利用钢渣制备水泥熟料及性能研究

刘晶晶，何春艳，宋杰光,2，庞才良，李婧，王琼，陈光林，陈平

利用钢渣制备水泥熟料及性能研究

刘晶晶1，何春艳1，宋杰光1,2，庞才良1，李婧1，王琼1，陈光林3，陈平4

（1. 萍乡学院海绵城市研究院，江西 萍乡 337000；2. 萍乡学院材料与化学工程学院，江西 萍乡 337000；3. 江西博泓新材料科技有限公司，江西 萍乡 337004；4. 桂林理工大学广西废渣建材资源利用工程技术研究中心，广西 桂林 541004）

炼钢厂电弧炉产生的钢渣中化学成分与水泥原料的化学成分相似，利用钢渣作为水泥原料之一，可用来制备水泥熟料。水泥的主要原料是石灰石、页岩、河沙、钢渣，通过破碎矿物球磨制取原料的粉末、筛选、配比、混料、煅烧、破碎、球磨、混合、成型及性能的测试分析，可得出如下结论：水泥熟料会随钢渣掺入量增多出现烧结现象，钢渣掺入量最大值会因温度升高而降低，越大粘锅现象越严重；空冷方式优于炉冷方式，空冷得到的熟料硬化后几乎无开裂；15％的钢渣掺入量在1300℃煅烧，保温2 h，500℃取出空冷能得到性能最佳的水泥熟料，水泥水化硬化后不出现裂纹，硬度较高，密度最大，球磨后粒度较好。

钢渣；水泥熟料；煅烧；掺入量

引言

随着我国经济的快速发展，水泥在国民经济建设中需求量越来越大。水泥行业的发展虽然加快了我国基础设施建设的进度，但同时也给我们带来了诸多的“困扰”，如原材料的大量开采对环境造成了极大的破坏。我国钢铁行业每年会产生大量的钢渣废弃材料，而这些钢渣的化学成分与水泥原料的化学成分相似，因此，我们想尝试利用钢铁厂产生的废弃钢渣，代替部分水泥的生产原料制作水泥[1~3]。

在国内，钢渣一般是选择堆弃在户外的土地上，许多有害物质会扩散到周围环境中，对周边居民、建筑造成不良影响，也是一种安全隐患。如何最简单地处理钢渣，使钢渣的处理过程能耗低、可操作性强，提高利用率等问题，成为工程应用的研究热点[4~6]。作为可以代替水泥部分原料的钢渣[7~8]，探究钢渣掺量的控制和制作工艺也显得格外重要。

本研究所用的水泥的主要原料是石灰石、页岩、河沙、钢渣，本文通过破碎矿物球磨制取原料的粉末，筛选、配比、混料、煅烧、破碎、球磨、混合、成型并对性能进行测试分析，对配比、煅烧温度、冷却方式影响水泥性能的因素进行研究，为优化水泥性能提供参考。

1 实验方法及设备

将钢渣原料用破碎，再过200目的筛子，选出细的粉体。将原料的粉体经过EDS能谱仪测试出石灰石碳酸钙的含量、砂岩中二氧化硅的含量、页岩中二氧化硅的量和氧化铝的量，以及钢渣中各化学成分（如表1所示）。根据原料的化学组成和煅烧时会发生的化学反应，计算出原料中石灰石、砂岩、页岩大致的质量分数，以及加入钢渣的量，如表2所示。

表1 钢渣的化学成分

表2 水泥的原料配比

将混合好的料装刚玉坩埚中，置于SMF1700-40箱式高温烧结炉内煅烧。煅烧后的水泥熟料块体用锤子破碎后，再用球磨机粉磨。取少量细磨后的粉体进行XRD检测和粒度分析。磨细的水泥粉体加入河砂、水后混合，泥︰沙︰水=8︰3︰4，做成混凝土试样。观察试样凝结过程，凝结时开裂情况，经过凝结之后，测试其性能。

2 结果与讨论

2.1 不同钢渣掺入量影响水泥熟料的性能

由图1可以看出，煅烧后水泥熟料的外观随钢渣掺入量由5 wt％增至20 wt％的变化，收缩量变大、形成的块体越来越大且硬度也越高、越明显说明水泥熟料块体的硬度变大。由此可以断定，钢渣的掺入量必有上限值。随钢渣掺入量增多，收缩量和融化的越多，一方面，可能是因为煅烧温度过高，其中钢渣中金属元素融化导致熟料的烧结现象，硬度极高；另一方面，在冷却过程中，受温度的影响，只有少量的熔剂矿物形成晶体析出，其他大部分来不及析晶以玻璃态存在，产生大量的玻璃相[9~10]。钢渣掺入量多会造成煅烧后块体空隙增多，使熟料熔点降低，出现烧结现象、硬度变大越明显。

图1 不同掺量相同条件煅烧后的水泥熟料图

由图2知，煅烧的温度也受钢渣掺量的影响，相同温度煅烧下不同掺量，钢渣量增多煅烧后水泥熟料块提越来越硬，甚至出现烧结现象。当超过一个值时，煅烧时将会产生玻璃相，这些相的生成使熟料用锤子也无法破碎。通过多组实验，在确保煅烧后水泥熟料内生成有效成分硅酸二钙、三钙的情况下，在不同煅烧的温度和不同的冷却方式下，进行实验探究，发现温度和冷却方式都与钢渣掺量存一定关系，每降低50℃的温度钢渣最大掺量就会增多，煅烧温度过低产生的水泥有效成分减少，出现烧结现象，在1250℃以上才开始生成硅酸二钙、三钙，所以温度过低可能得不到水泥的主要成分。经过一些交叉的实验论证，得出一些温度下钢渣掺量最值的范围，如表3所示。

图2 钢渣掺入量对熟料破碎性能影响

表3 不同温度/冷却方式下水泥中钢渣掺入最大量

2.2 煅烧后冷却条件的不同对水泥熟料制作成混凝土的影响

查阅文献中得知水泥熟料的冷却过程也很关键。首先C2S在＜500℃时，由β-C2S转变为γ-C2S，密度会减小而使体积增大大约10%，从而使水泥熟料块变成粉末状，粉化后的γ-C2S与水反应，几乎没有了水硬性，因此在小于500℃时应急冷。如表4所示，为了方便后续实验的标记和记录，暂且称炉冷和空冷这两种冷却方式。

表4 煅烧时不同的冷却方式

图3 混凝土试样的养护凝结形貌图

2.3 钢渣水泥的性能评价

2.3.1 水泥熟料物相分析

图4 钢渣掺入量对水泥熟料XRD图谱影响

2.3.2 钢渣水泥水化试样的密度分析

钢渣水泥水化试样的密度分析如表5所示。

表5 不同钢渣含量的水泥水化后的密度变化

随钢渣掺入量的增加，密度先增大后减小，因为钢渣中氧化铁、四氧化三铁等的密度远大于石灰石、页岩中的化学成分，钢渣增大，可改善水泥的流动性，使得熟料煅烧时钢渣填补其他生料间隙，生料形成一种合理的级配，在煅烧后随着钢渣掺入量的增加，水泥熟料块体收缩增大，但是会有一个最大值，在最大值之前，随钢渣掺量增多，在水泥净浆中具有轴承效果，可改善了水泥搅拌时的流动性，使密度增大；超过最大值之后，随钢渣增多，水泥熟料出现烧结现象，一些块体无法细磨，使密度降低。硬化后密度越大的混凝土试样越致密，性能也越优化。在一定范围内，钢渣掺入会使水泥性能有所改善，因此，综合考虑从而选取最优的钢渣掺入配比，即15%钢渣掺入量。

2.3.3 水泥熟料的粒度

图5 水泥熟料粒度及粒度分布

结论

通过破碎矿物球磨制取原料的粉末，筛选、配比、混料、煅烧、破碎、球磨、混合、成型并对其性能的进行测试分析，可得出如下结论：水泥熟料会随钢渣掺入量增多出现烧结现象，钢渣掺入量最大值会因温度升高而降低，越大粘锅现象越严重。空冷方式优于炉冷方式，空冷得到的熟料硬化后几乎无开裂。15％的钢渣掺入量在1300℃煅烧，保温2 h，500℃取出空冷，能得到性能最佳的水泥熟料，水泥水化硬化后不出现裂纹，硬度较高，密度最大，球磨后粒度较好。

[1] J.L. Guo, Y.P. Bao, M. Wang. Steel slag in China: Treatment, recycling, and management[J]. Waste Management, 2018, 78: 318~330.

[2] F. Wang, M.H. Xu, R.H. Wang, et al. Effect of high temperature process on microstructure and properties of industrial steel slag cement. Key Engineering Materials, 2019, 814: 413~418.

[3] 庞才良, 杨雪晴, 宋杰光, 等. 钢渣综合利用的研究现状及发展趋势[J]. 砖瓦, 2020（3）: 77~80.

[4] 蒋亮, 吴婷, 马良富, 等. 改质转炉钢渣的易磨性研究[J]. 硅酸盐通报, 2018, 37（12）: 4034~4039.

[5] 柳东, 刘福田, 张德成, 等. 钢渣微粉在粉煤灰加气混凝土中的应用研究[J]. 砖瓦, 2014（10）: 10~13.

[6] L. Cao, W.G. Shen, J.Q. Huang, et al. Process to utilize crushed steel slag in cement industry directly: Multi-phased clinker sintering technology[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 217: 520~529.

[7] 王琼, 熊瑶, 宋杰光, 等. 利用低品位石英砂制备石英质透水砖的参数优化研究[J]. 萍乡学院学报, 2019, 36（6）: 160~166.

[8] F. Han, S. Yun, C. Zhang, et al. Steel slag as accelerant in anaerobic digestion for nonhazardous treatment and digestate fertilizer utilization[J]. Bioresource Technology, 2019, 282: 331~338.

[9] 梅书霞, 裴可鹏, 何峰, 等. 高炉熔渣微晶玻璃的结构与性能研究[J]. 人工晶体学报, 2017, 46（4）: 698~704.

[10] 曲文强, 李垚圻, 刘龙涛, 等. 浆料参数对石英砂保温材料的性能影响[J]. 陶瓷学报, 2016, 37（6）: 695~699.

[11] 蒋亮, 吴婷, 马良富, 等. 改质转炉钢渣的易磨性研究[J]. 硅酸盐通报, 2018, 37（12）: 4034~4039.

[12] J. Baalamurugan, V. Ganesh Kumar, S. Chandrasekaran, et al. Utilization of induction furnace steel slag in concrete as coarse aggregate for gamma radiation shielding[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 369: 561~568.

[13] Z. Liu, D.W. Zhang, L. Li, et al. Microstructure and phase evolution of alkali-activated steel slag during early age [J]. Construction and Building Materials, 2019, 204: 158~165.

[14] 刘二南, 吴少鹏, 谢君, 等.钢渣作为熟料烧成铁质校正原料的应用研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）, 2018, 42（2）: 226~230.

Study on the Preparation and Performance of Cement Clinker Made of Steel Slag

LIU Jing-jing1, HE Chun-yan1, SONG Jie-guang1,2, PANG Cai-liang1, LI Jing1, WANG Qiong1, CHEN Guang-lin3, CHEN Ping4

(1. Sponge City Research Institute, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000; 2. School of Materials and Chemical Engineering, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000; 3. Bohong New Material Technology Co., Ltd. of Jiangxi Province, Pingxiang Jiangxi 337004; 4. Engineering Technology Research Center for Waste Residue Building Materials Resource Utilization of Guangxi, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541004, China)

Steel mills produce nearly trillion tons of steel slag waste annually, and the chemical composition of steel slag provided by the electric arc furnace in steel mills is similar to that required for cement raw materials. The steel slag is used as one of the cement raw materials to prepare cement clinker and the performance is researched. The main raw materials of cement are limestone, shale, river sand, and steel slag, of which the powder is obtained by ball milling of crushed minerals, screening, proportioning, mixing, calcining, crushing, ball milling, mixing, molding and testing performance. It can be concluded that cement clinker will be sintered with the increase of steel slag mixture, and the maximum amount of steel slag mixture will be decreased by the rise of temperature, and sticky pan phenomenon gets more serious with the increase of steel slag mixture steel slag mixture. Air-cooling is better than furnace-cooling since the clinker obtained by air-cooling has almost no cracking after hardening. With 15% of steel slag calcined at 1300℃, insulated for 2 hours, and air-cooled at 500℃, the clinker obtained has the best performance for there is no cracking after hardening, with high hardness, highest density, and good particle size by ball milling.

steel slag; cement clinker; calcination; the volume of steel slag added

2020-03-15

国家级大学生创新创业训练计划项目（201910895010）；江西省教育厅科技项目（GJJ191159）；江西省高等学校教学改革研究项目（JXJG-18-22-2）；萍乡学院科技基金项目（2019D0201）

刘晶晶（1998—），女，江西赣州人，无机非金属材料工程专业2018级本科学生。

宋杰光（1977—），男，四川广安人，教授，博士，研究方向：海绵工程材料研究，E-mail: sjg825@163.com。

TU528

A

2095-9249（2020）03-0111-06

〔责任编校：吴侃民〕