CN116535122B - 一种钢渣的粉磨活化方法和钢渣助磨活化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢渣的粉磨活化方法和钢渣助磨活化剂，涉及钢渣粉磨技术领域，本发明提供的粉磨活化方法，是将经过粗磨的钢渣颗粒，按照0.1‑0.3％的掺量称取钢渣助磨活化剂；钢渣助磨活化剂包括相变材料15‑30份、磷脂酰丝氨酸10‑20份、聚乙烯醇纳米微球10‑15份、无机盐5‑10份、可再分散乳胶粉1‑5份和水100份；然后在所述钢渣颗粒中加入无机盐、可再分散乳胶粉和水，粉磨5‑10min；然后再加入相变材料、磷脂酰丝氨酸、聚乙烯醇纳米微球，粉磨10‑15min，得到钢渣微粉。本发明在缩短粉磨时间的同时，还能在更短的时间内获得粒径更小，比表面积更大，活性更强的钢渣微粉。
Description
技术领域
本发明涉及钢渣粉磨技术领域，特别涉及钢渣的粉磨活化方法和钢渣助磨活化剂。
背景技术
钢渣是钢铁工业炼钢过程中产生的废渣，产生量可占粗钢产量的8-15％，我国冶金行业每年排放的钢渣超过1亿吨，但目前的利用率仅22％，与欧美等发到国家相比还存在较大差别。大量堆积的钢渣不仅污染生态环境，而且还严重制约了钢铁企业可持续发展。随着我国经济高速发展，建筑材料原料日渐枯竭，因此从长远角度考虑，钢渣在水泥基建筑材料领域中使用是发挥其高附加值的理想途径。
钢渣的化学成分主要为CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、MgO等矿物，CaO的含量达30％以上，主要以C2S、C3S等矿物形式存在，与水泥熟料的矿物组成相似；理论上可以作为建筑和路桥工程的混凝土原料。但是，由于在冶钢过程中钢渣经历了高温煅烧过程，只存在无定型类玻璃态物质活性较低，使用起来效果不是特别明显。要想充分发挥钢渣微粉的性能，必须将钢渣粉磨细到足够细度制成钢渣微粉，即比表面积不低于400m2/kg。然而，钢渣存在易磨性差，耗电量大等问题，耗电量约为粉磨水泥熟料的2-3倍，一定程度上制约了钢渣的利用。因此，如何有效提高钢渣微粉的粉磨效率，是目前推动钢渣微粉大规模应用的热点问题。
常见的提升钢渣粉磨效率、降低能耗的方法是在粉磨时添加助磨剂。传统助磨剂的主要原料是胺类、醇类(例如乙二醇、丙三醇等)、醇胺类(例如三乙醇胺、三异丙醇胺等)、木质素磺酸盐类、脂肪酸及其盐类、烷基磺酸盐类等。现有技术中，例如中国授权专利CN113135688B提供的立磨粉磨钢渣用活性助磨剂，采用糖蜜、三甘醇、硫酸铝、甲酸钙作为活性激发组份，采用醇胺、柠檬酸等作为助磨组分，以减少钢渣粉流动性，提升钢渣粉活性和比表面积。又例如中国授权专利CN113003981B提供的超细复合矿物掺合料助磨剂，原料使用改性多羟基醇胺、糖类和无机盐，并且改性多羟基醇胺是用醇胺、酸酐、醇加热反应后制备而成，利用改性多羟基醇胺的链长和羟基数量，减少钢渣粉的“团聚”现象。又例如中国授权专利CN108424011A提供的液体助磨剂，其原料中的助磨组分为聚醚改性硅氧烷类表面活性剂，助溶剂为柠檬酸，无机盐由亚硝酸钠和硫酸盐组成，无机盐增溶剂为醋酸乙酯；通过利用聚醚改性硅氧烷类表面活性剂吸附在钢渣颗粒表面，改变了钢渣颗粒的表面硬度和强度，增大了钢渣颗粒裂缝，并防止再结合。无机盐同样能阻止断裂面复合。又例如中国专利申请CN115321871A提供的矿物掺合料助磨激发剂，采用改性复合多元醇胺、复合多元醇、硫氰酸钠、聚丙烯酰胺、糖蜜为原料；改性复合多元醇胺由复合多元醇胺和亚甲基双萘磺酸钠制备。上述这些助磨剂，要么助磨时间较长，要么助磨能达到的最大比表面积和最小粒径有限，要么所用的原料成本过高。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种钢渣的粉磨活化方法和钢渣助磨活化剂，具体通过以下技术实现。
一种钢渣的粉磨活化方法，包括以下步骤：
S1、取经过粗磨的钢渣颗粒，按照0.1-0.3％的掺量称取钢渣助磨活化剂；
所述钢渣助磨活化剂的原料按重量份数包括相变材料15-30份、磷脂酰丝氨酸10-20份、聚乙烯醇纳米微球10-15份、无机盐5-10份、可再分散乳胶粉1-5份和水100份；所述相变材料为硬脂酸、软脂酸、石蜡、月桂酸中的至少一种；所述无机盐为pH值呈酸性的铁盐和/或亚铁盐，例如硝酸铁、硝酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁中的至少一种；
S2、在所述钢渣颗粒中加入无机盐、可再分散乳胶粉和水，粉磨5-10min；然后再加入相变材料、磷脂酰丝氨酸、聚乙烯醇纳米微球，粉磨10-15min；最后冷却至室温后再次粉磨1-3min，得到钢渣微粉。
本发明还提供了一种钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料15-30份、磷脂酰丝氨酸10-20份、聚乙烯醇纳米微球10-15份、无机盐5-10份、可再分散乳胶粉1-5份和水100份；所述相变材料的相变温度为40-65℃；所述无机盐为pH值呈酸性的铁盐和/或亚铁盐。
优选地，所述相变材料、磷脂酰丝氨酸和聚乙烯醇纳米微球的质量比为2:1.5:1。
更优选地，其原料按重量份数包括相变材料24份、磷脂酰丝氨酸18份、聚乙烯醇纳米微球12份、无机盐8份、可再分散乳胶粉3份和水100份。
优选地，所述相变材料为硬脂酸、软脂酸、石蜡、月桂酸中的至少一种。
优选地，所述无机盐为硝酸铁、硝酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁中的至少一种。
本发明提供的钢渣助磨活化剂，无机盐、可再分散乳胶粉和水首先与钢渣颗粒混合均匀，无机盐、可再分散乳胶粉作用是增大钢渣颗粒物料的粘稠度，同时不断增大钢渣颗粒表面的粗糙程度，以加速钢渣颗粒碎裂，辅助提升后续的深度助磨效果。聚乙烯醇纳米微球是分子主链含有大量的-CH2-CH(OH)-基团的高聚合物，具有多孔微球状结构。加入相变材料、磷脂酰丝氨酸和聚乙烯醇纳米微球以后，随着粉磨进行，环境温度逐渐升高，相变材料由固态逐渐变为液态，基于聚乙烯醇纳米微球良好的亲水性和吸附性，相变材料、聚乙烯醇纳米微球、磷脂酰丝氨酸和之前加入的水形成微乳，聚乙烯醇纳米微球还能通过分子间的化学键、交联和多孔结构，吸附相变材料、磷脂酰丝氨酸等化合物，使其表面接枝较多且密集的活性基团，并且与钢渣粉中的SiO2等偏酸性物料通过电价键相结合，使相变材料、聚乙烯醇纳米微球、磷脂酰丝氨酸等助磨材料能更均匀地附着在钢渣颗粒的表面和裂缝中，阻止钢渣微粉重新团聚的可能，提升助磨效果。磷脂酰丝氨酸是一类用来描述磷脂酸的酰基衍生物，其中磷酸部分与丝氨酸(通常是L-丝氨酸)发生酯化，同样具有良好的亲水亲油性，还能通过氢键/配位键与其他原料相互配合，形成交错的网状结构，与可再分散乳胶粉等原料发挥协同作用，提升钢渣颗粒的粘稠度。随着粉磨设备的机械搅拌，以及钢渣颗粒相互摩擦碰撞，这些助磨剂原料还不断渗透至钢渣颗粒的裂缝中，促进了钢渣颗粒加速碎裂；碎裂的钢渣颗粒表面又能附着新的助磨剂原料，进一步促进钢渣颗粒最终被粉磨成比表面积更大，粒径更小的钢渣微粉，以及提升了粉磨之后钢渣微粉的分散性，避免了钢渣颗粒重新团聚。并且，在粉磨终了阶段，随着环境温度的逐渐下降，相变材料再次逐渐恢复成固态，残留在钢渣裂缝中的相变材料、聚乙烯醇纳米微球等原料，能够使钢渣的内部裂缝产生应力集中，使其最终还能进一步破碎。
传统的的钢渣助磨剂为了保证助磨效果，助磨时往往需要维持较高的环境温度(80-90℃)，过低或过高的粉磨温度都会影响助磨效果。这意味着对粉磨设备更高的控温要求，无形中提升了生产成本。本发明提供的钢渣助磨活化剂只需要利用粉磨时产生的摩擦热，利用相变材料的相变特性，同时利用无机盐、可再分散乳胶粉、磷脂酰丝氨酸和聚乙烯醇纳米微球的协同配合，既保证了粉磨期间钢渣颗粒物料的粘稠度，又保证了粉磨后钢渣微粉的分散性，还有效节省了成本。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明利用相变材料、磷脂酰丝氨酸、聚乙烯醇纳米微球、无机盐和可再分散乳胶粉之间的协同配合作用，相比于现有的钢渣助磨剂和粉磨技术，不仅进一步降低了成本，缩短了20-30％的粉磨时间，还能在更短的时间内获得粒径更小，比表面积更大，活性更强的钢渣微粉；比表面积最高能超过884.7㎡/kg。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例、对比例所提供的钢渣助磨活化剂中，所用的原料聚乙烯醇纳米微球(粒径约为0.5-0.8μm)和磷脂酰丝氨酸为网购所得。所使用的磷脂酰丝氨酸虽然是一类含有很多异构体的混合物，可以是天然提取的，也可以是人工合成的。经过大量的试验和理论分析认为，磷脂酰丝氨酸这些异构体的种类选择对本发明的助磨活化剂性能影响不大。相变材料使用石蜡(相变温度为56-58℃)和月桂酸(相变温度为41-43℃)，无机盐选用硝酸亚铁和硫酸亚铁，具体如何选择视各实施例和对比例具体情况而定。可再分散乳胶粉也是市场上随机购买的商品。
实施例1
本实施例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料24份、磷脂酰丝氨酸18份、聚乙烯醇纳米微球12份、无机盐8份、可再分散乳胶粉3份和水100份；相变材料选用石蜡；无机盐选用硝酸亚铁。
本实施例提供的钢渣助磨活化剂的使用方法是：
S1、取经过粗磨的钢渣颗粒，按照0.2％的掺量称取钢渣助磨活化剂；
S2、在所述钢渣颗粒中加入无机盐、可再分散乳胶粉和水，粉磨10min；然后再加入相变材料、磷脂酰丝氨酸、聚乙烯醇纳米微球，粉磨15min；最后冷却至室温后再次粉磨2min，得到钢渣微粉。
实施例2
本实施例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料15份、磷脂酰丝氨酸20份、聚乙烯醇纳米微球10份、无机盐10份、可再分散乳胶粉1份和水100份；相变材料选用月桂酸；无机盐选用硫酸亚铁。本实施例的钢渣助磨活化剂的使用方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料30份、磷脂酰丝氨酸10份、聚乙烯醇纳米微球15份、无机盐5份、可再分散乳胶粉5份和水100份；相变材料选用月桂酸和石蜡，质量比为1:1；无机盐选用硫酸亚铁和硝酸亚铁，质量比为1:1。本实施例的钢渣助磨活化剂的使用方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料30份、磷脂酰丝氨酸5份、聚乙烯醇纳米微球5份、无机盐10份、可再分散乳胶粉5份和水100份，相变材料选用石蜡，无机盐选用硝酸亚铁。本对比例的钢渣助磨活化剂的使用方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料15份、磷脂酰丝氨酸35份、聚乙烯醇纳米微球20份、无机盐10份、可再分散乳胶粉5份和水100份，相变材料选用石蜡，无机盐选用硝酸亚铁。本对比例的钢渣助磨活化剂的使用方法与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料24份、聚乙烯醇纳米微球30份、无机盐8份、可再分散乳胶粉3份和水100份，相变材料选用石蜡，无机盐选用硝酸亚铁。本对比例的钢渣助磨活化剂的使用方法与实施例1基本相同，区别仅仅在于步骤S2中未加入磷脂酰丝氨酸。
对比例4
本对比例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料24份、磷脂酰丝氨酸30份、无机盐8份、可再分散乳胶粉3份和水100份，相变材料选用石蜡，无机盐选用硝酸亚铁。本对比例的钢渣助磨活化剂的使用方法与实施例1基本相同，区别仅仅在于步骤S2中未加入聚乙烯醇纳米微球。
对比例5
本对比例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括磷脂酰丝氨酸18份、聚乙烯醇纳米微球12份、无机盐8份、可再分散乳胶粉3份和水100份，无机盐选用硝酸亚铁。本对比例的钢渣助磨活化剂的使用方法与实施例1基本相同，区别仅仅在于步骤S2中未加入任何相变材料。
对比例6
本对比例提供的钢渣助磨活化剂，其原料按重量份数包括相变材料24份、磷脂酰丝氨酸18份、聚乙烯醇纳米微球12份、可再分散乳胶粉3份和水100份，相变材料选用石蜡。本对比例的钢渣助磨活化剂的使用方法与实施例1基本相同，区别仅仅在于步骤S2中未加入无机盐。
试验例1：实施例和对比例的钢渣助磨活化剂的助磨效果比较
本次试验使用的钢渣原料样品是市售且经过了粗磨的钢渣颗粒，每份钢渣原料样品5kg；经检测其原始细度D50约为8.74μm，比表面积约426㎡/kg。分别使用上述实施例和对比例的钢渣助磨活化剂，在球磨机中粉磨。同时，还将不掺入任何助磨剂的钢渣原料样品进行球磨，作为空白对照。粉磨结束后对粉磨产品的细度和比表面积进行分析检测；同时，还检测了各实施例和对比例在粉磨时，步骤S2加入无机盐、可再分散乳胶粉和水，粉磨10min后的初产物的休止角；具体结果如下表1所示。
表1钢渣助磨活化剂的助磨效果
通过上述试验测试结果可以看到，采用本发明的技术方案制备的钢渣助磨活化剂，总共只需粉磨约25min，就能使钢渣微粉的细度最低达到5.02μm，比表面积最高达到884.7㎡/kg。相比传统的粉磨而言，本发明提供的粉末方法和助磨活化剂能在大大缩短耗时的同时，明显提升粉磨效果，粉磨后的钢渣微粉的活性指数明显提升。
通过对比实施例1-3可以看到，相变材料选用月桂酸和/石蜡，无机盐选用硫酸亚铁和/或硝酸亚铁，都能显著提升钢渣助磨活化剂助磨性能。
通过对比实施例1、对比例1和对比例2可知，改变相变材料、磷脂酰丝氨酸、聚乙烯醇纳米微球、无机盐和可再分散乳胶粉的用量，对细度D50、比表面积和休止角都有影响。相变材料用量过多，磷脂酰丝氨酸和聚乙烯醇纳米微球用量过少，则磷脂酰丝氨酸和聚乙烯醇纳米微球所能发挥的性能有限，这可能是经粉磨的钢渣粉更容易重新结合、团聚所致。相变材料用量过小，磷脂酰丝氨酸和聚乙烯醇纳米微球的用量过多时，则磷脂酰丝氨酸和聚乙烯醇纳米微球只能在钢渣颗粒的表面起作用，由于缺少了相变材料的作用难以深入钢渣颗粒的裂缝中，相变材料在粉磨终了阶段的进一步破碎作用也有限。这些问题都会导致细度值相对较高，比表面积相对较小。
通过对比实施例1、对比例3-6可知，当缺少相变材料、磷脂酰丝氨酸或聚乙烯醇纳米微球中的任意一个时，细度值都明显升高，比表面积明显降低。缺少无机盐时，可再分散乳胶粉和无机盐的协同效果也十分有限，粉磨10min后的初产物的休止角提升不明显，将会影响后续粉磨。经分析，可能是因为缺少了相变材料，会直接限制助磨活化剂的其他原料向钢渣颗粒裂缝内部的渗透作用；缺少了磷脂酰丝氨酸或聚乙烯醇纳米微球时，会影响粉磨后的微粒的稳定性，导致其更容易重新团聚，同时还会降低钢渣物料的粘稠度，流动性增加，间接影响粉磨效果；无机盐则会影响在第一次粉磨后的钢渣微粒表面形状(休止角)，同样会影响钢渣微粒的流动度，进而影响后续第二次粉磨时的研磨效果。
以上具体实施方式详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的权利要求书和技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种钢渣的粉磨活化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取经过粗磨的钢渣颗粒，按照0.1-0.3%的掺量称取钢渣助磨活化剂；
所述钢渣助磨活化剂的原料按重量份数包括相变材料15-30份、磷脂酰丝氨酸10-20份、聚乙烯醇纳米微球10-15份、无机盐5-10份、可再分散乳胶粉1-5份和水100份；所述相变材料为硬脂酸、软脂酸、石蜡、月桂酸中的至少一种；所述无机盐为pH值呈酸性的铁盐和/或亚铁盐；
S2、在所述钢渣颗粒中加入无机盐、可再分散乳胶粉和水，粉磨5-10min；然后再加入相变材料、磷脂酰丝氨酸、聚乙烯醇纳米微球，粉磨10-15min；最后冷却至室温后再次粉磨1-3min，得到钢渣微粉。
2.一种钢渣助磨活化剂，其特征在于，其原料按重量份数包括相变材料15-30份、磷脂酰丝氨酸10-20份、聚乙烯醇纳米微球10-15份、无机盐5-10份、可再分散乳胶粉1-5份和水100份；所述相变材料的相变温度为40-65℃；所述相变材料为硬脂酸、软脂酸、石蜡、月桂酸中的至少一种；所述无机盐为pH值呈酸性的铁盐和/或亚铁盐。
3.根据权利要求2所述的钢渣助磨活化剂，其特征在于，所述相变材料、磷脂酰丝氨酸和聚乙烯醇纳米微球的质量比为2:1.5:1。
4.根据权利要求3所述的钢渣助磨活化剂，其特征在于，其原料按重量份数包括相变材料24份、磷脂酰丝氨酸18份、聚乙烯醇纳米微球12份、无机盐8份、可再分散乳胶粉3份和水100份。
5.根据权利要求2-4任一项所述的钢渣助磨活化剂，其特征在于，所述无机盐为硝酸铁、硝酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁中的至少一种。
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