钢渣重构及其组成、性能的基础研究

论文摘要

钢渣由于矿物组成中C3S少,RO相含量多,其胶凝活性弱,同时又存在安定性不良的问题,使得钢渣在建材行业难以大量应用。本课题组提出了钢渣重构方法,即在钢渣出炉过程中,添加调节组分,利用高温使调节组分与熔态钢渣发生化学反应,改变钢渣的组成及结构,从源头上将钢渣变为一种胶凝活性高的混凝土掺合料。本论文从基础理论出发,分析认为掺加调节组分重构提高钢渣胶凝活性有两种措施:一是使RO相转变为C4AF,二是使铁还原为金属铁分离出来,两种方法同时都还需提高C3S的含量,论文对上述两种不同的钢渣重构方法进行了研究,旨在寻找一种具有普适性的调节组分及重构方法。论文分别采用XRD、SEM-BEI、岩相分析研究了重构钢渣的矿物组成,采用活性指数、SEM、TG-DTA研究了重构钢渣的胶凝活性,分析了重构过程发生的反应及规律,探讨了重构钢渣组成对性能的影响。论文首先以工业废渣及天然矿物为可选调节组分,参照水泥熟料化学成分,通过理论配料计算直接确定钢渣重构适宜的调节组分材料和掺量,模拟熟料煅烧制度进行重构,结果表明,RO相被分解,随CaO含量增多,分解越完全,生成C2F、C4AF,MgO主要以游离态方镁石存在;调节组分石灰掺量对重构效果影响很大;可获得生成较多C3S矿物、胶凝活性高的重构钢渣,活性指数可达95%。进而,采用石灰作为单一调节组分,逐渐增加其掺量,研究重构过程反应机理。研究结果表明:（1）重构过程中首先发生反应CaO + SiO2→C2S,接着在CaO作用下RO相分解,发生反应CaO + RO→CF+ MgO,分离出的Fe2O3只有被CaO完全饱和,即生成C2F、C2（A,F）或C4AF后,才进行C2S + CaO→C3S的反应。（2）重构钢渣的主要矿物有CF、C2F、C2（A,F）、C4AF、C2S、C3S、MgO。随石灰量增多,铁分别以CF和Fe3O4,C2F和C2（A,F）,C2F和C4AF形式存在,MgO主要以游离态方镁石存在,少部分以固溶态形式存在于硅酸盐矿物和液相中,Al2O3生成C2（A,F）或C4AF。碱度高时,矿物生长发育良好,形成六方板状、长柱状的C3S自形晶和圆粒状的C2S自形晶,液相量多,以铁酸钙为主;碱度低时RO未分解完全,液相量少,形成形貌不规则的C2S。（3）石灰重构反应是造渣过程的“后续反应”,重构过程是在一个相对稳定的环境下进行的“二次造渣”反应。然后,根据钢渣在石灰作用下发生的重构反应和矿物组成变化,提出表征钢渣活性的钢渣石灰饱和系数计算公式KHs= [CaO-1.1Al2O3-0.7Fe2O3]/[2.8SiO2],设定KHs为0.9,对柳钢、宝钢、武钢三种钢渣进行石灰重构,并提出了重构钢渣矿物组成的石灰饱和系数计算法,探讨了重构钢渣组成-结构-性能的关系,结果表明:（1）三种钢渣重构矿物组成中液相主要是C2F、C2（A,F）,MgO均以游离态存在,硅酸盐矿物均含有C2S,C3S,其中武钢重构钢渣C3S含量较多,胶凝活性最好,活性指数达85%。（2）单独以KHs为参数来考虑重构钢渣的石灰用量和重构效果是不够的,今后还需进一步完善石灰重构钢渣的控制参数,如以KHs值和硅率SM值共同控制。论文还对还原铁法重构钢渣进行了研究。作者对实验室现有的高温炉进行改造,安装氮气保护装置,采用直接还原法和熔融还原法进行钢渣重构,结果表明:（1）直接还原法重构钢渣能够将钢渣RO相和液相中Fe2O3还原成金属铁,但由于未发生熔融无法进行渣铁分离,还原得到的金属铁以尺寸为20μm-200μm的颗粒残留在钢渣中,均匀分布在硅酸盐矿物和液相之间;还原钢渣易磨性较差,但胶凝活性有明显提高。（2）熔融还原法重构钢渣的铁还原率接近100%,且易实现金属铁的分离;将熔融炉渣分别采取随炉冷却、铜瓦冷却、水淬冷却等三种处理方式,随炉冷却和铜瓦冷却所得炉渣主要是晶体,矿物组成主要为钙铝黄长石、镁长石、硅酸二钙,与硬矿渣相似,不具有胶凝活性;水淬冷却渣玻璃体含量较多,与矿渣组成结构相近,水淬还原渣具有较高的胶凝活性,活性指数可达85%以上。熔融还原法可使钢渣得到完全利用并创造出高的经济附加值,是一种极具推广意义的钢渣处理新技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢渣的形成过程及其性质
• 1.1.1 炼钢造渣过程中物理化学变化
• 1.1.2 钢渣的处理工艺
• 1.1.3 钢渣的组成与结构
• 1.1.4 钢渣的性质
• 1.2 钢渣在建材行业利用及活性激发
• 1.2.1 钢渣在建材行业的利用
• 1.2.2 钢渣活化方法
• 1.2.3 钢渣在线重构
• 1.3 本课题的提出
• 1.3.1 钢渣在建材行业利用存在的问题
• 1.3.2 课题的目的及意义
• 1.3.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 试验原材料、方法及设备
• 2.1 试验原材料
• 2.1.1 钢渣
• 2.1.2 水泥
• 2.1.3 砂
• 2.1.4 水
• 2.1.5 调节组分
• 2.2 试验方法及设备
• 2.2.1 钢渣粉磨及制样方法
• 2.2.2 钢渣粉体的密度与勃氏比表面积的测定方法
• 2.2.3 电炉升温制度及改造方法
• 2.2.4 胶砂强度性能的测试方法
• 2.2.5 钢渣f-CaO 含量甘油-乙醇测定法
• 2.2.6 岩相分析方法
• 2.2.7 重构钢渣需水量及安定性的测定方法
• 2.2.8 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.2.9 差示扫描-热重联合分析（TG-DTA）
• 2.2.10 扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）
• 第三章 调节组分对重构钢渣组成、性能影响的研究
• 3.1 理论计算确定调节组分材料及其掺量
• 3.1.1 计算原则
• 3.1.2 计算过程及结果
• 3.2 重构钢渣组成结构的研究
• 3.2.1 重构钢渣X 射线衍射分析
• 3.2.2 重构钢渣岩相分析
• 3.2.3 重构钢渣扫描电镜背散射电子相分析
• 3.3 重构钢渣基本性能与胶凝活性研究
• 3.3.1 重构钢渣基本性能
• 3.3.2 重构钢渣活性指数
• 3.3.3 重构钢渣净浆水化产物
• 3.4 本章小结
• 第四章 石灰重构钢渣的反应过程及胶凝活性研究
• 4.1 重构钢渣矿物组成随石灰掺入的变化过程
• 4.1.1 石灰掺量及重构钢渣理论化学组成
• 4.1.2 X 射线衍射分析
• 4.1.3 岩相分析
• 4.1.4 SEM-BEI 分析
• 4.2 石灰重构钢渣基本性能与胶凝活性研究
• 4.2.1 重构钢渣基本性能
• 4.2.2 重构钢渣的活性指数
• 4.2.3 重构钢渣净浆水化产物
• 4.3 石灰重构钢渣反应机理及其与炼钢造渣过程的关系
• 4.3.1 石灰重构钢渣反应步骤
• 4.3.2 炼钢造渣反应过程
• 4.3.3 石灰重构钢渣反应与炼钢造渣过程的关系
• 4.4 本章小结
• 第五章 钢渣石灰饱和系数及其对重构钢渣组成、性能的影响
• 5.1 钢渣石灰饱和系数
• 5.1.1 水泥熟料率值
• 5.1.2 钢渣石灰饱和系数的提出
• 5.2 按KHs 重构钢渣的研究
• 5.2.1 试验设计
• 5.2.2 重构钢渣矿物组成结构研究
• 5.2.3 重构钢渣基本性能与胶凝活性研究
• 5.3 钢渣石灰饱和系数与重构钢渣组成、性能关系的探讨
• 5.3.1 重构钢渣矿物组成石灰饱和系数计算法
• 5.3.2 重构钢渣矿物组成计算
• 5.3.3 钢渣石灰饱和系数KHs 与重构钢渣组成、性能的关系
• 5.4 本章小结
• 第六章 还原铁法重构钢渣的研究
• 6.1 铁还原的基础理论及方法
• 6.1.1 铁氧化物及其特征
• 6.1.2 铁氧化物还原顺序
• 6.1.3 固体碳还原铁氧化物
• 6.1.4 铁还原方法
• 6.2 直接还原法重构钢渣
• 6.2.1 试验过程
• 6.2.2 直接还原法重构钢渣组成结构研究
• 6.2.3 直接还原法重构钢渣的物理性能
• 6.2.4 直接还原法重构钢渣净浆水化产物
• 6.3 熔融还原法重构钢渣
• 6.3.1 试验过程
• 6.3.2 熔融还原法重构钢渣组成结构研究
• 6.3.3 熔融还原法重构钢渣基本性能
• 6.3.4 熔融还原法重构钢渣净浆水化产物
• 6.3.5 熔融还原法重构钢渣与高炉炼铁造渣过程关系探讨
• 6.4 本章小结
• 结论
• 1. 研究结果
• 2. 创新点
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢