矿渣微粉生产工艺技术

矿渣微粉生产工艺技术

济南大学 陈绍龙（250022）

一、国内矿渣综合利用现状

矿渣是黑色冶金工业的主要固体废弃物，2005年我国产钢3.49亿吨，冶炼废渣产生14619万吨, (其中钢渣约为5000万吨,高炉矿渣约9000万吨),综合利用12848万吨，加上历年累积,总贮存量为2亿吨,占地3万亩,这些露天储存的冶炼废渣堆存侵占土地，污染毒化土壤、水体和大气，严重影响生态环境，造成明显或潜在的经济损失和资源浪费。据估算以每吨冶炼废渣堆存的经济损失14.25元计，每年造成经济损失28.5亿元。所以，冶炼废渣的无害化、资源化处理是我国乃至世界各国十分重视的焦点，也是我们推进循环经济的中心内容之一。

矿渣在水泥工业中的综合利用主要经过了三个阶段。

1.第一阶段主要是在1995年以前，粒化高炉矿渣主要是作为水泥混合材使用。以混合粉磨为主。矿渣由于难磨，在水泥中的掺量有限，一般不超过30%。

2.第二阶段是1995～2000年，学习国外技术，矿渣微粉作为高性能混凝土的高掺合料，在建筑工程中推广使用。但要求矿渣微粉比表面积要达到600m2/kg以上，国内仅有几家粉磨站生产。主要原因是：进口设备价格昂贵、生产线投资相当大。以年产30万吨矿渣微粉生产线为例，一次性投资至少在5000万元左右。

3.第三阶段是在2000年之后，粉磨设备节能技术和矿渣微粉应用经济技术研究的深入，使广大水泥企业认识到，矿渣微粉最经济的粉磨细度应控制在400m2/kg左右。这样的矿渣微粉，既能直接供给混凝土搅拌站作掺合料，又能与熟料、石膏粉合成高掺量矿渣水泥。随着循环经济的大力发展，矿渣微粉的产量年年翻番，目前已接近1000万吨/年，建材行业内一个新兴产业正逐步在形成。

二、什么是矿渣

“矿渣”的全称是“粒化高炉矿渣”。它是钢铁厂冶炼生铁时产生的废渣。在高炉炼铁过程中，除了铁矿石和燃料（焦炭）之外，为降低冶炼温度，还要加入适当数量的石灰石和白云石作为助熔剂。它们在高炉内分解所得到的氧化钙、氧化镁、和铁矿石中的废矿、以及焦炭中的灰分相熔化，生成了以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，浮在铁水表面，定期从排渣口排出，经空气或水急冷处理，形成粒状颗粒物，这就是粒化高炉矿渣，简称：矿渣。

每生产一吨生铁，要排出0.3～1吨矿渣。

我国部分钢铁厂的高炉矿渣化学成分列入表1，从表中可以看出，矿渣的化学成分与水泥熟料相似，只是氧化钙含量略低。

表1 我国部分钢铁厂的高炉矿渣化学成分

厂名 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MnO CaO MgO S

AG 38.28 8.40 1.57 0.48 42.66 7.40 /

AG 32.27 9.90 2.25 11.95 39.23 2.47 0.72

BG 40.10 8.31 0.96 1.13 43.65 5.75 0.23

BG 41.47 6.41 2.08 0.99 43.30 5.20 /

SG 38.13 12.22 0.73 1.08 35.92 10.33 1.10

WG 38.83 12.92 1.46 1.95 38.70 4.63 0.05

JG 27.02 15.13 2.08 17.74 33.15 2.31 /

未经淬水的矿渣，其矿物形态呈稳定形的结晶体，这些结晶体除少部分C2S尚有一些活性外，其它矿物基本上不具有活性。如经淬水急冷，由于液相粘度在很短的时间内很快增大，阻滞了晶体成长，形成了玻璃态结构，就使矿渣处于不稳定的状态。因而具有较大的潜在化学能。出渣温度愈高，冷却速度愈快，则矿渣玻璃化程度愈高，矿渣的潜在化学能愈大，活性也愈高。因此，经水淬急冷的高炉矿渣的活性比未经水淬的矿渣活性要高一些。

三、矿渣化学成分对水泥质量有什么影响

不同钢铁厂的矿渣的化学成分差异很大，同一钢铁厂不同时期排放的矿渣有时也不一样。所以，水泥厂在应用矿渣时，要按进厂批次检测其化学成分的变化。

（一）氧化钙

氧化钙属碱性氧化物，是矿渣的主要化学成分，一般占40%左右，他在矿渣中化合成具有活性的矿物，如：硅酸二钙等。氧化钙是决定矿渣活性的主要因素，因此，其含量越高，矿渣活性越大。

（二）氧化铝

氧化铝属酸性氧化物，是矿渣中较好的活性成分，他在矿渣中形成铝酸盐或铝硅酸钙等矿物，有熔融状态经水淬后形成玻璃体。氧化铝含量一般为5%～15%，也有的高达30%；其含量越高，活性越大，越适合水泥使用。

（三）氧化硅

氧化硅微酸性氧化物，在矿渣中含量较高，一般为30%～40%。与氧化钙和氧化铝比较起来，它的含量是过多了，致使形成低活性的低钙矿物，甚至还有游离二氧化硅存在，使矿渣活性降低。

（四）氧化镁

氧化镁比氧化钙的活性要低，其含量一般波动在1%～18%，在矿渣中呈稳定的化合物或玻璃体，不会产生安定性不良的现象。氧化镁可以增加熔融矿物的流动性，有助于提高矿渣粒化质量和提高矿渣活性。因此，一般将氧化镁看成是矿渣的活性组份。

（五）氧化亚锰

氧化亚锰对水泥的安定性无害，但对矿渣的活性有一定的影响。其含量一般应限制在1%～3%，如果超过4%～5%，矿渣活性明显下降。在锰铁粒化高炉矿渣中可以放宽到15%，这是因为锰铁矿渣中氧化铝的含量较高，而氧化硅含量较低。

（六）硫

矿渣中硫较多时，可使水泥强度损失较大；但硫化钙与水作用，生成氢氧化钙起碱性激发作用；氧化亚锰的存在不仅使硫化物形成有害的硫化锰，而且使硫化钙相应减少。

（七）氧化钛

矿渣中的钛以钛钙石存在，使矿渣活性下降。国家标准中规定矿渣中的二氧化钛含量不得超过10%。

（八）氧化铁和氧化亚铁

在正常冶炼时，矿渣中的氧化铁和氧化亚铁含量很少，一般为1%～3%，对矿渣的活性影响不大。

四、怎样评价矿渣质量的好坏

（一）质量评定方法

1.化学分析法

用化学成分分析来评定矿渣的质量是评定矿渣的主要方法.我国国家标准（GB/T203-94）规定粒化高炉矿渣质量系数如下：

2232TiOMnOSiOOAlMgOCaOK

式中：各氧化物表示其质量百分数含量。 质量系数K反映了矿渣中活性组份与低活性、非活性组份之间的比例关系，质量系数K值越大，矿渣活性越高。

322OAlSiOMgOCaOMo

矿渣化学成分中碱性氧化物与酸性氧化物之比值Mo，称之为：碱性系数。

如果：Mo＞1表示碱性氧化物多于酸性氧化物，该矿渣称之为：碱性矿渣；

Mo=1表示碱性氧化物等于酸性氧化物，该矿渣称之为：中性矿渣；

Mo＜1表示碱性氧化物少于酸性氧化物，该矿渣称之为：酸性矿渣。

2.激发强度试验法

目前有氢氧化钠激发强度法、消石灰激发强度法、矿渣水泥强度比值R法等。但这些方法都存在一定的不足和局限性。

我国国家标准（GB/T18046-2000）规定：对比样品的对比水泥为符合GB/T175的PⅠ型42.5级（原525号）硅酸盐水泥；试验样品由对比水泥和矿渣粉按质量比1:1组成。试验砂浆配比如下表所示：

砂浆种类 水泥 （g） 矿渣粉 （g） 中国ISO标准砂（g） 水（mL）

对比砂浆 450 /

1350

225 试验砂浆 225 225

试验方法按GB/T17671进行。分别测定试验样品的7天、28天的抗压强度R7（MPa）、R28（MPa）和对比样品7天和28天的抗压强度R07（MPa）、R028（MPa）。

然后，按下式计算矿渣粉的7天活性指数A7（%）和28天活性指数A28（%），计算结果取整数。

A7=R7÷R07×100（%）

A28=R28÷R028×100（%）

表2 某厂矿渣微粉的细度与活性指数

比表面积

（m2/kg） 活性指数（%）

3d 7d 28d 91d

400 60 64 98 119

600 72 83 114 129

800 99 110 128 137

由表中可见，矿渣微粉的早期强度较低，而后其强度增进率较快。随着比表面积的提高，其活性指数（强度比）相应明显提高。当矿渣粉比表面积达到400m2/kg时，28天活性指数达98%，与水泥基本相当；而当矿渣粉比表面积达到或超过600～800m2/kg时，其28天活性指数达114～127%，高于一般比表面积（350m2/kg）水泥熟料的活性。

（二）矿渣品质要求

国家标准（GB/T203-94）对粒化高炉矿渣质量要求规定如下：

1.粒化高炉矿渣的质量系数K应不小于1.2。

2.粒化高炉矿渣中锰化合物的含量，以MnO计不得超过4%；锰铁合金粒化高炉矿渣的MnO允许放宽到15%；硫化物含量（以硫计）不得超过3%；氟化物含量（以氟计）计不得大于2%。

3.粒化高炉矿渣的松散容重不大于1.2kg/L；最大直径计不得超过100mm；大于10mm颗粒含量（以重量计）不大于8%。

4.粒化高炉矿渣不得混有外来夹杂物，铁尘泥、未经淬冷的块状矿渣等。

5.矿渣在未烘干前，其贮存期限，从淬冷成粒时算起，不宜超过3个月。

国家标准（GB/T18046-2000）《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》有如下规定：

1.粒化高炉矿渣粉（简称矿渣粉）定义： 符合GB/T203标准规定的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨（或添加少量石膏一起粉磨）达到相当细度且符合相应活性指数的粉体。矿渣粉粉磨时允许加入助磨剂，加入量不得大于矿渣粉质量的1%。

2.矿渣粉密度不小于2.8g/cm3；比表面积不小于350m2/kg。

3.矿渣粉共分为三级。S105、S95和S75，他们对应的活性指数7天不小于95%、75%和55%，28天不小于105%、95%和75%。流动度比小于85%、90%和95%。

4.矿渣粉含水量不大于1.0%；

5.三氧化硫不大于4.0%；

6.氯离子不大于0.02%；

7.烧失量不大于3.0%。

五、怎样激发矿渣的活性

矿渣是一种具有“潜在水硬性”的材料，即：其单独存在时，基本无水硬性。但受到某些激发作用后，就呈现出水硬性。

常用的激发方式有两大类， 一是物理激发：也就是采用高细粉磨和超细粉磨的方法。固体物料在施加机械力作用后，其内部晶体结构会不规则化和产生多相晶型转变，导致晶格缺陷发生、比表面积增大、表面能增加等，随之物料的热力学性质、结晶学性质、物理化学性质等都会发生规律性变化。

二是化学激发：采用对混凝土耐久性无害的化学物质，激发矿渣水泥的活性。

化学激发方式，可分为：碱激发、硫酸盐激发等多种激发形式。