一种高炉渣的非晶化控制方法与流程

本发明涉及一种非晶化控制技术领域，特别提供了一种高炉渣的非晶化控制方法。

背景技术：

无机非金属材料的非晶态含量直接决定了该材料的性能和用途；目前国内外高炉渣的处理方法主要采用水淬的方式，即用高压水将高温液态高炉渣冲成固态颗粒状。水冲渣方式带来的主要问题是：(1)大量占用水资源和消耗新水，每吨液态高炉渣的冲渣用水量10t左右，消耗新水1t左右；(2)浪费了二次能源，每吨高温液态高炉渣的物理热相当于约60kg标煤，在冲渣过程中全部耗散掉；从火用分析的角度看，液态高炉渣的余热品质非常高，极具利用价值；(3)排放H₂S和SO_x，破坏生态环境，水冲渣过程中产生大量的H₂S和SO_x，随水蒸气排入大气中，聚集到一定程度就成为酸雨的诱因。

目前国内外都在开发炉渣干式粒化技术，其主要技术难点在于控制炉渣的冷却速度和非晶态含量。

因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种高炉渣的非晶化控制方法，通过计算高炉渣非晶态转化为晶态所需的活化能，得出控制非晶态高炉渣含量所需的冷却速度，对开发高炉渣干法粒化技术具有重要的理论意义和很强的工业应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种高炉渣的非晶化控制方法，通过计算高炉渣非晶态转化为晶态时所需的活化能，得到控制非晶态高炉渣含量所需的冷却速度，提高了高炉渣的工业应用价值。

一种高炉渣的非晶化控制方法，包括以下步骤：

(1)采用X射线衍射法分析高炉渣中全部晶态峰面积与非晶态峰面积的比计算高炉渣非晶态比例系数K_ss，利用K_ss定量计算高炉渣中非晶态含量；

(2)将高炉渣在不同温度条件下加热不同时间，根据步骤(1)计算出的高炉渣中非晶态含量，得出非晶态高炉渣在不同温度保温不同时间的晶化情况；

(3)计算晶化反应速率υ；

(4)计算高炉渣晶化率

(5)计算不同温度下高炉渣晶化反应速率常数k；

(6)以温度的倒数1/T为横坐标，晶化反应速率常数的对数lnk为纵坐标作图，通过1/T与lnk的关系计算非晶态高炉渣晶化活化能E；

(7)根据非晶态高炉渣晶化活化能E计算不同温度下非晶化高炉渣的冷却速度；

(8)将步骤(7)中计算出的冷却速度值应用到相对应的温度范围控制高炉渣非晶化冷却速度，得到目标非晶态含量高炉渣。

进一步的，步骤(1)中K_ss值是通过计算X射线衍射图谱中横坐标2θ在20°～180°内晶态峰面积和非晶态峰面积比。

进一步的，步骤(2)中加热温度范围是600℃～1700℃，加热时间范围为0～100min。

进一步的，步骤(3)中计算晶化反应速率υ的计算公式为：

式中，

υ—晶化反应速率，单位1/s；

C—非晶态高炉渣的质量百分含量，单位1；

t—反应时间，单位s；

k—非晶态高炉渣晶化反应速率常数，单位1/s；

n—反应级数。

进一步的，步骤(4)中零级反应中高炉渣晶化率的计算公式为：

式中，

—高炉渣晶化率，

t—反应时间，单位s；

k—非晶态高炉渣晶化反应速率常数，单位1/s；

所述零级反应中n＝0。

进一步的，步骤(4)中一级反应中高炉渣晶化率的计算公式为：

式中，

—高炉渣晶化率，

t—反应时间，单位s；

k—非晶态高炉渣晶化反应速率常数，单位1/s；

所述一级反应中n＝1。

进一步的，步骤(4)中二级反应中高炉渣晶化率的计算公式为：

式中，

—高炉渣晶化率，

t—反应时间，单位s；

k—非晶态高炉渣晶化反应速率常数，单位1/s；

所述二级反应中n＝2。

进一步的，步骤(6)中高炉渣晶化活化能的计算公式为：

式中，

k—非晶态高炉渣晶化反应速率常数，单位1/s；

T—温度，单位K；

E—非晶态高炉渣晶化活化能，单位J/mol；

R—阿弗加德罗常数，8.314J/mol·K。

进一步的，步骤(7)中计算不同温度范围的冷却速度公式为：

式中，

—高炉渣晶化率，

k₀—高炉渣初始温度时刻非晶态高炉渣晶化反应速率常数，

v-冷却速度，

T—温度，单位K；

E—非晶态高炉渣晶化活化能，单位J/mol；

R—阿弗加德罗常数，8.314J/mol·K。

本发明产生的有益效果为：

(1)本发明非晶化控制方法将高炉渣中的绝大部分化合物形成具有潜在化学活性的非晶态化合物，并将非晶态化合物含量提高到95％以上；

(2)本发明非晶化控制方法能够将高炉渣作为水泥掺合料，提高高炉渣的工业应用价值；

(3)本发明非晶化控制方法可以应用到其他无机非金属材料领用，具有潜在的应用价值。

附图说明

图1是本发明中高炉渣在1000℃下的一级反应图；

图2是本发明中高炉渣的晶化活化能计算图；

图3是本发明中高炉渣干法粒化高炉渣需要的冷却速度曲线图。

图中：1-非晶态含量大于95％区域，2-非晶态含量小于95％区域。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

利用X射线衍射法定量分析高炉渣中的非晶态含量的原理是高炉渣中非晶态的衍射强度与参加衍射的非晶态含量成正比。截取衍射图谱中横坐标2θ在0°～180°内全部晶态峰面积与非晶态峰面积的比计算高炉渣非晶态比例系数K_ss值为0.70。对未知非晶态含量的高炉渣进行X射线衍射分析，计算出图谱中横坐标2θ在20°～40°内晶态峰面积和非晶态峰面积比，利用K_ss就可以计算高炉渣非晶态含量，计算的相对误差小于1％。非晶态高炉渣在加热条件下转变为晶态，即：

根据质量作用定律：在一定温度下，晶化反应速率与非晶态(反应物)浓度适当方次成正比。即：

式中：

υ—晶化反应速率，单位1/s；

C—非晶态高炉渣的质量百分含量。单位1；

t—反应时间，单位s；

k—非晶态高炉渣晶化反应速率常数，单位1/s；

n—反应级数。

对于一级反应：

转换：

当t＝0时，C＝C₀＝100％，为非晶态高炉渣初始的质量百分含量100％。

当t＝t时，

其中：为结晶度，即经过时间t后，高炉渣中晶态的质量百分含量。

在0～t时间内，对式(II)进行积分：

即：

因此，

即：

在800℃～1200℃下不同时间高炉渣晶化率分别计算和分别代入各积分公式中求k，利用作图法求非晶态高炉渣晶化反应的级数，在800℃、900℃、950℃、1000℃、1100℃和1200℃温度下，分别以时间t为横坐标，以高炉渣晶化率和作图，判断t和的关系。若在800℃下，t与成线性关系，则确定在800℃下，高炉渣晶化反应为零级反应，以次类推其他温度下高炉渣晶化反应级数。经过判断，得出高炉渣在各温度下，晶化反应为一级反应。以1000℃一级反应为例，见图1。

根据图1，得到在1000℃下，非晶态高炉渣晶化反应速率常数为0.014(1/s)。按照图1的方法，分别求出800℃～1200℃下，高炉渣晶化反应速率常数如表1所示。

表1 900℃～1200℃下高炉渣晶化反应速率常数

对表1的实验结果进行拟合，以温度的倒数1/T为横坐标，晶化反应速率常数的对数lnk为纵坐标，如图2所示，得到晶化反应速率常数的对数lnk与温度的倒数1/T的关系：

lnk＝-13097.95/T+5.86

式中：

k—非晶态高炉渣晶化反应速率常数，单位1/s；

T—温度，单位K；

根据阿累尼乌斯(Arrhenius)公式：

式中：

k—非晶态高炉渣晶化反应速率常数，单位1/s；

T—温度，单位K；

E—非晶态高炉渣晶化活化能，单位J/mol；

R—阿弗加德罗常数，8.314J/mol·K。

E一般可以认为不随温度而变化。将式(V)积分得：

式中：

A—常数。

与式(VII)对照，

因此，非晶态高炉渣晶化活化能E＝108896J/mol，A＝5.86。

通过非晶态高炉渣晶化活化能，计算在保证冷却后非晶态含量大于95％条件下，高炉熔渣在不同温度区间需要的冷却速度。

根据方程式：

其中，k₀＝e^5.86＝350.72

对式(VIII)求导得：

假设冷却速度为v，高炉渣初始温度为T₀，经过时间t后，温度为T，则

T＝T₀-vt (XI)

带入式(X)，得：

t从0时刻开始至冷却温度，从0到0.05，温度从1723K降到973K

分别代入不同温度范围，计算的值，得到1450℃～700℃下高炉渣需要的冷却速率，见表2。

表2 1450℃～700℃下高炉渣需要的冷却速度

综上，将高炉熔渣从析晶温度约1450℃迅速冷却到700℃左右有利于非晶态的大量形成，为保证高炉熔渣冷却后非晶态含量大于95％，冷却速度在1450℃～1300℃范围内不低于400℃/s；在1300℃～1200℃范围内不低于150℃/s；在1200℃～1100℃范围内不低于100℃/s；在1100℃～1000℃范围内不低于50℃/s；在1000℃～900℃范围内不低于30℃/s；在900℃～800℃范围内不低于10℃/s；在800℃～700℃范围内不低于5℃/s，如图3所示。将高炉熔渣快速冷却至700℃后可以缓慢冷却，非晶态含量基本不变。

上述方法制备的高炉渣中非晶态含量超过95％，将上述高炉渣的冷却速度应用到高炉渣的非晶化控制，提高了高炉渣的工业应用价值，同时提高了高炉渣的利用率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。