劉智偉，許倩，李志峰，種振宇，孫慶亮

轉(zhuǎn)爐鋼渣球磨尾泥活化技術(shù)的實驗研究

劉智偉，許倩，李志峰，種振宇，孫慶亮

鋼渣尾泥是轉(zhuǎn)爐鋼渣經(jīng)濕法球磨、磁選處理后的副產(chǎn)品，其水硬膠凝活性較低。本文介紹了物理和化學(xué)活化技術(shù)對鋼渣尾泥的活化研究，實驗結(jié)果表明，物理活化法可以顯著改善鋼渣尾泥的活性，石膏類激發(fā)劑對球磨鋼渣尾泥化學(xué)活化效果較好，燒石膏摻入4%，或者天然石膏摻入5%時，尾泥粉的活性均能達到一級微粉的國標要求。鋼渣尾泥粉和鋼渣尾渣粉存在互補性，將二者進行復(fù)合配比配制鋼渣水泥時，尾渣粉可以提高鋼渣水泥的力學(xué)強度，而尾泥粉則可以改善鋼渣水泥的體積安定性。

轉(zhuǎn)爐鋼渣；鋼渣尾泥；活化；活性

1 前言

轉(zhuǎn)爐鋼渣中一般含有5%～9%的金屬鐵和14%～20%的含鐵磁性物質(zhì)。目前國內(nèi)外鋼鐵工業(yè)采用各種方法破碎轉(zhuǎn)爐鋼渣，以提取鋼渣中的鐵和鐵磁性物質(zhì)，作為煉鐵原料回收利用。一般破碎的塊度愈小，提取金屬鐵和含鐵磁性物質(zhì)的比例也愈高，為此，國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)采用濕法球磨技術(shù)對粒度較小的鋼渣進行磨碎、水洗、磁選處理，盡可能多地回收鋼渣中的含鐵成分，生產(chǎn)粒鋼和鋼精粉，同時也產(chǎn)生大量的鋼渣尾泥。如果不采取有效技術(shù)措施對此進行合理利用，將對環(huán)境造成污染，同時占用大量的土地，對鋼鐵企業(yè)的清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護將非常不利。本文介紹了轉(zhuǎn)爐鋼渣球磨尾泥的活化技術(shù)，通過活化處理，尾泥的化學(xué)活性大幅度提高，達到制備高性能鋼渣水泥的最終目的，在拓寬鋼渣尾泥綜合利用途徑的同時，真正實現(xiàn)鋼渣的零排放，實現(xiàn)鋼渣綜合利用經(jīng)濟效益和環(huán)保效益的最大化。

2 實驗原材料與實驗方法

2.1 實驗原材料

（1）轉(zhuǎn)爐鋼渣球磨尾泥

取自萊蕪鋼鐵集團泰東公司資源利用分公司鋼渣濕法水洗球磨生產(chǎn)線副產(chǎn)的渣泥餅，外觀呈黑灰色淤泥狀，含水率較大，粘性高。經(jīng)烘干、磨細處理后，用李氏瓶法（下同）測得鋼渣尾泥的密度為2.80g/cm3。

（2）鋼渣尾渣

取自萊蕪鋼鐵集團泰東公司資源利用分公司濕法水洗球磨生產(chǎn)線的原料。該鋼渣采用露天水淬法處理，經(jīng)“三破五選”后的尾渣，粒徑≤5mm的顆粒占95%以上。鋼渣外觀呈灰褐色，其中夾帶有部分細小的鐵粉顆粒，硬度大，用磁鐵可以將鐵粉顆粒吸出。密度為2.80g/cm3。該鋼渣堿度為CaO/(SiO2+P2O5)(重量比)=48.24/（16.11+0.51）=2.90(＞2.5)，屬高堿度鋼渣，礦物組成以硅酸三鈣(C3S)為主，水硬性礦物含量較多。

（3）高爐渣

取自萊鋼集團煉鐵廠，表面呈淡黃色，堿度1.14，測得其密度為2.90g/cm3。水渣的堿度系數(shù)（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3+Fe2O3）=1.10，屬堿性礦渣；水渣的質(zhì)量系數(shù)：K+（CaO+MgO+Al2O3+Fe2O3）/SiO2=2.30＞1.2，符合GB/T203-94?；郀t礦渣質(zhì)量系數(shù)的要求。

（4）熟料

取自萊鋼集團魯碧公司，表面呈灰綠色，測得其密度為3.13g/cm3，熟料的物理力學(xué)性能見表2。

（5）石膏

取自萊鋼集團魯碧公司，表面呈灰色，測得其密度為2.39g/cm3，SO3含量為35%。

（6）標準砂

按國標GT/T17671-1999，中國ISO標準砂。

2.2 實驗方法

（1）水泥強度測定按GB/T17671水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)進行。

（2）比表面積測定按GB/T8074水泥比表面積測定方法(勃氏法)進行。

（3）凝結(jié)時問、安定性等按GB/T1346水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法進行。

（4）原材料密度的測定按GB208-94《水泥密度測定方法》進行。

（5）原材料的粉磨采用?500mm×500mm實驗小磨進行粉磨。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 物理活化

鋼渣與高爐礦渣類似，是一種具有潛在水硬性能的摻合料。這類摻合料的特征是：含有大量的CaO(35%～48%)，并含有活性SiO2和Al2O3，本身無獨立的水硬性，但在CaO、CaSO4的作用下，其潛在的水硬性可被激發(fā)出來，產(chǎn)生緩慢的水化作用；若在Na2O、K2O等堿金屬化合物的激發(fā)下，會產(chǎn)生強烈的水化作用，形成堅強的硬化體。目前，鋼渣活性激發(fā)方法主要有：物理激發(fā)和化學(xué)激發(fā)等。物理激發(fā)又稱機械激發(fā)，即用機械的方法提高鋼渣的細度。鋼渣細度越大，其潛在的水硬性激發(fā)出來的速度便越快。當鋼渣的比表面積達到400～500m2/kg時，其內(nèi)在活化性能能較充分地發(fā)展，從而使得水泥的早期強度增大[1]。

按照《GB/T20491—2006用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》中規(guī)定的鋼渣微粉活性指數(shù)的實驗方法，即用比對樣品——強度不低于42.5MPa的硅酸鹽水泥，與鋼渣粉按7：3的質(zhì)量比例混合，按GB/T17671所規(guī)定的方法(ISO法)測定水泥（Rt）和混合樣品（R0）的7d和28d抗壓強度,活性指數(shù)A=Rt/R0×100。根據(jù)GB/T20491—2006的規(guī)定,用于水泥和混凝土中的鋼渣粉的勃氏比表面積必須大于400m2/kg，為此，本實驗主要選取了經(jīng)不同粉磨時間粉磨后的轉(zhuǎn)爐鋼渣球磨尾泥粉進行活性指數(shù)檢測實驗，研究探索粉磨時間與活性的關(guān)系。實驗結(jié)果如表3所示。

表1 原材料化學(xué)成分含量表（質(zhì)量百分比，%）

表2 熟料的物理性能

表3 活性指數(shù)檢測實驗結(jié)果表

圖1 活性指數(shù)與粉磨時間變化關(guān)系

從表3中的實驗數(shù)據(jù)和圖1可以看出，鋼渣尾泥粉的各齡期活性指數(shù)均隨粉磨時間的延長而增大，當粉磨時間較短時，尾泥粉的活性較低；當粉磨時間達到60min時，尾泥粉的比表面積達到864.3m2/kg，其A7和A28也分別達到81.5%和80.6%，達到一級微粉的國標要求，說明物理活化的方法對鋼渣尾泥的活性激發(fā)有一定的效果。但隨著粉磨時間的延長，微粉比表面積增大，比表面積能量顯著增加，由于晶格內(nèi)能的作用，發(fā)生微粉顆粒的重結(jié)晶過程。同時，微粉顆粒間作用力的增大又會發(fā)生鋼渣顆粒團聚的趨勢，物料處于磨細團聚的動態(tài)平衡狀態(tài)，從而增大表面粒度，降低了比表面積和粉磨效率。此外，粉磨時間的延長，使得成本也增加，從實際生產(chǎn)成本考慮，將鋼渣尾泥采用物理活化的方法粉磨至一級微粉所需時間為60min以上，電耗成本比較高，導(dǎo)致微粉的生產(chǎn)成本比較高，使企業(yè)的盈利水平顯著降低，這是生產(chǎn)企業(yè)所難以接受的。因此，必須根據(jù)實際應(yīng)用的需要，控制微粉顆粒的大小。

3.2 化學(xué)活化

鋼渣的化學(xué)活化是通過加入晶核并提高液相堿度的方法來加速鋼渣的水化硬化。常用的激發(fā)劑有石膏、熟料、石灰和堿金屬的硅酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物等。堿金屬的硅酸鹽、碳酸鹽包括硅酸鈉、硅酸鉀、碳酸鈉、碳酸鉀等，氫氧化物（如氫氧化鈉）也可作為鋼渣的激發(fā)劑，但由于這些化工用品成本相對較高，一般只用于實驗研究，工業(yè)生產(chǎn)中很少采用。工業(yè)生產(chǎn)中用得最多的激發(fā)劑還是常見的石膏激發(fā)劑，包括二水石膏(俗稱天然石膏 CaSO4·2H2O)、半水石膏(俗稱燒石膏 CaSO4·1/2H2O)和無水石膏(俗稱硬石膏CaSO4)等。石膏在鋼渣水泥中的作用不僅是緩凝劑，而且也是激發(fā)劑，石膏品種和摻量對鋼渣水泥的強度有很大的影響[2]。為此，本實驗選用三種不同的石膏：天然石膏、硬石膏和燒石膏為激發(fā)劑，并分別以4%、5%、6%的摻量摻入到比表面積為646.2m2/kg（粉磨時間30min）的鋼渣尾泥粉中，通過實驗研究檢測其活性指數(shù)，實驗結(jié)果見表4。

從表4中的實驗數(shù)據(jù)可以看出，石膏類激發(fā)劑對球磨鋼渣尾泥粉活性的激發(fā)效果比較明顯，三種石膏摻入尾泥樣品后，其各齡期力學(xué)強度均有一定幅度的提高，燒石膏的活化激發(fā)效果最好，當摻入4%的燒石膏時，尾泥的活性指數(shù)A7和A28分別為81.3%和82.6%，達到一級鋼渣微粉的國標要求；天然石膏的激發(fā)效果次之，當摻入5%的天然石膏時，尾泥的活性指數(shù)A7和A28分別為79.8%和80.2%，也能達到一級鋼渣微粉的國標要求；硬石膏的活化激發(fā)效果則不太理想，摻入燒石膏的尾泥樣品活性指數(shù)均達不到一級微粉的國標要求。因為，在無水、半水和二水石膏中，無水石膏溶解速度與溶解度較大，可提高鈣礬石的形成速度，有利于提高鋼渣水泥的早期強度，但對后期強度的改善有限；而燒石膏溶解速度較緩，具有逐步溶出的特點，可促進水化過程，能提高鋼渣水泥早期強度和后期強度，所以對鋼渣的激發(fā)作用最為明顯[1]。但由于燒石膏是天然石膏在750℃以上經(jīng)高溫煅燒的產(chǎn)品，其生產(chǎn)成本明顯高于天然石膏。

表4 化學(xué)活化實驗數(shù)據(jù)表

表5 復(fù)合微粉鋼渣水泥實驗數(shù)據(jù)

在石膏摻量方面，天然石膏和燒石膏以5%的摻入量效果比較好，而當硬石膏的摻量為4%時，活化效果最佳。因為石膏的活化激發(fā)成分主要是SO3，石膏中SO3的含量不同，摻入量的影響也會不同。當試樣中的SO3含量過高時，則會導(dǎo)致石膏在微粉中的局部富集，使得純度高的石膏很難均勻有效地分布在鋼渣中，最終影響其強度的發(fā)展。

圖2 鋼渣尾泥在復(fù)合微粉中摻量對鋼渣水泥性能的影響

3.3 鋼渣尾泥粉在水泥中應(yīng)用的實驗研究

鋼渣尾泥粉的活性較低，早期強度較好，后期強度偏低，但所配制的鋼渣水泥的安定性穩(wěn)定，而由鋼渣尾渣粉所配制的鋼渣水泥早期強度偏低，后期強度較好，但安定性不如鋼渣尾泥粉穩(wěn)定，這兩種微粉在性能上可能存在互補性。因此，本實驗以20%水泥熟料粉（485.5 m2/kg）、35%高爐渣粉（553.5m2/kg）、40%尾泥粉（646.2 m2/kg）和尾渣粉（427.5.2m2/kg）的復(fù)合微粉，5%石膏粉（436.7m2/kg）為基本配方，改變尾泥粉和尾渣粉之間的混合比例進行配比實驗，研究二者之間的相互影響關(guān)系。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表5所示。

從表5中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著復(fù)合鋼渣粉中尾泥粉摻量的增加、尾渣粉摻量的減少，鋼渣水泥樣品的各齡期力學(xué)強度呈現(xiàn)降低的趨勢，但在摻入了尾渣粉的樣品中，其力學(xué)強度均比沒有摻入尾渣粉的純尾泥粉樣品的力學(xué)強度高，表明尾渣粉的水硬膠凝活性比尾泥粉的活性高。而鋼渣水泥安定性的檢測結(jié)果則表明，隨著鋼渣尾渣粉在復(fù)合微粉中比例的增加，雷氏夾的偏移量增加，表明鋼渣水泥樣品的安定性降低，說明鋼渣尾渣粉的活性雖好，但其安定性卻不如鋼渣尾泥粉穩(wěn)定，主要是因為其活性和游離氧化鈣同時被水消解了的緣故。

4 結(jié)論

（1）物理活化法可以顯著改善鋼渣尾泥的活性，尾泥粉磨60min以上時，尾泥粉能達到一級微粉的活性要求，但成本比較高。

（2）石膏類激發(fā)劑對球磨鋼渣尾泥化學(xué)活化效果較好，對尾泥的活性有明顯的改善，燒石膏的激發(fā)效果最好，天然石膏次之，硬石膏效果不佳，燒石膏摻入4%，或者天然石膏摻入5%時，尾泥粉的活性均能達到一級微粉的國標要求。

（3）鋼渣尾泥粉和鋼渣尾渣粉存在互補性，將二者進行復(fù)合配比配制鋼渣水泥時，尾渣粉可以提高鋼渣水泥的力學(xué)強度，而尾泥粉則可以改善鋼渣水泥的體積安定性。

[1]許遠輝,陸文雄,王秀娟,等.鋼渣活性激發(fā)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004（2）:91-95.

[2]張同生,劉福田,王建偉,等.鋼渣安定性與活性激發(fā)的研究進展[J].硅酸鹽通報,2007（5）:980-984.

Experimental Study on Activation Technology of Steel Slag Mud Produced in the Ball Milling of BOF Slag

LIU Zhi-wei，XU Qian，LI Zhi-feng，CHONG Zhen-yu，SUN Qing-liang
（LAIWU STEEL GROUP.LTD，Shandong Laiwu，271104）

Steel slag mud is a byproduct generated after the wet ball milling and magnetic separation of BOF slag,whose hydraulic cementitious property is relatively poor.The physical and chemical activation technologies of steel slag mud were introduced.The experimental results show that physical activation can significantly improve the mud activity.The stimulating agent,such as gypsum and its related products,shows good chemical activation effect on the mud.When mixed with 4%plaster of Paris or 5%natural gypsum,the activity of mud powder can meet the national standard for the first-class micro-powder.Complementarities exist between the mud powder and the slag powder,both of which can be mixed in proper proportions to produce steel slag cement.The slag powder favors the increase of mechanical properties while the mud powder improves the volume stability of steel slag cement.

BOF slag;Steel slag mud;Activation;Activity

TQ172.639

A

1001-6171（2011）01-0041-04

2010-06-22； 編輯：趙 蓮

劉智偉（1978－），男，湖南望城人，2004年碩士畢業(yè)于武漢科技大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)?，F(xiàn)為萊鋼技術(shù)研發(fā)中心工程師，首席研究員，北京科技大學(xué)在讀博士研究生，主要從事生態(tài)工業(yè)技術(shù)研究工作。