高爐礦渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣。在冶煉生鐵時，加入高爐的原料，除了鐵礦石和燃料（焦炭）外，還有助熔劑。當(dāng)爐溫達到1 400℃～1 600℃時，助熔劑與鐵礦石發(fā)生高溫反應(yīng)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(zhì)所組成的易熔混合物。從化學(xué)成分上看，高爐礦渣是屬于硅酸鹽質(zhì)材料。每生產(chǎn)1t生鐵時高爐礦渣的排放量，隨著礦石品位和冶煉方法不同而變化。例如采用貧鐵礦煉鐵時，生產(chǎn)1t生鐵產(chǎn)出 1.0t～1.2t高爐礦渣；用富鐵礦煉鐵時，生產(chǎn)1t生鐵只產(chǎn)出0.25t高爐礦渣。由于近代選礦和煉鐵技術(shù)的提高，每噸生鐵產(chǎn)生的高爐礦渣量已經(jīng)大大下降。

1  高爐礦渣的分類

由于煉鐵原料品種和成分的變化以及操作等工藝因素的影響，高爐礦渣的組成和性質(zhì)也不同。高爐礦渣的分類主要有兩種方法。

1.1  按照冶煉生鐵的品種分類

高爐礦渣按冶煉生鐵的品種可分為：鑄造生鐵礦渣，冶煉鑄造生鐵時排出的礦渣；煉鋼生鐵礦渣，冶煉供煉鋼用生鐵時排出的礦渣；特種生鐵礦渣，用含有其他金屬的鐵礦石熔煉生鐵時排出的礦渣。

1.2  按礦渣的堿度分類

高爐礦渣的化學(xué)成分中的堿性氧化物之和與酸性氧化物之和的比值稱為高爐礦渣的堿度或堿性率（以M0表示），即

堿性率M0=(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)

按照高爐礦渣的堿性率（M0）可把礦渣分為如下3類：堿性礦渣，堿性率M0>1的礦渣；中性礦渣，堿性率M0=1的礦渣；酸性礦渣，堿性率M0<1的礦渣。

這是高爐礦渣最常用的一種分類方法。堿性率比較直觀地反映了重礦渣中堿性氧化物和酸性氧化物含量的關(guān)系。

2  高爐礦渣的組成

高爐礦渣中主要的化學(xué)成分是SiO2，Al2O3，CaO，MgO，MnO，F(xiàn)eO，S等。此外，有些礦渣還含有微量的TiO2，V2O5，Na2O，BaO，P2O5，Cr2O3等。在高爐礦渣中CaO， SiO2，Al2O3占重量的90%以上。幾種高爐渣的化學(xué)成分見表1。

高爐礦渣中的各種氧化物成分以各種形式的硅酸鹽礦物形式存在。堿性高爐礦渣中最常見的礦物有黃長石、硅酸二鈣、橄欖石、硅鈣石、硅灰石和尖晶石。酸性高爐礦渣由于其冷卻的速度不同，形成的礦物也不一樣。當(dāng)快速冷卻時全部凝結(jié)成玻璃體；在緩慢冷卻時（特別是弱酸性的高爐渣）往往出現(xiàn)結(jié)晶的礦物相。如黃長石、假硅灰石、輝石和斜長石等。

表1    高爐礦渣化學(xué)成分 礦渣種類 化學(xué)成分/% CaO SiO2 Al2O3 MgO MnO FeO S TiO2 V2O5 普通礦渣 31～50 31～44 6～18 1～16 0.05～2.6 0.2～1.5 0.2～2 　 　 錳鐵礦渣 28～47 22～35 7～22 1～9 3～24 1.2～1.7 0.17～2 　 　 釩鈦礦渣 20～30 19～32 13～17 7～9 0.3～1.2 1.2～1.9 0.2～0.9 6～31 0.06～1

高鈦高爐礦渣的礦物成分中幾乎都含有鈦。錳鐵礦渣中存在著錳橄欖石(2MnO.SiO2)礦物。高鋁礦渣中存在著大量的鋁酸一鈣(CaO·Al2O3)、三鋁酸五鈣(5CaO·3Al2O3)、二鋁酸鈣(CaO·Al2O3)等。

3  高爐礦渣的綜合利用

隨著我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，高爐礦渣排量日益增多，歷年來已經(jīng)堆積礦渣近15×107t，占地約1000km2。為了處理這些廢渣，國家每年花費巨額資金修筑排渣場和鐵路線，浪費大量人力物力。由于高爐礦渣屬于硅酸鹽質(zhì)材料，又是在1400℃～1600℃高溫下形成的熔融體，因而便于加工成多品種的建筑材料。水淬成粒狀礦渣（簡稱水渣）是生產(chǎn)水泥、礦渣磚瓦和砌塊的好原料；經(jīng)急冷加工成膨脹礦渣珠或膨脹礦渣，可做輕混凝土骨料；吹制成礦渣棉可制造各種隔熱、保溫材料；澆鑄成型可做耐磨的熱鑄礦渣；軋制成型可做微晶玻璃；慢冷成塊的重礦渣可以代替普通石材用于建筑工程中。因此，高爐礦渣的綜合利用非常重要。

國外高爐礦渣的綜合利用是在20世紀(jì)中期開始發(fā)展起來的。目前歐美一些發(fā)達國家已做到當(dāng)年排渣，當(dāng)年用完，全部實現(xiàn)了資源化。我國高爐礦渣的利用率在85%以上。

3.1   水渣的用途

3.1.1  生產(chǎn)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(fā)劑作用下，可顯示出水硬膠凝性能，是優(yōu)質(zhì)的水泥原料。水渣既可以作為水泥混合料使用，也可以制成無熟料水泥。

（1） 礦渣硅酸鹽水泥，是用硅酸鹽水泥熟料與?；郀t礦渣再加入3%～5%的石膏混合磨細(xì)或者分別磨后再加以混合均勻而制成的。礦渣硅酸鹽水泥簡稱為礦渣水泥。

在磨制礦渣水泥時，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%。這樣對于提高水泥質(zhì)量，降低水泥生產(chǎn)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，故能用于水上工程、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，適合于澆筑大體積混凝土。第三，耐熱性較強，使用在高溫車間及高爐基礎(chǔ)等容易受熱的地方比普通水泥好。第四，早期強度低，而后期強度增長率高，所以在施工時應(yīng)注意早期養(yǎng)護。此外，在循環(huán)受干濕或凍融作用條件下，其抗凍性不如硅酸鹽水泥，所以不適宜用在水位時常變動的水工混凝土建筑中。

（2）石膏礦渣水泥，是將干燥的水渣和石膏、硅酸鹽水泥熟料或石灰按照一定的比例混合磨細(xì)或者分別磨細(xì)后再混合均勻所得到的一種水硬性膠凝材料。

在配制石膏礦渣水泥時，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于硫酸鹽激發(fā)劑。它的作用在于提供水化時所需要的硫酸鈣成分，激發(fā)礦渣中的活性。一般石膏的加入量以15%為宜。

少量硅酸鹽水泥熟料或石灰，系屬于堿性激發(fā)劑，對礦渣起堿性活化作用，能促進鋁酸鈣和硅酸鈣的水化。在一般情況下，如用石灰作堿性激發(fā)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?jié)B透性，適用于混凝土的水工建筑物和各種預(yù)制砌塊。

（3）石灰礦渣水泥，是將干燥的?；郀t礦渣、生石灰以及5%以下的天然石膏，按適當(dāng)?shù)谋壤浜夏ゼ?xì)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(fā)礦渣中的活性成分，生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣。石灰摻量太少，礦渣中的活性成分難以充分激發(fā)；摻入量太多，則會使水泥凝結(jié)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(yīng)多摻石灰，通常先在12%～20%范圍內(nèi)配制。

石灰礦渣水泥可用于蒸汽養(yǎng)護的各種混凝土的預(yù)制品，水中、地下、路面等的無筋混凝土和工業(yè)與民用建筑砂漿。

3.1.2   生產(chǎn)礦渣磚和濕碾礦渣混凝土制品

（1）礦渣磚，用水渣加入一定量的水泥等膠凝材料，經(jīng)過攪拌、成型和蒸汽養(yǎng)護而成的磚叫做礦渣磚。其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1  礦渣磚生產(chǎn)工藝流程

所用水渣粒度一般不超過8mm，入窯蒸汽溫度約80℃～100℃，養(yǎng)護時間12h，出窯后，即可使用。

用87%～92%?；郀t礦渣，5%～8%水泥，加入3%～5%的水混合，所生產(chǎn)的磚其強度可達到10MPa左右，能用于普通房屋建筑和地下建筑。

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，然后再在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。

（2）濕碾礦渣混凝土，是以水渣為主要原料制成的一種混凝土。它的制造方法是將水渣和激發(fā)劑（水泥、石灰和石膏）放在輪碾機上加水碾磨制成砂漿后，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(biāo)號混凝土的配合比 C15 C20 C30 C40 水泥（以425號硅酸鹽水泥為準(zhǔn)） — — 不大于15 不大于20 石灰 5～10 5～10 不大于15 不大于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

濕碾礦渣混凝土的各種物理力學(xué)性能，如抗拉強度、彈性模量、耐疲勞性能和鋼筋的黏結(jié)力均與普通混凝土相似。而其主要優(yōu)點在于具有良好的抗水滲透性能，可以制成不透水性能很好的防水混凝土；具有很好的耐熱性能，可以用于工作溫度在600℃以下的熱工工程中，能制成強度達50MPa的混凝土。此種混凝土適宜在小型混凝土預(yù)制廠生產(chǎn)混凝土構(gòu)件，但不適宜在施工現(xiàn)場澆筑使用。

3.2  礦渣碎石的用途

礦渣碎石的作用很廣，用量也很大，主要用于公路、機場、地基工程、鐵路道碴、混凝土骨料和瀝青路面等。

3.2.1  配制礦渣碎石混凝土

礦渣碎石配制的混凝土具有與普通混凝土相近的物理力學(xué)性能，而且還有良好的保溫、隔熱、耐熱、抗?jié)B和耐久性能。礦渣碎石混凝土的應(yīng)用范圍較為廣泛，可以作預(yù)制、現(xiàn)澆和泵送混凝土的骨料。

配制礦渣混凝土的方法與普通混凝土相似，但用水量稍高，其增加的用水量，一般按重礦渣重量的1%～2%計算。一般用礦渣碎石配制的混凝土與天然骨料配制的混凝土強度相同時，其混凝土容量減輕20%。礦渣碎石混凝土的抗壓強度隨礦渣容量的增加而增高，配制不同標(biāo)號混凝土所需礦渣碎石的松散容重見表 3。 

表3   不同標(biāo)號的混凝土所用礦渣碎石松散容量 混凝土 C40 C30～C20 C15 礦渣碎石松散容量/kg·m-3 1 300 1 200 1 100

礦渣混凝土的使用在我國已有50多年歷史，解放后在許多重大建筑工程中都采用了礦渣混凝土，實際效果良好。

3.2.2  重礦渣在地基工程中的應(yīng)用

重礦渣用于處理軟弱地基在我國已有幾十年的歷史。由于礦渣的塊體強度一般都超過50Mpa，相當(dāng)或超過一般質(zhì)量的天然巖石，因此組成礦渣墊層的顆粒強度完全能夠滿足地基的要求。一些大型設(shè)備基礎(chǔ)的混凝土，如高爐基礎(chǔ)、軋鋼機基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等，都可用礦渣碎石作骨料。

3.2.3  礦渣碎石在道路工程中的應(yīng)用

礦渣碎石具有緩慢的水硬性，這個特點在修筑公路時可以利用。礦渣碎石含有許多小孔，對光線的漫反射性能好，摩擦系數(shù)大，用它做集料鋪成的瀝青路面既明亮，制動距離又短。礦渣碎石還比普通碎石具有更高的耐熱性能，更適用于噴氣式飛機的跑道。

3.2.4  礦渣碎石在鐵路道碴上的應(yīng)用

用礦渣碎石作鐵路道碴稱為礦渣道碴。我們鐵道線上采用礦渣道碴的歷史較久，但大量利用是解放后才開始的。目前礦渣道碴在我國鋼鐵企業(yè)專用鐵路線上已廣泛得到應(yīng)用。鞍山鋼鐵公司從1953年開始就在專用鐵路線上大量使用礦渣道碴，現(xiàn)已廣泛用于木軌枕、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕和鋼軌枕等各種線路，使用過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何弊病。在國家一級鐵路干線上的試用也已初見成效。

3.3  膨脹礦渣及膨珠的用途

膨脹礦渣主要用作混凝土輕骨料，也用作防火隔熱材料，用膨脹礦渣制成的輕質(zhì)混凝土，不僅可以用于建筑物的圍護結(jié)構(gòu)，而且可以用于承重結(jié)構(gòu)。

膨珠可以用于輕混凝土制品及結(jié)構(gòu)，如用于制作砌塊、樓板、預(yù)制墻板及其他輕質(zhì)混凝土制品。由于膨珠內(nèi)孔隙封閉，吸水少，混凝土干燥時產(chǎn)生的收縮就很小，這是膨脹頁巖或天然浮石等輕骨料所不及的。

直徑小于3mm的膨珠與水渣的用途相同，可供水泥廠作礦渣水泥的摻合料用，也可用作公路路基材料和混凝土細(xì)骨料使用。

生產(chǎn)膨脹礦渣和膨珠與生產(chǎn)黏土陶粒、粉煤灰陶粒等相比，具有工藝簡單，不用燃料，成本低廉等優(yōu)點。

3.4  高爐礦渣的其他用途

高爐礦渣還可以用來生產(chǎn)一些用量不大而產(chǎn)品價值高，又有特殊性能的高爐渣產(chǎn)品。如礦渣棉及其制品、熱鑄礦渣、礦渣鑄石及微晶玻璃、硅鈣渣肥等?，F(xiàn)僅簡介礦渣棉和微晶玻璃的生產(chǎn)方法。

3.4.1  生產(chǎn)礦渣棉

礦渣棉是以礦渣為主要原料，在熔化爐中熔化后獲得熔融物再加以精制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(xué)成分和物理性能見表4，表5。 

表4  礦渣棉的化學(xué)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(dǎo)率/W·m-1·k-1 燒結(jié)溫度 密度 纖維密度 使用溫度范圍 /℃ /g·cm-3 /μm /℃ 0.033～0.041 780～820 0.13～0.15 4～6 -200～800

生產(chǎn)礦渣棉的方法有噴吹法和離心法兩種。原料在熔爐中熔化后流出，即用蒸汽或壓縮空氣噴吹成礦渣棉的方法叫做噴吹法。原料在熔爐中熔化后落在回轉(zhuǎn)的圓盤上，用離心力制成礦渣棉的方法叫做離心法。

礦渣棉的主要原料是高爐礦渣，約占80%～90%，還有10%～20%的白云石、螢石或其他如紅磚頭、卵石等，生產(chǎn)礦渣棉的燃料是焦炭。生產(chǎn)分配料、熔化噴吹、包裝3個工序。噴吹法生產(chǎn)礦渣棉的工藝流程如圖2所示。

圖2  噴吹法生產(chǎn)礦渣棉的工藝流程

礦渣棉可用作保溫材料、吸音材料和防火材料等，由它加工的成品有保溫板、保溫氈、保溫筒、保溫帶、吸音板、窄氈條、吸音帶、耐火板及耐熱纖維等。礦渣棉廣泛用于冶金、機械、建筑、化工和交通等部門。

3.4.2  生產(chǎn)微晶玻璃

微晶玻璃是近幾十年來發(fā)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，除采用巖石外，還可采用高爐礦渣。

礦渣微晶玻璃的主要原料是高爐礦渣為62%～78%，硅石為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(xué)組成：SiO2 40%～70%；Al203 5%～15%；CaO 15%～35%；MgO 2%～12%；Na20 2%～12%；晶核劑5%～10%。

現(xiàn)將生產(chǎn)礦渣微晶玻璃的一般工藝介紹如下：在固定式或回轉(zhuǎn)式爐中，將高爐礦渣與硅石和結(jié)晶促進劑一起熔化成液體。然后用吹、壓等一般玻璃成型方法成型，并在730℃～830℃下保溫3h，最后升溫至1000℃～1100℃保溫3h使其結(jié)晶，冷卻即為成品。加熱和冷卻速度宜低于5℃/min，結(jié)晶催化劑為若干氟化物、磷酸鹽和鉻、錳、鈦、鋅等多種金屬氧化物，其用量視高爐礦渣的化學(xué)成分和微晶玻璃的用途而定，一般為5%～10%。

礦渣微晶玻璃產(chǎn)品，比高碳鋼硬，比鋁輕，其機械性能比普通玻璃好，耐磨性不亞于鑄石，熱穩(wěn)定性好，電絕緣性能與高頻瓷接近。礦渣微晶玻璃用于冶金、化工、煤炭、機械等工業(yè)部門的各種容器設(shè)備的防腐層和金屬表面的耐磨層以及制造溜槽、管材等，使用效果很好。