張旭

國內金屬鎂大多以煅燒白云石為原料、硅鐵為還原劑、螢石為催化劑冶煉而成。鎂渣是金屬鎂在冶煉過程中經(jīng)1 250℃高溫煅燒產(chǎn)生的廢渣，鎂渣中含有部分硅酸鹽礦物C2S和少量CaF2，可應用于水泥熟料的生產(chǎn)。鎂渣在水泥熟料的生產(chǎn)過程中能起到晶種的作用，可降低水泥熟料礦物晶體的成核勢能，促進晶體的形成；同時，鎂渣中含有的CaF2還具有礦化劑的作用，能夠促進水泥生產(chǎn)時硅酸鹽礦物的形成，改善水泥生料的易燒性。冷卻后的鎂渣的物理形態(tài)為粉狀固體，其超細粉含量很高，鎂渣易磨性非常好，應用于水泥生產(chǎn)時，不僅能夠顯著增加水泥生料中的超細粉含量，而且可以有效提高生料的細度和反應活性。

我公司地處山西省運城地區(qū)，該地區(qū)金屬鎂冶煉企業(yè)較多，鎂渣產(chǎn)出量大，部分金屬鎂冶煉企業(yè)副產(chǎn)物鎂渣化學分析見表1。從表1可看出，鎂渣燒失量差距較大，CaO含量較接近，MgO含量均在6.5%~8.0%，成分較為穩(wěn)定，當?shù)厮嗥髽I(yè)大多采用鎂渣配料進行水泥熟料的生產(chǎn)。本文將對我公司水泥熟料生產(chǎn)過程中，應用鎂渣后的熟料煅燒、摻量調整及作為混合材的使用情況等進行介紹，供業(yè)界同仁參考。

表1 部分金屬鎂冶煉企業(yè)副產(chǎn)物鎂渣化學分析，%

1 摻加鎂渣對水泥熟料煅燒的影響

1.1 生料配料物理化學分析

公司生料配料原采用四組分配料，分別為石灰石、砂巖、爐渣和鋼渣，自2019年開始應用鎂渣（本地區(qū)金屬鎂冶煉企業(yè)副產(chǎn)物）進行五組分配料（化學分析見表2），生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料。進廠鎂渣外觀呈土黃色，水分含量12%~18%，所含Mg3N2與水反應可生成氨氣，進廠鎂渣有強烈的刺鼻氣味。

表2 公司五組分配料原材料化學分析，%

1.2 摻加鎂渣不同配料方案對熟料強度和窯運行的影響

試驗通過在生料中添加5%~12%不同摻量的鎂渣，并分別采用鎂渣與鋼渣、鎂渣與銅渣的配料方案，在公司2 500t/d生產(chǎn)線實際運行中，對比不同配料方案熟料強度和窯運行情況的變化。鎂渣應用初期，試驗過程中不同配料方案及水泥生產(chǎn)主要工藝數(shù)據(jù)對比見表3，熟料化學成分、礦物組成、率值及抗壓強度對比見表4。

由表3、表4可知，當生料中鎂渣配比為5%時，對熟料強度并無明顯影響；當生料中鎂渣配比提高至12%時，熟料3d抗壓強度沒有明顯提高，但28d抗壓強度卻由53MPa大幅提高至60MPa左右。另外，通過此次試驗還可以看出，銅渣作為鐵質校正材料，對熟料28d抗壓強度的提高也起到了一定作用。

表3 鎂渣應用初期，試驗過程中不同配料方案及水泥生產(chǎn)主要工藝數(shù)據(jù)對比（2019年）

表4 鎂渣應用初期試驗過程中不同配料方案熟料化學成分、礦物組成、率值及抗壓強度對比（2019年）

此次試驗還發(fā)現(xiàn)，生料中摻加鎂渣對窯系統(tǒng)運行影響較大。主要表現(xiàn)在，摻加鎂渣后，窯內28~40m結圈嚴重，試驗期間兩次停窯，燒結的熟料結粒疏松、不致密，并時有黃芯料出現(xiàn)，fCaO波動較大。雖然采取了調整噴煤管內外風比例、移動噴煤管位置等措施，但后結圈仍生長掉落頻繁，嚴重時窯尾負壓由300Pa上升至1 500Pa，窯尾漏料嚴重。8月23日、24日，由于窯內結圈嚴重，窯投料量分別減至130t/h、140t/h，熟料fCaO分別達到4.48%、5.01%，24日3d、28d抗 壓 強 度 僅為23.6MPa、48.5MPa。

經(jīng)分析，在生料中加入鎂渣，尤其是鎂渣摻量>10%時，生料易燒性得到了極大的改善，熟料燒成溫度顯著降低。但在加入鎂渣后，由于未及時采取增加窯系統(tǒng)產(chǎn)量、提高熟料KH、SM等措施降低燒成溫度或提高生料的耐火度，從而導致入窯物料太過易燒。同時，由于調整過程中，生料和窯系統(tǒng)工況易產(chǎn)生波動，最終造成窯內出現(xiàn)嚴重結圈。后期通過提高熟料KH、C3S、摻加鎂渣，提高了熟料的3d抗壓強度。

1.3 鎂渣摻量和熟料KH值、C3S含量對熟料強度的影響

2020年鎂渣應用期間，生料配比情況見表5，熟料化學成分、礦物組成及率值見表6，熟料物理性能見表7。

結合表5、表6、表7可看出，盡管3月份的鎂渣摻量已達10%，但由于熟料KH較低（0.920），C3S含量為56.48%，熟料3d抗壓強度僅30.5MPa，28d抗壓強度為56.2MPa。5月份時，將鎂渣摻量增至13%、熟料KH提高至0.948、C3S含量增至64.61%，熟料3d抗壓強度提高至34.2MPa、28d抗壓強度為56.4MPa。6月份時，鎂渣摻量仍保持13%、熟料KH進一步提高至0.963、C3S含量為62.52%，熟料3d抗壓強度提高至40.7MPa、28d抗壓強度提高至59.8MPa，達到最高值。9月份時，鎂渣摻量降至8%、熟料KH進一步提高至0.964、C3S含量為64.52%，熟料3d抗壓強度為37.5MPa、28d抗壓強度為56.0MPa。11月份時，鎂渣摻量為10%、熟料KH進一步提高至0.984、C3S含量增加至69.40%，熟料3d抗壓強度為37.3MPa、28d抗壓強度為57.5MPa，強度仍保持較高水平。由以上數(shù)據(jù)可知，通過提高熟料KH、增加熟料中C3S含量，當鎂渣摻量≥8%時，可明顯提高熟料3d和28d抗壓強度，同時隨著鎂渣摻量的增加，熟料強度也會顯著提升。

表5鎂渣應用期間生料配比情況（2020年），%

表6 鎂渣應用期間熟料化學成分（%）、礦物組成（%）及率值（2020年）

表7 鎂渣應用期間熟料物理性能（2020年）

1.4 摻加鎂渣對熟料易燒性的影響

使用鎂渣配料前后，生料易燒性對比見表8。從表8可看出，生料中摻加鎂渣，可顯著改善生料的易燒性，摻加鎂渣后，熟料的易燒性指數(shù)由0.91降至0.04；提高熟料KH和SM后，熟料易燒性指數(shù)又恢復至0.88，熟料液相量也較使用鎂渣前降低了1.17%，這是在使用鎂渣配料后，避免窯內頻繁結圈、保持窯系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵。

表8 鎂渣配料前后生料易燒性對比（2020年）

2 摻加鎂渣對生料輥磨系統(tǒng)運行的影響

摻加鎂渣前后，生料輥磨系統(tǒng)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)見表9。從生料輥磨運行情況來看，與未摻加鎂渣時相比，摻加10%鎂渣后，由于生料配料各減少了5%左右的石灰石和砂巖，生料易磨性明顯提高，生料輥磨產(chǎn)量提高了15t/h。由于入磨鎂渣本身含有10%左右的水分，在工藝操作上，主要是提高入磨風溫及輥磨的烘干能力。

表9 摻加鎂渣前后，生料輥磨系統(tǒng)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)

3 鎂渣作為混合材對水泥性能的影響

鎂渣煅燒溫度為1 000℃~1 200℃，比熟料煅燒溫度低，所以鎂渣中的MgO比水泥熟料中的MgO引起的水泥石的膨脹率低。盡管加入鎂渣后，使水泥中的MgO含量增高，但水泥的安定性并無明顯變化。在鎂渣成功應用于熟料燒成后，考慮到鎂渣本身也與熟料一樣含有C3S和C2S等礦物，且含有較高含量的fCaO、MgO（我公司使用的鎂渣fCaO含量約為2.0%），尤其是粒狀鎂渣長期存放會發(fā)生粉化和體積膨脹現(xiàn)象，推測鎂渣應具有一定的潛在活性，可作為混合材用于水泥生產(chǎn)。本文將不同摻量鎂渣代替礦渣粉作為P·S·B32.5水泥混合材，研究鎂渣對P·S·B32.5水泥性能的影響。試驗用熟料粉配比見表10，不同摻量鎂渣P·S·B32.5水泥強度試驗結果見表11。

從表10、表11可以看出，用鎂渣代替3.0%~8.0%礦渣時，配制的P·S·B32.5水泥的3d抗壓強度由17.7MPa降低至15.0MPa，28d抗壓強度由47.7MPa降至42.4MPa，二者均呈下降趨勢；但用鎂渣代替5%和10%的爐渣或代替5%石灰石時，配制的P·S·B32.5水泥3d抗壓強度卻明顯提高，由17.7MPa提高至19.6MPa。用鎂渣代替10%的石灰石時，配制的P·S·B32.5水泥3d抗壓強度基本與不摻鎂渣的P·S·B32.5水泥持平。用5%鎂渣代替爐渣或石灰石時，配制的P·S·B32.5水泥28d抗壓強度基本沒有降低，但當鎂渣摻量>10%時，則配制的P·S·B32.5水泥28d抗壓強度明顯下降，由47.7MPa降至44.6MPa、45.6MPa。

表10 試驗用熟料粉配比

表11 不同鎂渣摻量P·S·B32.5水泥強度試驗結果

在礦渣中摻入鎂渣后，輥磨運行數(shù)據(jù)見表12。由表12可知，加入鎂渣后，礦渣輥磨產(chǎn)量明顯提高，但由于鎂渣含水10%，會造成輥磨出口溫度有一定程度下降。同時，用鎂渣代替一定比例的礦渣后，會顯著改善礦渣輥磨物料的易磨性，可提高礦渣輥磨產(chǎn)量3~5t/d。

表12 礦渣中摻入鎂渣后輥磨運行數(shù)據(jù)（2021年）

4 結語

（1）鎂渣中CaO占48%~52%，可替代5%左右的結晶完整、晶粒粗大的石灰石進行水泥生料配料，改善生料易燒性；鎂渣中SiO2占20%~30%，可替代4%~5%的結晶完整、晶粒粗大的砂巖進行水泥生料配料，改善生料易燒性；鎂渣中含有部分CaF2，可以起到礦化劑和晶種的作用，改善生料的易燒性。

（2）水泥生料中摻入鎂渣可明顯提高生料的易燒性，大幅提高熟料的3d、28d抗壓強度。為充分發(fā)揮鎂渣的作用，其在生料中的摻加比例應≥8.0%。在生料中摻入鎂渣的同時，應相應提高熟料的KH、SM及C3S含量，不僅可提高熟料強度，也可提高生料的耐火度，防止生料過于易燒，造成窯內結圈事故。

（3）在水泥生產(chǎn)過程中加入適當比例的鎂渣代替水泥中的石灰石和爐渣等非活性混合材，可提高水泥的3d抗壓強度。