高鈦型礦渣膨珠的生產及性能研究

楊志遠

(攀枝花環業冶金渣開發有限責任公司，四川 攀枝花 617000)

由于高鈦型高爐渣含有較高的TiO2能在高溫下與CaO等形成活性較低的鈦透輝石和鈣鈦礦，故高鈦型高爐渣不同于普通高爐渣可以直接作為礦渣水泥原料加以利用。目前攀鋼的高鈦型高爐渣主要用于建材砌塊及商用泵送混凝土，但仍不能將其完全消化。為此，急需要擴大高鈦型高爐渣的利用途徑，以降低環保等方面的壓力。

攀鋼由于區域條件有限及煉鐵工藝的要求，高爐渣無法進行爐前的膨珠生產組織。主要通過爐前將高爐渣組罐后運至2公里以外的渣場進行翻渣處理。這就導致了渣罐中高爐渣溫度具有不穩定性，為后續的膨珠生產造成一定的影響。

針對以上情況，我們結合了爐前膨珠生產工藝經驗和翻渣溫度波動的影響[1-3]，成功開發出了一種在翻渣場直接進行高鈦型礦渣膨珠生產的工藝，為攀鋼高鈦型高爐渣的利用提供了一種新的途徑，具有良好的社會效益和經濟效益。

1 高鈦型礦渣膨珠的生產工藝

根據攀鋼高爐前布置的實際情況并結合爐前膨珠生產經驗，研究確定了膨珠生產工藝流程為：爐前組罐→運輸至翻渣場→大錘破蓋→緩慢翻罐→溜槽膨脹冷卻→滾筒甩出→膨珠落地冷卻。

1.1 生產流程

高鈦型礦渣膨珠生產工藝流程較為簡單，在翻渣生產膨珠前必須對渣罐內已冷卻凝固的渣蓋采用大錘撞擊渣罐側面進行破蓋處理，然后進行翻渣生產操作，當渣罐中余有少量渣液(3～5噸)時必須立即停止翻渣作業，防止渣罐底部的鐵水翻出發生安全事故。其生產流程見圖1。

(1)溜槽。采用厚度為100 mm以上的鑄鐵制成，具有良好的耐高溫特性，可防止被渣液燒穿，同時可方便殘渣的清理。溜槽與水平面的夾角為30°，可保證渣液能夠快速流動，減少溜槽粘渣。

1-渣罐；2-運輸火車；3-溜槽；4-冷卻水管；5滾筒圖1 高鈦型礦渣膨珠生產流程

(2)滾筒。根據現場渣道實際情況，在滾筒上設置了9個高度為200 mm的固定葉片，滾筒直徑為Φ600 mm，長為1190 mm。滾筒轉速可達到每分鐘350轉以上，確保熔渣被快速甩出。

(3)冷卻水管。在溜槽上部與槽底均平行設有一排高壓水管用于冷卻高溫高爐渣。上排冷卻水管出水口為10個φ3 mm，下排冷卻水管出口為12個φ3 mm。水管出水壓力為0.3～0.6 MPa。

1.2 膨珠生成原理

在渣罐運輸過程中雖然有大量的氣體從渣液中逸出，但仍有少量的氣體殘留在渣中，如CO、CO2和H2S等。當高鈦型高爐渣從渣罐中翻出時，仍屬于高溫的熔融液態渣。高溫熔渣通過渣罐翻渣裝置將其緩慢倒入鑄鐵質溜槽中，然后通過溜槽流至高速旋轉的滾筒葉片上與冷卻水一起被快速甩出，在水和空氣的快速冷卻下，熔渣內的氣體來不及釋放，在一定的粘度及表面張力的作用下迅速形成膨珠。膨珠形成主要為水的冷卻和滾筒的高速旋轉。

水的作用：加速熔渣的冷卻，使熔渣能夠快速凝固，并防止更多的氣體從熔渣中逸出；與熔渣中的硫化物起化學反應生產SO2等氣體，并與水蒸氣在熔渣內形成氣孔。

滾筒的作用：將熔渣快速拋向空中，使其表面快速冷卻，形成玻璃體；熔渣落入地面形成珠狀，大部分膨珠表面溫度已較低，從而有效降低了膨珠的相互粘結，有利于后期使用。

2 高鈦型礦渣膨珠的性能

采用該工藝生產的高鈦型礦渣膨珠外觀顏色為黑灰色玻璃質光澤(見圖2)，粒徑主要為0～10 mm的空心球狀顆粒，另存在少量大于10 mm的顆粒(主要是膨珠落地后在高溫作用下有少量的粘結)。

圖2 高鈦型礦渣膨珠

2.1 物理性能

由于該膨珠是空心球狀，且少部分處于半開狀，故具有較低的松散堆積密度和較高的吸水率。膨珠落地后仍具有較高的溫度，在該溫度下，水分快速蒸發，故其產品含水量相對較低。其相關物理性能檢測見表1。

表1 高鈦型礦渣膨珠相關物理特性

2.2 化學成分

高鈦型礦渣膨珠是由高爐渣液態直接加工而來，故其主要化學成分和高爐渣成分基本一致。具體如表2所示。

2.3 巖相分析及活性指數

通過對高鈦型礦渣膨珠的巖相分析(見圖3)，其中主要物相為48.69%的鈦透輝石和25.46%的鈣鈦礦，另外還有9.43%的玻璃相[4]。

表2 高鈦型礦渣膨珠化學成分組成，%

玻璃相含量相對較少主要是由于膨珠在被拋向空中時，液態熔渣在表面張力的作用下形成球狀結構，而空氣中雖能夠急速冷卻但由于時間極短，落地后仍為高溫態，隨后在自然冷卻過程中大部分逐漸結晶形成鈣鈦礦和鈦透輝石，僅有少量形成了玻璃相。

從物相的晶粒大小看，其晶粒尺寸大部分小于10μm，表明其具有較好的可磨性。

圖3 高鈦型礦渣膨珠注：1.玻璃相；2.鈣鈦礦；3.鈦透輝石

由于該高鈦型礦渣膨珠中玻璃相含量相對較少，故在同等條件下若作為混凝土摻合料使用其活性指數相對較低，28d活性指數僅達到了66%(細度為45μm篩余小于20%[質量分數])，只能與其他摻合料配合使用。

3 膨珠的應用

3.1 輕質混凝土砌塊中的應用

由于高鈦型礦渣膨珠具有良好的空心球形，堆積密度小，且堅固度較好的特性，可以作為一種很好的輕質骨料用于混凝土砌塊和混凝土透水磚等[5]。

西昌某公司已將高鈦型礦渣膨珠與水泥、石膏等按照一定的比例混合后制成了不同等級的輕質空心砌塊進行銷售。在使用過程中具有良好的隔熱、保溫效果。其強度等級最高可達到MU7.5的要求[6]。

3.2 代替水泥作摻合料的應用

水泥生產過程中在保證質量不降低的前提下，可適當加入一些礦渣以降低水泥的生產加工成本。而攀鋼礦渣由于含有較高的二氧化鈦，活性指數較普通礦渣偏低，故其在水泥生產中加入量相對較少，僅有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)，在實際應用過程中需要增加相應的烘烤成本。

而本項目生產的高鈦型礦渣膨珠，具有極低的含水量，同時還兼有水淬渣的易磨性和一定的活性指數特性。目前攀枝花市西區某水泥廠在分別將高鈦型礦渣膨珠和水淬渣作為水泥摻合料試用對比后，認為在保證水泥質量不降低的前提下，添加1噸高鈦型礦渣膨珠比添加1噸水淬渣的成本可降低10元以上的生產成本，具有推廣應用的價值。

4 結論

(1)高鈦型礦渣膨珠生產工藝的成功開發為攀鋼高爐渣提供了一種新的利用途徑，具有良好的社會效益和經濟效益。

(2)通過對高鈦型礦渣膨珠性能的研究，認為其可以作為一種輕質骨料在輕質混凝土砌塊中進行推廣應用。

(3)與水淬渣相比，高鈦型礦渣膨珠作為水泥用摻合料可降低烘烤成本。