渣棉

渣棉一種優良的保温和隔音材料，經化學處理後的製品還可作為射線及中子的護板，被人們廣泛用於建築業和生產中。

為了弄清渣棉的物理性能，在其分類温度以上進行了燒結試驗，隨後對三組試樣進行了收縮和彈性刪量。温度選擇為1000℃～1600℃。在工廠使用温度下，高温保温渣棉沒有顯示出明顯的收縮性能，在升温後機械性能電保持完好，這對高温保温材料而言是重要及關鍵的方面；在不同温度下燒結後的顯微結構檢測顯示，由於相的形成結晶長大，導致密度和收縮增加；在分類温度下，這些過程使纖維彎曲度增加和在長度方向上纖維厚度增加，導致了收縮增加，由單層纖維的燒結過程和不同接合點處的擴散來加以證實 ^[1]  。

高爐渣是鋼鐵冶煉過程的主要副產品，是冶金工業中數量最多的一種渣。每煉lt 生鐵可產生300～ 350kg 的高爐渣，1t 高爐熔渣含有顯熱1675MJ，大致相當於57kg 標準煤燃燒時釋放出的熱量。按照目前我國生鐵年產量46944 萬t 計算，高爐渣產量達14000 萬t，雖然均作為水淬渣、道路塊石、輕骨料等使用，利用率近100%，但其熔融顯熱卻絲毫未能被利用，14000 萬t 高爐熔渣所含有的顯熱大致相當於840 萬t 標準煤燃燒所釋放出的熱量，可見熔融高爐渣從高爐中流出時熔化顯熱的浪費是驚人的。因此，提高高爐渣的餘熱回收和高附加值利用，是鋼鐵行業節能降耗的有效途徑。

隨着社會對鋼鐵企業需求量的增加，鋼鐵企業生產過程中高爐渣的排放量也與日俱增。高爐渣是一種優質的二次資源，若不加以合理利用，不僅會造成資源浪費，而且會產生嚴重的環境污染問題。近年來，我國對高爐渣的資源化利用越來越重視，目前，國內外處理高爐渣基本採用水淬渣和幹渣法，後者因嚴重的環境污染問題及資源利用率低已逐步被淘汰。現較多采用的是水淬渣處理，水淬處理高爐渣過程中，使得高爐渣具有粒度小、表面積大、表面活性強、性能穩定等優點，在建築領域取得了很好的應用價值。

1 高爐渣用於製備水泥

高爐渣化學成分和水泥相似，因此水淬處理過的高爐渣可以用作水泥混合材料，能夠為水泥提供CaO、Al2O3、SiO2，可以減少水泥原料用量及煅燒分解時所需的能量，而且還可以明顯改善混凝土和水泥製品的綜合性能。我國用高爐渣製備水泥技術較成熟，大約佔到高爐渣產量的78%左右，與普通水泥相比，高爐渣水泥具有水化熱低、密實性好，抗腐蝕性好。但也具有許多缺點，如高爐渣水泥保水性差、早期強度低、凝結的時間長。

2 高爐渣用於製備混凝土

高爐渣微粉是高爐渣經過研磨至一定的細度得到的，它能夠作為混合料用於製備混凝土，在取代等量水泥的基礎上，不僅創造了良好的經濟效益，而且顯著提高了混凝土的技術性能。主要是降低了混凝土的水化熱温升、改善了混凝土的內部結構和工作性能、提高了混凝土的耐久性和耐腐蝕性以及後期強度等。此外高爐渣還可以用於製備複合材料、製備地質聚合物、生產道面磚和切塊磚、作為地基回填材料等。

3 存在問題

經水淬處理的高爐渣憑藉其優點在建築和建材行業取得了較好的效果與經濟效益。但是這種處理方法不免存在較多問題:

(1) 耗水量巨大。水淬渣過程中水壓大於0. 2MPa，每噸渣消耗新水量高達0. 8 ～ 1. 2t，這對於水資源嚴重短缺的國家來説，無疑又是一較大難題，而且也與節約資源的思想背道而馳。

(2) 水淬過程中會產生大量的H2S 和SOx，這些有害氣體隨着蒸汽排入大氣，將會導致酸雨，污染環境。

(3) 顯然未能回收。1t 高爐渣水淬時散失熱量約為1600 ～ 1800MJ，相當於標準煤55 ～61kg 完全燃燒後產生的熱量。若將這部分熱量合理回收利用，則產生巨大的經濟效益和社會效益。

而且液態高爐渣出渣温度1400℃以上，極富利用價值。此外，這些處理和利用途徑、方法單一，高爐渣利用率低，每年還有大量的高爐渣棄置於渣場; 並且其利用途徑都沒能充分利用熔渣的顯熱，其水渣資源化利用的附加值也非常低，我國就高爐渣熱量損失每年相當於1500t 標煤 ^[2]  。

鑑於上述高爐渣綜合利用所存在的問題，我們提出了用高爐渣生產可以用於保温材料的礦渣棉的新技術。主要原料為: 高爐爐渣，唐山中厚板有限公司; 鐵尾礦。採用的設備為直流電弧爐。

1 配料計算

實驗採用總配料質量為30kg，配料酸度係數為MK = 1. 2。通過配料計算得出高爐渣所佔比例為92. 2%，鐵尾礦比例7. 8%。

2 電弧爐高温熔鍊及噴吹

首先利用石墨電極對電爐進行起弧加熱，達到一定温度時，將預先配製好的混合料經過爐口緩慢加入到直流電弧爐進行高温熔鍊，待所有物料全部融化後，熔渣達到一定温度( 1500℃左右) 時，停止加熱，將熔體通過出渣口倒入末端裝有高壓載能噴氣嘴的渣槽，經0. 35MPa 的氣壓進行噴吹成絲，其渣槽出口處熔渣温度為1350℃左右。

(1) 高爐渣纖維的密度測定按照國家標準GB /T 5480－2008《礦物棉及其製品試驗方法－7. 6 原棉和粒狀棉密度試驗方法》進行。取100g 纖維，均勻放入測量筒外筒中，底部與高爐渣纖維緊密結合，不可施加任何壓力，靜置5min，用遊標卡尺測量內外筒高度差，在測量筒周邊取等距離三點進行測量，精確到0. 1mm，取平均值。

(2) 高爐渣纖維中的渣球是指在噴吹成纖過程中，一部分熔體温度較低來不及成纖而形成的。

渣球含量對未來高爐渣纖維在保温製品的應用中起着重要作用。試驗參照GB /T 5480－2008《礦物棉及其製品試驗方法－9 渣球含量試驗方法》進行測試。試驗原理是運用在水中時渣球和纖維運動所受到的重力和阻力的不同而將渣球和纖維進行分離的。

按照GB /T 5480－2008 標準中的方法對高爐渣棉纖維的平均直徑進行測定，共測100 根纖維，取平均值。高爐渣棉纖維的表面形貌採用掃描電子顯微鏡( SEM) 進行觀測。

經檢測纖維平均直徑為6. 2μm，符合國標GB /T 5480－2008 的規定。通過掃描電鏡觀測纖維表面形貌，高爐渣棉纖維表面光滑呈圓柱狀交叉排列，其中纖維斷面顯示實驗所得纖維為實心纖維。説明液態高爐渣在合理的噴吹工藝下，能夠生產出符合國家標準的渣棉纖維 ^[3]  。

採用X-射線熒光光譜分析儀對高爐渣棉纖維的化學成分進行測定。再根據測得的化學組成式計算高爐渣棉纖維的酸度係數。

噴吹纖維的酸度係數是表徵熔體高温粘度、成纖性能、易熔性等的綜合參數。一般來説，酸度係數較小時，在最佳成纖温度下有較寬且穩定的粘度範圍，也就是説即使温度有較大波動，也不會影響纖維產量，但如果酸度係數過小，則導致纖維強度及耐久性差，不利於後期製品的應用。本試驗中纖維酸度係數屬於礦渣棉範圍。

由於高爐渣纖維主要是由酸性氧化物和鹼性氧化物構成，其化學組成較為穩定。試驗對高爐渣纖維在強酸性和強鹼性環境下的化學穩定性進行了研究，為其後續製品的應用提供理論基礎。分別配置濃度為0. 1mol /L，0. 2mol /L，0. 3mol /L 和0. 5mol /L的鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液。

高爐渣纖維在蒸餾水中浸漬後的質量損失非常小，浸漬過程中水溶液澄清，纖維表面無明顯變化。在鹼性溶液中，NaOH 溶液濃度由0. 1mol /L 上升至0. 3mol /L 過程中，鹼溶液基本澄清，纖維失重率變化不大，外觀無明顯損壞現象; 上升至0. 5mol /L 時，鹼溶液略微變渾濁，纖維出現輕微粉化現象。而在酸性溶液中，隨HCl 溶液濃度增大，高爐渣纖維失重率顯著提高，當酸濃度達到0. 5mol /L 時，高爐渣纖維出現嚴重粉化現象，浸漬液變渾濁。

通過掃描電鏡觀測酸鹼浸漬液對高爐渣纖維形貌的影響情況，同樣可以發現， 0. 5mol /L NaOH 溶液浸漬後，纖維表面受侵蝕情況不明顯，整體較為完整，部分區域由於受到侵蝕，結構有所變化。而0. 5mol /L HCl 溶液浸漬後纖維表現出明顯粉化現象。由此可見，酸性溶液對纖維的侵蝕破壞效果明顯，而在鹼性溶液中，纖維結構較為穩定，失重率不大。因此，作為高爐渣纖維保温製品原料應用時，儘量不要選擇酸性過強的粘結劑，這樣有利於保證保温製品的性能及使用的耐久性 ^[1]  。

(1) 高爐渣處理方法及利用途徑較多，但是利用結構單一，我國的高爐渣實際利用形式大多用於水泥築路填料、和工程回填。而對於高爐熔融渣來説，顯熱的綜合利用價值最有效的方法是添加鐵尾礦和廢石等原料，通過高壓氣體噴吹轉化為高附加值產品的礦渣棉。

(2) 傳統高爐渣的處理方法存在眾多問題，尤其是能耗較高、污染重、顯然不能得到充分利用等。而以92. 2%的高爐渣配加7. 8% 的鐵尾礦廢石，酸度係數調至MK = 1. 2 後，經直流電弧爐高温熔鍊再經過0. 35MPa 的高壓載能氣體噴吹技術獲得的纖維質量好，化學性能穩定，與傳統水淬處理方式相比，該項新技術具有以下兩個特點: 第一高爐渣顯然能夠得以合理利用，並且減少了直接利用岩石熔化的能源消耗; 第二技術中使用含SiO2的酸性尾礦和固體廢棄物作為調質劑，有利於廢物利用和環保，能夠較好地解決水淬處理渣中存在的問題。

(3) 通過實驗室噴吹所得纖維密度為136kg /m3，渣球含量( 直徑≥0. 212mm) 為3. 2%，纖維直徑6. 2μm，符合國家標準GB /T 5480－2008 中規定的標準值。這不僅充分利用了高爐熔渣顯熱，並且利用直流電弧爐技術所得纖維通過添加酸性不強( PH〉4) 的粘結劑和憎水劑可製成保温板、保温管、保温氈、吸音板等保温吸音材料，可以廣泛應用於建築業、工業等領域的保温隔熱方面。由此可見，直接利用高爐渣熱量並通過尾礦等固體廢棄物調質處理生產保温材料的新技術在我國絕熱保温材料中的應用有着廣闊的市場前景 ^[1]  。