周明凱，周萬倫，陳 瀟

(武漢理工大學材料科學與工程學院,硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

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錳鐵合金渣與礦棉渣的易磨性與活性評價

周明凱，周萬倫，陳 瀟

(武漢理工大學材料科學與工程學院,硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

YW某鐵合金公司排放的錳鐵合金渣為水淬渣，其Al2O3含量僅1.9%，該公司將液態(tài)錳鐵合金渣加Al2O3調(diào)質(zhì)用于生產(chǎn)礦棉，排放的風冷渣其Al2O3含量提高至8.7%，兩種渣的質(zhì)量系數(shù)均為1.0。通過與礦渣的對比研究表明：水淬渣活性高，但易磨性差；風冷渣活性低，易磨性好。錳鐵合金渣Al2O3含量低、質(zhì)量系數(shù)與活性比礦渣低，但比Al2O3含量高的礦棉渣活性好。物理方法可以激發(fā)錳鐵合金渣及礦棉渣的潛在活性，且粉磨時間愈長，活性愈高。

錳鐵合金渣； 易磨性； 活性； 物理激發(fā)

1 引 言

YW某鐵合金公司每年排放錳鐵合金渣70萬t，采用水淬急冷的方式進行預處理，得到的錳鐵合金渣其CaO和SiO2含量可達90%，但Al2O3含量僅1.9%，是一種低鋁鐵合金渣；礦棉渣是利用液態(tài)錳鐵合金渣加Al2O3調(diào)質(zhì)在制備礦棉過程中排出的渣球經(jīng)風冷收集得到，年排放量約0.8萬t，其Al2O3含量提高到8.7%。研究表明，礦渣的活性與其化學組成和冷卻方式密切相關[1]，本文就此對錳鐵合金渣及礦棉渣的易磨性與活性進行了對比研究。

2 試 驗

2.1 原材料

2.1.1 礦渣的化學組成與礦物成分

錳鐵合金渣與礦棉渣均取自YW某鐵合金公司，對照組所用的礦渣是由WH某鋼鐵廠提供的水淬渣，三種渣的化學組成與礦物成分見表1、圖1及圖2。

由表1分析可知，錳鐵合金渣與礦棉渣的Al2O3含量分別為1.93%、8.72%，遠低于礦渣的15.29%，兩者的質(zhì)量系數(shù)與堿度均約為1.0，遠低于礦渣的1.76和1.39，均屬于中性低活性渣。

由圖1及圖2可知，錳鐵合金渣中玻璃體含量較高，主要礦物成分為假硅灰石，其次還存在著鈣鋁黃長石、二氧化硅、硅酸二鈣、硅酸三鈣以及透輝石等礦物組分；而礦棉渣主要含有鎂黃長石，還有二氧化硅及鈦和鋁的氧化物等其他組分，礦物多以結晶態(tài)形式存在，玻璃體含量相對較少。

表1 錳鐵合金渣、礦棉渣及礦渣的化學組成、堿度及質(zhì)量系數(shù)

圖1 錳鐵合金渣的XRD衍射圖像Fig.1 Ferromanganese alloy slag's XRD

圖2 礦棉渣的XRD衍射圖像Fig.2 Mineral wool slag's XRD

2.2 試驗方法

2.2.1 易磨性

采用3HZ100型制樣粉碎機進行粉磨。將三種原狀渣過篩后取0.6～1.18mm作為同一級配，在烘箱內(nèi)烘干至含水率在1%以下備用。粉磨時，每個磨盤內(nèi)加入物料約90g，粉磨2～10min，每2min為一個時間間隔后取出，制備不同粉磨時間的礦粉。

2.2.2 細度測定

采用比表面積表征礦粉細度，按照GB/T8074-2008《水泥比表面積測定方法-勃氏法》測試。

2.2.3 需水量比測定與活性評價

需水量比的測定參照GB/T18736-2002 《高強高性能混凝土礦物外加劑》附錄C進行，活性評價參照GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗方法》中水泥膠砂的28d抗壓強度比試驗進行。其中水泥采用華新(堡壘牌)普通硅酸鹽42.5水泥，28d抗折、抗壓強度可達9.1MPa和45.0MPa。

3 結果與討論

3.1 易磨性

為探討錳鐵合金渣及礦棉渣制備礦渣微粉的可行性，現(xiàn)將三種原狀渣進行不同時間下的粉磨，并分別測定其比表面積，結果見圖3。

從圖3可看出三種渣中礦棉渣的易磨性最好，且隨著粉磨時間的延長，比表面積近乎直線上升，粉磨6min時的比表面積已經(jīng)超過500m2/kg，分別比礦渣和錳鐵合金渣高33.2m2/kg、50.7m2/kg，同時其粉磨10min時的比表面積快接近600m2/kg；而錳鐵合金渣與礦渣易磨性相似，6min前比表面積隨粉磨時間的延長均勻增加，當粉磨時間超過6min時，兩者的細度變化均不明顯，粉磨10min時兩者的比表面積均未能突破500m2/kg。這表明風冷渣比水淬渣的易磨性好，可能是因為水淬渣中玻璃體含量較高導致其易磨性差的原因。

3.2 需水性

對不同粉磨時間下錳鐵合金渣及礦棉渣的需水量比進行測定，結果見圖4。由圖4可知，兩種渣的需水量比隨著粉磨時間的延長均呈現(xiàn)上升的趨勢，但都小于100%。這是因為兩種渣經(jīng)過粉磨后破壞了其原有的疏松結構，從而減少了渣對水的吸附，導致用水量小于225g；但隨著粉磨時間的延長，渣的比表面積不斷變大且均大于水泥，當渣等質(zhì)量取代水泥時，使參與水化的反應面積增大，導致需水量增加。2～6min時錳鐵合金渣的需水量比從94%迅速增加到97%后恒定不變，而礦棉渣在2～10min時需水量比持續(xù)上升，由95%增至99%。相同粉磨時間下礦棉渣的需水量比都要高于錳鐵合金渣，結合兩者的比表面積可知，相同粉磨時間下礦棉渣的細度要大于錳鐵合金渣，達到相同的膠砂流動度時，需要更多的拌合水，故礦棉渣的需水量大。

圖3 不同粉磨時間下三種渣的比表面積Fig.3 Three kinds of slag's specific surface area with different grinding time

圖4 不同粉磨時間下兩種渣的需水量比Fig.4 Ferromanganese alloy slag and mineral wool slag's water demand ratio with different grinding time

3.3 活 性

將不同粉磨時間的錳鐵合金渣、礦棉渣及礦渣按30%的摻量取代水泥制備砂漿，砂漿成型一天后脫模，放置在(20±1) ℃水中養(yǎng)護，測定各齡期的抗折、抗壓強度和28d抗壓強度比，詳細數(shù)據(jù)見表2。

表2 三種渣配制水泥砂漿的強度及28 d抗壓強度比

續(xù)表

注：0表示純水泥砂漿參照樣，A、B、C表示錳鐵合金渣、礦棉渣及礦渣取代30%水泥配制的砂漿，2、4、6、8、10表示粉磨時間。

由表2中的強度數(shù)據(jù)可知，隨著粉磨時間的延長，三種渣配置的水泥3d、7d及28d強度具有不同程度的提高，表明物理方法可以激發(fā)渣的潛在活性。究其原因，錳鐵合金渣及礦棉渣本身就具有一定的活性，粉磨后顆粒的比表面積大小影響其水化速度及凝結核硬化效果，最終體現(xiàn)在力學性能上，也就是強度的大小[2]。因為活性顆粒材料與水接觸后，水化反應僅在顆粒表面進行，而后逐步向顆粒內(nèi)部發(fā)展，活性顆粒完全水化需要一個較長的過程。粉磨時間愈長，粒度愈細，比表面積愈大，與水接觸面積也更大，水化反應就越充分，凝結硬化的速度也快，最終得到強度較高的硬化體[3]。所以增加材料的物理細度，錳鐵合金渣及礦棉渣配置的水泥抗折、抗壓強度都有所提高。

圖5 三種渣水泥砂漿28 d抗壓強度比與粉磨時間的關系Fig.5 Relation between 28 d compressive strength ratio and grinding time of cement mortar with three kinds of slag

錳鐵合金渣Al2O3含量及堿度系數(shù)低，其活性較礦渣差，當比表面積均達到374m2/kg和450m2/kg時，其28d抗壓強度比相差21.3%和15.3%。但盡管錳鐵合金渣的質(zhì)量系數(shù)K僅為1.0，遠小于國家標準GB203-78對?；郀t礦渣的要求K>1.2的要求，其活性仍可達85%～90%，可作為活性混合材。礦棉渣雖然Al2O3含量及K值均比錳鐵合金渣高，但其活性僅70%～78%，較錳鐵合金渣低約25.0%。這是因為錳鐵合金渣經(jīng)水淬急冷處理后，生成了能量較高的無定形玻璃體結構，因而具有較高的活性。

由圖5分析可知隨著粉磨時間的延長細度的增加，三種渣的活性均有不同程度的提高。對于錳鐵合金渣與礦渣而言，當粉磨時間超過6min后，其細度增長不大，活性增幅亦很??；對于礦棉渣而言，雖然隨著粉磨時間的延長，細度大幅增長，但活性提高幅度也小，粉磨10min時比表面積達到570m2/kg其活性僅78%，比粉磨4min比表面積約450m2/kg的活性僅提高了10%。

4 結 論

(1)風冷渣玻璃體含量少，活性低、但易磨性好；水淬渣玻璃體含量多，活性高、但易磨性差；經(jīng)風冷收集的礦棉渣隨粉磨時間延長，比表面積快速增加，而水淬礦渣與錳鐵合金渣，比表面積達到450m2/kg后，很難進一步磨細；

(2)水淬錳鐵合金渣Al2O3低、質(zhì)量系數(shù)小，活性比礦渣差；但玻璃體含量高，其活性比Al2O3含量高、質(zhì)量系數(shù)大的風冷礦棉好；

(3)錳鐵合金渣的質(zhì)量系數(shù)只有1.0，但活性可達85%以上，可作為活性摻合材。

[1] 郜志海,韓靜云,魏其慶,等.錳鐵合金高爐廢渣易磨性的試驗研究[J].蘇州科技學院學報(工程技術版),2003,16(3):46-49.

[2] 韓靜云,郜志海.錳鐵高爐廢渣活性的物理激發(fā)效果研究[J].鐵合金,2004,17(3):13-16.

[3] 韓靜云,郜志海,張曉偉.化學激發(fā)劑對錳鐵高爐廢渣活性的影響[J].鐵合金,2005,(5):42-48.

Grindability and Activity of Ferromanganese Alloy Slag and Mineral Wool Slag

ZHOU Ming-kai,ZHOU Wan-lun,CHEN Xiao

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitecture,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

FerromanganesealloyslagdischargedbyaYWFerroalloyCompanyiswater-quenchedslag,itsAl2O3contentisonly1.9%,thiscompanyuseliquidferromanganesealloyquenchedandtemperedbyAl2O3toproducemineralwool,thedischargedair-coolingslag'sAl2O3contentisrasedto8.7%,bothoftheirmasscoefficientis1.0.Theresultscomparedwithordinaryslagshowthat:thewater-quenchedslag'sactivityishighbutitsfeasibilityispoor;andair-coolingslag'sactivityispoorbutitsfeasibilityisgood.Ferromanganesealloyslag'sAl2O3content,masscoefficientandactivityislowerthanordinaryslag,buthigherthanmineralwoolslagwhoseAl2O3contentishigh.Physicalmethodscanexciteferromanganesealloyslag'sandmineralwoolslag'spotentialactivity,andthemoregrindingtimethebetteractivity.

ferromanganesealloyslag;feasibility;activity;physicalexcitation

廣西重點研發(fā)計劃(桂科AB16380014)

周明凱(1964-)，男，博士，教授.主要從事水泥混凝土及工業(yè)廢棄物綜合利用研究.

陳 瀟，博士，副研究員.

TQ

A

1001-1625(2016)12-4180-04