鋼渣代替鐵礦石生產(chǎn)高性能水泥熟料研究

馮利軍

（中煤集團(tuán)山西華昱能源山陰?kù)虐航ú挠邢薰?，山?朔州 036900）

1 引言

中煤集團(tuán)山西華昱能源山陰?kù)虐航ú挠邢薰荆ㄒ韵潞?jiǎn)稱炫昂建材）日產(chǎn)2 500t水泥熟料生產(chǎn)線位于山西朔州山陰縣，受當(dāng)?shù)刭Y源限制，水泥生產(chǎn)所用原材料存在較大的局限性，一是工廠所在地山陰縣多是鹽堿地，黏土質(zhì)原料不能用于水泥生產(chǎn)，只能使用礦區(qū)高硅砂巖作為硅質(zhì)原料。使用高硅砂巖配料時(shí)，由于砂巖結(jié)晶硅含量較高，導(dǎo)致生料易磨性、易燒性均較差，生產(chǎn)中設(shè)備磨損增加，熟料單耗較高。二是山陰縣周邊鐵礦資源貧乏，從200km外采購(gòu)的鐵礦尾渣價(jià)格高、品味低、有害成分較高，對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)較大負(fù)面影響。為解決以上問(wèn)題，需在水泥原料方面有所創(chuàng)新，既要作為鐵質(zhì)校正原料，又要改善水泥生料的易燒性。2016年，炫昂建材成立攻關(guān)小組，武漢理工大學(xué)提供技術(shù)支持，對(duì)相關(guān)原料進(jìn)行篩選，確定以混合材料鋼廠煉鋼爐爐底渣作為鐵質(zhì)校正原料。

2 鋼渣基本性能研究

鋼渣在我國(guó)有較大的排放量，也有廣泛的地域分布，不同產(chǎn)地鋼渣的主要成分相對(duì)量有所變化，微量成分也有不同。鋼渣的主要化學(xué)成分為：CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、MgO、P2O5和 f-CaO，有些還含有V2O5、TiO2等。主要礦物為CMS（鈣鎂橄欖石）、C3MS2（鎂薔薇輝石）、C2S（硅酸二鈣）、C3S（硅酸三鈣）及RO相。通過(guò)探究鋼渣的性質(zhì)，掌握鋼渣在水泥熟料生產(chǎn)中的影響因素，對(duì)鋼渣資源化、有利化利用和高性能水泥熟料生產(chǎn)有促進(jìn)作用。

研究結(jié)果表明，鋼渣中主要影響生料易燒性的活化因子分為陰離子、陽(yáng)離子和鈣硅比三種。陰離子、陽(yáng)離子活化因子在熟料燒成過(guò)程中破壞水泥生料中反應(yīng)物的晶格，提高它們的化學(xué)活性，加速其固相反應(yīng)。在同樣的燒成溫度下，特別是較低煅燒溫度下?lián)饺脒@些活化因子的水泥物料液相量要大于未摻活化因子的液相量，因而有利于水泥熟料礦物的低溫?zé)?。同時(shí)，加入活化因子可顯著擴(kuò)大熟料的燒成范圍，改善熟料煅燒性能，促進(jìn)高性能熟料的燒成。

2.1 陰離子

水泥熟料常規(guī)成分以外的某些雜質(zhì)離子或離子團(tuán)對(duì)熟料的燒成和性能有較大影響，尤其是一些陰離子團(tuán)，能夠降低熟料的易燒性和膠凝性。

原料中的氯化物在水泥熟料煅燒時(shí)可增加液相生成量，劇烈地改變吸收相的熔點(diǎn)。通過(guò)熒光分析結(jié)果可以看出，炫昂建材鋼渣中含有0.02%的氯，在鋼渣中氯含量適中，在熟料煅燒過(guò)程中可以起到良好的促進(jìn)作用。

磷是一種在高溫下對(duì)燒成有促進(jìn)作用的物質(zhì)。熟料中氧化磷的含量極少，當(dāng)熟料中氧化磷含量在0.1%～0.3%時(shí)，可以改善水泥熟料的易燒性，提高膠凝性，有較輕的環(huán)境負(fù)荷。炫昂建材鋼渣中磷含量為0.71%，與其他地區(qū)鋼渣的磷含量相比處于較低水平。在水泥生料配比中摻入一定量的含磷原料，可以顯著改善水泥熟料的性能。

硫?qū)κ炝闲纬捎袕?qiáng)化作用，SO3能降低液相粘度，增加液相數(shù)量，有利于C3S的形成。一般控制生料中SO3≤1%。炫昂建材鋼渣中SO3的含量為0.67%，與其他地區(qū)鋼渣的硫含量相比處于較高水平。

2.2 陽(yáng)離子

熟料中含有少量的氧化鈦時(shí)，它能與各種水泥熟料礦物形成固溶體，特別是對(duì)β-C2S起穩(wěn)定作用，可提高熟料的質(zhì)量。但因其與氧化鈣反應(yīng)生成不具水硬性的鈣鈦礦，消耗了氧化鈣，減少了熟料中的阿利特含量，影響水泥強(qiáng)度，所以，氧化鈦含量不可過(guò)多，應(yīng)控制其在熟料中的含量不大于1%。炫昂建材鋼渣中鈦的含量為2.49%，與其他地區(qū)鋼渣鈦含量相比處于較高水平，配制生料時(shí)應(yīng)注意鈦的含量。

氧化鉻能降低水泥熟料的液相粘度和表面張力，加速阿利特形成，使共晶體增多，生料中以控制Cr2O3≤0.5%為宜。炫昂建材鋼渣中氧化鉻的含量為0.49%，與其他地區(qū)鋼渣鉻含量相比處于中等水平。

微量的堿能降低最低共熔溫度，降低熟料燒成溫度，增加液相量，起助熔作用。生料中堿含量（K2O+Na2O）應(yīng)小于1%。結(jié)合炫昂建材鋼渣的成分分析，其堿含量與其他地區(qū)鋼渣相比處于較高水平，但仍遠(yuǎn)低于1%。

氧化錳能夠降低熟料液相粘度，使阿利特晶粒尺寸變小、熟料早期強(qiáng)度降低。生料中以控制Mn2O3≤2%為宜。炫昂建材鋼渣中氧化錳的含量為0.01%，與其他地區(qū)鋼渣錳含量相比處于較低水平，對(duì)熟料性能影響不大。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)原料

由于條件限制，沒有原廠的原料進(jìn)行配料，遂在原廠生料樣的基礎(chǔ)上摻入石灰石、鋼渣、硅灰等原料，配制出符合試驗(yàn)要求的配料方案（見表1）。

所用生料和鋼渣來(lái)自炫昂建材，調(diào)整配料所用石灰石、硅灰和替代煤灰的粉煤灰均取自武漢理工大學(xué)。從化學(xué)分析數(shù)據(jù)可以看出，石灰石品質(zhì)較高，有害成分低；硅質(zhì)校正原料硅灰氧化硅含量為93.74%＞80%、SM＞4.0%、堿＜2%，符合要求；鋼渣中Fe2O3＜40%，有害成分低。

表1 實(shí)驗(yàn)組生料配料方案

3.2 配料計(jì)算

為了探究不同飽和比條件下鋼渣摻量對(duì)生料易燒性的影響，結(jié)合原料種類、成分和新型干法水泥生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，得出以下試驗(yàn)配料方案，其中1、4、5三組探究的是熟料率值與生料易燒性的關(guān)聯(lián)性；1、2、3三組探究的是較低熟料飽和比水平下鋼渣摻量對(duì)生料易燒性的影響；5、6、7三組探究的是在較高熟料飽和比水平下鋼渣摻量對(duì)生料易燒性的影響。這七組方案都是在新型干法煅燒中可能存在的配料方案，可以滿足新型干法生產(chǎn)普通水泥要求。由于配料時(shí)缺少鋁質(zhì)校正原料，致使所得配料方案中IM較低，但是對(duì)所得試驗(yàn)結(jié)論影響不大。

3.3 試樣制備方法

試樣制備方法參照《水泥生料易燒性試驗(yàn)方法》（JC/T 735-2005），但由于條件限制，試驗(yàn)時(shí)基于此標(biāo)準(zhǔn)有所改進(jìn)，具體改進(jìn)方法如下：

現(xiàn)有試體成型模具試體直徑d=30.0mm，為保證煅燒效果一致，控制現(xiàn)有模具和標(biāo)準(zhǔn)模具成型的試體厚度一樣，參照公式：

即控制現(xiàn)有試體成型模具成型試樣每次所需料樣質(zhì)量：

即m2=19g，考慮到直徑較大，試樣中心不易煅燒，最終取試樣成型質(zhì)量為m2=15g。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

易燒性試驗(yàn)所得樣品熟料中f-CaO含量（指1 450℃）＜1%時(shí)，易燒性好；f-CaO含量在1%～1.5%時(shí)，易燒性較好；f-CaO含量在1.5%～2%時(shí)，易燒性較差；f-CaO含量＞2%時(shí)，易燒性差。

采用1、2、3三組配料方案，按照《水泥生料易燒性試驗(yàn)方法》（JC/T 735-2005）進(jìn)行試驗(yàn)，分別進(jìn)行1 350℃、1 400℃、1 450℃三個(gè)溫度的易燒性試驗(yàn)，測(cè)定煅燒所得熟料中f-CaO含量。結(jié)果表明，隨著煅燒溫度的提高，熟料中f-CaO含量逐漸降低；在率值基本保持不變的情況下，鋼渣的摻量逐漸增多，熟料中f-CaO含量逐漸降低。3組生料的易燒性最好，2組生料易燒性最差，1組生料易燒性介于兩者之間。

采用5、6、7三組配料方案，按照《水泥生料易燒性試驗(yàn)方法》（JC/T 735-2005）進(jìn)行試驗(yàn)，分別進(jìn)行1 350℃、1 400℃、1 450℃三個(gè)溫度的易燒性試驗(yàn)，測(cè)定煅燒所得熟料中f-CaO含量。結(jié)果表明，隨著煅燒溫度的提高，熟料中f-CaO含量逐漸降低；在率值基本保持不變的情況下，鋼渣的摻量逐漸增多，熟料中f-CaO含量逐漸降低。7組生料的易燒性最好，5組生料易燒性最差，6組生料易燒性介于兩者之間。

由以上兩組數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是在較低熟料飽和比配料方案，還是較高熟料飽和比配料方案中，鋼渣都能夠顯著提高生料的易燒性。鋼渣的摻量越高，生料的易燒性越好。尤其在7組配料方案中，鋼渣的摻量達(dá)到了6%，使飽和比達(dá)到0.95%的配料方案，易燒性試驗(yàn)游離氧化鈣含量小于2%。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明摻入鋼渣能夠顯著改善生料的易燒性。

5 熟料巖相分析

硅酸鹽水泥熟料及其結(jié)構(gòu)不僅直接關(guān)系到水泥質(zhì)量?jī)?yōu)劣的評(píng)定，而且關(guān)系到原料、粉磨、均化、燒成、冷卻等整個(gè)工藝流程是否合理。因此，對(duì)水泥熟料進(jìn)行礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)分析非常重要。

水泥熟料的礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)分析一般采用X射線多晶衍射分析、偏光顯微鏡下分析、反光顯微鏡下分析。由于反光顯微鏡制片簡(jiǎn)單、光片浸蝕后晶體的輪廓清楚，便于結(jié)構(gòu)觀察和定性定量測(cè)量，而且放大倍數(shù)比偏光顯微鏡大，因此，反光顯微鏡下分析是無(wú)機(jī)非金屬材料物相、結(jié)構(gòu)分析的重要手段。

5.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用公司現(xiàn)有的篦冷機(jī)熟料、易燒性試驗(yàn)所得熟料與標(biāo)準(zhǔn)水泥熟料。

5.2 試驗(yàn)儀器

上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司YM-2A金相試樣預(yù)磨機(jī)、PG-1A金相試樣拋光機(jī)、反光晶相顯微鏡。

5.3 試驗(yàn)方法

選取熟料試塊較平整的一面，先用金相試樣預(yù)磨機(jī)粗加工，再用金相試樣拋光機(jī)將試樣表面加工至無(wú)磨痕像鏡面時(shí)為止。拋光后，將光面全部浸在試劑內(nèi)并不斷晃動(dòng)，使礦物表面均勻地與浸蝕劑接觸。浸蝕后立即將光片取出，用電吹風(fēng)冷熱風(fēng)交替吹干試樣，然后，用橡皮泥將試樣固定在玻璃片上，用壓樣器壓實(shí)并保證光面水平，再將試樣放到顯微鏡下觀察。

5.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)對(duì)比兩組試樣的巖相分析可以得出，摻入鋼渣后的熟料可以實(shí)現(xiàn)更高的飽和比配料方案，使得到的熟料中A礦發(fā)育更好，分布更加均勻，直徑更大；熟料水化后有更高的強(qiáng)度。