气淬钢渣作水泥混合材的初步研究

0  引言

    采用传统工艺处理得到的钢渣，其主要矿物相与硅酸盐水泥熟料类似，因而可用于生产水泥，但钢渣易磨性差，胶凝性矿物量少且活性低，粒径较大，fCaO含量较高，作水泥混合材后，易引起水泥安定性不良，生产的水泥强度普遍偏低，因此在水泥行业中不能大量使用。采用新处理工艺得到的气淬钢渣，其平均粒径<2mm的占到96％以上，相对于传统工艺处理得到的钢渣，其易磨性较好，fCa0含量较低，但单质铁含量较高。本文研究了气淬钢渣的粉磨特性及其在作水泥混合材时对水泥性能的影响，为其在水泥中的应用提供理论基础。

1  原材料性能

    1)熟料

    选用冀东水泥公司生产的硅酸盐水泥熟料，其化学成分见表1。

表1 水泥熟料的化学成分    ％

    2)气淬钢渣

    气淬钢渣是液态钢渣从转炉倒出后运至气淬粒化装置，采用氮气射流将液态钢渣冲击破碎，同时与氮气进行热量交换，整个系统采用密封技术。由于气淬后钢渣比表面积增加，换热强度较大，同时氮气射流温度在-100℃左右，可以实现液态钢渣的急冷。

    气淬钢渣呈圆球状，基本不用破碎，可直接粉磨，记为II。而采用传统工艺的普通钢渣呈块状，粉磨之前需用颚式破碎机破碎至<5mm，记为Ⅱ。两种钢渣的化学成分见表2。

表2   气淬钢渣与普通钢渣的化学成分    ％

    3)石膏

    石膏为天然二水石膏，其S0₃含量为39％。

2  试验方法与研究方法

1)试验方法

粉磨使用SMΦ500mm×500mm实验室小磨，细度按GB／T1345—1991测定；密度按GB／T208-1994测定；比表面积按GB/T8074-2008测定；水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性按GB/Tl346—2001测定；强度按GB/Tl7671-1999测定。

    2)研究方法

    对气淬钢渣进行磁选，然后钢渣、熟料及石膏混磨。最后对掺气淬钢渣的水泥做性能检测。

3  试验结果及分析

3．1试验配比及性能测试

    设计方案中掺气淬钢渣的水泥记为Q，掺普通钢渣的水泥记为P，其配比及物理性能检测结果见表3。

表3  钢渣水泥试验方案和物理性能

3．2 结果分析

3．2．1  气淬钢渣粉磨特性

将Ql、Pl分别粉磨25min、30min和35min，测定钢渣水泥细度，见图1；钢渣分别粉磨30min、50min、70min和90min，测定其密度及比表面积，结果见表4。

粉磨时间／min

图1  粉磨不同时间掺钢渣水泥的细度

表4  粉磨不同时间钢渣比表面积

从图l看出，掺气淬钢渣与掺普通钢渣的水泥易磨性都相对较差，但在相同粉磨时间内，掺普通钢渣水泥细度超过掺气淬钢渣水泥近3％，掺气淬钢渣水泥细度的下降趋势大于掺普通钢渣的水泥，间接说明了气淬钢渣的易磨性大于普通钢渣。

从表4看出，气淬钢渣的易磨性明显优于普通钢渣。随着粉磨时间的延长，气淬钢渣的比表面积几乎呈直线增长，而普通钢渣增长缓慢，且70min之后趋于平缓。说明气淬钢渣的团聚作用要小于普通钢渣。气淬钢渣作水泥混合材，其易磨性较好，可节约成本。

3．2．2掺气淬钢渣水泥水化机理

    气淬钢渣处理过程中，由于采用急冷，钢渣中绝大部分物质以玻璃体的形态存在，从而具有潜在的化学活性。而玻璃体含量增多，导致玻璃体能包住C₂S，抑制其晶型转变，生成了较多的β-C₂S，有利于水泥的后期强度。但是掺气淬钢渣水泥中具有水硬活性的硅酸盐矿物和铁铝酸盐矿物的总量比硅酸盐水泥低得多，同时钢渣中A矿发育很大，含量也比较低，导致水泥水化硬化速度较慢，从而凝结时间延长。但随着气淬钢渣掺入量的增多，其提供的活性组分能够完全吸收水泥水化放出的Ca(OH)₂，使水泥凝结时间缩短，这也是掺入60％气淬钢渣后水泥凝结时间缩短的原因。通过后期加大试验力度，调节钢渣、熟料和石膏掺入量以及加入其他的混合材，使其达到水泥正常凝结时间是完全可行的。

3．2．3掺气淬钢渣水泥安定性分析

    钢渣中fCa0是影响水泥安定性的主要因素，气淬钢渣fCa0含量测定结果见表5。

表5  不同粒径气淬钢渣fCa0含量    ％

    由表5看出，粒径≥2mm的气淬钢渣中fCa0含量比较高，粒径<2mm的fCa0含量<3％，用于水泥的气淬钢渣，平均粒径<2mm的占96％以上，而水泥中的钢渣fCa0含量<4．5％不会对其安定性造成影响。由于气淬钢渣粒径比较小，在实验室条件下，造成磁选铁的困难，虽然磁选过程可以除去大部分金属铁，但仍有少量铁，YB／T022–92《用于水泥中的钢渣》中规定，用于水泥中的钢渣，其金属铁的含量必须低于1％。研究发现，随着气淬钢渣掺量的增加，水泥中金属铁韵含量逐渐增加，导致在掺量达60％时，水泥的安定性不合格，见表3；且随着钢渣掺量的提高，S0₃的含量增高，也可能导致气淬钢渣水泥安定性不合格。

    fCa0、Mg0水化后易产生体积膨胀，是影响钢渣安定性的主要因素，而气淬钢渣中fCa0、Fe0含量低，因此气淬钢渣作为水泥混合材造成水泥安定性不良的主要因素已经克服，而针对气淬钢渣在掺量为60％时，金属铁含量过高导致水泥安定性不合格的问题，通过后期的气淬钢渣磁选铁工艺的完善，使气淬钢渣水泥的安定性合格，在理论上是完全可行的。

3．2．4掺气淬钢渣水泥的强度

    由表3看出，对于钢渣掺量为20％的水泥，其抗折强度相差不大，但是随着钢渣掺量的提高，掺普通钢渣水泥的抗折强度下降很快，而掺气淬钢渣水泥的稍平缓，且在钢渣掺量提高到40％时，掺气淬钢渣水泥的抗折强度明显高于掺普通钢渣的水泥，且二者抗压强度相差不多。因此通过熟料、气淬钢渣、石膏掺量的调节以及其他混合材的掺入，进一步提高其强度，生产高掺量、高等级水泥在理论上是可行的。

4  结论

    1)气淬钢渣的易磨性明显优于普通钢渣，在作为水泥混合材时，可降低粉磨成本。

    2)气淬钢渣作水泥混合材，fCa0含量已经能够满足生产要求，不再是造成水泥安定性不良的主要因素。

    3)随着钢渣掺量的提高，掺气淬钢渣与普通钢渣的水泥强度都呈下降趋势，但是气淬钢渣掺量提高到40％时，其抗折强度依然较高，建议通过调节熟料、气淬钢渣和石膏掺量以及掺入其他混合材，进一步提高其强度。