鋼渣礦渣水泥粉磨工藝探討

　　引言

　　利用鋼渣生產(chǎn)水泥是鋼渣綜合利用的重要途徑，只有提高鋼渣礦渣水泥中鋼渣的摻量，才能加速鋼渣資源的回收利用和減少其對(duì)環(huán)境的污染。近年來(lái)，鋼渣礦渣水泥中另一重要原料--礦渣，以微細(xì)粉形式作為混凝土摻合料的應(yīng)用發(fā)展很快，勢(shì)必拉動(dòng)礦渣在混凝土領(lǐng)域的需求量，甚至還可能導(dǎo)致礦渣價(jià)格的上揚(yáng)。而鋼渣基本上屬于無(wú)償使用。因此降低礦渣摻量提高鋼渣摻量，生產(chǎn)性能良好的鋼渣礦渣水泥，顯得十分必要。

　　在高鋼渣摻量的前提下，如何充分發(fā)揮鋼渣礦渣水泥中鋼渣、礦渣、熟料等各組分物料的潛在活性以及它們之間互相激發(fā)的綜合效應(yīng)，以形成結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高、性能良好的水泥石？配方研究固然十分重要，然而組成相同和比表面積相近的水泥，由于粉磨工藝的不同，會(huì)導(dǎo)致顆粒尺寸和顆粒分布不同，使水泥活性不同，從而可能表現(xiàn)出較大的性能差異。本文對(duì)4種不同的粉磨工藝進(jìn)行了研究和分析，試圖尋求出一種技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最佳的生產(chǎn)工藝。

　　1 試驗(yàn)原材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)原材料

　　轉(zhuǎn)爐鋼渣：取自韶關(guān)鋼鐵公司，出廠前已經(jīng)經(jīng)過(guò)粗破碎和粗除鐵工藝。在粉磨前采用60×100顎式破碎機(jī)進(jìn)行細(xì)破碎，最大臨界粒度為12mm，烘干后備用。

　　粒狀高爐礦渣：取自韶關(guān)鋼鐵公司，顏色灰白至黃白，密度為2.90g/cm³。在粉磨前過(guò)4目篩后烘干備用。其化學(xué)組成見(jiàn)表1。質(zhì)量系數(shù)K=1.91，堿性系數(shù)M=0.78，屬于高酸性礦渣。

　　煅燒石膏：采用二水石膏經(jīng)950℃煅燒30min得到。

　　水泥熟料：取自韶關(guān)水泥廠帶四級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的干法回轉(zhuǎn)窯。在粉磨前采用60×100顎式破碎機(jī)進(jìn)行細(xì)破碎，最大臨界粒度為12mm。

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　鋼渣礦渣水泥的配方，通過(guò)最優(yōu)化試驗(yàn)，采用如下方案：鋼渣50％、礦渣33％、熟料10％、煅燒石膏及外加劑7％。

　　粉磨設(shè)備采用Φ500mm×500mm的實(shí)驗(yàn)球磨機(jī)，每次加料5.0kg。

　　根據(jù)GB1346－89〈水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法〉，用雷氏夾膨脹值測(cè)定儀測(cè)定鋼渣礦渣水泥的體積安定性，采用調(diào)整水量法確定水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。

　　試樣比表面積的測(cè)定按照GB8074－87〈水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）〉進(jìn)行。

　　按GB/T2419－94〈水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法〉確定成型時(shí)水灰比；按GB177－85〈水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法〉測(cè)定水泥強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)砂符合GB178－77〈水泥強(qiáng)度試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂〉的要求。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　研究了4種粉磨工藝：（Ⅰ）各物料直接混合粉磨；（Ⅱ）鋼渣預(yù)磨后再配料混磨；（Ⅲ）礦渣預(yù)磨后再配料混磨；（Ⅳ）各物料分別預(yù)磨后再配料混磨。對(duì)第Ⅳ類型的粉磨工藝采用了三因素三位級(jí)的L9（34）正交試驗(yàn)方案：在固定熟料預(yù)磨40min的前提下，確定鋼渣預(yù)磨時(shí)間、礦渣預(yù)磨時(shí)間和水泥混合粉磨時(shí)間為3個(gè)影響因素，各因素均是三位級(jí)。

　　為了便于對(duì)比分析，引入“水泥綜合粉磨時(shí)間”的概念：

　　水泥綜合粉磨時(shí)間=Σxiyi

　　xi--組分物料i在磨機(jī)中粉磨的總時(shí)間；

　　yi--組分物料i在水泥中的配比。

　　并認(rèn)為，水泥綜合粉磨時(shí)間相同的試樣基本上具有相同的綜合粉磨電耗，水泥綜合粉磨時(shí)間越長(zhǎng)，水泥綜合粉磨電耗越大。

　　各試樣的初凝時(shí)間處于2～4h之間，終凝時(shí)間處于4h30min～6h30min之間，W/C=0.44時(shí)的流動(dòng)度大于116mm，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)作圖分析發(fā)現(xiàn)，比表面積、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、流動(dòng)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與水泥綜合粉磨時(shí)間之間的相關(guān)性差，故本文僅主要討論粉磨工藝與水泥體積安定性以及強(qiáng)度性能之間的關(guān)系。

　　2.1 粉磨工藝與水泥體積安定性

　　對(duì)各物料直接混合粉磨的第Ⅰ類型粉磨工藝，綜合粉磨時(shí)間較小時(shí)，安定性合格，而當(dāng)綜合粉磨時(shí)間增加至90min時(shí)水泥體積安定性反而不良；對(duì)鋼渣預(yù)磨后再配料混磨的粉磨類型Ⅱ，各試樣安定性均不合格，且同樣出現(xiàn)綜合粉磨時(shí)間達(dá)90min時(shí)雷氏夾膨脹值異常增大的現(xiàn)象；而對(duì)礦渣預(yù)磨30min后再配料混磨的粉磨類型Ⅲ－1，綜合粉磨時(shí)間達(dá)74min以后就出現(xiàn)安定性反而不合格的現(xiàn)象；礦渣預(yù)磨60min后再配料混磨的粉磨類型Ⅲ－2，無(wú)論綜合粉磨時(shí)間的長(zhǎng)短，安定性均合格；粉磨類型Ⅳ的試樣中，雷氏夾膨脹值的大小與綜合粉磨時(shí)間之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，僅礦渣預(yù)磨時(shí)間比鋼渣預(yù)磨時(shí)間短30min的F43樣出現(xiàn)安定性不合格的現(xiàn)象。

　　研究表明CaO是導(dǎo)致鋼渣礦渣水泥體積安定性不良的主要因素，而鋼渣中f-CaO不良影響的消除和水泥體積安定性的改善可以通過(guò)摻加礦渣、降低體系的堿度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在鋼渣礦渣水泥體系中，鋼渣水化時(shí)，其釋放Ca(OH)₂的速度不但與自身的粉磨細(xì)度成正比，而且與水化體系中Ca²⁺的濃度成反比。歐陽(yáng)東的研究結(jié)果表明，鋼渣易磨性比熟料稍差但優(yōu)于礦渣。因此，在總粉磨電耗確定的前提下，共同粉磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使水泥熟料粒度過(guò)細(xì)，水化時(shí)大量生成的Ca²⁺可能對(duì)鋼渣的水化起抑制作用，而粒度相對(duì)較粗的礦渣又不能及時(shí)地與f-CaO結(jié)合生成相應(yīng)的水化產(chǎn)物，反而會(huì)導(dǎo)致水泥體積安定性不良。因此，在鋼渣和礦渣摻量確定的前提下，努力提高礦渣的細(xì)度，加速礦渣與水化體系中Ca²⁺的反應(yīng)，創(chuàng)造一個(gè)有利于鋼渣水化的外部環(huán)境，似乎對(duì)于消除鋼渣中f-CaO的危害具有更加積極的作用。

　　根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和前面的分析，鋼渣預(yù)磨后再配料混磨的第Ⅱ粉磨類型是不可取的；而若采用各物料直接進(jìn)行共同粉磨的第Ⅰ粉磨類型進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，是難以通過(guò)延長(zhǎng)物料粉磨時(shí)間來(lái)改善水泥強(qiáng)度等性能的。

　　第Ⅲ類型粉磨工藝是值得商榷的。首先，礦渣經(jīng)預(yù)磨后，后續(xù)的粉磨速度本來(lái)就比較低；其次，共同粉磨時(shí)，鋼渣、熟料的顆粒遠(yuǎn)比經(jīng)過(guò)預(yù)磨的礦渣為大，共同粉磨的前期將主要作用在鋼渣、熟料的細(xì)碎上，而對(duì)礦渣細(xì)小化的貢獻(xiàn)將大為降低。這種情況下，隨著共同粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，粉磨狀況則逐漸接近于第Ⅰ類型。此外，在共同粉磨初期，由于各物料粒度差別較大，預(yù)磨后的礦渣細(xì)粉所形成的緩沖墊層，會(huì)降低粉磨效率，從而造成了能量上不必要的浪費(fèi)。

　　采用第Ⅳ類型粉磨工藝是適宜的。人們完全可以通過(guò)調(diào)節(jié)各物料預(yù)磨時(shí)間和共同粉磨時(shí)間，以使礦渣對(duì)堿和f-CaO的吸收能力達(dá)到與鋼渣、熟料釋放堿的速度相匹配的要求，也不存在因入磨粒度差距較大所造成的能量浪費(fèi)和粉磨效率的降低。

　　因此，從水泥體積安定性的角度考慮，采用各物料分別預(yù)磨后再共同粉磨的工藝是有利的。