安鋼礦渣微粉生產實踐

呂心剛

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

0 前言

“礦渣”的全稱是“粒化高爐礦渣”，是鋼鐵企業煉鐵生產過程中生成的以硅酸鹽和硅鋁酸鹽為主要成分的熔融物，浮在鐵水表面，定期從高爐排渣口排出，經空氣或水急冷處理形成的粒狀顆粒物。由于礦渣具有潛在的水硬膠凝性能，作為水泥生產的混合材早已得到了應用。但是，20世紀90年代以前多是將礦渣和水泥熟料一起粉磨，由于礦渣和水泥熟料的易磨性相差很大，混磨后的礦粉較粗，其比表面積在300 m2/kg左右，在水泥水化時礦渣的活性不能充分發揮。因此，摻混合材的水泥一般都是早期強度低，凝結時間長。近年來，隨著國內外對礦渣性能的深入研究，將礦渣單獨粉磨到一定細度，比表面積達到400 m2/kg以上，其活性可以得到充分發揮，應用更加廣泛。這種顆粒細小的粉磨礦渣就是磨細礦渣，也稱礦渣微粉。了解和研究礦渣的性能特征，開發和綜合利用礦渣，對廢物利用和發展循環經濟意義十分重大。

1 礦渣的性能分析

礦渣是一種以玻璃體為主的細粒，淺黃色(少量墨綠色晶體)，玻璃光澤或絲絹光澤，多為晶質塊狀、蜂窩狀或棒狀。摩氏硬度為1～2，比重為0.8 t/m3～1.3 t/m3。

測試結果表明，礦渣化學成份主要由氧化鈣(CaO)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)等組成，四者合計約占礦渣組成的95%。另外，礦渣還含有少量的氧化鐵(FeO、Fe2O3)、氧化亞錳(MnO)、二氧化鈦(TiO2)、五氧化二磷(P2O5)等成份。安鋼與國內其他幾家鋼鐵企業礦渣的成分比較見表1。

表1 安鋼及國內幾家鋼鐵企業礦渣化學成分比較 %

對于礦渣的質量評定采用化學成分分析法。根據我國國家標準GB/T203-2008規定，粒化高爐礦渣質量系數K(活性成分與非活性成分之比)表示為：

質量系數K反映了礦渣中活性組份與低活性組份、非活性組份之間的比例關系，質量系數K值越大，礦渣的活性越高。

根據標準規定，礦渣的質量系數、化學成分及相關指標應滿足以下要求，具體見表2。

表2 用于水泥中的粒化礦渣技術標準

標準規定，粒化高爐礦渣堿性系數Mo(堿性氧化物與酸性氧化物之比)表示為：

礦渣的渣堿性系數Mo＞1為堿性礦渣，Mo=1為中性礦渣，Mo＜1為酸性礦渣。

從表1、表2可以看出，安鋼礦渣質量系數K=1.74，堿度系數 Mo＜1，已達到優等品標準。

2 礦渣微粉在建材行業中的應用

礦渣微粉也稱為高性能水泥和混凝土的增強劑，對硅酸鹽水泥具有明顯的增強作用。具體的作用機理是當粒化高爐礦渣得到超細粉磨后，由于其玻璃體結構的破壞，使其潛在的活性被激發出來，當它作為混凝土的摻合料時，可使混凝土的泌水性好，可塑性好，水化析熱速度快，利于防止混凝土內部溫升引起的裂縫，而且能產生較多的鈣礬石微晶，從而對混凝土因細粉過多而引起的收縮起補償作用。當它作為水泥混合材時，可以吸收其中的f-CaO，從而增加水泥的安定性，且能加速水泥的水化過程，吸收水泥水化時形成的Ca(OH)2，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，通過激發作用，形成鈣礬石，從而增加水泥的強度。礦渣微粉用于水泥和混凝土中的主要作用是：

2.1 提高水泥和混凝土的強度

將礦渣粉磨至比表面積達400 m2/kg以上時，按照一定比例摻入普通水泥中，可提高水泥強度5 MPa～8 MPa。礦渣微粉在提高混凝土強度的同時，可防止混凝土及其制品表面泛白。

2.2 提高密實性和抗滲性

礦渣微粉在混凝土及其制品中起到了微觀填充的作用，同時礦渣微粉中的活性組份Al2O3與水泥中的Ca(OH)2、SO3生成鈣礬石，鈣礬石具有一定的微膨脹作用，可以補償制品的化學干縮，從而提高制品的密實性和抗滲性。

2.3 吸堿能力強

由于礦渣微粉的活性需要堿的激發，因此具有良好的吸堿能力。對于硅酸鹽水泥，可以吸收K、Na等堿金屬元素，抑制堿集料反應，提高制品的防潮性能和防水性能。

2.4 提高耐久性

由于加入礦渣微粉的水泥和混凝土中的Ca(OH)2、K2O、Na2O的濃度降低，密實性和抗滲性提高，并能有效抑制堿集料反應。另外，混凝土中摻加礦渣依粉可降低水化熱，從而大大提高水泥、混凝土及其制品的耐久性。

總之，礦渣微粉對水泥和混凝土的各種性能均有良好的促進作用，是一種比較理想的水泥和混凝土的增強劑，其應用前景廣闊。

3 安鋼礦渣微粉生產實踐

3.1 裝備情況

安鋼綜利建材公司現有兩條球磨生產線，配備的主要設備為：兩臺Φ2.4 m×16 m烘干機，兩臺Φ3.2 m×13 m球磨機，四座Φ10 m×25 m成品料倉。兩條生產線生產能力為年產40萬噸礦渣微粉。

3.2 生產工藝流程

礦渣經自然風干一定時間后，由皮帶上料入烘干機，采用沸騰爐產生的熱量對礦渣進行烘干。礦渣烘干后經皮帶入半成品庫，晾一定時間后由皮帶上料入磨頭倉，礦渣按設定的給料量入球磨機進行粉磨。礦渣粉磨到一定細度后經提升機送至選粉機進行選粉，符合要求的細粉經皮帶入成品料倉，未達標的粗粉返回球磨機重新進行粉磨。在礦渣烘干和粉磨的過程中都采用除塵器進行收塵以回收物料，并達到環保的要求。球磨生產線工藝流程如圖1所示。

圖1 球磨生產線工藝流程

3.3 生產過程及分析

3.3.1 入磨礦渣水分的控制

礦渣由安鋼廠區運至綜利建材公司原料場，經一個月左右的晾曬，礦渣水分在10%左右。礦渣由皮帶上料入烘干機進行烘干，出烘干機的礦渣水分控制在2.0%左右。礦渣經烘干后入半成品庫，晾2～3天后由皮帶上料入球磨機，入球磨機礦渣水分一般控制在1.5%以下。

3.3.2 系統除鐵

在烘干機出料皮帶上加裝電磁除鐵器，以降低入磨礦渣中鐵含量，提高礦渣易磨性能，減少磨耗和備件消耗，提高磨機臺時產量，同時可回收金屬鐵，增加經濟效益。

3.3.3 粉磨流程選擇

礦渣粉磨采用球磨機，有開路和閉路兩種生產工藝流程。開路生產工藝流程簡單，便于控制，運行費用低。但開路生產工藝流程產量相對較低，生產比表面積大于450 m2/kg的礦渣微粉比較困難。因為生產比表面積較大的礦渣微粉時為保證產品合格必然存在較明顯的過粉磨現象，降低了生產效率。閉路生產工藝流程較復雜，生產過程控制難度大，運行費用相對較高。但由于閉路生產工藝流程配有選粉機，礦渣微粉的細度調節較為靈活，顆粒級配較為合理，有效降低了過粉磨現象，可生產比表面積較高的礦渣微粉，生產效率較高。另外，閉路生產工藝流程對入磨礦渣的水分要求低。由于閉路生產工藝流程配有選粉機，磨內風速高，通風好，因此允許入磨礦渣的水分不大于2%，而開路生產工藝流程允許入磨礦渣的水分一般不大于1%，否則會引起糊磨現象，影響產量和質量。綜利建材公司球磨機采用的是閉路生產工藝流程，實際生產中，這一工藝流程取得了較理想的效果。

3.3.4 粉磨工藝參數調整

礦渣比水泥熟料難磨，易磨性系數一般高出5(kW·h)/t以上，礦渣微粉產品的比表面積又比水泥要求高，因此，用球磨機生產礦渣微粉，在相同工藝裝備條件下，比水泥磨的產量約下降40% ～50%。在單獨粉磨礦渣時，關鍵技術是嚴格控制物料在磨內的停留時間。與粉磨水泥相比，球磨機系統應作如下調整：

研磨體級配。由于經篩分處理后的入磨礦渣粒度減小，球磨機研磨體的平均球徑應隨之減小。一般來說，最大球的球徑不要超過Φ60 mm，平均球徑一般不超過Φ45 mm。根據磨機的倉位，減大球、換小球。

研磨體裝載量。由于礦渣難磨，研磨體的裝載量應適當高于磨機設計裝載量，約增加5% ～10%，不要超過15%，正規的設備制造廠家已給球磨機預留了這部分電機功率。開路磨的研磨體裝填形式應保持后倉高于前倉，閉路磨則保持后倉略低或前后倉基本持平。

隔倉板形式。單層隔倉板應適當縮小篦縫寬度，一般為5 mm～7 mm;雙層隔倉板篦縫寬度控制在10 mm左右。

襯板形式。粉磨礦渣時，襯板形式也應作相應變化。由于礦渣的流動性好、磨琢性強，磨機采用環溝襯板較好，尤其是細磨倉。粉磨作業時，環溝襯板的溝槽內，不同程度的存有一部分物料，所形成的料墊既增加了物料的研磨機會，又減少了磨內金屬的空撞消耗，延長了襯板使用壽命。

出磨回轉篩篦縫。經過磨前篩分和有效控制物料粉磨時間后，為保證出磨礦渣微粉的質量，應將磨尾回轉篩的篦縫縮小到3 mm以下，以便及時清除出磨物料中的金屬雜物。

3.3.5 粉磨平衡

一般來說，物料粉磨時間越長，出磨粒度越細。但是，隨著粉磨時間的延長，物料比表面積逐漸增大，其比表面能也增大，因而，微細顆粒相互聚集、結團的趨勢也逐漸增強。經過一段時間后，磨內會處于一個“粉磨?團聚”的動態平衡過程，達到所謂的“粉磨極限”。在這種狀態下，即使再延長粉磨時間，物料也難粉磨得更細，有時甚至使粒度變粗。同時，粉磨能耗成倍增加，粉磨效率降低。這種現象在普通粉磨時并不明顯，但在高細粉磨和超細粉磨中經常出現。解決辦法是添加助磨劑。它能形成物料顆粒表面的包裹薄膜，使表面達到飽和狀態，不再互相吸引粘結成團，并通過裂紋形成和擴展過程中的防“閉合”和吸附，降低顆粒硬度、減弱強度，改善其易磨性。助磨劑通過保持顆粒的分散，來阻止顆粒之間的聚結或團聚。粉磨粒度越細，使用助磨劑的效果越顯著。綜利建材公司生產過程中助磨劑的加入量約為萬分之二，效果較明顯，促進了磨機的生產順行。

4 生產效果

綜利建材公司礦渣微粉生產一年多來，經過生產工藝的不斷優化和技術攻關，取得了顯著的效果。磨機臺時產量從剛投產時的20 t/h～23 t/h提高到目前的30 t/h左右，并且很穩定;磨機單位電耗從剛投產時的80(kW·h)/t左右下降到目前的70(kW·h)/t以下。磨機臺時產量和單位電耗指標均達到國內同類型磨機的先進水平。成品微粉平均比表面積在430 m2/kg以上;成品微粉性能經安陽市技術監督局檢驗，7天活性指數平均在80%以上，28天活性指數平均在98%以上。成品微粉的比表面積和活性指數均超過國家標準。

目前，礦渣微粉的效益在20元/t左右，綜利建材公司礦渣微粉的年產量按30萬噸計算，則每年可創效益約為600萬元。

5 結語

安鋼礦渣微粉的生產，實現了礦渣利用上質的轉變，提升了鋼鐵渣的綜合利用水平，提高了鋼鐵渣加工利用的附加值，創造了較好的經濟效益。同時也在一定程度上緩解了集團公司產能擴大后水渣的周轉和銷售困難的問題，促進了集團公司鋼鐵主業生產經營的順行。

［1］ 韋傳穩.聯峰鋼鐵60萬噸礦渣微粉生產工藝實踐.現代冶金，2009，37(8)：4-5.

［2］ 紹龍.礦渣微粉生產工藝實踐.遼寧建材，2007(8)：20-26.