噴吹工藝參數(shù)對礦渣棉質(zhì)量的影響

張良進，龍　躍，李智慧，3，杜培培

( 1.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063009; 2.華北理工大學現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點實驗室，河北唐山063009; 3.東北大學材料與冶金學院，沈陽110004)

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噴吹工藝參數(shù)對礦渣棉質(zhì)量的影響

張良進1，2，龍躍1，2，李智慧1，2，3，杜培培1，2

( 1.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063009; 2.華北理工大學現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點實驗室，河北唐山063009; 3.東北大學材料與冶金學院，沈陽110004)

摘要:采用調(diào)質(zhì)高爐渣進行噴吹法制備礦渣棉試驗，對噴吹試驗所得纖維的表觀特性及性能進行檢測，探索噴吹工藝參數(shù)對纖維質(zhì)量的影響規(guī)律.結(jié)果表明:高爐渣的成分含量不在形成礦渣棉的成分范圍內(nèi)，應該添加調(diào)質(zhì)劑對高爐渣作調(diào)質(zhì)處理;隨著酸度系數(shù)的增加，纖維直徑呈增長趨勢;當酸度系數(shù)在1.0～1.2時纖維含水率變化不大，在1.3時含水率出現(xiàn)谷值，隨后迅速增大;在黏度允許的范圍內(nèi)，氣流速度越大，纖維越細長.采用噴吹工藝制備礦渣棉高爐渣酸度系數(shù)控制在1.2～1.3之間，噴吹氣體壓力控制在0.3 MPa左右，纖維質(zhì)量較好.

關(guān)鍵詞:高爐渣;礦渣棉;噴吹;酸度系數(shù);壓力

高爐渣是煉鐵過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品，每冶煉1 t生鐵可產(chǎn)生300～350 kg的高爐渣［1，2］.目前我國大多數(shù)高爐渣采用水淬法進行處理，如因巴法、輪法、底濾法等.但水淬法需要消耗大量的水，在白白浪費掉大量熔渣顯熱的同時，又產(chǎn)生H2S、SO2等有害氣體污染環(huán)境［3，4］.目前利用高爐渣的主要方面是制作建筑材料，如水泥、混凝土的摻合料、石膏、空心磚、筑路填料等，其附加值較低［5～7］.礦渣棉具有質(zhì)輕、導熱系數(shù)小、吸聲性能好、廉價等特點，廣泛應用于各種工業(yè)和民用建筑等方面.液態(tài)高爐渣直接噴吹成纖，熔渣的顯熱回收利用率在80%以上［8，9］，同時與國家節(jié)能減排的政策相吻合，是實現(xiàn)高爐渣高附加值利用的有效途徑［10，11］.

1　試驗

1.1試驗原料

本試驗原料取自唐山某鋼廠的高爐原渣，采用鐵尾礦作為調(diào)質(zhì)劑.原料經(jīng)過破碎、烘干后，進行成分檢測.檢測依據(jù):《巖石礦物分析》(第四版) ;主要儀器設備: TP－214電子天平、滴定管和比色計.得到高爐渣和鐵尾礦化學成分如表1.

表1　高爐渣和鐵尾礦化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of blast furnace slag and iron tailings( mass fraction)　%

原料成分是否符合生產(chǎn)礦渣棉的要求，通常用以下3個經(jīng)驗指標來衡量:酸度系數(shù)、黏度系數(shù)和氫離子指數(shù)pH，其中酸度系數(shù)是高爐渣能否作為制取礦渣棉原料最重要的參數(shù).一般來說酸度系數(shù)控制在1.2～1.4范圍時高爐渣較容易制成礦渣棉纖維［12～14］.本試驗中采用的原渣的酸度系數(shù)為1.01.

圖1　SO2－Al2O3－CaO三元系統(tǒng)中冶金礦渣和火成巖的狀態(tài)圖Fig.1 Metallurgical slag and igneous rock in the SiO2－Al2O3－CaO ternary system

將高爐渣的化學成分與利用Factsage 6.4熱力學軟件繪制的SiO2－Al2O3－CaO三元系統(tǒng)中冶金礦渣和火成巖的狀態(tài)圖(如圖1所示)中礦渣棉的化學成分質(zhì)量分數(shù)范圍( SiO236%～68%，Al2O35%～28%，CaO23%～48%)進行比較可知，原渣的成分含量不在形成礦渣棉的成分范圍內(nèi).所以當用原渣做礦渣棉原料時，應該添加調(diào)質(zhì)劑對原渣進行調(diào)質(zhì)處理［12～14］.不同酸度系數(shù)的配料比例如表2所示.

表2　配料比例Table 2 Material composition

1.2試驗裝置

本試驗采用自主研發(fā)的實驗平臺，成纖裝置主要包括直流電弧爐、導流槽、高速氣流噴嘴等.

圖2　噴吹裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of jetting devices

1.3試驗方法

首先向電弧爐內(nèi)加入少量焦炭，引燃電弧，逐步提高功率;待焦炭紅熱、爐襯溫度達到800℃后，多批次、少批量的將預先配置好的混合料通過加料口緩慢加入;當物料全部融化后，進行測溫;根據(jù)測溫結(jié)果進行補充加熱，達到預期溫度( 1 500℃左右)后停止加熱，準備出渣;將電極上升到最高點后，向加料側(cè)旋轉(zhuǎn)電極立柱，使爐體傾動時不與電極發(fā)生碰撞;傾動爐體，將熔渣通過出渣口倒入末端裝有高壓噴嘴的渣槽，在0.25～0.45 MPa的氣壓下噴吹成纖，所得纖維如圖3所示.

圖3　礦渣棉纖維Fig.3 Blast furnace slag wool fiber

2　試驗結(jié)果及分析

2.1酸度系數(shù)對纖維質(zhì)量的影響

酸度系數(shù)是高爐渣能否滿足礦渣棉原料要求的一個重要參數(shù)，是指熔渣中所含酸性氧化物和堿性氧化物的質(zhì)量比，即

表3　不同酸度系數(shù)纖維的直徑與含水率Table 3 Diameter and moisture content of the wool with different acidity coefficients

圖4　纖維直徑隨酸度系數(shù)的變化規(guī)律Fig.4 Relationship between the fiber diameter and the acidity coefficient

酸度系數(shù)過高時，制成的纖維可能較長，化學穩(wěn)定性得到改善，使用溫度提高，但較難熔化，纖維較粗［12，13］.

GB/T5480－2008規(guī)定建筑用纖維直徑應小于7 μm，當酸度系數(shù)為1.4時，纖維直徑最大為5.9 μm，均符合國標要求.圖4為纖維直徑隨酸度系數(shù)的變化規(guī)律，可以看出隨著酸度系數(shù)的增大，纖維直徑呈增大趨勢.因為隨著酸度系數(shù)變大，增加了復合改性礦渣纖維中網(wǎng)絡形成元素Si 和Al的含量，直接導致礦渣熔點、熔體表面張力以及黏度等指標發(fā)生了復雜變化.一般來說當酸度系數(shù)逐漸增大時，熔渣黏度也隨之增大，導致熔渣內(nèi)部黏滯力明顯增大，進而使得纖維直徑有增大趨勢.

圖5　不同酸度系數(shù)高爐渣纖維SEM圖像Fig.5 Fiber SEM images in different acidity coefficients( a)—酸度系數(shù)=1.01; ( b)—酸度系數(shù)=1.1; ( c)—酸度系數(shù)=1.2; ( d)—酸度系數(shù)=1.3; ( e)—酸度系數(shù)=1.4

利用S－4800掃描電鏡( SEM)觀察不同酸度系數(shù)下高爐渣纖維的表觀形貌.如圖5所示，當酸度系數(shù)在1.0～1.3范圍內(nèi)時，纖維較細，且表面光滑;隨著酸度系數(shù)的增大，纖維逐漸變粗，同時有渣球出現(xiàn)，纖維質(zhì)量變差.綜上所述，酸度系數(shù)在1.0～1.3時，礦渣棉表觀特征較好，在制取礦渣棉時高爐渣酸度系數(shù)應控制在1.3以內(nèi).

圖6　纖維含水率隨酸度系數(shù)的變化規(guī)律Fig.6 Fiber moisture content with different acidity coefficients

GB/T3007－2006規(guī)定建筑用纖維含水率應小于10%.圖6為纖維含水率與酸度系數(shù)的關(guān)系，由圖可知，酸度系數(shù)在1.0～1.2時，纖維含水率變化不大，在0.35%左右.當酸度系數(shù)為1.3時含水率為0.12%，出現(xiàn)谷值，隨后含水率迅速增大.由于當纖維含水率過高時，某些化學物質(zhì)如Na2O，K2O等會從纖維中分離溶入到水中，浸出的化學組分附著在纖維表面，使纖維產(chǎn)生強弱點的區(qū)別，導致纖維最終斷裂、粉化;當纖維含水率過低時，導致纖維抗拉強度和韌性迅速減弱.因此應選擇合適的酸度系數(shù)以滿足對纖維的質(zhì)量要求，最佳酸度系數(shù)應控制在1.2～1.3之間.

2.2氣體壓力對纖維直徑的影響

經(jīng)過研究，噴吹高爐熔渣直接成纖過程可以分為4個階段: 1)高爐熔渣表明形成擾動波; 2)由于剪切力作用，使高爐熔渣破碎成不規(guī)則形狀的大液團; 3)在氣流的沖刷下繼續(xù)破碎成液滴; 4)纖維形成.

本試驗采用的噴嘴可以得到超音速的氣流速度.通過改變氣體壓強得到不同的氣體流速，從而得到粗細不同的纖維，通過檢測結(jié)果畫出纖維直徑隨氣體壓力的變化規(guī)律見圖7.

圖7　纖維直徑隨氣體壓力的變化規(guī)律Fig.7 Fiber diameter with different gas pressure

高速氣體噴吹高爐熔渣過程中，由于Rayleigh－Taylor不穩(wěn)定性，氣液兩相接觸時會在液態(tài)渣表面產(chǎn)生細小的擾動波，擾動波逐漸擴大并且由表面逐漸深入到內(nèi)部，直到高爐熔渣無法承受剪切力而導致破碎.高爐熔渣的破碎首先按照其結(jié)構(gòu)特征沿著波谷破碎成大液團，然后在氣流的沖刷下使大液團進一步破碎，形成分散的液滴.隨后液滴在氣流的拖拽力及熔渣黏性力的作用下拉伸成纖維.纖維直徑的大小與氣流從噴嘴噴出的速度有很大關(guān)系.在黏度允許的范圍內(nèi)，氣流速度越大，纖維越長越細.

3　結(jié)語

( 1)高爐渣的成分不在形成礦渣棉的成分范圍內(nèi)，當用單純的高爐渣做礦渣棉原料時，制取的礦渣棉渣球較多，韌性較差，應該添加調(diào)質(zhì)劑將高爐渣進行調(diào)質(zhì)處理.

( 2)隨著酸度系數(shù)的增加，纖維直徑呈增長趨勢.當酸度系數(shù)在1.0～1.3時，直徑變化不大，纖維較細，且表面光滑;超過1.3后纖維直徑明顯增加，纖維逐漸變粗，同時有渣球出現(xiàn)，纖維質(zhì)量變差.

( 3)當酸度系數(shù)在1.0～1.2時纖維含水率變化不大，在0.35%左右.當酸度系數(shù)為1.3時含水率出現(xiàn)谷值，隨后含水率迅速增大.

( 4)在黏度允許的范圍內(nèi)，氣流速度越大，纖維越細長.

( 5)采用噴吹工藝制備礦渣棉，高爐渣酸度系數(shù)控制在1.2～1.3之間，噴吹氣體壓力控制在0.3 MPa左右，纖維質(zhì)量較好.

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Effect of jeting parameters on slag wool’s quality

Zhang Liangjin1，2，Long Yue1，2，Li Zhihui1，2，3，Du Peipei1，2
( 1.College of Metallurgy and Energy，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China; 2.Modern Metallurgical Technique Key Laboratory of Ministry of Education，Tangshan 063009，China; 3.College of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

Abstract:Experiments of preparing slag wool with blast furnace slag by jetting process were conducted.The apparent character and properties of the slag wool were tested influences of the parameters of the blowing process on the fiber quality were explored.The results showed under a proper condition with increase of the acidity coefficient，the fiber diameter increases.The moisture content decreases and then increases.With increase of the gas pressure diameter of the slag fiber decreases gradually.In order to get a better fiber quality acidity coefficient of the blast furnace slag should be controlled between 1.2～1.3 the gas pressure should be controlled at about 0.3 MPa.

Key words:blast furnace slag; slag wool fiber; jetting; acidity coefficient; pressure

通訊作者:龍躍( 1976—)，男，博士，副教授，E－mail: longyue@ ncst.edu.cn.

作者簡介:張良進( 1990—)，男，碩士研究生，E－mail: 693723886@ qq.com.

基金項目:國家科技支撐計劃資助項目(項目編號: 2012BAE09B00) ;國家自然科學基金面上項目(項目編號: 51274270) ;河北省科技計劃項目(項目編號: 15210110D).

收稿日期:2015-06-02.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.004

中圖分類號:X 756

文獻標識碼:A

文章編號:1671-6620( 2015) 04-0020-05