高鈦型高爐渣微觀結(jié)構(gòu)對其性能的影響

姚增遠(yuǎn)，楊志遠(yuǎn)

(攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司，四川 攀枝花 617000)

高鈦型高爐渣是攀西地區(qū)特有的釩鈦磁鐵礦，在高爐冶煉過程中因大量的鈦元素以二氧化鈦的形式存留在高爐渣中而形成的。與普通高爐渣相比，高鈦型高爐渣因含有大量二氧化鈦降低了其活性，故不能直接用于礦渣水泥的生產(chǎn)[1]。

目前攀西地區(qū)的高鈦型高爐渣主要工業(yè)利用途徑是采用不同的冷卻工藝對其進(jìn)行冷卻后，再加工處理用于建材生產(chǎn)原料。本文主要通過對高鈦型高爐渣在三種不同的冷卻工藝下形成的水淬渣、熱潑渣和膨珠進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)分析，揭示其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。

研究結(jié)果表明，水淬渣微觀結(jié)構(gòu)中玻璃相含量高達(dá)48.08%，但因顆粒較小，易磨性好，活性高，可用于水泥礦物摻合料；熱潑渣微觀結(jié)構(gòu)中玻璃相含量為24.63%，但堅固抗壓強度較高，且成大塊狀，適用于普通混凝土集料；膨珠中玻璃相含量為9.43%，但因其為球形空心小顆粒狀，堆積密度較小，主要用于輕質(zhì)混凝土集料。

1 試驗

1.1 原料

高鈦型高爐渣是釩鈦磁鐵礦在冶煉過程中產(chǎn)生的一種冶金渣，其中二氧化鈦含量高達(dá)15%以上，且在高溫下與氧化鈣化學(xué)作用形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的攀鈦透輝石和鈣鈦礦，使其活性降低，長期被認(rèn)為是一種“呆礦”，無法直接作為礦渣水泥加以利用[2]。

以下主要以三種不同冷卻工藝條件下形成的高鈦型高爐渣為研究對象，對比分析其微觀結(jié)構(gòu)。其主要成分見表1。

表1 攀鋼高鈦型高爐渣的主要成分組成(wt%)

1.1.1水淬渣

水淬渣是將熔融的高鈦型高爐渣直接翻入水池中，使其急劇快速冷卻至100 ℃以下，然后通過抓斗挖出，再堆放濾水。由于冷卻速度極快，熔渣中的大量氣體急劇排放及受冷卻體積收縮效應(yīng)影響，造成該水淬渣為小于10 mm的小顆粒狀，且易碎。

1.1.2熱潑渣

熱潑渣是目前攀鋼高鈦型高爐渣的一種主要利用途徑，其主要工藝為：首先將渣罐中的熔融高鈦型高爐渣翻至渣坑中自然冷卻30 min以上，使其緩慢冷卻凝固結(jié)晶至固態(tài)(表層溫度在1000 ℃左右)；然后通過打水加速冷卻；最后在高爐渣的余熱條件下自然蒸干水分形成熱潑渣。由于其冷卻速度相對緩慢，結(jié)晶較好，主要成大塊狀，且堅硬。

1.1.3膨珠

膨珠是將液態(tài)高爐渣由渣罐直接翻至特制的溜槽中，然后由滾筒將其拋向空中，最后在空中快速冷卻后形成的一種球形空心小顆粒冶金渣。該渣主要為1～10 mm的球形空心小顆粒。

1.2 試驗研究方法

1.2.1微觀結(jié)構(gòu)電鏡分析方法

為了更好地了解冶金渣的內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)，我們首先將不同的冶金渣在實驗室小型球磨機中制成粒度小于0.45 mm的微粉，然后將其粘附在玻璃上，并對試樣進(jìn)行溶蝕處理后進(jìn)行電鏡掃描檢測，觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)，并計算相關(guān)物相體積含量。

1.2.2活性指數(shù)分析

為了同等條件下進(jìn)行對比分析，本次試驗采用將水淬渣、熱潑渣和膨珠在實驗室球磨機中均磨至45μm篩余小于20%，然后按照GB/T 51003-2014附錄B規(guī)定進(jìn)行7d和28d抗壓強度活性指數(shù)檢測[3]。檢驗用基準(zhǔn)水泥為符合GB/T 8076中規(guī)定的水泥標(biāo)準(zhǔn)，試驗樣品為試驗高爐冶金渣和基準(zhǔn)水泥按質(zhì)量比3∶7混合制成[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)電鏡對比分析

采用掃描電鏡(SEM)對三種不同工藝條件下的高鈦型高爐渣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析如圖1至圖3所示。通過計算機對電鏡圖中的不同物相含量進(jìn)行分析計算，結(jié)果如表2所示。

通過將圖1、圖2和圖3對比分析可知，水淬渣玻璃相含量最高，其次為熱潑渣，膨珠中最少。分析認(rèn)為，這主要是因為水淬渣是由高溫液態(tài)直接快速冷卻至100 ℃以下形成的，大部分質(zhì)點來不及做有規(guī)則排列形成晶體，而以玻璃相的形式存在，具有一定的結(jié)晶潛熱，有利于活性指數(shù)的提高；熱潑渣雖然經(jīng)過自然冷卻結(jié)晶，但在打水冷卻過程中由于渣層存在一定的厚度，內(nèi)部有紅渣存在，故熱潑渣中仍有少部分玻璃相形成；膨珠在被拋向空中時，液態(tài)熔渣在表面張力的作用下形成球狀結(jié)構(gòu)，在空氣中雖能夠急速冷卻但由于時間極短，落地后仍為高溫態(tài)，隨后在自然冷卻過程中大部分逐漸結(jié)晶形成鈣鈦礦和鈦透輝石，故未能形成大量的玻璃相。

1.玻璃相 2.鈣鈦礦 3.鈦透輝石圖1 水淬渣

1.玻璃相 2.鈣鈦礦 3.鈦透輝石圖2 熱潑渣

1.玻璃相 2.鈣鈦礦 3.鈦透輝石圖3 膨珠

項 目熱潑渣水淬渣膨 珠玻璃相24.6348.089.43鈣鈦礦28.423.2325.46鈦透輝石40.8744.4048.69

水淬渣中鈣鈦礦含量最低，這主要是由于鈣鈦礦結(jié)晶溫度較高[5-6]，而水淬渣由于冷卻速度極快，高溫停留時間短暫，故其含量相對較少。鈦透輝石的結(jié)晶溫度相對較低(一般在1000 ℃以下仍存在結(jié)晶)，且其中的鈦含量可變，故在高溫下未形成鈣鈦礦的二氧化鈦大部分固溶在了鈦透輝石中，使透輝石含量增大。

2.2 活性指數(shù)對比分析

將水淬渣、熱潑渣和膨珠磨成相同細(xì)度的微粉后進(jìn)行抗壓強度活性指數(shù)檢測對比分析，對比結(jié)果如表3所示。

表3 三種高鈦型高爐渣中活性指數(shù)(%)

由表3的對比結(jié)果可知，水淬渣活性指數(shù)最大，其后依次為熱潑渣和膨珠，這也充分證明了在成分和細(xì)度相同的條件下，高鈦型高爐渣中玻璃相含量越高其抗壓強度活性指數(shù)就越大。

水淬渣由于顆粒小，易碎耐磨性好，且活性指數(shù)相對較高，故主要適用于生產(chǎn)水泥的礦物添加料，不僅可以降低水泥生產(chǎn)成本，還可充分利用其活性確保水泥產(chǎn)品質(zhì)量。熱潑渣由于經(jīng)過了自然冷卻和蒸干工序，內(nèi)部結(jié)晶較好，堅硬，且外形塊度大，性能穩(wěn)定，主要適用于普通混凝土中的集料。膨珠雖然經(jīng)過了自然緩慢冷卻，硬度較大，但由于其在空中已成為球形空心小顆粒，造成其堆積密度小于0.7 g/cm3，故不適合作普通混凝土集料使用，而適用于輕質(zhì)混凝土集料。

3 結(jié)論

(1)通過對三種不同冷卻工藝條件下的高鈦型高爐渣微觀結(jié)構(gòu)分析表明，水淬渣中玻璃相含量最高為48.08%，其次為熱潑渣玻璃相含量為24.63%，膨珠中玻璃相含量最低為9.43%。

(2)在同等條件下對三種高鈦型高爐渣的活性指數(shù)的對比分析表明，冶金渣中玻璃相含量越高，其抗壓強度活性指數(shù)也越大。

(3)高鈦型高爐渣的微觀結(jié)構(gòu)決定了其宏觀性能指標(biāo)，進(jìn)而影響了其應(yīng)用范圍。水淬渣主要適用于生產(chǎn)水泥礦物摻合料；熱潑渣主要適用于普通混凝土集料；膨珠主要適用于輕質(zhì)混凝土集料。