【摘 要】
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钢渣是我国钢铁工业产生的主要废物,年产量大,但利用率低。钢渣长期堆放不仅占用土地,还会造成水土污染和资源浪费。为解决上述问题,本文以转炉钢渣为研究对象,将钢渣高温重构工艺与钢渣氧化技术相结合,回收利用钢渣中的铁资源和热量,在获得H2、CO两种优质气体能源的同时促进钢渣中游离CaO消解,改善钢渣体积稳定性,从而实现钢渣高效利用,为钢铁工业推行绿色制造提供新思路。首先本文在转炉钢渣化学成分分析基础上,
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钢渣是我国钢铁工业产生的主要废物,年产量大,但利用率低。钢渣长期堆放不仅占用土地,还会造成水土污染和资源浪费。为解决上述问题,本文以转炉钢渣为研究对象,将钢渣高温重构工艺与钢渣氧化技术相结合,回收利用钢渣中的铁资源和热量,在获得H2、CO两种优质气体能源的同时促进钢渣中游离CaO消解,改善钢渣体积稳定性,从而实现钢渣高效利用,为钢铁工业推行绿色制造提供新思路。首先本文在转炉钢渣化学成分分析基础上,借助FactSage软件对钢渣重构过程中的热力学行为进行模拟。结果表明:碱度对重构钢渣的平衡物相组成、含铁相分布及变化和RO相中各组分分布及变化影响较大,MgO含量和MnO含量影响较小。提高碱度、MgO含量和MnO含量均有利于RO相优势析出,但会导致RO相中FeO含量降低。从1600°C冷却至室温,碱度1.13～2.42渣系中RO相逐渐转变为磁铁矿型尖晶石相,碱度1.83和2.42渣系中a-Ca2SiO4依次转变为a’Ca2SiO4、Ca3Mg Si2O8和橄榄石相。接着本文开展了钢渣高温重构实验研究。结果表明:碱度对重构钢渣矿物组成和显微形貌影响较大,MgO含量和MnO含量影响较小。碱度1.13时主要含铁相为橄榄石相,碱度1.43～2.42时均为RO相。碱度1.43时和1.83时,含钙矿相主要为硅酸二钙,碱度2.42时转变为硅酸三钙,此外还有少量游离CaO。钢渣中铁元素赋存形式以Fe2+为主,Fe3+次之,金属Fe最少。然后本文采用非等温和等温两种加热模式,研究了重构钢渣在H2O和CO2环境中的氧化反应特性。非等温实验结果表明:随氧化温度升高,H2O氧化过程中H2生成速率出现了两个峰值,CO2氧化过程中CO生成速率只出现一个峰值,且在500°C～550°C之间几乎为0。各种成分重构钢渣的H2和CO生成量均随温度升高和碱度提高而增大。总体来看,碱度对重构钢渣非等温氧化反应影响较大,MnO含量和MgO含量影响较小。等温实验结果表明:600°C～800°C内,碱度1.13、1.43和2.42重构钢渣在H2O和CO2两种环境下的氧化过程均可分为快速氧化阶段（0～2000s）和慢速氧化阶段（2000～7220s）。反应时间越长,氧化温度越高,碱度越大,H2和CO生成量也越大。H2和CO生成量最大值由碱度2.42重构钢渣在800°C时取得,分别为24.3cm3×g-1和23.1cm3×g-1。总体来看,碱度对重构钢渣等温氧化过程影响最大,氧化温度次之,反应时间影响最小。最后本文开展了重构钢渣动力学研究。结果表明:非等温氧化过程中,碱度对反应活化能的影响大于MnO含量和MgO含量。H2O等温氧化过程中,反应速率在转化率0～0.3时受外扩散、内扩散及界面反应限制,转化率0.3～1.0时由金属阳离子从基体向产物层外扩散控制。CO2等温氧化过程中,反应速率在转化率0～0.5时由表面反应和相边界反应控制,转化率0.5～1.0时转变为扩散反应控制。
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