一种实现钢渣还原改质的控制方法和水淬渣及其用途
技术领域
本发明涉及钢渣综合处理技术领域，尤其涉及一种实现钢渣还原改质的控制方法和水淬渣及其用途。
背景技术
钢渣是电炉或转炉炼钢生产工序中的典型固体废弃物，主要成分为氧化钙、二氧化硅、铁氧化物和氧化铝等。随着钢产量提升，钢渣排放量也呈上升趋势，大量的钢渣弃置堆积，既造成了资源浪费又污染环境。钢渣中含有20％～30％左右的铁组分具有回收价值，同时钢渣中的硅酸盐矿物具有一定潜在的胶凝活性，有开发作为水泥混合料的潜在基础。但铁质矿物主要为RO相(FeO、MgO与MnO的固溶体)，难以磁选回收；RO相的存在也提高了渣硬度，难以破碎；铁组分的存在也对建材性能有害。同时相对于水泥熟料，钢渣中胶凝活性矿物总量不足，存在的游离氧化钙及RO相也会引起水泥使用过程中的体积安定性问题。
针对钢渣中铁质组分的回收利用及尾渣改质的方法，现有的实现方式主要为在热态钢渣中混入改性剂进行钢渣改质，这种方法仅仅基于通过改变碱度提高钢渣的胶凝活性及安定性，而忽略了钢渣中铁质组分的回收，从而降低了钢渣的利用价值；而申请号为201510509922.X的专利“一种还原气氛下熔融钢渣还原调质处理方法”公开了一种在还原气氛下进行钢渣熔融调质的方法，该方法一方面将钢渣中铁氧化物还原成铁单质，另一方面将铁铝钙相进行分解，释放出氧化钙有利于提高钢渣的胶凝活性。但在熔融状态下，还原出来的铁直接与硅结合变成硅铁与渣相分层，此时主要发生液液之间的界面反应，反应充分性难以得到保障，存在反应周期长，能量消耗大等问题。同时由于热态钢渣黏度较大，如何实现多种物料间快速、均匀的混合，实现f-CaO有效消解将也是改性技术发展的重要难题。因此，迫切需要一种新的技术和方法使得还原及改制过程的反应能够充分进行，在提高还原提铁收率，改善钢渣的胶凝活性的同时缩短反应周期，降低能耗，实现钢渣的高效利用。
发明内容
为解决现有钢渣利用中存在的问题，本发明的目的在于提供一种实现钢渣还原改质的控制方法和水淬渣及其用途，本发明采用直接还原和熔融改质相结合的温度制度，通过分步还原充分解离钢渣中含铁化合物并完成改质，实现钢渣的高效综合利用。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种实现钢渣还原改质的控制方法，包括如下过程：
将钢渣、硅质还原剂和辅助剂的粉料掺入水，混合均匀后压制成块，烘干；其中，辅助剂能够在煅烧时反应能生成二氧化碳，硅质还原剂占钢渣质量的8％-35％，辅助剂占钢渣质量的1％-2.3％；
将烘干后的块在真空环境下进行煅烧，煅烧时，分为四个阶段并在每个阶段保温，第一保温阶段1050℃±50℃，实现硅质还原剂与钢渣中铁酸钙充分反应释放氧化钙；第二保温阶段1200℃±50℃，实现硅质还原剂与钢渣中硅酸铁和其他低价铁化合物充分反应得到铁单质，实现含铁组分充分还原；第三保温阶段1300℃±50℃，硅质还原剂与钢渣中的RO相反应，消除RO相带来的后续利用问题；第四保温阶段1525℃±25℃，在前期基础上在物料熔融状态下调整渣系碱度至1.0-1.4，以提高胶凝活性最终实现钢渣后续利用；
调整完碱度后进行水淬，得到还原硅铁合金和水淬渣。
优选的，将钢渣、硅质还原剂和辅助剂破碎、粉磨至勃氏比表面积为150-300m2/kg的粉料。
优选的，所述块的形状为圆柱体，圆柱体的直径为10cm，高度为10cm。
优选的，所述钢渣的主要成分如下表，表中各组分的含量以质量百分数计：
优选的，所述硅质还原剂包括晶硅废料、硅铁、碳化硅和硅粉中的一种或几种混合的混合物。
优选的，所述硅粉中，以质量分百分数计，含硅量不低于95％。
优选的，所述辅助剂包括烟煤、无烟煤和兰炭中的一种或几种的混合物。
优选的，调整碱度时，第四阶段煅烧保温阶段物料熔融后加入改性剂，改性剂采用氧化钙或二氧化硅，所述碱度为氧化钙与二氧化硅的质量比。
本发明还提供了一种水淬渣，所述水淬渣通过本发明的上述控制方法得到，所述水淬渣的玻璃化≥95％。
本发明还提供了水淬渣的用途，所述水淬渣应用作水泥掺合料，其中，水淬渣的勃氏比表面积控制在400-450m2/kg，水淬渣占基准水泥的质量的35％-40％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明实现钢渣还原改质的控制方法，采用直接还原和熔融改质相结合的方式，煅烧温度制度分为四个阶段，第一保温阶段1050℃±50℃实现还原剂与铁酸钙充分反应释放氧化钙与硅酸铁；第二保温阶段1200℃±50℃实现还原剂与释放出的氧化钙、硅酸铁充分反应得到铁单质，硅酸钙和二氧化硅，实现含铁组分充分还原；第三保温阶段1300℃±50℃还原剂与渣中RO相反应，消除RO相带来的后续利用问题；第四保温阶段1525℃±25℃在前期基础上在熔融状态下调整渣系碱度至1.0-1.4，以提高胶凝活性最终实现钢渣后续利用。加入在煅烧时反应能生成二氧化碳的辅助剂能够在煅烧时的高温下产生二氧化碳气体，产生的二氧化碳与硅质还原剂中硅反应，产生一氧化碳不断促进钢渣中铁组分还原。水淬能够使水淬渣玻璃化≥95％，保证其胶凝活性。本发明通过控制煅烧温度制度，采用直接还原和熔融改质相结合的方式，实现钢渣中铁质组分分步还原，充分解离钢渣中含铁化合物，并完成改质。克服了传统改质方式中铁组分无法高效回收的问题，同时也解决了在还原气氛下直接熔融改质过程中，物料无法均匀混合，反应不充分带来的反应周期长，能耗高的问题，实现了钢渣的高效综合利用。
进一步的，钢渣、硅质还原剂和辅助剂粉料的勃氏比表面积为150-300m2/kg，保证颗粒之间混合均匀，实现固固反应充分进行。
本发明水淬渣的玻璃化≥95％，能够保证炉渣胶凝活性。
本发明水淬渣用作水泥掺合料时，水淬渣的玻璃化≥95％，具有一定的胶凝活性。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例对本发明作进一步详细的说明
本发明实现钢渣还原改质的控制方法，包括如下步骤：
步骤1.将钢渣、硅质还原剂和辅助剂分别进行破碎、粉磨至勃氏比表面积150-300m2/kg，掺入适量水，混合均匀后压制成块，烘干。
步骤2.烘干后的块置于真空高温炉中进行煅烧，控制煅烧温度制度，分为四个阶段并保温一定时间，各组分选择性发生化学反应。
步骤3.在第四保温阶段物料熔融后加入改性剂，调整碱度为1.0-1.4(R＝CaO/SiO2质量分数比值)。
步骤4.将还原后的物料经水淬得到还原硅铁合金和水淬渣，并将水淬渣细磨作水泥掺合料。
其中，上述还原过程中硅质还原剂占钢渣质量的8％-35％；辅助剂占钢渣质量的1％-2.3％。硅质还原剂为多晶硅废料、硅铁、碳化硅和硅粉(以质量分数记，含硅量不低于95％)中一种或几种的混合物。煅烧温度制度分为四个阶段，分别为1050℃±50℃、1200℃±50℃、1300℃±50℃以及1525℃±25℃，各阶段保温一定时间以实现各保温阶段物料之间充分反应。
改性剂为氧化钙或二氧化硅。
辅助剂为烟煤、无烟煤和兰炭中一种或几种的混合物。
本发明得到的水淬渣，玻璃化达到95％以上，将比表面积控制在400-450m2/kg后可用应用于水泥。
本发明的以下实施例选用国内某公司钢渣，该钢渣的主要化学组成如表1所示(各组分以质量百分数计)：
表1
实施例1
实施例的实施过程包括：
将钢渣、硅质还原剂和辅助剂分别破碎、粉磨至勃氏比表面积150-180m2/kg，配加钢渣质量8％的硅粉为还硅质还原剂、1％烟煤作为辅助剂，加入适量水混合均匀，压制成直径为10cm、高度为10cm的圆柱形料块，烘干。将烘干后的料块放置于高纯MgO陶瓷坩埚内，将坩埚置于真空高温炉中进行煅烧，控制煅烧温度制度，分别在1050℃±50℃、1200℃±50℃、1300℃±50℃以及1525℃±25℃四个阶段各保温30min。在第四保温阶段物料熔融后加入改性剂氧化钙，调整碱度R为1.0(R＝CaO/SiO2质量比值)。
将还原后的物料经水淬得到还原硅铁合金和水淬渣，计算铁回收率为89.2wt％；并将水淬渣采用球磨机进行粉磨，粉磨至勃氏比表面积为400m2/kg，得到白渣，将基白渣配制成胶凝材料，其中白渣的质量为基准水泥质量的35％，依据GB/T2419-2004《水泥胶沙流动度测定方法》和(GB/T 17671-1999)《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别测定其胶砂流动度和胶砂强度。试验结果见表3。
实施例2
实施例的实施过程包括：
将钢渣、硅质还原剂和辅助剂分别破碎、粉磨至勃氏比表面积200-230m2/kg，配加钢渣质量15％的碳化硅为还硅质还原剂、1.5％兰炭作为辅助剂，加入适量水混合均匀，压制成直径为10cm、高度为10cm的圆柱形料块，烘干。将烘干后的料块放置于钼坩埚内，将坩埚置于真空高温炉中进行煅烧，控制煅烧温度制度，分别在1050℃±50℃、1200℃±50℃、1300℃±50℃以及1525℃±25℃四个阶段各保温30min。在第四保温阶段物料熔融后加入改性剂氧化钙，调整碱度R为1.1。
将还原后的物料经水淬得到还原硅铁合金和水淬渣，计算铁铁回收率为87.5wt％；并将水淬渣采用球磨机进行粉磨，粉磨至勃氏比表面积为420m2/kg，得到白渣，将基白渣配制成胶凝材料，其中白渣的质量为基准水泥质量的38％，依据GB/T2419-2004《水泥胶沙流动度测定方法》和(GB/T 17671-1999)《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别测定其胶砂流动度和胶砂强度。试验结果见表3。
实施例3
实施例的实施过程包括：
将钢渣、硅质还原剂和辅助剂分别破碎、粉磨至勃氏比表面积250-280m2/kg，配加钢渣质量30％的硅铁为还硅质还原剂、2％烟煤和兰炭混合物(烟煤与兰炭质量百分比为1:1)作为辅助剂，加入适量水混合均匀，压制成直径为10cm、高度为10cm的圆柱形料块，烘干。将烘干后的料块放置于高纯MgO陶瓷坩埚内，将坩埚置于真空高温炉中进行煅烧，控制煅烧温度制度，分别在1050℃±50℃、1200℃±50℃、1300℃±50℃以及1525℃±25℃四个阶段各保温30min。在第四保温阶段物料熔融后加入改性剂二氧化硅，调整碱度为1.25。
将还原后的物料经水淬得到还原硅铁合金和水淬渣，计算铁回收率为89.6wt％；并将水淬渣采用球磨机进行粉磨，粉磨至勃氏比表面积为440m2/kg，得到白渣，将基白渣配制成胶凝材料，其中白渣的质量为基准水泥质量的40％，依据GB/T2419-2004《水泥胶沙流动度测定方法》和(GB/T 17671-1999)《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别测定其胶砂流动度和胶砂强度。试验结果见表3。
实施例4
实施例的实施过程包括：
将钢渣、硅质还原剂和辅助剂分别破碎、粉磨至勃氏比表面积280-300m2/kg，配加钢渣质量35％的多晶硅废料为还硅质还原剂、2.3％无烟煤和兰炭混合物(无烟煤与兰炭质量比为1:1)作为辅助剂，加入适量水混合均匀，压制成直径为10cm、高度为10cm的圆柱形料块，烘干。将烘干后的料块放置于高纯MgO陶瓷坩埚或钼坩埚内，置于真空高温炉中进行煅烧，控制煅烧温度制度，分别在1050℃±50℃、1200℃±50℃、1300℃±50℃以及1525℃±25℃四个阶段各保温30min。在第四保温阶段物料熔融后加入改性剂二氧化硅，调整碱度为1.4。
将还原后的物料经水淬得到还原硅铁合金和水淬渣，计算铁回收率为91.7wt％；并将水淬渣采用球磨机进行粉磨，粉磨至勃氏比表面积为450m2/kg，得到白渣，将基白渣配制成胶凝材料，其中白渣的质量为基准水泥质量的40％，依据GB/T2419-2004《水泥胶沙流动度测定方法》和(GB/T 17671-1999)《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别测定其胶砂流动度和胶砂强度。试验结果见表3，表3为各实施例改性渣与原钢渣胶凝试验结果。
表3
从实施例中铁回收率和表3可以看出本发明通过控制煅烧温度制度，采用直接还原和熔融改质相结合的方式，实现钢渣中铁质组分分步还原，充分解离钢渣中含铁化合物，并完成改质，提高了钢渣的胶凝活性，克服了传统改质方式中铁组分无法高效回收的问题，同时也解决了在还原气氛下直接熔融改质过程中，物料无法均匀混合，反应不充分带来的反应周期长，能耗高的问题，实现了钢渣的高效综合利用。
