鋼渣顯微結(jié)構(gòu)與粉磨和燒成性能關(guān)系探討

鄒興芳

（葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 荊門市 448000）

0 引 言

水泥是世界上用量較廣的建筑材料，我國每年的產(chǎn)量約為12億噸，大量消耗了自然資源，鐵礦石是水泥生產(chǎn)中不可缺少的鐵質(zhì)校正材料，目前國內(nèi)資源的匱乏及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，使人們開始尋求一些可替代工業(yè)廢棄資源，達(dá)到節(jié)省資源和能源、變廢為寶的目的。鋼渣因其主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO和Fe2O3等，其中鐵相按Fe2O3含量計(jì)算一般在19%～25%之間，CaO含量為40.48%，因此鋼渣具備取代鐵質(zhì)校正材料的條件。在此擬通過對(duì)鋼渣顯微結(jié)構(gòu)和性能之間相互關(guān)系的分析，達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的目的。

1 實(shí)驗(yàn)原材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)原材料主要為鋼渣、石灰石、頁巖、砂巖、鐵礦石等，其中原材料均經(jīng)過烘干、破碎、研磨等工藝，使得原材料的細(xì)度達(dá)到符合要求（即經(jīng)過75的篩子，篩余不大于8%），各原材料成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原材料成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將鋼渣塊破碎為4.75mm以下后入實(shí)驗(yàn)球磨粉磨30min，用磁場強(qiáng)度為0.06T的磁鐵進(jìn)行選鐵，選完鐵后再入球磨進(jìn)行粉磨至相應(yīng)時(shí)間，得到需要的鋼渣粉備用。

（2）鋼渣熟料高溫?zé)?/p>

按計(jì)算配比配制相應(yīng)重量的生料粉。將已經(jīng)稱量好的原料粉放入球磨罐中充分混勻（3～5min），取出后噴入少量的水，便于成型。稱取20g的生料粉于成型模具中，置于壓力機(jī)座上以20～30kN的壓力壓制成塊。將生料置于匣缽中，放入升溫好的馬弗爐（1000℃）中，保持10min。之后小心取出匣缽再轉(zhuǎn)入硅碳棒爐（1350℃及以下）或硅鉬爐（1350℃及以上）中，在設(shè)定保溫時(shí)間后取出匣缽，將熟料立即置于空氣中進(jìn)行快速冷卻。冷卻后，粉磨至比表面積為360m2/kg左右備用，鋼渣熟料中游離氧化鈣采用甘油-乙醇法進(jìn)行測定。

（3）顯微結(jié)構(gòu)觀察

巖相觀察可根據(jù)視野中的晶體形態(tài)判斷物相。利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了鋼渣和熟料顯微結(jié)構(gòu)分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)取鋼渣塊或煅燒好的熟料試樣，敲碎后取位于試塊中間部位的且較為平整的一小塊試樣，在金相試樣鑲嵌機(jī)（XQ-1型）筒內(nèi)加入酚醛樹脂粉末進(jìn)行鑲嵌，鑲嵌后的試樣在SiC砂紙上進(jìn)行打磨，并在金相試樣拋光機(jī)（PG-2D型）上進(jìn)行拋光。拋光后再將試樣放入氯化銨溶液中進(jìn)行腐蝕，10s后取出，用電吹風(fēng)吹干。制備好的試樣在XP-201型偏光顯微鏡下進(jìn)行觀察。

（4）熟料凈漿強(qiáng)度測定

（2）定期開展安全培訓(xùn)和安全教育。特別針對(duì)管理人員以及重點(diǎn)的操作工作人員進(jìn)行全面的安全教育和專業(yè)技能培訓(xùn)，全面提高自身綜合水平和安全意識(shí)。對(duì)于安全培訓(xùn)與教育制度對(duì)工作人員的具體內(nèi)容、培訓(xùn)時(shí)間以及方法和形式、要達(dá)到的效果要進(jìn)行明確進(jìn)行的要求并進(jìn)行嚴(yán)格考察。

采用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量拌和后，用20mm×20mm×20mm小試模成型，養(yǎng)護(hù)溫度為20±1℃，各試樣外摻脫硫石膏配制成水泥。標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間和安定性按GB1346進(jìn)行，細(xì)度按GB1345進(jìn)行，水泥膠砂強(qiáng)度按GB177-1999進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用尺寸為40mm×40mm×160mm的試件，試件在成型后24h拆模，拆模后將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為：溫度 20±1 ℃水中養(yǎng)護(hù)，且在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)試件彼此間隔不少于10mm；分別測定砂漿試樣7d和28d抗壓和抗折強(qiáng)度。

2 鋼渣顯微結(jié)構(gòu)特性及其與性能的關(guān)聯(lián)分析

為觀察鋼渣的顯微結(jié)構(gòu)，對(duì)選取的具有代表性各種鋼渣塊，在無水酒精介質(zhì)中經(jīng)過打磨、拋光等工藝制成光片，在偏光顯微鏡下觀察鋼渣自身的顯微構(gòu)造。觀察得到鋼渣的礦物組成如圖1所示。

圖1 鋼渣的顯微結(jié)構(gòu)構(gòu)造

由圖1可見，鋼渣主要礦物成分為板狀硅酸三鈣和圓形及類圓形的硅酸二鈣，其次為鐵酸鈣和玻璃相，玻璃相主要為富鐵的淺色中間相（晶態(tài)、非晶態(tài)共存，富鐵玻璃相居多）和分布在淺色中間相中的深灰色點(diǎn)滴狀富含鎂鋁硅的深色中間相（晶態(tài)、非晶態(tài)共存，富鎂硅玻璃相居多）。圖1（a）中硅酸三鈣最大為1998μm，有的粒徑為1059μm；硅酸三鈣包裹中的MgO顆粒粒徑為142μm至271μm不等，如圖1（c）中深色顆粒為硅酸三鈣包裹中的MgO顆粒粒徑即為159μm；鋼渣中的金屬鐵主要呈球粒狀嵌布，見圖1（b），粒度大小一般介于100～300μm，最大可達(dá)3mm；與圖1（a）中的粒徑差別不大；圖1（d）中白色顆粒為硅酸二鈣，粒徑為943μm。

從鋼渣的顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性可以看出，鋼渣在作水泥原材料具有以下優(yōu)勢：

（1）鋼渣中含鐵：鋼渣是冶金行業(yè)的工業(yè)廢渣，其礦物組分主要為C3S、C2S、CaF2、CaO、MgO和單質(zhì)鐵等。鋼渣中含有的鐵以Fe2O3計(jì)可高達(dá)40%左右，適合替代鐵質(zhì)校正原料用于水泥的生產(chǎn)。鋼渣作為鐵質(zhì)校正原料，不僅可以減少大量鋼渣外排，還可以節(jié)省天然鐵礦石資源，降低生產(chǎn)成本。因此，雖然鋼渣中鐵含量不是很高，但是它對(duì)提高液相量，形成最低共熔溫度是非常有用的。

（2）“誘導(dǎo)晶種”作用：90年代中國建材科學(xué)研究院推出“添加晶種”熟料煅燒技術(shù) ，即在生料制備過程中 ，引入適量的優(yōu)質(zhì)水泥熟料作為“晶種”，在熟料煅燒過程中起到“誘導(dǎo)晶種”的特殊作用。鋼渣中含有硅酸三鈣、硅酸二鈣等物質(zhì)，這些礦物在熟料煅燒過程中同樣能起到了“誘導(dǎo)晶種”的作用。該作用可有效地降低晶體形成時(shí)的核化勢壘，打破原CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，促使化學(xué)反應(yīng)速度進(jìn)一步加快，為C2S吸收fCaO形成C3S的反應(yīng)創(chuàng)造條件，最終促進(jìn)水泥熟料燒成。若采用鋼渣，可作為水泥熟料煅燒中的“非熟料晶種”配料，可取得與水泥熟料晶種相同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

（3）調(diào)節(jié)生料中的鋁率（IM）：就化學(xué)組成而言，武鋼鋼渣中Fe2O3和FeO含量一般約為24%左右，而水泥工業(yè)常用的鐵粉含F(xiàn)e2O3一般為40%左右，其次鋼渣 (Fe2O3+FeO) / Al2O3為4～5，而鐵粉中Fe2O3/ Al2O3一般為2.5。可見，鋼渣鐵鋁比值較大，便于調(diào)節(jié)生料中鋁氧率（IM）值。

作礦化劑和促進(jìn)劑：鋼渣中含有MgO和FeO等礦物組分，是熟料燒成過程中良好的礦化劑和促進(jìn)劑，能夠降低CaCO3分解溫度，并加速化學(xué)反應(yīng)提高CaCO3的分解率。如鋼渣中MgO含量較高，將造成熟料MgO含量升高，煅燒時(shí)可提高熟料液相量，利于煅燒；同時(shí)含有的部分FeO也可降低液相出現(xiàn)的溫度。

部分代替石灰石和硅鋁質(zhì)校正材料：鋼渣中C3S、C2S等中含有的CaO、SiO2和Al2O3，在取代鐵質(zhì)的時(shí)候還可部分替代石灰石和硅鋁質(zhì)校正材料，減少石灰石和硅鋁質(zhì)校正材料資源的消耗，進(jìn)一步保護(hù)生態(tài)環(huán)境。同時(shí)鋼渣中高活性CaO可以相對(duì)減少CaCO3分解所需能量，降低熟料熱耗，減少配煤量，同時(shí)活性氧化鈣減少了CO2排放，達(dá)到適當(dāng)減排的目的。

通過生料預(yù)均化克服鋼渣組分波動(dòng)大的問題；并通過回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)煅燒再次均化。且無鋼渣安定性不良的問題。

考慮鋼渣中鐵粒對(duì)易磨性影響大，即會(huì)由于鋼渣粉生料不易磨細(xì)而影響生產(chǎn)控制。而鐵粒一般易富集在一起，故考慮鐵粒一般大小在0.3mm左右，加之富集效果影響，可采取對(duì)鋼渣進(jìn)行初磨后進(jìn)行選鐵，將不易磨細(xì)的單質(zhì)鐵粒選出后將對(duì)鋼渣易磨性進(jìn)行改善。

從鋼渣的顯微結(jié)構(gòu)可見，采用鋼渣代替鐵質(zhì)校正材料配料有諸多優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)提高鋼渣的易磨性也具有明顯的參考價(jià)值。下面從以下幾個(gè)方面再來驗(yàn)證鋼渣結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的正確性。

3 鋼渣的粉磨特性

影響鋼渣易磨性的主要因素是單質(zhì)鐵。為此采用二次除鐵工藝來對(duì)鋼渣進(jìn)行粉磨性能試驗(yàn)（工藝見圖2）。

圖2 鋼渣粉磨工藝示意圖

表2 除鐵和粉磨對(duì)鋼渣粉粉磨性能的影響

由表2可見，當(dāng)采用二次除鐵工藝后，在同樣的粉磨時(shí)間下，鋼渣粉的比表面積從472m2/kg提高到了537m2/kg，鋼渣的易磨性明顯得到改善?？梢姡趯?shí)際生產(chǎn)中只有采用二次除鐵工藝，將鋼渣粉磨到適宜的細(xì)度是沒有問題的，而且經(jīng)過二次除鐵后鋼渣對(duì)磨機(jī)的磨損也會(huì)大幅度降低。

4 鋼渣熟料燒成性能

為對(duì)比采用鋼渣配料后對(duì)熟料性能的影響，在此引入未摻鋼渣的利用鐵礦石進(jìn)行配料的參比來進(jìn)行對(duì)比研究。為增加結(jié)論的對(duì)比性，在保持滿足率值要求的范圍內(nèi)，使其率值基本保持一致。實(shí)驗(yàn)配比見表3。

燒制好的熟料斷面的顯微形貌如圖3所示。

表3 鋼渣與鐵礦石水泥熟料燒成配合比設(shè)計(jì)

圖3 未摻鋼渣對(duì)比樣（T-1）和摻有鋼渣的水泥熟料（G-1）顯微圖像

從圖3可以看出，摻有鐵礦石的水泥熟料中氣孔較多，摻有鋼渣的水泥熟料斷面較為致密，對(duì)比可知，摻有鋼渣的水泥熟料燒成礦物相中C3S含量更高，這也再次說明鋼渣的晶種效果明顯，也從微觀結(jié)構(gòu)方面證明，摻有鋼渣的水泥熟料具有較高的強(qiáng)度。

對(duì)以上兩種配合比燒制水泥熟料，與石膏配制水泥（其中SO3含量在1.9%），測定水泥凈漿在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的3d及28d強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 鋼渣及鐵礦石燒制水泥熟料的3d及28d凈漿強(qiáng)度

從表4可以看出，鋼渣的引入明顯降低了熟料中fCaO的含量，生料的易燒性得到明顯的改善。且摻加鋼渣的水泥熟料的3d強(qiáng)度明顯高于摻有鐵礦石的水泥熟料，摻加鋼渣的水泥熟料的28d強(qiáng)度略優(yōu)于摻有鐵礦石的水泥熟料強(qiáng)度。

綜上所述，鋼渣取代鐵礦石進(jìn)行水泥熟料的燒成優(yōu)勢非常突出，因其具有“誘導(dǎo)晶種”、礦化劑和促進(jìn)劑的作用，燒成效果要好于鐵礦石。

5 結(jié) 論

（1） 鋼渣的顯微結(jié)構(gòu)表明，鋼渣中含有硅酸三鈣和硅酸二鈣，其次為鐵酸鈣、游離氧化鈣、游離氧化鎂和玻璃相。因其含有鐵相可作水泥原材料，且因含有其它礦物組分在應(yīng)用時(shí)優(yōu)勢明顯，具有“誘導(dǎo)晶種”、調(diào)節(jié)生料中的鋁率、作礦化劑和促進(jìn)劑、部分代替石灰石和硅鋁質(zhì)校正材料等作用。這對(duì)降低燒成時(shí)的溫度和改善生料易燒性具有明顯促進(jìn)作用。

（2）采用預(yù)粉磨、二次除鐵和高效粉磨工藝，可生產(chǎn)出細(xì)度400～600m2/g以上的鋼渣粉，可解決鋼渣難以粉磨的問題。

（3）鋼渣取代鐵礦石進(jìn)行水泥熟料的燒成是可行的，且在適宜的摻量時(shí)和鐵礦石作鐵質(zhì)校正材料時(shí)對(duì)比，fCaO含量低、凈漿的強(qiáng)度高，能滿足生產(chǎn)水泥的強(qiáng)度要求。

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