（机械工程专业论文）钢渣在建筑材料中的低成本应用研究.pdf

摘要 摘要 钢渣的矿物组成和形成过程决定了其结构特点。钢渣具有类似水泥熟料的 组成，但钢渣形成过程不同于水泥烧结过程，其胶凝活性低、安定性差、易磨 性差，这些特点严重制约了钢渣在建材行业的规模化利用。 避免钢渣的固有弊端，提高钢渣利用效率，最有效的方法就是改变钢渣的组 成或者形成过程，即从钢渣形成的源头治理。在炼钢工艺一定的情况下，就只有 在钢渣冷却粒化处理过程中，通过调整组分和工艺条件来改变钢渣组成和矿相形 成过程，即钢渣过程改质处理。钢渣过程改质处理充分利用钢渣自身高温热能及 成渣热补偿加入改质剂的热能损失，从而提高钢渣质量实现有效利用。 采用钢渣过程改质方法，在转炉出渣后的转炉渣粒化处理过程中通过调整 熔渣组分改变钢渣矿相及结构。在保持钢渣具有较高活性的前提下，将钢渣制 备成为具有优良的安定性和良好易磨性的高质量建材用钢渣。 本论文研究了典型钢渣粒化处理工艺风淬处理工艺和滚筒处理工艺工 艺过程及其相应钢渣的物化性能，从微观上揭示了钢渣的应用性能、矿相组 成、成分组成及处理工艺之间的关系，指出处理工艺参数的控制选择和钢渣成 分的调整是决定钢渣最终性能的关键因素。 通过高温炉静态改质试验、中频炉高温改质实验与现场高温改质试验，对 比几种不同改质剂的改质效果，确定了以粉煤灰为主的高温改质剂。在熔融态 下调整熔渣组分，冷却后，将改质钢渣经球磨机粉磨后，通过筛分实验分析改 质渣的粒度分布；测定f - c a o 含量，以及通过x r d 和矿相显微镜观察分析改 质钢渣的矿相。研究其在高温下成分改质对改善钢渣易磨性和稳定性的作用效 果和作用机理；通过水泥胶砂实验，研究钢渣的胶凝活性。 结果表明：钢渣过程改质解决了钢渣应用中的不稳定性和易磨性差问题， 并且提高了钢渣的活性。使钢渣的“大宗量、低成本”利用得到可能，从而达到 “以废治废”的效果，产生很好的经济效益，有利于发展循环经济和实现可持续 发展，意义重大。 关键词：钢渣，改质，风淬，稳定性，易磨性 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n s t r u c t i o nf e a t u r e so fs t e e l s l a gm a i n l yd e p e n do ni t s c h e m i c a lc o m p o s i t i o n a n df o r m a t i o np r o c e s s s t e e ls l a gh a st h es i m i l a rc o m p o n e n t sw i t hc e m e n tc l i n k e r , b u t t h ef o r m a t i o n p r o c e s so fs t e e ls l a gi sd i f f e r e n tf r o mc e m e n tc l i n k e r t h es t e e ls l a gh a s l o wc e m e n t i t i o u sr e a c t i v i t y , p o o rv o l u m es t a b i l i t y , a n db a dg r i n d a b i l i t y a l lo ft h e s e c h a r a c t e r i s t i c so b s t r u c tt h el a r g es c a l eu t i l i z a t i o no fs t e e ls l a gi nt h ea r e ao fb u i l d i n g m a t e r i a l s t oa v o i di n h e r e n td e f e c to fs t e e ls l a g ，a n dt oi n c r e a s es t e e ls l a gu t i l i z a t i o nr a t e ， t h em o s te f f e c t i v ew a yi st oc h a n g et h ec h e m i s t r yc o m p o s i t i o no rp r o c e s so ft h e f o r m a t i o n ，t h a ti st oa d o p tt h et r e a t m e n tm e t h o d sf r o mt h es o u r c e s ou n d e rt h e c i r c u m s t a n c e st h a tt h es t e e lm a k i n gp r o c e s si su n c h a n g e a b l e ，o n l yi nt h eg r a n u l a t i n g o fs t e e ls l a g ，t h ec h e m i s t r yc o m p o s i t i o no rp r o c e s so ft h ef o r m a t i o nc a nb ec h a n g e d b ya d j u s t i n gc o m p o n e n ta n dt e c h n o l o g c i a lc o n d i t i o n s ，t h i si st h ep r o c e s s i n gt e c h n i co f p r o c e s sm o d i f i c a t i o n t h et e c h n i co fp r o c e s sm o d i f i c a t i o nc a r lt a k ef u l la d v a n t a g eo f t h es t e es l a g sh e a te n e r g ya n di m p r o v et h eq u a l i t ya n di n c r e a s eu t i l i z a t i o nr a t eo f s t e e ls l a g t h em e t h o d so fp r o c e s sm o d i f i c a t i o nw e r ea d o p t e d a f t e rc o n v e r t e rs l a gt a p p i n g ， i nt h eg r a n u l a t i n go fs t e e ls l a g ，t h r o u g ha d j u s t m e n to fc h e m i s t r yc o m p o s i t i o nt o t r a n s f o r mc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fs l a g ，t h es t e e ls l a gw a si m p r o v e dt ob eh i g h q u a l i t yb l f i l d i n gm a t e r i a l sw i t hg o o dg r i n d a b i l i t ya n dv o l u m es t a b i l i t yi nt h ec a s eo f k e e p i n gt h eg o o da c t i v i t y t h i sp r o j e c tr e s e a r c h e st h et y p i c a lg r a n u l a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s so fs t e e ls l a g t e c h n i q u ep r o c e s so fa i rq u e n c ht r e a t m e n tp r o c e s sa n dr o t a r yc y l i n d e rt r e a t m e n t p r o c e s sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s t h er e l a t i o n s h i pa m o n g a p p l i c a t i o np e r f o r m a n c e ，c o m p o s i t i o no fm i n e r a lp h a s e ，c o m p o s i n gc o m p o n e n ta n d t r e a t m e n tp r o c e s sw a sr e v e a l e df r o mm i c r o s c o p i cv i e w t h ed e t e r m i n a n t so fs t e e ls l a g p e r f o r m a n c ei sc o n t r o l l i n go fp r o c e s sp a r a m e t e r sa n da d j u s t m e n to fc o m p o n e n t t h r o u g hs t a t i cm o d i f i c a t i o n i n h i g h - t e m p e r a t u r ef u r n a c e ，h i g h - t e m p e r a t u r e m o d i f i c a t i o ni ni ff u r n a c ea n dh i g h t e m p e r a t u r em o d i f i c a t i o no nf i e l d ，c o m p a r i s o no f i i 一些曼堡丝! 一一 一 s e v e r a ld i 伍e r e n tm o d i f f e r se f f e c to ft h e m o d i f i c a t i o n ，t h ef l ya s h i sd e t e r i l l m e da st h e m 撕o rc o n s t i t u e n to fm o d i f y i n ga g e n t a tm o l t e ns t a t e ，c o m p o n e n to f m o l t e ns l a gw a s a d j u s t e d a f t e rc o o l i n g ，s l a gw a sg r i n d e db ym e a n s o fb a l lm i l l ，趿a l y s i s l n gp a i t l c l e s i z ed i s t r i b u t i o no fm o d i f i e ds l a g sb ys c r e e n i n ge x p e r i m e n t ；t h ec o n t e n t o ff r e ec a o w a sm e a s 眦d t h ep h a s eo fm o d o f o c a t i o ns t e e ls l a gw a sa n a l y z e dt h r o u g ht h ex r d a n do r em i c r o s c o p e e f f e c ta n dm e c h a n i s mo fa c t i o nw h i c hi m p r o v et h es t a b l l 姆趾d 龇1 d a b i l i t yt h r o u g hh i g ht e m p e r a t u r ei n g r e d i e n tm o d i f yw a sr e s e a r c h e d w 兢t 1 1 i s m e t h o d t h ep r o b l e m so fi n s t a b i l i t ya n dg r i n d a b i l i t yw e r es o l v e d1 np r o c e s so fs t e e l s l a ga p p l i c a t i o n ；s t u d yo fs l a gc e m e n t i t i o u sa c t i v i t yb yc e m e n t m o r t a rt e s t t h er e s t i l t ss h o v 旧st h a t ，w i t ht h i sm e t h o d ，t h ep r o b l e m s o fi n s t a b i l i t ya n d 豇i n d a b i l i t yw e r es o l v e di np r o c e s so fs t e e ls l a ga p p l i c a t i o n ，a n d a l s oi n c r e a s e st h e a c t i v i t yo ft h es t e e ls l a g m a k e si ti sp o s s i b l ef o r “l a r g ev o l u m e a n d1 0 w - c o s t ”u s eo f s t e e ls l a g s 。s oa st oa c h i e v et h ee f f e c tt h a t ”g o v e mw a s t eb yw a s t e ”，c o m e sa b o u t g o o de c o n o m i cb e n e f i t s c o n d u c i v e t ot h ed e v e l o p m e n to fc i r c u l a re c o n o m ya n d a c h j e v e ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，a r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：c o n v e r t e rs l a g ，m o d i f i c a t i o n ，a i rq u e n c h ，g r i n d a b i l i t y , v o l u m es t a b i l i t y 1 引言 引言 钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其产量约为粗钢产量的1 1 2 1 。据不完 全统计，我国钢渣利用率仅约2 3 。大量钢渣的存放不仅占用大量土地，还对 渣场周围的环境造成严重污染。如何有效地使这些钢渣既能带来经济效益，又 能起到良好的环境保护成为了目前钢渣研究的重要课题。因此，将钢渣作为二 次资源进行开发利用一直是国内外环保工作者的重要研究内容，也是钢铁企业 发展循环经济，实现可持续发展的必然趋势。 国内外对转炉钢渣综合利用的研究已持续半个多世纪，其发展可大致分为 四个阶段： 1 、2 0 世纪6 0 年代前，钢渣主要用于铺路或废弃，利用率很低、环境污染 大。 2 、2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代，着眼于经济利益的利用，例如制造钢渣水 泥、提钒等，对钢渣的综合利用还属于区域性行为； 3 、2 0 世纪8 0 年代后，发达国家开始强调环境效益与生态效益，成立了各 类钢渣公司，并制定强制性法规，重视钢渣的综合利用； 4 、自2 0 世纪9 0 年代中期以来，钢渣的综合利用进入了着重资源利用、生 态平衡与环境协调、可持续发展的全球一体化阶段。主要着重钢渣的循环再生 利用，增加钢渣的附加值。 钢渣综合利用包括两个环节，其一是钢渣处理；其二为处理后的钢渣利 用。其中钢渣处理技术主要有闷渣法、热泼法、滚筒法、风淬法等。钢渣的利 用方式可分为综合利用和无害化处理两大类。无害化处理对钢渣的利用率很 低，其利用方式为，例如，将热态钢渣喷水，进行消化后，磁选分离夹带的渣 钢，残渣用于铺路或建筑回填；若对钢渣进行综合利用达到较高利用率，一般 是先回收渣中有价元素( 如铁、钒、钛等) ，钢渣中含铁量约1 1 ，然后根据 尾渣的成分不同，可用于农业用肥( 如富磷钢渣) ，用作烧结矿溶剂( c a o 含 量较高的钢渣) 、或用作水泥和低价值建筑材料。 这些处理方法基本代表了国内外钢渣处理工艺水平和发展方向。但普遍存 在的问题是： 1 、低价值或经济负效益利用，造成浪费和环境压力； 1 引言 2 、无法再生、循环使用，未能进行综合利用； 3 、较好的利用方式往往都规模较小，局限于小范围的利用。 4 、钢渣处理和利用工艺不完善，存在一些不足之处。 2 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 钢渣的形成过程及分类 1 1 1 钢渣的形成 钢渣：是炼钢过程中排出的废渣。 研究钢渣，首先必须对钢渣的形成过程、钢渣的物理、化学性质，钢渣中 主要的矿物和矿物的活性以及钢渣的加工工艺有充分的了解和认识。 炼钢的原料主要是铁水和废钢，将原料装入炼钢炉中，其中吹炼温度高达 1 6 5 04 c 左右。炼钢的主要目的是调整原料中的c 、s i 、m n ，并尽量去除s 、p 等有害元素。炼钢过程就是利用空气或氧气去除炉料中的碳、硅、锰、磷等元 素，并在高温下与熔剂反应，形成熔渣。钢渣就是炼钢过程排出的熔渣。炼钢 过程中加入石灰石、白云石和铁矿石等冶炼熔剂以及造渣材料后，从高温下融 化成2 个互不熔解的液相炉料中分离出来的杂质即为钢渣的主要成分。钢渣的 形成温度在15 0 0 17 0 0 。c ，高温下呈液体状态，缓慢冷却后呈块状或粉状。 1 1 2 钢渣的分类 钢渣按炼钢方法分，可分为转炉钢渣、电炉钢渣和平炉钢渣目前我国转炉 炼钢的比例已达8 5 以上，因此钢渣以转炉钢渣为主，因而，转炉钢渣的处理 和利用是钢渣综合利用的重点。 1 2 钢渣利用现状及局限性 钢渣的利用途径大致可分为内循环和外循环，内循环指钢渣在钢铁企业内 部利用，作为烧结矿的原料和炼钢的返回料。钢渣的外循环主要是指用于建筑 建材行业，做水泥原料、混凝土预制件、铺路等。 1 2 1 国外钢渣利用现状 1 ) 国外钢渣利用情况 发达国家如欧美、日本钢渣利用开展比较早，对钢渣的利用率较高。 3 第1 章文献综述 澳二长利亚钢渣利用率达8 5 1 0 0 ，加拿大钢渣利用率达6 0 1 0 0 ，韩国钢 渣利用率约5 5 ，美国钢渣利用率达6 2 1 0 0 ，日本钢渣利用率达9 2 1 0 0 ， 德国钢渣利用率达9 5 1 0 0 ，印度钢渣利用率约7 0 9 0 ， 2 ) 欧洲钢渣综合利用情况 在欧洲7 0 8 0 的钢渣用于水泥生产和道路建设，只有不到5 的钢渣堆积 处理，利用率非常高，见图1 1 。 水泥 道路水力肥料内循环存储堆积其它 图1 1 欧洲钢渣利用情况 1 2 2 国内钢渣利用现状 近年来我国经济的快速发展，房地产业、基础建设加大投资和建设，钢铁 需求加大，钢铁工业产量也不断提高。2 0 1 1 年全国钢铁产量己达到6 8 3 亿吨， 而炼钢生产中，每生产1 吨钢要排出约0 1 1 0 1 2 吨钢渣，也就是说去年全国产 生钢渣约7 0 0 0 万吨。目前我国钢铁渣的综合利用率仅为6 0 左右，而钢渣的 综合利用率更低，仅为2 0 ，因此提高钢铁渣利用率是我国钢铁企业一项紧迫 而艰巨的：工作。 1 ) 钢渣的内部循环利用 a 作烧结助熔剂 b 作高炉熔剂 但由二f 目前高炉利用高碱度烧结矿或熔剂性烧结矿，基本上不加石灰石， 所以钢渣直接返回高炉代替石灰石的用量将受到限制。 2 ) 钢渣的外部循环利用 4 蛎如i蛊鲫筋加坫加5 o 第1 章文献综述 a 钢渣在基础建设中的应用 钢渣代替淬石和细骨料具有材料性能好、强度高、自然级配好的特点。国 内外均有广泛的实践。 b 生产钢渣水泥 由于钢渣中含有和水泥类似的硅酸三钙( c 2 s ) 、硅酸二钙( c 3 s ) 及铁铝酸盐等 活性矿物，因此可成为生产无熟料或少熟料水泥的原料，也可作为水泥掺合 料。 c 钢渣用于农业 d 钢渣微粉做混凝土的掺加料 e 钢渣做砖、瓦、砌块及混凝土的预制件 所以，将转炉钢渣资源化，并最大程度地实现其再生与循环利用，彻底解 决转炉钢渣占地大、污染环境等问题，必须首先对无害化处理后钢渣的理化特 性、行为、利用方式等先行展开相应的基础研究。 综合上述一些钢渣的利用方法，认为转炉渣用于道路建设和制造钢渣水泥 时，钢渣中的f - c a o 是有害的物质；但是对于钢渣作烧结助熔剂和高炉熔剂 时，c a o 又是主要利用对象。若运用一些选矿技术将转炉渣中富石灰相和其它 物相有效分离，再分别利用，则可初步实现钢渣的全组分综合利用。 3 ) 我国钢渣综合利用基本现状 我国钢渣综合利用率还很低下，大约8 2 的钢渣被堆置弃用，不但浪费土 地而且污染环境。 堆置建材烧结、炼铁金属回收其它 图1 2 我国钢渣综合利用情况 5 踟阳印如加如0 第1 章文献综述 1 2 3 钢渣利用的局限性及今后发展方向 我国由于一些技术因素，钢渣利用率还较低，我们应当做好一些研究工 作： 1 ) 钢渣利用的最大制约因素是钢渣的后期不稳定性，这主要是钢渣中含有 少量的游离氧化钙( f - c a o ) ，造成在道路工程和建材方面应用受到一定影响， 我们需要进一步加大这方面的研究。 2 ) 钢渣作生产原料时，由于钢渣普遍难磨，增加了能耗，不利于钢渣的低 成本利用，我们将加强提高钢渣易磨性方面的研究； 3 ) 钢渣的推广应用过程中，有不少用户感到对钢渣有一种恐惧的心理，这 就需要我们加大对钢渣应用的不断试验，让时间来检验我们的研究，从而进一 步推广我们的技术。 4 ) 钢渣的应用还受到运输距离的制约，运输距离太远时，钢渣就没有竞争 力。所以将更多的精力和力量集中到钢渣在化学领域的应用研究，这样会增加 钢渣的附加值，最重要的是解决了运输距离的制约问题。 5 ) 钢渣的应用还依赖于钢渣的处理技术的发展，我们还要进一步加大钢渣 处理技术方面的投入，使我国的钢渣利用有更大的进步。 1 3 钢渣的性质 1 3 1 钢渣的物理性能 1 ) 外观 在硬钢渣中，初期渣呈黑色，质轻，气孔较多；精练渣呈黑灰色，质坚 硬；后期渣呈灰色或灰褐色，质密实。精炼渣，后期渣易出现粉化现象。 初期渣呈亮黑色，颗粒较小( 8 m m ) 。 2 ) 容重 初期渣的松散容重为1 2 0 0 1 6 0 0 公斤立方米。 精炼渣和后期的松散容重为1 4 0 0 1 9 0 0 公斤立方米。 块状钢渣的松散容重和粒度有关。当粒度小于5 时，其容重为1 6 0 0 1 7 0 0 公斤立方米；当粒度为5 2 0 时，其容重为1 5 0 0 1 6 0 0 公斤立方米。 3 ) 含水率 6 第1 章文献综述 一般来说，钢渣质地坚硬，密实，自然含水率较低。钢渣自然含水率2 1 - 6 2 ；块状钢渣的自然含水率低于4 9 。 4 ) 钢渣的易磨性 当钢渣用于作水泥原料和农业肥料时，需要经过粉磨。易磨性是指物料粉 磨时的难易程度。易磨性可用相对易磨系数表示，将物料与标准砂在相同条件 下粉磨，所得比表面积之比即为相对易磨系数。在钢渣制作胶凝材料时，常用 耐磨性指数或磨耗功指数衡量其易磨程度。磨耗功指数是设想将理论上无限大 的某一物料磨到8 0 通到o 1 m m 筛孔的产品时所做的功。 若把标准砂的耐磨指数作为1 ，则高炉渣为1 0 4 ，钢渣为1 4 3 。钢渣比高 炉渣、熟料和标准砂都难磨，这是由于钢渣结构致密和它的矿物组成所决定 的。钢渣致密，因此难磨。钢渣中f e 和m n 的含量高，生成的矿物和固熔体一 般比硅酸盐难磨。钢渣难磨除金属颗粒本身比较难磨外，由于f e 、m n 离子具 有极化能力，对氧有很大的亲和力，因此氧离子能脱离正硅酸钙( 锰) 四面体 破坏正硅酸盐结构，使四面体互相链接起来，生成巨大而复杂的硅氧团，从而 降低了钢渣的易磨性。从矿物硬度来分析，熟料以硅酸三钙为主要矿物( 占总 矿物的6 0 左右) ，其莫氏硬度小于5 ；而钢渣以硅酸二钙和蔷薇辉石为主要矿 物，其莫氏硬度分别为5 “，6 7 ，均比硅酸三钙硬度大。因而钢渣的易磨性 差。 钢渣不仅硬度高，而且韧性也大，这就造成了钢渣的磨蚀性大，易磨性 差。同时，由于钢渣中含有部分铁粒，更加大了其磨蚀性。因此钢渣用于生产 水泥，会降低水泥磨的成本和生产能力。 但钢渣的高耐磨性在钢渣粉配制混凝土中，可以配制高性能混凝土，使混 凝土具有高耐磨性、高抗折强度、高韧性等优点。另外在钢渣骨料路面应用 中，钢渣路面比天然硬质岩抗磨性和防滑性都好。而且钢渣还具有良好的抗压 性，压碎值为2 0 4 3 0 8 。 表1 1 不同物料的易磨性比较 指标 扬料 块状钢渣淬化钢渣水泥熟料高炉水渣 粉磨3 0 分钟时比表面( c m g ) 2 6 9 33 6 0 43 8 9 44 2 8 1 粉磨6 0 分钟时比表面( c m g ) 4 3 4 6 5 3 6 16 0 6 15 9 2 1 相同细度时单位能量的消 7 第1 章文献综述 1 3 2 钢渣的化学性质 1 ) 胶凝活性 钢渣本身所具有的潜在胶凝活性是其应用于水泥、混凝土领域的价值所 在。钢渣的胶凝活性来源于其含有的硅酸盐、铝酸盐及铁铝酸盐等矿物。当钢 渣碱度大于1 8 时，便含有6 0 一8 0 的c 2 s 一硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) 和c 3 s 硅 酸三钙( 3c a o s i 0 2 ) 、，随着碱度的增大，c 3 s 含量增多；当碱度达到2 5 时，钢渣主要矿物为c a 3 s i 0 4 。用碱度高于2 5 的钢渣与1 0 的石膏研磨，其强 度可达4 , 2 5 # 水泥强度。因此高碱度钢渣可作水泥生产原料和制造建材制品。 钢渣中的矿物基本上都是呈固溶状态存在，如c 3 s ( 也有称为a 矿固溶体 的) ，一般转炉渣中含有相当数量的c 2 s 矿物( 即b 矿固溶体) 。转炉钢渣具 有水硬胶凝性，就是因为转炉钢渣含有c 3 s 、c 2 s 等水硬性矿物，其中c 3 s 具 有较高的早期与后期强度，c 2 s 早期强度较低，但后期强度较高。因此，转炉 钢渣具有水硬胶凝性。钢渣颗粒越细水硬胶凝性发挥的越充分，与水泥熟料相 比，钢渣中c 3 s 和c 2 s 含量低且固溶了一些其它成分，形成固溶体，因此水硬 性发展缓慢，也较低，其早期强度较低。钢渣含有少量p 2 0 5 ，p 2 0 5 会降低钢渣 活性。 2 ) 安定性 体积安定性是钢渣用于水泥和混凝土行业时需要考虑的重要因素之一。钢 渣中含有较多的游离c a o ，m g o ，f e o 等，特别是f - c a o ，f - m g o 水化后易产 生体积膨胀，被认为是影响钢渣安定性的主要因素。 钢渣中含有的游离c a o ，m g o 与水接触发生如下反应： c a o + h 2 0 - - * c a ( ：o h ) 2 m g o + h 2 0 - - - ，m g ( o h ) 2 c a o 与h 2 0 反应生成c a ( o h ) 2 时，固体体积增大到1 9 8 倍，m g o 与h 2 0 反应生成m g ( o h ) 2 时，固体体积增大到2 4 8 倍。因此，钢渣中的c a o 和m g o 可能会引起致命的体积膨胀，从而导致钢渣产品的开裂影响产品质量和安全， 抑制了钢渣在水泥和混凝土行业的大规模推广应用。 1 4 各种钢渣预处理工艺介绍 目前国内外钢渣优化处理工艺主要有闷渣法、热泼法、滚筒法、风淬法等。 8 第1 章文献综述 1 4 1 热泼法 目前武钢、梅钢、鞍钢等炼钢厂均采用该方法，如图1 3 所示。 图1 3 梅钢渣场热泼处理工艺流程一倒渣，洒水 1 4 2 闷罐法 闷罐法是把从转炉出来的高温钢渣倒在渣坑中，当钢渣冷却到6 0 0 时，装 入翻斗汽车运至闷罐车间，倒入闷罐内，盖上罐盖，间断地向热渣喷水，使罐内产 生大量蒸汽，与钢渣产生复杂的物理化学反应，使钢渣在闷罐内充分淬化、冷却。 其原理为利用高温液态渣遇水产生物理应力作用和f - c a o 、游离氧化镁的水解 作用使钢渣淬裂。钢渣的淬裂减少了钢渣的不稳定性，提高了钢渣的活性。该 方法处理流程为：钢渣冷却运入闷罐装置喷水淬化设备出渣钢渣筛分磁选回 收，如图1 4 所示。主要设备为渣池、铲运机、闷罐、注水设施、运输设备、 破碎设备、磁选设备等，目前国内有鞍钢、上钢五厂、首钢、涟钢、宝钢、韶 钢等钢厂使用该方法。 9 第1 章文献综述 图1 4 闷渣工艺处理图 1 4 3 滚筒法 2 0 0 6 年韶钢建立了滚筒渣处理生产线，滚筒法工艺流程如图1 5 和1 6 所。由于在滚筒工艺中，钢渣固化、破碎同时完成，省去了传统钢渣处理工艺 的堆放陈化和多级破碎、分选，因此工艺流程简洁，占地面积较小。目前使用 该法的有宝钢、韶钢等钢厂。 图1 5 滚筒钢渣生产工艺流程 1 行车；2 渣罐；3 一水池；4 水系统；5 滚简装置；乒卅陛风机； 7 一除尘风；8 烟囱；喊板输送机 图1 6 滚筒渣处理工艺 1 0 第1 章文献综述 1 4 4 风淬法 风淬法是用压缩空气作为介质，当熔融态钢渣从渣罐的流渣槽流下时，槽 口下方吹出的高压空气将其吹散落入下方水池，渣粒遇水急冷形成6 m m 以下 的颗粒沉于池底冷却至室温，再用抓斗将池中钢渣抓出吊运到旁边的堆渣场堆 积、滤水、磁选后装车运往烧结厂和水泥厂重新利用。由于该处理法是将液态 钢渣在空气中粒化成细小液滴，并飞行一段距离变成半固态渣粒之后，落入水 池内冷却，强化了f - c a o 的消解反应，因此从根本上解决了高温液态钢渣遇水 爆炸的问题，同时也解决了大颗粒石灰难以消解的问题，其简易的工艺流程如 图1 7 1 2 6 。 型塑生回j 墅婴坠匝一 工作压力 压缩空气或氮 - - - - - - 水池 l ，、 7 、， 循环水泵 抓斗将水池中钢渣抓出 图1 7 钢渣风淬处理简易工艺流程 由于液态钢渣和钢水的表面张力不同，风淬过程可使渣铁得到很好的分 离，固态渣和钢都呈球型细小颗粒，渣包钢的情况不会出现，风淬后经过简单 的磁选便能使渣铁分离，回收渣中的金属铁，并同时降低钢渣的研磨能耗，节 约了成本。 风淬工艺是钢渣预处理的一种重要工艺，目前采用该工艺的国内钢厂也比 较多，像宝钢、韶钢、韶钢等钢厂有这种工艺。通过观察韶钢钢风淬工艺现 场，可以简单的概括一下其工艺流程。图1 7 风淬工艺现场图片，图1 8 是风淬 钢渣处理工艺示意图。 第1 章文献综述 图1 8 风淬工艺现场 图1 9 风淬渣处理工艺示意图 1 4 5 风淬热闷法 钢渣进行了风淬工艺后接着进行闷罐处理。 1 4 6 常用处理工艺 目前国内常用的钢渣处理较好的方法有闷罐法、滚筒法、风淬法和风淬热 闷法。几种工艺各有各的特点和优缺点，经过对几种处理工艺后的钢渣进行技 术分析。得出技术指标如表1 2 ： 1 2 第1 章文献综述 从以上技术指标和处理流程可以看出，滚筒法具有设备简单，方法简便， 钢渣稳定性较好、环境污染小等特点；风淬法存在占地少，安全性能高，粒化 程度高、磁选提高率高等优点；闷罐法具有处理简单、节能降耗、钢渣稳定性 好、活性提高、处理能力大、金属回收率高、环境污染小等优点。对于流动性 好的钢渣，风淬法具有优势，对于流动性差的钢渣，闷罐法处理工艺比较合 适。风淬热闷法结合了闷罐法和风淬法的优点。 1 5 钢渣的几种处理办法 钢渣的化学组成与水泥熟料相似，是一种具有潜在活性的胶凝材料，但由于钢 渣中含有大量的f - c a o 、f - m g o 等不稳定物质，容易产生体积膨胀，所以钢渣水 泥存在严重的安定性问题。一般可采取以下办法： 1 5 1 添加调质材料 钢渣水泥中掺入尾矿、煤矸石和粉煤灰等硅质材料，能够有效提高钢渣水 泥的强度。使用硅质材料对钢渣进行改质的原理均是利用s i 0 2 与c a o 在高温 下进行化学反应，生成硅酸钙类( c 3 s ，c 2 s ) 产物，可有效降低钢渣中f - c a o 的含量。 相关研究表明【2 9 1 ，将钢渣与粉煤灰以一定量的质量比混合，加人适量的矿 化剂，经8 5 0 锻烧8 5 r a i n 。x r d 分析表明，调质后钢渣中的f - c a o 衍射峰基 本消失，同时有2 c 2 s c a f ，c a ，c 1 2 a 7 ，c 2 a s 等新矿物衍射峰出现。该措施 不仅解决了钢渣的安定性，亦因c a 、c 1 2 a 7 等矿物的生成提高了钢渣的活性。 1 5 2 控制碱度 f - c a o 的水化很大程度上受液相碱度的影响。合理控制熟料与钢渣的配比 1 气 第1 章文献综述 以获得理想的液相碱度，使其既能激发钢渣的潜在活性，又能消解钢渣中f c a o 。有研究表明熟料3 0 3 5 ，配比钢渣3 0 3 7 左右、2 4 3 0 的煤灰粉、 5 1 的石膏和2 6 的添加剂制作的钢渣水泥其抗压强度、抗剪强度等性能可达 到4 2 。5 国标性能。 1 5 3 陈化钢渣 将钢渣在渣场堆放，经风吹雨打自然陈化。 1 5 4 闷渣 对钢渣进行预处理后再采用闷渣的方法对钢渣进行处理。 1 5 5 机械力改质 机械力化学改质是利用粉淬过程中产生的机械力化学活化效应使改质剂分 子与颗粒的表面包覆改质处理。固体颗粒在粉淬机械力作用下，在发生量变的 同时也发生了质变。量变是指固体颗粒在微细化过程中，粒径、比表面积的不 断变化，而质变是指固体颗粒的物理化学性质的改变、内部结构的变化、化学 反应活性的增强等。 由机械力引起的物料结构变化和物理化学性质变化的现象，就是粉体的机 械力化学效应。粉磨过程中颗粒产生的新鲜表面具有不饱和价键和带电结构单 元，加上能量富集，使粉体表面具有高活性，可强化表面改质剂在粉体表面的 吸附、附着和化学反应，有利于表面改质。 1 5 6 采用先进炼钢工艺 为降低钢渣中的f - m g o 含量，尽量不用白云石或方镁石作为造渣料，在钢 渣预处理时选用合适的处理工艺。 以上研究主要局限于降低熔渣中的游离氧化钙含量，缺乏对钢渣改善易磨 性、增强活性的系统研究，对熔渣结构变化的分析也尚不深入，因此，目前还 没有形成一套成熟理论来指导钢渣的改质过程。上述大部分改质技术主要集中 在钢厂粒化处理后的改质处理上，没有从源头上采取措施，只对钢渣某种性能 进行改质：处理，所以其改质程度有限。在此背景下本文提出了钢渣的过程改质 处理技术。即在钢渣熔融状态下对钢渣进行改质处理，实现钢渣在建材等领域 的大宗低成本利用，在大量消纳钢铁废渣的同时实现高性能、高附加值、低成 1 4 第1 章文献综述 本的钢渣制品的开发。经过过程改质处理的钢渣在应用性上将具有极高的价 值，钢渣的一些性能缺陷改质后将极大的提高钢渣的利用率，减少废弃率，使 钢渣成为建材等行业争相购买应用的高质量、低成本、低能耗的原料产品，达 到既经济又环保的目的。 1 6 本论文的研究内容及其意义 1 6 1 主要研究内容 1 ) 钢渣的化学成分、矿物组成及不同矿物相在钢渣中的赋存形态； 2 ) 钢渣在淬化、冷凝过程中矿物析出行为、规律，风淬钢渣基本结构特 征、时效稳定性及其相应时效相转变与化学活性、结构特性变化的关系，基于 前述，确定获得所期望淬化钢渣理化特性的工艺； 3 ) 钢渣和改质钢渣的物理化学性能研究，研究改质前后钢渣的物化性能改 变情况，提高钢渣的易磨性和稳定性，增加钢渣的活性以利于钢渣在水泥和混 凝土行业的大规模利用； 4 ) 在上述研究的基础上添加改质剂，探索改质剂的加入方式、加入量、种 类等对钢渣改质后的各项指标的影响规律，确定钢渣稳定化工艺措旖，实现钢 渣真正意义上的性能稳定、活性稳定； 5 ) 研究稳定后的淬化渣部分掺入混凝土和建筑砌块的应用效果，开发风淬 钢渣在建筑领域的应用技术，为今后产业化奠定前期基础。 1 6 2 研究方法及技术路线 本项目采用现场试验结合实验室的手段，具体的研究方法为： 1 ) 采用s e m 、x r d 、e d s 、矿相显微镜等测试手段分析确定钢渣的矿物 组成、矿物的化学组成，明确硅酸盐的存在行为，通过不同时间条件下测定硅 酸盐时效分相，确定硅酸盐游离析出f - c a o 的作用机制； 2 ) 采用粒度分析仪测定风淬钢渣的粒度分布、并采用化学分析、现代物理 测试手段测定钢渣中各元素矿物组分的变化规律； 3 ) 按照g b t 1 8 0 4 6 的要求，以不同比表面积的钢渣粉与熟料粉及5 石 膏粉混合，配制，测定其胶砂强度，与未掺钢渣粉的水泥强度相比较，测定不同 比表面积的钢渣粉的活性指数，以此标定风淬钢渣的水化活性； 1 5 第1 章文献综述 4 ) 采用袋装改质剂直接投入渣罐，利用钢渣自身的显热进行高温改质，确 定风淬闷渣改质钢渣性能的影响规律； 5 ) 利用稳定化的钢渣实验室生产1 2 种建筑产品，建筑砌块和混凝土预制 板，采用压力机测定其强度，并用导热仪测定导热系数等。 图1 1 0 论文技术路线图 可行性分析： 转炉钢渣由于其化学成分及矿物组成与硅酸盐水泥孰料的化学成分及矿物 组成有些接近，因此，从理论上分析可以得出：钢渣在水泥和混泥土等建材行 业的应用是有前景和可行的，而且通过提高钢渣处理温度可促进钢渣中未熔石 灰的溶解，加入改质剂可降低钢渣碱度，可抑制钢渣中硅酸三钙的形成，通过 钢渣高温改质可控制钢渣中石灰的存在行为，能够控制好钢渣的稳定性和高活 性。 1 6 3 创新点及意义 1 ) 钢渣改质技术创新点： f l 实现直接配料返回烧结内循环利用，探索出生产中最优配料比； b 钢渣在外循环利用上，原来普遍的是用于回填、路：基，本项目的研究使 钢渣得以做细集料在水泥路面混凝土、沥青路面混凝土、混凝土预制件中利 用，降低了建筑成本，提高了钢渣的附加值，并使路面混凝土及混凝土预制件 的强度等质量指标比黄砂混凝土高； c 探索出了钢渣做水泥、混凝土掺和料的合理技术途径； 1 6 第1 章文献综述 论文的预期成果是控制好钢渣的稳定性，使钢渣经合适的风淬闷渣处理工 艺和高温调质处理后得到好的易磨性、高稳定性和高活性。这一成果将实现了 风淬钢渣低成本用作建筑材料的潜在资源，可作为建筑材料的直接原料。 2 ) 钢渣改质的意义： 本论文的研究技术可影响到水泥、建筑、冶金等行业的发展，不仅消除目 前钢渣利用难的问题，也可产生一定的经济效益。目前高炉渣应用于水泥行业 的技术己较成熟，钢渣与高炉渣的性能某些方面有相似之处，采用本项目的处 理技术，可实现钢渣在水泥等行业中的应用。 如在水泥行业的应用：4 2 5 水泥价格现价5 2 0 元吨左右，若掺如量为 3 0 代替熟料，可产生1 5 0 元吨的价值，除去钢渣的加工成本费用，至少可有 6 0 多元吨的价值，以此计算，2 0 1 1 年约8 3 0 0 万吨的钢渣，可实现效益达5 0 多亿元。在建筑材料方面更有广泛用途，钢渣具有独有的性能，优良的强度、 活性、保温、隔热、隔音，若采用钢渣作建筑材料的替代原料，如建筑砌块、 轻质保温砖、混凝土可使原有质量有一定的提升。 综上所述，实现钢渣的低成本利用特别是在建筑材料中的低成本应用是有 广大的市场，可解决钢渣的堆存、环境污染等问题，对于节能降耗、节约资 源、保护环境具有重要意义，有较高的经济效益和社会效益。 1 7 第2 章钢渣高温改质可行性基础研究 第2 章钢渣高温改质可行性基础研究 现有研究大部分改质技术主要集中在钢厂钢渣处理后的改质处理上，没有 从处理源头过程中采取措施，或者是将一些改质技术将处理后的钢渣加入添加 料后重熔，需消耗大量的能量。所以采取在钢渣处理过程中进行钢渣改质是十 分必要的，熔融钢渣的过程改质不仅节省了大量的热能，而且简化了钢渣资源 化的流程，虽不能一步直接获得钢渣产品，但在成分和性能上要接近钢渣产 品，由熔融钢渣直接获得高附加值的产品。 2 1 钢渣易磨性改质研究 钢渣细度在钢渣在建材行业中具有重要的意义。 大量的试验中发现，钢渣水泥的细度对水泥的强度有很大的影响。细度越 大，水泥强度越高，特别是对水泥的早期强度有明显的改善。这是因为粉磨过 程不仅是颗粒减少的过程，还伴随着晶体结构及物化性质的变化。粉磨能量中 一部分转化为物料新颗粒的内能和表面能，同时产生晶体晶格的位错、缺陷或 在表面形成易溶于水的非晶态结构，加速水化反应。一般钢渣水泥的细度控制 比硅酸盐水泥要严，必须在3 5 0 m 2 k g 以上，筛余不得超过8 。 同时钢渣经过细磨后，颗粒减小，具有膨胀特性的固溶体态游离石灰相和 方镁石榈水化速度加快，与硅酸盐相水化速度能基本同步，不会在水泥的硬化 浆体中造成膨胀，就是说通过微粉化途径可以解决尾渣做水泥、混凝土的安定 性问题。 人们的研究重点往往侧重在水泥粉磨设备上的改进却很少关注钢渣自身性 能的提高上。论文针对钢渣在水泥行业和钢渣粉磨过程中钢渣易磨性差的问 题，将对影响钢渣易磨性的各种因素进行分析并找出钢渣粉磨过程中易磨性差 的最佳解决方法。 钢渣中的铁质虽经多次破淬分选、回收，但不可能完全分选干净。致使钢 渣中铁和锰的含量高，生成的矿物和固熔体一般比硅酸盐难磨。除金属颗粒本 身比较难磨外，由于铁、锰离子具有极化能力，对氧有很大的亲和力，因此氧 离子能脱离正硅酸钙( 锰) 四面体破坏正硅酸盐结构，使四面体互相链接起 1 8 第2 章钢渣高温改质可行性基础研究 来，生成巨大而复杂的硅氧团，从而降低其易磨性。钢渣在粉磨过程中，包裹 于钢渣中的铁粒被逐渐剥离，形成金属颗粒聚集在磨内，严重地影响磨机的粉 磨效率，增加衬板和研磨体的消耗，使粉磨状况恶化，而导致磨机低产、高 耗。 同时影响钢渣易磨性的还有冷却速度，冷却速度决定着钢渣晶粒大小，气 孔疏松度及其矿相形成。冷却速度快晶粒尺寸相对较小且气孔较多，结构强度 较小，钢渣较易完成体积粉淬且较易进一