發(fā)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(jīng)濟價值的逐漸認識，最近幾年，很多水泥企業(yè)、水泥制品、混凝土企業(yè)都在生產(chǎn)、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(chǎn)礦渣微粉歷史短，經(jīng)驗不足等原因，有些企業(yè)生產(chǎn)礦渣微粉的設備產(chǎn)量低、電耗高，礦渣微粉的活性指數(shù)低，沒有完全發(fā)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(shù)，發(fā)揮其最大的活性性能。
高活性指數(shù)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(chǎn)成本、節(jié)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?shù)V渣微粉比表面積大于450㎡/kg時，由于研磨介質(zhì)產(chǎn)生靜電吸附現(xiàn)象，造成顆粒聚集、糊球，致使磨機產(chǎn)量降低，電耗增加，產(chǎn)品比表面積降低。
有的企業(yè)為了提高產(chǎn)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(chǎn)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(fā)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(nèi)大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)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(fā)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(shù)≤S75級礦渣微粉國家標準。
這種粉磨方式存在：
一、磨機產(chǎn)量低，電耗高。
在普通的球磨機生產(chǎn)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(shù)為23kwh/t的礦渣，產(chǎn)品比表面積達到450㎡/㎏時，常規(guī)配球的φ1.83m×7.0m開流磨產(chǎn)量僅為1.5t/h，而φ2.4m×13m開流磨產(chǎn)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(shù)的探討《水泥》2002.01）
國內(nèi)外多數(shù)企業(yè)利用開路球磨機生產(chǎn)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(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。
表1 礦渣微粉比表面積450㎡/㎏以上，各規(guī)格開路球磨機產(chǎn)量與電耗
|
磨機規(guī)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(shù)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(shù)低，這種礦渣微粉摻入水泥、混凝土相對比例少，其經(jīng)濟價值也比較低。
隨著企業(yè)質(zhì)量意識不斷提高，尤其是建筑工程對礦渣微粉的質(zhì)量要求已經(jīng)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(zhí)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(xiàn)生產(chǎn)高比表面積、高活性指數(shù)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(shù)，達到75%或95%以上，如何發(fā)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?；郀t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(shù)/% ≥ |
7d |
95 |
75 |
55 |
|
28d |
105 |
95 |
75 | |
|
流動度比/ % ≥ |
95 | |||
|
含水量（質(zhì)量分數(shù)）/% ≤ |
1.0 | |||
|
三氧化硫（質(zhì)量分數(shù)）/% ≤ |
4.0 | |||
|
氯離子（質(zhì)量分數(shù)）/% ≤ |
0.06 | |||
|
燒失量（質(zhì)量分數(shù)）/% ≤ |
3.0 | |||
|
玻璃體含量（質(zhì)量分數(shù)）/% ≥ |
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(zhì)量、產(chǎn)量差別很大。國內(nèi)外學者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，礦渣微粉的比表面積只有達到480㎡/㎏以上時，大多數(shù)顆粒分布在2～40um之間，其活性才能發(fā)揮出來，對混凝土強度的發(fā)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(chǎn)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(shù)高，粉磨電耗低、磨機產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)部件技術改造，應用高效、特殊的內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)礦渣微粉，比表面積500㎡/㎏以上，活性指數(shù)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(shù)一定高，還要通過化學激發(fā)辦法提高礦渣活性指數(shù)。
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(fā)的作用下提高礦渣微粉活性。質(zhì)量系數(shù)比較高的中性或堿性礦渣，7d礦渣活性指數(shù)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(xiàn)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)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(shù)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(shù)低、磨機產(chǎn)量低、粉磨電耗高、生產(chǎn)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(chǎn)量高、電耗低。
我們利用開路球磨機生產(chǎn)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(nèi)外生產(chǎn)相同比表面積的礦渣微粉，電耗降低40%、產(chǎn)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(guī)格開路球磨機產(chǎn)量與電耗
|
磨機規(guī)格 |
1.83m×7.0m |
2.2m×7.0m |
2.4m×13m |
2.6m×13m |
3.0m×13m |
3.2m×13m |
|
產(chǎn)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(shù)高
加入礦渣助磨活化劑，超細活化礦渣微粉7d活性指數(shù)完全可以達到或超過75%、95%，質(zhì)量才能達到S95級、S105級礦渣微粉國家標準?？梢越鉀Q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(jīng)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(fā)和活化，超細活化礦渣微粉的活性指數(shù)7d可達到100%左右。比表面積達到450㎡/㎏～550㎡/㎏的范圍時，磨機產(chǎn)量比國內(nèi)外同樣條件的磨機提高80%，質(zhì)量達到或大于礦渣微粉國家S105級標準。
3.4 試驗數(shù)據(jù)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(yè)化生產(chǎn)的試驗數(shù)據(jù)，說明只要把礦渣微粉的活性指數(shù)提高上去，就能實現(xiàn)生產(chǎn)水泥減少熟料用量，混凝土減少水泥用量的目標，達到企業(yè)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(shù)1.10、質(zhì)量系數(shù)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(shù)據(jù)
|
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(chǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)。見表7。
表7 在φ500㎜×500㎜試驗磨機的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)
|
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(chǎn)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(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)
|
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(chǎn)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(chǎn)質(zhì)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(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量存在較大的差異。利用不同質(zhì)量的礦渣，粉磨相同比表面積的礦渣微粉，活性指數(shù)相差很大。
有多種礦渣資源的情況下，要優(yōu)先選擇質(zhì)量系數(shù)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(nèi)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(yōu)秀礦渣。見表11。
表11 邯鋼、水鋼、曲靖、內(nèi)江、歐洲烏克蘭鋼鐵廠礦渣化學成分
|
產(chǎn)地 |
LOSS |
SiO2 |
AL2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
Σ |
MnO |
TiO2 |
堿性系數(shù) |
質(zhì)量系數(shù) |
|
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(nèi)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(zhì)量不同。利用礦渣質(zhì)量系數(shù)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(zhì)量較好，利用70%的超細礦渣活化微粉與30%左右熟料粉生產(chǎn)礦渣水泥，3d抗壓強度達到20Mpa左右；如果礦渣質(zhì)量系數(shù)（＜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(chǎn)S105級礦渣微粉。
5 結論
從生產(chǎn)、實驗的各種數(shù)據(jù)表明，開路球磨機生產(chǎn)超細活化礦渣微粉，通過一系列技術措施和化學作用激發(fā)礦渣活性和消除研磨介質(zhì)的靜電現(xiàn)象，礦渣微粉比表面積達到450～550㎡/kg，礦渣微粉7d活性指數(shù)可達到100%左右，其活性指數(shù)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(chǎn)高等級礦渣微粉的目的。
據(jù)某市場調(diào)查，當?shù)?2.5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(chǎn)高等級礦渣微粉比生產(chǎn)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(yè)（不外購活性指數(shù)比較低的礦渣微粉）生產(chǎn)超細活化礦渣微粉，比表面積要達到450㎡/㎏～550㎡/㎏，7d活性指數(shù)達到100%左右，就可以實現(xiàn)利用少量熟料（30%左右熟料）生產(chǎn)礦渣水泥，可降低水泥生產(chǎn)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(chǎn)水泥的成本，還節(jié)省了大量的能源，減少了環(huán)境的污染，具有顯著的經(jīng)濟效益和較好的社會效益。
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