苗希望等：典型铁合金渣的资源化综合利用研究现状与发展趋势 671· 低成本和低能耗的优势 定性的判定缺乏相应的研究.但由于其对不同铁 3.2.3微晶玻璃 合金渣以及原料成分波动范围接受程度大，而且 微晶玻璃是将一定组成的基础玻璃，在特定 机械性能优异、用途广泛等优点，用铁合金渣生产 的加热条件下通过控制晶化过程获得的具有非晶 微晶玻璃仍是将来值得进一步推广的技术 相和晶态物质组成的多晶固体材料.铁合金渣中 32.4人造轻骨料 主要存在CaO、SiO2、Mg0和Al2O3,因此不同铁 随着高性能混凝土和建筑节能的快速发展， 合金渣可以制造不同体系的微晶玻璃.此外，渣 普通轻骨料吸水率较大，在使用时候必须进行预 中MnO,Fe2O3以及高熔点物质，对异相形核创造 湿，这样不仅工艺上较为复杂，对混凝土的后期耐 条件，对微晶玻璃的制备起到积极作用.微品玻璃 久性也造成不利影响，因此.重量轻、强度高和吸 由于具有玻璃和陶瓷的双重性能，被广泛应用于 水率低的集料受到越来越多的关注和探索 建筑、航空、国防等领域 Zhang等60以质量分数60%的高碳铬铁渣和 Bai等s以高碳铬铁渣和废玻璃为原料制备 40%黏土为原料，结合额外3%的碳酸钙为膨胀 了CaO-AlO3-SiO2-Mg0-Na2O系微晶玻璃，并 剂，制备了混凝土用轻骨料.从孔隙结构和物相方 结合结晶动力学分析确定了最佳的热处理工艺 面分析了冷却速度对轻骨料强度性能的影响.当 随着铬铁渣和废玻璃的比例增加，微品玻璃的成 烧制温度达到1200℃时，骨料可以充分膨胀，其 核温度和结晶温度都有所下降，且均低于普通的 抗压强度可以达到3.77MPa.当骨料迅速冷却时， 冶金渣.实验确定最优的热处理条件是：铬铁渣和 孔隙大小差异大且分布不均匀；玻璃相含量高，耐 废玻璃的质量比为1.29，结晶升温速率为5℃min; 热冲击性差的镁橄榄石会增加样品的热应力，从 成核温度和结品温度分别为627.1和820.9℃. 而导致微裂纹的产生并降低其强度.当骨料缓慢 Ljatifi等s)用电炉镍铁渣等原料制备了微晶玻璃， 冷却时，孔隙大小分布均匀，由孔和基材形成的连 并通过动力学分析确定在650℃形核45~60min, 接框架结构利于提高强度：镁铝尖晶石更加完整 750℃结晶30~45min条件下，可形成结晶度为 的品体结构和品体尺寸提高了骨料的强度 50%的单相辉石微晶玻璃. 刘辉等6以高碳铬铁渣为主要原料，结合适量 Zhou等[5%利用富含铁的镍渣制备了CaO- 的黏土以及发泡剂碳酸钙制备了轻质多孔骨料.实 Al2O,-SiO2-MgO-FezO3体系主晶相为辉石的微晶 验发现，当骨料焙烧时，黏土在1000℃温度以上 玻璃.研究发现当在渣中添加一定量的KNO,时， 开始出现液相，分解产生SiO2和FeO3,并和铬铁 能够促进Fe2*向Fe3的氧化.由于FeO3能作为形 渣中的镁橄榄石和尖晶石相形成固溶体，从而降 核剂促进结品速度，有利于晶粒的增长，增加晶态 低了骨料的烧胀温度；当铬铁渣的掺入质量分数为 物质含量，提高微晶的性能；当KNO3添加量为 60%,经过600℃预热，然后在1210℃焙烧10min, 2.34g时.结晶活化能从283.70增至345.45 kJmol, 并随炉冷却至800℃后可以制得600级高强铬铁 Avrami值从2.4降至2.35 渣基多孔轻质骨料，其各项性能指标满足GBT 陈坤等5刃以硅锰水淬渣为原料，通过添加石 17431.1一2010《轻集料及其试验方法》中要求. 英砂对其组分进行调整，制备了不同组分的CaO- 目前，我国对以陶粒为主的用于保温和填充 Al2O3-SiO2Mg0体系的微晶玻璃.实验结果发 的轻集料研究相对较多，应用范围也最广；但是附 现：随着石英砂添加量的增加，基础玻璃的熔融温 加值较高的用于结构工程用的轻集料相对滞后， 度和微晶玻璃的晶化温度都有所增加.当石英砂 造成行业整体利润低、效益差的局面.铁合金渣 为10%时，微晶玻璃的晶化程度最大，在900℃经 用于混凝土轻骨料主要集中在高碳铬铁渣，相关 过3h的晶化处理后可以析出大量片状的透辉石 研究处于刚起步阶段，缺乏理论和技术支持 相和钙长石相 3.2.5耐火材料 目前微晶玻璃的生产主要是通过高温熔融烧 对于MgO含量较高的铁合金渣，可以通过适 结方法，通过体系确定和成分调整，对于不同的铁 当的组分调整，制备具有镁橄榄石和尖晶石相的 合金渣用于微晶玻璃的制备都具有可行性的但是 耐火材料，其强度大、耐火度高、以及抗腐蚀性强 此工艺能耗较高，如何降低熔制温度，降低能耗是 的性能，可以广泛应用在钢铁、水泥等行业 亟需解决的问题，李字等s1和Wang等s网对此问 Sahu等I62以水淬粒状高碳铬铁渣和烧结菱镁 题进行了初步探索.此外，对于微晶玻璃的长期安 矿在1500℃烧结温度下制备了耐火材料.由于水低成本和低能耗的优势. 3.2.3    微晶玻璃 微晶玻璃是将一定组成的基础玻璃，在特定 的加热条件下通过控制晶化过程获得的具有非晶 相和晶态物质组成的多晶固体材料. 铁合金渣中 主要存在 CaO、SiO2、MgO 和 Al2O3，因此不同铁 合金渣可以制造不同体系的微晶玻璃. 此外，渣 中 MnO，Fe2O3 以及高熔点物质，对异相形核创造 条件，对微晶玻璃的制备起到积极作用. 微晶玻璃 由于具有玻璃和陶瓷的双重性能，被广泛应用于 建筑、航空、国防等领域. Bai 等[54] 以高碳铬铁渣和废玻璃为原料制备 了 CaO‒Al2O3‒SiO2‒MgO‒Na2O 系微晶玻璃，并 结合结晶动力学分析确定了最佳的热处理工艺. 随着铬铁渣和废玻璃的比例增加，微晶玻璃的成 核温度和结晶温度都有所下降，且均低于普通的 冶金渣. 实验确定最优的热处理条件是：铬铁渣和 废玻璃的质量比为 1.29，结晶升温速率为 5 ℃·min−1 ； 成核温度和结晶温度分别 为 627.1 和 820.9 ℃. Ljatifi 等[55] 用电炉镍铁渣等原料制备了微晶玻璃， 并通过动力学分析确定在 650 ℃ 形核 45～60 min， 750 ℃ 结晶 30～45 min 条件下，可形成结晶度为 50% 的单相辉石微晶玻璃. Zhou 等[56] 利用富含铁的镍渣制备了 CaO ‒ Al2O3‒SiO2‒MgO‒Fe2O3 体系主晶相为辉石的微晶 玻璃. 研究发现当在渣中添加一定量的 KNO3 时， 能够促进 Fe2+向 Fe3+的氧化. 由于 Fe2O3 能作为形 核剂促进结晶速度，有利于晶粒的增长，增加晶态 物质含量，提高微晶的性能；当 KNO3 添加量为 2.34 g 时，结晶活化能从 283.70 增至 345.45 kJ·mol−1 ， Avrami 值从 2.4 降至 2.35. 陈坤等[57] 以硅锰水淬渣为原料，通过添加石 英砂对其组分进行调整，制备了不同组分的 CaO‒ Al2O3‒SiO2‒MgO 体系的微晶玻璃. 实验结果发 现：随着石英砂添加量的增加，基础玻璃的熔融温 度和微晶玻璃的晶化温度都有所增加. 当石英砂 为 10% 时，微晶玻璃的晶化程度最大，在 900 ℃ 经 过 3 h 的晶化处理后可以析出大量片状的透辉石 相和钙长石相. 目前微晶玻璃的生产主要是通过高温熔融烧 结方法，通过体系确定和成分调整，对于不同的铁 合金渣用于微晶玻璃的制备都具有可行性的但是 此工艺能耗较高，如何降低熔制温度，降低能耗是 亟需解决的问题，李宇等[58] 和 Wang 等[59] 对此问 题进行了初步探索. 此外，对于微晶玻璃的长期安 定性的判定缺乏相应的研究. 但由于其对不同铁 合金渣以及原料成分波动范围接受程度大，而且 机械性能优异、用途广泛等优点，用铁合金渣生产 微晶玻璃仍是将来值得进一步推广的技术. 3.2.4    人造轻骨料 随着高性能混凝土和建筑节能的快速发展， 普通轻骨料吸水率较大，在使用时候必须进行预 湿，这样不仅工艺上较为复杂，对混凝土的后期耐 久性也造成不利影响，因此，重量轻、强度高和吸 水率低的集料受到越来越多的关注和探索. Zhang 等[60] 以质量分数 60% 的高碳铬铁渣和 40% 黏土为原料，结合额外 3% 的碳酸钙为膨胀 剂，制备了混凝土用轻骨料. 从孔隙结构和物相方 面分析了冷却速度对轻骨料强度性能的影响. 当 烧制温度达到 1200 ℃ 时，骨料可以充分膨胀，其 抗压强度可以达到 3.77 MPa. 当骨料迅速冷却时， 孔隙大小差异大且分布不均匀；玻璃相含量高，耐 热冲击性差的镁橄榄石会增加样品的热应力，从 而导致微裂纹的产生并降低其强度. 当骨料缓慢 冷却时，孔隙大小分布均匀，由孔和基材形成的连 接框架结构利于提高强度；镁铝尖晶石更加完整 的晶体结构和晶体尺寸提高了骨料的强度. 刘辉等[61] 以高碳铬铁渣为主要原料，结合适量 的黏土以及发泡剂碳酸钙制备了轻质多孔骨料. 实 验发现，当骨料焙烧时，黏土在 1000 ℃ 温度以上 开始出现液相，分解产生 SiO2 和 Fe2O3，并和铬铁 渣中的镁橄榄石和尖晶石相形成固溶体，从而降 低了骨料的烧胀温度；当铬铁渣的掺入质量分数为 60%，经过 600 ℃ 预热，然后在 1210 ℃ 焙烧 10 min， 并随炉冷却至 800 ℃ 后可以制得 600 级高强铬铁 渣基多孔轻质骨料，其各项性能指标满足 GB/T 17431.1―2010《轻集料及其试验方法》中要求. 目前，我国对以陶粒为主的用于保温和填充 的轻集料研究相对较多，应用范围也最广；但是附 加值较高的用于结构工程用的轻集料相对滞后， 造成行业整体利润低、效益差的局面. 铁合金渣 用于混凝土轻骨料主要集中在高碳铬铁渣，相关 研究处于刚起步阶段，缺乏理论和技术支持. 3.2.5    耐火材料 对于 MgO 含量较高的铁合金渣，可以通过适 当的组分调整，制备具有镁橄榄石和尖晶石相的 耐火材料，其强度大、耐火度高、以及抗腐蚀性强 的性能，可以广泛应用在钢铁、水泥等行业. Sahu 等[62] 以水淬粒状高碳铬铁渣和烧结菱镁 矿在 1500 ℃ 烧结温度下制备了耐火材料. 由于水 苗希望等： 典型铁合金渣的资源化综合利用研究现状与发展趋势 · 671 ·