【摘要】：針對(duì)高爐渣水淬處理工藝中顯熱回收率低、水消耗量大且污染環(huán)境、高附加值利用率低的現(xiàn)狀,利用高爐熔渣配加適量調(diào)質(zhì)劑直接噴吹成纖工藝生產(chǎn)礦渣棉,可高效利用熔渣顯熱,同時(shí)實(shí)現(xiàn)高附加值利用,且生產(chǎn)過程不消耗水資源、不產(chǎn)生H2S、SO2等有毒氣體,具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。然而目前調(diào)質(zhì)高爐熔渣直接噴吹成纖工藝之所以未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,主要是由于高爐熔渣調(diào)質(zhì)、析晶控制以及調(diào)質(zhì)過程中的熱質(zhì)傳輸?shù)确矫嫔行柽M(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究。本文采用熱力學(xué)計(jì)算模擬、微觀分析、熱態(tài)實(shí)驗(yàn)及半工業(yè)化試驗(yàn)相結(jié)合的方法,分析了高爐渣與調(diào)質(zhì)劑的相關(guān)物化性能,研究了調(diào)質(zhì)高爐熔渣的析晶行為、粘度行為、調(diào)質(zhì)劑的調(diào)質(zhì)特性、高爐熔渣析晶控制機(jī)理、調(diào)質(zhì)過程的熱量變化規(guī)律,構(gòu)建了調(diào)質(zhì)劑熔化及擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)學(xué)模型,提出了一種利用高爐熔渣直接噴吹制備礦渣纖維的方法,進(jìn)行了高爐熔渣調(diào)質(zhì)成纖的半工業(yè)化試驗(yàn),為高爐熔渣直接成纖調(diào)質(zhì)工藝的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。研究過程中從分析高爐渣及調(diào)質(zhì)劑的基本成分、礦物特征、粘度行為入手,結(jié)合礦渣棉生產(chǎn)原料成分設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo),提出了高爐熔渣調(diào)質(zhì)的目標(biāo)要求。進(jìn)而基于SiO2-CaO-MgO-Al2O3四元渣系礦相變化的特點(diǎn)及析晶熱力學(xué)計(jì)算,研究了調(diào)質(zhì)熔渣體系中各類礦物的析晶開始溫度、析出量以及相互影響規(guī)律,探索了以鐵尾礦為調(diào)質(zhì)劑的熔渣體系析晶傾向最小的區(qū)域位于鎂黃長(zhǎng)石與鈣長(zhǎng)石的低共熔線附近或位于鎂黃長(zhǎng)石、假硅灰石與鈣長(zhǎng)石低共熔點(diǎn)附近,以粉煤灰為調(diào)質(zhì)劑的熔渣體系析晶傾向最小的區(qū)域位于鈣長(zhǎng)石、鎂黃長(zhǎng)石及尖晶石低共熔點(diǎn),鋁黃長(zhǎng)石、鎂黃長(zhǎng)石及尖晶石低共熔點(diǎn)或鎂黃長(zhǎng)石與鈣長(zhǎng)石的低共熔線附近的狹長(zhǎng)區(qū)域。在研究調(diào)質(zhì)熔渣析晶行為基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了鐵尾礦、粉煤灰對(duì)熔渣體系物化性能的衍變規(guī)律。隨調(diào)質(zhì)劑配比增加：熔渣的Mk、Mη和K/O逐漸升高,氫離子指數(shù)逐漸降低,適宜成纖粘度的溫度區(qū)間逐漸變寬；熔化性溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì),當(dāng)Mk高于1.4時(shí),熔化性溫度約為1300℃,且變得粘稠；熔渣冷卻過程中析晶能力降低,玻璃相增多,礦物析出量減少,Mk高于1.2時(shí),爐渣中未發(fā)現(xiàn)析出礦物,而形成均勻的玻璃相。以鐵尾礦、粉煤灰為調(diào)質(zhì)劑時(shí),熔渣適宜成纖的酸度系數(shù)范圍為1.2～1.4,而以混合物為調(diào)質(zhì)劑時(shí),適宜成纖的酸度系數(shù)范圍為1.3～1.4；綜合各類調(diào)質(zhì)劑的調(diào)質(zhì)效果可知：鐵尾礦最好、混合物次之、粉煤灰相對(duì)較差。研究了工藝條件變化對(duì)高爐熔渣析晶的影響規(guī)律,結(jié)果表明：?jiǎn)我桓淖児に嚄l件,來控制熔渣的析晶行為,難以全部形成均勻的玻璃相。利用FactSage熱力學(xué)軟件的平衡凝固模塊、Sheil-Cooling模塊模擬計(jì)算和熱態(tài)實(shí)驗(yàn),研究了化學(xué)成分變化對(duì)高爐渣析晶的影響規(guī)律,確定了析晶控制的方向,其研究結(jié)果表明：當(dāng)堿度為1.1～0.8時(shí),隨堿度降低,熔渣的開始析晶溫度降低,析晶量減少,玻璃相含量增加,黃長(zhǎng)石類礦物粒度有變粗的趨勢(shì)；提高冷卻強(qiáng)度,可抑制黃長(zhǎng)石類礦物、尖晶石類礦物的析出,白榴石消失,可促進(jìn)鈣長(zhǎng)石、輝石類礦物的析出,硅灰石類礦物、橄欖石類礦物開始出現(xiàn)。當(dāng)A1203含量為14.0%-17.5%,隨Al2O3含量增加,熔渣的開始析晶溫度略有升高,析晶量略有降低,黃長(zhǎng)石類礦物粒度有變細(xì)的趨勢(shì)；提高冷卻強(qiáng)度,可抑制黃長(zhǎng)石類礦物、尖晶石類礦物的析出,白榴石消失,可促進(jìn)輝石類礦物的析出。當(dāng)MgO含量為9.0%～11.0%時(shí),隨MgO含量增加,熔渣的開始析晶溫度、析晶量變化不大,提高冷卻強(qiáng)度,析晶量有降低的趨勢(shì),黃長(zhǎng)石類礦物的粒度有變粗的趨勢(shì)；提高冷卻強(qiáng)度,可抑制鈣長(zhǎng)石與尖晶石類礦物的析出,白榴石消失,輝石類礦物、橄欖石類礦物開始出現(xiàn)。研究了調(diào)質(zhì)劑在熔渣中的熱質(zhì)傳輸規(guī)律,并構(gòu)建了調(diào)質(zhì)劑顆粒在熔渣浸沒過程中熔化時(shí)間t的數(shù)學(xué)模型、Si02分子擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)學(xué)模型,確定了調(diào)質(zhì)劑適宜的加入方式、粒徑范圍；研究表明：調(diào)質(zhì)劑顆粒半徑r小于臨界值時(shí),加入方式優(yōu)先選擇與熔渣直接接觸的方式；r高于臨界值時(shí),優(yōu)先選擇上部加入的方式；無論哪種加入方式,盡量選擇粒徑較小的調(diào)質(zhì)劑,縮短熔化時(shí)間。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了調(diào)質(zhì)劑在熔渣中的傳熱規(guī)律,探索了調(diào)質(zhì)劑配比與熔渣體系溫度變化規(guī)律、流動(dòng)性變化規(guī)律、補(bǔ)熱量的內(nèi)在聯(lián)系,并繪制了調(diào)質(zhì)劑配比與熔渣體系溫度、爐渣流動(dòng)性溫度、補(bǔ)熱量的協(xié)同調(diào)控圖。最后,以Mk為1.2-1.4調(diào)質(zhì)高爐熔渣為原料,進(jìn)行高爐熔渣調(diào)質(zhì)直接噴吹成纖的半工業(yè)化試驗(yàn),制得了直徑小于3μm,渣球含量低于5.14%,成棉率高于70%的礦渣纖維,其質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TF534
【圖文】：

流動(dòng)性并不一定好，因此更具有實(shí)際意義的是爐渣的烙化性溫度，即爐逡逑渣從不能流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茏杂闪鲃?dòng)的溫度。選擇爐渣的烙化溫度時(shí)，必須兼顧爐逡逑渣流動(dòng)性和爐缸熱量?jī)煞矫娴囊蛩�。化學(xué)成分對(duì)爐渣格化溫度的影響見圖１．１逡逑所示。逡逑0０邋Ｓ邋１０邋１５邋２０邋２３邋？邋？５邋化邋＜５邋Ｍ邋矜邐ＣｉＯ邋５邋ＩＲ邋１３邋３０邋２？邋Ｍ邋３Ｓ邋４０邋４５邋ＭｆＯ逡逑ＡｌｚＯ；！卻％邐ＡｈＯ盧邋１０％逡逑。0邋５邋＂。＂。巧巧。＂Ｍ＊0邐￣５—￣＼ｔ＼Ｓ—￣？邋Ｋ—￣￣３５￣＾—￣４５￣？８0逡逑ＡＬ０產(chǎn)巧％邐Ａｈ0３＝２０％逡逑圖１．１邋ＣａＯ－Ｓｉ0２－ＭｇＯ－Ａｈ0３四元系烙化溫度圖逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｍｅｌｔｉｎｇ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ＣａＯ－Ｓｉ0２－Ｍ

流動(dòng)性并不一定好，因此更具有實(shí)際意義的是爐渣的烙化性溫度，即爐逡逑渣從不能流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茏杂闪鲃?dòng)的溫度。選擇爐渣的烙化溫度時(shí)，必須兼顧爐逡逑渣流動(dòng)性和爐缸熱量?jī)煞矫娴囊蛩��；瘜W(xué)成分對(duì)爐渣格化溫度的影響見圖１．１逡逑所示。逡逑0０邋Ｓ邋１０邋１５邋２０邋２３邋？邋？５邋化邋＜５邋Ｍ邋矜邐ＣｉＯ邋５邋ＩＲ邋１３邋３０邋２？邋Ｍ邋３Ｓ邋４０邋４５邋ＭｆＯ逡逑ＡｌｚＯ；！卻％邐ＡｈＯ盧邋１０％逡逑。0邋５邋＂。＂。巧巧。＂Ｍ＊0邐￣５—￣＼ｔ＼Ｓ—￣？邋Ｋ—￣￣３５￣＾—￣４５￣？８0逡逑ＡＬ０產(chǎn)巧％邐Ａｈ0３＝２０％逡逑圖１．１邋ＣａＯ－Ｓｉ0２－ＭｇＯ－Ａｈ0３四元系烙化溫度圖逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｍｅｌｔｉｎｇ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ＣａＯ－Ｓｉ0２－Ｍ

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2732151