CN106045301B - 一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，属于矿棉生产技术领域。本发明将转炉前期熔融态钢渣倾倒于熔炉中，并在倾倒过程中添加还原剂和改质剂，进行还原调质；经搅拌混匀后静置0.5～1.5小时后，将温度在1380℃～1430℃之间的熔渣送至制棉设备加工成矿棉。本发明充分发挥了熔融态钢渣自身“渣”和“热”的双重优势，使用硅铁、铝粒作为还原剂，硅、铝与铁氧化物的反应为硅热反应、铝热反应，会伴随大量的热产生，可以满足整个还原调质过程的热量补给。回收有价元素后将余渣直接制成高附加值的矿棉，实现了熔融态钢渣的全面回收利用，不仅解决了钢渣的排放问题，还可以降低矿棉的生产成本，具有较好的经济和环境效益。
Description
技术领域
本发明涉及矿棉生产技术领域，更具体地说，涉及一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法。
背景技术
钢铁行业的可持续发展需突破资源利用约束的瓶颈，钢渣作为载能资源，无论其能源利用、资源利用，还是作为无机非金属新材料开发利用既紧迫又必要。转炉冶炼倾倒的熔融态钢渣，具有丰富的高温热资源、金属资源以及CaO、MgO、SiO2、Al2O3等有用成分。实验测得，钢渣1600℃时的热焓为2000KJ/kg，水淬冷却1吨液态炉渣可释放1600-1800MJ/吨渣，相当于55-61kg标准煤的热量。
目前，热态钢渣除了少部分返回冶金流程再利用外，主要还是先通过冷却介质将钢渣从热态转变成冷态，然后再加以利用。对熔融态钢渣采用冷却处理，再进行磁选回收金属的工业流程，便于机械化、工艺流程简单、成本较低。但易产生废水、粉尘而污染环境，而且也造成钢渣高温资源和铁氧化物以及尾渣资源的浪费，属于附加值较低的处理工艺。
矿棉是利用矿渣或炉渣，与焦炭和调质剂混合后经冲天炉加热熔炼，采用高速离心法或喷吹法等工艺制成的棉丝状无机纤维，然后再经过加工成型、固化和切割等工序制成矿棉制品。矿棉生产的主要燃料是焦炭，生产一吨矿棉制品大约需要消耗焦炭250kg以上。冲天炉由于本身工艺和设备的局限，生产矿棉的能耗高且污染大。利用熔融态钢渣生产矿棉，一方面充分利用了熔融态钢渣的显热资源，另一方面也将钢渣资源“变废为宝”，实现钢渣的零排放。此外，也降低了矿棉的生产成本，进一步推广了矿棉制品的应用，具有巨大的经济效益、社会效益和环境效益。
经检索，关于利用熔融态炉渣生产矿棉的方案也已有较多公开。如中国专利申请号201410239791.3，申请日为2014年5月30日，发明创造名称为：一种利用高温高炉渣和高温电厂渣生产矿棉的方法，该申请案将来自钢铁冶炼高炉中的高温液态高炉渣和来自电厂的高温液态电厂渣置于熔炉中，在熔炉中升温、调质后，达到矿棉产品所需的成分和高速离心机所需的熔体温度>1400℃，然后高温熔体再进入高速离心成棉机制成矿棉纤维。该申请案通过直接利用高温液态高炉渣和高温液态电厂渣，使得钢铁厂内高温液态高炉渣和电厂渣的显热得到利用，节省了矿棉生产工艺的能量消耗，也综合利用了钢铁厂内熔渣资源。
中国专利申请号201510250252.4，申请日为2015年5月15日，发明创造名称为：一种液态高炉渣生产矿渣棉的熔制方法；该申请案在液态高炉渣渣罐中添加酸性添加剂进行调质，盛有液态高炉渣的渣罐在电极下方加热，在渣罐底部喷吹惰性气体搅拌，然后将液态高炉渣倾倒于电炉内，电炉内有调质好的两倍于渣罐的液态高炉渣，持续加热保温；最后开炉出渣，将炉渣连续送到制棉机加工成矿棉。该申请案相对于传统冲天炉以及窑炉的高能耗，液态高炉渣的显热得到有效利用，使高炉炼铁与矿渣棉的生产工艺有效结合。
上述申请案均不失为一种很好的利用熔融态钢渣生产矿棉的方案，但上述申请案更多的把关注点放在了资源化程度较高的高炉渣身上，且是在熔融态高炉渣的显热资源利用上，并不适用于目前含(FenO)高达15％～30％的较难处理的钢渣。由于高炉渣的组分限制，使得上述申请案对熔渣进行调质的过程，必须额外的添加电加热装置进行热量补充，而且上述申请案中没有提出针对钢渣组分中金属资源回收的具体方法，无法解决钢渣的资源化问题，实现钢渣的高附加值利用。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明针对目前熔融态钢渣回收利用存在的不足，提供了一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法；本发明在转炉前期熔融态钢渣中添加硅、铝还原剂，来解决钢渣中金属资源的回收，以及利用熔融态钢渣的显热和还原反应中产生的化学热来解决热量的补给；通过添加少量含有SiO2、Al2O3物质对熔渣组分进行微调，直接将熔渣制成矿棉，实现了尾渣的高附加值利用。在将钢渣变废为宝的同时，也降低了矿棉的生产成本、提高钢铁企业综合效益，而且还可以减少环境污染，维持生态系统的良性循环，实现社会、经济和环境的共赢。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，其步骤为：将转炉前期熔融态钢渣倾倒于熔炉中，并在倾倒过程中添加还原剂和改质剂，进行还原调质；经搅拌混匀后静置0.5～1.5小时后，将温度在1380℃～1430℃之间的熔渣送至制棉设备加工成矿棉，剩余的固态钢块返回到转炉中。
更进一步地，生产矿棉的原料包括质量百分比为70％～90％的转炉前期熔融态钢渣、5％～10％的还原剂和5％～20％的改质剂。
更进一步地，所述的转炉前期熔融态钢渣包括如下质量百分比的组分CaO 30～50％，SiO2 15～30％，FeO 10～30％，MgO 2～10％，Al2O3 1～5％。
更进一步地，所述的转炉前期熔融态钢渣为转炉双渣留渣法的一倒渣，温度在1350℃～1500℃之间，渣碱度在1.0～2.0之间。
更进一步地，所述的还原剂由硅铁、铝粒中的一种或两种混合组成，还原剂的粒度为5～50mm。
更进一步地，所述的改质剂为含有SiO2、Al2O3物质中的一种或多种混合组成，改质剂的粒度为5～20mm。
更进一步地，所述的含有SiO2、Al2O3物质为碎玻璃、粘土、粉煤灰或赤泥。
更进一步地，添加还原剂和改质剂进行还原调质后熔渣中FeO的含量在5％以下，酸度系数(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)为1.1～1.6。
更进一步地，所述的熔炉个数为每个转炉配备2～5个。
更进一步地，所述的熔炉为改进后的渣罐，熔炉的外壳为钢板，内壁为耐火保温炉衬。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，从资源化利用程度较低的钢渣入手，解决转炉冶炼倾倒的熔融态低碱度前期钢渣的高效利用问题。在充分利用冶金废渣热资源的同时，回收了金属资源，实现了尾渣的高附加值利用，将钢渣变废为宝，降低矿棉的生产成本、提高钢铁企业综合效益，而且还可以减少环境污染，维持生态系统的良性循环，实现社会、经济和环境的共赢；
(2)本发明“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，工艺流程简单，经还原调质可以很好的满足矿棉生产的成分和温度要求，且通过改质剂的配合，能够扩大酸度系数的调质范围，制备的矿棉玻璃态良好，成纤率高，酸度系数可调范围宽，可以满足多样化的市场需求；
(3)本发明“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，采用硅铁、铝粒中的一种或两种作为还原剂，硅、铝与铁氧化物的反应为硅热反应、铝热反应，会伴随大量的热产生，可以满足整个还原调质过程的热量补给；同时使用硅、铝还原渣中的铁氧化物，温度在1350℃以上时，还原率可以达到98％以上；且硅、铝与铁氧化物反应的产物为SiO2、Al2O3，在减少改质剂加入量的同时，还原生成的产物有助于提高熔体的酸度，也使得熔渣成分的均匀化更加顺利；
(4)本发明“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，采用转炉双渣留渣法的一倒渣，温度在1350℃～1500℃之间，渣碱度在1.0～2.0之间，该时期的转炉渣碱度低且成分稳定，有助于矿棉的生产；
(5)本发明“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，为每个转炉配备2～5个熔炉，在2～5个熔炉的配合下，可以很好的解决转炉倒渣的间断性与矿棉生产连续性的矛盾。
附图说明
图1是本发明利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的工艺流程框图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
本发明的一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，原料主要由以下质量百分比计的组分组成：70％～90％的转炉前期熔融态钢渣、5％～10％的还原剂和5％～20％的改质剂。所述的转炉前期熔融态钢渣为转炉双渣留渣法的一倒渣，即将上一炉终点渣的一部分或全部留在炉内，然后在吹炼3～5分钟左右，第一次倒炉时倒出来的渣。此时的渣温度在1350℃～1500℃之间，渣碱度在1.0～2.0之间，主要组分的质量百分比如下：CaO为30～50％，SiO2为15～30％，FeO为10～30％，MgO为2～10％，Al2O3为1～5％。相比于转炉终渣来说，转炉前期熔融态钢渣温度和成分都比较稳定，使得铁氧化物的还原和尾渣的热态调质更加容易进行，有助于矿棉的生产。
利用转炉前期熔融态钢渣进行矿棉生产的步骤如下：
将转炉前期熔融态钢渣倾倒于熔炉的过程中，向熔炉中加入上述质量百分比的还原剂和改质剂进行还原调质。为满足矿棉生产的成分和温度要求，还原调质后的熔渣中FeO的含量在5％以下，酸度系数(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)＝1.1～1.6，氧化物的符号代表成分中各种氧化物的质量百分比。经过搅拌混匀达到矿棉制品所需的成分后静置0.5～1.5小时，使熔渣的成分均匀，实现熔渣和金属的分离，最后将温度在1380℃～1430℃之间的熔渣送至制棉设备加工成矿棉，剩余的固态钢块返回到转炉中。
本发明的还原剂由硅铁、铝粒中的一种或两种混合组成，粒度为5～50mm。使用硅铁或铝粒作为还原剂，虽然还原剂本身的成本较高，但是硅、铝与铁氧化物的反应为硅热反应、铝热反应，会伴随大量的热产生；硅、铝与铁氧化物反应放出的化学反应热能否满足整个流程的热量补给，可以通过整个流程的热量收支来计算得出，热量收入主要是硅热、铝热，以及熔融态钢渣的热量；热量支出主要是加入改质剂后熔渣升温的支出热，钢渣倒入渣罐时渣罐壁面吸热以及反应过程中的钢渣散热等，整个过程中的热量收支计算如下：
(1)钢渣与硅铁、铝发生熔融还原反应的过程中，涉及到的化学反应如下：
2(FeO)+Si＝(SiO2)+2Fe
3(FeO)+2Al＝(Al2O3)+3Fe
硅热法、铝热法产生的热量可以用公式：计算，其中∑M为按化学反应计量关系计算的原始炉料的摩尔质量之和。
对于n mol物质，恒压条件下，由温度T1升高到T2过程所需热量可由下式计算：
(2)还原反应热量收入：
硅还原热量收入：
铝还原热量收入：
(3)还原反应热量支出：
资料查得：转炉钢渣的比热为1.25kJ/kg.℃，钢水比热为0.85kJ/kg.℃，改质剂的比热按0.7kJ/kg.℃。
所以使用硅、铝作为还原剂，通过调整硅、铝的比例，产生的热量可以使熔渣升温100℃～300℃左右，完全可以满足整个流程的热量补给。
同时使用硅、铝还原渣中的铁氧化物，温度在1350℃以上时，还原率可以达到98％以上。且硅、铝与铁氧化物反应的产物为SiO2、Al2O3，在减少改质剂加入量的同时，还原生成的产物有助于提高熔体的酸度，也使得熔渣成分的均匀化更加顺利；将还原剂的粒度控制在5～50mm，则有助于还原剂的添加及还原反应的进行。
本发明的改质剂为含有SiO2、Al2O3物质中的一种或多种混合组成，粒度为5～20mm，含有SiO2、Al2O3物质具体可以采用碎玻璃、粘土、粉煤灰或赤泥。改质剂加入的主要目的是为了调整矿棉的酸度系数，转炉前期熔融态钢渣的碱度在1.0～2.0之间，为了满足酸度系数的要求，需要加入酸性氧化物，本发明主要利用SiO2、Al2O3来调节。本发明采用的含有SiO2、Al2O3物质如碎玻璃、粘土、粉煤灰或赤泥具有价格低、适用性好、易获得等优点，且可以在一定程度上消减钢铁厂含有SiO2、Al2O3的固体废弃物。改质剂的粒度控制在5～20mm，主要是发明人在生产实践中总结，改质剂粒度超过20mm时，不利于改质剂的融化，以及成分的均匀，对矿棉的热态调质不利，改质剂粒度小于5mm，又会导致改质剂不易加入，同时会产生扬尘污染。
由于100吨的转炉大约每一个小时出两次渣，每次出渣大约为6～8吨，一条年产量为8万吨的矿渣棉的生产线，每小时用料9吨左右，所以每罐熔渣够矿棉生产线0.5小时使用，0.5小时后，下一罐的渣需已还原调质完毕，故本发明为每个转炉配备2～5个熔炉、一条年产量为8万吨的矿渣棉生产线，以解决转炉倒渣的间断性与矿棉生产连续性的矛盾。熔炉采用改进后的渣罐，外壳为钢板，内壁为耐火保温炉衬，在延长熔炉使用寿命的同时，也能够降低矿棉的生产成本。
本发明实现了尾渣的高附加值利用，采用硅铁、铝粒中的一种或两种作为还原剂，利用还原反应热来满足整个流程的热量补给，能最大限度的回收渣中的金属，使用价格低、易获得的钢厂固态废弃物作为改质剂，提高了钢铁企业综合效益；且工艺流程简单，经还原调质可以很好的满足矿棉生产的成分和温度要求，且通过改质剂的配合，能够扩大酸度系数的调质范围，制备的矿棉玻璃态良好，成纤率高，酸度系数可调范围宽，可以满足多样化的市场需求。
实施例1
本实施例“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，其原料组成质量百分比为：80％的转炉前期熔融态钢渣、15％还原剂、5％改质剂。转炉前期熔融态钢渣包括如下质量百分比的组分：CaO 37％，SiO2 29％，FeO 25％，MgO 4％，Al2O3 3％。还原剂为硅铁、铝粒的混合物，粒度为10～30mm。改质剂为碎玻璃，粒度为5～20mm。
结合图1，本实施例生产矿棉的步骤为：
(1)温度在1400℃左右，将渣碱度为1.3的转炉双渣留渣法的一倒渣，倾倒于熔炉中，每个转炉配备3个熔炉，钢渣置于熔炉的过程中添加还原剂硅铁、铝粒的混合物，和改质剂碎玻璃还原调质；
(2)运输至搅拌装置处，搅拌混匀，达到矿棉制品所需的成分后静置0.5小时；
(3)将温度在1420℃左右，符合制棉成分的熔渣送至制棉设备加工成原棉；
(4)剩余的固态钢块返回到转炉中，原棉加工成型后得到矿棉板、矿棉毡、矿棉管或其他矿棉产品。原棉的检测结果：酸度系数接近1.6。
实施例2
本实施例“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，其原料组成质量百分比为：80％的转炉前期熔融态钢渣、10％还原剂、10％改质剂，转炉前期熔融态钢渣包括如下质量百分比的组分：CaO 45％，SiO2 25％，FeO 20％，MgO 5％，Al2O3 2.5％。还原剂为硅铁，粒度为10～30mm。改质剂为粘土，粒度为5～20mm。
结合图1，本实施例生产矿棉的步骤为：
(1)温度在1420℃左右，将渣碱度为1.8的转炉双渣留渣法的一倒渣，倾倒于熔炉中，每个转炉配备4个熔炉，熔炉为改进后的渣罐，外壳为钢板，内壁为耐火保温炉衬。钢渣置于熔炉的过程中添加还原剂硅铁和改质剂粘土还原调质；
(2)运输至搅拌装置处，搅拌混匀，达到矿棉制品所需的成分后静置1小时；
(3)将温度在1430℃左右，符合制棉成分的熔渣送至制棉设备加工成原棉；
(4)剩余的固态钢块返回到转炉中，原棉加工成型后得到矿棉板、矿棉毡、矿棉管或其他矿棉产品。原棉的检测结果：酸度系数接近1.7。
实施例3
本实施例“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，其原料组成质量百分比为：85％的转炉前期熔融态钢渣、9％还原剂、6％改质剂，转炉前期熔融态钢渣包括如下质量百分比的组分：CaO 41％，SiO2 29％，FeO 18％，MgO 6％，Al2O3 3％。还原剂为铝粒，粒度为10～30mm。改质剂为粉煤灰，粒度为5～20mm。
结合图1，本实施例生产矿棉的步骤为：
(1)温度在1450℃左右，将渣碱度为1.4的转炉双渣留渣法的一倒渣，倾倒于熔炉中，每个转炉配备5个熔炉，钢渣置于熔炉的过程中添加还原剂铝粒和改质剂粉煤灰还原调质；
(2)运输至搅拌装置处，搅拌混匀，达到矿棉制品所需的成分后静置1.5小时；
(3)将温度在1400℃左右，符合制棉成分的熔渣送至制棉设备加工成原棉；
(4)剩余的固态钢块返回到转炉中，原棉加工成型后得到矿棉板、矿棉毡、矿棉管或其他矿棉产品。原棉的检测结果：酸度系数接近1.4。
实施例4
本实施例“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例中改质剂为碎玻璃和粘土的混合物。
实施例5
本实施例“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例中改质剂为碎玻璃、粘土和粉煤灰的混合物。
实施例6
本实施例“一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉”的方法，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例中改质剂为碎玻璃、粘土和赤泥的混合物。
实施例1～6所述的一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，充分发挥了熔融态钢渣自身“渣”和“热”的双重优势，在添加合适的还原剂、改质剂，回收有价元素后将余渣直接制成高附加值矿棉，实现了熔融态钢渣的全面回收利用，不仅解决了钢渣的排放问题，还可以降低生产成本、避免资源浪费，具有较好的经济和环境效益。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，其步骤为：将转炉前期熔融态钢渣倾倒于熔炉中，并在倾倒过程中添加还原剂和改质剂，进行还原调质；经搅拌混匀后静置0.5～1.5小时后，将温度在1380℃～1430℃之间的熔渣送至制棉设备加工成矿棉，剩余的固态钢块返回到转炉中；
生产矿棉的原料包括质量百分比为70％～90％的转炉前期熔融态钢渣、5％～10％的还原剂和5％～20％的改质剂；
所述的转炉前期熔融态钢渣包括如下质量百分比的组分：CaO 30～50％，SiO2 15～30％，FeO 10～30％，MgO 2～10％，Al2O3 1～5％；
所述的还原剂由硅铁、铝粒中的一种或两种混合组成，还原剂的粒度为5～50mm。
2.根据权利要求1所述的一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，其特征在于：所述的转炉前期熔融态钢渣为转炉双渣留渣法的一倒渣，温度在1350℃～1500℃之间，渣碱度在1.0～2.0之间。
3.根据权利要求2所述的一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，其特征在于：所述的改质剂为碎玻璃、粘土、粉煤灰、赤泥中的一种，或由碎玻璃、粘土、粉煤灰、赤泥中的多种混合组成，改质剂的粒度为5～20mm。
4.根据权利要求2所述的一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，其特征在于：添加还原剂和改质剂进行还原调质后熔渣中FeO的含量在5％以下，酸度系数(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)为1.1～1.6。
5.根据权利要求4所述的一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，其特征在于：所述的熔炉个数为每个转炉配备2～5个。
6.根据权利要求5所述的一种利用转炉前期熔融态钢渣生产矿棉的方法，其特征在于：所述的熔炉为改进后的渣罐，熔炉的外壳为钢板，内壁为耐火保温炉衬。
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