本發(fā)明涉及一種非晶化控制技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種高爐渣的非晶化控制方法。

背景技術(shù)：

無(wú)機(jī)非金屬材料的非晶態(tài)含量直接決定了該材料的性能和用途；目前國(guó)內(nèi)外高爐渣的處理方法主要采用水淬的方式，即用高壓水將高溫液態(tài)高爐渣沖成固態(tài)顆粒狀。水沖渣方式帶來(lái)的主要問題是：(1)大量占用水資源和消耗新水，每噸液態(tài)高爐渣的沖渣用水量10t左右，消耗新水1t左右；(2)浪費(fèi)了二次能源，每噸高溫液態(tài)高爐渣的物理熱相當(dāng)于約60kg標(biāo)煤，在沖渣過程中全部耗散掉；從火用分析的角度看，液態(tài)高爐渣的余熱品質(zhì)非常高，極具利用價(jià)值；(3)排放H₂S和SO_x，破壞生態(tài)環(huán)境，水沖渣過程中產(chǎn)生大量的H₂S和SO_x，隨水蒸氣排入大氣中，聚集到一定程度就成為酸雨的誘因。

目前國(guó)內(nèi)外都在開發(fā)爐渣干式?；夹g(shù)，其主要技術(shù)難點(diǎn)在于控制爐渣的冷卻速度和非晶態(tài)含量。

因此，為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種高爐渣的非晶化控制方法，通過計(jì)算高爐渣非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)所需的活化能，得出控制非晶態(tài)高爐渣含量所需的冷卻速度，對(duì)開發(fā)高爐渣干法?；夹g(shù)具有重要的理論意義和很強(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種高爐渣的非晶化控制方法，通過計(jì)算高爐渣非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)時(shí)所需的活化能，得到控制非晶態(tài)高爐渣含量所需的冷卻速度，提高了高爐渣的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

一種高爐渣的非晶化控制方法，包括以下步驟：

(1)采用X射線衍射法分析高爐渣中全部晶態(tài)峰面積與非晶態(tài)峰面積的比計(jì)算高爐渣非晶態(tài)比例系數(shù)K_ss，利用K_ss定量計(jì)算高爐渣中非晶態(tài)含量；

(2)將高爐渣在不同溫度條件下加熱不同時(shí)間，根據(jù)步驟(1)計(jì)算出的高爐渣中非晶態(tài)含量，得出非晶態(tài)高爐渣在不同溫度保溫不同時(shí)間的晶化情況；

(3)計(jì)算晶化反應(yīng)速率υ；

(4)計(jì)算高爐渣晶化率

(5)計(jì)算不同溫度下高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)k；

(6)以溫度的倒數(shù)1/T為橫坐標(biāo)，晶化反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)lnk為縱坐標(biāo)作圖，通過1/T與lnk的關(guān)系計(jì)算非晶態(tài)高爐渣晶化活化能E；

(7)根據(jù)非晶態(tài)高爐渣晶化活化能E計(jì)算不同溫度下非晶化高爐渣的冷卻速度；

(8)將步驟(7)中計(jì)算出的冷卻速度值應(yīng)用到相對(duì)應(yīng)的溫度范圍控制高爐渣非晶化冷卻速度，得到目標(biāo)非晶態(tài)含量高爐渣。

進(jìn)一步的，步驟(1)中K_ss值是通過計(jì)算X射線衍射圖譜中橫坐標(biāo)2θ在20°～180°內(nèi)晶態(tài)峰面積和非晶態(tài)峰面積比。

進(jìn)一步的，步驟(2)中加熱溫度范圍是600℃～1700℃，加熱時(shí)間范圍為0～100min。

進(jìn)一步的，步驟(3)中計(jì)算晶化反應(yīng)速率υ的計(jì)算公式為：

式中，

υ—晶化反應(yīng)速率，單位1/s；

C—非晶態(tài)高爐渣的質(zhì)量百分含量，單位1；

t—反應(yīng)時(shí)間，單位s；

k—非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，單位1/s；

n—反應(yīng)級(jí)數(shù)。

進(jìn)一步的，步驟(4)中零級(jí)反應(yīng)中高爐渣晶化率的計(jì)算公式為：

式中，

—高爐渣晶化率，

t—反應(yīng)時(shí)間，單位s；

k—非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，單位1/s；

所述零級(jí)反應(yīng)中n＝0。

進(jìn)一步的，步驟(4)中一級(jí)反應(yīng)中高爐渣晶化率的計(jì)算公式為：

式中，

—高爐渣晶化率，

t—反應(yīng)時(shí)間，單位s；

k—非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，單位1/s；

所述一級(jí)反應(yīng)中n＝1。

進(jìn)一步的，步驟(4)中二級(jí)反應(yīng)中高爐渣晶化率的計(jì)算公式為：

式中，

—高爐渣晶化率，

t—反應(yīng)時(shí)間，單位s；

k—非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，單位1/s；

所述二級(jí)反應(yīng)中n＝2。

進(jìn)一步的，步驟(6)中高爐渣晶化活化能的計(jì)算公式為：

式中，

k—非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，單位1/s；

T—溫度，單位K；

E—非晶態(tài)高爐渣晶化活化能，單位J/mol；

R—阿弗加德羅常數(shù)，8.314J/mol·K。

進(jìn)一步的，步驟(7)中計(jì)算不同溫度范圍的冷卻速度公式為：

式中，

—高爐渣晶化率，

k₀—高爐渣初始溫度時(shí)刻非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，

v-冷卻速度，

T—溫度，單位K；

E—非晶態(tài)高爐渣晶化活化能，單位J/mol；

R—阿弗加德羅常數(shù)，8.314J/mol·K。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果為：

(1)本發(fā)明非晶化控制方法將高爐渣中的絕大部分化合物形成具有潛在化學(xué)活性的非晶態(tài)化合物，并將非晶態(tài)化合物含量提高到95％以上；

(2)本發(fā)明非晶化控制方法能夠?qū)⒏郀t渣作為水泥摻合料，提高高爐渣的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值；

(3)本發(fā)明非晶化控制方法可以應(yīng)用到其他無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)用，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中高爐渣在1000℃下的一級(jí)反應(yīng)圖；

圖2是本發(fā)明中高爐渣的晶化活化能計(jì)算圖；

圖3是本發(fā)明中高爐渣干法?；郀t渣需要的冷卻速度曲線圖。

圖中：1-非晶態(tài)含量大于95％區(qū)域，2-非晶態(tài)含量小于95％區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來(lái)具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請(qǐng)一部分，并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。

利用X射線衍射法定量分析高爐渣中的非晶態(tài)含量的原理是高爐渣中非晶態(tài)的衍射強(qiáng)度與參加衍射的非晶態(tài)含量成正比。截取衍射圖譜中橫坐標(biāo)2θ在0°～180°內(nèi)全部晶態(tài)峰面積與非晶態(tài)峰面積的比計(jì)算高爐渣非晶態(tài)比例系數(shù)K_ss值為0.70。對(duì)未知非晶態(tài)含量的高爐渣進(jìn)行X射線衍射分析，計(jì)算出圖譜中橫坐標(biāo)2θ在20°～40°內(nèi)晶態(tài)峰面積和非晶態(tài)峰面積比，利用K_ss就可以計(jì)算高爐渣非晶態(tài)含量，計(jì)算的相對(duì)誤差小于1％。非晶態(tài)高爐渣在加熱條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，即：

根據(jù)質(zhì)量作用定律：在一定溫度下，晶化反應(yīng)速率與非晶態(tài)(反應(yīng)物)濃度適當(dāng)方次成正比。即：

式中：

υ—晶化反應(yīng)速率，單位1/s；

C—非晶態(tài)高爐渣的質(zhì)量百分含量。單位1；

t—反應(yīng)時(shí)間，單位s；

k—非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，單位1/s；

n—反應(yīng)級(jí)數(shù)。

對(duì)于一級(jí)反應(yīng)：

轉(zhuǎn)換：

當(dāng)t＝0時(shí)，C＝C₀＝100％，為非晶態(tài)高爐渣初始的質(zhì)量百分含量100％。

當(dāng)t＝t時(shí)，

其中：為結(jié)晶度，即經(jīng)過時(shí)間t后，高爐渣中晶態(tài)的質(zhì)量百分含量。

在0～t時(shí)間內(nèi)，對(duì)式(II)進(jìn)行積分：

即：

因此，

即：

在800℃～1200℃下不同時(shí)間高爐渣晶化率分別計(jì)算和分別代入各積分公式中求k，利用作圖法求非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)的級(jí)數(shù)，在800℃、900℃、950℃、1000℃、1100℃和1200℃溫度下，分別以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，以高爐渣晶化率和作圖，判斷t和的關(guān)系。若在800℃下，t與成線性關(guān)系，則確定在800℃下，高爐渣晶化反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng)，以次類推其他溫度下高爐渣晶化反應(yīng)級(jí)數(shù)。經(jīng)過判斷，得出高爐渣在各溫度下，晶化反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。以1000℃一級(jí)反應(yīng)為例，見圖1。

根據(jù)圖1，得到在1000℃下，非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)為0.014(1/s)。按照?qǐng)D1的方法，分別求出800℃～1200℃下，高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)如表1所示。

表1 900℃～1200℃下高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)

對(duì)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，以溫度的倒數(shù)1/T為橫坐標(biāo)，晶化反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)lnk為縱坐標(biāo)，如圖2所示，得到晶化反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)lnk與溫度的倒數(shù)1/T的關(guān)系：

lnk＝-13097.95/T+5.86

式中：

k—非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，單位1/s；

T—溫度，單位K；

根據(jù)阿累尼烏斯(Arrhenius)公式：

式中：

k—非晶態(tài)高爐渣晶化反應(yīng)速率常數(shù)，單位1/s；

T—溫度，單位K；

E—非晶態(tài)高爐渣晶化活化能，單位J/mol；

R—阿弗加德羅常數(shù)，8.314J/mol·K。

E一般可以認(rèn)為不隨溫度而變化。將式(V)積分得：

式中：

A—常數(shù)。

與式(VII)對(duì)照，

因此，非晶態(tài)高爐渣晶化活化能E＝108896J/mol，A＝5.86。

通過非晶態(tài)高爐渣晶化活化能，計(jì)算在保證冷卻后非晶態(tài)含量大于95％條件下，高爐熔渣在不同溫度區(qū)間需要的冷卻速度。

根據(jù)方程式：

其中，k₀＝e^5.86＝350.72

對(duì)式(VIII)求導(dǎo)得：

假設(shè)冷卻速度為v，高爐渣初始溫度為T₀，經(jīng)過時(shí)間t后，溫度為T，則

T＝T₀-vt (XI)

帶入式(X)，得：

t從0時(shí)刻開始至冷卻溫度，從0到0.05，溫度從1723K降到973K

分別代入不同溫度范圍，計(jì)算的值，得到1450℃～700℃下高爐渣需要的冷卻速率，見表2。

表2 1450℃～700℃下高爐渣需要的冷卻速度

綜上，將高爐熔渣從析晶溫度約1450℃迅速冷卻到700℃左右有利于非晶態(tài)的大量形成，為保證高爐熔渣冷卻后非晶態(tài)含量大于95％，冷卻速度在1450℃～1300℃范圍內(nèi)不低于400℃/s；在1300℃～1200℃范圍內(nèi)不低于150℃/s；在1200℃～1100℃范圍內(nèi)不低于100℃/s；在1100℃～1000℃范圍內(nèi)不低于50℃/s；在1000℃～900℃范圍內(nèi)不低于30℃/s；在900℃～800℃范圍內(nèi)不低于10℃/s；在800℃～700℃范圍內(nèi)不低于5℃/s，如圖3所示。將高爐熔渣快速冷卻至700℃后可以緩慢冷卻，非晶態(tài)含量基本不變。

上述方法制備的高爐渣中非晶態(tài)含量超過95％，將上述高爐渣的冷卻速度應(yīng)用到高爐渣的非晶化控制，提高了高爐渣的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)提高了高爐渣的利用率。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。