转炉钢渣综合利用的热力学研究

Over 100 million ton steel slag was produced per hear in China. From the viewpoint of its chemical composition, every part is a big amount of raw materials for metallurgy and other industry. However, such a complex composition makes its very difficult to be recovered and reused, even very difficult to be used as low valued contraction raw materials be cause of its special chemical and physical properties. In the project, based on the thermodynamic theory, the chemical and physical property of slag and its modification focus on the improvement of physical property would be studied, aimed to its application in huge amount. The phase precipitation progress would be studied, focused on separation of slag, aimed to its reuse and high valued recovery. The research in this project extends the slag study from it metallurgical property to a new direction: recovery and recycling. Based on the above researches, improve our basic knowledge on the metallurgical slag from viewpoint of metallurgy, mineral and material sconces, establish a solid scientific basic for slag modification according to different application requirement.

转炉钢渣是转炉炼钢过程中产生的一种固体废弃物,大量钢渣的弃置堆积占用土地、影响环境，因此转炉钢渣的循环利用是钢铁冶金技术研究的重要课题。我国目前的钢渣的资源化再利用主要包括三大难点，一是钢渣中有害元素高，特别是磷含量高。二是钢渣的化学成分复杂，其相对较高的碱度使得钢渣中会有大量的自由氧化钙不断析出，引起钢渣的体积膨胀从而导致材料体积失稳及强度降低，造成了钢渣在工程实际应用上的困难。此外，我国多元伴生、共生矿物时钢渣中还会含有诸如钒、钛等价值很高的合金资源，这些有价组分在钢渣中的品位较低，高附加值资源化利用的难度大，造成了有价资源的大量浪费。针对三大难点目前各自均有一系列的研究，本项目依据热力学计算和相图分析原理，希望通过钢渣改质处理，添加合适的改质剂，将磷和有价元素同时富集于不同矿物相中，并控制渣中自由氧化钙含量，完善钢渣循环和高附加值利用的理论基础。

转炉钢资源化再利用目前有三大难点，一是钢渣中磷含量高；二是钢渣中自由氧化钙不断析出，导致钢渣安定性差，在工程实际应用上困难；三是钢渣中的一些有价元素如钒等高附加值资源化利用难度大。针对这些问题，本项目通过钢渣改质的方式，添加合适的改质剂，将磷和有价元素富集于不同矿物相中，并控制渣中自由氧化钙含量。研究表明，在转炉钢渣中，磷元素主要依存于C2S相中，在铁酸盐、方镁石和基质相中含量极少，只要控制好C2S的生成量，就可实现磷元素在C2S相中的优质富集。转炉钢渣的SiO2改质表明，通过SiO2改质，转炉钢渣中的高硬度矿相C2F逐渐减少并消失，SiO2与C2S、自由氧化钙反应，使相对硬度较低的C2S相含量增加，钢渣安定性增强。P主要富集在C2S相中，合理控制钢渣中C2S相的析出量，就能实现磷的有效富集。而在Al2O3改质过程中，随着Al2O3加入量的增加，合成钢渣的矿相组织发生变化，渣中C2F含量不断减少，转变为铁铝酸盐，甚至出现尖晶石类组织。Al2O3可选择性地改变转炉钢渣中高硬度C2F的性质，使之转变为铁铝酸盐，这有利于改善转炉钢渣的易磨性。但Al2O3改质对于渣中C2S和MgO的影响不大，渣中磷元素仍主要富集于C2S相中。而随着SiO2加入量的增加，渣中Ca/Si降低，加入的SiO2与钢渣中自由CaO及C3S反应生成C2S，过量的C2S、SiO2将与MgO融合，渣中硅钙相发生转变：C2S→C3MS2→CMS，方镁石相逐渐溶入硅钙相中，实验结果与理论分析基本一致。渣中方镁石的减少将有利于提高钢渣的安定性。而对于含钒含磷的钢渣，控制合适的SiO2加入量，可使P富集于C2S相中，而V富集于钒铁尖晶石中，从而实现钢渣中磷和钒的分别富集。此外，本项目还研究了钢渣SiO2改质后的自粉化现象，明确了自粉化钢渣中C2S生成量的理论计算方式。本项目研究成果将为转炉钢的进一步资源化再利用提供科学依据。