利用鋇鹽廢渣燒制高強度熟料的研究

張冠軍，李濤，詹楠，劉磊磊

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利用鋇鹽廢渣燒制高強度熟料的研究

張冠軍，李濤，詹楠，劉磊磊

利用鋇鹽廢渣配料進(jìn)行高強度水泥熟料的燒成試驗，探討了鋇鹽廢渣對水泥熟料煅燒和性能的影響。研究結(jié)果表明，摻加鋇鹽廢渣配料有利于固相反應(yīng)時的質(zhì)點擴(kuò)散和礦物的均勻分布，促進(jìn)A礦的形成和生長，改善熟料的巖相結(jié)構(gòu)，能燒制出性能優(yōu)良的水泥熟料。

鋇鹽廢渣；熟料煅燒；礦物形成；熟料性能

我國重晶石（BaSO4）礦資源豐富，礦體具有出露淺、品位高、易采選之特點，是生產(chǎn)鋇鹽（BaCO3）的優(yōu)質(zhì)原料。由于生產(chǎn)鋇鹽時重晶石的利用率最高也只達(dá)到90%，因而礦石消耗高，產(chǎn)生很多廢渣。鋇鹽廢渣是鋇鹽生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢物，我國每年鋇鹽廢渣的產(chǎn)量為60萬噸以上，這些廢渣中含有大量的鋇離子，鋇鹽廢渣的排放嚴(yán)重污染了生態(tài)環(huán)境。經(jīng)過試驗證明，鋇鹽廢渣經(jīng)適當(dāng)處理后，在熟料煅燒工程中有促進(jìn)低溫煅燒、助融和礦化作用。本文用河南伊川某鋇鹽化工廠產(chǎn)生的鋇鹽廢渣配料進(jìn)行硅酸鹽水泥熟料的燒成試驗，探討了鋇鹽廢渣對水泥熟料燒成及性能的影響。

1　試驗

1.1原料

1.1.1鋇鹽廢渣

鋇鹽廢渣的化學(xué)分析結(jié)果見表1。

本試驗選用河南伊川某化工廠生產(chǎn)鋇鹽后的鋇鹽廢渣作為試驗原料。

1.1.2石灰石原料、鋁質(zhì)原料以及硅質(zhì)原料

試驗用石灰石、鋁礬土、砂巖、鐵礦石檢測結(jié)果見表2。

2生料易燒性試驗

生料易燒性試驗依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T26566-2011《水泥生料易燒性試驗方法》進(jìn)行。

表1　鋇鹽廢渣化學(xué)分析結(jié)果，%

表2　石灰石、鋁礬土、砂巖、鐵礦石檢測結(jié)果，%

生料在950℃預(yù)燒30min，在1 400℃煅燒30min，出爐急冷，然后用甘油酒精法測定fCaO的含量，以不同生料在相同煅燒條件下CaO與酸性氧化物的反應(yīng)程度來表征生料的易燒性。

為了找到最佳的鋇鹽廢渣摻量，選用不同的配合比（見表3），將不同配合比的生料混合均勻，分別在試驗高溫爐中試燒，燒成溫度在1 400℃下保溫1h。出爐后在空氣中冷卻得到水泥熟料，然后進(jìn)行化學(xué)分析，檢測各方案的fCaO含量。

從圖1可以看出，在一定飽和比和一定鋇鹽廢渣摻量下，熟料中的fCaO隨著鋇鹽廢渣摻量的增加而降低，說明鋇鹽廢渣可促進(jìn)熟料中fCaO的吸收。鋇鹽廢渣在高溫下分解為BaO和SO3，因此改變了高溫融體的酸堿性，使兩性礦物Al2O3和Fe2O3的堿性得到增強，而Al3+，F(xiàn)e3+具有6個O2-配位，構(gòu)成較松散的八面體，其中Al-O、Fe-O鍵較弱，在粘滯流動中易斷裂，在鍛燒時會降低液相粘度和液相出現(xiàn)的溫度，增加液相量，利于C3S的形成，強度隨之升高。但是，當(dāng)鋇鹽廢渣摻量超過一定量，熟料中fCaO量隨鋇鹽廢渣的增加而增加，這一現(xiàn)象在高飽和比的樣品中尤為明顯，這是由于C2S固熔Ba2+后，產(chǎn)生了穩(wěn)定性，繼續(xù)吸收CaO生成C3S的能力減弱。

表3　不同鋇鹽廢渣摻量化學(xué)分析

可見，BaSO4含量對熟料中fCaO有著重要影響，在1 400℃的煅燒溫度下，試樣中fCaO的含量隨著BaSO4含量的增加，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，說明BaSO4含量在1.0%～1.8%時，摻入鋇鹽廢渣可以改善生料的易燒性，熟料中fCaO達(dá)到最低，含量> 1.8%以后，對進(jìn)一步改善易燒性無明顯效應(yīng)。這說明，鋇鹽廢渣的摻入促進(jìn)了熟料礦物的形成，使水泥熟料可以在1 400℃下燒成，比硅酸鹽水泥熟料燒成溫度降低約50℃，大大降低了燒成能耗。因此摻入少量的鋇鹽廢渣可以顯著地改善生料的易燒性。

綜合考慮鋇鹽廢渣在熟料體系中的作用，確定BaSO4含量在1.0%～1.8%。

圖1　fCaO與BaSO4含量的關(guān)系

圖2　1400℃時熟料XRD定量分析

3熟料燒成試驗

熟料燒成試驗采用SX2-8-16硅鉬棒高溫爐煅燒，分別在1 400℃煅燒不同時間后，出爐急冷制得水泥熟料。

4分析與檢測

X射線分析采用日本理學(xué)R B/ max-3B型X-射線衍射儀，Cu、Ka靶，石墨單色器。

水泥熟料巖相分析采用DM-100C金相顯微鏡。

按照GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》進(jìn)行水泥熟料的化學(xué)分析以及力學(xué)性能檢驗。

圖3　1400℃煅燒的熟料巖相圖片

5實驗結(jié)果與分析討論

5.1鋇鹽廢渣對熟料礦物形成的影響

從圖2可以看出，4號樣品在1 400℃時，熟料的礦物較為穩(wěn)定，熟料的游離氧化鈣峰已經(jīng)基本消失，且在原有位置出現(xiàn)了C2S的衍射峰。這說明由于鋇鹽廢渣的礦化作用，使得熟料的燒成溫度大大降低，從而也會使熟料鍛燒的煤耗有所降低。

近日，由中材裝備集團(tuán)有限公司研發(fā)設(shè)計的首臺用于粉磨鐵礦石的TRM28.2輥磨在湖北鳳山礦業(yè)有限公司年產(chǎn)60萬噸鐵礦石項目順利投產(chǎn)達(dá)標(biāo)。

該鐵礦石輥磨于2015年12月投產(chǎn)，并于2016年1月4日順利達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。經(jīng)過粉磨的鐵礦石細(xì)度R80mm<20%，干基產(chǎn)量108t/h，輥磨主機(jī)電耗7.5kWh/t，產(chǎn)量和電耗均達(dá)到了保證值，磨機(jī)運行平穩(wěn)，振動小，易于操作。

輥磨通過擠壓料床粉磨，能夠更好地提高鐵礦石的解離效果，適用于低品位礦石的粉磨提純。該輥磨的成功運行，為裝備集團(tuán)料床粉磨裝備在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用做出了有益的探索。

表4　熟料化學(xué)成分分析及礦物組成，%

表5　物理性能檢驗結(jié)果

綜上所述，在1 400℃工況以后，熟料樣品fCaO變化較小，且含量較低，因此可以認(rèn)為，熟料在1 400℃已經(jīng)基本燒成，鋇鹽廢渣礦化作用明顯，降低熟料燒成溫度比較顯著，燒成合格水泥熟料的溫度比傳統(tǒng)的煅燒溫度1 450℃降低了約100℃。

5.2熟料的巖相分析

從圖3可以看出，4號樣品硅酸鹽礦物中大部分以A礦出現(xiàn)，輪廓清晰，多為不規(guī)則板狀；B礦較少，已找不到堆積的fCaO礦巢，但并不排除礦物中有fCaO包裹體（圖中較難發(fā)現(xiàn)）；硅酸鹽結(jié)晶尺寸普遍較大，A礦與B礦的分布和尺寸大小也更加均勻。該現(xiàn)象表明摻加鋇鹽廢渣能促進(jìn)固相反應(yīng)時的質(zhì)點擴(kuò)散和礦物的均勻分布，促進(jìn)硅酸鹽礦物晶體生長發(fā)育。

5.3熟料強度

利用鋇鹽廢渣為原料的4號樣品熟料化學(xué)成分分析以及礦物組成見表4，物理性能檢驗結(jié)果見表5。

摻加鋇鹽廢渣配料對熟料力學(xué)性能的改善主要是由于鋇鹽廢渣的礦化作用，熟料中的A礦較多，礦物發(fā)育完整，尺寸和分布均勻性較好，而且由于鋇鹽廢渣的摻加，熟料礦物尤其是C3S的晶體缺陷較多，因此水化活性較高。

6　結(jié)語

（1）摻加少量的鋇鹽廢渣，可以使高阿利特硅酸鹽水泥熟料在1 350℃的較低溫度下燒成，并可以形成少量的快硬早強型礦——硫鋁酸鋇鈣，在降低熟料燒成溫度的前提下，提高了該水泥的性能。

（2）從早期強度角度分析，在本實驗條件下，BaSO4的適宜含量為1.0%～1.8%之間，熟料的最佳設(shè)計組成為：KH：0.92、SM：2.5、AM：1.5，展現(xiàn)了良好的早期力學(xué)性能。

（3）從后期強度角度分析，在本實驗條件下，BaSO4的適宜含量為1.0%～1.8%之間，熟料的最佳設(shè)計組成為：KH：0.92、SM：2.5、AM：1.5。在熟料MgO為4.5%左右時，仍具有較高的后期強度，說明鋇鹽廢渣的加入能固熔部分熟料MgO，提高熟料后期強度。

（4）摻加少量的硫酸鋇可以促進(jìn)C3S和硫鋁酸鋇鈣礦物的形成，促進(jìn)A礦、B礦的晶體發(fā)育，改善B礦的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了高阿利特硅酸鹽水泥的性能。

（5）摻加鋇鹽廢渣能明顯改善水泥熟料的物理力學(xué)性能，在1 400℃溫度附近煅燒，均可燒成凝結(jié)正常、安定性合格和力學(xué)性能優(yōu)良的水泥熟料。

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中材裝備集團(tuán)研發(fā)首臺粉磨鐵礦石輥磨投產(chǎn)達(dá)標(biāo)

Research on the Preparation of High Strength Clinker with Waste Residue of Barium Salt

TQ172.44

A

1001-6171（2016）02-0035-03

通訊地址：天瑞集團(tuán)鄭州水泥有限公司，河南滎陽450131；2015-08-27；編輯：趙蓮