精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法制造技术

本发明专利技术提供一种精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法，该方法利用LF精炼渣替代熟料，与脱硫石膏和高炉矿渣制备冶金渣基胶凝材料；针对高泥尾砂开展不同胶砂比和料浆浓度的胶结体强度和料浆流变试验以及胶结体膨胀率与浸出液pH值测试；建立胶结体强度、膨胀率、料浆流变参数和胶结体浸出液pH值与胶砂比和料浆浓度的关系；以高泥砂料浆成本作为优化目标，以胶结体强度、膨胀率、料浆流变参数和浸出液pH值作为约束条件，建立和求解高泥尾砂料浆优化模型。该方法为工业固废资源化、减量化和无害化处置探索出一条途径，从而提高充填采矿的经济效益和环保效益，促进充填采矿技术推广应用。

【技术实现步骤摘要】
精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法
本专利技术涉及固体废物固化处置与充填采矿法的交叉
，特别是指一种精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法。
技术介绍
我国钢铁工业每年排放大量的矿渣和钢渣。高炉矿渣(又称水淬渣)的活性高、易粉磨，作为建材掺合料已经得到规模化与高值化应用。不仅利用率接近100％，而且在我国部分地区还供不应求。钢渣包括转炉渣、精炼渣和电炉渣三种。根据目前炼钢水平，钢渣产出量为粗钢产量的10％～15％。据国家统计局公布的数据，2020年我国粗钢产量为10.53亿t，钢渣达到1～1.5亿t。与高炉矿渣相比，钢渣活性低、粉磨难度大以及利用成本高与经济效益差，并存在不安定性问题，导致钢渣总体利用率较低(≤30％)。为了提高钢渣资源化利用率，目前正在开展比表面积≥700m2/kg超细钢渣微粉用于建材工业。通过超细粉磨来改善钢渣性能，实现低品质钢渣的高值化和规模化利用，但大多存在产量低、能耗高等问题在探索中，目前未能实现规模化生产。作为钢渣中一种冶金工业固废，精炼渣是电弧炉精炼钢的还原期操作中所形成的工业副产物。与转炉钢渣相比，精炼渣碱性更高、活性更低，硬度更大，并且含有较多的f-CaO和f-MgO，体积不安定性问题更为突出，在建材中应用存在更多的问题，目前对精炼渣资源的综合利用技术并不多见，导致精炼渣利用率更低(≤10％)。2020年我国精炼渣(LFS)产量大约1500万吨，大多数钢企将其冷却后存置于尾矿库，或者部分与转炉渣混合用于铺路或煅烧水泥，不仅利用价值低，而且还造成资源浪费。精炼渣在地表堆放占用土地资源，同时还污染环境。随着我国钢产量快速增长，增幅巨大，精炼渣增长更加明显。探索精炼渣高值化利用和安全处置，对钢铁企业的发展具有重要意义。国民经济高速发展对矿产资源开发，导致我国富矿资源日趋枯竭。贫矿开发不仅经济效益差，而且选矿尾砂排放量增大。为提高金属回收率，选矿尾砂粉磨越来越细，-74μm细颗粒含量≥80％的高泥尾砂已经很普遍。高泥尾砂处置困难更大，固废处置成本更高。通常排放到尾矿库实施堆放处置，不仅存在尾矿库征地难度大、建库投资高，而且还潜在溃坝泥石流地质灾害风险。为了创建绿色矿山和实现清洁生产，全尾砂充填法采矿是当前和尾砂资源开采的必然选择和发展趋势。充填法采矿是在浓密全尾砂浆中添加胶凝剂搅拌，制备充填料浆采用充填管道输送到地下采空区，凝固后形成尾砂胶结体，不仅实现对尾砂固化稳定处置，而且还满足胶结充填法采矿，达到“以废制害”的目的。目前大多数矿山采用水泥作为尾砂胶凝剂，尾砂胶结体强度低，胶凝材料用量大，充填采矿成本高，因此不得不采用分级尾砂充填，由此不仅降低尾砂利用率，而尾砂分级排出的细泥处理面临更大的困难和问题。精炼渣矿物成分与水泥熟料相似，含有大量的CaO，SiO2，Al2O3和MgO等氧化物，潜在一定的活性。精炼渣的碱度系数M0>2.5，属于强碱性废渣。针对高泥尾砂胶结充填法采矿存在的困难和问题，本专利技术提出利用精炼渣代替水泥熟料制备冶金渣基胶凝材料。与水泥相比，冶金渣基胶凝材料不仅成本低，而且适应高泥尾砂固废物料，尾砂胶结体强度高、充填料浆流动性好。替代水泥用于高泥尾砂胶结剂，胶凝材料用量少，充填采矿成本低，从而实现高泥尾砂固化处置以及充填法采矿的双重目的。本专利技术提出精炼渣协同高泥尾砂固化处置以及全固废充填采矿法，利用碱性精炼渣替代水泥熟料开发冶金渣基胶凝材料，然后针对高泥尾砂开展充填料浆的配比优化。由此制备全尾砂充填料浆回填到采空区实现固化处置，并利用胶结体强度实现充填法采矿。本专利技术所提出的优化方法，能够实现高泥尾砂固化处置以及充填法采矿的双重目的，不仅对精炼渣和高泥尾砂固废实现了资源化、减量化和无害化综合利用，而且为安全、环保和低成本全尾砂充填法采矿探索出一条途径，由此降低高泥尾砂充填采矿成本，促进尾砂充填采矿技术的推广应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法，利用精炼渣替代熟料开发冶金渣基胶凝材料，协同高泥尾砂实施固废固化处置，通过优化充填料浆配比，实现安全、环保和低成本充填采矿。进一步地，所述方法首先利用LF精炼渣替代熟料，与脱硫石膏和高炉矿渣制备冶金渣基胶凝材料；针对高泥尾砂开展不同胶砂比和料浆浓度的胶结体强度和料浆流变试验以及胶结体膨胀率与浸出液pH值测试；根据实验结果，建立胶结体强度、膨胀率、料浆流变参数和胶结体浸出液pH值与胶砂比和料浆浓度的关系；以高泥砂料浆成本作为优化目标，以胶结体强度、膨胀率、料浆流变参数和浸出液pH值作为约束条件，建立和求解高泥尾砂料浆优化模型。进一步地，所述方法具体包括步骤如下：(1)根据采矿技术条件、采矿方法、充填系统对胶结体强度、体积膨胀性以及浸出液pH值要求，开展不同胶砂比和浓度胶结体强度和料浆流变试验，建立并求解满足固废处置与充填法采矿要求的料浆优化模型；(2)利用LF精炼渣、脱硫石膏和高炉矿渣制备冶金渣基胶凝材料；(3)根据充填料浆优化配比，利用充填系统制备高泥尾砂充填料浆，采用充填管道输送到地下采空区进行固化处置，实现精炼渣协同高泥尾砂固化处置以及充填法采矿。其中，步骤(2)中LF精炼渣为电弧炉精炼钢的还原期操作中所形成的副产物，其碱度系数M>2.5；冶金渣基胶凝材料粉磨后粉体比表面积≥450m2/kg，含水率≤2％。进一步地，步骤(1)中首先建立胶结体强度和体积膨胀率数学模型，然后建立胶结体浸出液pH的数学模型，再建立充填料浆流变参数的数学模型，最后建立高泥尾砂充填料浆配比优化模型；其中，胶结体强度和体积膨胀率数学模型为：R7d＝f1(x1,x2)、R28d＝f2(x1,x2)、V28d＝f3(x1,x2)；其中，R7d、R28d、V28d分别代表胶结体7d强度、胶结体28d强度和体积膨胀率；x1代表高泥尾砂料浆的胶砂比，x2代表高泥尾砂料浆浓度；f1(x1,x2)、f2(x1,x2)和f3(x1,x2)分别代表高泥尾砂胶结体7d强度、胶结体28d强度和28d胶结体的体积膨胀率数学模型；胶结体浸出液pH的数学模型为：pH28d＝f4(x1,x2)，其中，pH28d代表胶结体浸出液pH值，f4(x1,x2)代表胶结体浸出液pH值的数学模型；充填料浆流变参数的数学模型为：RL＝f5(x1,x2)、RN＝f6(x1,x2)；其中，RL代表充填料浆的屈服应力；RN代表充填料浆的黏度系数；f5(x1,x2)、f6(x1,x2)分别代表充填料浆的屈服应力和黏度系数的数学模型；高泥尾砂充填料浆配比优化模型为：MinCT＝Min[c1y1+c2y2+c3y3]R7d＝f1(x1,x2)≥[R7d]、R28d＝f2(x1,x2)≥[R28d]；V28d＝f3(x1，x2)≤[Vlim]、pH28d＝f4(x1,x2)≤[pH]；RL＝f5(x1,x2)≤[τ]、RN＝f6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法，其特征在于：包括步骤如下：/n(1)根据采矿技术条件、采矿方法、充填系统对胶结体强度、体积膨胀性以及浸出液pH值要求，开展不同胶砂比和浓度胶结体强度和料浆流变试验，建立并求解满足固废处置与充填法采矿要求的料浆优化模型；/n(2)利用LF精炼渣、脱硫石膏和高炉矿渣制备冶金渣基胶凝材料；/n(3)根据充填料浆优化配比，利用充填系统制备高泥尾砂充填料浆，采用充填管道输送到地下采空区进行固化处置，实现精炼渣协同高泥尾砂固化处置以及充填法采矿。/n

【技术特征摘要】
1.一种精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)根据采矿技术条件、采矿方法、充填系统对胶结体强度、体积膨胀性以及浸出液pH值要求，开展不同胶砂比和浓度胶结体强度和料浆流变试验，建立并求解满足固废处置与充填法采矿要求的料浆优化模型；
(2)利用LF精炼渣、脱硫石膏和高炉矿渣制备冶金渣基胶凝材料；
(3)根据充填料浆优化配比，利用充填系统制备高泥尾砂充填料浆，采用充填管道输送到地下采空区进行固化处置，实现精炼渣协同高泥尾砂固化处置以及充填法采矿。


2.根据权利要求1所述的精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法，其特征在于：所述步骤(2)中LF精炼渣为电弧炉精炼钢的还原期操作中所形成的副产物，其碱度系数M>2.5；冶金渣基胶凝材料粉磨后的粉体比表面积≥450m2/kg，含水率≤2％。


3.根据权利要求1所述的精炼渣协同高泥尾砂固化处置与全固废充填采矿法，其特征在于：所述步骤(1)中首先建立胶结体强度和体积膨胀率数学模型，然后建立胶结体浸出液pH的数学模型，再建立充填料浆流变参数的数学模型，最后建立高泥尾砂充填料浆配比优化模型；
其中，胶结体强度和体积膨胀率数学模型为：
R7d＝f1(x1,x2)、R28d＝f2(x1,x2)、V28d＝f3(x1,x2)；
其中，R7d、R28d、V28d分别代表胶结体7d强度、胶结体28d强度和体积膨胀率；x1代表高泥尾砂料浆的胶砂比，x2代表高泥尾砂料浆浓度；f1(x1,x2)、f2(x1,x2)和f3(x1,x2)分别代表高泥尾砂胶结体7d强度、胶结体28d强度和28d胶结体的体积膨胀率数学模型；
胶结体浸出液pH的数学模型为：
pH28d＝f4(x1,x2)，
其中，pH28d代表胶结体浸出液pH值，f4(x1,x2)代表胶结体浸出液pH值的数学模型；
充填料浆流变参数的数学模型为：
RL＝f5(x1,x2)、RN＝f6(x1,x2)；
其中，RL代表充填料浆的屈服应力；RN代表充填料浆的黏度系数；f5(x1,x2)、f6(x1,x2)分别代表充填料浆的屈服应力和黏度系数的数学模型；
高泥尾砂充填料浆配比优化模型为：
MinCT＝Min[c1y1+c2y2+c3y3]
R7d＝f1(x1,x2)≥[R7d]、R28d＝f2(x1,x2)≥[R28d]；
V28d＝f3(x1，x2)≤[Vlim]、pH28d＝f4(x1,x2)≤[pH]；
RL＝f5(x1,x2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖柏林，杨晓炳，温震江，郭斌，吴凡，高谦，杨航，胡亚军，李胜辉，陈彦亭，巴蕾，韦寒波，
申请(专利权)人：北京科技大学，河北钢铁集团矿业有限公司，矿冶科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11