調(diào)質(zhì)熔渣制備礦渣棉及棉板的中試研究

李智慧, 張玉柱, 龍 躍, 杜培培(1. 東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽110004；. 華北理工大學(xué)現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山063009)

調(diào)質(zhì)熔渣制備礦渣棉及棉板的中試研究

李智慧1，2, 張玉柱1,2, 龍 躍2, 杜培培2
(1. 東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽110004；2. 華北理工大學(xué)現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山063009)

作者開發(fā)了一套電弧爐熔渣調(diào)制試驗(yàn)平臺(tái)，以調(diào)質(zhì)高爐渣為原料，用離心成纖法制備礦渣棉及棉板的中試研究.對(duì)礦渣棉及棉板的性能進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：在此平臺(tái)上制備出的礦渣棉具有光滑呈圓柱狀的表面、直徑與渣球含量均符合國標(biāo)要求，其直徑與渣球含量均隨酸度系數(shù)的增大呈增大趨勢(shì)；礦渣棉板各項(xiàng)性能均符合高爐渣纖維板的指標(biāo)值.該項(xiàng)技術(shù)不僅解決了高爐熔渣顯熱利用途徑，同時(shí)提高了高爐渣的高附加值，為鋼鐵企業(yè)高爐渣余熱利用和資源化提供了重要示范.

調(diào)質(zhì)；高爐渣；礦渣棉；礦渣棉板

節(jié)能減排是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大國策，是鋼鐵工業(yè)提高能源、資源利用效率的基礎(chǔ)，符合國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃.高爐渣是高爐煉鐵工序產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品，也是鋼鐵企業(yè)產(chǎn)量最大的一種固體廢棄物. 2015年我國生鐵產(chǎn)量6. 9億t，每噸生鐵大約要產(chǎn)生0.3～0.6 t高爐渣[1-2]，爐渣產(chǎn)量高達(dá)4.14億t.目前90%的高爐渣均采用水淬工藝處理成粒狀水渣，用于水泥、路基等方面，售價(jià)不超過100元/t，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低[3-5].水淬處理，熔渣顯熱不能有效回收利用，以出渣溫度 1 400 ℃ 計(jì)算，噸渣顯熱 1 675 MJ，折合60 kg標(biāo)煤，占冶金過程高爐支出總熱量的5.6%，同時(shí)浪費(fèi)大量的水資源，產(chǎn)生H2S、SO2等有害氣體，污染環(huán)境[6-9].

礦渣棉屬于無機(jī)硅酸鹽纖維，具有絕熱性好、不可燃等特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的保溫材料，市場(chǎng)售價(jià)為 2 200元/t 以上，部分冶金、化工及電力等的耐高溫礦渣棉隔熱板制品售價(jià)在 10 000元/t 以上[10-11].傳統(tǒng)工藝是采用焦炭和利用沖天爐將高爐渣重熔生產(chǎn)礦渣棉，存在能耗大、熱量損失嚴(yán)重、二次熔化污染環(huán)境等問題.而采用高爐熔渣經(jīng)調(diào)質(zhì)后在線直接纖維化生產(chǎn)礦渣棉具有能耗小、顯熱可回收利用、有效避免環(huán)境二次污染等優(yōu)勢(shì)，是生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的有效途徑.

本研究在冶金渣綜合利用中試基地進(jìn)行，通過改變調(diào)質(zhì)高爐渣酸度系數(shù)，對(duì)生產(chǎn)礦渣棉及制備的礦渣棉板進(jìn)行研究，為工業(yè)擴(kuò)大化生產(chǎn)提供試驗(yàn)依據(jù).

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

以唐山國豐鋼鐵責(zé)任有限公司高爐渣為原料，遷安地區(qū)鐵尾礦為調(diào)質(zhì)劑，化學(xué)成分如表1所示.

表1 高爐渣及鐵尾礦的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)理論研究[12-14]可知，形成礦渣棉的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為：SiO2：36%～68%，Al2O3：5%～28%，CaO：23%～48%，出渣溫度控制在1 350～1 450 ℃，調(diào)質(zhì)熔渣的酸度系數(shù)Mk一般控制在1.2～1. 4之間.由于試驗(yàn)所用高爐渣的酸度系數(shù)為1.1，需要對(duì)爐渣成分進(jìn)行微調(diào)，采用SiO2含量較高的鐵尾礦作為調(diào)質(zhì)劑，對(duì)高爐渣成分進(jìn)行調(diào)質(zhì).

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在年產(chǎn)纖維及制品 6 000 t 中試基地進(jìn)行，以冷態(tài)高爐渣為原料，配備自主設(shè)計(jì)電弧熔化調(diào)質(zhì)爐，采用離心成纖工藝制備纖維.熔煉設(shè)備為交流電弧爐，熔煉能力為1.5 t；成纖設(shè)備為四輥離心機(jī)，四輥直徑分別為 1#213 mm、 2#295 mm、 3#295 mm 和 4#295 mm；后部工序采用工業(yè)級(jí)設(shè)備：三角集棉機(jī)、擺錘、連續(xù)式固化爐、礦渣棉纖維板切割裝置.

1.3 試驗(yàn)方案

表2 調(diào)質(zhì)高爐渣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及配比

圖1 離心成纖過程示意圖 Fig.1 Schematic diagram of process for preparation of slag fiber1—交流電弧爐；2—流槽；3—離心機(jī)；4—越棉皮帶；5—布棉皮帶

圖2 中試試驗(yàn)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of pilot scale test

1.4 試驗(yàn)步驟

將高爐渣和鐵尾礦破碎，倒入電弧爐熔煉并調(diào)質(zhì)加溫，當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)傾倒，熔渣經(jīng)導(dǎo)流槽滴落至離心機(jī)制成纖維，纖維經(jīng)過施膠、集棉、成板、固化處理等工序進(jìn)一步加工制成板，離心成纖過程示意圖如圖1所示，中試試驗(yàn)流程示意圖如圖2所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

國內(nèi)生產(chǎn)礦棉的主流工藝流程為冷礦渣通過沖天爐熔化后，經(jīng)過成纖制棉生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，使用沖天爐造成環(huán)境的污染，同時(shí)浪費(fèi)了熱熔渣的巨大潛熱.

本技術(shù)首次采用了電弧爐熔化調(diào)質(zhì)設(shè)備，液態(tài)熔渣通過在線直接電爐調(diào)質(zhì)處理后，經(jīng)成纖制棉生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，能有效地解決環(huán)保除塵等問題，同時(shí)，有效地利用了液態(tài)熔渣的熱量，解決了高爐熔渣調(diào)質(zhì)及直接成纖的技術(shù)難題，大大降低了原始工藝對(duì)能源的消耗，成品可以更有優(yōu)勢(shì)的成本進(jìn)入市場(chǎng)競爭，為鋼鐵企業(yè)高爐渣余熱利用和資源化提供了重要示范.

2.2 礦渣棉性能分析

2.2.1 表觀特征和直徑

將不同熔渣酸度系數(shù)Mk的礦渣棉進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)，放大100倍觀察表觀特征，見圖3.由圖3可以看出，纖維表面呈光滑的圓柱狀，每組單纖維的細(xì)度比較均一，相互之間不黏合，這是由于熱熔渣在甩絲過程中被牽伸、冷卻成固態(tài)纖維前，收縮成表面積最小的圓形所致，后期在制作纖維板過程中，纖維與纖維之間的搭接形成了具有一定骨架結(jié)構(gòu)，在加入黏結(jié)劑后，纖維的表面會(huì)發(fā)生潤濕和浸漬，使得纖維之間的結(jié)合力增加，具有一定的黏度，能夠使其形成均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

圖3 不同酸度系數(shù)礦渣棉SEM圖像Fig.3 SEM image of slag cotton with different acidity coefficients(a)—Mk=1.2； (b)—Mk=1.3； (c)—Mk=1.4； (d)—Mk=1.5

按照GB/T5480-2008《礦物棉及其制品實(shí)驗(yàn)方法》中的測(cè)試方法，取1 g以上的纖維制備大小合適的一撮纖維，并從中剪去1mm左右的長度，放在載玻片上，加入適量浸液用針撥勻，在三目顯微鏡載物臺(tái)上進(jìn)行觀察，測(cè)量不同酸度系數(shù)礦渣棉的直徑所得結(jié)果見圖3.

圖4 礦渣棉直徑隨酸度系數(shù)變化Fig.4 Relationship between diameter of slag cotton and acidity coefficient

由圖4可以看出，熔渣酸度系數(shù)Mk為1.2～1.5時(shí)，礦渣棉直徑在4.6 μm上下波動(dòng)，變化幅度不大，隨著Mk的增大礦渣棉直徑略有增粗趨勢(shì).這主要是因?yàn)橥粶囟认拢S著Mk的增大，體系中酸性氧化物含量增加，硅酸二鈣等高熔點(diǎn)礦相析出量逐漸增加有關(guān)，當(dāng)Mk較高時(shí)，渣中的SiO2吸收O2-離子生成(SiO4)4-等復(fù)合陰離子團(tuán)，使得體系黏度增加，離心過程中，熔渣黏度過大，流動(dòng)性變差，在相同作用力的前提下，熔渣不易被甩出，造成纖維直徑變粗趨勢(shì).

2.2.2 渣球含量

高爐渣纖維中渣球含量的測(cè)定參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5480-2008《礦物棉及其制品試驗(yàn)方法—9渣球含量試驗(yàn)方法》進(jìn)行.試驗(yàn)原理是運(yùn)用在水中時(shí)渣球和纖維運(yùn)動(dòng)所受到的重力和阻力的不同而將渣球和纖維分離.

礦渣棉中渣球含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))隨酸度系數(shù)的變化如圖5所示.

圖5 礦渣棉渣球含量隨酸度系數(shù)變化Fig.5 Relationship between slag ball content and acidity coefficient

渣球平均含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4.4%，當(dāng)熔渣酸度系數(shù)Mk增大到1.5時(shí)，含量為5.02%，均在國標(biāo)(≤10%)范圍以內(nèi).爐渣纖維形成過程中，渣球的形成一般有兩種方式[16]，一種為在離心力不足的情況下，熔渣液絲甩出力不夠，在表面張力的作用下，被甩出液膜表面的液絲回縮，形成渣球；另一種為液絲伸長的過程中，由于熔渣源源不斷地從輥面形成的液膜表面流向液絲頭部，導(dǎo)致液絲頭部熔渣越來越多，在表面張力的作用下，液絲頭部會(huì)向內(nèi)收縮成球形并從液絲脫離，故而形成渣球.渣球在高爐渣纖維的生產(chǎn)過程中不可避免，一般不大于10%.圖5可以看出，隨著酸度系數(shù)的增大，礦渣棉渣球含量有增多趨勢(shì)，這主要是因?yàn)殡S著酸度系數(shù)的增大，體系中堿性氧化物含量降低，對(duì)降低體系表面張力的作用減弱；同時(shí)隨著酸度系數(shù)的增大，體系中[SiO4]4-四面體陰離子增多，使得陽離子有了較大的極化率，導(dǎo)致體系表面張力增大，增加了渣球形成的可能性.

圖6 礦渣棉板制品Fig.6 Mineral wool board products

2.3 礦渣棉板性能分析

離心法制備的礦渣棉經(jīng)施膠、越棉、布棉進(jìn)入固化爐，其中黏結(jié)劑配比采用酚醛樹脂加水稀釋，酚醛樹脂與水的質(zhì)量比為1∶3；黏結(jié)劑流量按每 1 t 按上述配比稀釋后可滿足8～ 10 t 高爐渣纖維的噴膠要求；膠棉固化溫度：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)驗(yàn)得出固化爐進(jìn)風(fēng)溫度控制在260～ 270 ℃，出口風(fēng)溫150～ 180 ℃ 范圍內(nèi)；棉板固化時(shí)間固化爐風(fēng)溫在270～ 290 ℃，固化時(shí)間范圍3～9 min.產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)參考《高爐渣纖維及制品》(QJCJCY0029-2016).固化后的礦渣棉成為礦渣棉板見圖6，礦渣棉板的物化性能如表3所示.

由表3可以看出，不同熔渣酸度系數(shù)Mk的礦渣棉板在平均溫度25 ℃下檢測(cè)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國標(biāo)要求，說明用調(diào)質(zhì)高爐渣離心法制備的礦渣棉，可生產(chǎn)出質(zhì)量合格的礦渣棉板.它具有高密度、耐高溫、熱穩(wěn)定性好，熱傳導(dǎo)率低、隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)后期特殊加工，產(chǎn)品可廣泛用于冶金、電力、機(jī)械、建筑等熱能設(shè)備上的保溫和隔熱.

表3 礦渣棉板物化性能

3 結(jié) 論

(1)調(diào)質(zhì)高爐渣經(jīng)離心甩絲所得礦渣棉表面光滑成圓柱狀，酸度系數(shù)Mk在實(shí)驗(yàn)范圍1.2～1.5時(shí)，纖維直徑均小于 4.75 μm，符合國標(biāo)要求，同時(shí)隨著Mk的增大，纖維直徑呈增大趨勢(shì).

(2)隨著熔渣酸度系數(shù)Mk的增大，體系中堿性氧化減少，SiO2含量增加，導(dǎo)致體系表面張力增大，使得礦渣棉渣球含量增多，不同Mk的礦渣棉渣球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于6%，符合國標(biāo)要求.

(3)制備的礦渣棉可生產(chǎn)質(zhì)量符合要求的礦渣棉板，此礦渣棉板具有良好的絕熱性、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，使用溫度在600 ℃以上.

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Pilot-scale research on slag wool and cotton board prepared by quenched slag

Li Zhihui1,2, Zhang Yuzhu1,2, Long Yue2, Du Peipei2

(1. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 2. Modern Metallurgical Technique Key Lab, Ministry of Education, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China)

An experimental platform of electric arc furnace for molten slag quenching was developed by the authors. Taken quenched blast furnace molten slag as a raw material, a pilot-scale research was conducted on mineral wool and cotton board preparation by centrifugal fiberizing process at the platform. Properties the of slag wool and cotton board were analyzed. The results showed that: the slag wool produced at the experimental platform has a smooth cylindrical surface. With increase of acidity coefficient, the diameter and slag ball content increases and they are in line with the inter national standards. All properties of the cotton board can meet requirement of the indexes. The authors technology can not only solve the applied path for the sensible heat of blast furnace, but also can increase the added value of the blast furnace slag. It is believed that the authors' technology has a broad application prospect.

quenched; blast furnace slag; slag wool; slag wool board

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.012

X 757

A

1671-6620(2017)01-0063-05