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《材料與冶金學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要:

采用調(diào)質(zhì)高爐渣進(jìn)行噴吹法制備礦渣棉試驗(yàn)，對(duì)噴吹試驗(yàn)所得纖維的表觀特性及性能進(jìn)行檢測(cè)，探索噴吹工藝參數(shù)對(duì)纖維質(zhì)量的影響規(guī)律．結(jié)果表明:高爐渣的成分含量不在形成礦渣棉的成分范圍內(nèi)，應(yīng)該添加調(diào)質(zhì)劑對(duì)高爐渣作調(diào)質(zhì)處理;隨著酸度系數(shù)的增加，纖維直徑呈增長(zhǎng)趨勢(shì);當(dāng)酸度系數(shù)在1.0～1.2時(shí)纖維含水率變化不大，在1.3時(shí)含水率出現(xiàn)谷值，隨后迅速增大;在黏度允許的范圍內(nèi)，氣流速度越大，纖維越細(xì)長(zhǎng)．采用噴吹工藝制備礦渣棉高爐渣酸度系數(shù)控制在1.2～1.3之間，噴吹氣體壓力控制在0.3MPa左右，纖維質(zhì)量較好．

關(guān)鍵詞:

高爐渣;礦渣棉;噴吹;酸度系數(shù);壓力

高爐渣是煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品，每冶煉1t生鐵可產(chǎn)生300～350kg的高爐渣［1，2］．目前我國(guó)大多數(shù)高爐渣采用水淬法進(jìn)行處理，如因巴法、輪法、底濾法等．但水淬法需要消耗大量的水，在白白浪費(fèi)掉大量熔渣顯熱的同時(shí)，又產(chǎn)生H2S、SO2等有害氣體污染環(huán)境［3，4］．目前利用高爐渣的主要方面是制作建筑材料，如水泥、混凝土的摻合料、石膏、空心磚、筑路填料等，其附加值較低［5～7］．礦渣棉具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸聲性能好、廉價(jià)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)和民用建筑等方面．液態(tài)高爐渣直接噴吹成纖，熔渣的顯熱回收利用率在80%以上［8，9］，同時(shí)與國(guó)家節(jié)能減排的政策相吻合，是實(shí)現(xiàn)高爐渣高附加值利用的有效途徑［10，11］．

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料本試驗(yàn)原料取自唐山某鋼廠的高爐原渣，采用鐵尾礦作為調(diào)質(zhì)劑．原料經(jīng)過(guò)破碎、烘干后，進(jìn)行成分檢測(cè)．檢測(cè)依據(jù):《巖石礦物分析》(第四版);主要儀器設(shè)備:TP－214電子天平、滴定管和比色計(jì)．得到高爐渣和鐵尾礦化學(xué)成分如表1．原料成分是否符合生產(chǎn)礦渣棉的要求，通常用以下3個(gè)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)來(lái)衡量:酸度系數(shù)、黏度系數(shù)和氫離子指數(shù)pH，其中酸度系數(shù)是高爐渣能否作為制取礦渣棉原料最重要的參數(shù)．一般來(lái)說(shuō)酸度系數(shù)控制在1.2～1.4范圍時(shí)高爐渣較容易制成礦渣棉纖維［12～14］．本試驗(yàn)中采用的原渣的酸度系數(shù)為1.01.將高爐渣的化學(xué)成分與利用Factsage6.4熱力學(xué)軟件繪制的SiO2－Al2O3－CaO三元系統(tǒng)中冶金礦渣和火成巖的狀態(tài)圖(如圖1所示)中礦渣棉的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍(SiO236%～68%，Al2O35%～28%，CaO23%～48%)進(jìn)行比較可知，原渣的成分含量不在形成礦渣棉的成分范圍內(nèi)．所以當(dāng)用原渣做礦渣棉原料時(shí)，應(yīng)該添加調(diào)質(zhì)劑對(duì)原渣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理［12～14］．不同酸度系數(shù)的配料比例如表2所示.

1.2試驗(yàn)裝置本試驗(yàn)采用自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成纖裝置主要包括直流電弧爐、導(dǎo)流槽、高速氣流噴嘴等．

1.3試驗(yàn)方法首先向電弧爐內(nèi)加入少量焦炭，引燃電弧，逐步提高功率;待焦炭紅熱、爐襯溫度達(dá)到800℃后，多批次、少批量的將預(yù)先配置好的混合料通過(guò)加料口緩慢加入;當(dāng)物料全部融化后，進(jìn)行測(cè)溫;根據(jù)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充加熱，達(dá)到預(yù)期溫度(1500℃左右)后停止加熱，準(zhǔn)備出渣;將電極上升到最高點(diǎn)后，向加料側(cè)旋轉(zhuǎn)電極立柱，使?fàn)t體傾動(dòng)時(shí)不與電極發(fā)生碰撞;傾動(dòng)爐體，將熔渣通過(guò)出渣口倒入末端裝有高壓噴嘴的渣槽，在0.25～0.45MPa的氣壓下噴吹成纖，所得纖維如圖3所示.

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1酸度系數(shù)對(duì)纖維質(zhì)量的影響酸度系數(shù)是高爐渣能否滿足礦渣棉原料要求的一個(gè)重要參數(shù)，是指熔渣中所含酸性氧化物和堿性氧化物的質(zhì)量比.酸度系數(shù)過(guò)高時(shí)，制成的纖維可能較長(zhǎng)，化學(xué)穩(wěn)定性得到改善，使用溫度提高，但較難熔化，纖維較粗［12，13］．GB/T5480－2008規(guī)定建筑用纖維直徑應(yīng)小于7μm，當(dāng)酸度系數(shù)為1.4時(shí)，纖維直徑最大為5.9μm，均符合國(guó)標(biāo)要求．圖4為纖維直徑隨酸度系數(shù)的變化規(guī)律，可以看出隨著酸度系數(shù)的增大，纖維直徑呈增大趨勢(shì)．因?yàn)殡S著酸度系數(shù)變大，增加了復(fù)合改性礦渣纖維中網(wǎng)絡(luò)形成元素Si和Al的含量，直接導(dǎo)致礦渣熔點(diǎn)、熔體表面張力以及黏度等指標(biāo)發(fā)生了復(fù)雜變化．一般來(lái)說(shuō)當(dāng)酸度系數(shù)逐漸增大時(shí)，熔渣黏度也隨之增大，導(dǎo)致熔渣內(nèi)部黏滯力明顯增大，進(jìn)而使得纖維直徑有增大趨勢(shì)．利用S－4800掃描電鏡(SEM)觀察不同酸度系數(shù)下高爐渣纖維的表觀形貌．如圖5所示，當(dāng)酸度系數(shù)在1.0～1.3范圍內(nèi)時(shí)，纖維較細(xì)，且表面光滑;隨著酸度系數(shù)的增大，纖維逐漸變粗，同時(shí)有渣球出現(xiàn)，纖維質(zhì)量變差．綜上所述，酸度系數(shù)在1.0～1.3時(shí)，礦渣棉表觀特征較好，在制取礦渣棉時(shí)高爐渣酸度系數(shù)應(yīng)控制在1.3以內(nèi)．GB/T3007－2006規(guī)定建筑用纖維含水率應(yīng)小于10%．圖6為纖維含水率與酸度系數(shù)的關(guān)系，由圖可知，酸度系數(shù)在1.0～1.2時(shí)，纖維含水率變化不大，在0.35%左右．當(dāng)酸度系數(shù)為1.3時(shí)含水率為0.12%，出現(xiàn)谷值，隨后含水率迅速增大．由于當(dāng)纖維含水率過(guò)高時(shí)，某些化學(xué)物質(zhì)如Na2O，K2O等會(huì)從纖維中分離溶入到水中，浸出的化學(xué)組分附著在纖維表面，使纖維產(chǎn)生強(qiáng)弱點(diǎn)的區(qū)別，導(dǎo)致纖維最終斷裂、粉化;當(dāng)纖維含水率過(guò)低時(shí)，導(dǎo)致纖維抗拉強(qiáng)度和韌性迅速減弱．因此應(yīng)選擇合適的酸度系數(shù)以滿足對(duì)纖維的質(zhì)量要求，最佳酸度系數(shù)應(yīng)控制在1.2～1.3之間．

2.2氣體壓力對(duì)纖維直徑的影響經(jīng)過(guò)研究，噴吹高爐熔渣直接成纖過(guò)程可以分為4個(gè)階段:1)高爐熔渣表明形成擾動(dòng)波;2)由于剪切力作用，使高爐熔渣破碎成不規(guī)則形狀的大液團(tuán);3)在氣流的沖刷下繼續(xù)破碎成液滴;4)纖維形成．本試驗(yàn)采用的噴嘴可以得到超音速的氣流速度．通過(guò)改變氣體壓強(qiáng)得到不同的氣體流速，從而得到粗細(xì)不同的纖維，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果畫(huà)出纖維直徑隨氣體壓力的變化規(guī)律見(jiàn)圖7．高速氣體噴吹高爐熔渣過(guò)程中，由于Rayleigh－Taylor不穩(wěn)定性，氣液兩相接觸時(shí)會(huì)在液態(tài)渣表面產(chǎn)生細(xì)小的擾動(dòng)波，擾動(dòng)波逐漸擴(kuò)大并且由表面逐漸深入到內(nèi)部，直到高爐熔渣無(wú)法承受剪切力而導(dǎo)致破碎．高爐熔渣的破碎首先按照其結(jié)構(gòu)特征沿著波谷破碎成大液團(tuán)，然后在氣流的沖刷下使大液團(tuán)進(jìn)一步破碎，形成分散的液滴．隨后液滴在氣流的拖拽力及熔渣黏性力的作用下拉伸成纖維．纖維直徑的大小與氣流從噴嘴噴出的速度有很大關(guān)系．在黏度允許的范圍內(nèi)，氣流速度越大，纖維越長(zhǎng)越細(xì)．

3結(jié)語(yǔ)

(1)高爐渣的成分不在形成礦渣棉的成分范圍內(nèi)，當(dāng)用單純的高爐渣做礦渣棉原料時(shí)，制取的礦渣棉渣球較多，韌性較差，應(yīng)該添加調(diào)質(zhì)劑將高爐渣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理．(2)隨著酸度系數(shù)的增加，纖維直徑呈增長(zhǎng)趨勢(shì)．當(dāng)酸度系數(shù)在1.0～1.3時(shí)，直徑變化不大，纖維較細(xì)，且表面光滑;超過(guò)1.3后纖維直徑明顯增加，纖維逐漸變粗，同時(shí)有渣球出現(xiàn)，纖維質(zhì)量變差．(3)當(dāng)酸度系數(shù)在1.0～1.2時(shí)纖維含水率變化不大，在0.35%左右．當(dāng)酸度系數(shù)為1.3時(shí)含水率出現(xiàn)谷值，隨后含水率迅速增大．(4)在黏度允許的范圍內(nèi)，氣流速度越大，纖維越細(xì)長(zhǎng)．(5)采用噴吹工藝制備礦渣棉，高爐渣酸度系數(shù)控制在1.2～1.3之間，噴吹氣體壓力控制在0.3MPa左右，纖維質(zhì)量較好．

作者：張良進(jìn) 龍躍 李智慧 杜培培 單位：華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院 華北理工大學(xué) 現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院