高炉矿渣的处理和利用
高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。在冶炼生铁时，加入高炉的原料，除了铁矿石和燃料（焦炭）外，还有助熔剂。当炉温达到1 400℃～1 600℃时，助熔剂与铁矿石发生高温反应生成生铁和矿渣。高炉矿渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质所组成的易熔混合物。从化学成分上看，高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。每生产1t生铁时高炉矿渣的排放量，随着矿石品位和冶炼方法不同而变化。例如采用贫铁矿炼铁时，生产1t生铁产出 1.0t～1.2t高炉矿渣；用富铁矿炼铁时，生产1t生铁只产出0.25t高炉矿渣。由于近代选矿和炼铁技术的提高，每吨生铁产生的高炉矿渣量已经大大下降。
1 高炉矿渣的分类
由于炼铁原料品种和成分的变化以及操作等工艺因素的影响，高炉矿渣的组成和性质也不同。高炉矿渣的分类主要有两种方法。
1.1 按照冶炼生铁的品种分类
高炉矿渣按冶炼生铁的品种可分为：铸造生铁矿渣，冶炼铸造生铁时排出的矿渣；炼钢生铁矿渣，冶炼供炼钢用生铁时排出的矿渣；特种生铁矿渣，用含有其他金属的铁矿石熔炼生铁时排出的矿渣。
1.2 按矿渣的碱度分类
高炉矿渣的化学成分中的碱性氧化物之和与酸性氧化物之和的比值称为高炉矿渣的碱度或碱性率（以M0表示），即
碱性率M0=(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)
按照高炉矿渣的碱性率（M0）可把矿渣分为如下3类：碱性矿渣，碱性率M0>1的矿渣；中性矿渣，碱性率M0=1的矿渣；酸性矿渣，碱性率M0<1的矿渣。
这是高炉矿渣最常用的一种分类方法。碱性率比较直观地反映了重矿渣中碱性氧化物和酸性氧化物含量的关系。
2 高炉矿渣的组成
高炉矿渣中主要的化学成分是SiO2，Al2O3，CaO，MgO，MnO，FeO，S等。此外，有些矿渣还含有微量的TiO2，V2O5，Na2O，BaO，P2O5，Cr2O3等。在高炉矿渣中CaO， SiO2，Al2O3占重量的90%以上。几种高炉渣的化学成分见表1。
高炉矿渣中的各种氧化物成分以各种形式的硅酸盐矿物形式存在。碱性高炉矿渣中最常见的矿物有黄长石、硅酸二钙、橄榄石、硅钙石、硅灰石和尖晶石。酸性高炉矿渣由于其冷却的速度不同，形成的矿物也不一样。当快速冷却时全部凝结成玻璃体；在缓慢冷却时（特别是弱酸性的高炉渣）往往出现结晶的矿物相。如黄长石、假硅灰石、辉石和斜长石等。
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表1 高炉矿渣化学成分
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高钛高炉矿渣的矿物成分中几乎都含有钛。锰铁矿渣中存在着锰橄榄石(2MnO.SiO2)矿物。高铝矿渣中存在着大量的铝酸一钙(CaO·Al2O3)、三铝酸五钙(5CaO·3Al2O3)、二铝酸钙(CaO·Al2O3)等。
3 高炉矿渣的综合利用
随着我国钢铁工业的发展，高炉矿渣排量日益增多，历年来已经堆积矿渣近15×107t，占地约1000km2。为了处理这些废渣，国家每年花费巨额资金修筑排渣场和铁路线，浪费大量人力物力。由于高炉矿渣属于硅酸盐质材料，又是在1400℃～1600℃高温下形成的熔融体，因而便于加工成多品种的建筑材料。水淬成粒状矿渣（简称水渣）是生产水泥、矿渣砖瓦和砌块的好原料；经急冷加工成膨胀矿渣珠或膨胀矿渣，可做轻混凝土骨料；吹制成矿渣棉可制造各种隔热、保温材料；浇铸成型可做耐磨的热铸矿渣；轧制成型可做微晶玻璃；慢冷成块的重矿渣可以代替普通石材用于建筑工程中。因此，高炉矿渣的综合利用非常重要。
国外高炉矿渣的综合利用是在20世纪中期开始发展起来的。目前欧美一些发达国家已做到当年排渣，当年用完，全部实现了资源化。我国高炉矿渣的利用率在85%以上。
3.1 水渣的用途
3.1.1 生产矿渣水泥
水渣具有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂作用下，可显示出水硬胶凝性能，是优质的水泥原料。水渣既可以作为水泥混合料使用，也可以制成无熟料水泥。
（1） 矿渣硅酸盐水泥，是用硅酸盐水泥熟料与粒化高炉矿渣再加入3%～5%的石膏混合磨细或者分别磨后再加以混合均匀而制成的。矿渣硅酸盐水泥简称为矿渣水泥。
在磨制矿渣水泥时，高炉矿渣的掺入量对水泥的抗压强度影响不大，而对抗拉强度的影响更小，所以，其掺入量可以占到水泥重量的20%～85%。这样对于提高水泥质量，降低水泥生产成本是十分有利的。
矿渣水泥与普通水泥相比有如下特点：第一，具有较强的抗溶出性和抗硫酸盐侵蚀性能，故能用于水上工程、海港及地下工程等，但在酸性水及含镁盐的水中，矿渣水泥的抗侵蚀性较普通水泥差。第二，水化热较低，适合于浇筑大体积混凝土。第三，耐热性较强，使用在高温车间及高炉基础等容易受热的地方比普通水泥好。第四，早期强度低，而后期强度增长率高，所以在施工时应注意早期养护。此外，在循环受干湿或冻融作用条件下，其抗冻性不如硅酸盐水泥，所以不适宜用在水位时常变动的水工混凝土建筑中。
（2）石膏矿渣水泥，是将干燥的水渣和石膏、硅酸盐水泥熟料或石灰按照一定的比例混合磨细或者分别磨细后再混合均匀所得到的一种水硬性胶凝材料。
在配制石膏矿渣水泥时，高炉水渣是主要的原料，一般配入量可高达80%左右。
石膏在石膏矿渣水泥中是属于硫酸盐激发剂。它的作用在于提供水化时所需要的硫酸钙成分，激发矿渣中的活性。一般石膏的加入量以15%为宜。
少量硅酸盐水泥熟料或石灰，系属于碱性激发剂，对矿渣起碱性活化作用，能促进铝酸钙和硅酸钙的水化。在一般情况下，如用石灰作碱性激发剂，其掺入量宜在3%以下，最高不得超过5%，如用普通水泥熟料代替石灰，掺入量在5%以下，最大不超过8%。
这种石膏矿渣水泥成本较低，具有较好的抗硫酸盐侵蚀和抗渗透性，适用于混凝土的水工建筑物和各种预制砌块。
（3）石灰矿渣水泥，是将干燥的粒化高炉矿渣、生石灰以及5%以下的天然石膏，按适当的比例配合磨细而成的一种水硬性胶凝材料。
石灰的掺加量一般为10%～30%。它的作用是激发矿渣中的活性成分，生成水化铝酸钙和水化硅酸钙。石灰掺量太少，矿渣中的活性成分难以充分激发；掺入量太多，则会使水泥凝结不正常、强度下降和安定性不良。石灰的掺入量往往随原料中氧化铝含量的高低而增减，氧化铝含量高或氧化钙含量低时应多掺石灰，通常先在12%～20%范围内配制。
石灰矿渣水泥可用于蒸汽养护的各种混凝土的预制品，水中、地下、路面等的无筋混凝土和工业与民用建筑砂浆。
3.1.2 生产矿渣砖和湿碾矿渣混凝土制品
（1）矿渣砖，用水渣加入一定量的水泥等胶凝材料，经过搅拌、成型和蒸汽养护而成的砖叫做矿渣砖。其生产工艺流程如图1所示。
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图1 矿渣砖生产工艺流程
所用水渣粒度一般不超过8mm，入窑蒸汽温度约80℃～100℃，养护时间12h，出窑后，即可使用。
用87%～92%粒化高炉矿渣，5%～8%水泥，加入3%～5%的水混合，所生产的砖其强度可达到10MPa左右，能用于普通房屋建筑和地下建筑。
此外，将高炉矿渣磨成矿渣粉，按重量比加入40%矿渣粉和60%的粒化高炉矿渣，再加水混合成型，然后再在1.0MPa～1.1MPa的蒸汽压力下蒸压6h，也可得到抗压强度较高的砖。
（2）湿碾矿渣混凝土，是以水渣为主要原料制成的一种混凝土。它的制造方法是将水渣和激发剂（水泥、石灰和石膏）放在轮碾机上加水碾磨制成砂浆后，与粗骨料拌和而成。湿碾矿渣混凝土配合比见表2。
表2 湿碾矿渣混凝土配合比
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湿碾矿渣混凝土的各种物理力学性能，如抗拉强度、弹性模量、耐疲劳性能和钢筋的黏结力均与普通混凝土相似。而其主要优点在于具有良好的抗水渗透性能，可以制成不透水性能很好的防水混凝土；具有很好的耐热性能，可以用于工作温度在600℃以下的热工工程中，能制成强度达50MPa的混凝土。此种混凝土适宜在小型混凝土预制厂生产混凝土构件，但不适宜在施工现场浇筑使用。
3.2 矿渣碎石的用途
矿渣碎石的作用很广，用量也很大，主要用于公路、机场、地基工程、铁路道碴、混凝土骨料和沥青路面等。
3.2.1 配制矿渣碎石混凝土
矿渣碎石配制的混凝土具有与普通混凝土相近的物理力学性能，而且还有良好的保温、隔热、耐热、抗渗和耐久性能。矿渣碎石混凝土的应用范围较为广泛，可以作预制、现浇和泵送混凝土的骨料。
配制矿渣混凝土的方法与普通混凝土相似，但用水量稍高，其增加的用水量，一般按重矿渣重量的1%～2%计算。一般用矿渣碎石配制的混凝土与天然骨料配制的混凝土强度相同时，其混凝土容量减轻20%。矿渣碎石混凝土的抗压强度随矿渣容量的增加而增高，配制不同标号混凝土所需矿渣碎石的松散容重见表 3。
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表3 不同标号的混凝土所用矿渣碎石松散容量
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矿渣混凝土的使用在我国已有50多年历史，解放后在许多重大建筑工程中都采用了矿渣混凝土，实际效果良好。
3.2.2 重矿渣在地基工程中的应用
重矿渣用于处理软弱地基在我国已有几十年的历史。由于矿渣的块体强度一般都超过50Mpa，相当或超过一般质量的天然岩石，因此组成矿渣垫层的颗粒强度完全能够满足地基的要求。一些大型设备基础的混凝土，如高炉基础、轧钢机基础、桩基础等，都可用矿渣碎石作骨料。
3.2.3 矿渣碎石在道路工程中的应用
矿渣碎石具有缓慢的水硬性，这个特点在修筑公路时可以利用。矿渣碎石含有许多小孔，对光线的漫反射性能好，摩擦系数大，用它做集料铺成的沥青路面既明亮，制动距离又短。矿渣碎石还比普通碎石具有更高的耐热性能，更适用于喷气式飞机的跑道。
3.2.4 矿渣碎石在铁路道碴上的应用
用矿渣碎石作铁路道碴称为矿渣道碴。我们铁道线上采用矿渣道碴的历史较久，但大量利用是解放后才开始的。目前矿渣道碴在我国钢铁企业专用铁路线上已广泛得到应用。鞍山钢铁公司从1953年开始就在专用铁路线上大量使用矿渣道碴，现已广泛用于木轨枕、预应力钢筋混凝土轨枕和钢轨枕等各种线路，使用过程中没有发现任何弊病。在国家一级铁路干线上的试用也已初见成效。
3.3 膨胀矿渣及膨珠的用途
膨胀矿渣主要用作混凝土轻骨料，也用作防火隔热材料，用膨胀矿渣制成的轻质混凝土，不仅可以用于建筑物的围护结构，而且可以用于承重结构。
膨珠可以用于轻混凝土制品及结构，如用于制作砌块、楼板、预制墙板及其他轻质混凝土制品。由于膨珠内孔隙封闭，吸水少，混凝土干燥时产生的收缩就很小，这是膨胀页岩或天然浮石等轻骨料所不及的。
直径小于3mm的膨珠与水渣的用途相同，可供水泥厂作矿渣水泥的掺合料用，也可用作公路路基材料和混凝土细骨料使用。
生产膨胀矿渣和膨珠与生产黏土陶粒、粉煤灰陶粒等相比，具有工艺简单，不用燃料，成本低廉等优点。
3.4 高炉矿渣的其他用途
高炉矿渣还可以用来生产一些用量不大而产品价值高，又有特殊性能的高炉渣产品。如矿渣棉及其制品、热铸矿渣、矿渣铸石及微晶玻璃、硅钙渣肥等。现仅简介矿渣棉和微晶玻璃的生产方法。
3.4.1 生产矿渣棉
矿渣棉是以矿渣为主要原料，在熔化炉中熔化后获得熔融物再加以精制而得到一种白色棉状矿物纤维。它具有保温、隔音、绝冷等性能。其化学成分和物理性能见表4，表5。
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表4 矿渣棉的化学成分
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表5 矿渣棉的物理性能
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生产矿渣棉的方法有喷吹法和离心法两种。原料在熔炉中熔化后流出，即用蒸汽或压缩空气喷吹成矿渣棉的方法叫做喷吹法。原料在熔炉中熔化后落在回转的圆盘上，用离心力制成矿渣棉的方法叫做离心法。
矿渣棉的主要原料是高炉矿渣，约占80%～90%，还有10%～20%的白云石、萤石或其他如红砖头、卵石等，生产矿渣棉的燃料是焦炭。生产分配料、熔化喷吹、包装3个工序。喷吹法生产矿渣棉的工艺流程如图2所示。
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图2 喷吹法生产矿渣棉的工艺流程
矿渣棉可用作保温材料、吸音材料和防火材料等，由它加工的成品有保温板、保温毡、保温筒、保温带、吸音板、窄毡条、吸音带、耐火板及耐热纤维等。矿渣棉广泛用于冶金、机械、建筑、化工和交通等部门。
3.4.2 生产微晶玻璃
微晶玻璃是近几十年来发展起来的一种用途很广的新型无机材料。微晶玻璃的原料极为丰富，除采用岩石外，还可采用高炉矿渣。
矿渣微晶玻璃的主要原料是高炉矿渣为62%～78%，硅石为38%～22%或其他非铁冶金渣等。
一般矿渣微晶玻璃需要配成如下化学组成：SiO2 40%～70%；Al203 5%～15%；CaO 15%～35%；MgO 2%～12%；Na20 2%～12%；晶核剂5%～10%。
现将生产矿渣微晶玻璃的一般工艺介绍如下：在固定式或回转式炉中，将高炉矿渣与硅石和结晶促进剂一起熔化成液体。然后用吹、压等一般玻璃成型方法成型，并在730℃～830℃下保温3h，最后升温至1000℃～1100℃保温3h使其结晶，冷却即为成品。加热和冷却速度宜低于5℃/min，结晶催化剂为若干氟化物、磷酸盐和铬、锰、钛、锌等多种金属氧化物，其用量视高炉矿渣的化学成分和微晶玻璃的用途而定，一般为5%～10%。
矿渣微晶玻璃产品，比高碳钢硬，比铝轻，其机械性能比普通玻璃好，耐磨性不亚于铸石，热稳定性好，电绝缘性能与高频瓷接近。矿渣微晶玻璃用于冶金、化工、煤炭、机械等工业部门的各种容器设备的防腐层和金属表面的耐磨层以及制造溜槽、管材等，使用效果很好。
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