钢渣代替铁矿石生产高性能水泥熟料研究

　　摘 要：山西朔州山阴县多是盐碱地，且周边铁矿资源贫乏，水泥生产所用原材料存在较大的局限性。为了解决水泥原料方面的问题，文章对钢渣的基本性能进行了研究，分析了钢渣在水泥熟料生产中的影响因素，提出以混合材料钢厂炼钢炉炉底渣作为铁质校正原料的方法进行试验，探究了不同饱和比条件下钢渣掺量对生料易烧性的影响。试验结果表明，掺入钢渣后的熟料可以实现更高的饱和比配料方案。

　　关键词：钢渣;铁矿石;生产高性能;水泥熟料

　　1 引言

　　中煤集团山西华昱能源山阴炫昂建材有限公司，日产2500t水泥熟料生产线位于山西朔州山阴县，受当地资源限制，水泥生产所用原材料存在较大的局限性，一是工厂所在地山阴县多是盐碱地，黏土质原料不能用于水泥生产，只能使用矿区高硅砂岩作为硅质原料。

　　建筑材料论文投稿期刊：《水泥技术》Cement Technology(双月刊)1984年创刊，主要介绍国内外水泥工业科研、设计、建设和生产中先进实用的技术和装备，尤其重视报导各种规模新型干法水泥生产线的先进技术，改造的成功经验和途径，始终站在行业技术的前沿。

　　使用高硅砂岩配料时，由于砂岩结晶硅含量较高，导致生料易磨性、易烧性均较差，生产中设备磨损增加，熟料单耗较高。二是山阴县周边铁矿资源贫乏，从200km外采购的铁矿尾渣价格高、品味低、有害成分较高，对生产带来较大负面影响。为解决以上问题，需在水泥原料方面有所创新，既要作为铁质校正原料，又要改善水泥生料的易烧性。2016年，炫昂建材成立攻关小组，武汉理工大学提供技术支持，对相关原料进行筛选，确定以混合材料钢厂炼钢炉炉底渣作为铁质校正原料。

　　2 钢渣基本性能研究

　　钢渣在我国有较大的排放量，也有广泛的地域分布，不同产地钢渣的主要成分相对量有所变化，微量成分也有不同。钢渣的主要化学成分为：CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、MgO、P2O5和f-CaO，有些还含有V2O5、TiO2等。主要矿物为CMS(钙镁橄榄石)、C3MS2(镁蔷薇辉石)、C2S(硅酸二钙)、C3S(硅酸三钙)及RO相。通过探究钢渣的性质，掌握钢渣在水泥熟料生产中的影响因素，对钢渣资源化、有利化利用和高性能水泥熟料生产有促进作用。

　　研究结果表明，钢渣中主要影响生料易烧性的活化因子分为阴离子、阳离子和钙硅比三种。阴离子、阳离子活化因子在熟料烧成过程中破坏水泥生料中 反应物的晶格，提高它们的化学活性，加速其固相反应。在同样的烧成温度下，特别是较低煅烧温度下掺入这些活化因子的水泥物料液相量要大于未掺活化因子的液相量，因而有利于水泥熟料矿物的低温烧成。同时，加入活化因子可显著扩大熟料的烧成范围，改善熟料煅烧性能，促进高性能熟料的烧成。

　　2.1 阴离子

　　水泥熟料常规成分以外的某些杂质离子或离子团对熟料的烧成和性能有较大影响，尤其是一些阴离子团，能够降低熟料的易烧性和胶凝性。原料中的氯化物在水泥熟料煅烧时可增加液相生成量，剧烈地改变吸收相的熔点。通过荧光分析结果可以看出，炫昂建材钢渣中含有0.02%的氯，在钢渣中氯含量适中，在熟料煅烧过程中可以起到良好的促进作用。

　　磷是一种在高温下对烧成有促进作用的物质。熟料中氧化磷的含量极少，当熟料中氧化磷含量在0.1%~0.3%时，可以改善水泥熟料的易烧性，提高胶凝性，有较轻的环境负荷。炫昂建材钢渣中磷含量为0.71%，与其他地区钢渣的磷含量相比处于较低水平。在水泥生料配比中掺入一定量的含磷原料，可以显著改善水泥熟料的性能。硫对熟料形成有强化作用，SO3能降低液相粘度，增加液相数量，有利于C3S的形成。一般控制生料中SO3≤1%。炫昂建材钢渣中SO3的含量为0.67%，与其他地区钢渣的硫含量相比处于较高水平。

　　2.2 阳离子

　　熟料中含有少量的氧化钛时，它能与各种水泥熟料矿物形成固溶体，特别是对β-C2S起稳定作用，可提高熟料的质量。但因其与氧化钙反应生成不具水硬性的钙钛矿，消耗了氧化钙，减少了熟料中的阿利特含量，影响水泥强度，所以，氧化钛含量不可过多，应控制其在熟料中的含量不大于1%。炫昂建材钢渣中钛的含量为2.49%，与其他地区钢渣钛含量相比处于较高水平，配制生料时应注意钛的含量。氧化铬能降低水泥熟料的液相粘度和表面张力，加速阿利特形成，使共晶体增多，生料中以控制Cr2O3≤0.5%为宜。

　　炫昂建材钢渣中氧化铬的含量为0.49%，与其他地区钢渣铬含量相比处于中等水平。微量的碱能降低最低共熔温度，降低熟料烧成温度，增加液相量，起助熔作用。生料中碱含量(K2O+Na2O)应小于1%。结合炫昂建材钢渣的成分分析，其碱含量与其他地区钢渣相比处于较高水平，但仍远低于1%。氧化锰能够降低熟料液相粘度，使阿利特晶粒尺寸变小、熟料早期强度降低。生料中以控制Mn2O3≤2%为宜。炫昂建材钢渣中氧化锰的含量为0.01%，与其他地区钢渣锰含量相比处于较低水平，对熟料性能影响不大。

　　3 试验方案设计

　　3.1 试验原料

　　由于条件限制，没有原厂的原料进行配料，遂在原厂生料样的基础上掺入石灰石、钢渣、硅灰等原料，配制出符合试验要求的配料方案。所用生料和钢渣来自炫昂建材，调整配料所用石灰石、硅灰和替代煤灰的粉煤灰均取自武汉理工大学。从化学分析数据可以看出，石灰石品质较高，有害成分低;硅质校正原料硅灰氧化硅含量为93.74%>80%、SM>4.0%、碱<2%，符合要求;钢渣中Fe2O3<40%，有害成分低。

　　3.2 配料计算

　　为了探究不同饱和比条件下钢渣掺量对生料易烧性的影响，结合原料种类、成分和新型干法水泥生产工艺特点，得出以下试验配料方案，其中1、4、5三组探究的是熟料率值与生料易烧性的关联性;1、2、3三组探究的是较低熟料饱和比水平下钢渣掺量对生料易烧性的影响;5、6、7三组探究的是在较高熟料饱和比水平下钢渣掺量对生料易烧性的影响。这七组方案都是在新型干法煅烧中可能存在的配料方案，可以满足新型干法生产普通水泥要求。由于配料时缺少铝质校正原料，致使所得配料方案中IM较低，但是对所得试验结论影响不大。

　　3.3 试样制备方法

　　试样制备方法参照《水泥生料易烧性试验方法》(JC/T735-2005)，但由于条件限制，试验时基于此标准有所改进，具体改进方法如下：现有试体成型模具试体直径d=30.0mm，为保证煅烧效果一致，控制现有模具和标准模具成型的试体厚度一样，参照公式：(1)即控制现有试体成型模具成型试样每次所需料样质量：(2)即m2=19g，考虑到直径较大，试样中心不易煅烧，最终取试样成型质量为m2=15g。

　　4 试验结果分析

　　易烧性试验所得样品熟料中f-CaO含量(指1450℃)<1%时，易烧性好;f-CaO含量在1%~1.5%时，易烧性较好;f-CaO含量在1.5%~2%时，易烧性较差;f-CaO含量>2%时，易烧性差。采用1、2、3三组配料方案，按照《水泥生料易烧性试验方法》(JC/T735-2005)进行试验，分别进行1350℃、1400℃、1450℃三个温度的易烧性试验，测定煅烧所得熟料中f-CaO含量。结果表明，随着煅烧温度的提高，熟料中f-CaO含量逐渐降低;在率值基本保持不变的情况下，钢渣的掺量逐渐增多，熟料中f-CaO含量逐渐降低。

　　3组生料的易烧性最好，2组生料易烧性最差，1组生料易烧性介于两者之间。采用5、6、7三组配料方案，按照《水泥生料易烧性试验方法》(JC/T735-2005)进行试验，分别进行1350℃、1400℃、1450℃三个温度的易烧性试验，测定煅烧所得熟料中f-CaO含量。结果表明，随着煅烧温度的提高，熟料中f-CaO含量逐渐降低;在率值基本保持不变的情况下，钢渣的掺量逐渐增多，熟料中f-CaO含量逐渐降低。7组生料的易烧性最好，5组生料易烧性最差，6组生料易烧性介于两者之间。由以上两组数据可以看出，无论是在较低熟料饱和比配料方案，还是较高熟料饱和比配料方案中，钢渣都能够显著提高生料的易烧性。钢渣的掺量越高，生料的易烧性越好。尤其在7组配料方案中，钢渣的掺量达到了6%，使饱和比达到0.95%的配料方案，易烧性试验游离氧化钙含量小于2%。试验结果说明掺入钢渣能够显著改善生料的易烧性。

　　5 熟料岩相分析

　　硅酸盐水泥熟料及其结构不仅直接关系到水泥质量优劣的评定，而且关系到原料、粉磨、均化、烧成、冷却等整个工艺流程是否合理。因此，对水泥熟料进行矿物组成和显微结构分析非常重要。水泥熟料的矿物组成和显微结构分析一般采用X射线多晶衍射分析、偏光显微镜下分析、反光显微镜下分析。由于反光显微镜制片简单、光片浸蚀后晶体的轮廓清楚，便于结构观察和定性定量测量，而且放大倍数比偏光显微镜大，因此，反光显微镜下分析是无机非金属材料物相、结构分析的重要手段。

　　5.1 试验原料试验采用公司现有的篦冷机熟料、易烧性试验所得熟料与标准水泥熟料。

　　5.2 试验仪器上海金相机械设备有限公司YM-2A金相试样预磨机、PG-1A金相试样抛光机、反光晶相显微镜。

　　5.3 试验方法选取熟料试块较平整的一面，先用金相试样预磨机粗加工，再用金相试样抛光机将试样表面加工至无磨痕像镜面时为止。抛光后，将光面全部浸在试剂内并不断晃动，使矿物表面均匀地与浸蚀剂接触。浸蚀后立即将光片取出，用电吹风冷热风交替吹干试样，然后，用橡皮泥将试样固定在玻璃片上，用压样器压实并保证光面水平，再将试样放到显微镜下观察。

　　5.4 试验结论通过对比两组试样的岩相分析可以得出，掺入钢渣后的熟料可以实现更高的饱和比配料方案，使得到的熟料中A矿发育更好，分布更加均匀，直径更大;熟料水化后有更高的强度。

　　参考文献：

　　[1]王顺祥.富硅镁冶金镍渣对硅酸盐水泥水化特性的影响[D].江苏大学,2017.

　　[2]王灿强.碱激发镍渣—粉煤灰—炉渣胶凝材料的制备研究[D].福州大学,2017.

　　[3]刘智伟.电炉钢渣铁组分回收及尾泥制备水泥材料的技术基础研究[D].北京科技大学,2016.

　　作者：冯利军