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粒化高炉矿渣
粒化高炉矿渣是在高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷后来不及结晶而形成的细颗粒状玻璃态物质。
一、矿渣在水泥工业中的综合利用主要经过了三个阶段:
第一阶段(1995年以前)粒化高炉矿渣主要是作为水泥混合材使用。以混合粉磨为主。矿渣由于难磨，在水泥中的掺量有限，一般不超过30%。
第二阶段(1995~2000年)学习国外技术，矿渣粉作为高性能混凝土的高掺合料，在建筑工程中推广使用。但要求矿渣粉比表面积要达到600m2/kg以上，国内仅有几家粉磨站生产。主要原因是:进口设备价格昂贵、生产线投资相当大。
第三阶段(2000年后)矿渣粉最经济的粉磨细度应控制在400m2/kg左右。这样的矿渣粉，既能直接供给混凝土搅拌站作掺合料，又能与熟料、石膏粉合成高掺量矿渣水泥。随着循环目前已接近一亿吨/经济的大力发展，矿渣粉的产量年年翻番，年，正在国内形成一个生产建材的新兴产业。
二、什么是矿渣
“矿渣”的全称是“粒化高炉矿渣”它是钢铁厂冶炼生铁时产生的废渣。在高炉炼铁过程中，除了铁矿石和燃料(焦炭)之外，为降低冶炼温度，还要加入适当数量的石灰石和白云石作为助熔剂。它们在高炉内分解所得到的氧化钙、氧化镁、和铁矿石中的废矿、以及焦炭中的灰分相熔化，生成了以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，浮在铁水表面，定期从排渣口排出，经空气或水急冷处理，形成粒状颗粒物，这就是矿渣。含有95%以上的玻璃体和硅酸二钙，钙黄长石、硅灰石等矿物，与水泥成份接近。
未经淬水的矿渣，其矿物这些形态呈稳定形的结晶体，结晶体除少部分C2S尚有一些活性外，其它矿物基本上不具有活性。如经淬水急冷，形成了玻璃态结构，就使矿渣处于不稳定的状态。因而具有较大的潜在化学能。出渣温度愈高，冷却速度愈快，则矿渣玻璃化矿渣的潜在化学能程度愈高，愈大，活性也愈高。因此，经水淬急冷的高炉矿渣的潜在活性较好。
每生产1吨生铁，要排出0.3-1吨矿渣。
表1我国部分钢铁厂的高炉矿渣化学成分
厂名
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
CaO
MgO
S
AG
38.28
8.40
1.57
0.48
42.66
7.40
/
AG
32.27
9.90
2.25
11.95
39.23
2.47
0.72
BG
40.10
8.31
0.96
1.13
43.65
5.75
0.23
BG
41.47
6.41
2.08
0.99
43.30
5.20
/
SG
38.13
12.22
0.73
1.08
35.92
10.33
1.10
WG
38.83
12.92
1.46
1.95
38.70
4.63
0.05
JG
27.02
15.13
2.08
17.74
33.15
2.31
/
三、矿渣微粉的应用
通过将矿粉等工业废渣以等比例取代水泥的方式掺入到水泥中形成复合胶凝材料，能够产生例如“火山灰效应”和“微集料效应”等作用，从而使各个原材料在性能上产生互补作用。因此，在倡导“低碳、环保”的今天，应在保证胶凝材料性能满足使用要求的前提下，尽可能多的将这类工业废渣、生物质灰循环利用，以达到节约水泥、保护环境的目的。
3.1 矿渣微粉的特性：
1、矿渣微粉具有潜在水化活性。当与水泥混凝土混合时，活性SiO2、A12O3与水泥中C3S和C2S水化产生的Ca(OH)2反应，进一步形成水化硅酸钙产物，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晶体转化成强度较高的水化硅酸钙凝胶，显著发送了水泥和混凝土的一系列性能。
2、矿渣微粉具有潜在水硬性。矿渣中含有硅酸盐、铝酸盐及大量含钙的玻璃质（如C2S、CAS2、C2AS、C3A、C2F和CaSO4等），具有独立的水硬性，在氧化钙与硫酸钙的激发作用下，遇到水就能硬化，通过细磨后，硬化过程大大加快。
3.2 矿渣化学成分对其活性的影响
不同钢铁厂的矿渣的化学成分差异很大，同一钢铁厂不同时期排放的矿渣有时也不一样。所以，要按进厂批次检测其化学成分的变化。
（1）氧化钙
氧化钙属碱性氧化物，是矿渣的主要化学成分，一般占40左右，他在矿渣中化合成具有活性的矿物，如:硅酸二钙等。氧化钙是决定矿渣活性的主要因素，因此，其含量越高，矿渣活性越大。
(2)氧化铝
氧化铝属酸性氧化物，是矿渣中较好的活性成分，他在矿渣中形成铝酸盐或铝硅酸钙等矿物，有熔融状态经水淬后形成玻璃体。氧化铝含量一般为5%~15%，也有的高达30%；其含量越高，活性越大，越适合水泥使用。
(3)氧化硅
氧化硅微酸性氧化物，在矿渣中含量较高，一般为30%~40%。与氧化钙和氧化铝比较起来，它使矿渣活性降低。
(4)氧化镁
氧化镁比氧化钙的活性要低，其含量一般在1%~18%，，在矿渣中呈稳定的化合物或玻璃体，不会产生安定性不良的现象。因此，一般将氧化镁看成是矿渣的活性组份。
(5)氧化亚锰
氧化亚锰对水泥的安定性无害，但对矿渣的活性有一定的影其含量一般应限制在1%~3%，如果超过4%~5%，矿渣活性响。明显下降。
(6)硫
矿渣中硫较多时，可使水泥强度损失较大；但硫化钙与水作用，生成氢氧化钙起碱性激发作用。
(7)氧化钛
矿渣中的钛以钛钙石存在，使矿渣活性下降。国家标准中规定矿渣中的二氧化钛含量不得超过10%。
3.3 矿渣微粉的用途：
1、与硅酸盐水泥按比例混合，生产高性能矿渣水泥。细度为400-450m2/kg的矿粉，可配制425，425R矿渣硅酸盐水泥；细度为400-450m2/kg的矿粉，可配制525，525R矿渣硅酸盐水泥。
2、作为混凝土掺和料，等量取代部分水泥（20%-70%），配制高强度、耐久性、高性能混凝土。
3.4 使用矿渣微粉的效果：
1）可有效提高水泥混凝土的抗海水侵蚀性能，特别适合于抗海水工程。
2）可显著降低水泥混凝土的水化热，适于配制大体积混凝土。
3）可有效抑制水泥混凝土的碱骨料反应，提高混凝土的耐久性。
4）可显著减少水泥混凝土的泌水量，改善溺水混凝土的和易性。
5）可大幅度提高水泥混凝土的强度，轻而易举地配制超高强度水泥混凝土。
6）可显著增加水泥混凝土的致密度，改善水泥混凝土的抗渗性。
7）用于普通水泥混凝土可节省水泥用量，降低混凝土成本。

四、怎样评价矿渣质量的好坏
4.1 质量评定方法
1.化学分析法
用化学成分分析来评定矿渣的质量是评定矿渣的主要方法.我国国家标准(GB/T203-2008)规定粒化高炉矿渣质量系数如下:

式中:各氧化物表示其质量百分数含量。
质量系数K反映了矿渣中活性组份与低活性、非活性组份之间的比例关系，质量系数K值越大，矿渣活性越高。
2.碱度经验法
矿渣的活性组分含量之和与主要非活性组分的比值，称代号B为:碱度，
碱度计算:

式中:各氧化物表示其质量百分数含量。
B>1.6的矿渣属于活性矿渣，B越大潜在水硬性越好。
4.2 矿渣品质要求
国家标准(GB/T203-2008)
1.粒化高炉矿渣的质量系数K应不小于1.2。
2.粒化高炉矿渣中锰化合物的含量，以MnO计不得超过4%；锰铁合金粒化高炉矿渣的MnO允许放宽到15%；硫化物含量(以氟化物含量(以氟计)不得大于2%。硫计)不得超过3%；
3.粒化高炉矿渣的松散容重不大于1.2kg/L；矿渣颗粒直径不得超过50mm；210mm的颗粒含量不得超过8%。
4.粒化高炉矿渣不得混有外来夹杂物，铁尘泥、未经淬冷的块状矿渣等。
5.矿渣在未烘干前，其贮存期限，从淬冷成粒时算起，不宜超过3个月。
五、怎样激发矿渣的活性
矿渣是一种具有“潜在水硬性”的材料，其单独存在时无水硬性。但受到某些激发作用后，就呈现水硬性。常用的激发方式有三大类，
1.物理激发:也就是采用高细粉磨和超细粉磨的方法，用机械力使矿渣的热力学性质、结晶学性质、物理化学性质等都会发生规律性变化。
2.化学激发:采用对水泥或混凝土性能无害的化学物质，用化学反应激发矿渣水化的活性。化学激发方式，可分为:碱激发、硫酸盐激发等多种激发形式。
3.复合助磨剂激发
复合助磨剂激发简称:复合激发。通常单独采用一种激活措施，不能显著地提高矿渣体系的活性，在实际应用时，需要综合各种物理和化学的激活方法，在粉磨矿渣的过程中，掺入“矿渣专用的复合助磨剂”，使磨细的矿渣粉在水化前具备激活的充分条件。这是目前最广泛、最经济适用的复合激发方法。

矿渣专用复合助磨剂品种多样。我们曾经用三乙醇胺、聚羧酸减水剂和氢氧化钙饱和溶经磁化装置活化处理的一种“多功能复合液，助磨剂”，既激发了矿渣的活性，又提高了矿渣粉的比表面积和磨机台时产量。
六、矿渣水泥生产工艺
用于水泥工业的工业固体废弃物，一般细粉的水化速度比水泥慢得多，经测试表明：颗粒大小在80μm高炉矿(比表面积300m2/kg)时，渣水化90天左右才能产生与硅酸盐水泥熟料水化28天时相应的强度；粉煤灰则需150天左右才能达到相应的强度。工业废渣粉磨到大部分在45μm(比表面积450m2/kg)时，扩大了水化反应时的表面积，可以较大幅度地提高它们的水化速度，使它们能在较短时间内产生较高的强度。
对粒化高炉矿渣采用高细粉磨并采用分别粉磨的形式，是目前综合利用中最适用的工艺流程。工艺流程形式多样，可以是高细高产管磨机（尤其是滚动轴承球磨机）一级开路流程，也可以是普通球磨机、高效选粉机一级闭路流程；可以是立式磨一级闭路流程，也可以是辊压机与球磨机联合粉磨流程等等。这些流程的共同点是：必须将矿渣粉磨成高细粉（统称：矿渣微粉），即矿渣微粉中的颗粒80%≤50μm、比表面积≥380m2/kg，其中，≤10μm的超细粉约占30～40%。
然后可以直接给混凝土搅拌站提供掺合料，或再与熟料粉合成不同强度等级的品种水泥。

图1球磨机分别粉磨合成水泥工艺流程
辊压机与球磨机联合粉磨工艺流程
如图2所示，配合料经过辊压机挤压粉碎之后，不能直接入磨；而是先经过打散分级机分选，细料（粒径≤2mm）送入球磨机水泥粉磨系统；粗料（粒径在2mm以上）返回辊压机再次挤压。球磨机水泥粉磨系统可以是普通球磨机一级闭路流程，也可以是高细高产磨一级开路流程。
这种流程最大的特点是消除了辊压机的边缘效应，满足了辊压机过饱和喂料的要求；同时可以采用“低压大循环工艺”，减小辊压机的工作压力，延长辊套使用寿命，提高运转率；不必刻意追求辊压机出料中的合格细粉含量，充分发挥打散分级机的调控作用。实践证明：该工艺流程比普通球磨机一级闭路流程增产60%以上，降低单产电耗15～20%，不仅经济效显著，而且运行费用降低、维修量大为减小。

图2辊压机与球磨机联合粉磨工艺流程

图3立式磨水泥粉磨一级闭路流程
七、矿渣粉磨工艺主要注意事项
7.1 粉磨平衡
一般来说，物料粉磨时间越长，出磨粒度越细。但是，随着粉磨时间的延长，物料比表面积逐渐增大，其比表面能也增大，因而，微细颗粒相互聚集、结团的趋势也逐渐增强。经过一段时间后，磨内会处于一个“粉磨↔团聚”的动态平衡过程，达到所谓的“粉磨极限”。在这种状态下，即使再延长粉磨时间，物料也难粉磨得更细，有时甚至使粒度变粗。同时，粉磨能耗成倍增加、粉磨效率降低。这种现象在普通粉磨时并不明显，但在高细粉磨和超细粉磨中经常出现。解决办法是：添加助磨剂。它能形成物料颗粒表面的包裹薄膜，使表面达到饱和状态，不再互相吸引粘结成团，并通过裂纹形成和扩展过程中的防“闭合”和吸附，降低颗粒硬度、减弱强度，改善其易磨性。助磨剂通过保持颗粒的分散，来阻止颗粒之间的聚结或团聚。粉磨粒度越细，使用助磨剂的效果越显著。
7.2 矿渣质量检验与分选
不同钢铁企业由于自己钢铁产品生产的需要，使其排放的高炉粒化矿渣化学成分不尽相同，加上冶炼环境、水淬条件不一样，同一工厂不同时段排放的矿渣，质量的差异有时也波动相当大。如：质量系数的变化对矿渣微粉的活性指数影响十分明显；水淬条件的不同，使矿渣的易磨性系数在20～26KWh/t波动，以及矿渣中的大颗粒、氧化铁和碎铁块含量对微粉生产的节能高产都有敏感的反应。因此，有条件的地方应按国家标准选择性地订购矿渣资源，对于进厂的矿渣必须按每一批次进行检验，以便生产线对工艺参数实施控制与调整；矿渣入磨之前一定要经过筛选或篦条筛分流、并在供料输送过程中安装除铁器仔细处理。
7.3 粉磨工艺参数调整
矿渣比水泥熟料难磨，易磨性系数一般高出5kwh/t以上，矿渣微粉产品的比表面积又比水泥要求高，因此，用球磨机生产矿渣微粉，在相同工艺装备条件下，比水泥磨的产量约下降40～50%。在单独粉磨矿渣时，关键技术是严格控制物料在磨内的停留时间。原球磨机水泥粉磨系统应作如下调整：
1、研磨体级配。由于经筛分处理后的入磨矿渣粒度减小，球磨机磨内研磨体的平均球径应随之减小。一般来说，最大球的球径不要超过φ60，平均球径一般不超过45mm。根据磨机的仓位，减大球、换小球。
2、研磨体装载量。由于矿渣难磨，研磨体的装载量应适当高于磨机设计装载量，约增加5～10%，不要超过15%，正规的设备制造厂家已给球磨机预留了这部分电机功率。开路磨的研磨体装填形式应保持后仓高于前仓，闭路磨则保持后仓略低或前后仓基本持平。
3、隔仓板形式。单层隔仓板应适当缩小篦缝宽度，一般为5～7mm；双层隔仓板篦缝宽度控制在10mm左右；双仓磨，还应该将隔仓板前移，增加细磨仓长度。
4、衬板形式。由于矿渣的流动性好、磨琢性强，磨机采用环沟衬板较好，尤其是细磨仓。粉磨作业时，环沟衬板的沟槽内，不同程度的存有一部分物料，所形成的料垫既增加了物料的研磨机会，又减少了磨内金属的空撞消耗，延长了衬板使用寿命。
5、出磨回转筛篦缝。经过磨前筛分和有效控制（延长）物料粉磨时间后，为保证出磨矿渣微粉的质量，应将磨尾回转筛的篦缝缩小到3mm以下，以便及时清除出磨物料中的金属杂物。
6、优选轴承磨和高细磨。根据目前统计数据表明，采用球磨机粉磨系统生产矿渣微粉的单产电耗一般在60～80kwh/t范围内。其中轴承磨和高细磨节能高产效果较为明显，其磨内结构形式对矿渣微粉生产的适应性比普通球磨机强，经济效益明显。