多种处理方式下转炉钢渣岩相结构分析

2019-05-31钱强

四川冶金 2019年2期

关键词：硅酸钙氧化钙岩相

钱强

(攀枝花钢城集团有限公司，四川攀枝花 617022)

目前，国内对于转炉钢渣的处理方式主要为池式热闷法、风淬法及闷泼法[1-2]，各种处理方式不仅与现场的工艺要求相关，也与其后端的产品需求方式有关，本文通过化学差异及岩相结构分析对比，找出各自的优劣势，从而有针对性地开发利用。

1 分析材料及设备

1.1 分析材料

分析材料为某钢厂池式热闷法、风淬法及闷泼法预处理方式下获得的转炉钢渣。热闷法是将液态钢渣翻入热闷池内加盖喷水冷却，产生不同块度的钢渣。风淬法是用高速气流吹射液态钢渣使之冷却，产生球状物钢渣。闷泼法是将液态及固态钢渣一同翻入露天渣坑内再打水冷却粉化，产生和热闷法一样块度的钢渣[3-4]。三种钢渣经过后续分选工艺除净单质金属铁获得不同粒度，热闷钢渣选择粒度为0-15 mm、15-60 mm，风淬钢渣选用0-5 mm，热泼钢渣选用15-60 mm。

三种钢渣源于同一个钢厂不同的生产基地，热闷法及风淬法为同一基地，三种钢渣的化学成分见表1。

注：f-Cao为游离状态氧化钙。

由表1可见，0-15 mm、15-60 mm的热闷钢渣和15-60 mm的闷泼钢渣化学组成相近，风淬钢渣中的氧化亚铁及氧化铁与其他钢渣差异较大，这与预处理方式相关。

1.2 分析设备

为深入了解不同预处理方式下钢渣微观结构差异，采用BX51-P偏光显微镜、JSM5600-LV扫描电镜+INCA能谱仪对钢渣进行岩相结构分析。

2 分析结果与讨论

对不同的转炉钢渣进行取样，采用岩相分析方法确定渣中的矿物组成和分布状况，将分析结果与化学组成、物相组成相结合，全面了解转炉钢渣的性质。分别对热闷钢渣、风淬钢渣、闷泼钢渣进行岩相分析，主要矿物颗粒的微观形貌见图1至图4，同时检测出的主要矿物相组成见表2。

结合图1～图4和表2可见，三种钢渣中的物相主要为硅酸钙、铁酸钙、RO相、氧化钙。其中硅酸钙主要以硅酸二钙为主，因为硅酸三钙只有在1250～2065 ℃温度范围内才会稳定存在，在1250 ℃以下会分解为硅酸二钙和氧化钙[5]。

闷泼钢渣中物相组成复杂，其他物相占比接近25%，主要有辉石、钙铁橄榄石、钙长石和铝酸钙等。这与其预处理过程中多样的经过相关，一是温度变化多样，在冷却过程中有急冷和缓冷相间的过程；二是渣样状态多样，有液态及(半)固态。

粒状的硅酸二钙灰白色的铁酸钙点状的RO相聚集体图1 热闷钢渣(0-15 mm)中岩相结构图

粒状的硅酸二钙硅酸二钙表面凸起的铁酸钙多组解理的RO相图2 热闷钢渣(15-60 mm)中岩相结构图

蠕虫状的硅酸二钙大颗粒粒状的铁方镁石马蹄形铁方镁石边部形成RO相图3 风淬钢渣中岩相结构图

表面光滑的硅酸钙颗粒铁酸镁钙铁橄榄石及其表面析出的铁酸钙颗粒图4 闷泼钢渣(15-60 mm)中岩相结构图

矿物名称方镁石硅酸二钙RO相铁酸钙氧化钙其他热闷钢渣(0-15mm)5.8138.1221.0120.859.085.13热闷钢渣(15-60mm)6.4643.1822.4718.347.741.81风淬钢渣(0-5mm)9.5018.164.6166.061.270.4闷泼钢渣(15-60mm)12.4141.686.005.739.7324.44

除风淬钢渣中的硅酸钙为蠕虫状外，其他的均为粒状且表面光滑，晶粒尺寸长度在30-60 μm。在硅酸钙含量方面，风淬钢渣中最低，是其他的一半。风淬作用有别于热闷条件，在高速风的作用下，硅酸钙的形貌发生扭曲。同时，一部分钙在急冷条件下与铁结合形成大量的铁酸钙，是其他钢渣的3倍多。这就是在表1中风淬钢渣中的FeO含量最低，而Fe2O3最高的原因。说明在高速风淬过程中为氧化气氛，将大部分的FeO氧化为Fe2O3，氧化率达到了80%以上。这源于熔渣体系中FeO-Fe2O3为动态平衡过程，Fe2+和Fe3+比值决定于体系的温度和氧化性气氛[6]。

风淬钢渣中的铁酸钙是热闷钢渣中的3倍。同时，RO相(溶有铁、镁等元素的固溶体)中的氧化亚铁也被夺走转变为铁酸钙。

最后，对影响钢渣稳定性的氧化钙来说，变化也较为明显，风淬钢渣中的游离氧化钙含量最低，而热闷钢渣和闷泼钢渣中游离的氧化钙含量相对较多，分别为9.08%和9.73%。这与表1中f-CaO含量相符。这种风淬方式是比较好的钢渣预处理方式，可消除不稳定的游离氧化钙对建筑的危害。

热闷钢渣、风淬钢渣和闷泼钢渣中磷的赋存关系见表3。

由表3可以看出：热闷钢渣中P元素主要赋存在硅酸二钙中，其次为铁酸钙中；而风淬钢渣中P元素主要赋存在铁酸钙中，其次在硅酸二钙中；闷泼钢渣中P元素主要赋存在硅酸钙中，其次赋存在钙长石、钙铁橄榄石、氧化钙等矿物中。

表3 钢渣中磷元素的赋存关系(wt%)

磷对于钢铁来说是一种有害元素，如能去除将会有助于推动钢渣在钢铁内循环利用，从而节约大量的石灰。而常规的钢渣中磷元素大部分赋存在硅酸二钙中，严重影响了其应用。在风淬钢渣中，原本在硅酸二钙中的磷有50%转移至铁酸钙中，如果能将铁酸钙或是改性的铁酸钙进行提取，将会大量地减少钢渣中的磷元素。既能实现磷元素的富集，又能提升低磷钢渣的品质，有助于在冶金和建材领域中的大量应用。

3 活性对比分析

为了了解三种钢渣在胶凝材料中的活性状况，参照GB/T 20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准，对不同钢渣进行活性指数测定。基准水泥采用某水泥公司P.O42.5R。活性试验添加比例分别为：水泥315 g，钢渣微粉135 g，标准砂1350 g，水225 g。各类钢渣活性对比见图5。

图5 各类钢渣活性指数对比图

由图5可见，钢渣活性高低依次为闷泼钢渣、热闷钢渣和风淬钢渣，前两者与后者对比较为明显。首先，闷泼钢渣和热闷钢渣中游离氧化钙较高，其次在岩相方面硅酸二钙含量也较高，与水泥水化反应相似，这些都是有助于钢渣中胶凝性能的发挥。而风淬钢渣中则相反，铁酸钙含量偏高导致活性受到限制，无法大规模地应用于水泥和混凝土掺合料中。但其表面光洁、灰尘少、硬度大，同时游离氧化钙极低稳定性高，可用于砂骨料和喷丸使用[7]。