一种金属冶炼废渣衍生材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种金属冶炼废渣衍生材料及其制备方法与应用，涉及金属冶炼废渣无害化处理技术领域。所述衍生材料的物相组成包括：碳酸钙晶须的含量不低于0.5%，所述晶须的长径比为200

【技术实现步骤摘要】
一种金属冶炼废渣衍生材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及冶炼废渣无害化处理
，具体涉及一种金属冶炼废渣衍生材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着水泥、钢铁工业的发展，日益突出的能源、资源和环境问题已成为制约我国水泥、钢铁行业健康、可持续发展的关键因素。水泥行业的绿色、可持续发展面临着巨大的环境压力，矿物掺合料和混合材的高效利用可以降低普通硅酸盐水泥用量，同时还可降低混凝土的生产成本。随着矿渣和粉煤灰等优质矿物掺合料的资源短缺，急需开发更广泛的优质矿物掺合料。
[0003]钢铁冶炼废渣（以下简称钢渣）是粗钢冶炼过程中产生的废渣，约占粗钢产量的15％左右，但我国钢渣利用率低（＜30％），大量的钢渣堆存对土壤、环境、水资源等造成了极大的污染。钢渣中的矿物主要包括C2S、铁铝钙及镁铁相固溶体、C3S，f
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CaO、f
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MgO等，与水泥的化学成分和矿物成分相似，具有一定的水化活性。但钢渣的水化活性低，尤其其中较多的f
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CaO和f
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MgO造成体积安定性不良，在混凝土或者砂浆中直接使用时，会与氧、二氧化碳以及水发生反应，反应生成的产物体积膨胀，硬化后的混凝土或者砂浆因局部体积膨胀产生暴裂而导致结构破坏甚至失效，严重的会带来建筑或者路桥崩塌事故，从而严重限制了钢渣作为矿物掺和料在建筑材料中的应用。其他金属冶炼废渣（如铜矿、铅锌矿、钨矿、锑矿等）也存在同样的情况。
[0004]将金属冶炼废渣粉磨成微粉可在一定程度上改善体积安定性和水化活性，但粉磨成本较高、且改善效果差。应用于混凝土、砂浆、预制件中时，水化反应时间明显延长（即缓凝）导致施工成型效率降低，特别是氧、镁的氧化物在后续与空气和水接触时，深度碳酸化过程引起成型部位强度降低、防护层减薄加速钢筋生锈失效，更危险的是会发生4~7倍的体积膨胀而导致结构爆裂破坏。同时水泥钢铁、行业排放的二氧化碳占总工业碳排放的比重较大，减少水泥、钢铁行业的碳排放对全国实现碳达峰、碳中和的目标至关重要。
[0005]中国专利公开号CN 113072311A提出来一种用二氧化碳处理钢渣提高钢渣胶凝性的方法。该专利技术中在粉磨钢渣的过程中通入二氧化碳，粉磨完毕后继续通入二氧化碳处理，耗时长，且未提出优化钢渣体积安定性和水化活性的方案，无法大规模应用。在此基础上，中国专利CN 113979653A公开了一种钢渣胶凝材料及制备方法和应用，添加液体外加剂和晶型控制剂形成纳米碳酸钙，以提高钢渣的水化活性和在胶凝材料中的体积安定性，但是还是存在水化活性不高且凝结时间长、钢渣粉不安定组分偏多或分布不均匀、硬化实体韧性需要提升以及CO2的吸收速度慢且吸收量较低等缺陷，应用价值不高。因此，现有技术中钢渣常规改性粉只能少量（比如每立方混凝土通常添加量低于50公斤）、低价值（28天活性指数通常低于80%，与二级三级粉煤灰相当甚至略差）地应用于普通建筑建材行业。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的金属冶炼废渣水化活性低、体积安定性弱的缺陷，本专利技术通过高效廉价地消减金属冶炼废渣中所含不利于安全和稳定的氧化钙、氧化镁，以及阻碍高强高韧应用的氢氧化钙、氢氧化镁等有害成分，从而提供一种金属冶炼废渣衍生材料。
[0007]针对现有技术中钢铁冶炼废渣处理费时、所得衍生材料体积安定性和水化活性差的缺陷，本专利技术通过二氧化碳水蒸气氛围，利用助剂辅助，采用机械化学与绿色闭环化学链反应结合的调控方法，使用络合助剂形成成核中心，结合硅酸盐晶种，对钢铁冶炼废渣进行无害化处理，改造为水化胶结性能优异的活性超微粉，从而提供了一种金属冶炼废渣衍生材料的制备方法。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种金属冶炼废渣衍生材料，所述衍生材料的物相组成包括：碳酸钙晶须的含量不低于0.5wt%、碳酸镁晶须含量不低于0.2wt%，所述晶须的长度为0.1~5μm，长径比为200
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15000。
[0009]优选地，所述金属冶炼废渣包括钢铁冶炼废渣（闷罐渣）、铜矿冶炼废渣、锑矿冶炼废渣（水淬渣、水冷渣）、钨矿冶炼废渣（闷罐渣）或铅锌冶炼废渣中的任意一种。这些冶炼废渣中富含游离金属氧化物，遇水反应为氢氧化物导致体积膨胀，硅元素、钙元素、碳酸根含量偏低。
[0010]优选地，所述衍生材料还包括：含络合助剂的硅酸盐晶种胶体。
[0011]优选地，所述含络合助剂的硅酸盐晶种胶体中的络合助剂为醇酸溶液，所述醇酸溶液中醇为聚合多元醇，所述醇酸溶液中酸为羧酸。聚合多元醇是多元醇及聚合多元醇、聚合醇胺等多种有机物的液体混合物。主要成分包括：二乙二醇、丙三醇、二聚丙三醇、三聚丙三醇、三乙醇胺（TEA）、脂肪酸钠和水。进一步地，所述聚合多元醇分子量10000~100000、浓度为1~10wt%。醇酸溶液中羧酸的含量为0.5~5wt%。
[0012]优选地，所述羧酸包括甲酸、乙酸中的任意一种。优选为甲酸。羧酸（尤其是甲酸）与钙的配位能力强，胶体高度分散，有助于分散。
[0013]该衍生材料中含有长径比为200
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15000的碳酸钙与碳酸镁晶须，由于水泥水化过程会形成碳酸钙、碳酸镁，衍生材料中形成的碳酸钙与碳酸镁晶须为一维线状材料，能暴露出更多的钙元素、镁元素，与水泥接触位点更丰富，因此较现有技术中的无机填料（或碳酸钙纳米颗粒）相容性更好，且具有较好的抗折性能和较高的弹性模量，晶须为水泥的水化过程提供一个模板，硅酸钙盐可沿该模板延伸，获得较好的韧性，从而形成富含原位分散的高强度、高韧性二维结构矿物复合体系。因此，该衍生材料是一种水化胶结性能优异、具有较高硬度性能的活性超微粉。
[0014]一种上述的金属冶炼废渣衍生材料的制备方法，包括如下步骤：S1、预破碎：将金属冶炼废渣破碎，破碎过程中加入含络合助剂的硅酸盐晶种胶体，得粒径小于3mm的金属冶炼废渣颗粒；S2、球磨和CO2同步矿化：步骤S1所得金属冶炼废渣颗粒导入球磨机，加入反应链接剂与镁盐结构调控助剂，进行第一次混磨至比表面积为350
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550 m2/kg；再通入CO2，继续混磨，得到金属冶炼废渣
衍生材料。
[0015]球磨的过程借助机械摩擦热、酸碱中和反应热、碳酸化反应热即可实现持续的碳酸盐晶体生成与CO2的矿化固定，无需另外的加热能耗，也不需要除开冶炼厂废气之外的其它物质消耗，即可制备出安定性优异、活性提升明显、硬度与韧性优良的钢铁冶炼废渣衍生资源化环保材料。该机械化学与绿色闭环化学链物理化学过程中，在结构调控助剂辅助下，将金属冶炼废渣颗粒中的氧化钙、氧化镁、氢氧化钙、氢氧化镁高效地转化为碳酸盐晶须，特别是原位生成碳酸钙晶须，使闷罐废渣磨细粉成为富含高强度、高韧性二维结构的微纳矿物复合体系。彻底消除氧化钙、氧化镁成分水化体积膨胀导致的不安定性；包含甲酸的醇酸液可充分分散并络合来自钢渣、钙、镁补充剂中的钙、镁等元素，联合球磨分散的硅酸钙盐晶种均匀地分布于金属冶炼废渣颗粒中，应用于水泥基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属冶炼废渣衍生材料，其特征在于，所述衍生材料的物相组成包括：碳酸钙晶须的含量不低于0.5wt%、碳酸镁晶须含量不低于0.2wt%，所述晶须的长径比为200
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15000。2.根据权利要求1所述的一种金属冶炼废渣衍生材料，其特征在于，所述金属冶炼废渣包括钢铁冶炼废渣、铜矿冶炼废渣、钨矿冶炼废渣、锑矿冶炼废渣或铅锌冶炼废渣中的任意一种。3.根据权利要求1所述的一种金属冶炼废渣衍生材料，其特征在于，还包括：含络合助剂的硅酸盐晶种胶体。4.根据权利要求3所述的一种金属冶炼废渣衍生材料，其特征在于，所述含络合助剂的硅酸盐晶种胶体中的络合助剂为醇酸溶液，所述醇酸溶液中醇为聚合多元醇，所述醇酸溶液中酸为羧酸。5.根据权利要求4所述的一种金属冶炼废渣衍生材料，其特征在于，所述羧酸包括甲酸、乙酸中的任意一种。6.权利要求1或2任一项所述的一种金属冶炼废渣衍生材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、预破碎：将金属冶炼废渣破碎，破碎过程中加入含络合助剂的硅酸盐晶种胶体，得粒径小于3mm的金属冶炼废渣颗粒；S2、球磨和CO2同步矿化：步骤S1所得金属冶炼废渣颗粒导入球磨机，加入反应链接剂与镁盐结构调控助剂，进行第一次混磨至比表面积为350
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550 m2/kg；再通入CO2，继续混磨，得到金属冶炼废渣衍生材料。7.根据权利要求6所述的一种金属冶炼废渣衍生材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述含络合助剂的硅酸盐晶种胶体与金属冶炼废渣的重量比为0.5
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5%；所述含络合助剂的硅酸盐晶种胶体中的络合助剂为醇酸溶液，所述醇酸溶液中醇为聚合多元醇，所述醇酸溶液中酸为羧酸；所述羧酸包括甲酸、乙酸中的任意一种。8.根据权利要求6所述的一种金属冶炼废渣衍生材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴振军，解修强，瞿双林，张晓兵，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：