不銹鋼渣高溫重構改性試驗研究

儀桂蘭

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，太原 030003）

不銹鋼渣是煉不銹鋼過程中產生的固體廢棄物，噸不銹鋼產生鋼渣270～300 kg，國內年排放量接近1 000萬t[1]。不銹鋼渣主要化學組成為CaO、SiO2、Al2O3、MgO等，不銹鋼渣經熱燜、破碎、篩分和磁選等加工后，產生的不銹鋼渣鋼粒供煉鋼廠利用，剩余的尾渣含有硅酸二鈣（2CaO·SiO2）和硅酸三鈣（3CaO·SiO2）等，與水泥熟料的礦物組成相似，具有水化膠凝性能[2-5]，游離氧化鈣（f-CaO）含量也較多。不銹鋼渣是在1 600 ℃的高溫下形成的，硅酸鹽礦物結晶完整，晶粒粗大，化學穩定性高，不易水化，f-CaO不易消解，造成不銹鋼渣活性較低[6]、安定性不良等缺點，導致不銹鋼渣在建材方面的利用率較低。本文主要研究不銹鋼渣高溫重構改性技術，在不銹鋼渣中加入一定比例的改性劑（粉煤灰、水渣），使得高溫下改性劑與不銹鋼渣發生反應，調整鋼渣的化學組成和物相組成，提高不銹鋼渣膠凝活性。

1 不銹鋼渣基本特性

1.1 化學組成

試驗所用渣樣為山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產過程中產生的不銹鋼渣，經分析，其化學組成如表1所示。不銹鋼渣的SiO2和CaO含量較高，經測定，其堿度也較高，為1.69。

表1 不銹鋼渣化學組成

1.2 物相組成

下面利用X射線衍射儀（XRD）分析不銹鋼渣的物相組成，結果如圖1所示。由圖1可知，不銹鋼渣的主要物相為鎂薔薇輝石（C3MS2）、硅酸二鈣和鈣鎂橄欖石（C2MS）。

圖1 不銹鋼渣

2 不銹鋼渣改性試驗

試驗原料為不銹鋼渣、粉煤灰、水渣，主要改性劑有粉煤灰、水渣。粉煤灰、水渣的化學組成如表2所示。由表2可知，粉煤灰中SiO2、Al2O3的總含量較高，達到84.25%。水渣堿度低，SiO2、CaO的總含量達到71.6%。

表2 粉煤灰與水渣的化學組成

2.1 粉煤灰做改性劑

2.1.1 高溫熔融改性試驗

試驗原料為不銹鋼渣、粉煤灰，粉煤灰做改性劑，試驗方案如表3所示。F代表粉煤灰，后面的數字代表粉煤灰的配比。先把不銹鋼渣磨細（粒徑小于1 mm），再配加粉煤灰，混勻，放入剛玉坩堝，再把剛玉坩堝放入高溫箱式電阻爐，燒至1 500 ℃，保溫0.5 h后取出冷卻。粉煤灰配比分別為10%、15%和20%。

表3 粉煤灰改性條件下高溫熔融試驗方案

2.1.2 活性試驗

檢測配加粉煤灰高溫改性后不銹鋼渣的活性，按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）進行試樣的配料、攪拌、成型、養護和測試。活性試驗方案如表4所示。F代表粉煤灰，后面的數字代表粉煤灰的配比。共試驗了5個方案，所有試驗方案均以425水泥為基礎材料。方案1僅使用425水泥，未添加不銹鋼渣，方案2不銹鋼渣樣未配加粉煤灰，方案3不銹鋼渣樣配加10%粉煤灰，方案4不銹鋼渣樣配加15%粉煤灰，方案5不銹鋼渣樣配加20%粉煤灰。配加粉煤灰條件下，不同試驗方案的不銹鋼渣28 d活性指數如圖2所示。由圖2可知，隨著粉煤灰配比增大，不銹鋼渣活性指數降低，但是可滿足用于水泥和混凝土的鋼渣粉活性要求。

圖2 配加粉煤灰條件下不銹鋼渣28 d活性指數

表4 粉煤灰改性條件下活性試驗方案

2.1.3 f-CaO含量

不銹鋼渣配加粉煤灰改性后，其f-CaO含量如表5所示。由表5可知，隨著粉煤灰配比增加，不銹鋼渣f-CaO含量降低。粉煤灰配比為15%時，不銹鋼渣f-CaO含量為2.61%，粉煤灰配比為20%時，不銹鋼渣f-CaO含量為1.23%，滿足用于水泥和混凝土的相關鋼渣粉標準要求（f-CaO含量小于4%）

表5 粉煤灰改性條件下不銹鋼渣f-CaO含量

2.1.4 配加粉煤灰的不銹鋼渣物相組成

下面分析配加10%、15%、20%粉煤灰的不銹鋼渣物相組成，如圖3所示。

圖3 添加不同配比粉煤灰的不銹鋼渣物相組成

由圖3可知，配加10%粉煤灰，不銹鋼渣主要物相為鎂薔薇輝石和一鋁酸鈣（CaO·Al2O3）。配加15%、20%粉煤灰，不銹鋼渣主要物相為玻璃體。但由于這種玻璃體堿度高，水泥水化逐步釋放氫氧化鈣，系統也為堿性，反應不能相互促進，因此活性較低。

2.2 水渣做改性劑

2.2.1 高溫熔融改性試驗

高溫熔融試驗方案如表6所示。用不銹鋼渣和水渣做試驗，水渣做改性劑。S代表水渣，后面的數字代表水渣的配比。把不銹鋼渣磨細（粒徑小于1 mm），再配加水渣，混勻，放入剛玉坩堝，然后把剛玉坩堝放入高溫箱式電阻爐，燒至1 500 ℃，保溫0.5 h后取出冷卻。水渣配比分別為10%、20%、25%和30%。

表6 水渣改性條件下高溫熔融試驗方案

2.2.2 活性試驗

按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）進行試樣的配料、攪拌、成型、養護和測試。活性試驗方案如表7所示。S代表水渣，后面的數字代表水渣的配比。共試驗了5個方案，所有試驗方案均以425水泥為基礎材料。方案1不銹鋼渣樣未配加水渣，方案2不銹鋼渣樣配加10%水渣，方案3不銹鋼渣樣配加20%水渣，方案4不銹鋼渣樣配加25%水渣，方案5不銹鋼渣樣配加30%水渣。配加水渣條件下，不同試驗方案的不銹鋼渣28 d活性指數如圖4所示。

表7 水渣改性條件下活性試驗方案

由圖4可知，隨著水渣配比增大，不銹鋼渣28 d活性指數先增加后降低，水渣的最佳配比為10%～20%。方案2水渣配比為10%，相比方案1，其不銹鋼渣28 d活性指數增加，達到85.24%；方案3水渣配比為20%，不銹鋼渣28 d活性指數達到83.14%；方案4水渣配比為25%，不銹鋼渣28 d活性指數為79.45%；方案5水渣配比為30%，不銹鋼渣28 d活性指數降低至70.84%。

圖4 配加水渣條件下不銹鋼渣28 d活性指數

2.2.3 f-CaO含量

不銹鋼渣改性后，其f-CaO含量如表8所示。由表8可知，配加水渣，可降低不銹鋼渣中f-CaO含量。水渣配比分別為10%、20%、25%、30%時，不銹鋼渣f-CaO含量都小于3%，滿足用于水泥和混凝土的相關鋼渣粉標準要求（f-CaO含量小于4%）。

表8 水渣改性條件下不銹鋼渣f-CaO含量

2.2.4 物相組成

下面利用X射線衍射儀分析各試驗方案的物相組成，如圖5所示。由圖5可知，隨著水渣配比增加，鎂薔薇輝石晶體峰值由2 000降為1 400，晶體含量降低。配加10%～20%水渣，鎂薔薇輝石晶體峰值為1 800～2 000，含量較多，且鎂薔薇輝石自身強度較高，這可能是造成不銹鋼渣活性指數較高的原因。

圖5 添加不同配比水渣的不銹鋼渣物相組成

3 結論

不銹鋼渣的主要物相為鎂薔薇輝石、硅酸二鈣和鈣鎂橄欖石。研究表明，配加粉煤灰、水渣都可降低不銹鋼渣中f-CaO含量。隨著粉煤灰配比增大，不銹鋼渣28 d活性指數降低，但是可滿足用于水泥和混凝土的鋼渣粉活性要求。隨著水渣配比增大，不銹鋼渣28 d活性指數先增加后降低，水渣高溫改性不銹鋼渣的最佳配比為10%～20%。