發揮礦渣微粉最大活性性能
2010-03-09 00:00
1 前言
隨著人們對礦渣微粉的性能和經濟價值的逐漸認識，最近幾年，很多水泥企業、水泥制品、混凝土企業都在生產、應用礦渣微粉。
由于礦渣、水泥物料的粒度、易磨性等條件不同，生產礦渣微粉歷史短，經驗不足等原因，有些企業生產礦渣微粉的設備產量低、電耗高，礦渣微粉的活性指數低，沒有完全發揮礦渣微粉最大活性性能。
針對這些問題，探討如何在粉磨礦渣電耗比較低的情況下，提高礦渣微粉的比表面積，提高礦渣微粉活性指數，發揮其最大的活性性能。
高活性指數礦渣微粉應用到水泥可等量替代大量熟料、應用到混凝土可等量替代大量水泥，并且能夠提高混凝土的綜合性能，達到降低生產成本、節能減排目的。
2 目前礦渣的粉磨狀況
礦渣在粉磨過程中，比表面積增長十分緩慢，當礦渣微粉比表面積大于450㎡/kg時，由于研磨介質產生靜電吸附現象，造成顆粒聚集、糊球，致使磨機產量降低，電耗增加，產品比表面積降低。
有的企業為了提高產量降低電耗，在礦渣粉磨的同時加入10%左右的粉煤灰，起到助磨作用，其結果是磨機產量有所提高，礦渣微粉活性卻下降，其潛在的活性性能卻沒有完全發揮，這種礦渣微粉只能摻入水泥15%以下，才能保證原水泥的強度指標不降低。
目前國內大多數企業生產礦渣微粉比表面積在380㎡/kg～420㎡/kg之間，礦渣微粉活性并沒有完全發揮，摻入水泥后雖然后期強度有所增長，但是，3d強度卻降低3～5Mpa，活性指數≤S75級礦渣微粉國家標準。
這種粉磨方式存在：
一、磨機產量低，電耗高。
在普通的球磨機生產中，單獨粉磨礦渣的平均電耗是粉磨水泥的2～3倍。按邦德方法計算，粉磨功指數為23kwh/t的礦渣，產品比表面積達到450㎡/㎏時，常規配球的φ1.83m×7.0m開流磨產量僅為1.5t/h，而φ2.4m×13m開流磨產量尚不足7t/h（參考文獻：羅凡 等，礦渣粉磨特性及其相關參數的探討《水泥》2002.01）
國內外多數企業利用開路球磨機生產礦渣微粉，在不摻粉煤灰的情況下，比表面積450㎡/㎏以上時，電耗達到90kwh/t～130kwh/t，統計數據見表1。
表1 礦渣微粉比表面積450㎡/㎏以上，各規格開路球磨機產量與電耗
|
磨機規格 |
1.83m×7.0m |
2.2m×7.0m |
2.4m×13m |
2.6m×13m |
3.0m×13m |
3.2m×13m |
|
臺時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 |
|
電耗kwh/t |
135～90 |
125～95 |
115～90 |
110～90 |
105～90 |
100～90 |
二、礦渣 微粉活性指數低。
摻入粉煤灰的礦渣微粉，密度＜2.8，不符合礦渣微粉國家標準，活性指數低，這種礦渣微粉摻入水泥、混凝土相對比例少，其經濟價值也比較低。
隨著企業質量意識不斷提高，尤其是建筑工程對礦渣微粉的質量要求已經不再僅僅滿足S75級，他們要求礦渣微粉達到S95級或S105級標準。目前，新建高速鐵路的混凝土工程在設計時就要求摻入一定比例的S95級標準以上的礦渣微粉。
國家新出臺《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中華人民共和國國家標準《GB/T 18046—2008》于2008年7月1日執行，廢除《GB/T 18046—2000》標準。把原來的S105級比表面積≥350㎡/㎏指標修改為≥500㎡/㎏，體現生產高比表面積、高活性指數礦渣微粉的意義，S105級礦渣微粉將設計應用在國家重點建設工程上。
因此，如何提高礦渣微粉的早期（7d）活性指數，達到75%或95%以上，如何發揮礦渣微粉最大的活性性能，是我們急待解決的問題。中華人民共和國國家標準GB/T 18046—2008技術指標見表2。
表2 用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉
|
項 目 |
級 別 | |||
|
S105 |
S95 |
S75 | ||
|
密度g/cm3 ≥ |
2.8 | |||
|
比表面積m2/kg ≥ |
500 |
400 |
300 | |
|
活性指數/% ≥ |
7d |
95 |
75 |
55 |
|
28d |
105 |
95 |
75 | |
|
流動度比/ % ≥ |
95 | |||
|
含水量（質量分數）/% ≤ |
1.0 | |||
|
三氧化硫（質量分數）/% ≤ |
4.0 | |||
|
氯離子（質量分數）/% ≤ |
0.06 | |||
|
燒失量（質量分數）/% ≤ |
3.0 | |||
|
玻璃體含量（質量分數）/% ≥ |
85 | |||
|
放射性 |
合格 | |||
3 問題的解決
由于礦渣易磨性較差，利用不同的礦渣粉磨技術，其質量、產量差別很大。國內外學者經過研究發現，礦渣微粉的比表面積只有達到480㎡/㎏以上時，大多數顆粒分布在2～40um之間，其活性才能發揮出來，對混凝土強度的發揮起決定性作用。用激光粒度分析儀對活化礦渣微粉顆粒分布進行測定結果見表3表3 礦渣微粉比表面積450㎡/㎏以上的顆粒分布
|
粒徑um |
<2 |
<4 |
<6 |
<9 |
<12 |
<17 |
<21 |
<27 |
<36 |
<45 |
|
累計含量% |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
98 |
提高礦渣微粉的活性主要通過物理作用和化學作用二種方法。宏橋水泥技術研究所研究利用球磨機生產礦渣微粉，通過一系列技術途徑、摻入礦渣助磨活化劑，達到礦渣微粉比表面積高（不摻粉煤灰），礦渣微粉活性指數高，粉磨電耗低、磨機產量高的效果。
3.1 物理作用
利用開路球磨機設備研磨方法生產礦渣活化微粉，是在充分利用原有設備條件的情況下，對磨內部件技術改造，應用高效、特殊的內篩分雙層隔倉板裝置、出磨篦板，選擇合適的襯板及鋼球鋼段，是保證低電耗生產比表面積550㎡/㎏左右礦渣微粉的硬件措施條件。
甘肅某廠一個2.2m立式磨機生產礦渣微粉，比表面積500㎡/㎏以上，活性指數低，達不到S95級礦渣微粉標準。所以說礦渣微粉比表面積高并不等于活性指數一定高，還要通過化學激發辦法提高礦渣活性指數。
3.2 化學作用
礦渣在粉磨的過程中通過加入礦渣助磨活化劑，礦渣微粉比表面積可以達到500㎡/㎏～700㎡/㎏，同時在化學激發的作用下提高礦渣微粉活性。質量系數比較高的中性或堿性礦渣，7d礦渣活性指數可以達到100%左右，同比提高礦粉標準1個等級。
礦渣助磨活化劑能夠消除球磨機研磨體靜電吸附現象，具有很好的助磨、提高粉磨效率作用，同比開路球磨機可增加產量20%以上。
這些硬件措施具備之后，還要有一個重要的因素——技術措施。
3.3 技術措施
根據礦渣的易磨性、磨機的長度，確定合理的倉位、倉長；選擇合理的研磨體級配方案，如平均球徑、填充率等等，是保證低電耗生產比表面積550㎡/㎏礦渣微粉的技術措施之一。
球磨機外部的一些技術要求不可忽視，如對礦渣的易磨性、入磨粒度、水分，除塵設備的選型及風壓、風量的參數確定等等；即使是烘干設備的選型和烘干形式，也不可忽視，因為烘干設備工藝不當，對礦渣活性的影響可下降12～15%。
以上三方面的技術途徑，必須完全做到。如果缺少某個方面技術措施，必然會造成礦渣微粉比表面積低、活性指數低、磨機產量低、粉磨電耗高、生產成本高。只有完成這些程序化的步驟和實施最佳技術方案，才能達到：
一、磨機產量高、電耗低。
我們利用開路球磨機生產超細活化礦渣微粉，在不摻入粉煤灰的情況下，礦渣活化微粉比表面積≥450㎡/kg時，電耗控制在50～60kwh/t。比國內外生產相同比表面積的礦渣微粉，電耗降低40%、產量提高80%左右，見表4。
表4 超細活化礦渣微粉比表面積450㎡/㎏以上，各規格開路球磨機產量與電耗
|
磨機規格 |
1.83m×7.0m |
2.2m×7.0m |
2.4m×13m |
2.6m×13m |
3.0m×13m |
3.2m×13m |
|
產量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 |
|
電耗Kwh/t |
61～49 |
60～51 |
57～50 |
59～53 |
61～56 |
59～55 |
二、礦渣微粉活性指數高
加入礦渣助磨活化劑，超細活化礦渣微粉7d活性指數完全可以達到或超過75%、95%，質量才能達到S95級、S105級礦渣微粉國家標準。可以解決大摻量礦渣微粉造成水泥、混凝土早期強度偏低的技術問題，具有較高的經濟效益。
超細活化礦渣微粉不含粉煤灰，只摻入石膏、活化劑，礦渣在粉磨過程中通過機械和化學作用得到激發和活化，超細活化礦渣微粉的活性指數7d可達到100%左右。比表面積達到450㎡/㎏～550㎡/㎏的范圍時，磨機產量比國內外同樣條件的磨機提高80%，質量達到或大于礦渣微粉國家S105級標準。
3.4 試驗數據對比
以下是礦渣粉磨時加入礦渣助磨活化劑，礦渣微粉比表面積達到450㎡/㎏～550㎡/㎏之間，在實驗室、實際工業化生產的試驗數據，說明只要把礦渣微粉的活性指數提高上去，就能實現生產水泥減少熟料用量，混凝土減少水泥用量的目標，達到企業增效目的。
3.4.1 山西某水泥有限公司利用堿性礦渣（堿性系數1.10、質量系數1.67），摻入0.1%HQ108型礦渣助磨活化劑制造超細活化礦渣微粉，制造水泥，早期強度高。50%超細活化礦渣微粉勾兌50%的32.5級水泥，3d抗壓強度是15.2Mpa，比對比樣水泥提高了0.8Mpa；利用65%的超細活化礦渣微粉摻入35%的32.5級水泥，3d的抗壓強度比水泥的3d強度提高0.6Mpa，利用75%的超細活化礦渣微粉摻25%的熟料粉，3d的抗壓強度比32.5級水泥3d抗壓強度提高4.5Mpa。見表5。
表5 HQ108型礦渣助磨活化劑實驗數據
|
實 驗 項 目 |
3天強度 |
28天強度 |
凝結時間 | |||
|
抗折 |
抗壓 |
抗折 |
抗壓 |
初凝 |
終凝 | |
|
32.5級水泥 |
3.3 |
14.4 |
7.3 |
41.5 |
2：48 |
4：10 |
|
35%超細活化礦渣微粉+65%水泥 |
4.4 |
20.9 |
10.5 |
47.8 |
3：20 |
4：48 |
|
50%超細活化礦渣微粉+50%水泥 |
3.8 |
15.2 |
9.2 |
39.8 |
3：42 |
4：55 |
|
65%超細活化礦渣微粉+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%超細活化礦渣微粉+ 35%熟料粉 |
4.5 |
20.4 |
9.5 |
43.4 |
3：45 |
4：58 |
|
75%超細活化礦渣微粉+25%熟料粉 |
4.4 |
18.9 |
9.3 |
43.7 |
3：35 |
4：32 |
3.4.2 新疆某鋼鐵公司水泥廠利用HQ131、HQ132、HQ152礦渣助磨活化劑生產507㎡/㎏超細活化礦渣微粉，達到S95級、S105級標準，見表6。
表6 新疆某鋼鐵公司水泥廠生產的礦渣微粉達到S95級、S105級標準
|
實驗
編號 |
實驗項目 |
7dMpa |
28dMpa |
凝結時間 |
礦粉
標準 | |||
|
抗折 |
抗壓 |
抗折 |
抗壓 |
初凝 |
終凝 | |||
|
F |
普硅水泥 |
6.4 |
29.1 |
8.3 |
44.3 |
3:42 |
5:40 |
|
|
HQ131-1 |
50%活化礦渣微粉+50%普硅水泥 |
6.6 |
26.9 |
9.8 |
45.3 |
4:05 |
5:23 |
S95 |
|
HQ132-1 |
50%活化礦渣微粉+50%普硅水泥 |
7.3 |
29.0 |
10.0 |
49.0 |
3:47 |
5:57 |
S105 |
|
HQ152-1 |
50%活化礦渣微粉+50%普硅水泥 |
7.3 |
28.3 |
9.5 |
49.3 |
3:19 |
5:05 |
S105 |
3.4.3 山水集團某公司在φ500×500㎜試驗磨機利用HQ131活化劑制成450㎡/㎏比表面積超細礦渣活化微粉，分別摻入水泥、熟料粉的試驗數據。見表7。
表7 在φ500㎜×500㎜試驗磨機的現場試驗數據
|
強度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抗壓 |
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抗壓 |
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礦渣助磨活化劑在φ500㎜×500㎜試驗磨機粉磨超細礦渣活化微粉，35%～55%超細活化礦渣微粉摻入32.5級水泥，摻入35～55%活化微粉的水泥，比未摻入活化微粉的水泥3d抗壓強度平均提高6.3Mpa；28d抗壓強度平均達到51.4Mpa；55%～75%超細活化礦渣微粉摻入熟料粉，55～75%的活化礦渣微粉生產的水泥，比未摻入活化礦渣微粉的水泥3d強度提高3.8Mpa；28d抗壓強度平均達到60.9Mpa，見表8。
表8 在φ500㎜×500㎜實驗磨機的現場試驗數據
|
形式 |
實 驗 項 目 |
3d強度 |
28d強度 |
凝結時間 | |||
|
抗折 |
抗壓 |
抗折 |
抗壓 |
初凝 |
終凝 | ||
|
成品 |
32.5級水泥，細度4% |
2.5 |
13.0 |
|
|
|
|
|
勾兌 |
35%超細活化礦渣微粉＋65%水泥 |
3.9 |
20.2 |
10.7 |
47.2 |
3：21 |
6：06 |
|
45%超細活化礦渣微粉＋55%水泥 |
4.0 |
19.0 |
10.9 |
52.8 |
3：37 |
6：35 | |
|
55%超細活化礦渣微粉＋45%水泥 |
3.6 |
18.6 |
10.1 |
54.1 |
3：27 |
5：31 | |
|
粉磨 |
熟料粉，細度4%，382㎡/㎏ |
|
|
|
|
|
|
|
勾兌 |
75%超細活化礦渣微粉+25%熟料粉 |
3.1 |
14.0 |
11.2 |
58.7 |
2：59 |
6：32 |
|
65%超細活化礦渣微粉+35%熟料粉 |
3.90 |
18.9 |
10.2 |
59.7 |
2：30 |
6：09 | |
|
55%超細活化礦渣微粉+ 45%熟料粉 |
3.4 |
17.4 |
9.4 |
64.4 |
2：45 |
5：31 | |
3.4.5 河北某水泥廠在2.4m×9m磨機生產超細礦渣活化微粉，30%超細礦渣活化微粉摻入32.5級水泥，比未摻入活化微粉的水泥3d強度平均提高4.8Mpa，見表9。
表9 2.4m×9.0m磨機生產質量檢驗報告
|
形式 |
實 驗 項 目 |
3d抗折強度Mpa |
3d抗壓強度Mpa |
|
成品 |
32.5級水泥 細度4% |
2.60 |
12.1 |
|
1# |
30%超細活化礦渣微粉＋70%水泥 |
3.70 |
16.8 |
|
2# |
30%超細活化礦渣微粉＋70%水泥 |
3.6 |
17.0 |
3.4.6 工業化生產超細礦渣活化微粉效果好于試驗小磨機。
山東某水泥廠利用HQ131礦渣助磨活化劑分別在φ500㎜×500㎜實驗小磨粉磨、2.4m×13m球磨機粉磨生產超細活化礦渣微粉，用20%熟料粉，5%石膏粉和75%超細活化礦渣微粉勾兌成水泥，3d抗折、抗壓強度對比如下表10。
|
|
φ500㎜×500㎜ |
2.4m×13m球磨機 |
|
3d抗折Mpa |
3.7 |
4.1 |
|
3d抗壓Mpa |
14 |
15.2 |
4 礦渣的選擇
由于鋼鐵廠的冶煉工藝及其原材料不同，礦渣的質量存在較大的差異。利用不同質量的礦渣，粉磨相同比表面積的礦渣微粉，活性指數相差很大。
有多種礦渣資源的情況下，要優先選擇質量系數高的堿性、中性礦渣，其次選擇酸性礦渣。河北邯鋼、貴州水鋼的堿性礦渣，活性成分多，惰性成分少；云南曲靖、四川內江的酸性礦渣活性成分少，惰性成分多；歐洲烏克蘭某鋼鐵廠的礦渣雖然是堿性，但是活性成分少，惰性成分多，并非優秀礦渣。見表11。
表11 邯鋼、水鋼、曲靖、內江、歐洲烏克蘭鋼鐵廠礦渣化學成分
|
產地 |
LOSS |
SiO2 |
AL2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
Σ |
MnO |
TiO2 |
堿性系數 |
質量系數 |
|
邯鋼 |
-0.32 |
33.91 |
12.77 |
0.45 |
38.63 |
10.59 |
|
96.35 |
|
|
1.06 |
1.83 |
|
水鋼 |
|
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 |
|
內江 |
|
34.00 |
11.50 |
1.00 |
32.00 |
7.50 |
|
|
|
14.00 |
0.86 |
1.34 |
|
歐洲 |
|
39,20 |
4,90 |
0,44 |
47,38 |
4,29 |
2,48 |
|
0,35 |
0,41 |
1.17 |
1.415 |
各地礦渣質量不同。利用礦渣質量系數比較高的堿性礦渣，純超細活化礦渣微粉3d抗壓強度可達到9～17Mpa之間。如河北邯鋼、貴州水鋼礦渣質量較好，利用70%的超細礦渣活化微粉與30%左右熟料粉生產礦渣水泥，3d抗壓強度達到20Mpa左右；如果礦渣質量系數（＜1.4）比較低的酸性（＜0.85）礦渣，盡管采取很多技術措施也很難生產S105級礦渣微粉。
5 結論
從生產、實驗的各種數據表明，開路球磨機生產超細活化礦渣微粉，通過一系列技術措施和化學作用激發礦渣活性和消除研磨介質的靜電現象，礦渣微粉比表面積達到450～550㎡/kg，礦渣微粉7d活性指數可達到100%左右，其活性指數達到礦渣微粉國家標準S105級以上；粉磨電耗控制在50kwh/t～60kwh/t范圍，達到低電耗生產高等級礦渣微粉的目的。
據某市場調查，當地32.5級水泥280元/噸、42.5級水泥340元/噸；礦渣微粉S75級、S95級、S105級價格分別是170元/噸、220元/噸、380元/噸。高等級礦渣微粉價格超過42.5級水泥價格，S105級價格比S75級礦渣微粉價格高出200元/噸，可見生產高等級礦渣微粉比生產低等級礦渣微粉利潤空間之大。
因此，有礦渣資源的鋼鐵、水泥、礦粉、混凝土企業（不外購活性指數比較低的礦渣微粉）生產超細活化礦渣微粉，比表面積要達到450㎡/㎏～550㎡/㎏，7d活性指數達到100%左右，就可以實現利用少量熟料（30%左右熟料）生產礦渣水泥，可降低水泥生產成本20～40元/噸。應用在混凝土可替代部分水泥，不但降低了生產水泥的成本，還節省了大量的能源，減少了環境的污染，具有顯著的經濟效益和較好的社會效益。
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