山东炜烨新型建材有限公司镍铁渣制备镍铁渣微粉研究报告

北京科技大学2012年12月30日前言受山东炜烨新型建材有限公司的委托，为考察山东炜烨镍业有限公司所产电炉镍铁渣及附近高炉镍铁渣制粉作为水泥和混凝土拌合料使用的可能性及其效果，北京科技大学分别对其提供的电炉镍铁渣功耗指数、GB/T18046-2008规定的技术指标、对水泥的替代率、渣活性的调整进行了系统的研究，获得了大量电炉镍铁渣、作为水泥和混凝土拌合料使用的基础数据，为电炉镍铁渣的工业应用提供了依据。电炉镍铁渣的功耗指数为26.85Kw.h/t，表明工业实践中电炉镍铁渣的可磨性较高炉渣差。要获得相同粒级的微粉，电炉镍铁渣制粉难度较高炉渣大。电炉镍铁渣微粉无法直接满足GB/T18046-2008规定的同级使用的技术指标，但均可通过降级使用满足技术要求。降低电炉镍铁渣对水泥的替代率可明显提高其相应级别微粉的活性指数。但不同等级的微粉，替代率的降低程度不同，S75等级的需降低用量到40%，S95、S105等级的需降低用量至30%。本研究为电炉镍铁渣作为水泥、混凝土中的微粉使用进行了大量研究，所得数据可为电炉镍铁渣的工业应用提供技术支持，也可为类似工业废渣的利用提供工业应用的借鉴。

一、电炉镍铁渣用于水泥和混凝土中的可行性分析根据现有水泥、混凝土中所用粒化高炉矿渣粉的一些性能及所要求的技术指标，分析电炉镍铁渣制粉后在水泥和混凝土中使用的可行性。

1现有水泥和混凝土中常用的微粉品种——粒化高炉矿渣粉根据国家统计局2012年1月17日发布的数据，2011年我国水泥产量为20.6亿吨，同比增长16.1%。2012年10月份公布的数据，我国1～10月份累计的水泥产量达18亿吨，同比增长6.7%。可见，我国的水泥产量不但非常大，还具有持续增长的趋势。为了降低水泥以及水泥为胶凝材料制备的混凝土的生产成本，在实际过程中常常选择一些活性材料混合其中，首选的活性混合材料就是高炉炼铁过程产生的粒化高炉渣磨制成的粒化高炉矿渣粉。目前，粒化高炉矿渣粉，作为一种水泥或混凝土的拌合料在国内外均已得到广泛应用，并成为供不应求的产品。

1.1粒化高炉矿渣粉生产的水泥和混凝土品种（1）生产的水泥水泥作为一种重要的建材产品，是一种国民经济建设的重要基础原材料。利用粒化高炉水渣生产水泥是国内外普遍采用的技术。在前苏联和日本，有50%的粒化高炉渣用于水泥生产，我国约有3/4的水泥中掺有粒化高炉渣。在水泥生产中，粒化高炉渣已成为改进水泥性能、扩大水泥品种、调节水泥标号、增加水泥产量和保证水泥安定性合格的重要原材料。粒化高炉渣粒度越细，在水泥中的利用量越大。目前，我国利用粒化高炉渣生产的水泥品种主要有矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥）、普通硅酸盐水泥、石膏矿渣水泥、石灰矿渣水泥和钢渣矿渣水泥等五种。其中，矿渣水泥是我国水泥产量最大的水泥品种。粒化高炉渣掺入量视所生产的水泥标号不同，一般为20～80%（质量百分比）。水泥作为我国经济建设的重要基础原材料，近年来发展很快。粒化高炉渣作为一种钢铁企业废物，用于生产矿渣水泥不仅符合国家的产业政策和环保政策，且其生产的水泥有国家标准可以依照。此外，粒化高炉渣生产水泥工艺完全不同于传统水泥生产的“二磨一烧”工艺，不仅生产工艺简单、能耗低，且由于生产过程免去了“烧”的过程，环境友好性能极佳、生产成本极低（仅传统方法的1/3左右）、投入资金也相对较少。因此，粒化高炉渣微粉的发展空间很大，生产矿渣水泥对于本身具有粒化高炉渣的冶金企业具有重要意义。（2）粒化高炉渣微粉作为混凝土拌合料随着现代建筑物不断向高层化、大跨化、轻量化、重载化和地下化发展及其使用环境日趋严酷化，对高强混凝土（≥Ｃ60）、超高强混凝土（≥Ｃ80）的需求不断增长。粒化高炉渣微粉由于其优异的性能早已成为高强、超强混凝土拌合料的首选。在配制混凝土时，粒化高炉渣微粉不仅可等量取代部分水泥，且可显著提高混凝土强度、改善混凝土的耐久性能。粒化高炉渣微粉在混凝土中的配合比，一般为40～70%。细度越细，替代率越大。如，日本住友金属（株）研究在冶金工厂设备基础施工中，采用细度600m2/kg的微粉，替代率达65～68%，配制高性能混凝土，不用捣实，靠自重就能填充到配有钢筋和地脚螺栓的设备基础的各个部位，耐久性能良好。这解决了过去因埋入的钢筋和地脚螺栓多、浇注混凝土困难、易产生填充不良的缺点，而且该高性能混凝土完全满足冶金工厂的高温、高浓度CO2、海水的盐浸蚀等恶劣环境的要求，很有发展前途。目前，国外在一般工程中所用的粒化高炉渣微粉的细度在350～500m2/kg之间，特殊工种使用600～1000m2/kg细粉。我国GB/T10846-2008新标准规定粒化高炉渣微粉有三个等级标准，分别是S105级、S95级和S75级，其比表面积分别为500m2/kg、400m2/kg和300m2/kg。S75级标准比较容易达到，S105级标准达到难度大且生产成本高，但现在国家重点工程设计要求必须掺入一定量的S105级高炉渣微粉。因此，投资高等级高炉渣微粉具有现实意义。

1.2粒化高炉矿渣粉的应用基础粒化高炉矿渣粉之所以能广泛作为水泥或混凝土的拌合料使用，是由其组成和活性决定的。表1为国内某些钢铁厂高炉渣的组成。

表1国内某些钢铁厂高炉渣的组成/%名称CaOSiO2Al2O3MgOMnOFe2O3S

一般高炉渣38～4926～426～171～130.1～10.2～1.5宝钢高炉渣39.2333.0615.008.180.431.330.06

攀钢高炉渣27.1723.4714.128.31<0.50.33

长钢高炉渣39.3133.9413.586.471.890.87

柳钢高炉渣37.2733.4214.7510.240.220.66

首钢高炉渣38.7932.7015.408.971.32

可见，高炉渣的主要成分是CaO、SiO2、Al2O3、MgO四种，约占高炉渣总重量的95%。高炉渣属于硅酸盐质材料，其组成与硅酸盐水泥熟料相似。因此，可代替水泥原料使用。表2为硅酸盐水泥的化学组成。表3为硅酸盐水泥的矿物组成。表2硅酸盐水泥的化学组成/%CaOSiO2Al2O3Fe2O3

62～6720～244～72.5～6

表3硅酸盐水泥的矿物组成/%矿物名称矿物成分缩写符号矿物含量硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O34CaO·Al2O3·Fe2O3C3SC2SC3AC4AF44～6218～305～1210～18

由于粒化高炉渣为熔融高炉矿渣急剧水冷产生，在急冷过程中熔渣中的绝大部分化合物来不及形成稳定化合物，而以玻璃体状态将热能转化成化学能封存其内，因而构成了潜在的化学活性。通常，高炉渣的活性用高炉渣的碱性率或碱度表示，一般，)()(322OAlSiOMgOCaOMO++=碱性率。碱度越大的高炉渣，其中硅酸二钙的含量越大，因成分接近于水泥而具有良好的活性。我国高炉渣大部分为中性矿渣（Mo=0.99～1.08），高碱性及酸性高炉渣数量较少。因而，生产水泥过程常加碱性激发剂或在配制混凝土中利用水泥水化产生的Ca(OH)2降低混凝土的碱性，提高混凝土的使用性能。

1.3用于水泥、混凝土的粒化高炉矿渣粉的技术标准粒化高炉渣微粉应按照GB-T18046-2008要求对其进行性能检验，满足表4的技术指标要求才能直接使用。5

2电炉镍铁渣微粉的制备及其应用技术指标的测定电炉镍铁渣能否像粒化高炉矿渣那样使用，取决于它是否具有高炉渣那样的组成、活性以及其技术指标能否满足表4粒化高炉矿渣粉那样的技术指标要求。

2.1电炉镍铁渣的化学与矿物组成表5为电炉镍铁渣的化学组成（山东炜烨新型建材有限公司提供）。可见，电炉镍铁渣的主要化学成分是SiO2、MgO、CaO、FeO、Al2O3(占总成分的92.37%)，其中的SiO2、MgO、CaO、Al2O3的含量约占总成分的86%，且(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)=0.73。

因此，电炉镍铁渣的化学成分与粒化高炉渣的化学组成十分接近，是一种硅酸盐质材料，有与粒化高炉渣一样作为水泥和混凝土拌合料使用的可能性。但电炉镍铁渣成分与粒化高炉渣相比，存在着铁、MgO含量较高、渣为酸性等特点。因此，如果加入水泥或混凝土中使用，其水化产物会与加入粒化高炉渣有所不同。但是，如果电炉镍铁渣加入水泥或混凝土中使用，则会由于其本身为酸性而会吸收更多的熟料水化反应生成的Ca(OH)2，大大降低水泥或混凝土的碱性。电炉镍铁渣中MgO如果是以方镁石的形式存在，则可能导致原本水泥、混凝土中的水化产物从水化硅酸钙为主转变成以水化硅酸镁为主。而方镁石转化成水化硅酸镁的速度较慢，有可能导致电炉镍铁渣微粉在水泥中的使用范围受到限制。表4中GB-T18046-2008对粒化高炉渣微粉的技术指标虽没有对原料中MgO含量有直接的规定，但GB175-2007对通用硅酸盐水泥中MgO、SO3、Cl-含量均有严格的规定，如表6。

表6GB175-2007通用硅酸盐水泥中规定的化学指标/%

值得注意的是，本次研究的主要目的是电炉镍铁渣制备镍铁渣微粉，使其有可能像高炉渣一样使用。因此，参考的标准应该是表4，而不是表6。如果用电炉镍铁渣微粉直接生产水泥，则无论是生产表6中的硅酸盐水泥、还是表6中的矿渣硅酸盐水泥，其成分均无法直接满足水泥的成分要求，必须通过配料实现。电炉镍铁渣一旦经过配料生产水泥，其中的MgO就会明显降低，MgO含量较高的问题可得到缓解。电炉镍铁渣在混凝土中只是代替部分水泥使用，如果代替50%，镍铁渣中MgO含量降低一半，此时水泥：镍铁渣=50:50，其中MgO含量为12.1%。如果代

替25%，则MgO含量降低到25%，此时水泥：镍铁渣=75:25，其中MgO含量为6.05%。图1为电炉镍铁渣的XRD图（山东炜烨新型建材有限公司提供）。可见，电炉镍铁渣中的矿物，主要为非晶态矿物，晶体矿物很少，说明电炉镍铁渣与粒化高