高钢渣掺量钢渣矿渣水泥粉磨工艺的研究
利用钢渣生产水泥是钢渣综合利用的重要途径，只有提高钢渣矿渣水泥中钢渣的掺量，才能加速钢渣资源的回收利用和减少其对环境的污染。近年来，钢渣矿渣水泥中另一重要原料——矿渣，以微细粉形式作为混凝土掺合料的应用发展很快[1]，势必拉动矿渣在混凝土领域的需求量，甚至还可能导致矿渣价格的上扬。而钢渣基本上属于无偿使用。因此降低矿渣掺量提高钢渣掺量，生产性能良好的钢渣矿渣水泥，显得十分必要。
在高钢渣掺量的前提下，如何充分发挥钢渣矿渣水泥中钢渣、矿渣、熟料等各组分物料的潜在活性以及它们之间互相激发的综合效应，以形成结构致密、强度高、性能良好的水泥石？配方研究固然十分重要，然而组成相同和比表面积相近的水泥，由于粉磨工艺的不同，会导致颗粒尺寸和颗粒分布不同，使水泥活性不同，从而可能表现出较大的性能差异[2]。本文对4种不同的粉磨工艺进行了研究和分析，试图寻求出一种技术经济效益*的生产工艺。
1试验原材料与方法
1.1试验原材料
转炉钢渣：取自韶关钢铁公司，出厂前已经经过粗破碎和粗除铁工艺。在粉磨前采用60×100颚式破碎机进行细破碎，zui大临界粒度为12mm，烘干后备用。其化学组成见表1。
粒状高炉矿渣：取自韶关钢铁公司，颜色灰白至黄白，密度为2.90g/cm3。在粉磨前过4目筛后烘干备用。其化学组成见表1。质量系数k=1.91，碱性系数m=0.78，属于高酸性矿渣。
煅烧石膏：采用二水石膏经950℃煅烧30min得到，其化学组成见表1。
水泥熟料：取自韶关水泥厂带四级旋风预热器的干法回转窑。在粉磨前采用60×100颚式破碎机进行细破碎，zui大临界粒度为12mm，其化学组成及物理强度见表2。
表2水泥熟料化学组成和物理强度
1.2试验方法
钢渣矿渣水泥的配方，通过*化试验，采用如下方案：钢渣50％、矿渣33％、熟料10％、煅烧石膏及外加剂7％。
粉磨设备采用φ500mm×500mm的实验球磨机，每次加料5.0kg。
根据gb1346－89〈水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法〉，用雷氏夹膨胀值测定仪测定钢渣矿渣水泥的体积安定性，采用调整水量法确定水泥标准稠度用水量。
试样比表面积的测定按照gb8074－87〈水泥比表面积测定方法（勃氏法）〉进行。
按gb/t2419－94〈水泥胶砂流动度测定方法〉确定成型时水灰比；按gb177－85〈水泥胶砂强度检验方法〉测定水泥强度，标准砂符合gb178－77〈水泥强度试验用标准砂〉的要求。
2试验结果与讨论
研究了4种粉磨工艺：（ⅰ）各物料直接混合粉磨；（ⅱ）钢渣预磨后再配料混磨；（ⅲ）矿渣预磨后再配料混磨；（ⅳ）各物料分别预磨后再配料混磨。对第ⅳ类型的粉磨工艺采用了三因素三位级的l9（34）正交试验方案：在固定熟料预磨40min的前提下，确定钢渣预磨时间、矿渣预磨时间和水泥混合粉磨时间为3个影响因素，各因素均是三位级，见表3。
表3粉磨类型ⅳ各因素及其位级因素位级
为了便于对比分析，引入“水泥综合粉磨时间”的概念：
水泥综合粉磨时间=σxiyi
xi——组分物料i在磨机中粉磨的总时间；
yi——组分物料i在水泥中的配比。
并认为，水泥综合粉磨时间相同的试样基本上具有相同的综合粉磨电耗，水泥综合粉磨时间越长，水泥综合粉磨电耗越大。
粉磨类型ⅰ、ⅱ、ⅲ各试样的原料预磨时间、水泥粉磨时间、水泥综合粉磨时间等试验参数以及水泥比表面积、凝结时间、雷氏夹膨胀值、安定性、水泥强度等试验结果列于表4中。粉磨类型ⅳ各试样的试验参数及试验结果列于表5中。
从表4和表5的试验结果可以看出，各试样的初凝时间处于2～4h之间，终凝时间处于4h30min～6h30min之间，w/c=0.44时的流动度大于116mm，均符合标准要求。通过作图分析发现，比表面积、初凝时间、终凝时间、流动度、标准稠度用水量与水泥综合粉磨时间之间的相关性差，故本文仅主要讨论粉磨工艺与水泥体积安定性以及强度性能之间的关系。
2.1粉磨工艺与水泥体积安定性
各试样雷氏夹膨胀值与综合粉磨时间的关系如图1所示。
图1各试样水泥体积安定性
从图1可以看到：对各物料直接混合粉磨的第ⅰ类型粉磨工艺，综合粉磨时间较小时，安定性合格，而当综合粉磨时间增加至90min时水泥体积安定性反而不良；对钢渣预磨后再配料混磨的粉磨类型ⅱ，各试样安定性均不合格，且同样出现综合粉磨时间达90min时雷氏夹膨胀值异常增大的现象；而对矿渣预磨30min后再配料混磨的粉磨类型ⅲ－1，综合粉磨时间达74min以后就出现安定性反而不合格的现象；矿渣预磨60min后再配料混磨的粉磨类型ⅲ－2，无论综合粉磨时间的长短，安定性均合格；粉磨类型ⅳ的试样中，雷氏夹膨胀值的大小与综合粉磨时间之间没有必然的，仅矿渣预磨时间比钢渣预磨时间短30min的f43样出现安定性不合格的现象。
研究表明[3，4]cao是导致钢渣矿渣水泥体积安定性不良的主要因素，而钢渣中fcao不良影响的消除和水泥体积安定性的改善可以通过掺加矿渣、降低体系的碱度来实现。在钢渣矿渣水泥体系中，钢渣水化时，其释放ca（oh）2的速度不但与自身的粉磨细度成正比，而且与水化体系中ca2＋的浓度成反比。欧阳东[5]的研究结果表明，钢渣易磨性比熟料稍差但优于矿渣。因此，在总粉磨电耗确定的前提下，共同粉磨时间过长，会使水泥熟料粒度过细，水化时大量生成的ca2＋可能对钢渣的水化起抑制作用，而粒度相对较粗的矿渣又不能及时地与fcao结合生成相应的水化产物，反而会导致水泥体积安定性不良。因此，在钢渣和矿渣掺量确定的前提下，努力提高矿渣的细度，加速矿渣与水化体系中ca2＋的反应，创造一个有利于钢渣水化的外部环境，似乎对于消除钢渣中fcao的危害具有更加积极的作用。
根据试验结果和前面的分析，钢渣预磨后再配料混磨的第ⅱ粉磨类型是不可取的；而若采用各物料直接进行共同粉磨的第ⅰ粉磨类型进行生产时，是难以通过延长物料粉磨时间来改善水泥强度等性能的。
第ⅲ类型粉磨工艺是值得商榷的。首先，矿渣经预磨后，后续的粉磨速度本来就比较低；其次，共同粉磨时，钢渣、熟料的颗粒远比经过预磨的矿渣为大，共同粉磨的前期将主要作用在钢渣、熟料的细碎上，而对矿渣细小化的贡献将大为降低。这种情况下，随着共同粉磨时间的延长，粉磨状况则逐渐接近于第ⅰ类型。此外，在共同粉磨初期，由于各物料粒度差别较大，预磨后的矿渣细粉所形成的缓冲垫层，会降低粉磨效率，从而造成了能量上不必要的浪费。
采用第ⅳ类型粉磨工艺是适宜的。人们*可以通过调节各物料预磨时间和共同粉磨时间，以使矿渣对碱和fcao的吸收能力达到与钢渣、熟料释放碱的速度相匹配的要求，也不存在因入磨粒度差距较大所造成的能量浪费和粉磨效率的降低。
因此，从水泥体积安定性的角度考虑，采用各物料分别预磨后再共同粉磨的工艺是有利的。
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1.1试验原材料
转炉钢渣：取自韶关钢铁公司，出厂前已经经过粗破碎和粗除铁工艺。在粉磨前采用60×100颚式破碎机进行细破碎，zui大临界粒度为12mm，烘干后备用。其化学组成见表1。
粒状高炉矿渣：取自韶关钢铁公司，颜色灰白至黄白，密度为2.90g/cm3。在粉磨前过4目筛后烘干备用。其化学组成见表1。质量系数k=1.91，碱性系数m=0.78，属于高酸性矿渣。
煅烧石膏：采用二水石膏经950℃煅烧30min得到，其化学组成见表1。
水泥熟料：取自韶关水泥厂带四级旋风预热器的干法回转窑。在粉磨前采用60×100颚式破碎机进行细破碎，zui大临界粒度为12mm，其化学组成及物理强度见表2。
表2水泥熟料化学组成和物理强度
1.2试验方法
钢渣矿渣水泥的配方，通过*化试验，采用如下方案：钢渣50％、矿渣33％、熟料10％、煅烧石膏及外加剂7％。
粉磨设备采用φ500mm×500mm的实验球磨机，每次加料5.0kg。
根据gb1346－89〈水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法〉，用雷氏夹膨胀值测定仪测定钢渣矿渣水泥的体积安定性，采用调整水量法确定水泥标准稠度用水量。
试样比表面积的测定按照gb8074－87〈水泥比表面积测定方法（勃氏法）〉进行。
按gb/t2419－94〈水泥胶砂流动度测定方法〉确定成型时水灰比；按gb177－85〈水泥胶砂强度检验方法〉测定水泥强度，标准砂符合gb178－77〈水泥强度试验用标准砂〉的要求。
2试验结果与讨论
研究了4种粉磨工艺：（ⅰ）各物料直接混合粉磨；（ⅱ）钢渣预磨后再配料混磨；（ⅲ）矿渣预磨后再配料混磨；（ⅳ）各物料分别预磨后再配料混磨。对第ⅳ类型的粉磨工艺采用了三因素三位级的l9（34）正交试验方案：在固定熟料预磨40min的前提下，确定钢渣预磨时间、矿渣预磨时间和水泥混合粉磨时间为3个影响因素，各因素均是三位级，见表3。
表3粉磨类型ⅳ各因素及其位级因素位级
为了便于对比分析，引入“水泥综合粉磨时间”的概念：
水泥综合粉磨时间=σxiyi
xi——组分物料i在磨机中粉磨的总时间；
yi——组分物料i在水泥中的配比。
并认为，水泥综合粉磨时间相同的试样基本上具有相同的综合粉磨电耗，水泥综合粉磨时间越长，水泥综合粉磨电耗越大。
粉磨类型ⅰ、ⅱ、ⅲ各试样的原料预磨时间、水泥粉磨时间、水泥综合粉磨时间等试验参数以及水泥比表面积、凝结时间、雷氏夹膨胀值、安定性、水泥强度等试验结果列于表4中。粉磨类型ⅳ各试样的试验参数及试验结果列于表5中。
从表4和表5的试验结果可以看出，各试样的初凝时间处于2～4h之间，终凝时间处于4h30min～6h30min之间，w/c=0.44时的流动度大于116mm，均符合标准要求。通过作图分析发现，比表面积、初凝时间、终凝时间、流动度、标准稠度用水量与水泥综合粉磨时间之间的相关性差，故本文仅主要讨论粉磨工艺与水泥体积安定性以及强度性能之间的关系。
2.1粉磨工艺与水泥体积安定性
各试样雷氏夹膨胀值与综合粉磨时间的关系如图1所示。
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从图1可以看到：对各物料直接混合粉磨的第ⅰ类型粉磨工艺，综合粉磨时间较小时，安定性合格，而当综合粉磨时间增加至90min时水泥体积安定性反而不良；对钢渣预磨后再配料混磨的粉磨类型ⅱ，各试样安定性均不合格，且同样出现综合粉磨时间达90min时雷氏夹膨胀值异常增大的现象；而对矿渣预磨30min后再配料混磨的粉磨类型ⅲ－1，综合粉磨时间达74min以后就出现安定性反而不合格的现象；矿渣预磨60min后再配料混磨的粉磨类型ⅲ－2，无论综合粉磨时间的长短，安定性均合格；粉磨类型ⅳ的试样中，雷氏夹膨胀值的大小与综合粉磨时间之间没有必然的，仅矿渣预磨时间比钢渣预磨时间短30min的f43样出现安定性不合格的现象。
研究表明[3，4]cao是导致钢渣矿渣水泥体积安定性不良的主要因素，而钢渣中fcao不良影响的消除和水泥体积安定性的改善可以通过掺加矿渣、降低体系的碱度来实现。在钢渣矿渣水泥体系中，钢渣水化时，其释放ca（oh）2的速度不但与自身的粉磨细度成正比，而且与水化体系中ca2＋的浓度成反比。欧阳东[5]的研究结果表明，钢渣易磨性比熟料稍差但优于矿渣。因此，在总粉磨电耗确定的前提下，共同粉磨时间过长，会使水泥熟料粒度过细，水化时大量生成的ca2＋可能对钢渣的水化起抑制作用，而粒度相对较粗的矿渣又不能及时地与fcao结合生成相应的水化产物，反而会导致水泥体积安定性不良。因此，在钢渣和矿渣掺量确定的前提下，努力提高矿渣的细度，加速矿渣与水化体系中ca2＋的反应，创造一个有利于钢渣水化的外部环境，似乎对于消除钢渣中fcao的危害具有更加积极的作用。
根据试验结果和前面的分析，钢渣预磨后再配料混磨的第ⅱ粉磨类型是不可取的；而若采用各物料直接进行共同粉磨的第ⅰ粉磨类型进行生产时，是难以通过延长物料粉磨时间来改善水泥强度等性能的。
第ⅲ类型粉磨工艺是值得商榷的。首先，矿渣经预磨后，后续的粉磨速度本来就比较低；其次，共同粉磨时，钢渣、熟料的颗粒远比经过预磨的矿渣为大，共同粉磨的前期将主要作用在钢渣、熟料的细碎上，而对矿渣细小化的贡献将大为降低。这种情况下，随着共同粉磨时间的延长，粉磨状况则逐渐接近于第ⅰ类型。此外，在共同粉磨初期，由于各物料粒度差别较大，预磨后的矿渣细粉所形成的缓冲垫层，会降低粉磨效率，从而造成了能量上不必要的浪费。
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因此，从水泥体积安定性的角度考虑，采用各物料分别预磨后再共同粉磨的工艺是有利的。
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