优化钢渣物相组成、控制MgO分布及其机理研究

摘要

钢渣作为钢铁企业副产品,其排放量巨大。由于钢渣中含有较多的游离CaO和游离MgO使得钢渣体积安定性很差,从而严重制约着钢渣在建材方面的应用。游离CaO的问题目前已得到较为妥善的解决,但游离MgO仍未得到有效的解决。在钢渣中MgO的存在形式受钢渣碱度的影响较大。在碱度较低的钢渣中如电炉渣,主要以化合状态形式存在,形成钙镁橄榄石和镁蔷薇辉石;在碱度较高的钢渣中(如转炉渣),主要与FeO和MnO形成固溶体,即RO相;只有在电炉还原渣中,由于铁被还原,钢渣中几乎不含FeO,以纯方镁石存在,纯方镁石与水发生反应生成Mg(OH)2,引起钢渣的体积安定性不良。
　　 本文主要研究重构过程中钢渣的化学组成、热历史以及常见微量元素对MgO存在形式的影响规律及作用机理。利用XRD、岩相、SEM、DSC和相分离方法等分析测试手段,定量测定了重构钢渣中各矿相固溶MgO的含量,探讨了钢渣的钙硅比、硅铝比、率值、热处理制度及微量元素等对重构钢渣中MgO存在形式的影响规律及作用机理,结论如下:
　　 (1)钢渣的化学组成对MgO的含量分布及存在形式影响显著。钢渣的钙硅比值为2.5时,重构钢渣中胶凝性矿物固溶了较多的镁离子,固溶量占镁离子总量的43.50％,游离MgO占7.48％。再增大比值时胶凝性矿物中MgO的固溶量会降低。而钢渣中硅铝比值为3.0时,重构钢渣中胶凝性矿物固溶的镁离子相比钙硅比为2.5时略多,为44.49％,但游离MgO占8.44％。若钢渣重构时按率值为:KH=0.92,n=2.5,p=1.5时重构钢渣中游离态MgO最少。
　　 (2)重构钢渣中MgO的含量分布及存在形式受热处理制度的作用显著。在重构温度为1300℃,采用风冷保温60min时,游离MgO含量约占镁离子总量的7.62％。急冷有助于胶凝性矿物固溶更多的镁离子,采用水冷时虽然游离MgO只占6.24％,但采用水冷又带来了水处理等一些经济环保问题,选择风冷更为合适。重构过程中保温时间的延长有助于充分利用RO相中有效离子,但90min时游离态MgO反而达到了10.04％,故过长的保温时间也不利于镁离子的固溶。
　　 (3)矿化剂对改善重构钢渣中MgO的含量分布及存在形式具有显著效果。研究表明CaF2作为矿化剂含量为0.8％时,重构钢渣的硅酸盐相矿物固溶镁离子最多,为46.81％,中间相中固溶量为15.72％,游离MgO只有4.18％。CaSO4作为矿化剂含量为4％时,重构钢渣中游离态MgO仅有3.80％,虽然其硅酸盐相中固溶的镁离子为44.88％,不及CaF2,但其中间相固溶的镁离子可达到19.14％。从胶凝性矿物固溶镁离子的总量和游离MgO的含量来看,CaSO4作为钢渣重构时的矿化剂,其性能要优于CaF2。
　　 (4)钢渣中锰磷等微量元素对重构钢渣中镁离子的含量分布具有一定的影响。研究发现锰离子含量为0.09％时,重构钢渣中游离态MgO只有6.27％,但其硅酸盐相和中间相中固溶量可达46.62％。而磷离子含量在1.0％时,硅酸盐相和中间相中占57.54％,游离MgO含量占18.53％。与锰离子相比,磷离子更有助于重构钢渣中胶凝性矿物的形成,但对镁离子固溶作用非常有限,甚至在一定程度上会促进游离MgO生成。
　　 (5)从重构过程中MgO的析晶反应动力学分析可以看出,MgO的析晶放热峰的峰顶温度在DSC曲线上随着升温速率不断增大逐渐升高,大致出现在1523～1618K范围内。通过计算其反应级数可以表明MgO的析晶反应属于一级固相反应,实验近似模拟的钢渣重构过程中MgO析晶反应动力学的数学模型为:dα/dt=Aexp(-E/RT)(1-α)n=7.00×1012 exp(-492441/T)(1-α)0.4529
　　 结合SEM、岩相分析等微观结构分析表明,在重构钢渣中,游离MgO在岩相分析中呈现贝壳状或圆粒状,晶体尺寸较小,主要分布于硅酸盐矿物间隙中。与游离氧化钙的矿巢存在形式相比,游离MgO的分布更加分散。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 研究目的与意义

1.3 钢渣的分类

1.3.1 钢渣的化学组成

1.3.2 钢渣的矿物组成

1.4 国内外研究现状

1.4.1 钢渣用于配烧熟料和生产水泥

1.4.2 钢渣用做混凝土活性掺合料

1.4.3 钢渣做新型建材制品

1.4.4 钢渣在施工工程中的应用

1.4.5 钢渣制备微晶玻璃以及陶瓷产品

1.5 钢渣利用中存在的主要问题

1.5.1 钢渣成分复杂、活性低

1.5.2 钢渣的体积安定性问题

第二章 实验方案

2.1 实验方法

2.1.1 样品的制备

2.1.2 材料性能测试

2.1.3 钢渣重构

2.1.4 化学相分离法分离钢渣的物相

2.2 实验内容

2.3 原料

2.4 实验仪器

2.5 主要分析与测试手段

第三章 化学组成对重构钢渣中MgO存在形式及作用机理研究

3.1 钙硅比对重构钢渣中MgO的影响

3.2 硅铝比对重构钢渣中MgO的影响

3.3 率值对重构钢渣中MgO的影响

3.4 本章小结

第四章 热处理制度对重构钢渣中MgO存在形式及作用机理研究

4.1 热处理温度对重构钢渣中MgO的影响

4.2 重构钢渣的冷却方式对MgO的影响

4.3 保温时间对重构钢渣中MgO影响

4.4 本章小结

第五章 微量元素对重构钢渣中MgO存在形式及作用机理的研究

5.1 钢渣重构过程中MgO受CaF2含量变化的影响

5.2 钢渣重构过程中MgO受CaSO4含量变化的影响

5.3 锰离子对重构钢渣中MgO的作用规律及机理研究

5.4 磷离子对重构钢渣中MgO的作用规律及机理研究

5.5 本章小结

第六章 钢渣重构过程中MgO析晶动力学分析

6.1 重构钢渣中MgO晶化温度的表征

6.2 析晶动力学分析

6.3 化学组成对MgO析晶活化能的影响

6.4 MgO析晶反应过程中的固相反应级数

6.5 MgO析晶反应的动力学方程

6.6 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

附录