矿渣微粉的生产工艺技术高炉水渣的综合利用.docx
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矿渣微粉的生产工艺技术高炉水渣的综合利用
矿渣微粉的生产工艺技术——高炉水渣的综合利用
张岩松
［摘 要］：
矿渣作为冶金工业的副产品，每年产量巨大，超细矿渣粉具有良好的水化性能，用超细矿渣粉制备水泥，代替水泥制备高性能混凝土，乃至发展无熟料水泥，是水泥工业可持续发展的方向。
将矿渣单独粉磨成超细微粉，已成为水泥生产的必然和发展趋势。
［关键词］：
矿渣微粉粒化高炉矿渣水泥立式磨
一、前言：
水泥工业和钢铁工业一样，属于基础工业，在国民经济中占有重要地位，同时也是主要的能源消耗大户之一。
为了减少对自然资源的过度消耗，保护生态环境，水泥企业一直都在利用工业废渣，如粒化高炉矿渣、粉煤灰等，其中以粒化高炉矿渣的利用最为普及，且效果最佳，但大多数都用做水泥掺合料或生产矿渣水泥。
利用矿渣微粉制备高性能混凝土作为一项新技术，其应用不到十年。
由于矿渣微粉生产成本低，销售价格低于水泥价格，而且是高性能混凝土的优质原料，适用于大型的商品混凝土搅拌站，它可等量代替各种混凝土中的水泥用量，同时它作为混凝土的改性剂，可明显改善混凝土的性能，具有良好的经济效益和社会效益。
二、矿渣性能：
1矿渣的化学成分
“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，这就是粒化高炉矿渣，简称：
矿渣。
每生产一吨生铁，要排出0.3～1吨矿渣。
我国部分钢铁厂的高炉矿渣化学成分列入表1，从表中可以看出，矿渣的化学成分与水泥熟料相似，只是氧化钙含量略低。
表1 我国部分钢铁厂的高炉矿渣化学成分
厂名
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
CaO
MgO
S
AG
/
AG
BG
BG
/
SG
WG
3
JG
/
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，由于液相粘度在很短的时间内很快增大，阻滞了晶体成长，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活性比未经水淬的矿渣活性要高一些。
2矿渣的品质要求
国家标准（GB/T203-94）对粒化高炉矿渣质量要求规定如下：
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）计不得大于2%。
③粒化高炉矿渣的松散容重不大于/L；最大直径计不得超过100mm；大于10mm颗粒含量（以重量计）不大于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。
国家标准（GB/T18046-2000）《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》有如下规定：
①粒化高炉矿渣粉（简称矿渣粉）定义：
符合GB/T203标准规定的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨（或添加少量石膏一起粉磨）达到相当细度且符合相应活性指数的粉体。
矿渣粉粉磨时允许加入助磨剂，加入量不得大于矿渣粉质量的1%。
②矿渣粉密度不小于/cm3；比表面积不小于350m2/kg。
③矿渣粉共分为三级。
S105、S95和S75，他们对应的活性指数7天不小于95%、75%和55%，28天不小于105%、95%和75%。
流动度比小于85%、90%和95%。
④矿渣粉含水量不大于1.0%；
⑤三氧化硫不大于4.0%；
⑥氯离子不大于0.02%；
⑦烧失量不大于3.0%。
三、矿渣微粉的标准及性能：
1 矿渣微粉的标准
1998年国内第一个矿渣微粉的标准《砂浆、混凝土用粒化矿渣微粉》由作为地方标准的上海市发布实施，1999年上海又出台了地方标准《粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用规程》。
我国于2000年12月1日起实施国家标准《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣微粉》（GB/T10846-2000）。
2002年12月1日起又实施了《高强、高性能混凝土中用矿物外加剂国家标准》。
在该标准中正式将矿渣微粉命名为“矿物外加剂”纳入混凝土第六组份。
矿渣微粉品质指标见表２。
表２矿渣微粉的品质指标（GB/T10846-2000）
序号
项目
指标
S105
S95
S75
1
比重g/cm3
2
比表面积m2/kg
≥350
≥350
≥350
3
抗压强度
（MPa）
7d
-
28d
4
活性指标
Sai（%）
7d
≥95
≥75
≥55
28d
＞105
＞95
＞75
5
流动度比（%）
＞85
＞90
＞95
6
SO3
7
烧失量（Loss%）
8
MgO
9
Cl-（%）
当高炉矿渣未掺助磨剂时，不掺石膏时Cl-免检
10
含水量（%）
≤1
在2002年12月1日起实施的国家标准中，有一些参数做了修改。
目前企业生产的矿渣微粉，比表面积控制在420-450m2/kg之间。
2 矿渣微粉的性能
矿渣微粉作为混凝土的第六组分——矿物外加剂，可等量代替水泥，直接掺加在商品混凝土中，根据活性和比表面积的不同，一般掺加量在20～40%，掺入矿渣微粉的混凝土，性能明显得到改善，它具有以下优点：
①搅拌初期易于控制混凝土的流变性，提高混凝土的流动度，泵送性能好；
②降低水化热；
③减少混凝土中水泥的需求量，增加混凝土的后期强度；
④抗硫酸盐侵蚀性强，因为掺加了矿渣微粉的混凝土中C3A含量降低，相应的，水化时减少了Ca（OH）2的含量，因而抗硫酸盐侵蚀性能增加；
⑤抗碱骨料反应；
⑥抗微缩，与钢筋结合力强。
以上性能决定了矿渣微粉特别适用于高层建筑、大坝、机场、水下及地下建筑等特殊工程。
四、矿渣微粉的生产工艺
1粉磨设备的选择
目前，矿渣粉磨工艺按粉磨设备分主要有：
球磨系统、立式辊磨系统、及辊压机系统等。
1.1球磨
用传统的球磨来制备矿渣微粉，其工艺流程可分为开流和圈流系统。
开流系统一般采用高细管磨机，物料经计量喂入球磨机，出球磨机的物料即为成品。
矿渣入磨前首先要经过烘干，控制物料入磨水份≤2%。
开流系统优点是投资低、生产可靠、操作简单、设备运转率高；缺点是系统的粉磨电耗较高、效率低、产品细度调节困难、容易产生过粉磨现象、研磨体磨耗高。
此外，随着产品细度要求越细，粉磨时间越长，物料的比表面积越大，其比表面能也增大，因而微细颗粒相互聚集、结团的趋势也逐渐增强，影响粉磨效率，同时也会引起粉磨电耗的增加。
为了防止矿渣微粉粘附于研磨体和衬板表面而降低粉磨效率，一般采取加入助磨剂的方式来分散粉体，阻止颗粒之间的聚集，消除静电吸附带来的不利因素。
粉磨细度越细，使用助磨剂的效果越显著。
圈流系统一般采用普通球磨机+高效选粉机系统。
与开流相比，产品细度调节方便，可以减少过粉磨现象，粉磨效率相对较高，单机能力有所增加，但系统复杂。
如山东鲁碧建材采用由Ф3x11m球磨机与XWXK19组合式选粉机组成的圈流系统，矿渣粉比表面积≥420m2/kg时生产能力15t/h。
用球磨来磨制矿渣微粉，由于入磨物料的粒度减少，球磨机需作调整：
磨内研磨体的级配需要作调整，减大球、换小球 ，最大球一般≤60mm，由于矿渣难磨，适当增加研磨体装载量；隔仓板位置前移，增加细磨仓的长度。
钢球磨磨制矿渣微粉一般粉磨电耗≥70kWh/t。
1.2立磨
立磨又称为立式辊磨，其粉磨机理属料床粉磨，是在非密闭空间内一次性料层间连续挤压粉磨，形成的料床形状为柱面+平面，磨辊对物料的挤压角大于辊压机对物料的挤压角，在12度左右。
磨辊运动速度一般为2m/s～6m/s，比辊压机辊面线速度要快。
粉磨过程中，可以通过调整磨内喷水量形成稳定的料床，使磨振控制在允许值范围内。
立磨具有良好的通风烘干功能，集物料烘干、粉磨、选粉、收集于一体，不须单独设置烘干系统，即使进磨矿渣水分达13%～15%，仍能将其磨细至比表面积450m2/kg以上，并可方便调节。
立磨自身占地面积小，生产工艺流程简单，建筑费用低，在制备相同比表面积矿渣微粉（≧430m2/kg）时，立磨与辊压机的单位粉磨电耗相差不多，但比球（管）磨机系统节电在40%以上。
在我国已建成的矿渣微粉粉磨系统中采用立磨系统的占绝对多数。
如上海宝田、武钢华新、南京梅宝、马钢嘉华、昆钢嘉华、安钢、首钢、江苏磊达等，均采用立磨制备矿渣微粉。
而在这些立磨系统中，采用进口立磨又占绝大多数，主要是日本川崎重工、日本宇部、德国莱歇、德国伯力鸠斯等公司的立磨。
仅有少数厂采用国产立磨来磨制矿渣微粉，如江苏磊达、杭钢、赤峰远航等。
1.3辊压机
辊压机系统可分为终粉磨系统和辊压机+球磨机联合粉磨系统。
终粉磨系统：
物料经计量喂入辊压机挤压粉磨，从辊压机出来的料片经打散机打散后，送至选粉机进行分选，合格的成品送至矿渣库内储存，粗粉返回辊压机重新粉磨。
该系统充分利用了辊压机的高效粉碎机理，粉磨效率较高，能耗低于球磨机粉磨系统。
比表面积≥420m2/kg的矿渣粉，单位电耗约为50kWh/t左右。
但由于经辊压机挤压粉磨的物料中细粉含量相对较少，因而循环负荷很大，成品中微粉量不够，成品质量虽能满足要求，但相同比表面积的产品质量比球磨机及立磨粉磨的产品质量差。
联合粉磨系统：
物料经计量喂入辊压机挤压粉磨，从辊压机出来的料片经打散机打散分级后，粗颗粒返回辊压机继续挤压，细粉送入球磨机内进行粉磨。
该系统利用了辊压机的高效粉碎机理，粉磨效率高，能耗低于球磨机粉磨系统。
粉磨420m2/kg 比表面积矿渣粉的单位电耗约为60kWh/t 左右。
此系统虽然克服了辊压机终粉磨系统相同比表面积的产品质量不如球磨机及立磨粉磨的缺点，但工艺流程复杂，对操作人员要求较高，占地面积较大，投资较球磨机系统和辊压机终粉磨系统都大。
目前国内使用辊压机系统来磨制矿渣微粉的企业较少。
2比较
经过100多年的发展，球（管）磨机技术性能可靠、运行稳定，但因其粉磨过程难以形成料床，电能利用率极低，粉磨效率也低。
采用传统的球（管）磨机生产矿渣微粉，仍属于矿渣微粉制备的初级阶段。
虽一次性投资较少，但需要单独设置烘干工艺，整个粉磨流程较复杂，占地面积较大，在制备相同比表面积矿渣微粉时单位粉磨电耗要高于立磨、辊压机、筒辊磨工艺25kWh/t～35kWh/t。
以平均电耗高出30kWh/t计算，年产规模100万吨的球（管）磨机粉磨矿渣微粉生产线要比立磨、辊压机、筒辊磨生产线多耗电3000万kWh，按平均电价0.50元/kWh计，每年多支出电费1500万元，即隐性流失利润每年1500万元，这是一笔不小的数字。
确切地说，采用球（管）磨机生产矿渣微粉，与高效节电的料床粉磨工艺相比，是长期电耗成本增加和长期利润的隐形流失，难以实现节能减排、降耗增效的目标。
采用立磨、辊压机、筒辊磨3种高效的料床粉磨设备制备高活性矿渣微粉，虽然一次性投资较多，投资回收期较长，但单位粉磨电耗低，相比球（管）磨机系统节电幅度达40%以上，长期效益好，产品质量稳定。
3种料床粉磨系统，辊压机工艺流程要比立磨、筒辊磨复杂些。
立磨粉磨系统集烘干、粉磨、选粉、收集于一体，工艺简单，已形成系列化、大型化，国内大型钢铁企业和水泥粉磨站已广泛采用立磨粉磨技术，如山东鲁碧、长钢瑞昌、四川星船城等均采用进口的大型立磨制备矿渣微粉，运行效果良好。
粒化高炉矿渣是冶炼生铁过程中的产物，其中含有一定量的单质铁和氧化铁。
尤其是单质铁粒具有铁磁性和可塑性，难以磨细的同时在磨内产生富集，加剧设备磨损，必须予以去除。
为消除单质铁粒和氧化铁对粉磨过程的不良影响，需在磨前设置多道强磁除铁。
所收集的单质铁粒和氧化铁可按一定价格返售给钢铁企业，能够多冲抵部分电费支出。
所以，去除铁质对提高粉磨效率及矿渣磨细程度、有效降低粉磨设备磨耗极其重要。
传统球（管）磨机制备矿渣微粉由于与立磨、辊压机、筒辊磨相比，磨内不能形成料床，其粉磨效率低、单位电耗高、生产成本高。
立磨、辊压机、筒辊磨均为料床粉磨的高效节电设备，实现了无球化矿渣终粉磨，用于制备相同比表面积的矿渣微粉，相对于传统球（管）磨机工艺而言，节电幅度均达40%以上，采用高效低能耗粉磨设备制备矿渣微粉，更有利于节能减排，发展循环经济。
立磨技术成熟并已实现大型化，集烘干、粉磨、选粉、收集四位一体，且单位粉磨电耗和金属消耗低、工艺流程简单、占地面积小，是当前大规模矿渣微粉制备企业的首选工艺。
实际生产过程中，采用比表面积指标结合45μm、32μm筛余控制矿渣微粉的质量（活性指数），可满足技术要求。
3立磨生产工艺
3.1原料系统
湿矿渣从高炉出渣池出渣后，运至矿渣堆场。
矿渣堆场设有链斗卸车机，湿矿渣由链斗卸车机卸进矿渣堆场堆存，矿渣的转运由矿渣堆场上的装载机喂入带式输送机上方的受料斗，由带式输送机送人配料站的矿渣仓内。
为防止金属块进入磨内，带式输送机上设有电磁除铁器和金属探测器。
3.2矿渣粉磨及废气处理系统
由原料系统送来的湿矿渣通过除铁器除铁，经气动两路阀、回转喂料锁风阀从磨机顶部竖管喂人磨盘上方中心位置，在转动的磨盘和刮料杆作用下，物料在磨盘上分布成均匀料床。
在紧压磨辊和热风作用下，矿渣被粉磨和烘干，为了节能，本系统设有外循环系统，部分粗粉由磨盘周边喷风环处落下，成为外循环料，由电磁振动给料机和斗式提升机输送，再经过鼓形除铁器除铁后重新入磨循环粉磨，其余物料随气流而上入选粉机分级选粉，粗粉回落继续粉磨，合格的细粉随气流进入袋式收尘器，成品由袋收尘器收下，经空气输送斜槽、斗式提升机等输送设备送入矿渣粉库内储存；废气经高效袋式收尘器除尘后由排风机经烟囱排入大气。
3.3成品系统
成品系统设有矿渣微粉库，库底及库侧设有汽车散装系统。
合格的矿渣微粉经空气输送斜槽、斗式提升机等输送设备送入矿渣微粉库内储存。
矿渣微粉库内设有开式充气斜槽充气助流。
矿渣微粉由汽车散装机送入汽车散装车或集装箱中汽车运输出厂。
散装机下面设有地中衡，地中衡与库底出料系统连锁，在机旁就地控制，对散装物料进行在线计量。
4矿渣粉磨工艺主要注意事项
一般来说，物料粉磨时间越长，出磨粒度越细。
但是，随着粉磨时间的延长，物料比表面积逐渐增大，其比表面能也增大，因而，微细颗粒相互聚集、结团的趋势也逐渐增强。
经过一段时间后，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，物料也难粉磨得更细，有时甚至使粒度变粗。
同时，粉磨能耗成倍增加、粉磨效率降低。
这种现象在普通粉磨时并不明显，但在高细粉磨和超细粉磨中经常出现。
解决办法是：
添加助磨剂。
它能形成物料颗粒表面的包裹薄膜，使表面达到饱和状态，不再互相吸引粘结成团，并通过裂纹形成和扩展过程中的防“闭合”和吸附，降低颗粒硬度、减弱强度，改善其易磨性。
助磨剂通过保持颗粒的分散，来阻止颗粒之间的聚结或团聚。
粉磨粒度越细，使用助磨剂的效果越显著。
五、矿渣微粉的综合利用：
目前在国内一些企业已将矿渣微粉作为半成品和其它物料一起用来生产不同用途的产品，主要有以下几种途径：
（1）矿渣微粉和钢渣微粉双掺生产复合粉。
当在矿渣微粉中掺入适量的钢渣微粉，可提高混凝土的液相碱度，以减少对钢筋的腐蚀，提高土建构筑物的寿命，这种双掺粉特别适用于大体积混凝土构件，或者一些重要工程的关键部位，但是，要加强对钢渣微粉中f-CaO和MgO的检测，严格控制二者含量，确保二者含量不超标，以保证混凝土不遭受破坏。
（2）矿渣微粉、硅灰和其它物质按一定比例生产高性能混凝土
硅灰又称二氧化硅微粉，是生产硅铁或工业硅时矿热炉产生大量挥发性很强的SiO气体与空气迅速氧化并冷凝而成的烟尘，经收尘器回收后的一种产品，它的特点是颗粒极其细微，活性好，其主要成份为SiO2，同时夹带少量C、Fe2O3、K2O、Na2O等，其容重为0.2～/m3。
其粒径多小于0.5um，最细的仅有0.01um，其比面积为13～30m2/g，是普通水泥比表面积的50～100倍。
华东某厂采用的硅灰比表面积及粒径分布见表3。
表3硅灰比表面积及粒径分布
编号
比表面积
（m2/g）
45um筛余（%）
粒径（um）分布（%）
M1
M2
M3
硅灰掺入混凝土可代替部分水泥，其有效取代系数可达3～4。
当矿粉中掺入一定量的硅灰和其它物质时，可生产高性能的混凝土。
能进一步提高矿渣微粉所具有的一系列性能外，还具有以下优点：
①在深水工程中使用时的抗磨蚀能力；
②可提高工程的抗裂性；
③可提高混凝土的抗渗性、抗盐蚀性，增加混凝土液相碱度，保护钢筋。
④利用矿渣微粉制成的高性能混凝土，其附加值会大大提高，相应的，企业经济效益也会大幅提高。
六、结束语：
矿渣微粉粉磨系统利用冶金行业工业废渣，不仅可以变废为宝，提高矿渣的附加值，为钢铁企业创造可观的经济效益，而且节约了大量不可再生的资源，具有节能和环境保护效益，符合钢铁和水泥工业结构调整的政策。
随着水泥工业产业结构调整政策力度的加大，在大力发展循环经济的推动下，新一轮利废高潮正在兴起，矿渣微粉将会在高性能、高强混凝土中得到更广泛地应用。
矿渣粉可大量替代混凝土中的水泥，显著改善新拌混凝土工作性和硬化混凝土的耐久性，有较大的后期强度发展。
使用矿渣微粉配制的混凝土可广泛的应用于各类建筑工程，这将会为混凝土生产企业带来良好的经济效益，更为重要的是在资源节约和综合利用及环境保护方面有着不可估量的作用，符合我国走可持续发展的道路的战略。
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