钢渣重构和性能优化

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钢渣是炼钢过程中排出的废渣,数量约为钢产量的15-20%。钢渣成分复杂多变,含有的胶凝性矿物较少且活性较低,所含的f-CaO和MgO易引起安定性不良,这就使得钢渣的综合利用比较困难。不断产生的钢渣只有少量被利用,剩余的大多数被堆积起来,不仅占用大量耕地,同时污染大气和水源,带来了越来越多的环境问题。因此,钢渣的综合利用问题已经成为亟需解决的问题。 钢渣的一般矿物组成为C3S、C2S和C4AF等。可见,钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相类似的胶凝性矿物。但是,钢渣中含有的胶凝性矿物量少且活性低,同时还含有较多易引起安定性不良的游离氧化钙和氧化镁等,严重制约了它的高效利用。当采用机械粉磨时,虽然提高细度可以改善其活性,但由于钢渣硬度大粉磨能耗较高。一般常用激发剂为碱性激发剂成本太高,难以大量的应用于实际生产中。为此,本文提出了对钢渣化学成分进行调整这一设计思想,即模拟炼钢时排出的钢渣(温度约为1400℃)出炉后直接进入特定的保温装置,在保温装置中添加不同的校正材料来调整各种化学成分之间的比例,使其尽可能多的生成高胶凝性矿物,采用急冷方式提高玻璃态物质的含量,从而达到提高钢渣活性的目的。 本研究按水泥熟料矿物组成和矿渣化学组成两种思路重构优化钢渣,对其影响因素及其性能展开了一系列的相关研究。主要研究内容包括:(1)按照水泥熟料矿物组成重构优化钢渣。主要研究了重构钢渣最佳率值选取,单掺和复掺校正材料及其掺量对重构钢渣性能影响,重构制度对重构效果的影响。(2)按照矿渣化学组成重构优化钢渣。主要研究了化学成分范围的选取和重构制度对重构钢渣性能的影响。(3)重构钢渣作为混合材对水泥性能影响。主要研究了重构钢渣添加量对水泥标准稠度用水量、初终凝时间、安定性和强度影响。此外,还对利用工业废料重构钢渣可行性和采用化学激发剂激发重构钢渣活性进行了研究。取得的结果和结论如下: (1)按照水泥熟料矿物组成重构钢渣活性较高。重构钢渣含有胶凝性矿物的量,随着石灰饱和系数(KH)、硅率(n)和铝率(p)的提高而增加。但KH值过高会导致重构钢渣中游离氧化钙含量增加。KH=0.92,n=2.5和p=1.5时效果较佳。单独添加校正材料对钢渣重构有一定的影响但效果不显著。基于最佳率值,利用正交实验设计,添加校正材料较佳配比:SiO2为2.48%,Al2O3为2.79%,CaO为8.85%。较适宜的重构温度约为1300-1350℃,较佳保温时间约为30min,冷却制度采用风冷方式较宜。 (2)按照矿渣化学组成重构钢渣的合理温度和保温时间与按水泥熟料矿物组成的相同,冷却制度采取水淬的方式冷却较佳。其合理的化学组成范围:钙质约为45.0%,硅质约为32.0%,铝质约为13.0%。按照矿渣化学组成重构钢渣活性较高,但差于按水泥熟料组成重构钢渣的活性。 (3)重构钢渣含有较多的胶凝性矿物,其活性较高。采用化学激发剂可以进一步激发重构钢渣的潜在活性,其中CaSO4·2H2O的激发效果最佳;其次为Na2CO3和Na2SiO3。 (4)重构钢渣作为硅酸盐水泥混合材合理掺量=30%。重构钢渣和粉煤灰/矿渣复合掺入硅酸盐水泥合理的复掺量=40%且效果优于单掺。作为水泥混合材可以提高硬化浆体的致密度,从而提高硬化浆体的强度。与硫铝酸盐水泥体系相比,硅酸盐水泥体系更有利于重构钢渣用作混合材。随着重构钢渣掺量的增加(掺加量≥70%),会降低水泥的标准稠度用水量,延长水泥的初终凝时间,引起安定性不良,降低早期强度。 (5)通过对重构钢渣及其水化样的SEM-EDS分析、XRD分析、MIP分析和DTA-TG分析,发现重构钢渣含有更多的胶凝性矿物且活性优于钢渣,水化时可以生成较多的水化产物,降低硬化浆体的总孔隙率,细化孔径,减少有害孔的百分含量,改善了内部的微观结构、水化产物的组成和界面粘结力,优化了界面结构,从而提高结构的致密度,最终改善硬化浆体的性能。
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