超重力条件下利用熔渣直接制备微晶玻璃的基础研究

High temperature molten slag is considered to be the largest secondary energy in metallurgy industry which has not been effective utilized. It is an effective process for utilization of such waste energy to directly prepare glass-ceramics from molten slag. In this project, aim to improve poor homogenization and fining effect of the molten modified slag, and to reduce thermal stress of glass-ceramics with high content of molten slag during the process, a super-gravity field, which could result in a huge radial force, great heat and mass transfer rate and gradient distribution of different density phase in melts, was applied during the process. Accordingly, a homogenous and clear glass-ceramics with increased proportion of molten slag, high dense structure, gradient distribution of pyroxene, and better mechanical and corrosion resistant performance would be prepared..This research is focused on two basic scientific problems: mechanism and control of nucleation and crystallization of molten slag under super gravity field, gradient distribution of pyroxene phase and related preparation mechanism of glass-ceramics under super gravity field. Technologies in different areas, including slag waste heat utilization, glass-ceramics preparation and super-gravity will be integrated in the research, which would be contributed to theory and technology development in their own areas. Moreover, after this research, the results would promote industrialization for the technology of preparing of glass-ceramics from molten slag and thereby will keep on enhancing energy conservation and emissions reduction, secondary resource recycling, ecological environment and economic benefits in iron and steel industry.

高温熔渣是冶金领域尚未有效利用的数量最大的二次能源，而直接将高温熔渣制备微晶玻璃的方法是其余热利用的一条有效途径。本课题针对这一方法中存在的改质熔渣均化澄清效果差，熔渣利用率增加导致微晶玻璃热应力大的问题，利用超重力场（通过离心旋转施加）下熔体中会产生巨大的径向作用力、传热传质速率以及不同密度物相梯度富集的特点，将超重力技术应用于利用熔渣制备微晶玻璃过程，以实现提高熔渣掺入比例，制备出组成均匀洁净、结构高度致密化、辉石晶相梯度分布、机械和耐腐蚀性能优异的微晶玻璃材料。.课题围绕超重力条件下的熔渣核化晶化机理和控制规律，以及梯度功能微晶玻璃材料制备机理两个关键科学问题开展研究。研究涉及熔渣余热利用、微晶玻璃制备和超重力技术相结合的跨学科领域，研究将发展和完善各领域技术基础理论，推动利用高温熔渣制备微晶玻璃材料技术发展，促进钢铁行业节能减排水平，资源循环效率，以及生态环境和经济效益的持续提高。

高温冶金熔渣被认为是冶金领域尚未有效利用的最大的二次能源，而直接将高温冶金熔渣制备微晶玻璃的方法具有较高的热效率和㶲效率，是冶金熔渣余热利用的一条有效途径。本项目将超重力技术应用于利用熔渣制备微晶玻璃材料的过程，以实现提高熔渣掺入比例，制备出组成性能优异的微晶玻璃材料。由于超重力条件下转速高（700-2000r/min），熔渣能够获得比地球常规重力场大数百倍至数千倍的超重力环境，因此有望在熔渣微晶玻璃材料制备过程中获得新的理论技术突破。项目在这一背景下开展了研究，获得如下成果，即. 三个新机理/准则：①施加超重力促进熔渣与改质剂液固反应（渗流更多缝隙而增加接触面积、减薄扩散边界层和排除气泡）的作用机理；②氧化钛在微晶玻璃制备过程中作为晶核剂和促进辉石析出的双重作用机理；③利用熔渣制备梯度材料需要的热力学和动力学准则：析出高温晶相并同时具有较低粘度。. 三个新方法：①通过施加超重力促进熔渣改质过程快速混溶的新方法；②在超重力条件下，通过高温过滤的方式，实现了高温析晶过程直接检测的新方法；③对于具有高温析晶相的熔体，可以通过施加超重力制备出梯度材料，并通过切割方式获得大量具有不同组成-性能-结构的材料的高通量制备方法。. 三类熔渣利用的新工艺：①在施加超重力条件下，利用含钛高炉渣高温分离富钛相并将贫钛相制备为微晶玻璃的新型工艺；②在施加超重力条件下，利用含钛熔渣、含铁熔渣等制备微晶玻璃功能梯度材料；③在常重力条件下，直接利用含钛或含铁熔渣制备低成本微晶玻璃材料。. 项目成果在高温熔渣改质、新材料制备、超重力技术应用领域发展了新的技术理论，并形成多条熔渣利用的技术路线，将分质分类推动高温熔渣微晶玻璃制备技术的产业化发展，这对冶金和建材行业节能减排，提高资源利用率，促进低碳发展具有重要意义。