爐前添加校正料對不銹鋼渣膠凝活性的改善

蔡基偉，劉新陽*，孫玉，張文，尚廣浩

（1. 河南大學循環與功能建材實驗室，河南 開封 475004；2. 河北智琢新型建材有限公司，河北 邯鄲056200；3. 河南金匯不銹鋼產業集團有限公司，河南 長葛 461507）

0 引言

鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢棄物，其產生量為粗鋼產量的 10%～15%。2017 年，全國冶金渣產生量為 3.94 億噸，其中鋼渣產生量為 1.08 億噸，同比增長300 萬噸，但綜合利用率卻很低，轉爐鋼渣的利用率僅為 10%～20%。而在發達國家，鋼渣的利用率已經超過了 95%[1]，而且大都將鋼渣用于土木工程和道路工程。此外，日本還將鋼渣作為營養貧瘠化海域的基質材料和肥料，制造海藻場，改善海底質量[2]。

鋼渣主要化學成分為 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO 和少量 f-CaO、MnO、FeO、P2O5及金屬 Fe 組成，成分與水泥相似[3]，是一種富有潛在利用價值的資源。但是鋼渣活性低、雜質含量高，導致其利用率很低。

目前，鋼渣活性激發方式分為機械激發、化學激發和熱力激發三種。機械激發一般是通過磨細的方式，增大鋼渣的比表面積，加速水化，提高鋼渣的活性。用粒徑大于 61μm 的粗鋼渣磨細和原樣鋼渣對比，早期和后期水化活性都有所增長，但激發效果不明顯[4]。化學激發主要是通過在鋼渣加入激發劑，在激發劑形成的堿性環境中與溶液中的 OH-、Ca2+和 Na+相互反應，使玻璃體瓦解[5]。試驗表明，堿激發劑能夠有效提高摻鋼渣水泥的強度[6,7]。熱力激發通過提高鋼渣的水化溫度，使Si-O 鍵和 Al-O 鍵更易斷裂，促進鋼渣玻璃體的瓦解，激發鋼渣活性。經 100℃ 蒸壓處理的鋼渣—粉煤灰—石膏體系，預處理料摻量為 35% 和 40% 時，強度仍可達到 42.5 級水泥標準[8]。

硅酸三鈣（C3S）是硅酸鹽水泥熟料的主要礦物。C3S 在低于 1250℃ 會分解為硅酸二鈣（C2S），C2S 有多種晶型，主要為 α-C2S、β-C2S 和 γ-C2S 等。α-C2S 在630～680℃ 轉變為 β 型，溫度降至 500℃ 以下，β-C2S轉變為 γ-C2S。β-C2S 在常溫下是介穩的高溫型礦物，具有較高的活性[9]。所以通過在高溫下與校正料拌合然后急冷的方式以獲得大量的 β-C2S，以此達到提高鋼渣活性的目的。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

（1）試驗所用鋼渣為不銹鋼渣，其主要化學成分見表1。

表1 不銹鋼渣化學成分

（2）試驗所用水泥為 P·I 52.5R 硅酸鹽水泥，密度為 3.15g/cm3，比表面積為 301m2/kg；28d 抗壓強度為55.2MPa，其它性能指標詳見表3 中的0# 樣。

（3）試驗所用石膏為濕式脫硫二水石膏。

1.2 試驗方法

在煉鋼車間剛剛排出的熔融態不銹鋼渣中，分別添加鈣質（1#）、硅質（2#）和硅鋁質（3#）校正料，趁熱（約 1300℃）拌合、急冷。（注：由于涉及專利內容，本文三種校正料分別用 1#、2#、3# 表示）

將冷卻后的鋼渣磨成比表面積 450m2/kg 的鋼渣粉，按標準 GB/T 20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》[10]和GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》[11]測試相關性能與活性指數，具體試驗方案見表2。

表2 鋼渣粉活性指數測試試驗方案

2 結果與討論

按照標準方法，分別測定膠砂流動度和膠砂強度，計算流動度比和活性指數，試驗結果如表3 所示。

表3 膠砂性能結果

通過摻鋼渣粉膠砂試樣的流動度與基準樣的流動度比（見圖1）可以看出，1# 樣和 2# 樣流動度略大于基準樣，3# 樣流動度比最大，1# 樣流動度比最小。各試樣流動度相對于基準樣都有所提高，說明摻入比水泥細的鋼渣對水泥的流動性是有利的，且硅鋁質校正料效果最為明顯。

圖1 摻鋼渣粉膠砂的流動度比

對比各齡期抗折強度（見圖2），3d 強度最高為基準樣（0#），其次是添加硅質校正料的試樣（2#），添加硅鋁質校正料者（3#）最低；28d 強度最高為添加鈣質校正料者（1#），其次為基準樣，說明添加鈣質校正料無助于提高膠砂的早期強度，但有利于后期強度的增長。在鋼渣中添加鈣質校正料能夠促進體系中 C2S 的生成，提高膠凝材料的活性。當體系中 C2S 含量較高時，水化反應速度較慢，所以早期強度較低；隨著養護時間的增加，C2S 的水化越來越完全，膠砂試件后期強度增長較多。

圖2 膠砂的抗折強度

對比各齡期抗壓強度（見圖3），3d 強度最高為基準樣，其次為添加鈣質校正料的試樣（1#），最低為添加硅鋁質校正料者（3#）；28d 強度最高為添加鈣質校正料者（1#），其次為添加硅質校正料者（2#），最低為添加硅鋁質校正料者（3#）。說明鋼渣添加鈣質和硅質校正料后，作為混合材制作的膠砂試件早期強度比較低，但后期強度增長多，且能超過基準樣的強度。

各齡期的活性指數變化趨勢（見圖4）與抗折強度、抗壓強度的變化趨勢相同，添加鈣質校正料者（1#）和添加硅質校正料者（2#）早期活性指數較低，而 28d 活性指數均超過了 100%。

圖3 膠砂的抗壓強度

圖4 鋼渣粉活性指數

在添加校正料的各試樣中，各齡期抗壓強度最高均為添加鈣質校正料者，而且活性指數在各齡期也是最高。在高溫下鈣質校正料與鋼渣發生反應，體系中生成了較多的 C2S，而且在水化過程中，體系的堿度（pH值）提高，表現為體系中 OH-離子的增多，促進了鋼渣玻璃體的解體，從而激發了活性。

與添加鈣質校正料者相比，添加硅質校正料者抗壓強度與活性指數雖然略低，但 28d 強度與活性指數均超過了基準樣，說明在高溫下添加硅質校正料也能部分解體鋼渣中的非活性成分，從而提高鋼渣的膠凝活性。

3 結論

（1）鋼渣本身具有一定膠凝活性，但由于活性成分被非活性成分包裹，致使鋼渣活性較低。

（2）在爐前添加鈣質、硅質或硅鋁質校正料，鋼渣試樣的流動度比均大于 100%，其中添加硅鋁質校正料者流動度比最大，說明比水泥顆粒細的鋼渣摻入水泥中能提高膠砂的流動性。

（3）在熔融態鋼渣中添加鈣質校正料有利于生成更多的 C2S，添加硅質校正料有利于解體鋼渣中的非活性成分，這兩種校正料均能提高鋼渣活性。由于 C2S 水化速率慢，膠砂試件的早期抗折強度、抗壓強度和活性指數都低于基準樣，隨著 C2S 不斷水化，添加鈣質或硅質校正料的鋼渣按 30% 摻入水泥之后， 28d 抗折強度、抗壓強度與活性指數均有大幅提高。

（4）在爐前添加校正料對鋼渣活性的改善，有效地利用鋼渣余熱，同時促進鋼渣的有效利用，減少鋼渣排放對環境的污染，具有重大的低碳環保意義。