鋼渣顯微結構與粉磨和燒成性能關系探討

鄒興芳

（葛洲壩集團水泥有限公司，湖北 荊門市 448000）

0 引 言

水泥是世界上用量較廣的建筑材料，我國每年的產量約為12億噸，大量消耗了自然資源，鐵礦石是水泥生產中不可缺少的鐵質校正材料，目前國內資源的匱乏及可持續發展戰略的要求，使人們開始尋求一些可替代工業廢棄資源，達到節省資源和能源、變廢為寶的目的。鋼渣因其主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO和Fe2O3等，其中鐵相按Fe2O3含量計算一般在19%～25%之間，CaO含量為40.48%，因此鋼渣具備取代鐵質校正材料的條件。在此擬通過對鋼渣顯微結構和性能之間相互關系的分析，達到指導實際生產的目的。

1 實驗原材料和實驗方法

1.1 實驗原材料

實驗原材料主要為鋼渣、石灰石、頁巖、砂巖、鐵礦石等，其中原材料均經過烘干、破碎、研磨等工藝，使得原材料的細度達到符合要求（即經過75的篩子，篩余不大于8%），各原材料成分如表1所示。

表1 實驗原材料成分 %

1.2 實驗方法

將鋼渣塊破碎為4.75mm以下后入實驗球磨粉磨30min，用磁場強度為0.06T的磁鐵進行選鐵，選完鐵后再入球磨進行粉磨至相應時間，得到需要的鋼渣粉備用。

（2）鋼渣熟料高溫燒成

按計算配比配制相應重量的生料粉。將已經稱量好的原料粉放入球磨罐中充分混勻（3～5min），取出后噴入少量的水，便于成型。稱取20g的生料粉于成型模具中，置于壓力機座上以20～30kN的壓力壓制成塊。將生料置于匣缽中，放入升溫好的馬弗爐（1000℃）中，保持10min。之后小心取出匣缽再轉入硅碳棒爐（1350℃及以下）或硅鉬爐（1350℃及以上）中，在設定保溫時間后取出匣缽，將熟料立即置于空氣中進行快速冷卻。冷卻后，粉磨至比表面積為360m2/kg左右備用，鋼渣熟料中游離氧化鈣采用甘油-乙醇法進行測定。

（3）顯微結構觀察

巖相觀察可根據視野中的晶體形態判斷物相。利用光學顯微鏡進行了鋼渣和熟料顯微結構分析。實驗時取鋼渣塊或煅燒好的熟料試樣，敲碎后取位于試塊中間部位的且較為平整的一小塊試樣，在金相試樣鑲嵌機（XQ-1型）筒內加入酚醛樹脂粉末進行鑲嵌，鑲嵌后的試樣在SiC砂紙上進行打磨，并在金相試樣拋光機（PG-2D型）上進行拋光。拋光后再將試樣放入氯化銨溶液中進行腐蝕，10s后取出，用電吹風吹干。制備好的試樣在XP-201型偏光顯微鏡下進行觀察。

（4）熟料凈漿強度測定

（2）定期開展安全培訓和安全教育。特別針對管理人員以及重點的操作工作人員進行全面的安全教育和專業技能培訓，全面提高自身綜合水平和安全意識。對于安全培訓與教育制度對工作人員的具體內容、培訓時間以及方法和形式、要達到的效果要進行明確進行的要求并進行嚴格考察。

采用標準稠度用水量拌和后，用20mm×20mm×20mm小試模成型，養護溫度為20±1℃，各試樣外摻脫硫石膏配制成水泥。標準稠度、凝結時間和安定性按GB1346進行，細度按GB1345進行，水泥膠砂強度按GB177-1999進行。實驗采用尺寸為40mm×40mm×160mm的試件，試件在成型后24h拆模，拆模后將其放入標準養護室養護，養護條件為：溫度 20±1 ℃水中養護，且在養護室內試件彼此間隔不少于10mm；分別測定砂漿試樣7d和28d抗壓和抗折強度。

2 鋼渣顯微結構特性及其與性能的關聯分析

為觀察鋼渣的顯微結構，對選取的具有代表性各種鋼渣塊，在無水酒精介質中經過打磨、拋光等工藝制成光片，在偏光顯微鏡下觀察鋼渣自身的顯微構造。觀察得到鋼渣的礦物組成如圖1所示。

圖1 鋼渣的顯微結構構造

由圖1可見，鋼渣主要礦物成分為板狀硅酸三鈣和圓形及類圓形的硅酸二鈣，其次為鐵酸鈣和玻璃相，玻璃相主要為富鐵的淺色中間相（晶態、非晶態共存，富鐵玻璃相居多）和分布在淺色中間相中的深灰色點滴狀富含鎂鋁硅的深色中間相（晶態、非晶態共存，富鎂硅玻璃相居多）。圖1（a）中硅酸三鈣最大為1998μm，有的粒徑為1059μm；硅酸三鈣包裹中的MgO顆粒粒徑為142μm至271μm不等，如圖1（c）中深色顆粒為硅酸三鈣包裹中的MgO顆粒粒徑即為159μm；鋼渣中的金屬鐵主要呈球粒狀嵌布，見圖1（b），粒度大小一般介于100～300μm，最大可達3mm；與圖1（a）中的粒徑差別不大；圖1（d）中白色顆粒為硅酸二鈣，粒徑為943μm。

從鋼渣的顯微結構和化學特性可以看出，鋼渣在作水泥原材料具有以下優勢：

（1）鋼渣中含鐵：鋼渣是冶金行業的工業廢渣，其礦物組分主要為C3S、C2S、CaF2、CaO、MgO和單質鐵等。鋼渣中含有的鐵以Fe2O3計可高達40%左右，適合替代鐵質校正原料用于水泥的生產。鋼渣作為鐵質校正原料，不僅可以減少大量鋼渣外排，還可以節省天然鐵礦石資源，降低生產成本。因此，雖然鋼渣中鐵含量不是很高，但是它對提高液相量，形成最低共熔溫度是非常有用的。

（2）“誘導晶種”作用：90年代中國建材科學研究院推出“添加晶種”熟料煅燒技術 ，即在生料制備過程中 ，引入適量的優質水泥熟料作為“晶種”，在熟料煅燒過程中起到“誘導晶種”的特殊作用。鋼渣中含有硅酸三鈣、硅酸二鈣等物質，這些礦物在熟料煅燒過程中同樣能起到了“誘導晶種”的作用。該作用可有效地降低晶體形成時的核化勢壘，打破原CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3系統的動態平衡，促使化學反應速度進一步加快，為C2S吸收fCaO形成C3S的反應創造條件，最終促進水泥熟料燒成。若采用鋼渣，可作為水泥熟料煅燒中的“非熟料晶種”配料，可取得與水泥熟料晶種相同的技術經濟效果。

（3）調節生料中的鋁率（IM）：就化學組成而言，武鋼鋼渣中Fe2O3和FeO含量一般約為24%左右，而水泥工業常用的鐵粉含Fe2O3一般為40%左右，其次鋼渣 (Fe2O3+FeO) / Al2O3為4～5，而鐵粉中Fe2O3/ Al2O3一般為2.5。可見，鋼渣鐵鋁比值較大，便于調節生料中鋁氧率（IM）值。

作礦化劑和促進劑：鋼渣中含有MgO和FeO等礦物組分，是熟料燒成過程中良好的礦化劑和促進劑，能夠降低CaCO3分解溫度，并加速化學反應提高CaCO3的分解率。如鋼渣中MgO含量較高，將造成熟料MgO含量升高，煅燒時可提高熟料液相量，利于煅燒；同時含有的部分FeO也可降低液相出現的溫度。

部分代替石灰石和硅鋁質校正材料：鋼渣中C3S、C2S等中含有的CaO、SiO2和Al2O3，在取代鐵質的時候還可部分替代石灰石和硅鋁質校正材料，減少石灰石和硅鋁質校正材料資源的消耗，進一步保護生態環境。同時鋼渣中高活性CaO可以相對減少CaCO3分解所需能量，降低熟料熱耗，減少配煤量，同時活性氧化鈣減少了CO2排放，達到適當減排的目的。

通過生料預均化克服鋼渣組分波動大的問題；并通過回轉窯旋轉煅燒再次均化。且無鋼渣安定性不良的問題。

考慮鋼渣中鐵粒對易磨性影響大，即會由于鋼渣粉生料不易磨細而影響生產控制。而鐵粒一般易富集在一起，故考慮鐵粒一般大小在0.3mm左右，加之富集效果影響，可采取對鋼渣進行初磨后進行選鐵，將不易磨細的單質鐵粒選出后將對鋼渣易磨性進行改善。

從鋼渣的顯微結構可見，采用鋼渣代替鐵質校正材料配料有諸多優點，而且對提高鋼渣的易磨性也具有明顯的參考價值。下面從以下幾個方面再來驗證鋼渣結構與性能之間關系的正確性。

3 鋼渣的粉磨特性

影響鋼渣易磨性的主要因素是單質鐵。為此采用二次除鐵工藝來對鋼渣進行粉磨性能試驗（工藝見圖2）。

圖2 鋼渣粉磨工藝示意圖

表2 除鐵和粉磨對鋼渣粉粉磨性能的影響

由表2可見，當采用二次除鐵工藝后，在同樣的粉磨時間下，鋼渣粉的比表面積從472m2/kg提高到了537m2/kg，鋼渣的易磨性明顯得到改善。可見，在實際生產中只有采用二次除鐵工藝，將鋼渣粉磨到適宜的細度是沒有問題的，而且經過二次除鐵后鋼渣對磨機的磨損也會大幅度降低。

4 鋼渣熟料燒成性能

為對比采用鋼渣配料后對熟料性能的影響，在此引入未摻鋼渣的利用鐵礦石進行配料的參比來進行對比研究。為增加結論的對比性，在保持滿足率值要求的范圍內，使其率值基本保持一致。實驗配比見表3。

燒制好的熟料斷面的顯微形貌如圖3所示。

表3 鋼渣與鐵礦石水泥熟料燒成配合比設計

圖3 未摻鋼渣對比樣（T-1）和摻有鋼渣的水泥熟料（G-1）顯微圖像

從圖3可以看出，摻有鐵礦石的水泥熟料中氣孔較多，摻有鋼渣的水泥熟料斷面較為致密，對比可知，摻有鋼渣的水泥熟料燒成礦物相中C3S含量更高，這也再次說明鋼渣的晶種效果明顯，也從微觀結構方面證明，摻有鋼渣的水泥熟料具有較高的強度。

對以上兩種配合比燒制水泥熟料，與石膏配制水泥（其中SO3含量在1.9%），測定水泥凈漿在標準養護條件下的3d及28d強度，實驗結果如表4所示。

表4 鋼渣及鐵礦石燒制水泥熟料的3d及28d凈漿強度

從表4可以看出，鋼渣的引入明顯降低了熟料中fCaO的含量，生料的易燒性得到明顯的改善。且摻加鋼渣的水泥熟料的3d強度明顯高于摻有鐵礦石的水泥熟料，摻加鋼渣的水泥熟料的28d強度略優于摻有鐵礦石的水泥熟料強度。

綜上所述，鋼渣取代鐵礦石進行水泥熟料的燒成優勢非常突出，因其具有“誘導晶種”、礦化劑和促進劑的作用，燒成效果要好于鐵礦石。

5 結 論

（1） 鋼渣的顯微結構表明，鋼渣中含有硅酸三鈣和硅酸二鈣，其次為鐵酸鈣、游離氧化鈣、游離氧化鎂和玻璃相。因其含有鐵相可作水泥原材料，且因含有其它礦物組分在應用時優勢明顯，具有“誘導晶種”、調節生料中的鋁率、作礦化劑和促進劑、部分代替石灰石和硅鋁質校正材料等作用。這對降低燒成時的溫度和改善生料易燒性具有明顯促進作用。

（2）采用預粉磨、二次除鐵和高效粉磨工藝，可生產出細度400～600m2/g以上的鋼渣粉，可解決鋼渣難以粉磨的問題。

（3）鋼渣取代鐵礦石進行水泥熟料的燒成是可行的，且在適宜的摻量時和鐵礦石作鐵質校正材料時對比，fCaO含量低、凈漿的強度高，能滿足生產水泥的強度要求。

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