D0I:10.13374/i.issnl001053x.2011.2.005 第33卷第2期 北京科技大学学报 Vo133 No 2 2011年2月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Feb 2011 钢铁熔渣在高压水射流条件下的粒度与胶凝活性变化 规律 李 宇》 张玲玲)宗燕兵) 刘晓明) 苍大强) 1)北京科技大学治金与生态工程学院生态与循环治金教育部厘点实验室，北京100083 2)北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 通信作者，Ema时l03@g知alcm 摘要通过自行设计搭建的高温熔融高压水射流装置，进行了熔融态转炉钢渣与高炉渣的高压水射流试验.试验表明：采 用高压水射流直接冷却微细化的方法能够同时实现转炉钢渣的微细化与胶凝活性增强：在本文试验条件下，采用8~10MPa 的高压水，射流冷却后的射流钢渣体积平均粒度达到943μ四主要物相是玻璃相和结晶矿物C?SD,由其所制备胶凝材料 养护28的抗压强度达3396MP?超过原钢渣制备胶凝材料8MP▣射流高炉矿渣形成絮状结构，并具有更低胶凝活性.与 熔融态高炉矿渣相比，熔融态转炉钢渣更适合采用高压水射流方法 关键词钢铁治金：渣：废料利用：粉碎：水泥 分类号TF09 G ranu lar ity and reactivity ofm elted slag quenched and atom ized by a h gh pres sure water jet LIYu ZHANG Lng Ing,ZONG Yan-bing LU X aam ng)CANG Daqiang) 1)Key Lab of heM inisy of Educaton ofChina prEcokgy and Recyc IngMe lugy School ofMeta llurgicaland Ecokgical Engineerng Universit of Scignce and Techrokgy Beijing Beijng 100083 China 2)SchoolofCivil and Envirormen Engineering University of Science and Teckokgy Beijng Beijng 100083 China Correspond ng author Email livup3@gail com ABSTRACT A method of quenching and arm izing the melting slag sin ultaneous y uder a high Pressure water jetwas put prward Experinen ts about coolng and pu Nerizing hem elting steel slag and hemelting bast fimace(BF shg by a h gh pressure water jet of 8 p 10MPa were conducted on a selfmade slagmelting and hgh pessue water coolng sysem The resu lts shov that the atam ized seel sag can be pu erized w ih an average particle size of94 3fm and a compositpn of glass Phase and Ca SD its eactivity is in creased and the con pressive strengh of its cement samp les aged for 28 d is33 96MPa which isg MPa h gher han hat of cement san p les fromn raw seelsng The quenched BF shg pms fpcculent stucture with degnaded reactivity The proposed method is more suit able pr s teel shg tapping processes than BF sg tappng processes KEY WORDS iron and steelmenllngy slags waste utilization pulverization cements 钢铁渣显热利用问题己成为进一步提高钢铁行 0.9亿t然而，现有技术尚未能实现钢铁渣显热的 业节能减排水平的关键所在.其中，高炉渣排渣温 利用，大量显热被直接冷却而浪费掉.与此同时，我 度约1450℃，转炉钢渣排渣温度超过1600℃.如 国钢渣利用率仍然处于较低水平·，堆积的钢渣及 果利用显热，则每吨高炉渣节能61k标准煤，钢渣 其选铁尾渣不仅占用大量土地，还造成环境污染和 节能68k标准煤.2009年，中国钢产量己接近6亿 安全隐患 ,t高炉矿渣和转炉钢渣产量分别约为1.8亿和 钢渣的特点由其组成和形成过程决定.钢渣具 收稿日期：2010-04-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N951034008N951004012)
第 33卷 第 2期 2011年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.2 Feb.2011 钢铁熔渣在高压水射流条件下的粒度与胶凝活性变化 规律 李 宇 1) 张玲玲 2 ) 宗燕兵 1) 刘晓明 1) 苍大强 1 ) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院生态与循环冶金教育部重点实验室, 北京 100083 2) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 通信作者, E-mail:liyu03@gmail.com 摘 要 通过自行设计搭建的高温熔融-高压水射流装置, 进行了熔融态转炉钢渣与高炉渣的高压水射流试验 .试验表明:采 用高压水射流直接冷却微细化的方法能够同时实现转炉钢渣的微细化与胶凝活性增强;在本文试验条件下, 采用 8 ～ 10 MPa 的高压水, 射流冷却后的射流钢渣体积平均粒度达到 94.3μm, 主要物相是玻璃相和结晶矿物 Ca2SiO4 , 由其所制备胶凝材料 养护 28d的抗压强度达 33.96MPa, 超过原钢渣制备胶凝材料 8MPa.射流高炉矿渣形成絮状结构, 并具有更低胶凝活性.与 熔融态高炉矿渣相比, 熔融态转炉钢渣更适合采用高压水射流方法. 关键词 钢铁冶金;渣;废料利用;粉碎;水泥 分类号 TF09 Granularityandreactivityofmeltedslagquenchedandatomizedbyahighpressurewaterjet LIYu1) , ZHANGLing-ling2) , ZONGYan-bing1) , LIUXiao-ming1) , CANGDa-qiang1) 1) KeyLaboftheMinistryofEducationofChinaforEcologyandRecyclingMetallurgy, SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, Universityof ScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:liyu03@gmail.com ABSTRACT Amethodofquenchingandatomizingthemeltingslagsimultaneouslyunderahighpressurewaterjetwasputforward. Experimentsaboutcoolingandpulverizingthemeltingsteelslagandthemeltingblastfurnace( BF) slagbyahighpressurewaterjetof 8 to10MPawereconductedonaself-madeslagmeltingandhighpressurewatercoolingsystem.Theresultsshowthattheatomized steelslagcanbepulverizedwithanaverageparticlesizeof94.3μmandacompositionofglassphaseandCa2SiO4 , itsreactivityisincreasedandthecompressivestrengthofitscementsamplesagedfor28dis33.96MPa, whichis8MPahigherthanthatofcementsamplesfromrawsteelslag.ThequenchedBFslagformsflocculentstructure, withdegradedreactivity.TheproposedmethodismoresuitableforsteelslagtappingprocessesthanBFslagtappingprocesses. KEYWORDS ironandsteelmetallurgy;slags;wasteutilization;pulverization;cements 收稿日期:2010--04--27 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( No.51034008;No.51004012) 钢铁渣显热利用问题已成为进一步提高钢铁行 业节能减排水平的关键所在 .其中, 高炉渣排渣温 度约 1 450 ℃, 转炉钢渣排渣温度超过 1 600 ℃.如 果利用显热, 则每吨高炉渣节能 61 kg标准煤, 钢渣 节能 68kg标准煤.2009年, 中国钢产量已接近 6亿 t, 高炉矿渣和转炉钢渣产量分别约为 1.8亿 t和 0.9亿 t.然而, 现有技术尚未能实现钢铁渣显热的 利用, 大量显热被直接冷却而浪费掉 .与此同时, 我 国钢渣利用率仍然处于较低水平 [ 1] , 堆积的钢渣及 其选铁尾渣不仅占用大量土地, 还造成环境污染和 安全隐患 . 钢渣的特点由其组成和形成过程决定 .钢渣具 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.02.005
。162 北京科技大学学报 第33卷 有胶凝活性低、安定性差和粉磨能耗高的特点，这些 特点严重制约了其在水泥行业的广泛应用.对熔渣 进行在线改质是改善钢渣性能的一条有效途径.这 种过程改质的模式2-9由于既能充分利用钢渣高温 显热又能实现排出渣的有效利用，己成为目前研究 的一个重要方向.采用高压水射流冷却钢铁渣就是 一种同时利用钢铁渣及其显热的改质方法. 高压水射流冷却钢铁渣将高温熔渣的急冷玻璃 化与超细粉碎过程结合起来考虑，采用高压射流的 方式处理高温熔渣，一方面提高冷却的速度，促进熔 渣的玻璃体活化程度：另一方面利用高温熔渣热量， 采用高压水射流的方法将熔渣破碎到微细化的程 1一电控柜：2-高温熔融炉：3一试验平台：4一高压水导管： 度，使熔渣潜在活性得到充分激发.采用该法，将熔 5一射流架：6一收集筒：7一射流钢渣 渣一次性急冷细碎至微米级超细粉直接用于水泥和 图1钢渣射流试验现场 Fg1Sees快gme lts ieted by h药presure water 陶瓷等制备，避免了冷却钢渣粉磨的高能耗过程，实 现了节能、节水、减少环境污染、提高材料活性及缩 埚.射流系统包括喷嘴、射流支架和高压泵三部分. 短工艺流程等多重目的. 本文试验选择橄榄形喷嘴和喷嘴对喷方式，喷射角 用高压射流快速凝固金属熔体制备金属粉末技 度为45：高压水泵是天津通洁高压泵制造有限公 术早在20世纪70年代就开始应用于F飞A和Ti 司生产的3D2A-S型高压柱塞泵，其主要技术参数 等多种材料合金粉末及非晶材料的制备.已经实现 为：电动机额定功率45W流量158m前额定 工程化的高压射流快速凝固技术有亚音速气体雾化 排水压力15MPa 法、超音速气体雾化法和高压水雾化法.在水雾化 12试验原料及试验过程 过程中，水压是最重要的控制参数.对钢液的快速 利用搭建的高温熔渣高压水射流试验台，将转 凝固试验表明：将水压由1.7MP提高到13.8MPa 炉钢渣和高炉渣进行重新加热熔融和射流急冷试 时，所得到的粉末平均颗粒尺寸由117μm减小到 验.试验参数见表1.试验加热过程：唐山钢铁集团 42μ四液滴的冷却速率可高达1GKs1.水压越 转炉钢渣并掺入占总量4%的氟化钙，共25kg加 高，颗粒越小6？.因此，高温熔渣有可能一次处理 热至1600℃，保温45m通化钢铁集团高炉矿渣 得到活性极好的粉体原料，但射流技术应用于硅铝 25k3加热至1450℃，保温45m9 基非金属材料制备还未见报道. 表1试验参数 本文利用自行设计建造的高压水射流试验台， Table 1 Expe rmental para eters 开展了熔融转炉钢渣和高炉渣的高压水射流试验， 坩埚 熔体下 冷却速率 高压水射平均射流 应用X谢线衍射(RD分析、粒度分析和胶凝材料 容积/流速度/ 估算/ 流压力/流量/ 力学性能测试等手段进一步研究了射流钢渣与射流 m3 (m1 (℃.s1) MPa (m3.s-1) 高炉矿渣微细化与活性增强规律. 0.0052 2451×10-5X108-100.00158 1试验过程 根据以上试验参数，将转炉钢渣和高炉矿渣进 1.1高压水射流试验台 行加热熔融和射流急冷试验，分别如图1和图2所 高压水射流试验台设计思想是利用高压水的射 示.射流结束，分别采用500目的滤网将射流渣过 流冲击力，冲击进入射流焦点的熔渣，熔渣在被微细 滤收集并立即烘干. 化的同时获得很大的冷却速率，从而使熔渣微细化， 样品的胶凝活性通过将其所制备成的胶凝材料 并冷却形成具有高活性的玻璃相物料.试验台包括 的抗压强度来评价.为了便于比较，胶凝材料分别 高温加热系统、射流系统和收集系统三个部分.试 以射流前后样品为主要原料，参照GB/T1767一 验系统参见图1 1999中的试验方法在相同条件下制备而成. 高温系统主要由高温熔融炉和相关控制设备构 1.3分析方法 成.其中，加热元件是硅钼棒，加热坩埚是石墨坩 用X射线荧光分析仪(XRF-1700型号，岛津公
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 有胶凝活性低、安定性差和粉磨能耗高的特点, 这些 特点严重制约了其在水泥行业的广泛应用.对熔渣 进行在线改质是改善钢渣性能的一条有效途径.这 种过程改质的模式 [ 2--5] 由于既能充分利用钢渣高温 显热又能实现排出渣的有效利用, 已成为目前研究 的一个重要方向 .采用高压水射流冷却钢铁渣就是 一种同时利用钢铁渣及其显热的改质方法 . 高压水射流冷却钢铁渣将高温熔渣的急冷玻璃 化与超细粉碎过程结合起来考虑, 采用高压射流的 方式处理高温熔渣, 一方面提高冷却的速度, 促进熔 渣的玻璃体活化程度 ;另一方面利用高温熔渣热量, 采用高压水射流的方法将熔渣破碎到微细化的程 度, 使熔渣潜在活性得到充分激发 .采用该法, 将熔 渣一次性急冷细碎至微米级超细粉直接用于水泥和 陶瓷等制备, 避免了冷却钢渣粉磨的高能耗过程, 实 现了节能、节水、减少环境污染 、提高材料活性及缩 短工艺流程等多重目的. 用高压射流快速凝固金属熔体制备金属粉末技 术早在 20世纪 70年代就开始应用于 Fe、Al和 Ti 等多种材料合金粉末及非晶材料的制备.已经实现 工程化的高压射流快速凝固技术有亚音速气体雾化 法 、超音速气体雾化法和高压水雾化法.在水雾化 过程中, 水压是最重要的控制参数.对钢液的快速 凝固试验表明:将水压由 1.7 MPa提高到 13.8 MPa 时, 所得到的粉末平均颗粒尺寸由 117 μm减小到 42 μm, 液滴的冷却速率可高达 10 5 K·s -1 .水压越 高, 颗粒越小 [ 6--7] .因此, 高温熔渣有可能一次处理 得到活性极好的粉体原料, 但射流技术应用于硅铝 基非金属材料制备还未见报道 . 本文利用自行设计建造的高压水射流试验台, 开展了熔融转炉钢渣和高炉渣的高压水射流试验, 应用 X射线衍射 ( XRD)分析、粒度分析和胶凝材料 力学性能测试等手段进一步研究了射流钢渣与射流 高炉矿渣微细化与活性增强规律. 1 试验过程 1.1 高压水射流试验台 高压水射流试验台设计思想是利用高压水的射 流冲击力, 冲击进入射流焦点的熔渣, 熔渣在被微细 化的同时获得很大的冷却速率, 从而使熔渣微细化, 并冷却形成具有高活性的玻璃相物料 .试验台包括 高温加热系统、射流系统和收集系统三个部分.试 验系统参见图 1. 高温系统主要由高温熔融炉和相关控制设备构 成 .其中, 加热元件是硅钼棒, 加热坩埚是石墨坩 1—电控柜;2—高温熔融炉;3—试验平台;4—高压水导管; 5—射流架;6—收集筒;7—射流钢渣 图 1 钢渣射流试验现场 Fig.1 Steelslagmeltsjettedbyhighpressurewater 埚.射流系统包括喷嘴 、射流支架和高压泵三部分. 本文试验选择橄榄形喷嘴和喷嘴对喷方式, 喷射角 度为 45°.高压水泵是天津通洁高压泵制造有限公 司生产的 3D2A--S型高压柱塞泵, 其主要技术参数 为:电动机额定功率 45 kW, 流量 158 L·min -1 , 额定 排水压力 15MPa. 1.2 试验原料及试验过程 利用搭建的高温熔渣高压水射流试验台, 将转 炉钢渣和高炉渣进行重新加热熔融和射流急冷试 验.试验参数见表 1.试验加热过程:唐山钢铁集团 转炉钢渣并掺入占总量 4%的氟化钙, 共 2.5 kg, 加 热至 1 600℃, 保温 45 min;通化钢铁集团高炉矿渣 2.5 kg, 加热至 1 450 ℃, 保温 45 min. 表 1 试验参数 Table1 Experimentalparameters 坩埚 容积/ m3 熔体下 流速度 / ( m·s-1 ) 冷却速率 估算 / ( ℃·s-1 ) 高压水射 流压力 / MPa 平均射流 流量 / ( m3·s-1 ) 0.005 2 2.45 1×10 3 ～ 5×10 3 8 ～ 10 0.001 58 根据以上试验参数, 将转炉钢渣和高炉矿渣进 行加热熔融和射流急冷试验, 分别如图 1和图 2所 示.射流结束, 分别采用 500 目的滤网将射流渣过 滤收集并立即烘干 . 样品的胶凝活性通过将其所制备成的胶凝材料 的抗压强度来评价 .为了便于比较, 胶凝材料分别 以射流前后样品为主要原料, 参照 GB/T17671— 1999中的试验方法在相同条件下制备而成 . 1.3 分析方法 用 X射线荧光分析仪 ( XRF--1700型号, 岛津公 · 162·
第2期 李宇等：钢铁熔渣在高压水射流条件下的粒度与胶凝活性变化规律 163 ★Ca,Si0, 0203040506070 26) 图3射流钢渣与原钢渣XRD图谱比较 F3 Comparison of XRD pattems of jetted steelshg with the rawv 一射流架，2一喷嘴；3一矿渣熔体；4高压水：一射流矿渣 shg 图2矿渣射流试验现场 F2 BF skgm elts je tted by high Pressure wa ter 2.2射流钢渣的粒度分布 由钢渣粒度分布曲线（图5）可知，射流钢渣粒 司)分析原料化学组成，如表2所示.用X射线衍 度分布为：d,=25.634四ds=61.53u四dg= 射仪(D/maxRB型号，R公司)分析样品的物 220.54μm体积平均粒径D=94.29μ四 相组成变化.试验条件：40kV100mAC靶，扫描 从粉体粒度大小的角度分析，传统水淬钢渣的 速度4°mr,扫描范围5°~70°.采用激光粒度分 粒径为毫米级：而经过高压水射流冷却的钢渣的平 析仪(MasterSiz还r2000美国马尔文公司)分析样品 均粒径接近80μ四低于传统水淬钢渣粒径大小两 的粒度分布， 个数量级，已经达到微细化要求，减少了后续粉磨所 表2转炉钢渣与高炉矿渣组成（质量分数） 带来的能耗。 Table2 Compositin of steel and BF steel % 普通钢渣易磨性差的原因主要是含有R○相和 渣种类FOM0C0S0A!OM0 橄榄石(CRS等硬度较大的矿相.结合图3射流钢 转炉钢渣23.2718738842194472 809 渣的RD分析可知，从粉体矿相角度，射流钢渣中 高炉矿渣1.92 424034.971255817 仅存在硅酸二钙为主的结晶相，没有难磨的RO和 RS等矿相，因而后续粉磨能耗将会大大减少. 2试验结果与分析 在高压水射流冷却过程中，对于高温熔渣的快 速凝固是利用高速喷水射流的超强剪切力和动能克 2.1射流钢渣XRD分析 服熔体的表面张力，同时增大液态熔体下落或飞行 射流钢渣与原钢渣的XRD图谱如图3所示. 速度，使之分散雾化成细小的液滴，从而快速冷却 由图3可知射流钢渣仍然具有结晶相，但结晶矿物 凝固为细小颗粒.从能量利用的角度看，高压水射 比原钢渣单一，主要是C号S0(JCPDS33-0302). 流的能量集中在靶体（固体颗粒或液珠）上，所克服 这表明在高压水射流冷却条件下，大部分晶相来不 的熔体表面张力等阻力小于固体颗粒分子间的作用 及析出，就被冻结形成玻璃相. 力，因此它的能量利用率比现有的固体颗粒的粉碎 高压水射流冷却熔渣的冷却速率达10℃。s! 设备要高，相当于充分利用了转炉熔渣的高温 数量级.在如此高的冷却速率下，射流钢渣仍然析 显热. 出C4S0晶相，其原因可以用A!O-CO-M) 2.3胶凝活性变化 S0系相图进行解释.由AQ为5%的CO-M0) 射流钢渣的胶凝活性变化如图6所示.由图可 S0系相图19（图4）可知，在表2中射流钢渣成分 知，原钢渣所制试块抗压强度较低，所制试块28d 点正好位于CSQ初晶区，其析晶温度高于 强度仅25.55MP:射流钢渣所制备的胶凝材料3.7 1700℃.虽然钢渣中加入了少量氟化钙后能够在 和28d抗压强度分别达到10.01、20.89、33.96MP? 1600℃熔化并流动，但在这个温度下，熔渣会析晶 高于相应的原钢渣所制备的胶凝材料各个龄期的抗 生成大量的C4SQ.也就是说，射流钢渣中 压强度，28的抗压强度超过8MP以上.可见，射 C号SO晶相在熔渣冷却前就己经产生. 流钢渣活性高于原钢渣
第 2期 李 宇等:钢铁熔渣在高压水射流条件下的粒度与胶凝活性变化规律 1—射流架;2—喷嘴;3—矿渣熔体;4—高压水;5—射流矿渣 图 2 矿渣射流试验现场 Fig.2 BFslagmeltsjettedbyhighpressurewater 司 ) 分析原料化学组成, 如表 2所示.用 X射线衍 射仪 ( D/max-RB型号, Rigaku公司 ) 分析样品的物 相组成变化.试验条件:40 kV, 100 mA, Cu靶, 扫描 速度 4°·min -1 , 扫描范围 5°～ 70°.采用激光粒度分 析仪 ( MasterSizer2000, 美国马尔文公司 )分析样品 的粒度分布 . 表 2 转炉钢渣与高炉矿渣组成(质量分数 ) Table2 CompositionofsteelandBFsteel % 渣种类 Fe2O3 MnO CaO SiO2 Al2O3 MgO 转炉钢渣 23.27 1.87 38.84 21.94 4.72 8.09 高炉矿渣 1.92 — 42.40 34.97 12.55 8.17 2 试验结果与分析 2.1 射流钢渣 XRD分析 射流钢渣与原钢渣的 XRD图谱如图 3 所示 . 由图 3可知射流钢渣仍然具有结晶相, 但结晶矿物 比原钢渣单一, 主要是 Ca2 SiO4 ( JCPDS # 33 0302) . 这表明在高压水射流冷却条件下, 大部分晶相来不 及析出, 就被冻结形成玻璃相. 高压水射流冷却熔渣的冷却速率达 10 3 ℃·s -1 数量级 .在如此高的冷却速率下, 射流钢渣仍然析 出 Ca2 SiO4 晶相, 其原因可以用 Al2O3--CaO--MgO-- SiO2 系相图进行解释.由 Al2 O3为 5%的 CaO--MgO-- SiO2 系相图 [ 8] (图 4)可知, 在表 2中射流钢渣成分 点正好 位于 Ca2 SiO4 初晶 区, 其析 晶温 度高于 1 700℃.虽然钢渣中加入了少量氟化钙后能够在 1 600℃熔化并流动, 但在这个温度下, 熔渣会析晶 生成 大 量的 Ca2 SiO4 .也 就 是说, 射 流 钢 渣中 Ca2SiO4 晶相在熔渣冷却前就已经产生. 图 3 射流钢渣与原钢渣 XRD图谱比较 Fig.3 ComparisonofXRDpatternsofjettedsteelslagwiththeraw slag 2.2 射流钢渣的粒度分布 由钢渣粒度分布曲线 (图 5)可知, 射流钢渣粒 度分布为:d0.1 =25.63 μm, d0.5 =61.53 μm, d0.9 = 220.54μm, 体积平均粒径 DV =94.29 μm. 从粉体粒度大小的角度分析, 传统水淬钢渣的 粒径为毫米级 ;而经过高压水射流冷却的钢渣的平 均粒径接近 80 μm, 低于传统水淬钢渣粒径大小两 个数量级, 已经达到微细化要求, 减少了后续粉磨所 带来的能耗. 普通钢渣易磨性差的原因主要是含有 RO相和 橄榄石 ( CRS)等硬度较大的矿相 .结合图 3射流钢 渣的 XRD分析可知, 从粉体矿相角度, 射流钢渣中 仅存在硅酸二钙为主的结晶相, 没有难磨的 RO和 CRS等矿相, 因而后续粉磨能耗将会大大减少. 在高压水射流冷却过程中, 对于高温熔渣的快 速凝固是利用高速喷水射流的超强剪切力和动能克 服熔体的表面张力, 同时增大液态熔体下落或飞行 速度, 使之分散雾化成细小的液滴, 从而快速冷却 凝固为细小颗粒 .从能量利用的角度看, 高压水射 流的能量集中在靶体 (固体颗粒或液珠 )上, 所克服 的熔体表面张力等阻力小于固体颗粒分子间的作用 力, 因此它的能量利用率比现有的固体颗粒的粉碎 设备要高 [ 9] , 相当于充分利用了转炉熔渣的高温 显热 . 2.3 胶凝活性变化 射流钢渣的胶凝活性变化如图 6所示 .由图可 知, 原钢渣所制试块抗压强度较低, 所制试块 28 d 强度仅 25.55MPa.射流钢渣所制备的胶凝材料 3、7 和 28d抗压强度分别达到 10.01、20.89、33.96 MPa, 高于相应的原钢渣所制备的胶凝材料各个龄期的抗 压强度, 28 d的抗压强度超过 8 MPa以上.可见, 射 流钢渣活性高于原钢渣 . · 163·
。164 北京科技大学学报 第33卷 方石英 50 硅灰石 假过灰石 解志样品 成分点 .120 -230- 2400- 石灰 -200- 2600 0质量分数原 0e0 图4AQ为5%的C0-M8)-S0系相图I4 F4 Phase diggmm of the CnoM)SO,system he AlO is consmantly ats) 35r 一■一射流钢渣 一·一原钢渣 25 3 10 5 1015202530 10 102 10 养护时间d 粒度m 图6射流钢渣与原钢渣所制试块抗压强度对比 图5射流钢渣粒度分布 F6 Camparison of campressive strength of cement smples fom Fg 5 Pan icle size distribution of jetted steelslag steel skg and jeted steel skg 射流钢渣活性提高的原因可以结合其物相组成 由图可见，射流矿渣所制胶凝材料水化3.7和28d (图3)进行分析.普通钢渣中除了具有硅酸二钙等 抗压强度均低于原矿渣所制备胶凝材料，分别仅达 胶凝活性组分，还具有大量较低或没有活性的橄榄 到140925.27和39.87MP?其28强度低于原矿 石(CRS和蔷薇辉石(CRS)等矿相：而射流钢渣 渣(7.01MP%.这表明与转炉钢渣不同，采用高压 中不仅存在具有胶凝活性组分硅酸二钙，而且还形 水射流冷却方式，高炉矿渣的活性反而降低 成了大量具有潜在胶凝活性的玻璃体，因此整个体 射流矿渣活性降低的原因可以用矿渣分相结构 系的胶凝活性得到显著增强.钢渣射流的急速冷却 与胶凝活性的关系【0川进行解释，即具有分相结构 过程是导致原来具有较低或没有活性的CRS和 的矿渣具有最好的胶凝活性，只有在合适水淬温度 GRS等矿相来不及析晶并转变为玻璃体的主要 和冷却速度条件下才形成分相，在极大的冷却速率 原因 下将形成均匀的玻璃相，反而导致其活性降低 射流后的矿渣主要形成丝状和絮状渣棉.射流 因此，由于熔渣的组成不同，应用高压水射流冷 矿渣与原矿渣所制试块抗压强度对比如图7所示， 却方法的效果不同.与高炉矿渣相比.熔融态转炉
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 4 Al2 O3为 5%的 CaO-MgO-SiO2 系相图[ 8] Fig.4 PhasediagramoftheCaO-MgO-SiO2 system( theAl2O3 isconstantlyat5%) 图 5 射流钢渣粒度分布 Fig.5 Particlesizedistributionofjettedsteelslag 射流钢渣活性提高的原因可以结合其物相组成 (图 3)进行分析 .普通钢渣中除了具有硅酸二钙等 胶凝活性组分, 还具有大量较低或没有活性的橄榄 石 ( CRS)和蔷薇辉石 ( C3 RS2 ) 等矿相;而射流钢渣 中不仅存在具有胶凝活性组分硅酸二钙, 而且还形 成了大量具有潜在胶凝活性的玻璃体, 因此整个体 系的胶凝活性得到显著增强 .钢渣射流的急速冷却 过程是导致原来具有较低或没有活性的 CRS和 C3 RS2 等矿相来不及析晶并转变为玻璃体的主要 原因. 射流后的矿渣主要形成丝状和絮状渣棉 .射流 矿渣与原矿渣所制试块抗压强度对比如图 7所示 . 图 6 射流钢渣与原钢渣所制试块抗压强度对比 Fig.6 Comparisonofcompressivestrengthofcementsamplesfrom steelslagandjettedsteelslag 由图可见, 射流矿渣所制胶凝材料水化 3、7和 28 d 抗压强度均低于原矿渣所制备胶凝材料, 分别仅达 到 14.09、25.27和 39.87 MPa, 其 28d强度低于原矿 渣 ( 7.01 MPa) .这表明与转炉钢渣不同, 采用高压 水射流冷却方式, 高炉矿渣的活性反而降低 . 射流矿渣活性降低的原因可以用矿渣分相结构 与胶凝活性的关系 [ 10--11]进行解释, 即具有分相结构 的矿渣具有最好的胶凝活性, 只有在合适水淬温度 和冷却速度条件下才形成分相, 在极大的冷却速率 下将形成均匀的玻璃相, 反而导致其活性降低. 因此, 由于熔渣的组成不同, 应用高压水射流冷 却方法的效果不同 .与高炉矿渣相比, 熔融态转炉 · 164·
第2期 李宇等：钢铁熔渣在高压水射流条件下的粒度与胶凝活性变化规律 165 Chna Stee]2007(1片23 50 4 一■一射流矿渣 (朱桂林，孙树杉.应加快钢铁渣资源化利用.中国钢铁业， 一·一原矿渣 40 2007(1):23) 35 MotzH Geiseler J Poduices of steel skgs an apporunit o save natural resources Waste Manage 2001,21.285 [3到 Sun HH LiY Zhao YH et a]A new processon efficient utili 20 zat io ofmelted slag AdvMaterRes 2006 11/12 697 ◆ [4 Durnca D Engstronb F Amouta et a]Hot stge processing 10 ofmetallurgical skgs ResourConserv Recycl 2008 52 1121 1015202530 [5 Sichien J Slg stbilisationprocess at Arcepr Gent//Procee 养护时间d ings of thes th Euppean Slag Con ferenc Luxem loug 2007 图7射流矿渣与原矿渣所制试块抗压强度对比 6 GaiG Recentsn tus and pospect of preign powder techro kgy Fg7 Conparison of compessive stergth of oment smples fromn China Powder SiTehnol 2003 9(1):47 BF slag and etted BF slag (盖国胜.国外粉体技术近期的研究主题与展望.中国粉体技 术，20039(1上47) 钢渣更适合采用高压水射流方法，这不仅能够直接 [7 GongLW.AnLQ Study and application ofwater jet conmimL 实现钢渣的微细化过程，还能够提高钢渣胶凝活性， tion technokgy Chna Powder SciTechnol 2001 73):35 (宫力伟，安里千.高压水射流超细粉碎技术的研究与应用. 3结论 中国粉体技术，20017(3)：35) (1)采用高压水射流冷却方法能够同时实现转 I8 Geman Iron and Steel Instiute(VDEh).Shg Aths Tmnsla ted byW ang J Beijng Mealugical hdusty Press 1989 炉钢渣的微细化与胶凝活性增强.在本文试验条件 (联邦德国钢铁工程师协会.渣图集.王俭译.北京：治金工 下，射流钢渣体积平均粒度达到9434四小于传统 业出版社，1989) 水淬钢渣两个数量级：所制备胶凝材料养护28d的 [9 Maark w iczM Galeck iG Materials disintegration by h Pres 抗压强度达33.96MP?超过原钢渣制备胶凝材料 sure wa ter jet stae of the techno kgy deve bpm ent//Proceed ings 8 MPa of the3 rd Pacific Rm Intema tional Con ference an Wa ter Jet Tech (2)高压水射流冷却条件下制备的射流钢渣物 nobgy Taman 1992 149 相主要是玻璃相和结晶矿物CSQ. 10 LiY Sun HH Liu X M et al Effect of phase separation an cementitious eactivity of blast fumace skg Sci China E (3)熔融态高炉矿渣在射流条件下形成的射流 200952(2片1 矿渣具有更低的胶凝活性.与高炉矿渣相比，熔融 [1l]LiYy SunHH Zhao YH etal R esearch of mationmech 态转炉钢渣更适合采用高压水射流方法. anism on cementitious reactivity of watercooled slag Chin I PocesEng 2007 7(1)79 参考文献 (李宇，孙恒虎，赵永宏，等.水淬渣的胶凝活性及其形成机 【刂ZhuG I,Sin S Promnotion of utili4 g iran and steel sg 理.过程工程学报，2007.7(1)：9)
第 2期 李 宇等:钢铁熔渣在高压水射流条件下的粒度与胶凝活性变化规律 图 7 射流矿渣与原矿渣所制试块抗压强度对比 Fig.7 Comparisonofcompressivestrengthofcementsamplesfrom BFslagandjettedBFslag 钢渣更适合采用高压水射流方法, 这不仅能够直接 实现钢渣的微细化过程, 还能够提高钢渣胶凝活性 . 3 结论 ( 1) 采用高压水射流冷却方法能够同时实现转 炉钢渣的微细化与胶凝活性增强.在本文试验条件 下, 射流钢渣体积平均粒度达到 94.3 μm, 小于传统 水淬钢渣两个数量级 ;所制备胶凝材料养护 28 d的 抗压强度达 33.96 MPa, 超过原钢渣制备胶凝材料 8 MPa. ( 2) 高压水射流冷却条件下制备的射流钢渣物 相主要是玻璃相和结晶矿物 Ca2 SiO4 . ( 3) 熔融态高炉矿渣在射流条件下形成的射流 矿渣具有更低的胶凝活性.与高炉矿渣相比, 熔融 态转炉钢渣更适合采用高压水射流方法. 参 考 文 献 [ 1] ZhuGL, SunSS.Promotionofutilizingironandsteelslag. ChinaSteel, 2007( 1 ) :23 (朱桂林, 孙树杉.应加快钢铁渣资源化利用.中国钢铁业, 2007 ( 1) :23) [ 2] MotzH, GeiselerJ.Producesofsteelslagsanopportunitytosave naturalresources.WasteManage, 2001, 21:285 [ 3] SunHH, LiY, ZhaoYH, etal.Anewprocessonefficientutilizationofmeltedslag.AdvMaterRes, 2006, 11/12:697 [ 4] DurinckaD, EngstrombF, ArnoutaS, etal.Hotstageprocessing ofmetallurgicalslags.ResourConservRecycl, 2008, 52:1121 [ 5] SichienJ.Slag-stabilisation-processatArcelorGent// Proceedingsofthe5thEuropeanSlagConference.Luxembourg, 2007 [ 6] GaiGS.Recentstatusandprospectofforeignpowdertechnology. ChinaPowderSciTechnol, 2003, 9 ( 1) :47 (盖国胜.国外粉体技术近期的研究主题与展望.中国粉体技 术, 2003, 9( 1 ):47) [ 7] GongLW, AnLQ.Studyandapplicationofwaterjetcomminutiontechnology.ChinaPowderSciTechnol, 2001, 7( 3 ):35 (宫力伟, 安里千.高压水射流超细粉碎技术的研究与应用. 中国粉体技术, 2001, 7 ( 3) :35) [ 8] GermanIronandSteelInstitute( VDEh).SlagAtlas.Translated byWangJ.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 1989 (联邦德国钢铁工程师协会.渣图集.王俭译.北京:冶金工 业出版社, 1989) [ 9] MazurkiewiczM, GaleckiG.Materialsdisintegrationbyhighpressurewaterjet:stateofthetechnologydevelopment// Proceedings ofthe3rdPacificRimInternationalConferenceonWaterJetTechnology.Tainan, 1992:149 [ 10] LiY, SunHH, LiuXM, etal.Effectofphaseseparationon cementitiousreactivityofblastfurnaceslag.Sci.ChinaE, 2009, 52( 2 ):1 [ 11] LiYu, SunHH, ZhaoYH, etal.Researchofformationmechanism oncementitiousreactivityofwater-cooledslag.ChinJ ProcessEng, 2007, 7( 1 ):79 (李宇, 孙恒虎, 赵永宏, 等.水淬渣的胶凝活性及其形成机 理.过程工程学报, 2007, 7 ( 1) :79 ) · 165·
