林文龍，張玉柱，邢宏偉，李杰，劉衛(wèi)星

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

高爐渣是煉鐵廠中最常見的煉鐵廢棄物，在以前的處理方式中，高爐渣多以水淬的方式制備水泥熟料的原料［1－3］，在水沖渣制備過程中會(huì)產(chǎn)生SO2、H2S等有害氣體，存在嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)問題［4］。其次高爐渣二次利用是生產(chǎn)礦渣微粉用于建筑填充材料［5］，附加值并不是很高。而利用高爐熔渣直接制備礦渣棉纖維不存在環(huán)境污染的問題，并且有效利用了高爐熔渣顯熱，提高了高爐渣利用附加值。由于高爐渣堿度較高，在高溫時(shí)的粘度較大，流動(dòng)性差，原渣并不適合制備礦渣棉纖維，因此需要添加酸性調(diào)質(zhì)劑粉煤灰對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，觀察調(diào)質(zhì)后礦渣礦物組成與高溫時(shí)粘度情況。

1 實(shí)驗(yàn)過程及原理

制備礦渣棉用高爐渣主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO，也含有少量Fe2O3、FeO、K2O、Na2O，在調(diào)質(zhì)過程中其他成分對(duì)礦渣的物化性會(huì)有影響。

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

以某鋼廠的高爐渣作為原料，再利某電廠的粉煤灰作為調(diào)質(zhì)劑，對(duì)高爐渣進(jìn)行調(diào)質(zhì)，高爐渣及粉煤灰的化學(xué)成分如表1、2所示:

表1 高爐渣與粉煤灰化學(xué)成分(%)

表2 高爐渣與粉煤灰各項(xiàng)參數(shù)

調(diào)質(zhì)前把高爐渣破碎到粒度為2～10 mm左右的小塊，放入星式球磨機(jī)中再磨成粒度小于1 mm的小顆粒后方便使用。本實(shí)驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有:顎式破碎機(jī);行星式球磨機(jī)(QM－1SP);程控節(jié)能高溫電阻爐(STL－GФ27－D757);RTW－08型熔體物性綜合測(cè)定儀;X射線衍射儀(型號(hào)D/MAX2500PC)。

1.2 調(diào)質(zhì)過程及實(shí)驗(yàn)原理

利用高酸度系數(shù)的粉煤灰對(duì)高爐渣進(jìn)行成分微調(diào)，利用酸度系數(shù)計(jì)算公式:

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置5個(gè)酸度系數(shù)Mk，每0.2為一個(gè)梯度，分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8。調(diào)質(zhì)礦渣成分、各項(xiàng)參數(shù)及粉煤灰添加比例如表3、4所示。

表3 粉煤灰添加比例及熔渣成分

表4 熔渣各項(xiàng)參數(shù)

利用程控節(jié)能高溫電阻爐(STL－GФ27－D757)先配好300 g礦渣裝入石墨坩堝中，再將坩堝放入高溫電阻爐中升溫至1500℃ ，恒溫半小時(shí)后拿出直接水冷降溫，待熔渣冷卻至室溫后破碎，再用行星式球磨機(jī)將熔渣磨后經(jīng)過200目的方孔篩篩分，取3～5 g篩下物用于檢測(cè)熔渣的礦物組成。

參照制備礦渣棉原料的設(shè)計(jì)要求［6］:1)熔化溫度不宜過高，礦渣棉原料的熔化溫度不應(yīng)超過1450℃，2)在纖維形成的溫度范圍內(nèi)的熔體，應(yīng)該具有較低的粘度和溫度—粘度降落梯度，3)制成的纖維應(yīng)該細(xì)長，化學(xué)穩(wěn)定性好(氫離子指數(shù)pH)。制備礦渣棉原料的調(diào)質(zhì)熔渣在高溫下粘度應(yīng)比較低，符合制備礦渣棉的粘度1～3 Pa·s，在符合這個(gè)范圍的同時(shí)也要具有較低的溫度—粘度降落梯度，所以要利用RTW－08型熔體物性綜合測(cè)定儀測(cè)定熔渣在高溫時(shí)的粘度，觀察礦渣在高溫時(shí)的粘度變化情況?，F(xiàn)將配好的礦渣140 g放入坩堝中，在將坩堝放入物性測(cè)定儀升溫至1500℃后恒溫10 min，在降溫過程中測(cè)定熔渣各個(gè)溫度下的粘度，以便找尋合適的制備纖維的溫度范圍。

2 礦物組成分析

2.1 原渣礦物組成分析

實(shí)驗(yàn)選用高爐渣主要成份為SiO2、CaO、Al2O3和MgO，二元堿度R=1.07，由XRD圖譜(圖1)可知，礦渣在升溫到1500℃恒溫30 min后水冷條件下，其礦物組成為:鋁鎂黃長石、鎂黃長石、鈣鎂黃長石、鋁黃長石和鎂黃長石形成的固溶體，以及藍(lán)硅硼鈣石。

原渣在水冷急速冷卻方式下會(huì)有礦物析出，說明原渣并不適合制備礦渣棉纖維，因?yàn)樵谥苽涞V渣棉纖維的過程中析出的礦物會(huì)以渣粒的形式存在，而制備礦渣棉纖維時(shí)應(yīng)降低渣粒的含量，所以要對(duì)高爐原渣進(jìn)行成分調(diào)整，制備出渣粒含量較低的礦渣棉纖維。

圖1 高爐渣水冷XRD圖譜

2.2 調(diào)質(zhì)礦渣礦物組成分析

圖2 各個(gè)酸度系數(shù)下調(diào)質(zhì)礦渣XRD圖譜

由XRD圖譜(圖2)可知，加入粉煤灰比例小于5%時(shí)(Mk＜1.0)，礦渣中黃長石的含量多于高爐渣中黃長石的含量，但是鋁黃長石和鎂黃長石的量相對(duì)減少，而鋁黃長石和鎂黃長石的混合物的含量增加。當(dāng)粉煤灰的比例大于15.5%(Mk＞1.2)時(shí)，圖2中顯示出類似于饅頭峰一樣的圖譜，表明礦渣中幾乎不再有礦物析出，熔體在高溫狀態(tài)下都是以固溶體形式存在，在冷卻狀態(tài)下礦渣都是以非晶態(tài)玻璃相存在。

3 調(diào)質(zhì)礦渣溫度—粘度曲線與成纖溫度區(qū)間分析

3.1 原渣粘度曲線

圖3 高爐渣粘度曲線圖

觀察原渣溫度—粘度曲線，當(dāng)爐渣溫度在1225～1475℃時(shí)，爐渣粘度小于1且上升趨勢(shì)不明顯。當(dāng)爐渣溫度在1206～1225℃時(shí)，溫度—粘度曲線中出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，此時(shí)爐渣粘度為0.806～1.003。在爐渣溫度小于1206℃之后，粘度曲線開始陡升，此時(shí)熔渣有短渣屬性。

根據(jù)礦物棉全書中提出的，渣棉的粘度范圍區(qū)間在1～3 Pa·s之間時(shí)能制備出礦渣棉纖維，原渣在這個(gè)粘度區(qū)間的溫度范圍是1193～1206℃，僅有13℃的溫度差，溫度—粘度降落梯度較大，一般在使用熔融高爐渣直接制備礦渣棉的過程中會(huì)添加一些調(diào)質(zhì)劑，會(huì)導(dǎo)致熔渣溫度所波動(dòng)，原渣符合成纖的溫度—粘度區(qū)間交窄，對(duì)制備礦渣棉纖維不利，因此要添加適當(dāng)比例的調(diào)質(zhì)劑拓寬成纖溫度—粘度范圍區(qū)間。

3.2 調(diào)質(zhì)礦渣粘度

3.2.1 不同酸度系數(shù)下測(cè)得粘度曲線

圖4 不同酸度系數(shù)礦渣粘度曲線

從圖4中可以看出礦渣酸度系數(shù)Mk=1.0時(shí)，熔渣粘度曲線與高爐渣原渣曲線走勢(shì)相類似，在1175℃左右時(shí)出現(xiàn)一個(gè)粘度的上升拐點(diǎn)，此時(shí)熔渣具有短渣屬性［7-8］，并利于制備礦渣棉纖維。在熔渣酸度系數(shù)為1.2時(shí)熔渣粘度曲線中沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)，粘度曲線上升趨勢(shì)比較平緩。當(dāng)熔渣酸度系數(shù)在1.4～1.8時(shí)，熔渣粘度都沒有出現(xiàn)粘度陡升的拐點(diǎn)，熔渣的短渣屬性已經(jīng)消失，符合礦渣棉成分設(shè)計(jì)要求提出的在高溫時(shí)熔渣具有較低的溫度—粘度梯度。

3.2.2 同粘度范圍下溫度變化區(qū)間分析

在3.1中已經(jīng)說明，高爐渣粘度為1～3Pa·s范圍時(shí)溫度變化區(qū)間為1193～1206℃，溫度區(qū)間差值為13℃，區(qū)間差值較小，經(jīng)過添加粉煤灰調(diào)質(zhì)后，礦渣在同等粘度范圍內(nèi)溫度變化區(qū)間也逐漸加寬，各酸度系數(shù)下溫度變化范圍如表5，其中在酸度系數(shù)為1.8時(shí)，溫度變化范圍最寬，為1155.6～1348.3℃，區(qū)間差值為192.7℃。較寬的溫度變化范圍對(duì)于制備礦渣棉纖維的是有利的，不會(huì)因溫度的波動(dòng)而暫停直接調(diào)質(zhì)后制備礦渣棉的過程。而且在酸度系數(shù)大于1.2，粘度為3 Pa·s時(shí)最低溫度為1073℃左右，粘度為1 Pa·s時(shí)最高溫度為1348℃左右，，溫度區(qū)間較寬，對(duì)高爐渣制備出礦渣棉纖維是非常有利的。

表5 同粘度范圍下溫度變化區(qū)間

4 結(jié)論

1)配加粉煤灰的比例在15.5%～37.46%，酸度系數(shù)為1.2～1.8時(shí)，礦渣成分符合制備礦渣棉原料的設(shè)計(jì)要求。

2)高爐渣原渣中存在以黃長石為主的多種礦物，在經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，礦物析出量逐漸減少直至配加粉煤灰比例大于為15.5%后，熔渣中基本不出現(xiàn)礦物析出，礦渣高溫時(shí)以固溶體形式存在，低溫時(shí)以非晶態(tài)玻璃相形式存在。

3)實(shí)驗(yàn)用調(diào)質(zhì)熔渣的熔化性溫度都不超過1450℃，當(dāng)熔渣酸度系數(shù)超過1.2后熔渣短渣屬性逐漸消失，在黏度符合制備礦渣棉纖維1～3 Pa·s時(shí)，調(diào)質(zhì)礦渣的溫度范圍變寬，溫度—粘度降落梯度變小，對(duì)制備高爐渣纖維有利。

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