转炉钢渣中物相易磨性及胶凝性的差异

1、转炉钢渣中物相易磨性及胶凝性的差异侯贵华1,李伟峰2,王京刚2(1. 江苏省生态环境材料重点建设实验室,盐城工学院,江苏盐城 224003;2. 北京化工大学化学工程学院,北京 100029摘要:将钢渣粉磨后分级,得到7种不同粒径的试样,用X射线衍射仪分析了它们的矿物成分,研究了粗粒子试样在硅酸钠作用下的胶凝性,并以矿渣为参比样,比较研究了钢渣细粉与矿渣易磨性及胶凝性的差异,用扫描电子显微镜及X射线能谱仪分析了钢渣中硅酸盐矿物硅酸三钙(C3S和硅酸二钙(C2S的固溶组分。结果表明:钢渣中难磨组分为铁铝酸钙Ca2(Al, Fe2O5和镁铁相固溶体(MgO·2FeO,且它的水化反应活性很

2、低;钢渣中C3S和C2S具有较好的易磨性,其易磨性比矿渣的略好,但其水化反应活性明显比矿渣的差,钢渣中的C3S和C2S固溶了较多的异离子;钢渣水化活性低是由于它所含的矿物Ca2(Al, Fe2O5,MgO·2FeO无水硬性,C2S呈型,水硬性低,而C3S是在长时间高温下形成的,它具有较稳定的结构,其水化活性亦相对较低。关键词:钢渣;易磨性;胶凝性中图分类号:O482.54 文献标志码:A 文章编号:04545648(200910161305DIFFERENCE OF GRINDABILITY AND CEMENTITIOUS PERFORMANCE AMONGMINERALS IN

3、STEEL SLAGHOU Guihua1,LI Weifeng2,WANG Jinggang2(1. Key Laboratory for Ecological-Materials of Jiangsu, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224003, Jiangsu;2. Department of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China Abstract: Steel slag was ground,

4、then graded by sieve to seven samples with different particle sizes. Their mineral components were determined by X-ray diffraction analysis, and the cementitious performance of coarse particle samples in silicate sodium solution was studied. The grindability and cementitious performance of fine powd

5、er of steel slag were compared with high blast furnace slag, and solid solution component in silicate phases (C3S and C2S of steel slag was determined by scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray diffraction analysis. The results show that Ca2(Al, Fe2O5 and MgO·2FeO have the wor

6、st grindability of all minerals in the slag, and they have little hydrating activity. However, the grindability of C3S and C2S was slightly better in steel slag than in high blast furnace slag, but the hydrating activity of the C3S and C2S is markedly lower than in high blast furnace slag. The resul

7、ts also show that a great amount of cation exists in C3S and C2S. It is pointed out that the inherence of low hydrating activity of steel slag is that Ca2(Al, Fe2O5, MgO·2FeO and -C2S have little activity, and C3S is formed at high temperature and after a long time; thus, it also has low activi

8、ty.Key words: steel slag; grindability; cementitious performance钢渣是炼钢时产生的废渣,它的主要矿物成分为硅酸三钙(C3S,硅酸二钙(C2S,12铁铝酸钙Ca2(Al, Fe2O5及镁铁相固溶体MgO·2FeO。3近几年来,人们大量研究了钢渣胶凝性的激化途径。45但钢渣的利用率仍然较低,这反映出在钢渣基础性质研究方面仍存在不足。已有的文献普遍是在未考虑到钢渣中各组分的易磨性存在差异的前提下进行其机械力活化的研究,从而得到了钢渣易磨性很差的结论。6另一方面,钢渣中C3S和C2S的质量含量可达到45%,2但其胶凝活性低的本质

9、原因尚未见报道。因此,开展转炉钢渣中物相易磨性的差异及胶凝活性低的本质的研究,对确定它的活性激发途径及其资源化方法具有意义。1 实验1.1 原材料选用2种钢渣,分别取自鞍山和宝山钢铁有限公司(鞍钢、宝钢的转炉钢渣,并记为,。高收稿日期:20081102。修改稿收到日期:20090412。基金项目:江苏省科技支撑计划(BE2008653;江苏高校自然科学重大基础研究项目(06KJA43009资助。第一作者:侯贵华(1963,男,博士,教授。Received date:20081102. Approved date: 20090412. First author: HOU Guihua (1963

10、, male, Ph.D., professor.第37卷第10期2009年10月硅酸盐学报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 37,No. 10October,2009硅酸盐学报· 1614 ·2009年炉矿渣取自宝山钢铁有限公司。用美国Thermo Electron公司的ADV ANTXP型号X射线荧光光谱仪(X-ray fluorescence spectrometer,XRF测其化学成分,结果见表1。表1原料的化学成分Table 1 Chemical composition of the raw materialsC

11、hemical composition w/%Raw materialsCaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO MnO P2O5 TiO2 Others f-CaO Steel slag43.31 13.23 2.9 25.25 12.60 1.13 0.81 0.41 0.36 2.41 Steel slag40.01 9.86 1.12 33.63 9.26 2.77 1.47 0.42 1.46 2.82 Converterslags 36.3636.2614.941.50 9.20 0.81 0.93 Note: Steel slagfrom Angang Steel Co.

12、, Ltd. Steel slagand converter slags all from Baoshan Iron & Steel Co., Ltd.1.2 实验表2钢渣的颗粒级配Table 2 Particle size distribution of steel slag w/%Particle size /mmSteel slag将破碎后的钢渣置于500mm×500mm球磨机粉磨30min,用孔径分别为2.360,1.180,0.600, 0.300,0.150,0.075mm 6种筛筛析粉磨后的钢渣,得到7种试样,再将6种筛的筛余物分别置于行星球磨中分别粉磨25,5

13、0,75min,测定这些物料过0.075mm方孔筛的筛余量。将通过孔径为0.075mm的筛的钢渣及相同比表面积的矿渣分别用500mm×500mm球磨机粉磨,粉磨时间分别为30,50,70,90min,按GB/T80742008水泥比表面积测定方法测定粉磨后矿渣与钢渣的比表面积。将经500mm×500mm球磨机粉磨30min后粒径小于0.075mm的细粉体,再粉磨不同时间,将所得粉体掺入水泥中,用2cm×2cm×2cm水泥净浆试模成型,测定试样的抗压强度。2 结果与分析2.1 钢渣难磨组分的性质 图1 经30min粉磨后钢渣、钢渣的粒度分布Fig.1 Pa

14、rticle size distribution of steel slag, steel slagground for 30min侯贵华等:转炉钢渣中物相易磨性及胶凝性的差异· 1615 ·第37卷第10期的质量分数很小。显示出粗粒与细粉体呈两极分化现象,2种钢渣粉的粒度均不成正态分布。这反映出钢渣所含物相间存在明显的易磨性差异。在水泥生产中,水泥熟料等物料通常经过2030min粉磨,其通过0.080mm筛的物料量一般为95%。因此,可以认为,钢渣中绝大多数组分是易磨的。 图2 经30min粉磨后不同粒度钢渣的XRD谱Fig.2 X-ray diffraction (XR

15、D patterns of steel slagground for 30min with various particle sizes者的4个试样的XRD谱中,均明显可见C3S(面间距d为0.3021nm,-C2S(d为0.3821nm的衍射峰。由于这7个不同粒径的钢渣试样是同一种钢渣经30 min粉磨后的产物,因此,可以认定MgO·2FeO, Ca2(Al,Fe2O5与C3S和-C2S的易磨性相差很大。另外,在细粉体的4个试样中,还可见到Ca(OH2的衍射峰,它应该是在水冷时钢渣中的C3S水化后的形成的产物。表3水玻璃激发钢渣难磨组分试样的抗压强度Table 3 Compress

16、ive strength of non-grinding component of steel slagwith sodium silicateCompressive strength/MPaSodium silicatecontent w/%Sodium silicatemoduleWater-cementratio3d 7d 28d6 1.00.220.851.25 3.626 1.20.220.901.65 4.226 1.40.220.881.38 4.022.2钢渣细粉体的性质机械活化是钢渣制备为胶凝材料的首要步骤,从钢渣组分间存在很大易磨性差异考虑,最佳的工艺过程宜为用2级粉磨流程

17、,以选出难磨组分,度硅 酸 盐 学 报· 1616 ·2009年 图3 钢渣与矿渣的易磨性Fig.3 Grindability of steel slag and ground granulated blastfurnace slag表4 掺钢渣水泥的抗压强度Table 4 Compressive strength of the cement added steel slag Mix ratio in mass/%Compressive strength/MPa Sample No.Clinker Gypsum Steel slag Converter slagSpecif

18、ic surface aera/ (m 2·kg 13 d 7 d 28 d1 95 5 0 0 407 51.75 71.75 93.22 2 65 5 30 0 435 31.50 48.88 62.303 65 5 30 0 688 36.75 50.20 68.324 65 5 30 0 773 38.75 53.75 72.52 5 65 5 0 30 400 42.75 63.00 84.26 6 65 5 15 1544040.00 58.63 78.22增幅值达16%。这表明了机械力化学作用对钢渣活性激发的影响明显。与掺矿渣的水泥(试样5相比,在比表面积相当的情况下(

19、试样2与试样5,钢渣水泥的3,7,28 d 强度比同龄期矿渣水泥的低,这反映出钢渣的水硬活性明显低于矿渣。表4的结果还表明,当钢渣与矿渣复合掺入水泥中时(试样6,可明显改善钢渣水泥的力学强度,水泥各龄期强度值比单掺钢渣有显著的提高。用SEMBEI 观察钢渣的显微形貌,其代表性的矿物形貌如图4所示。在图4中,由于原子序数的差异,原子序数小的硅酸盐矿物呈黑色,而含Fe ,Al 的矿物呈白色。由图4可以看出:呈黑色的硅酸盐相(C 3S 和-C 2S晶型完整,与含Fe ,Al 的白色相间界面清晰。炼钢时,钢水的温度约为1 600 ,在高炉内钢渣浮于钢水的顶部,一般需6 h 排渣1次。钢渣中的矿物是在长

20、时间的高温下形成,有充分的时间使其达到完全结晶,因此它具有完整的晶体结构,化学稳定性高。对图4中黑色的硅酸盐相进行DEXA 微区成分分析,其测定了504个微区,结果如表5所示。由表5可知,钢渣的硅酸盐相中含有较多的异离子,其Fe 2O 3,P 2O 5,Al 2O 3,MgO 的平均含量分别达3%,2%,1%,0.5%,总和达6.5%。在工业水泥熟料中,硅酸盐相中异离子的含量一般为2%。7 因此,在钢渣的硅酸盐相中存在着远多于工业熟料中的异离子含量。就C 3S 水化活性来看,一般认为由于它结构配位极不规则,在结构中留有“空洞”,使水分子容易进入,从而水化活性高。而钢渣是长时间处于1 600 高

21、温中(水泥熟料的烧成温度约1 450 形成的。在这样条件下,C 3S 应该具有规则的结构,并且其结构“空洞”中可固溶很多异离子,从而使它的结构稳定,其水化活性相对较低。因此,虽然钢渣含有相当量的硅酸盐矿物,但水硬性仍比矿物差。侯贵华等:转炉钢渣中物相易磨性及胶凝性的差异· 1617 ·第37卷第10期 图4 转炉钢渣代表性矿物的SEMBEI照片Fig.4 Scanning electron microscope-backscattered electron image (SEMBEI of representative mineral in the converter sl

22、ag表5 黑色硅酸盐相化学成分统计表Table 5 Chemical composition of the calcium silicate phase in steel slagChemical composition w/%Number of micro region Statistic parameterCaO SiO2 Fe2O3 Al2O3 MgO MnO P2O5 504 Range 5475 2041 09 09 08 03 04504 Mean6431310.50.423 结论钢渣中所含矿物相间的易磨性存在着很大的差异,其易磨性差的矿物为Ca2(Al,Fe2O5和MgO2FeO

23、,而钢渣中C3S和C2S的易磨性相对较好,其易磨性比矿渣略好。钢渣中所含矿物相间的水硬性存在着很大的差异,其中Ca2(Al, Fe2O5和MgO·2FeO几乎无水硬性,-C2S水化活性也很低,钢渣的水硬性主要取决于所含的C3S,但其水硬活性明显比矿渣差。参考文献:1 欧阳东, 谢宇平, 何俊元. 转炉钢渣的组成、矿物形貌及胶凝特性J. 硅酸盐学报, 1991, 19(6: 488493.OUYANG Dong, XIE Yuping, HE Junyuan. J Chin Ceram Soc (in Chinese, 1991, 19(6: 488493.2 王玉吉, 叶贡欣. 氧气转炉钢渣主要矿物相及其胶凝性能的研究J.硅酸盐学报, 1981, 9(3: 30