转炉钢渣自粉化的可行性研究

谢大为，王　熠，蒋　林，王　珏，高　卫，董元篪（.马钢股份有限公司第四钢轧总厂，安徽马鞍山43000；.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山4303）

转炉钢渣自粉化的可行性研究

谢大为1，2，王熠1，蒋林1，王珏2，高卫2，董元篪2
（1.马钢股份有限公司第四钢轧总厂，安徽马鞍山243000；2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243032）

比照国内钢铁企业转炉钢渣的化学成分，选择CaO（50%）-MgO（10%）-SiO2（10%）-Fe2O3（30%）（质量分数）四元简单合成渣系作为实验转炉渣系，采用X射线衍射仪、扫描电镜以及能谱仪分析样品物相、形貌和物相成分，通过煅烧熔融实验研究碱度和P2O5含量对转炉钢渣粉化的影响。结果表明：控制二元碱度R≈2.5时，钢渣粒径150 μm下钢渣自粉化效果最好，粉化率能达到94.33%；钢渣中P2O5质量分数小于0.125%时，才能实现转炉钢渣自粉化。

自粉化；转炉钢渣；硅酸二钙；碱度；磷

目前，我国粗钢年产量已超过8亿t，钢渣排放量约为钢产量的12%，累计超过5亿t的钢渣没得到有效利用。钢渣随意堆放不仅占用土地，对周围的环境产生威胁，也造成严重的资源浪费［1-2］。因此，如何处理钢渣既是一个严重的环境问题，又是一个重要的资源问题。转炉钢渣微粉化是目前解决钢渣综合利用率低的有效途径之一，经微粉化处理后的钢渣不仅可提高铁的磁选率，还能促进其在水泥等相关行业领域中更为广泛的应用。但是，转炉钢渣含较多的铁钙相，导致其易磨性较差，很难通过机械方式磨细和粉化，制约了转炉钢渣的大宗量利用［3-4］。矿相结构研究表明［5-6］，转炉钢渣中除铁钙相外，还含质量分数为30%～60%的硅酸盐类矿相，主要为硅酸二钙（2CaO·SiO2，简称C2S）。C2S存在多种晶型，在725℃时会发生等温相变，结构由β-C2S 向γ-C2S转变，过程伴随11%的体积膨胀，从而引起自粉化现象［7-10］。因此，通过改质处理，可促进转炉钢渣中C2S相优势形成，再利用C2S相结构转变导致体积膨胀引发自粉化现象，从而提高转炉钢渣的粉化率。

为此，笔者依据转炉钢渣化学成分特点，结合国内钢铁企业钢渣的化学成分，以CaO-SiO2-MgO-Fe2O3四元合成渣系为实验转炉渣系，通过钢渣改质处理，研究转炉钢渣自粉化的可行性和主要影响因素。

1　实　验

1.1原料

转炉终渣主要由CaO，SiO2，MgO和FeOx组成，另含少量P2O5，MnO，Al2O3，TiO2等，故以CaO（50%）-MgO （10%）-SiO2（10%）-Fe2O3（30%）（质量分数）四元合成渣系作为实验转炉渣系，添加SiO2改质剂。在此基础上，以自粉化效果最好的改质渣系为基础，添加P2O5，分析P2O5含量对钢渣自粉化的影响。使用分析纯试剂配制实验渣系，分析纯试剂由国药控股股份有限公司生产。其中磷元素以NH4H2PO4的形式加入，并用折算后的CaCO3代替易受潮的CaO［11］。

1.2实验方法

表1为添加SiO2改质剂渣系的成分配比，表2为自粉化效果最好的改质渣系中P2O5配比。根据表1，2配比称量试剂，采用水溶液共沉淀法［12］。将各配比试剂粉末倒入器皿，加入热水搅拌混匀，使其在水溶液中共沉淀混匀。然后烘干研磨成粉，在1 250℃下煅烧30 min，再次研磨，称取渣样装入MgO坩埚内，置于1 600℃马弗炉内熔融30 min，炉冷后观察钢渣粉化情况，并分别用筛孔直径为150，75，48 μm的筛子筛分粉化渣样。将自粉化渣样的粉末进行XRD分析，未粉化的块状渣样进行扫描电镜和能谱分析。

表1　添加SiO2的渣系成分配比Tab.1 Composition ratio of slag doped SiO2

表2　添加P2O5的渣系成分配比Tab.2 Composition ratio of slag doped P2O5

用Bruker D8 Advance型X射线衍射仪（Cu Kα）测定样品物相；用JEOL JSM-6510LV扫描电镜配INCA Feature X-MAX20能谱仪分析样品形貌和微区成分；粒度分析使用筛孔直径为150，75，48 μm的筛子，以及Malvan Zetasizer Nano S型激光粒度分析仪，采用乙醇作为分散剂。

2　实验结果与讨论

2.1SiO2改质剂对转炉钢渣自粉化的影响

图1为不同渣系试样的粉化图片。从图1可看出：S-1号试样没有出现粉化；随着SiO2加入量的增加，S-2号试样的表面出现部分粉化，粉化的渣样可轻松从坩埚中倒出，实现粉化渣样和固体渣样的分离；当SiO2加入量进一步增加时，S-3～S-6号试样除坩埚内壁有少量侵蚀残留的渣样外，均完全自粉化。

为定性分析实验转炉钢渣的粉化情况，依次用筛孔直径为150，75，48 μm的筛子筛分粉化后的钢渣，并计算其粉化率，粉化率的计算公式为

图1　不同SiO2加入量时渣样的粉化图片Fig.1 Slag pulverization images with different SiO2addition

根据式（1）得到各组钢渣的粉化率，如表3。结合表3和图1可看出，钢渣粉化率随着SiO2加入量的增加先逐渐上升；当SiO2加入量增加到R=w（CaO）/ w（SiO2）=2.5（即S-3号试样）时，钢渣粉化率达到最大；随后，钢渣粉化率随着SiO2含量的增加而下降。

图2是S-1，S-2号试样的SEM图片。由图2可知：SiO2加入量较少时，钢渣中的硅钙相主要为C3S相，C2S相含量不充分，并且渣中含较多硬度较高的C2F相（即2CaO·Fe2O3），这也是造成S-1，S-2号试样较难粉化的主要原因；随着SiO2加入量的增加，渣中C2S相含量增加，钢渣粉化率因此随之上升。

表3　不同SiO2含量时试样的粉化率（%）Tab.3 Pulverization rate of slag samples with different SiO2addition（%）

图2 S-1和S-2号试样的SEM图Fig.2 SEM images of sample S-1 and S-2

图3为S-3～S-6号试样的XRD图谱。通过对比标准图谱［13］可以看出，S-3～S-6号试样中主要存在γ-C2S（即γ-2CaO⋅Si）、C2F和MF（即MgO⋅Fe2O3）3种矿相。结合表3，图2，3可知：随着SiO2加入量的增多，钢渣中C2S相含量增加，钢渣开始出现粉化现象；渣中SiO2质量分数为6%时（S-2号试样），钢渣少量粉化，粉化率较低，钢渣粒径150 μm下的粉化率仅为4.07%；渣中SiO2质量分数为10%时（S-3号试样），γ-C2S强度较高、含量较多，钢渣粉化率非常高，钢渣粒径150 μm下粉化率甚至能达到94.33%，钢渣粒径48 μm下的粉化率也能达到70.30%；渣中SiO2质量分数超过10%后（S-4～S-6号试样），钢渣粉化率开始呈下降趋势。可见，钢渣中SiO2质量分数在10%附近时，钢渣能取得较好的自粉化效果。这主要是随着SiO2的加入，渣中的C3S与SiO2结合生成C2S，C2S优势析出，钢渣自粉化效果增强。由图3可知，随着SiO2加入量的增加，渣中γ-C2S相特征峰减弱，而MF相的特征峰逐渐增强，钢渣自粉化效果随之变差。由上述分析可知，调节钢渣中SiO2加入量，控制渣中C2S优势析出，可有效促进转炉钢渣的自粉化。

图3　S-3～S-6号试样的XRD图谱Fig.3 XRD patterns of sample S-3-S-6

2.2P2O5对转炉钢渣自粉化的影响

转炉钢渣一般含一定量的P，P能够抑制β-C2S向γ-C2S的晶型转变，从而影响钢渣的自粉化，因此研究 P含量对转炉钢渣自粉化效果的影响。文中以自粉化效果最好的一组渣系（即S-3号样）为基础，分别添加质量分数为0.125%（P-1号试样），0.250%（P-2号试样），0.375%（P-3号试样），0.500%（P-4号试样）的P2O5，考察P含量对钢渣自粉化的影响，结果如图4。从图4可看出：当钢渣中加入0.125%的P2O5时，渣样呈现出完全粉化的状态；当钢渣中加入0.250%的P2O5时，渣样仅出现轻微粉化；当P2O5质量分数超过0.250%后，渣样没有再出现粉化。说明只有当渣中P2O5质量分数小于0.250%时，才能够实现其自粉化。

图4不同P2O5含量时渣样的粉化图片Fig.4 Slag pulverization images with different P2O5addition

图5为P-1和P-2号试样的SEM图。从图5可以看出，P-1和P-2号试样中的主要矿相分布基本一致，均为C2S，C2F，MF和MgO，表明P2O5的加入对C2S相的生成和析出基本没有影响。

图5 P-1和P-2号试样的SEM图Fig.5 SEM images of P-1 and P-2

图6为S-3（P-0），P-1和Pzz2号试样的XRD图谱。由图6可知，对比基础渣系（P-0号试样）和P-2号试样的特征峰，可以看出加入质量分数为0.250%的P2O5使β-C2S的特征峰增强，γ-C2S的特征峰减弱，且P-2号试样中f-MgO的特征峰强度明显高于S-3号试样。说明加入质量分数为0.250%的P2O5，抑制了钢渣中β-C2S向γ-C2S的晶型转变，不利于钢渣的自粉化。因此，为了有效实现转炉钢渣的自粉化，应控制渣中P2O5质量分数使其小于0.250%。

图6　S-3（P-0），P-1和P-2试样的XRD图谱Fig.6 XRD patterns of sample S-3（P-0），P-1 and P-2

3　结　论

1）添加适量SiO2改质剂可控制转炉钢渣中C2S相的优势析出，实现转炉钢渣的自粉化。当控制钢渣二元碱度R≈2.5时，钢渣粒径150 μm下粉化率能达到94.33%，钢渣自粉化效果最好。

2）转炉钢渣中存在的P会抑制渣中β-C2S向γ-C2S的晶型转变，影响钢渣的自粉化。要实现转炉钢渣的自粉化，应控制钢渣中P2O5的质量分数小于0.250%。

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责任编辑：何莉

Feasibility Study of Self-pulverization of Converter Steel Slag

XIE Dawei1，2，WANG Yi1，JANG Lin1，WANG Jue2，GAO Wei2，DONG Yuanchi2
（1.No.4 Steel Making and Rolling Combination Mill，Ma'anshan Iron&Steel Co.Ltd.，Ma'anshan 243000，China；2.School of Metallurgical Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243032，China）

Based on the chemical compositions of steel slags from domestic iron and steel enterprises，CaO（50%）-MgO（10%）-SiO2（10%）-Fe2O3（30%）（mass fraction）slag was chosen as basic experimental synthetic slag system. After experiment of calcination and melt，the plase，topography and microstructure were analyzed with X-ray diffraction，scanning electron microscope and spectrometen，the influence of basicity and P2O5content on selfpulverization was studied.The results show that controlling the basicity with R≈2.5，when slag particle size is less than 150 μm，the slag has the best effect of self-pulverization，and slag pulverization rate can reach 94.33%；when the mass fraction of P2O5in slag is less than 0.125%，the slag can achieve self-pulverization.

self-pulverization；converter steel slag；dicalcium silicate；basicity；phosphorus

TF09.1

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.003

1671-7872（2016）02-0105-05

2015-09-25

国家自然科学基金项目（51374006，51204005）；安徽工业大学研究生创新基金项目（2014143）

谢大为（1993-），男，安徽六安人，硕士生，主要研究方向为冶金二次资源综合利用。

董元篪（1946-），男，上海人，教授，博士生导师，主要研究方向为冶金二次资源综合利用。