工业固废应用技术专业委员会冶炼渣类技术论文 黄迪1 高国才1 任志国2 1北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京 100029 2 中冶国际工程集团有限公司 北京 100029 摘要：为了更好的利用分质处理后的钢渣

工业固废应用技术专业委员会冶炼渣类技术论文

黄迪¹ 高国才¹ 任志国²

1北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京 100029

2 中冶国际工程集团有限公司 北京 100029

摘要：为了更好的利用分质处理后的钢渣，提出将粒化水淬钢渣用于透水砖生产，将热闷钢渣用于泡沫混凝土生产的工艺方案。经过工业化试验后证明，钢渣骨料掺加比例为87%时，透水砖可达到Cc40级别，且透水性能、抗冻融性能良好；钢渣微粉参加比例达到40%时，泡沫混凝土可达到B06，A3.5级别，且导热系数、抗冻融性均能达到国家标准。两种产品生产工艺简单，养护过程无需耗费大量燃煤，具有成本低、能源消耗小、减排效益明显等优势。

关键词：分质处理，钢渣，透水砖，泡沫混凝土

1、 前言

根据液态钢渣的粘稠度，不同状态的钢渣采用不同的处理方法，稀渣适合采用轮法粒化的处理方法，因稀渣中包裹的铁颗粒少，流动性好，用粒化轮法处理具有处理速度快，环境污染小，粒化后的钢渣颗粒细小均匀等特点。而稠态钢渣则适合采用传统的热闷法处理钢渣，稠态钢渣流动性小，渣中包含部分颗粒铁，采用热闷法能很好的实现渣、铁分离，渣粉化后的钢渣在后续的破碎、粉磨、磁选工序中具有很好的研磨性，且较容易选出其中的磁性铁。

液态钢渣的处理方法不同，处理后的固态钢渣的品性也会有不同。粒化轮法处理后的钢渣具有钢渣粒度小且均匀、95%以上为5mm以下的圆颗粒，具有玻璃相含量高、硬度大，f-CaO含量低等特性。热闷处理后的钢渣由于渣、铁分离，其中的磁性铁较易被磁选出，因而具有铁含量低、粉磨后比表面积大，胶凝性好等特性。本文针对这两种不同性质的钢渣设计了不同的利用方法，分别应用于透水砖与泡沫混凝土两种产品中。

2、 钢渣在透水砖中的应用

2.1粒化水淬钢渣物理化学性质

透水砖骨料所用钢渣为粒化转炉钢渣，主要化学成分分析结果见表2-1，XRD分析结果见图2-1。

表2-1某钢厂粒化水淬钢渣化学成分（wt%）

样品	SiO2	Al2O3	Fe2O3	FeO	MgO	CaO	P2O5	MnO	S	f-CaO
钢渣	12.94	2.13	18.88	9.85	7.55	43.46	0.58	2.61	0.18	1.56

F- 镁橄榄石（（Mg,Fe）₂SiO₄） S- 铁酸二钙（Ca₂Fe₂O₅）

T- 钙铁铝石（Ca₂(Al,Fe）₂O₅) Z- 铁酸钙（CaFe₃O₅）

L- 硅酸二钙 C- 硅酸三钙 M- 铝酸钙（Ca₁₂Al₁₄O₃₃） R- RO相

从表2-1可以看出，钢渣主要化学成分为CaO，含量高达43.46%；其次是铁的含量，其中Fe₂O₃含量达18.88%，FeO含量达9.85%；此外，含有12.94%的SiO₂、7.55%的MgO、2.13%的Al₂O₃和2.61%的MnO，碱性系数M₀= 3.38＞1，为碱性渣。钢渣中主要的物相组成为硅酸二钙、硅酸三钙、橄榄石、铁酸钙、铁酸二钙和铝酸钙等，以及RO 相（FeO、MnO和 MgO等的固溶体）。

2.2 原理分析

从粒化水淬钢渣组成成分可以看出,这种钢渣与普通钢渣相比，CaO、MgO含量偏高，而SiO₂、Al₂O₃含量偏低，造成碱度偏高，其碱度可达到3.38，同时由于未经磁选，其Fe₂O₃含量也偏高，这使得钢渣用传统方法生产建材会产生一些困难和问题。但经过粒化水淬快速冷却后的钢渣f-CaO含量较低，用此钢渣生产透水砖膨胀系数低，不易开裂。SiO₂和Al₂O₃这些酸性氧化物可发生水化反应，生成理化性质稳定的硅酸盐和铝酸盐，它们具有一定的强度；另外，钢渣中含有较多的CaO，遇水则生成Ca(OH)₂,为水化反应提供了碱性环境，对凝胶物质的形成具有一定的碱激发作用。钢渣主要的矿物组成为γ-C₂S、β- C₂S、RO相、方镁石、镁蔷薇辉石等矿物，这些矿物均具有一定的火山灰特性，使钢渣与其它原料发生反应产生强度；而且本文使用的钢渣是在轮法急冷条件下产生的，球状体内玻璃相达到95%以上，在球状体内含有10%的金属氧化物被玻璃相包裹着，其硬度、强度都非常高比热闷法产出的钢渣颗粒强度高出30%。透水砖的骨料为圆形颗粒比菱形颗粒渣骨料受力均匀，局部不会产生应力集中的现象，所以在高压、抗折、抗冻、抗磨方面圆形骨料有明显的优势。这些条件都为钢渣透水砖中的胶凝材料以及骨料奠定了基础。

2.3 工艺流程

1） 原料储存及混合料制备

粒化钢渣：由钢铁厂粒化后的钢渣可直接运送至透水砖生产现场，经晾干后含水率达到2%左右时方可使用，同时需满足f-CaO≤1%。用粗筛和细筛将大于5mm的超大颗粒和小于0.6mm的微细粉末分别筛分出去，剩余的颗粒均可做骨料。骨料经过振动筛可分为粗、细两个等级的骨料，可根据生产透水砖的类型选择需要的骨料类型。筛分后的骨料经皮带输送至计量斗进行称量。

胶凝材料：水泥堆放在堆棚中，经过水泥料斗放料至皮带上，最终输送至计量斗进行称量。

外加剂：外加剂是由硅灰和减水剂配制而成，需提前配制好储存在外加剂料仓中，需要时通过皮带输送至称量斗称量。

2） 配料搅拌工序

以上所述各种原料，各自通过料仓下的出料，输送设备的控制，按照一定的配比，经各自计量称计量后，按钢渣、水泥、外加剂的顺序依次写入双卧辊强制搅拌机，加一定计量的水后进行高强度搅拌，搅拌后通过皮带输送至受料斗，受料斗配合砌块机的生产速率下料。

搅拌过程中严格控制加水量和搅拌时间，水灰比、搅拌强度和时间都会影响透水砖砌块的强度和透水性等性能。

3）透水砖成型

液压压砖机受料斗将混合料喂入压机模具，经压制成为砖坯，成型周期为16~20秒，砖坯经压砖机出砖机械手传送皮带机全自动码砖机，将砖坯码放在养护小车上。

为保证透水砖质量，混合料水灰比要适量，浇注后一次压制成型，振动时间不宜过长。

4） 养护及存放

码好砖坯的养护小车被自动推入至养护隧道在一定的温度和湿度条件下进行养护，提高坯体的早期强度。养护隧道不需要额外加设锅炉等装置，仅依靠太阳能收集系统就可提供养护所需的温度和湿度，24小时后出隧道。砌块和小车经过轨道运至大棚养护场，盖上塑料膜保温保湿养护，静养三天后可将塑料膜拆除进行自然养护。每天喷洒一定量的水，洒水量以保持坯体的潮湿状态为佳，以此维持水泥的正常水化进行。

2.4 实验结果

表2-2 透水砖性能检测表

3、 钢渣在泡沫混凝土中的应用

3.1 实验原料

1）钢渣取自本溪钢铁厂经热闷处理的钢渣，主要结晶态物质为镁橄榄石、铁酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸钙、RO相（FeO-MgO-MnO的固溶体）等。

2）水淬高炉矿渣

取自首钢的水淬高炉矿渣，颜色呈半透明的灰白色。化学成分如表3-1所示。对磨细的水淬高炉矿渣进行XRD分析表明，该水淬高炉矿渣物相组成以玻璃态为主，未见其他明显的结晶相。

3）水泥熟料

试验使用的水泥熟料为普通硅酸盐水泥熟料，为0.5～50 mm的球形颗粒，其质量符合GB/T21372-2008标准，主要的矿物组成有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等，其化学成分如表3-1所示。

4）天然石膏

技术要求符合GB/T5483-2008天然石膏G类二级标准要求，XRD分析结果表明其主要物相是CaSO4·2H₂O，未见其它结晶相。

5）石灰

石灰为中速消解石灰，活性CaO含量为65%左右、MgO＜6%，烧失量≤8%，+0.08 mm方孔筛筛余12%～15%，消解时间12 min，消解温度可达65 ℃

6）铝粉

发气剂为亲水性铝粉，其活性Al含量≥90%，+0.08 mm产率≤3.0%，发气率≥80%，发气时间≤20 min,亲水性≤20 s。

表3-1 主要原料化学成分（wt%）

3.2 实验原理

目前绝大多数泡沫混凝土胶凝材料采用的是水泥和粉煤灰，泡沫混凝土是一种大水灰比混凝土，水泥完全水化后砌块制品干缩大，用超细矿物掺合料代替部分水泥，同时利用钢渣微膨胀的特点，可以弥补泡沫混凝土干缩大的缺点。另一方面，克服了现有技术中存在的低品位含铁钢尾渣回收利用率低以及钢渣做建材中因膨胀引起的制品开裂等问题，利用超细粉磨消除钢渣膨胀效应，通过将钢尾渣粉磨成超细粉后使用，可减弱f-CaO，f-MgO的膨胀效应，从而大幅度消除对泡沫混凝土砌块的不利影响。同时利用钢渣和高炉渣粉代替部分水泥作为泡沫混凝土的钙质材料，充分利用钢尾渣的高碱度来激发水淬矿渣的活性，弥补了制品早期强度的不足。钢尾渣在为水化反应提供碱激发条件的同时还为铝粉的发气提供碱性环境。

3.3 工艺流程

（1） 混合料的制备

1）将炼钢厂排出的钢渣经过常规的破碎、筛分和磁选工艺，磁选后的钢尾渣进行分级后烘干，在本技术中作为生产泡沫混凝土砌块的钢尾渣粒度应≤5mm，烘干至含水率≤1％后，使用球磨机磨细至比表面积达到440cm²/g，送至料浆罐储存。

2）将高炉炼铁得到的炉渣经过常规水淬后得到粒径≤10mm的矿渣，烘干至含水率≤1％后，使用球磨机磨细至比表面积达到530cm²/g，送至料浆罐储存。

3）石灰、水泥熟料和石膏经带式输送机送入颚式破碎机进行破碎，破碎后的石灰、水泥熟料和石膏经斗式提升机送入石灰、水泥熟料和石膏储仓，然后经螺旋输送机送入球磨机，磨细后的物料送至粉料配料仓中。

（2） 泡沫混凝土制品的制备过程

1）将磨细的钢渣与矿渣粉（两种钢铁冶金渣在泡沫混凝土中的掺量达到75%以上）与水泥熟料、石膏和石灰按比例配料后由仓下的螺旋输送机依次送到自动计量秤累积计量，秤下有螺旋输送机可将物料均匀加送入浇注搅拌机内。

2）将50℃~55℃的水注入加有上述混合原料的浇注搅拌机内，加水重量为混合物料总重的0.5~0.6倍，搅拌1min~2min后加入混合物料总重0.65‰~0.75‰的发气铝粉。搅拌一定时间0.5~1min后，浇注到模具中。

3）浇注后模具推入初养室进行发泡、静停养护初凝，室温为50～70℃，初养时间为8~10小时，静养后用吊具将模框及坯体一同吊到翻转台上，脱去模框，地面翻转切割机即对坯体进行横切、纵切、铣面包头，将切好的砌块放置在常温养护车间（温度50℃~55℃，湿度≥90%）静置28天即可。

3.4 实验结果讨论

3.4.1 钢渣掺量对泡沫混凝土强度性能的影响

由于矿渣在碱性环境下具有加快水化速度的特性，钢渣与矿渣配合，一方面钢渣中的碱性水化产物可以激发矿渣水化^[1]，另一方面矿渣可吸收钢渣水化所生成的Ca（OH）₂并在一定程度上促进f-CaO的早期水化，可以提高混凝土砌块的稳定性和强度，两者配比所产生的协同效应可使泡沫混凝土的性能得到优化。

试验中确定钢渣和矿渣的总掺量为75%，图3-2为（钢渣+矿渣）：石灰：水泥熟料：石膏配比为75:5:10:10，水料配比为0.6，铝粉掺量为干物料总重量的0.075%时，不同钢渣掺的配比量对含湿泡沫混凝土试块强度性能的影响曲线；图3-4为不同钢渣掺量对泡沫混凝土试块绝干强度及绝干比强度的影响曲线。绝干比强度为试块绝干强度与绝干容重的比值，是假定在容重完全相同的条件下，研究其它因素的变化对泡沫混凝土强度性能的影响。

从图3-2可以看出，随着钢渣掺量的逐渐增加，泡沫混凝土试块养护3天、7天的抗压强度呈逐渐减小的趋势， 钢渣掺量10%与50%的试块相比，养护3天强度降低71.2%，养护7天强度降低39.1%，这说明钢渣对制品前期强度的贡献不明显，试块强度随着矿渣掺量的逐渐减少而降低。这主要是因为矿渣含有大量不稳定的玻璃体结构，在碱和硫酸盐激发下，可发生水化反应并产生凝胶性^[2]。而钢渣由于煅烧温度较高，液态钢渣在水中快速冷却时，不仅大大缩短了钢渣中形成C₂S、C₃S的时间，而且已形成的活性矿物也将发生预水化反应，从而使钢渣的反应性能降低^[3][4],欧阳东等的研究表明，钢渣中的磷大部分集中在硅酸盐相中，也使得硅酸盐相的反应活性降低^[5]；另一方面，钢渣中的铝酸盐、铁酸盐等矿物活性将在反应后期才能逐渐得到释放。

从图3-3中可以看出，绝干比强度曲线的变化趋势较为平缓，说明当假定试块容重相同的情况下，钢渣掺量对试块28天的绝干容重影响较小。当钢渣掺量为30%时，制品养护28天的绝干强度和绝干比强度均达到了最大值，说明排除容重影响后，钢渣掺量30%时为该体系的优化掺量，此时试块的绝干强度为4.97Mpa，绝干比强度为8.10×10^-3，绝干容重为615g/cm³。由于本实验要实现强度性能满足要求的基础上实现钢渣掺量最大的目的，所以选取钢渣掺量为40%时为优化掺量，此时试块的绝干强度为4.78 Mpa，比30%试块强度仅降低3.8%。

3.4.2最终产品性能

表3-2 钢渣泡沫混凝土性能检测指标

根据实验结果可以得出钢渣掺量为20%、30%、40%、50%的相关性能参数均能达到CJ/T 1062-2007《泡沫混凝土砌块》要求参数，具体对比见表3-3所示：

表3-3不同钢渣掺量的泡沫混凝土参数对比表

编号	钢渣掺量 （%）	矿渣掺量 （%）	28天绝干抗压强度（MPa）	干表观密度 （kg/m3）	符合级别
①	20	55	4.87	612	A3.5、B06
②	30	45	5.10	618	A5.0、B06
③	40	35	4.99	628	A3.5、B06
④	50	25	4.24	630	A3.5、B06

钢渣掺量为20%、30%、40%、50%中，28天的绝干抗压强度只有掺量为30%时达到A5.0级别，其余均能达到A3.5的级别，而干表观密度均能达到B06级别。从应用角度考虑，应当结合产品的性能要求和企业注重对哪种固废的消纳，如果注重对钢渣的消纳，则推荐钢渣掺量为35~45%，对应矿渣掺量为40~30%；如果注重对矿渣的消纳，则推荐使用矿渣掺量为40~50%，对应钢渣掺量为35~25%；如果要求产品强度比较高，则推荐使用钢渣掺量为30%，矿渣掺量为45%的配比。

4、结论

钢渣透水砖及泡沫混凝土具有高效利用钢渣、矿渣等钢铁企业工业固废的特点，用优化简练的生产工艺、较低的生产成本生产出高附加值的钢渣产品。

钢渣透水砖由于是将筛分后钢渣直接用作透水砖骨料，将矿渣粉与熟料成分用作透水砖中的胶凝材料，配制透水砖中的骨料和胶凝材料大部分采用的都是固体废弃物，大大提高了钢渣的利用率，成本也低于传统的用水泥和河砂为主生产的透水砖，这对于节能减排具有重要意义，并解决了水淬法钢渣成分复杂不易大量综合利用的难题。

钢渣泡沫混凝土生产工艺流程短，简便、易操作，不需要蒸压釜加压加温养护等工艺。由于所用原料简单，不需要蒸压釜养护等工艺技术，在设备投资和生产能耗上降低了生产成本，具有投资少、运行费用低等优势。减少了因燃煤锅炉需向工艺中提供热蒸汽而烧煤所产生二氧化碳、二氧化硫的排放，在节能减排，降低能源消耗、减少二次污染上具有优势。

参考文献

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