【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及礦場
充填技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種鋼渣協(xié)同制備全
固廢膠凝材料及多目標(biāo)優(yōu)化方法。
背景技術(shù):
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展以及資源持續(xù)開發(fā),礦石品位高和
采礦技術(shù)條件好的資源日趨枯竭,將面臨埋藏深、地壓大、地下水豐富難采礦體開采,因此充填采礦法是首要選擇。采用水泥膠凝材料的超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度極低,充填料漿管輸阻力較大,因此不得不增加膠砂比和降低料漿濃度來滿足充填采礦設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填法采礦成本居高不下,從而降低充填采礦經(jīng)濟(jì)效益,阻礙尾砂充填采礦技術(shù)的推廣應(yīng)用。
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展以及資源持續(xù)開發(fā),礦石品位高和采礦技術(shù)條件好的資源日趨枯竭,將面臨埋藏深、地壓大、地下水豐富難采礦體開采,因此充填采礦法是首要選擇。采用水泥膠凝材料的超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度極低,充填料漿管輸阻力較大,因此不得不增加膠砂比和降低料漿濃度來滿足充填采礦設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填法采礦成本居高不下,從而降低充填采礦經(jīng)濟(jì)效益,阻礙尾砂充填采礦技術(shù)的推廣應(yīng)用。
高爐水淬礦渣活性高、易磨且無不安定性問題,是水泥和混凝土良好摻合料,得到越來越廣泛應(yīng)用。近年來,隨著我國環(huán)保日趨嚴(yán)格,對(duì)水泥和鋼鐵企業(yè)限產(chǎn),導(dǎo)致水泥價(jià)格攀升,高爐礦渣也成緊缺資源,致使成本逐年提高。加之激發(fā)劑和外加劑以及遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)扔绊懀缘V渣為主料的新型膠凝材料與水泥相比已無價(jià)格優(yōu)勢(shì),而且還存在礦渣資源還供銷矛盾。
為了開發(fā)低成本膠凝材料,中國發(fā)明專利cn104446296a公開了全工業(yè)固體廢棄物配制充填材料及制備方法,以粉煤灰為主、添加膨脹劑制備無骨料充填料。這種充填料不僅導(dǎo)致粉煤灰資源粗放利用,而且金屬礦山選礦尾砂得不到回填處理,在地表堆放還面臨安全環(huán)保問題。中國發(fā)明專利cn104086216a公開了利用多元固體廢棄物生態(tài)充填材料及其制備與應(yīng)用方法,以赤泥、建筑垃圾和煤矸石為主,添加膨脹劑、鋁粉、引氣劑、減水劑、纖維素醚和穩(wěn)泡劑等多種外加劑制備的充填材料,不僅增大充填材料成本,而且還造成生產(chǎn)工藝復(fù)雜。尤其建筑垃圾和煤矸石在金屬礦山面臨來源、運(yùn)輸以及尾砂得不到利用問題,難以用于金屬礦山。中國發(fā)明專利cn106565187b公開了用于特細(xì)全尾砂的一種低成本充填膠凝材料、制作工藝及使用方法,其充填膠凝材料由79%-80%礦渣、2%-6%石灰、14%-18%石膏、0.1%-0.2%火堿、0.1%-0.2%硅酸鈉和0.1%-0.3%的硫酸鈉制備而成。cn103145354a公開了一種無熟料復(fù)合型尾砂固結(jié)劑及其制備方法和應(yīng)用,其固結(jié)劑由55%-72%礦渣、20%-35%脫硫灰渣和2%-15%激發(fā)劑制備。這兩種膠凝材料可利用部分低品質(zhì)脫硫副產(chǎn)品和選礦尾砂,但仍以高爐礦渣為主,其材料成本與膠固粉和全砂土固結(jié)劑差別不大。
鋼渣是煉鋼排放的固廢物,其活性低、硬度大、粉磨成本高以及含有的游離氧化鈣存在體積膨脹和穩(wěn)定性問題,導(dǎo)致鋼渣利用率僅為22%。工業(yè)副產(chǎn)石膏是工業(yè)化生產(chǎn)衍生的副產(chǎn)廢渣,主要有脫硫石膏、脫硫灰渣、氟石膏、磷石膏等。目前利用率為40%~50%,大多為粗放利用,不僅技術(shù)含量低,而且附加值低。尤其半干法脫硫副產(chǎn)脫硫灰渣,由于含有亞硫酸鈣不穩(wěn)定礦物成分,導(dǎo)致資源化利用難度更大,目前除了少量用于水泥摻合料外,大部分堆放處理。由此可見,鋼渣和工業(yè)副產(chǎn)石膏廢渣是目前難以利用的低品質(zhì)固廢資源。開拓該類固廢資源的規(guī)?;透吒郊又道靡芽滩蝗菥?。
因此,有必要研究一種鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料及多目標(biāo)優(yōu)化方法來應(yīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,以解決或減輕上述一個(gè)或多個(gè)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于此,本發(fā)明提供了一種鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料及多目標(biāo)優(yōu)化方法,制備的全固廢膠凝材料不僅滿足充填法采礦要求,而且還將鋼渣和工業(yè)副產(chǎn)石膏低品質(zhì)固廢,在充填采礦中實(shí)現(xiàn)規(guī)?;透吒郊又蒂Y源化利用,從而降低尾砂充填采礦成本,提高充填采礦的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
一方面,本發(fā)明提供一種鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,采用鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏和礦渣制備全固廢膠凝材料,并以礦山超細(xì)全尾砂為骨料制備充填體;
以充填體強(qiáng)度性價(jià)比、充填材料成本以及礦渣利用率為優(yōu)化目標(biāo),以充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立多目標(biāo)優(yōu)化模型;根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化模型獲得全固廢膠凝材料中各組分的最優(yōu)配比。
如上所述的方面和任一可能的實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)一步提供一種實(shí)現(xiàn)方式,所述方法的具體步驟包括:
s1、對(duì)鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、礦渣和礦山超細(xì)全尾砂進(jìn)行分析和處理;
s2、對(duì)全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體進(jìn)行強(qiáng)度和膨脹率測(cè)試,獲得膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率的測(cè)試結(jié)果;
s3、建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型;
s4、求解全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型,獲得全固廢膠凝材料的最優(yōu)配比。
如上所述的方面和任一可能的實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)一步提供一種實(shí)現(xiàn)方式,s1的具體內(nèi)容包括:對(duì)鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、礦渣和礦山超細(xì)全尾砂進(jìn)行干燥和粉磨,并分別進(jìn)行粒徑分析和分布特征值計(jì)算。
如上所述的方面和任一可能的實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)一步提供一種實(shí)現(xiàn)方式,s2具體為按照水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法b/t17671-1999對(duì)膠結(jié)充填體進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和體積膨脹率測(cè)試,獲得膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率的測(cè)試結(jié)果。
如上所述的方面和任一可能的實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)一步提供一種實(shí)現(xiàn)方式,s3具體為:以充填體強(qiáng)度性價(jià)比最高、充填材料成本最低以及礦渣利用率最低為優(yōu)化目標(biāo),以充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型。
如上所述的方面和任一可能的實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)一步提供一種實(shí)現(xiàn)方式,s3的具體步驟包括:
s31、根據(jù)s2的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析,建立膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率回歸函數(shù);
s32、根據(jù)鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、礦渣和礦山超細(xì)全尾砂的成本建立全固廢膠凝材料成本函數(shù);
s33、根據(jù)膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率的測(cè)試結(jié)果和回歸函數(shù),建立全固廢膠凝材料礦渣利用率函數(shù);
s34、根據(jù)膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率回歸函數(shù)和全固廢膠凝材料成本函數(shù)建立全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度函數(shù);
s35、根據(jù)s1~s4建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型。
如上所述的方面和任一可能的實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)一步提供一種實(shí)現(xiàn)方式,所述全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型具體為:
優(yōu)化目標(biāo):max[(p28d+λp7d)-(ct+kz)]=max[(f7+λf6)-(f4+ηf5)];
約束條件:r7d=f1(x)≥[r7d]、r28d=f2(x)≥[r28d]、v28d=f3(x)≤[v28d];
其中,λ代表充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比權(quán)值,η代表礦渣利用率權(quán)值,[r7d]和[r28d]分別為7d和28d時(shí)膠結(jié)充填體的目標(biāo)強(qiáng)度,[v28d]為28d時(shí)膠結(jié)充填體的體積膨脹率許可值,r7d、r28d分別代表膠結(jié)充填體7d和28d時(shí)的強(qiáng)度;v28d代表充填體28d的膨脹率;x代表全固廢膠凝材料激發(fā)劑自變量;f1(x)、f2(x)分別代表膠結(jié)充填體7d、28d強(qiáng)度函數(shù);f3(x)代表充填體28d體積膨脹率函數(shù);ct代表全固廢膠凝材料成本,f4代表全固廢膠凝材料成本函數(shù);kz代表礦渣利用率,f5代表礦渣利用率函數(shù);p7d、p28d分別代表膠結(jié)充填體7d和28d強(qiáng)度性價(jià)比,f6、f7分別代表膠結(jié)充填體7d、28d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)。
如上所述的方面和任一可能的實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)一步提供一種實(shí)現(xiàn)方式,所述鋼渣為堿度鋼渣。
如上所述的方面和任一可能的實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)一步提供一種實(shí)現(xiàn)方式,所述工業(yè)副產(chǎn)石膏為脫硫石膏、氟石膏、脫硫灰渣和磷石膏中的一種或多種。
另一方面,本發(fā)明提供一種鋼渣協(xié)同制備的全固廢膠凝材料,其特征在于,采用如上任一所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行制備;所述全固廢膠凝材料包括鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏和礦渣;所述鋼渣的質(zhì)量占比為30%~35%,所述工業(yè)副產(chǎn)石膏8%~24%,所述礦渣的質(zhì)量占比為41%~62%。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明可以獲得包括以下技術(shù)效果:該優(yōu)化方法以膠結(jié)充填體強(qiáng)度性價(jià)比、充填膠凝材料成本和礦渣利用率為優(yōu)化目標(biāo),以充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立多目標(biāo)優(yōu)化模型優(yōu)化決策,由此制備出低成本和高性能全固廢膠凝材料。
當(dāng)然,實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有技術(shù)效果。
【附圖說明】
為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的鋼渣協(xié)同制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法的流程圖;
圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的鋼渣微粉粒徑分布曲線圖;
圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的礦渣微粉粒徑分布曲線圖;
圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的脫硫石膏粒徑分布曲線圖;
圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的超細(xì)全尾砂粒徑分布曲線圖;
圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的氟石膏粒徑分布曲線圖;
圖7是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的脫硫灰渣粒徑分布曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案,下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
應(yīng)當(dāng)明確,所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
在本發(fā)明實(shí)施例中使用的術(shù)語是僅僅出于描述特定實(shí)施例的目的,而非旨在限制本發(fā)明。在本發(fā)明實(shí)施例和所附權(quán)利要求書中所使用的單數(shù)形式的“一種”、“所述”和“該”也旨在包括多數(shù)形式,除非上下文清楚地表示其他含義。
礦山用的充填材料由3部分組成:膠凝材料、骨料和水。本發(fā)明,膠凝材料是鋼渣、礦渣及工業(yè)副產(chǎn)石膏材料制備的全固廢膠凝材料。骨料是超細(xì)全尾砂。
本發(fā)明以開拓鋼渣和工業(yè)副產(chǎn)石膏低品質(zhì)固廢資源化利用途徑為目的,針對(duì)金屬礦山超細(xì)全尾砂充填料,公開了利用鋼渣協(xié)同制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,利用鋼渣協(xié)同工業(yè)副產(chǎn)石膏,發(fā)明了全固廢膠凝材料的優(yōu)化方法。該方法是利用鋼渣和工業(yè)副產(chǎn)石膏制備復(fù)合激發(fā)劑,對(duì)高爐礦渣進(jìn)行激發(fā)發(fā)生水硬化反應(yīng),由此制備的膠凝材料,不僅滿足充填法采礦對(duì)膠結(jié)體強(qiáng)度和體積膨脹性要求,而且充填材料成本最低,強(qiáng)度性價(jià)比最高;尤其全固廢充填膠凝材料的高品質(zhì)礦渣添加量最低,由此增大鋼渣和工業(yè)副產(chǎn)石膏低品質(zhì)固廢資源利用率。
鋼渣協(xié)同制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料優(yōu)化方法,如圖1所示,具體包括步驟如下:
1、進(jìn)行全固廢膠凝物料和超細(xì)全尾砂的分析與處理:
(1)對(duì)鋼渣、礦渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏等固體廢棄物料以及超細(xì)全尾砂進(jìn)行干燥和粉磨,然后進(jìn)行不同固體廢棄物料的粒徑分析和分布特征值計(jì)算;
對(duì)鋼渣、礦渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏固廢以及選礦超細(xì)全尾砂物料進(jìn)行干燥和粉磨成比表面積分別為≥450m2/kg、420m2/kg、300m2/kg和含水率分別<3%、3%和8%的粉體,然后進(jìn)行粒徑分析和分布特征值計(jì)算;選礦超細(xì)全尾砂中200目的細(xì)顆粒含量≤85%,含水率≤8%。
2、進(jìn)行全固廢膠凝材料充填體強(qiáng)度和膨脹率測(cè)試:
(2)根據(jù)步驟(1)的固體廢棄物料和超細(xì)全尾砂,進(jìn)行膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì);
(3)根據(jù)步驟(2)進(jìn)行試驗(yàn)物料配比計(jì)量和充填料漿制備,按照水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法b/t17671-1999,開展膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)和體積膨脹率測(cè)試,獲得膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率的測(cè)試結(jié)果;
3、采用回歸分析方法建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù):
(4)根據(jù)步驟(3)采用二次多項(xiàng)式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析,建立膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率回歸模型r7d=f1(x)、r28d=f2(x)、v28d=f3(x);其中,r7d、r28d分別代表膠結(jié)充填體7d和28d時(shí)的強(qiáng)度;v28d代表充填體28d時(shí)的膨脹率;x={x1,x2,x3}代表全固廢膠凝材料激發(fā)劑自變量,其中,x1代表鋼渣摻量,x2代表工業(yè)副產(chǎn)石膏摻量,x3代表礦渣摻量;f1(x)、f2(x)分別代表膠結(jié)充填體7d、28d強(qiáng)度模型;f3(x)代表充填體28d膨脹率模型;
(5)根據(jù)步驟(1)和(2)的鋼渣、礦渣和工業(yè)副產(chǎn)石膏固廢物料成本以及試驗(yàn)方案,計(jì)算每一試驗(yàn)方案的全固廢膠凝材料成本,建立全固廢膠凝材料成本模型ct=f4(x);其中,ct代表全固廢膠凝材料成本,f4(x)代表全固廢膠凝材料成本模型;
(6)根據(jù)步驟(3)和(4),建立全固廢膠凝材料礦渣利用率(占膠凝材料的百分比)模型kz=f5(x);其中,kz代表礦渣利用率,f5(y)代表礦渣利用率模型,y={x1,x2,r7d,r28d}代表礦渣利用率模型自變量矢量;
(7)根據(jù)步驟(4)-(6),建立全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度性價(jià)比模型p7d=f6(x)、p28d=f7(x);其中,p7d、p28d分別代表膠結(jié)充填體7d和28d強(qiáng)度性價(jià)比(材料成本與強(qiáng)度之比),f6(x)、f7(x)分別代表膠結(jié)充填體7d、28d強(qiáng)度性價(jià)比模型;
(8)根據(jù)礦山采礦技術(shù)條件、充填采礦方法和回采工藝,借助工程經(jīng)驗(yàn)和充填采礦設(shè)計(jì),確定膠結(jié)充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度[r7d]、[r28d],充填體膨脹率許可值[v28d];
4、建立鋼渣協(xié)同工業(yè)副產(chǎn)石膏制備全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型:
(9)根據(jù)步驟(6)-(8)的各個(gè)函數(shù)模型,以充填體強(qiáng)度性價(jià)比(最高)、充填材料成本(最低)以及礦渣利用率(最低)為優(yōu)化目標(biāo),以充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型如下:
優(yōu)化目標(biāo):max[(p28d+λp7d)-(ct+kz)]=max[(f7+λf6)-(f4+ηf5)](1)
約束條件:r7d=f1(x)≥[r7d]、r28d=f2(x)≥[r28d]、v28d=f3(x)≤[v28d](2)
其中,λ代表充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比權(quán)值,η代表礦渣利用率權(quán)值;這兩個(gè)權(quán)值根據(jù)具體礦山對(duì)于充填體7d、28d強(qiáng)度的要求獲得。
5、求解鋼渣協(xié)同工業(yè)副產(chǎn)石膏制備全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型:
(10)對(duì)步驟(9)中的全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解,獲得超細(xì)全尾砂的全固廢膠凝材料,其充填體強(qiáng)度和體積膨脹率滿足充填礦山安全采礦要求,其膠結(jié)充填體強(qiáng)度性價(jià)比最高,全固廢膠凝材料成本最低,同時(shí)高品質(zhì)礦渣利用率最低,從而實(shí)現(xiàn)低品質(zhì)固廢在充填采礦中資源化利用的最大化。
實(shí)施例1:
鋼渣協(xié)同脫硫石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,包括以下步驟:
步驟1、全固廢膠凝材料試驗(yàn)物料分析與處理
對(duì)鋼渣協(xié)同工業(yè)副產(chǎn)石膏制備全固廢膠凝材料的固廢物料和超細(xì)全尾砂充填骨料進(jìn)行干燥、篩分、粉磨處理,并進(jìn)行物料的粒徑分析與特征值計(jì)算。
(1)鋼渣微粉粒徑分布曲線見圖2。由此獲得鋼渣微粉平均粒徑dav=28.84μm,d10=4.02μm,d30=10.41μm,d50=20.09μm,d60=25.66μm,d90=58.76μm;其中,d10表示小于平均粒徑的顆粒占總顆粒數(shù)的10%,d30、d50、d60、d90含義與d10類似;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=6.38,曲率系數(shù)cc=d320/d60·d10=1.05;鋼渣微粉細(xì)度18%。鋼渣礦物成分見表1,由此計(jì)算出鋼渣的堿度系數(shù)m=cao/(sio2+p2o5)=2.18>1.8,屬于中度堿度鋼渣。1.8為常數(shù)堿度系數(shù),是評(píng)價(jià)鋼渣堿性的指標(biāo)。
表1:鋼渣礦物成分分析結(jié)果
(2)礦渣微粉粒徑分布曲線見圖3,由此技術(shù)渣粉平均粒徑dav=22.98μm,d10=2.81μm,d30=7.72μm,d50=14.68μm,d60=19.82μm,d90=47.95μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=7.05,曲率系數(shù)細(xì)度為11.41%。礦渣礦物成分分析結(jié)果見表2,堿度系數(shù)m0=(cao+mgo)/(sio2+al2o3)=1.14>1屬于堿性礦渣,堿度系數(shù)是礦渣中堿性物質(zhì)與酸性物質(zhì)的比例,1表示堿性物質(zhì)與酸性物質(zhì)相等,堿度系數(shù)大于1表示礦渣中堿性物質(zhì)多于酸性物質(zhì)。礦渣質(zhì)量系數(shù)屬于高質(zhì)量礦渣;1.8是用于評(píng)價(jià)礦渣質(zhì)量的常數(shù),礦渣質(zhì)量系數(shù)大于1.8時(shí)表示礦渣質(zhì)量高。礦渣活性指數(shù)屬于活性高的礦渣;0.3是用來評(píng)價(jià)礦渣活性的常數(shù),活性指數(shù)大于0.3說明礦渣活性高。
表2:礦渣化學(xué)成分分析結(jié)果
(3)脫硫石膏粒徑分布曲線見圖4,獲得脫硫石膏平均粒徑dav=47.5μm,d10=19.41μm,d30=28.94μm,d50=38.02μm,d60=44.11μm,d90=73.86μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)細(xì)度為38%。脫硫石膏化學(xué)成分分析結(jié)果見表3,so3為50.2%,質(zhì)量較好。
表3:脫硫石膏礦物成分分析結(jié)果
(4)超細(xì)全尾砂粒徑分布曲線見圖5,尾砂+200目細(xì)顆粒含量84.6%,尾砂平均粒徑dav=50.29μm,d10=5.66μm,d30=21.68μm,d50=38.14μm,d60=48.29μm,d90=97.93μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)
步驟2、進(jìn)行全固廢膠凝材料充填體強(qiáng)度和膨脹率測(cè)試
針對(duì)步驟1所述的鋼渣微粉、脫硫石膏、礦渣微粉固廢物料以及超細(xì)全尾砂充填骨料,采用膠砂比1:4、料漿濃度65%,進(jìn)行膠結(jié)充填體試塊制備,并在溫度22±1℃和濕度為大于95%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7d和28d后,進(jìn)行充填體單軸抗壓強(qiáng)度和體積膨脹率測(cè)試,由此獲得試驗(yàn)結(jié)果見表4。
步驟3、建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和約束函數(shù)
根據(jù)步驟2所述的鋼渣協(xié)同脫硫石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的試驗(yàn)結(jié)果,采用二次多項(xiàng)式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析,由此建立膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型。
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p7d=-0.228+0.114x2-0.00128x2x2-0.00116x1x2(1)
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體28d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p28d=0.650-0.0126x1+0.126x2-0.00152x2x2-0.00144x1x2(2)
其中,x1為鋼渣微粉,%;x2為脫硫石膏,%。
表4:鋼渣協(xié)同脫硫石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
通過回歸分析建立礦渣利用率函數(shù)如下:
kz=83.0-0.880x1-0.508x1r7d+0.247x1r28d(3)
根據(jù)鋼渣微粉到礦價(jià)168元/噸,礦渣微粉到礦價(jià)328元/噸,脫硫石膏到礦價(jià)117元/噸,42.5水泥到礦價(jià)400元/噸的物料成本,建立充填膠凝材料成本函數(shù)如下:
ct=326.4-1.57x1-1.98x2-0.00216x2x2-0.00152x1x2(4)
建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度函數(shù)如下:
r7d=-0.554+0.294x2-0.00369x2x2-0.00311x1x2(5)
建立充填體28d強(qiáng)度回歸函數(shù)如下:
r28d=6.72-0.266x1+0.255x2+0.00276x1x1-0.00371x2x2-0.00264x1x2(6)
建立膠結(jié)充填體28d體積膨脹率回歸函數(shù)如下:
v28d=-20.23+1.13x1-1.08x2-0.019x1x1+0.0047x2x2+0.021x1x2(7)
步驟4、建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型
根據(jù)步驟3所述的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù),以充填體強(qiáng)度性價(jià)比最大、充填材料成本和礦渣資源利用率最低為優(yōu)化目標(biāo),以膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型如下:
多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù):max(p28d+λp7d)-kz-ct
=(0.650-0.0126x1+0.126x2-0.00152x2x2-0.00144x1x2)+0.5(-0.228+0.114x2-0.00128x2x2-0.00116x1x2)-83.0-0.880x1-0.508x1r7d+0.247x1r28d)-(326.4-1.57x1-1.98x2-0.00216x2x2-0.00152x1x2)(8)
(2)膠結(jié)充填體強(qiáng)度約束條件
r7d≥[r7d]=-0.554+0.294x2-0.00369x2x2-0.00311x1x2≥1.0mpa(9)
r28d≥[r28d]=6.72-0.266x1+0.255x2+0.00276x1x1-0.00371x2x2-0.00264x1x2≥2.5mpa(10)
(3)充填體膨脹率約束條件
v28d≤[v28d]=-20.23+1.13x1-1.08x2-0.019x1x1+0.0047x2x2+0.021x1x2≤5%(11)
步驟5、求解全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型
求解步驟4所述的全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型,獲得膠凝材料的最優(yōu)配比為鋼渣微粉35%、脫硫石膏24%、礦渣微粉41%。充填體7d強(qiáng)度r7d=1.85mpa、28d強(qiáng)度r28d=2.87mpa;全固廢充填材料成本221元/t,充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比p7d=0.965×10-2mpa/元、28d強(qiáng)度性價(jià)比p28d=1.326×10-2mpa/元。與p.o42.5水泥400元/t的價(jià)格相比,全固廢膠凝材料成本降低45%。
實(shí)施例2:
鋼渣協(xié)同氟石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,包括以下步驟:
步驟1、全固廢膠凝材料試驗(yàn)物料分析與處理
對(duì)鋼渣協(xié)同工業(yè)副產(chǎn)石膏制備全固廢膠凝材料的固廢物料和超細(xì)全尾砂充填骨料進(jìn)行干燥、篩分、粉磨處理,并進(jìn)行物料的粒徑分析與特征值計(jì)算。
(1)鋼渣微粉粒徑分布曲線見圖2。由此獲得鋼渣微粉平均粒徑dav=28.84μm,d10=4.02μm,d30=10.41μm,d50=20.09μm,d60=25.66μm,d90=58.76μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=6.38,曲率系數(shù)鋼渣微粉細(xì)度18%。鋼渣礦物成分見表1,由此技術(shù)出鋼渣的堿度系數(shù)m=cao/(sio2+p2o5)=2.18>1.8,屬于中度堿度鋼渣。
(2)礦渣微粉粒徑分布曲線見圖3,由此技術(shù)渣粉平均粒徑dav=22.98μm,d10=2.81μm,d30=7.72μm,d50=14.68μm,d60=19.82μm,d90=47.95μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=7.05,曲率系數(shù)細(xì)度為11.41%。礦渣礦物成分分析結(jié)果見表2,堿度系數(shù)m0=(cao+mgo)/(sio2+al2o3)=1.14>1屬于堿性礦渣。礦渣質(zhì)量系數(shù)屬于高質(zhì)量礦渣。礦渣活性指數(shù)ma=(al2o3/sio2)=0.46>0.30,屬于活性高的礦渣。
(3)氟石膏粒徑分布曲線見圖6,由此獲得氟石膏平均粒徑dav=44.92μm,d10=2.28μm,d30=18.92μm,d50=36.23μm,d60=43.01μm,d90=72.86μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)氟石膏的細(xì)度36.8%。氟石膏的礦物成分分析結(jié)果見表5。
表5:氟石膏礦物成分分析結(jié)果
(4)超細(xì)全尾砂粒徑分布曲線見圖5,尾砂+200目細(xì)顆粒含量84.6%,尾砂平均粒徑dav=50.29μm,d10=5.66μm,d30=21.68μm,d50=38.14μm,d60=48.29μm,d90=97.93μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)
步驟2、進(jìn)行全固廢膠凝材料充填體強(qiáng)度和膨脹率測(cè)試
針對(duì)步驟1所述的鋼渣微粉、氟石膏、礦渣微粉固廢物料以及超細(xì)全尾砂充填骨料,采用膠砂比1:4、料漿濃度65%,進(jìn)行膠結(jié)充填體試塊制備,并在溫度22±1℃和濕度為大于95%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7d和28d后,進(jìn)行充填體單軸抗壓強(qiáng)度和體積膨脹率測(cè)試,由此獲得試驗(yàn)結(jié)果見表6。
表6:鋼渣協(xié)同氟石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
3、建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和約束函數(shù)
根據(jù)步驟2所述的鋼渣協(xié)同氟石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料試驗(yàn)結(jié)果,采用二次多項(xiàng)式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析,建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型。
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p7d=-3.43+0.457x2+0.00140x1x1-0.00609x2x2-0.00599x1x2(12)
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體28d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p28d=-2.33+0.0384x1+0.371x2-0.00643x2x2-0.00351x1x2(13)
其中,x1為鋼渣微粉,%;x2為氟石膏,%。
通過回歸分析建立礦渣利用率函數(shù)如下:
kz=49.79-0.0334x1x1-4.04r7dr7d+0.453x1r28d(14)
根據(jù)鋼渣微粉到礦價(jià)168元/噸,礦渣微粉到礦價(jià)328元/噸,氟石膏到礦價(jià)110元/噸。建立全固廢充填膠凝材料成本函數(shù)如下:
ct=301.37-2.26x2-0.0244x1x1(15)
建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度函數(shù)如下:
r7d=-7.80+1.08x2+0.00342x1x1-0.0138x2x2-0.0152x1x2(16)
建立充填體28d強(qiáng)度回歸函數(shù)如下:
r28d=-1.08+0.613x2-0.00114x1x1-0.0164x2x2(17)
建立膠結(jié)充填體28d體積膨脹率回歸函數(shù)如下:
v28d=-23.33+0.454x1+0.836x2-0.0279x1x2(18)
步驟4、建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型
根據(jù)步驟3所述的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù),以充填體強(qiáng)度性價(jià)比最大、充填材料成本和礦渣資源利用率最低為優(yōu)化目標(biāo),以膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型如下:
多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù):max(p28d+λp7d)-kz-ct=
(-2.33+0.0384x1+0.371x2-0.00643x2x2-0.00351x1x2)+0.5(-3.43+0.457x2+0.00140x1x1-0.00609x2x2-0.00599x1x2)-(49.79-0.0334x1x1-4.04r7dr7d+0.453x1r28d)-(301.37-2.26x2-0.0244x1x1)(19)
(2)膠結(jié)充填體強(qiáng)度約束條件
r7d≥[r7d]=-7.80+1.08x2+0.00342x1x1-0.0138x2x2-0.0152x1x2≥1.0mpa(20)
r28d≥[r28d]=-1.08+0.613x2-0.00114x1x1-0.0164x2x2≥2.5mpa(21)
(3)充填體膨脹率約束條件
v28d≤[v28d]=-23.33+0.454x1+0.836x2-0.0279x1x2≤5%(22)
步驟5、求解全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型
求解步驟4所述的全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型,由此獲得膠凝材料的最優(yōu)配比為鋼渣微粉35%、氟石膏18%、礦渣微粉47%。充填體7d強(qiáng)度r7d=1.74mpa、28d強(qiáng)度r28d=3.24mpa;全固廢充填材料成本231元/t,7d強(qiáng)度性價(jià)比p7d=0.753×10-2mpa/元、28d強(qiáng)度性價(jià)比p28d=1.403×10-2mpa/元。與p.o42.5水泥400元/t的價(jià)格相比,全固廢膠凝材料成本降低42%。
實(shí)施例3:
鋼渣協(xié)同脫硫灰渣制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,包括以下步驟:
步驟1、全固廢膠凝材料試驗(yàn)物料分析與處理
對(duì)鋼渣協(xié)同工業(yè)副產(chǎn)石膏制備全固廢膠凝材料的固廢物料和超細(xì)全尾砂充填骨料進(jìn)行干燥、篩分、粉磨處理,并進(jìn)行物料的粒徑分析與特征值計(jì)算。
(1)鋼渣微粉粒徑分布曲線見圖2。由此獲得鋼渣微粉平均粒徑dav=28.84μm,d10=4.02μm,d30=10.41μm,d50=20.09μm,d60=25.66μm,d90=58.76μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=6.38,曲率系數(shù)鋼渣微粉細(xì)度18%。鋼渣礦物成分見表1,由此計(jì)算出鋼渣的堿度系數(shù)m=cao/(sio2+p2o5)=2.18>2.5,屬于高堿度鋼渣。
(2)礦渣微粉粒徑分布曲線見圖3,由此計(jì)算渣粉平均粒徑dav=22.98μm,d10=2.81μm,d30=7.72μm,d50=14.68μm,d60=19.82μm,d90=47.95μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=7.05,曲率系數(shù)細(xì)度為11.41%。礦渣礦物成分分析結(jié)果見表2,堿度系數(shù)m0=(cao+mgo)/(sio2+al2o3)=1.14>1屬于堿性礦渣。礦渣質(zhì)量系數(shù)屬于高質(zhì)量礦渣。礦渣活性指數(shù)屬于活性高的礦渣。
(3)脫硫灰渣粒徑分布曲線見圖7,獲得脫硫灰渣平均粒徑為:dav=14.68μm,d10=2.31μm,d30=4.83μm,d50=7.82μm,d60=10.22μm,d90=32.32μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)細(xì)度為4.8%。氟石膏的礦物成分分析結(jié)果見表7,脫硫灰渣中so3含量僅為28.6%。
表7:脫硫灰渣化學(xué)成分分析結(jié)果
(4)超細(xì)全尾砂粒徑分布曲線見圖5,尾砂+200目細(xì)顆粒含量84.6%,尾砂平均粒徑dav=50.29μm,d10=5.66μm,d30=21.68μm,d50=38.14μm,d60=48.29μm,d90=97.93μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)
步驟2、進(jìn)行全固廢膠凝材料充填體強(qiáng)度和膨脹率測(cè)試
針對(duì)步驟1所述的鋼渣微粉、脫硫灰渣、礦渣微粉固廢物料以及超細(xì)全尾砂充填骨料,采用膠砂比1:4、料漿濃度65%,進(jìn)行膠結(jié)充填體試塊制備,并在溫度22±1℃和濕度為大于95%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7d和28d后,進(jìn)行充填體單軸抗壓強(qiáng)度和體積膨脹率測(cè)試,由此獲得試驗(yàn)結(jié)果見表8。
步驟3、建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和約束函數(shù)
根據(jù)步驟2所述的鋼渣協(xié)同氟石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的試驗(yàn)結(jié)果,采用二次多項(xiàng)式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析,建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型。
表8:鋼渣協(xié)同脫硫灰渣制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p14d=-1.626+0.0887x1+0.0812x2-0.00111x1x1-0.00194x2x2-0.00105x1x2(23)
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體28d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p28d=2.748-0.136x1+0.205x2+0.00191x1x1-0.00415x2x2-0.00334x1x2(24)
其中,x1為鋼渣微粉,%;x2為脫硫灰渣,%。
通過回歸分析建立礦渣利用率函數(shù)如下:
kz=373.74-15.51x1-62.79r28d+0.17x1x1+2.66r28dr28d+1.85x1r28d(25)
根據(jù)鋼渣微粉到礦價(jià)168元/噸,礦渣微粉到礦價(jià)328元/噸,脫硫灰渣到礦價(jià)62元/噸。建立充填膠凝材料成本函數(shù)如下:
ct=327.93-1.597x1-2.631x2-0.00101x1x2(26)
建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度函數(shù)如下:
r14d=-3.824+0.206x1+0.226x2-0.00249x1x1-0.00493x2x2-0.00336x1x2(27)
建立充填體28d強(qiáng)度回歸函數(shù)如下:
r28d=8.395-0.413x1+0.522x2+0.00567x1x1-0.0108x2x2-0.00865x1x2(28)
建立膠結(jié)充填體28d體積膨脹率回歸函數(shù)如下:
v28d=-0.0765-0.294x1-0.341x2+0.00312x2x2+0.0158x1x2(29)
4、建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型
根據(jù)步驟3所述的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù),以充填體強(qiáng)度性價(jià)比最大、充填材料成本和礦渣資源利用率最低為優(yōu)化目標(biāo),以膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型如下:
多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù):max(p28d+λp7d)-kz-ct
=(2.748-0.136x1+0.205x2+0.00191x1x1-0.00415x2x2-0.00334x1x2)+0.5(-1.626+0.0887x1+0.0812x2-0.00111x1x1-0.00194x2x2-0.00105x1x2)-(373.74-15.51x1-62.79r28d+0.17x1x1+2.66r28dr28d+1.85x1r28d)-(327.93-1.597x1-2.631x2-0.00101x1x2)(30)
(2)膠結(jié)充填體強(qiáng)度約束條件
r14d≥[r14d]=-3.824+0.206x1+0.226x2-0.00249x1x1-0.00493x2x2-0.00336x1x2≥0.8mpa(31)
r28d≥[r28d]=8.395-0.413x1+0.522x2+0.00567x1x1-0.0108x2x2-0.00865x1x2≥2.5mpa(32)
(3)充填體膨脹率約束條件
v28d≤[v28d]=0.0765-0.294x1-0.341x2+0.00312x2x2+0.0158x1x2≤5%(33)
步驟5、求解全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型
求解步驟4所述的全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型,獲得膠凝材料的最優(yōu)配比為鋼渣微粉30%、脫硫灰渣8%、礦渣微粉62%。膠結(jié)充填體14d強(qiáng)度r14d=0.80mpa、28d強(qiáng)度r28d=2.87mpa;全固廢充填材料成本259元/t,14d強(qiáng)度性價(jià)比p14d=0.309×10-2mpa/元、28d強(qiáng)度性價(jià)比p28d=1.109×10-2mpa/元。與p.o42.5水泥400元/t的價(jià)格相比,全固廢膠凝材料成本降低35%。
實(shí)施例4:
鋼渣協(xié)同脫硫石膏和脫硫灰渣制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,包括以下步驟:
步驟1、全固廢膠凝材料試驗(yàn)物料分析與處理
對(duì)鋼渣協(xié)同工業(yè)副產(chǎn)石膏制備全固廢膠凝材料的固廢物料和超細(xì)全尾砂充填骨料進(jìn)行干燥、篩分、粉磨處理,并進(jìn)行物料的粒徑分析與特征值計(jì)算。
(1)鋼渣微粉粒徑分布曲線見圖2。由此獲得鋼渣微粉平均粒徑dav=28.84μm,d10=4.02μm,d30=10.41μm,d50=20.09μm,d60=25.66μm,d90=58.76μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=6.38,曲率系數(shù)鋼渣微粉細(xì)度18%。鋼渣礦物成分見表1,由此技術(shù)出鋼渣的堿度系數(shù)m=cao/(sio2+p2o5)=2.18>2.5,屬于高堿度鋼渣。
(2)礦渣微粉粒徑分布曲線見圖3,由此計(jì)算渣粉平均粒徑dav=22.98μm,d10=2.81μm,d30=7.72μm,d50=14.68μm,d60=19.82μm,d90=47.95μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=7.05,曲率系數(shù)細(xì)度為11.41%。礦渣礦物成分分析結(jié)果見表2,堿度系數(shù)m0=(cao+mgo)/(sio2+al2o3)=1.14>1屬于堿性礦渣。礦渣質(zhì)量系數(shù)屬于高質(zhì)量礦渣。礦渣活性指數(shù)ma=al2o3/sio2=0.46>0.30,屬于活性高的礦渣。
(3)脫硫石膏粒徑分布曲線見圖4,獲得脫硫石膏平均粒徑dav=47.5μm,d10=19.41μm,d30=28.94μm,d50=38.02μm,d60=44.11μm,d90=73.86μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)細(xì)度為38%。脫硫石膏化學(xué)成分分析結(jié)果見表3,so3為50.2%,質(zhì)量較好。
(4)脫硫灰渣粒徑分布曲線見圖7,獲得脫硫灰渣平均粒徑為:dav=14.68μm,d10=2.31μm,d30=4.83μm,d50=7.82μm,d60=10.22μm,d90=32.32μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)細(xì)度(+45μm顆粒含量)為4.8%。脫硫灰渣的礦物成分分析結(jié)果見表4,脫硫灰渣中so3含量僅為28.6%。
(5)超細(xì)全尾砂粒徑分布曲線見圖5,尾砂+200目細(xì)顆粒含量84.6%,尾砂平均粒徑dav=50.29μm,d10=5.66μm,d30=21.68μm,d50=38.14μm,d60=48.29μm,d90=97.93μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=8.53>5,曲率系數(shù)
步驟2、進(jìn)行全固廢膠凝材料充填體強(qiáng)度和膨脹率測(cè)試
針對(duì)步驟1所述的鋼渣微粉、脫硫灰渣、礦渣微粉固廢物料以及超細(xì)全尾砂充填骨料,采用膠砂比1:4、料漿濃度65%,進(jìn)行膠結(jié)充填體試塊制備,并在溫度22±1℃和濕度為大于95%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7d和28d后,進(jìn)行充填體單軸抗壓強(qiáng)度和體積膨脹率測(cè)試,由此獲得試驗(yàn)結(jié)果見表9。
步驟3、建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和約束函數(shù)
根據(jù)步驟2所述的鋼渣協(xié)同氟石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的試驗(yàn)結(jié)果,采用二次多項(xiàng)式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析,建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型。
表9:鋼渣協(xié)同脫硫石膏和脫硫灰渣制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p7d=-6.17+0.736x1-0.0199x1x1-0.00145x2x2(34)
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體28d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p28d=1.20-0.11x2+0.014x2x2-0.0021x1x2(35)
其中,鋼渣30%;x1為脫硫石膏,%;x2為脫硫灰渣,%。
通過回歸分析建立礦渣利用率函數(shù)如下:
kz=30.559-0.747x1+22.955r28d-3.752r28dr28d(36)
根據(jù)鋼渣微粉到礦價(jià)168元/噸,礦渣微粉到礦價(jià)328元/噸,脫硫石膏到礦價(jià)117元/噸,脫硫灰渣到礦價(jià)62元/噸。建立充填膠凝材料成本函數(shù)如下:
ct=280.25-2.125x1-2.667x2(37)
建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度函數(shù)如下:
r7d=-14.24+1.713x1-0.0466x1x1-0.0056x2x2(38)
建立充填體28d強(qiáng)度回歸函數(shù)如下:
r28d=2.863+0.0268x2x2-0.0184x1x2(39)
建立膠結(jié)充填體28d體積膨脹率回歸函數(shù)如下:
v28d=-14.255+0.363x1+5.491x2-0.264x1x2(40)
步驟4、建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型
根據(jù)步驟3所述的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù),以充填體強(qiáng)度性價(jià)比最大、充填材料成本和礦渣資源利用率最低為優(yōu)化目標(biāo),以膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型如下:
多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù):
max(p28d+λp7d)-kz-ct=
(1.20-0.11x2+0.014x2x2-0.0021x1x2)+0.5(-6.17+0.736x10.0199x1x1-0.00145x2x2)-(30.559-0.747x1+22.955r28d-3.752r28dr28d)-(280.25-2.125x1-2.667x2)(41)
(2)膠結(jié)充填體強(qiáng)度約束條件
r7d≥[r7d]=-14.24+1.713x1-0.0466x1x1-0.0056x2x2≥1.5mpa(42)
r28d≥[r28d]=2.863+0.0268x2x2-0.0184x1x2≥2.5mpa(43)
(3)充填體膨脹率約束條件
v28d≤[v28d]=-14.255+0.363x1+5.491x2-0.264x1x2≤5%(44)
步驟5、求解全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型
求解步驟4所述的全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型,獲得膠凝材料的最優(yōu)配比為鋼渣微粉30%,脫硫石膏20%、脫硫灰渣0%、礦渣微粉50%。膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度r7d=1.55mpa、28d強(qiáng)度r28d=2.59mpa;全固廢充填材料成本238元/t,7d強(qiáng)度性價(jià)比p7d=0.652×10-2mpa/元、28d強(qiáng)度性價(jià)比p28d=1.089×10-2mpa/元。與p.o42.5水泥400元/t的價(jià)格相比,全固廢膠凝材料成本降低41%。
實(shí)施例5:
鋼渣協(xié)同氟石膏和脫硫灰渣制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,包括以下步驟:
步驟1、全固廢膠凝材料試驗(yàn)物料分析與處理
對(duì)鋼渣協(xié)同工業(yè)副產(chǎn)石膏制備全固廢膠凝材料的固廢物料和超細(xì)全尾砂充填骨料進(jìn)行干燥、篩分、粉磨處理,并進(jìn)行物料的粒徑分析與特征值計(jì)算。
(1)鋼渣微粉粒徑分布曲線見圖2。由此獲得鋼渣微粉平均粒徑dav=28.84μm,d10=4.02μm,d30=10.41μm,d50=20.09μm,d60=25.66μm,d90=58.76μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=6.38,曲率系數(shù)鋼渣微粉細(xì)度18%。鋼渣礦物成分見表1,由此技術(shù)出鋼渣的堿度系數(shù)m=cao/(sio2+p2o5)=2.18>1.8,屬于中堿度鋼渣。
(2)礦渣微粉粒徑分布曲線見圖3,由此計(jì)算渣粉平均粒徑dav=22.98μm,d10=2.81μm,d30=7.72μm,d50=14.68μm,d60=19.82μm,d90=47.95μm;不均勻系數(shù)cu=d60/d10=7.05,曲率系數(shù)細(xì)度為11.41%。礦渣礦物成分分析結(jié)果見表2,堿度系數(shù)m0=(cao+mgo)/(sio2+al2o3)=1.14>1屬于堿性礦渣。礦渣質(zhì)量系數(shù)屬于高質(zhì)量礦渣。礦渣活性指數(shù)屬于活性高的礦渣。
(3)氟石膏粒徑分布曲線見圖6,由此獲得氟石膏平均粒徑dav=44.92μm,d10=2.28μm,d30=18.92μm,d50=36.23μm,d60=43.01μm,d90=72.86μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)氟石膏的細(xì)度36.8%。氟石膏的礦物成分分析結(jié)果見表5。
(4)脫硫灰渣粒徑分布曲線見圖7,由此獲得脫硫灰渣平均粒徑為:dav=14.68μm,d10=2.31μm,d30=4.83μm,d50=7.82μm,d60=10.22μm,d90=32.32μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)細(xì)度(+45μm顆粒含量)為4.8%。氟石膏的礦物成分分析結(jié)果見表7,脫硫灰渣中so3含量僅為28.6%。
(5)超細(xì)全尾砂粒徑分布曲線見圖5,尾砂+200目細(xì)顆粒含量84.6%,尾砂平均粒徑dav=50.29μm,d10=5.66μm,d30=21.68μm,d50=38.14μm,d60=48.29μm,d90=97.93μm;不均勻系數(shù)曲率系數(shù)
步驟2、進(jìn)行全固廢膠凝材料充填體強(qiáng)度和膨脹率測(cè)試
針對(duì)步驟1所述的鋼渣微粉、脫硫灰渣、礦渣微粉固廢物料以及超細(xì)全尾砂充填骨料,采用膠砂比1:4、料漿濃度65%,進(jìn)行膠結(jié)充填體試塊制備,并在溫度22±1℃和濕度為大于95%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7d和28d后,進(jìn)行充填體單軸抗壓強(qiáng)度和體積膨脹率測(cè)試,由此獲得試驗(yàn)結(jié)果見表10。
步驟3、建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和約束函數(shù)
根據(jù)步驟2所述的鋼渣協(xié)同氟石膏制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料的試驗(yàn)結(jié)果,采用二次多項(xiàng)式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析,建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型。表10:鋼渣協(xié)同氟石膏和脫硫灰渣制備超細(xì)全尾砂全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p7d=0.56-0.096x2+0.0084x2x2(45)
通過回歸分析建立膠結(jié)充填體28d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)如下:
p28d=10.01-0.925x1-0.340x2+0.0235x1x1+0.010229x2x2+0.0119x1x2(46)
其中,鋼渣30%;x1為氟石膏,%;x2為脫硫灰渣,%。
通過回歸分析建立礦渣利用率函數(shù)如下:
kz=79.65+1.608r28d-0.0276x1x1+0.173x1r7d(47)
根據(jù)鋼渣微粉到礦價(jià)168元/噸,礦渣微粉到礦價(jià)328元/噸,脫硫石膏到礦價(jià)117元/噸,脫硫灰渣到礦價(jià)62元/噸。建立充填膠凝材料成本函數(shù)如下:
ct=379.7-2.25x1-2.65x2(48)
建立膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度函數(shù)如下:
r7d=1.883-0.336x2+0.0290x2x2(49)
建立充填體28d強(qiáng)度回歸函數(shù)如下:
r28d=34.12-3.13x1-1.21x2+0.079x1x1+0.036x2x2+0.042x1x2(50)
建立膠結(jié)充填體28d體積膨脹率回歸函數(shù)如下:
v28d=-17.13+0.213x1+3.57x2-0.198x2x2-0.119x1x2(51)
步驟4、建立全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化模型
根據(jù)步驟3所述的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù),以充填體強(qiáng)度性價(jià)比最大、充填材料成本和礦渣資源利用率最低為優(yōu)化目標(biāo),以膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型如下:
多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù):max(p28d+λp7d)-kz-ct
=(10.01-0.925x1-.340x2+0.0235x1x1+0.010229x2x2+0.0119x1x2)+0.5(0.56-0.096x2+0.0084x2x2)-(79.65+1.608r28d-0.0276x1x1+0.173x1r7d)-(379.7-2.25x1-2.65x2)(52)
(2)膠結(jié)充填體強(qiáng)度約束條件
r7d≥[r7d]=1.883-0.336x2+0.0290x2x2≥1.5mpa(53)
r28d≥[r28d]=34.12-3.13x1-1.21x2+0.079x1x1+0.036x2x2+0.042x1x2≥2.5mpa(54)
(3)充填體膨脹率約束條件
v28d≤[v28d]=-17.13+0.213x1+3.57x2-0.198x2x2-0.119x1x2≤5%(55)
步驟5、求解全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型
求解步驟4所述的全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型,獲得全固廢膠凝材料的最優(yōu)配比為鋼渣微粉30%,氟石膏20%、脫硫灰渣0%、礦渣微粉50%。膠結(jié)充填體7d強(qiáng)度r7d=1.86mpa、28d強(qiáng)度r28d=3.10mpa;全固廢充填材料成本335元/t,7d強(qiáng)度性價(jià)比p7d=0.556×10-2mpa/元、28d強(qiáng)度性價(jià)比p28d=0.926×10-2mpa/元。與p.o42.5水泥400元/t的價(jià)格相比,全固廢膠凝材料成本降低16%。
以上對(duì)本申請(qǐng)實(shí)施例所提供的一種鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料及多目標(biāo)優(yōu)化方法,進(jìn)行了詳細(xì)介紹。以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本申請(qǐng)的方法及其核心思想;同時(shí),對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員,依據(jù)本申請(qǐng)的思想,在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處,綜上所述,本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本申請(qǐng)的限制。
如在說明書及權(quán)利要求書當(dāng)中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解,硬件制造商可能會(huì)用不同名詞來稱呼同一個(gè)組件。本說明書及權(quán)利要求書并不以名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式,而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準(zhǔn)則。如在通篇說明書及權(quán)利要求書當(dāng)中所提及的“包含”、“包括”為一開放式用語,故應(yīng)解釋成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的誤差范圍內(nèi),本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術(shù)問題,基本達(dá)到所述技術(shù)效果。說明書后續(xù)描述為實(shí)施本申請(qǐng)的較佳實(shí)施方式,然所述描述乃以說明本申請(qǐng)的一般原則為目的,并非用以限定本申請(qǐng)的范圍。本申請(qǐng)的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
還需要說明的是,術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含,從而使得包括一系列要素的商品或者系統(tǒng)不僅包括那些要素,而且還包括沒有明確列出的其他要素,或者是還包括為這種商品或者系統(tǒng)所固有的要素。在沒有更多限制的情況下,由語句“包括一個(gè)……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的商品或者系統(tǒng)中還存在另外的相同要素。
應(yīng)當(dāng)理解,本文中使用的術(shù)語“和/或”僅僅是一種描述關(guān)聯(lián)對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系,表示可以存在三種關(guān)系,例如,a和/或b,可以表示:單獨(dú)存在a,同時(shí)存在a和b,單獨(dú)存在b這三種情況。另外,本文中字符“/”,一般表示前后關(guān)聯(lián)對(duì)象是一種“或”的關(guān)系。
上述說明示出并描述了本申請(qǐng)的若干優(yōu)選實(shí)施例,但如前所述,應(yīng)當(dāng)理解本申請(qǐng)并非局限于本文所披露的形式,不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除,而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境,并能夠在本文所述申請(qǐng)構(gòu)想范圍內(nèi),通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本申請(qǐng)的精神和范圍,則都應(yīng)在本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書的保護(hù)范圍內(nèi)。
技術(shù)特征:
1.一種鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,采用鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏和礦渣制備全固廢膠凝材料,并以礦山超細(xì)全尾砂為骨料制備充填體;
以充填體強(qiáng)度性價(jià)比、充填材料成本以及礦渣利用率為優(yōu)化目標(biāo),以充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立多目標(biāo)優(yōu)化模型;根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化模型獲得全固廢膠凝材料中各組分的最優(yōu)配比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,所述方法的具體步驟包括:
s1、對(duì)鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、礦渣和礦山超細(xì)全尾砂進(jìn)行分析和處理;
s2、對(duì)全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體進(jìn)行強(qiáng)度和膨脹率測(cè)試,獲得膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率的測(cè)試結(jié)果;
s3、建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型;
s4、求解全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型,獲得全固廢膠凝材料的最優(yōu)配比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,s1的具體內(nèi)容包括:對(duì)鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、礦渣和礦山超細(xì)全尾砂進(jìn)行干燥和粉磨,并分別進(jìn)行粒徑分析和分布特征值計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,s2具體為按照水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法b/t17671-1999對(duì)膠結(jié)充填體進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和體積膨脹率測(cè)試,獲得膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率的測(cè)試結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,s3具體為:以充填體強(qiáng)度性價(jià)比最高、充填材料成本最低以及礦渣利用率最低為優(yōu)化目標(biāo),以充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,s3的具體步驟包括:
s31、根據(jù)s2的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析,建立膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率回歸函數(shù);
s32、根據(jù)鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、礦渣和礦山超細(xì)全尾砂的成本建立全固廢膠凝材料成本函數(shù);
s33、根據(jù)膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率的測(cè)試結(jié)果和回歸函數(shù),建立全固廢膠凝材料礦渣利用率函數(shù);
s34、根據(jù)膠結(jié)充填體強(qiáng)度和體積膨脹率回歸函數(shù)和全固廢膠凝材料成本函數(shù)建立全固廢膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度函數(shù);
s35、根據(jù)s1~s4建立全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,所述全固廢膠凝材料多目標(biāo)優(yōu)化模型具體為:
優(yōu)化目標(biāo):max[(p28d+λp7d)-(ct+kz)]=max[(f7+λf6)-(f4+ηf5)];
約束條件:r7d=f1(x)≥[r7d]、r28d=f2(x)≥[r28d]、v28d=f3(x)≤[v28d];
其中,λ代表充填體7d強(qiáng)度性價(jià)比權(quán)值,η代表礦渣利用率權(quán)值,[r7d]和[r28d]分別為7d和28d時(shí)膠結(jié)充填體的目標(biāo)強(qiáng)度,[v28d]為28d時(shí)膠結(jié)充填體的體積膨脹率許可值,r7d、r28d分別代表膠結(jié)充填體7d和28d時(shí)的強(qiáng)度;v28d代表充填體28d的膨脹率;x代表全固廢膠凝材料自變量;f1(x)、f2(x)分別代表膠結(jié)充填體7d、28d強(qiáng)度函數(shù);f3(x)代表充填體28d體積膨脹率函數(shù);ct代表全固廢膠凝材料成本,f4代表全固廢膠凝材料成本函數(shù);kz代表礦渣利用率,f5代表礦渣利用率函數(shù);p7d、p28d分別代表膠結(jié)充填體7d和28d強(qiáng)度性價(jià)比,f6、f7分別代表膠結(jié)充填體7d、28d強(qiáng)度性價(jià)比函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,所述鋼渣為堿度鋼渣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法,其特征在于,所述工業(yè)副產(chǎn)石膏為脫硫石膏、氟石膏、脫硫灰渣和磷石膏中的一種或多種。
10.一種鋼渣協(xié)同制備的全固廢膠凝材料,其特征在于,采用如權(quán)利要求1-9任一所述的鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料的多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行制備;所述全固廢膠凝材料包括鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏和礦渣;所述鋼渣的質(zhì)量占比為30%~35%,所述工業(yè)副產(chǎn)石膏8%~24%,所述礦渣的質(zhì)量占比為41%~62%。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料及多目標(biāo)優(yōu)化方法,涉及礦場充填技術(shù)領(lǐng)域,能夠?qū)撛凸I(yè)副產(chǎn)石膏低品質(zhì)固廢在充填采礦中實(shí)現(xiàn)規(guī)?;透吒郊又蒂Y源化利用,從而降低尾砂充填采礦成本,提高充填采礦的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益;該方法采用鋼渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏和礦渣制備全固廢膠凝材料,以礦山超細(xì)全尾砂為骨料進(jìn)行充填,以充填體強(qiáng)度性價(jià)比、充填材料成本以及礦渣利用率為優(yōu)化目標(biāo),以充填體強(qiáng)度和體積膨脹率為約束條件,建立多目標(biāo)優(yōu)化模型;根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化模型獲得全固廢膠凝材料中各組分的最優(yōu)配比。本發(fā)明提供的技術(shù)方案適用于礦場充填的過程中。
技術(shù)研發(fā)人員:楊曉炳;溫震江;肖柏林;郭斌;吳凡;尹升華;高謙;李勝輝;胡亞軍;涂光富
受保護(hù)的技術(shù)使用者:北京科技大學(xué);河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司
技術(shù)研發(fā)日:2019.10.30
技術(shù)公布日:2020.01.07
聲明:
“鋼渣協(xié)同制備全固廢膠凝材料及多目標(biāo)優(yōu)化方法與流程” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究,如用于商業(yè)用途,請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)