李 婷 ，顾子萱 ，吕宁宁 ，吴六顺 ，苏 畅

（1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 243032；2.冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室，安徽 马鞍山 243032）

引 言

钢渣是炼钢过程中产生的固体废弃物，排放量约为粗钢产量的10%～15%［1］。据统计，2020年我国粗钢生产总量超过10亿吨，钢渣产量超过1亿吨，钢渣累积总量近10亿吨，但其综合利用率低于30%［2］。熔融钢渣排出时的平均温度可达1400℃，含有大量的热资源［3］。据测算，1 kg 1600℃的液态钢渣约含有2000 kJ的热量，1吨钢渣中蕴含的显热相当于66 kg标准煤燃烧释放的热量，具有可观的回收利用价值。

根据钢渣种类的不同，钢渣的处理方式也不尽相同，主要包括热闷法、水淬法、热泼法、盘泼法和粒化轮法。排出的熔渣冷却后直接运往渣场，熔渣显热被全部浪费。尽管国内外已研究开发出多项熔渣显热回收技术，但由于存在的问题和影响因素较多，显热回收技术未能得到推广，只有少数技术得到了应用［4-6］。

近年来，有许多冶金工作者考虑到熔渣资源和能源的综合利用［7］，提出向熔渣中加入改质剂改善钢渣性能的方法，这对熔渣资源化利用具有重要的意义［8］。饶磊等［9］通过工业实验，利用含量为 5%的粉煤灰对热态钢渣进行改质，并对改质后钢渣进行风淬冷却处理。结果表明，改质后钢渣中Ca2Fe2O5，2CaO·SiO2和 Ca3MgSi2O8的含量升高，金属Fe，RO和f-CaO量降低，同时，改质后钢渣的易磨性得到了提高。卢翔等［8］采用热态改质方法，利用河沙对熔融钢渣进行改质，结果表明，改质后的熔渣流动性好，钢渣中f-CaO的含量降低。因此，钢渣改质技术可以在一定程度上改变钢渣的化学成分和矿物组成，达到改善钢渣性能的目的，提高钢渣的利用率，对钢渣资源化利用具有较大的促进作用。Du等［10］的研究发现，通过向钢渣中添加K2CO3进行改质，可促进含磷富集相的生成以及磷在酸中溶出，然而纯化合物改质成本偏高，不利于工业化技术的实现。

生物质灰渣是电厂焚烧植物秸秆后产生的固废，富含钾、磷、钙、镁、硅等多种有价元素，K2O含量在20%以上，可用来改质钢渣。然而目前有关生物质灰渣改质钢渣的研究较少，改质过程熔渣理化性质的变化规律尚不明确。本文选取玉米秸秆灰对熔融钢渣进行改质，通过热平衡计算，研究高温下改质剂掺量对钢渣显热的影响，分析钢渣显热熔解生物质灰渣的能力，利用FactSage计算改质钢渣黏度，分析改质剂掺量对钢渣流动性的影响，从热力学角度为生物质灰渣改质钢渣技术提供理论依据。

1 原料与研究方法

1.1 原料成分

原料的化学组成如表1所示，其中钢渣的碱度为1.86，玉米秸秆灰中w（K2O）为24.91%。

表1 原料的化学组成/%

1.2 假设条件

对利用玉米秸秆灰改质熔融钢渣的过程进行热平衡计算分析，了解在改质过程中熔渣显热熔解玉米秸秆灰的能力。为了方便计算，对次要因素作近似处理，得出以下假设条件［11］：

（1）熔融钢渣排放时温度为1873 K，且组分均匀、流动性好，玉米秸秆灰初始温度为298 K。

（2）熔融钢渣熔化玉米秸秆灰是一个绝热过程，不与外界进行任何热交换，熔渣显热完全用于熔化玉米秸秆灰。

（3）熔融钢渣熔化玉米秸秆灰的速率快，不受动力学因素限制，即当熔渣的显热大于玉米秸秆灰熔化所吸收的热量时，玉米秸秆灰可完全熔化，熔化后的改质熔渣组分均匀。

（4）熔融钢渣由液相转变为固相的凝固潜热为202.4 kJ/kg，与玉米秸秆灰的熔解潜热在数值上相等，但符号相反。

（5）经计算可知，熔融钢渣改质过程中化学反应所产生的热量远小于钢渣显热，故反应生成热忽略不计。

1.3 计算方法

利用热力学软件Factsage7.2计算加入不同掺量玉米秸秆灰后熔渣的液相线温度，熔渣显热提供玉米秸秆灰在该掺量下熔化时所吸收的热量，熔渣能够提供的显热为：

式中Qs为熔渣显热；Tt为熔渣排放时的温度；T1为熔渣与玉米秸秆灰完全融化时的温度；

ms为熔渣的质量；Cp为熔渣的比热容。

改质过程中玉米秸秆灰吸收的热量为：

式中Qen为玉米秸秆灰吸收的热量；Ti为玉米秸秆灰的初始温度；ni为玉米秸秆灰各组元的物质的量；Ci为玉米秸秆灰各组元的摩尔比热容；mi为玉米秸秆灰各组元的质量；Hi为玉米秸秆灰的熔解潜热。

通过查阅实用无机物热力学数据手册［12-13］，玉米秸秆灰各组元的摩尔热容参数如表2所示，其计算公式如下式所示：

表2 玉米秸秆灰各组元的摩尔热容参数

取钢渣为100 g，计算其在1873 K时的显热，钢渣中各组元的摩尔热容如表3所示。

表3 钢渣各组元的摩尔热容

根据以下公式：

将钢渣各组元的摩尔热容分别换算成质量热容，再计算得出钢渣的质量热容为：

以玉米秸秆灰的掺量为5%为例，即玉米秸秆灰质量为5 g，由FactSage7.2计算得出该掺量下改质熔渣液相线温度为1699 K，代入式（1）可得钢渣显热为：

玉米秸秆灰各组元的物质的量为如表4所示，根据式（2）计算出玉米秸秆灰完全融化所需的热量。

表4 玉米秸秆灰各组元的物质的量

由计算结果可知QS＞Qen，所以熔渣显热可熔化5%的玉米秸秆灰。

2 结果与分析

2.1 FactSage计算改质钢渣的黏度

FactSage热力学软件拥有炉渣、熔锍和熔盐体系的热力学数据库，处理模块多，广泛应用于冶金领域的热力学研究。可以用来计算计算不同渣系的液相线温度、黏度以及相应相图的绘制。许多研究学者利用该软件对不同渣系的黏度进行研究，对改质钢渣黏度的计算主要利用Equilib和Viscosity两个模块，再利用Einstein-Roscoe公式：

计算出渣系的黏度。

图1为在1873K下，改质钢渣黏度与灰渣掺量的关系。由图可知，随着灰渣掺量的增加，改质钢渣黏度逐渐升高；由 0.379 Pa·s增大到 0.509 Pa·s。盛力等［14］认为当高温区熔渣黏度小于 0.5 Pa·s时，熔渣的流动性较好，保证了生物质灰渣改质钢渣的顺利进行。考虑到生物质灰渣对改质钢渣黏度的影响，改质过程中灰渣掺量不宜过大。

2.2 液相线温度

通过软件FactSage7.2计算不同掺量的玉米秸秆灰改质熔渣后的液相线温度，计算结果如图2所示。由图可知，当玉米秸秆灰掺入熔渣后，改质后熔渣的液相线温度开始降低，这主要是因为随着玉米秸秆灰掺量的增加，体系中CaO，Fe2O3的含量逐渐降低，SiO2和K2O含量逐渐升高；当玉米秸秆灰掺量较少时，灰渣中的K2O会取代熔渣中的CaO，与SiO2生成熔点较低的K2O·SiO2，改质熔渣的液相线温度降低；当玉米秸秆灰掺量达到9%时，改质熔渣的液相线温度最低，为1685 K；随着玉米秸秆灰掺量的继续增加，熔渣中较多的CaO与少量的SiO2会生成熔点较高的 2CaO·SiO2和 3CaO·SiO2，导致改质熔渣的液相线温度逐渐升高。

图2 不同掺量玉米秸秆灰改质熔渣时的液相线温度

2.3 显热变化规律

按照热平衡计算方法可得出不同玉米秸秆灰掺入量时的熔渣显热、玉米秸秆灰熔化所需的吸热量与改质熔渣显热，从而模拟计算分析在1873 K下，改质剂掺量对熔渣显热的影响。最终的计算结果如图3所示，由图可知，随灰渣掺量的提高，玉米秸秆灰熔化所吸收的热量逐渐增加；当玉米秸秆灰掺量为1%～2%时，熔渣显热略有减少；当玉米秸秆灰掺量为3%～15%时，熔渣显热呈先升高后降低的趋势，其最大值为22.2 kJ，此时玉米秸秆灰掺量为9%；当玉米秸秆灰掺量为11%，熔渣显热小于玉米秸秆灰的吸热量，说明熔融钢渣提供的显热最多只能熔化10%掺量的玉米秸秆灰。

图3 不同玉米秸秆灰掺量下熔渣的热量

3结 论

本文选取玉米秸秆灰为改质剂，利用热力学软件Factsage 7.2计算改质熔渣的液相线温度，研究了1873 K下，改质剂掺量对熔渣显热、改质钢渣黏度的影响规律，取得的主要结论如下：

（1）利用FactSage软件计算可知，随着灰渣掺量的增加，改质钢渣黏度逐渐升高，故改质过程中灰渣掺量不易过大。

（2）当玉米秸秆灰掺入熔渣后，改质熔渣的液相线温度呈先降低后升高的趋势；

（3）随玉米秸秆灰掺量的提高，玉米秸秆灰熔化所吸收的热量逐渐增加；当玉米秸秆灰掺量为3%～15%时，熔渣显热呈先升高后降低的趋势。

（4）当灰渣掺量为11%，熔渣显热小于玉米秸秆灰熔化所吸收的热量，因此，熔融钢渣提供的显热最多只能熔化10%掺量的玉米秸秆灰。

（5）熔融钢渣改质的理论最佳玉米秸秆灰掺量为9%～10%。此时熔渣显热的利用效率高，改质效果好。