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高温重构对钢渣组成、结构与性能影响的研究

李建新

   钢渣是炼钢工业的废渣,其排放量巨大,长期以来未得到有效利用。2009年我国钢渣排放量超过8500万吨,有效利用率不足10%。钢渣的堆放不仅占用大量耕地、污染水与土壤,同时也是一种巨大的资源浪费。钢渣中含有部分胶凝矿物,但由于其胶凝活性远低于硅酸盐水泥的胶凝活性,且化学组成与矿物组成波动大、体积安定性差,制约了其在水泥混凝土中的大规模利用。几十年来,研究工作者采用物理粉磨和化学激发等方法对钢渣进行活化处理,在一定程度上提高了钢渣的利用率,但这些技术均属于―后端‖处理技术,需要额外的能耗或激发剂,难以从本质上解决钢渣活性低、组成波动大等制约钢渣利用的根本问题。本文在国家―十一·五‖科技支撑计划项目(2006BAF02A24)资助下,开展了利用熔融态出炉钢渣与组分调节材料之间的高温物相反应对钢渣组成和结构进行重构等相关试验研究工作。本文主要研究了组分调节材料的种类、掺量及重构温度等参数对重构钢渣组成、结构的影响,系统分析了重构钢渣及掺重构钢渣水泥的水化、硬化过程,得到了高温重构过程中钢渣的矿相演变规律及重构钢渣水化动力学参数,以期为高温重构钢渣的推广应用奠定理论和技术基础。 分析了国内多家大中型钢铁企业钢渣的化学组成、矿物组成、岩相结构等与胶凝活性的关系。发现不同来源的钢渣在化学组成、矿物组成及岩相结构等方面有较大差别,甚至同一钢厂和相同工艺下不同粒径的钢渣颗粒在化学、矿物组成与岩相结构方面也存在很大差别。当钢渣中硅酸盐矿物含量较高、尺寸较小且外形规则时,钢渣的胶凝活性较高。 利用石灰、电炉还原渣(白渣)、矿渣、煤渣、粉煤灰等作为组分调节材料,以韶钢转炉钢渣为研究对象,研究了高温重构过程中钢渣矿相演变规律及胶凝性能的变化,并对组分调节材料进行优选。实验结果表明:钙质调节材料可以促进重构钢渣中A矿和B矿的形成,当C/S大于3.0且处理温度低于1300℃时,将导致重构钢渣中f-CaO含量增多;钙铝硅质调节材料可以较好地促进重构钢渣中硅酸钙和铁铝酸钙的形成,显著提高重构钢渣的胶凝活性;硅铝质调节材料可促进f-CaO的吸收,增加重构钢渣中铝酸盐矿物的含量。上述调节材料对重构钢渣胶凝活性的增强效果顺序为:(白渣≈石灰≈矿渣)>(煤渣≈粉煤灰)。 选用石灰-矿渣或白渣-煤渣复合调节材料对韶钢钢渣进行高温重构,结果表明:重构钢渣中A矿含量增加7.3~12.7%、尺寸减小,且A矿中固溶的杂质离子含量增多、缺陷增加;同时新形成了胶凝矿物C_6AF_2,钢渣胶凝活性得到显著提高。从经济和性能指标考虑,建议采用白渣-煤渣复合调节材料对钢渣进行高温重构,组成为70~80%白渣与20~30%煤渣(质量比)。 通过热力学计算建立了钢渣高温重构体系相模型,结合三元相图与矿物的析晶、形成过程,得到钢渣重构过程中矿相的演变规律。当重构钢渣的C/S大于3.0时,随C/S的增加,促进A矿的形成,同时RO相分解成f-MgO;当钢渣的C/S介于2.7~3.0时,重构过程促进了A矿和B矿的形成,部分RO相转变为MgFe_2O_4,部分分解为f-MgO;当钢渣的C/S介于2.3~2.7时,重构过程促进了A矿、B矿及中间相的形成,RO相主要转变为MgFe_2O_4;当钢渣的C/S小于1.8时,重构过程促进了f-CaO的吸收,重构钢渣中硅酸盐矿物以B矿为主,部分RO相转变为MgFe_2_4。 重构钢渣及掺重构钢渣水泥复合胶凝材料的水化、硬化研究表明,原钢渣胶凝活性较低,水化放热速率曲线仅有一个放热峰。高温重构钢渣具有与硅酸盐水泥相似的水化特征,水化放热速率曲线存在2个明显的放热峰,水化过程呈现五个阶段:诱导前期、诱导期、加速期、减速期和稳定期,重构钢渣3天水化放热量较原钢渣提高2.5倍。在韶关钢铁公司钢铁生产线上,采用白渣-煤渣复合调节材料对钢渣进行了工业化在线重构。结果证明,利用出炉熔融钢渣与加入的组分调节材料之间发生的物相反应对钢渣进行重构改性是可行的。工业重构钢渣的组成均匀性良好、胶凝活性得到大幅度提高,28d活性指数高于85%,利用工业重构钢渣微粉取代30%的水泥可稳定制备C30和C50强度等级的混凝土。利用重构钢渣和粒化高炉矿渣制备了复合掺合料,重构钢渣微粉掺量不低于30%的复合掺合料28d活性指数达到95%以上,利用工业重构钢渣复合掺合料替代30%以上硅酸盐水泥时,可以稳定制备C60强度等级的混凝土,且制备的混凝土具有良好的抗渗性能。……   
[关键词]:钢渣;高温重构;组分调节材料;胶凝活性;混凝土;掺合料
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2011年
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