鋼渣替代鐵粉制備硅酸鹽水泥熟料

戴昌軍

摘要：為了用鋼渣作為鐵定標(biāo)原料制備硅酸鹽水泥熟料，采用X射線衍射（XRD）對(duì)比了不同石灰石飽和系數(shù)下常規(guī)鐵粉成分和鋼渣成分制備的原料的可燃性，測(cè)試了燒熟熟料的礦物組成，并測(cè)試了熟料的物理和機(jī)械性能，并與工業(yè)生產(chǎn)的熟料進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，當(dāng)煅燒溫度低于1350℃時(shí)，由鋼渣燒結(jié)的熟料樣品的f-CaO含量略高于鐵粉批次，當(dāng)煅燒溫度高于1400℃時(shí)，兩種成分的可燃性很低。實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，與鐵粉成分相比，鋼渣成分不會(huì)改變熟化熟料的礦物成分，鋼渣可以完全替代鐵粉成分，生產(chǎn)出高品質(zhì)的熟料，礦物組成和良好的礦物發(fā)展。

關(guān)鍵詞：易燒性；熟料；鋼渣

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的廢渣、排放量大，約占鋼鐵產(chǎn)量的15%～20%。目前，鋼渣采用廣泛的處理方法，利用效率低。水泥行業(yè)對(duì)各種工業(yè)廢渣具有良好的適應(yīng)性，當(dāng)鋼渣用于生產(chǎn)水泥熟料時(shí)，可以減少水泥工業(yè)中石灰石，粘土等天然材料的消耗，實(shí)現(xiàn)鋼渣的大量有效利用。本文以梅山鋼渣作為鐵定標(biāo)原料，制備優(yōu)質(zhì)水泥熟料，并根據(jù)不同石灰石飽和系數(shù)，采用常規(guī)鐵粉配料和鋼渣配料制備的原料的可燃性，進(jìn)行了比較和研究，衍射研究了燒熟熟料的礦物組成。

1、原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1硅酸鹽水泥原材料

實(shí)驗(yàn)原料：石灰石、砂巖、粘土、鐵粉，均來自句容臺(tái)泥水泥廠，通過在約950℃的高溫下燃燒煤而產(chǎn)生灰。各種原料在使用前先破碎、干燥、研磨。從鋼渣的化學(xué)成分可以看出，鋼渣中的Fe2O3含量很高低于鐵粉，氧化鈣含量高。當(dāng)使用鋼渣代替鐵粉時(shí)，可以減少石灰石的數(shù)量，從而減少二氧化碳的排放，并有效的降低能耗。

1.2硅酸鹽水泥配料方案

為降低粘土用量而增加砂巖使用量，在進(jìn)行熟料三率值設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地提高硅酸率，降低鋁氧率。但是，過低的鋁氧率可能會(huì)降低熟料粉磨效率。綜合考慮原料配比和熟料粉磨性能，采用如下三率值：KH=0.88～0.92，SM=2.7，IM=1.5。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

水泥原料的可燃性試驗(yàn)方法：將各原料按照設(shè)定的混合比例（精確至0.01g）混合均勻后加入約10%的水?dāng)嚢杈鶆?，然后用特制的模具，?t壓力下制成的質(zhì)量為約5g直徑20mm的原料片。成型后，將生片置于105-120℃的烘箱中以使其完全干燥，以防止其在突然進(jìn)入高溫狀態(tài)后發(fā)生破裂。將干燥的生片放入950℃的馬弗爐中30分鐘，然后加熱至煅燒溫度（1250℃，1300℃，1350℃，1400℃，1450℃），保溫30分鐘分鐘，然后迅速冷卻。研磨冷卻至室溫的熟料樣品，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T176-2008“水泥的化學(xué)分析方法”中的乙二醇法測(cè)定熟料中的f-CaO含量。使用XRD射線衍射儀分析熟料的礦物組成，并且使用光學(xué)顯微鏡觀察熟料的微觀結(jié)構(gòu)。。

2、結(jié)果與討論

2.1熟料中游離氧化鈣含量

通過燒結(jié)鐵粉成分和鋼渣成分獲得的熟料樣品的fCaO含量的測(cè)定結(jié)果示于表3中。分析可得，當(dāng)煅燒溫度為1250℃至1350℃時(shí)，隨著煅燒溫度的升高，鋼渣成分樣品的f-CaO含量不斷降低，但略高于鐵粉成分樣品在相同速率下的含量。當(dāng)煅燒溫度高于1400℃時(shí)，兩種成分的可燃性是可比的。對(duì)鋼渣和鐵粉原料粒度分布的分析結(jié)果表明，鋼渣中細(xì)顆粒含量明顯低于鐵粉，而粗顆粒多。受鋼渣中粗顆粒的影響，當(dāng)煅燒溫度低于1350℃時(shí)，鋼渣不能有效地促進(jìn)原料對(duì)f-CaO的吸收，反而也可能會(huì)阻礙其效果。因此，鋼渣批量樣品的f-CaO含量略高于鐵粉批量樣品的f-CaO含量。

2.2鐵粉和鋼渣高溫液相的粘度

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)鋼渣成分與水泥熟料混合時(shí)，鋼渣中的微量元素可作為礦化劑降低液相線溫度和粘度，但大多數(shù)只是推理而來。為了定性研究鐵粉和鋼渣液相在高溫下的粘度，本文對(duì)鐵粉和鋼渣冷卻后的樣品進(jìn)行熱分析后進(jìn)行對(duì)比分析。鐵粉樣品的Fe表面呈凸形，容器壁光滑，沒有壁爬現(xiàn)象，表明高溫下形成的鐵粉具有高的液相粘度和大的表面張力。鋼渣樣品RP在氧氣氣氛和氮?dú)鈿夥障掠忻黠@的爬壁現(xiàn)象，鋼渣表面為凹面，表明高溫下形成的鋼渣液相表面張力小，液體粘度低。因此，在用鋼渣煅燒熟料的過程中，形成的液相有利于包括Ca在內(nèi)的離子的擴(kuò)散，從而促進(jìn)熟料礦物尤其是高溫礦物的形成和生長(zhǎng)。

2.3熟料的XRD分析

對(duì)兩種在不同煅燒溫度下焙燒的熟料樣品進(jìn)行XRD衍射分析，KH值為0.92。分析表明，與鐵粉成分相比，鋼渣成分不會(huì)改變燒成熟料的礦物成分。當(dāng)煅燒溫度低于1300℃時(shí)，熟料中的f-CaO含量高，主要礦物組成為C2S，C3A和鋁酸鈣。當(dāng)煅燒溫度高于1350℃時(shí)，fCaO的衍射峰明顯減弱，并形成大量的C3S礦物。隨著煅燒溫度的升高，C3S的衍射峰強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。當(dāng)在1450℃煅燒時(shí)，f-CaO的衍射峰幾乎消失。比較不同煅燒溫度下鐵粉批次樣品和鋼渣批量樣品的XRD圖譜，衍射峰的變化趨勢(shì)基本相同，但在1450℃時(shí)，C3A和Ca2（Al，F(xiàn)e）2O5是顯著不同的。

2.4燒成熟料的物理力學(xué)性能

一家以1000噸/日，1500噸/日，5000噸/日三條新型干法水泥生產(chǎn)線為原料，采用美鋼鋼渣公司鋼渣代替鐵粉生產(chǎn)原料的水泥公司。配比方案接近本研究方案，鐵粉成分相反，使用鋼渣后（鋼渣量約為原料的3%），原料粉磨沒有明顯差異。燒成時(shí)沒有明顯變化或異常，也沒有發(fā)生堵塞和結(jié)殼等異?，F(xiàn)象。該公司使用美鋼鋼渣成分燒制的水泥熟料的主要物理性能。分析可以得出，不同規(guī)模生產(chǎn)線用于生產(chǎn)熟料的鋼渣具有良好的物理性能，其28d強(qiáng)度大于59MPa，凝結(jié)時(shí)間也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.5鋼渣配料水泥熟料的礦物組成

熟料的XRD圖譜和分析結(jié)果分別使用鋼渣和鐵粉成分在1450℃下焙燒。鋼渣投加水泥熟料主要由C3S、C2S、C23A和Ca2（Al，F(xiàn)e）2O組成。其他礦物的成分；圖中幾乎沒有可見的fCaO衍射峰，表明熟料fCaO含量非常低。與鐵粉成分相比，鋼渣成分并沒有改變燒成熟料的礦物類型，但兩種熟料中C3A和Ca2（Al，F(xiàn)e）203鐵鋁相的衍射峰存在顯著差異。鐵粉熟料C3A和Ca2Al、Fe）2O。衍射峰是獨(dú)立的和不同的，而鋼渣成分的衍射峰重疊，表明兩者的組成和結(jié)晶度與鐵粉熟料顯著不同。這主要是由于在鋼渣配料中引入了MgO和其他次要組分，這改變了液相組成和性質(zhì)（增加了液相并降低了液體粘度），進(jìn)而影響C3A、CaAl，F(xiàn)e）2O3的結(jié)晶過程所致。

3、結(jié)論

綜上所述，在制備硅酸鹽水泥時(shí)，用鋼渣代替鐵粉制備可有效地改善水泥的力學(xué)性能。首先，當(dāng)煅燒溫度低于1350℃時(shí)，鋼渣中的粗顆粒更多。鋼渣焙燒熟料中f-CaO含量的影響略高于鐵粉樣品，當(dāng)煅燒溫度高于1400℃時(shí)，兩種配料原料燃燒相當(dāng)，其次是梅山鋼渣，當(dāng)熟料用鐵粉煅燒時(shí)，可以得到具有相同礦物組成的熟料，并且鋼中的一些礦物質(zhì)礦渣可以促進(jìn)C3S的形成，從而使燒成熟料礦物的晶體發(fā)育良好。利用梅崗鋼渣完全替代鐵粉，可以生產(chǎn)不同規(guī)模的干法水泥生產(chǎn)線中的優(yōu)質(zhì)熟料。

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