用于处理钢渣的方法和水硬性矿物粘合剂的制作方法
【专利说明】用于处理钢渣的方法和水硬性矿物粘合剂
[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1的用于处理钢渣以生产具有高硬化性能的水硬性 矿物粘合剂并回收铁的方法。
[0002] 钢渣也称为LD渣、LSD(转炉渣)或、电炉渣(EFS)或SWS(钢厂渣），根据特定的工艺， 其可能仍然包含有非常大量的铁。这种铁部分地以金属形式存在，但主要以矿物式结合在 钢渣内的氧化物的形式存在。存在于钢渣中的这些铁氧化物无法以纯机械的方式回收，这 是因为其稳定地结合于钢渣基质中，并且必须首先通过热化学还原来转化成非化合态金属 的形式。钢渣基质主要由典型的氧化物如氧化钙、二氧化硅和氧化铝组成。然而，与其它的 渣的形式、如高炉渣不同，其并不产生水硬活性相，由此不适于高质量地二次应用在水泥 中。因此，它们几乎仅用作块状炉渣，因此用作修建高速公路的砂石。
[0003] 例如，EP1370501B1公开了一种用于处理钢渣以提供具有水硬性粘合剂的特征的 钢渣的方法。所得的产物据称为至少与硅酸盐水泥熟料等同。在该方法中，用氧气或空气在 1到15巴范围内的压力下以及1650 °C到1400 °C范围内的温度下对含有至少45%重量的氧化 钙和少于30%重量的Fe203(均相对于渣的总重量计）的钢渣进行氧化处理。在该渣中添加了 石灰源，并且如有需要的话还补充二氧化硅源或氧化铝源。石灰源以及任选的二氧化硅源 或氧化铝源的比例被选择成使得钢渣在转化后且在室温下具有至少13%重量的Fe 203含量 以及如下的矿物组分，包含至少40 %重量的矿物相或矿质相C3S和超过10 %重量的为矿物 相C2F或C4AF的氯化钙/氟化钙。
[0004] 该方法的一项缺点是，存在于渣中的铁无法被回收并且必需有大量的冷却措施以 稳定所产生的C3S。
[0005] EP1697271B1描述了另一种用于处理钢渣的方法。在该方法中可以生产出如下的 水硬性粘合剂，其具有至少25%重量的铝硅酸钙和铝硅酸镁、至少5%重量的矿物氧化物 和/或卤化物，以及最大31 %重量的氧化铝、最多10%重量的铝铁酸钙和最多0.01 %重量的 碳。为了得到这种产品，在还原气氛下熔化相应量的起始材料(也包含钢渣）。对所得的产品 进行分离。这可以通过例如用水或空气进行快速冷却来实现，也可以通过缓慢冷却来实现。
[0006] 与冷却的方式无关，明显地并没有形成显著量的主要熟料相硅酸三钙。其也没有 描述是否以及如何分离由此形成的非化合态铁。
[0007] W0 96/24696提出了一种用于由含氧化铁的渣生产生铁和水泥熟料的方法。该渣 例如可以是钢厂渣。该文献提出将铁氧化物载体例如铁矿石或铁锈以及石灰附加地添加到 渣中，并且通过添加碳来还原铁氧体渣，其中形成了铁相和烧结相。该烧结相在氧化环境中 被再次烧结并随后被移出作为熟料。因此，与在回转窑中的生产传统熟料类似，在氧化条件 下生产熟料相。
[0008] GB 1 556 833描述了一种利用添加剂和还原反应从钢渣中回收铁的方法。在分离 出一部分铁后，通过将钢渣与另外的添加剂例如白垩一起燃烧从而转化成硅酸盐水泥。
[0009] 还根据US2012/0073406 A1，得知了一种从钢渣中回收铁的方法。因此，向钢渣中 填入还原剂用于还原一部分存在的铁氧化物。随后，通过蒸气使渣成为泡沫状。在分离出一 部分铁后并且在冷却后，剩余的渣可用作类似于粉煤灰或炉渣砂的水泥材料。从 JP2012001797A和JP S51122670可得知类似的从钢渣中回收铁的方法以及将剩余的渣用作 为粉煤灰或炉渣砂的方法。
[0010] 因此，本发明的目的是提出一种用于处理钢渣的方法，其中可以生产出具有高硬 化性能的水硬性矿物粘合剂而且也可以回收铁。本发明的另一个目的是提供具有高硬化性 能的水硬性矿物粘合剂，其优选地主要基于活性硅酸三钙相的形成。
[0011] 根据本发明，通过具有权利要求1的特征的用于处理钢渣的方法实现了这种目的。
[0012] 在从属权利要求和说明书中说明了本发明的有利的实施例。
[0013] 在根据本发明的方法中，首先提供包括进料物，该进料物含有铁化合物(尤其是氧 化物的形式）的钢渣和MnO即氧化锰，由此MnO即氧化锰可以包含在钢渣中。优选地在熔炉中 将该进料物处理成熔体，通过将还原剂加入到熔体中以还原该铁化合物，以便得到石灰在 矿物熔体部分中在90到110之间的饱和系数，其中还在非氧化气氛中加入还原剂。因此，熔 炉的气氛主要为非氧化条件。之后，熔体以限定的方式冷却，其中熔体最迟在15分钟后凝 固。然后从凝固的熔体中机械式分离出至少一部分非化合态铁。然后将具有降低的铁含量 的和至少40 %重量的娃酸三|丐石(其含有至少60 %重量的晶体相)含量的凝固的恪体供应 用作水硬性矿物粘合剂。换言之，可以将具有降低的铁含量的凝固的熔体可被直接用做一 种硅酸盐水泥来，这是由于其显示出类似的晶体相。
[0014] 根据本发明，进料物可以为钢渣，并且如果需要的话，还可以校正成分，例如MnO或 Si02。据此，在渣中可已经存在有足量的MnO即氧化锰，这意味着不必再添加 MnO作为校正成 分。至少对于一些所检测的钢渣来说是这样的。在大多数情况下，铁化合物以卤化铁、硫化 铁、硒化铁以及尤其是铁氧化物(如FeO、Fe 203或Fe3〇4)的形式存在于钢渣中。
[0015] 进料物可以在适当的容器中被加热成熔体，或者其还可以熔体液态从外部提供。 例如可以使用电弧炉、尤其是三相封闭式电弧炉来熔化进料物，或者进一步加热熔体。
[0016] 通过引入还原剂，铁化合物转化成非化合态铁的形式。由此，在矿物熔体部分中， 可以达到石灰饱和系数范围在90到110之间，优选为95到105之间。在这种情况下，矿物熔体 部分可理解为熔体减去非化合态铁。石灰饱和系数(KSt)表示实际存在于原料或熟料中的 CaO含量与在大规模燃烧和冷却条件下最大可能地与Si〇2、Al2〇3和Fe2〇3相结合的相应的CaO 含量的比例。
[0017] 它由下述等式限定：
[0018]
[0019] (其中，KSt =石灰饱和系数）
[0020] 通过在非氧化气氛中进行还原，可以阻止已经被还原的铁被再次氧化，因而提高 了非化合态铁的产量。这进一步有助于实现石灰饱和系数。
[0021] 很大比例的铁在熔体容器的下部区域中沉淀，这是由于其具有比渣的其它部分更 大的密度。另一部分以微滴和夹杂物的形式保留在冷却的渣中。可从容器中移除很大比例 的所生产的铁。这可以在类似于流动的熔体液状态下或者类似于炉底结块的凝固状态下实 施。
[0022] 在熔体已经凝固后，可机械式分离一定比例的非化合态铁并将其供应给其它应 用。
[0023] 具有降低的铁含量的渣可以用作水硬性矿物粘合剂。该粘合剂在下文中称为LDS 粘合剂。
[0024] 根据本发明的方法允许以简单且有效的方式从钢渣中高比例地回收非化合态铁， 并且还可得到极具反应性的水硬性矿物粘合剂，其非常适合用作高质量粘合剂的复合材料 或者用作单独的熟料材料。该LDS粘合剂的特征在于非常高的反应性和硬化能力以及其熟 料相。其具有至少40 %重量的硅酸三钙(C3S)含量，该硅酸三钙含有至少60 %重量的晶体相 含量。晶体相包括大部分的硅酸三钙和硅酸二钙(C2S)，并且该部分甚至可以在80%重量到 90 %重量之间。
[0025] 本发明本质上基于三种交互作用的基本观点：首先，在熔体中提供MnO;其次，对铁 进行还原，直至在矿物熔体部分中达到所指出的石灰饱和系数；以及第三，快速地进行限定 式冷却。