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摘要
钢渣是炼钢过程产生的副产品,其排放量约为钢产量的15%,钢渣的循环利用是钢铁企业亟需解决的关键问题之一。利用其成分特点,已有少量钢渣应用于冶金、工程回填、筑路、污水处理和制备微晶玻璃等领域。除以上应用外,将钢渣掺入水泥中制备钢渣水泥是一种有效且高效的制备方式,然而钢渣中难以分离的FeO相限制了其在建材领域的应用。通过氧化改质的方式可以使钢渣中FeO向强磁性Fe3O4发生转变,后者可进行磁选分离,且改质过程中无温室气体排放。针对CaO-SiO2-FeO体系钢渣的氧化改质工艺已有前人进行了相关研究,然而对更接近于实际钢渣成分的CaO-SiO2-FeO-MgO体系的研究较少。此外,钢渣氧化改质过程中的镁铁尖晶石的形核、长大机理仍需要进一步探索研究。本工作参照某钢厂转炉钢渣的实际成分,通过氧化气氛(合成空气)下煅烧的方式对钢渣进行固相改质。借助X射线衍射(XRD)仪、背散射扫描电镜(BEI-SEM)和X射线能谱仪(EDS)对CaO-SiO2-FeO-MgO体系合成钢渣的矿物相产物进行了分析,并结合热力学计算软件(FactSage)对主要产物相生成的热力学趋势进行了研究。此外,利用综合热分析仪(TG-DSC)对镁铁尖晶石群形成的动力学机理进行了推演,并建立了对应的动力学模型。研究结果表明,随固相改质温度由1 000℃上升至1 150℃,镁铁尖晶石产量呈现先增加后减少的趋势,且在改质温度为1 100℃时达到极大值;镁铁尖晶石相在(311)晶面对应的衍射角度随改质温度变化发生如下变化:2θ=35.44°(1 000℃)→2θ=35.49°(1 050℃)→2θ=35.49°(1 100℃)→2θ=35.43°(1 150℃);当氧化温度由1 000℃升高到1 150℃,氧化600 s后体系中质量由351.273×10-3mg增加至499.077×10-3mg,氧化1 800 s后体系中质量由364.390×10-3mg增加至535.341×10-3mg;参照动力学机理可以将CaO-SiO2-FeOMgO四元钢渣体系的固相改质过程分为三个阶段,即孕育阶段、化学反应阶段和扩散阶段。由理论计算所得动力学模型与TG实验结果的热重变化趋势较为一致,借助动力学模型能够较准确地描述钢渣固相改质过程中镁铁尖晶石的形核和长大过程。
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