还原性组分调节材料对重构转炉钢渣组成、结构与性能的影响及机理的研究

近年来，在钢渣胶凝材料的研究领域中，有关钢渣组成的高温在线重构技术已经引起了国内的高度重视。目前，一般采用电炉还原渣和煤渣等作为组分调节材料对熔态钢渣进行在线重构。然而，采用一般组分调节材料所制得的重构钢渣，其Fe2O3、FeO和P2O5的含量仍过高，矿相组成难以得到进一步优化。鉴此，本研究拟采用含碳的多元组分调节材料，模拟钢渣在线重构过程，研究转炉钢渣中Fe2O3、FeO和P2O5等组分的高温还原动力学，研究还原条件下钢渣中磷和铁元素的迁移及化学形态转化规律，探究原钢渣组成、含碳还原性组分调节材料组成及用量与重构钢渣矿相组成、结构和性能之间的关系，以充分发挥组分调节材料的还原、调质两种作用的协同效应，通过钢渣中Fe2O3、FeO和P2O5等组分的还原，提高钢渣中C3S、C2S等高胶凝活性矿物的含量、钢渣的品质稳定性以及金属回收率。它的研究将使转炉钢渣在线重构的理论和技术臻于完善和成熟。

在钢渣胶凝材料的研究领域中，有关钢渣组成的高温在线重构技术已经引起了国内的高度重视。针对采用一般组分调节材料来重构钢渣的方法存在诸多不足之处的情况，课题组采用含碳组分调节材料对钢渣进行还原重构，优化了钢渣的矿物组成与结构，有效地提高了钢渣的应用品质。探索研究了实验室中实现转炉钢渣的高温还原重构的途径与方法，获得了实现钢渣还原重构反应的最优工艺条件。进行了高温下单质碳和含碳组分材料（烟煤）对钢渣中高价态含铁组分的还原动力学研究，发现在适当的条件下，还原产物金属铁占总铁含量的比例可达99%。烟煤的还原效果优于石墨，Fe2O3被还原成Fe的还原反应的表观活化能Ea等于135 kJ/mol，还原反应属于铁离子固态扩散控速过程。研究了还原性组分调节材料对重构钢渣矿相组成、结构的影响，X射线衍射分析结果表明，钢渣经还原重构后，钢渣中的Ca54MgAl2Si16O90、C2S矿物明显增多。通过选择性溶出法对重构钢渣的硅酸盐相含量进行了定量分析，发现以石墨掺量为3%、反应温度为1400℃、反应时间4h的条件下制备的重构钢渣其硅酸盐相含量最高。钢渣的胶砂试验结果表明，在原钢渣胶凝活性很低的情况下，经石墨重构后，钢渣的7d、28d活性指数最大可分别达81.7%和96.6%，而采用烟煤重构后，7d、28d活性指数最大竟可达114%和117%，表现出优异的胶砂力学性能。对外地来源的两种钢渣的重构试验也取得了类似的结果，验证了采用还原重构的方法在提高钢渣的应用品质方面具有很好的普适性。对钢渣的差热-热重分析结果表明，钢渣经重构后，净浆浆体中生成了更多的C-S-H凝胶、钙矾石和氢氧化钙水化产物。安定性试验研究表明重构钢渣的安定性合格。课题组还进行了卓有意义的钢渣在线还原重构动态模拟试验研究，虽然尚未在动态模拟试验方面取得完全的成功，但从研究过程中获得的宝贵经验对课题的后续研究提供了重要的指导作用。总而言之，本课题的研究结果使转炉钢渣在线重构的理论和技术臻于完善和成熟。