鋼渣替代鐵粉制備硅酸鹽水泥熟料

戴昌軍

摘要：為了用鋼渣作為鐵定標原料制備硅酸鹽水泥熟料，采用X射線衍射（XRD）對比了不同石灰石飽和系數下常規鐵粉成分和鋼渣成分制備的原料的可燃性，測試了燒熟熟料的礦物組成，并測試了熟料的物理和機械性能，并與工業生產的熟料進行了比較。結果表明，當煅燒溫度低于1350℃時，由鋼渣燒結的熟料樣品的f-CaO含量略高于鐵粉批次，當煅燒溫度高于1400℃時，兩種成分的可燃性很低。實驗室研究和工業生產實踐表明，與鐵粉成分相比，鋼渣成分不會改變熟化熟料的礦物成分，鋼渣可以完全替代鐵粉成分，生產出高品質的熟料，礦物組成和良好的礦物發展。

關鍵詞：易燒性；熟料；鋼渣

鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣、排放量大，約占鋼鐵產量的15%～20%。目前，鋼渣采用廣泛的處理方法，利用效率低。水泥行業對各種工業廢渣具有良好的適應性，當鋼渣用于生產水泥熟料時，可以減少水泥工業中石灰石，粘土等天然材料的消耗，實現鋼渣的大量有效利用。本文以梅山鋼渣作為鐵定標原料，制備優質水泥熟料，并根據不同石灰石飽和系數，采用常規鐵粉配料和鋼渣配料制備的原料的可燃性，進行了比較和研究，衍射研究了燒熟熟料的礦物組成。

1、原材料與實驗方法

1.1硅酸鹽水泥原材料

實驗原料：石灰石、砂巖、粘土、鐵粉，均來自句容臺泥水泥廠，通過在約950℃的高溫下燃燒煤而產生灰。各種原料在使用前先破碎、干燥、研磨。從鋼渣的化學成分可以看出，鋼渣中的Fe2O3含量很高低于鐵粉，氧化鈣含量高。當使用鋼渣代替鐵粉時，可以減少石灰石的數量，從而減少二氧化碳的排放，并有效的降低能耗。

1.2硅酸鹽水泥配料方案

為降低粘土用量而增加砂巖使用量，在進行熟料三率值設計時，應盡可能地提高硅酸率，降低鋁氧率。但是，過低的鋁氧率可能會降低熟料粉磨效率。綜合考慮原料配比和熟料粉磨性能，采用如下三率值：KH=0.88～0.92，SM=2.7，IM=1.5。

1.3實驗方法

水泥原料的可燃性試驗方法：將各原料按照設定的混合比例（精確至0.01g）混合均勻后加入約10%的水攪拌均勻，然后用特制的模具，在5t壓力下制成的質量為約5g直徑20mm的原料片。成型后，將生片置于105-120℃的烘箱中以使其完全干燥，以防止其在突然進入高溫狀態后發生破裂。將干燥的生片放入950℃的馬弗爐中30分鐘，然后加熱至煅燒溫度（1250℃，1300℃，1350℃，1400℃，1450℃），保溫30分鐘分鐘，然后迅速冷卻。研磨冷卻至室溫的熟料樣品，根據國家標準GB/T176-2008“水泥的化學分析方法”中的乙二醇法測定熟料中的f-CaO含量。使用XRD射線衍射儀分析熟料的礦物組成，并且使用光學顯微鏡觀察熟料的微觀結構。。

2、結果與討論

2.1熟料中游離氧化鈣含量

通過燒結鐵粉成分和鋼渣成分獲得的熟料樣品的fCaO含量的測定結果示于表3中。分析可得，當煅燒溫度為1250℃至1350℃時，隨著煅燒溫度的升高，鋼渣成分樣品的f-CaO含量不斷降低，但略高于鐵粉成分樣品在相同速率下的含量。當煅燒溫度高于1400℃時，兩種成分的可燃性是可比的。對鋼渣和鐵粉原料粒度分布的分析結果表明，鋼渣中細顆粒含量明顯低于鐵粉，而粗顆粒多。受鋼渣中粗顆粒的影響，當煅燒溫度低于1350℃時，鋼渣不能有效地促進原料對f-CaO的吸收，反而也可能會阻礙其效果。因此，鋼渣批量樣品的f-CaO含量略高于鐵粉批量樣品的f-CaO含量。

2.2鐵粉和鋼渣高溫液相的粘度

據統計，當鋼渣成分與水泥熟料混合時，鋼渣中的微量元素可作為礦化劑降低液相線溫度和粘度，但大多數只是推理而來。為了定性研究鐵粉和鋼渣液相在高溫下的粘度，本文對鐵粉和鋼渣冷卻后的樣品進行熱分析后進行對比分析。鐵粉樣品的Fe表面呈凸形，容器壁光滑，沒有壁爬現象，表明高溫下形成的鐵粉具有高的液相粘度和大的表面張力。鋼渣樣品RP在氧氣氣氛和氮氣氣氛下有明顯的爬壁現象，鋼渣表面為凹面，表明高溫下形成的鋼渣液相表面張力小，液體粘度低。因此，在用鋼渣煅燒熟料的過程中，形成的液相有利于包括Ca在內的離子的擴散，從而促進熟料礦物尤其是高溫礦物的形成和生長。

2.3熟料的XRD分析

對兩種在不同煅燒溫度下焙燒的熟料樣品進行XRD衍射分析，KH值為0.92。分析表明，與鐵粉成分相比，鋼渣成分不會改變燒成熟料的礦物成分。當煅燒溫度低于1300℃時，熟料中的f-CaO含量高，主要礦物組成為C2S，C3A和鋁酸鈣。當煅燒溫度高于1350℃時，fCaO的衍射峰明顯減弱，并形成大量的C3S礦物。隨著煅燒溫度的升高，C3S的衍射峰強度不斷增強。當在1450℃煅燒時，f-CaO的衍射峰幾乎消失。比較不同煅燒溫度下鐵粉批次樣品和鋼渣批量樣品的XRD圖譜，衍射峰的變化趨勢基本相同，但在1450℃時，C3A和Ca2（Al，Fe）2O5是顯著不同的。

2.4燒成熟料的物理力學性能

一家以1000噸/日，1500噸/日，5000噸/日三條新型干法水泥生產線為原料，采用美鋼鋼渣公司鋼渣代替鐵粉生產原料的水泥公司。配比方案接近本研究方案，鐵粉成分相反，使用鋼渣后（鋼渣量約為原料的3%），原料粉磨沒有明顯差異。燒成時沒有明顯變化或異常，也沒有發生堵塞和結殼等異常現象。該公司使用美鋼鋼渣成分燒制的水泥熟料的主要物理性能。分析可以得出，不同規模生產線用于生產熟料的鋼渣具有良好的物理性能，其28d強度大于59MPa，凝結時間也符合國家標準。

2.5鋼渣配料水泥熟料的礦物組成

熟料的XRD圖譜和分析結果分別使用鋼渣和鐵粉成分在1450℃下焙燒。鋼渣投加水泥熟料主要由C3S、C2S、C23A和Ca2（Al，Fe）2O組成。其他礦物的成分；圖中幾乎沒有可見的fCaO衍射峰，表明熟料fCaO含量非常低。與鐵粉成分相比，鋼渣成分并沒有改變燒成熟料的礦物類型，但兩種熟料中C3A和Ca2（Al，Fe）203鐵鋁相的衍射峰存在顯著差異。鐵粉熟料C3A和Ca2Al、Fe）2O。衍射峰是獨立的和不同的，而鋼渣成分的衍射峰重疊，表明兩者的組成和結晶度與鐵粉熟料顯著不同。這主要是由于在鋼渣配料中引入了MgO和其他次要組分，這改變了液相組成和性質（增加了液相并降低了液體粘度），進而影響C3A、CaAl，Fe）2O3的結晶過程所致。

3、結論

綜上所述，在制備硅酸鹽水泥時，用鋼渣代替鐵粉制備可有效地改善水泥的力學性能。首先，當煅燒溫度低于1350℃時，鋼渣中的粗顆粒更多。鋼渣焙燒熟料中f-CaO含量的影響略高于鐵粉樣品，當煅燒溫度高于1400℃時，兩種配料原料燃燒相當，其次是梅山鋼渣，當熟料用鐵粉煅燒時，可以得到具有相同礦物組成的熟料，并且鋼中的一些礦物質礦渣可以促進C3S的形成，從而使燒成熟料礦物的晶體發育良好。利用梅崗鋼渣完全替代鐵粉，可以生產不同規模的干法水泥生產線中的優質熟料。

參考文獻：

[1]高國瀛.復合鐵錳硅酸鹽催化臭氧氧化水中磺胺甲惡唑的效能與機理研究[D].哈爾濱工業大學，2017.

[2]魏樟慶.文化視角下對化學教學的反思——以“硅酸鹽礦物與硅酸鹽產品”為例[J].中學化學教學參考，2016（17）：23-26.

[3]蘇文君.以煤矸石為硅鋁質原料制備水泥熟料的試驗研究[D].安徽建筑大學，2016.

[4]張根發.帶電粒子輻照硼硅酸鹽玻璃導致其微觀結構、表面形貌和機械性能變化的研究[D].蘭州大學，2014.

[5]楊凱敏.鋼渣替代鐵粉配制生料制備硅酸鹽水泥熟料的試驗研究[A].中國硅酸鹽學會水泥分會.中國硅酸鹽學會水泥分會第三屆學術年會暨第十二屆全國水泥和混凝土化學及應用技術會議論文摘要集[C].中國硅酸鹽學會水泥分會：，2011：1.