采用钢渣和铅锌尾矿制备硅酸盐水泥熟料的研究

百科 2024-12-03 08:02 湖南

摘要：探讨了钢渣和铅锌尾矿分别取代铁粉和黏土制备硅酸盐水泥熟料的可行性,对其易烧性进行了研究，并对制备出的熟料进行了力学性能研究。结果表明：采用钢渣和铅锌尾矿进行生料配料，熟料的烧成温度为1450℃，煅烧时间为30min时，制备出的熟料w（f-CaO）小于1%；水泥熟料的28d抗折和抗压强度分别达到了9.6MPa和60.4MPa。

关键词：钢渣；铅锌尾矿；熟料；f-CaO

0 前言

目前我国水泥年产量已经超过20亿t，未来一段时间，我国大规模基础建设和国民经济的发展对水泥的需求仍将持续。而大量水泥的生产需要消耗大量的石灰石、铁矿石等不可再生资源，并对环境造成极大的破坏，因此采用固体废渣取代不可再生矿石，降低资源和能耗是水泥工业的发展方向。与此同时，我国每年排放大量的各类固态工业废渣，很多地方废弃物堆积如山，造成极大的环境污染，钢渣和铅锌尾矿就是其中排放量较大的两种废渣。钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其中氧化铁含量w[(FeO+Fe2O3)]高达20%以上，理论上可以作为铁质校正原料制备硅酸盐水泥熟料；而铅锌尾矿中含有大量的二氧化硅，且其中的某些微量组分对水泥的锻烧还具有矿化剂作用，可降低熟料烧成温度，故取代黏土作为硅质原料使用，理论上可行。目前国内已有的研究表明，使用钢渣或铅锌尾矿作为一种原材料能够制备出性能良好的硅酸盐水泥熟料。本文尝试采用钢渣取代铁粉、铅锌尾矿取代黏土，进行配料生产硅酸盐水泥熟料的研究，期望达到节能减排、保护环境的目的。

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

采用石灰石、钢渣、铅锌尾矿、粉煤灰（化学组成见表1）进行原料配料。所有原料均粉磨后全部通过0.2mm筛，且0.08mm筛余控制不超过10%。

1.2 试验方法

（1）生料易烧性实验。将生料按设计配合比进行配制，混合均匀后加入8%～10%的拌合水，在5t的压力下压制成Φ13mm生料片，将生料片置于105～120℃的烘箱中烘干后放入高温电炉中，先升温至800℃左右，保温30min；再升至预先设定的温度（1350，1400，1450℃），保温30min后出炉冷却后粉磨，按国家标准《水泥化学分析方法》（GB/T176—1996）中的甘油乙醇法测定物料中的f-CaO含量。

（2）熟料煅烧及力学性能实验。将原料按设定配比进行配制，混合均匀后在5～10MPa压力下压制成6cm×6cm的生料片，将其置于烘箱中于105～120℃下烘干，将生料片放置高温电炉中，升温至900℃左右，保温30min；再升至1450℃（根据易烧性实验确定），保温30min后出炉冷却后，加入5%石膏粉磨后按照国标要求成型并测定其力学性能。

（3）X-射线衍射分析（XRD）。采用日本理学公司的Dmax/RB型X－射线衍射仪，并采用粉末试样衍射方法进行测试；控制仪器工作条件为Cu靶Ka射线，管电压40kV，管电流100mA。

（4）扫描电镜分析（SEM）。采用日本电子公司生产的JSM-5900型扫描电镜，对各种试样的形貌和产物进行观察。

1.3 配料设计

考虑到钢渣和铅锌尾矿的掺加量以及熟料的强度，在熟料率值设计时，将硅酸率SM固定在2.0，取石灰饱和系数KH为0.92，0.94，0.96，铝氧率IM为1.0，1.2，1.4，在此基础上设计了9组实验，配料表见表2。期中，考虑到熟料性能和兼顾废渣掺量，采用第四组试样进行强度测试。

2 结果与讨论

2.1 生料易烧性研究

表2的9组配料的生料易烧性试验结果见表3。

（1）从表3可以看出，在1350℃下烧成30min后，其w（f-CaO）值均大于1.5%，目测料片中仍存在粉状物料，表明熟料未烧成；随着烧成温度的升高，熟料中f-CaO含量逐渐降低，在1400℃时石灰饱和系数KH相对较低的试样，其游离钙低于1.5%，即1400℃可烧成，但KH相对较高的第七、第八和第九组试样的游离钙含量均较高；在1450℃时所有试样的游离钙均低于1.0%，可以认为生料在1450℃下煅烧30min后，可以烧制出质量合格的硅酸盐水泥熟料。从表3中同时还可以看出，随着铝氧率和石灰饱和系数的升高，熟料中f-CaO的含量增加。

（2）采用钢渣和铅锌尾矿进行配料的几组实验，当石灰饱和系数稍低时，在1400℃左右熟料即可烧成，可能跟铅锌尾矿中含有的微量元素可以降低烧成温度有关。

水泥生产中，对f-CaO的控制至关重要，因其含量高低直接决定着水泥熟料的烧成质量。理论上讲，熟料中f-CaO越低越好，因其含量增加，熟料强度下降，安定性合格率下降。但熟料放置一段时间后，部分游离钙会被吸收；另从熟料成本以及性价比考虑，f-CaO的含量也不宜过低；且f-CaO含量过低，可能是熟料过烧或死烧所致。因此国标《硅酸盐水泥熟料》（GBT21372—2008）中要求普通硅酸盐水泥熟料中w（f-CaO）≤1.5%。各企业实际生产中，应综合考虑生产工艺、原燃材料、设备、操作水平等因素，确定一个既经济又合理的指标。

2.2 熟料的物理性能

在易烧性研究基础上，选取表2中第四组配料经1450℃煅烧样品进行物理性能试验，结果见表4。

由表4可见，熟料的标准稠度、初凝时间、终凝时间均符合国家标准，安定性合格，且其3d强度即可达到34MPa以上，28d强度超过了60MPa。这表明采用钢渣和铅锌尾矿分别取代铁粉和黏土进行配料后，可以烧制出性能优良的硅酸盐水泥熟料。

一般采用钢渣进行配料时，为了增加钢渣的掺量，势必导致熟料中的铝氧率降低，使熟料中的中间相（液相量）增加，从而给实际生产带来了一定的困难（如出现窑内结圈和大块等现象）。但是掺加铅锌尾矿可以适当降低熟料的烧成温度，可以减缓液相量增加产生的问题。

2.3 微观结构分析

（1）熟料SEM分析。图1是表2第四组配料在1450℃下烧成30min熟料的SEM图。从图1可以看到，熟料主要矿物有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）以及中间相。其中：硅酸盐矿物（C3S和C2S）质量分数大于75%；C3S呈多角形，以六边形居多；C2S则近似于圆形，且结晶较好；中间相呈树枝状，填充在硅酸盐相空隙之间。

（2）水化产物的SEM图。图2是采用钢渣和铅锌尾矿烧制水泥水化3d和28d的SEM图。常见的黏土配制的硅酸盐水泥熟料水化3d后的SEM图中，可以观测到明显的针状钙矾石晶体结构，但图2中水化3d时，观测不到明显的针状结构，其水化产物基本呈板状、层状，类似一般水泥水化7d时的SEM图，这说明采用钢渣和铅锌尾矿进行配料烧制的熟泥相对水化速率较快。水化28d时，水泥水化产物已紧密的结合在一起，基本上看不见大的空隙，水化产物相对更多，基体结构更加致密，说明随着水化的进行，水化体系结构更加稳定、密实。

3 结论

（1）同时掺加钢渣和铅锌尾矿的生料，在1450℃下烧成30min后，w（f-CaO）均低于1.5%，确定熟料的烧成温度为1450℃，煅烧时间为30min。

（2）采用钢渣和铅锌尾矿进行配料，KH为0.94，IM为1.0，SM为2.0时，水泥熟料的28d强度达到了60.4MPa，且熟料的标准稠度、初凝时间、终凝时间均符合国家标准，安定性合格。

（3）基于上述二项结果，采用钢渣和铅锌尾矿分别取代铁粉和黏土配料，可以烧制出性能优异的硅酸盐水泥熟料。

——作者：陈苗苗1，段加超1，冯春花2

——单位：1.马鞍山市建设工程质量检测中心；2.河南理工大学材料科学与工程学院

——来源：《水泥工程》2014年3期

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