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![一种利用高炉炉渣生产矿渣棉及矿渣棉板毡的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/14953af6a300a6c30d229fe2.png)
专利名称：一种利用高炉炉渣生产矿渣棉及矿渣棉板毡的方法专利类型：发明专利
发明人：夏能伟,秦正军
申请号：CN201810802847.X
申请日：20180719
公开号：CN108863041A
公开日：
20181123
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种利用高炉炉渣生产矿渣棉及矿渣棉板毡的方法，涉及高炉炉渣资源化利用技术领域。
本发明的具体步骤为高温熔渣转运、电炉熔炼、电炉升温以及离心制成纤维，在高温熔渣转运步骤中，将高温熔渣装入渣罐车的渣罐罐体内，对渣罐罐体内的高温熔渣进行冷却，而后对渣罐罐体内的高温熔渣进行保温，并通过渣罐车对高温熔渣进，渣罐罐体包括进水管道和出水管道；渣罐罐体包括内罐层和外罐层，内罐层和外罐层之间的设置有空腔层；进水管道和出水管道与空腔层相连通。
本发明通过对装入的高温熔渣进行快速冷却，使其在内罐层内壁上形成渣壳，防止熔渣与渣罐罐体发生粘结；再对渣罐罐体内的高温熔渣进行保温，避免形成过厚的渣壳。
申请人：安徽长江钢铁股份有限公司
地址：243100 安徽省马鞍山市当涂县龙山桥工业园
国籍：CN
代理机构：安徽知问律师事务所
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矿渣棉的发展现状及趋势综述研2班2014102101 陈绍生摘要：矿渣棉因其轻质、不燃、防霉等诸多优良的性能而在节能环保、隔音降噪等方面发挥着重要作用。
本文综述了高炉渣矿棉的特点、用途、生产工艺及关键技术，比较了离心法、喷吹法和离心吹制法的优劣性，并对新近提出的高炉熔渣直接生产矿棉技术应用中存在的潜在问题进行了评述和展望。
高炉熔渣直接生产矿棉技术无论是对目前存在的能源危机或环境问题，还是对保温隔热材料行业的发展或钢铁行业的节能减排都具有十分重要的意义。
关键词：矿渣棉；生产工艺；关键技术；市场前景1 引言随着人类生产的发展和生活水平的提高，大幅增加的能源需求将进一步加剧能源供需矛盾、恶化能源形势。
开源和节流是解决能源问题的两条思路。
开源即开发新的能源，如地热、潮汐及太阳能等;节流则是通过有效的途径(如保温隔热技术)减少能量损失。
目前保温隔热材料主要包括泡沫塑料(聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛树脂等)[1]和矿物纤维(矿棉、岩棉、硅酸铝纤维棉等)[2]两大类。
随着人们对建筑保温、舒适度等要求的不断提高，具有节能、耐火、隔音降噪功能的无机矿物纤维越来越受到科学家们的关注[3]。
另一方面，随着钢铁工业的迅速发展，冶炼生铁过程中排出的高炉渣也越来越多。
冶炼废渣的无害化、资源化处理成为中国乃至世界各国十分重视的焦点，也成为推进循环经济的中心内容之一。
高炉渣是高炉炼铁的主要副产物，排出温度在1400℃以上。
一般情况下，1t高炉熔渣含有显热1675MJ，约相当于57kg标准煤燃烧时放出的热量。
目前高炉渣大多采用水淬法处理，需消耗大量的水，且高炉渣的高温显热白白排放难以回收，而水淬时又产生H2S、SO2等有害气体污染环境，因此高炉渣干法处理工艺的开发成为国内外钢铁企业研究的热点。
高炉渣制矿渣棉工艺不需要水，且高温熔渣直接制棉时可回收显热80%以上，对于钢铁企业来说，是一种经济可行的干法处理工艺。
利用高炉渣生产矿棉技术无疑是高炉渣资源化的重要途径之一，它不仅可以直接将高炉渣变废为宝、实现钢铁企业的节能减排，而且制得的矿棉产品亦可广泛应用于建筑、热工等行业，产品附加值高、经济效益好，最终也将给岩矿棉行业带来巨大的转机[4]。
高炉热熔渣生产矿岩棉生产工艺浅析1.前言当前，我国正处于经济转型的关键阶段，党的十七届五中全会上通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划》，将节能环保、资源化再利用再一次列为了重点。
按照国家的总体规划，挖掘企业自身的潜能和资源，发展非钢产业，为企业创造新的利润空间，开发新的经济增长点，是本工艺的核心。
一般钢铁企业高炉生产矿渣多是外售，价格一般为每吨几十元，附加值很低，从这个角度来讲，高炉矿渣是基本当作废弃物处理了。
而高炉矿渣经过加工，可制成岩棉制品，应用于一般性工业保温及建筑防火保温场所；近年来岩棉制品则更多的进入了建筑领域，主要应用于普通住宅、商業建筑、公共设施建筑、钢结构建筑、仓储建筑等要求保温、绝热、隔音、透气、防火、吸声、质轻、抗震的场合。
在节能及环保领域中，发挥着无比重要的作用，随着我国经济建设的飞速发展，随着人们安全意识、节能意识、环保意识的不断增强，矿岩棉市场的前景将十分广阔。
2.发展高炉热熔渣生产矿岩棉工艺的必要性该工艺主要是利用高炉热熔渣生产矿岩棉制品，相对传统工艺它极大地降低了生产成本，使产品具有更强的市场竞争力。
同时利用多金属熔渣显热，熔渣从炉内放出来时在高温熔融状态下，当温度在1400℃ 时，熔渣从高温熔融状态冷却至常温固态时所放出的热量约在1550-1750KJ/Kg，这部分热量即显热，过去完全没有利用而白白浪费掉了，利用这类熔渣显热进行矿岩棉熔炼时，能充分利用高温熔渣显热，其熔炼的热效率可高达80%以上。
经过反复实验，成功事实证明运用热熔渣生产矿岩棉技术，利用新工艺替代老式冲天炉工艺，可以节约能源，减少热的损失大大降低成本。
它的优点是显热回收率达到80%以上，减少SO2对环境的污染，从工艺方面来讲节约燃料可精确有效控制纤维的质量、成纤速度、酸度系数，在同样的数量重量指标下，比水淬渣和细粉多出几十倍的经济效益。
3.高炉热熔渣生产矿岩棉工艺内容首先高炉出渣后经渣包车运输，再吊运至平车上，经平车运至加热工位，加热炉使原料在炉内充分提高熔化并较好地均化，加热炉废气经除尘、换热后可用于固化炉使用。
热态熔渣高附加值规模化综合利用技术（熔渣炉工艺）李胜春（微信：Lschun3000）电话：邮箱：1 技术背景及意义能源是国民经济和社会发展的动力。
能源消耗总量大、能源利用效率低、由能源使用带来的环境污染问题严重，是现阶段我国能源利用方面面临的严峻形势。
近几年来，我国钢铁、有色金属工业的能耗指标持续改善，但是与世界先进水平相比差距依然较大。
因此，加强能源管理工作、推广节能技术应用、开发余热回收利用技术是我国钢铁、有色金属工业建设资源节约型企业、走可持续发展道路的重要内容。
钢铁、有色金属生产过程中产生大量的高温熔融渣（高炉渣、铜渣、转炉渣、铅渣、锌渣、镍渣等），每年产生量约5亿吨左右，温度高达1100～1600℃。
渣的比热容约为1.1～1.4kJ/(kg•℃)，如果熔渣的平均温度以1300℃计，回收热量后渣的排出温度按300℃计，则每吨渣可回收1.2GJ的显热，大约相当于41kg 标准煤完全燃烧后所产生的热量。
以年产2000万吨级的大型钢铁企业为例，一年产生的高炉渣、钢渣总量超过800万吨，如果将这部分熔渣的显热进行回收，节能总量将达到33万吨标准煤，将使吨钢综合能耗下降16kg标准煤。
然而这项工作一直进展缓慢，尚没有形成规模化的成熟可用技术。
且熔渣的物理热回收方法，都需要借助于一种载能体（空气、液态锡等）来回收熔渣的显热，因而综合热回收效率不高，从资源综合利用的角度来说，熔渣显热回收最有效的办法是直接利用熔渣及其显热生产其它高附加值的产品。
作为“环境协调材料”的岩矿棉、高档建筑材料的实心玻璃砖及典雅装饰材料的彩色系列装饰板材等制品在传统工艺的生产过程中需要消耗大量的能源。
能耗费用占产品成本的30%以上，致使岩矿棉、实心玻璃砖、彩色系列装饰板材制品的销售价格高居不下，一般都在1800～4000元/吨（矿棉）、12000～15000元/吨（实心玻璃砖）、6200～12000元/吨（彩色系列装饰板材）以上，成为上述制品难以大规模进入建筑市场最为突出的瓶颈问题之一。
利用液态热熔渣直接制备矿渣棉生产工艺及市场分析岩棉、矿棉及其制品，具有体积密度小、导热系数低、吸声、隔声性能好、不燃、耐火、抗冻、耐腐蚀、防虫蛀、化学性能稳定等特性，被广泛应用于建筑和工业设备、管道和窑炉的绝热、防火、吸声和隔声等方面。
1 矿渣棉组成及生产工艺矿渣棉是一种高效防火绝热材料，传统生产方法以高炉干渣（简称冷矿渣）为原料，采用冲天炉焦炭为燃料生产矿渣棉，此方法能源消耗高，一般融化1 t 原料需300～350 kg焦炭，存在环保处理难度大等问题。
利用液态热熔渣（1400～1450℃）生产，有效利用热熔渣的热量，相比冷矿渣生产可节省能源40%～60%。
采用电炉生产相对比较环保。
液态热熔渣既是以液态形式产出，又含有一定的热量，热熔渣的温度一般在1000～1450℃。
在冶金行业的高炉炼铁和合金类熔炼（锰铁合金、镍铁合金、硅锰合金、硅铁合金等），有色金属行业冶炼（磷矿冶炼、铬矿冶炼等），化工行业（磷矿冶炼、铬矿冶炼等），火力发电行业煤粉经过锅炉燃烧后产生的液态热熔渣（旋风炉液态渣、循环硫化床炉的液态渣）等生产过程中产生液态热熔渣。
1.1 液态热熔渣的化学成分（见表1）表1 液态热熔渣的化学成分%1.2 国内外矿渣棉的化学成分（见表2）表2 国内外典型矿渣棉的化学成分[1] %1.3 国内外典型玄武岩棉化学组成分（见表3）表3 国内外典型玄武岩棉化学组成分[1] %1.4 生产工艺（见图1、图2）图1 生产工艺流程图2 液态热熔渣直接制备矿渣棉生产工艺流程示意此生产工艺的直接与间接都理解为直接取料，因直接取料的概念应在排液态处经导流槽到离心成纤，但实际操作中都是用包接走再生产。
液态热熔渣直接制备矿渣棉目前采用电炉形式：（1）引进线是日本的技术。
（2）国内有2种情况，一是有色金属冶炼企业已有电炉熔制技术，都是自选的；二是冶金高炉熔炼渣大部分是由西安银海电炉厂提供电炉熔制工艺与设备。
后加工部分由国内设备厂家提供。
矿渣棉生产工艺
矿渣棉生产工艺是指以矿渣为原料，经过加工、制造过程最终得到矿渣棉产品的一连串工艺流程。
下面将介绍一下矿渣棉生产的一般工艺流程。
首先是原料的准备。
矿渣棉的主要原料是高炉矿渣，因此需要选用质量较好的高炉渣作为原料。
高炉渣经过磨碎、粉磨等处理，得到所需的颗粒度和化学成分的渣粉。
其次是加热熔化。
将渣粉通过输送设备输送至熔融炉中，加热至高温，使渣粉熔化成为熔渣。
熔渣的熔化温度一般在
1500°C以上。
然后是纤维化。
熔渣从炉中流出，经过旋风分离器或喷头，将熔渣快速冷却，形成纤维状结构。
这种纤维形态的矿渣即为矿渣棉。
接下来是成型。
将纤维化的矿渣经过牵引和拉伸，形成纤维束。
然后通过多道辊轧制，使纤维束排列整齐，并达到所需的厚度和宽度。
经过压实和加压，制成矿渣棉板或矿渣棉毡。
最后是烘干和切割。
将制成的矿渣棉板或矿渣棉毡送至烘干设备中，通过热风对其进行干燥，降低含水率。
烘干后，可以根据需要进行切割，得到所需尺寸的矿渣棉产品。
总的来说，矿渣棉生产工艺包括原料准备、熔化纤维化、成型、烘干和切割等几个主要的工序。
通过这些工序，能够将高炉矿
渣转化为矿渣棉，用于建筑、保温、隔热等领域。
矿渣棉具有防火、保温、隔音等优异的性能，是一种理想的新型建筑材料。
2019年·26·矿产综合利用Multipurpose Utilization of Mineral Resources熔渣调质制备矿渣棉及棉板综述李招君，邢宏伟（华北理工大学，现代冶金技术教育工作室，河北 唐山 063009）摘要：矿渣棉是一种集保温、隔热、吸音降噪等多种优点于一身的材料，在众多领域里都扮演着重要角色。
本文概述了矿渣棉的成分、特点、国内外研究现状。
介绍了华北理工大学在矿渣棉制备过程中首次采用电弧炉熔化调质设备对原料进行熔融调质，用离心法进行成纤，获得了纤维直径小于7 μm ，渣球含量小于10％的矿渣纤维。
并且建设了高炉熔渣离心成纤的半工业化试验平台，实现了熔渣在线直接成纤制备渣棉板。
本文还叙述了渣棉板的制备工艺流程及对保温板的性能优化，并概述了矿渣棉生产中存在的不足和应用前景。
关键词：高炉渣；离心；矿渣棉；矿渣棉板doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2019.02.005中图分类号：TD989;X757 文献标志码：A 文章编号：1000-6532（2019）02-0026-04高炉渣是炼铁过程中的副产品，每炼一吨生铁就有300～350 kg 的高炉渣，是冶金废渣中最多的一种[1-2]。
在国家实行“零排放”的要求下，一些钢铁企业和科研人员对高炉渣的回收利用进行了大量研究，在建筑建材方面获得了重大的成就，如制备水泥、混凝土掺合料、空心砖、铺路材料、微晶玻璃及新型的墙体材料等[3-7]，并且在高钛高炉渣的利用上也取得了一些成就。
虽然高炉渣的利用率得到了很大的提高，但还有许多问题亟待解决。
如大部分高炉渣采用水淬处理，造成熔渣显热不能有效地被利用和造成水资源浪费。
另外，高炉渣生产矿渣棉的过程中也存在不足，一些国内渣棉厂家一般将高炉干渣和调质剂混合后，加入冲天炉内进行熔融调质，再经过喷吹或离心进而得到矿渣棉，使用冲天炉不仅污染环境而且热熔渣的巨大潜热也被浪费[8]。
因此，张玉柱[9]通过研发电弧炉熔渣调质平台制取矿渣棉并对渣棉板进行优化，在解决熔渣显热问题时又生产了高附加值产品。
1 矿渣棉的成分及特点1.1 矿渣棉的成分高炉渣矿棉是由炼铁废料高炉渣制成，不矿渣棉的化学成分见表1。
收稿日期：2017-11-21；改回日期：2017-12-24作者简介：李招君（1992-），女，硕士研究生，研究方向为冶金固体废弃物综合利用。
表1 矿渣棉的主要化学成分/%Table 1 Chemical compositions of the slag wool SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3CaOMgOMnO40~5010~200~330~403~80~1矿渣棉中的SiO 2不仅能够影响矿渣棉的化学稳定性，而且SiO 2含量高有利于制取长纤维。
低含量的Al 2O 3虽然不利于纤维的化学稳定性，但对原料的熔化温度和熔体形成纤维的温度有很好的影响，可以降低两者的温度，并能够制取粗纤维。
CaO 和MgO 的作用基本一样，属于弱碱性氧化物，在形成坚固的纤维骨架方面有不利的影响，从而降低纤维的化学稳定性。
如果降低CaO 和MgO 的含量，那么有利于增强纤维骨架的坚固性，并且提高化学稳定性，原料更容易熔化和获取细纤维。
1.2 矿渣棉的特点矿渣棉的表面为圆柱状，是一种截面通常呈圆形的白色絮状物。
高炉渣矿棉的内部因为有一定含量的开口和闭口微孔，被应用在建筑建材等行业时能够消除回音、降低声波反射和楼板传递的噪音；而且内部的多孔结构对降低热传递有一第2期2019年4月·27·定的作用，具有良好的隔热性，所以被制成的保温板在建筑行业中能够起到冬暖夏凉的作用。
其次，高炉渣矿棉主要以无机质硅酸盐矿棉为主，此种材料不易燃烧，所以发生火灾时矿渣棉能够阻挡火势的蔓延，降低对生命财产的威胁性。
另外，还有质轻、防虫蛀、耐化学腐蚀、价格低廉等优点，因此被制成各种产品应用在各个领域，是一种良好的保温、节能材料。
2 矿渣棉的制备2.1 国内外研究现状大约从上世纪30年代初国外大规模的出现研究矿渣棉生产工艺的厂家，而日本直接利用高炉熔渣生产矿渣棉的工艺一直处于世界领先地位。
近几年，日本又有三家企业掌握了利用电炉法生产矿渣棉的技术。
其中技术最为先进的则是日本钢铁工程控股公司（JFE）,能够在使用电炉法的基础上生产矿渣棉板毡制品，并且矿渣棉的质量也很好[10]。
我国生产矿渣棉起步较晚，且情况不容乐观。
传统的矿渣棉制备采用的是冲天炉法，将冷态的高炉渣、焦炭和调质剂投入到炉内进行重熔、调质,再经过高压空气或蒸汽喷吹进而得到矿渣棉。
此种方法不仅浪费了高炉熔渣的显热，加速环境污染，纤维质量较差而且生产成本也大大提高。
因此，冲天炉法并没有受到人们欢迎，逐渐被淘汰。
王东等[11]提出了“铁煤联产工艺”，将热态的高炉渣移到调质炉，按照配比进行调质，利用氧煤混喷技术进行二次加热提高温度，从而得到矿渣棉。
虽然该工艺能够很好的利用高炉熔渣的显热，但是需要消耗大量的煤，不利于节约能源。
目前，许多科研人员对电炉法制备矿渣棉的技术进行了大量研究，由于受到技术和场地的限制，一直没有得到满意的结果。
针对这种缺陷，华北理工大学首次采用交流电弧炉熔化调质设备，液态熔渣通过在线直接电炉调质处理后，再经过离心成纤制棉生产线进行生产。
此技术在提高了除尘率、渣棉质量的同时还降低了能源消耗。
2.2 熔渣调质成纤试验以唐山某钢厂的高炉渣为原料，某地区的铁尾矿为调质剂，其化学成分见表2。
表2高炉渣及铁尾矿的化学组成/％Table 2 Chemical compositionof blast furnace slag and iron mining tailingsSiO2CaO MgO Al2O3TiO2FeO K2O Na2O TFe 高炉渣33.9435.017.8214.641.021.730.420.302.02铁尾矿71.93 3.064.144.930.154.751.400.926.07将表中高炉渣的化学成分与高炉渣SiO2-Al2O3-CaO 三元系统中冶金矿渣和火成岩的状态图中能够形成矿渣棉纤维的化学成分范围(SiO2: 36％~ 68％, CaO: 23％~ 48％, Al2O3: 5％~ 28％)进行比较见图1，可知原高炉渣的成份不在矿渣棉纤维范围内。
经过大量试验证明选用高含量SiO2的铁尾矿进行调质,使得调质后的在1.2 ~ 1.4之间满足成纤要求，酸度系数Mk由式(1)可计算得到：（1）调质后的高炉渣的化学成份见表3。
表3调质高炉渣的化学成分及配比Table 3 Chemical compositions and proportioning of the quenched blast furnace slag酸度系数SiO2CaO MgO Al2O3TiO2FeO K2O Na2O TF.4e1.235.4633.737.6714.250.991.850.460.322.181.337.7431.817.4513.670.932.030.520.362.421.439.6430.227.2713.180.891.180.570.392.63将冷态高炉渣与铁尾矿破碎，倒入熔炼能力为1.5 t的交流电弧熔化调质炉，当温度升高到一定要求后开始倾倒，熔渣流经导流槽后滴落到离心机上进行成纤。
流嘴的的外部采用铸铁板，内部镶嵌耐火砖，从而保证熔渣流动过程中温降最小。
采用的成纤设备为四辊离心机，其直径分别李招君等：熔渣调质制备矿渣棉及棉板综述2019年矿产综合利用·28·为(1×213)mm 、(2×295) mm 、(3×295) mm 、(4×295) mm ，所对应的转速分别为2070 r/min 、3093 r/min 、4350 r/min 、5800 r/min 。
此种成纤方法相对于喷吹法获得的纤维量大，质量好，节约能源。
而且在此平台上制备的纤维具有光滑呈圆柱状的表面，直径围绕4.6 μm 左右浮动且渣球的平均含量在4.4％均符合国标要求（≤10％）。
试验表明：随着Mk 的变大，纤维直径会加粗。
这主要是因为在相同温度下，体系中酸性氧化物含量及硅酸二钙等高熔点的矿相析出量会随着Mk 的增加而增多。
M k 增大时，渣中的SiO 2吸收O 2-生成(SiO 4)4-等复合阴离子团，使体系黏度变大，进而熔渣的流动性变差，在相同作用力的条件下，熔渣不易被甩出，造成纤维直径较粗。
2.3 成纤原理高炉熔渣成纤过程是由连续的液态熔渣形成熔体细丝后迅速冷却固化的过程。
当高炉熔渣滴落到离心辊表面时，在熔渣粘性力的作用下部分熔渣形成液体薄膜，与此同时由于离心力的作用大量的熔渣迅速滴落到下一辊面，而离心辊的表面并不完全光滑，所以液膜依靠摩擦力随离心辊一起做旋转运动; 随着液膜速度的持续增加，导致气液两相的相对运动加剧，由于Kelvin-Helmholtz 不稳定性，液膜表面将发生扰动，形成不稳定的脉冲波; 与此同时，由于Ｒayleigh–Taylor 不稳定性，在波峰波谷位置会出现能量的堆积和减弱。
这时，随着液膜速度变大，波长也随之增加，当波长达到一定值后，在波峰位置形成不稳定的凸起; 在离心力的作用下，凸起开始拉伸生长，形成一条柱状液丝。
基于边界层理论对高炉熔渣离心成纤建立了数学模型，通过对数学模型分析可知：离心辊的转速和半径对熔渣纤维的形成有一定的影响。
增大转速和离心辊半径有利于高炉渣纤维的形成，但是过高反而降低纤维质量。
并且适当增加高炉渣运动粘度系数和密度能够有效提高高炉熔渣的成纤率。
3 矿渣棉板的制备离心出来的纤维经过风选沉降在集棉室进行铺棉，铺棉的方式有平铺型和摆锤型。
摆锤法是建立在平铺法上，对收棉方式进行了改善，摆锤法将收集后的薄渣棉一层层叠加到所需的层数与厚度。
这种方法使棉层和所含粘结剂的匀称性得到提高，而且棉层以一定的角度进行叠铺，致使部分纤维呈竖向分布，进而抗压强度及层间的结合强度得到改善。
现为止已经有高速三角网带或鼓式集棉机，其集棉方式是将原不匀称的纤维进行多维排列。
铺棉的同时采用半干法喷胶方式对纤维施加粘结剂，直至将矿渣纤维完全铺到纤维板上，之后放入鼓风干燥箱内恒温140℃条件下，干燥5 h ，再经过剪切、密封等工序制得渣棉板。
矿渣棉板制备流程见图1。
图1 矿渣棉板制备流程Fig .1 Flow chart of slag wool board preparation由于在试验室条件下无法进行高炉熔渣直接成纤、粘结、成板工艺，所以华北理工大学建设了高炉熔渣离心成纤的半工业化试验平台，可以将高炉渣调质、成纤和喷胶工艺进行衔接，能为高炉熔渣成纤提供理论依据。
