熔渣用于生產水泥的試驗研究與生產實踐

趙曉東

1 前言

遼寧冀東水泥有限公司φ4.74m×74m生產線自2010年6月投產以來，一直使用礦渣配料生產水泥熟料與礦渣水泥，生產指標和經濟效益比較理想，窯產量平均為4 236.25t/d；熟料3d抗壓強度平均為28.62MPa，28d抗壓強度平均為57.08MPa；熟料標準煤耗平均為110.43kg/t。2015年后，遼寧地區的礦渣資源日趨緊張，價格連年上漲，造成水泥成本逐年增高，因此尋求礦渣的替代原材料成為水泥生產企業的當務之急。

熔渣與礦渣都是煉鋼廠生產的高爐廢渣。盡管其化學成分十分相近，但因冷卻速率不同，礦物結構完全不同。熔渣沒有經過水淬冷，其冷卻速率很緩慢，液相在漫長冷卻過程中產生結晶反應，其礦物晶體含量較礦渣多，玻璃相含量較礦渣少，表現出明顯的耐磨、耐火特性。使用熔渣作混合材生產水泥，水泥磨機的臺時產量會降低，單位電耗會增加；使用熔渣作配料成分生產水泥熟料，生料磨機的臺時產量會降低，單位電耗會增加，回轉窯的臺時產量也會降低，熟料標準煤耗會增加，影響生產經濟效益。所以，水泥企業一直使用礦渣生產水泥，熔渣一直被廢棄，沒有得到充分利用。鞍山鋼鐵公司每年排放熔渣300余萬噸，本溪鋼鐵公司每年排放熔渣200余萬噸，撫順鋼鐵公司每年排放熔渣200余萬噸，如今遼寧地區的熔渣儲量已經多達1.5億噸，而每年用于公路基石、鐵路基石等工程的僅有30余萬噸，其余的都廢置在農田。這些廢棄的熔渣不僅占用大量耕地，而且還會污染土地和地下水。因此，研究熔渣用于水泥生產，不但具有現實的生產意義，而且還具有利廢、環保的社會意義。

表1 熔渣和礦渣的化學成分，%

2 熔渣用于水泥生產的可行性研究

（1）化學成分分析

選取鞍山鋼鐵公司、本溪鋼鐵公司和撫順鋼鐵公司生產的熔渣及已生產使用多年的鞍鋼礦渣試樣，做化學成分分析，結果見表1。

由表1可知，鞍鋼、本鋼和撫鋼熔渣與鞍鋼礦渣的化學成分十分相近，就化學成分而言，均符合GB/T 203-2008《用于水泥中的粒化高爐礦渣》標準要求。

（2）活性分析

根據質量系數計算公式K=[CaO+Al2O3+MgO]/[SiO2+MnO+TiO2][2]，分別計算鞍鋼礦渣、鞍鋼熔渣、本鋼熔渣、撫鋼熔渣的質量系數，其數值分別為K1=1.50、K2=1.44、K3=1.41，K4=1.43，質量系數均＞1.20，符合GB/T 203-2008《用于水泥中的粒化高爐礦渣》標準要求，適合作生產水泥的原料。

（3）巖相結構分析

選取鞍鋼、本鋼和撫鋼熔渣及鞍鋼礦渣試樣，做巖相結構分析，其結果見表2。

表2 熔渣和礦渣的巖相成分，%

由表2可知，鞍鋼、本鋼和撫鋼熔渣與鞍鋼礦渣的巖相結構差別很大，鞍鋼礦渣的玻璃相成分高達35.45%，比鞍鋼熔渣高13.66%，比本鋼熔渣高19.12%，比撫鋼熔渣高17.21%，其原因是礦渣經過水淬冷處理，其冷卻速率相對較快，液相不容易發生結晶反應，礦物中玻璃相成分相對較高，晶相成分相對較低。熔渣沒有經過水淬冷，其冷卻速率相對緩慢，液相容易發生結晶反應，礦物中的晶體成分比礦渣多，玻璃相成分比礦渣少。但熔渣的含水量較礦渣低4%～6%，粉磨時可以節省烘干能源。

（4）易磨性分析

分別稱取鞍鋼、本鋼和撫鋼熔渣及鞍鋼礦渣試樣6kg，各自分別在φ500mm×500mm的試驗小磨中粉磨10min、20min及30min，再測試其比表面積，結果見表3。

表3 熔渣和礦渣的比表面積測試，m2/kg

由表3可知，粉磨相同的時間，鞍鋼礦渣的比表面積大于鞍鋼熔渣的比表面積，鞍鋼熔渣的比表面積大于本鋼熔渣的比表面積，本鋼熔渣的比表面積大于撫鋼熔渣的比表面積，說明鞍鋼礦渣的易磨性優于鞍鋼熔渣的易磨性，鞍鋼熔渣的易磨性優于本鋼熔渣的易磨性，本鋼熔渣的易磨性優于撫鋼熔渣的易磨性。熔渣和礦渣的易磨性試驗結果，與其巖相成分的分析結果完全吻合。

3 熔渣用于水泥熟料的生產試驗

根據質量系數的計算、巖相結構分析及易磨性試驗的測試結果，選用鞍山鋼鐵公司生產的熔渣用于生產水泥熟料，并于2016年6月從鞍山鋼鐵公司購進8 000t熔渣連續7d進行生產試驗，試生產所用的原材料化學成分見表4，原料配比見表5，熟料率值及礦物組成見表6，生料磨機的主要技術指標見表7，回轉窯的主要技術指標見表8。

由表7可知，熔渣代替礦渣配料進行試生產，生料磨機的產量降低了2.75t/h，生料分步電耗增加了0.71kWh/t，生料細度合格率降低了0.67%，其主要原因是熔渣的活性與易磨性都比礦渣差。

由表8可知，熔渣代替礦渣配料進行試生產，窯的產量降低了4.87t/h，熟料標準煤耗增加了3.84kg/t，熟料3d抗壓強度降低了0.17MPa，28d抗壓強度降低了0.27MPa，熟料強度變化微小。就生料磨機與回轉窯的試生產技術指標而言，熔渣代替礦渣試生產效果比較理想。

4 熔渣用作水泥混合材的生產試驗

借鑒熔渣代替礦渣生產水泥熟料的試生產經驗，繼續選用鞍鋼熔渣用作水泥混合材進行生產試驗。2016年7月從鞍山鋼鐵公司購進5 000t熔渣，連續7d在φ4.2m×13m水泥磨中進行生產P·S42.5水泥試驗，水泥配比見表9，水泥磨機的主要技術指標見表10，水泥物理性能檢測結果見表11。

由表10可知，熔渣代替礦渣40%作為混合材生產水泥，水泥磨機的產量降低了3.07t/h，水泥分步電耗增加了2.49kWh/t，生料細度合格率降低了0.58%，其主要原因是熔渣的易磨性比礦渣差，在水泥磨機內的粉磨時間相對較長。

表4 試生產的原材料化學成分，%

表5 熔渣與礦渣的生料配比，%

表6 熔渣與礦渣配料的礦物組成（%）及熟料率值

表7 熔渣與礦渣配料的生料磨機主要技術指標

表8 熔渣與礦渣配料的窯主要技術指標

表9 熔渣與礦渣的水泥配比，%

表10 熔渣與礦渣配料的水泥磨機主要技術指標

由表11可知，熔渣代替礦渣40%作為混合材生產水泥，其標準稠度、初凝時間、終凝時間、3d抗壓強度及28d抗壓強度等指標都比較理想，完全符合GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準的要求。

5 熔渣用于水泥生產的實踐

借鑒熔渣生產水泥熟料及用作水泥混合材的試生產經驗，2016年8月，從鞍山鋼鐵公司批量采購熔渣用于水泥生產：熔渣100%代替礦渣配料生產水泥熟料；熔渣40%代替礦渣配料生產P·S42.5水泥。經過一年時間的生產實踐，取得了降低成本、增加效益的生產實效。使用熔渣生產水泥一年，其生料磨機、回轉窯及水泥磨機的主要生產技術指標分別見表12、表13、表14。

由表12可知，使用熔渣生產水泥熟料，生料磨機的產量降低了2.41t/h，生料分步電耗增加了1.32kWh/t，生料細度合格率降低了0.64%，其主要原因是熔渣的易磨性較礦渣差。

表11 熔渣與礦渣配料的水泥物理性能檢測

表12 熔渣配料前后生料磨機的主要生產技術指標

表13 熔渣配料前后窯的主要生產技術指標

表14 熔渣配料前后水泥磨機的主要生產技術指標

由表13可知，使用熔渣生產水泥熟料，窯產量降低了4.34t/h，標準煤耗增加了3.43kg/t熟料，3d抗壓強度降低了0.39MPa，28d抗壓強度降低了0.31MPa，其主要原因是熔渣的活性較礦渣差。

由表14可知，熔渣40%代替礦渣配料生產P·S42.5水泥，水泥磨機的產量降低了2.45t/h，水泥分步電耗增加了1.87kWh/t，水泥球耗增加了7.39g/t，生料細度合格率降低了0.92%，其主要原因是熔渣的易磨性較礦渣差。

6 取得的經濟效益及社會效益

使用熔渣代替礦渣生產水泥，生料磨、回轉窯及水泥磨等主機生產技術指標增量與取得的經濟效益見表15。

由表15可知，使用廢棄閑置的熔渣生產水泥，年創經濟效益509.70萬元。

遼寧冀東水泥有限公司使用熔渣代替礦渣生產水泥，在取得較好經濟效益的同時，也取得了較好的社會效益，帶動了遼西渤海水泥有限公司、遼陽小屯水泥有限公司也使用熔渣生產水泥，解決了多年積存的熔渣對周邊地下水、土壤及環境的污染問題，極大地提高了公司的社會知名度。

[1]趙曉東.熔渣代替礦渣配料生產水泥熟料[J].新世紀水泥導報，2012，（2）.

[2]GB/T 203-2008，用于水泥中的粒化高爐礦渣[S].

[3]GB 175-2007，通用硅酸鹽水泥[S].■