不锈钢渣高温重构改性试验研究

仪桂兰

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，太原 030003）

不锈钢渣是炼不锈钢过程中产生的固体废弃物，吨不锈钢产生钢渣270～300 kg，国内年排放量接近1 000万t[1]。不锈钢渣主要化学组成为CaO、SiO2、Al2O3、MgO等，不锈钢渣经热焖、破碎、筛分和磁选等加工后，产生的不锈钢渣钢粒供炼钢厂利用，剩余的尾渣含有硅酸二钙（2CaO·SiO2）和硅酸三钙（3CaO·SiO2）等，与水泥熟料的矿物组成相似，具有水化胶凝性能[2-5]，游离氧化钙（f-CaO）含量也较多。不锈钢渣是在1 600 ℃的高温下形成的，硅酸盐矿物结晶完整，晶粒粗大，化学稳定性高，不易水化，f-CaO不易消解，造成不锈钢渣活性较低[6]、安定性不良等缺点，导致不锈钢渣在建材方面的利用率较低。本文主要研究不锈钢渣高温重构改性技术，在不锈钢渣中加入一定比例的改性剂（粉煤灰、水渣），使得高温下改性剂与不锈钢渣发生反应，调整钢渣的化学组成和物相组成，提高不锈钢渣胶凝活性。

1 不锈钢渣基本特性

1.1 化学组成

试验所用渣样为山西太钢不锈钢股份有限公司生产过程中产生的不锈钢渣，经分析，其化学组成如表1所示。不锈钢渣的SiO2和CaO含量较高，经测定，其碱度也较高，为1.69。

表1 不锈钢渣化学组成

1.2 物相组成

下面利用X射线衍射仪（XRD）分析不锈钢渣的物相组成，结果如图1所示。由图1可知，不锈钢渣的主要物相为镁蔷薇辉石（C3MS2）、硅酸二钙和钙镁橄榄石（C2MS）。

图1 不锈钢渣

2 不锈钢渣改性试验

试验原料为不锈钢渣、粉煤灰、水渣，主要改性剂有粉煤灰、水渣。粉煤灰、水渣的化学组成如表2所示。由表2可知，粉煤灰中SiO2、Al2O3的总含量较高，达到84.25%。水渣碱度低，SiO2、CaO的总含量达到71.6%。

表2 粉煤灰与水渣的化学组成

2.1 粉煤灰做改性剂

2.1.1 高温熔融改性试验

试验原料为不锈钢渣、粉煤灰，粉煤灰做改性剂，试验方案如表3所示。F代表粉煤灰，后面的数字代表粉煤灰的配比。先把不锈钢渣磨细（粒径小于1 mm），再配加粉煤灰，混匀，放入刚玉坩埚，再把刚玉坩埚放入高温箱式电阻炉，烧至1 500 ℃，保温0.5 h后取出冷却。粉煤灰配比分别为10%、15%和20%。

表3 粉煤灰改性条件下高温熔融试验方案

2.1.2 活性试验

检测配加粉煤灰高温改性后不锈钢渣的活性，按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）进行试样的配料、搅拌、成型、养护和测试。活性试验方案如表4所示。F代表粉煤灰，后面的数字代表粉煤灰的配比。共试验了5个方案，所有试验方案均以425水泥为基础材料。方案1仅使用425水泥，未添加不锈钢渣，方案2不锈钢渣样未配加粉煤灰，方案3不锈钢渣样配加10%粉煤灰，方案4不锈钢渣样配加15%粉煤灰，方案5不锈钢渣样配加20%粉煤灰。配加粉煤灰条件下，不同试验方案的不锈钢渣28 d活性指数如图2所示。由图2可知，随着粉煤灰配比增大，不锈钢渣活性指数降低，但是可满足用于水泥和混凝土的钢渣粉活性要求。

图2 配加粉煤灰条件下不锈钢渣28 d活性指数

表4 粉煤灰改性条件下活性试验方案

2.1.3 f-CaO含量

不锈钢渣配加粉煤灰改性后，其f-CaO含量如表5所示。由表5可知，随着粉煤灰配比增加，不锈钢渣f-CaO含量降低。粉煤灰配比为15%时，不锈钢渣f-CaO含量为2.61%，粉煤灰配比为20%时，不锈钢渣f-CaO含量为1.23%，满足用于水泥和混凝土的相关钢渣粉标准要求（f-CaO含量小于4%）

表5 粉煤灰改性条件下不锈钢渣f-CaO含量

2.1.4 配加粉煤灰的不锈钢渣物相组成

下面分析配加10%、15%、20%粉煤灰的不锈钢渣物相组成，如图3所示。

图3 添加不同配比粉煤灰的不锈钢渣物相组成

由图3可知，配加10%粉煤灰，不锈钢渣主要物相为镁蔷薇辉石和一铝酸钙（CaO·Al2O3）。配加15%、20%粉煤灰，不锈钢渣主要物相为玻璃体。但由于这种玻璃体碱度高，水泥水化逐步释放氢氧化钙，系统也为碱性，反应不能相互促进，因此活性较低。

2.2 水渣做改性剂

2.2.1 高温熔融改性试验

高温熔融试验方案如表6所示。用不锈钢渣和水渣做试验，水渣做改性剂。S代表水渣，后面的数字代表水渣的配比。把不锈钢渣磨细（粒径小于1 mm），再配加水渣，混匀，放入刚玉坩埚，然后把刚玉坩埚放入高温箱式电阻炉，烧至1 500 ℃，保温0.5 h后取出冷却。水渣配比分别为10%、20%、25%和30%。

表6 水渣改性条件下高温熔融试验方案

2.2.2 活性试验

按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）进行试样的配料、搅拌、成型、养护和测试。活性试验方案如表7所示。S代表水渣，后面的数字代表水渣的配比。共试验了5个方案，所有试验方案均以425水泥为基础材料。方案1不锈钢渣样未配加水渣，方案2不锈钢渣样配加10%水渣，方案3不锈钢渣样配加20%水渣，方案4不锈钢渣样配加25%水渣，方案5不锈钢渣样配加30%水渣。配加水渣条件下，不同试验方案的不锈钢渣28 d活性指数如图4所示。

表7 水渣改性条件下活性试验方案

由图4可知，随着水渣配比增大，不锈钢渣28 d活性指数先增加后降低，水渣的最佳配比为10%～20%。方案2水渣配比为10%，相比方案1，其不锈钢渣28 d活性指数增加，达到85.24%；方案3水渣配比为20%，不锈钢渣28 d活性指数达到83.14%；方案4水渣配比为25%，不锈钢渣28 d活性指数为79.45%；方案5水渣配比为30%，不锈钢渣28 d活性指数降低至70.84%。

图4 配加水渣条件下不锈钢渣28 d活性指数

2.2.3 f-CaO含量

不锈钢渣改性后，其f-CaO含量如表8所示。由表8可知，配加水渣，可降低不锈钢渣中f-CaO含量。水渣配比分别为10%、20%、25%、30%时，不锈钢渣f-CaO含量都小于3%，满足用于水泥和混凝土的相关钢渣粉标准要求（f-CaO含量小于4%）。

表8 水渣改性条件下不锈钢渣f-CaO含量

2.2.4 物相组成

下面利用X射线衍射仪分析各试验方案的物相组成，如图5所示。由图5可知，随着水渣配比增加，镁蔷薇辉石晶体峰值由2 000降为1 400，晶体含量降低。配加10%～20%水渣，镁蔷薇辉石晶体峰值为1 800～2 000，含量较多，且镁蔷薇辉石自身强度较高，这可能是造成不锈钢渣活性指数较高的原因。

图5 添加不同配比水渣的不锈钢渣物相组成

3 结论

不锈钢渣的主要物相为镁蔷薇辉石、硅酸二钙和钙镁橄榄石。研究表明，配加粉煤灰、水渣都可降低不锈钢渣中f-CaO含量。随着粉煤灰配比增大，不锈钢渣28 d活性指数降低，但是可满足用于水泥和混凝土的钢渣粉活性要求。随着水渣配比增大，不锈钢渣28 d活性指数先增加后降低，水渣高温改性不锈钢渣的最佳配比为10%～20%。