1 　前言

    ?；郀t礦渣粉(以下簡稱礦渣粉) 是將符合國家標準規(guī)定的?；郀t礦渣(以下簡稱礦渣) 經干燥、粉磨(或添加少量石膏一起粉磨) 達到相當細度且符合活性指數要求的粉體。礦渣是將鋼鐵企業(yè)使用高爐冶煉生鐵時產生的熔融態(tài)爐渣經過急冷得到的，由于來不及結晶而大部分形成玻璃態(tài)的物質。礦渣具有較高的潛在活性，以前一直作為一種工業(yè)副產品(廢渣) 使用，主要用于水泥生產中與水泥熟料共同粉磨制備礦渣水泥，由此基本解決了礦渣的綜合利用問題。由于礦渣的易磨性比水泥熟料差，兩者共同粉磨時，礦渣比水泥熟料顆粒粗得多，礦渣活性并未得到充分的發(fā)揮。此種礦渣利用方式只是一種簡單粗放的利用。若將礦渣、水泥熟料分別粉磨至一定的細度后，然后再進行混合制成水泥，如此可使礦渣的活性得到充分發(fā)揮。

    過去建筑業(yè)過度重視混凝土的強度而忽視了耐久性，一些混凝土結構出現了早期破壞，需要大量資金維修?；炷恋哪途眯詥栴}越來越受到人們的關注。隨著混凝土技術的發(fā)展，20世紀80 年代末90 年代初出現一種新型高科技混凝土- 高性能混凝土。它是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上，采用現代混凝土技術生產的混凝土，它以耐久性作為主要設計指標。高性能混凝土的配制特點是低水膠比，選用優(yōu)質原料，并除水泥、集料、水之外，必須摻加數量足夠的礦物細摻料和高效外加劑。常用礦物細摻料主要有粉煤灰、礦渣粉和硅灰等等。其中，礦渣粉因價格較低，能顯著地改善混凝土的耐久性和工作性，成為高性能混凝土最主要的礦物細摻料之一。

2 　國外研究及應用情況

    1862 年德國人發(fā)現礦渣具有潛在的活性后，礦渣長期作為水泥混合材使用。1865 年德國開始生產石灰礦渣水泥，1880 年初生產礦渣硅酸鹽水泥。自此，礦渣硅酸鹽水泥良好的耐久性及應用價值不斷為人們所認識，19 世紀初便在歐洲得到了廣泛的應用。德國有關礦渣硅酸鹽水泥的研究資料比硅酸鹽水泥的還要多。1933 年出現了濕碾礦渣及濕碾礦渣混凝土技術，20 世紀50 年代這一技術曾在大型混凝土和預制混凝土中應用，因濕碾礦渣漿的儲存和運輸困難的缺點該技術并未得到廣泛推廣。1958 年南非將礦渣烘干磨細，克服了濕碾礦渣漿儲存及運輸困難的缺點，首次將礦渣粉用于商品混凝土。進入20 世紀60 年代，隨著預拌混凝土工業(yè)的興起和發(fā)展，礦渣粉作為混凝土的獨立組分到到了廣泛應用，20 世紀90年代在東南亞、我國臺灣、香港地區(qū)也得到了廣泛的使用。目前，國外一些發(fā)達國家已將摻有礦渣粉的混凝土普遍用于各類建筑工程。西歐摻有礦渣粉的水泥約占水泥總用量的20%；荷蘭礦渣粉摻量65 %～70%的水泥約占水泥總銷量的60% ，幾乎各種混凝土結構都采用此種水泥；英國礦渣粉的每年銷售量已達到100 多萬噸；美國、加拿大現在也將礦渣粉摻入水泥中應用于各種建筑工程；在日本、新加坡、東南亞地區(qū)礦渣粉普遍應用于商品混凝土和摻入水泥中。

    美國1982年發(fā)布了《混凝土和砂漿用的磨細粒化高爐礦渣》標準(ASTM C989 - 82) ，并于1989 年進行了修訂。澳大利亞、加拿大、英國等在1980 年～1986年期間也相繼制定了高爐礦渣粉的材料標準。日本在1986 年由土木學會制定了《混凝土用礦渣粉》標準草案，于1995 年3 月正式修訂為日本的國家工業(yè)標準(J ISA6206 - 1995) ，日本1988 年還制定了《摻高爐礦渣粉的混凝土的設計與施工指南(草案) 》。這些標準的制定和實施極大地推動了礦渣粉混凝土技術的研究，并促使礦渣粉混凝土技術得到了令人矚目的發(fā)展。

3 　國內研究及應用情況

    在我國，礦渣運用的歷史久遠，但都是作為活性混合材添加在水泥熟料中，成為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥。隨著國際上對礦渣粉研究的不斷深入和大規(guī)模的開發(fā)利用，我國改革開放的力度不斷加大，預拌混凝土的崛起與發(fā)展以及政府日益注重的環(huán)境保護，自20 世紀90 年代起，我國開始了礦渣粉的特性及應用研究工作。清華大學對礦渣粉在高強混凝土的應用中進行了研究，在其編寫的《高強混凝土結構設計與施工指南》一書中特別提出礦渣粉在配置高強混凝土方面的巨大潛力。冶金部建筑研究總院在搜集大量國內外有關資料，尤其是在日本資料的基礎上，立項進行礦渣粉成套技術的開發(fā)研究工作，在產品性能、礦渣粉混凝土性能等方面獲得了大量數據，完成了“寶鋼高爐渣微粉在混凝土中應用研究”課題的第一階段工作，上海建筑科學研究院和上海寶鋼企業(yè)開發(fā)總公司共同完成了該課題。此課題的完成為1998 年上海市地方標準《混凝土和砂漿用?；郀t礦渣微粉》、1999年《?；郀t礦渣微粉在混凝土中應用技術規(guī)程》制定頒布創(chuàng)造了條件。2000 年國家標準《用于水泥和混凝土的?；郀t礦渣粉》(GB18046-2000) 頒布實施，礦渣粉的應用逐漸成熟，并被廣泛接受和使用。

    我國礦渣粉的生產和應用起始于1996 年，礦渣粉生產工藝從最初的振動超細磨系統(tǒng)、改造原有的球磨機系統(tǒng)到現在的大型進口的立磨系統(tǒng)。目前國內已建成十多條采用從國外引進立磨的大規(guī)?，F代化礦渣粉生產線。礦渣粉的應用從起初的大體積混凝土、大流動度混凝土以及海工工程、水利工程，發(fā)展到目前應用于高性能混凝土乃至于普通混凝土。各種混凝土結構幾乎都使用礦渣粉。其中上海較為突出，據不完全統(tǒng)計該地區(qū)每年用于商品混凝土和摻加在水泥中的礦渣粉已達到200 萬噸。

4 　?；郀t礦渣粉應用前景

    礦渣粉最重要的應用是等量替代混凝土中的水泥進行混凝土生產。它不僅可用于配制普通混凝土，而且還是高性能混凝土中必不可少的最常用礦物細摻料之一。高性能混凝土是經過漫長時間的發(fā)展，在長期研究和實踐中創(chuàng)造的至今最完善的混凝土。它具有高耐久性、工作性、各種良好的力學性能、適用性、體積穩(wěn)定性以及經濟合理性。十多年來，它已在很多重要的工程中得到成功的應用，并正在逐漸取代近百年來常用的普通混凝土，并在絕大多數的各類建筑物中使用。高性能混凝土是2 1世紀的混凝土，是近期混凝土技術發(fā)展的主要方向。在混凝土中摻加適量的礦渣粉，能顯著的改善新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的耐久性。改善新拌混凝土工作性主要表現在可以降低水化熱峰值，延遲水化熱峰值出現時間，從而減少溫差裂縫的產生；提高新拌混凝土的和易性、可泵性；減少坍落度的經時損失；并具有一定的減水作用。改善硬化混凝土的耐久性主要表現在提高密實度，改善內部結構；提高抗?jié)B性、抗凍性、抗腐蝕能力，抑制堿—集料反應，提高了后期強度，從而增強了耐久性。

    耐久性是目前混凝土各項性能中最重要的指標之一?；炷林惺褂玫V渣粉會給混凝土生產企業(yè)帶來可觀的經濟效益?；炷林械V渣粉可等量替代20%～70%水泥，在粉煤灰、礦渣粉雙摻時礦渣粉依然可等量替代30%～40%水泥。在實際應用中，混凝土中礦渣粉平均摻量一般在30%左右，即每立方混凝土中可摻加100kg 左右。按北京目前水泥和礦渣粉的差價約100 元計算，每立方混凝土可節(jié)約成本約10元，一個年產30萬m3 的混凝土攪拌站每年就可節(jié)約成本約300萬元。

    在混凝土中使用礦渣粉最重要的是具有較大的節(jié)能和環(huán)境保護效益。水泥是混凝土中的膠凝材料，是最重要的組成。

    水泥生產企業(yè)歷來是一個比較大的污染源。水泥生產會排放大量的粉塵、NxO、SO3 、CO2等有害氣體，產生噪聲污染，消耗大量的石灰石、粘土資源。每生產1t水泥熟料，大約將產生1tCO2。此外，生產水泥將消耗大量的能源，每生產1t 熟料，需要大約100kg～130kg 標煤、90 度電。采用立磨系統(tǒng)生產礦渣粉的電耗大約在45度/噸～55度/噸。平均每立方混凝土使用水泥約300kg。每立方混凝土中礦渣粉平均可以替代約100kg水泥。我國水泥的年產量已達8 億噸，若按礦渣粉每年替代1 億噸水泥，可以少向大氣排放0.8億噸CO2 ，節(jié)約0.1億噸標煤的燃料、40億度電。節(jié)能和環(huán)保效益明顯。

    目前，北京有200多家混凝土攪拌站，年銷售量2500萬m3 左右。若每方混凝土礦渣粉替代100kg水泥，每年將會有250萬噸礦渣粉的需求。市場前景十分樂觀。

    綜上所述，礦渣粉可以改善混凝土的耐久性和工作性，是一種性能優(yōu)良的礦物細摻料。使用礦渣粉能產生可觀的經濟效益，顯著的節(jié)能和環(huán)保效益，符合我國經濟的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。礦渣粉具有十分誘人的發(fā)展應用前景。

5 　生產工藝選型

    目前，礦渣粉磨工藝按粉磨設備分主要有：振動磨系統(tǒng)、球磨機系統(tǒng)、輥壓機系統(tǒng)、立磨系統(tǒng)等。

5.1 　振動磨系統(tǒng)

    物料經過計量喂入振動磨，出振動磨物料即是成品。該系統(tǒng)工藝比較簡單，對操作人員要求不高。粉磨420m2/kg 比表面積礦渣粉的單位電耗約為80kWh/t～90kWh/t 。該系統(tǒng)單機生產能力小，維修費用較高，產品細度調節(jié)困難，質量不穩(wěn)定。此種粉磨工藝在礦渣粉粉磨技術發(fā)展中起到了一定的作用，得到一定程度的應用，不過，現在基本上已沒有企業(yè)采用此種工藝進行礦渣粉磨。

5.2 　球磨機系統(tǒng)

    此種系統(tǒng)分為開流工藝和圈流工藝。

5.2.1 　開流粉磨工藝

    物料經計量喂入球磨機，出球磨機的物料即為成品。該工藝是最早應用的礦渣粉粉磨技術，具有工藝簡單，生產可靠，對操作人員技術要求低，投資省的特點。粉磨420m2/kg比表面積礦渣粉的單位電耗約為100kWh/t 左右。該工藝粉磨效率低，能耗大，單位產品成本高，單機能力小，而且產品細度調節(jié)困難。目前這種高能耗的粉磨方式不適合現代化企業(yè)的發(fā)展方向。

5.2.2 　圈流粉磨工藝

    與開流粉磨工藝相比，具有產品細度調節(jié)方便，可以減少物料過粉磨現象，粉磨效率相對較高，單機能力有所增加，但系統(tǒng)復雜，單機能力小的問題仍然存在。與先進的粉磨工藝相比，粉磨420m2/kg比表面積礦渣粉的單位電耗約為75kWh/t左右。研磨體消耗量在300g/t以上，經營成本較高。

5.3 　輥壓機系統(tǒng)

    此種系統(tǒng)可分為終粉磨工藝和半終粉磨工藝。終粉磨工藝：物料經計量喂入輥壓機擠壓粉磨，從輥壓機出來的料片經打散機打散后，直接送到選粉機，選粉機選出合格的成品，粗顆粒返回輥壓機重新粉磨。該系統(tǒng)充分利用了輥壓機的高效粉碎機理，粉磨效率高，能耗低于球磨機粉磨系統(tǒng)。

    粉磨420m2/kg 比表面積礦渣粉的單位電耗約為50kWh/t左右。但由于經輥壓機擠壓粉磨的物料中細粉含量相對較少，因而循環(huán)負荷很大，一般在8倍喂料量以上，成品中微粉量不夠，成品質量雖能滿足要求，但相同比表面積的產品質量比球磨機及立磨粉磨的產品質量差。此外，單機生產能力仍然較小。

    半終粉磨工藝：物料經計量喂入輥壓機擠壓粉磨，從輥壓機出來的料片經打散機打散后，送到選粉機，選粉機選出合格的成品，粗顆粒送入球磨機系統(tǒng)進行粉磨。該系統(tǒng)利用了輥壓機的高效粉碎機理，粉磨效率高，能耗低于球磨機粉磨系統(tǒng)。

    粉磨420m2/kg 比表面積礦渣粉的單位電耗約為60kWh/t 左右。此種工藝雖然克服了輥壓機終粉磨系統(tǒng)相同比表面積的產品質量不如球磨機及立磨粉磨的缺點，但循環(huán)負荷率仍很大。此外，工藝流程復雜，對操作人員要求較高，占地面積較大，投資較球磨機系統(tǒng)和輥壓機終粉磨系統(tǒng)都大。

5.4 　立磨系統(tǒng)

    立磨最初是用來粉磨煤粉，其規(guī)格也較小，20 世紀70年代后期開始應用于粉磨水泥生料，規(guī)格也越來越大，20 世紀80年代中期以來，隨著立磨的不斷改進和新型耐磨材料的研究發(fā)展，立磨粉磨水泥熟料取得了成功，與其它粉磨系統(tǒng)相比，立磨工藝具有集烘干、粉磨、選粉于一體，系統(tǒng)簡單，單機產量高的優(yōu)點，對于粉磨高水分的物料可以不單設烘干設備，因而系統(tǒng)投資和運行維護費用較低，系統(tǒng)可靠性高，系統(tǒng)的粉磨電耗低，粉磨420m2/kg 比表面積礦渣粉的單位電耗約為45kWh/t 左右。而粉磨產品的顆粒形狀優(yōu)于輥壓機終粉磨系統(tǒng)生產的產品，因此在相同的比表面積下，其產品性能較好。20 世紀80年代后期以來，世界各國的立磨制造商在立磨粉磨礦渣工藝上做了大量的研究工作，取得了豐碩的技術成果，十幾年來的使用情況表明，立磨粉磨礦渣工藝已是一種成熟且先進的礦渣粉磨技術。目前德國Polysius 和Loesch 公司，日本的川崎、三菱、宇部公司都擁有成熟可靠的立磨粉磨礦渣技術。目前，各大鋼鐵企業(yè)大都采用此種系統(tǒng)進行礦渣粉生產。

    我公司在項目籌建初期對國內幾個大型礦渣粉生產廠家進行了考察，根據考察情況了解到：國內同類礦渣粉生產廠絕大部分采用立磨系統(tǒng)，僅有武漢亞東水泥廠采用輥壓機終粉磨系統(tǒng)，但該廠已完成球磨機的基礎土建，準備再建一臺球磨機，而將原輥壓機作為預粉磨使用。改造后，國內將無一家用輥壓機作礦渣細磨終粉磨。根據上述實地考察情況，并綜合考慮礦渣粉磨特性和以上幾種粉磨系統(tǒng)的優(yōu)缺點，我公司礦渣粉磨采用立磨系統(tǒng)，立磨選用德國POLYSIUS 公司RMC51/26/435，生產能力為90t/ h(420m2/kg) ，年產60萬噸?；郀t礦渣粉。

6 　生產控制

6.1 　工藝流程概述

    我公司采用的是立磨粉磨工藝 。礦渣粉磨設備是從德國伯利休斯( Polysius) 公司引進RMC51/26/435立磨。工藝流程簡述如下：

    首鋼集團的礦渣由火車或汽車運輸進廠卸至聯合儲庫內儲存； 然后經抓斗、膠帶輸送機送入配料站的礦渣倉內儲存。礦渣倉底設有喂料秤。倉內的礦渣由皮帶喂料秤定量卸出，經膠帶輸送機送到立磨系統(tǒng)。為防止金屬塊進入磨內，入磨膠帶輸送機上設有電磁除鐵器和金屬探測器。由原料系統(tǒng)送來的礦渣經氣動翻板閥、鎖風喂料閥喂入立磨內烘干并粉磨。喂入磨機的物料被磨輥在旋轉的磨盤上所擠壓，在一定負荷下被粉碎，粉磨后的物料被熱風即上升承載空氣送入位于立磨上部的高效選粉機中分選成粗粉和細粉；細粉即成品由袋式收塵器收下，經斜槽、提升機等輸送設備送入成品系統(tǒng)；粗粉落在磨盤上再次粉磨，為了節(jié)能，一部分粗粉排出立磨經除鐵器、提升機、輸送機等設備送回立磨內再粉磨。廢氣經高效袋式收塵器除塵后由排風機經煙囪排入大氣，烘干熱源由燃氣熱風爐提供。

    合格的礦渣粉經提升機、輸送機送入3座<15×40m 和1座<8×25m 礦渣粉庫內儲存。礦渣粉庫內設有開式充氣斜槽，充氣后，礦渣粉可以通過庫底卸料設備、汽車散裝機送入散裝車中運輸出廠。以上系統(tǒng)，各揚塵點均設有高效袋式收塵器，以保證排放濃度滿足國家環(huán)保標準的要求，經有關環(huán)境保護部門檢測，除塵器出口粉塵濃度為9.52mg/m3 ，達到國內先進水平。

6.2 　控制指標的確定

    為確保出廠礦渣粉的合格率100 % ，質量控制分為三部分，即原材料的質量控制、出磨礦渣粉的質量控制、出廠礦渣粉的質量控制。

6.2.1 　原材料的質量控制

    進廠礦渣原料的控制指標參照國家標準《用于水泥中的粒化高爐礦渣》( GB/ T203 1994) 確定，放射性水平應當符合國家標準《建筑材料放射性核素限量》( GB/ T6566 2001) 。

6.2.2 　出磨礦渣粉的質量控制

    我公司目前主要生產S95 等級?；郀t礦渣粉，實際生產控制指標如下：

　　　　產品水分：≤0.5 %

　　　　比表面積： ≥420m2/kg

　　　　7d 活性指數： ≥75

　　　　28d 活性指數： ≥100

　　　　流動度比： ≥100

    礦渣粉具有潛在的水硬性，應當嚴格控制產品水分。國家標準《用于水泥和混凝土的?；郀t礦渣粉》( GB18046 -2000) 中規(guī)定：產品水分≤110%。Polysius 承諾的技術性能中產品水分≤0.5% ，目前實際運行的同類礦渣粉廠產品水分也大都控制在015 %以下，因而產品水分控制指標為≤0.5%。

    根據市場調查結果北京市場對礦渣粉的質量需求以S95為主，國內同類礦渣粉廠S95 級礦渣粉的比表面積大都控制在400m2/kg～450m2/kg 之間。我公司進行了大量的試驗研究，以了解礦渣粉比表面積與活性之間的相關性，確定S95 級礦渣粉的比表面積控制指標為≥420m2/ kg。產品生產后的大量數據表明，以首鋼礦渣為原料的礦渣粉比表面積≥420m2/kg時，產品完全可以滿足S95 級質量要求。

    由于首鋼礦渣原料較好，28d 活性指數，流動度比控制均高于國家標準《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》( GB/T18046 2000) 要求。

6.2.3 　出廠礦渣粉的質量控制

    出廠礦渣粉將按國家標準《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》( GB/ T18046 2000) 進行全套檢驗，檢驗項目和指標見表1 ：

6.3 　工藝參數的確定

    根據首鋼礦渣的原料特性，在德國Polysius 公司調試專家指導下，經過較短時間的調試，確定了生產S95 級礦渣粉的工藝參數，參數如表2 ：

    設備各項性能指標均達到要求，產品經過檢驗，完全可以達到S95 級出廠礦渣粉的質量控制指標。

6.4 　生產情況及控制情況

    自2004 年2 月18 日正式投產以來，主要生產S95 級礦渣粉。運行狀況良好，產品質量穩(wěn)定。3 月13 日至3 月15 日會同Polysius 專家進行了立磨性能測試，完全達到合同中的各項指標。表3 為一部分生產運行記錄。

    原材料質量控制：礦渣原料來自首鋼煉鐵廠，首鋼煉鐵廠技術科每周提供一次前一周每天的礦渣化學成分，礦渣化學成分十分穩(wěn)定。為此，進廠礦渣原料每5000 噸進行一次化學全分析。國家標準《用于水泥中的?；郀t礦渣》( GB/ T203-94) 中規(guī)定：產渣量100 萬噸以上，不超過5000t為一編號。若從首鋼提供的礦渣化學成分中發(fā)現有異常波動，可隨時進行抽檢。生產線運行至今，礦渣質量系數均大于1.70 ，高于國家標準《用于水泥中的?；郀t礦渣》( GB/ T203-94) 中優(yōu)等品≥1.60 的要求，化學成分未發(fā)現有任何異常波動。礦渣聯合儲庫的儲量約13000 噸，可滿足約5 天生產需求。當礦渣原料成分出現波動，可采取高低搭配的方法進行消除。

    礦渣粉質量控制：礦渣粉活性指數與檢驗用的對比水泥有很大關系，同一礦渣粉采用不同對比水泥，檢驗出的活性指數會有很大的不同；即使采用同一對比水泥，檢驗出的活性指數也會有不一致。這是因為不同批次對比水泥的礦物組成和質量都有可能不同。為了盡可能消除因對比水泥不同造成的礦渣粉活性指數檢驗結果的不確定性，我公司采用中國建材研究院銷售的“混凝土外加劑性能檢測用基準水泥”作為對比水泥，以保證檢驗結果的確定性、客觀性、準確性。生產線投產至今，由于礦渣原料化學成分穩(wěn)定，礦渣粉的質量十分穩(wěn)定。在嚴格控制產品比表面積和45μm 篩余情況下，未發(fā)現礦渣粉質量異常。3 座<15×40m礦渣粉儲存庫是連續(xù)式空氣均化庫，不僅有儲存功能，還有均化功能，可以一定程度上消除出磨礦渣粉的質量波動。實際生產檢驗數據統(tǒng)計值見下表，表中數據表明3 座<15×40m礦渣粉儲存庫起到了一定的均化作用。此外，為解決可能發(fā)生礦渣原料波動和設備異常等情況造成的礦渣粉質量較大波動，生產線設置了一個<8m 礦渣粉儲存庫。可以利用此儲存庫采用多庫搭配的方法消除出磨礦渣粉質量波動。

7 　結語

    我公司采用德國伯利休斯( Polysius) 公司RMC51/26/435立磨生產礦渣粉，生產工藝成熟，產品質量穩(wěn)定，節(jié)能降耗。

    2004 年7月15日通過中國建材工業(yè)協會組織的“摻首鋼礦粉混凝土應用與耐久性能研究”的鑒定。至2004 年9月底，我公司已生產銷售了大量礦渣粉，用于各類混凝土工程中。礦渣粉可大量替代混凝土中的水泥，顯著改善新拌混凝土工作性和硬化混凝土的耐久性，有較大的后期強度發(fā)展。使用礦渣粉配制的混凝土可廣泛的應用于各類建筑工程。這將會為混凝土生產企業(yè)帶來良好的經濟效益，更為重要的是在資源節(jié)約和綜合利用及環(huán)境保護方面有著不可估量的作用，符合我國走可持續(xù)發(fā)展的道路的戰(zhàn)略。礦渣粉應用前景廣闊，必將在我國建筑業(yè)中發(fā)揮巨大的作用。