参考申请书报告正文

水泥混合材用钢渣重构过程中RO相形成和MgO再析晶控制的研究

（一）立项依据与研究内容：

1、项目的立项依据。

钢渣是炼钢过程中排出的废渣，一般钢渣的排放量约为钢产量的15-20%[1]。全球每年排放数亿吨钢渣。进入21世纪以来，我国钢铁行业发展迅速，2005年我国的钢产量达到3.49亿吨，全年排放钢渣近5000万吨，2006年我国的钢产量为4.18亿吨，全年排放钢渣近6000万吨。据中钢协预计，2007年我国钢产量将达到4.8亿吨，全年钢渣排放量将达7000-9000万吨。全国钢渣累计积存量已达数亿吨，甚至更高。大量钢渣弃置堆积，既污染环境又占用大量的土地，同时造成了资源的浪费（因为钢渣具有综合利用的潜力，可以认为是一种“放错位置的资源”），影响钢铁工业的可持续发展，亟待解决[2,3]。因此，有必要对钢渣进行减量化、资源化和高价值综合利用研究，使之变废为宝。如何实现钢渣高效的回收利用，是我国钢铁工业以及建材工业等相关产业面临的重要课题之一。虽然据文献资料报道，钢渣综合利用的途径很多[4-10]，但是，无论国内还是国外，目前钢渣的利用多是用于筑路和回填等工程[11]，附加值较低，而高附加值利用的研究成果相对较少、可以工程化应用的成果更是明显偏低。

对钢渣组成分析表明，钢渣含有类似于硅酸盐水泥熟料的一些矿物，如C3S、C2S及铁铝酸盐相等，具有潜在的胶凝性，理论上讲，完全可以用作水泥混合材料和混凝土掺合料。水泥是世界上用量最大的工程材料，我国是当今世界上经济发展最快、基本建设规模最大的国家，水泥和混凝土的需求量在逐年增加。然而，生产水泥对资源和能源的消耗较大，而且排放大量CO2。如果通过对钢渣进行优质化处理，使其可以作为混合材料代替部分熟料生产高性能钢渣复合水泥，或者作为掺合料用于混凝土生产，既可减轻水泥工业对资源、能源和环境的压力，也可解决钢铁工业废弃物产生的环境问题。对此人们已进行了一些研究，然而，目前该领域研究成果的工程化应用还非常低。钢渣的综合利用，在一些发达国家已接近或达到排用平衡，但是高附加值利用较少，在水泥及混凝土方面利用的效率还相当低。日本的钢渣在水泥生产中的利用率不到6%；德国的钢渣也多用作集

料，很少用于水泥；美国也只有约1%的水泥生产利用了钢渣。我国以中国建筑材料科学研究院为代表的一些科研单位和高校，在20世纪70年代初，便开始钢渣作为水泥混合材的研究。如今，在这方面的研究已处于世界前列。然而，研究成果的实际应用效果还很不理想。目前，我国钢渣回收利用率约为50-60%，但是按资源性和有效性评定，我国钢渣实际利用率仅为40%左右，而且仅有10%用于建材领域，其中只有约3%用于水泥。

根据已有的研究可知，活性偏低和体积稳定性差是制约钢渣在水泥和混凝土生产中应用的两个根本原因。要使钢渣在水泥和混凝土生产中得到资源化高效利用，首先要解决这两方面问题。对此许多学者进行了广泛的研究，但是，至今尚未得到很好的解决。因此，迫切需要采用一种新的技术和方法，对钢渣进行优质化处理，提高其活性、改善其体积稳定性。已知钢渣的性能取决于它的组成、结构和热历史等，为此，我们进行了钢渣在线重构的研究，即在炼钢过程中排渣的同时，向熔态钢渣中加入少量的钙质、硅质、铝质等原料，利用刚出炉熔态钢渣的余热，使添加的原料与钢渣再次进行物相形成反应，在钢渣中形成高活性矿物，同时减少或消除有害组分的含量，改善钢渣的体积稳定性，从本质上克服钢渣存在的固有缺陷，实现钢渣的优质化处理，为其在水泥和混凝土方面高效、大量的应用奠定基础。

体积稳定性差是制约钢渣高效利用的本质原因。体积稳定性差的钢渣，即使用作非活性的填充材料，也受到极大的限制。如山东济南地区，某公路用含MgO 较高的钢渣作为垫层材料，数年后由于游离MgO水化产生的体积膨胀，仍然导致路面隆起和开裂。用作混凝土骨料也会存在体积稳定性问题，据网络媒体报道[12]，浙江某水泥有限公司新建的2座Φ60×21.8m，贮量10万吨的水泥熟料贮库，由于采用了含MgO较高的钢渣作为耐热混凝土的骨料，完工一年后，先后坍塌，造成巨大的经济财产损失。影响钢渣体积稳定性的主要原因是钢渣中含有较多的经受高温作用的游离CaO和MgO。游离CaO相对比较容易处理，通过陈化、适当提高粉磨细度，或者热闷等工艺处理，一般可以使其达到安定性合格。但是对于MgO，采用以上方法处理，则难以保证其体积稳定性合格。MgO对钢渣体积稳定性的影响取决于它在钢渣中的含量及其存在形态，特别是MgO的存在形态，是决定钢渣压蒸安定性的最主要因素。钢渣中的MgO，由于组成和工艺条件等

不同，有三种存在形式：即化合态（钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石等）、RO相（二价金属氧化物MgO、FeO、MnO的无限固溶体）和游离态（方镁石晶体）。三种形态的MgO对安定性有不同的影响：化合态的MgO对钢渣体积稳定性没有影响，游离态MgO会引起体积膨胀，这些已得到广泛的认同；但是，关于RO相对体积稳定性的影响，目前有不同的观点[13]。有学者认为[14]，RO相的形态及其对钢渣安定性的影响视钢渣组成而定：MgO/(FeO+MnO)<1时，RO相为方铁矿相，不影响钢渣的体积稳定性；MgO/(FeO+MnO)>1时，RO相为方镁石相，会引起体积膨胀；MgO/(FeO+MnO)=1时，以上两种情况都有可能。Geiseler和Schlosser通过实验观察到，当RO相中MgO的含量超过70%时，遇水不稳定，若MgO-FeO相中含有CaO时，在短时间内就会产生膨胀。另有学者根据

MgO/FeO的比例，将含MgO的RO相分为贫MgO方铁石、富MgO方铁石、铁方镁石和方镁石四类[15]，压蒸试验表明，不含FeO的RO相(方镁石)在2MPa条件下压蒸3h，MgO即转变为Mg(OH)2，砂浆试件表面有肉眼可见的裂缝；而贫MgO方铁石即使在5MPa条件下压蒸72h，仍然未与水反应；富MgO方铁石和铁方镁石在压蒸条件下会与水反应，但是试件没有产生可见裂纹，砂浆试件的线性膨胀值远低于ASTM的规定限值(0.8%)。另有学者研究认为[16]，RO相（MgO-MnO-FeO）不会影响沸煮安定性，在高温高压下也不能促使其水化，即在压蒸试验条件下，RO相仍是稳定的，不会膨胀。徐光亮[17]等对低碱度钢渣进行的高温高压水热反应研究时得到了类似的结果。

由上可见，人们关于RO相对钢渣的体积稳定性的影响尚未取得一致的看法，对RO相的形成机理还没有完全搞清楚，特别是，关于RO相形成的控制机理的研究很少，有待进一步研究。另外，在钢渣重构过程中，游离MgO可能产生再结晶的现象，MgO结晶体的发育程度、尺寸以及分布等均会影响钢渣的体积稳定性，所以需要研究MgO再析晶的规律。RO相的形成以及游离MgO的再结晶与钢渣的组成、杂质组分以及钢渣经历的热历史[18]等因素直接相关，因此，研究组成、杂质组分和热历史对RO相形成和MgO再析晶的影响规律和调控作用，弄清楚不同形态RO相的形成及其与体积稳定性的关系以及游离MgO的再结晶规律，对钢渣的资源化高效利用，具有重要的理论意义和实际意义。

通过对钢渣重构处理，优化钢渣的矿物相组成和结构，控制RO相的组成和