金屬鎂渣在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)踐

張旭

國(guó)內(nèi)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(guò)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(yīng)用于水泥熟料的生產(chǎn)。鎂渣在水泥熟料的生產(chǎn)過(guò)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(shì)能，促進(jìn)晶體的形成；同時(shí)，鎂渣中含有的CaF2還具有礦化劑的作用，能夠促進(jìn)水泥生產(chǎn)時(shí)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(xì)粉含量很高，鎂渣易磨性非常好，應(yīng)用于水泥生產(chǎn)時(shí)，不僅能夠顯著增加水泥生料中的超細(xì)粉含量，而且可以有效提高生料的細(xì)度和反應(yīng)活性。

我公司地處山西省運(yùn)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(xué)分析見(jiàn)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(dāng)?shù)厮嗥髽I(yè)大多采用鎂渣配料進(jìn)行水泥熟料的生產(chǎn)。本文將對(duì)我公司水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用鎂渣后的熟料煅燒、摻量調(diào)整及作為混合材的使用情況等進(jìn)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(xué)分析，%

1 摻加鎂渣對(duì)水泥熟料煅燒的影響

1.1 生料配料物理化學(xué)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(kāi)始應(yīng)用鎂渣（本地區(qū)金屬鎂冶煉企業(yè)副產(chǎn)物）進(jìn)行五組分配料（化學(xué)分析見(jiàn)表2），生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料。進(jìn)廠鎂渣外觀呈土黃色，水分含量12%~18%，所含Mg3N2與水反應(yīng)可生成氨氣，進(jìn)廠鎂渣有強(qiáng)烈的刺鼻氣味。

表2 公司五組分配料原材料化學(xué)分析，%

1.2 摻加鎂渣不同配料方案對(duì)熟料強(qiáng)度和窯運(yùn)行的影響

試驗(yàn)通過(guò)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(shí)際運(yùn)行中，對(duì)比不同配料方案熟料強(qiáng)度和窯運(yùn)行情況的變化。鎂渣應(yīng)用初期，試驗(yàn)過(guò)程中不同配料方案及水泥生產(chǎn)主要工藝數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3，熟料化學(xué)成分、礦物組成、率值及抗壓強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表4。

由表3、表4可知，當(dāng)生料中鎂渣配比為5%時(shí)，對(duì)熟料強(qiáng)度并無(wú)明顯影響；當(dāng)生料中鎂渣配比提高至12%時(shí)，熟料3d抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯提高，但28d抗壓強(qiáng)度卻由53MPa大幅提高至60MPa左右。另外，通過(guò)此次試驗(yàn)還可以看出，銅渣作為鐵質(zhì)校正材料，對(duì)熟料28d抗壓強(qiáng)度的提高也起到了一定作用。

表3 鎂渣應(yīng)用初期，試驗(yàn)過(guò)程中不同配料方案及水泥生產(chǎn)主要工藝數(shù)據(jù)對(duì)比（2019年）

表4 鎂渣應(yīng)用初期試驗(yàn)過(guò)程中不同配料方案熟料化學(xué)成分、礦物組成、率值及抗壓強(qiáng)度對(duì)比（2019年）

此次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，生料中摻加鎂渣對(duì)窯系統(tǒng)運(yùn)行影響較大。主要表現(xiàn)在，摻加鎂渣后，窯內(nèi)28~40m結(jié)圈嚴(yán)重，試驗(yàn)期間兩次停窯，燒結(jié)的熟料結(jié)粒疏松、不致密，并時(shí)有黃芯料出現(xiàn)，fCaO波動(dòng)較大。雖然采取了調(diào)整噴煤管內(nèi)外風(fēng)比例、移動(dòng)噴煤管位置等措施，但后結(jié)圈仍生長(zhǎng)掉落頻繁，嚴(yán)重時(shí)窯尾負(fù)壓由300Pa上升至1 500Pa，窯尾漏料嚴(yán)重。8月23日、24日，由于窯內(nèi)結(jié)圈嚴(yán)重，窯投料量分別減至130t/h、140t/h，熟料fCaO分別達(dá)到4.48%、5.01%，24日3d、28d抗 壓 強(qiáng) 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(shí)，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(shí)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(dǎo)致入窯物料太過(guò)易燒。同時(shí)，由于調(diào)整過(guò)程中，生料和窯系統(tǒng)工況易產(chǎn)生波動(dòng)，最終造成窯內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)圈。后期通過(guò)提高熟料KH、C3S、摻加鎂渣，提高了熟料的3d抗壓強(qiáng)度。

1.3 鎂渣摻量和熟料KH值、C3S含量對(duì)熟料強(qiáng)度的影響

2020年鎂渣應(yīng)用期間，生料配比情況見(jiàn)表5，熟料化學(xué)成分、礦物組成及率值見(jiàn)表6，熟料物理性能見(jiàn)表7。

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

表5鎂渣應(yīng)用期間生料配比情況（2020年），%

表6 鎂渣應(yīng)用期間熟料化學(xué)成分（%）、礦物組成（%）及率值（2020年）

表7 鎂渣應(yīng)用期間熟料物理性能（2020年）

1.4 摻加鎂渣對(duì)熟料易燒性的影響

使用鎂渣配料前后，生料易燒性對(duì)比見(jiàn)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(fù)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(nèi)頻繁結(jié)圈、保持窯系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

表8 鎂渣配料前后生料易燒性對(duì)比（2020年）

2 摻加鎂渣對(duì)生料輥磨系統(tǒng)運(yùn)行的影響

摻加鎂渣前后，生料輥磨系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。從生料輥磨運(yùn)行情況來(lái)看，與未摻加鎂渣時(shí)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(fēng)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(yùn)行數(shù)據(jù)

3 鎂渣作為混合材對(duì)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(wú)明顯變化。在鎂渣成功應(yīng)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(zhǎng)期存放會(huì)發(fā)生粉化和體積膨脹現(xiàn)象，推測(cè)鎂渣應(yīng)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(duì)P·S·B32.5水泥性能的影響。試驗(yàn)用熟料粉配比見(jiàn)表10，不同摻量鎂渣P·S·B32.5水泥強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

從表10、表11可以看出，用鎂渣代替3.0%~8.0%礦渣時(shí)，配制的P·S·B32.5水泥的3d抗壓強(qiáng)度由17.7MPa降低至15.0MPa，28d抗壓強(qiáng)度由47.7MPa降至42.4MPa，二者均呈下降趨勢(shì)；但用鎂渣代替5%和10%的爐渣或代替5%石灰石時(shí)，配制的P·S·B32.5水泥3d抗壓強(qiáng)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(shí)，配制的P·S·B32.5水泥3d抗壓強(qiáng)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(shí)，配制的P·S·B32.5水泥28d抗壓強(qiáng)度基本沒(méi)有降低，但當(dāng)鎂渣摻量>10%時(shí)，則配制的P·S·B32.5水泥28d抗壓強(qiáng)度明顯下降，由47.7MPa降至44.6MPa、45.6MPa。

表10 試驗(yàn)用熟料粉配比

表11 不同鎂渣摻量P·S·B32.5水泥強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

在礦渣中摻入鎂渣后，輥磨運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)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(huì)造成輥磨出口溫度有一定程度下降。同時(shí)，用鎂渣代替一定比例的礦渣后，會(huì)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(yùn)行數(shù)據(jù)（2021年）

4 結(jié)語(yǔ)

（1）鎂渣中CaO占48%~52%，可替代5%左右的結(jié)晶完整、晶粒粗大的石灰石進(jìn)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(jié)晶完整、晶粒粗大的砂巖進(jìn)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(qiáng)度。為充分發(fā)揮鎂渣的作用，其在生料中的摻加比例應(yīng)≥8.0%。在生料中摻入鎂渣的同時(shí)，應(yīng)相應(yīng)提高熟料的KH、SM及C3S含量，不僅可提高熟料強(qiáng)度，也可提高生料的耐火度，防止生料過(guò)于易燒，造成窯內(nèi)結(jié)圈事故。

（3）在水泥生產(chǎn)過(guò)程中加入適當(dāng)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(qiáng)度。