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转炉钢渣具有成分复杂、稳定性差、难磨、胶凝活性低等特点,这些是制约其大宗量资源化利用的主要原因。而现有相关研究大都以改善钢渣某一性能为切入点,对钢渣组成、矿相结构及性能之间内在关系的相关基础研究则不够系统、深入,导致现有钢渣在进行大宗量资源化利用技术开发时往往面临各种问题。因此,明晰转炉钢渣组成、结构和性能之间的内在关系,合理控制钢渣组成以控制其矿相结构,进而有效控制钢渣性能,是实现转炉钢渣大宗量资源化利用的关键,同时也亟需相关基础理论研究作为科学指导。因此,本论文依据实际转炉钢渣成分特点,以CaO-SiO2-MgO-Fe2O3-P2O5五元合成转炉钢渣为研究对象,通过研究二元碱度(wt%CaO/wt%SiO2)及Fe2O3、P2O5、MgO等成分含量变化对转炉钢渣矿相结构及其稳定性、易磨性、胶凝活性的影响规律,系统分析钢渣成分、结构及性能之间的内在关系,为钢渣改质、物相重构及性能改善提供科学依据。本论文的研究表明:(1)对于钢渣碱度由4.0降至1.8、矿相结构及其性能之间的变化规律,随着碱度的降低,渣中C3S相、C2F相、方镁石相逐渐减少,RO相逐渐增多,C2S相则呈现先上升后下降的趋势,当碱度降至2.5时,C3MS2相开始析出并随碱度降低而增加,当碱度降至2.0时,C3S相消失。钢渣碱度降低,C3S相和游离氧化钙减少,转炉钢渣稳定性提高;RO相增加,钢渣易磨性下降;C3S相、C2F相等水化矿物减少,钢渣胶凝活性降低,当钢渣碱度为2.5时,胶凝活性达到最低,继续降低炉渣碱度,C3MS2相增加又会使活性升高,因此胶凝活性随碱度降低整体呈现先降低后升高的变化趋势。(2)对于钢渣中Fe2O3含量由30%降至10%、矿相结构及其性能之间的变化规律,高碱度(碱度4.0)时,随着渣中Fe2O3含量降低,渣中C3S相逐渐增加,并析出游离氧化钙,C2S相、C2F相、方镁石相及RO相逐渐减少;低碱度(碱度2.0)时,随着Fe2O3含量降低,渣中C2S相及方镁石相逐渐增加,C2F相、RO相逐渐减少。因此,钢渣稳定性随Fe2O3含量降低而降低,钢渣易磨性随Fe2O3含量降低而升高。在不同碱度下,钢渣胶凝活性随Fe2O3的变化规律则不尽相同:高碱度(碱度4.0)时,其胶凝活性随Fe2O3含量降低呈现先升高后降低的趋势;低碱度(碱度2.0)时,随着渣中Fe2O3含量降低,钢渣胶凝活性整体呈现下降趋势,但局部有波动,可能与C2F相的增多,以及C2S相、C3MS2相、C2F相等的水化速率有关。(3)对于钢渣中P2O5含量由3.0%降至0.5%、矿相结构及其性能之间的变化规律,高碱度(碱度4.0)时,随着P2O5含量的降低,C3S相逐渐增加,C2S相、RO相降低,C2F相及方镁石相则没有明显的变化;低碱度(碱度2.0)时,P2O5含量降低,C2S相、RO相减少,C3MS2相、C2F相增加。因此,钢渣稳定性随P2O5降低而降低,钢渣易磨性随P2O5含量降低整体呈上升趋势,特别是在低碱度(碱度2.0)时,随着渣中P2O5含量降低,可提高钢渣易磨性,不过同时也会导致钢渣胶凝活性的损失。对于高碱度及低碱度的钢渣,其7天活性指数随P2O5含量降低均呈上升趋势;对于低碱度钢渣,其28天活性指数随渣中P2O5含量降低而升高,而高碱度渣的28天活性指数则呈现出降低的趋势。(4)对于钢渣中MgO含量由10%降至2%、矿相结构及其性能之间的变化规律,高碱度(碱度4.0)时,随着渣中MgO含量降低,C3S相、RO相增多,C2S相、方镁石相减少,C2F相基本没变化;低碱度(碱度2.0)时,C2S相、C2F相增多,方镁石相、C3MS2相、RO相减少。钢渣稳定性随MgO含量降低而提高,钢渣易磨性随MgO含量降低呈现微降趋势,钢渣胶凝活性则随MgO含量的降低而升高。综合本论文研究结果可知,钢渣成分变化会引起矿相结构的变化,但由此导致的钢渣胶凝活性、易磨性和稳定性的变化规律却并不一致,而是互相制约的。因此,在分析钢渣稳定性、易磨性和胶凝活性等单一性能最优的钢渣组成基础上,结合组成对钢渣矿相结构及性能的影响规律,本论文研究认为,对于满足转炉钢渣稳定性、易磨性和胶凝活性的综合性能优化组成,碱度宜控制在2.0～3.0,渣中Fe2O3含量控制在20%左右,此时可在获得钢渣较好胶凝活性和易磨性的同时,将其稳定性的破坏降至最低;此外,在上述一定成分范围内,还可以适当提高渣中P2O5的含量,可提高钢渣的稳定性;MgO含量应尽可能低,有利于提高钢渣稳定性。采用化学成分与实验合成渣基本接近的转炉原渣进行改质实验,通过加入石英砂和煤粉,调整实际钢渣碱度在2.0～3.0,Fe2O3含量在20%左右。实验结果表明,改质后钢渣的稳定性、易磨性和胶凝活性均优于原钢渣。改性钢渣f-CaO含量较原钢渣下降39.6%;相对易磨性指数提高11%;7天活性指数提高3%;28天活性指数提高4.8%,均满足GBT20491-2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》中一级品对f-CaO含量及活性指数的要求。