冷却方式及保温时间对钢渣RO相形成和MgO的分布的影响

柴 斌 丁宏珉 石东华 姜丽珍

(山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250102)

随着钢铁工业的发展，钢渣产生量越来越多，大量堆积，不断侵占土地，而且渣中有害的元素和物质，会对人体造成严重的危害[1-2]。目前，利用钢渣的途径主要集中于混凝土等建筑材料中[3-5]。钢渣重构是利用高温化学方法改变钢渣的组成，从而将其制备建筑材料的有效途径[6-7]。本课题研究冷却方式及保温时间对钢渣RO相形成和MgO的分布的影响，从而为解决钢渣在混凝土中安庆性不良的问题提供基础。

1 试验

1.1 原材料

钢渣：山东永锋钢铁集团产生，经热闷磁选后，其化学成分如表1。

表1 钢渣的化学成分/%

校正材料，采用石灰石、粘土、铝矾土等。

1.2 试验方法

通过添加校正材料，在1 300℃煅烧温度下对钢渣进行重构，保温时间分别选择保温30min、60min和90min，冷却方式分别选择自然冷却、风冷和水冷。应用Burke S8 Tiger XRD和日立S-2500 SEM分别测定冷却方式及保温时间下的矿物组成及微观形貌，结合利用化学相分离法定量分析冷却方式及保温时间的影响。

2 结果与分析

2.1 冷却方式对重构钢渣中RO相形成和MgO的分布的影响

按照最佳配比添加校正材料，在1 300℃下保温60min对钢渣进行重构，研究不同冷却方式对钢渣中MgO存在形式的影响。图1为不同冷却方式下重构钢渣的XRD图谱。

由图1可知，相对与自然冷却，急冷方式制得的重构钢渣具有更多的胶凝性矿物。冷却方式为急冷时重构钢渣中RO相的含量相对较多，说明急冷时能生成更多的RO相，而且自然冷却时游离MgO的特征峰较明显，原因是自然冷却时MgO有充足的时间结晶，使得更多的MgO发生析晶，生成更多的游离MgO，不利于体积安定性。急冷时MgO来不及结晶，直接固溶于其他相中，不会生成大量的游离MgO。两种急冷方式对游离MgO的含量影响不大，但是水冷方式较风冷生成的胶凝矿物含量稍多。

图1 不同冷却方式下重构钢渣的XRD图谱

由图2可以看出，对比原钢渣，各种冷却方式下钢渣生成了更多的胶凝矿物和固溶体。自然冷却时各种矿物慢慢结晶，发育较完整，活性较低。急冷时各种矿物来不及结晶，活性较高，并且生成了大量固溶体RO相，有利于游离MgO的固溶。

利用化学相分离的方法对冷却制度下的重构钢渣进行相分离，得到各重构钢渣中矿物组成的含量分布如表2。

(a)原钢渣(b)自然冷却重构钢渣(c)水冷重构钢渣(d)风冷重构钢渣图2 不同冷却方式的重构钢渣的SEM照片

表2 不同冷却方式时重构钢渣中MgO的分布情况表

由表2可以明显看出，经过不同冷却方式，重构钢渣中的矿物组成明显不同。相对于原钢渣，经过高温热处理重构，钢渣经过重构形成了更多的胶凝矿物，如硅酸盐相、铁酸盐相等，其原因是MgO在硅酸盐相和中间相中的含量有所下降，使得MgO在其中的含量有所下降。不同的冷却方式对RO相中MgO的含量影响不同，相对于自然冷却，选择两种急冷方式时RO相中的MgO含量有所增大，且自然冷却时重构钢渣中的MgO有充足的时间生长发育，发生析晶，使游离MgO的含量增加，影响其体积安定性。在冷却方式为水冷时，重构钢渣中生成的硅酸盐相等胶凝矿物含量相对较多。综合考虑，冷却方式选择水冷方式。

2.2 保温时间对重构钢渣中RO相形成和MgO的分布的影响

按照最佳配比添加校正材料，在1 300℃下对钢渣进行重构，冷却方式选择水冷。研究不同保温时间对重构钢渣中MgO存在形式的影响。图3为不同保温时间下重构钢渣的XRD图。

图3 不同保温时间下重构钢渣的XRD图谱

由图3可以看出，随着保温时间的延长，重构钢渣中胶凝矿物的含量随之增加，并且固溶有大量MgO的RO相含量也随之增加，说明保温时间的延长有助于MgO的固溶。当保温时间过长时，游离MgO的结晶也趋于完整，不利于其体积安定性。

由图4可知，不同的保温时间对重构钢渣中的MgO的存在形式有较大影响。随着保温时间的延长，重构钢渣中的矿物相含量明显增多，晶体发育良好。但保温时间为90min是时，发现了游离MgO的存在，这是由于在较长时间下，MgO发育完整，发生了再析晶现象，游离MgO的存在会引起体积安定性不良。

利用化学相分离的方法对不同冷却制度下的重构钢渣进行相分离，得到各重构钢渣中矿物的组成分布见表3。

(a)30min(b)60min(c)90min(d)2点EDS图图4 不同保温时间下重构钢渣的SEM照片和EDS图

表3 不同保温时间下重构钢渣中矿物的组成分布情况表

由表3可以明显看出，经过不同保温时间，重构钢渣中的矿物组成明显不同。相对于原钢渣，经过高温热处理，钢渣经过重构形成了更多的胶凝矿物，如硅酸盐相、铁酸盐相等，其原因是MgO在硅酸盐相和中间相中的含量有所下降使得MgO在其中的含量有所下降，且经过重构后游离MgO的含量明显减少。随着保温时间的延长，MgO大量固溶到RO相中，使RO相的含量随之增加，保温时间越长，RO相中MgO的含量越高。但保温时间为90 min时，重构钢渣中的MgO有充足的时间生长发育，发生析晶，使游离MgO的含量增加，影响其体积安定性。保温时间为60min时生成的胶凝矿物含量较多，且游离MgO含量最低。综合考虑，选择60min作为钢渣重构的最佳保温时间。

3 结 语

(1)冷却方式为急冷时重构钢渣中固溶体RO相的含量相对较多，自然冷却时游离MgO的特征峰较明显。由于两种急冷方式对游离MgO的含量影响不大，但是水冷方式较风冷生成的胶凝矿物含量稍多，因此选择的冷却方式为水冷。

(2)随着保温时间的延长，重构钢渣中胶凝矿物的含量随之增加，并且固溶有大量MgO的RO相含量也随之增加，保温时间的延长有助于MgO的固溶。当保温时间过长时，游离MgO的结晶也趋于完整，不利于其体积安定性。