專利名稱：生產(chǎn)鋼和水硬活性膠結(jié)物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)鋼和水硬活性膠結(jié)物，例如高爐渣、熟料等的方法。
當生產(chǎn)鋼時，形成鋼渣，由于所涉及的精煉方法，鋼渣具有較高的氧化鐵含量。常規(guī)鋼渣含有MnO和FeO的量最高達33％(重量)。
雖然高爐渣由于其良好的水硬性能和有利的低氧化鐵含量，從而更易于用作基本建筑材料而值得注意，由于煉鋼渣的組分未處理，即未經(jīng)任何冶金后處理，所以煉鋼廠爐渣不易用于建筑目的或類似目的，因而處置來自煉鋼廠的爐渣變得日益困難。已有建議將鋼廠爐渣與高爐渣一起破碎，并將其用作道路建筑的鋪底材料。然而，在該場合下，由于煉鋼廠爐渣中的較高CaO含量，也僅允許使用數(shù)量有限的煉鋼廠爐渣。
為了得到較高質(zhì)量的產(chǎn)品，冶金上處理鋼廠爐渣通常要涉及高能消耗，因而是不經(jīng)濟的。
此外，在其他冶金方法或燃燒方法中，還產(chǎn)生含有較高氧化鐵含量的爐渣。特別是，已知道Cu轉(zhuǎn)爐渣常常含有氧化鐵含量高于50％(重量)，而以較高氧化鐵含量為特征的，得自廢料和垃圾焚燒廠的渣也是已知的。
本發(fā)明的目的是在于進一步處理煉鋼廠爐渣以及開始時定義的，就如煉鋼渣一樣的那類含有較高氧化鐵含量的爐渣，并將這些渣轉(zhuǎn)化成較易使用的最終產(chǎn)品，即水硬性活性膠結(jié)物。為了解決這一問題，本發(fā)明的方法在于通過添加含有其量超過5％(重量)的氧化鐵的爐渣，例如鋼渣、與鉛熔池反應后的Cu轉(zhuǎn)爐渣或來自廢料焚化廠氧化了的渣來精煉生鐵。因此在本方法中，使用高氧化鐵含量的液體爐渣，例如鋼渣，以精煉含有較高碳和硅含量的生鐵水。在進行這樣的操作時，氧化鐵基本上與碳或碳化鐵反應，形成鐵和一氧化碳，而爐渣中的氧化鐵與生鐵熔池中的硅反應形成鐵和SiO2。這些反應部分是放熱的，結(jié)果達到高度的經(jīng)濟性。由于鋼渣中所含的氧化鐵被還原，得到不同于原來爐渣分析的分析值，從而導致顯著更良好的水硬性能。利用所含氧化鐵氧化生鐵熔池，并且，例如，在鋼渣的場合下，可以達到將氧化鐵含量降低至原來值的三分之一以下，從而使初始鋼渣中其他組分的體積分額，相對于其在全部爐渣中的分額就增加了。因此得到的新的爐渣分析值不再符合原來的鋼渣分析值。新的爐渣分析的特征是以顯著地更良好的水硬模數(shù)和較高的硅酸三鈣石含量為特征。盡管這樣得到的，可以代表水泥熟料的爐渣最終產(chǎn)品，不符合標準波特蘭水泥熟料，但得到了可適于與其他水硬性或潛在的水硬物質(zhì)混合的極為良好的基材的最高質(zhì)量硅酸三鈣水泥熟料。以這一方式得到的水泥熟料特別適于與火山灰混合，其中可達到特別高的28天強度。
類似于對鋼渣的認識也可應用于Cu轉(zhuǎn)爐渣和其他爐渣，其中，在Cu轉(zhuǎn)爐渣的場合下，當然要小心不使銅進入鋼溶池，銅的進入是不利于鋼的。因此，首先必須在鉛熔池中分離銅，在進入鐵熔池之前從爐渣中除去銅。隨后在鐵熔池反應中還原鉛本身，其中可以簡單的方式分別排出鐵和鉛，因為鐵和鉛不能一起進入熔解態(tài)。在鐵和鋼熔池下面形成大量鉛，在這種場合下鋼和鉛可分別排出。
除了同時回收或再生金屬部分外，由于可能將剩余的爐渣轉(zhuǎn)化成被再次利用的高級產(chǎn)品，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟優(yōu)點，使迄今為止尚無任何合適用途的爐渣可得到處置。為了能在生鐵熔池內(nèi)使所含碳進行所需的氧化并從而精煉成鋼，有利的是以將氧化鐵含量選擇為超過8％(重量)，較佳為10％(重量)的方式進行處理。
就上述基本反應而言，當它們在生鐵熔池中發(fā)生時執(zhí)行較高的溫度是必要的。盡管至少是部分放熱反應，所需的溫度可由于熱損耗而下降，損失的熱可通過熔池電極以特別簡單的方式再引入。由于其化學組成，可以用特別簡單的方法將熔池用作一個電阻，生鐵熔池可用作相反的電極。為了能以特別經(jīng)濟的方式實施本發(fā)明的方法，以及特別是，為了在可接受的時間期間內(nèi)結(jié)束所需的反應，在任何情況下都需要使用1550℃以上溫度，特別是1600℃的液體鋼渣，以及1450-1550℃溫度范圍的生鐵水，其中較佳的是將液相一起保持在1550℃以上溫度，特別是1660℃-1800℃經(jīng)3-8小時，特別是在6小時左右這樣的方式進行處理。1800℃的上限是考慮硅酸三鈣不穩(wěn)定性的上限而選擇的。為使形成的硅酸三鈣不完全合用，必須將用作還原劑的生鐵過熱到至少1350℃。為了保證最佳的相形成以供爐渣的任何進一步使用，按照較佳工藝控制，規(guī)定了使用超過1550℃溫度的液體鋼渣。
由于鐵熔池的還原，爐渣的氧化鐵含量，例如降低至約5％(重量)，本方法較佳的是以將爐渣轉(zhuǎn)化成由15-25％(重量)熔融相(鋁酸鹽、鐵酸鹽)和熟料相(無機物、硅酸三鈣石、二鈣硅酸鹽)組成的燒結(jié)相這樣的方式進行。
部分是由爐渣與生鐵熔池的放熱反應造成的所需過熱，可通過外部加熱進行，較佳的處理方式是使用電加熱傾動式轉(zhuǎn)爐作為混合容器。除了爐渣中較高的氧化鐵含量外，保證合適的溫度的另一方法是通過吹入或鼓入氧，將爐渣保持在過熱溫度下。特別是，如果要通過鼓入氧將爐渣保持在過熱溫度，較佳的處理方式是將與生鐵反應的渣熔池高度選擇在2和8cm之間，較佳為2-6cm，由此保證了僅僅是爐渣，而不是在位于其下部的鐵熔池借助氧得到精煉。
燒結(jié)相浮在鐵熔池上，而還原的鐵液滴從渣或燒結(jié)相沉積入鐵熔池中。由于在燒結(jié)相中有高的沉積阻力，如上已指出的，將渣或燒結(jié)相的厚度限制在2-6cm也是有利的，金屬鐵能在3至8小時之間的滯留時間范圍內(nèi)幾乎完全與渣相分離。
調(diào)節(jié)所需爐渣參數(shù)的另一方法，在于將含少量硅酸的貧礦加入爐渣中，以便將其氧化鐵含量提高到8％(重量)以上。較佳的是，還用CaCO3、Al2O3和/或SiO作為添加劑。特別是，當使用這些另外的添加劑時，來自此工藝過程的廢熱，即顯熱和化學熱兩者均可用于將這些物質(zhì)預熱。
除了借助鉛熔池回收銅以外，當然借助下述的處理方式也有利于實施回收鋅，當使用Cu轉(zhuǎn)爐渣時，鉛從鋼熔池下面排出而Zn由氣相中冷凝出來。
為補充損失的熱，較佳的處理方式是，使用電加熱傾動式轉(zhuǎn)爐作為混合容器。
作為渣與生鐵的體積比的函數(shù)，爐渣中所含的氧化鐵被還原，其中，當然，僅進行平衡反應，以致不易達到所含氧化鐵的完全反應。當添加入液體渣相中的生鐵水的量為1∶2-1∶3(重量)范圍時，形成特別經(jīng)濟和有效的操作模式。
燒結(jié)過的水泥熟料可按常規(guī)技術(shù)進一步處理。較佳的是，將還原的爐渣供入熟料冷卻和粉碎裝置，熟料以特別簡單的方式按照直接方法被空氣冷卻。
隨后還可將已大大符合鋼組成的精煉過的生鐵水按照已知的鋼后處理工序進一步處理。
以下將通過示例性實施方案的方式詳盡地解釋本發(fā)明。
實施例1將0.5份(重量)生鐵水加入1份鋼渣中，將該兩相一起保持在1660℃經(jīng)6小時。在反應期間，每公斤鋼渣熔體形成35g一氧化碳，這相應于28標準升。鋼渣分析如下SiO28Al2O37CaO45MgO5MnO＋FeO 30.5TiO21生鐵分析如下Si 4C 5Fe 91在反應6小時后，渣分析和鋼分析以如下方式變化渣分析(％)SiO213Al2O38.9CaO60
MgO 6.4MnO＋FeO 10.5TiO21.3鋼分析(％)Si 0C2Fe 97在鑒定用作水泥熟料的渣時，進行常規(guī)的水泥技術(shù)鑒定，得到如下數(shù)值。為了比較，下表還列出了波特蘭熟料的典型范圍。
指標 值典型范圍(波特蘭熟料)水硬模數(shù) 1.85 1.7-2.3硅酸鹽模數(shù)0.67 18-3.2硅酸模數(shù) 1.46 2.5-3.5三氧化二鋁模數(shù)0.85 1.5-2.5石灰標準 1.12 0.8-0.95硅酸三鈣石含量(C3S) 70.7總起來說，得到了最高質(zhì)量的硅酸三鈣石水泥熟料。按照DIN1164的28天強度為62N/mm2，該強度可被歸入極高的一類。然而，這不是標準波特蘭水泥熟料，如果所需要的是標準的波特蘭水泥熟料，氧化鐵繼續(xù)還原并略為添加，例如粘土，對提高SiO2和Al2O3含量是可行的。
實施例2為使實施例1中已指出的鋼渣反應成可以具有如下組成的高爐渣表示的目標爐渣％目標爐渣SiO236.5Al2O38.5CaO 48MgO 5.5MnO＋FeO 0TiO21.5將最初的鋼渣還原成目標爐渣。每公斤鋼渣需要733g生鐵，同時形成950g鋼和釋放出60g或48標準升CO。此外，混入225g石英砂以得到上述的目標爐渣。下表中指出了該生鐵和鋼的組成％生鐵鋼Si 4 0C 5 1.5Fe 91 98觀察到熔煉溫度約為1600℃，氧化還原時間約為4.5小時。所形成的高爐渣可極好地用作水硬活性膠結(jié)物。有關(guān)的特征數(shù)據(jù)測定如下水硬指數(shù)(楔形塊)＝92％(很好)火山灰率(ASTM C618)＝118(優(yōu)良)實施例3為使用來自轉(zhuǎn)爐的Cu的渣，使用了化學分析如下的標準渣主組分份額(％)次要組分份額(％)SiO228 SO30.5
Al2O36 K2O 0.13Fe2O353 Na2O0.64CaO 8 TiO20.36MgO 2 Cr2O31.4Mn2O30.35P2O50.27Cl＋F 1有色金屬份額(ppm)Cn 11000Pb 6800Zn 3760由于渣中銅含量高，通過預先安排一個鉛熔池在鐵熔池之前將銅從渣中分離出。結(jié)果，鉛被還原，其中鐵和鉛一起不進入熔液中，這樣在鐵或鋼熔池的下部形成大量的鉛。鋼和鉛可分別被排出。
渣中較高份額的鋅在鐵熔池上方被還原，并從蒸汽相冷凝。
剩余的重金屬濃度在水泥熟料原料范圍以內(nèi)。在借助鐵熔池中所熔解的碳還原了爐渣后，得到如下爐渣分析結(jié)果組分份額(％)SiO260Al2O313Fe2O30.5CaO 17MgO 4
爐渣在水浴中冷卻并顯示出優(yōu)良的火山灰性能。與通過冷凝由氣相中回收金屬部分的鋅和回收銅以及回收鉛熔池的同時，得到水硬活性材料，該材料由于其良好的火山灰性能顯示出高的最終強度、低水合熱和高耐化學性能。
實施例4借助實施例3中所述的氧化還原反應，以3.5小時的反應時期和1500℃的熔化溫度，由液態(tài)氧化渣中提取銅。
起始爐渣分析結(jié)果如下組分份額(％)有色金屬份額(％)SiO242 Cu 1.2Al2O38 Pb 0.25Fe2O328 Zn 0.3CaO 11 Sn 0.1MgO 2 Ni 0.1K2O1Na2O 3TiO21P2O50.1在鉛熔池中銅活度為30-40％以及渣層厚度為3.5cm時，渣中銅的平衡濃度可達200ppm。
隨后，剩余的重金屬鉛、鋅、錫、鎳和鐵由脫銅后的液體渣中還原并分離。
分離開雙金屬相鐵/鉛保證了實際上無銅的高等級生鐵的回收，該生鐵分析數(shù)據(jù)如下有色金屬份額(％)Ni 0.34Sn 0.13Cu 0.07冷卻、破碎和研磨富集重金屬的液體渣，得到渣產(chǎn)物“火山灰”，其分析數(shù)據(jù)如下組分 份額(％)SiO259Al2O312Fe2O30.5CaO 16MgO 2.5K2O 1.5Na2O4.5TiO21.5P2O50.2由于較高的Al2O3含量，該火山灰水泥具有高的早期強度。其楔形指數(shù)約為95％?？傊?，通過添加SiO2，如果需要并可添加Al2O3載體，如粘土、石英砂和鋁土礦，可生產(chǎn)出最佳的高爐渣，同時熔體粘度大為降低。當還原這些熔體時，鋼滴液更易通過沉積被消除，從而水硬性膠結(jié)物中的游離鐵含量可顯著降低。
本發(fā)明的方法可在煉鋼廠中以簡單的方式實施。假定每小時處理約15噸爐渣，則使用有效重約125噸，或有效體積35米3的轉(zhuǎn)爐以便能將每批90噸，或約30米3鋼渣與約34噸(約5米3)生鐵混合。熟料相單獨由鋼中排出并排放入混合容器中，在該處進行最后處理。在該混合容器中，例如可通過添加添加劑，例如粘土，以及進一步還原實現(xiàn)將其處理成波特蘭水泥熟料。迄今，這樣的混合容器原先也可用來平衡渣的波動。
熟料冷卻和粉碎裝置可以直接方法通過空氣冷卻。在這些場合，將溫度為20℃的空氣加熱至約1100℃，熟料由1600℃冷卻至250℃。
形成的CO構(gòu)成了另外的能源。CO造成約1600℃溫度，這樣除了潛在的化學熱能以外，也包含了顯熱。如考慮時使用適當良好隔熱的冶金容器，則熱損耗最多為30％時，這意味著本發(fā)明的方法可放熱地運行以生產(chǎn)鋼和熟料，其條件是能使所形成的可燃氣體利用至最佳程度。
本發(fā)明的方法可在精煉的同時易于以特別簡單的方式，將很難再使用的鋼渣轉(zhuǎn)化成礦物水泥熟料。此外本發(fā)明的方法可以利用在常規(guī)方法中不易利用的熱量，并由此也減少了氣體，特別是CO2的排放。
在本發(fā)明的方法范圍內(nèi)，各種決定性的反應在熔體界面上發(fā)生，方法在燒結(jié)爐中是可實現(xiàn)的。由界面逸出的一氧化碳還原在熔池渣層中熔解的氧化鐵，在渣層的還原氣體中的CO2部分當然就增加。由于CO2的體積部分為約15％(體積)，該氣體損失了其還原能力，然而其中至少部分地可以保留其另外的能量利用的可能性，因為這些氣體可在渣層上通過通風或通入氧或空氣-氧混合氣而燃燒。在該場合下，向渣和鐵相的熱傳遞實際上僅通過幅射過程發(fā)生。
如已經(jīng)所述的，可使用發(fā)生的廢熱預熱添加劑，浮在表面上的繞結(jié)相可單獨排出。將本發(fā)明的溫度控制調(diào)節(jié)到硅酸三鈣石的穩(wěn)定范圍，由此形成開始時所要求的過熱?？赏ㄟ^常規(guī)的熟料冷卻技術(shù)將所形成的硅酸三鈣石燒結(jié)物凝成硅酸三鈣石熟料，在本文中的主要目標是必須將游離石灰的含量降至最低。
任選地，可通過在熔池中用碳飽和，例如通過浸入噴槍或類似物引入所需的碳以控制生鐵的熔煉溫度和還原勢。
碳的引入可在逆流或順流中的若干位置上進行。在進行該工序時，鐵熔池不僅起還原劑載體的作用，并且也起為渣和燒結(jié)相傳送介質(zhì)的作用，這特別是在應用簡單的爐子結(jié)構(gòu)時尤為如此。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)鋼和由爐渣生產(chǎn)水硬活性膠結(jié)物的方法，其特征在于通過添加其量超過5％(重量)的含有氧化鐵的爐渣，例如煉鋼渣、與鉛熔池反應后的Cu轉(zhuǎn)爐渣或來自廢料焚化廠的氧化渣來精煉生鐵。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該爐渣中氧化鐵的含量選擇為超過8％(重量)，較佳為10％(重量)。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于使用高于1550℃溫度，特別是高于1600℃的液體鋼渣以及溫度范圍為1450℃-1550℃的生鐵水。
4.權(quán)利要求1、2或3的方法，其特征在于將量為1∶2至1∶3(重量)范圍的生鐵水加入該液體渣相中。
5.權(quán)利要求1-4之一的方法，其特征在于將這些液體相一起維持在高于1550℃溫度，特別是1660℃-1800℃，經(jīng)3-8小時，特別是約6小時。
6.權(quán)利要求1-5之一的方法，其特征在于使用電加熱傾動式轉(zhuǎn)爐作為混合容器。
7.權(quán)利要求1-6之一的方法，其特征在于通過加吹入或鼓入氧，將爐渣保持在過熱溫度。
8.權(quán)利要求1-7之一的方法，其特征在于將堿性貧礦加入爐渣中，以使其氧化鐵含量提高到高于8％(重量)。
9.權(quán)利要求1-8之一的方法，其特征在于，當使用Cu轉(zhuǎn)爐渣時，鉛在鋼熔池下面排出，而Zn由氣相中冷凝。
10.權(quán)利要求1-9之一的方法，其特征在于，為與生鐵反應渣熔池高度選擇為2和8cm之間，較佳為2-6cm。
11.權(quán)利要求1-10之一的方法，其特征在于將爐渣轉(zhuǎn)化成由15-25％(重量)熔融相(鋁酸鹽、鐵酸鹽)和熟料相(無機物、硅酸三鈣石、二鈣硅酸鹽)組成的燒結(jié)相。
12.權(quán)利要求1-11之一的方法，其特征在于使用CaO3、Al2O3和/或SiO2作為添加劑。
13.權(quán)利要求1-12之一的方法，其特征在于將還原的爐渣或燒結(jié)相供入熟料冷卻和粉碎裝置。
14.權(quán)利要求1-13之一的方法，其特征在于熟料通過空氣以直接方法冷卻。
全文摘要
生產(chǎn)鋼和水硬活性膠結(jié)物的方法使用了富氧化鐵渣，例如煉鋼渣作為生鐵中碳的氧化劑。還原爐渣，從而形成一種具有改進了水硬性能的高爐渣。
文檔編號C04B5/06GK1115580SQ94190768
公開日1996年1月24日 申請日期1994年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月7日
發(fā)明者A·艾德林格 申請人:“霍爾德班克”財政家格拉盧斯有限公司