发挥矿渣微粉最大活性性能
2010-03-09 00:00
1 前言
随着人们对矿渣微粉的性能和经济价值的逐渐认识，最近几年，很多水泥企业、水泥制品、混凝土企业都在生产、应用矿渣微粉。
由于矿渣、水泥物料的粒度、易磨性等条件不同，生产矿渣微粉历史短，经验不足等原因，有些企业生产矿渣微粉的设备产量低、电耗高，矿渣微粉的活性指数低，没有完全发挥矿渣微粉最大活性性能。
针对这些问题，探讨如何在粉磨矿渣电耗比较低的情况下，提高矿渣微粉的比表面积，提高矿渣微粉活性指数，发挥其最大的活性性能。
高活性指数矿渣微粉应用到水泥可等量替代大量熟料、应用到混凝土可等量替代大量水泥，并且能够提高混凝土的综合性能，达到降低生产成本、节能减排目的。
2 目前矿渣的粉磨状况
矿渣在粉磨过程中，比表面积增长十分缓慢，当矿渣微粉比表面积大于450㎡/kg时，由于研磨介质产生静电吸附现象，造成颗粒聚集、糊球，致使磨机产量降低，电耗增加，产品比表面积降低。
有的企业为了提高产量降低电耗，在矿渣粉磨的同时加入10%左右的粉煤灰，起到助磨作用，其结果是磨机产量有所提高，矿渣微粉活性却下降，其潜在的活性性能却没有完全发挥，这种矿渣微粉只能掺入水泥15%以下，才能保证原水泥的强度指标不降低。
目前国内大多数企业生产矿渣微粉比表面积在380㎡/kg～420㎡/kg之间，矿渣微粉活性并没有完全发挥，掺入水泥后虽然后期强度有所增长，但是，3d强度却降低3～5Mpa，活性指数≤S75级矿渣微粉国家标准。
这种粉磨方式存在：
一、磨机产量低，电耗高。
在普通的球磨机生产中，单独粉磨矿渣的平均电耗是粉磨水泥的2～3倍。按邦德方法计算，粉磨功指数为23kwh/t的矿渣，产品比表面积达到450㎡/㎏时，常规配球的φ1.83m×7.0m开流磨产量仅为1.5t/h，而φ2.4m×13m开流磨产量尚不足7t/h（参考文献：罗凡 等，矿渣粉磨特性及其相关参数的探讨《水泥》2002.01）
国内外多数企业利用开路球磨机生产矿渣微粉，在不掺粉煤灰的情况下，比表面积450㎡/㎏以上时，电耗达到90kwh/t～130kwh/t，统计数据见表1。
表1 矿渣微粉比表面积450㎡/㎏以上，各规格开路球磨机产量与电耗
|
磨机规格 |
1.83m×7.0m |
2.2m×7.0m |
2.4m×13m |
2.6m×13m |
3.0m×13m |
3.2m×13m |
|
台时t/h |
1.8~2.8 |
3.0~4.0 |
7.0~9.0 |
9.0~11.0 |
13.0~15.0 |
16.0~18.0 |
|
电耗kwh/t |
135～90 |
125～95 |
115～90 |
110～90 |
105～90 |
100～90 |
二、矿渣 微粉活性指数低。
掺入粉煤灰的矿渣微粉，密度＜2.8，不符合矿渣微粉国家标准，活性指数低，这种矿渣微粉掺入水泥、混凝土相对比例少，其经济价值也比较低。
随着企业质量意识不断提高，尤其是建筑工程对矿渣微粉的质量要求已经不再仅仅满足S75级，他们要求矿渣微粉达到S95级或S105级标准。目前，新建高速铁路的混凝土工程在设计时就要求掺入一定比例的S95级标准以上的矿渣微粉。
国家新出台《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中华人民共和国国家标准《GB/T 18046—2008》于2008年7月1日执行，废除《GB/T 18046—2000》标准。把原来的S105级比表面积≥350㎡/㎏指标修改为≥500㎡/㎏，体现生产高比表面积、高活性指数矿渣微粉的意义，S105级矿渣微粉将设计应用在国家重点建设工程上。
因此，如何提高矿渣微粉的早期（7d）活性指数，达到75%或95%以上，如何发挥矿渣微粉最大的活性性能，是我们急待解决的问题。中华人民共和国国家标准GB/T 18046—2008技术指标见表2。
表2 用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉
|
项 目 |
级 别 | |||
|
S105 |
S95 |
S75 | ||
|
密度g/cm3 ≥ |
2.8 | |||
|
比表面积m2/kg ≥ |
500 |
400 |
300 | |
|
活性指数/% ≥ |
7d |
95 |
75 |
55 |
|
28d |
105 |
95 |
75 | |
|
流动度比/ % ≥ |
95 | |||
|
含水量（质量分数）/% ≤ |
1.0 | |||
|
三氧化硫（质量分数）/% ≤ |
4.0 | |||
|
氯离子（质量分数）/% ≤ |
0.06 | |||
|
烧失量（质量分数）/% ≤ |
3.0 | |||
|
玻璃体含量（质量分数）/% ≥ |
85 | |||
|
放射性 |
合格 | |||
3 问题的解决
由于矿渣易磨性较差，利用不同的矿渣粉磨技术，其质量、产量差别很大。国内外学者经过研究发现，矿渣微粉的比表面积只有达到480㎡/㎏以上时，大多数颗粒分布在2～40um之间，其活性才能发挥出来，对混凝土强度的发挥起决定性作用。用激光粒度分析仪对活化矿渣微粉颗粒分布进行测定结果见表3表3 矿渣微粉比表面积450㎡/㎏以上的颗粒分布
|
粒径um |
<2 |
<4 |
<6 |
<9 |
<12 |
<17 |
<21 |
<27 |
<36 |
<45 |
|
累计含量% |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
98 |
提高矿渣微粉的活性主要通过物理作用和化学作用二种方法。宏桥水泥技术研究所研究利用球磨机生产矿渣微粉，通过一系列技术途径、掺入矿渣助磨活化剂，达到矿渣微粉比表面积高（不掺粉煤灰），矿渣微粉活性指数高，粉磨电耗低、磨机产量高的效果。
3.1 物理作用
利用开路球磨机设备研磨方法生产矿渣活化微粉，是在充分利用原有设备条件的情况下，对磨内部件技术改造，应用高效、特殊的内筛分双层隔仓板装置、出磨篦板，选择合适的衬板及钢球钢段，是保证低电耗生产比表面积550㎡/㎏左右矿渣微粉的硬件措施条件。
甘肃某厂一个2.2m立式磨机生产矿渣微粉，比表面积500㎡/㎏以上，活性指数低，达不到S95级矿渣微粉标准。所以说矿渣微粉比表面积高并不等于活性指数一定高，还要通过化学激发办法提高矿渣活性指数。
3.2 化学作用
矿渣在粉磨的过程中通过加入矿渣助磨活化剂，矿渣微粉比表面积可以达到500㎡/㎏～700㎡/㎏，同时在化学激发的作用下提高矿渣微粉活性。质量系数比较高的中性或碱性矿渣，7d矿渣活性指数可以达到100%左右，同比提高矿粉标准1个等级。
矿渣助磨活化剂能够消除球磨机研磨体静电吸附现象，具有很好的助磨、提高粉磨效率作用，同比开路球磨机可增加产量20%以上。
这些硬件措施具备之后，还要有一个重要的因素——技术措施。
3.3 技术措施
根据矿渣的易磨性、磨机的长度，确定合理的仓位、仓长；选择合理的研磨体级配方案，如平均球径、填充率等等，是保证低电耗生产比表面积550㎡/㎏矿渣微粉的技术措施之一。
球磨机外部的一些技术要求不可忽视，如对矿渣的易磨性、入磨粒度、水分，除尘设备的选型及风压、风量的参数确定等等；即使是烘干设备的选型和烘干形式，也不可忽视，因为烘干设备工艺不当，对矿渣活性的影响可下降12～15%。
以上三方面的技术途径，必须完全做到。如果缺少某个方面技术措施，必然会造成矿渣微粉比表面积低、活性指数低、磨机产量低、粉磨电耗高、生产成本高。只有完成这些程序化的步骤和实施最佳技术方案，才能达到：
一、磨机产量高、电耗低。
我们利用开路球磨机生产超细活化矿渣微粉，在不掺入粉煤灰的情况下，矿渣活化微粉比表面积≥450㎡/kg时，电耗控制在50～60kwh/t。比国内外生产相同比表面积的矿渣微粉，电耗降低40%、产量提高80%左右，见表4。
表4 超细活化矿渣微粉比表面积450㎡/㎏以上，各规格开路球磨机产量与电耗
|
磨机规格 |
1.83m×7.0m |
2.2m×7.0m |
2.4m×13m |
2.6m×13m |
3.0m×13m |
3.2m×13m |
|
产量t/h |
4.0~5.0 |
6.5~7.5 |
14.0~16.0 |
17.0~19.0 |
23.0~25.0 |
27.0~29.0 |
|
电耗Kwh/t |
61～49 |
60～51 |
57～50 |
59～53 |
61～56 |
59～55 |
二、矿渣微粉活性指数高
加入矿渣助磨活化剂，超细活化矿渣微粉7d活性指数完全可以达到或超过75%、95%，质量才能达到S95级、S105级矿渣微粉国家标准。可以解决大掺量矿渣微粉造成水泥、混凝土早期强度偏低的技术问题，具有较高的经济效益。
超细活化矿渣微粉不含粉煤灰，只掺入石膏、活化剂，矿渣在粉磨过程中通过机械和化学作用得到激发和活化，超细活化矿渣微粉的活性指数7d可达到100%左右。比表面积达到450㎡/㎏～550㎡/㎏的范围时，磨机产量比国内外同样条件的磨机提高80%，质量达到或大于矿渣微粉国家S105级标准。
3.4 试验数据对比
以下是矿渣粉磨时加入矿渣助磨活化剂，矿渣微粉比表面积达到450㎡/㎏～550㎡/㎏之间，在实验室、实际工业化生产的试验数据，说明只要把矿渣微粉的活性指数提高上去，就能实现生产水泥减少熟料用量，混凝土减少水泥用量的目标，达到企业增效目的。
3.4.1 山西某水泥有限公司利用碱性矿渣（碱性系数1.10、质量系数1.67），掺入0.1%HQ108型矿渣助磨活化剂制造超细活化矿渣微粉，制造水泥，早期强度高。50%超细活化矿渣微粉勾兑50%的32.5级水泥，3d抗压强度是15.2Mpa，比对比样水泥提高了0.8Mpa；利用65%的超细活化矿渣微粉掺入35%的32.5级水泥，3d的抗压强度比水泥的3d强度提高0.6Mpa，利用75%的超细活化矿渣微粉掺25%的熟料粉，3d的抗压强度比32.5级水泥3d抗压强度提高4.5Mpa。见表5。
表5 HQ108型矿渣助磨活化剂实验数据
|
实 验 项 目 |
3天强度 |
28天强度 |
凝结时间 | |||
|
抗折 |
抗压 |
抗折 |
抗压 |
初凝 |
终凝 | |
|
32.5级水泥 |
3.3 |
14.4 |
7.3 |
41.5 |
2：48 |
4：10 |
|
35%超细活化矿渣微粉+65%水泥 |
4.4 |
20.9 |
10.5 |
47.8 |
3：20 |
4：48 |
|
50%超细活化矿渣微粉+50%水泥 |
3.8 |
15.2 |
9.2 |
39.8 |
3：42 |
4：55 |
|
65%超细活化矿渣微粉+35%水泥 |
3.8 |
15.0 |
9.1 |
38.2 |
3：50 |
5：25 |
|
熟料粉 |
5.2 |
28.2 |
8.8 |
54.7 |
3：12 |
4：00 |
|
65%超细活化矿渣微粉+ 35%熟料粉 |
4.5 |
20.4 |
9.5 |
43.4 |
3：45 |
4：58 |
|
75%超细活化矿渣微粉+25%熟料粉 |
4.4 |
18.9 |
9.3 |
43.7 |
3：35 |
4：32 |
3.4.2 新疆某钢铁公司水泥厂利用HQ131、HQ132、HQ152矿渣助磨活化剂生产507㎡/㎏超细活化矿渣微粉，达到S95级、S105级标准，见表6。
表6 新疆某钢铁公司水泥厂生产的矿渣微粉达到S95级、S105级标准
|
实验
编号 |
实验项目 |
7dMpa |
28dMpa |
凝结时间 |
矿粉
标准 | |||
|
抗折 |
抗压 |
抗折 |
抗压 |
初凝 |
终凝 | |||
|
F |
普硅水泥 |
6.4 |
29.1 |
8.3 |
44.3 |
3:42 |
5:40 |
|
|
HQ131-1 |
50%活化矿渣微粉+50%普硅水泥 |
6.6 |
26.9 |
9.8 |
45.3 |
4:05 |
5:23 |
S95 |
|
HQ132-1 |
50%活化矿渣微粉+50%普硅水泥 |
7.3 |
29.0 |
10.0 |
49.0 |
3:47 |
5:57 |
S105 |
|
HQ152-1 |
50%活化矿渣微粉+50%普硅水泥 |
7.3 |
28.3 |
9.5 |
49.3 |
3:19 |
5:05 |
S105 |
3.4.3 山水集团某公司在φ500×500㎜试验磨机利用HQ131活化剂制成450㎡/㎏比表面积超细矿渣活化微粉，分别掺入水泥、熟料粉的试验数据。见表7。
表7 在φ500㎜×500㎜试验磨机的现场试验数据
|
强度Mpa |
40%活化微粉+54%熟料 |
50%活化微粉+44%熟料 |
60%活化微粉+34%熟料 |
20%活化微粉+42.5水泥 |
30%活化微粉+42.5水泥 |
40%活化微粉+42.5水泥 |
|
3d抗折 |
4.7 |
4.4 |
4.0 |
5.4 |
5.2 |
4.9 |
|
3d抗压 |
22.0 |
18.9 |
17.5 |
25.2 |
23.6 |
21.2 |
|
28d抗折 |
8.6 |
9.0 |
8.7 |
9.1 |
8.8 |
8.5 |
|
28d抗压 |
56.4 |
55.9 |
54.2 |
52.6 |
53.4 |
53.2 |
3.4.4 河北某水泥有限公司利用矿渣助磨活化剂在φ500㎜×500㎜试验磨机粉磨超细矿渣活化微粉，35%～55%超细活化矿渣微粉掺入32.5级水泥，掺入35～55%活化微粉的水泥，比未掺入活化微粉的水泥3d抗压强度平均提高6.3Mpa；28d抗压强度平均达到51.4Mpa；55%～75%超细活化矿渣微粉掺入熟料粉，55～75%的活化矿渣微粉生产的水泥，比未掺入活化矿渣微粉的水泥3d强度提高3.8Mpa；28d抗压强度平均达到60.9Mpa，见表8。
表8 在φ500㎜×500㎜实验磨机的现场试验数据
|
形式 |
实 验 项 目 |
3d强度 |
28d强度 |
凝结时间 | |||
|
抗折 |
抗压 |
抗折 |
抗压 |
初凝 |
终凝 | ||
|
成品 |
32.5级水泥，细度4% |
2.5 |
13.0 |
|
|
|
|
|
勾兑 |
35%超细活化矿渣微粉＋65%水泥 |
3.9 |
20.2 |
10.7 |
47.2 |
3：21 |
6：06 |
|
45%超细活化矿渣微粉＋55%水泥 |
4.0 |
19.0 |
10.9 |
52.8 |
3：37 |
6：35 | |
|
55%超细活化矿渣微粉＋45%水泥 |
3.6 |
18.6 |
10.1 |
54.1 |
3：27 |
5：31 | |
|
粉磨 |
熟料粉，细度4%，382㎡/㎏ |
|
|
|
|
|
|
|
勾兑 |
75%超细活化矿渣微粉+25%熟料粉 |
3.1 |
14.0 |
11.2 |
58.7 |
2：59 |
6：32 |
|
65%超细活化矿渣微粉+35%熟料粉 |
3.90 |
18.9 |
10.2 |
59.7 |
2：30 |
6：09 | |
|
55%超细活化矿渣微粉+ 45%熟料粉 |
3.4 |
17.4 |
9.4 |
64.4 |
2：45 |
5：31 | |
3.4.5 河北某水泥厂在2.4m×9m磨机生产超细矿渣活化微粉，30%超细矿渣活化微粉掺入32.5级水泥，比未掺入活化微粉的水泥3d强度平均提高4.8Mpa，见表9。
表9 2.4m×9.0m磨机生产质量检验报告
|
形式 |
实 验 项 目 |
3d抗折强度Mpa |
3d抗压强度Mpa |
|
成品 |
32.5级水泥 细度4% |
2.60 |
12.1 |
|
1# |
30%超细活化矿渣微粉＋70%水泥 |
3.70 |
16.8 |
|
2# |
30%超细活化矿渣微粉＋70%水泥 |
3.6 |
17.0 |
3.4.6 工业化生产超细矿渣活化微粉效果好于试验小磨机。
山东某水泥厂利用HQ131矿渣助磨活化剂分别在φ500㎜×500㎜实验小磨粉磨、2.4m×13m球磨机粉磨生产超细活化矿渣微粉，用20%熟料粉，5%石膏粉和75%超细活化矿渣微粉勾兑成水泥，3d抗折、抗压强度对比如下表10。
|
|
φ500㎜×500㎜ |
2.4m×13m球磨机 |
|
3d抗折Mpa |
3.7 |
4.1 |
|
3d抗压Mpa |
14 |
15.2 |
4 矿渣的选择
由于钢铁厂的冶炼工艺及其原材料不同，矿渣的质量存在较大的差异。利用不同质量的矿渣，粉磨相同比表面积的矿渣微粉，活性指数相差很大。
有多种矿渣资源的情况下，要优先选择质量系数高的碱性、中性矿渣，其次选择酸性矿渣。河北邯钢、贵州水钢的碱性矿渣，活性成分多，惰性成分少；云南曲靖、四川内江的酸性矿渣活性成分少，惰性成分多；欧洲乌克兰某钢铁厂的矿渣虽然是碱性，但是活性成分少，惰性成分多，并非优秀矿渣。见表11。
表11 邯钢、水钢、曲靖、内江、欧洲乌克兰钢铁厂矿渣化学成分
|
产地 |
LOSS |
SiO2 |
AL2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
Σ |
MnO |
TiO2 |
碱性系数 |
质量系数 |
|
邯钢 |
-0.32 |
33.91 |
12.77 |
0.45 |
38.63 |
10.59 |
|
96.35 |
|
|
1.06 |
1.83 |
|
水钢 |
|
33.06 |
12.65 |
0.75 |
44.68 |
5.70 |
1.60 |
98.44 |
0.74 |
|
1.10 |
1.90 |
|
曲靖 |
|
36.48 |
16.99 |
1.26 |
35.48 |
7.39 |
0.28 |
|
|
|
0.80 |
1.64 |
|
内江 |
|
34.00 |
11.50 |
1.00 |
32.00 |
7.50 |
|
|
|
14.00 |
0.86 |
1.34 |
|
欧洲 |
|
39,20 |
4,90 |
0,44 |
47,38 |
4,29 |
2,48 |
|
0,35 |
0,41 |
1.17 |
1.415 |
各地矿渣质量不同。利用矿渣质量系数比较高的碱性矿渣，纯超细活化矿渣微粉3d抗压强度可达到9～17Mpa之间。如河北邯钢、贵州水钢矿渣质量较好，利用70%的超细矿渣活化微粉与30%左右熟料粉生产矿渣水泥，3d抗压强度达到20Mpa左右；如果矿渣质量系数（＜1.4）比较低的酸性（＜0.85）矿渣，尽管采取很多技术措施也很难生产S105级矿渣微粉。
5 结论
从生产、实验的各种数据表明，开路球磨机生产超细活化矿渣微粉，通过一系列技术措施和化学作用激发矿渣活性和消除研磨介质的静电现象，矿渣微粉比表面积达到450～550㎡/kg，矿渣微粉7d活性指数可达到100%左右，其活性指数达到矿渣微粉国家标准S105级以上；粉磨电耗控制在50kwh/t～60kwh/t范围，达到低电耗生产高等级矿渣微粉的目的。
据某市场调查，当地32.5级水泥280元/吨、42.5级水泥340元/吨；矿渣微粉S75级、S95级、S105级价格分别是170元/吨、220元/吨、380元/吨。高等级矿渣微粉价格超过42.5级水泥价格，S105级价格比S75级矿渣微粉价格高出200元/吨，可见生产高等级矿渣微粉比生产低等级矿渣微粉利润空间之大。
因此，有矿渣资源的钢铁、水泥、矿粉、混凝土企业（不外购活性指数比较低的矿渣微粉）生产超细活化矿渣微粉，比表面积要达到450㎡/㎏～550㎡/㎏，7d活性指数达到100%左右，就可以实现利用少量熟料（30%左右熟料）生产矿渣水泥，可降低水泥生产成本20～40元/吨。应用在混凝土可替代部分水泥，不但降低了生产水泥的成本，还节省了大量的能源，减少了环境的污染，具有显著的经济效益和较好的社会效益。
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