转炉钢渣中铁的还原回收及制备高胶凝性水淬渣的方法研究

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1、博士学位论文转炉钢渣中铁的还原回收及制备高胶凝性水淬渣的方法研究作者姓名郭辉学科专业材料学指导教师殷素红教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月Ironrecoveryandpreparationofwater-quenchedslagwithhighcementitiousperformancefromBOFslagbymeansofreductionADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorofPhilosophyCandidate：GuoHuiSupervisor：Prof.YinSuhongSo

2、uthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou，China分类号：TU528学校代号：10561学号：201210103103华南理工大学博士学位论文转炉钢渣中铁的还原回收及制备高胶凝性水淬渣的方法研究作者姓名：郭辉指导教师姓名、职称：殷素红教授申请学位级别：工学博士学科专业名称：材料学研究方向：水泥基材料、固体废弃物利用论文提交日期：2018年5月2日论文答辩日期：2018年6月7日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：吴明娒教授委员：张勤远教授余其俊教授韦江雄教授殷素红教授摘要转炉钢渣是炼钢过程

3、排放的大宗工业废弃物，数量约为钢产量的15～20%，我国2017年的粗钢产量约为8.3亿吨，钢渣产量超过1.3亿吨。受制于钢渣安定性不良、胶凝活性差和组成波动大等特点，近年来我国钢渣综合利用率仅为10%左右，与《中国制造2025》国家战略提出的“到2025年工业固体废物综合利用率达到79%”的目标相距甚远。国家“十一·五”科技支撑计划项目“钢渣重构与性能优化技术与装备”提出在排渣过程中加入组分调节材料，利用熔态钢渣显热对钢渣进行在线重构，增加重构渣中的C3S等活性矿物，提高钢渣的胶凝活性。课题组在该项目的研究过程中发现，在组分调节材料中加入还原剂，可以还原回收

4、钢渣中的铁，同时形成类似高炉矿渣的高胶凝性水淬渣。基于此，课题组开创了一条钢渣还原重构的新研究思路。本文受国家自然科学基金面上项目“转炉钢渣RO相形成抑制、铁的还原及提高胶凝活性的基础研究（51372088）”资助，对钢渣还原重构的理论基础和重构效果开展了系统研究。论文首先从热力学角度论证了采用还原重构法回收钢渣中铁及制备高胶凝性水淬渣的可行性。高温条件下，钢渣的组成包括CaO、SiO2、MgO、FeO等液相和C2S、RO相、C2F等固相，这些组成与碳粉、高岭土等组分调节材料带入的固体C、莫来石（A3S2）和石英（SiO2）发生化学反应。对各种反应的吉布斯自由

5、能变（△G）计算表明，反应生成的产物中，热力学状态最稳定的产物依次为金属Fe、C3MS2和C2AS。其中，C3MS2和C2AS是高炉矿渣水淬前熔体的主要组成。因此，利用钢渣的显热，通过添加还原剂及调质材料，将铁氧化物（FeOx）还原回收，同时将熔渣组成重构为以C3MS2和C2AS为主的熔体，通过水淬处理制备与高炉矿渣类似的高胶凝性水淬渣是完全可行的。论文接着开展了钢渣重构时铁还原反应的动力学研究。结果表明：钢渣中的FeOx还原反应属于一级反应，反应的限制环节是固体C的气化反应和FeOx向渣-气膜反应界面的扩散，当碱度为1.0时，还原反应的活化能Ea为154kJ

6、/mol，FeOx还原反应速率方程18484为v=51758.53exp−C。进一步探讨了碱度（1.0～2.0）、温度（1450～1550℃）、TFeOx初始含量（15～26.9%）对FeOx还原率和反应的表观反应速率常k*数的影响，结果表明：相同条件下，碱度越大，FeOx还原率越高，但碱度过高会导致钢渣不能熔融；温度越高，FeOx还原率显著提高；FeOx初始含量越高，对反应前期（0～40min）的FeOx还原速率有明显促进作用，但对终渣中铁氧化物的含量影响较小。还原反应的表观反应速率常数k*随碱度R、反应温度T和FeOx初始含量C0的增加而增加。

7、I基于钢渣还原重构动力学研究结果，在实验室进行了钢渣还原铁法重构试验，探讨碱度和温度、熔体性质、铁回收和水淬渣胶凝活性之间的关系。结果表明：随碱度R值降低，还原重构反应后渣铁分离效果由差变好，制备的水淬渣玻璃体含量逐渐增加，少量存在于水淬渣中的晶体包括C3MS2、C2AS和C2S等，与热力学分析结果一致。在1500℃温度条件下，当R值≤1.5时且钢渣掺量大于60%时，铁还原回收率达到95%以上，水淬渣的活性指数为75～108%，可实现铁、渣的高效回收与利用。当反应温度高于试样熔点的过热度达到50℃时，试样熔融状态好，易于通过水淬分离回收铁和制备高胶凝活性的水淬

8、渣。水淬温度对还原重构反应的影响小于反