转炉钢渣的相演变和自粉化规律研究

转炉钢渣微粉化处理是钢渣综合利用的主要途径之一，然而转炉钢渣易磨性差。本项目提出了转炉钢渣自粉化的新思路，主要研究了SiO2改质对转炉钢渣矿相变化和C2S相优势析出的影响、转炉钢渣中C2S相晶型转变的温度控制、渣中固溶离子对C2S相晶型转变的影响、SiO2改质转炉钢渣自粉化和实际转炉钢渣高温改质还原自粉化。本项目的研究结果表明，转炉钢渣自粉化效果与钢渣中C2S的含量成正比，通过SiO2改质，控制转炉钢渣碱度范围R=2.3~3.1左右，渣中C2S可优势析出，有利于钢渣实现自粉化；同时通过温度调节，可控制渣中C2S相各晶型的转变；转炉钢渣中的P、Cr、V均会抑制C2S相晶型转变，特别是转炉钢渣中P2O5含量大于0.5%时，钢渣一般不能自粉化，因此实际转炉钢渣要实现自粉化还需进一步进行还原脱磷处理，而将转炉钢渣高温熔融改质有利于还原脱磷及钢渣自粉化。通过本项目研究，可实现转炉钢渣高温改质完全还原自粉化，研究成果能大大推动转炉钢渣的微粉化及大宗量循环利用。 2100433B

转炉钢渣微粉化是钢渣资源化大宗量利用的有效途径之一，然而制约钢渣微粉化的主要问题是其易磨性差。本项目申请依据于项目组前期的工作积累和发现，分析了问题存在的根本原因，提出通过促进转炉钢渣相演变和自粉化以解决此难题的新思路，研究包括转炉钢渣中硅酸二钙相（C2S）的优势析出；C2S析出相由β向γ相的演变和C2S相演变与转炉钢渣自粉化关系三个方面。研究集中在析出和演变的机理以及其实现条件等基础科学问题，运用经典的冶金、材料科学理论，结合SEM, XRD, EBSD等现代分析测试技术，来解决研究过程中遇到的科学难题。项目的目标是降低转炉钢渣粉磨耗能，改善其易磨性，为实现转炉钢渣的高效循环利用提供科学依据和相应的参数。

转炉钢渣是转炉炼钢过程中产生的一种固体废弃物,大量钢渣的弃置堆积占用土地、影响环境，因此转炉钢渣的循环利用是钢铁冶金技术研究的重要课题。我国目前的钢渣的资源化再利用主要包括三大难点，一是钢渣中有害元素高，特别是磷含量高。二是钢渣的化学成分复杂，其相对较高的碱度使得钢渣中会有大量的自由氧化钙不断析出，引起钢渣的体积膨胀从而导致材料体积失稳及强度降低，造成了钢渣在工程实际应用上的困难。此外，我国多元伴生、共生矿物时钢渣中还会含有诸如钒、钛等价值很高的合金资源，这些有价组分在钢渣中的品位较低，高附加值资源化利用的难度大，造成了有价资源的大量浪费。针对三大难点目前各自均有一系列的研究，本项目依据热力学计算和相图分析原理，希望通过钢渣改质处理，添加合适的改质剂，将磷和有价元素同时富集于不同矿物相中，并控制渣中自由氧化钙含量，完善钢渣循环和高附加值利用的理论基础。

转炉钢资源化再利用目前有三大难点，一是钢渣中磷含量高；二是钢渣中自由氧化钙不断析出，导致钢渣安定性差，在工程实际应用上困难；三是钢渣中的一些有价元素如钒等高附加值资源化利用难度大。针对这些问题，本项目通过钢渣改质的方式，添加合适的改质剂，将磷和有价元素富集于不同矿物相中，并控制渣中自由氧化钙含量。研究表明，在转炉钢渣中，磷元素主要依存于C2S相中，在铁酸盐、方镁石和基质相中含量极少，只要控制好C2S的生成量，就可实现磷元素在C2S相中的优质富集。转炉钢渣的SiO2改质表明，通过SiO2改质，转炉钢渣中的高硬度矿相C2F逐渐减少并消失，SiO2与C2S、自由氧化钙反应，使相对硬度较低的C2S相含量增加，钢渣安定性增强。P主要富集在C2S相中，合理控制钢渣中C2S相的析出量，就能实现磷的有效富集。而在Al2O3改质过程中，随着Al2O3加入量的增加，合成钢渣的矿相组织发生变化，渣中C2F含量不断减少，转变为铁铝酸盐，甚至出现尖晶石类组织。Al2O3可选择性地改变转炉钢渣中高硬度C2F的性质，使之转变为铁铝酸盐，这有利于改善转炉钢渣的易磨性。但Al2O3改质对于渣中C2S和MgO的影响不大，渣中磷元素仍主要富集于C2S相中。而随着SiO2加入量的增加，渣中Ca/Si降低，加入的SiO2与钢渣中自由CaO及C3S反应生成C2S，过量的C2S、SiO2将与MgO融合，渣中硅钙相发生转变：C2S→C3MS2→CMS，方镁石相逐渐溶入硅钙相中，实验结果与理论分析基本一致。渣中方镁石的减少将有利于提高钢渣的安定性。而对于含钒含磷的钢渣，控制合适的SiO2加入量，可使P富集于C2S相中，而V富集于钒铁尖晶石中，从而实现钢渣中磷和钒的分别富集。此外，本项目还研究了钢渣SiO2改质后的自粉化现象，明确了自粉化钢渣中C2S生成量的理论计算方式。本项目研究成果将为转炉钢的进一步资源化再利用提供科学依据。 2100433B

钢铁工业废弃物钢渣年产生量大，但因其活性差、早期强度低，存在安定性问题一直未能实现大掺量大规模利用,因此必须解决钢渣活性差、水化后体积膨胀的缺点。本研究的内容是钢渣的基本性质与其活性、安定性之间关系的明晰，找出影响钢渣活性的因素，明晰钢渣早期强度低的原因，确定钢渣中游离氧化镁和游离氧化钙的测定方法，明晰钢渣和钢渣在混凝土中的水化膨胀机理，钢渣粉成分、比表面积和粒度分布对其活性的影响机理和规律；各类活性激发剂对钢渣活性的影响，建立钢渣安定性评价方法和标准的数学模型，开发出高效的钢渣早强激发剂；解决钢渣粉、钢渣和矿渣复合粉配制混凝土的合理掺量、所配混凝土的工作性能和耐久性能。为钢渣粉、钢渣和矿渣复合粉大掺量应用提供依据，为配制出性能良好的钢渣细集料混凝土提供依据，提高钢铁工业固体废弃物资源化的利用水平，符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要》环境领域的综合治污与废弃物循环利用优先主题规定。