摘 要：山西朔州山陰縣多是鹽堿地，且周邊鐵礦資源貧乏，水泥生產所用原材料存在較大的局限性。為了解決水泥原料方面的問題，文章對鋼渣的基本性能進行了研究，分析了鋼渣在水泥熟料生產中的影響因素，提出以混合材料鋼廠煉鋼爐爐底渣作為鐵質校正原料的方法進行試驗，探究了不同飽和比條件下鋼渣摻量對生料易燒性的影響。試驗結果表明，摻入鋼渣后的熟料可以實現更高的飽和比配料方案。

　　關鍵詞：鋼渣;鐵礦石;生產高性能;水泥熟料

　　1 引言

　　中煤集團山西華昱能源山陰炫昂建材有限公司，日產2500t水泥熟料生產線位于山西朔州山陰縣，受當地資源限制，水泥生產所用原材料存在較大的局限性，一是工廠所在地山陰縣多是鹽堿地，黏土質原料不能用于水泥生產，只能使用礦區高硅砂巖作為硅質原料。

　　建筑材料論文投稿期刊：《水泥技術》Cement Technology(雙月刊)1984年創刊，主要介紹國內外水泥工業科研、設計、建設和生產中先進實用的技術和裝備，尤其重視報導各種規模新型干法水泥生產線的先進技術，改造的成功經驗和途徑，始終站在行業技術的前沿。

　　使用高硅砂巖配料時，由于砂巖結晶硅含量較高，導致生料易磨性、易燒性均較差，生產中設備磨損增加，熟料單耗較高。二是山陰縣周邊鐵礦資源貧乏，從200km外采購的鐵礦尾渣價格高、品味低、有害成分較高，對生產帶來較大負面影響。為解決以上問題，需在水泥原料方面有所創新，既要作為鐵質校正原料，又要改善水泥生料的易燒性。2016年，炫昂建材成立攻關小組，武漢理工大學提供技術支持，對相關原料進行篩選，確定以混合材料鋼廠煉鋼爐爐底渣作為鐵質校正原料。

　　2 鋼渣基本性能研究

　　鋼渣在我國有較大的排放量，也有廣泛的地域分布，不同產地鋼渣的主要成分相對量有所變化，微量成分也有不同。鋼渣的主要化學成分為：CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、MgO、P2O5和f-CaO，有些還含有V2O5、TiO2等。主要礦物為CMS(鈣鎂橄欖石)、C3MS2(鎂薔薇輝石)、C2S(硅酸二鈣)、C3S(硅酸三鈣)及RO相。通過探究鋼渣的性質，掌握鋼渣在水泥熟料生產中的影響因素，對鋼渣資源化、有利化利用和高性能水泥熟料生產有促進作用。

　　研究結果表明，鋼渣中主要影響生料易燒性的活化因子分為陰離子、陽離子和鈣硅比三種。陰離子、陽離子活化因子在熟料燒成過程中破壞水泥生料中 反應物的晶格，提高它們的化學活性，加速其固相反應。在同樣的燒成溫度下，特別是較低煅燒溫度下摻入這些活化因子的水泥物料液相量要大于未摻活化因子的液相量，因而有利于水泥熟料礦物的低溫燒成。同時，加入活化因子可顯著擴大熟料的燒成范圍，改善熟料煅燒性能，促進高性能熟料的燒成。

　　2.1 陰離子

　　水泥熟料常規成分以外的某些雜質離子或離子團對熟料的燒成和性能有較大影響，尤其是一些陰離子團，能夠降低熟料的易燒性和膠凝性。原料中的氯化物在水泥熟料煅燒時可增加液相生成量，劇烈地改變吸收相的熔點。通過熒光分析結果可以看出，炫昂建材鋼渣中含有0.02%的氯，在鋼渣中氯含量適中，在熟料煅燒過程中可以起到良好的促進作用。

　　磷是一種在高溫下對燒成有促進作用的物質。熟料中氧化磷的含量極少，當熟料中氧化磷含量在0.1%~0.3%時，可以改善水泥熟料的易燒性，提高膠凝性，有較輕的環境負荷。炫昂建材鋼渣中磷含量為0.71%，與其他地區鋼渣的磷含量相比處于較低水平。在水泥生料配比中摻入一定量的含磷原料，可以顯著改善水泥熟料的性能。硫對熟料形成有強化作用，SO3能降低液相粘度，增加液相數量，有利于C3S的形成。一般控制生料中SO3≤1%。炫昂建材鋼渣中SO3的含量為0.67%，與其他地區鋼渣的硫含量相比處于較高水平。

　　2.2 陽離子

　　熟料中含有少量的氧化鈦時，它能與各種水泥熟料礦物形成固溶體，特別是對β-C2S起穩定作用，可提高熟料的質量。但因其與氧化鈣反應生成不具水硬性的鈣鈦礦，消耗了氧化鈣，減少了熟料中的阿利特含量，影響水泥強度，所以，氧化鈦含量不可過多，應控制其在熟料中的含量不大于1%。炫昂建材鋼渣中鈦的含量為2.49%，與其他地區鋼渣鈦含量相比處于較高水平，配制生料時應注意鈦的含量。氧化鉻能降低水泥熟料的液相粘度和表面張力，加速阿利特形成，使共晶體增多，生料中以控制Cr2O3≤0.5%為宜。

　　炫昂建材鋼渣中氧化鉻的含量為0.49%，與其他地區鋼渣鉻含量相比處于中等水平。微量的堿能降低最低共熔溫度，降低熟料燒成溫度，增加液相量，起助熔作用。生料中堿含量(K2O+Na2O)應小于1%。結合炫昂建材鋼渣的成分分析，其堿含量與其他地區鋼渣相比處于較高水平，但仍遠低于1%。氧化錳能夠降低熟料液相粘度，使阿利特晶粒尺寸變小、熟料早期強度降低。生料中以控制Mn2O3≤2%為宜。炫昂建材鋼渣中氧化錳的含量為0.01%，與其他地區鋼渣錳含量相比處于較低水平，對熟料性能影響不大。

　　3 試驗方案設計

　　3.1 試驗原料

　　由于條件限制，沒有原廠的原料進行配料，遂在原廠生料樣的基礎上摻入石灰石、鋼渣、硅灰等原料，配制出符合試驗要求的配料方案。所用生料和鋼渣來自炫昂建材，調整配料所用石灰石、硅灰和替代煤灰的粉煤灰均取自武漢理工大學。從化學分析數據可以看出，石灰石品質較高，有害成分低;硅質校正原料硅灰氧化硅含量為93.74%>80%、SM>4.0%、堿<2%，符合要求;鋼渣中Fe2O3<40%，有害成分低。

　　3.2 配料計算

　　為了探究不同飽和比條件下鋼渣摻量對生料易燒性的影響，結合原料種類、成分和新型干法水泥生產工藝特點，得出以下試驗配料方案，其中1、4、5三組探究的是熟料率值與生料易燒性的關聯性;1、2、3三組探究的是較低熟料飽和比水平下鋼渣摻量對生料易燒性的影響;5、6、7三組探究的是在較高熟料飽和比水平下鋼渣摻量對生料易燒性的影響。這七組方案都是在新型干法煅燒中可能存在的配料方案，可以滿足新型干法生產普通水泥要求。由于配料時缺少鋁質校正原料，致使所得配料方案中IM較低，但是對所得試驗結論影響不大。

　　3.3 試樣制備方法

　　試樣制備方法參照《水泥生料易燒性試驗方法》(JC/T735-2005)，但由于條件限制，試驗時基于此標準有所改進，具體改進方法如下：現有試體成型模具試體直徑d=30.0mm，為保證煅燒效果一致，控制現有模具和標準模具成型的試體厚度一樣，參照公式：(1)即控制現有試體成型模具成型試樣每次所需料樣質量：(2)即m2=19g，考慮到直徑較大，試樣中心不易煅燒，最終取試樣成型質量為m2=15g。

　　4 試驗結果分析

　　易燒性試驗所得樣品熟料中f-CaO含量(指1450℃)<1%時，易燒性好;f-CaO含量在1%~1.5%時，易燒性較好;f-CaO含量在1.5%~2%時，易燒性較差;f-CaO含量>2%時，易燒性差。采用1、2、3三組配料方案，按照《水泥生料易燒性試驗方法》(JC/T735-2005)進行試驗，分別進行1350℃、1400℃、1450℃三個溫度的易燒性試驗，測定煅燒所得熟料中f-CaO含量。結果表明，隨著煅燒溫度的提高，熟料中f-CaO含量逐漸降低;在率值基本保持不變的情況下，鋼渣的摻量逐漸增多，熟料中f-CaO含量逐漸降低。

　　3組生料的易燒性最好，2組生料易燒性最差，1組生料易燒性介于兩者之間。采用5、6、7三組配料方案，按照《水泥生料易燒性試驗方法》(JC/T735-2005)進行試驗，分別進行1350℃、1400℃、1450℃三個溫度的易燒性試驗，測定煅燒所得熟料中f-CaO含量。結果表明，隨著煅燒溫度的提高，熟料中f-CaO含量逐漸降低;在率值基本保持不變的情況下，鋼渣的摻量逐漸增多，熟料中f-CaO含量逐漸降低。7組生料的易燒性最好，5組生料易燒性最差，6組生料易燒性介于兩者之間。由以上兩組數據可以看出，無論是在較低熟料飽和比配料方案，還是較高熟料飽和比配料方案中，鋼渣都能夠顯著提高生料的易燒性。鋼渣的摻量越高，生料的易燒性越好。尤其在7組配料方案中，鋼渣的摻量達到了6%，使飽和比達到0.95%的配料方案，易燒性試驗游離氧化鈣含量小于2%。試驗結果說明摻入鋼渣能夠顯著改善生料的易燒性。

　　5 熟料巖相分析

　　硅酸鹽水泥熟料及其結構不僅直接關系到水泥質量優劣的評定，而且關系到原料、粉磨、均化、燒成、冷卻等整個工藝流程是否合理。因此，對水泥熟料進行礦物組成和顯微結構分析非常重要。水泥熟料的礦物組成和顯微結構分析一般采用X射線多晶衍射分析、偏光顯微鏡下分析、反光顯微鏡下分析。由于反光顯微鏡制片簡單、光片浸蝕后晶體的輪廓清楚，便于結構觀察和定性定量測量，而且放大倍數比偏光顯微鏡大，因此，反光顯微鏡下分析是無機非金屬材料物相、結構分析的重要手段。

　　5.1 試驗原料試驗采用公司現有的篦冷機熟料、易燒性試驗所得熟料與標準水泥熟料。

　　5.2 試驗儀器上海金相機械設備有限公司YM-2A金相試樣預磨機、PG-1A金相試樣拋光機、反光晶相顯微鏡。

　　5.3 試驗方法選取熟料試塊較平整的一面，先用金相試樣預磨機粗加工，再用金相試樣拋光機將試樣表面加工至無磨痕像鏡面時為止。拋光后，將光面全部浸在試劑內并不斷晃動，使礦物表面均勻地與浸蝕劑接觸。浸蝕后立即將光片取出，用電吹風冷熱風交替吹干試樣，然后，用橡皮泥將試樣固定在玻璃片上，用壓樣器壓實并保證光面水平，再將試樣放到顯微鏡下觀察。

　　5.4 試驗結論通過對比兩組試樣的巖相分析可以得出，摻入鋼渣后的熟料可以實現更高的飽和比配料方案，使得到的熟料中A礦發育更好，分布更加均勻，直徑更大;熟料水化后有更高的強度。

　　參考文獻：

　　[1]王順祥.富硅鎂冶金鎳渣對硅酸鹽水泥水化特性的影響[D].江蘇大學,2017.

　　[2]王燦強.堿激發鎳渣—粉煤灰—爐渣膠凝材料的制備研究[D].福州大學,2017.

　　[3]劉智偉.電爐鋼渣鐵組分回收及尾泥制備水泥材料的技術基礎研究[D].北京科技大學,2016.

　　作者：馮利軍