高钛型高炉渣微观结构对其性能的影响

姚增远，杨志远

(攀枝花钢城集团有限公司，四川 攀枝花 617000)

高钛型高炉渣是攀西地区特有的钒钛磁铁矿，在高炉冶炼过程中因大量的钛元素以二氧化钛的形式存留在高炉渣中而形成的。与普通高炉渣相比，高钛型高炉渣因含有大量二氧化钛降低了其活性，故不能直接用于矿渣水泥的生产[1]。

目前攀西地区的高钛型高炉渣主要工业利用途径是采用不同的冷却工艺对其进行冷却后，再加工处理用于建材生产原料。本文主要通过对高钛型高炉渣在三种不同的冷却工艺下形成的水淬渣、热泼渣和膨珠进行微观组织结构分析，揭示其微观结构与宏观性能之间的关系。

研究结果表明，水淬渣微观结构中玻璃相含量高达48.08%，但因颗粒较小，易磨性好，活性高，可用于水泥矿物掺合料；热泼渣微观结构中玻璃相含量为24.63%，但坚固抗压强度较高，且成大块状，适用于普通混凝土集料；膨珠中玻璃相含量为9.43%，但因其为球形空心小颗粒状，堆积密度较小，主要用于轻质混凝土集料。

1 试验

1.1 原料

高钛型高炉渣是钒钛磁铁矿在冶炼过程中产生的一种冶金渣，其中二氧化钛含量高达15%以上，且在高温下与氧化钙化学作用形成结构稳定的攀钛透辉石和钙钛矿，使其活性降低，长期被认为是一种“呆矿”，无法直接作为矿渣水泥加以利用[2]。

以下主要以三种不同冷却工艺条件下形成的高钛型高炉渣为研究对象，对比分析其微观结构。其主要成分见表1。

表1 攀钢高钛型高炉渣的主要成分组成(wt%)

1.1.1水淬渣

水淬渣是将熔融的高钛型高炉渣直接翻入水池中，使其急剧快速冷却至100 ℃以下，然后通过抓斗挖出，再堆放滤水。由于冷却速度极快，熔渣中的大量气体急剧排放及受冷却体积收缩效应影响，造成该水淬渣为小于10 mm的小颗粒状，且易碎。

1.1.2热泼渣

热泼渣是目前攀钢高钛型高炉渣的一种主要利用途径，其主要工艺为：首先将渣罐中的熔融高钛型高炉渣翻至渣坑中自然冷却30 min以上，使其缓慢冷却凝固结晶至固态(表层温度在1000 ℃左右)；然后通过打水加速冷却；最后在高炉渣的余热条件下自然蒸干水分形成热泼渣。由于其冷却速度相对缓慢，结晶较好，主要成大块状，且坚硬。

1.1.3膨珠

膨珠是将液态高炉渣由渣罐直接翻至特制的溜槽中，然后由滚筒将其抛向空中，最后在空中快速冷却后形成的一种球形空心小颗粒冶金渣。该渣主要为1～10 mm的球形空心小颗粒。

1.2 试验研究方法

1.2.1微观结构电镜分析方法

为了更好地了解冶金渣的内部微观组织结构，我们首先将不同的冶金渣在实验室小型球磨机中制成粒度小于0.45 mm的微粉，然后将其粘附在玻璃上，并对试样进行溶蚀处理后进行电镜扫描检测，观察其微观组织结构，并计算相关物相体积含量。

1.2.2活性指数分析

为了同等条件下进行对比分析，本次试验采用将水淬渣、热泼渣和膨珠在实验室球磨机中均磨至45μm筛余小于20%，然后按照GB/T 51003-2014附录B规定进行7d和28d抗压强度活性指数检测[3]。检验用基准水泥为符合GB/T 8076中规定的水泥标准，试验样品为试验高炉冶金渣和基准水泥按质量比3∶7混合制成[4]。

2 结果与讨论

2.1 微观结构电镜对比分析

采用扫描电镜(SEM)对三种不同工艺条件下的高钛型高炉渣进行微观结构分析如图1至图3所示。通过计算机对电镜图中的不同物相含量进行分析计算，结果如表2所示。

通过将图1、图2和图3对比分析可知，水淬渣玻璃相含量最高，其次为热泼渣，膨珠中最少。分析认为，这主要是因为水淬渣是由高温液态直接快速冷却至100 ℃以下形成的，大部分质点来不及做有规则排列形成晶体，而以玻璃相的形式存在，具有一定的结晶潜热，有利于活性指数的提高；热泼渣虽然经过自然冷却结晶，但在打水冷却过程中由于渣层存在一定的厚度，内部有红渣存在，故热泼渣中仍有少部分玻璃相形成；膨珠在被抛向空中时，液态熔渣在表面张力的作用下形成球状结构，在空气中虽能够急速冷却但由于时间极短，落地后仍为高温态，随后在自然冷却过程中大部分逐渐结晶形成钙钛矿和钛透辉石，故未能形成大量的玻璃相。

1.玻璃相 2.钙钛矿 3.钛透辉石图1 水淬渣

1.玻璃相 2.钙钛矿 3.钛透辉石图2 热泼渣

1.玻璃相 2.钙钛矿 3.钛透辉石图3 膨珠

项 目热泼渣水淬渣膨 珠玻璃相24.6348.089.43钙钛矿28.423.2325.46钛透辉石40.8744.4048.69

水淬渣中钙钛矿含量最低，这主要是由于钙钛矿结晶温度较高[5-6]，而水淬渣由于冷却速度极快，高温停留时间短暂，故其含量相对较少。钛透辉石的结晶温度相对较低(一般在1000 ℃以下仍存在结晶)，且其中的钛含量可变，故在高温下未形成钙钛矿的二氧化钛大部分固溶在了钛透辉石中，使透辉石含量增大。

2.2 活性指数对比分析

将水淬渣、热泼渣和膨珠磨成相同细度的微粉后进行抗压强度活性指数检测对比分析，对比结果如表3所示。

表3 三种高钛型高炉渣中活性指数(%)

由表3的对比结果可知，水淬渣活性指数最大，其后依次为热泼渣和膨珠，这也充分证明了在成分和细度相同的条件下，高钛型高炉渣中玻璃相含量越高其抗压强度活性指数就越大。

水淬渣由于颗粒小，易碎耐磨性好，且活性指数相对较高，故主要适用于生产水泥的矿物添加料，不仅可以降低水泥生产成本，还可充分利用其活性确保水泥产品质量。热泼渣由于经过了自然冷却和蒸干工序，内部结晶较好，坚硬，且外形块度大，性能稳定，主要适用于普通混凝土中的集料。膨珠虽然经过了自然缓慢冷却，硬度较大，但由于其在空中已成为球形空心小颗粒，造成其堆积密度小于0.7 g/cm3，故不适合作普通混凝土集料使用，而适用于轻质混凝土集料。

3 结论

(1)通过对三种不同冷却工艺条件下的高钛型高炉渣微观结构分析表明，水淬渣中玻璃相含量最高为48.08%，其次为热泼渣玻璃相含量为24.63%，膨珠中玻璃相含量最低为9.43%。

(2)在同等条件下对三种高钛型高炉渣的活性指数的对比分析表明，冶金渣中玻璃相含量越高，其抗压强度活性指数也越大。

(3)高钛型高炉渣的微观结构决定了其宏观性能指标，进而影响了其应用范围。水淬渣主要适用于生产水泥矿物掺合料；热泼渣主要适用于普通混凝土集料；膨珠主要适用于轻质混凝土集料。