釩鐵渣的膠凝性能及全釩鐵渣澆注料的研制

郝建璋 曾冠武

攀鋼集團(tuán)研究院有限公司釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實驗室 四川攀枝花 617000

釩鐵渣是鋁熱法高釩鐵合金生產(chǎn)工藝副產(chǎn)的廢渣。攀鋼集團(tuán)釩鈦資源股份有限公司采用鋁熱法生產(chǎn)高釩鐵合金，每年副產(chǎn)釩鐵渣約3萬t［1-2］。目前，鋁熱法釩鐵渣少部分用于生產(chǎn)電爐爐襯搗打料，大部分出售給周邊小廠提取其中的殘釩［3］。但提釩后的殘渣成為廢棄物，沒有從根本上解決釩鐵渣的資源化綜合利用問題。鋁熱法釩鐵渣的主要成分是Al2O3、CaO、MgO等，耐火性能良好，是優(yōu)質(zhì)的耐火原料［4-5］。

本工作中，首先研究了釩鐵渣微粉作為耐火澆注料膠凝材料的可行性，然后全部采用釩鐵渣研制了強(qiáng)度高、抗渣侵蝕性和抗熱震性優(yōu)異的耐火澆注料，并在攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司煉鐵廠高爐渣溝、下渣口流嘴、鐵水罐開展了現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

1 試驗

1.1 試驗原料及預(yù)處理

試驗用釩鐵渣來自攀鋼集團(tuán)釩鈦資源股份有限公司攀枝花釩制品廠，為深灰色致密大塊狀物料。經(jīng)化學(xué)分析，其主要化學(xué)組成（w）為：Al2O372.8%，CaO 9.1%，MgO 13.5%，F(xiàn)e2O32.3%，SiO20.7%，V2O51.5%；Al2O3、CaO、MgO三項占總量的90%（w）以上。經(jīng)MLA礦物自動分析儀分析，其主要物相組成（w）為：鎂鋁尖晶石42.9%，二鋁酸一鈣40.3%，鋁酸一鈣12.4%，三鋁酸五鈣1.3%，氧化鐵1.0%。其中的鎂鋁尖晶石為耐火物相，二鋁酸一鈣和鋁酸一鈣具有膠凝性能。經(jīng)檢測，釩鐵渣的耐火度＞1 710℃。

試驗用其他原料有：鋁酸鈣水泥CA-70、硫鋁酸鹽系減水劑以及對比用的攀鋼集團(tuán)攀鋼釩有限公司煉鐵廠現(xiàn)場使用的高鋁澆注料。

取塊度＞200 mm的釩鐵渣，經(jīng)二級鄂式破碎、一級對輥破碎、篩分工藝制成10～5、5～2、≤2 mm的粗、中、細(xì)三種釩鐵渣骨料。

取≤2 mm的釩鐵渣，經(jīng)球磨、篩分工藝制成≤0.045 mm的釩鐵渣微粉（記為ZF1）。再取釩鐵渣微粉ZF1，在球磨機(jī)中分別粉磨1、2、3 h制成二次粉磨的釩鐵渣微粉（分別記為ZF2-1、ZF2-2、ZF2-3）。經(jīng)檢測（GB／T 8074—2008），釩鐵渣微粉ZF1、ZF2-1、ZF2-2、ZF2-3的比表面積分別為324、359、406、448 m2·kg-1。

1.2 試樣制備及性能檢測

1.2.1 釩鐵渣微粉膠凝性能試驗

取鋁酸鈣水泥CA-70和上述釩鐵渣微粉，按GB／T 201—2000的附錄A測定它們的膠砂凝結(jié)時間。按GB／T 2419—2016測定它們的膠砂流動度，以流動度比（釩鐵渣微粉漿料的流動度÷鋁酸鈣水泥CA-70漿料的流動度×100%）表征釩鐵渣微粉漿料的流動性。將它們的標(biāo)準(zhǔn)膠砂振動澆注成40 mm×40 mm×160 mm的試樣，在20～25℃、相對濕度≥50%條件下養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，在養(yǎng)護(hù)箱中（20±1）℃、相對濕度≥90%條件下養(yǎng)護(hù)1和3 d，再在110℃烘干24 h。分別按GB／T 2997—2015、GB／T 5072.2—2004、GB／T 3001—2017檢測試樣的體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、常溫抗折強(qiáng)度，篩選出膠凝性能最優(yōu)的釩鐵渣微粉。

1.2.2 全釩鐵渣澆注料研制試驗

研制全釩鐵渣澆注料時，固定10～5、5～2、≤2 mm的釩鐵渣骨料的質(zhì)量比為40∶33∶27，主要研究了在“1.2.1 釩鐵渣微粉膠凝性能試驗”中膠凝性能最優(yōu)的某粒度（比表面積）的釩鐵渣微粉添加量對澆注料性能的影響，具體配方見表1。

表1 全釩鐵渣澆注料配比方案

按設(shè)計配比配料并制成漿料，振動澆注成40 mm×40 mm×160 mm的條形試樣，在20～25℃、相對濕度≥50%條件下養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，在110℃烘干24 h，部分試樣再在1 450℃保溫3 h熱處理。分別按GB／T 2997— 2015、GB／T 5072.2—2004、GB／T 3001—2017檢測烘干及熱處理后試樣的體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、常溫抗折強(qiáng)度，按GB／T 5988—2007檢測燒后試樣的線變化率，篩選出綜合性能最優(yōu)的全釩鐵渣澆注料配方。

取上述最優(yōu)配方的全釩鐵渣澆注料和攀鋼集團(tuán)攀鋼釩有限公司煉鐵廠現(xiàn)場使用的高鋁澆注料，采用相同的制備工藝制成40 mm×40 mm×160 mm的條形試樣，70 mm×70 mm×70 mm的立方體試樣，以及外部尺寸為70 mm×70 mm×70 mm、內(nèi)孔尺寸為?30／20 mm×40 mm的坩堝試樣。按前述檢測標(biāo)準(zhǔn)分別檢測烘干及熱處理后澆注料試樣的體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、常溫抗折強(qiáng)度和線變化率。按GB／T 17617—2018檢測烘干試樣的抗熱震性（1 100℃，水冷）。取烘干后試樣進(jìn)行靜態(tài)坩堝法抗渣試驗，侵蝕介質(zhì)為攀鋼含釩鐵水和含鈦高爐渣（二者的質(zhì)量比為2∶1）。含釩鐵水的化學(xué)組成（w）為：C 3.9%，Si 0.22%，V 0.33%，P 0.05%，S 0.12%；含鈦高爐渣的化學(xué)組成（w）為：Al2O314.05%，SiO223.36%，CaO 24.63%，MgO 8.94%，TiO222.68%，MnO 1.7%，TFe 2.1%。在1 450℃保溫5 h熱處理后，沿坩堝孔軸線將其切開，觀察其滲透和侵蝕情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 釩鐵渣微粉的膠凝性能

鋁酸鈣水泥和釩鐵渣微粉的流動度比、凝結(jié)時間以及其成型試樣的致密度和強(qiáng)度見表2?？梢钥闯觯?）釩鐵渣微粉膠砂的流動性均比鋁酸鈣水泥膠砂的略小，初凝時間和終凝時間均比鋁酸鈣水泥膠砂的長；與養(yǎng)護(hù)1和3 d后的鋁酸鈣水泥膠砂試樣相比，養(yǎng)護(hù)1和3 d后的釩鐵渣微粉膠砂試樣的體積密度較大，常溫耐壓強(qiáng)度和常溫抗折強(qiáng)度有大有小。2）隨著釩鐵渣微粉比表面積的增大，膠砂的流動性、初凝時間和終凝時間以及成型試樣的體積密度均小幅減小，養(yǎng)護(hù)1和3 d后成型試樣的常溫耐壓強(qiáng)度和常溫抗折強(qiáng)度顯著增大。綜合考慮，比表面積為406 m2·kg-1的釩鐵渣微粉ZF2-2的膠凝性能與鋁酸鈣水泥CA-70的相當(dāng)甚至更優(yōu)。為此，確定表1中的釩鐵渣微粉為ZF2-2。

表2 鋁酸鈣水泥和釩鐵渣微粉的流動性、凝結(jié)時間以及其成型試樣的致密度和強(qiáng)度

2.2 釩鐵渣微粉加入量對澆注料性能的影響

添加不同量釩鐵渣微粉ZF2-2的全釩鐵渣澆注料的性能見圖1?？梢钥闯觯弘S著釩鐵渣微粉加入量的增加，烘干及熱處理后試樣的體積密度逐漸減??；常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度均逐漸增大，但釩鐵渣微粉加入量超過25%（w）后變化不明顯；熱處理后試樣的線變化率逐漸減小，釩鐵渣微粉加入量為30%（w）的試樣的燒后線變化率為負(fù)，試樣表現(xiàn)為收縮。

圖1 添加不同量釩鐵渣微粉ZF2-2的全釩鐵渣澆注料的性能

綜合分析，釩鐵渣微粉ZF2-2加入量為25%（w）的全釩鐵渣澆注料P3的綜合性能最優(yōu)。為此，在與攀鋼集團(tuán)攀鋼釩有限公司煉鐵廠現(xiàn)場使用的高鋁澆注料進(jìn)行性能對比時，選擇全釩鐵渣澆注料P3進(jìn)行試驗。

2.3 全釩鐵渣澆注料與高鋁澆注料的性能對比

研制的全釩鐵渣澆注料P3與攀鋼集團(tuán)攀鋼釩有限公司煉鐵廠現(xiàn)場使用的高鋁澆注料的理化性能對比見表2?？梢钥闯觯?）與現(xiàn)場使用的高鋁澆注料相比，研制的全釩鐵渣澆注料的Al2O3、CaO、MgO含量均較高，SiO2含量較低。2）與現(xiàn)場使用的高鋁澆注料相比，全釩鐵渣澆注料烘干及熱處理后的體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、常溫抗折強(qiáng)度顯著增大，燒后線變化率由高鋁澆注料的-0.15%變?yōu)?.05%。

表3 全釩鐵渣澆注料與現(xiàn)用高鋁澆注料的理化性能對比

熱震試驗發(fā)現(xiàn)：高鋁澆注熱震15次后出現(xiàn)嚴(yán)重破損，全釩鐵渣澆注料熱震20次后才出現(xiàn)開裂剝落情況，表明研制的全釩鐵渣澆注料的抗熱震性優(yōu)于現(xiàn)用高鋁澆注料的。

研制的全釩鐵渣澆注料P3與現(xiàn)場使用的高鋁澆注料抗渣試驗后的坩堝剖面照片見圖2。

圖2 抗渣試驗后坩堝剖面照片

由圖2可以看出：兩種坩堝中都發(fā)生了一定程度的滲透和侵蝕。但全釩鐵渣澆注料試樣的侵蝕程度整體較輕，坩堝上部被渣侵蝕形成喇叭口，下步靠近金屬鐵部分區(qū)域熔渣與耐火材料基質(zhì)反應(yīng)形成滲透層；高鋁澆注料試樣坩堝中下部位已經(jīng)嚴(yán)重侵蝕，熔渣侵蝕滲透層幾乎接近試樣底部。這表明全釩鐵渣澆注料的抗渣滲透性和抗渣侵蝕性比現(xiàn)用高鋁澆注料的好。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

按全釩鐵渣澆注料P3的配比生產(chǎn)了500 t全釩鐵渣澆注料，在攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司煉鐵廠高爐渣溝、下渣口流嘴、鐵水罐開展了現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

在高爐下渣口流嘴開展的三輪現(xiàn)場試驗，共使用釩鐵渣澆注料約50 t。施工過程中發(fā)現(xiàn)，釩鐵渣澆注料流動性良好，澆注質(zhì)量穩(wěn)定，澆注體強(qiáng)度良好。平均使用壽命為80 d，最高使用壽命為90 d，與現(xiàn)場使用的商品澆注料的接近。

在4號高爐渣溝開展的應(yīng)用試驗，共使用釩鐵渣澆注料約300 t，澆注長度50 m。澆注料流動性滿足現(xiàn)場施工要求；澆注后的料層硬化快，硬化效果好，強(qiáng)度滿足現(xiàn)場使用要求。高爐渣溝永久層正常應(yīng)用，使用壽命達(dá)5 a以上。

在鐵水罐開展的應(yīng)用試驗，共使用釩鐵渣澆注料約10 t，澆注鐵水罐2臺。澆注料流動性良好，施工質(zhì)量穩(wěn)定；養(yǎng)護(hù)24 h拆模后觀察，澆注體整體性好，表面光潔，沒有出現(xiàn)漏澆、分層等現(xiàn)象。鐵水罐罐底澆注料使用壽命達(dá)到1 000次以上，達(dá)到了同類商品澆注料的使用效果。

4 結(jié)語

（1）比表面積為406 m2·kg-1的釩鐵渣微粉的膠凝性能與鋁酸鈣水泥CA-70的相當(dāng)甚至更優(yōu)。

（2）加入25%（w）的比表面積為406 m2·kg-1的釩鐵渣微粉制備的全釩鐵渣澆注料的性能優(yōu)于現(xiàn)場使用的高鋁澆注料的，在高爐渣溝、下渣口流嘴、鐵水罐等現(xiàn)場的應(yīng)用試驗取得了良好的應(yīng)用效果。