多少TiO2含量時，含鈦高爐渣可以用作為水泥混合材生產(chǎn)礦渣水泥，而不至于大幅度地影響礦渣水泥的性能，并力求盡可能多地在水泥中摻加含鈦高爐渣，使水泥企業(yè)能夠?qū)伕郀t渣進(jìn)行大量利用。此外，還必須保證爐渣的水淬質(zhì)量，制備高質(zhì)量的不同TiO2含量的水淬高爐渣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效地水淬熔融爐渣的方法，為大部分熔融爐渣的水淬處理提供了一種快速有效的方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是一種快速制備用于水泥混凝土的水淬爐渣的方法，采用以下步驟測定不同TiO2含量配合料的初熔溫度、半球點(diǎn)溫度、流淌溫度等高溫熔融性能；將爐渣按配比分別稱取、混勻，裝入爐中熔化；爐料中部安置測溫?zé)犭娕?，根?jù)配合料高溫熔融性能的測定結(jié)果控制感應(yīng)爐中爐渣熔化溫度及區(qū)間，邊熔化邊攪拌；待配合料完全熔化后，沖入水池中，快速急冷制得水淬渣。
進(jìn)一步，熔制不同TiO2含量配合料時，其加熱溫度應(yīng)根據(jù)高溫熔融性能測定結(jié)果控制在相應(yīng)的熔化溫度和熔化區(qū)間。
水淬制渣時水固比大于等于25∶1。
該測定步驟中是將配合料磨細(xì)混勻，制成Φ3×5的圓柱體試樣。將試樣放在載樣棒的陶瓷片上，緩慢推到爐中，將試樣溫度升到600～700℃，樣品成像于屏幕上，然后將試樣推入爐內(nèi)高溫區(qū)，升溫過程中樣品開始熔化，掃描儀記錄下樣品的熔化過程；當(dāng)試樣高度為原來的75％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品開始熔化溫度，當(dāng)試樣高度為原來的50％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品的半球點(diǎn)溫度，當(dāng)試樣高度為原來的25％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品的流淌溫度，熔化區(qū)間＝流淌溫度-初熔溫度。
該熔化制渣步驟是將高鈦高爐渣和普通高爐渣烘干后，按計(jì)算配比分別稱取一定量的高鈦高爐渣和普通高爐渣，混勻，裝入石墨坩堝中，在中頻感應(yīng)爐中熔化。
根據(jù)本發(fā)明，不僅可以將目前沒能有效地水淬處理的工業(yè)廢渣處理成水淬爐渣用于水泥基材料生產(chǎn)，而且還可將本發(fā)明用于科學(xué)研究，為了解和確定合適的爐渣成分的研究工作提供技術(shù)支撐。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的原則是利用工廠現(xiàn)場高爐渣，配加普通高爐渣將TiO2含量調(diào)整到各規(guī)定值，得到不同TiO2含量配合料后，將其重新熔化并水淬制渣而得，為不同TiO2含量的高爐渣用作水泥混合材的系統(tǒng)研究作原料準(zhǔn)備。
本發(fā)明所用原料為鋼廠現(xiàn)場高爐渣，配制檢測高溫性能的配合料時用到氧化鈣、氧化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等化學(xué)試劑。鋼廠現(xiàn)場高爐渣成分分析結(jié)果分別如表1、表2。
表1鋼廠高鈦高爐渣成分分析/wt％

表2鋼廠普通高爐渣成分分析(％wt)

1.1方法1.1.1配合料高溫性能的測定在LZ-III爐渣熔化特性測試儀上測定不同TiO2含量配合料的初熔溫度、半球點(diǎn)溫度、流淌溫度等高溫熔融性能。
將配合料磨細(xì)混勻，制成Φ3×5的圓柱體試樣。將試樣放在載樣棒的陶瓷片上，緩慢推到爐中，將試樣溫度升到600～700℃，樣品成像于屏幕上，然后將試樣推入爐內(nèi)高溫區(qū)，升溫過程中樣品開始熔化，掃描儀記錄下樣品的熔化過程。當(dāng)試樣高度為原來的75％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品開始熔化溫度，當(dāng)試樣高度為原來的50％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品的半球點(diǎn)溫度，當(dāng)試樣高度為原來的25％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品的流淌溫度。熔化區(qū)間＝流淌溫度-初熔溫度。
1.1.2熔化制渣將高鈦高爐渣和普通高爐渣烘干后，按計(jì)算配比分別稱取一定量的高鈦高爐渣和普通高爐渣，混勻，裝入石墨坩堝中，在150Kg中頻感應(yīng)爐中熔化。爐料中部安置測溫?zé)犭娕?，根?jù)配合料高溫熔融性能的測定結(jié)果控制感應(yīng)爐中爐渣熔化溫度及區(qū)間，邊熔化邊攪拌，待配合料完全熔化后，沖入水池中，快速急冷制得水淬渣。
1.1.3水淬渣粒度分析和物相分析用干式篩析法分析水淬渣粒度組成。用X射線衍射法和巖相分析法分析水淬渣物相和晶化程度。
1.2結(jié)果1.2.1配合料的配比計(jì)算設(shè)想一定重量的配合料由高鈦高爐渣和普通渣配合而成，故先根據(jù)不同TiO2含量的配制要求，算出配合料所需高鈦高爐渣的重量及帶進(jìn)來的各種成分的含量，然后算出需要的普通渣重量及帶進(jìn)來的各種成分的含量，固定二元堿度CaO/SiO2＝1.1，用化學(xué)試劑調(diào)整氧化鈣、氧化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁含量。不同TiO2含量配合料的組成計(jì)算結(jié)果見表3。表3中各種不同TiO2含量配合料的配比計(jì)算見表4。根據(jù)表4的配比計(jì)算結(jié)果配制測試高溫性能用的配合料。
表3不同TiO2含量配合料的組成計(jì)算結(jié)果/％wt

表4不同TiO2含量配合料的配比計(jì)算/％wt

1.2.2配合料的高溫性能各種不同TiO2含量配合料的熔化特性溫度測試結(jié)果和熔化區(qū)間見表5。由表5可見，不同TiO2含量的配合料樣品熔化特性溫度基本是在1200℃～1300℃之間，由CaO-Al2O3-SiO2-TiO2四元相圖可知，不同TiO2含量的配合料大致處于四元系的低溫區(qū)域。隨樣品中TiO2含量增加，初熔溫度、半球點(diǎn)溫度、流淌溫度和熔化區(qū)間的變化先降后增，在TiO2的含量為12％左右出現(xiàn)低谷。因此，熔制不同TiO2含量配合料時，其加熱溫度應(yīng)根據(jù)高溫熔融性能測定結(jié)果控制在相應(yīng)的熔化溫度和熔化區(qū)間。
表5各合成渣的熔化特性溫度的測試結(jié)果

1.2.3水淬制渣工藝不同TiO2含量高爐渣的制備需經(jīng)過高溫熔化、水淬制渣兩個步驟。
選取TiO2含量3％的配合料，每次在感應(yīng)爐中熔化5Kg，在水∶固比(V/V)分別為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1的水中進(jìn)行水淬，自然冷卻至室溫。水淬渣烘干后檢測其粒度組成、物相和晶化程度。表6為不同水固比時水淬渣的粒度組成。
表6不同水固比時水淬渣的粒度組成

從表6可見，隨著水固比的增加，水淬渣中大粒度的部分越來越少，而小粒度部分越來越多，因此水淬渣的比表面積會逐漸增大，即渣的水化活性也增大。對水固比分別為5∶1、15∶1、25∶1時制備的高爐渣進(jìn)行X-射線衍射分析和巖相分析表明，隨著水固比的增加，高爐渣的玻璃化程度增加，晶化程度降低。玻璃化程度的增加，其有利于高爐渣水泥活性的提高。當(dāng)水固比為5∶1時，水淬后渣的冷卻速度緩慢，渣的玻璃化現(xiàn)象較輕；當(dāng)水固比為15∶1時，高爐渣的晶化程度明顯降低；當(dāng)水固比為25∶1時，高爐渣的玻璃化很明顯，已幾乎完全形成玻璃體。
由試驗(yàn)結(jié)果可知，水淬制渣時水固比須保證≥25∶1。
1.3不同TiO2含量高爐渣的制備利用現(xiàn)場高TiO2爐渣，按表6、表7的配比計(jì)算，摻加普通高爐渣來配制TiO2含量分別為3％、5％、7％、9％、12％、15％、18％的高爐渣。按照上述配合料準(zhǔn)備和熔化、水淬制渣最佳工藝條件，制備了不同TiO2含量的高爐渣各20Kg。所得水淬渣的實(shí)際成分分析如表7。
表7不同TiO2含量水淬渣化學(xué)成分分析結(jié)果/％wt

總體上看，本發(fā)明所合成的不同TiO2含量高爐渣的實(shí)際成分與計(jì)算成分的偏差不大，合成高爐渣的堿度與鋼廠高爐渣實(shí)際堿度基本一致。
權(quán)利要求
1.一種快速制備用于水泥混凝土的水淬爐渣的方法，其特征在于采用以下步驟測定不同TiO2含量配合料的初熔溫度、半球點(diǎn)溫度、流淌溫度等高溫熔融性能；將爐渣按配比分別稱取、混勻，裝入爐中熔化；爐料中部安置測溫?zé)犭娕?，根?jù)配合料高溫熔融性能的測定結(jié)果控制感應(yīng)爐中爐渣熔化溫度及區(qū)間，邊熔化邊攪拌；待配合料完全熔化后，沖入水池中，快速急冷制得水淬渣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速制備用于水泥混凝土的水淬爐渣的方法，其特征在于熔制不同TiO2含量配合料時，其加熱溫度應(yīng)根據(jù)高溫熔融性能測定結(jié)果控制在相應(yīng)的熔化溫度和熔化區(qū)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速制備用于水泥混凝土的水淬爐渣的方法，其特征在于水淬制渣時水固比大于等于25∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的快速制備用于水泥混凝土的水淬爐渣的方法，其特征在于該測定步驟中是將配合料磨細(xì)混勻，制成Φ3×5的圓柱體試樣。將試樣放在載樣棒的陶瓷片上，緩慢推到爐中，將試樣溫度升到600～700℃，樣品成像于屏幕上，然后將試樣推入爐內(nèi)高溫區(qū)，升溫過程中樣品開始熔化，掃描儀記錄下樣品的熔化過程；當(dāng)試樣高度為原來的75％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品開始熔化溫度，當(dāng)試樣高度為原來的50％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品的半球點(diǎn)溫度，當(dāng)試樣高度為原來的25％時，計(jì)算機(jī)自動記錄此時的溫度作為樣品的流淌溫度，熔化區(qū)間＝流淌溫度-初熔溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的快速制備用于水泥混凝土的水淬爐渣的方法，其特征在于該熔化制渣步驟是將高鈦高爐渣和普通高爐渣烘干后，按計(jì)算配比分別稱取一定量的高鈦高爐渣和普通高爐渣，混勻，裝入石墨坩堝中，在中頻感應(yīng)爐中熔化。
全文摘要
一種快速制備用于水泥混凝土的水淬爐渣的方法，采用以下步驟測定不同TiO
文檔編號C04B5/00GK1955135SQ20051003071
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者施惠生 申請人:同濟(jì)大學(xué)