本發明涉及一種非晶化控制技術領域，特別提供了一種高爐渣的非晶化控制方法。

背景技術：

無機非金屬材料的非晶態含量直接決定了該材料的性能和用途；目前國內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高爐渣沖成固態顆粒狀。水沖渣方式帶來的主要問題是：(1)大量占用水資源和消耗新水，每噸液態高爐渣的沖渣用水量10t左右，消耗新水1t左右；(2)浪費了二次能源，每噸高溫液態高爐渣的物理熱相當于約60kg標煤，在沖渣過程中全部耗散掉；從火用分析的角度看，液態高爐渣的余熱品質非常高，極具利用價值；(3)排放H₂S和SO_x，破壞生態環境，水沖渣過程中產生大量的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。

目前國內外都在開發爐渣干式粒化技術，其主要技術難點在于控制爐渣的冷卻速度和非晶態含量。

因此，為了解決上述問題，本發明提供了一種高爐渣的非晶化控制方法，通過計算高爐渣非晶態轉化為晶態所需的活化能，得出控制非晶態高爐渣含量所需的冷卻速度，對開發高爐渣干法粒化技術具有重要的理論意義和很強的工業應用價值。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供了一種高爐渣的非晶化控制方法，通過計算高爐渣非晶態轉化為晶態時所需的活化能，得到控制非晶態高爐渣含量所需的冷卻速度，提高了高爐渣的工業應用價值。

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峰面積與非晶態峰面積的比計算高爐渣非晶態比例系數K_ss，利用K_ss定量計算高爐渣中非晶態含量；

(2)將高爐渣在不同溫度條件下加熱不同時間，根據步驟(1)計算出的高爐渣中非晶態含量，得出非晶態高爐渣在不同溫度保溫不同時間的晶化情況；

(3)計算晶化反應速率υ；

(4)計算高爐渣晶化率

(5)計算不同溫度下高爐渣晶化反應速率常數k；

(6)以溫度的倒數1/T為橫坐標，晶化反應速率常數的對數lnk為縱坐標作圖，通過1/T與lnk的關系計算非晶態高爐渣晶化活化能E；

(7)根據非晶態高爐渣晶化活化能E計算不同溫度下非晶化高爐渣的冷卻速度；

(8)將步驟(7)中計算出的冷卻速度值應用到相對應的溫度范圍控制高爐渣非晶化冷卻速度，得到目標非晶態含量高爐渣。

進一步的，步驟(1)中K_ss值是通過計算X射線衍射圖譜中橫坐標2θ在20°～180°內晶態峰面積和非晶態峰面積比。

進一步的，步驟(2)中加熱溫度范圍是600℃～1700℃，加熱時間范圍為0～100min。

進一步的，步驟(3)中計算晶化反應速率υ的計算公式為：

式中，

υ—晶化反應速率，單位1/s；

C—非晶態高爐渣的質量百分含量，單位1；

t—反應時間，單位s；

k—非晶態高爐渣晶化反應速率常數，單位1/s；

n—反應級數。

進一步的，步驟(4)中零級反應中高爐渣晶化率的計算公式為：

式中，

—高爐渣晶化率，

t—反應時間，單位s；

k—非晶態高爐渣晶化反應速率常數，單位1/s；

所述零級反應中n＝0。

進一步的，步驟(4)中一級反應中高爐渣晶化率的計算公式為：

式中，

—高爐渣晶化率，

t—反應時間，單位s；

k—非晶態高爐渣晶化反應速率常數，單位1/s；

所述一級反應中n＝1。

進一步的，步驟(4)中二級反應中高爐渣晶化率的計算公式為：

式中，

—高爐渣晶化率，

t—反應時間，單位s；

k—非晶態高爐渣晶化反應速率常數，單位1/s；

所述二級反應中n＝2。

進一步的，步驟(6)中高爐渣晶化活化能的計算公式為：

式中，

k—非晶態高爐渣晶化反應速率常數，單位1/s；

T—溫度，單位K；

E—非晶態高爐渣晶化活化能，單位J/mol；

R—阿弗加德羅常數，8.314J/mol·K。

進一步的，步驟(7)中計算不同溫度范圍的冷卻速度公式為：

式中，

—高爐渣晶化率，

k₀—高爐渣初始溫度時刻非晶態高爐渣晶化反應速率常數，

v-冷卻速度，

T—溫度，單位K；

E—非晶態高爐渣晶化活化能，單位J/mol；

R—阿弗加德羅常數，8.314J/mol·K。

本發明產生的有益效果為：

(1)本發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活性的非晶態化合物，并將非晶態化合物含量提高到95％以上；

(2)本發明非晶化控制方法能夠將高爐渣作為水泥摻合料，提高高爐渣的工業應用價值；

(3)本發明非晶化控制方法可以應用到其他無機非金屬材料領用，具有潛在的應用價值。

附圖說明

圖1是本發明中高爐渣在1000℃下的一級反應圖；

圖2是本發明中高爐渣的晶化活化能計算圖；

圖3是本發明中高爐渣干法粒化高爐渣需要的冷卻速度曲線圖。

圖中：1-非晶態含量大于95％區域，2-非晶態含量小于95％區域。

具體實施方式

下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，并與本發明的實施例一起用于闡釋本發明的原理。

利用X射線衍射法定量分析高爐渣中的非晶態含量的原理是高爐渣中非晶態的衍射強度與參加衍射的非晶態含量成正比。截取衍射圖譜中橫坐標2θ在0°～180°內全部晶態峰面積與非晶態峰面積的比計算高爐渣非晶態比例系數K_ss值為0.70。對未知非晶態含量的高爐渣進行X射線衍射分析，計算出圖譜中橫坐標2θ在20°～40°內晶態峰面積和非晶態峰面積比，利用K_ss就可以計算高爐渣非晶態含量，計算的相對誤差小于1％。非晶態高爐渣在加熱條件下轉變為晶態，即：

根據質量作用定律：在一定溫度下，晶化反應速率與非晶態(反應物)濃度適當方次成正比。即：

式中：

υ—晶化反應速率，單位1/s；

C—非晶態高爐渣的質量百分含量。單位1；

t—反應時間，單位s；

k—非晶態高爐渣晶化反應速率常數，單位1/s；

n—反應級數。

對于一級反應：

轉換：

當t＝0時，C＝C₀＝100％，為非晶態高爐渣初始的質量百分含量100％。

當t＝t時，

其中：為結晶度，即經過時間t后，高爐渣中晶態的質量百分含量。

在0～t時間內，對式(II)進行積分：

即：

因此，

即：

在800℃～1200℃下不同時間高爐渣晶化率分別計算和分別代入各積分公式中求k，利用作圖法求非晶態高爐渣晶化反應的級數，在800℃、900℃、950℃、1000℃、1100℃和1200℃溫度下，分別以時間t為橫坐標，以高爐渣晶化率和作圖，判斷t和的關系。若在800℃下，t與成線性關系，則確定在800℃下，高爐渣晶化反應為零級反應，以次類推其他溫度下高爐渣晶化反應級數。經過判斷，得出高爐渣在各溫度下，晶化反應為一級反應。以1000℃一級反應為例，見圖1。

根據圖1，得到在1000℃下，非晶態高爐渣晶化反應速率常數為0.014(1/s)。按照圖1的方法，分別求出800℃～1200℃下，高爐渣晶化反應速率常數如表1所示。

表1 900℃～1200℃下高爐渣晶化反應速率常數

對表1的實驗結果進行擬合，以溫度的倒數1/T為橫坐標，晶化反應速率常數的對數lnk為縱坐標，如圖2所示，得到晶化反應速率常數的對數lnk與溫度的倒數1/T的關系：

lnk＝-13097.95/T+5.86

式中：

k—非晶態高爐渣晶化反應速率常數，單位1/s；

T—溫度，單位K；

根據阿累尼烏斯(Arrhenius)公式：

式中：

k—非晶態高爐渣晶化反應速率常數，單位1/s；

T—溫度，單位K；

E—非晶態高爐渣晶化活化能，單位J/mol；

R—阿弗加德羅常數，8.314J/mol·K。

E一般可以認為不隨溫度而變化。將式(V)積分得：

式中：

A—常數。

與式(VII)對照，

因此，非晶態高爐渣晶化活化能E＝108896J/mol，A＝5.86。

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

根據方程式：

其中，k₀＝e^5.86＝350.72

對式(VIII)求導得：

假設冷卻速度為v，高爐渣初始溫度為T₀，經過時間t后，溫度為T，則

T＝T₀-vt (XI)

帶入式(X)，得：

t從0時刻開始至冷卻溫度，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℃左右有利于非晶態的大量形成，為保證高爐熔渣冷卻后非晶態含量大于95％，冷卻速度在1450℃～1300℃范圍內不低于400℃/s；在1300℃～1200℃范圍內不低于150℃/s；在1200℃～1100℃范圍內不低于100℃/s；在1100℃～1000℃范圍內不低于50℃/s；在1000℃～900℃范圍內不低于30℃/s；在900℃～800℃范圍內不低于10℃/s；在800℃～700℃范圍內不低于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，非晶態含量基本不變。

上述方法制備的高爐渣中非晶態含量超過95％，將上述高爐渣的冷卻速度應用到高爐渣的非晶化控制，提高了高爐渣的工業應用價值，同時提高了高爐渣的利用率。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。