钢铁渣高价值利用三种途径

粒化高炉矿渣做混凝土掺合料

早在20世纪90年代初，中冶集团冶金建筑研究总院即开始研究用机械方法激发粒化高炉矿渣活性，并推出粒化高炉矿渣粉做水泥和混凝土掺合料的高新技术成果。该院利用宝钢和首钢的粒化高炉矿渣进行了渣粉性能、渣粉做混凝土掺合料时活性和流动度等技术指标及渣粉等量取代部分水泥后的混凝土性能等大量试验研究工作。

试验和工程实践证明：
（1）粒化高炉矿渣磨细至比表面积400m²/kg以上，粒径为0-30μm的颗粒数量占65%-75%，其颗粒正规分布50%的粒径为7-8μm。粒级分布较窄，微小颗粒早期迅速水化，强度增进率高。
（2）在配制混凝土时，渣粉等量取代水泥量20%-40%时，可提高混凝土的28天强度，与不掺渣粉时相比，混凝土可提高1个强度等级，可配制C60-C80的混凝土。
（3）混凝土掺入渣粉后，可提高其流动性，用于配制免振混凝土、泵送混凝土实现快速施工。
（4）提高混凝土密实性，降低混凝土的水化热，提高抗冻性、抗腐蚀性能等。

在配制高性能混凝土取得成功的基础上，1996年中冶集团建筑研究总院试验厂生产了近2万吨矿渣粉用于首都机场扩建工程和北京的其它建筑工程，取得了良好的技术经济效果，国“用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉”国家标准GB/T18046-2000制订提供了技术依据和生产使用工程实例。此后，北京、上海、天津、武汉、吉林、通化、安徽、唐山、浙江等地也相继生产矿渣粉，并应用在建筑工程中。

钢渣粉做水泥和混凝土掺合料

在完成粒化高炉矿渣粉做混凝土掺合料的技术开发和利用的基础上，又完成了转炉钢渣粉、电炉钢渣粉做混凝土掺合料的研究，重点探索钢渣粉的细度与水硬胶凝性的关系，钢渣粉等量取代水泥配制混凝土的全面系统试验研究工作。
　　我国专家提出，钢渣可视为过烧硅酸盐水泥熟料，由于钢渣的生成温度为1560℃左右，而硅酸盐水泥熟料的烧成温度在1400℃左右，钢渣中的硅酸二钙、硅酸三钙矿物结晶完整，晶粒粗大而且致密，水化硬化速度较慢。因此，为了提高钢渣的水硬活性，需要采用特殊的粉磨工艺和设备。因为粉磨过程不仅仅是颗粒减小的过程，同时伴随着晶体结构及表面物理化学性质的变化。粉磨能量中一部分将转化为物料新颗粒的内能和表面能，同时产生晶体晶格的位错、缺陷或在表面形成易溶于水的非晶态结构，水分子容易进入矿物内部，加速水化反应。
　　经过大量的试验证明，钢渣粉比表面积在450m²/kg以上时粒径为0-30μm的颗粒数量占80%-95%，其颗粒正规分布50%的粒径为4-6μm。粒级分布更窄，有利于钢渣粉水化硬化。
　　钢渣粉做混凝土掺合料，在胶材总量为320-480kg/m³时，取代水泥量10%-40%，可配制C40-C70的混凝土。
　　掺入钢渣粉的混凝土突出特点是具有耐磨性好，抗碳化性能好，抗渗性能好，后期强度高等特点。

钢铁渣双掺粉做水泥和混凝土掺合料

钢渣和高炉矿渣均为钢铁渣，但两者的化学成分和矿物组成有明显差别，部分钢铁企业钢铁渣化学成分见表1，钢铁渣矿物组成见表2。

表1  钢铁渣的化学成分

从表1可看出：

（1）转炉钢渣中氧化硅的含量较低（从化学成分看一般在20%以下），而高炉矿渣氧化硅含量在30%以上。
　　（2）转炉钢渣中氧化铝的含量较低（一般在5%以下），高炉矿渣中氧化铝的含量在10%以上。
　　（3）钢渣中铁的氧化物是FeO和Fe₂O₃存在，总含量在20%以上，而高炉矿渣中只含有5%以下的Fe₂O₃。
　　（4）钢渣中均含有P₂O₅，而高炉渣中不含有P₂O₅。

表2  钢铁渣的主要矿物组成

从表2可以看出，钢渣急冷或慢冷处理均为晶体结构，根据钢渣碱度CaO/(SiO₂+P₂O₅)不同，其主要矿物组成略有差别，碱度高时才出现硅酸三钙和硅酸二钙矿物。

高炉矿渣慢冷时生成相对均衡的结晶结构，其水硬活性很低，水淬急冷，阻止了矿物结晶，因而形成了大量的无定形活性的玻璃体结构才具有较高的潜在活性。在激发剂的作用下，活性被激发出来，能够水化硬化产生强度。
　　由于钢渣和粒化高炉矿渣都具有水硬胶凝性，但由于其活性来源不同，因此水化产物的性质有很大差别。配制混凝土时掺入何种掺合料应根据混凝土使用部位和设计要求确定。钢铁渣粉是混凝土中重要组分，其性能对混凝土影响很大。用粒化高炉矿渣粉作掺合料，掺入量多时，配制的混凝土28天强度提高，流动度增大，水化热降低等，但同时会出现混凝土液相碱度降低，对保护钢筋钝化膜不利，抗碳化性能、耐磨性能降低，脆性加大等问题。
　　用钢渣粉做掺合料，掺入量多时配制的混凝土具有较高的耐磨性、抗碳化性、水化热低，可提高混凝土液相碱度、抗折强度高、韧性好等，但混凝土的早期强度低，对混凝土的流动性影响不大。
　　根据上述两种渣粉的不同性质，提高钢铁渣双掺粉是混凝土掺合料的最佳方案。根据混凝土性能的要求，通过试验确定钢渣粉和粒化高炉矿渣粉的最佳配合比。
　　钢铁渣粉做混凝土掺合料时，其混凝土的性能举例见表3。

表3  钢铁渣粉掺合料与混凝土性能关系（举例）

注：渣粉比表面积为452-480m²/kg。

　　从表3可知，在混凝土配合比相同时，纯水泥配制的混凝土强度等级为C70，20%钢渣粉等量取代后混凝土仍为C70，单用粒化高炉矿渣粉或用钢铁渣双掺粉等量取代20%的水泥，可配制C80的混凝土，与纯水泥混凝土相比提高了一个强度等级。