多種處理方式下轉(zhuǎn)爐鋼渣巖相結(jié)構(gòu)分析

錢 強(qiáng)

(攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司，四川 攀枝花 617022)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于轉(zhuǎn)爐鋼渣的處理方式主要為池式熱悶法、風(fēng)淬法及悶潑法[1-2]，各種處理方式不僅與現(xiàn)場(chǎng)的工藝要求相關(guān)，也與其后端的產(chǎn)品需求方式有關(guān)，本文通過(guò)化學(xué)差異及巖相結(jié)構(gòu)分析對(duì)比，找出各自的優(yōu)劣勢(shì)，從而有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)利用。

1 分析材料及設(shè)備

1.1 分析材料

分析材料為某鋼廠池式熱悶法、風(fēng)淬法及悶潑法預(yù)處理方式下獲得的轉(zhuǎn)爐鋼渣。熱悶法是將液態(tài)鋼渣翻入熱悶池內(nèi)加蓋噴水冷卻，產(chǎn)生不同塊度的鋼渣。風(fēng)淬法是用高速氣流吹射液態(tài)鋼渣使之冷卻，產(chǎn)生球狀物鋼渣。悶潑法是將液態(tài)及固態(tài)鋼渣一同翻入露天渣坑內(nèi)再打水冷卻粉化，產(chǎn)生和熱悶法一樣塊度的鋼渣[3-4]。三種鋼渣經(jīng)過(guò)后續(xù)分選工藝除凈單質(zhì)金屬鐵獲得不同粒度，熱悶鋼渣選擇粒度為0-15 mm、15-60 mm，風(fēng)淬鋼渣選用0-5 mm，熱潑鋼渣選用15-60 mm。

三種鋼渣源于同一個(gè)鋼廠不同的生產(chǎn)基地，熱悶法及風(fēng)淬法為同一基地，三種鋼渣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

注：f-Cao為游離狀態(tài)氧化鈣。

由表1可見(jiàn)，0-15 mm、15-60 mm的熱悶鋼渣和15-60 mm的悶潑鋼渣化學(xué)組成相近，風(fēng)淬鋼渣中的氧化亞鐵及氧化鐵與其他鋼渣差異較大，這與預(yù)處理方式相關(guān)。

1.2 分析設(shè)備

為深入了解不同預(yù)處理方式下鋼渣微觀結(jié)構(gòu)差異，采用BX51-P偏光顯微鏡、JSM5600-LV掃描電鏡+INCA能譜儀對(duì)鋼渣進(jìn)行巖相結(jié)構(gòu)分析。

2 分析結(jié)果與討論

對(duì)不同的轉(zhuǎn)爐鋼渣進(jìn)行取樣，采用巖相分析方法確定渣中的礦物組成和分布狀況，將分析結(jié)果與化學(xué)組成、物相組成相結(jié)合，全面了解轉(zhuǎn)爐鋼渣的性質(zhì)。分別對(duì)熱悶鋼渣、風(fēng)淬鋼渣、悶潑鋼渣進(jìn)行巖相分析，主要礦物顆粒的微觀形貌見(jiàn)圖1至圖4，同時(shí)檢測(cè)出的主要礦物相組成見(jiàn)表2。

結(jié)合圖1～圖4和表2可見(jiàn)，三種鋼渣中的物相主要為硅酸鈣、鐵酸鈣、RO相、氧化鈣。其中硅酸鈣主要以硅酸二鈣為主，因?yàn)楣杷崛}只有在1250～2065 ℃溫度范圍內(nèi)才會(huì)穩(wěn)定存在，在1250 ℃以下會(huì)分解為硅酸二鈣和氧化鈣[5]。

悶潑鋼渣中物相組成復(fù)雜，其他物相占比接近25%，主要有輝石、鈣鐵橄欖石、鈣長(zhǎng)石和鋁酸鈣等。這與其預(yù)處理過(guò)程中多樣的經(jīng)過(guò)相關(guān)，一是溫度變化多樣，在冷卻過(guò)程中有急冷和緩冷相間的過(guò)程；二是渣樣狀態(tài)多樣，有液態(tài)及(半)固態(tài)。

粒狀的硅酸二鈣 灰白色的鐵酸鈣 點(diǎn)狀的RO相聚集體圖1 熱悶鋼渣(0-15 mm)中巖相結(jié)構(gòu)圖

粒狀的硅酸二鈣 硅酸二鈣表面凸起的鐵酸鈣 多組解理的RO相圖2 熱悶鋼渣(15-60 mm)中巖相結(jié)構(gòu)圖

蠕蟲狀的硅酸二鈣 大顆粒粒狀的鐵方鎂石 馬蹄形鐵方鎂石邊部形成RO相圖3 風(fēng)淬鋼渣中巖相結(jié)構(gòu)圖

表面光滑的硅酸鈣顆粒 鐵酸鎂 鈣鐵橄欖石及其表面析出的鐵酸鈣顆粒圖4 悶潑鋼渣(15-60 mm)中巖相結(jié)構(gòu)圖

礦物名稱方鎂石硅酸二鈣RO相鐵酸鈣氧化鈣其他熱悶鋼渣(0-15mm)5.8138.1221.0120.859.085.13熱悶鋼渣(15-60mm)6.4643.1822.4718.347.741.81風(fēng)淬鋼渣(0-5mm)9.5018.164.6166.061.270.4悶潑鋼渣(15-60mm)12.4141.686.005.739.7324.44

除風(fēng)淬鋼渣中的硅酸鈣為蠕蟲狀外，其他的均為粒狀且表面光滑，晶粒尺寸長(zhǎng)度在30-60 μm。在硅酸鈣含量方面，風(fēng)淬鋼渣中最低，是其他的一半。風(fēng)淬作用有別于熱悶條件，在高速風(fēng)的作用下，硅酸鈣的形貌發(fā)生扭曲。同時(shí)，一部分鈣在急冷條件下與鐵結(jié)合形成大量的鐵酸鈣，是其他鋼渣的3倍多。這就是在表1中風(fēng)淬鋼渣中的FeO含量最低，而Fe2O3最高的原因。說(shuō)明在高速風(fēng)淬過(guò)程中為氧化氣氛，將大部分的FeO氧化為Fe2O3，氧化率達(dá)到了80%以上。這源于熔渣體系中FeO-Fe2O3為動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，F(xiàn)e2+和Fe3+比值決定于體系的溫度和氧化性氣氛[6]。

風(fēng)淬鋼渣中的鐵酸鈣是熱悶鋼渣中的3倍。同時(shí)，RO相(溶有鐵、鎂等元素的固溶體)中的氧化亞鐵也被奪走轉(zhuǎn)變?yōu)殍F酸鈣。

最后，對(duì)影響鋼渣穩(wěn)定性的氧化鈣來(lái)說(shuō)，變化也較為明顯，風(fēng)淬鋼渣中的游離氧化鈣含量最低，而熱悶鋼渣和悶潑鋼渣中游離的氧化鈣含量相對(duì)較多，分別為9.08%和9.73%。這與表1中f-CaO含量相符。這種風(fēng)淬方式是比較好的鋼渣預(yù)處理方式，可消除不穩(wěn)定的游離氧化鈣對(duì)建筑的危害。

熱悶鋼渣、風(fēng)淬鋼渣和悶潑鋼渣中磷的賦存關(guān)系見(jiàn)表3。

由表3可以看出：熱悶鋼渣中P元素主要賦存在硅酸二鈣中，其次為鐵酸鈣中；而風(fēng)淬鋼渣中P元素主要賦存在鐵酸鈣中，其次在硅酸二鈣中；悶潑鋼渣中P元素主要賦存在硅酸鈣中，其次賦存在鈣長(zhǎng)石、鈣鐵橄欖石、氧化鈣等礦物中。

表3 鋼渣中磷元素的賦存關(guān)系(wt%)

磷對(duì)于鋼鐵來(lái)說(shuō)是一種有害元素，如能去除將會(huì)有助于推動(dòng)鋼渣在鋼鐵內(nèi)循環(huán)利用，從而節(jié)約大量的石灰。而常規(guī)的鋼渣中磷元素大部分賦存在硅酸二鈣中，嚴(yán)重影響了其應(yīng)用。在風(fēng)淬鋼渣中，原本在硅酸二鈣中的磷有50%轉(zhuǎn)移至鐵酸鈣中，如果能將鐵酸鈣或是改性的鐵酸鈣進(jìn)行提取，將會(huì)大量地減少鋼渣中的磷元素。既能實(shí)現(xiàn)磷元素的富集，又能提升低磷鋼渣的品質(zhì)，有助于在冶金和建材領(lǐng)域中的大量應(yīng)用。

3 活性對(duì)比分析

為了了解三種鋼渣在膠凝材料中的活性狀況，參照GB/T 20491-2006《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同鋼渣進(jìn)行活性指數(shù)測(cè)定。基準(zhǔn)水泥采用某水泥公司P.O42.5R?；钚栽囼?yàn)添加比例分別為：水泥315 g，鋼渣微粉135 g，標(biāo)準(zhǔn)砂1350 g，水225 g。各類鋼渣活性對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 各類鋼渣活性指數(shù)對(duì)比圖

由圖5可見(jiàn)，鋼渣活性高低依次為悶潑鋼渣、熱悶鋼渣和風(fēng)淬鋼渣，前兩者與后者對(duì)比較為明顯。首先，悶潑鋼渣和熱悶鋼渣中游離氧化鈣較高，其次在巖相方面硅酸二鈣含量也較高，與水泥水化反應(yīng)相似，這些都是有助于鋼渣中膠凝性能的發(fā)揮。而風(fēng)淬鋼渣中則相反，鐵酸鈣含量偏高導(dǎo)致活性受到限制，無(wú)法大規(guī)模地應(yīng)用于水泥和混凝土摻合料中。但其表面光潔、灰塵少、硬度大，同時(shí)游離氧化鈣極低穩(wěn)定性高，可用于砂骨料和噴丸使用[7]。

4 結(jié)論

(1)熱悶鋼渣、悶潑鋼渣化學(xué)成分相近，風(fēng)淬鋼渣中氧化亞鐵、氧化鐵和游離氧化鈣差異較大，這與預(yù)處理方式關(guān)系密切。

(2)熱悶鋼渣和悶潑鋼渣中的硅酸二鈣表面光滑且含量相同，而風(fēng)淬鋼渣中的硅酸二鈣相比只有50%，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱髓F酸鈣，其含量是前兩者的3倍多。

(3)熱悶鋼渣和悶潑鋼渣活性相近且較高，這與其含有較高的游離氧化鈣和硅酸二鈣有關(guān)，而風(fēng)淬鋼渣則下降較為明顯，適合于砂骨料和噴丸使用。