錳鐵合金渣與礦棉渣的易磨性與活性評(píng)價(jià)

周明凱，周萬(wàn)倫，陳 瀟

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

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錳鐵合金渣與礦棉渣的易磨性與活性評(píng)價(jià)

周明凱，周萬(wàn)倫，陳 瀟

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

YW某鐵合金公司排放的錳鐵合金渣為水淬渣，其Al2O3含量?jī)H1.9%，該公司將液態(tài)錳鐵合金渣加Al2O3調(diào)質(zhì)用于生產(chǎn)礦棉，排放的風(fēng)冷渣其Al2O3含量提高至8.7%，兩種渣的質(zhì)量系數(shù)均為1.0。通過與礦渣的對(duì)比研究表明：水淬渣活性高，但易磨性差；風(fēng)冷渣活性低，易磨性好。錳鐵合金渣Al2O3含量低、質(zhì)量系數(shù)與活性比礦渣低，但比Al2O3含量高的礦棉渣活性好。物理方法可以激發(fā)錳鐵合金渣及礦棉渣的潛在活性，且粉磨時(shí)間愈長(zhǎng)，活性愈高。

錳鐵合金渣； 易磨性； 活性； 物理激發(fā)

1 引 言

YW某鐵合金公司每年排放錳鐵合金渣70萬(wàn)t，采用水淬急冷的方式進(jìn)行預(yù)處理，得到的錳鐵合金渣其CaO和SiO2含量可達(dá)90%，但Al2O3含量?jī)H1.9%，是一種低鋁鐵合金渣；礦棉渣是利用液態(tài)錳鐵合金渣加Al2O3調(diào)質(zhì)在制備礦棉過程中排出的渣球經(jīng)風(fēng)冷收集得到，年排放量約0.8萬(wàn)t，其Al2O3含量提高到8.7%。研究表明，礦渣的活性與其化學(xué)組成和冷卻方式密切相關(guān)[1]，本文就此對(duì)錳鐵合金渣及礦棉渣的易磨性與活性進(jìn)行了對(duì)比研究。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

2.1.1 礦渣的化學(xué)組成與礦物成分

錳鐵合金渣與礦棉渣均取自YW某鐵合金公司，對(duì)照組所用的礦渣是由WH某鋼鐵廠提供的水淬渣，三種渣的化學(xué)組成與礦物成分見表1、圖1及圖2。

由表1分析可知，錳鐵合金渣與礦棉渣的Al2O3含量分別為1.93%、8.72%，遠(yuǎn)低于礦渣的15.29%，兩者的質(zhì)量系數(shù)與堿度均約為1.0，遠(yuǎn)低于礦渣的1.76和1.39，均屬于中性低活性渣。

由圖1及圖2可知，錳鐵合金渣中玻璃體含量較高，主要礦物成分為假硅灰石，其次還存在著鈣鋁黃長(zhǎng)石、二氧化硅、硅酸二鈣、硅酸三鈣以及透輝石等礦物組分；而礦棉渣主要含有鎂黃長(zhǎng)石，還有二氧化硅及鈦和鋁的氧化物等其他組分，礦物多以結(jié)晶態(tài)形式存在，玻璃體含量相對(duì)較少。

表1 錳鐵合金渣、礦棉渣及礦渣的化學(xué)組成、堿度及質(zhì)量系數(shù)

圖1 錳鐵合金渣的XRD衍射圖像Fig.1 Ferromanganese alloy slag's XRD

圖2 礦棉渣的XRD衍射圖像Fig.2 Mineral wool slag's XRD

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 易磨性

采用3HZ100型制樣粉碎機(jī)進(jìn)行粉磨。將三種原狀渣過篩后取0.6～1.18mm作為同一級(jí)配，在烘箱內(nèi)烘干至含水率在1%以下備用。粉磨時(shí)，每個(gè)磨盤內(nèi)加入物料約90g，粉磨2～10min，每2min為一個(gè)時(shí)間間隔后取出，制備不同粉磨時(shí)間的礦粉。

2.2.2 細(xì)度測(cè)定

采用比表面積表征礦粉細(xì)度，按照GB/T8074-2008《水泥比表面積測(cè)定方法-勃氏法》測(cè)試。

2.2.3 需水量比測(cè)定與活性評(píng)價(jià)

需水量比的測(cè)定參照GB/T18736-2002 《高強(qiáng)高性能混凝土礦物外加劑》附錄C進(jìn)行，活性評(píng)價(jià)參照GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗(yàn)方法》中水泥膠砂的28d抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)進(jìn)行。其中水泥采用華新(堡壘牌)普通硅酸鹽42.5水泥，28d抗折、抗壓強(qiáng)度可達(dá)9.1MPa和45.0MPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 易磨性

為探討錳鐵合金渣及礦棉渣制備礦渣微粉的可行性，現(xiàn)將三種原狀渣進(jìn)行不同時(shí)間下的粉磨，并分別測(cè)定其比表面積，結(jié)果見圖3。

從圖3可看出三種渣中礦棉渣的易磨性最好，且隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，比表面積近乎直線上升，粉磨6min時(shí)的比表面積已經(jīng)超過500m2/kg，分別比礦渣和錳鐵合金渣高33.2m2/kg、50.7m2/kg，同時(shí)其粉磨10min時(shí)的比表面積快接近600m2/kg；而錳鐵合金渣與礦渣易磨性相似，6min前比表面積隨粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)均勻增加，當(dāng)粉磨時(shí)間超過6min時(shí)，兩者的細(xì)度變化均不明顯，粉磨10min時(shí)兩者的比表面積均未能突破500m2/kg。這表明風(fēng)冷渣比水淬渣的易磨性好，可能是因?yàn)樗阍胁Ａw含量較高導(dǎo)致其易磨性差的原因。

3.2 需水性

對(duì)不同粉磨時(shí)間下錳鐵合金渣及礦棉渣的需水量比進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見圖4。由圖4可知，兩種渣的需水量比隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但都小于100%。這是因?yàn)閮煞N渣經(jīng)過粉磨后破壞了其原有的疏松結(jié)構(gòu)，從而減少了渣對(duì)水的吸附，導(dǎo)致用水量小于225g；但隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，渣的比表面積不斷變大且均大于水泥，當(dāng)渣等質(zhì)量取代水泥時(shí)，使參與水化的反應(yīng)面積增大，導(dǎo)致需水量增加。2～6min時(shí)錳鐵合金渣的需水量比從94%迅速增加到97%后恒定不變，而礦棉渣在2～10min時(shí)需水量比持續(xù)上升，由95%增至99%。相同粉磨時(shí)間下礦棉渣的需水量比都要高于錳鐵合金渣，結(jié)合兩者的比表面積可知，相同粉磨時(shí)間下礦棉渣的細(xì)度要大于錳鐵合金渣，達(dá)到相同的膠砂流動(dòng)度時(shí)，需要更多的拌合水，故礦棉渣的需水量大。

圖3 不同粉磨時(shí)間下三種渣的比表面積Fig.3 Three kinds of slag's specific surface area with different grinding time

圖4 不同粉磨時(shí)間下兩種渣的需水量比Fig.4 Ferromanganese alloy slag and mineral wool slag's water demand ratio with different grinding time

3.3 活 性

將不同粉磨時(shí)間的錳鐵合金渣、礦棉渣及礦渣按30%的摻量取代水泥制備砂漿，砂漿成型一天后脫模，放置在(20±1) ℃水中養(yǎng)護(hù)，測(cè)定各齡期的抗折、抗壓強(qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度比，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 三種渣配制水泥砂漿的強(qiáng)度及28 d抗壓強(qiáng)度比

續(xù)表

注：0表示純水泥砂漿參照樣，A、B、C表示錳鐵合金渣、礦棉渣及礦渣取代30%水泥配制的砂漿，2、4、6、8、10表示粉磨時(shí)間。

由表2中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，三種渣配置的水泥3d、7d及28d強(qiáng)度具有不同程度的提高，表明物理方法可以激發(fā)渣的潛在活性。究其原因，錳鐵合金渣及礦棉渣本身就具有一定的活性，粉磨后顆粒的比表面積大小影響其水化速度及凝結(jié)核硬化效果，最終體現(xiàn)在力學(xué)性能上，也就是強(qiáng)度的大小[2]。因?yàn)榛钚灶w粒材料與水接觸后，水化反應(yīng)僅在顆粒表面進(jìn)行，而后逐步向顆粒內(nèi)部發(fā)展，活性顆粒完全水化需要一個(gè)較長(zhǎng)的過程。粉磨時(shí)間愈長(zhǎng)，粒度愈細(xì)，比表面積愈大，與水接觸面積也更大，水化反應(yīng)就越充分，凝結(jié)硬化的速度也快，最終得到強(qiáng)度較高的硬化體[3]。所以增加材料的物理細(xì)度，錳鐵合金渣及礦棉渣配置的水泥抗折、抗壓強(qiáng)度都有所提高。

圖5 三種渣水泥砂漿28 d抗壓強(qiáng)度比與粉磨時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relation between 28 d compressive strength ratio and grinding time of cement mortar with three kinds of slag

錳鐵合金渣Al2O3含量及堿度系數(shù)低，其活性較礦渣差，當(dāng)比表面積均達(dá)到374m2/kg和450m2/kg時(shí)，其28d抗壓強(qiáng)度比相差21.3%和15.3%。但盡管錳鐵合金渣的質(zhì)量系數(shù)K僅為1.0，遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB203-78對(duì)?；郀t礦渣的要求K>1.2的要求，其活性仍可達(dá)85%～90%，可作為活性混合材。礦棉渣雖然Al2O3含量及K值均比錳鐵合金渣高，但其活性僅70%～78%，較錳鐵合金渣低約25.0%。這是因?yàn)殄i鐵合金渣經(jīng)水淬急冷處理后，生成了能量較高的無(wú)定形玻璃體結(jié)構(gòu)，因而具有較高的活性。

由圖5分析可知隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)細(xì)度的增加，三種渣的活性均有不同程度的提高。對(duì)于錳鐵合金渣與礦渣而言，當(dāng)粉磨時(shí)間超過6min后，其細(xì)度增長(zhǎng)不大，活性增幅亦很??；對(duì)于礦棉渣而言，雖然隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)度大幅增長(zhǎng)，但活性提高幅度也小，粉磨10min時(shí)比表面積達(dá)到570m2/kg其活性僅78%，比粉磨4min比表面積約450m2/kg的活性僅提高了10%。

4 結(jié) 論

(1)風(fēng)冷渣玻璃體含量少，活性低、但易磨性好；水淬渣玻璃體含量多，活性高、但易磨性差；經(jīng)風(fēng)冷收集的礦棉渣隨粉磨時(shí)間延長(zhǎng)，比表面積快速增加，而水淬礦渣與錳鐵合金渣，比表面積達(dá)到450m2/kg后，很難進(jìn)一步磨細(xì)；

(2)水淬錳鐵合金渣Al2O3低、質(zhì)量系數(shù)小，活性比礦渣差；但玻璃體含量高，其活性比Al2O3含量高、質(zhì)量系數(shù)大的風(fēng)冷礦棉好；

(3)錳鐵合金渣的質(zhì)量系數(shù)只有1.0，但活性可達(dá)85%以上，可作為活性摻合材。

[1] 郜志海,韓靜云,魏其慶,等.錳鐵合金高爐廢渣易磨性的試驗(yàn)研究[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2003,16(3):46-49.

[2] 韓靜云,郜志海.錳鐵高爐廢渣活性的物理激發(fā)效果研究[J].鐵合金,2004,17(3):13-16.

[3] 韓靜云,郜志海,張曉偉.化學(xué)激發(fā)劑對(duì)錳鐵高爐廢渣活性的影響[J].鐵合金,2005,(5):42-48.

Grindability and Activity of Ferromanganese Alloy Slag and Mineral Wool Slag

ZHOU Ming-kai,ZHOU Wan-lun,CHEN Xiao

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitecture,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

FerromanganesealloyslagdischargedbyaYWFerroalloyCompanyiswater-quenchedslag,itsAl2O3contentisonly1.9%,thiscompanyuseliquidferromanganesealloyquenchedandtemperedbyAl2O3toproducemineralwool,thedischargedair-coolingslag'sAl2O3contentisrasedto8.7%,bothoftheirmasscoefficientis1.0.Theresultscomparedwithordinaryslagshowthat:thewater-quenchedslag'sactivityishighbutitsfeasibilityispoor;andair-coolingslag'sactivityispoorbutitsfeasibilityisgood.Ferromanganesealloyslag'sAl2O3content,masscoefficientandactivityislowerthanordinaryslag,buthigherthanmineralwoolslagwhoseAl2O3contentishigh.Physicalmethodscanexciteferromanganesealloyslag'sandmineralwoolslag'spotentialactivity,andthemoregrindingtimethebetteractivity.

ferromanganesealloyslag;feasibility;activity;physicalexcitation

廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(桂科AB16380014)

周明凱(1964-)，男，博士，教授.主要從事水泥混凝土及工業(yè)廢棄物綜合利用研究.

陳 瀟，博士，副研究員.

TQ

A

1001-1625(2016)12-4180-04