熔渣用于生產(chǎn)水泥的試驗(yàn)研究與生產(chǎn)實(shí)踐

趙曉東

1 前言

遼寧冀東水泥有限公司φ4.74m×74m生產(chǎn)線自2010年6月投產(chǎn)以來(lái)，一直使用礦渣配料生產(chǎn)水泥熟料與礦渣水泥，生產(chǎn)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益比較理想，窯產(chǎn)量平均為4 236.25t/d；熟料3d抗壓強(qiáng)度平均為28.62MPa，28d抗壓強(qiáng)度平均為57.08MPa；熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗平均為110.43kg/t。2015年后，遼寧地區(qū)的礦渣資源日趨緊張，價(jià)格連年上漲，造成水泥成本逐年增高，因此尋求礦渣的替代原材料成為水泥生產(chǎn)企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

熔渣與礦渣都是煉鋼廠生產(chǎn)的高爐廢渣。盡管其化學(xué)成分十分相近，但因冷卻速率不同，礦物結(jié)構(gòu)完全不同。熔渣沒(méi)有經(jīng)過(guò)水淬冷，其冷卻速率很緩慢，液相在漫長(zhǎng)冷卻過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)晶反應(yīng)，其礦物晶體含量較礦渣多，玻璃相含量較礦渣少，表現(xiàn)出明顯的耐磨、耐火特性。使用熔渣作混合材生產(chǎn)水泥，水泥磨機(jī)的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量會(huì)降低，單位電耗會(huì)增加；使用熔渣作配料成分生產(chǎn)水泥熟料，生料磨機(jī)的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量會(huì)降低，單位電耗會(huì)增加，回轉(zhuǎn)窯的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量也會(huì)降低，熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗會(huì)增加，影響生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。所以，水泥企業(yè)一直使用礦渣生產(chǎn)水泥，熔渣一直被廢棄，沒(méi)有得到充分利用。鞍山鋼鐵公司每年排放熔渣300余萬(wàn)噸，本溪鋼鐵公司每年排放熔渣200余萬(wàn)噸，撫順?shù)撹F公司每年排放熔渣200余萬(wàn)噸，如今遼寧地區(qū)的熔渣儲(chǔ)量已經(jīng)多達(dá)1.5億噸，而每年用于公路基石、鐵路基石等工程的僅有30余萬(wàn)噸，其余的都廢置在農(nóng)田。這些廢棄的熔渣不僅占用大量耕地，而且還會(huì)污染土地和地下水。因此，研究熔渣用于水泥生產(chǎn)，不但具有現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)意義，而且還具有利廢、環(huán)保的社會(huì)意義。

表1 熔渣和礦渣的化學(xué)成分，%

2 熔渣用于水泥生產(chǎn)的可行性研究

（1）化學(xué)成分分析

選取鞍山鋼鐵公司、本溪鋼鐵公司和撫順?shù)撹F公司生產(chǎn)的熔渣及已生產(chǎn)使用多年的鞍鋼礦渣試樣，做化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，鞍鋼、本鋼和撫鋼熔渣與鞍鋼礦渣的化學(xué)成分十分相近，就化學(xué)成分而言，均符合GB/T 203-2008《用于水泥中的粒化高爐礦渣》標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）活性分析

根據(jù)質(zhì)量系數(shù)計(jì)算公式K=[CaO+Al2O3+MgO]/[SiO2+MnO+TiO2][2]，分別計(jì)算鞍鋼礦渣、鞍鋼熔渣、本鋼熔渣、撫鋼熔渣的質(zhì)量系數(shù)，其數(shù)值分別為K1=1.50、K2=1.44、K3=1.41，K4=1.43，質(zhì)量系數(shù)均＞1.20，符合GB/T 203-2008《用于水泥中的?；郀t礦渣》標(biāo)準(zhǔn)要求，適合作生產(chǎn)水泥的原料。

（3）巖相結(jié)構(gòu)分析

選取鞍鋼、本鋼和撫鋼熔渣及鞍鋼礦渣試樣，做巖相結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 熔渣和礦渣的巖相成分，%

由表2可知，鞍鋼、本鋼和撫鋼熔渣與鞍鋼礦渣的巖相結(jié)構(gòu)差別很大，鞍鋼礦渣的玻璃相成分高達(dá)35.45%，比鞍鋼熔渣高13.66%，比本鋼熔渣高19.12%，比撫鋼熔渣高17.21%，其原因是礦渣經(jīng)過(guò)水淬冷處理，其冷卻速率相對(duì)較快，液相不容易發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)，礦物中玻璃相成分相對(duì)較高，晶相成分相對(duì)較低。熔渣沒(méi)有經(jīng)過(guò)水淬冷，其冷卻速率相對(duì)緩慢，液相容易發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)，礦物中的晶體成分比礦渣多，玻璃相成分比礦渣少。但熔渣的含水量較礦渣低4%～6%，粉磨時(shí)可以節(jié)省烘干能源。

（4）易磨性分析

分別稱取鞍鋼、本鋼和撫鋼熔渣及鞍鋼礦渣試樣6kg，各自分別在φ500mm×500mm的試驗(yàn)小磨中粉磨10min、20min及30min，再測(cè)試其比表面積，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 熔渣和礦渣的比表面積測(cè)試，m2/kg

由表3可知，粉磨相同的時(shí)間，鞍鋼礦渣的比表面積大于鞍鋼熔渣的比表面積，鞍鋼熔渣的比表面積大于本鋼熔渣的比表面積，本鋼熔渣的比表面積大于撫鋼熔渣的比表面積，說(shuō)明鞍鋼礦渣的易磨性優(yōu)于鞍鋼熔渣的易磨性，鞍鋼熔渣的易磨性優(yōu)于本鋼熔渣的易磨性，本鋼熔渣的易磨性優(yōu)于撫鋼熔渣的易磨性。熔渣和礦渣的易磨性試驗(yàn)結(jié)果，與其巖相成分的分析結(jié)果完全吻合。

3 熔渣用于水泥熟料的生產(chǎn)試驗(yàn)

根據(jù)質(zhì)量系數(shù)的計(jì)算、巖相結(jié)構(gòu)分析及易磨性試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，選用鞍山鋼鐵公司生產(chǎn)的熔渣用于生產(chǎn)水泥熟料，并于2016年6月從鞍山鋼鐵公司購(gòu)進(jìn)8 000t熔渣連續(xù)7d進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，試生產(chǎn)所用的原材料化學(xué)成分見(jiàn)表4，原料配比見(jiàn)表5，熟料率值及礦物組成見(jiàn)表6，生料磨機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表7，回轉(zhuǎn)窯的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表8。

由表7可知，熔渣代替礦渣配料進(jìn)行試生產(chǎn)，生料磨機(jī)的產(chǎn)量降低了2.75t/h，生料分步電耗增加了0.71kWh/t，生料細(xì)度合格率降低了0.67%，其主要原因是熔渣的活性與易磨性都比礦渣差。

由表8可知，熔渣代替礦渣配料進(jìn)行試生產(chǎn)，窯的產(chǎn)量降低了4.87t/h，熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加了3.84kg/t，熟料3d抗壓強(qiáng)度降低了0.17MPa，28d抗壓強(qiáng)度降低了0.27MPa，熟料強(qiáng)度變化微小。就生料磨機(jī)與回轉(zhuǎn)窯的試生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)而言，熔渣代替礦渣試生產(chǎn)效果比較理想。

4 熔渣用作水泥混合材的生產(chǎn)試驗(yàn)

借鑒熔渣代替礦渣生產(chǎn)水泥熟料的試生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)選用鞍鋼熔渣用作水泥混合材進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。2016年7月從鞍山鋼鐵公司購(gòu)進(jìn)5 000t熔渣，連續(xù)7d在φ4.2m×13m水泥磨中進(jìn)行生產(chǎn)P·S42.5水泥試驗(yàn)，水泥配比見(jiàn)表9，水泥磨機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表10，水泥物理性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表11。

由表10可知，熔渣代替礦渣40%作為混合材生產(chǎn)水泥，水泥磨機(jī)的產(chǎn)量降低了3.07t/h，水泥分步電耗增加了2.49kWh/t，生料細(xì)度合格率降低了0.58%，其主要原因是熔渣的易磨性比礦渣差，在水泥磨機(jī)內(nèi)的粉磨時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

表4 試生產(chǎn)的原材料化學(xué)成分，%

表5 熔渣與礦渣的生料配比，%

表6 熔渣與礦渣配料的礦物組成（%）及熟料率值

表7 熔渣與礦渣配料的生料磨機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

表8 熔渣與礦渣配料的窯主要技術(shù)指標(biāo)

表9 熔渣與礦渣的水泥配比，%

表10 熔渣與礦渣配料的水泥磨機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

由表11可知，熔渣代替礦渣40%作為混合材生產(chǎn)水泥，其標(biāo)準(zhǔn)稠度、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、3d抗壓強(qiáng)度及28d抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)都比較理想，完全符合GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 熔渣用于水泥生產(chǎn)的實(shí)踐

借鑒熔渣生產(chǎn)水泥熟料及用作水泥混合材的試生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，2016年8月，從鞍山鋼鐵公司批量采購(gòu)熔渣用于水泥生產(chǎn)：熔渣100%代替礦渣配料生產(chǎn)水泥熟料；熔渣40%代替礦渣配料生產(chǎn)P·S42.5水泥。經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐，取得了降低成本、增加效益的生產(chǎn)實(shí)效。使用熔渣生產(chǎn)水泥一年，其生料磨機(jī)、回轉(zhuǎn)窯及水泥磨機(jī)的主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表12、表13、表14。

由表12可知，使用熔渣生產(chǎn)水泥熟料，生料磨機(jī)的產(chǎn)量降低了2.41t/h，生料分步電耗增加了1.32kWh/t，生料細(xì)度合格率降低了0.64%，其主要原因是熔渣的易磨性較礦渣差。

表11 熔渣與礦渣配料的水泥物理性能檢測(cè)

表12 熔渣配料前后生料磨機(jī)的主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

表13 熔渣配料前后窯的主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

表14 熔渣配料前后水泥磨機(jī)的主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

由表13可知，使用熔渣生產(chǎn)水泥熟料，窯產(chǎn)量降低了4.34t/h，標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加了3.43kg/t熟料，3d抗壓強(qiáng)度降低了0.39MPa，28d抗壓強(qiáng)度降低了0.31MPa，其主要原因是熔渣的活性較礦渣差。

由表14可知，熔渣40%代替礦渣配料生產(chǎn)P·S42.5水泥，水泥磨機(jī)的產(chǎn)量降低了2.45t/h，水泥分步電耗增加了1.87kWh/t，水泥球耗增加了7.39g/t，生料細(xì)度合格率降低了0.92%，其主要原因是熔渣的易磨性較礦渣差。

6 取得的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益

使用熔渣代替礦渣生產(chǎn)水泥，生料磨、回轉(zhuǎn)窯及水泥磨等主機(jī)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)增量與取得的經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)表15。

由表15可知，使用廢棄閑置的熔渣生產(chǎn)水泥，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益509.70萬(wàn)元。

遼寧冀東水泥有限公司使用熔渣代替礦渣生產(chǎn)水泥，在取得較好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也取得了較好的社會(huì)效益，帶動(dòng)了遼西渤海水泥有限公司、遼陽(yáng)小屯水泥有限公司也使用熔渣生產(chǎn)水泥，解決了多年積存的熔渣對(duì)周邊地下水、土壤及環(huán)境的污染問(wèn)題，極大地提高了公司的社會(huì)知名度。

[1]趙曉東.熔渣代替礦渣配料生產(chǎn)水泥熟料[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2012，（2）.

[2]GB/T 203-2008，用于水泥中的?；郀t礦渣[S].

[3]GB 175-2007，通用硅酸鹽水泥[S].■