理论文献
再谈超细活化矿渣微粉的研究与应用
作者:李喜才 李明 苏腾义   发表时间:2017-02-15

中图分类号:TU5      学科分类560.2520                 

引言  生产水泥需要大量硅酸盐熟料,由于生产熟料需要消耗大量能源,熟料生产成本也高于其他混合材料,所以我们不断地寻求活性高、成本低的混合材料,借以等量替代部分熟料或水泥用量,提高混凝土的综合性能,达到降低生产成本,节能减排的目的。

1  矿渣

矿渣是炼铁过程中排出的工业废料,经水或空气急冷处理成为粒状颗粒,称为“粒化高炉矿渣、水淬矿渣”。其化学成分与硅酸盐水泥熟料成分相接近,主要是二氧化硅、 三氧化二铝、氧化钙、氧化镁等氧化物及一些硫化物。经水淬急冷后的矿渣,玻璃体含量多,结构处于高能量状态不稳定,潜在活性大。矿渣化学成分见表1、水泥熟料化学成分表2。

表1    矿渣化学成分

 

Loss

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

MnO

Σ

产地

-1.60

34.52

12.99

1.94

39.83

7.42

1.54


96.64

四川达钢


35.38

13.06

2.67

40.02

5.43



96.52

吉林通钢


39.23

8.96

2.87

41.67

4.47



97.2

云南玉溪

 

 

 

 

 

表2    水泥熟料化学成分

 

Loss

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

MnO

Σ

产地

 

21.43

4.44

5.41

62.54

4.25

0.38


98.45

广州旋窑

0.67

21.43

4.93

3.27

63.76

2.74

0.62


98.86

重庆旋窑

0.70

37.03

12.00

0.84

38.63

7.24



96.44

达县立窑

 

 

 

 

 

试验结果表明,矿渣的比表面积只有达到480㎡/㎏左右时,大多数颗粒分布在2~40um之间,其潜在的活性才能完全发挥出来,对混凝土强度的发挥起决定性作用。因此,我们探讨研究利用球磨机生产矿渣微粉时,采用活化技术生产超细矿渣活化微粉,应用到水泥、水泥制品、混凝土中。

1.1   矿渣质量

由于冶炼工艺及其原材料不同,矿渣的质量存在较大的差异。利用不同的矿渣,粉磨相同比表面积的矿渣微粉,活性指数相差很大。

活性化学成分CaO、MgO、Al2O3相加之和与惰性化学成分SiO2等相加之和的比值为质量系数,要优先选择质量系数高的碱性矿渣生产矿渣微粉。朝阳凌钢、河北邯钢、贵州水钢、广西伢钢的碱性矿渣非常好,活性成分多,惰性成分少。见表3

表3  凌钢、邯钢、水钢、伢钢的矿渣化学成分

 

产地

LOSS

SiO2

AL2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

Σ

MnO

TiO2

酸碱

质量系数

凌钢

 

33.09

14.61

2.37

40.98

8.95


100



1.05

1.95

水钢

 

33.06

12.65

0.75

44.68

5.70

1.60

98.44

0.74


1.10

1.90

伢钢

1.91

32.00

14.98

0.95

39.04

8.90


97.78



1.02

1.97

邯钢

-0.32

33.91

12.77

0.45

38.63

10.59


96.35



1.06

1.83

 

选择质量非常好的矿渣,纯矿超细矿渣活化微粉3d抗压强度可达到9~17Mpa之间、28d抗压强度可达到35~39Mpa之间;利用这种质量的超细矿渣活化微粉掺入25%左右熟料,3d抗压强度可达到20Mpa以上、28d抗压强度可达到45Mpa以上。

由于各地矿渣的化学成分不同、质量也不同。云南曲靖、四川内江的酸性矿渣活性成分比较少,惰性成分比较多。见表4

表4  云南曲靖、四川内江矿渣化学成分全分析

 

产地

LOSS

SiO2

AL2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

Σ

MnO

TiO2

酸碱

质量系数

曲靖

 

36.48

16.99

1.26

35.48

7.39

0.28




0.80

1.64

内江

 

34.00

11.50

1.00

32.00

7.50




14.00

0.86

1.34

 

1.2  矿渣烘干

矿渣呈空心粒状,易含水。出厂的矿渣水分含量在25%左右,经过运输、储存过程,水分仍然保持在8%~15%左右,立式磨机生产矿渣微粉可直接使用。利用球磨机生产矿渣微粉,矿渣入磨水分要求控制在0.5%~2.5%之间;烘干机要选择顺流式,因为矿渣在高温状态下经过水淬急冷后增加了活性;逆流烘干形式将经过水淬急冷后的矿渣又重新经过高温还原,矿渣活性会降低12%~15%。

2   矿渣粉磨设备

2.1  立式磨机

立式磨机粉磨矿渣,比表面积控制在380㎡/kg~420㎡/kg,产量比较高,电耗只有40kwh/h左右。当矿渣质量非常好时,可生产S95级矿渣微粉;利用比较好的矿渣(昆钢的矿渣),有时需要加入5%左右的熟料,矿渣微粉活性指数才能达到S95级标准。昆钢矿渣质量,见表5

表5    昆明钢铁公司的矿渣化学成分全分析

 

SiO2

AL2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

Σ

MnO

TiO2

酸碱度

质量系数

34.78

14.00

2.23

40.94

6.17

0.31


0.40

1.55

0.97

1.70

 

立式磨机如果利用提高矿渣微粉比表面积的措施增加矿渣微粉活性指数,比表面积控制在450㎡/kg以上,磨机产量下降,电耗将达到60kwh/h左右;所以,要求比表面积控制在380㎡/kg~420㎡/kg的矿渣微粉,比较适合立式磨机生产。

         2.2  管磨机(球磨机)

采用闭路粉磨系统,较大的颗粒极易被选入成品中,不利于提高矿粉的比表面积;现在国内大多数企业生产矿渣微粉均采用开路球磨机,利用开路球磨机系统粉磨矿渣,比表面积可达到500㎡/kg以上,数颗粒分布在2~40um之间,颗粒组成比较合理,潜在活性发挥好,对混凝土强度、性能发挥作用好;球磨机电耗高于立式磨机。

3  矿渣微粉质量与电耗

矿渣在粉磨过程中,比表面积增长十分缓慢,当矿渣比表面积大于450㎡/kg时,由于研磨介质产生静电吸附造成颗粒聚集、糊球,产生过粉磨现象,造成矿渣微粉比表面积降低,磨机产量大幅降低,电耗大幅增加。

因为粉磨的矿渣比表面积大于480㎡/kg时,矿渣的潜在活性才能完全发挥出来。所以,我们研究矿渣微粉的比表面积要达到450㎡/kg ~550㎡/kg、在粉磨时加入矿渣助磨活化剂激发矿渣微粉活性、同时消除过粉磨现象磨机产量比较高,生产出来的矿渣微粉称之为超细活化矿渣微粉。

3.1  普通矿渣微粉

在正常的球磨机生产中,单独粉磨矿渣的平均电耗是粉磨水泥的2~3倍。按邦德方法计算,粉磨功指数为23kwh/t的矿渣,产品比表面积达到450㎡/㎏时,常规配球的φ1.83m×7.0m开流磨产量仅为1.5t/h,而φ2.4m×13m开流磨产量尚不足7t/h[1]。各规格开路矿粉磨机产量指标见表6

表6  常规开路磨机电耗在95~105kwh/t的产量指标(比表面积450㎡/㎏以上)

 

磨机规格

1.83m×7.0m

2.2m×7.0m

2.4m×13m

2.6m×13m

3.0m×13m

3.2m×13m

产量t/h

1.5~2.0

3.0~4.0

6.0~8.0

8.5~10.5

11.0~13.0

15.0~17.0

 

目前多数企业为了提高矿渣微粉产量降低电耗,在矿渣粉磨的同时加入5~10%的粉煤灰、石灰石达到助磨作用,比表面积控制在380㎡/㎏~420㎡/㎏,各规格开路矿粉磨机产量指标见表7

表7   矿渣掺粉煤灰400㎡/㎏开路磨机电耗在75~85 kwh/t的产量指标

 

磨机规格

1.83m×7.0m

2.2m×7.0m

2.4m×13m

2.6m×13m

3.0m×13m

3.2m×13m

产量t/h

2.8~3.5

4.0~5.0

9.0~11.0

11.0~13.0

14.0~16.0

20.0~22.0

 

利用粉磨矿渣掺入粉煤灰、降低矿渣微粉比表面积办法提高产量,降低电耗。其结果是:矿渣微粉活性指数下降,只能掺入水泥中20%左右;降低矿渣的利用率,也失去了矿渣微粉的应用价值。

3.2   超细活化矿渣微粉

为了使矿渣潜在活性尽早发挥出来,需要对矿渣采取活性激发措施,激发矿渣活性主要通过物理和化学办法;矿渣活化剂是针对矿渣不同的化学成分而研制的化学激发剂。

新疆八一钢铁公司矿渣分别加入0.1%矿渣活化剂A、B、C,粉磨到507㎡比表面积时, 7d活性指数分别达到75%、95%以上,28d活性指数分别达到102%、110%,见表8

表8   新疆八钢矿渣可生产S95、S105级矿渣微粉

 

实验

编号

实验项目

7dMpa

28dMpa

凝结时间


抗折

抗压

抗折

抗压

初凝

终凝


F

普硅水泥

6.4

29.1

8.3

44.3

3:42

5:40


HK

超细活化微粉







矿粉等级

HKA(含活化剂A)

50%HKA+50%F

6.6

26.9

9.8

45.3

4:05

5:23

S95

KHB(含活化剂B)

50%HKB+50%F

7.3

29.0

10.0

49.0

3:47

5:57

S105

KHC(含活化剂C)

50%HKC+50%F

7.3

28.3

9.5

49.3

3:19

5:05

S105

 

活化剂对矿渣活性激发的效果不同,活化剂B、C激发“八钢”矿渣活性效果好于活化剂A。利用50%超细活化矿渣微粉掺入到50%普硅水泥中,后期强度超过普硅水泥的后期强度,生产超细活化矿渣微粉,球磨机采取改造使用设备内部特殊部件、粉磨矿渣时加入矿渣活化剂激发矿渣活性、消除静电现象等一系列技术措施,超细活化矿渣微粉比表面积达到450㎡/kg~550㎡/kg。不掺入粉煤灰、石灰石的纯矿渣微粉,粉磨系统电耗60kwh/t以内。超细活化矿渣微粉各规格开路矿粉磨机产量指标见表9

表9  超细矿粉开路磨机电耗在50~60 kwh/t的产量指标(比表面积450㎡/㎏以上)

 

磨机规格

1.83m×7.0m

2.2m×7.0m

2.4m×13m

2.6m×13m

3.0m×13m

3.2m×13m

产量t/h

4.0~5.0

6.0~7.0

14.0~16.0

17.0~19.0

23.0~25.0

27.0~29.0

 

经过(国家)建筑材料工业技术情报研究所对《四平市宏桥水泥技术研究所》的 “矿渣活化微粉”项目的科技查新:国内外均有利用开路球磨机生产矿渣微粉(在粉磨的过程中掺入粉煤灰),并没有查到利用开路球磨机生产矿渣微粉(在粉磨的过程中不掺入粉煤灰),比表面积450㎡/㎏以上,电耗60kwh/t以内的文献报道。

据文献报道,矿渣微粉强度增长期可达到千年之久,超过普硅水泥、硅酸盐熟料强度增长期限。矿渣微粉存在早期强度偏低问题,超细活化矿渣微粉恰恰祢补掺入水泥后3d强度偏低的空白,掺入水泥40%左右超细活化矿渣微粉,不降低水泥原来的早期强度。超细活化矿渣微粉是一种非常优秀的新型建筑材料。

4   超细活化矿渣微粉的应用

4.1  应用在水泥企业

生产水泥平均需要75%左右的熟料,我们研究利用比表面积500㎡/㎏以上的超细活化矿渣微粉生产水泥,熟料的掺加量可以减少到30%以下,可节省熟料40%左右,水泥质量达到国家标准要求。

新疆八一钢铁公司水泥厂利用65%以上的超细活化矿渣微粉(含活化剂A、B、C)分别掺入自产熟料、普硅水泥、复合水泥中,检测数据如下:见表10

表10 八钢水泥厂利用65%的超细活化矿渣微粉掺入熟料、水泥检测数据

 

实验

编号

实验项目

3dMpa

28dMpa

凝结时间

抗折

抗压

抗折

抗压

初凝

终凝

F

普硅水泥404㎡

4.7

19.9

8.3

44.3

3:42

5:40

DH

硅酸盐熟料401㎡

7.2

31.6

8.9

49.7

2:16

3:53

HK

活化矿渣微粉507㎡







HKA(含活化剂A)

65%HKA+35%F

3.4

11.7

10.5

42.6

405

5:20

HKB(含活化剂B)

65%HKB+35%F

3.6

11.9

10.8

45.2

341

5:57

HKC(含活化剂C)

65%HKC+35%F

3.3

11.0

10.8

45.4

347

6:02

HKA(含活化剂A)

65%HKA+35%DH

4.2

15.8

11.3

52.2

413

6:03

HKB(含活化剂B)

65%HKB+35%DH

4.3

15.2

10.8

51.3

300

4:23

HKC(含活化剂C)

65%HKC+35%DH

3.9

14.1

11.2

51.8

246

3:47

HKA(含活化剂A)

75%HKA+25%DH

3.8

13.7

11.2

46.0

358

6:04

HKB(含活化剂B)

75%HKB+25%DH

3.8

12.3

11.3

46.7

331

5:27

HKC(含活化剂C)

75%HKC+25%DH

3.4

12.2

11.1

46.8

310

4:35

 

利用35%硅酸盐熟料掺入到65%超细活化矿渣微粉中,可生产符合国家标准的42.5级水泥,后期强度均超过硅酸盐熟料的后期强度;利用25%硅酸盐熟料掺入到75%超细活化矿渣微粉中或利用35%水泥掺入到65%超细活化矿渣微粉中,可生产符合国家标准的32.5级水泥。

4.2    应用在水泥制品

利用超细活化矿渣微粉生产水泥制品同样可替代部分水泥用量,提高水泥制品的强度。玉溪市新玉建材有限公司砖厂以前利用11%水泥、22%矿渣、67%石粉生产免烧砖,28天抗压强度达到10.0 Mpa。见表11

表11  新玉建材有限公司砖厂前期生产免烧砖

 

材料

水泥

矿渣

石粉

28天抗压强度

用料比

11%

22%

67%

10.0 Mpa

 

玉溪市新玉建材有限公司砖厂利用矿渣活化微粉生产免烧砖从水泥用量百分比11%减少到水泥用量2%;经过玉溪市技术监督局检测,抗压强度从国家标准28d达到15Mpa提高到7d达到15.4Mpa。见表12

表12  新玉建材有限公司砖厂利用超细矿渣活化微粉生产免烧砖

 

材料

水泥

矿渣

石粉

超细矿渣活化微粉

矿渣活化剂

7天抗压强度

用料比

2%

58%

----

40%

0.1%

15.4 Mpa

 

4.3   应用在工民建筑

超细活化矿渣微粉应用在商品混凝土公司(建筑公司),可等量代替各种标号混凝土中的部分水泥用量40%左右,降低生产成本。

超细活化矿渣微粉填充于水泥混凝土的孔隙中,大幅度提高水泥混凝土的致密度,同时将强度较低的Ca(OH)2晶体转化成为强度较高的水化硅酸钙凝胶,从而使水泥混凝土的一系列性能得到显著改善。混凝土的和易性能好、脱膜快,早期、后期强度高;改善水泥混凝土的抗渗性、抗冻性、增加塌落度,提高混凝土强度。

4.4    应用在国家重点建筑工程

超细活化矿渣微粉应用在机场、国防等国家大型建筑工程、应用水坝、水下、隧道工程不仅强度高,而且防渗漏;应用道路、海港、防腐蚀工程,可抑制盐碱腐蚀,减少水泥中C2S和C3S与海水盐碱反应,延长工程使用寿命。

5   超细活化矿渣微粉的应用效益

    5.1  良好的社会效益

5.1.1  节约能源

水泥产业是消耗能源大户,生产熟料需要大量的优质煤炭和大量的电能。机立窑、干法旋窑生产熟料平均需要电力在20kwh/t左右,每生产1.0公斤硅酸盐水泥熟料,需要燃料平均在900~700大卡热量,相当于每生产1.0吨硅酸盐水泥熟料,需要优质煤炭0.145吨左右。

利用超细活化矿渣微粉生产水泥节省40%的熟料,就意味着,每生产1.0吨水泥可以节省0.058吨左右的煤炭,节省8.0kwh左右的电能。

我国矿渣资源丰富,年产水泥13亿多吨,如果超细活化矿渣微粉技术能在全国推广、应用生产3.0亿吨矿渣水泥,每年可节约优质煤炭1740万吨,节约电能24.0亿kwh。

5.1.2  保护环境

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。超细矿渣活化微粉项目本身无污染,消耗露天储存的冶炼废渣,治理环境污染。

5.1.3  保护耕地

本项目可减少因冶炼废渣堆存侵占的土地,利于当地钢铁企业发展;利用超细活化矿渣微粉生产免烧砖比普通免烧砖技术生产成本低、强度高,替代黏土砖,保护耕地,利于国家墙改政策推广。

5.2  巨大的经济效益

5.2.1  超细活化矿渣微粉成本

矿渣采购价格如果按照50元/吨计算,矿渣经过烘干后,包括水分挥发和燃料等费用,干矿渣基本价格小于75/吨;电价按照0.5元/kwh计算,加工成本费用小于55元/吨(其中包括电费、设备维修、人工费、活化剂费用),超细活化矿渣微粉生产成本小于130元/吨。

5.2.2  生产水泥减少熟料用量

熟料价格如果按照280元/吨计算,超细活化矿渣微粉130元/吨的生产成本与熟料差价在150元左右。

生产水泥平均需要75%左右的熟料,利用超细矿渣活化微粉生产水泥可把熟料用量减少到30%以下(见表10),减少熟料用量40%以上,水泥生产成本最少可降低50元/吨左右。

5.2.3       应用水泥制品、混凝土减少水泥用量

水泥价格如果按照280元/吨计算,超细矿渣活化微粉130元/吨的生产成本与水泥差价在150元/吨左右。

水泥制品、混凝土生产平均需要水泥350㎏/吨,利用超细活化矿渣微粉生产水泥制品、混凝土,水泥用量减少40%左右,生产成本最低可降低20元/吨左右。

6  结论

生产、应用超细活化矿渣微粉,不但降低企业的生产成本,提高产品的质量和性能,还节约大量的能源,减少环境污染。超细活化矿渣微粉是国家扶持的新材料项目,是国家科研成果,应大力推广、应用,转化生产,利国利民。

 [1]参考文献:罗凡 等,矿渣粉磨特性及其相关参数的探讨《水泥》2002.01