鋼渣成分對鋼渣粉活性的影響

朱桂林 孫樹杉

1 前言

鋼渣是煉鋼生產(chǎn)的副產(chǎn)品，每煉一噸鋼約產(chǎn)生0.12噸鋼渣。2008年我國鋼渣產(chǎn)生量約為6500萬噸，利用率約為10%，和“十一五”規(guī)劃要求冶煉渣的利用率達到86%以上的目標相差甚遠。因此，鋼渣的資源化利用是鋼鐵行業(yè)十分艱巨的任務。

中冶建筑研究總院有限公司從1971年開始全面研發(fā)鋼渣的成分與膠凝性能的關系，鋼渣的利用和處理工藝。研發(fā)成功鋼渣水泥系列產(chǎn)品、鋼渣粉技術、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品應用技術，并在生產(chǎn)實踐中應用取得良好的效果。

隨著現(xiàn)代煉鋼技術的進步，爐外精煉被大多數(shù)鋼廠采用，因此鋼渣種類增多，性能差異很大，用于生產(chǎn)鋼渣粉時其產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。探討鋼渣的性能與鋼渣粉活性的關系是保證鋼渣粉質(zhì)量的基礎，根據(jù)鋼渣的不同成份和性能在生產(chǎn)中采取相應的技術措施來使鋼渣粉達到國際標準的技術要求，并生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

2 鋼渣的化學成分

煉鋼過程是將主原料（鐵水、廢鋼），輔助原料（石灰、礦石、白云石、螢石）和鐵合金等在高溫下熔化成兩個互不熔解的液相，對鋼液進行脫磷、脫硫、脫碳、去除有害氣體和雜質(zhì)，使其達到鋼種規(guī)格的要求。鋼和雜質(zhì)由于密度不同而分離。這里所說的雜質(zhì)即為鋼渣。它濃聚了氧化物所生成的各種礦物。

鋼渣的化學成分見表1。鋼渣的堿度與活性關系見表2。

②膠砂配合比：鋼渣粉：35%；礦渣粉40%；硅酸鹽水泥熟料粉20%；石膏粉5%。

③渣粉的比表面積為420m2/kg。

3 鋼渣的礦物組成

在冶煉過程的初期，部分鐵水被氧化后生成FeO和Fe2O3，鐵水和爐料中的硅被氧化生成SiO2，此時在鋼渣中以SiO2、FeO+Fe2O3和CaO三元素成分為主。由于石灰的加入，堿度逐漸提高，依次發(fā)生下列反應：

表1 鋼渣的化學成分 %

表2 鋼渣的堿度與活性的關系

式中RO代表二價金屬（一般為Mg2＋、Fe2＋、Mn2＋）氧化物的連續(xù)固熔體。

鋼渣的活性和鋼渣的化學成分有關，但更重要的是化學成分中的氧化物在高溫熔融條件下，生產(chǎn)礦物的種類和數(shù)量，活性礦物含量的多少決定了鋼渣的活性。具有水硬活性的硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）和鐵酸鈣（C2F）含量越多，則鋼渣的活性越高。

在鋼渣中FeO一部分進入RO相，一部分鐵橄欖石CaO·FeO·SiO2兩者是無活性的礦物。

Fe2O3在一定條件下和CaO生產(chǎn)2CaO·Fe2O3，鐵酸二鈣是活性礦物。

4 轉(zhuǎn)爐鋼渣礦物組成特征分析

4.1 掃描電子顯微鏡分析（見圖1-圖5）

圖1 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖（1000×）

圖2 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖（10000×）

圖3 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖（1000×）

圖4 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖（1000×）

圖5 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖（1000×）

掃描電鏡圖中礦相分析見表3。

4.2 能譜分析

通過能譜分析確認礦相，見表4。

4.3 轉(zhuǎn)爐鋼渣X-射線衍射分析

鋼渣X-射線衍射分析圖，見圖6、7，鋼渣特征峰X-衍射d值見表5、6。

4.4 鋼渣中的f-CaO和MgO

鋼渣中的總的CaO量如果能滿足酸性氧化物（SiO2、Al2O3、Fe2O3、P2O5）化合的需要，則MgO、FeO就會成為游離狀態(tài)結(jié)晶析出，會水化體積膨脹。在煉鋼過程所加入的輔助原料CaO的數(shù)量不多，則Mg2＋、Fe2＋進入RO相，不會呈現(xiàn)游離態(tài)。

表3 掃描電鏡礦相分析

表4 電鏡礦相能譜分析

圖6 轉(zhuǎn)爐渣X-射線衍射分析圖

圖7 鋼渣礦物X-射線衍射分析圖

表5 轉(zhuǎn)爐鋼渣礦物X-衍射d值

表6 鋼渣礦物X-射線衍射d值

鋼渣中的MgO主要生成橄欖石和薔薇輝石是穩(wěn)定的礦物，不會造成安定性不良。另一部分MgO則以固熔態(tài)RO相存在。國內(nèi)外學者已對RO相做過大量的研究，Ca2+不足的前提下，Mg2＋、Fe2＋、Mn2+離子半徑比較接近，差異小于15%，可形成連續(xù)固熔體，以RO相表示，R代表二價金屬。

MnO、FeO形成的固熔體的RO相水化比較穩(wěn)定，高溫高壓下也不能水化，不會引起安定性不良。因此，討論鋼渣中的穩(wěn)定性是指在快速煉鋼所造成的游離態(tài)的CaO和MgO。

MgO是濺渣護爐采用鎂質(zhì)輔助原料所生成的，一般熔融態(tài)下和酸性耐火磚進行反應，偶爾會有極少量未被熔化MgO在鋼渣中或鎂質(zhì)耐火磚脫落隨渣排出，這些可以通過在加工過程人工撿出。在正常情況下主要是CaO造成鋼渣穩(wěn)定性不良。

鋼渣中f-CaO的來源：

（1）由于煉鋼出渣時間縮短，投入的石灰過量，使石灰被已經(jīng)飽和的鋼渣所包裹。這些石灰石是原狀石灰，在與鋼渣接觸面生成死燒石灰，一般固熔有氧化鐵（FeO）。它是屬于活性極差的結(jié)構致密石灰。水化速度十分緩慢。

（2）石灰的溶解度已經(jīng)飽和，石灰顆粒已不能與酸性氧化物結(jié)合成礦物。一般呈細小顆粒分散在鋼渣內(nèi)部，常固熔一部分氧化鐵（FeO）。細小的CaO固熔了氧化鐵（FeO）后具有很強的不穩(wěn)定性。然而結(jié)構致密，水化很慢。

（3）f-CaO固熔有Fe和Mn的固熔體（CaO·Fe·MnO），在掃描電鏡下呈圓形顆粒，這種固熔體在一定的溫度和空氣較大濕度下是可以水化的，會造成鋼渣不穩(wěn)定性。

（4）鋼渣中C3S在一定的高溫下分解，C3S → C2S+ CaO產(chǎn)生的f-CaO。這部分f-CaO在濕度的情況下生產(chǎn)Ca(OH)2，體積膨脹也會造成鋼渣的不穩(wěn)定。

以上可知，鋼渣中f-CaO以不同形態(tài)或礦相在鋼渣中，但均可造成鋼渣的不穩(wěn)定。而這種f-CaO結(jié)晶致密，水化膨脹很慢，在一定的溫度和濕度下才可水化，消除其體積不穩(wěn)定性。

5 鋼渣堿度與鋼渣粉活性的關系

鋼渣堿度與鋼渣粉活性關系的試驗，其結(jié)果見表7。

②鋼渣比表面積為400m2/kg

③水泥強度等級：42.5硅酸鹽水泥

④試驗樣品：水泥和鋼渣粉質(zhì)量比7:3從表7可知：隨著鋼渣堿度的減小，鋼渣粉7天和28天活性指數(shù)相應降低。

6 鋼渣的堿度與鋼鐵渣復合粉活性的關系

進行了鋼渣的堿度與鋼鐵渣復合粉活性關系的試驗，其結(jié)果見表8。

②復合粉的鋼渣粉和高爐礦渣粉的質(zhì)量比為3:7

表7 鋼渣堿度與鋼渣粉活性的關系

表8 鋼渣的堿度與鋼鐵渣復合粉活性的關系

③復合粉的比表面積為420m2/kg

從表8可知：

（1）鋼鐵渣復合粉隨著鋼渣堿度的提高其活性指數(shù)相應提高。

（2）當鋼渣的堿度在2.68時，鋼鐵渣復合粉的活性指數(shù)可以達到《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》GB/T 18046-2008中S95的等級。鋼渣的活性指數(shù)在2.02以下時，其鋼鐵渣復合粉的活性指數(shù)可達上述標準的S75等級。

7 鋼渣粉水化機理及強度來源

通過分析可知，鋼渣粉的主要礦物成分為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鐵酸二鈣（C2F）、薔薇輝石（C3MS2）、RO相（Mg2＋、Fe2＋、Mn2＋的固熔體）鐵橄欖石（CFS）、鐵尖晶石（FeO·Al2O3）、納蓋斯密特石（C7PS2）、f-CaO、f-MgO。

具有活性能起水化反應產(chǎn)生強度的礦物為C3S、C2S、C2F。其中f-CaO、f-MgO水化生產(chǎn)Ca(OH)2、Mg(OH)2體積膨脹，使強度降低，還會造成制品開裂破壞。而其他礦物均為穩(wěn)定性礦物，不起水化硬化反應。

鋼渣粉的水化反應式為：

水化早期在未水化顆粒間有少量膠體稱塑性水化凝膠。將未水化的顆粒連在一起，這時候結(jié)構強度較低，繼續(xù)水化不斷釋放出Ca(OH)2，硅酸鹽水化凝膠轉(zhuǎn)化為水化硅酸鈣凝膠（C-S-H），并以這種形態(tài)被固化，提高了強度。

如果液相堿度低，大部分為塑性的水化硅酸鹽凝膠，強度會很低。

為了減少塑性硅酸鹽水化凝膠的釋放，除提高液相堿度外，摻入適量的鋁酸鹽化合物，而達到通過水化鋁酸鹽的固化而阻止塑性硅酸鹽水化凝膠的形成，可提高鋼渣粉的強度。

8 結(jié)論

（1）鋼渣是煉鋼生產(chǎn)的副產(chǎn)品，但是一種寶貴的資源。鋼渣的成份含有和水泥相似的活性礦物主要為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）。被稱為過燒硅酸鹽水泥熟料。不同點在于鋼渣的生成溫度為1650℃左右，而硅酸鹽水泥熟料則在1460℃左右溫度下燒成。因此鋼渣中C3S、C2S礦物結(jié)晶致密，晶體粗大完整，水化速度緩慢。

（2）鋼渣粉的活性主要來源于鋼渣中所含C3S和C2S的數(shù)量，含量越多則鋼渣粉的強度越高。

（3）鋼渣的堿度越大，則鋼渣粉的活性越高。

（4）鋼渣的水化機理和硅酸鹽水泥熟料水化過程基本相似。強度來源于硅酸鹽礦物的水化硅酸鈣硬化過程而產(chǎn)生強度。

（5）為提高鋼渣粉的強度，應提高渣粉的堿度。鋁酸鹽成份的加入可促進塑性水化凝膠轉(zhuǎn)化為水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）的固化。

（6）鋼渣中均含有f-CaO，并以不同結(jié)構形態(tài)存在。大部分結(jié)構致密，水化速度很快，在一定的溫度和濕度下才會水化體積膨脹，消除其不穩(wěn)定性。