電子束輻照對鋼渣易磨性的影響
2009-04-12 00:00:00甄云璞宗燕兵陳廣言丁陳來
船海工程 2009年3期
摘要：針對鋼渣利用中易磨性差難以細磨的問題，利用電子束對不同礦物聚集體顆粒的選擇性解離的特點，對鋼渣進行電子束輻照，發生電擊穿，產生細微裂隙體系，使礦物結合強度降低和提高后續磨礦的效率，強化了顆粒之間的選擇性解離促進鋼渣粉磨。
關鍵詞：鋼渣；易磨性；綜合利用；電子束；磁選
中圖分類號：TQ172.4；X757文獻標志碼：A文章編號：1671－7953(2009)03－0115－04
隨著近幾年來中國鋼鐵產量的迅速增加，鋼渣產量也在迅速增加，然而利用途徑和手段卻變化不大，造成鋼渣的綜合利用率徘徊不前，目前我國鋼渣利用率不足20％，急需從根本上解決鋼渣的大宗量利用的技術問題。國內鋼渣能較大規模利用的領域主要是鋼渣水泥生產，鋼渣的成分波動大，易磨性差，增加了水泥生產成本，限制了鋼渣水泥的大規模發展。因此，我國乃至全世界同行對鋼渣的利用，僅僅停留在粗磨和中磨的粗放式生產和經營階段。
鋼渣微粉開發利用研究是近年來國內外興起的熱門課題，其開發利用前景廣闊。據論證，使用細磨鋼渣粉，可替代10％ ～45％ 的 425 和 525 水泥，配成C20-60高強度混凝土。每使用1噸細磨鋼渣粉，可為用戶降低成本100元，并提高混凝土強度10％左右。細磨鋼渣粉活性指數遠高于國家的有關指標，成為水泥和混凝土的高活性摻合料，目前許多冶金企業正籌劃建鋼渣粉主產廠，但鋼渣難磨，對鋼渣微粉生產以及在鋼渣水泥生產中卻是一個致命的缺陷，會降低水泥磨的生產能力，增加能耗，且對設備磨損嚴重，最終導致工廠入不敷出。因此解決鋼渣粉磨難的問題勢在必行。
1電子束輻照的主要特性
1.1電子束輻射熱效應
在輻射加工中被輻照物體接受的能量絕大部分最終都要轉化為熱量。在高劑量下，輻照可使物體明顯升溫。當用加速電子轟擊礦物表面時，能量在體積為V = S·λm 的束流吸收區釋放(S為束流截面，λm是電子穿透深度)，加速電子與礦物晶體的碰撞，在輻照礦物內產生動能積累，然后轉變成熱能，引起晶格的振蕩，從而引起輻射點溫度升高至能使礦物產生熱分解的溫度。在一定條件下會使礦物產生相變。
1.2電子束輻照礦物的荷電效應
電子束與物質相互作用的主要機理之一是原子的電離，此時，沿初始粒子和次級電子軌跡形成被電離的粒子的聚集。同時，由于被輻照介質中，正、負電荷分布的不均勻性會在介質中產生內電場，這種內電場能降低介質的機械強度，介質中電荷的積累有時會引起介質的內擊穿。
1.3電子束輻照強化不同礦物的選擇性解離
電子束輻射可強化不同礦物聚集體顆粒的選擇性解離。研究表明，由于不同礦物具有不同的介電常數和導電性，電子束輻射后電荷在不同礦物顆粒的結合界面產生積累，由于不同礦物具有不同的耐電性，發生電擊穿，擊穿以后，電荷又開始積累，直至下一次擊穿。這樣，在礦物顆粒的結合界面由于電擊穿產生細微裂隙體系，并在每次擊穿后，裂隙發展，其結果一方面導致礦物聚集體強度的降低，另一方面強化了顆粒之間的選擇性解離，這一點對于礦物的磨礦過程能耗的降低和選擇性解離至關重要，同時又可以提高后續分選作業的效果。
2電子束輻照鋼渣的試驗研究
用電子束輻照礦石時，沿加速電子徑跡，礦物晶粒的節理邊界形成缺陷集中和空穴的偏析以至形成裂隙。這將使礦物結核強度降低和提高后續磨礦的效率。
G. R. Bochkarev，等對米哈伊洛夫斯基鐵礦石的研究表明，在磨礦時間相同時，磨礦前用加速電子輻照可使細粒含量顯著增加(﹣0.032mm粒級含量由未輻照時的57.87％提高到91.08％)；在磨礦細度相同時，磨礦時間可減少一半以上(由45分鐘減至20分鐘)，同時礦物解離度顯著提高。研究表明小劑量(小于8 kGy)電子束輻照預處理就可以強化磨礦過程，并引起后續作業 (如浮選)能耗和藥劑用量的降低和工藝參數的改善。
電子束輻照處理可強化弱磁性礦物的磁選效果。G.R.Bochkarev等研究電子束輻射時鐵礦石干法磁分選的影響，結果表明，輻照后可使精礦中鐵的回收率達到99％，γ共振譜分析表明，電子束輻照后產生了Fe3O4相甚至鐵相，從而使鐵礦物的磁性增強。對于弱磁性含鐵礦石，也具有同樣的強化效應。
對于鋼渣，由于鋼渣中鐵和錳的含量高，磁選不充分，礦物組成以高硬度硅酸二鈣和薔薇輝石為主，所以鋼渣不僅硬度高且韌性大，這些均是造成造成鋼渣易磨性差的重要原因。因為鋼渣主要是以CaO、SiO2和鐵的氧化物為主的復雜礦物組成，如表1所示，與礦石具有相似之處。因此可以嘗試將電子束用于輔助磨渣，在鋼渣礦物晶粒的節理邊界形成缺陷集中和空穴的偏析最終形成裂隙，降低礦物結核強度，從而來提高后續磨礦的效率。同時如果其中的弱磁性礦物Fe2O3能轉變成Fe3O4相或者鐵相，磁性增強則將大大提高鋼渣中鐵的回收率，3在創造更大的經濟價值的同時，鋼渣中的鐵的去除還能更好的改善鋼渣的易磨性。
輻照過程示意圖如圖1所示，鋼渣樣品使用馬鞍山鋼鐵股份有限公司的成品風淬鋼渣(平均粒度小于3mm)。鋼渣主要成分如表1所示。電子束發生設備采用北京師范大學的BF5電子直線加速器見圖2。
將取自馬鋼的風淬鋼渣樣品分成7份，每份500g。取其中6份均勻地平鋪在BF5電子直線加速器的載物平臺上，單位輻照量(100Gy/s)，輻照要求及條件見表2。經過不同時間的照射后收集樣品，裝袋標簽，以待檢測。輻照后試樣分別在同等條件下球磨，球磨機選用為南京大學儀器廠QM-1SP2行星式球磨機。裝球量50個，其中d=10mm鋼球30個，d=20mm鋼球20個千克，設定轉速120轉/分鐘，設定時間半小時，單一方
向旋轉。粉磨后球磨結果如圖3。
從圖3中的各圖中可以看出，隨著電子束輻照鋼渣的時間(輻照劑量)的增加，細顆粒鋼渣所占比例越來越多，粗顆粒逐漸較少，這表明用加速電子輻照可使細粒含量顯著增加，成分說明電子束輻照后鋼渣顆粒比輻照前易磨許多，能顯著提高粉磨效率。
以75μm曬下量做對比，如圖4所示，從圖4可明顯看出，隨著輻照時間增長，細顆粒比例逐漸增大，所占從無輻照的60％遞增到輻照100min的80％，其中輻照在50s時效果已經很明顯，<75μm顆粒從60％激增到70％左右，而后隨著輻照時間的增加，細顆粒比例繼續增加但幅度有所減緩。從圖5中看出，小余75μm細顆粒隨輻照
時間的增加逐漸遞增，但遞增幅度明顯有所減緩，這說明隨著電子束輻照時間(輻照劑量)的增加，鋼渣易磨性提高，但提高程度逐漸減弱，電子束輻照劑量和鋼渣易磨性提高之間有一個閾值，也非越大越好。
3磁選結果
將試樣溶解入燒杯中，在濕式磁選管中將磁場強度調至1100奧斯特，將試樣懸浮液倒入磁選管中，待磁選管中精礦渣穩定后，放水，將尾礦渣排出，關閉電流，利用水流將精礦渣沖出磁選管。稱量濾紙重量，做好標記并編號，在真空過濾機上鋪好濾紙，將所得精礦渣放在XTLZ真空過濾機上抽水過濾。把盛有試樣的濾紙分組放入烘箱內烘干，稱量，結果如圖6示。圖6表明，經電子束輻照后鋼渣磁選效率提高，但大幅提高需要較大的輻照劑量。
4結果分析
電子束輻照鋼渣后，鋼渣細顆粒比例增加易磨性極大提高。鋼渣中含有復雜的礦物成分，導電性能各異，是具有不同導電性能的礦物的聚集體。導電性能高的礦物與導電性能差的礦物其充電過程是不同的。對于導電性能高的礦物，充電過程優于放電過程，電荷不進一步積累。在高阻抗電介質中，荷電過程則不同，在電介質中，電荷的積累速率取決于電荷流入與輻射誘發的導電性之間的平衡。此時，積累的電荷所產生的電場(103～104V/cm)可達到擊穿的水平。礦物導電性越差，輻射誘發的電導性的作用就越大。并且，隨著電荷積累的增加，達到平衡狀態的時間亦增加。荷電過程具有脈動特性，此時由于電擊穿在礦物中產生細微裂隙體系，并在每次脈沖放電后，裂隙擴展，導致礦物機械強度的降低。由于礦物顆粒組成的非均勻性，電擊穿建立的裂隙體系主要產生在顆粒的相界面，這有助于礦物的選擇性解離和破碎效率的提高。同時電子束輻照處理強化弱磁性礦物的磁選效果。輻照后促使鋼渣中的Fe2O3向Fe3O4相甚至鐵相轉變，從而使鐵礦物的磁性增強。
總之顆粒材料破裂過程實質上是外力作用下力學缺陷和損傷形成和演化的過程。電子束強化顆粒的磨碎過程是因為：電子束輻射在顆粒體內部形成的大能量釋放和電擊穿，電子束輻照礦石時，沿加速電子徑跡，礦物晶粒的節理邊界形成缺陷集中和空穴的偏析，以至在顆粒體內造成微觀缺陷及顯微裂隙，從而降低礦物結核強度和提高后續磨礦的效率。
5結論
從試驗結果得出，經電子束照射后的鋼渣粉磨細顆粒含量增加，易磨性得到了很好的改善，磁選率得到提高，從而提高后續磨礦的效率。究其原因，電子束輻照可在無機固體材料中產生缺陷和輻射損傷，輻射缺陷和輻射損傷的形成必將對材料的力學特性產生影響，同時強化弱磁性礦物磁性?？傊瑢τ阡撛m然將電子束用于生產實際還有很大的距離，如大功率發生器的試制以及成本核算等都需要大量工作要做，但電子束作為一種無污染的清潔外場技術，對于改善鋼渣的使用性能具有良好的效果，是一種可以嘗試和期盼的理想改性手段。
參考文獻
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