转炉渣中游离氧化钙的分布及稳定化研究

发布时间：2009-10-29 作者：唐卫军, 廖洪强,周宇,赵文娟,陈鸿汉

        转炉炼钢过程中为了造渣往往需要添加一定 量的生石灰调节钢渣碱度,这样转炉钢渣中就会 存在一定量的生石灰。在钢渣作为建筑材料时这 些生石灰会导致其游离氧化钙(f . CaO) 含量超 标。[ 1 ] 。这些f . CaO 经受了1 600 ℃以上的高温 煅烧,结构致密,晶粒粗大,给钢渣的资源化利用 带来了极大的困难。这种f . CaO 水化极为缓慢, 在水化过程中由于晶体生长压力、氢氧化物晶体 溶解以及水化产物周围的双电层作用导致钢渣发 生膨胀,甚至产生局部膨胀,导致钢渣掺杂物开裂 甚至发生崩溃。[ 2 - 4 ] 国家标准( GB/ T20491 - 2006)“用于水泥和混凝土的钢渣微粉”中规定的 钢渣微粉f . CaO 含量必须低于3 %。理论上 f . CaO水化摩尔体积增大96 %[ 1 ] , 而钢渣中的 f . CaO呈聚集状态,分布十分不均匀,这必然导致 局部开裂。目前还没有合适的钢渣处理方法使钢 渣尾渣中的f . CaO 含量完全降至3 %以下。因 此,尽管转炉钢渣具有潜在的活性,但是f . CaO 含量较高在很大程度上限制了其制备钢渣微粉在 建筑领域的推广使用[ 4 ,5 ] 。
        本研究采用岩相显微镜分析了转炉钢渣中 f . CaO 的分布情况,并设计试验装置利用二氧化 碳和水蒸汽对不同温度的转炉钢渣进行消解试 验,使其转化成氢氧化钙或碳酸钙,降低f . CaO 含量,并研究了转炉钢渣的稳定化内在规律,为促 进钢渣的资源化应用提供了可靠依据。
        1 　试验材料及装置
        1. 1 　试验材料
        原材料选用未经打水的首都钢铁集团公司的 转炉钢渣, 经过破碎、筛分、磁选后得到5 ～ 10 mm 的钢渣。钢渣呈暗褐色,结构致密,有少许孔 洞,棱角分明,真密度为3. 77 ×103 kg / m3 。渣样 的主要化学成分分析见表1 。由表1 可知,钢渣 碱度为3. 26 ,属于高碱度渣。钢渣的XRD 测试 见图1 所示。钢渣中的主要矿物为硅酸三钙,硅 酸二钙和铁酸钙。[ 5 - 7 ]

        1. 2 　试验装置
        选用图2 所示装置进行钢渣稳定化试验,主 要目的是通过CO2 和水蒸气消解其中的f . CaO , 使f . CaO 转化成CaCO3 或者Ca (OH) 2 ,使钢渣 在使用过程中不再粉化。将流量为5 L/ min 的 CO2 通过缓冲瓶和流量计后,与水蒸气汇合,进入 反应性试验炉,反应管内插入K 型热电偶并放入 5～10 mm 的钢渣,钢渣层厚度约17 mm ,并控制 不同钢渣温度(分别为100 ℃、300 ℃、500 ℃和 700 ℃) ,使钢渣在反应性管式炉中消解时间控制 在60 min 左右。消解后的物料进行热重试验分 析,比较不同温度下f . CaO 的消解效果。
        热重实验采用的仪器为NETZSCH STA 409 型热重分析仪。热重实验采用氧化铝坩埚在 氮气气氛下进行,分析钢渣在热反应条件下的分 解过程。具体参数如下: (1) N2 流量:50 ml/ min ;
        (2) 升温方式:从常温开始按照15 ℃/ min 升温至 100 ℃,恒温5 min ,继续按照15 ℃/ min 升温至 1 100 ℃,最后恒温5 min 。
        2 　试验结果与讨论
        2. 1 　钢渣中f . CaO 的分布规律
        应用岩相显微镜分析了f . CaO 的分布(图 3) ,并采用数点法计算了钢渣的主要成分(表2) 。 钢渣中的f . CaO 主要来自两方面。一种是在 1 400～1 500 ℃高温下,因为炼钢过程中造渣和 调节碱度而加入的石灰,在转炉中因表面与SiO2 生成难熔的硅酸二钙,阻止石灰进入渣相中,在高 温下形成死烧石灰,表2 中的游离石灰就是这种。 钢渣中的f . CaO 主要来自这方面,由图3 可见, 这部分f . CaO 被硅酸三钙和硅酸二钙所包围,晶 粒尺寸在40 μm 左右。钢渣中矿物组成以硅酸 二钙为主,晶体多呈花瓣状结晶(图3 - a) 。其次 为硅酸三钙及游离石灰,硅酸三钙多呈板状结晶 (图3 - b) ,而石灰多呈圆粒状分布于硅酸二钙、 硅酸三钙表面(图3 - c) 。铁酸钙及RO 相呈基 质状分布,并出现少量金属铁(图3 - d) 。另一种 f . CaO 是冷却过程中C3 S 分解成C2 S 和f . CaO。 这部分f . CaO 尺寸小于10 μm ,含量与冷却方式 关系较大,在f . CaO 总量中的比例较少。[ 6 - 9 ]