钢铁熔渣在高压水射流条件下的粒度与胶凝活性变化规律

钢铁熔渣在高压水射流条件下的粒度与胶凝活性变化规律

李  宇¹⁾ ，张玲玲²⁾，宗燕兵¹⁾  ，刘晓明¹⁾  ，苍大强¹⁾

1)北京科技大学冶金与生态工程学院生态与循环冶金教育部重点实验室，北京100083

2)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083

摘 要 通过自行设计搭建的高温熔融一高压水射流装置，进行了熔融态转炉钢渣与高炉渣的高压水射流试验．试验表明：采用高压水射流直接冷却微细化的方法能够同时实现转炉钢渣的微细化与胶凝活性增强；在本文试验条件下，采用8—10MPa的高压水，射流冷却后的射流钢渣体积平均粒度达到94．3μm，主要物相是玻璃相和结晶矿物Ca₂SiO₂，由其所制备胶凝材料养护28d的抗压强度达33．96MPa，超过原钢渣制备胶凝材料8MPa．射流高炉矿渣形成絮状结构，并具有更低胶凝活性．与熔融态高炉矿渣相比，熔融态转炉钢渣更适合采用高压水射流方法．

关 键 词  钢铁冶金；渣；废料利用；粉碎；水泥

钢铁渣显热利用问题已成为进一步提高钢铁行业节能减排水平的关键所在．其中，高炉渣排渣温度约1450℃，转炉钢渣排渣温度超过1600℃．如果利用显热，则每吨高炉渣节能61kg标准煤，钢渣节能68kg标准煤．2009年，中国钢产量已接近6亿t，高炉矿渣和转炉钢渣产量分别约为1．8亿t和0．9亿t．然而，现有技术尚未能实现钢铁渣显热的利用，大量显热被直接冷却而浪费掉．与此同时，我国钢渣利用率仍然处于较低水平^[1]，堆积的钢渣及其选铁尾渣不仅占用大量土地，还造成环境污染和安全隐患．

钢渣的特点由其组成和形成过程决定．钢渣具有胶凝活性低、安定性差和粉磨能耗高的特点，这些特点严重制约了其在水泥行业的广泛应用．对熔渣进行在线改质是改善钢渣性能的一条有效途径．这种过程改质的模式^[2-5]由于既能充分利用钢渣高温显热又能实现排出渣的有效利用，已成为目前研究的一个重要方向．采用高压水射流冷却钢铁渣就是一种同时利用钢铁渣及其显热的改质方法．

高压水射流冷却钢铁渣将高温熔渣的急冷玻璃化与超细粉碎过程结合起来考虑，采用高压射流的方式处理高温熔渣，一方面提高冷却的速度，促进熔渣的玻璃体活化程度；另一方面利用高温熔渣热量，采用高压水射流的方法将熔渣破碎到微细化的程度，使熔渣潜在活性得到充分激发．采用该法，将熔渣一次性急冷细碎至微米级超细粉直接用于水泥和陶瓷等制备，避免了冷却钢渣粉磨的高能耗过程，实现了节能、节水、减少环境污染、提高材料活性及缩短工艺流程等多重目的．

用高压射流快速凝固金属熔体制备金属粉末技术早在20世纪70年代就开始应用于Fe、Al和Ti等多种材料合金粉末及非晶材料的制备．已经实现工程化的高压射流快速凝固技术有亚音速气体雾化法、超音速气体雾化法和高压水雾化法．在水雾化过程中，水压是最重要的控制参数．对钢液的快速凝固试验表明：将水压由1．7MPa提高到13．8MPa时，所得到的粉末平均颗粒尺寸由117μm减小到42μm，液滴的冷却速率可高达10⁵K·s^﹣1．水压越高，颗粒越小^[6-7]．因此，高温熔渣有可能一次处理得到活性极好的粉体原料，但射流技术应用于硅铝基非金属材料制备还未见报道．

本文利用自行设计建造的高压水射流试验台，开展了熔融转炉钢渣和高炉渣的高压水射流试验，应用x射线衍射(XRD)分析、粒度分析和胶凝材料力学性能测试等手段进一步研究了射流钢渣与射流高炉矿渣微细化与活性增强规律．

1  试验过程

1．1  高压水射流试验台

高压水射流试验台设计思想是利用高压水的射流冲击力，冲击进入射流焦点的熔渣，熔渣在被微细化的同时获得很大的冷却速率，从而使熔渣微细化，并冷却形成具有高活性的玻璃相物料．试验台包括高温加热系统、射流系统和收集系统三个部分．试验系统参见图1．

高温系统主要由高温熔融炉和相关控制设备构成．其中，加热元件是硅钼棒，加热坩埚是石墨坩埚．射流系统包括喷嘴、射流支架和高压泵三部分．本文试验选择橄榄形喷嘴和喷嘴对喷方式，喷射角度为45°．高压水泵是天津通洁高压泵制造有限公司生产的3D2A—S型高压柱塞泵，其主要技术参数为：电动机额定功率45kw，流量158 L·min^﹣1，额定排水压力15MPa．

1．2试验原料及试验过程

利用搭建的高温熔渣高压水射流试验台，将转炉钢渣和高炉渣进行重新加热熔融和射流急冷试验．试验参数见表1．试验加热过程：唐山钢铁集团转炉钢渣并掺入占总量4％的氟化钙，共2．5kg，加热至1600℃，保温45min；通化钢铁集团高炉矿渣2．5kg，加热至1450℃，保温45min．

根据以上试验参数，将转炉钢渣和高炉矿渣进行加热熔融和射流急冷试验，分别如图1和图2所示．射流结束，分别采用500目的滤网将射流渣过滤收集并立即烘干．

高压水射流冷却熔渣的冷却速率达10³℃·s^﹣1数量级．在如此高的冷却速率下，射流钢渣仍然析出Ca₂SiO₄晶相，其原因可以用Al₂O₃一CaO—MgO一SiO₂系相图进行解释．由Al₂O₃为5％的CaO一MgO一SiO₂系相图^[8](图4)可知，在表2中射流钢渣成分点正好位于Ca₂SiO₄初晶区，其析晶温度高于1700℃．虽然钢渣中加入了少量氟化钙后能够在1600℃熔化并流动，但在这个温度下，熔渣会析晶生成大量的Ca₂SiO₄．也就是说，射流钢渣中Ca₂SiO₄晶相在熔渣冷却前就已经产生．

2．2射流钢渣的粒度分布

由钢渣粒度分布曲线(图5)可知，射流钢渣粒度分布为：d_0．1=25．63μm，d_0．5=61．53μm，d_0．9=220．54μm，体积平均粒径D_V＝94．29μm．

从粉体粒度大小的角度分析，传统水淬钢渣的粒径为毫米级；而经过高压水射流冷却的钢渣的平均粒径接近80μm，低于传统水淬钢渣粒径大小两个数量级，已经达到微细化要求，减少了后续粉磨所带来的能耗．

普通钢渣易磨性差的原因主要是含有RO相和橄榄石(CRS)等硬度较大的矿相．结合图3射流钢渣的XRD分析可知，从粉体矿相角度，射流钢渣中仅俘在硅酸二钙为主的结晶相，没有难磨的RO和CRS等矿相，因而后续粉磨能耗将会大大减少．

存高压水射流冷却过程中，对于高温熔渣的快速凝固是利用高速喷水射流的超强剪切力和动能克服熔体的表面张力，同时增大液态熔体下落或飞行速度，使之分散雾化成细小的液滴，从而快速冷却凝固为细小颗粒．从能量利用的角度看，高压水射流的能量集中在靶体(固体颗粒或液珠)上，所克服的熔体表面张力等阻力小于固体颗粒分子间的作用力，因此它的能量利用率比现有的固体颗粒的粉碎设备要高^[9]，相当于充分利用了转炉熔渣的高温显热．

2．3胶凝活性变化

射流钢渣的胶凝活性变化如图6所示．由图可知，原钢渣所制试块抗压强度较低，所制试块28d强度仅25．55MPa．射流钢渣所制备的胶凝材料3、7和28d抗压强度分别达到10．01、20．89、33．96MPa，高于相应的原钢渣所制备的胶凝材料各个龄期的抗压强度，28d的抗压强度超过8MPa以上．可见，射流钢渣活性高于原钢渣．  

射流矿渣活性降低的原因可以用矿渣分相结构与胶凝活性的关系^[10-11]进行解释，即具有分相结构的矿渣具有最好的胶凝活性，只有在合适水淬温度和冷却速度条件下才形成分相，在极大的冷却速率下将形成均匀的玻璃相，反而导致其活性降低．

因此，由于熔渣的组成不同，应用高压水射流冷却方法的效果不同．与高炉矿渣相比，熔融态转炉钢渣更适合采用高压水射流方法，这不仅能够直接实现钢渣的微细化过程，还能够提高钢渣胶凝活性．

3结论

(1)采用高压水射流冷却方法能够同时实现转炉钢渣的微细化与胶凝活性增强．在本文试验条件下，射流钢渣体积平均粒度达到94．3μm，小于传统水淬钢渣两个数量级；所制备胶凝材料养护28d的抗压强度达33．96MPa，超过原钢渣制备胶凝材料8MPa．

(2)高压水射流冷却条件下制备的射流钢渣物相主要是玻璃相和结晶矿物Ca₂SiO₄．

(3)熔融态高炉矿渣在射流条件下形成的射流矿渣具有更低的胶凝活性．与高炉矿渣相比，熔融态转炉钢渣更适合采用高压水射流方法．

参  考  文  献