高炉渣是炼铁过程中产生的副产品,其化学组成主要为CaO、SiO2、MgO和A12O3,与天然矿石和硅酸盐水泥相似,是一种较好的二次资源。高炉渣的出炉温度较高,为1400～1550℃,吨渣含1260～1880MJ的熔渣显热,相当于43～64kg标准煤的热值。目前,高炉渣的资源化多应用于建材行业、环保行业、农业和化工行业,高炉熔渣所蕴含的熔渣显热并未得到高效利用,造成了大量能源的浪费。利用高炉熔渣直接成纤工艺生产矿渣纤维,既可实现高炉渣的资源化利用,又可高效利用高炉熔渣的熔渣显热,是一种高炉渣的高附加值利用方式。在高炉渣制备矿渣纤维的过程中,熔渣在冷却时会有不同程度的析晶倾向。高炉渣中晶体的析出将导致纤维的断裂以及强度的降低,从而对纤维的性能产生不利影响。针对该问题,以高炉渣为研究对象,采用FactSage热力学模拟、微观分析和热态实验的研究方法,对高炉熔渣的析晶行为进行了研究,明晰了高炉熔渣冷却过程中矿物的转化规律,确定了熔渣的开始析晶温度以及开始析晶温度控制相。以CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元渣系为研究对象,对碱度、MgO含量和Al2O3含量对高炉渣析晶行为的影响进行了探析,确定了高炉渣的调质机制。在此基础上,以铁尾矿、粉煤灰和煤矸石为调质剂对高炉渣进行了调质处理,研究了不同调质剂对高炉渣析晶行为的调节机制,确定了最优的调质剂种类以及添加量。此外,在实验室研究的基础上,对粉煤灰调质高炉渣的成纤过程进行了半工业化实验研究,为高炉渣的资源化利用奠定了实验和理论基础。研究结果表明,高炉熔渣的开始析晶温度约为1350℃。受到动力学因素的影响,该结果低于FactSage热力学模拟结果。冷却过程中高炉渣析出的主要矿相为钙铝黄长石相和镁黄长石相。此外,还会有辉石相、硅钙石相、镁橄榄石相和钙铝石相析出。高炉熔渣的开始析晶温度受黄长石相析出的控制。黄长石和辉石晶体的生长指数n的平均值分别为2.07和1.89,析晶活化能分别为324和384kJ/mol。黄长石的析晶机制为体积形核、一维方向生长。辉石相的析晶机制介于表面形核、一维方向长大两者之间。高炉熔渣的晶体平均生长速率随着冷却温度的降低呈现先增加后减小的趋势,熔渣冷却至1300℃时,熔渣晶体的平均生长速率最大。高炉熔渣的开始析晶温度以及熔渣中晶体的析出量随着冷却速率的增加而降低,熔渣的临界冷却速率为6℃/s。在矿渣纤维成型所要求熔体黏度范围内,高炉熔渣的温度为1337～1371℃,温度区间为34℃,区间较窄,成纤过程不易控制,需调质处理。高炉熔渣碱度和MgO含量的升高,会提高高炉渣的开始析晶温度和临界冷却速率,对高炉渣制备矿渣纤维产生不利影响。Al2O3含量的升高会降低高炉渣的开始析晶温度和临界冷却速率,有利于矿渣纤维的制备。在对高炉渣进行调质处理时,高炉渣的最适碱度为0.8。在此条件下,应适当提高渣中Al2O3含量,降低渣中MgO的含量。高炉渣经添加铁尾矿、粉煤灰和煤矸石调质处理后,可起到降低熔渣开始析晶温度和增宽成纤温度区间的效果。在对高炉渣进行调质处理时,铁尾矿、粉煤灰以及煤矸石的最优配加量分别为20%、15%和20%。在此调质条件下,三种调质高炉渣的成纤温度区间分别为122、131和116℃。20%铁尾矿和15%粉煤灰调质高炉渣的开始析晶温度均低于1000℃,而20%煤矸石调质高炉渣的开始析晶温度低于1150℃。高炉渣经调质后,开始析晶温度较低,成纤温度区间较宽,适合制备矿渣纤维。半工业化实验结果表明,粉煤灰调质高炉渣生产出的纤维直径随着粉煤灰含量的增加而逐渐变粗,粉煤灰添加量为20%和25%时,生产出的纤维直径不能达到国家标准。粉煤灰的加入提高了高炉渣的成纤率,但也增加了成纤过程中的电耗。粉煤灰添加量为15%时,可显著提高成纤率,同时电量消耗增加较少,生产出的纤维指标均满足国家矿物棉生产标准,适合制备矿渣纤维。