一种钢渣配重及其制备方法

技术领域

本发明属于钢渣利用技术领域，尤其涉及一种钢渣配重及其制备方法。

背景技术

钢铁是民族工业的脊梁，是国民经济中重要的组成部分。钢铁企业作为能耗、水耗大户，降本增效，实现可持续发展，钢铁一直以来都是永恒的发展主题。因此，从某种意义上说，钢铁企业间的竞争，既是技术上的竞争，也是对提高资源与能源利用效率的竞争。

钢渣是在钢铁冶炼过程中转炉、电炉等设备排放的固体废弃物，排放量约为粗钢的10％～15％，主要化学成分为钙、镁、硅、铁、铝、锰等氧化物，主要矿相为硅酸二钙、硅酸三钙、钙镁橄榄石以及RO(金属氧化物)相，还有少量游离的金属铁、氧化钙等。随着我国钢铁行业发展，钢铁产量的不断上升，钢渣产量也在不断上升。根据数据显示，2020年中国钢渣产量已经达到1.6亿吨，同比上升7.38％。如得不到有效处理利用，就会造成大量堆弃，占用农田土地，浪费资源，污染环境。目前钢渣累计堆存量将近20亿吨，占地约20多万亩，造成大量土地资源浪费且存在严重环境风险。

目前常用的钢渣处理工艺有热闷法，水淬法，热泼法，风淬法及滚筒法等。

1、热闷法：利用高温熔融钢渣的显热，遇水后产生的温度应力和游离氧化钙的水解作用使钢渣破裂；

优点：工艺操作简单，能处理高碱度钢渣，渣铁分离效果好，钢渣活性高，安定性好，能处理固态渣；

缺点：粒度不够均匀，处理周期长，后续破碎加工量大。

2、水淬法：使高温熔融态钢渣缓慢流出，下落时被高压水进行切割，击碎，急冷收缩形成应力集中而破碎，再同时进行了热交换，使熔渣在水幕中发生粒化作用；

优点：排渣快，流程简单，占地少，投资成本较少，处理后的钢渣粒度较小，性能稳定；

缺点：熔渣水淬时操作不当容易发生爆炸，钢渣颗粒粒度均匀性比较差，只能处理液态渣。

3、热泼法：在钢渣超过可淬温度时，用大量的水向钢渣进行喷洒，所形成的温度应力使钢渣破碎，游离氧化钙的水化也会使钢渣进一步破裂；

优点：排渣速度快，冷却时间短，有利于机械化生产，处理能力大；钢渣活性较高；生产效率高；

缺点：设备损耗大，占地面积大，破碎加工粉尘量大，蒸汽量较大，对环境和节能两方面都不利。渣加工量大，钢渣的安定性较差。

4、风淬法：倾翻渣罐，熔渣被喷出的空气吹散，破碎成微粒，在罩式锅炉内回收高温空气和微粒渣中所散发的热量并捕集渣粒。

优点：安全可靠，工艺简单，投资少，处理能力较大，一次粒化彻底，用水量少等；

缺点：对钢渣的流动性有很大要求，由于钢渣碱度大，粘度髙，一般能够风淬处理的钢渣不超过总钢渣的50％，其他钢渣要使用别的方法处理。

5、滚筒法：将熔渣以适宜流速进入滚筒，在离心力和喷淋水作用下，熔渣被水激散并凝成小块而被收集，在滚筒内同时完成冷凝、破碎及渣、钢分离；

优点：(1)钢渣粒度细小，小于10mm占到90％左右，废钢、渣分离完全，回收废钢非常有利；(2)游离氧化钙低；(3)生产流程短、占地少，生产效率高，(4)粉尘少，蒸汽通过烟囱外排环保性能好；(5)自动化程度高劳动强度低。

缺点：(1)设备复杂，维修难度大；(2)要求钢渣流动性好，固态渣和流动性差的渣不能处理；(3)运行费用较高。

从上述处理方法可以看出，现有的钢渣处理都需要将钢渣用大量的水或者风来进行冷却、破碎，但其破碎的粒度不均匀，且容易导致粉尘、废水污染等情况出现，且对钢渣预热完全没有利用。

美国每年以排渣量的2/3作为炼铁熔剂，直接加入高炉或加入烧结矿，在钢铁厂内部循环使用。钢渣的成分中，除硅无用和磷有害外，钙、铁、镁和锰(共占钢渣总量的80％)都得到利用。但硫、磷含量较高的钢渣作为熔剂，会使高炉炼铁的利用系数降低，焦比增加。法国、德国、加拿大等国都把这类钢渣用作铁路道碴和道路材料。做法是先将加工后的钢渣存放3～6个月，待体积稳定以后使用。这类钢渣广泛用于道路路基的垫层、结构层，尤宜用作沥青拌合料的骨料铺筑路面层。钢渣筑路，具有强度高，磨性和防滑性好，耐久性好，维护费用低等优点。

西欧各国用高磷钢渣作肥料有悠久的历史。钢渣中的钙、硅、锰以及微量元素均有肥效，可作为渣肥施于酸性土壤。

各类钢渣均可作为填坑、填海造地材料。中国目前生产少量钢渣水泥，转炉钢渣掺50％左右高炉粒化渣，10％左右石膏，磨制无熟料钢渣水泥，以15％左右水泥熟料代替钢渣磨制少熟料水泥。中国有些地方利用电炉钢渣生产白钢渣水泥。日本、德国利用钢渣作为水泥生料，焙烧铁酸盐水泥，可节约能源。此外，钢渣还可制造砖、瓦、碳化建筑材料等。

由于钢渣中含铁量约在20％左右，其密度约为3.2-3.6g/cm3，现有技术中也有利用钢渣作为配重的应用案例，目前，市场上有很多用于配重的混凝土块，主要用于电梯、工程机械、电器等领域，其作用是起到平衡、节约能源的作用。以电梯所需的配重块为例，多数用铸铁做配重块，但是铸铁成本较高；中国发明专利申请CN101417763A公开了一种电梯用配重砖，就是采用重晶石(或者赤铁矿、硫铁矿等金属矿石)加水泥填充，主要是因为填充的配重价格大大低于铸铁，但是，重晶石有一个缺点，就是其混凝土的和易性很差，很难获得质量均匀、成型密实的混凝土，将会影响到机械的使用性能。电梯配重块稍微有一点质量不均匀，将使其重心偏移。在具体使用过程中，特别是超高速电梯，将影响其使用寿命；并且由于重心偏移，可能会使配重块磨损电梯对重轨道。此外，这类对重都是利用的都是堆场的固态钢渣，在利用时需要将固态钢渣粉碎到一定程度，再与水泥、砂石、水进行固态的搅拌混合凝固制成较高密度的混凝土来作为配重使用。容易出现成型不密实，可能使配重块达不到设计要求的重量，影响使用效果，甚至由于重量不达标，存在安全隐患。

从国内外钢渣应用情况可知，钢渣资源化利用呈现多元化趋势，各国结合钢渣实际成分和性能等情况，开发了独具特色的钢渣产品。日本主要将钢渣应用于复合路基料、海洋领域、净化材料和工业化肥等，欧洲将钢渣应用在建筑材料、废水处理和填料处理等行业。

在现行钢渣利用模式下，国内钢渣资源化技术的开发及应用取得了一定的成绩，在一定规模上实现了钢渣的有效利用。但是，总体而言，我国钢渣的利用率还不高，钢渣稳定可靠应用还存在制约因素。例如钢渣作冶金原料时，由于钢渣成分波动大，给生产控制带来一定的困难；钢渣作建筑材料时，由于钢渣的膨胀性，不能完全代替水泥；钢渣磷肥由于应用成本太高，碱度太大，难以推广；钢渣作废水处理吸附剂尚难投入实际工业应用；钢渣制备微晶玻璃还停留在研究阶段。且钢渣的所有应用都需要用大量水将炼钢产生的钢渣冷却、破碎，粉碎，再将其应用在建筑、配重、肥料等领域，制备过程浪费了大量的冷却水、电能，造成了环境的污染与能源的浪费，且产生的附加值都很低。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有的钢渣利用方式产生的附加值都很低，无法实现对大宗固废的规模化与高值化利用。

相对于铁矿石冶炼，废钢熔化再利用是一种更为节能环保的绿色资源。然而当前废钢炼钢比仅为11％左右。加强对大宗固废的规模化与高值化利用已成为行业急需解决的关键共性难题。因此，进一步开展钢渣、废钢的综合利用的相关研究，尤其是拓宽其在非建材领域的规模消纳与高附加值利用途径，对于实现钢铁工业的可持续发展意义重大和应用前景。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种钢渣配重及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种钢渣配重的制备方法包括：

步骤一，按照配重的密度设计铸铁与钢渣配比、铸铁配重的空心配重型腔1的相应图纸，

步骤二，将铁水浇铸出空心配重型腔1；

步骤三，将一定量的经粉碎并与胶凝剂搅拌混合的钢渣浆料喷涂进配重型腔内部，使其在内壁形成一定厚度的浆料层2；

步骤四，干燥配重型腔及浆料层并将其预热到一定温度；

步骤五，将炼钢所产生的熔融钢渣倒入装有一定量经预热的存量钢渣或者其他废渣中，并将其完全熔融，形成熔融的新旧钢渣混合熔液；

步骤六，将熔融的新旧钢渣混合熔液从经预热的空心配重型腔的开口端浇铸到已成型的配重型腔内部，使其内部充满形成钢渣芯块3；

步骤七，浇铸结束在其上端用钢板4进行封盖且施加一定压力并保压一定时间，将盖板与熔融的钢渣充分接触从而熔合在一起，通过压应力的施加，也提高了钢渣芯块3的致密性。

进一步，所述步骤二中的铁水所制作出的配重型腔1用于调节配重块密度使用。

进一步，所述步骤三的浆料层2由存量固态钢渣经粉碎与胶凝剂搅拌混合而成；其厚度应能做到所浇铸的液态钢渣最多只能熔融少量铸铁型腔内壁，使得内腔的钢渣芯块3与铸铁型腔成为一体。

进一步，所述步骤三的胶凝剂为碱式硫酸镁水泥粉、粘土、高岭土、废瓷粉、瓷土、二氧化钛、水玻璃、粉煤灰和氧化铝等的一种或几种的混合等的一种或者几种的混合物。

进一步，所述步骤四的预热温度为400-1200度。

进一步，所述步骤五的存量钢渣或者其他废渣的添加量占钢渣芯块重量的20％～50％之间，且其预热温度应能使其在倒入炼钢所产生的钢渣熔液后能够将存量钢渣或者其他废渣完全熔融成熔液。

进一步，所述步骤五的其他废渣包括赤泥、铜渣、陶瓷废渣等。

进一步，步骤七浇铸结束在其上端用钢板4施加的压力可以采用交变载荷，从而进一步提高熔融钢渣的致密性及其与熔融钢渣的结合质量。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本技术方案所具备的优点及积极效果为：

本发明的实施是与炼钢同步进行，利用液态的熔渣来熔化其他废渣料制作配重，既可避免炼钢后新钢渣这种固废的出现，同时，还可以将存量废钢渣及其他废渣等添加到配重的制作中，可有效减少了存量废钢渣、赤泥、铜渣、陶瓷渣等的存量。

在此配重块的制作中，充分利用了熔融钢渣的余热来预热及熔融存量钢渣，且废钢渣的处理再也不需要像过去那样进行水淬、破碎机破碎、球磨机磨粉等既耗能又废水的工艺，减少了环境污染，也节约了大量处理费用及土地的占用，通过添加调质改性组分可提高了钢渣配重块的密度，也能提高其结合强度，降低其开裂的可能。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

直接利用液态熔渣进行制备，避免了熔融钢渣需要使用大量水来进行冷却、钢渣破碎、堆放等所带来的能耗损失以及环境的污染；

利用液态钢渣的热量将存量废渣直接熔融在一起，浇铸成所需的形状，避免了现有制备过程所需的粉碎、混合、搅拌、干燥及烧结工序，并直接形成了所需产品。

炼钢过程所产生的钢渣得到了直接利用，完全避免了新的废钢渣出现。

本方案还能充分利用赤泥、固态钢渣、固态铜渣等固废成分，从而实现多固废的综合利用。

本发明制备的配重块的价值远远高于建筑应用等领域，是一条钢渣规模化消纳与高附加值利用途径，对于实现钢铁工业的可持续发展意义重大和应用前景。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：通过本发明的使用，不但可以避免了新的钢渣的产生，同时，还能利用现有存量钢渣、赤泥、固态铜渣、废陶瓷等固废，减少了钢渣及其他固废的存量，避免了钢渣大幅占地现象以及对环境的污染。目前，配重的市场价格约为3000-7000元/吨，即使钢渣配重均价按照3000元/吨，我国每年利用1000万吨钢渣计算，就能产生300亿以上的产值。

(2)目前国内外对于钢渣的利用都是在钢渣已经形成固态后再利用，而本发明是利用钢铁冶炼过程的液态熔渣，利用其高温熔化存量固废使其熔融到一起，再浇铸到铸铁型腔，形成具有重量的配重体。本发明充分资源化的利用地利用了各类废弃物，如钢渣、赤泥、铜渣，实现其低能耗、大规模的应用，填补了国内外的空白。

(3)钢渣的资源化利用一直是国内外想攻克的技术难题，而本发明不但使得钢渣得到了资源化利用，而且，其生产工艺过程简单，充分利用了熔融钢渣的预热，能耗低，也大幅降低了制备过程对环境的污染。

(4)本发明将会使得钢渣变成一种高附加值资源，从而克服了钢渣是很难处理的废弃物的技术偏见。

附图说明

图1是本发明实施例提供的钢渣配重的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的钢渣配重的制备方法制备的不同配重的效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的钢渣配重的制备方法包括：

步骤一，按照配重的密度设计铸铁与钢渣配比、铸铁配重的空心配重型腔的相应图纸；

步骤二，将铁水浇铸出配重出空心配重型腔1；

步骤三，将一定量的经粉碎并与胶凝剂搅拌混合的钢渣浆料喷涂进配重型腔内部，使其在内壁形成一定厚度的浆料层2；

步骤四，干燥配重型腔及浆料层并将其预热到一定温度；

步骤五，将炼钢所产生的熔融钢渣倒入装有一定量经预热的存量钢渣或者其他废渣中，并将其完全熔融，形成熔融的新旧钢渣混合熔液；

步骤六，将熔融的新旧钢渣混合熔液从经预热的空心配重型腔的开口端浇铸到已成型的配重型腔内部，使其内部充满形成钢渣芯块3；

步骤七，浇铸结束在其上端用钢板4进行封盖且施加一定压力并保压一定时间，将盖板与熔融的钢渣充分接触从而熔合在一起，通过压应力的施加，也提高了钢渣芯块3的致密性。

现有技术中也有利用钢渣作为配重的应用案例，但其都是利用冷态钢渣，并需将其粉碎到一定程度，再添加到水、水泥、砂石之中进行混合凝固。

本发明的实施是与炼钢同步进行，这样，不但可以利用钢渣制作配重，避免炼钢后新钢渣这种固废的出现，同时，还可以将钢厂已有的废钢渣添加到配重的制作中，可减少了钢厂废钢渣存量。在此配重块的制作中，还充分利用了熔融钢渣的余热来熔融钢渣与其他固体物质，利用了钢厂炼钢的余热预热铁水及钢渣，使得废钢渣的处理再也不需要像过去那样进行水淬、破碎机破碎、球磨机磨粉等既耗能又废水的工艺，减少了环境污染，也节约了大量处理费用及土地的占用，通过添加调质改性剂可提高了钢渣配重块的结合强度，降低其开裂的可能。由于采用先浇铸铁水或者使得铁水与钢渣熔液充分均匀的方式，钢液可以均匀地分布在整个配重块的一面，避免了钢液与钢渣混合不均导致的配重块重量不均匀现象。同时，配重块的价值也远远高于建筑应用等领域，是一条钢渣规模消纳与高附加值利用途径，对于实现钢铁工业的可持续发展意义重大和应用前景。

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明实施例提供的钢渣配重的制备方法可用于制作电梯配重、船体配重、家电配重等各种配重。对于不同对重体，其对密度的要求是不同的。

实施案例一：铁水密度约7.8×10

实施案例二：铁水密度约7.8×10

实施案例三：铁水密度约7.8×10

从计算来看，所述配重都能够达到预期设计的密度要求。而即使实施案例一的高密度的配重块，也利用了45％的钢渣，而对于低密度的配重块，钢渣的利用率可达到90％甚至以上，从而从根本上资源化的利用了钢渣，避免了炼钢过程中新的固废产生，生产过程中还可利用已有固废，也减少了固废的存量。

本发明实施例提供的方法解决现有技术钢渣资源化利用的缺陷，取得了良好的效果，如下表：

钢渣现有资源化利用情况

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以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。