不銹鋼渣高溫重構(gòu)改性試驗(yàn)研究

儀桂蘭

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心，太原 030003）

不銹鋼渣是煉不銹鋼過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，噸不銹鋼產(chǎn)生鋼渣270～300 kg，國(guó)內(nèi)年排放量接近1 000萬(wàn)t[1]。不銹鋼渣主要化學(xué)組成為CaO、SiO2、Al2O3、MgO等，不銹鋼渣經(jīng)熱燜、破碎、篩分和磁選等加工后，產(chǎn)生的不銹鋼渣鋼粒供煉鋼廠利用，剩余的尾渣含有硅酸二鈣（2CaO·SiO2）和硅酸三鈣（3CaO·SiO2）等，與水泥熟料的礦物組成相似，具有水化膠凝性能[2-5]，游離氧化鈣（f-CaO）含量也較多。不銹鋼渣是在1 600 ℃的高溫下形成的，硅酸鹽礦物結(jié)晶完整，晶粒粗大，化學(xué)穩(wěn)定性高，不易水化，f-CaO不易消解，造成不銹鋼渣活性較低[6]、安定性不良等缺點(diǎn)，導(dǎo)致不銹鋼渣在建材方面的利用率較低。本文主要研究不銹鋼渣高溫重構(gòu)改性技術(shù)，在不銹鋼渣中加入一定比例的改性劑（粉煤灰、水渣），使得高溫下改性劑與不銹鋼渣發(fā)生反應(yīng)，調(diào)整鋼渣的化學(xué)組成和物相組成，提高不銹鋼渣膠凝活性。

1 不銹鋼渣基本特性

1.1 化學(xué)組成

試驗(yàn)所用渣樣為山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的不銹鋼渣，經(jīng)分析，其化學(xué)組成如表1所示。不銹鋼渣的SiO2和CaO含量較高，經(jīng)測(cè)定，其堿度也較高，為1.69。

表1 不銹鋼渣化學(xué)組成

1.2 物相組成

下面利用X射線衍射儀（XRD）分析不銹鋼渣的物相組成，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，不銹鋼渣的主要物相為鎂薔薇輝石（C3MS2）、硅酸二鈣和鈣鎂橄欖石（C2MS）。

圖1 不銹鋼渣

2 不銹鋼渣改性試驗(yàn)

試驗(yàn)原料為不銹鋼渣、粉煤灰、水渣，主要改性劑有粉煤灰、水渣。粉煤灰、水渣的化學(xué)組成如表2所示。由表2可知，粉煤灰中SiO2、Al2O3的總含量較高，達(dá)到84.25%。水渣堿度低，SiO2、CaO的總含量達(dá)到71.6%。

表2 粉煤灰與水渣的化學(xué)組成

2.1 粉煤灰做改性劑

2.1.1 高溫熔融改性試驗(yàn)

試驗(yàn)原料為不銹鋼渣、粉煤灰，粉煤灰做改性劑，試驗(yàn)方案如表3所示。F代表粉煤灰，后面的數(shù)字代表粉煤灰的配比。先把不銹鋼渣磨細(xì)（粒徑小于1 mm），再配加粉煤灰，混勻，放入剛玉坩堝，再把剛玉坩堝放入高溫箱式電阻爐，燒至1 500 ℃，保溫0.5 h后取出冷卻。粉煤灰配比分別為10%、15%和20%。

表3 粉煤灰改性條件下高溫熔融試驗(yàn)方案

2.1.2 活性試驗(yàn)

檢測(cè)配加粉煤灰高溫改性后不銹鋼渣的活性，按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）進(jìn)行試樣的配料、攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)和測(cè)試?；钚栽囼?yàn)方案如表4所示。F代表粉煤灰，后面的數(shù)字代表粉煤灰的配比。共試驗(yàn)了5個(gè)方案，所有試驗(yàn)方案均以425水泥為基礎(chǔ)材料。方案1僅使用425水泥，未添加不銹鋼渣，方案2不銹鋼渣樣未配加粉煤灰，方案3不銹鋼渣樣配加10%粉煤灰，方案4不銹鋼渣樣配加15%粉煤灰，方案5不銹鋼渣樣配加20%粉煤灰。配加粉煤灰條件下，不同試驗(yàn)方案的不銹鋼渣28 d活性指數(shù)如圖2所示。由圖2可知，隨著粉煤灰配比增大，不銹鋼渣活性指數(shù)降低，但是可滿足用于水泥和混凝土的鋼渣粉活性要求。

圖2 配加粉煤灰條件下不銹鋼渣28 d活性指數(shù)

表4 粉煤灰改性條件下活性試驗(yàn)方案

2.1.3 f-CaO含量

不銹鋼渣配加粉煤灰改性后，其f-CaO含量如表5所示。由表5可知，隨著粉煤灰配比增加，不銹鋼渣f-CaO含量降低。粉煤灰配比為15%時(shí)，不銹鋼渣f-CaO含量為2.61%，粉煤灰配比為20%時(shí)，不銹鋼渣f-CaO含量為1.23%，滿足用于水泥和混凝土的相關(guān)鋼渣粉標(biāo)準(zhǔn)要求（f-CaO含量小于4%）

表5 粉煤灰改性條件下不銹鋼渣f-CaO含量

2.1.4 配加粉煤灰的不銹鋼渣物相組成

下面分析配加10%、15%、20%粉煤灰的不銹鋼渣物相組成，如圖3所示。

圖3 添加不同配比粉煤灰的不銹鋼渣物相組成

由圖3可知，配加10%粉煤灰，不銹鋼渣主要物相為鎂薔薇輝石和一鋁酸鈣（CaO·Al2O3）。配加15%、20%粉煤灰，不銹鋼渣主要物相為玻璃體。但由于這種玻璃體堿度高，水泥水化逐步釋放氫氧化鈣，系統(tǒng)也為堿性，反應(yīng)不能相互促進(jìn)，因此活性較低。

2.2 水渣做改性劑

2.2.1 高溫熔融改性試驗(yàn)

高溫熔融試驗(yàn)方案如表6所示。用不銹鋼渣和水渣做試驗(yàn)，水渣做改性劑。S代表水渣，后面的數(shù)字代表水渣的配比。把不銹鋼渣磨細(xì)（粒徑小于1 mm），再配加水渣，混勻，放入剛玉坩堝，然后把剛玉坩堝放入高溫箱式電阻爐，燒至1 500 ℃，保溫0.5 h后取出冷卻。水渣配比分別為10%、20%、25%和30%。

表6 水渣改性條件下高溫熔融試驗(yàn)方案

2.2.2 活性試驗(yàn)

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）進(jìn)行試樣的配料、攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)和測(cè)試?；钚栽囼?yàn)方案如表7所示。S代表水渣，后面的數(shù)字代表水渣的配比。共試驗(yàn)了5個(gè)方案，所有試驗(yàn)方案均以425水泥為基礎(chǔ)材料。方案1不銹鋼渣樣未配加水渣，方案2不銹鋼渣樣配加10%水渣，方案3不銹鋼渣樣配加20%水渣，方案4不銹鋼渣樣配加25%水渣，方案5不銹鋼渣樣配加30%水渣。配加水渣條件下，不同試驗(yàn)方案的不銹鋼渣28 d活性指數(shù)如圖4所示。

表7 水渣改性條件下活性試驗(yàn)方案

由圖4可知，隨著水渣配比增大，不銹鋼渣28 d活性指數(shù)先增加后降低，水渣的最佳配比為10%～20%。方案2水渣配比為10%，相比方案1，其不銹鋼渣28 d活性指數(shù)增加，達(dá)到85.24%；方案3水渣配比為20%，不銹鋼渣28 d活性指數(shù)達(dá)到83.14%；方案4水渣配比為25%，不銹鋼渣28 d活性指數(shù)為79.45%；方案5水渣配比為30%，不銹鋼渣28 d活性指數(shù)降低至70.84%。

圖4 配加水渣條件下不銹鋼渣28 d活性指數(shù)

2.2.3 f-CaO含量

不銹鋼渣改性后，其f-CaO含量如表8所示。由表8可知，配加水渣，可降低不銹鋼渣中f-CaO含量。水渣配比分別為10%、20%、25%、30%時(shí)，不銹鋼渣f-CaO含量都小于3%，滿足用于水泥和混凝土的相關(guān)鋼渣粉標(biāo)準(zhǔn)要求（f-CaO含量小于4%）。

表8 水渣改性條件下不銹鋼渣f-CaO含量

2.2.4 物相組成

下面利用X射線衍射儀分析各試驗(yàn)方案的物相組成，如圖5所示。由圖5可知，隨著水渣配比增加，鎂薔薇輝石晶體峰值由2 000降為1 400，晶體含量降低。配加10%～20%水渣，鎂薔薇輝石晶體峰值為1 800～2 000，含量較多，且鎂薔薇輝石自身強(qiáng)度較高，這可能是造成不銹鋼渣活性指數(shù)較高的原因。

圖5 添加不同配比水渣的不銹鋼渣物相組成

3 結(jié)論

不銹鋼渣的主要物相為鎂薔薇輝石、硅酸二鈣和鈣鎂橄欖石。研究表明，配加粉煤灰、水渣都可降低不銹鋼渣中f-CaO含量。隨著粉煤灰配比增大，不銹鋼渣28 d活性指數(shù)降低，但是可滿足用于水泥和混凝土的鋼渣粉活性要求。隨著水渣配比增大，不銹鋼渣28 d活性指數(shù)先增加后降低，水渣高溫改性不銹鋼渣的最佳配比為10%～20%。