电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺及其制备的改性钢渣微粉和混凝土的制作方法

本发明涉及固废利用技术领域，尤其是涉及一种电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺及其制备的改性钢渣微粉和混凝土。

背景技术

近年来，随着社会经济的发展，在钢铁和稀有金属冶炼技术领域中产生了大量的例如废钢渣、废硅渣、废碳砖等工业固体废弃物，目前我国仅仅累计堆放尚未利用的废钢渣就达到3亿吨以上，利用率却不足30％，这些工业固体废弃物大量的堆积不仅污染环境而且还会造成资源的浪费。

例如电弧炉钢渣中就含有大量的铁元素，其含有feo和fe2o3总量约为40～45％，现有的钢渣综合利用比较成熟的处理工艺主要是先将钢渣冷却、破碎，然后通过磁选回收钢渣中的铁，之后再将尾渣用于筑路或生产水泥。但是，在钢渣生成时钢液喷溅与渣粘附、包裹在一起，钢渣中的铁实际上很难磁选分离回收，由于钢渣中含有大量的铁元素，因而钢渣中水硬胶凝组分总量少、质量差，往往导致钢渣粉、钢渣混凝土水化硬化缓慢、耐磨性差、硬化强度低等问题。

因此，研究开发出一种能够充分利用工业废弃物为原料，对电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，使得改性后的钢渣微粉具有更好的活性、比表面积大，易磨性强的特点，效果等同于矿渣矿粉，变得十分必要和迫切。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，所述工艺设备主要由钢渣优化炉、热风炉、冷却池、干燥系统和微粉研磨系统组成；本发明在钢渣优化炉中通过煅烧的方法用硅还原剂将电弧炉钢渣中的铁还原出来，工业含碳废弃物作为燃料通过电弧炉钢渣氧化物脱氧反应使钢渣优化炉中温度升高从而达到节约原料的目的，进而充分利用了固废资源，同时，本申请工艺设备为完全封闭式的设置，钢渣优化炉排出的尾气通过热风炉进入干燥系统中对改性钢渣微粉进行干燥，进而实现了尾气余热的利用，此外，由于改性后的钢渣微粉具有比较大的比表面积，在干燥的过程中也会对尾气中的有害物质进行吸附，从而也实现了尾气达标排放的效果。

本发明的第二目的在于提供一种所述的改性钢渣微粉，该改性钢渣微粉由上述电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺制得，改性的过程中将钢渣微粉中的铁元素还原出来，同时改性后的钢渣微粉具有了更好的活性和易磨系数以及更大的比表面积，能够达到矿渣微粉的技术效果。

本发明的第三目的在于提供一种所述的混凝土，该混凝土具有较高的活性指数。

本发明提供的一种电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，所述工艺设备主要由钢渣优化炉、热风炉、冷却池、干燥系统和微粉研磨系统组成；

所述处理工艺包括以下步骤：

首先将电弧炉钢渣进行分选得到块状电弧炉钢渣，随后将电弧炉钢渣与硅还原剂、工业含碳废弃物混匀后加入钢渣优化炉煅烧至物料完全熔融，得到还原铁水和改性钢渣，然后将改性钢渣用水冲散入冷却池中进行水冷处理，并将冷却后的改性钢渣依次经过干燥系统和微粉研磨系统制得改性钢渣微粉；

所述钢渣优化炉排出的尾气通过热风炉进入干燥系统中对改性钢渣微粉进行干燥，同时利用干燥微粉吸附尾气中的污染物。

进一步的，所述分选后得到块状电弧炉钢渣的粒径为3～8cm。

进一步的，所述硅还原剂为废硅渣。

进一步的，所述工业含碳废弃物为固定碳含量大于59％工业废弃物；

优选的，所述工业含碳废弃物为废碳砖。

进一步的，所述钢渣优化炉煅烧的温度为1200～1300℃。

进一步的，所述块状电弧炉钢渣、还原剂、工业含碳废弃物三者的复配质量比为(60～70)：(15～20)：(15～20)；

优选的，所述块状电弧炉钢渣、还原剂、工业含碳废弃物三者的复配质量比为65：18：17。

本发明提供的一种改性钢渣微粉，所述改性钢渣微粉根据上述的电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺制得。

进一步的，所述改性钢渣微粉的比表面积≥450，易磨系数≤3。

本发明提供的一种混凝土，所述混凝土包括上述改性钢渣微粉。

进一步的，所述混凝土28天的活性指数大于86％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，所述工艺设备主要由钢渣优化炉、热风炉、冷却池、干燥系统和微粉研磨系统组成；本发明在钢渣优化炉中通过煅烧的方法用硅还原剂将电弧炉钢渣中的铁还原出来，工业含碳废弃物作为燃料通过电弧炉钢渣氧化物脱氧反应使钢渣优化炉中温度升高从而达到节约原料的目的，待物料完全熔融后回收还原铁水并将钢渣用水冲散入冷却池中冷却后得到改性钢渣，随后将冷却后的改性钢渣依次经过干燥系统和微粉研磨系统制得改性钢渣微粉，经上述工艺优化后的改性钢渣的易磨系数从原来的大于5，降低为到小于3，易磨性大幅提高，从而降低了研磨设备运行的能耗，降底的了设备的维护成本，提高企业效益。另外改性钢渣性能的改变也提高了改性钢渣在微粉产品的掺合比，综合利用率大幅提升。同时优化过程中得到的还原铁，可以被炼钢系统再回收利用，有效的遏制了资源浪费。

2、本申请工艺设备为完全封闭式的设置，钢渣优化炉排出的尾气通过热风炉进入干燥系统中对改性钢渣微粉进行干燥，进而实现了尾气余热的利用，大大减少了原生产系统中物料烘干单独供热的能源消耗。

3、本申请改性后的钢渣微粉具有比较大的比表面积，在干燥的过程中也会对尾气中的有害物质进行吸附，从而也实现了尾气达标排放的效果。因此，本发明优化处理工艺是密闭循环生产，不产生二次废弃物，生产过程中的原料可以均为工业废弃物，工业废弃物的综合利用有效的保护了环境、提高资源利用率，增加社会和企业经济效益，真正达到炼钢固废钢渣零排放的标准。

4、本发明提供的改性钢渣微粉由上述电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺制得，改性的过程中将钢渣微粉中的铁元素还原出来，同时改性后的钢渣微粉具有了更好的活性和易磨系数以及更大的比表面积。

5、本发明提供的混凝土包括上述改性钢渣微粉，所述混凝土具有较高的活性指数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺的工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的一个方面，一种电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，所述工艺设备主要由钢渣优化炉、热风炉、冷却池、干燥系统和微粉研磨系统组成；

所述处理工艺包括以下步骤：

首先将电弧炉钢渣进行分选得到块状电弧炉钢渣，随后将电弧炉钢渣与硅还原剂、工业含碳废弃物混匀后加入钢渣优化炉煅烧至物料完全熔融，得到还原铁水和改性钢渣，然后将改性钢渣用水冲散入冷却池中进行水冷处理，并将冷却后的改性钢渣依次经过干燥系统和微粉研磨系统制得改性钢渣微粉；

所述钢渣优化炉排出的尾气通过热风炉进入干燥系统中对钢渣微粉进行干燥，同时利用干燥微粉吸附尾气中的污染物。

本发明提供的电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，所述工艺设备主要由钢渣优化炉、热风炉、冷却池、干燥系统和微粉研磨系统组成；本发明在钢渣优化炉中通过煅烧的方法用硅还原剂将电弧炉钢渣中的铁还原出来，工业含碳废弃物作为燃料通过电弧炉钢渣氧化物脱氧反应使钢渣优化炉中温度升高从而达到节约原料的目的，待物料完全熔融后回收还原铁水并将钢渣用水冲散入冷却池中冷却后得到改性钢渣，随后将冷却后的改性钢渣依次经过干燥系统和微粉研磨系统制得改性钢渣微粉，同时，本申请工艺设备为完全封闭式的设置，钢渣优化炉排出的尾气通过热风炉进入干燥系统中对改性钢渣微粉进行干燥，进而实现了尾气余热的利用，此外，由于改性后的钢渣微粉具有比较大的比表面积，在干燥的过程中也会对尾气中的有害物质进行吸附，从而也实现了尾气达标排放的效果。

如图1所示，本发明所述工艺设备钢渣优化炉、热风炉、冷却池、干燥系统和微粉研磨系统封闭式设置，钢渣优化炉处理后的改性钢渣用水冲入冷却池中进行冷却，随后依次进入干燥系统和微粉研磨系统制得微粉；钢渣优化炉中的尾气通过热风炉输入到干燥系统中对改性钢渣微粉进行干燥，进而实现煅烧尾气的余热利用，同时利用干燥微粉吸附尾气中的污染物。

在本发明的一种优选实施方式中，所述分选后得到块状电弧炉钢渣的粒径为3～8cm。

优选的，所述分选的方法为将电炉钢渣运至罐闷车间，利用罐闷工艺将钢渣冷却后倾倒于渣池中，冷却后的钢渣自然淬裂成小块钢渣。将冷却淬裂的钢渣用挖机铲车转运至破碎车间，经破碎及自动筛分，得到3cm以下的钢渣直接用于粉磨生产，3～8cm钢渣块用于优化处理。

在本发明的一种优选实施方式中，所述硅还原剂为废硅渣。

作为一种优选的实施方式，上述硅还原剂为废硅渣，废硅渣指经过脱硅操作所分离出的一种白色固体物质，其中含有氧化铝和碱，也就是说废硅渣具有很强的碱性。经研究得到在碱性的环境下电弧炉钢渣中铁的还原效率要明显高于中性环境，因此，本发明中废硅渣对转炉钢渣中铁的还原效率还要优于纯硅粉作为还原剂的技术方案。

在本发明的一种优选实施方式中，所述工业含碳废弃物为固定碳含量大于59％工业废弃物；

优选的，所述工业含碳废弃物为废碳砖。

在本发明的一种优选实施方式中，所述钢渣优化炉煅烧的温度为1200～1300℃。

本发明中，上述钢渣优化炉煅烧温度典型但非限定性的为1200℃、1220℃、1240℃、1260℃、1280℃和1300℃

在本发明的一种优选实施方式中，所述块状电弧炉钢渣、还原剂、工业含碳废弃物三者的复配质量比为(60～70)：(15～20)：(15～20)；

优选的，所述块状电弧炉钢渣、还原剂、工业含碳废弃物三者的复配质量比为65：18：17。

根据本发明的一个方面，一种改性钢渣微粉，所述改性钢渣微粉根据上述的电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺制得。

本发明提供的改性钢渣微粉，上述改性钢渣微粉由上述电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺制得，改性的过程中将钢渣微粉中的铁元素还原出来，同时改性后的钢渣微粉具有了更好的活性和易磨系数以及更大的比表面积。

在本发明的一种优选实施方式中，所述改性钢渣微粉的比表面积≥450，易磨系数≤3。

根据本发明的一个方面，一种混凝土，所述混凝土包括上述改性钢渣微粉。

本发明提供的混凝土包括上述改性钢渣微粉，所述混凝土具有较高的活性指数。

在本发明的一种优选实施方式中，所述混凝土28天的活性指数大于86％。

下面将结合实施例和对比例对本发明的技术方案进行进一步地说明。

实施例1

一种电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，所述处理工艺包括以下步骤：

(1)、首先将电弧炉钢渣进行分选得到块状电弧炉钢渣，所述分选的方法为将电炉钢渣运至罐闷车间，利用罐闷工艺将钢渣冷却后倾倒于渣池中，冷却后的钢渣自然淬裂成小块钢渣。将冷却淬裂的钢渣用挖机铲车转运至破碎车间，经破碎及自动筛分，得到3cm以下的钢渣直接用于粉磨生产，3～8cm钢渣块用于优化处理；

(2)、将3～8cm的电弧炉钢渣与废硅渣、废碳砖以60：15：15的质量比混匀后加入钢渣优化炉中在1200℃温度下煅烧至物料完全熔融，分离得到还原铁水和改性钢渣；

(3)、将改性钢渣用水冲散入冷却池中冷却后得到改性钢渣，并将冷却后的改性钢渣依次经过干燥系统和微粉研磨系统制得粒径为3mm改性钢渣微粉；

(4)、所述钢渣优化炉排出的尾气通过热风炉进入干燥系统中对改性钢渣微粉进行干燥，同时利用干燥微粉吸附尾气中的污染物。

实施例2

一种电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，所述处理工艺包括以下步骤：

(1)、首先将电弧炉钢渣进行分选得到块状电弧炉钢渣，所述分选的方法为将电炉钢渣运至罐闷车间，利用罐闷工艺将钢渣冷却后倾倒于渣池中，冷却后的钢渣自然淬裂成小块钢渣。将冷却淬裂的钢渣用挖机铲车转运至破碎车间，经破碎及自动筛分，得到3cm以下的钢渣直接用于粉磨生产，3～8cm钢渣块用于优化处理；

(2)、将3～8cm的电弧炉钢渣与废硅渣、废碳砖以70：20：20的质量比混匀后加入钢渣优化炉中在1300℃温度下煅烧至物料完全熔融，分离得到还原铁水和改性钢渣；

(3)、将改性钢渣用水冲散入冷却池中冷却后得到改性钢渣，并将冷却后的改性钢渣依次经过干燥系统和微粉研磨系统制得粒径为8mm钢渣微粉；

(4)、所述钢渣优化炉排出的尾气通过热风炉进入干燥系统中对改性钢渣微粉进行干燥，同时利用干燥微粉吸附尾气中的污染物。

实施例3

一种电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺，所述处理工艺包括以下步骤：

(1)、首先将电弧炉钢渣进行分选得到块状电弧炉钢渣，所述分选的方法为将电炉钢渣运至罐闷车间，利用罐闷工艺将钢渣冷却后倾倒于渣池中，冷却后的钢渣自然淬裂成小块钢渣。将冷却淬裂的钢渣用挖机铲车转运至破碎车间，经破碎及自动筛分，得到3cm以下的钢渣直接用于粉磨生产，3～8cm钢渣块用于优化处理；

(2)、将3～8cm的电弧炉钢渣与废硅渣、废碳砖以65：18：17的质量比混匀后加入钢渣优化炉中在1250℃温度下煅烧至物料完全熔融，分离得到还原铁水和改性钢渣；

(3)、将改性钢渣用水冲散入冷却池中冷却后得到改性钢渣，并将冷却后的改性钢渣依次经过干燥系统和微粉研磨系统制得粒径为5mm改性钢渣微粉；

(4)、所述钢渣优化炉排出的尾气通过热风炉进入干燥系统中对改性钢渣微粉进行干燥，同时利用干燥微粉吸附尾气中的污染物。。

实施例4

本实施例中除步骤(2)原料中将废硅渣替换为纯硅粉外，其余同实施例3。

对比例1

本对比例除步骤(2)原料中电弧炉钢渣、废硅渣、废碳砖的质量比为65：25：17外，其余同实施例3。

对比例2

本对比例除步骤(2)原料中电弧炉钢渣、废硅渣、废碳砖的质量比为65：12：17外，其余同实施例3。

对比例3

本对比例除步骤(2)原料中电弧炉钢渣、废硅渣、废碳砖的质量比为65：18：25外，其余同实施例3。

对比例4

本对比例除步骤(2)原料中电弧炉钢渣、废硅渣、废碳砖的质量比为65：18：12外，其余同实施例3。

对比例5

本对比例除步骤(2)原料中不包括工业含碳废弃物，采用液化石油气为燃料进行烧结外，其余同实施例3。

效果例1

为表明本发明制备得到的改性钢渣微粉具有耐磨性强、比表面积大以及本发明制备工艺铁还原率高的优点。现分别采用实施例1～4以及对比例1～5的方法对同一批次3～8cm的电弧炉钢渣进行优化处理，经检测该批电弧炉钢渣废料中的铁元素含量为42％，并将上述这批电弧炉钢渣废料直接研磨为微粉，作为对照组进行对照。上述实施例1～4以及对比例1～5中所使用到的废硅渣、废碳砖也均为同一批次的相同原料，具体检测结果如下表所示：

由上表可知，本发明实施例1～3制备得到的改性钢渣微粉比表面积均≥450，易磨系数≤3，同时铁元素的还原率在81％以上，远远高于对照组未经优化处理的钢渣微粉，说明本申请处理工艺具有很好的改性效果。

实施例4利用纯硅粉作为还原剂得到的改性钢渣微粉虽然比表面积和易磨系数能够到达一定的标准，但是铁还原率仅为72％，究其原因可能是由于废硅渣相对于纯硅粉具有更强的碱性，在碱性环境下电弧炉钢渣中的氧化铁具有更好的还原效率；

对比例1中废硅渣的比例超出本申请原料的含量范围，其效果与实施例3基本相同，考虑到制备工艺的经济型，在本申请块状电弧炉钢渣、硅还原剂、工业含碳废弃物三者的复配质量比为(60～70)：(15～20)：(15～20)的条件下即可达到较好的效果；而对比例2当废硅渣的比例低于本申请原料的含量范围时，铁还原率仅为58％说明还原反应并不充分，制备的改性钢渣微粉也达不到相应的技术效果。

对比例3中废碳渣的比例超出本申请原料的含量范围，其效果与实施例3基本相同，考虑到制备工艺的经济型，在本申请块状电弧炉钢渣、硅还原剂、工业含碳废弃物三者的复配质量比为(60～70)：(15～20)：(15～20)的条件下即可达到较好的效果；而对比例4当废碳渣的比例低于本申请原料的含量范围时，还原反应并不充分，物料无法完全熔融，铁还原率仅为53％，制备的改性钢渣微粉也达不到相应的技术效果。

对比例5采用液化石油气为燃料进行烧结的处理工艺中，铁还原率仅为76％，说明废碳砖中的一些还原类物质，在电弧炉钢渣中氧化铁的还原中也起到了一定的作用。

效果例2

为表明通过本发明电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺改性后的改性钢渣微粉在能够有效降低钢渣中铁元素含量的同时，提高改性钢渣中的水硬胶凝组分的效果，现特将实施例3处理后的改性钢渣微粉与未经改性处理的电弧炉钢渣进行组分含量检测，其结果如下表所示：

由上表可知，通过本发明电弧炉钢渣制备改性钢渣微粉的处理工艺改性后的改性钢渣微粉氧化铁含量显著降低的同时，经改性后cao、mgo等水硬胶凝组分具有明显的提高。改性处理后的钢渣微粉的性质与水渣矿粉的组分含量性质基本相同，可以广泛的大规模应用于混凝土材料的制备之中。

效果例3

为表明由本申请制备得到的改性钢渣微粉进一步制备的混凝土具有很好的活性系数，现特将本发明实施例3制备得到的改性钢渣微粉加入到混凝土的制备中(实验组1)，与传统方法制备的混凝土(实验组2)和采用未经改性处理的钢渣制备的混凝土(实验组3)进行效果对比，所述实验组1～3的组分比例如下表所示：

进一步的，将上述实验组1～3复配得到的混凝土进行28天活性指数检测，其结果为实验组1包括本发明实施例3改性钢渣微粉的混凝土28天活性指数高达86％，实验组2包括粉煤灰和未经改性的钢渣微粉制得的混凝土28天活性指数为73％，实验组3由未经改姓的钢渣微粉制得的混凝土28天活性指数仅为66％。由此可知，实验组1包括本发明实施例3改性钢渣微粉制得的混凝土，其技术效果远远高于实验组2、3不包含本发明改性钢渣微粉，而使用粉煤灰和/或未经改性的钢渣微粉制得的混凝土。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。