冷卻方式及保溫時間對鋼渣RO相形成和MgO的分布的影響

柴 斌 丁宏珉 石東華 姜麗珍

(山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250102)

隨著鋼鐵工業的發展，鋼渣產生量越來越多，大量堆積，不斷侵占土地，而且渣中有害的元素和物質，會對人體造成嚴重的危害[1-2]。目前，利用鋼渣的途徑主要集中于混凝土等建筑材料中[3-5]。鋼渣重構是利用高溫化學方法改變鋼渣的組成，從而將其制備建筑材料的有效途徑[6-7]。本課題研究冷卻方式及保溫時間對鋼渣RO相形成和MgO的分布的影響，從而為解決鋼渣在混凝土中安慶性不良的問題提供基礎。

1 試驗

1.1 原材料

鋼渣：山東永鋒鋼鐵集團產生，經熱悶磁選后，其化學成分如表1。

表1 鋼渣的化學成分/%

校正材料，采用石灰石、粘土、鋁礬土等。

1.2 試驗方法

通過添加校正材料，在1 300℃煅燒溫度下對鋼渣進行重構，保溫時間分別選擇保溫30min、60min和90min，冷卻方式分別選擇自然冷卻、風冷和水冷。應用Burke S8 Tiger XRD和日立S-2500 SEM分別測定冷卻方式及保溫時間下的礦物組成及微觀形貌，結合利用化學相分離法定量分析冷卻方式及保溫時間的影響。

2 結果與分析

2.1 冷卻方式對重構鋼渣中RO相形成和MgO的分布的影響

按照最佳配比添加校正材料，在1 300℃下保溫60min對鋼渣進行重構，研究不同冷卻方式對鋼渣中MgO存在形式的影響。圖1為不同冷卻方式下重構鋼渣的XRD圖譜。

由圖1可知，相對與自然冷卻，急冷方式制得的重構鋼渣具有更多的膠凝性礦物。冷卻方式為急冷時重構鋼渣中RO相的含量相對較多，說明急冷時能生成更多的RO相，而且自然冷卻時游離MgO的特征峰較明顯，原因是自然冷卻時MgO有充足的時間結晶，使得更多的MgO發生析晶，生成更多的游離MgO，不利于體積安定性。急冷時MgO來不及結晶，直接固溶于其他相中，不會生成大量的游離MgO。兩種急冷方式對游離MgO的含量影響不大，但是水冷方式較風冷生成的膠凝礦物含量稍多。

圖1 不同冷卻方式下重構鋼渣的XRD圖譜

由圖2可以看出，對比原鋼渣，各種冷卻方式下鋼渣生成了更多的膠凝礦物和固溶體。自然冷卻時各種礦物慢慢結晶，發育較完整，活性較低。急冷時各種礦物來不及結晶，活性較高，并且生成了大量固溶體RO相，有利于游離MgO的固溶。

利用化學相分離的方法對冷卻制度下的重構鋼渣進行相分離，得到各重構鋼渣中礦物組成的含量分布如表2。

(a)原鋼渣(b)自然冷卻重構鋼渣(c)水冷重構鋼渣(d)風冷重構鋼渣圖2 不同冷卻方式的重構鋼渣的SEM照片

表2 不同冷卻方式時重構鋼渣中MgO的分布情況表

由表2可以明顯看出，經過不同冷卻方式，重構鋼渣中的礦物組成明顯不同。相對于原鋼渣，經過高溫熱處理重構，鋼渣經過重構形成了更多的膠凝礦物，如硅酸鹽相、鐵酸鹽相等，其原因是MgO在硅酸鹽相和中間相中的含量有所下降，使得MgO在其中的含量有所下降。不同的冷卻方式對RO相中MgO的含量影響不同，相對于自然冷卻，選擇兩種急冷方式時RO相中的MgO含量有所增大，且自然冷卻時重構鋼渣中的MgO有充足的時間生長發育，發生析晶，使游離MgO的含量增加，影響其體積安定性。在冷卻方式為水冷時，重構鋼渣中生成的硅酸鹽相等膠凝礦物含量相對較多。綜合考慮，冷卻方式選擇水冷方式。

2.2 保溫時間對重構鋼渣中RO相形成和MgO的分布的影響

按照最佳配比添加校正材料，在1 300℃下對鋼渣進行重構，冷卻方式選擇水冷。研究不同保溫時間對重構鋼渣中MgO存在形式的影響。圖3為不同保溫時間下重構鋼渣的XRD圖。

圖3 不同保溫時間下重構鋼渣的XRD圖譜

由圖3可以看出，隨著保溫時間的延長，重構鋼渣中膠凝礦物的含量隨之增加，并且固溶有大量MgO的RO相含量也隨之增加，說明保溫時間的延長有助于MgO的固溶。當保溫時間過長時，游離MgO的結晶也趨于完整，不利于其體積安定性。

由圖4可知，不同的保溫時間對重構鋼渣中的MgO的存在形式有較大影響。隨著保溫時間的延長，重構鋼渣中的礦物相含量明顯增多，晶體發育良好。但保溫時間為90min是時，發現了游離MgO的存在，這是由于在較長時間下，MgO發育完整，發生了再析晶現象，游離MgO的存在會引起體積安定性不良。

利用化學相分離的方法對不同冷卻制度下的重構鋼渣進行相分離，得到各重構鋼渣中礦物的組成分布見表3。

(a)30min(b)60min(c)90min(d)2點EDS圖圖4 不同保溫時間下重構鋼渣的SEM照片和EDS圖

表3 不同保溫時間下重構鋼渣中礦物的組成分布情況表

由表3可以明顯看出，經過不同保溫時間，重構鋼渣中的礦物組成明顯不同。相對于原鋼渣，經過高溫熱處理，鋼渣經過重構形成了更多的膠凝礦物，如硅酸鹽相、鐵酸鹽相等，其原因是MgO在硅酸鹽相和中間相中的含量有所下降使得MgO在其中的含量有所下降，且經過重構后游離MgO的含量明顯減少。隨著保溫時間的延長，MgO大量固溶到RO相中，使RO相的含量隨之增加，保溫時間越長，RO相中MgO的含量越高。但保溫時間為90 min時，重構鋼渣中的MgO有充足的時間生長發育，發生析晶，使游離MgO的含量增加，影響其體積安定性。保溫時間為60min時生成的膠凝礦物含量較多，且游離MgO含量最低。綜合考慮，選擇60min作為鋼渣重構的最佳保溫時間。

3 結 語

(1)冷卻方式為急冷時重構鋼渣中固溶體RO相的含量相對較多，自然冷卻時游離MgO的特征峰較明顯。由于兩種急冷方式對游離MgO的含量影響不大，但是水冷方式較風冷生成的膠凝礦物含量稍多，因此選擇的冷卻方式為水冷。

(2)隨著保溫時間的延長，重構鋼渣中膠凝礦物的含量隨之增加，并且固溶有大量MgO的RO相含量也隨之增加，保溫時間的延長有助于MgO的固溶。當保溫時間過長時，游離MgO的結晶也趨于完整，不利于其體積安定性。