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        鋼渣成分對鋼渣粉活性的影響

        2010-03-23 03:15:48朱桂林孫樹杉
        中國鋼鐵業(yè) 2010年9期
        關(guān)鍵詞:堿度硅酸鹽鋼渣

        朱桂林 孫樹杉

        1 前言

        鋼渣是煉鋼生產(chǎn)的副產(chǎn)品,每煉一噸鋼約產(chǎn)生0.12噸鋼渣。2008年我國鋼渣產(chǎn)生量約為6500萬噸,利用率約為10%,和“十一五”規(guī)劃要求冶煉渣的利用率達(dá)到86%以上的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。因此,鋼渣的資源化利用是鋼鐵行業(yè)十分艱巨的任務(wù)。

        中冶建筑研究總院有限公司從1971年開始全面研發(fā)鋼渣的成分與膠凝性能的關(guān)系,鋼渣的利用和處理工藝。研發(fā)成功鋼渣水泥系列產(chǎn)品、鋼渣粉技術(shù)、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù),并在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用取得良好的效果。

        隨著現(xiàn)代煉鋼技術(shù)的進(jìn)步,爐外精煉被大多數(shù)鋼廠采用,因此鋼渣種類增多,性能差異很大,用于生產(chǎn)鋼渣粉時其產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。探討鋼渣的性能與鋼渣粉活性的關(guān)系是保證鋼渣粉質(zhì)量的基礎(chǔ),根據(jù)鋼渣的不同成份和性能在生產(chǎn)中采取相應(yīng)的技術(shù)措施來使鋼渣粉達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求,并生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

        2 鋼渣的化學(xué)成分

        煉鋼過程是將主原料(鐵水、廢鋼),輔助原料(石灰、礦石、白云石、螢石)和鐵合金等在高溫下熔化成兩個互不熔解的液相,對鋼液進(jìn)行脫磷、脫硫、脫碳、去除有害氣體和雜質(zhì),使其達(dá)到鋼種規(guī)格的要求。鋼和雜質(zhì)由于密度不同而分離。這里所說的雜質(zhì)即為鋼渣。它濃聚了氧化物所生成的各種礦物。

        鋼渣的化學(xué)成分見表1。鋼渣的堿度與活性關(guān)系見表2。

        ②膠砂配合比:鋼渣粉:35%;礦渣粉40%;硅酸鹽水泥熟料粉20%;石膏粉5%。

        ③渣粉的比表面積為420m2/kg。

        3 鋼渣的礦物組成

        在冶煉過程的初期,部分鐵水被氧化后生成FeO和Fe2O3,鐵水和爐料中的硅被氧化生成SiO2,此時在鋼渣中以SiO2、FeO+Fe2O3和CaO三元素成分為主。由于石灰的加入,堿度逐漸提高,依次發(fā)生下列反應(yīng):

        表1 鋼渣的化學(xué)成分 %

        表2 鋼渣的堿度與活性的關(guān)系

        式中RO代表二價金屬(一般為Mg2+、Fe2+、Mn2+)氧化物的連續(xù)固熔體。

        鋼渣的活性和鋼渣的化學(xué)成分有關(guān),但更重要的是化學(xué)成分中的氧化物在高溫熔融條件下,生產(chǎn)礦物的種類和數(shù)量,活性礦物含量的多少決定了鋼渣的活性。具有水硬活性的硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)和鐵酸鈣(C2F)含量越多,則鋼渣的活性越高。

        在鋼渣中FeO一部分進(jìn)入RO相,一部分鐵橄欖石CaO·FeO·SiO2兩者是無活性的礦物。

        Fe2O3在一定條件下和CaO生產(chǎn)2CaO·Fe2O3,鐵酸二鈣是活性礦物。

        4 轉(zhuǎn)爐鋼渣礦物組成特征分析

        4.1 掃描電子顯微鏡分析(見圖1-圖5)

        圖1 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖(1000×)

        圖2 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖(10000×)

        圖3 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖(1000×)

        圖4 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖(1000×)

        圖5 轉(zhuǎn)爐鋼渣掃描電鏡圖(1000×)

        掃描電鏡圖中礦相分析見表3。

        4.2 能譜分析

        通過能譜分析確認(rèn)礦相,見表4。

        4.3 轉(zhuǎn)爐鋼渣X-射線衍射分析

        鋼渣X-射線衍射分析圖,見圖6、7,鋼渣特征峰X-衍射d值見表5、6。

        4.4 鋼渣中的f-CaO和MgO

        鋼渣中的總的CaO量如果能滿足酸性氧化物(SiO2、Al2O3、Fe2O3、P2O5)化合的需要,則MgO、FeO就會成為游離狀態(tài)結(jié)晶析出,會水化體積膨脹。在煉鋼過程所加入的輔助原料CaO的數(shù)量不多,則Mg2+、Fe2+進(jìn)入RO相,不會呈現(xiàn)游離態(tài)。

        表3 掃描電鏡礦相分析

        表4 電鏡礦相能譜分析

        圖6 轉(zhuǎn)爐渣X-射線衍射分析圖

        圖7 鋼渣礦物X-射線衍射分析圖

        表5 轉(zhuǎn)爐鋼渣礦物X-衍射d值

        表6 鋼渣礦物X-射線衍射d值

        鋼渣中的MgO主要生成橄欖石和薔薇輝石是穩(wěn)定的礦物,不會造成安定性不良。另一部分MgO則以固熔態(tài)RO相存在。國內(nèi)外學(xué)者已對RO相做過大量的研究,Ca2+不足的前提下,Mg2+、Fe2+、Mn2+離子半徑比較接近,差異小于15%,可形成連續(xù)固熔體,以RO相表示,R代表二價金屬。

        MnO、FeO形成的固熔體的RO相水化比較穩(wěn)定,高溫高壓下也不能水化,不會引起安定性不良。因此,討論鋼渣中的穩(wěn)定性是指在快速煉鋼所造成的游離態(tài)的CaO和MgO。

        MgO是濺渣護(hù)爐采用鎂質(zhì)輔助原料所生成的,一般熔融態(tài)下和酸性耐火磚進(jìn)行反應(yīng),偶爾會有極少量未被熔化MgO在鋼渣中或鎂質(zhì)耐火磚脫落隨渣排出,這些可以通過在加工過程人工撿出。在正常情況下主要是CaO造成鋼渣穩(wěn)定性不良。

        鋼渣中f-CaO的來源:

        (1)由于煉鋼出渣時間縮短,投入的石灰過量,使石灰被已經(jīng)飽和的鋼渣所包裹。這些石灰石是原狀石灰,在與鋼渣接觸面生成死燒石灰,一般固熔有氧化鐵(FeO)。它是屬于活性極差的結(jié)構(gòu)致密石灰。水化速度十分緩慢。

        (2)石灰的溶解度已經(jīng)飽和,石灰顆粒已不能與酸性氧化物結(jié)合成礦物。一般呈細(xì)小顆粒分散在鋼渣內(nèi)部,常固熔一部分氧化鐵(FeO)。細(xì)小的CaO固熔了氧化鐵(FeO)后具有很強的不穩(wěn)定性。然而結(jié)構(gòu)致密,水化很慢。

        (3)f-CaO固熔有Fe和Mn的固熔體(CaO·Fe·MnO),在掃描電鏡下呈圓形顆粒,這種固熔體在一定的溫度和空氣較大濕度下是可以水化的,會造成鋼渣不穩(wěn)定性。

        (4)鋼渣中C3S在一定的高溫下分解,C3S → C2S+ CaO產(chǎn)生的f-CaO。這部分f-CaO在濕度的情況下生產(chǎn)Ca(OH)2,體積膨脹也會造成鋼渣的不穩(wěn)定。

        以上可知,鋼渣中f-CaO以不同形態(tài)或礦相在鋼渣中,但均可造成鋼渣的不穩(wěn)定。而這種f-CaO結(jié)晶致密,水化膨脹很慢,在一定的溫度和濕度下才可水化,消除其體積不穩(wěn)定性。

        5 鋼渣堿度與鋼渣粉活性的關(guān)系

        鋼渣堿度與鋼渣粉活性關(guān)系的試驗,其結(jié)果見表7。

        ②鋼渣比表面積為400m2/kg

        ③水泥強度等級:42.5硅酸鹽水泥

        ④試驗樣品:水泥和鋼渣粉質(zhì)量比7:3從表7可知:隨著鋼渣堿度的減小,鋼渣粉7天和28天活性指數(shù)相應(yīng)降低。

        6 鋼渣的堿度與鋼鐵渣復(fù)合粉活性的關(guān)系

        進(jìn)行了鋼渣的堿度與鋼鐵渣復(fù)合粉活性關(guān)系的試驗,其結(jié)果見表8。

        ②復(fù)合粉的鋼渣粉和高爐礦渣粉的質(zhì)量比為3:7

        表7 鋼渣堿度與鋼渣粉活性的關(guān)系

        表8 鋼渣的堿度與鋼鐵渣復(fù)合粉活性的關(guān)系

        ③復(fù)合粉的比表面積為420m2/kg

        從表8可知:

        (1)鋼鐵渣復(fù)合粉隨著鋼渣堿度的提高其活性指數(shù)相應(yīng)提高。

        (2)當(dāng)鋼渣的堿度在2.68時,鋼鐵渣復(fù)合粉的活性指數(shù)可以達(dá)到《用于水泥和混凝土中的?;郀t礦渣粉》GB/T 18046-2008中S95的等級。鋼渣的活性指數(shù)在2.02以下時,其鋼鐵渣復(fù)合粉的活性指數(shù)可達(dá)上述標(biāo)準(zhǔn)的S75等級。

        7 鋼渣粉水化機理及強度來源

        通過分析可知,鋼渣粉的主要礦物成分為硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鐵酸二鈣(C2F)、薔薇輝石(C3MS2)、RO相(Mg2+、Fe2+、Mn2+的固熔體)鐵橄欖石(CFS)、鐵尖晶石(FeO·Al2O3)、納蓋斯密特石(C7PS2)、f-CaO、f-MgO。

        具有活性能起水化反應(yīng)產(chǎn)生強度的礦物為C3S、C2S、C2F。其中f-CaO、f-MgO水化生產(chǎn)Ca(OH)2、Mg(OH)2體積膨脹,使強度降低,還會造成制品開裂破壞。而其他礦物均為穩(wěn)定性礦物,不起水化硬化反應(yīng)。

        鋼渣粉的水化反應(yīng)式為:

        水化早期在未水化顆粒間有少量膠體稱塑性水化凝膠。將未水化的顆粒連在一起,這時候結(jié)構(gòu)強度較低,繼續(xù)水化不斷釋放出Ca(OH)2,硅酸鹽水化凝膠轉(zhuǎn)化為水化硅酸鈣凝膠(C-S-H),并以這種形態(tài)被固化,提高了強度。

        如果液相堿度低,大部分為塑性的水化硅酸鹽凝膠,強度會很低。

        為了減少塑性硅酸鹽水化凝膠的釋放,除提高液相堿度外,摻入適量的鋁酸鹽化合物,而達(dá)到通過水化鋁酸鹽的固化而阻止塑性硅酸鹽水化凝膠的形成,可提高鋼渣粉的強度。

        8 結(jié)論

        (1)鋼渣是煉鋼生產(chǎn)的副產(chǎn)品,但是一種寶貴的資源。鋼渣的成份含有和水泥相似的活性礦物主要為硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)。被稱為過燒硅酸鹽水泥熟料。不同點在于鋼渣的生成溫度為1650℃左右,而硅酸鹽水泥熟料則在1460℃左右溫度下燒成。因此鋼渣中C3S、C2S礦物結(jié)晶致密,晶體粗大完整,水化速度緩慢。

        (2)鋼渣粉的活性主要來源于鋼渣中所含C3S和C2S的數(shù)量,含量越多則鋼渣粉的強度越高。

        (3)鋼渣的堿度越大,則鋼渣粉的活性越高。

        (4)鋼渣的水化機理和硅酸鹽水泥熟料水化過程基本相似。強度來源于硅酸鹽礦物的水化硅酸鈣硬化過程而產(chǎn)生強度。

        (5)為提高鋼渣粉的強度,應(yīng)提高渣粉的堿度。鋁酸鹽成份的加入可促進(jìn)塑性水化凝膠轉(zhuǎn)化為水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)的固化。

        (6)鋼渣中均含有f-CaO,并以不同結(jié)構(gòu)形態(tài)存在。大部分結(jié)構(gòu)致密,水化速度很快,在一定的溫度和濕度下才會水化體積膨脹,消除其不穩(wěn)定性。

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