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        釩鐵渣的膠凝性能及全釩鐵渣澆注料的研制

        2022-12-21 07:03:56郝建璋曾冠武
        耐火材料 2022年6期
        關(guān)鍵詞:鐵渣鋁酸鈣膠砂

        郝建璋 曾冠武

        攀鋼集團研究院有限公司釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室 四川攀枝花 617000

        釩鐵渣是鋁熱法高釩鐵合金生產(chǎn)工藝副產(chǎn)的廢渣。攀鋼集團釩鈦資源股份有限公司采用鋁熱法生產(chǎn)高釩鐵合金,每年副產(chǎn)釩鐵渣約3萬t[1-2]。目前,鋁熱法釩鐵渣少部分用于生產(chǎn)電爐爐襯搗打料,大部分出售給周邊小廠提取其中的殘釩[3]。但提釩后的殘渣成為廢棄物,沒有從根本上解決釩鐵渣的資源化綜合利用問題。鋁熱法釩鐵渣的主要成分是Al2O3、CaO、MgO等,耐火性能良好,是優(yōu)質(zhì)的耐火原料[4-5]。

        本工作中,首先研究了釩鐵渣微粉作為耐火澆注料膠凝材料的可行性,然后全部采用釩鐵渣研制了強度高、抗渣侵蝕性和抗熱震性優(yōu)異的耐火澆注料,并在攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司煉鐵廠高爐渣溝、下渣口流嘴、鐵水罐開展了現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

        1 試驗

        1.1 試驗原料及預(yù)處理

        試驗用釩鐵渣來自攀鋼集團釩鈦資源股份有限公司攀枝花釩制品廠,為深灰色致密大塊狀物料。經(jīng)化學(xué)分析,其主要化學(xué)組成(w)為:Al2O372.8%,CaO 9.1%,MgO 13.5%,F(xiàn)e2O32.3%,SiO20.7%,V2O51.5%;Al2O3、CaO、MgO三項占總量的90%(w)以上。經(jīng)MLA礦物自動分析儀分析,其主要物相組成(w)為:鎂鋁尖晶石42.9%,二鋁酸一鈣40.3%,鋁酸一鈣12.4%,三鋁酸五鈣1.3%,氧化鐵1.0%。其中的鎂鋁尖晶石為耐火物相,二鋁酸一鈣和鋁酸一鈣具有膠凝性能。經(jīng)檢測,釩鐵渣的耐火度>1 710℃。

        試驗用其他原料有:鋁酸鈣水泥CA-70、硫鋁酸鹽系減水劑以及對比用的攀鋼集團攀鋼釩有限公司煉鐵廠現(xiàn)場使用的高鋁澆注料。

        取塊度>200 mm的釩鐵渣,經(jīng)二級鄂式破碎、一級對輥破碎、篩分工藝制成10~5、5~2、≤2 mm的粗、中、細三種釩鐵渣骨料。

        取≤2 mm的釩鐵渣,經(jīng)球磨、篩分工藝制成≤0.045 mm的釩鐵渣微粉(記為ZF1)。再取釩鐵渣微粉ZF1,在球磨機中分別粉磨1、2、3 h制成二次粉磨的釩鐵渣微粉(分別記為ZF2-1、ZF2-2、ZF2-3)。經(jīng)檢測(GB/T 8074—2008),釩鐵渣微粉ZF1、ZF2-1、ZF2-2、ZF2-3的比表面積分別為324、359、406、448 m2·kg-1。

        1.2 試樣制備及性能檢測

        1.2.1 釩鐵渣微粉膠凝性能試驗

        取鋁酸鈣水泥CA-70和上述釩鐵渣微粉,按GB/T 201—2000的附錄A測定它們的膠砂凝結(jié)時間。按GB/T 2419—2016測定它們的膠砂流動度,以流動度比(釩鐵渣微粉漿料的流動度÷鋁酸鈣水泥CA-70漿料的流動度×100%)表征釩鐵渣微粉漿料的流動性。將它們的標準膠砂振動澆注成40 mm×40 mm×160 mm的試樣,在20~25℃、相對濕度≥50%條件下養(yǎng)護1 d后拆模,在養(yǎng)護箱中(20±1)℃、相對濕度≥90%條件下養(yǎng)護1和3 d,再在110℃烘干24 h。分別按GB/T 2997—2015、GB/T 5072.2—2004、GB/T 3001—2017檢測試樣的體積密度、常溫耐壓強度、常溫抗折強度,篩選出膠凝性能最優(yōu)的釩鐵渣微粉。

        1.2.2 全釩鐵渣澆注料研制試驗

        研制全釩鐵渣澆注料時,固定10~5、5~2、≤2 mm的釩鐵渣骨料的質(zhì)量比為40∶33∶27,主要研究了在“1.2.1 釩鐵渣微粉膠凝性能試驗”中膠凝性能最優(yōu)的某粒度(比表面積)的釩鐵渣微粉添加量對澆注料性能的影響,具體配方見表1。

        表1 全釩鐵渣澆注料配比方案

        按設(shè)計配比配料并制成漿料,振動澆注成40 mm×40 mm×160 mm的條形試樣,在20~25℃、相對濕度≥50%條件下養(yǎng)護1 d后拆模,在110℃烘干24 h,部分試樣再在1 450℃保溫3 h熱處理。分別按GB/T 2997— 2015、GB/T 5072.2—2004、GB/T 3001—2017檢測烘干及熱處理后試樣的體積密度、常溫耐壓強度、常溫抗折強度,按GB/T 5988—2007檢測燒后試樣的線變化率,篩選出綜合性能最優(yōu)的全釩鐵渣澆注料配方。

        取上述最優(yōu)配方的全釩鐵渣澆注料和攀鋼集團攀鋼釩有限公司煉鐵廠現(xiàn)場使用的高鋁澆注料,采用相同的制備工藝制成40 mm×40 mm×160 mm的條形試樣,70 mm×70 mm×70 mm的立方體試樣,以及外部尺寸為70 mm×70 mm×70 mm、內(nèi)孔尺寸為?30/20 mm×40 mm的坩堝試樣。按前述檢測標準分別檢測烘干及熱處理后澆注料試樣的體積密度、常溫耐壓強度、常溫抗折強度和線變化率。按GB/T 17617—2018檢測烘干試樣的抗熱震性(1 100℃,水冷)。取烘干后試樣進行靜態(tài)坩堝法抗渣試驗,侵蝕介質(zhì)為攀鋼含釩鐵水和含鈦高爐渣(二者的質(zhì)量比為2∶1)。含釩鐵水的化學(xué)組成(w)為:C 3.9%,Si 0.22%,V 0.33%,P 0.05%,S 0.12%;含鈦高爐渣的化學(xué)組成(w)為:Al2O314.05%,SiO223.36%,CaO 24.63%,MgO 8.94%,TiO222.68%,MnO 1.7%,TFe 2.1%。在1 450℃保溫5 h熱處理后,沿坩堝孔軸線將其切開,觀察其滲透和侵蝕情況。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 釩鐵渣微粉的膠凝性能

        鋁酸鈣水泥和釩鐵渣微粉的流動度比、凝結(jié)時間以及其成型試樣的致密度和強度見表2??梢钥闯觯?)釩鐵渣微粉膠砂的流動性均比鋁酸鈣水泥膠砂的略小,初凝時間和終凝時間均比鋁酸鈣水泥膠砂的長;與養(yǎng)護1和3 d后的鋁酸鈣水泥膠砂試樣相比,養(yǎng)護1和3 d后的釩鐵渣微粉膠砂試樣的體積密度較大,常溫耐壓強度和常溫抗折強度有大有小。2)隨著釩鐵渣微粉比表面積的增大,膠砂的流動性、初凝時間和終凝時間以及成型試樣的體積密度均小幅減小,養(yǎng)護1和3 d后成型試樣的常溫耐壓強度和常溫抗折強度顯著增大。綜合考慮,比表面積為406 m2·kg-1的釩鐵渣微粉ZF2-2的膠凝性能與鋁酸鈣水泥CA-70的相當甚至更優(yōu)。為此,確定表1中的釩鐵渣微粉為ZF2-2。

        表2 鋁酸鈣水泥和釩鐵渣微粉的流動性、凝結(jié)時間以及其成型試樣的致密度和強度

        2.2 釩鐵渣微粉加入量對澆注料性能的影響

        添加不同量釩鐵渣微粉ZF2-2的全釩鐵渣澆注料的性能見圖1??梢钥闯觯弘S著釩鐵渣微粉加入量的增加,烘干及熱處理后試樣的體積密度逐漸減??;常溫抗折強度和常溫耐壓強度均逐漸增大,但釩鐵渣微粉加入量超過25%(w)后變化不明顯;熱處理后試樣的線變化率逐漸減小,釩鐵渣微粉加入量為30%(w)的試樣的燒后線變化率為負,試樣表現(xiàn)為收縮。

        圖1 添加不同量釩鐵渣微粉ZF2-2的全釩鐵渣澆注料的性能

        綜合分析,釩鐵渣微粉ZF2-2加入量為25%(w)的全釩鐵渣澆注料P3的綜合性能最優(yōu)。為此,在與攀鋼集團攀鋼釩有限公司煉鐵廠現(xiàn)場使用的高鋁澆注料進行性能對比時,選擇全釩鐵渣澆注料P3進行試驗。

        2.3 全釩鐵渣澆注料與高鋁澆注料的性能對比

        研制的全釩鐵渣澆注料P3與攀鋼集團攀鋼釩有限公司煉鐵廠現(xiàn)場使用的高鋁澆注料的理化性能對比見表2??梢钥闯觯?)與現(xiàn)場使用的高鋁澆注料相比,研制的全釩鐵渣澆注料的Al2O3、CaO、MgO含量均較高,SiO2含量較低。2)與現(xiàn)場使用的高鋁澆注料相比,全釩鐵渣澆注料烘干及熱處理后的體積密度、常溫耐壓強度、常溫抗折強度顯著增大,燒后線變化率由高鋁澆注料的-0.15%變?yōu)?.05%。

        表3 全釩鐵渣澆注料與現(xiàn)用高鋁澆注料的理化性能對比

        熱震試驗發(fā)現(xiàn):高鋁澆注熱震15次后出現(xiàn)嚴重破損,全釩鐵渣澆注料熱震20次后才出現(xiàn)開裂剝落情況,表明研制的全釩鐵渣澆注料的抗熱震性優(yōu)于現(xiàn)用高鋁澆注料的。

        研制的全釩鐵渣澆注料P3與現(xiàn)場使用的高鋁澆注料抗渣試驗后的坩堝剖面照片見圖2。

        圖2 抗渣試驗后坩堝剖面照片

        由圖2可以看出:兩種坩堝中都發(fā)生了一定程度的滲透和侵蝕。但全釩鐵渣澆注料試樣的侵蝕程度整體較輕,坩堝上部被渣侵蝕形成喇叭口,下步靠近金屬鐵部分區(qū)域熔渣與耐火材料基質(zhì)反應(yīng)形成滲透層;高鋁澆注料試樣坩堝中下部位已經(jīng)嚴重侵蝕,熔渣侵蝕滲透層幾乎接近試樣底部。這表明全釩鐵渣澆注料的抗渣滲透性和抗渣侵蝕性比現(xiàn)用高鋁澆注料的好。

        3 現(xiàn)場應(yīng)用

        按全釩鐵渣澆注料P3的配比生產(chǎn)了500 t全釩鐵渣澆注料,在攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司煉鐵廠高爐渣溝、下渣口流嘴、鐵水罐開展了現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

        在高爐下渣口流嘴開展的三輪現(xiàn)場試驗,共使用釩鐵渣澆注料約50 t。施工過程中發(fā)現(xiàn),釩鐵渣澆注料流動性良好,澆注質(zhì)量穩(wěn)定,澆注體強度良好。平均使用壽命為80 d,最高使用壽命為90 d,與現(xiàn)場使用的商品澆注料的接近。

        在4號高爐渣溝開展的應(yīng)用試驗,共使用釩鐵渣澆注料約300 t,澆注長度50 m。澆注料流動性滿足現(xiàn)場施工要求;澆注后的料層硬化快,硬化效果好,強度滿足現(xiàn)場使用要求。高爐渣溝永久層正常應(yīng)用,使用壽命達5 a以上。

        在鐵水罐開展的應(yīng)用試驗,共使用釩鐵渣澆注料約10 t,澆注鐵水罐2臺。澆注料流動性良好,施工質(zhì)量穩(wěn)定;養(yǎng)護24 h拆模后觀察,澆注體整體性好,表面光潔,沒有出現(xiàn)漏澆、分層等現(xiàn)象。鐵水罐罐底澆注料使用壽命達到1 000次以上,達到了同類商品澆注料的使用效果。

        4 結(jié)語

        (1)比表面積為406 m2·kg-1的釩鐵渣微粉的膠凝性能與鋁酸鈣水泥CA-70的相當甚至更優(yōu)。

        (2)加入25%(w)的比表面積為406 m2·kg-1的釩鐵渣微粉制備的全釩鐵渣澆注料的性能優(yōu)于現(xiàn)場使用的高鋁澆注料的,在高爐渣溝、下渣口流嘴、鐵水罐等現(xiàn)場的應(yīng)用試驗取得了良好的應(yīng)用效果。

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