高炉溶渣直接成纤调质工艺基础研究

发布时间：2020-06-27 21:57

【摘要】：针对高炉渣水淬处理工艺中显热回收率低、水消耗量大且污染环境、高附加值利用率低的现状,利用高炉熔渣配加适量调质剂直接喷吹成纤工艺生产矿渣棉,可高效利用熔渣显热,同时实现高附加值利用,且生产过程不消耗水资源、不产生H2S、SO2等有毒气体,具有良好的经济、社会效益。然而目前调质高炉熔渣直接喷吹成纤工艺之所以未实现工业化应用,主要是由于高炉熔渣调质、析晶控制以及调质过程中的热质传输等方面尚需进行大量的基础研究。本文采用热力学计算模拟、微观分析、热态实验及半工业化试验相结合的方法,分析了高炉渣与调质剂的相关物化性能,研究了调质高炉熔渣的析晶行为、粘度行为、调质剂的调质特性、高炉熔渣析晶控制机理、调质过程的热量变化规律,构建了调质剂熔化及扩散系数的数学模型,提出了一种利用高炉熔渣直接喷吹制备矿渣纤维的方法,进行了高炉熔渣调质成纤的半工业化试验,为高炉熔渣直接成纤调质工艺的研发提供了理论基础。研究过程中从分析高炉渣及调质剂的基本成分、矿物特征、粘度行为入手,结合矿渣棉生产原料成分设计的经验指标,提出了高炉熔渣调质的目标要求。进而基于SiO2-CaO-MgO-Al2O3四元渣系矿相变化的特点及析晶热力学计算,研究了调质熔渣体系中各类矿物的析晶开始温度、析出量以及相互影响规律,探索了以铁尾矿为调质剂的熔渣体系析晶倾向最小的区域位于镁黄长石与钙长石的低共熔线附近或位于镁黄长石、假硅灰石与钙长石低共熔点附近,以粉煤灰为调质剂的熔渣体系析晶倾向最小的区域位于钙长石、镁黄长石及尖晶石低共熔点,铝黄长石、镁黄长石及尖晶石低共熔点或镁黄长石与钙长石的低共熔线附近的狭长区域。在研究调质熔渣析晶行为基础上,系统研究了铁尾矿、粉煤灰对熔渣体系物化性能的衍变规律。随调质剂配比增加：熔渣的Mk、Mη和K/O逐渐升高,氢离子指数逐渐降低,适宜成纤粘度的温度区间逐渐变宽；熔化性温度呈现先降低后升高的趋势,当Mk高于1.4时,熔化性温度约为1300℃,且变得粘稠；熔渣冷却过程中析晶能力降低,玻璃相增多,矿物析出量减少,Mk高于1.2时,炉渣中未发现析出矿物,而形成均匀的玻璃相。以铁尾矿、粉煤灰为调质剂时,熔渣适宜成纤的酸度系数范围为1.2～1.4,而以混合物为调质剂时,适宜成纤的酸度系数范围为1.3～1.4；综合各类调质剂的调质效果可知：铁尾矿最好、混合物次之、粉煤灰相对较差。研究了工艺条件变化对高炉熔渣析晶的影响规律,结果表明：单一改变工艺条件,来控制熔渣的析晶行为,难以全部形成均匀的玻璃相。利用FactSage热力学软件的平衡凝固模块、Sheil-Cooling模块模拟计算和热态实验,研究了化学成分变化对高炉渣析晶的影响规律,确定了析晶控制的方向,其研究结果表明：当碱度为1.1～0.8时,随碱度降低,熔渣的开始析晶温度降低,析晶量减少,玻璃相含量增加,黄长石类矿物粒度有变粗的趋势；提高冷却强度,可抑制黄长石类矿物、尖晶石类矿物的析出,白榴石消失,可促进钙长石、辉石类矿物的析出,硅灰石类矿物、橄榄石类矿物开始出现。当A1203含量为14.0%-17.5%,随Al2O3含量增加,熔渣的开始析晶温度略有升高,析晶量略有降低,黄长石类矿物粒度有变细的趋势；提高冷却强度,可抑制黄长石类矿物、尖晶石类矿物的析出,白榴石消失,可促进辉石类矿物的析出。当MgO含量为9.0%～11.0%时,随MgO含量增加,熔渣的开始析晶温度、析晶量变化不大,提高冷却强度,析晶量有降低的趋势,黄长石类矿物的粒度有变粗的趋势；提高冷却强度,可抑制钙长石与尖晶石类矿物的析出,白榴石消失,辉石类矿物、橄榄石类矿物开始出现。研究了调质剂在熔渣中的热质传输规律,并构建了调质剂颗粒在熔渣浸没过程中熔化时间t的数学模型、Si02分子扩散系数的数学模型,确定了调质剂适宜的加入方式、粒径范围；研究表明：调质剂颗粒半径r小于临界值时,加入方式优先选择与熔渣直接接触的方式；r高于临界值时,优先选择上部加入的方式；无论哪种加入方式,尽量选择粒径较小的调质剂,缩短熔化时间。在此基础上,进一步研究了调质剂在熔渣中的传热规律,探索了调质剂配比与熔渣体系温度变化规律、流动性变化规律、补热量的内在联系,并绘制了调质剂配比与熔渣体系温度、炉渣流动性温度、补热量的协同调控图。最后,以Mk为1.2-1.4调质高炉熔渣为原料,进行高炉熔渣调质直接喷吹成纤的半工业化试验,制得了直径小于3μm,渣球含量低于5.14%,成棉率高于70%的矿渣纤维,其质量优于国家标准。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF534
【图文】：

四元系,温度图,炉渣

流动性并不一定好，因此更具有实际意义的是炉渣的烙化性温度，即炉逡逑渣从不能流动转变为能自由流动的温度。选择炉渣的烙化温度时，必须兼顾炉逡逑渣流动性和炉缸热量两方面的因素。化学成分对炉渣格化温度的影响见图１．１逡逑所示。逡逑0０邋Ｓ邋１０邋１５邋２０邋２３邋？邋？５邋化邋＜５邋Ｍ邋矜逦ＣｉＯ邋５邋ＩＲ邋１３邋３０邋２？邋Ｍ邋３Ｓ邋４０邋４５邋ＭｆＯ逡逑ＡｌｚＯ；！却％逦ＡｈＯ卢邋１０％逡逑。0邋５邋＂。＂。巧巧。＂Ｍ＊0逦￣５—￣＼ｔ＼Ｓ—￣？邋Ｋ—￣￣３５￣＾—￣４５￣？８0逡逑ＡＬ０产巧％逦Ａｈ0３＝２０％逡逑图１．１邋ＣａＯ－Ｓｉ0２－ＭｇＯ－Ａｈ0３四元系烙化温度图逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｍｅｌｔｉｎｇ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ＣａＯ－Ｓｉ0２－Ｍ

炉渣,液相,四元系,温度

【参考文献】