一种以液态钢渣为原料生产水泥的设备及方法与流程

本发明涉及冶金渣综合利用
技术领域：
，尤其涉及一种以液态钢渣为原料生产水泥的设备及方法。
背景技术：
：高炉煤气、矿渣、钢渣同是钢铁冶炼中排在前三位的副产品，高炉煤气已全部回收利用，矿渣也在水泥的混合材、混凝土掺和料中99％被利用，但钢渣的利用却很低，综合利用率只有30-40％，其中用在水泥、混凝土上也就10％左右，大部分被堆存废弃。矿渣、钢渣、硅酸盐水泥熟料的主要化学成分基本相似，但氧化物含量差别较大，相比于矿渣，钢渣与硅酸盐水泥熟料的化学含量更接近；矿渣、钢渣、硅酸盐水泥熟料有类似的矿物组成；相比于矿渣，钢渣和硅酸盐水泥熟料都含有b矿(β-c2s)、a矿(c3s)、铁铝酸钙、铁酸钙(c2f)、游离氧化钙(f-cao)等，这些矿物成分使得钢渣具有水化活性；钢渣还含有ro相，在碱度较低的钢渣中含有橄榄石(cao.ro.sio2)、蔷薇辉石(3cao.ro.2sio2)。但钢渣与硅酸盐水泥熟料相比，a矿含量低，且固熔有铁、硫等；b矿在冷却过程部分发生相变形成低活性的γc2s,并固熔有p2o5；p2o5超过0.3％会导致c3s分解，大大延长钢渣的凝结时间，降低了钢渣活性；同时，钢渣游离氧化钙(f-cao)、方镁石含量高，游离氧化钙(f-cao)、方镁石会影响体积安定性。钢渣之所以不如矿渣大量、有效的被利用，主要原因是：1、炼钢品种、原料、操作工艺的变化造成钢渣成分波动大，矿物组成不稳定；2、钢渣玻璃相含量少，水化活性低，水化速度慢，浆体强度增长缓慢；3、钢渣rof-cao、mgo水化很慢，水化时，体积膨胀造成硬化水泥浆体产生局部膨胀应力，造成严重的水泥安定性不良；4、易磨性差。所以造成了钢渣积年累月的堆存积压。长期以来，钢渣处理工艺、方法一直是行业研究的课题和热点。当前采用的是对冷却的固体钢渣进行机械活化、热活化和化学活化；机械活化是对钢渣进行反复、长时间粉磨，提高矿渣粉细度，越是活性低的越要磨得更细，才能激发活性；热活化是在水泥浆体养护期间进行蒸汽养护或在压力容器内提高蒸汽压力、温度，提高水化速度；化学活化是在磨细的钢渣中加入强碱或碱类盐，激发钢渣活性，加快水化硬化。钢渣难磨，活化细度要求高，需要消耗大量的能量；碱类激发剂对不同钢渣激发效果相差很大，对改善水泥性能的作用有限，且对混凝土后期安定性留下隐患；热活化只适用于水泥制品的养护，不适应大体积的混凝土浇筑；而三种活化都要大幅增加成本，有时甚至得不偿失，对提高钢渣利用率有限。钢渣中ro相的分选工艺认为钢渣利用的一大问题是其活性矿物含量低，惰性矿物(主要为ro相，fe2o3和fe)含量高，高达25—40％惰性矿物的存在极大的影响钢渣的水化活性，将钢渣中惰性矿物与活性矿物进行有效分离成为钢渣资源化的关键。ro相的分选工艺是先将钢渣粉磨，粉磨到ro相从钢渣结晶中解离，再进行筛分、重选、磁选、电选及水选、浸出、浮选；为了减少粉磨解离成本，采用微波辐射加热工艺；对钢渣粉进行焙烧使中磁性的惰性矿物增强磁性，以利于磁选别的工艺。无论采用那种分选工艺，都要对钢渣干法粉磨、气力分选、干法磁选、湿法粉磨、湿法磁选、脱水；流程长，耗能高，选别不清。近年来开展了对钢渣重构的研究。钢渣重构有线上(即在线)和线下(煅烧)重构；在线重构即在钢渣出炉过程中，添加各种调节组分，利用钢渣余热使调节组分与熔态钢渣发生化学反应形成金属铁及胶凝活性高重构渣。煅烧重构将粘土、石灰石按照不同的配比和钢渣共同粉磨，在高温下重构钢渣。袁美霞等在《用钢渣作原料配烧水泥熟料的研究》中，由于所采用的钢渣的化学成分与硅酸盐水泥熟料相比，cao、sio2含量低，而fe2o3含量高得多，因此加入适量的石灰石和粘土来调正成分，从而配制低硅高铁硅酸盐水泥熟料。将煅烧的熟料破碎、粉磨后与一定量的磨细石膏制成水泥，对各种配方水泥的物理实验检测表明，石灰饱和系数、铝率相近时，硅率值高的强度高；硅率、铝率相近时，石灰饱和系数值高的强度高。研究表明钢渣煅烧硅酸盐水泥熟料是可行的，并且配料方案宜采用高kh值，并尽可能提高硅率、铝率。授权公开号cn1004546b的发明专利《利用高活性转炉钢渣生产高铁水泥的方法》中公开了在转炉正常冶炼工艺条件下，在加入造渣原料的同时加入活性氧化钙和优质铝矾土，得到改性转炉钢渣，经热泼、破碎后掺入适量的二水石膏，再进行粉磨生产高铁水泥的方法。该方法调整炉内钢渣主要氧化物的含量、比值，使其接近普通硅酸盐水泥孰料所要求的范围，生产出标号为325#水泥；该发明在本钢120吨转炉内工业试验获得成功，1988年通过冶金部全部技术鉴定。钢渣重构是将钢渣作为生产水泥的原料，经过二次煅烧或返熔生产水泥孰料；这些工艺和方法需要破碎、粉磨和混料，钢渣利用率低，耗费能源。在线重构为了利用高温液态钢渣的热焓，需要在转炉旁排出液态钢渣时快速加入调节料，占用炼钢排渣场地和延长排渣时间而影响炼钢生产；调节组分无论是在排出液态钢渣前加入渣罐或随排随加，都很难使高温固-液两相混合均匀而完全发生化学反应，所以重构的钢渣粉28天水化活性指数仅提高4-8％，提升幅度不大；在转炉内改性钢渣会影响钢的冶炼。本发明所要解决的技术问题是：1、在不影响转炉冶炼的前提下，如何利用高温渣液，在液相完成ro相分解，使c2s转化生成c3s的工艺方法；2、能用于实际生产的简单、可靠、投资少的设备。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种以液态钢渣为原料生产水泥的设备及方法。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种以液态钢渣为原料生产水泥的设备，包括炉体、水平流液洞、上升流液道、溢流洞，所述炉体呈筒状，所述炉体的底部设有排铁口，所述炉体内设有第一耐火材料框架，且第一耐火材料框架内设有碳素材料，位于第一耐火材料框架上侧的所述炉体的侧壁上安装有炉壁侧插燃烧喷枪和可升降顶部燃烧喷枪，所述可升降顶部燃烧喷枪通过套管与炉体的顶部可升降连接，所述炉体的顶部设有渣液入口和斜锥形炉盖，所述渣液入口处设有渣液入口气封装置，所述炉体顶部的一侧设有烟气出口，所述炉体远离排铁口的一侧与水平流液洞连通，所述水平流液洞内设有加热钼电极，所述水平流液洞上设有校正料加入口，所述水平流液洞与上升流液道连通，所述上升流液道内设有第二耐火材料框架，所述第二耐火材料框架内设有活性石灰，所述上升流液道与溢流洞连通。进一步地，所述炉体由耐火材料制成，所述水平流液洞为长方形管道且由钢板和耐火材料制成。进一步地，所述斜锥形炉盖为倾斜状，所述可升降顶部燃烧喷枪通过套管设置在斜锥形炉盖的中心处。进一步地，所述炉体上设有多个用于安装炉壁侧插燃烧喷枪的安装孔。一种以液态钢渣为原料生产水泥的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：利用炼钢排出的高温渣液，用保温渣罐吊装装入设备；液态或熔融态的渣首先被顶部和两侧燃烧喷枪加热，再流过碳还原床，feox被还原成fe排出，ro相分解；步骤二：分解后的渣液流入钼电极加热区，再次被钼电极加热，加热后的渣液加入适量的矿粉、铝矾土、选铁尾矿砂再流入活性石灰饱和区；步骤三：流过活性石灰饱和区的渣液，c2s转化生成c3s，fe2o3、al2o3反应生成c3a和c4af；反应后的渣液经气力雾化，速冷固化；步骤四：加入适量的二水石膏、磷酸二氢钾和硼砂，制成425#水泥。进一步地，所述的顶部和两侧燃烧喷枪加热，是为了加热熔融态钢渣成流动状态，使液态渣具有一定的过热度，供碳热还原需要的热量消耗，燃烧形成的烟气搅拌利于脱磷、脱铁；燃烧介质可以是燃气、燃油或煤、碳。进一步地，所述的碳还原床是高级耐火材料框架内装入焦炭，焦炭块度80—150mm；渣液流经碳还原床，feox被还原，ro相(cao-feo-mno-mgo连续固溶体)解体，铁、锰被还原沉入设备底部，定期排出，氧化镁形成方镁石，氧化镁形成方镁石，fcao被sio2al2o吸收生成c2s、ca。进一步地，所述的钼电极区是对渣液补充碳热还原消耗的热量，为渣液流过饱和石灰区利于c2s生成c3s吸热反应；由于渣液已脱铁脱锰，减少了活跃的氧化物侵蚀钼电极，所以采用钼电极加热。进一步地，所述的加入适量的矿粉、铝矾土、铁尾矿砂是在取样化验渣液化学成分基础上，补充调整硅率、铝率校正原料，调整的原则是尽可能利用液态钢渣，所以硅率、铝率取低值；fe2o3、al2o3校正原料的加入一是调整硅率、铝率，另一方面是增加渣液的流动性；所以优选矿粉、铝矾土、铁尾矿砂但不限于此，可能是粉煤灰，高炉除尘灰、赤泥等。进一步地，所述的活性石灰饱和区，是指利用高级耐火材料框架内装入活性石灰，形成石灰饱和反应区；氧化钙和碳一样熔点高，在渣液中的温度不足以熔化，熔于渣液的c2s、ca、fe2o3、al2o3流入活性石灰饱和区，与cao在液、固相下反应，生成c3s、c3a、c4af水泥主要矿物；渣液在石灰饱和区的化学反应，类似炼钢转炉内造渣，只是铁氧化物和磷氧化物相比少的多，更有利于c3s的生成。相比于现有技术，本发明的有益效果在于：1、不影响钢冶炼的情况下，利用高温液态渣加入硅铝校正原料，流过炉内碳还原床和活性石灰饱和区，分解ro相，还原feox并回收铁水，生成液态水泥熟料，液态水泥熟料在冷却固化时释放的热量可回收。2、熟料粉磨加入二水石膏，还加入了磷酸二氢钾、硼砂，使钢渣中影响安定性的氧化镁形成磷酸钾镁水泥成分，消除安定性不良现象。3、设备为竖式筒状炉体，炉型简单、密闭性好、热损失少、占地小；浸没式燃烧，具有搅拌功能，使传热传质迅速，反应速度快，鼓风压力低，动力消耗少。附图说明附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。图1为本发明提出的一种以液态钢渣为原料生产水泥的设备及方法的整体结构示意图；图2为本发明提出的一种以液态钢渣为原料生产水泥的设备及方法的生产水泥工艺流程示意图。图中：1排铁口、2炉体、3耐火材料、4碳素材料、5第一耐火材料框架、6炉壁侧插燃烧喷枪、7渣液入口气封装置、8渣液入口、9斜锥形炉盖、10可升降顶部燃烧喷枪、11烟气出口、12加热钼电极、13校正料加入口、14水平流液洞、15上升流液道、16活性石灰、17第二耐火材料框架、18溢流洞。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。参照图1，一种以液态钢渣为原料生产水泥的设备，包括炉体2、水平流液洞14、上升流液道15、溢流洞18，炉体2呈筒状，炉体2的底部设有排铁口1，炉体2内设有第一耐火材料框架5，且第一耐火材料框架5内设有碳素材料4，位于第一耐火材料框架5上侧的炉体2的侧壁上安装有炉壁侧插燃烧喷枪6和可升降顶部燃烧喷枪10，可升降顶部燃烧喷枪10通过套管与炉体2的顶部可升降连接，炉体2的顶部设有渣液入口8和斜锥形炉盖9，渣液入口8处设有渣液入口气封装置7，炉体2顶部的一侧设有烟气出口11，炉体2远离排铁口1的一侧与水平流液洞14连通，水平流液洞14内设有加热钼电极12，水平流液洞14上设有校正料加入口13，水平流液洞14与上升流液道15连通，上升流液道15内设有第二耐火材料框架17，第二耐火材料框架17内设有活性石灰16，上升流液道15与溢流洞18连通。进一步地，炉体2由耐火材料3制成，水平流液洞14为长方形管道且由钢板和耐火材料3制成。进一步地，斜锥形炉盖9为倾斜状，可升降顶部燃烧喷枪10通过套管设置在斜锥形炉盖9的中心处。进一步地，炉体2上设有多个用于安装炉壁侧插燃烧喷枪6的安装孔。参照图2，一种以液态钢渣为原料生产水泥的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：利用炼钢排出的高温渣液，用保温渣罐吊装装入设备；液态或熔融态的渣首先被顶部和两侧燃烧喷枪加热，再流过碳还原床，feox被还原成fe排出，ro相分解；步骤二：分解后的渣液流入钼电极加热区，再次被钼电极加热，加热后的渣液加入适量的矿粉、铝矾土、选铁尾矿砂再流入活性石灰饱和区；步骤三：流过活性石灰饱和区的渣液，c2s转化生成c3s，fe2o3、al2o3反应生成c3a和c4af；反应后的渣液经气力雾化，速冷固化；步骤四：加入适量的二水石膏、磷酸二氢钾和硼砂，制成425#水泥。进一步地，所述的顶部和两侧燃烧喷枪加热，是为了加热熔融态钢渣成流动状态，使液态渣具有一定的过热度，供碳热还原需要的热量消耗，燃烧形成的烟气搅拌利于脱磷、脱铁；燃烧介质可以是燃气、燃油或煤、碳。进一步地，所述的碳还原床是高级耐火材料框架内装入焦炭，焦炭块度80—150mm；渣液流经碳还原床，feox被还原，ro相(cao-feo-mno-mgo连续固溶体)解体，铁、锰被还原沉入设备底部，定期排出，氧化镁形成方镁石，氧化镁形成方镁石，fcao被sio2al2o吸收生成c2s、ca。进一步地，所述的钼电极区是对渣液补充碳热还原消耗的热量，为渣液流过饱和石灰区利于c2s生成c3s吸热反应；由于渣液已脱铁脱锰，减少了活跃的氧化物侵蚀钼电极，所以采用钼电极加热。进一步地，所述的加入适量的矿粉、铝矾土、铁尾矿砂是在取样化验渣液化学成分基础上，补充调整硅率、铝率校正原料，调整的原则是尽可能利用液态钢渣，所以硅率、铝率取低值；fe2o3、al2o3校正原料的加入一是调整硅率、铝率，另一方面是增加渣液的流动性；所以优选矿粉、铝矾土、铁尾矿砂但不限于此，可能是粉煤灰，高炉除尘灰、赤泥等。进一步地，所述的活性石灰饱和区，是指利用高级耐火材料框架内装入活性石灰，形成石灰饱和反应区；氧化钙和碳一样熔点高，在渣液中的温度不足以熔化，熔于渣液的c2s、ca、fe2o3、al2o3流入活性石灰饱和区，与cao在液、固相下反应，生成c3s、c3a、c4af水泥主要矿物；渣液在石灰饱和区的化学反应，类似炼钢转炉内造渣，只是铁氧化物和磷氧化物相比少的多，更有利于c3s的生成。工作原理：启炉时，在加入液态钢渣前，先将水冷壁注水，点燃燃烧喷枪对反应炉预热，当炉内温度升到1200℃时，吊装保温渣罐，将转炉运来的渣液倒入炉入口，待渣液液位到设定高度，调整燃烧，喷入煤粉，渣液温度控制在1650℃，渣液流过碳热还原床，ro、ca3(po4)分解，铁锰沉降，磷气化上升；流出碳还原床的渣液进入流液道的钼电极加热区，补充热量到1650℃；加入校正原料，流入上升管，进入活性石灰饱和区，生成水泥熟料；炉入口不断加入渣液，出口不断流出水泥熟料，连续生产；液态水泥熟料气力雾化成粉末，换热冷却，加入二水石膏和磷酸二氢钾、硼砂一起磨细成水泥。实施例1所述的实施例中采用某钢厂钢渣，其化学成分如下表成分sio2al2o3feocaomgomnop2o5f-caot.fe含量％10.201.2112.3241.5811.493.091.508.0720.16实施例中使用对比水泥为某水泥厂pⅱ42.5水泥，水泥的化学成分和物理性质如下表实施例中的标准砂：水泥胶砂试验采用中国ⅰso标准砂(gb178-97)实施例中的水：成型钢渣净浆和胶砂时采用自来水，在进行游离氧化钙测定时采用蒸馏水。实施例中校正原料：校正原料有燃煤灰分、铁粉；燃煤的工业分析如下表ω(mad)ω(vad)ω(aad)ω(fcad)qnet.ad0.06％22.42％28.56％49.0220930kj/kg实施例中渣液流过碳还原床取渣样进行化学分析，其分析结果如下：成分sio2al2o3fe2o3caomgo其他含量％14.802.439066,8014.61.36根据以上化验分析结果，参考水泥成分加入校正原料铁粉10％；煤灰13％。生成水泥化学组成如下表：成分sio2al2o3fe2o3caomgo含量％20.615.354.7961.027.8生成的水泥孰料掺入4％二水石膏，掺入3％磷酸二氢钾、0.5％硼砂入磨粉，磨至标准细度，制成水泥。水泥物理性能检测标准按gb175-2007《通用硅酸盐水泥》；gb/t8074-2008《水泥比表面积测定方法勃氏法》；gb/t1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》；gb/他17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的标准检测。水泥的基本性能比表面积/m2.kg-1粉磨时间/s标准稠度蓄水量比膨胀率％安定性4102500.230.06合格水泥胶砂抗折抗压强度实施例2所述的实施例中采用某钢厂钢渣，其化学成分如下表成分sio2al2o3tio2caomgona2op2o5k2ot.fe含量％14.734.060.8648.007.620.171.040.07514.3实施例中使用对比水泥为某水泥厂pⅱ42.5水泥，水泥的化学成分和物理性质如下表实施例中的标准砂：水泥胶砂试验采用中国ⅰso标准砂(gb178-97)实施例中的水：成型钢渣净浆和胶砂时采用自来水，在进行游离氧化钙测定时采用蒸馏水。实施例中校正原料：校正原料有燃煤灰分、铁粉；燃煤的工业分析如下表ω(mad)ω(vad)ω(aad)ω(fcad)qnet.ad0.06％22.42％28.56％49.0220930kj/kg实施例中渣液流过碳还原床取渣样进行化学分析，其分析结果如下：成分sio2al2o3fe2o3caomgo其他含量％19.395.920.1457.299.113.36根据以上化验分析结果，参考水泥成分加入校正原料铁粉8％；煤灰3％。生成水泥化学组成如下表：成分sio2al2o3fe2o3caomgo含量％22.146.844.0167.029.13生成的水泥孰料掺入4％二水石膏，掺入3％磷酸二氢钾、0.5％硼砂入磨粉，磨至标准细度，制成水泥。水泥物理性能检测标准按gb175-2007《通用硅酸盐水泥》；gb/t8074-2008《水泥比表面积测定方法勃氏法》；gb/t1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》；gb/他17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的标准检测。水泥的基本性能比表面积/m2.kg-1粉磨时间/s标准稠度蓄水量比膨胀率％安定性4101850.230.03合格水泥胶砂抗折抗压强度以上结果表明：利用液态钢渣在液态流动中可以生成水泥，且流程短，设备简单，操作方便，能耗低，渣液热量可回收，减少资源消耗。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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12