高鈦型高爐渣微觀結構對其性能的影響

姚增遠，楊志遠

(攀枝花鋼城集團有限公司，四川 攀枝花 617000)

高鈦型高爐渣是攀西地區特有的釩鈦磁鐵礦，在高爐冶煉過程中因大量的鈦元素以二氧化鈦的形式存留在高爐渣中而形成的。與普通高爐渣相比，高鈦型高爐渣因含有大量二氧化鈦降低了其活性，故不能直接用于礦渣水泥的生產[1]。

目前攀西地區的高鈦型高爐渣主要工業利用途徑是采用不同的冷卻工藝對其進行冷卻后，再加工處理用于建材生產原料。本文主要通過對高鈦型高爐渣在三種不同的冷卻工藝下形成的水淬渣、熱潑渣和膨珠進行微觀組織結構分析，揭示其微觀結構與宏觀性能之間的關系。

研究結果表明，水淬渣微觀結構中玻璃相含量高達48.08%，但因顆粒較小，易磨性好，活性高，可用于水泥礦物摻合料；熱潑渣微觀結構中玻璃相含量為24.63%，但堅固抗壓強度較高，且成大塊狀，適用于普通混凝土集料；膨珠中玻璃相含量為9.43%，但因其為球形空心小顆粒狀，堆積密度較小，主要用于輕質混凝土集料。

1 試驗

1.1 原料

高鈦型高爐渣是釩鈦磁鐵礦在冶煉過程中產生的一種冶金渣，其中二氧化鈦含量高達15%以上，且在高溫下與氧化鈣化學作用形成結構穩定的攀鈦透輝石和鈣鈦礦，使其活性降低，長期被認為是一種“呆礦”，無法直接作為礦渣水泥加以利用[2]。

以下主要以三種不同冷卻工藝條件下形成的高鈦型高爐渣為研究對象，對比分析其微觀結構。其主要成分見表1。

表1 攀鋼高鈦型高爐渣的主要成分組成(wt%)

1.1.1水淬渣

水淬渣是將熔融的高鈦型高爐渣直接翻入水池中，使其急劇快速冷卻至100 ℃以下，然后通過抓斗挖出，再堆放濾水。由于冷卻速度極快，熔渣中的大量氣體急劇排放及受冷卻體積收縮效應影響，造成該水淬渣為小于10 mm的小顆粒狀，且易碎。

1.1.2熱潑渣

熱潑渣是目前攀鋼高鈦型高爐渣的一種主要利用途徑，其主要工藝為：首先將渣罐中的熔融高鈦型高爐渣翻至渣坑中自然冷卻30 min以上，使其緩慢冷卻凝固結晶至固態(表層溫度在1000 ℃左右)；然后通過打水加速冷卻；最后在高爐渣的余熱條件下自然蒸干水分形成熱潑渣。由于其冷卻速度相對緩慢，結晶較好，主要成大塊狀，且堅硬。

1.1.3膨珠

膨珠是將液態高爐渣由渣罐直接翻至特制的溜槽中，然后由滾筒將其拋向空中，最后在空中快速冷卻后形成的一種球形空心小顆粒冶金渣。該渣主要為1～10 mm的球形空心小顆粒。

1.2 試驗研究方法

1.2.1微觀結構電鏡分析方法

為了更好地了解冶金渣的內部微觀組織結構，我們首先將不同的冶金渣在實驗室小型球磨機中制成粒度小于0.45 mm的微粉，然后將其粘附在玻璃上，并對試樣進行溶蝕處理后進行電鏡掃描檢測，觀察其微觀組織結構，并計算相關物相體積含量。

1.2.2活性指數分析

為了同等條件下進行對比分析，本次試驗采用將水淬渣、熱潑渣和膨珠在實驗室球磨機中均磨至45μm篩余小于20%，然后按照GB/T 51003-2014附錄B規定進行7d和28d抗壓強度活性指數檢測[3]。檢驗用基準水泥為符合GB/T 8076中規定的水泥標準，試驗樣品為試驗高爐冶金渣和基準水泥按質量比3∶7混合制成[4]。

2 結果與討論

2.1 微觀結構電鏡對比分析

采用掃描電鏡(SEM)對三種不同工藝條件下的高鈦型高爐渣進行微觀結構分析如圖1至圖3所示。通過計算機對電鏡圖中的不同物相含量進行分析計算，結果如表2所示。

通過將圖1、圖2和圖3對比分析可知，水淬渣玻璃相含量最高，其次為熱潑渣，膨珠中最少。分析認為，這主要是因為水淬渣是由高溫液態直接快速冷卻至100 ℃以下形成的，大部分質點來不及做有規則排列形成晶體，而以玻璃相的形式存在，具有一定的結晶潛熱，有利于活性指數的提高；熱潑渣雖然經過自然冷卻結晶，但在打水冷卻過程中由于渣層存在一定的厚度，內部有紅渣存在，故熱潑渣中仍有少部分玻璃相形成；膨珠在被拋向空中時，液態熔渣在表面張力的作用下形成球狀結構，在空氣中雖能夠急速冷卻但由于時間極短，落地后仍為高溫態，隨后在自然冷卻過程中大部分逐漸結晶形成鈣鈦礦和鈦透輝石，故未能形成大量的玻璃相。

1.玻璃相 2.鈣鈦礦 3.鈦透輝石圖1 水淬渣

1.玻璃相 2.鈣鈦礦 3.鈦透輝石圖2 熱潑渣

1.玻璃相 2.鈣鈦礦 3.鈦透輝石圖3 膨珠

項 目熱潑渣水淬渣膨 珠玻璃相24.6348.089.43鈣鈦礦28.423.2325.46鈦透輝石40.8744.4048.69

水淬渣中鈣鈦礦含量最低，這主要是由于鈣鈦礦結晶溫度較高[5-6]，而水淬渣由于冷卻速度極快，高溫停留時間短暫，故其含量相對較少。鈦透輝石的結晶溫度相對較低(一般在1000 ℃以下仍存在結晶)，且其中的鈦含量可變，故在高溫下未形成鈣鈦礦的二氧化鈦大部分固溶在了鈦透輝石中，使透輝石含量增大。

2.2 活性指數對比分析

將水淬渣、熱潑渣和膨珠磨成相同細度的微粉后進行抗壓強度活性指數檢測對比分析，對比結果如表3所示。

表3 三種高鈦型高爐渣中活性指數(%)

由表3的對比結果可知，水淬渣活性指數最大，其后依次為熱潑渣和膨珠，這也充分證明了在成分和細度相同的條件下，高鈦型高爐渣中玻璃相含量越高其抗壓強度活性指數就越大。

水淬渣由于顆粒小，易碎耐磨性好，且活性指數相對較高，故主要適用于生產水泥的礦物添加料，不僅可以降低水泥生產成本，還可充分利用其活性確保水泥產品質量。熱潑渣由于經過了自然冷卻和蒸干工序，內部結晶較好，堅硬，且外形塊度大，性能穩定，主要適用于普通混凝土中的集料。膨珠雖然經過了自然緩慢冷卻，硬度較大，但由于其在空中已成為球形空心小顆粒，造成其堆積密度小于0.7 g/cm3，故不適合作普通混凝土集料使用，而適用于輕質混凝土集料。

3 結論

(1)通過對三種不同冷卻工藝條件下的高鈦型高爐渣微觀結構分析表明，水淬渣中玻璃相含量最高為48.08%，其次為熱潑渣玻璃相含量為24.63%，膨珠中玻璃相含量最低為9.43%。

(2)在同等條件下對三種高鈦型高爐渣的活性指數的對比分析表明，冶金渣中玻璃相含量越高，其抗壓強度活性指數也越大。

(3)高鈦型高爐渣的微觀結構決定了其宏觀性能指標，進而影響了其應用范圍。水淬渣主要適用于生產水泥礦物摻合料；熱潑渣主要適用于普通混凝土集料；膨珠主要適用于輕質混凝土集料。