鋼渣成分對鋼渣粉活性的影響

朱桂林 孫樹杉

1 前言

鋼渣是煉鋼生產的副產品，每煉一噸鋼約產生0.12噸鋼渣。2008年我國鋼渣產生量約為6500萬噸，利用率約為10%，和“十一五”規劃要求冶煉渣的利用率達到86%以上的目標相差甚遠。因此，鋼渣的資源化利用是鋼鐵行業十分艱巨的任務。

中冶建筑研究總院有限公司從1971年開始全面研發鋼渣的成分與膠凝性能的關系，鋼渣的利用和處理工藝。研發成功鋼渣水泥系列產品、鋼渣粉技術、生產工藝及產品應用技術，并在生產實踐中應用取得良好的效果。

隨著現代煉鋼技術的進步，爐外精煉被大多數鋼廠采用，因此鋼渣種類增多，性能差異很大，用于生產鋼渣粉時其產品質量影響很大。探討鋼渣的性能與鋼渣粉活性的關系是保證鋼渣粉質量的基礎，根據鋼渣的不同成份和性能在生產中采取相應的技術措施來使鋼渣粉達到國際標準的技術要求，并生產出優質產品。

2 鋼渣的化學成分

煉鋼過程是將主原料（鐵水、廢鋼），輔助原料（石灰、礦石、白云石、螢石）和鐵合金等在高溫下熔化成兩個互不熔解的液相，對鋼液進行脫磷、脫硫、脫碳、去除有害氣體和雜質，使其達到鋼種規格的要求。鋼和雜質由于密度不同而分離。這里所說的雜質即為鋼渣。它濃聚了氧化物所生成的各種礦物。

鋼渣的化學成分見表1。鋼渣的堿度與活性關系見表2。

②膠砂配合比：鋼渣粉：35%；礦渣粉40%；硅酸鹽水泥熟料粉20%；石膏粉5%。

③渣粉的比表面積為420m2/kg。

3 鋼渣的礦物組成

在冶煉過程的初期，部分鐵水被氧化后生成FeO和Fe2O3，鐵水和爐料中的硅被氧化生成SiO2，此時在鋼渣中以SiO2、FeO+Fe2O3和CaO三元素成分為主。由于石灰的加入，堿度逐漸提高，依次發生下列反應：

表1 鋼渣的化學成分 %

表2 鋼渣的堿度與活性的關系

式中RO代表二價金屬（一般為Mg2＋、Fe2＋、Mn2＋）氧化物的連續固熔體。

鋼渣的活性和鋼渣的化學成分有關，但更重要的是化學成分中的氧化物在高溫熔融條件下，生產礦物的種類和數量，活性礦物含量的多少決定了鋼渣的活性。具有水硬活性的硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）和鐵酸鈣（C2F）含量越多，則鋼渣的活性越高。

在鋼渣中FeO一部分進入RO相，一部分鐵橄欖石CaO·FeO·SiO2兩者是無活性的礦物。

Fe2O3在一定條件下和CaO生產2CaO·Fe2O3，鐵酸二鈣是活性礦物。

4 轉爐鋼渣礦物組成特征分析

4.1 掃描電子顯微鏡分析（見圖1-圖5）

圖1 轉爐鋼渣掃描電鏡圖（1000×）

圖2 轉爐鋼渣掃描電鏡圖（10000×）

圖3 轉爐鋼渣掃描電鏡圖（1000×）

圖4 轉爐鋼渣掃描電鏡圖（1000×）

圖5 轉爐鋼渣掃描電鏡圖（1000×）

掃描電鏡圖中礦相分析見表3。

4.2 能譜分析

通過能譜分析確認礦相，見表4。

4.3 轉爐鋼渣X-射線衍射分析

鋼渣X-射線衍射分析圖，見圖6、7，鋼渣特征峰X-衍射d值見表5、6。

4.4 鋼渣中的f-CaO和MgO

鋼渣中的總的CaO量如果能滿足酸性氧化物（SiO2、Al2O3、Fe2O3、P2O5）化合的需要，則MgO、FeO就會成為游離狀態結晶析出，會水化體積膨脹。在煉鋼過程所加入的輔助原料CaO的數量不多，則Mg2＋、Fe2＋進入RO相，不會呈現游離態。

表3 掃描電鏡礦相分析

表4 電鏡礦相能譜分析

圖6 轉爐渣X-射線衍射分析圖

圖7 鋼渣礦物X-射線衍射分析圖

表5 轉爐鋼渣礦物X-衍射d值

表6 鋼渣礦物X-射線衍射d值

鋼渣中的MgO主要生成橄欖石和薔薇輝石是穩定的礦物，不會造成安定性不良。另一部分MgO則以固熔態RO相存在。國內外學者已對RO相做過大量的研究，Ca2+不足的前提下，Mg2＋、Fe2＋、Mn2+離子半徑比較接近，差異小于15%，可形成連續固熔體，以RO相表示，R代表二價金屬。

MnO、FeO形成的固熔體的RO相水化比較穩定，高溫高壓下也不能水化，不會引起安定性不良。因此，討論鋼渣中的穩定性是指在快速煉鋼所造成的游離態的CaO和MgO。

MgO是濺渣護爐采用鎂質輔助原料所生成的，一般熔融態下和酸性耐火磚進行反應，偶爾會有極少量未被熔化MgO在鋼渣中或鎂質耐火磚脫落隨渣排出，這些可以通過在加工過程人工撿出。在正常情況下主要是CaO造成鋼渣穩定性不良。

鋼渣中f-CaO的來源：

（1）由于煉鋼出渣時間縮短，投入的石灰過量，使石灰被已經飽和的鋼渣所包裹。這些石灰石是原狀石灰，在與鋼渣接觸面生成死燒石灰，一般固熔有氧化鐵（FeO）。它是屬于活性極差的結構致密石灰。水化速度十分緩慢。

（2）石灰的溶解度已經飽和，石灰顆粒已不能與酸性氧化物結合成礦物。一般呈細小顆粒分散在鋼渣內部，常固熔一部分氧化鐵（FeO）。細小的CaO固熔了氧化鐵（FeO）后具有很強的不穩定性。然而結構致密，水化很慢。

（3）f-CaO固熔有Fe和Mn的固熔體（CaO·Fe·MnO），在掃描電鏡下呈圓形顆粒，這種固熔體在一定的溫度和空氣較大濕度下是可以水化的，會造成鋼渣不穩定性。

（4）鋼渣中C3S在一定的高溫下分解，C3S → C2S+ CaO產生的f-CaO。這部分f-CaO在濕度的情況下生產Ca(OH)2，體積膨脹也會造成鋼渣的不穩定。

以上可知，鋼渣中f-CaO以不同形態或礦相在鋼渣中，但均可造成鋼渣的不穩定。而這種f-CaO結晶致密，水化膨脹很慢，在一定的溫度和濕度下才可水化，消除其體積不穩定性。

5 鋼渣堿度與鋼渣粉活性的關系

鋼渣堿度與鋼渣粉活性關系的試驗，其結果見表7。

②鋼渣比表面積為400m2/kg

③水泥強度等級：42.5硅酸鹽水泥

④試驗樣品：水泥和鋼渣粉質量比7:3從表7可知：隨著鋼渣堿度的減小，鋼渣粉7天和28天活性指數相應降低。

6 鋼渣的堿度與鋼鐵渣復合粉活性的關系

進行了鋼渣的堿度與鋼鐵渣復合粉活性關系的試驗，其結果見表8。

②復合粉的鋼渣粉和高爐礦渣粉的質量比為3:7

表7 鋼渣堿度與鋼渣粉活性的關系

表8 鋼渣的堿度與鋼鐵渣復合粉活性的關系

③復合粉的比表面積為420m2/kg

從表8可知：

（1）鋼鐵渣復合粉隨著鋼渣堿度的提高其活性指數相應提高。

（2）當鋼渣的堿度在2.68時，鋼鐵渣復合粉的活性指數可以達到《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T 18046-2008中S95的等級。鋼渣的活性指數在2.02以下時，其鋼鐵渣復合粉的活性指數可達上述標準的S75等級。

7 鋼渣粉水化機理及強度來源

通過分析可知，鋼渣粉的主要礦物成分為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鐵酸二鈣（C2F）、薔薇輝石（C3MS2）、RO相（Mg2＋、Fe2＋、Mn2＋的固熔體）鐵橄欖石（CFS）、鐵尖晶石（FeO·Al2O3）、納蓋斯密特石（C7PS2）、f-CaO、f-MgO。

具有活性能起水化反應產生強度的礦物為C3S、C2S、C2F。其中f-CaO、f-MgO水化生產Ca(OH)2、Mg(OH)2體積膨脹，使強度降低，還會造成制品開裂破壞。而其他礦物均為穩定性礦物，不起水化硬化反應。

鋼渣粉的水化反應式為：

水化早期在未水化顆粒間有少量膠體稱塑性水化凝膠。將未水化的顆粒連在一起，這時候結構強度較低，繼續水化不斷釋放出Ca(OH)2，硅酸鹽水化凝膠轉化為水化硅酸鈣凝膠（C-S-H），并以這種形態被固化，提高了強度。

如果液相堿度低，大部分為塑性的水化硅酸鹽凝膠，強度會很低。

為了減少塑性硅酸鹽水化凝膠的釋放，除提高液相堿度外，摻入適量的鋁酸鹽化合物，而達到通過水化鋁酸鹽的固化而阻止塑性硅酸鹽水化凝膠的形成，可提高鋼渣粉的強度。

8 結論

（1）鋼渣是煉鋼生產的副產品，但是一種寶貴的資源。鋼渣的成份含有和水泥相似的活性礦物主要為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）。被稱為過燒硅酸鹽水泥熟料。不同點在于鋼渣的生成溫度為1650℃左右，而硅酸鹽水泥熟料則在1460℃左右溫度下燒成。因此鋼渣中C3S、C2S礦物結晶致密，晶體粗大完整，水化速度緩慢。

（2）鋼渣粉的活性主要來源于鋼渣中所含C3S和C2S的數量，含量越多則鋼渣粉的強度越高。

（3）鋼渣的堿度越大，則鋼渣粉的活性越高。

（4）鋼渣的水化機理和硅酸鹽水泥熟料水化過程基本相似。強度來源于硅酸鹽礦物的水化硅酸鈣硬化過程而產生強度。

（5）為提高鋼渣粉的強度，應提高渣粉的堿度。鋁酸鹽成份的加入可促進塑性水化凝膠轉化為水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）的固化。

（6）鋼渣中均含有f-CaO，并以不同結構形態存在。大部分結構致密，水化速度很快，在一定的溫度和濕度下才會水化體積膨脹，消除其不穩定性。