粉煤灰对高炉渣调质效果的影响

林文龙，张玉柱，邢宏伟，李杰，刘卫星

(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009)

0 引言

高炉渣是炼铁厂中最常见的炼铁废弃物，在以前的处理方式中，高炉渣多以水淬的方式制备水泥熟料的原料［1－3］，在水冲渣制备过程中会产生SO2、H2S等有害气体，存在严重的环境污染和能源浪费问题［4］。其次高炉渣二次利用是生产矿渣微粉用于建筑填充材料［5］，附加值并不是很高。而利用高炉熔渣直接制备矿渣棉纤维不存在环境污染的问题，并且有效利用了高炉熔渣显热，提高了高炉渣利用附加值。由于高炉渣碱度较高，在高温时的粘度较大，流动性差，原渣并不适合制备矿渣棉纤维，因此需要添加酸性调质剂粉煤灰对其进行调质处理，观察调质后矿渣矿物组成与高温时粘度情况。

1 实验过程及原理

制备矿渣棉用高炉渣主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO，也含有少量Fe2O3、FeO、K2O、Na2O，在调质过程中其他成分对矿渣的物化性会有影响。

1.1 实验原料与设备

以某钢厂的高炉渣作为原料，再利某电厂的粉煤灰作为调质剂，对高炉渣进行调质，高炉渣及粉煤灰的化学成分如表1、2所示:

表1 高炉渣与粉煤灰化学成分(%)

表2 高炉渣与粉煤灰各项参数

调质前把高炉渣破碎到粒度为2～10 mm左右的小块，放入星式球磨机中再磨成粒度小于1 mm的小颗粒后方便使用。本实验中所使用的实验设备有:颚式破碎机;行星式球磨机(QM－1SP);程控节能高温电阻炉(STL－GФ27－D757);RTW－08型熔体物性综合测定仪;X射线衍射仪(型号D/MAX2500PC)。

1.2 调质过程及实验原理

利用高酸度系数的粉煤灰对高炉渣进行成分微调，利用酸度系数计算公式:

实验中设置5个酸度系数Mk，每0.2为一个梯度，分别为1.0、1.2、1.4、1.6、1.8。调质矿渣成分、各项参数及粉煤灰添加比例如表3、4所示。

表3 粉煤灰添加比例及熔渣成分

表4 熔渣各项参数

利用程控节能高温电阻炉(STL－GФ27－D757)先配好300 g矿渣装入石墨坩埚中，再将坩埚放入高温电阻炉中升温至1500℃ ，恒温半小时后拿出直接水冷降温，待熔渣冷却至室温后破碎，再用行星式球磨机将熔渣磨后经过200目的方孔筛筛分，取3～5 g筛下物用于检测熔渣的矿物组成。

参照制备矿渣棉原料的设计要求［6］:1)熔化温度不宜过高，矿渣棉原料的熔化温度不应超过1450℃，2)在纤维形成的温度范围内的熔体，应该具有较低的粘度和温度—粘度降落梯度，3)制成的纤维应该细长，化学稳定性好(氢离子指数pH)。制备矿渣棉原料的调质熔渣在高温下粘度应比较低，符合制备矿渣棉的粘度1～3 Pa·s，在符合这个范围的同时也要具有较低的温度—粘度降落梯度，所以要利用RTW－08型熔体物性综合测定仪测定熔渣在高温时的粘度，观察矿渣在高温时的粘度变化情况。现将配好的矿渣140 g放入坩埚中，在将坩埚放入物性测定仪升温至1500℃后恒温10 min，在降温过程中测定熔渣各个温度下的粘度，以便找寻合适的制备纤维的温度范围。

2 矿物组成分析

2.1 原渣矿物组成分析

实验选用高炉渣主要成份为SiO2、CaO、Al2O3和MgO，二元碱度R=1.07，由XRD图谱(图1)可知，矿渣在升温到1500℃恒温30 min后水冷条件下，其矿物组成为:铝镁黄长石、镁黄长石、钙镁黄长石、铝黄长石和镁黄长石形成的固溶体，以及蓝硅硼钙石。

原渣在水冷急速冷却方式下会有矿物析出，说明原渣并不适合制备矿渣棉纤维，因为在制备矿渣棉纤维的过程中析出的矿物会以渣粒的形式存在，而制备矿渣棉纤维时应降低渣粒的含量，所以要对高炉原渣进行成分调整，制备出渣粒含量较低的矿渣棉纤维。

图1 高炉渣水冷XRD图谱

2.2 调质矿渣矿物组成分析

图2 各个酸度系数下调质矿渣XRD图谱

由XRD图谱(图2)可知，加入粉煤灰比例小于5%时(Mk＜1.0)，矿渣中黄长石的含量多于高炉渣中黄长石的含量，但是铝黄长石和镁黄长石的量相对减少，而铝黄长石和镁黄长石的混合物的含量增加。当粉煤灰的比例大于15.5%(Mk＞1.2)时，图2中显示出类似于馒头峰一样的图谱，表明矿渣中几乎不再有矿物析出，熔体在高温状态下都是以固溶体形式存在，在冷却状态下矿渣都是以非晶态玻璃相存在。

3 调质矿渣温度—粘度曲线与成纤温度区间分析

3.1 原渣粘度曲线

图3 高炉渣粘度曲线图

观察原渣温度—粘度曲线，当炉渣温度在1225～1475℃时，炉渣粘度小于1且上升趋势不明显。当炉渣温度在1206～1225℃时，温度—粘度曲线中出现一个拐点，此时炉渣粘度为0.806～1.003。在炉渣温度小于1206℃之后，粘度曲线开始陡升，此时熔渣有短渣属性。

根据矿物棉全书中提出的，渣棉的粘度范围区间在1～3 Pa·s之间时能制备出矿渣棉纤维，原渣在这个粘度区间的温度范围是1193～1206℃，仅有13℃的温度差，温度—粘度降落梯度较大，一般在使用熔融高炉渣直接制备矿渣棉的过程中会添加一些调质剂，会导致熔渣温度所波动，原渣符合成纤的温度—粘度区间交窄，对制备矿渣棉纤维不利，因此要添加适当比例的调质剂拓宽成纤温度—粘度范围区间。

3.2 调质矿渣粘度

3.2.1 不同酸度系数下测得粘度曲线

图4 不同酸度系数矿渣粘度曲线

从图4中可以看出矿渣酸度系数Mk=1.0时，熔渣粘度曲线与高炉渣原渣曲线走势相类似，在1175℃左右时出现一个粘度的上升拐点，此时熔渣具有短渣属性［7-8］，并利于制备矿渣棉纤维。在熔渣酸度系数为1.2时熔渣粘度曲线中没有出现拐点，粘度曲线上升趋势比较平缓。当熔渣酸度系数在1.4～1.8时，熔渣粘度都没有出现粘度陡升的拐点，熔渣的短渣属性已经消失，符合矿渣棉成分设计要求提出的在高温时熔渣具有较低的温度—粘度梯度。

3.2.2 同粘度范围下温度变化区间分析

在3.1中已经说明，高炉渣粘度为1～3Pa·s范围时温度变化区间为1193～1206℃，温度区间差值为13℃，区间差值较小，经过添加粉煤灰调质后，矿渣在同等粘度范围内温度变化区间也逐渐加宽，各酸度系数下温度变化范围如表5，其中在酸度系数为1.8时，温度变化范围最宽，为1155.6～1348.3℃，区间差值为192.7℃。较宽的温度变化范围对于制备矿渣棉纤维的是有利的，不会因温度的波动而暂停直接调质后制备矿渣棉的过程。而且在酸度系数大于1.2，粘度为3 Pa·s时最低温度为1073℃左右，粘度为1 Pa·s时最高温度为1348℃左右，，温度区间较宽，对高炉渣制备出矿渣棉纤维是非常有利的。

表5 同粘度范围下温度变化区间

4 结论

1)配加粉煤灰的比例在15.5%～37.46%，酸度系数为1.2～1.8时，矿渣成分符合制备矿渣棉原料的设计要求。

2)高炉渣原渣中存在以黄长石为主的多种矿物，在经过调质处理后，矿物析出量逐渐减少直至配加粉煤灰比例大于为15.5%后，熔渣中基本不出现矿物析出，矿渣高温时以固溶体形式存在，低温时以非晶态玻璃相形式存在。

3)实验用调质熔渣的熔化性温度都不超过1450℃，当熔渣酸度系数超过1.2后熔渣短渣属性逐渐消失，在黏度符合制备矿渣棉纤维1～3 Pa·s时，调质矿渣的温度范围变宽，温度—粘度降落梯度变小，对制备高炉渣纤维有利。

［1］ 吕晓芳.高炉渣处理、回收利用技术的现状与进展［J］.南方金属，2010，(174):14.

［2］ 王海风，张春霞，齐渊洪，等.高炉渣处理技术的现状和新的发展趋势［J］.钢铁2007，42(6):83-84.

［3］ Feetherstone B.Slag Treatment Improvement by Dry Granu-lation［J］.Iron and Steel Engineer.1998，75(7):42-46.

［4］ 周杨民，杨志远，闫兆民，等.高炉熔渣离心法制取矿棉［J］.中国稀土学报，2010，28:351-352.

［5］ 张耀明，李巨白，姜肇中.玻璃纤维与矿物棉全书［M］.北京:化学工业出版社，2001.

［6］ 宫彦岭，李兆华，李银河，等.以高炉渣为原料制取矿渣棉的试验研究［J］.北方钒钛，2011(4):31-32.

［7］ 刘晓玲，周辰回，冉松林，等.高炉矿渣成面的调质研究［J］.安徽工业大学学报(自然科学版)，2013，30(1):9～10.

［8］ Yabuta K，Tozawa H，Takahashi T.New applications of iron and steelmaking slag contributing to a recycling-oriented Society［J］.JFE Technology Report，2006(8):17-23.