均勻分布鋼渣超微粉的制備及性能研究

李文凱，張 浩

(1.中冶寶鋼技術服務有限公司，上海 201900；2.安徽工業(yè)大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

鋼渣作為冶金工業(yè)領域的大宗固體廢棄物，其年均鋼渣排放量在1億噸以上(年粗鋼產(chǎn)量的15%～20%)[1-3]。由于我國對鋼渣利用的技術有限，導致年產(chǎn)量10%左右的鋼渣可以被利用，其余高達年產(chǎn)量90%左右的鋼渣主要以無遮擋的形式進行堆放，對土地、水源和空氣造成嚴重的危害[4-6]，已經(jīng)引起冶金工業(yè)資源綜合利用領域以及環(huán)境保護領域的關注。

如何提高鋼渣的細度與粒度分布的均勻性是目前鋼渣綜合利用的主要研究方向，其中助磨劑是實現(xiàn)鋼渣超微粉化、均勻化的關鍵技術。英、美等發(fā)達國家上世紀30年代以樹脂制備助磨劑，30～40年代以醚類有機物與多元醇有機物制備助磨劑，40年代以醇醚有機物制備助磨劑，50～60年代以游離脂肪酸、苛性堿金屬、醇烴類有機物、非離子表面活性物質(zhì)進行復合制備高性能助磨劑[7，8]。我國上世紀50年代以紙漿廢液、煤等制備助磨劑，70年代以醇胺類有機物與醇類有機物進行復合制備助磨劑[9]。

本研究以醇、胺類物質(zhì)乙二醇與三乙醇胺為溶質(zhì)、醇類物質(zhì)無水乙醇為溶劑配制鋼渣助磨劑，并且與滾筒渣混合后進行粉磨，獲得鋼渣超微粉。將均勻設計與BP神經(jīng)網(wǎng)絡結合，考察乙二醇用量、三乙醇胺用量、無水乙醇用量和磨機轉速對鋼渣超微粉粒度分布均勻程度的影響，建立乙二醇用量、三乙醇胺用量、無水乙醇用量、磨機轉速與粒度分布均勻程度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化模型，以獲得均勻鋼渣超微粉的實驗方案。

1 實驗

1.1 材料與試劑

采用的實驗材料：鋼渣為滾筒渣，中國寶武鋼鐵集團有限公司；乙二醇，工業(yè)純，泰州市偉捷化工有限公司；三乙醇胺，工業(yè)純，上海易恩化學技術有限公司；無水乙醇，工業(yè)純，合肥四峰生物科技有限公司。

1.2 實驗方法

鋼渣超微粉制備步驟如下：首先將醇、胺類物質(zhì)乙二醇與三乙醇胺和醇類物質(zhì)無水乙醇按一定體積比配置獲得鋼渣助磨劑；其次稱取450 g滾筒渣與鋼渣助磨劑進行復合，利用行星式球磨機以一定轉速對滾筒渣與鋼渣助磨劑的混合物粉磨120 min，獲得鋼渣超微粉。

1.3 性能測試及表征

采用S8 Tiger 型X射線熒光光譜儀測試化學成分，XRD-7000S/L 型X射線衍射儀測試礦物組成，Winner2309全自動型激光粒度儀測試粒度分布，IRAffinity-1 型傅立葉變換紅外光譜儀測試組成結構。

1.4 實驗方案

以實驗方法中乙二醇用量、三乙醇胺用量、無水乙醇用量和磨機轉速作為考察因素，以鋼渣超微粉的粒度分布均勻程度作為指標，其均勻設計實驗方案見表1[10]。

表1 實驗方案

2 結果與討論

2.1 鋼渣性質(zhì)分析

圖1為鋼渣的物相組成圖，從圖可以看出，鋼渣的主要物相組成為鈣、鐵的硅酸鹽，鈣、鎂的氧化物，以及RO相。表2為鋼渣的化學成分表，從表可以看出，鋼渣中的主要化學成分中氧化鈣、氧化鐵與氧化硅的含量較高。上述主要物相組成與化學成分說明鋼渣雖然具有膠凝活性，但是易磨性較差。

圖1 鋼渣的物相組成

表2 鋼渣的化學成分(w%)

2.2 均勻實驗結果

依據(jù)表1制備一系列的鋼渣超微粉，對其粒度分布進行性能測試見表3。從表3可以看出，1#～8#鋼渣超微粉的d90為11.08～14.46 μm、d50為3.62～6.14 μm和d10為1.20～1.89 μm，以粒度分布寬度比系數(shù)Z=d90/d10和粒徑分布寬度H=(d90-d10) /d50[11]對鋼渣超微粉的粒度分布均勻程度進行分析見表3。從表3還可以看出，粒度分布寬度比系數(shù)Z為6.49～11.39和粒徑分布寬度H為1.98～2.82，說明鋼渣超微粉的粒度分布均勻程度較差。

表3 鋼渣超微粉的粒徑分布與粒度分布均勻程度

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化模型

2.3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化模型的建立

(1)輸入層節(jié)點的確定：以鋼渣超微粉制備過程的乙二醇用量、三乙醇胺用量、無水乙醇用量和磨機轉速作為輸入節(jié)點，即輸入節(jié)點數(shù)為4見表4。(2)輸出層節(jié)點的確定：以描述鋼渣超微粉的粒度分布寬度比系數(shù)Z和粒徑分布寬度H，作為輸出節(jié)點，即輸出節(jié)點數(shù)為2見表4。(3)隱含層節(jié)點數(shù)的確定：根據(jù)經(jīng)驗公式J=(n+m)1/2+a，其中n為輸入層節(jié)點數(shù)，m為輸出層節(jié)點數(shù)，a=1～10進行確定[12]。(4)傳遞函數(shù)及算法的確定[13]。

表4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化模型的輸入層節(jié)點和輸出層節(jié)點

2.3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化模型的訓練

依據(jù)2.3.1中確定的輸入節(jié)點數(shù)4與輸出節(jié)點數(shù)2，并且選用S型激活函數(shù)構建4-S-2型網(wǎng)絡結構。當訓練誤差小于目標誤差105時，所構建的4-S-2型網(wǎng)絡結構固定。

2.3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化模型的驗證

以乙二醇用量為2 mL、三乙醇胺用量為2 mL、無水乙醇用量為2 mL和磨機轉速為600 r/min時所制備的鋼渣超微粉，其經(jīng)激光粒度儀測試獲得d90為9.19 μm、d50為3.31 μm和d50為0.99 μm，再經(jīng)過計算獲得粒度分布寬度比系數(shù)Z為9.28和粒徑分布寬度H為2.48。將上述數(shù)據(jù)輸入固定4-S-2型網(wǎng)絡結構，獲得模型預測值，即粒度分布寬度比系數(shù)Z為9.67和粒徑分布寬度H為2.36，與測試樣本計算結果的相對誤差較小，即4.20%和-4.84%。

2.3.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化模型的優(yōu)選

利用逐項密集掃描技術對乙二醇用量、三乙醇胺用量、無水乙醇用量和磨機轉速依次取有效值，作為預測樣本輸入固定4-S-2型網(wǎng)絡結構進行預測，獲得最優(yōu)預測值，即粒度分布寬度比系數(shù)Z為6.28和粒徑分布寬度H為1.91，其對應的最優(yōu)實驗方案：乙二醇用量、三乙醇胺用量、無水乙醇用量和磨機轉速分為1.83 mL、1.92 mL、2.75 mL和650 r/min。

2.3.5 性能與表征

以2.3.4中鋼渣超微粉的最優(yōu)實驗方案制備最優(yōu)鋼渣超微粉，依據(jù)2.3性能測試及表征對最優(yōu)鋼渣超微粉進行測試與分析見表5及圖2與圖3。從表5可以看出，最優(yōu)鋼渣超微粉不僅具有良好的粒徑大小，而且具有良好的粒度分布均勻程度，其數(shù)值遠遠優(yōu)于表3中粒度分布均勻程度數(shù)值。

表5 均勻分布鋼渣超微粉的粒徑分布

圖2 鋼渣微粉(沒有鋼渣助磨劑)的組成結構

圖3 鋼渣超微粉的組成結構

從圖2與圖3可以看出鋼渣超微粉的C—S—H凝膠特征峰(1400 cm-1)與沸石類相特征峰(960 cm-1)對比于鋼渣微粉(沒有鋼渣助磨劑)均明顯增強，說明鋼渣助磨劑有利于鋼渣中的凝膠物質(zhì)與玻璃體的細化。同時鋼渣超微粉新增N—H伸縮振動特征峰(3600 cm-1)，說明鋼渣助磨劑中的官能團較好的吸附在鋼渣超微粉表面，提高分散效果。這是因為鋼渣助磨劑中極性基團羥基與含有極性較強的—OH、—NH2吸附在鋼渣表面，不僅可以削弱鋼渣強度，有利于提高鋼渣的粉碎效果，而且可以屏蔽鋼渣超微粉電荷。

3 結論

(1)鋼渣超微粉最優(yōu)實驗方案：乙二醇用量、三乙醇胺用量、無水乙醇用量和磨機轉速分為1.83 mL、1.92 mL、2.75 mL和650 r/min。

(2)均勻分布鋼渣超微粉的d90為8.67 μm、d50為3.82 μm、d50為1.39 μm、粒度分布寬度比系數(shù)Z為6.24和粒徑分布寬度H為1.90，說明不僅具有良好的粒徑大小，而且具有良好的粒度分布均勻程度。

(3)鋼渣助磨劑中極性基團羥基與含有極性較強的—OH、—NH2吸附在鋼渣表面，不僅可以削弱鋼渣強度，有利于提高鋼渣的粉碎效果，而且可以屏蔽鋼渣超微粉電荷。