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《中国建筑材料科学研究总院》 2018年
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钢渣氧化重构及重构钢渣的组成、结构与性能

蒋亮  
【摘要】:钢渣是炼钢过程产生的副产品,其排放量巨大,长期以来未得到有效利用。堆砌放置的钢渣不仅严重占用有限的土地资源,污染水与土壤,同时也是一种巨大的资源浪费。一方面钢渣中含有部分胶凝矿物,可作为水泥混凝土的部分原料使用;另一方面,钢渣中还存在含量较高的氧化亚铁及一定质量的游离氧化钙和氧化镁,氧化亚铁无法通过磁选直接分离且易引起钢渣水泥强度降低,游离氧化钙和氧化镁的存在导致钢渣由于安定性差而难以被建材化利用。针对目前钢渣应用过程中存在的问题,本文提出了针对熔融态钢渣的高温重构工艺以及针对堆砌钢渣的固相改质工艺,借助氧化性气氛(空气)使钢渣中氧化亚铁和氧化镁向强磁性镁铁尖晶石群发生转变,后者可通过磁选分离。同时促进钢渣中游离氧化钙和氧化亚铁结合,生成具有一定水化活性的铁酸二钙,以达到稳定游离氧化钙的目的。本文研究了高温重构工艺对钢渣矿物组成、结构与性能的影响,对重构过程中的矿物相演变规律及重构钢渣的水化动力学进行了探究。结果表明:重构钢渣中镁铁尖晶石群生成量随温度升高呈现先增多后减少的趋势;当重构温度为1300℃时,重构钢渣中镁铁尖晶石群含量较多且分布广泛,同时钢渣的磁感应强度达到最大值;经1300℃高温重构后,钢渣中的游离氧化钙量由原来的3.54%降低至0.96%;重构温度的提高对于钢渣的水化活性也具有较为明显的改善作用。掺重构钢渣水泥的硬化特性试验结果表明,借助水玻璃激发或掺入粉磨后细粉能使掺重构钢渣水泥的早期强度和后期强度得到显著提升,本试验中掺重构钢渣水泥的钢渣掺入量不宜超过30%。在钢渣高温重构工艺的基础上,研究了不同冷却速度下重构钢渣的矿物相种类、晶粒尺寸和形态分布的变化。结果表明:镁铁尖晶石群的结晶和长大需综合考虑冷却速度的影响;较快的冷却速度(水冷)不利于镁铁尖晶石群结晶,而过慢的冷却速度(炉冷)导致已经生成的铁酸镁再次分解,最终获得的室温平衡组织以二次尖晶石为主。针对堆砌钢渣提出了能源消耗较低的固相改质工艺,研究了不同氧化改质工艺参数下改质钢渣中镁铁尖晶石群形成的影响因素,对固相改质过程的热力学趋势和动力学机理进行了推演,对改质温度、保温时间与镁铁尖晶石群反转系数之间的关联进行了探索,并对改质前后钢渣的易磨性和磁选效果进行了对比研究。结果表明:通过氧化改质处理,能够实现钢渣中无磁性铁氧化物向强磁性镁铁尖晶石群的转变,后者可通过磁选进行有效分离;改质钢渣中镁铁尖晶石群生成量受制于改质工艺参数(氧化温度、保温时间和氧化气体通入速率),过度氧化会引发体系中赤铁矿生成而导致镁铁尖晶石群产量下降;氧化温度和保温时间的变化都会对镁铁尖晶石群的反转系数产生直接影响,进而影响磁选结果;CaO-SiO_2-FeO-MgO四元钢渣体系的氧化改质过程按照动力学反应机理可被分为三个阶段:初始阶段、化学反应阶段和扩散阶段。钢渣的易磨性研究表明,对渣样进行二次粉磨能使粒径分布达到较理想水平。
【学位授予单位】:中国建筑材料科学研究总院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X757

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