热态钢渣改性及改性渣物理化学性质研究

发布时间：2020-09-01 12:51

　　目前我国钢渣产量接近1亿吨,但利用率较低,大量钢渣被弃置堆积,不仅污染环境、占用土地,更是对资源的巨大浪费。建材化利用是钢渣消纳的最主要途径之一,但钢渣组成中含有大量游离CaO(f-CaO)造成建材安定性恶化是目前亟待解决的共性难题。本文通过不同改性方式(氧化改性剂、还原改性剂、气体改性剂)对热态钢渣进行高温改性,并研究了改性钢渣的应用性能如安定性能和胶凝性能,对比分析不同改性技术对改性钢渣组成及性能的影响规律。在对钢渣进行化学成分和矿物组成分析的基础上,首先采用冶金热力学系统分析了钢渣改性高温反应热力学过程和反应机理。结果表明：在钢渣出渣温度条件下：(1)以Si02等氧化物作为改性剂,改性剂与f-CaO反应均可以生成胶凝相硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)和铝酸三钙(C3A),实现钢渣的改性；(2)加入焦炭作为改性剂,碳可使高价态含铁氧化物还原至低价态氧化物,有利于提高钢渣金属铁的回收率；(3)采用通入不同气体(02、CO2、水蒸气等)改性钢渣,热力学分析表明,采用C02、水蒸气条件有助于降低钢渣的f-CaO含量,但对含铁氧化物会造成不同程度的氧化。基于热力学分析结果,结合CaO-SiO2-Al2O3体系中钢渣与胶凝相C3S、C2S和C3A的组成分布,设计以Si02、工业固废如矿渣、粉煤灰、煤矸石等作为改性剂,研究氧化物加入对钢渣的改性效果,并对改性钢渣开展了粘度和饱和磁化强度测定。结果表明：改性后钢渣组成中的f-CaO含量显著降低,Si02和工业固废改性剂的加入均有利于提高钢渣中胶凝相如C3S, C2S、C3A等的含量,降低非胶凝相RO相(Mg1-xFexO)的含量,提高Fe3O4的含量,且上述变化随着改性剂添加量的增大而显著；矿渣添加量可以达到30%,而粉煤灰、煤矸石中由于含有较高含量的Al2O3组成,当配加量较高时(粉煤灰、煤矸石添加量20%)钢渣中出现了大量的钙黄长石(C3AM3S7)相,因此其添加比例不应超过15%。对添加SiO2、粉煤灰的改性钢渣进行粘度和饱和磁化强度测定,结果表明改性剂添加量越高,钢渣粘度越低,流动性越大,改性效果更好,其饱和磁化强度明显高于原钢渣,因此有利于改性钢渣的后续磁选分离提铁。以焦炭和焦炭-氧化物(SiO2、高铝矾土)复合作为钢渣还原改性剂配入钢渣,结果表明单独配入焦炭改性后可实现钢渣中含铁氧化物还原,但显著增加了f-CaO含量,改性效果较差；采用焦炭-SiO2改性钢渣的方式,可使改性钢渣的C3S、C2S的含量增加,RO相含量显著降低,Fe203和FeO组成的含量大幅降低,配入比例为8.6%的Si02时改性钢渣的f-CaO含量均满足茎3%的要求,金属化率较好；采用焦炭-高铝矾士改性钢渣的方式,可使钢渣中的C3S、C2S的含量增加,同时出现C3A, RO相的含量显著降低,Fe203和FeO组成的含量大幅降低,当高铝矾土的加入量高于4.6%时,钢渣中的f-CaO含量均满足≤3%的要求。综合比较,配入4.6%焦炭+4.6%高铝矾土复合添加的改性钢渣综合效果最好,f-CaO含量为2.74%,金属化率为85%。以不同气体(空气、空气+水蒸气、CO2、CO2+水蒸气)作为气体改性剂通入高温热态钢渣,结果表明：不同气体通入对热态钢渣的化学组成影响较小,但对物相组成的影响较大。热力学分析和实验结果具有较好一致性,可以有效用于热态钢渣改性。单独通入空气条件下低价含铁氧化物将向高价含铁氧化物转化,单独通入CO2则改变较小,采用空气+水蒸气与CO2+水蒸气复合通入后改性钢渣的f-CaO显著降低；钢渣中含铁相的氧化程度由大到小分别是空气空气+水蒸气CO2+水蒸气CO2；对钢渣f-CaO的消解能力由差到好分别是空气C02空气+水蒸气C02+水蒸气；四种气体中,采用CO2+水蒸气复合气氛对钢渣f-CaO的消解(f-CaO含量为0.85%)和避免渣中Fe相氧化(MFe含量为0.14%)的综合效果最好,热力学分析和实验结果一致,可以有效用于热态钢渣改性。在分析不同改性技术对钢渣组成影响的基础上,进而研究了不同改性方式对改性钢渣安定性能和胶凝性能的影响,结果表明：安定性能的提高和钢渣的f-CaO含量降低紧密相关,三种改性方式改性后的钢渣安定性良好,膨胀量均≤5.00 mm,均可以满足安定性要求；采用固体氧化物添加和焦炭-氧化物还原改性可以提高钢渣的胶凝性能,胶凝性能活化指数均在二级以上；在气体改性中采用CO2+水蒸气复合气体改性后的钢渣胶凝材料具有较好的胶凝性能。综合考虑热态钢渣改性剂添加方式和改性渣性能,以及热态钢渣现场产出的特点,气体改性技术具有操作简单、运行成本低的优点,因此进一步开展了利用CO2+水蒸气处置现场产生的大颗粒钢渣的改性实验研究,结果表明：改性后的钢渣组成得到改善,安定性满足使用要求。因此可成为热态钢渣改性的重要发展方向,为大批量处理钢渣提供了一条新思路。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X757;TF534

【参考文献】