矿渣微粉生产工艺技术

今年是“十二五”的开局之年，工业信息化部关于水泥工业节能减排的指导意见中的重点任务明确指出：鼓励资源综合利用，完善循环经济发展模式。我国水泥工业利用各种工业废弃物做原料或混合材，已经有数十年的历史，并且已达到了国内各工业部门中利用率的较高水平。目前年工业废弃物利用量已经超过了4亿吨，平均吨水泥利用量超过200kg。主要有炼铁厂高炉矿渣、电厂粉煤灰、电厂脱硫石膏、化工厂硫酸渣、煤矿煤矸石及其它金属矿山尾矿等等。一、国内矿渣综合利用现状矿渣是钢铁工业的主要固体废弃物，加上历年累积,我国高炉矿渣总贮存量为2亿吨,占地3万亩。不仅严重影响生态环境，而且造成明显的经济损失和资源浪费。据估算，以每吨冶炼废渣堆存的经济损失14.25元计，每年造成经济损失28.5亿元。所以，冶炼废渣的无害化、资源化处理是我国十分重视的焦点，也是我们推进循环经济的中心内容之一。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。随着循环经济的大力发展，矿渣粉的产量年年翻番，目前已接近一亿吨/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。每生产一吨生铁，要排出0.3～1吨矿渣。厂名SiO2Al2O3Fe2O3MnOCaOMgOSAG38.288.401.570.4842.667.40/AG32.279.902.2511.9539.232.470.72BG40.108.310.961.1343.655.750.23BG41.476.412.080.9943.305.20/SG38.1312.220.731.0835.9210.331.10WG38.8312.921.461.9538.704.630.05JG27.0215.132.0817.7433.152.31/表1我国部分钢铁厂的高炉矿渣化学成分未经淬水的矿渣，其矿物形态呈稳定形的结晶体，这些结晶体除少部分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，则矿渣玻璃化程度愈高，矿渣的潜在化学能愈大，活性也愈高。因此，经水淬急冷的高炉矿渣的潜在活性较好。三、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。（一）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。（二）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。（三）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。（四）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。（五）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响。其含量一般应限制在1%～3%，如果超过4%～5%，矿渣活性明显下降。（六）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。（七）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%。四、怎样评价矿渣质量的好坏（一）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。2232TiOMnOSiOOAlMgOCaOK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，称为：碱度，代号：B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。232SiOOAlMgOCaOB（二）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（以硫计）不得超过3%；氟化物含量（以氟计）不得大于2%。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；≥10mm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，即：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液，经磁化装置活化处理的一种“多功能复合助磨剂”，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。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（比表面积300m2/kg）时，高炉矿渣水化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。矿渣单独与水拌合时，反应极慢，得不到足够的强度；但在氢氧化钙溶液的中就能够发生水化，而在饱和的氢氧化钙溶液中反映更快，并产生一定的强度。这种能造成氢氧化钙液相以激发矿渣活性的物质称之为碱性激发剂。常用激发剂有石灰和硅酸盐熟料。在含有氢氧化钙的碱性溶液中，加入一定数量的硫酸钙，能使矿渣的潜在活性较为充分地发挥出来，产生比单独加碱性激发剂高得多的强度，这一类物质称之为硫酸盐激发剂。常用的硫酸盐激发剂有：二水石膏；半水石膏；无水石膏等。六、矿渣高细粉磨工艺实施方案对粒化高炉矿渣采用分别粉磨的形式、将其粉磨成高细粉是目前综合利用中最适用的工艺流程。工艺流程形式多样：1.高细高产管磨机一级开路流程；2.普通球磨机、高效选粉机一级闭路流程；3.立式磨一级闭路流程；4.辊压机与球磨机联合粉磨流程。这些流程的共同点是：将矿渣磨细成矿渣粉（统称：高细粉），即矿渣粉中的颗粒80%≤50μm、比表面积≥350m2/kg，其中，≤10μm的超细粉约占30～40%。然后可以直接与熟料粉合成不同强度等级的矿渣水泥，或给商混搅拌站提供作混凝土掺合料。粉磨工艺流程一级开路一级闭路辊压机预粉碎、球磨机闭路立磨闭路主机规格型号φ2.2×7mφ2.4×12mHFC1000/300、φ3.5×10mCK－310台时产量t/h6.0142890比表面积m2/kg≥400产品质量标准符合GB/T18046－2008电耗kwh/t75705036.5金属消耗g/t10307007006.0燃料消耗kg/t40404012设备投资/万元15020020005000表2生产矿渣粉不同工艺流程的经济技术指标熟料石膏水泥混合机成品矿渣微粉粉收尘器选粉机球磨机粗粉回料排风机配合料排空矿渣球磨机排风机收尘器排空熟料熟料石膏图1球磨机分别粉磨合成水泥工艺流程收尘器矿渣微粉排风机高炉粒化矿渣排空料仓辊压机打散分级机高细高产管磨机磨头仓或U型分级机图2辊压机与球磨机联合粉磨工艺流程↓↓热风成品计量配料立式磨←↓袋收尘器外循环主风机混合材粉熟料石膏粉水泥混合机熟料石膏混合材↓↓↓↓图3立式磨水泥粉磨一级闭路流程七、矿渣水泥“分别粉磨”工艺水泥企业一般是将矿渣与熟料及其它组份物料，按配比一起加到球磨机中共同混合粉磨。由于各种物料易磨性的差异较大，当出磨物料达到工艺要求时，其中矿渣的细度并没有达到理想的指标。矿渣比水泥熟料难磨，混合粉磨时，水泥比表面积达到了300m2/kg以上，水泥中的矿渣粉的比表面积只有200～250m2/kg，其水化活性不能正常发挥。因此，专家们建议：有条件的水泥企业应该将矿渣与熟料等其他组份物料分开，将矿渣单独粉磨、熟料与石膏及其他混合材一起粉磨，然后再根据市场需求，提供各种具有不同特殊性能和用途的水泥产品，配制合成不同强度等级的矿渣水泥或复合水泥，更好地满足客户的不同使用要求。这就是“分别粉磨”工艺。矿渣粉磨到一定细度（比表面积≥380m2/kg）后，其玻璃体晶体结构被破坏，促使矿渣中的CaO、SiO2、Al2O3活性发挥出来，这些活性组份水化时，在碱性溶液的激发下，进一步生成水化硅酸钙等水硬性物质，有利于矿渣水泥后期强度增进率的提高。实践证明，分别粉磨后均化合成的矿渣水泥，28天抗压强度一般可以提高5MPa以上（见表3）。表3矿渣分别粉磨对水泥质量的影响水泥粉磨工艺流程物料配比%比表面积（m2/kg）抗压强度（MPa）熟料矿渣熟料矿渣3d28d混合粉磨7030351(矿渣水泥)21.957.4分别粉磨703035039025.165.5八、矿渣粉生产要点关注（一）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粉的活性影响十分明显；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矿渣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分流、并在输送过程中安装除铁器处理。（二）粉磨平衡一般来说，物料粉磨时间越长，产品越细。但是，物料磨得越细，其比表面能也越大，因而，微细颗粒相互聚集、结团的趋势也逐渐增强。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，反