利用原状镁渣生产水泥研究精品.docx

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利用原状镁渣生产水泥研究精品

河北联合大学

本科生毕业论文

题目：

利用原状镁渣生产水泥研究

英文题目：

ResearchonProductionofCement

withUndisputedMagnesiumSlag

学院：

材料科学与工程学院

专业：

无机非金属材料工程

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

2011年06月14日

摘要

随着工业的不断发展，工业废渣的堆积问题日益严重，如果这些工业废渣得不到很好的处理，不但会占用大量土地，而且还会污染环境。

水泥产业规模庞大，在水泥生产中利用这些废渣，不但可以解决堆放问题，而且还能有较好的经济效益。

本试验采用原状镁渣为原料，通过分析其主要成分发现，原状镁渣可以作为生产水泥的原料。

本实验在了解镁渣的物理性能基础上，用镁渣、石灰石、铁尾矿石以及铝矾土，设计配料方案，配制生料并进行了煅烧。

对烧出的熟料矿物进行分析后，制备成普通硅酸盐水泥，测试其各项物理性能表明，用原状镁渣煅烧制成水泥的各项性能均符合国家标准，28d抗折强度达6.40MPa，抗压强度达48.5MPa。

在利用原状镁渣作为混合材的研究试验中发现，分别以原状镁渣、矿渣、粉煤灰以及硝化镁渣作混合材，通过对比表明以原状镁渣为混合材的水泥的3d、28d的抗折及抗压强度比矿渣和粉煤灰以及硝化镁渣的略低；其28d抗折强度为7.52MPa,抗压强度为43.7MPa。

因此，利用原状镁渣生产水泥和作混合材都可行，这样不但可节约资源，而且还能减轻废渣对环境的污染，因而具有良好的应用前景。

关键词：

镁渣，水泥，熟料，混合材，铁尾矿石

Abstract

Withtheindustrydevelopingincreasingly,thestackingofitswasteresiduebecomesmoreandmoreserious.Ifthisproblemcannotbeprocessedproperly,notonlywillalargerangeoflandbetakenup,butalsoitcanpolluteourenvironment.However,thereissomegoodsolution.Asweallknowthatthescaleofcementproductionishuge,supposethatifwecanmakeuseofthesewasteresidueduringthecementproduction,thestackingproblemwillbesolved,moreover,itcanbringusgreateconomicefficiency.Inthisexperiment,weusedtheoriginalmagnesiumdregsasrawmaterial.Throughanalyzingtheirprincipleconstituent,wefoundthattheoriginalmagnesiumdregscanberegardedasthecrudematerialofcementproduction.Onthebasisofunderstandingthephysicalpropertyofmagnesiumdregs,wedesignedtheingredientplanwiththemagnesiumdregs,thelimestone,thehardtailoreaswellasthebauxite.Thenwemadeupthecrudematerialsandcalcinedthem.Afteranalyzingtheburnedmaterials,wemadethemtheordinaryPortlandcement.Testingitseachphysicalqualityindicatedthateverypropertyofthecementwhichismadefromburnedmagnesiumdregsareconformtothenationalstandards.The28danti-bookletintensityreaches6.4MPa,andthecompressivestrengthreaches48.5MPa.Duringthestudyofusingoriginalmagnesiumdregsasthemixedmaterial,wemadethemixedmaterialbyusingtheoriginalmagnesiumdregs,thegangue,thepulverizedcoalashaswellasthenitrationmagnesiumdregsrespectively.Throughthecontrast,wediscoveredthattheanti-bookletintensityandcompressivestrengthofthe3dand28dcementwhichtaketheoriginalmagnesiumdregsasitsmixedmaterialsareslightlylowerthanothers,Its28danti-bookletintensityis7.52MPaandthecompressivestrengthis43.7MPa.Thereforeitisfeasibletousetheoriginalmagnesiumdregstoproducecementandmixedmaterial.Inthisway,notonlycanwesaveresources,butalsowecanreducetheenvironmentpollutionduetothewasteresidue.Thusthismethodhasabrightappliedprospect.

KeyWords:

Magnesiumslag,cement,clinker,mixedmaterials,irontailore

目录

摘要I

AbstractII

目录III

引言1

第一章综述1

1.1废渣的危害1

1.2镁渣的利用现状1

1.2.1利用镁渣作矿化剂2

1.2.2镁渣作为新型墙体材料2

1.2.3利用镁渣制备混凝土膨胀剂2

1.2.5镁渣作为路用材料3

1.2.6镁还原渣的废热利用3

1.2.7镁渣在生产加气混凝土当中的应用4

1.2.8镁渣在国外的研究利用情况4

1.3存在的问题4

1.4研究意义5

1.5研究目标5

1.6研究方法5

第二章试验研究方案6

2.1镁渣作原料煅烧熟料及生产水泥的研究6

2.1.1研究具体内容6

2.1.2研究技术路线6

2.2镁渣作混合材的研究7

2.2.1研究具体内容7

2.2.2研究技术路线7

2.3试验材料及其设备8

2.3.1试验材料8

2.3.2试验设备9

2.4镁渣作原料生产水泥9

2.4.1配料计算9

2.4.2生料的煅烧10

2.4.3水泥的配制10

2.4.4水泥物理性能检测10

2.5水泥物理性能检测12

2.5.1水泥的各项物理性能检测12

2.5.2水泥胶砂流动度12

第三章试验结果讨论13

3.1镁渣的物化性能13

3.1.1化学组成13

3.1.2矿物组成13

3.1.3镁渣的活性14

3.2镁渣对熟料煅烧的影响15

3.2.1镁渣对生料易烧性的影响15

3.2.2镁渣煅烧水泥熟料的化学成分分析17

3.2.3镁渣煅烧水泥熟料的矿物组成17

3.3镁渣煅烧水泥的物理性能19

3.3.1标准稠度用水量19

3.3.2凝结时间20

3.3.3安定性20

3.3.4抗折及抗压强度21

3.4镁渣作混合材的研究22

3.4.1镁渣作混合材对水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性的影响22

3.4.2镁渣作混合材对水泥胶砂强度的影响22

结论25

参考文献26

谢辞27

引言

随着社会的不断进步，工业进入了快速发展时期，随之而来的工业废渣日益增多。

近年来，镁和镁合金正成为现代汽车电子通信等行业的首选材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料。

我国镁工业取得了长足的发展，原镁及镁合金产量每年都呈增长趋势。

从2000年起，我国成为全球最大的金属镁生产国,连续7年保持世界镁生产量和出口量的第一，受到世界镁行业的关注[1]。

镁工业快速发展的同时，也产生了大量的工业废渣，利用硅热法炼镁，以目前的生产工艺和和普遍的白云石矿物组成情况，每生产1t镁将会产生6t的还原镁渣[2]，利用“皮江法”炼镁,每生产1t原生镁锭,还原镁渣排量为7t左右[3],也就是说，每生产1t的金属镁，就将产生6、7t左右的还原镁渣，每年将产生数百万吨的还原镁渣。

有数据表明：

目前我国每年的矿石采掘总量为50亿t，每年排放的工业固体废渣6亿t，累计堆存量高达70亿t，占地100万亩以上，其中还原镁渣的堆积存量占8000万t以上，且每年以200万t排渣量递增[4]。

这些还原废渣如果得不到很好的处理，堆放要占用大量的土地，并且还会造成环境污染，特别是一些有害的有毒金属，一旦进入地下水源，后果不堪设想，会严重威胁人类的身体健康。

同时，丢弃这些废渣也会造成资源的浪费。

如何充分的利用这些废渣，使其变废为宝，变害为利，是当前迫切需要解决的重大问题。

我们应该响应国家节能减排的方针，以可持续发展的战略目标来探讨充分利用工业废渣的重大深远意义。

在我国，很多镁厂产生的镁渣都是作为废弃物直接扔掉，随着镁渣的大量堆积，大量的土地被占用，并且严重的威胁着人类赖以生存的环境和人类的身体健康，有效、合理的利用镁渣具有显著的社会效益和经济效益。

目前，针对镁渣作为矿化剂、新型墙体材料以及在混凝土中的应用都有人作了专门的研究。

本论文将对镁渣作为生产水泥的生产原料及作为混合材方面进行深入的研究。

扩展镁渣的利用途径，进而对改善人类的生存环境作出一点贡献。

第一章综述

1.1废渣的危害

废渣大致可以分为两大类，工业废渣和生活废渣。

工业废渣是指工业生产中或环境污染控制处理构筑物中排出的固体或泥状物。

工业废渣危害的主要途径是通过散发毒物、引起燃烧、爆炸、腐蚀金属与建筑物、传染疾病和引起危害环境的各种化学反应。

工业废渣的数量巨大，成分复杂，有的还有毒性。

其危害主要有：

占用土地损伤地表、污染土地危害生物、淤塞河床污染水源、飞扬粉尘污染大气。

工业废渣堆积不利用，就会大量侵占农田，直接破坏农业生产，妨碍城市环境卫生，使人类直接受其危害，还会破坏地球表面的绿化植被。

废渣中含有许多有害的物质，这些废渣大部分都是露天堆放的，年深月久，经过风吹雨打，是那些有害物质随雨水渗入底层，造成大面积的土壤污染。

在土壤中发生累积而被农作物吸收，毒害农作物。

另一方面，这些有毒物质在雨水、雪水的作用下，进入江河湖海，造成水体的污染。

这些都将严重的威胁着人类的健康和生存。

工业废渣经过生物分解或者内部发生化学反应，会产生大量的有害气体，污染空气。

如煤矸石含有一定量的固定炭和硫。

堆积越厚，内部温度越高，遇到炎热、刮风天气，就会引起煤矸石的自燃，产生大量的二氧化硫等有害气体，污染空气。

有的废渣还会产生大量的粉尘，对环境造成污染。

1.2镁渣的利用现状

镁行业是一个资源输入量较大的行业，1吨商品镁锭的资源输入总量和资源直接输入量分别为76吨和24吨，生态包袱是资源输入量的3.1倍[1]。

我国每年都会产生数百万的镁还原渣，这些还原废渣如果得不到很好的处理，不仅对周围环境造成污染，还会占用大量土地，以及可能的对地下水的污染。

各大金属镁厂大多也都根据自身的特点，结合当地条件，在合理利用金属镁渣方面都有不少成功的经验，以下结合相关文献，总结这方面的应用情况。

1.2.1利用镁渣作矿化剂

赵海晋、高建荣、孙素贞等人在研究镁渣配料煅烧水泥熟料动力学中发现[5]：

掺加镁渣可显著减低熟料形成反应的表面活化能和熟料的烧成温度。

他们指出，镁渣掺入可加速熟料矿物的形成和f-CaO吸收，使反应活化能降低，反应速率加快。

原因可能是镁渣中的一些组分如α-C2S、γ-C2S、CF等熟料中间矿物。

减少了水泥熟料中CaCO3分解和粘土矿物脱水所需的热焓，同时在煅烧过程中作为外来界面，促进了C3S的结晶。

镁渣中含有的CaF2还具有矿化剂的作用，也能促进硅酸盐矿物的形成，从而改善生料的易烧性。

黄丛运、柯劲松、张明飞等人在研究镁渣替代石灰石配料烧制硅酸盐水泥熟料中指出[6]：

由于镁渣中含有β-C2S、CF等初级矿物，这些矿物在熟料烧成过程中降低了晶体的成核势能，起到诱导结晶的效果，因而使镁渣改善了生料的易烧性。

Altan[7]还研究了CaF2和MgO对熟料煅烧的影响，证实MgO可降低熟料中f-CaO，在高饱和的条件下可以促进CaO的吸收。

总之：

镁渣可以改善生料的易烧性，具有矿化剂的效果。

1.2.2镁渣作为新型墙体材料

山西省建筑科学研究院的赵爱琴对利用镁渣研究新型墙体材料进行了研究[8]，其研究表明：

将镁渣破碎粉磨至0.08mm方孔筛筛余15%的细度后，再与磨细矿渣粉、活性激发剂按一定比例混合，经过轮碾搅拌-振压成型-养护等程序后可以生产出密度小、强度高、耐久性好的新型墙体材料，其各项指标均能达到相关的技术指标。

这种新型墙体材料不仅性能优良，而且其生产工艺简单，成本低廉，有较为广阔的市场前景。

实现了工业废渣的综合利用，符合国家资源综合利用政策，为镁渣的利用开辟了一条新的道路，具有显著的社会效益和经济效益。

1.2.3利用镁渣制备混凝土膨胀剂

南峰、伍勇华、田荣等人在研究利用镁渣制备混凝土膨胀剂中指出[9]：

膨胀混凝土设计和制备最基本的一条准则是——在水化硬化过程中膨胀发展和强度发展要协调的进行。

经研究表明，采用以氧化钙和氧化镁为主要成分的镁渣配制混凝土膨胀剂是可行的。

但是，单独采用镁渣早期膨胀率较低，不能满足混凝土膨胀剂的标准要求，但掺加石膏作为激发剂后可以显著增加早期限制膨胀率，对早期强度提高也会有很大的帮助。

但是，目前对镁渣制备混凝土膨胀剂的研究还不是很充分，如氧化钙和氧化镁这两种膨胀源之间的相互影响，不同激发剂对镁渣膨胀性能的影响，镁渣膨胀剂与混凝土掺合料及水泥中其他组分的相互影响，掺镁渣膨胀剂的长期耐久性等问题，都有待进一步研究。

随着这些研究的深入进行，才能使镁渣膨胀剂在混凝土中应用的更可靠，也为合理利用镁渣提供一条新的途径。

1.2.4镁渣在脱硫方面的应用

镁渣中的主要成分是CaO和SiO2，从山西的某镁厂提供的数据中表明，镁渣中CaO的含量高达53%，且大部分都是活性的CaO。

一般锅炉用煤的脱硫技术是将煤与石灰石直接投放入锅炉燃烧室内，石灰石在高温下煅烧生成氧化钙，氧化钙与烟气中的二氧化硫气体进行气固反应，生成亚硫酸钙，亚硫酸钙在高温下被氧化生成硫酸钙，达到固硫的目的。

可以看出，在其中起固硫作用的是CaO，而镁还原废渣中有超过50％的CaO，所以，很自然的能联想到使用镁还原渣来脱硫。

乔晓磊、金燕在金属镁渣作为脱硫剂的性能实验研究中的结果表明[10]：

在一定的条件下，预计镁渣的脱硫效果可达到76.5%，并且镁渣脱硫的最佳温度范围与流化床锅炉燃烧温度相吻合，镁渣作为脱硫剂是可行的。

但是，镁渣脱硫还存在一些问题，他们从镁渣的微观结构中看出，生成的CaSO4堵塞了镁渣孔隙，导致反应停滞。

如何提高镁渣的孔隙率成为镁渣脱硫的关键技术。

任玉生、徐宁等将镁渣作为循环流化床锅炉湿法脱硫剂研究中指出[11]：

镁渣中的氧化钙和氧化镁在溶于水后会结合钙-镁离子，与SO2反应性强，吸收速度快，脱硫塔对SO2的吸收率可达95%以上，并且此工艺设备简单，较常规法脱硫投资可节省一半以上。

1.2.5镁渣作为路用材料

镁渣中含有大量的氧化钙镁，并且具有较高的活性，与石灰、水泥结合，可以作为道路路基的混合料。

徐祥斌、罗序燕、李长勇在研究镁还原渣的利用现状中指出[2]：

镁渣和粉煤灰中所含的活性成分基本相同，但镁渣中的钙镁含量却比粉煤灰中的高的多，其氧化钙镁的含量到达了三级钙镁生石灰的标准。

张习贤、赵永义、梁全福进行了镁渣作为铺路材料的室内试验和室外实验研究，获得了很好的效果，证明了使用镁渣作为路面基层的应用是可行的。

1.2.6镁还原渣的废热利用

刚从还原罐中扒出的镁还原渣，其温度都在1000℃以上，其中蕴含着大量的热能。

传统的以及目前的工艺都是将其散落于还原炉前，不仅还原镁渣中的大量的热能得不到利用，还会导致车间环境的严重恶化。

近期由郑州轻金属研究院邱志祥等人研制开发的新型气力清渣机已经完成工业试验，实验结果非常好，正打算进行市场推广工作。

这种设备的投入使用，将对硅热法炼镁产生重大的影响，而且也能够很好的利用镁还原渣中蕴含的大量热能[2]。

1.2.7镁渣在生产加气混凝土当中的应用

陈恩清、吴连平在研究镁还原渣和粉煤灰生产加气混凝土工艺中指出[3]：

镁还原渣和粉煤灰在湿法处理过程中组分发生水化反应，加气混凝土结构形成，包括MgO在内体积不稳定物质的体积变化可以被微孔缓冲，避免了“体积不安定”对制品性能的危害。

同时其含有的矿物质结合成复盐，体积稳定，经过长期实验研究证明，还原镁渣和粉煤灰的制品是稳定的。

根据镁渣的特殊性，以粉煤灰和还原镁渣生产加气混凝土的理论上是可行的。

加气混凝土的生产原材料为粉煤灰、还原镁渣、硫酸钙、铝粉和气泡稳定剂等。

将粉煤灰和还原镁渣磨细到一定细度，再经过计量、搅拌浇筑、预养发气、蒸压养护、拆模堆放等生产工序，生产成加气混凝土制品。

1.2.8镁渣在国外的研究利用情况

因为镁行业是个高污染、高能耗的行业，而且自动化程度一直不高，且劳动环境恶劣的问题一直很难解决。

所以，近年来欧美和日本以及加拿大等发达国家逐步停止了镁的生产，而中国已经成为世界上最大的镁生产国和出口国。

2007年中国镁产品出口总量为408千吨，仍高居世界镁生产的第一位，而同期西方国家原镁减产60千吨。

因为西方发达国家镁的逐年减产，所以其在镁还原渣的利用方面的研究进行的比较少。

就目前所能查到的文献来看，巴西联邦大学的CarlosA．S．Oliveira、AsrianaG．Gumieri、AbidiasM．Comes等学者对镁还原废渣进行了研究[12]，他们的研究结果表明，镁还原渣掺入到砂浆中后于硅酸盐水泥相比，试样中所含的碱性氧化物成分极低，可以提高砂浆的耐久性。

1.3存在的问题

目前国内外对镁渣的研究和应用，都还存在着不足。

如用金属镁渣作为脱硫剂，镁渣的消化量不大，每吨含硫质量分数为1％的煤大概只能消耗掉不足三十公斤的镁废渣。

而我国2007年产生了超过400万吨镁还原废渣。

可以看出镁渣在脱硫方面的应用远远不能消耗掉产生的废渣。

利用镁渣煅烧水泥，由于镁渣中MgO含量偏高，不利于配料计算或对石灰石品位要求较高。

目前，在镁渣的运输和存放过程中也存在问题，不利于保存镁渣的活性。

本次实验采用的是原状镁渣，原状镁渣的活性较高，但是不利于存放。

所以还要注意镁渣的活性保持问题。

1.4研究意义

（1）保护环境；

（2）节省资源；

（3）减少国家和企业经济损失。

1.5研究目标

（1）探索利用镁渣和铝矾土、铁尾矿石生产水泥的配料方案；

（2）提出新型干法回转窑生产工艺方面的建议；

（3）制造出符合国家标准的水泥实验室样品；

（4）研究以镁渣作混合材制备水泥的可行性。

1.6研究方法

（1）将镁渣粉磨到规定细度后，通过XRD衍射测镁渣的矿物组成。

（2）在P1水泥中掺入30%的原状镁渣，按GB/T17671进行水泥胶砂强度试验，分别测定和对比样的3、28d强度，28d强度之比即镁渣的活性指数。

（3）在P1水泥中掺入20%混合材（原状镁渣、原状镁渣和矿渣、原状镁渣和粉煤灰、原状镁渣和硝化镁渣），测水泥安定性、凝结时间、胶砂强度（3d、28d）。

（4）用镁渣代替部分石灰石在1400度温度下烧制水泥熟料，测熟料的易烧性（f-CaO含量）和化学成分及矿物组成。

（5）用烧制成的水泥熟料加一定比例的石膏制成硅酸盐水泥，然后测制成的水泥的各种性能。

（6）根据实验出来的数据进行分析并讨论结果。

第二章试验研究方案

2.1镁渣作原料煅烧熟料及生产水泥的研究

本研究首先对镁渣的物理性能进行深入的研究，在了解镁渣物理性能的基础上针对其化学成分进一步确定利用镁渣作原料煅烧水泥的配料方案，探讨用镁渣配料对熟料煅烧的影响。

然后用煅烧的熟料掺入一定量的石膏配制成水泥，进行一系列的性能检测并对结果进行分析与讨论。

2.1.1研究具体内容

1.镁渣的物理性能：

化学组成，矿物组成，活性及其特性。

2.镁渣煅烧水泥配料方案的确定

（1）配料计算首先初定熟料的三个率值：

KH、SM、IM。

然后根据各原料的化学组成假定原料的配合比，根据假定的配合比计算相应的熟料组成，并计算出相应的率值，用计算出的率值和初定的率值进行比较。

若计算的结果不符合要求，则调整原料配合比，再进行重复计算，直至符合要求。

（2）水泥性能测定水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性、水泥抗折及抗压强度等;

3.镁渣对熟料煅烧的影响

（1）镁渣对生料易烧性的影响

（2）水泥熟料的矿相及矿物组成

2.1.2研究技术路线

1.查阅相关文献，对相关知识进行深入了解并制定研究方案。

2.根据各种原料的化学成分及初定率值进行配料计算，确定生料配方。

3.粉磨并筛分原料，以达到生产水泥所需粒度，并根据所制定配方配制生料。

4.生料的煅烧。

煅烧好的熟料进行XRD测试，游离氧化钙含量测试，矿相分析并对测试结果进行分析。

5.将熟料粉磨，按一定比例加入石膏，制成水泥。

6.对所配制的水泥的各项性能进行检测。

7.最后对试验结果进行分析处理并得出相应结论。

2.2镁渣作混合材的研究

本研究分别利用镁渣、矿渣、粉煤灰作混合材料配制成水泥，然后对不同掺量所配成的三种水泥进行性能检测，并进行结果的分析讨论和比较，通过比较体现利用镁渣作混合材生产水泥的若干价值所在，从而进一步体现本研究的意义。

2.2.1研究具体内容

1．分别利用镁渣、矿渣、粉煤灰作混合材配制成水泥，通过对比研究镁渣作混合材对水泥性能的影响规律：

水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性、水泥抗折及抗压强度等。

2．分别利用镁渣、矿渣、粉煤灰作混合材配制成水泥，通过对比研究镁渣作混合材对水泥砂浆流动度、强度的影响。

2.2.2研究技术路线

1.查阅相关文献，对相关知识进行深入了解并制定研究方案。

2.粉磨并筛分原料，以达到水泥生产所需的粒度。

3.将熟料粉磨，加入一定比例的混合材与石膏，制成水泥。

4.对所