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        磷渣配料在水泥熟料制備中的應用研究

        2022-12-10 11:58:42趙國民盛炎民封竹青金正源王寧寧
        建材世界 2022年6期
        關鍵詞:生料熟料配料

        趙國民,王 強,盛炎民,封竹青,金正源,戴 磊,宋 楊,王寧寧

        (1.中國港灣工程責任有限公司,北京 100027;2.常州工學院土木建筑工程學院,常州 213032;3.蘇交科集團股份有限公司,南京 211100)

        工業(yè)制取黃磷時會產(chǎn)生廢棄物——磷渣,通常每生產(chǎn)1 t黃磷,大約產(chǎn)生8~10 t 黃磷渣。我國生產(chǎn)的黃磷約占全球的80%以上,居世界第一[1],每年黃磷渣產(chǎn)量將超過700萬t[2]。目前,我國對于磷渣的處理多以堆放為主,這嚴重影響了大氣環(huán)境、植物生長,甚至危害了人體健康。如果充分實現(xiàn)磷渣的資源化利用,將有效減小磷化工企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的壓力,同時帶來巨大的社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益[3,4]。

        磷渣的主要成分是CaO和SiO2,可以代替部分石灰石和粘土來煅燒水泥熟料。目前,已有一些學者開展了將磷渣應用于水泥混凝土的相關研究。大量研究表明,磷渣在水泥混凝土中的應用,能夠明顯改善水泥混凝土的抗壓性能、耐久性能等,但是磷渣摻量過高時,不利于磷渣活性的激發(fā),影響強度的發(fā)展[5-7]。

        試驗研究了不同熟料率值、不同溫度、不同磷渣摻量等因素對生料易燒性及熟料強度的影響。通過制備三種不同配料結(jié)合生料易燒性實驗、微觀結(jié)構測試等方法進行對比分析,為將磷渣配料應用于制備水泥熟料提供依據(jù)。

        1 原材料

        石灰石、粘土:葛洲壩荊門水泥有限公司;粉煤灰:荊門熱電廠;鋼渣:武漢鋼鐵股份有限公司;磷渣:湖北興山黃磷廠。將原材料烘干、破碎、粉磨處理和分裝密封保存,以便使用。各種原料的化學分析結(jié)果見表1,磷渣主要化學成分如表2所示。

        表1 各材料化學成分 w/%

        表2 磷渣主要化學組成 w/%

        2 試驗方法及配料計算

        2.1 游離CaO的測定

        游離CaO或游離石灰(Freelime或f-CaO)指的是配料方案不合理時,如出現(xiàn)生料過粗或鍛燒不良的情況,水泥熟料中會出現(xiàn)游離氧化鈣。

        水泥熟料中f-CaO 含量的測定一般采用丙三醇-乙醇法,方法如下:

        在微沸狀態(tài)下,水泥熟料中的游離氧化鈣與甘油無水乙醇溶液反應形成甘油鈣,導致酚酞指示劑發(fā)紅。用鄰苯甲酸無水乙醇標準滴定溶液滴定,直到紅色消失。根據(jù)所消耗的苯甲酸無水乙醇標準溶液的體積,計算熟料中游離氧化鈣的含量。

        測定結(jié)果表示方法

        Xf-CaO=(TCaO×V/m)×100

        式中,Xf-CaO為游離氧化鈣的質(zhì)量百分數(shù),%;TCaO為每毫升苯甲酸無水乙醇標準滴定溶液相當于氧化鈣的毫升數(shù),mg/mL;V為滴定時消耗苯甲酸無水乙醇標準滴定溶液的總體積,mL;m為試樣的質(zhì)量,g。

        2.2 生料易燒性試驗

        按照JC/T735—2005《水泥生料易燒性試驗方法》,將所有材料研磨至0.08 mm的方形多孔篩篩余物少于10%。按照生料配比表,取各原料充分混勻后,取適量的生料粉末,以及10%的蒸餾水,壓制成試體,試體尺寸為13 mm×13 mm,質(zhì)量為(3.59±0.1)g, 110 ℃烘干后,放進950 ℃的硅鉬棒高溫爐中保溫30 min,然后將預燒完畢的試體分別在1 350 ℃、1 400 ℃、1 450 ℃保溫30 min,之后立即冷卻。將其過0.08 mm的方孔篩后裝袋并于干燥器內(nèi)保存?zhèn)溆?。其中f-CaO的含量用乙二醇-乙醇法測定,用來表示該生料煅燒的難易程度。

        2.3 水泥性能測試

        將熟料加入5%石膏在φ350 mm 錐形球磨機內(nèi)磨制成水泥。

        用水泥比表面積測定儀進行水泥細度測定,按照GB8074—87《水泥比表面積測定方法》標準進行。按照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》標準進行水泥力學性能的檢測。標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗按照GB/T1346—2001進行。

        2.4 微觀結(jié)構特征測試

        1)X-射線衍射分析(XRD)。X射線與晶體或非晶材料相互作用產(chǎn)生的X射線衍射方向和強度可用于獲取材料結(jié)構信息。鑒于X射線熒光分析方法對原料中K2O、Na2O含量測定存在一定誤差(鉀、鈉在熔片制備過程中會部分揮發(fā),導致測定結(jié)果偏低),為準確起見,采用火焰光度法測定原材料中K2O、Na2O含量。原料中SO3含量用碳硫測定儀測定。此次試驗衍射儀的型號為D/MAX-RB,RIGAKU Corporation,JaPan;功率為20 kW;電壓為40 kV;電流為80 mA;步長為0.02;靶材是銅靶的轉(zhuǎn)靶X-射線衍射分析儀。

        2)巖相分析。圖像信號通過攝像頭或慢掃描接口轉(zhuǎn)換,并連接到圖像分析儀。圖像由圖像分析儀的中央計算機進行處理。試驗所用的儀器為美國VICOM公司的VDP-1750型圖像分析儀,該儀器具有1 024×768×32的圖像分辨率,線性失真度<1.5%,光學顯微鏡放大倍數(shù)在50~1 000倍。

        2.5 配料計算

        為研究在不同因素下,不同磷渣摻量對水泥性能的影響,故設計三種配料進行深入研究。

        第一種配料,磷渣摻量分別選取0、2%、4%、6%的四個變化值,煤粉為3%,剩下的均為混好生料,配料不進行率值設定,已知水泥廠混合生料率值KH=1.2,SM=2.7,IM=2.79。

        第二種配料,設定率值KH=0.94、N=2.6、P=1.7,磷渣摻量分別為0、2%、4%、6%、8%。

        第三種配料,選取4%的磷渣摻量,調(diào)整熟料的KH=0.92~0.97,間隔為0.01。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 生料易燒性分析研究

        實驗中主要考慮的影響因素為熟料率值、生料中次要氧化物和微量元素、生料的熱處理等。

        1)磷渣摻量選取4個變化值,分別為0、2%、4%、6%,煤粉為3%,剩下的均為混好生料,已知水泥廠混合生料率值KH=1.02、SM=2.7、IM=1.79,經(jīng)過均勻混合后在1 400 ℃中煅燒,測試f-CaO的含量。試驗結(jié)果如圖1所示。

        由圖1可知,隨著生料中磷渣摻量的增加,f-CaO的含量逐漸降低,說明磷渣的加入有助于改善生料的易燒性。當磷渣摻量為4%時,f-CaO的含量大幅降低,由3.29%降到0.70%,降低2.59%;在6%的磷渣摻量下,其沒有顯著降低,而在4%的磷渣摻量下,可以觀察到良好的易燒性。

        2)設定率值KH=0.94、N=2.6、P=1.7,磷渣摻量分別為0、2%、4%、6%、8%,煅燒溫度為1 350 ℃、1 400 ℃和1 450 ℃,測定f-CaO含量,進行易燒性實驗分析。試驗結(jié)果如圖2所示。

        由圖2可知,隨著磷渣摻量的增加,熟料中f-CaO 的含量逐漸降低,且溫度越高,煅燒效果越好;磷渣摻量為6%時,1 350 ℃時f-CaO 的含量僅為1.26%。在磷渣摻入比例達到4%時,不同溫度煅燒下f-CaO的含量均大幅降低,而進一步增加磷渣摻量時,f-CaO的含量降低無明顯效果,說明磷渣摻量為4%時,礦化效果已經(jīng)很好。

        3)將磷渣摻量設定為4%,煅燒溫度在1 450 ℃,調(diào)整熟料KH=0.92~0.97,測試生料的易燒性。試驗結(jié)果如圖3所示。采用磷渣混合料,在生產(chǎn)過程中適當?shù)奶岣呤炝系腒H值,對熟料中C3S的含量也有所提高,但是由于KH值提高,必須提高熟料的煅燒溫度。若KH值過高,會導致熟料的f-CaO偏高,安定性不合格。

        3.2 XRD衍射分析

        將第二種配料分別放入高溫爐中升溫至1 300 ℃,升溫速度20 ℃/min,保溫30 min,取出用電風扇吹風急冷。在X衍射儀上進行XRD檢測,所得圖譜如圖4所示。

        由圖4可以看出,磷渣熟料主要礦物衍射性峰和普通熟料相同,圖譜上C3S衍射峰強度的增加說明磷渣發(fā)揮了作用,而且衍射峰的強度隨著磷渣摻量的增加而增加。摻量在4%時,C3S的衍射峰強度到達峰值,但在進一步增加磷渣的摻量到6%、8%時,C3S的衍射峰強度有所降低。

        3.3 XRD巖相分析

        選取第二種配料:設定率值KH=0.94、N=2.6、P=1.7,磷渣摻量分別為0、2%、4%、6%、8%,煅燒溫度為1 350 ℃,對熟料進行反光鏡下的巖相分析實驗,實驗結(jié)果如圖5所示。

        圖5中可以觀察到,未摻磷渣熟料中f-CaO含量較多,且呈礦巢分布。但在相同煅燒情況下,摻磷渣的熟料樣品,可以看到f-CaO含量很少,這表明磷渣有益于f-CaO的結(jié)合。此外還可以發(fā)現(xiàn),未摻磷渣熟料中A礦(含有少量的其他氧化物的3CaO·SiO2固溶體)含量少,發(fā)育不完整且邊棱不明顯。而摻入磷渣的熟料樣品,A礦已大量形成,并且A礦晶體數(shù)量多,晶體形貌趨于完整,邊棱平直,長徑比趨于合理;B礦(C2S與Fe2O3、Al2O3等微量組分構成的固溶體礦物)和f-CaO的含量一樣,都比較少但分布相對均勻,顆粒相對小并有少量礦巢。

        摻入適量磷渣可以加快熟料礦物(A礦等)形成和f-CaO的吸收,在熟料礦物的晶體結(jié)構、分布、大小、形貌方面都得到了證實,此外發(fā)現(xiàn)較低溫度也能得到煅燒較好的熟料。

        3.4 熟料強度試驗

        1)將第二種配方,設定率值KH=0.94、N=2.6、P=1.7,磷渣摻量分別為0、2%、4%、6%、8%,煅燒至1 450 ℃后保溫30 min,出爐用電吹風急冷的熟料樣品和石膏一起粉磨制得水泥,石膏摻量為5%。實驗結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明:摻入磷渣燒制的熟料,前后期強度都有不同程度的提高。這主要是因為熟料中存在較高含量的C3S,提高了水泥強度。

        2)將第三種配方,設定磷渣摻量為4%,調(diào)整熟料KH=0.92~0.97,煅燒至1 450 ℃后保溫30 min,出爐用電吹風急冷的熟料樣品和石膏一起粉磨制得水泥,石膏摻量為5%。實驗結(jié)果如圖7所示。

        結(jié)果表明:隨著KH值的提高,熟料在不同時期的強度相應提高。因此,在使用磷渣配料前提下,合理提高熟料的KH值,可以提高C3S的含量;隨著KH值提高進而提高熟料的煅燒溫度,有利于熟料晶型結(jié)構的完善和致密度的提升,提高了熟料質(zhì)量。

        4 結(jié) 論

        a.在生料中摻入適量的磷渣能顯著地改善生料的易燒性,在磷渣摻量達到4%時,生料的易燒性就已很好,礦化也得到了顯著地效果。

        b.在生料中摻入適量的磷渣能加快熟料的礦物形成,降低熟料中f-CaO的含量;摻磷渣配料所得的熟料,A礦已大量形成,并且A礦晶體數(shù)量多,晶體形貌趨于完整,邊棱平直,長徑比趨于合理。

        c.摻磷渣配料制備的水泥熟料,一方面硅酸三鈣提早形成,另一方面可以通過增加KH提高硅酸三鈣的含量,可以使磷渣熟料的早期強度和后期強度得到提升。

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