摘要：钢渣因成分波动大、易磨性差、稳定性差等原因，导致其用于水泥熟料烧成技术没有得到广泛推广。本文结合公司对铁质原料的需求，开展钢渣在水泥生产中的应用研究，从钢渣优选、生料易烧性分析、熟料性能研究入手，改善水泥熟料质量，提高钢渣在水泥生产中的综合利用率。
在水泥生产中，钢渣因其潜在水硬性高、产量大、成本低，并且含有相当数量的近似水泥熟料组成的矿物而成为水泥生产中首选原材料，在熟料煅烧中可起到诱导结晶、加速助熔的作用，使水泥生产实现优质、高产和低耗。把钢渣用作水泥生产原材料，节约了大量宝贵自然资源，保护了环境，同时降低了水泥生产成本，具有广阔的应用前景。
本文结合公司对铁质校正原料的需求，研究钢渣在水泥生产中应用的可行性，确定煅烧水泥熟料的钢渣种类；结合实际设计配料方案，多角度分析了掺入钢渣后对生料易烧性及熟料性能的影响，解决了钢渣在水泥工业中应用时均化和粉磨的难题，已在所属单位实现了产业化和推广应用，控制生产成本的同时保证产品质量，具有一定的实践指导意义。
1 原材料的选择
本文所选用所有原燃料物理化学性能和放射性等指标均符合相应标准要求，综合考虑成本等因素，最终确定如下原燃料：钙质材料选用公司自备矿山单独生产和均化的石灰石；硅铝质材料选用公司附近砂岩和页岩；对比用铁质材料选用当地产铁粉；钢渣由公司附近两家钢厂提供，其中0-6YA是A钢厂提供的0~6mm尺寸的钢渣，0-10YB是B钢厂提供的0~10mm尺寸的钢渣。各材料化学分析见表1。
2 钢渣基本性能研究
2.1钢渣粉磨性能试验
将0-10YB和0-6YA分别置于电热干燥箱中，在105℃的条件下烘干24h直至恒重，分别称取5kg，经球磨机粉磨30min后称重；将粉磨后的钢渣过0.6mm标准筛筛出大颗粒难磨物相(0.6mm筛上颗粒）并称重，得出0-6YA和0-10YB中难磨物相的重量见表2。
钢渣经相同时间粉磨，0-10YB的难磨物相量要远大于0-6YA，初步判断0-6YA的易磨性较好。为了更清晰表征筛上颗粒的粒径分布，用标准分级筛对筛上颗粒的级配进行分析，结果见表3。由表3可知，0-10YB部分难磨物相的粒径达到了10mm左右，与粉磨前粒径相差不大，表明在粉磨过程中其结构难以被破坏，即使延长粉磨时间，也难以将其粉磨。相较而言，0-6YA经过粉磨后粒径较小，进一步验证了0-6YA易磨性较好。从化学元素成分结果可以看出，实验用钢渣的铁含量较高。其铁元素的存在形式主要有单质铁、二价铁氧化物等，不仅影响钢渣易磨性，而且在引入熟料烧成环节后因消耗氧气易产生局部还原气氛，影响熟料质量，所以在钢渣的处理过程中应尽量减少铁元素的含量。为探究粉磨后钢渣所含铁磁性物质的含量及磁选效果，本文通过一种磁选方法模拟实际生产的磁选过程，来观察除铁效果。试样选取经过破碎粉磨，并通过0.6mm标准筛的钢渣粉0-6YA和0-10YB，比较粉磨前后钢渣粉中铁元素的含量。将两种钢渣粉放入105℃烘箱中干燥至恒重，电子天平称量100g烘干粉末。再将钢渣粉未通过筛网均匀平铺为0.4m²薄料层，用磁铁隔着一张白纸在离料层1~2cm处来回吸附30s，直至几乎没有更多颗粒被吸附。通过比较吸附在白纸上的物料质量所占百分比来判断两种钢渣粉末中铁磁性的含量。吸附效果见图1，吸附数据见表4。比较实验结果发现，0-6YA中被吸附颗粒所占比例较大，说明0-6YA钢渣经破碎、粉磨处理后更易通过磁选剔除铁磁性物质，同时考虑易磨性，最终确定0-6YA进行后续实验。为了探究钢渣掺量对生料易烧性的影响，本文根据现有生料配料方案：熟料三率值KH=0.915；SM=2.55；IM=1.64，结合原料种类、成分、燃料品质及新型干法水泥生产工艺的特点，制定易烧性配料方案。试样制备方法参考JC/T735—2005水泥生料易烧性试验方法。取25g物料放入模具中，放入试体成型模具内，使用压力机施以100kN力，加载速率2kN/s，保压10s，制成试体，再用脱模机脱模。将取出的试饼放入已恒温至105~110℃的干燥箱中干燥备用。试体煅烧按照1350℃、1400℃、1450℃三个温度烧成，随炉升温，到达设定温度后保温30min取出，冷却后装入贴有标签的密封袋内，放入干燥器内保存。3天内完成游离氧化钙含量测定，通过游离钙含量来判断生料易烧性。实验结果见表6。对比表6中试验组1、2、3、4可知：在不同煅烧温度下，当KH保持在0.92、SM保持在2.58基本不变的情况下，随着钢渣掺量增加，熟料中f-CaO含量逐渐降低，生料易烧性越好，当钢渣掺量超过5％时，f-CaO含量降低至0.1％以下。这是由于钢渣中含有亚铁离子和重金属微量元素，在熟料矿物形成过程中产生离子替代作用，破坏结晶格子，加速熟料烧成反应，同时钢渣中含有的C₂S、C₃S等矿物与熟料组分相同，在烧成时能够起到诱导结晶作用，进一步加速了熟料烧结进程。3.3.2钢渣掺量一定时，熟料率值与生料易烧性的关联性研究对比表6中试验组2、6和试验组3、7可知：在钢渣掺量和熟料硅率基本不变的情况下，随着熟料饱和比提高，熟料中f-CaO含量呈上升趋势，说明只提高熟料饱和比无法改善生料易烧性。对比表6中试验组2、10和试验组3、11可知：在保持钢渣掺量不变的情况下，同时提高熟料饱和比和硅率，可降低体系f-CaO含量，改善生料易烧性，说明引入钢渣后，同时提高饱和比和硅率有利于熟料煅烧过程。综上所述，为进一步发挥钢渣的熟料品相调节材料作用，最终确定采用高饱和比、高硅率的配料方案，实施过程中从低到高逐步进行。将熟料的三率值设定为：KH=0.940±0.020、SM=2.6±0.1、IM=1.5±0.1，钢渣掺量从3%~6％逐步调整。生料掺钢渣前后对熟料物理性能影响见表7。从表7可知，随着生料中钢渣掺量提高，煅烧熟料的初终凝时间呈现缩短趋势，甚至在钢渣掺量达到6％时出现了急凝现象，对水泥熟料的适应性产生不利影响。同时随着钢渣掺量提高，熟料抗折强度变化较小，3d和28d抗压强度随着钢渣掺量提高先增加后降低，在钢渣掺量3％时达到最大值，综合考虑钢渣利用率和熟料性能，最终确定试生产中生料钢渣掺量为3%。选取同一年份掺钢渣配料前后熟料强度进行对比，见表8。从表8可以看出，使用钢渣参与配料后，不仅煤粉热值下降了109×4.18kJ/kg，且熟料早期和后期抗压强度均有不同程度提高，熟料强度波动较小，质量较为稳定。在6~9月试生产试验中，采用高饱和比、高硅率的配料方案，生料易烧性提高，煅烧难度减少，3d抗压强度均值达到34.8MPa，28d强度均值达到58.6MPa，在原有基础上早期强度提高近4.0MPa，28d强度提高3.7MPa，熟料性能得以改善。(1)通过比较不同钢厂的钢渣，A钢厂提供的0~6mm尺寸的钢渣易磨性和磁选性能更佳，实际生产中可在预处理阶段增加除铁装置，避免铁元素含量限制钢渣的掺量及损耗设备，提高钢渣粉磨效率。(2)在熟料煅烧过程中引入钢渣，充分发挥其矿化作用，可降低熟料烧成温度，改善熟料烧结性能，在充分利用工业废渣的同时，降低了水泥生产成本，具有极为广阔的应用前景。(3)为进一步发挥钢渣作为晶相调节材料的作用，在实际生产中可采用高饱和比、高硅率的配料方案，建议熟料率值为KH=0.940±0.020、SM=2.6的±0.1、 IM=1.5±0.1，实施过程中从低到高逐步进行。
——作者：王银1，邹兴芳1，向丛阳1，段亚军2，李飞1，程龙1
——单位：1.中国葛洲坝集团水泥有限公司；2.葛洲坝嘉鱼水泥有限公司
