本发明涉及熔渣干法粒化技术领域，尤其涉及一种基于钢厂固废熔融还原的泡沫渣稀相干法粒化方法。
背景技术：
高炉炼铁过程中吨铁渣量为300～500kg，排渣温度为1400-1500℃，每吨渣带走的热量相当于60kg标准煤。为了利用高炉渣，目前一般采取水淬方式处理高炉渣，不仅无法回收高炉渣的物理热，还造成水的大量损失。
高炉渣的导热率极低，采取气固干法换热时换热强度较低，增大换热气体流量则会造成介质温度较低，回收的余热品质较差，因此通常采取粒化的方式降低熔渣颗粒的尺寸、增大换热面积。到目前为止，粒化方式多种多样，但粒化后的颗粒尺寸一般为4-5mm，进一步降低尺寸难以实现，并且造粒装置对耐热抗磨损性能要求较高，价格昂贵，使用成本高。另外，高炉渣导热率低的本质没有改变，限制了换热效果的进一步提升。
因此，采用干法换热工艺取代传统水淬方式，同时提高高炉渣的导热率，增加熔渣与气体的换热强度，并获得颗粒细小的粒化渣成为必然。基于以上想法，本发明提出利用钢厂固废还原后形成金属铁颗粒提高熔渣的导热率，同时，在熔融还原末期采取底吹惰性气体的方式使熔渣泡沫化，且通过溢流方式将泡沫渣转移至粒化室内进行高压惰性风淬粒化及换热，该方法能够省略机械粒化装置，降低熔渣粒化所需高压气体流量，提高熔渣的换热强度及玻璃相的含量，具有良好的粒化效果。
技术实现要素：
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于钢厂固废熔融还原的泡沫渣稀相干法粒化方法，该方法能够省略机械粒化装置，降低熔渣粒化所需高压气体流量，提高熔渣的换热强度及换热后炉渣的玻璃相含量，具有良好的粒化效果。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的，基于钢厂固废熔融还原的泡沫渣稀相干法粒化方法，具体包括以下步骤：
1)将含碳球团加入液态高炉渣中，混合进行熔融还原；
2)底吹气体使熔渣形成均质化的泡沫渣，并使泡沫渣稀相涌入粒化室；
3)采用高压气流冲击泡沫渣粒化并完成一次风淬换热；
4)粒化渣进入流化床，通入气体完成粒化渣的二次对流换热后，排出粒化渣；
5)研磨破碎；
6)干式磁选。
其中所述含碳球团由钢厂固废制成，所述钢厂固废主要包括：高炉除尘灰、高炉重力灰、转炉除尘灰和转炉泥；
其中含碳球团的全铁含量为15-70％。
进一步地，所述步骤1)中的的含碳球团至少包含高炉除尘灰、高炉重力灰、转炉除尘灰或转炉泥中的一种，所述高炉除尘灰的主要组成为，全铁含量15-30％，所述高炉重力除尘灰的主要组成为，全铁含量20-30％，固定碳含量51-55％，所述转炉除尘灰的主要组成为，全铁含量15-68％，所述转炉泥的主要组成为，全铁含量50-60％。
更近一步地，所述步骤1)中的含碳球团由高炉灰与转炉泥混合制备，每百份含碳球团中，高炉灰的质量比为20-45％，转炉泥的质量比55-80％，所述高炉灰的主要组成为，全铁含量25-28％，金属铁含量0.5-0.7％，亚铁含量2.1-2.5％，固定碳含量51-55％，所述转炉泥的主要组成为，全铁含量55-59％，金属铁含量10-13％，亚铁含量45-48％。
金属铁的导热率远高于炉渣的导热率，两者相差百倍，以钢厂固废为原料制备的含碳球团，与高炉渣熔融还原时能够获得金属铁颗粒，金属铁颗粒弥散在熔融高炉渣内提高熔渣的导热率，有利于提高熔渣与气体的换热强度。
进一步地，所述熔融还原后的熔渣中金属铁的含量为1-60％。
更近一步地，所述熔融还原后的熔渣中金属铁的含量为15-30％。
熔融还原后熔渣中金属铁的含量优选为1-60％，特别优选为15-30％。当还原后的熔渣中金属铁含量达到15～30％时，粒化渣的平均尺寸小于4mm，且粒化渣中玻璃相的含量接近100％。当金属铁含量提高至60％以上时，由于金属比重较大且粘度较低，熔渣中金属铁含量太高导致熔渣泡沫化难度增加，无法形成泡沫渣，不适用于泡沫化稀相干法粒化方法。熔渣中FeO含量低于一定含量后还原过程结束。
进一步地，所述步骤2)中底吹气体为N2，气体流速为0.1-0.3m3/(min·t)。
底吹气体能够使熔渣形成均质化泡沫，熔渣泡沫化之后体积可以提升至原体积的几倍甚至十几倍，形成熔渣与气泡共存的泡沫渣疏松熔体，底吹气体能够维持熔渣的泡沫化且通过溢流方式将泡沫渣转移至粒化室内，同时通过气体搅拌能够防止铁的聚合沉降。泡沫渣体积为熔渣本身体积的10～20倍，泡沫渣因具有较高的气孔率形成稀相，使熔渣得到初次“分散”。
进一步地，所述步骤3)中高压气流为N2，气体流速为0.3-0.8MPa，气体流量为8-12m3/min，粒化时间为1-10min。
经高压气流冲击淬冷后粒化效果好，粒化渣的平均粒度小于4mm，玻璃相含量达到95％以上。泡沫化的熔渣具有较高的气孔率形成稀相，已经过初次“分散”，降低了所需高压气体流量，进入粒化室后泡沫渣在气体高速冲击以及自身气泡的破裂能够形成粒径小于4mm的小颗粒，能够省略机械粒化装置。由于熔渣内具有一定含量的金属铁，显著提高了熔渣的导热性，增强了熔渣换热效果，提高了渣与气体之间的换热强度，熔渣在较小换热气量下就能够实现快速降温。为了防止粒化渣中玻璃相的晶型转变，粒化渣温度需降至700℃以下再进入流化床。
进一步地，所述步骤4)中对流换热的气体为N2，气体压力为0.1-0.5Mpa，气体流量为80-120m3/min。。
为了防止熔渣中金属铁颗粒的氧化，粒化渣需要在流化床内进行二次对流换热，以提高干式磁选后铁的回收率及铁品位。
完成粒化换热后的炉渣在完成二次换热后，粒化渣温度低于100℃时从流化床底部排出，能够防止金属铁被氧化，然后通过运输皮带送至密闭式振荡研磨机上进行研磨破碎，研磨制成粒度小于200目的粒化渣粉末，便于干式磁选回收金属铁，粒化渣粉能够用于制备水泥。
通过干式磁选对粒化渣粉末进行处理，得到得到铁精粉和非晶态炉渣，其中铁的回收率高于85％，铁品位高于70％，选后的渣粉非晶态含量高于95％，可以作为水泥配料。
进一步地，当熔渣中不含有钢厂固废含碳球团时，底吹气体、一次风淬换热气体和二次换热气体均可替换为空气，同时取消干式磁选过程。
当熔渣中含有钢厂固废含碳球团时，为了防止金属铁被氧化，粒化换热过程中的底吹气体、一次风淬换热气体和二次换热气体均为N2。当熔渣中不含有钢厂固废含碳球团时，无需担心金属铁被氧化，因此底吹气体、一次风淬换热气体和二次换热气体均可替换为空气，同时无需对粒化渣粉末进行干式磁选回收金属铁，取消干式磁选过程。
本发明有益效果如下：
弥散在熔融高炉渣内的一定含量的金属铁，显著增大了熔渣的导热系数，增强了换热效果；底吹气体能够维持熔渣的泡沫化且通过溢流方式将泡沫渣转移至粒化室内，同时通过气体搅拌能够防止铁的聚合沉降；形成的泡沫渣具有较高的气孔率形成稀相，能够初次“分散”熔体，降低熔渣粒化所需高压气体流量；经过气体高速冲击以及自身气泡的破裂能够形成粒径小于4mm的小颗粒，省略了机械粒化装置，同时增大了换热面积；在流化床内进行的二次换热过程能够防止熔渣中金属铁颗粒的氧化，提高干式磁选后铁的回收率及铁品位，本发明中通过干式磁选后铁的回收率高于85％，铁品位高于70％，选后的渣粉非晶态含量高于95％。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是泡沫渣稀相干法粒化方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例1
国内典型高炉渣，SiO2含量35％，CaO含量39％，MgO含量8.5％，Al2O3含量14.5％，还有其它少量杂质元素。
将150kg高炉渣装入容量为5t的电炉内熔化，熔化温度为1450℃，保温60min待高炉渣完全熔化后，熔渣通过渣口流入粒化室，在粒化室内以0.5MPa的高速空气冲击形成小颗粒并换热，粒化时间约为1min，空气流量为50m3/(min·t)；粒化后的炉渣从溜槽进入流化床通入空气对流换热，空气压力为0.2MPa，空气流量为100m3/(min·t)，直至粒化渣全部从流化床下方出渣口排出。
将冷却后的粒化渣通过方孔筛进行筛分，渣的粒度范围为2～13mm，小于5mm部分高于74％。将粒化渣在密闭式振荡研磨机上进行破碎研磨至小于200目的粉末，通过XRD衍射结合非晶计算软件，测定渣中非晶相含量约为78％。
实施例2
将上述相同的高炉渣150kg装入容量为5t的电炉内熔化，熔化温度为1450℃，保温60min待高炉渣完全熔化后，从炉体底部以0.15m3/(min·t)的流量鼓入空气，约1min后出现起泡现象，2min后熔渣开始泡沫化体积迅速膨胀，并通过炉体侧口通道涌入粒化室。泡沫渣在粒化室内以0.5MPa的高速空气击打并换热，由于泡沫渣为稀相，流动速率较慢，粒化时间延长至5min，空气流量为10m3/(min·t)；粒化后的炉渣进入流化床通入空气对流换热，空气压力为0.2MPa，空气流量为100m3/(min·t)，直至粒化渣全部从下方出渣口排出。
冷却后的粒化渣从下方渣口排出，通过方孔筛进行筛分，渣的粒度范围为1～6mm，小于5mm部分高于95％，小于4mm部分高于88％。将粒化渣在密闭式振荡研磨机上进行破碎研磨至小于200目的粉末，通过XRD衍射结合非晶计算软件，测定渣中非晶相含量约为95％。
对比实施例1与实施例2可知，泡沫化后的熔渣体积大幅增加，进入粒化室的流速降低，粒化所需的高压气流量减少，经高压气流击打后粒化效果显著改善，渣粒的非晶相含量大幅提高，这表明，采取熔渣泡沫化的方式对提高风淬效率效果显著。
实施例3
高炉重力除尘灰，全铁含量26.8％，金属铁含量0.6％，亚铁含量2.3％，固定碳含量53.4％。转炉泥，全铁含量57.8％，金属铁含量11.2％，亚铁含量46.6％。将转炉泥与高炉灰按质量比73:27混合均匀制备含碳球团。
将上述相同的高炉渣112.5kg在容量为5t的电炉内熔化，熔化温度为1450℃，待高炉渣完全熔化后，将制备好的含碳球团37.5kg加入进行熔融还原。最初熔池反应激烈发生喷溅现象，随着反应过程中产生的CO气体的减少，喷溅现象逐渐消失，反应进行约3min后泡沫渣开始形成，维持约2min后泡沫渣开始萎缩，此时开始以0.15m3/(min·t)的流速底吹N2，泡沫急剧增加，并通过侧口涌入粒化室。泡沫渣在粒化室内以0.5MPa的高速N2击打并换热，N2流量为10m3/(min·t)；粒化后的炉渣经流化床通入N2对流换热，气体压力为0.2MPa，气体流量为100m3/(min·t)，直至粒化渣全部从下方出渣口排出。
冷却后的粒化渣通过方孔筛进行筛分，渣的粒度均小于4mm。将粒化渣在密闭式振荡研磨机上进行破碎研磨至小于200目的粉末，通过化学滴定分析，确定粒化渣铁混合物的全铁含量为17％，金属化率为88％。之后进行干式磁选，得到全铁含量为74％，金属化率为89％，收得率为87％的铁精粉，渣中全铁含量3％。通过XRD衍射结合非晶计算软件，测定渣中非晶相含量约为95％，去除铁相的影响，渣的实际非晶相含量约为97％。
对比实施例2与实施例3可知，增加熔渣中金属铁含量后渣粒的尺寸进一步降低，且金属铁颗粒提高了渣的导热率与换热效果，渣中玻璃相含量进一步提升。
实施例4
将上述相同的高炉渣75kg在容量为5t的电炉内熔化，熔化温度为1450℃，待高炉渣完全熔化后，将制备好的含碳球团75kg加入进行熔融还原，与上述相同的操作过程及参数，直至粒化及流化换热过程结束。
冷却后的粒化渣通过方孔筛进行筛分，渣的粒度均小于4mm。将粒化渣在密闭式振荡研磨机上进行破碎研磨至小于200目的粉末，通过化学滴定分析，确定粒化渣铁混合物的全铁含量为33.4％，金属化率为87％。之后进行干式磁选，得到全铁含量为72％，金属化率为89％，收得率为85.8％的铁精粉，渣中全铁含量3.78％。通过XRD衍射结合非晶计算软件，结合金属铁含量的影响，测定渣中非晶相含量约为99％。
实施例5
将上述含碳球团150kg加入电炉在1450℃进行熔融还原泡沫渣形成维持约3min后开始萎缩，此时开始以0.15m3/(min·t)的流速底吹N2，泡沫没有大量形成，无法通过侧口涌入粒化室。这表明，由于金属比重较大且粘度较低，熔渣中金属铁含量太高时无法形成泡沫渣。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。