高鈦型高爐渣的膨化技術(shù)研究

王杜檳，蔡建利，湯春林，林永剛，曹立榮，李 傳

(1.四川省勁騰環(huán)保建材有限公司，四川 內(nèi)江 642469；2.四川匯源鋼建裝配建筑有限公司，四川 成都 610100)

我國西南攀西地區(qū)蘊(yùn)藏著極其豐富的釩鈦磁鐵礦，探明儲量超過90億噸，保有儲量約34億噸，是國內(nèi)僅次于鞍鋼地區(qū)的重要鐵礦資源，F(xiàn)e儲量占我國的20%，TiO2儲量占我國的90%以上，V2O5儲量占我國的80%以上[1-2]。目前國內(nèi)只有攀鋼集團(tuán)、川威集團(tuán)的成渝釩鈦科技有限公司、河北鋼鐵集團(tuán)的承德新新釩鈦股份有限公司三大釩鈦基地在使用釩鈦磁鐵礦冶煉，提釩煉鐵后形成TiO2含量達(dá)15%～25%的高鈦型高爐渣。

長期以來，高鈦型高爐渣的處理及應(yīng)用一直采用水沖渣和干渣兩種形式。水沖渣是用高壓水槍沖擊熔融狀態(tài)的高爐渣，使其迅速冷卻、碎化，渣體粒徑在0.1～2.0 mm之間，不能用作建筑用骨料，僅能作為水泥摻混料使用。干渣是將高溫熔渣直接排放、自然冷卻，經(jīng)破碎、篩選、分級等處理后可部分用于建筑材料，但由于其工序繁多，成本較高，且比重大多在1.8～2.5 kg/cm3之間，不符合輕質(zhì)要求[3]。因此，高鈦型高爐渣作為高爐冶煉的固體廢物，使用價值受其后續(xù)制品的限制，一直以來應(yīng)用范圍十分有限。

1 高鈦型高爐渣處理工藝及技術(shù)進(jìn)展

1.1 高鈦型高爐渣處理及應(yīng)用現(xiàn)狀

高鈦型高爐渣的處理工藝通常有急冷工藝、慢冷工藝和半急冷工藝。急冷工藝采用水淬方式，包括爐前水沖渣法、池式法、大沉淀池法等，其中爐前水沖渣法是對從高爐內(nèi)出來溫度約1400～1550 ℃的熱熔渣用高壓水急冷，直接散落于流渣溝內(nèi)，流入水池，是目前應(yīng)用最普遍的方法，投資少、成本低。在急冷處理過程中，熔融的高爐渣中的絕大部分物質(zhì)來不及形成穩(wěn)定的晶體化合物，而以玻璃體形式將來不及釋放的熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，從而具有潛在的化學(xué)活性。慢冷工藝包括熱潑法、堤式法、機(jī)械澆注法、戈特曼法等。半急冷工藝是將熱熔渣經(jīng)機(jī)械與水的共同作用而形成的一層堅硬多孔的礦渣，其冷卻強(qiáng)度介于急冷和慢冷工藝之間，形成的礦渣比重較小[4]。

高鈦型高爐渣根據(jù)不同的處理工藝，其綜合利用途徑主要為：礦渣水泥、石膏礦渣水泥、無熟料礦渣水泥等，礦渣磚和濕碾礦渣混凝土制品，礦渣碎石，礦渣輕骨料，礦渣微晶玻璃，礦渣鑄石，礦渣棉和連續(xù)纖維，農(nóng)業(yè)肥料等。

重慶大學(xué)在二十世紀(jì)70～80年代深入開展了高鈦型高爐渣用作水泥混合材的技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)在水泥中只能添加8%～10%的高爐渣，且不能生產(chǎn)高標(biāo)號的水泥[5]。長期以來，國內(nèi)外對高鈦型高爐渣的綜合利用進(jìn)行了大量的研究，但一直沒找到一個技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均可行的大規(guī)模有效利用的方法。

目前，四川省星船城水泥股份有限公司利用成渝釩鈦科技有限公司的含水約25%的高鈦型高爐渣，經(jīng)過磁選分離鐵組分、烘干到水分6%以下后作為生產(chǎn)水泥的摻混料使用，但消耗量不到高爐渣總量的10%。

無論川威集團(tuán)、攀鋼集團(tuán)還是河北鋼鐵集團(tuán)，高鈦型高爐渣均未能大規(guī)模利用，導(dǎo)致高鈦型高爐渣大量堆積，堆渣場占用大量土地，既污染環(huán)境又造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對高鈦型高爐渣進(jìn)行綜合利用的研究具有十分重要的科學(xué)價值和工程應(yīng)用前景。

2 高鈦型高爐渣膨化技術(shù)

通過急冷工藝處理高鈦型高爐渣得到的水渣，顆粒細(xì)小均勻，不能形成有效的顆粒級配，同時因堆積密度大，應(yīng)用于混凝土制品時難以滿足輕質(zhì)的要求。半急冷工藝處理得到的水渣呈塊狀，需破碎后才適合于工程應(yīng)用。慢冷工藝處理得到的水渣物性不穩(wěn)定，幾乎沒有商業(yè)用途。針對高鈦型高爐渣現(xiàn)有處理工藝及應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者研究并提出了一種膨化處理技術(shù)，將高鈦型高爐渣轉(zhuǎn)化成一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、顆粒級配優(yōu)良的節(jié)能環(huán)保建筑材料。

2.1 工藝路線

本技術(shù)的工藝路線為：

(1)先對高鈦型高爐渣進(jìn)行除鐵分流處理；

(2)用高壓冷卻水對高爐渣進(jìn)行噴淋急冷；

(3)再用?；唽φ诩崩涞母郀t渣進(jìn)行機(jī)械拋射，使高爐渣沿不同的拋物線彈出并相互碰撞，在風(fēng)冷、低溫水急冷及機(jī)械外力的共同作用下，使高爐渣發(fā)生物理、化學(xué)和熱力學(xué)的變化；

(4)使拋射處理的高爐渣落入集渣槽，繼續(xù)在冷水中爆裂膨化，形成膨化渣；

(5)將帶水的膨化渣由集渣槽排到干渣坑堆放，使其自然干燥；

(6)干燥的膨化渣進(jìn)入破碎篩分裝置，用懸臂篩網(wǎng)振動篩進(jìn)行篩分，即得到膨化渣。

2.2 膨化渣生產(chǎn)裝置系統(tǒng)

經(jīng)過方案設(shè)計和試驗研究確定的膨化渣生產(chǎn)裝置系統(tǒng)包括渣鐵分離系統(tǒng)、膨化處理系統(tǒng)和篩分系統(tǒng)。渣鐵分離系統(tǒng)與膨化處理系統(tǒng)連接，膨化處理系統(tǒng)通過裝載設(shè)備與篩分系統(tǒng)連接。渣鐵分離系統(tǒng)包括鐵水溝、鐵渣溝和爐渣溝，鐵渣溝由鐵水溝開口處引出，爐渣溝由鐵渣溝引出。膨化處理系統(tǒng)，包括冷卻水噴淋裝置、?；喲b置、集渣槽深度膨化裝置、干渣系統(tǒng)，其中冷卻水噴淋裝置與?；喲b置連接，?；喲b置與集渣槽深度膨化裝置連接，集渣槽與干渣系統(tǒng)連接。篩分系統(tǒng)包括破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)和懸臂篩網(wǎng)振動篩，皮帶輸送機(jī)上設(shè)有輸送皮帶，輸送皮帶的一端與破碎機(jī)連接，輸送皮帶的另一端與懸臂篩網(wǎng)振動篩連接。其裝置簡圖見圖1，生產(chǎn)工藝流程簡圖見圖2。

1-鐵水溝；2-鐵渣溝；3-爐渣溝；4-冷卻水噴淋裝置；5-滑動式中間包；6-?；喲b置；7-集渣槽深度膨化裝置；8-干渣系統(tǒng)；9-篩分系統(tǒng)圖1 膨化渣生產(chǎn)裝置簡圖

2.3 改進(jìn)的?；喯到y(tǒng)

經(jīng)多次試驗研究，對?；喯到y(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，形成了依次連接的進(jìn)料設(shè)施、?；喲b置和出料設(shè)施。其中，進(jìn)料設(shè)施包括溜渣口和高壓冷卻水噴淋裝置，?；喲b置由粒化輪、驅(qū)動粒化輪轉(zhuǎn)動的電機(jī)、傳動軸承以及連接?；喓碗姍C(jī)的減速機(jī)構(gòu)成，出料設(shè)施有皮帶運輸機(jī)和收集料斗。同時，調(diào)整了高壓水噴嘴的噴射角度，?；唭?nèi)部空腔增設(shè)了隔板、輪齒之間加設(shè)了擋板并調(diào)整了拋射角度。?；喠鞒淌疽鈭D見圖3。

圖2 膨化渣生產(chǎn)工藝流程簡圖

在具體使用時，為了保證物料輸送的順暢，一般選擇將所述溜渣口與煉鐵高爐系統(tǒng)的爐渣溝連通。就高壓冷卻水噴淋裝置而言，可選擇由高壓冷卻水管和噴嘴組構(gòu)成的高壓冷卻水噴淋裝置。選用高壓冷卻水噴淋裝置時，一般選擇噴嘴組為3排，每排從左到右分布有6個噴嘴，其中左邊3排共9個噴嘴噴射角度對準(zhǔn)左邊的溜渣口，右邊3排共9個噴嘴噴射角度對準(zhǔn)右邊的溜渣口。噴嘴為扁平狀，可調(diào)節(jié)噴淋水量。調(diào)節(jié)噴淋流量和壓力，并調(diào)整優(yōu)化9個噴嘴的噴射角度，可以對溜渣口出來的高鈦型高爐渣進(jìn)行充分的噴淋。

?；喲b置的?；営奢嗴w、左半軸、右半軸和輪齒構(gòu)成。一般?；喌妮嗴w是一個用材質(zhì)為Q345的鋼板焊接而成的空腔結(jié)構(gòu)，空腔由中間鋼板分隔為兩部分，空腔兩端有封堵鋼板分別與左半軸和右半軸連接。另外，右半軸為具有內(nèi)層空腔和外層空腔的雙層空心軸，冷卻水的進(jìn)出分別通過右半軸的內(nèi)層空腔和外層空腔。其中，右半軸的轉(zhuǎn)速以250～350 rpm為宜。另外，每個輪齒均獨立設(shè)有進(jìn)水孔和出水孔，便于及時排水。經(jīng)過改進(jìn)的?；喲b置簡圖見圖4、剖視圖見圖5。

圖3 粒化輪流程示意圖

1-?；啽倔w；2-傳動軸承；3-電機(jī)；4-減速機(jī)；5-輪體；6-左半軸；7-右半軸圖4 改進(jìn)型?；喌难b置簡圖

圖5 改進(jìn)型粒化輪的本體剖視圖

2.4 膨化效果

經(jīng)過大批次的試驗研究，得到了最優(yōu)生產(chǎn)工藝流程和控制參數(shù)，形成了較為成熟的膨化渣生產(chǎn)方法。由于膨化渣作為新產(chǎn)品沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)，故參照GB/T 17431.1-2010《輕集料及其試驗方法 第1部分：輕集料》和GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法》，對其物性進(jìn)行了檢驗檢測和分析研究，經(jīng)本技術(shù)生產(chǎn)的膨化渣具有如下物性：

(1)顆粒級配，GB/T 17431.1-2010規(guī)定的人造輕集料2.36 mm篩上累計篩余為(60±2)%，本技術(shù)生產(chǎn)的膨化渣2.36 mm篩上累計篩余為100%，見表1；

表1 膨化渣陶粒的顆粒級配

(2)堆積密度為705～1050 kg/m3，無法用GB/T 17431.1-2010劃分密度等級；

(3)平均粒型系數(shù)為2.3～2.8，超過了GB/T 17431.1-2010規(guī)定范圍(≤2.0)；

(4)筒壓強(qiáng)度為3.4～3.8 MPa，無法與GB/T 17431.1-2010劃分的等級對應(yīng)；

(5)1h吸水率為6.5%～8.3%，符合GB/T 17431.1-2010的規(guī)定；

(6)含泥量為1.8%～3.5%，超出GB/T 17431.1-2010的規(guī)定范圍；

(7)泥塊含量為0.1%～0.5%，低于GB/T 17431.1-2010的規(guī)定；

(8)沸煮質(zhì)量損失為2.2%～2.8%，低于GB/T 17431.1-2010的規(guī)定。

基于上述原因，我們自行研究并編制了Q/91511024326999010Q.01-2018《膨化渣陶?！泛蚎/91511024326999010Q.02-2018《膨化渣陶砂》2個企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(已在中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會備案登記并在其“企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息公共服務(wù)平臺”向社會公開發(fā)布)，作為生產(chǎn)、檢驗、銷售和仲裁的依據(jù)。

3 小結(jié)

本技術(shù)的生產(chǎn)方法主要是通過人為控制高爐熔渣流量、流速，通過冷卻水噴淋、機(jī)械拋射等作用使熔渣快速急冷，讓熔渣內(nèi)氣體來不及被釋放并在一定的粘度及表面張力的作用下，形成外表是玻璃質(zhì)的內(nèi)部有微孔的膨化渣。

基于高鈦型高爐渣的特性以及本技術(shù)的特殊技術(shù)方法和工藝流程，本技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)的膨化渣不含普通高爐渣存在的玻璃絲、石棉等有害有毒物質(zhì)，膨化后的顆粒為多孔狀結(jié)構(gòu)，具有吸音、隔熱、保溫等良好的物理和熱力學(xué)性能，強(qiáng)度高，可以代替建筑用砂、黏土頁巖陶粒等用于加工生產(chǎn)空心隔墻板、空心砌塊、透水路面磚、輕質(zhì)混凝土、PC構(gòu)件等各類水泥、混凝土類新型建材。