摘要：针对钢渣利用中易磨性差难以细磨的问题，利用电子束对不同矿物聚集体颗粒的选择性解离的特点，对钢渣进行电子束辐照，发生电击穿，产生细微裂隙体系，使矿物结合强度降低和提高后续磨矿的效率，强化了颗粒之间的选择性解离促进钢渣粉磨。
关键词：钢渣；易磨性；综合利用；电子束；磁选
中图分类号：TQ172.4；X757文献标志码：A文章编号：1671－7953(2009)03－0115－04
随着近几年来中国钢铁产量的迅速增加，钢渣产量也在迅速增加，然而利用途径和手段却变化不大，造成钢渣的综合利用率徘徊不前，目前我国钢渣利用率不足20％，急需从根本上解决钢渣的大宗量利用的技术问题。国内钢渣能较大规模利用的领域主要是钢渣水泥生产，钢渣的成分波动大，易磨性差，增加了水泥生产成本，限制了钢渣水泥的大规模发展。因此，我国乃至全世界同行对钢渣的利用，仅仅停留在粗磨和中磨的粗放式生产和经营阶段。
钢渣微粉开发利用研究是近年来国内外兴起的热门课题，其开发利用前景广阔。据论证，使用细磨钢渣粉，可替代10％ ～45％ 的 425 和 525 水泥，配成C20-60高强度混凝土。每使用1吨细磨钢渣粉，可为用户降低成本100元，并提高混凝土强度10％左右。细磨钢渣粉活性指数远高于国家的有关指标，成为水泥和混凝土的高活性掺合料，目前许多冶金企业正筹划建钢渣粉主产厂，但钢渣难磨，对钢渣微粉生产以及在钢渣水泥生产中却是一个致命的缺陷，会降低水泥磨的生产能力，增加能耗，且对设备磨损严重，最终导致工厂入不敷出。因此解决钢渣粉磨难的问题势在必行。
1电子束辐照的主要特性
1.1电子束辐射热效应
在辐射加工中被辐照物体接受的能量绝大部分最终都要转化为热量。在高剂量下，辐照可使物体明显升温。当用加速电子轰击矿物表面时，能量在体积为V = S·λm 的束流吸收区释放(S为束流截面，λm是电子穿透深度)，加速电子与矿物晶体的碰撞，在辐照矿物内产生动能积累，然后转变成热能，引起晶格的振荡，从而引起辐射点温度升高至能使矿物产生热分解的温度。在一定条件下会使矿物产生相变。
1.2电子束辐照矿物的荷电效应
电子束与物质相互作用的主要机理之一是原子的电离，此时，沿初始粒子和次级电子轨迹形成被电离的粒子的聚集。同时，由于被辐照介质中，正、负电荷分布的不均匀性会在介质中产生内电场，这种内电场能降低介质的机械强度，介质中电荷的积累有时会引起介质的内击穿。
1.3电子束辐照强化不同矿物的选择性解离
电子束辐射可强化不同矿物聚集体颗粒的选择性解离。研究表明，由于不同矿物具有不同的介电常数和导电性，电子束辐射后电荷在不同矿物颗粒的结合界面产生积累，由于不同矿物具有不同的耐电性，发生电击穿，击穿以后，电荷又开始积累，直至下一次击穿。这样，在矿物颗粒的结合界面由于电击穿产生细微裂隙体系，并在每次击穿后，裂隙发展，其结果一方面导致矿物聚集体强度的降低，另一方面强化了颗粒之间的选择性解离，这一点对于矿物的磨矿过程能耗的降低和选择性解离至关重要，同时又可以提高后续分选作业的效果。
2电子束辐照钢渣的试验研究
用电子束辐照矿石时，沿加速电子径迹，矿物晶粒的节理边界形成缺陷集中和空穴的偏析以至形成裂隙。这将使矿物结核强度降低和提高后续磨矿的效率。
G. R. Bochkarev，等对米哈伊洛夫斯基铁矿石的研究表明，在磨矿时间相同时，磨矿前用加速电子辐照可使细粒含量显著增加(﹣0.032mm粒级含量由未辐照时的57.87％提高到91.08％)；在磨矿细度相同时，磨矿时间可减少一半以上(由45分钟减至20分钟)，同时矿物解离度显著提高。研究表明小剂量(小于8 kGy)电子束辐照预处理就可以强化磨矿过程，并引起后续作业 (如浮选)能耗和药剂用量的降低和工艺参数的改善。
电子束辐照处理可强化弱磁性矿物的磁选效果。G.R.Bochkarev等研究电子束辐射时铁矿石干法磁分选的影响，结果表明，辐照后可使精矿中铁的回收率达到99％，γ共振谱分析表明，电子束辐照后产生了Fe3O4相甚至铁相，从而使铁矿物的磁性增强。对于弱磁性含铁矿石，也具有同样的强化效应。
对于钢渣，由于钢渣中铁和锰的含量高，磁选不充分，矿物组成以高硬度硅酸二钙和蔷薇辉石为主，所以钢渣不仅硬度高且韧性大，这些均是造成造成钢渣易磨性差的重要原因。因为钢渣主要是以CaO、SiO2和铁的氧化物为主的复杂矿物组成，如表1所示，与矿石具有相似之处。因此可以尝试将电子束用于辅助磨渣，在钢渣矿物晶粒的节理边界形成缺陷集中和空穴的偏析最终形成裂隙，降低矿物结核强度，从而来提高后续磨矿的效率。同时如果其中的弱磁性矿物Fe2O3能转变成Fe3O4相或者铁相，磁性增强则将大大提高钢渣中铁的回收率，3在创造更大的经济价值的同时，钢渣中的铁的去除还能更好的改善钢渣的易磨性。
辐照过程示意图如图1所示，钢渣样品使用马鞍山钢铁股份有限公司的成品风淬钢渣(平均粒度小于3mm)。钢渣主要成分如表1所示。电子束发生设备采用北京师范大学的BF5电子直线加速器见图2。
将取自马钢的风淬钢渣样品分成7份，每份500g。取其中6份均匀地平铺在BF5电子直线加速器的载物平台上，单位辐照量(100Gy/s)，辐照要求及条件见表2。经过不同时间的照射后收集样品，装袋标签，以待检测。辐照后试样分别在同等条件下球磨，球磨机选用为南京大学仪器厂QM-1SP2行星式球磨机。装球量50个，其中d=10mm钢球30个，d=20mm钢球20个千克，设定转速120转/分钟，设定时间半小时，单一方
向旋转。粉磨后球磨结果如图3。
从图3中的各图中可以看出，随着电子束辐照钢渣的时间(辐照剂量)的增加，细颗粒钢渣所占比例越来越多，粗颗粒逐渐较少，这表明用加速电子辐照可使细粒含量显著增加，成分说明电子束辐照后钢渣颗粒比辐照前易磨许多，能显著提高粉磨效率。
以75μm晒下量做对比，如图4所示，从图4可明显看出，随着辐照时间增长，细颗粒比例逐渐增大，所占从无辐照的60％递增到辐照100min的80％，其中辐照在50s时效果已经很明显，<75μm颗粒从60％激增到70％左右，而后随着辐照时间的增加，细颗粒比例继续增加但幅度有所减缓。从图5中看出，小余75μm细颗粒随辐照
时间的增加逐渐递增，但递增幅度明显有所减缓，这说明随着电子束辐照时间(辐照剂量)的增加，钢渣易磨性提高，但提高程度逐渐减弱，电子束辐照剂量和钢渣易磨性提高之间有一个阈值，也非越大越好。
3磁选结果
将试样溶解入烧杯中，在湿式磁选管中将磁场强度调至1100奥斯特，将试样悬浮液倒入磁选管中，待磁选管中精矿渣稳定后，放水，将尾矿渣排出，关闭电流，利用水流将精矿渣冲出磁选管。称量滤纸重量，做好标记并编号，在真空过滤机上铺好滤纸，将所得精矿渣放在XTLZ真空过滤机上抽水过滤。把盛有试样的滤纸分组放入烘箱内烘干，称量，结果如图6示。图6表明，经电子束辐照后钢渣磁选效率提高，但大幅提高需要较大的辐照剂量。
4结果分析
电子束辐照钢渣后，钢渣细颗粒比例增加易磨性极大提高。钢渣中含有复杂的矿物成分，导电性能各异，是具有不同导电性能的矿物的聚集体。导电性能高的矿物与导电性能差的矿物其充电过程是不同的。对于导电性能高的矿物，充电过程优于放电过程，电荷不进一步积累。在高阻抗电介质中，荷电过程则不同，在电介质中，电荷的积累速率取决于电荷流入与辐射诱发的导电性之间的平衡。此时，积累的电荷所产生的电场(103～104V/cm)可达到击穿的水平。矿物导电性越差，辐射诱发的电导性的作用就越大。并且，随着电荷积累的增加，达到平衡状态的时间亦增加。荷电过程具有脉动特性，此时由于电击穿在矿物中产生细微裂隙体系，并在每次脉冲放电后，裂隙扩展，导致矿物机械强度的降低。由于矿物颗粒组成的非均匀性，电击穿建立的裂隙体系主要产生在颗粒的相界面，这有助于矿物的选择性解离和破碎效率的提高。同时电子束辐照处理强化弱磁性矿物的磁选效果。辐照后促使钢渣中的Fe2O3向Fe3O4相甚至铁相转变，从而使铁矿物的磁性增强。
总之颗粒材料破裂过程实质上是外力作用下力学缺陷和损伤形成和演化的过程。电子束强化颗粒的磨碎过程是因为：电子束辐射在颗粒体内部形成的大能量释放和电击穿，电子束辐照矿石时，沿加速电子径迹，矿物晶粒的节理边界形成缺陷集中和空穴的偏析，以至在颗粒体内造成微观缺陷及显微裂隙，从而降低矿物结核强度和提高后续磨矿的效率。
5结论
从试验结果得出，经电子束照射后的钢渣粉磨细颗粒含量增加，易磨性得到了很好的改善，磁选率得到提高，从而提高后续磨矿的效率。究其原因，电子束辐照可在无机固体材料中产生缺陷和辐射损伤，辐射缺陷和辐射损伤的形成必将对材料的力学特性产生影响，同时强化弱磁性矿物磁性。总之，对于钢渣，虽然将电子束用于生产实际还有很大的距离，如大功率发生器的试制以及成本核算等都需要大量工作要做，但电子束作为一种无污染的清洁外场技术，对于改善钢渣的使用性能具有良好的效果，是一种可以尝试和期盼的理想改性手段。
参考文献
［1］ 朱桂林，孙树杉，夏春.实现钢渣“零排放”对发展循环经济，推进钢铁行业节能减排具有重要作用［C］.冶金循环经济发展论坛论文集.2008，308-311.
［2］ 欧阳东.转炉钢渣粉磨性能的实验研究［J］.水泥工程，1997(2)：36-38.
［3］ 王宝章 编，辐射技术在治理三废中的应用［M］.北京：原子能出版社，1983.
［4］ G．R．Bochkarev．Prospects of Electron Accelerators Used for Realizing Effective Low cost Technologies of Mineral Processing［J］.Proceedings of the X XIMPC，1997，231-243.
［5］ G．R．Bochkarev．Effects of Accelerated Electron on Structural and Technological Properties of Ores and Minerals［J］.Journal of Mining Science．1992，28(6)，571-577.
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