粒化高爐礦渣（GBFS)也稱為爐渣 俗稱水渣， 水渣是把熱熔狀態的高爐渣置於水中急速冷卻的過程，主要有渣池水淬或爐前水淬兩種方式。
基本介紹
- 中文名：粒化高爐礦渣
- 外文名：GBFS
1. 簡介：
粒化高爐礦渣（GBFS)也稱為爐渣 俗稱 水渣
1） 水渣是把熱熔狀態的高爐渣置於水中急速冷卻的過程，主要有渣池水淬或爐前水淬兩種方式。水渣作建材用於生產水泥和混凝土，由於水渣具有潛在的水硬膠凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激發劑作用下，可以作為優質的水泥原料，可製成：礦渣矽酸鹽水泥、石膏礦渣水泥、石灰礦渣水泥、礦渣磚、礦渣混凝土等。
2） 高爐煉鐵熔融的礦渣在驟冷時，來不及結晶而形成的玻璃態物質。呈細粒狀。熔融的礦渣直接流入水池中冷卻的又叫水淬礦渣，俗稱水渣。礦渣經磨細後，是水泥的活性混合材料。含SiO2多的礦渣為酸性礦渣，含Al2O3和CaO多的為鹼性礦渣。鹼性礦渣的活性比酸性礦渣高。礦渣由於具有一定的自身水硬性，不宜長期存放。
3）高爐礦渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣。在高爐冶煉生鐵時，從高爐加入的原料，除了鐵礦石和燃料(焦炭)外，還要加入助熔劑。當爐溫達到1400一1600℃時，助熔劑與鐵礦石發生高溫反應生成生鐵和礦渣。高爐礦渣是由脈石、灰分、助熔劑和其他不能進入生鐵中的雜質組成的，是一種易熔混合物。從化學成分來看，高爐礦渣是屬於矽酸鹽質材料。每生產1t生鐵，高爐礦渣的排放量隨著礦石品位和冶煉方法不同而變化。例如採用貧鐵礦煉鐵時，每噸生鐵產出1．0一1．2t高爐渣；用富鐵礦煉鐵時，每t生鐵只產出0．25t高爐渣。由於近代選礦和煉鐵技術的提高，每噸生鐵產出的高爐礦渣量已經大大下降。
由於煉鐵原料品種和成分的變化以及操作工藝因素的影響，礦渣的組成和性質也不同。按照冶煉生鐵的品種，高爐礦渣可分為鑄造生鐵礦渣、煉鋼生鐵礦渣和特種生鐵礦渣。按照高爐礦渣化學成分中的鹼性氧化物的多少．高爐礦渣又可分為鹼性礦渣、中性礦渣和酸性礦渣
4）高爐礦渣是冶煉生鐵時從高爐中排出來的廢物。由於煉鐵原料品種和成分的變化以及操作工藝因素的差別。高爐礦渣的組成和性質具有較大的變動範圍．目前，對於高爐礦渣的分類主要有兩種方法。
1 ．按照冶煉生鐵的品種分類
(1) 鑄造生鐵礦渣 冶煉鑄造生鐵時排出的礦渣。
(2) 煉鋼生鐵礦渣 冶煉供煉鋼用生鐵時排出的礦渣。
(3)特種生鐵礦渣 用含有其他金屬的鐵礦石熔煉時排出的礦渣。
2 ．按照礦渣的鹼度區分
高爐礦渣的化學成分中，鹼性氧化物之各與酸性氧化物之和的比值，稱為高爐礦渣的鹼度或鹼性率，用 MO 表示，即
MO = (CAO+MGO)/(SIO2+AL2O3)
按照礦渣的鹼度可把礦渣分為如下三類。 A 鹼性礦渣 M0>1 ； B 中性礦渣 MO = 1 ； C 酸性礦渣 MO<1 。
2. 技術指標
礦渣品質要求 國家標準(GB/203-94)對粒化高爐礦渣的質量要求規定如下： 1）、粒化高爐礦渣的質量係數K應不小於1.2;(企業內控標準不小於1.6) 2）、粒化高爐礦渣中錳化合物的含量，以MnO計不得超過4%，錳鐵合金粒化高爐礦渣的MnO允許放寬到15%；硫化物含量(以硫計)不得超過3%；氟化物含量(以氟計)不得大於2%； 3）、粒化高爐礦渣的鬆散容量不大於1.2kg/L，最大直徑不得超過100mm，大於10mm顆粒含量(以重量計)不大於8%； 4）、粒化高爐礦渣不得混有外來夾雜物，如鐵尖泥，未經淬冷的塊狀礦渣等； 5）、礦渣在未烘乾前,其貯存期限從液冷成粒時算起，不宜3個月
6）①用化學成分分析來評定礦渣的質量是評定礦渣的主要方法.我國國家標準（GB/T203-94）規定粒化高爐礦渣質量係數如下：
式中：各氧化物表示其質量百分數含量。
質量係數K反映了礦渣中活性組份與低活性、非活性組份之間的比例關係，質量係數K值越大，礦渣活性越高。
礦渣化學成分中鹼性氧化物與酸性氧化物之比值Mo，稱之為：鹼性係數。
如果：Mo>1表示鹼性氧化物多於酸性氧化物，該礦渣稱之為：鹼性礦渣；
Mo=1表示鹼性氧化物等於酸性氧化物，該礦渣稱之為：中性礦渣；
Mo<1表示鹼性氧化物少於酸性氧化物，該礦渣稱之為：酸性礦渣。
②.激發強度試驗法
目前有氫氧化鈉激發強度法、消石灰激發強度法、礦渣水泥強度比值R法等。但這些方法都存在一定的不足和局限性。
我國國家標準（GB/T18046-2000）規定：對比樣品的對比水泥為符合GB/T175的PⅠ型42.5級（原525號）矽酸鹽水泥；試驗樣品由對比水泥和礦渣粉按質量比1:1組成。試驗砂漿配比如下表所示：
砂漿種類 | 水泥 （g） | 礦渣粉 （g） | 中國ISO標準砂（g） | 水（mL） |
對比砂漿 | 450 | / | 1350 | 225 |
試驗砂漿 | 225 | 225 |
試驗方法按GB/T17671進行。分別測定試驗樣品的7天、28天的抗壓強度R7（MPa）、R28（MPa）和對比樣品7天和28天的抗壓強度R07（MPa）、R028（MPa）。
然後，按下式計算礦渣粉的7天活性指數A7（%）和28天活性指數A28（%），計算結果取整數。
A7=R7÷R07×100（%）
A28=R28÷R028×100（%）
3. 用途與性能
1)高爐礦渣可採用多種工藝加工成具有多種用途的寶貴材料。加工成礦渣碎石可代替天然砂石，作為混凝土、鋼筋混凝土以及500號以下預應力鋼筋混凝土骨料，工作溫度700℃以下的耐熱混凝土骨料，要求耐磨、防滑的高速公路、賽車場、飛機跑道等的輔助材料，鐵路道渣、填坑道地和地基墊層填料，污水處理介質等。高爐熔渣用大量水淬冷後，可製成含玻璃體為主的細粒水渣，有潛在的水硬膠凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激發劑作用下，顯示出水硬膠凝性能，是優質水泥原料。我國生產的水泥有70%一80%摻用了不同數量的水渣。水渣還可作保溫材科，濕碾和濕磨礦渣，混凝土和道路工程的細骨料；土壤改良材料等。
熱熔礦渣可加工成多孔的膨脹礦渣，經破碎、篩分後成為混凝土輕骨科，還可加工成內含微孔、表面光滑、大小不等的顆粒——膨珠。膨珠是優質的混凝土輕骨料，比用膨脹礦渣可節省水泥20%；還可作水泥混合材料、道路材料、保溫材料等。
用壓縮空氣噴吹或高壓蒸汽噴吹熱熔礦渣流，可製取礦渣棉。作為保溫、吸音、防火材料等用途。
此外．高爐礦渣還可作為鑄石、微晶玻璃、肥料、搪瓷、陶瓷等的原料。
2) 生產礦渣水泥
水渣具有潛在的水硬膠凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激發劑作用下，可顯示出水硬膠凝性能，是優質的水泥原料。水渣既可以作為水泥混合料使用，也可以製成無熟料水泥。
（1）礦渣矽酸鹽水泥，是用矽酸鹽水泥熟料與粒化高爐礦渣再加入3%～5%的石膏混合磨細或者分別磨後再加以混合均勻而製成的。礦渣矽酸鹽水泥簡稱為礦渣水泥。
在磨製礦渣水泥時，高爐礦渣的摻入量對水泥的抗壓強度影響不大，而對抗拉強度的影響更小，所以，其摻入量可以占到水泥重量的20%～85%。這樣對於提高水泥質量，降低水泥生產成本是十分有利的。
礦渣水泥與普通水泥相比有如下特點：第一，具有較強的抗溶出性和抗硫酸鹽侵蝕性能，故能用於水上工程、海港及地下工程等，但在酸性水及含鎂鹽的水中，礦渣水泥的抗侵蝕性較普通水泥差。第二，水化熱較低，適合於澆築大體積混凝土。第三，耐熱性較強，使用在高溫車間及高爐基礎等容易受熱的地方比普通水泥好。第四，早期強度低，而後期強度增長率高，所以在施工時應注意早期養護。此外，在循環受乾濕或凍融作用條件下，其抗凍性不如矽酸鹽水泥，所以不適宜用在水位時常變動的水工混凝土建築中。
（2）石膏礦渣水泥，是將乾燥的水渣和石膏、矽酸鹽水泥熟料或石灰按照一定的比例混合磨細或者分別磨細後再混合均勻所得到的一種水硬性膠凝材料。
在配製石膏礦渣水泥時，高爐水渣是主要的原料，一般配入量可高達80%左右。
石膏在石膏礦渣水泥中是屬於硫酸鹽激發劑。它的作用在於提供水化時所需要的硫酸鈣成分，激發礦渣中的活性。一般石膏的加入量以15%為宜。
少量矽酸鹽水泥熟料或石灰，系屬於鹼性激發劑，對礦渣起鹼性活化作用，能促進鋁酸鈣和矽酸鈣的水化。在一般情況下，如用石灰作鹼性激發劑，其摻入量宜在3%以下，最高不得超過5%，如用普通水泥熟料代替石灰，摻入量在5%以下，最大不超過8%。
這種石膏礦渣水泥成本較低，具有較好的抗硫酸鹽侵蝕和抗滲透性，適用於混凝土的水工建築物和各種預製砌塊。
（3）石灰礦渣水泥，是將乾燥的粒化高爐礦渣、生石灰以及5%以下的天然石膏，按適當的比例配合磨細而成的一種水硬性膠凝材料。
石灰的摻加量一般為10%～30%。它的作用是激發礦渣中的活性成分，生成水化鋁酸鈣和水化矽酸鈣。石灰摻量太少，礦渣中的活性成分難以充分激發；摻入量太多，則會使水泥凝結不正常、強度下降和安定性不良。石灰的摻入量往往隨原料中氧化鋁含量的高低而增減，氧化鋁含量高或氧化鈣含量低時應多摻石灰，通常先在12%～20%範圍內配製。
石灰礦渣水泥可用於蒸汽養護的各種混凝土的預製品，水中、地下、路面等的無筋混凝土和工業與民用建築砂漿。
（4) 生產礦渣磚和濕碾礦渣混凝土製品
礦渣磚，用水渣加入一定量的水泥等膠凝材料，經過攪拌、成型和蒸汽養護而成的磚叫做礦渣磚。其生產工藝流程如圖1所示
所用水渣粒度一般不超過8mm，入窯蒸汽溫度約80℃～100℃，養護時間12h，出窯後，即可使用。
用87%～92%粒化高爐礦渣，5%～8%水泥，加入3%～5%的水混合，所生產的磚其強度可達到10MPa左右，能用於普通房屋建築和地下建築。
此外，將高爐礦渣磨成礦渣粉，按重量比加入40%礦渣粉和60%的粒化高爐礦渣，再加水混合成型，然後再在1.0MPa～1.1MPa的蒸汽壓力下蒸壓6h，也可得到抗壓強度較高的磚。
濕碾礦渣混凝土，是以水渣為主要原料製成的一種混凝土。它的製造方法是將水渣和激發劑（水泥、石灰和石膏）放在輪碾機上加水碾磨製成砂漿後，與粗骨料拌和而成。濕碾礦渣混凝土配合比見表2。
表2 濕碾礦渣混凝土配合比
項 目 | 不同標號混凝土的配合比 | |||
C15 | C20 | C30 | C40 | |
水泥（以425號矽酸鹽水泥為準） | — | — | 不大於15 | 不大於20 |
石灰 | 5～10 | 5～10 | 不大於15 | 不大於5 |
石膏 | 1～3 | 1～3 | 1～3 | 0.3 |
水 | 17～20 | 16～18 | 15～17 | 15～17 |
水灰比 | 0.5～0.6 | 0.45～0.55 | 0.35～0.45 | 0.35～0.4 |
漿：礦渣（重量比） | 1∶1～1∶1.2 | 1∶0.75～1∶1 | 1∶0.75～1∶1 | 1∶0.5～1∶1 |
（5）高爐礦渣的其他用途
高爐礦渣還可以用來生產一些用量不大而產品價值高，又有特殊性能的高爐渣產品。如礦渣棉及其製品、熱鑄礦渣、礦渣鑄石及微晶玻璃、矽鈣渣肥等。現僅簡介礦渣棉和微晶玻璃的生產方法。
生產礦渣棉
礦渣棉是以礦渣為主要原料，在熔化爐中熔化後獲得熔融物再加以精製而得到一種白色棉狀礦物纖維。它具有保溫、隔音、絕冷等性能。其化學成分和物理性能見表4，表5。
表4 礦渣棉的化學成分
成 分 | SiO2 | Al203 | CaO | MgO | S |
含量/% | 32～42 | 8～13 | 32～43 | 5～10 | 0.1～0.2 |
表5 礦渣棉的物理性能
熱導率/W·m-1·k-1 | 燒結溫度 /℃ | 密度 /g·cm-3 | 纖維密度 /μm | 使用溫度範圍 /℃ |
0.033～0.041 | 780～820 | 0.13～0.15 | 4～6 | -200～800 |
礦渣棉的主要原料是高爐礦渣，約占80%～90%，還有10%～20%的白雲石、螢石或其他如紅磚頭、卵石等，生產礦渣棉的燃料是焦炭。生產分配料、熔化噴吹、包裝3個工序。
生產微晶玻璃
微晶玻璃是近幾十年來發展起來的一種用途很廣的新型無機材料。微晶玻璃的原料極為豐富，除採用岩石外，還可採用高爐礦渣。
礦渣微晶玻璃的主要原料是高爐礦渣為90-100%，矽石為38%～22%或其他非鐵冶金渣等。
一般礦渣微晶玻璃需要配成如下化學組成：SiO2 40%～70%；Al203 5%～15%；CaO 15%～35%；MgO 2%～12%；Na20 2%～12%；晶核劑5%～10%。
4. 原材料及生產設備
鋼廠在冶煉鋼鐵的過程中產生廢渣。
除了鐵礦石和燃料（焦炭）之外，為降低冶煉溫度，還要加入適當數量的石灰石和白雲石作為助熔劑。它們在高爐內分解所得到的氧化鈣、氧化鎂、和鐵礦石中的廢礦、以及焦炭中的灰分相熔化，生成了以矽酸鹽與矽鋁酸鹽為主要成分的熔融物，浮在鐵水表面，定期從排渣口排出，經空氣或水急冷處理，形成粒狀顆粒物，這就是粒化高爐礦渣，簡稱：礦渣。原材料為：鐵礦石，石灰石，白雲石。
5. 發展前景及適用範圍
我國的高爐礦渣的粉末化發展前景是廣闊的礦渣微粉是一種具有可持續發展和環保性的“環境協調型綠色建築材料”，作為摻合料配製高性能混凝土是對傳統混凝土技術上的突破，礦渣微粉的開發利用為處理廢渣開創了一條新的道路，不僅適應了水泥工業結構調整的需要，同時節約資源和能源，保護環境，具有很高的經濟及社會效益，值得推廣套用
