钢渣显微结构与粉磨和烧成性能关系探讨

邹兴芳

（葛洲坝集团水泥有限公司，湖北 荆门市 448000）

0 引 言

水泥是世界上用量较广的建筑材料，我国每年的产量约为12亿吨，大量消耗了自然资源，铁矿石是水泥生产中不可缺少的铁质校正材料，目前国内资源的匮乏及可持续发展战略的要求，使人们开始寻求一些可替代工业废弃资源，达到节省资源和能源、变废为宝的目的。钢渣因其主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO和Fe2O3等，其中铁相按Fe2O3含量计算一般在19%～25%之间，CaO含量为40.48%，因此钢渣具备取代铁质校正材料的条件。在此拟通过对钢渣显微结构和性能之间相互关系的分析，达到指导实际生产的目的。

1 实验原材料和实验方法

1.1 实验原材料

实验原材料主要为钢渣、石灰石、页岩、砂岩、铁矿石等，其中原材料均经过烘干、破碎、研磨等工艺，使得原材料的细度达到符合要求（即经过75的筛子，筛余不大于8%），各原材料成分如表1所示。

表1 实验原材料成分 %

1.2 实验方法

将钢渣块破碎为4.75mm以下后入实验球磨粉磨30min，用磁场强度为0.06T的磁铁进行选铁，选完铁后再入球磨进行粉磨至相应时间，得到需要的钢渣粉备用。

（2）钢渣熟料高温烧成

按计算配比配制相应重量的生料粉。将已经称量好的原料粉放入球磨罐中充分混匀（3～5min），取出后喷入少量的水，便于成型。称取20g的生料粉于成型模具中，置于压力机座上以20～30kN的压力压制成块。将生料置于匣钵中，放入升温好的马弗炉（1000℃）中，保持10min。之后小心取出匣钵再转入硅碳棒炉（1350℃及以下）或硅钼炉（1350℃及以上）中，在设定保温时间后取出匣钵，将熟料立即置于空气中进行快速冷却。冷却后，粉磨至比表面积为360m2/kg左右备用，钢渣熟料中游离氧化钙采用甘油-乙醇法进行测定。

（3）显微结构观察

岩相观察可根据视野中的晶体形态判断物相。利用光学显微镜进行了钢渣和熟料显微结构分析。实验时取钢渣块或煅烧好的熟料试样，敲碎后取位于试块中间部位的且较为平整的一小块试样，在金相试样镶嵌机（XQ-1型）筒内加入酚醛树脂粉末进行镶嵌，镶嵌后的试样在SiC砂纸上进行打磨，并在金相试样抛光机（PG-2D型）上进行抛光。抛光后再将试样放入氯化铵溶液中进行腐蚀，10s后取出，用电吹风吹干。制备好的试样在XP-201型偏光显微镜下进行观察。

（4）熟料净浆强度测定

（2）定期开展安全培训和安全教育。特别针对管理人员以及重点的操作工作人员进行全面的安全教育和专业技能培训，全面提高自身综合水平和安全意识。对于安全培训与教育制度对工作人员的具体内容、培训时间以及方法和形式、要达到的效果要进行明确进行的要求并进行严格考察。

采用标准稠度用水量拌和后，用20mm×20mm×20mm小试模成型，养护温度为20±1℃，各试样外掺脱硫石膏配制成水泥。标准稠度、凝结时间和安定性按GB1346进行，细度按GB1345进行，水泥胶砂强度按GB177-1999进行。实验采用尺寸为40mm×40mm×160mm的试件，试件在成型后24h拆模，拆模后将其放入标准养护室养护，养护条件为：温度 20±1 ℃水中养护，且在养护室内试件彼此间隔不少于10mm；分别测定砂浆试样7d和28d抗压和抗折强度。

2 钢渣显微结构特性及其与性能的关联分析

为观察钢渣的显微结构，对选取的具有代表性各种钢渣块，在无水酒精介质中经过打磨、抛光等工艺制成光片，在偏光显微镜下观察钢渣自身的显微构造。观察得到钢渣的矿物组成如图1所示。

图1 钢渣的显微结构构造

由图1可见，钢渣主要矿物成分为板状硅酸三钙和圆形及类圆形的硅酸二钙，其次为铁酸钙和玻璃相，玻璃相主要为富铁的浅色中间相（晶态、非晶态共存，富铁玻璃相居多）和分布在浅色中间相中的深灰色点滴状富含镁铝硅的深色中间相（晶态、非晶态共存，富镁硅玻璃相居多）。图1（a）中硅酸三钙最大为1998μm，有的粒径为1059μm；硅酸三钙包裹中的MgO颗粒粒径为142μm至271μm不等，如图1（c）中深色颗粒为硅酸三钙包裹中的MgO颗粒粒径即为159μm；钢渣中的金属铁主要呈球粒状嵌布，见图1（b），粒度大小一般介于100～300μm，最大可达3mm；与图1（a）中的粒径差别不大；图1（d）中白色颗粒为硅酸二钙，粒径为943μm。

从钢渣的显微结构和化学特性可以看出，钢渣在作水泥原材料具有以下优势：

（1）钢渣中含铁：钢渣是冶金行业的工业废渣，其矿物组分主要为C3S、C2S、CaF2、CaO、MgO和单质铁等。钢渣中含有的铁以Fe2O3计可高达40%左右，适合替代铁质校正原料用于水泥的生产。钢渣作为铁质校正原料，不仅可以减少大量钢渣外排，还可以节省天然铁矿石资源，降低生产成本。因此，虽然钢渣中铁含量不是很高，但是它对提高液相量，形成最低共熔温度是非常有用的。

（2）“诱导晶种”作用：90年代中国建材科学研究院推出“添加晶种”熟料煅烧技术 ，即在生料制备过程中 ，引入适量的优质水泥熟料作为“晶种”，在熟料煅烧过程中起到“诱导晶种”的特殊作用。钢渣中含有硅酸三钙、硅酸二钙等物质，这些矿物在熟料煅烧过程中同样能起到了“诱导晶种”的作用。该作用可有效地降低晶体形成时的核化势垒，打破原CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3系统的动态平衡，促使化学反应速度进一步加快，为C2S吸收fCaO形成C3S的反应创造条件，最终促进水泥熟料烧成。若采用钢渣，可作为水泥熟料煅烧中的“非熟料晶种”配料，可取得与水泥熟料晶种相同的技术经济效果。

（3）调节生料中的铝率（IM）：就化学组成而言，武钢钢渣中Fe2O3和FeO含量一般约为24%左右，而水泥工业常用的铁粉含Fe2O3一般为40%左右，其次钢渣 (Fe2O3+FeO) / Al2O3为4～5，而铁粉中Fe2O3/ Al2O3一般为2.5。可见，钢渣铁铝比值较大，便于调节生料中铝氧率（IM）值。

作矿化剂和促进剂：钢渣中含有MgO和FeO等矿物组分，是熟料烧成过程中良好的矿化剂和促进剂，能够降低CaCO3分解温度，并加速化学反应提高CaCO3的分解率。如钢渣中MgO含量较高，将造成熟料MgO含量升高，煅烧时可提高熟料液相量，利于煅烧；同时含有的部分FeO也可降低液相出现的温度。

部分代替石灰石和硅铝质校正材料：钢渣中C3S、C2S等中含有的CaO、SiO2和Al2O3，在取代铁质的时候还可部分替代石灰石和硅铝质校正材料，减少石灰石和硅铝质校正材料资源的消耗，进一步保护生态环境。同时钢渣中高活性CaO可以相对减少CaCO3分解所需能量，降低熟料热耗，减少配煤量，同时活性氧化钙减少了CO2排放，达到适当减排的目的。

通过生料预均化克服钢渣组分波动大的问题；并通过回转窑旋转煅烧再次均化。且无钢渣安定性不良的问题。

考虑钢渣中铁粒对易磨性影响大，即会由于钢渣粉生料不易磨细而影响生产控制。而铁粒一般易富集在一起，故考虑铁粒一般大小在0.3mm左右，加之富集效果影响，可采取对钢渣进行初磨后进行选铁，将不易磨细的单质铁粒选出后将对钢渣易磨性进行改善。

从钢渣的显微结构可见，采用钢渣代替铁质校正材料配料有诸多优点，而且对提高钢渣的易磨性也具有明显的参考价值。下面从以下几个方面再来验证钢渣结构与性能之间关系的正确性。

3 钢渣的粉磨特性

影响钢渣易磨性的主要因素是单质铁。为此采用二次除铁工艺来对钢渣进行粉磨性能试验（工艺见图2）。

图2 钢渣粉磨工艺示意图

表2 除铁和粉磨对钢渣粉粉磨性能的影响

由表2可见，当采用二次除铁工艺后，在同样的粉磨时间下，钢渣粉的比表面积从472m2/kg提高到了537m2/kg，钢渣的易磨性明显得到改善。可见，在实际生产中只有采用二次除铁工艺，将钢渣粉磨到适宜的细度是没有问题的，而且经过二次除铁后钢渣对磨机的磨损也会大幅度降低。

4 钢渣熟料烧成性能

为对比采用钢渣配料后对熟料性能的影响，在此引入未掺钢渣的利用铁矿石进行配料的参比来进行对比研究。为增加结论的对比性，在保持满足率值要求的范围内，使其率值基本保持一致。实验配比见表3。

烧制好的熟料断面的显微形貌如图3所示。

表3 钢渣与铁矿石水泥熟料烧成配合比设计

图3 未掺钢渣对比样（T-1）和掺有钢渣的水泥熟料（G-1）显微图像

从图3可以看出，掺有铁矿石的水泥熟料中气孔较多，掺有钢渣的水泥熟料断面较为致密，对比可知，掺有钢渣的水泥熟料烧成矿物相中C3S含量更高，这也再次说明钢渣的晶种效果明显，也从微观结构方面证明，掺有钢渣的水泥熟料具有较高的强度。

对以上两种配合比烧制水泥熟料，与石膏配制水泥（其中SO3含量在1.9%），测定水泥净浆在标准养护条件下的3d及28d强度，实验结果如表4所示。

表4 钢渣及铁矿石烧制水泥熟料的3d及28d净浆强度

从表4可以看出，钢渣的引入明显降低了熟料中fCaO的含量，生料的易烧性得到明显的改善。且掺加钢渣的水泥熟料的3d强度明显高于掺有铁矿石的水泥熟料，掺加钢渣的水泥熟料的28d强度略优于掺有铁矿石的水泥熟料强度。

综上所述，钢渣取代铁矿石进行水泥熟料的烧成优势非常突出，因其具有“诱导晶种”、矿化剂和促进剂的作用，烧成效果要好于铁矿石。

5 结 论

（1） 钢渣的显微结构表明，钢渣中含有硅酸三钙和硅酸二钙，其次为铁酸钙、游离氧化钙、游离氧化镁和玻璃相。因其含有铁相可作水泥原材料，且因含有其它矿物组分在应用时优势明显，具有“诱导晶种”、调节生料中的铝率、作矿化剂和促进剂、部分代替石灰石和硅铝质校正材料等作用。这对降低烧成时的温度和改善生料易烧性具有明显促进作用。

（2）采用预粉磨、二次除铁和高效粉磨工艺，可生产出细度400～600m2/g以上的钢渣粉，可解决钢渣难以粉磨的问题。

（3）钢渣取代铁矿石进行水泥熟料的烧成是可行的，且在适宜的掺量时和铁矿石作铁质校正材料时对比，fCaO含量低、净浆的强度高，能满足生产水泥的强度要求。

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