CN114507021B - 一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，包括选料、混合、粉磨、烧制、冷却以及加入还原剂磨粉等操作。本发明依据硅酸盐水泥生料制备，熟料烧制的工艺特点及质量要求，结合钢铁冶金固废物料特性，变废为宝，实现其在水泥建材行业的资源化利用，解决了固废堆存的难题，促进国内外钢铁和水泥建材行业两大板块协同、共赢的高质量发展。本发明与传统硅酸盐水泥工艺方法比较，主要特点是节能、减排，高效，高度契合我国政策导向及中长远高质量绿色发展规划。

Description

一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法

技术领域

本发明属于水泥制造技术领域，涉及一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法。

背景技术

通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料；混合材料包括粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质。通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。这些不同品种的水泥具有不同的化学物理特性，在各类工程中，应根据工程特点、使用要求和各种水泥的特性，选用适合的水泥。

普通硅酸盐水泥的主要物理性能是早期强度高，凝结硬化快，抗冻性好,但水化热较高;其化学性能是抗酸、碱及硫酸盐类浸蚀能力差，所以多用于混凝土、钢筋混凝土及预应力混凝土结构,易受到冰冻侵袭的混凝土及早期强度要求高的混凝土，不宜用于大体积混凝土工程及受化学物质浸蚀的工程，低碱水泥强度高、凝结快，主要是考虑混凝土的碱集料反应而在永久耐用性工程如铁路工程的施工中利用。

在炼钢企业中往往会产生大量废渣，这些废渣中含有硅酸盐水泥所需要的元素，如将其利用制造硅酸盐水泥，可有效处理炼钢废渣，节能环保，做到资源再利用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法。

为此，本发明采取如下技术方案：

一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取碳钢转炉钢渣、碳钢品种钢渣以及不锈钢AOD、LF渣和普碳钢LF渣混合渣作为原料，对原料进行去渣钢以及均化预处理，选取石灰石渣和硅石渣作为校正料，对校正料进行破碎预处理，使其粒度小于15mm；

（2）将上述预处理后的原料以及校正料分别称重后并按比例混合作为生料，生料中各种物质的质量百分比为：碳钢转炉钢渣5%-10%，碳钢品种钢渣1%-2%，不锈钢AOD、LF渣和普碳钢LF渣混合渣23%-35%，石灰石渣40%-60%，硅石渣2%-5%；

（3）将混合后的生料磨制成生料粉末并均化；

（4）将生料粉末烧制成熟料，在烧制过程中加入煤粉；

（5）将熟料冷却至低于353k，然后破碎；

（6）将破碎后的熟料中加入还原剂磨粉，然后加入添加剂搅拌均匀，制得水泥。

进一步地，所述步骤（1）将原料分别进行破碎，对破碎后的原料进行磁选将渣钢除去，然后使用侧式悬臂堆料机将原料分别平铺成堆进行均化。

进一步地，所述步骤（2）的生料中各种物质的质量百分比为：碳钢转炉钢渣8.23%，碳钢品种钢渣1.75%，不锈钢AOD、LF渣和普碳钢LF炉渣混合渣33.17%，石灰石渣54.24%，硅石渣2.62%。

进一步地，所述步骤（3）中将混合后的生料给入立磨机磨粉，得到生料粉末，其细度达到80μm方孔筛筛余不大于10%。

进一步地，所述步骤（4）中将生料粉末通过旋风预热器进行预热，预热温度为1123K-1223K，预热后置入TTF分解炉进行烧制，烧制温度为1223K-1723K，制得熟料。

进一步地，所述步骤（4）在烧制过程中控制TTF分解炉内一氧化碳体积分数≥0.6%，氧气体积分数＜6%。

进一步地，所述（5）中将输料置入篦冷机进行冷却。

进一步地，所述步骤（6）中的还原剂为硫酸亚铁、硫酸亚锰和有机醛，添加量是输料质量的0.20%-0.30%。

本发明的有益效果在于：

（1）炼钢固废中CaO含量接近石灰石且烧减几乎为零，配加炼钢固废烧制低碱水泥熟料，生料配方中水泥主原料石灰石的配比从84%左右降低到54%左右，烧减从35%左右降低到21.5%左右，煤耗降低10%-15%，节能减排效果明显。

（2）配加炼钢固废烧制低碱水泥，确保熟料中MgO含量低于5%，保证了水泥安定性指标，同时Cr、Ni、Mn等微量金属氧化物固化在阿利特、贝利特及中间相中，提高了水泥的强度。

（3）LF渣和不锈钢AOD渣均为灰白粉状，可磨性好，因此配加炼钢固废烧制低碱水泥，生料粉磨电耗降低3-5Kwh/t.,旋窑台时产量提高8%--12%，减少石灰石、硅石及矿化剂的用量，熟料成本降低4.5-5元/t。

（4）烧制的水泥碱含量为0.15%-0.20%，远远低于低碱水泥碱含量0.6%的限值。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例以对本发明做详细说明：

一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤（参考图1）：

（1）选取碳钢转炉钢渣作为铁质原料、碳钢品种钢渣作为铝质量原料，不锈钢AOD、LF渣和普碳钢LF渣混合渣作为石灰质原料，由于上述原料中含有大量渣钢，其无法作为水泥原料，所以需要对上述原料进行去渣钢以及均化预处理，然后选取石灰石渣和硅石渣作为校正料，对校正料进行破碎预处理，使其粒度小于15mm。

具体去渣钢方式为，对上述原料分别进行破碎，破碎至粒度小于300mm，采用双层机械振动筛筛分，筛分后将粒度大于100mm的颗粒先磁选抛出钢渣后再次经两段破碎、磁选，选出高品质渣钢去除；粒度为20mm-100mm的中间粒级先磁选一般，初步去除渣钢，然后再次进行破碎，最后磁选选出高品质渣钢去除；粒度小于20mm立粒级直接采用磁选选出高品质渣钢去除，完成去渣钢操作，上述磁选过程中，采用弱磁场干选机，磁场强度80-120KA/m,强磁场干选机，磁场强度520-720KA/m。

最后使用侧式悬臂堆料机将原料分别平铺成堆，减轻物料成份波动，完成均化。

（2）将上述预处理后的原料以及校正料分别称重后并按比例混合作为生料，生料中各种物质的质量百分比为：碳钢转炉钢渣5%-10%，碳钢品种钢渣1%-2%，不锈钢AOD、LF渣和普碳钢LF渣混合渣23%-35%，石灰石渣40%-60%，硅石渣2%-5%。

具体在本实施例中，生料各种物质的质量百分比为：碳钢转炉钢渣8.23%，碳钢品种钢渣1.75%，不锈钢AOD、LF渣和普碳钢LF炉渣混合渣33.17%，石灰石渣54.24%，硅石渣2.62%。

（3）将生料通过皮带运输机运输给入立磨机，立磨机底部引进来自窑尾锅炉的热废气，在磨粉过程中可烘干物料中的水份有利于干磨，并通过调整风压、风速确保生料细度80μm方孔筛筛余不大于10%，磨粉完成后，满足细度的生料通过废气提供的动力给入旋风收集器，通过旋风收集器实现固气分离，固体通过斜槽、斗提机进入中心室式均化库，充分混匀、均化，使得所得生料满足烧制水泥熟料的条件。

（4）将生料采用转子计量称计量后通过斜槽、斗提机给入多级旋风预热器中进行预热，预热完成后生料自上而下从多级旋风预热器进入TTF分解炉，在预热过程中来自窑尾温度1123K-1223K的高温废气自下而上从TTF分解炉进入多级旋风预热器，固体与气体的逆向流动实现高效率换热，在预热过程中二氧化硅和氧化钙反应生成硅酸二钙2CaO.SiO₂（C₂S）即SiO₂+CaO→C₂S；同时氧化钙和三氧化铝反应生成铝酸三钙3CaO.Al₂O₃（C₃A）即3CaO+Al₂O₃→C₃A，氧化钙和三氧化铝、三氧化铁反应生成铁铝酸四钙4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃（C₄AF）即4CaO+Fe₂O₃+Al₂O₃→C₄AF。

预热完成后生料进入TTF分解炉，其在回转窑尾部随回转窑的转动旋转前进并伴随一系列物理化学反应，熟料烧成后至窑头，具体地，在高温环境中，物料熔融并发生如下化学反应：

温度在1223K-1623K时：二氧化硅和氧化钙反应生成硅酸二钙2CaO.SiO₂（C2S）即SiO₂+CaO→C₂S，其在熟料中占20%左右；同时氧化钙和三氧化铝反应生成铝酸三钙3CaO.Al₂O₃（C3A）即3CaO+Al₂O₃→C₃A，氧化钙和三氧化铝、三氧化铁反应生成铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe₂O₃（C₄AF）即4CaO+Fe₂O₃+Al₂O₃→C₄AF。

温度在1623K-1723K时：硅酸二钙和氧化钙反应生成硅酸三钙3CaO.SiO2（C3S）即C₂S+CaO→C₃S，其在熟料中占50%左右，熟料中C₂S和C₃S合计含量75%左右，C₃A和C₄AF合计含量22%左右；前两者合称硅酸盐矿物，后两者合称熔剂矿物，因为温度在1523K～1553K范围内，C₃A和C₄AF会逐渐熔融成液相，促进C₃S的顺利形成，熟料中稳定的C₃S含量可保证水泥的早期强度。

在烧制过程中要严格监控窑内气氛，通过调整助燃热风量，料煤比等参数，控制CO指体积分数≥0.6%，O₂指体积分数＜6%，确保六价铬转为三价铬的转化率。

此外在预热以及烧制过程中，喷煤枪在窑尾以及窑头向窑内喷入得粉煤，为生料预热、分解、氧化提供热量；大部分分解、氧化后的生料然后进入回转窑尾部随回转窑的转动旋转前进并伴随一系列物理化学反应，熟料烧成后至窑头。

在高温环境中，物料熔融并发生化学反应形成阿利特、贝利特及中间相等硅酸盐水泥物相，同时Cr、Ni、Mn等微量金属氧化物固化在阿利特、贝利特及中间相中，提高了水泥的强度。

（5）烧制好的水泥熟料通过篦冷机冷却，当温度低于353K后，将其破碎，最后通过槽式输送机送至熟料库备磨。

取样检测水泥熟料进行检验，其各项化学性能指标如表1所示

表1

利用电子显微镜、X-射线和反光显微镜观测得知三价铬和六价铬均以固溶体分布在硅酸钙晶格中而被固化，绝大部分以三价铬存在，六价铬含量很小，以固溶体形式存在的六价铬是酸溶铬，难溶于水，在搅拌混凝土和砂浆时不溶出，不会对人员健康有所伤害，且由于后续水泥粉磨时添加了一定量的还原剂，进一步还原六价铬为三价铬，因此不会对环境造成污染。

对熟料的抗压强度进行检测如表2所示

表2

从表2可看出，烧制的低碱硅酸盐水泥熟料，3天强度35.26Mpa，28天强度64.5Mpa，对照硅酸盐水泥熟料技术要求标准GB/T 21372-2008，熟料的抗压强度指标满足技术标准，可作为525R以上高强度水泥的熟料,用于C60-C80级高强度混凝土中配加的水泥，是铁路、桥梁，核保护设施及海边碱含量高的永久建筑工程的理想建材原料。

（6）将破碎后的熟料中加入还原剂和石膏磨粉进行干磨，具体还原剂采用硫酸亚铁，本实施例中，还原剂占熟料比重的0.23%，干磨后比表面积350-400m²/Kg，然后可加入各种添加剂，添加剂的比重为5%-70%，混合均匀即可装袋，形成所需品种的低碱硅酸盐水泥出厂，本实施例中添加剂选用粒化高炉渣，加入粒化高炉渣前将其粉磨，磨至比表面积同样为350-400m²/Kg即可。

已颁布标准GB31893-2015规定了通用硅酸盐水泥中水溶性铬（Cr6+）的限量及测定方法检，该标准规定水泥中水溶性铬（Cr6+）的含量≤10mg/Kg即10×10-6。

出厂的水泥做水溶性铬（Cr6+）及对大气和暴晒的稳定性检测，检测结果如表3所示

表3

通过表3可看出，出厂水泥中Cr6+质量分数为1.6×10-6，远低于GB31893-2015规定的限值量。将水泥水化成1.5m×1.5m×2cm的水泥石在防雨且在日光下暴晒、接触大气，不同时日后细磨至200目测水溶性铬Cr6+，说明暴晒3个月后六价铬已经趋于稳定且在限量值之内。

某建材公司采用上述钢铁冶金固废烧制低碱高强度硅酸盐水泥，煤耗降低了13.68%，生料粉磨电耗降低4.55Kwh/t.,旋窑台时产量提高10.25%，熟料成本降低4.96元/t。熟料的抗压强度指标满足技术标准，可作为525以上高强度水泥的熟料。

对甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司而言，实现了钢铁冶金固废的资源化利用，确保了清洁生产。

Claims (7)

1.一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）选取碳钢转炉钢渣、碳钢品种钢渣以及不锈钢AOD、LF渣和普碳钢LF渣混合渣作为原料，对原料进行去渣钢以及均化预处理，选取石灰石渣和硅石渣作为校正料，对校正料进行破碎预处理，使其粒度小于15mm；

（2）将上述预处理后的原料以及校正料分别称重后并按比例混合作为生料，生料中各种物质的质量百分比为：碳钢转炉钢渣5%-10%，碳钢品种钢渣1%-2%，不锈钢AOD、LF渣和普碳钢LF渣混合渣23%-35%，石灰石渣40%-60%，硅石渣2%-5%，以上组份之和达到100%；

（3）将混合后的生料磨制成生料粉末并均化；

（4）将生料粉末烧制成熟料，在烧制过程中加入煤粉；

（5）将熟料冷却至低于353k，然后破碎；

（6）将破碎后的熟料中加入石膏以及还原剂磨粉，所述还原剂为硫酸亚铁、硫酸亚锰和有机醛，添加量是熟料质量的0.20%-0.30%，磨粉后加入5%-70%的添加剂搅拌均匀，制得水泥。

2.根据权利要求1所述的一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）将所述原料分别进行破碎，对破碎后的原料进行磁选将渣钢除去，然后使用侧式悬臂堆料机将原料分别平铺成堆进行均化。

3.根据权利要求1所述的一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的生料中各种物质的质量百分比为：碳钢转炉钢渣8.23%，碳钢品种钢渣1.75%，不锈钢AOG、LF渣和普碳钢LF炉渣混合渣33.17%，石灰石渣54.24%，硅石渣2.62%。

4.根据权利要求1所述的一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中将混合后的生料给入立磨机磨粉，得到生料粉末，其细度达到80μm方孔筛筛余不大于10%。

5.根据权利要求1所述的一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中将生料粉末通过旋风预热器进行预热，预热温度为1123K-1223K，预热后置入TTF分解炉进行烧制，烧制温度为1223K-1723K，制得熟料。

6.根据权利要求5所述的一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）在烧制过程中控制TTF分解炉内一氧化碳体积分数≥0.6%，氧气体积分数＜6%。

7.根据权利要求1所述的一种低碱高强度硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中将熟料置入篦冷机进行冷却。

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