轉(zhuǎn)爐鋼渣自粉化的可行性研究

謝大為，王　熠，蔣　林，王　玨，高　衛(wèi)，董元篪（.馬鋼股份有限公司第四鋼軋總廠，安徽馬鞍山43000；.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山4303）

轉(zhuǎn)爐鋼渣自粉化的可行性研究

謝大為1，2，王熠1，蔣林1，王玨2，高衛(wèi)2，董元篪2
（1.馬鋼股份有限公司第四鋼軋總廠，安徽馬鞍山243000；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032）

比照國內(nèi)鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分，選擇CaO（50%）-MgO（10%）-SiO2（10%）-Fe2O3（30%）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）四元簡單合成渣系作為實驗轉(zhuǎn)爐渣系，采用X射線衍射儀、掃描電鏡以及能譜儀分析樣品物相、形貌和物相成分，通過煅燒熔融實驗研究堿度和P2O5含量對轉(zhuǎn)爐鋼渣粉化的影響。結(jié)果表明：控制二元堿度R≈2.5時，鋼渣粒徑150 μm下鋼渣自粉化效果最好，粉化率能達(dá)到94.33%；鋼渣中P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.125%時，才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐鋼渣自粉化。

自粉化；轉(zhuǎn)爐鋼渣；硅酸二鈣；堿度；磷

目前，我國粗鋼年產(chǎn)量已超過8億t，鋼渣排放量約為鋼產(chǎn)量的12%，累計超過5億t的鋼渣沒得到有效利用。鋼渣隨意堆放不僅占用土地，對周圍的環(huán)境產(chǎn)生威脅，也造成嚴(yán)重的資源浪費［1-2］。因此，如何處理鋼渣既是一個嚴(yán)重的環(huán)境問題，又是一個重要的資源問題。轉(zhuǎn)爐鋼渣微粉化是目前解決鋼渣綜合利用率低的有效途徑之一，經(jīng)微粉化處理后的鋼渣不僅可提高鐵的磁選率，還能促進(jìn)其在水泥等相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域中更為廣泛的應(yīng)用。但是，轉(zhuǎn)爐鋼渣含較多的鐵鈣相，導(dǎo)致其易磨性較差，很難通過機械方式磨細(xì)和粉化，制約了轉(zhuǎn)爐鋼渣的大宗量利用［3-4］。礦相結(jié)構(gòu)研究表明［5-6］，轉(zhuǎn)爐鋼渣中除鐵鈣相外，還含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～60%的硅酸鹽類礦相，主要為硅酸二鈣（2CaO·SiO2，簡稱C2S）。C2S存在多種晶型，在725℃時會發(fā)生等溫相變，結(jié)構(gòu)由β-C2S 向γ-C2S轉(zhuǎn)變，過程伴隨11%的體積膨脹，從而引起自粉化現(xiàn)象［7-10］。因此，通過改質(zhì)處理，可促進(jìn)轉(zhuǎn)爐鋼渣中C2S相優(yōu)勢形成，再利用C2S相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致體積膨脹引發(fā)自粉化現(xiàn)象，從而提高轉(zhuǎn)爐鋼渣的粉化率。

為此，筆者依據(jù)轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)成分特點，結(jié)合國內(nèi)鋼鐵企業(yè)鋼渣的化學(xué)成分，以CaO-SiO2-MgO-Fe2O3四元合成渣系為實驗轉(zhuǎn)爐渣系，通過鋼渣改質(zhì)處理，研究轉(zhuǎn)爐鋼渣自粉化的可行性和主要影響因素。

1　實　驗

1.1原料

轉(zhuǎn)爐終渣主要由CaO，SiO2，MgO和FeOx組成，另含少量P2O5，MnO，Al2O3，TiO2等，故以CaO（50%）-MgO （10%）-SiO2（10%）-Fe2O3（30%）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）四元合成渣系作為實驗轉(zhuǎn)爐渣系，添加SiO2改質(zhì)劑。在此基礎(chǔ)上，以自粉化效果最好的改質(zhì)渣系為基礎(chǔ)，添加P2O5，分析P2O5含量對鋼渣自粉化的影響。使用分析純試劑配制實驗渣系，分析純試劑由國藥控股股份有限公司生產(chǎn)。其中磷元素以NH4H2PO4的形式加入，并用折算后的CaCO3代替易受潮的CaO［11］。

1.2實驗方法

表1為添加SiO2改質(zhì)劑渣系的成分配比，表2為自粉化效果最好的改質(zhì)渣系中P2O5配比。根據(jù)表1，2配比稱量試劑，采用水溶液共沉淀法［12］。將各配比試劑粉末倒入器皿，加入熱水?dāng)嚢杌靹?，使其在水溶液中共沉淀混勻。然后烘干研磨成粉，? 250℃下煅燒30 min，再次研磨，稱取渣樣裝入MgO坩堝內(nèi)，置于1 600℃馬弗爐內(nèi)熔融30 min，爐冷后觀察鋼渣粉化情況，并分別用篩孔直徑為150，75，48 μm的篩子篩分粉化渣樣。將自粉化渣樣的粉末進(jìn)行XRD分析，未粉化的塊狀渣樣進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。

表1　添加SiO2的渣系成分配比Tab.1 Composition ratio of slag doped SiO2

表2　添加P2O5的渣系成分配比Tab.2 Composition ratio of slag doped P2O5

用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀（Cu Kα）測定樣品物相；用JEOL JSM-6510LV掃描電鏡配INCA Feature X-MAX20能譜儀分析樣品形貌和微區(qū)成分；粒度分析使用篩孔直徑為150，75，48 μm的篩子，以及Malvan Zetasizer Nano S型激光粒度分析儀，采用乙醇作為分散劑。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1SiO2改質(zhì)劑對轉(zhuǎn)爐鋼渣自粉化的影響

圖1為不同渣系試樣的粉化圖片。從圖1可看出：S-1號試樣沒有出現(xiàn)粉化；隨著SiO2加入量的增加，S-2號試樣的表面出現(xiàn)部分粉化，粉化的渣樣可輕松從坩堝中倒出，實現(xiàn)粉化渣樣和固體渣樣的分離；當(dāng)SiO2加入量進(jìn)一步增加時，S-3～S-6號試樣除坩堝內(nèi)壁有少量侵蝕殘留的渣樣外，均完全自粉化。

為定性分析實驗轉(zhuǎn)爐鋼渣的粉化情況，依次用篩孔直徑為150，75，48 μm的篩子篩分粉化后的鋼渣，并計算其粉化率，粉化率的計算公式為

圖1　不同SiO2加入量時渣樣的粉化圖片F(xiàn)ig.1 Slag pulverization images with different SiO2addition

根據(jù)式（1）得到各組鋼渣的粉化率，如表3。結(jié)合表3和圖1可看出，鋼渣粉化率隨著SiO2加入量的增加先逐漸上升；當(dāng)SiO2加入量增加到R=w（CaO）/ w（SiO2）=2.5（即S-3號試樣）時，鋼渣粉化率達(dá)到最大；隨后，鋼渣粉化率隨著SiO2含量的增加而下降。

圖2是S-1，S-2號試樣的SEM圖片。由圖2可知：SiO2加入量較少時，鋼渣中的硅鈣相主要為C3S相，C2S相含量不充分，并且渣中含較多硬度較高的C2F相（即2CaO·Fe2O3），這也是造成S-1，S-2號試樣較難粉化的主要原因；隨著SiO2加入量的增加，渣中C2S相含量增加，鋼渣粉化率因此隨之上升。

表3　不同SiO2含量時試樣的粉化率（%）Tab.3 Pulverization rate of slag samples with different SiO2addition（%）

圖2 S-1和S-2號試樣的SEM圖Fig.2 SEM images of sample S-1 and S-2

圖3為S-3～S-6號試樣的XRD圖譜。通過對比標(biāo)準(zhǔn)圖譜［13］可以看出，S-3～S-6號試樣中主要存在γ-C2S（即γ-2CaO?Si）、C2F和MF（即MgO?Fe2O3）3種礦相。結(jié)合表3，圖2，3可知：隨著SiO2加入量的增多，鋼渣中C2S相含量增加，鋼渣開始出現(xiàn)粉化現(xiàn)象；渣中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時（S-2號試樣），鋼渣少量粉化，粉化率較低，鋼渣粒徑150 μm下的粉化率僅為4.07%；渣中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時（S-3號試樣），γ-C2S強度較高、含量較多，鋼渣粉化率非常高，鋼渣粒徑150 μm下粉化率甚至能達(dá)到94.33%，鋼渣粒徑48 μm下的粉化率也能達(dá)到70.30%；渣中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%后（S-4～S-6號試樣），鋼渣粉化率開始呈下降趨勢?？梢?，鋼渣中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%附近時，鋼渣能取得較好的自粉化效果。這主要是隨著SiO2的加入，渣中的C3S與SiO2結(jié)合生成C2S，C2S優(yōu)勢析出，鋼渣自粉化效果增強。由圖3可知，隨著SiO2加入量的增加，渣中γ-C2S相特征峰減弱，而MF相的特征峰逐漸增強，鋼渣自粉化效果隨之變差。由上述分析可知，調(diào)節(jié)鋼渣中SiO2加入量，控制渣中C2S優(yōu)勢析出，可有效促進(jìn)轉(zhuǎn)爐鋼渣的自粉化。

圖3　S-3～S-6號試樣的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of sample S-3-S-6

2.2P2O5對轉(zhuǎn)爐鋼渣自粉化的影響

轉(zhuǎn)爐鋼渣一般含一定量的P，P能夠抑制β-C2S向γ-C2S的晶型轉(zhuǎn)變，從而影響鋼渣的自粉化，因此研究 P含量對轉(zhuǎn)爐鋼渣自粉化效果的影響。文中以自粉化效果最好的一組渣系（即S-3號樣）為基礎(chǔ)，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.125%（P-1號試樣），0.250%（P-2號試樣），0.375%（P-3號試樣），0.500%（P-4號試樣）的P2O5，考察P含量對鋼渣自粉化的影響，結(jié)果如圖4。從圖4可看出：當(dāng)鋼渣中加入0.125%的P2O5時，渣樣呈現(xiàn)出完全粉化的狀態(tài)；當(dāng)鋼渣中加入0.250%的P2O5時，渣樣僅出現(xiàn)輕微粉化；當(dāng)P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.250%后，渣樣沒有再出現(xiàn)粉化。說明只有當(dāng)渣中P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.250%時，才能夠?qū)崿F(xiàn)其自粉化。

圖4不同P2O5含量時渣樣的粉化圖片F(xiàn)ig.4 Slag pulverization images with different P2O5addition

圖5為P-1和P-2號試樣的SEM圖。從圖5可以看出，P-1和P-2號試樣中的主要礦相分布基本一致，均為C2S，C2F，MF和MgO，表明P2O5的加入對C2S相的生成和析出基本沒有影響。

圖5 P-1和P-2號試樣的SEM圖Fig.5 SEM images of P-1 and P-2

圖6為S-3（P-0），P-1和Pzz2號試樣的XRD圖譜。由圖6可知，對比基礎(chǔ)渣系（P-0號試樣）和P-2號試樣的特征峰，可以看出加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.250%的P2O5使β-C2S的特征峰增強，γ-C2S的特征峰減弱，且P-2號試樣中f-MgO的特征峰強度明顯高于S-3號試樣。說明加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.250%的P2O5，抑制了鋼渣中β-C2S向γ-C2S的晶型轉(zhuǎn)變，不利于鋼渣的自粉化。因此，為了有效實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐鋼渣的自粉化，應(yīng)控制渣中P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)使其小于0.250%。

圖6　S-3（P-0），P-1和P-2試樣的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of sample S-3（P-0），P-1 and P-2

3　結(jié)　論

1）添加適量SiO2改質(zhì)劑可控制轉(zhuǎn)爐鋼渣中C2S相的優(yōu)勢析出，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐鋼渣的自粉化。當(dāng)控制鋼渣二元堿度R≈2.5時，鋼渣粒徑150 μm下粉化率能達(dá)到94.33%，鋼渣自粉化效果最好。

2）轉(zhuǎn)爐鋼渣中存在的P會抑制渣中β-C2S向γ-C2S的晶型轉(zhuǎn)變，影響鋼渣的自粉化。要實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐鋼渣的自粉化，應(yīng)控制鋼渣中P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.250%。

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責(zé)任編輯：何莉

Feasibility Study of Self-pulverization of Converter Steel Slag

XIE Dawei1，2，WANG Yi1，JANG Lin1，WANG Jue2，GAO Wei2，DONG Yuanchi2
（1.No.4 Steel Making and Rolling Combination Mill，Ma'anshan Iron&Steel Co.Ltd.，Ma'anshan 243000，China；2.School of Metallurgical Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243032，China）

Based on the chemical compositions of steel slags from domestic iron and steel enterprises，CaO（50%）-MgO（10%）-SiO2（10%）-Fe2O3（30%）（mass fraction）slag was chosen as basic experimental synthetic slag system. After experiment of calcination and melt，the plase，topography and microstructure were analyzed with X-ray diffraction，scanning electron microscope and spectrometen，the influence of basicity and P2O5content on selfpulverization was studied.The results show that controlling the basicity with R≈2.5，when slag particle size is less than 150 μm，the slag has the best effect of self-pulverization，and slag pulverization rate can reach 94.33%；when the mass fraction of P2O5in slag is less than 0.125%，the slag can achieve self-pulverization.

self-pulverization；converter steel slag；dicalcium silicate；basicity；phosphorus

TF09.1

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.003

1671-7872（2016）02-0105-05

2015-09-25

國家自然科學(xué)基金項目（51374006，51204005）；安徽工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（2014143）

謝大為（1993-），男，安徽六安人，碩士生，主要研究方向為冶金二次資源綜合利用。

董元篪（1946-），男，上海人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為冶金二次資源綜合利用。