喷吹工艺参数对矿渣棉质量的影响

张良进，龙　跃，李智慧，3，杜培培

( 1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063009; 2.华北理工大学现代冶金技术教育部重点实验室，河北唐山063009; 3.东北大学材料与冶金学院，沈阳110004)



喷吹工艺参数对矿渣棉质量的影响

张良进1，2，龙跃1，2，李智慧1，2，3，杜培培1，2

( 1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063009; 2.华北理工大学现代冶金技术教育部重点实验室，河北唐山063009; 3.东北大学材料与冶金学院，沈阳110004)

摘要:采用调质高炉渣进行喷吹法制备矿渣棉试验，对喷吹试验所得纤维的表观特性及性能进行检测，探索喷吹工艺参数对纤维质量的影响规律.结果表明:高炉渣的成分含量不在形成矿渣棉的成分范围内，应该添加调质剂对高炉渣作调质处理;随着酸度系数的增加，纤维直径呈增长趋势;当酸度系数在1.0～1.2时纤维含水率变化不大，在1.3时含水率出现谷值，随后迅速增大;在黏度允许的范围内，气流速度越大，纤维越细长.采用喷吹工艺制备矿渣棉高炉渣酸度系数控制在1.2～1.3之间，喷吹气体压力控制在0.3 MPa左右，纤维质量较好.

关键词:高炉渣;矿渣棉;喷吹;酸度系数;压力

高炉渣是炼铁过程中产生的主要副产品，每冶炼1 t生铁可产生300～350 kg的高炉渣［1，2］.目前我国大多数高炉渣采用水淬法进行处理，如因巴法、轮法、底滤法等.但水淬法需要消耗大量的水，在白白浪费掉大量熔渣显热的同时，又产生H2S、SO2等有害气体污染环境［3，4］.目前利用高炉渣的主要方面是制作建筑材料，如水泥、混凝土的掺合料、石膏、空心砖、筑路填料等，其附加值较低［5～7］.矿渣棉具有质轻、导热系数小、吸声性能好、廉价等特点，广泛应用于各种工业和民用建筑等方面.液态高炉渣直接喷吹成纤，熔渣的显热回收利用率在80%以上［8，9］，同时与国家节能减排的政策相吻合，是实现高炉渣高附加值利用的有效途径［10，11］.

1　试验

1.1试验原料

本试验原料取自唐山某钢厂的高炉原渣，采用铁尾矿作为调质剂.原料经过破碎、烘干后，进行成分检测.检测依据:《岩石矿物分析》(第四版) ;主要仪器设备: TP－214电子天平、滴定管和比色计.得到高炉渣和铁尾矿化学成分如表1.

表1　高炉渣和铁尾矿化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of blast furnace slag and iron tailings( mass fraction)　%

原料成分是否符合生产矿渣棉的要求，通常用以下3个经验指标来衡量:酸度系数、黏度系数和氢离子指数pH，其中酸度系数是高炉渣能否作为制取矿渣棉原料最重要的参数.一般来说酸度系数控制在1.2～1.4范围时高炉渣较容易制成矿渣棉纤维［12～14］.本试验中采用的原渣的酸度系数为1.01.

图1　SO2－Al2O3－CaO三元系统中冶金矿渣和火成岩的状态图Fig.1 Metallurgical slag and igneous rock in the SiO2－Al2O3－CaO ternary system

将高炉渣的化学成分与利用Factsage 6.4热力学软件绘制的SiO2－Al2O3－CaO三元系统中冶金矿渣和火成岩的状态图(如图1所示)中矿渣棉的化学成分质量分数范围( SiO236%～68%，Al2O35%～28%，CaO23%～48%)进行比较可知，原渣的成分含量不在形成矿渣棉的成分范围内.所以当用原渣做矿渣棉原料时，应该添加调质剂对原渣进行调质处理［12～14］.不同酸度系数的配料比例如表2所示.

表2　配料比例Table 2 Material composition

1.2试验装置

本试验采用自主研发的实验平台，成纤装置主要包括直流电弧炉、导流槽、高速气流喷嘴等.

图2　喷吹装置示意图Fig.2 Schematic diagram of jetting devices

1.3试验方法

首先向电弧炉内加入少量焦炭，引燃电弧，逐步提高功率;待焦炭红热、炉衬温度达到800℃后，多批次、少批量的将预先配置好的混合料通过加料口缓慢加入;当物料全部融化后，进行测温;根据测温结果进行补充加热，达到预期温度( 1 500℃左右)后停止加热，准备出渣;将电极上升到最高点后，向加料侧旋转电极立柱，使炉体倾动时不与电极发生碰撞;倾动炉体，将熔渣通过出渣口倒入末端装有高压喷嘴的渣槽，在0.25～0.45 MPa的气压下喷吹成纤，所得纤维如图3所示.

图3　矿渣棉纤维Fig.3 Blast furnace slag wool fiber

2　试验结果及分析

2.1酸度系数对纤维质量的影响

酸度系数是高炉渣能否满足矿渣棉原料要求的一个重要参数，是指熔渣中所含酸性氧化物和碱性氧化物的质量比，即

表3　不同酸度系数纤维的直径与含水率Table 3 Diameter and moisture content of the wool with different acidity coefficients

图4　纤维直径随酸度系数的变化规律Fig.4 Relationship between the fiber diameter and the acidity coefficient

酸度系数过高时，制成的纤维可能较长，化学稳定性得到改善，使用温度提高，但较难熔化，纤维较粗［12，13］.

GB/T5480－2008规定建筑用纤维直径应小于7 μm，当酸度系数为1.4时，纤维直径最大为5.9 μm，均符合国标要求.图4为纤维直径随酸度系数的变化规律，可以看出随着酸度系数的增大，纤维直径呈增大趋势.因为随着酸度系数变大，增加了复合改性矿渣纤维中网络形成元素Si 和Al的含量，直接导致矿渣熔点、熔体表面张力以及黏度等指标发生了复杂变化.一般来说当酸度系数逐渐增大时，熔渣黏度也随之增大，导致熔渣内部黏滞力明显增大，进而使得纤维直径有增大趋势.

图5　不同酸度系数高炉渣纤维SEM图像Fig.5 Fiber SEM images in different acidity coefficients( a)—酸度系数=1.01; ( b)—酸度系数=1.1; ( c)—酸度系数=1.2; ( d)—酸度系数=1.3; ( e)—酸度系数=1.4

利用S－4800扫描电镜( SEM)观察不同酸度系数下高炉渣纤维的表观形貌.如图5所示，当酸度系数在1.0～1.3范围内时，纤维较细，且表面光滑;随着酸度系数的增大，纤维逐渐变粗，同时有渣球出现，纤维质量变差.综上所述，酸度系数在1.0～1.3时，矿渣棉表观特征较好，在制取矿渣棉时高炉渣酸度系数应控制在1.3以内.

图6　纤维含水率随酸度系数的变化规律Fig.6 Fiber moisture content with different acidity coefficients

GB/T3007－2006规定建筑用纤维含水率应小于10%.图6为纤维含水率与酸度系数的关系，由图可知，酸度系数在1.0～1.2时，纤维含水率变化不大，在0.35%左右.当酸度系数为1.3时含水率为0.12%，出现谷值，随后含水率迅速增大.由于当纤维含水率过高时，某些化学物质如Na2O，K2O等会从纤维中分离溶入到水中，浸出的化学组分附着在纤维表面，使纤维产生强弱点的区别，导致纤维最终断裂、粉化;当纤维含水率过低时，导致纤维抗拉强度和韧性迅速减弱.因此应选择合适的酸度系数以满足对纤维的质量要求，最佳酸度系数应控制在1.2～1.3之间.

2.2气体压力对纤维直径的影响

经过研究，喷吹高炉熔渣直接成纤过程可以分为4个阶段: 1)高炉熔渣表明形成扰动波; 2)由于剪切力作用，使高炉熔渣破碎成不规则形状的大液团; 3)在气流的冲刷下继续破碎成液滴; 4)纤维形成.

本试验采用的喷嘴可以得到超音速的气流速度.通过改变气体压强得到不同的气体流速，从而得到粗细不同的纤维，通过检测结果画出纤维直径随气体压力的变化规律见图7.

图7　纤维直径随气体压力的变化规律Fig.7 Fiber diameter with different gas pressure

高速气体喷吹高炉熔渣过程中，由于Rayleigh－Taylor不稳定性，气液两相接触时会在液态渣表面产生细小的扰动波，扰动波逐渐扩大并且由表面逐渐深入到内部，直到高炉熔渣无法承受剪切力而导致破碎.高炉熔渣的破碎首先按照其结构特征沿着波谷破碎成大液团，然后在气流的冲刷下使大液团进一步破碎，形成分散的液滴.随后液滴在气流的拖拽力及熔渣黏性力的作用下拉伸成纤维.纤维直径的大小与气流从喷嘴喷出的速度有很大关系.在黏度允许的范围内，气流速度越大，纤维越长越细.

3　结语

( 1)高炉渣的成分不在形成矿渣棉的成分范围内，当用单纯的高炉渣做矿渣棉原料时，制取的矿渣棉渣球较多，韧性较差，应该添加调质剂将高炉渣进行调质处理.

( 2)随着酸度系数的增加，纤维直径呈增长趋势.当酸度系数在1.0～1.3时，直径变化不大，纤维较细，且表面光滑;超过1.3后纤维直径明显增加，纤维逐渐变粗，同时有渣球出现，纤维质量变差.

( 3)当酸度系数在1.0～1.2时纤维含水率变化不大，在0.35%左右.当酸度系数为1.3时含水率出现谷值，随后含水率迅速增大.

( 4)在黏度允许的范围内，气流速度越大，纤维越细长.

( 5)采用喷吹工艺制备矿渣棉，高炉渣酸度系数控制在1.2～1.3之间，喷吹气体压力控制在0.3 MPa左右，纤维质量较好.

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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

通讯作者:龙跃( 1976—)，男，博士，副教授，E－mail: longyue@ ncst.edu.cn.

作者简介:张良进( 1990—)，男，硕士研究生，E－mail: 693723886@ qq.com.

基金项目:国家科技支撑计划资助项目(项目编号: 2012BAE09B00) ;国家自然科学基金面上项目(项目编号: 51274270) ;河北省科技计划项目(项目编号: 15210110D).

收稿日期:2015-06-02.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.004

中图分类号:X 756

文献标识码:A

文章编号:1671-6620( 2015) 04-0020-05