高钛型矿渣膨珠的生产及性能研究

杨志远

(攀枝花环业冶金渣开发有限责任公司，四川 攀枝花 617000)

由于高钛型高炉渣含有较高的TiO2能在高温下与CaO等形成活性较低的钛透辉石和钙钛矿，故高钛型高炉渣不同于普通高炉渣可以直接作为矿渣水泥原料加以利用。目前攀钢的高钛型高炉渣主要用于建材砌块及商用泵送混凝土，但仍不能将其完全消化。为此，急需要扩大高钛型高炉渣的利用途径，以降低环保等方面的压力。

攀钢由于区域条件有限及炼铁工艺的要求，高炉渣无法进行炉前的膨珠生产组织。主要通过炉前将高炉渣组罐后运至2公里以外的渣场进行翻渣处理。这就导致了渣罐中高炉渣温度具有不稳定性，为后续的膨珠生产造成一定的影响。

针对以上情况，我们结合了炉前膨珠生产工艺经验和翻渣温度波动的影响[1-3]，成功开发出了一种在翻渣场直接进行高钛型矿渣膨珠生产的工艺，为攀钢高钛型高炉渣的利用提供了一种新的途径，具有良好的社会效益和经济效益。

1 高钛型矿渣膨珠的生产工艺

根据攀钢高炉前布置的实际情况并结合炉前膨珠生产经验，研究确定了膨珠生产工艺流程为：炉前组罐→运输至翻渣场→大锤破盖→缓慢翻罐→溜槽膨胀冷却→滚筒甩出→膨珠落地冷却。

1.1 生产流程

高钛型矿渣膨珠生产工艺流程较为简单，在翻渣生产膨珠前必须对渣罐内已冷却凝固的渣盖采用大锤撞击渣罐侧面进行破盖处理，然后进行翻渣生产操作，当渣罐中余有少量渣液(3～5吨)时必须立即停止翻渣作业，防止渣罐底部的铁水翻出发生安全事故。其生产流程见图1。

(1)溜槽。采用厚度为100 mm以上的铸铁制成，具有良好的耐高温特性，可防止被渣液烧穿，同时可方便残渣的清理。溜槽与水平面的夹角为30°，可保证渣液能够快速流动，减少溜槽粘渣。

1-渣罐；2-运输火车；3-溜槽；4-冷却水管；5滚筒图1 高钛型矿渣膨珠生产流程

(2)滚筒。根据现场渣道实际情况，在滚筒上设置了9个高度为200 mm的固定叶片，滚筒直径为Φ600 mm，长为1190 mm。滚筒转速可达到每分钟350转以上，确保熔渣被快速甩出。

(3)冷却水管。在溜槽上部与槽底均平行设有一排高压水管用于冷却高温高炉渣。上排冷却水管出水口为10个φ3 mm，下排冷却水管出口为12个φ3 mm。水管出水压力为0.3～0.6 MPa。

1.2 膨珠生成原理

在渣罐运输过程中虽然有大量的气体从渣液中逸出，但仍有少量的气体残留在渣中，如CO、CO2和H2S等。当高钛型高炉渣从渣罐中翻出时，仍属于高温的熔融液态渣。高温熔渣通过渣罐翻渣装置将其缓慢倒入铸铁质溜槽中，然后通过溜槽流至高速旋转的滚筒叶片上与冷却水一起被快速甩出，在水和空气的快速冷却下，熔渣内的气体来不及释放，在一定的粘度及表面张力的作用下迅速形成膨珠。膨珠形成主要为水的冷却和滚筒的高速旋转。

水的作用：加速熔渣的冷却，使熔渣能够快速凝固，并防止更多的气体从熔渣中逸出；与熔渣中的硫化物起化学反应生产SO2等气体，并与水蒸气在熔渣内形成气孔。

滚筒的作用：将熔渣快速抛向空中，使其表面快速冷却，形成玻璃体；熔渣落入地面形成珠状，大部分膨珠表面温度已较低，从而有效降低了膨珠的相互粘结，有利于后期使用。

2 高钛型矿渣膨珠的性能

采用该工艺生产的高钛型矿渣膨珠外观颜色为黑灰色玻璃质光泽(见图2)，粒径主要为0～10 mm的空心球状颗粒，另存在少量大于10 mm的颗粒(主要是膨珠落地后在高温作用下有少量的粘结)。

图2 高钛型矿渣膨珠

2.1 物理性能

由于该膨珠是空心球状，且少部分处于半开状，故具有较低的松散堆积密度和较高的吸水率。膨珠落地后仍具有较高的温度，在该温度下，水分快速蒸发，故其产品含水量相对较低。其相关物理性能检测见表1。

表1 高钛型矿渣膨珠相关物理特性

2.2 化学成分

高钛型矿渣膨珠是由高炉渣液态直接加工而来，故其主要化学成分和高炉渣成分基本一致。具体如表2所示。

2.3 岩相分析及活性指数

通过对高钛型矿渣膨珠的岩相分析(见图3)，其中主要物相为48.69%的钛透辉石和25.46%的钙钛矿，另外还有9.43%的玻璃相[4]。

表2 高钛型矿渣膨珠化学成分组成，%

玻璃相含量相对较少主要是由于膨珠在被抛向空中时，液态熔渣在表面张力的作用下形成球状结构，而空气中虽能够急速冷却但由于时间极短，落地后仍为高温态，随后在自然冷却过程中大部分逐渐结晶形成钙钛矿和钛透辉石，仅有少量形成了玻璃相。

从物相的晶粒大小看，其晶粒尺寸大部分小于10μm，表明其具有较好的可磨性。

图3 高钛型矿渣膨珠注：1.玻璃相；2.钙钛矿；3.钛透辉石

由于该高钛型矿渣膨珠中玻璃相含量相对较少，故在同等条件下若作为混凝土掺合料使用其活性指数相对较低，28d活性指数仅达到了66%(细度为45μm筛余小于20%[质量分数])，只能与其他掺合料配合使用。

3 膨珠的应用

3.1 轻质混凝土砌块中的应用

由于高钛型矿渣膨珠具有良好的空心球形，堆积密度小，且坚固度较好的特性，可以作为一种很好的轻质骨料用于混凝土砌块和混凝土透水砖等[5]。

西昌某公司已将高钛型矿渣膨珠与水泥、石膏等按照一定的比例混合后制成了不同等级的轻质空心砌块进行销售。在使用过程中具有良好的隔热、保温效果。其强度等级最高可达到MU7.5的要求[6]。

3.2 代替水泥作掺合料的应用

水泥生产过程中在保证质量不降低的前提下，可适当加入一些矿渣以降低水泥的生产加工成本。而攀钢矿渣由于含有较高的二氧化钛，活性指数较普通矿渣偏低，故其在水泥生产中加入量相对较少，仅有5%左右。且由于加入的是易磨性好、含水量高的水淬渣(含水量在10%以上)，在实际应用过程中需要增加相应的烘烤成本。

而本项目生产的高钛型矿渣膨珠，具有极低的含水量，同时还兼有水淬渣的易磨性和一定的活性指数特性。目前攀枝花市西区某水泥厂在分别将高钛型矿渣膨珠和水淬渣作为水泥掺合料试用对比后，认为在保证水泥质量不降低的前提下，添加1吨高钛型矿渣膨珠比添加1吨水淬渣的成本可降低10元以上的生产成本，具有推广应用的价值。

4 结论

(1)高钛型矿渣膨珠生产工艺的成功开发为攀钢高炉渣提供了一种新的利用途径，具有良好的社会效益和经济效益。

(2)通过对高钛型矿渣膨珠性能的研究，认为其可以作为一种轻质骨料在轻质混凝土砌块中进行推广应用。

(3)与水淬渣相比，高钛型矿渣膨珠作为水泥用掺合料可降低烘烤成本。