噴吹工藝參數對礦渣棉質量的影響范文

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《材料與冶金學報》2016年第一期

摘要:

采用調質高爐渣進行噴吹法制備礦渣棉試驗，對噴吹試驗所得纖維的表觀特性及性能進行檢測，探索噴吹工藝參數對纖維質量的影響規律．結果表明:高爐渣的成分含量不在形成礦渣棉的成分范圍內，應該添加調質劑對高爐渣作調質處理;隨著酸度系數的增加，纖維直徑呈增長趨勢;當酸度系數在1.0～1.2時纖維含水率變化不大，在1.3時含水率出現谷值，隨后迅速增大;在黏度允許的范圍內，氣流速度越大，纖維越細長．采用噴吹工藝制備礦渣棉高爐渣酸度系數控制在1.2～1.3之間，噴吹氣體壓力控制在0.3MPa左右，纖維質量較好．

關鍵詞:

高爐渣;礦渣棉;噴吹;酸度系數;壓力

高爐渣是煉鐵過程中產生的主要副產品，每冶煉1t生鐵可產生300～350kg的高爐渣［1，2］．目前我國大多數高爐渣采用水淬法進行處理，如因巴法、輪法、底濾法等．但水淬法需要消耗大量的水，在白白浪費掉大量熔渣顯熱的同時，又產生H2S、SO2等有害氣體污染環境［3，4］．目前利用高爐渣的主要方面是制作建筑材料，如水泥、混凝土的摻合料、石膏、空心磚、筑路填料等，其附加值較低［5～7］．礦渣棉具有質輕、導熱系數小、吸聲性能好、廉價等特點，廣泛應用于各種工業和民用建筑等方面．液態高爐渣直接噴吹成纖，熔渣的顯熱回收利用率在80%以上［8，9］，同時與國家節能減排的政策相吻合，是實現高爐渣高附加值利用的有效途徑［10，11］．

1試驗

1.1試驗原料本試驗原料取自唐山某鋼廠的高爐原渣，采用鐵尾礦作為調質劑．原料經過破碎、烘干后，進行成分檢測．檢測依據:《巖石礦物分析》(第四版);主要儀器設備:TP－214電子天平、滴定管和比色計．得到高爐渣和鐵尾礦化學成分如表1．原料成分是否符合生產礦渣棉的要求，通常用以下3個經驗指標來衡量:酸度系數、黏度系數和氫離子指數pH，其中酸度系數是高爐渣能否作為制取礦渣棉原料最重要的參數．一般來說酸度系數控制在1.2～1.4范圍時高爐渣較容易制成礦渣棉纖維［12～14］．本試驗中采用的原渣的酸度系數為1.01.將高爐渣的化學成分與利用Factsage6.4熱力學軟件繪制的SiO2－Al2O3－CaO三元系統中冶金礦渣和火成巖的狀態圖(如圖1所示)中礦渣棉的化學成分質量分數范圍(SiO236%～68%，Al2O35%～28%，CaO23%～48%)進行比較可知，原渣的成分含量不在形成礦渣棉的成分范圍內．所以當用原渣做礦渣棉原料時，應該添加調質劑對原渣進行調質處理［12～14］．不同酸度系數的配料比例如表2所示.

1.2試驗裝置本試驗采用自主研發的實驗平臺，成纖裝置主要包括直流電弧爐、導流槽、高速氣流噴嘴等．

1.3試驗方法首先向電弧爐內加入少量焦炭，引燃電弧，逐步提高功率;待焦炭紅熱、爐襯溫度達到800℃后，多批次、少批量的將預先配置好的混合料通過加料口緩慢加入;當物料全部融化后，進行測溫;根據測溫結果進行補充加熱，達到預期溫度(1500℃左右)后停止加熱，準備出渣;將電極上升到最高點后，向加料側旋轉電極立柱，使爐體傾動時不與電極發生碰撞;傾動爐體，將熔渣通過出渣口倒入末端裝有高壓噴嘴的渣槽，在0.25～0.45MPa的氣壓下噴吹成纖，所得纖維如圖3所示.

2試驗結果及分析

2.1酸度系數對纖維質量的影響酸度系數是高爐渣能否滿足礦渣棉原料要求的一個重要參數，是指熔渣中所含酸性氧化物和堿性氧化物的質量比.酸度系數過高時，制成的纖維可能較長，化學穩定性得到改善，使用溫度提高，但較難熔化，纖維較粗［12，13］．GB/T5480－2008規定建筑用纖維直徑應小于7μm，當酸度系數為1.4時，纖維直徑最大為5.9μm，均符合國標要求．圖4為纖維直徑隨酸度系數的變化規律，可以看出隨著酸度系數的增大，纖維直徑呈增大趨勢．因為隨著酸度系數變大，增加了復合改性礦渣纖維中網絡形成元素Si和Al的含量，直接導致礦渣熔點、熔體表面張力以及黏度等指標發生了復雜變化．一般來說當酸度系數逐漸增大時，熔渣黏度也隨之增大，導致熔渣內部黏滯力明顯增大，進而使得纖維直徑有增大趨勢．利用S－4800掃描電鏡(SEM)觀察不同酸度系數下高爐渣纖維的表觀形貌．如圖5所示，當酸度系數在1.0～1.3范圍內時，纖維較細，且表面光滑;隨著酸度系數的增大，纖維逐漸變粗，同時有渣球出現，纖維質量變差．綜上所述，酸度系數在1.0～1.3時，礦渣棉表觀特征較好，在制取礦渣棉時高爐渣酸度系數應控制在1.3以內．GB/T3007－2006規定建筑用纖維含水率應小于10%．圖6為纖維含水率與酸度系數的關系，由圖可知，酸度系數在1.0～1.2時，纖維含水率變化不大，在0.35%左右．當酸度系數為1.3時含水率為0.12%，出現谷值，隨后含水率迅速增大．由于當纖維含水率過高時，某些化學物質如Na2O，K2O等會從纖維中分離溶入到水中，浸出的化學組分附著在纖維表面，使纖維產生強弱點的區別，導致纖維最終斷裂、粉化;當纖維含水率過低時，導致纖維抗拉強度和韌性迅速減弱．因此應選擇合適的酸度系數以滿足對纖維的質量要求，最佳酸度系數應控制在1.2～1.3之間．

2.2氣體壓力對纖維直徑的影響經過研究，噴吹高爐熔渣直接成纖過程可以分為4個階段:1)高爐熔渣表明形成擾動波;2)由于剪切力作用，使高爐熔渣破碎成不規則形狀的大液團;3)在氣流的沖刷下繼續破碎成液滴;4)纖維形成．本試驗采用的噴嘴可以得到超音速的氣流速度．通過改變氣體壓強得到不同的氣體流速，從而得到粗細不同的纖維，通過檢測結果畫出纖維直徑隨氣體壓力的變化規律見圖7．高速氣體噴吹高爐熔渣過程中，由于Rayleigh－Taylor不穩定性，氣液兩相接觸時會在液態渣表面產生細小的擾動波，擾動波逐漸擴大并且由表面逐漸深入到內部，直到高爐熔渣無法承受剪切力而導致破碎．高爐熔渣的破碎首先按照其結構特征沿著波谷破碎成大液團，然后在氣流的沖刷下使大液團進一步破碎，形成分散的液滴．隨后液滴在氣流的拖拽力及熔渣黏性力的作用下拉伸成纖維．纖維直徑的大小與氣流從噴嘴噴出的速度有很大關系．在黏度允許的范圍內，氣流速度越大，纖維越長越細．

3結語

(1)高爐渣的成分不在形成礦渣棉的成分范圍內，當用單純的高爐渣做礦渣棉原料時，制取的礦渣棉渣球較多，韌性較差，應該添加調質劑將高爐渣進行調質處理．(2)隨著酸度系數的增加，纖維直徑呈增長趨勢．當酸度系數在1.0～1.3時，直徑變化不大，纖維較細，且表面光滑;超過1.3后纖維直徑明顯增加，纖維逐漸變粗，同時有渣球出現，纖維質量變差．(3)當酸度系數在1.0～1.2時纖維含水率變化不大，在0.35%左右．當酸度系數為1.3時含水率出現谷值，隨后含水率迅速增大．(4)在黏度允許的范圍內，氣流速度越大，纖維越細長．(5)采用噴吹工藝制備礦渣棉，高爐渣酸度系數控制在1.2～1.3之間，噴吹氣體壓力控制在0.3MPa左右，纖維質量較好．

作者：張良進 龍躍 李智慧 杜培培 單位：華北理工大學 冶金與能源學院 華北理工大學 現代冶金技術教育部重點實驗室 東北大學 材料與冶金學院