钢渣助磨剂的助磨效果研究

钢渣助磨剂的助磨效果研究

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程 洲,李 琴,陶德晶,陶常亮,翟建平

(污染控制与资源化国家重点实验室,南京大学环境工程系,南京210046)

摘 要:以南京梅山钢铁厂钢渣为研究对象,对一种新型钢渣助磨剂的助磨效果进行了研究。结果表明:钢渣的主要化学成分为CaO 、S i O 2、A l 2O 3和M gO 等,其中C a O 含量高达36.8%。钢渣中只存在无定形类玻璃态物质,无矿物晶体相。助磨剂对粉磨的促进效果主要体现在粉磨前期(30m i n 以内)。粉磨20m i n 时,加助磨剂的钢渣粉磨样品中小于45 m 的颗粒明显多于空白样,45 m 筛余量和比表面积(勃氏)分别优化了24%和15%,同时强度活性指数也有所提高。

关键词:钢渣;助磨剂;45 m 筛余量;比表面积

中图分类号:TQ172.4+63 文献标识码:A 文章编号:1005 8249(2011)02 0003 04

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基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(新教师基金

20090091120007);江苏省科技厅自然科学基金-面上项目(BK2010368)

收稿日期:2011 01 20

粉磨工艺是最为常见的颗粒机械优化方式之一,广泛应用在水泥熟料、矿渣、钢渣,粉煤灰等硅酸盐材料的优化过程中。其主要功能是将待磨颗粒优化至适宜的粒度,形成特定的粒度级配,扩大比表面积,以达到增大材料的有效反应面积,增强其火山灰活性的目的。20世纪50~70年代,大型粉磨机械开始应用并逐步走向成熟。目前,由于节能及环保方面的考虑,各种提高粉磨效率的方法开始得到广泛研究,助磨剂的开发就是其中热点之一。作为一种化学添加剂,助磨剂必须在加入量很少的情况下(<1%)即可有效改善物料流动性并防止离子团聚,从而达到提高粉磨效率并降低粉磨时间的目的。传统助磨剂可以分为液体助磨剂和固体助磨剂,其基本成分大都属于有机表面活性物质。主要有:胺类、醇类、醇胺类、木质素磺酸盐

类、脂肪酸及其盐类、烷基磺酸盐类等[1]

。钢渣是炼钢过程中产生的废渣,排放量约为钢产

量的10%[2],全球每年大约产生14000万t [3]

。钢渣又是一种可重复利用的硅酸盐材料,欧洲的钢渣利用率已经达到了65%[4],美国甚至实现了排用平衡[5]

。相比之下,我国钢渣的利用率仅为10%,累积堆放钢

渣已达3亿t 以上

[6]

。堆积存放的钢渣,不仅占用了

大量农田,还对周围的生态环境造成了巨大的威胁。目前,即使利用率较高的发达国家,钢渣也主要应用于路基工程、工程回填料和沥青混凝土集料等低技术领域,而在水泥及混凝土等相对高附加值行业中的应用

并不广泛[3]

。如果能将钢渣通过磨细优化,将其加工成类似国标II 级粉煤灰的产品,不仅能够解决其存贮占地及环境问题,还可拓宽钢渣的应用领域并带来可观的经济效益[7]

。但是,目前钢渣粉磨优化及其相关助磨剂的研究却鲜见报道。

本文利用金陵石化研究所开发的一种新型复合助磨剂,以南京市梅山钢铁厂钢渣为研究对象,在全面研究钢渣各项理化性能的基础上,系统分析了该助磨剂对钢渣粉磨过程中45 m 筛余量、比表面积(勃氏)、粒度级配和强度活性指数的影响。为科学评价助磨剂效果提供了参考,同时也为拓宽钢渣的综合利用途径打下一定基础。

1 试验材料、设备与方法

1.1 试验材料

试验用钢渣样品取自南京市梅山钢铁厂,试验前均在105 条件下烘干至恒重。助磨剂为金陵石化研究院开发的新型复合助磨剂。水泥为小野田水泥厂生产。

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1.2 试验设备

ARL 9800型X射线荧光光谱仪(XRFS),D/M ax RA型旋转阳极X射线衍射仪(XRD),NEXUS870型傅立叶变换红外光谱仪(FT I R)。英国MASTERSI ZER 2000型激光粒度分析仪。FSY 150G型负压筛析仪(配45 m标准方孔筛)。DB T 127型电动式勃氏透气比表面积仪。S M 500型实验球磨机,规格为 500mm 500mm,转速为48r/m i n,标准球配,功率为1.5k W。

1.3 试验方法

每次粉磨试验钢渣的加入量为5kg,助磨剂掺量定为钢渣量的0.2%(10g)。助磨剂以喷雾的方式均匀喷洒在钢渣表面,与钢渣混合均匀后加入球磨机内。球磨时间为10、15、20、25、30、40、60、100m i n。球磨结束后,各粉磨时间均取部分样品进行45 m筛余量、比表面积(勃氏)的测定,20m in和60m in的样品进行颗粒粒度分布和强度活性指数的测定。粉磨样品的相关指标测定均参照 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 (GB/T1596 2005)中关于C类粉煤灰的标准进行。

2 试验结果与讨论

2.1 钢渣样品的理化性质

表1为钢渣常量化学成分(XRFS)的分析结果。从表1可看出,钢渣的主要化学成分为C a O、S i O2、A l2O3和M gO,与F类粉煤灰成分相比,C a O的含量偏高,而S i O2和A l2O3的含量偏低。可以认为样品钢渣是一种类似C类粉煤灰的硅酸盐材料。图1为钢渣矿物相组成(XRD)的分析结果,图1显示,与典型的粉煤灰XRD衍射图谱不同,样品钢渣的XRD衍射图谱只在20~35 之间出现了一个非常宽厚的无定形相衍射峰,没有任何矿物相的特征衍射峰出现,这表明样品钢渣中不存在粉煤灰中常见的石英,莫来石等矿物相,而只有无定形类玻璃态物质。样品钢渣的傅立叶变换红外图谱见图2,从中可得,除去OH-(3450c m 1和1655c m 1)和吸附水(1434c m 1)的特征振动峰外[8],只有S i O S i/Si O A l在1083c m 1附近的非对称伸缩振动峰和O S i O在478c m 1附近的弯曲振动峰存在,这从另一个方面说明钢渣中的确含较多的硅铝酸盐物质[9、10]。

表1 样品钢渣常量化学成分 /%

CaO S i O2A l2O3M gO Fe2O3T i O2K2O M nO N a2O SO3LO I 36.8432.7917.288.050.860.580.440.390.212.290.

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图1 样品钢渣X

射线衍射图谱

图2 样品钢渣红外图谱

2.2 45 m筛余量和比表面积(勃氏)

45 m筛余量和比表面积(勃氏)是评价粉末硅酸盐材料的两项重要参数,其中45 m筛余量更是国标GB/T1596 2005中规定的评价粉煤灰的重要指标之一。该标准规定, , 级粉煤灰的45 m筛余量必须小于12%和25%。从图3中以看出,无论是否加入助磨剂,粉磨过程对钢渣细度的优化效果都主要集中在前30m in。以空白样为例,粉磨的前30m i n内,钢渣45 m筛余量从原渣的98%降到了15.7%,平均每m in降低2.7%;而在粉磨的后70m i n内,45 m筛余量仅从15.7%降低到了4.6%,平均每分钟仅降低0.2%。比表面积的变化也呈现相似的规律,但不如45 m筛余量明显。同时,助磨剂对钢渣粉磨效果的促进作用也主要体现在粉磨前期(30m i n以内、图3),而粉磨后期(30m i n以后、图4)则不再明显。粉磨20m i n时,空白样45 m筛余量为31.5%,比表面积为113m2/kg,而加入助磨剂后,45 m筛余量和比表面积却达到了25.4%与130m2/kg,分别优化了24%与15%。与20m i n形成对比的是,粉磨60m in时,加入助

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