铝灰替代部分高铝矾土生产铝酸盐水泥CA50的研究

发布时间：2020-07-12 04:25

【摘要】：相比硅酸盐水泥,铝酸盐水泥快凝、快硬、早强、高强,特别是在耐高温、耐高温流体侵蚀、抗热震等方面表现更为优异,其因此成为耐火浇注料、耐火型材领域应用最为广泛的高温粘结剂。铝酸盐水泥的生产制备主要以铝矾土为原料,一般要求铝矾土原料中Al_2O_3含量≥73.5wt%。然而,我国铝矾土总储存量不大,约占全球储量的3%,且能够满足铝酸盐水泥熟料生产所需的高品位铝矾土储量更为有限,这也是造成铝酸盐水泥的生产制备成本和市场售价长期处于高位的主要原因之一,因此寻找高品位铝矾土的替代性原料成为铝酸盐水泥可持续发展的关键。铝灰是在一次和二次铝工业中排放的废弃物,主要由金属铝、氧化铝、铝的氮化物和碳化物组成,目前国内铝灰年排放量超百万吨,多数直接丢弃或填埋,不仅污染环境,同时也是对铝资源的极大浪费。一次铝灰中Al_2O_3含量高,具有部分替代高铝矾土的潜力,国内已有实践利用铝灰替代部分铝矾土制备硫铝酸盐水泥熟料,取得了较好效果,但也存在缩短凝结时间的现象,从而在夏天使用受限。围绕铝酸盐水泥工业发展对高品位铝矾土替代性原料的迫切需求,针对一次铝灰Al_2O_3含量高的有益特点,本研究以铝灰部分替代高铝矾土配制了铝酸盐水泥生料,利用示差扫描量热法(TG-DSC)确定了生料的煅烧制度;利用X射线衍射(XRD),X射线荧光分析(XRF),环境扫描电镜(ESEM)以及能谱分析(EDS)等方法研究了铝灰的替代掺入对所制备铝酸盐水泥熟料矿物组成影响;此外,对所制备铝酸盐水泥的物理力学性能进行了分析。获得的研究结果如下:(1)铝灰的主要化学成分与高铝矾土相似,从成分角度看可以替代部分高铝矾土用于制备铝酸盐水泥CA50熟料。(2)铝灰可以部分替代高铝矾土制备铝酸盐水泥,其最大掺入比例宜满足配料计算熟料中R_2O≤0.50%,矿物组成中CA+CA_2≥60%的要求(本研究条件下铝灰最大掺入为5.50%),所制备的熟料性能满足国家标准GB/T201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ要求。(3)熟料制备在节能型快速升温高温箱式电炉(类似中空窑)高温煅烧过程中,碱组份、SO_3、Cl~-易发生挥发,从而使熟料(化学分析)中R_2O、SO_3、Cl~-含量满足标准要求。随着铝灰、沸煮铝灰掺入量的增加,可以改善铝酸盐水泥生料的易烧性,促进游离氧化钙和氧化铝的吸收,降低烧成能耗。(4)铝灰替代高铝矾土制备的熟料会抑制早强矿物CA的形成,使矿物CA_2增加,且晶体尺寸变小。铝灰掺比小于5.50%时,对熟料的早强会有一定的影响,主要是6h强度略有降低,但不影响整体强度的发挥,而且1d、3d龄期的抗压强度富余较多。但铝灰、沸煮铝灰大比例掺入,因SiO2、MgO带入量明显增加,相应的C2AS、MA含量增加,CA、CA2含量及CA+CA2合量都大幅降低,致使所制备的熟料强度大幅降低,性能已不能满足国家标准GB/T201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ要求。本试验条件下,满足CA50-Ⅰ要求的铝灰最大掺比为5.50%。(5)沸煮铝灰掺入制备的熟料对CA、CA2的形成影响较小,且会使CA_2晶体尺寸变大。可考虑调整沸煮铝灰掺入比例,使制备的熟料中CA+CA_2合量大于60%,检测其物理性能以便进一步研究沸煮铝灰的适宜掺比,提高铝灰的处理能力。(6)随着铝灰、沸煮铝灰掺入比例的增大,所制备的铝酸盐水泥胶砂标准稠度用水量相应增加,水泥强度成型用水灰比也相应增加。特别是水灰比的增加,将不利于铝酸盐水泥强度的发挥和增长,这可能与带入的微量元素,特别是F~-含量增加有关,还有待进一步研究。研究结果表明,铝灰可以部分替代高铝矾土制备铝酸盐水泥熟料,所制得的铝酸盐水泥熟料经磨细制备的铝酸盐水泥满足GB/T 201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ级铝酸盐水泥要求,不仅降低了铝酸盐水泥的生产成本,还可以减少铝灰对环境的污染,实现了资源综合利用。由于铝酸盐水泥的特殊性能和用途,铝灰的化学组成与铝矾土相似,但其物相存在形态差异较大,制备的铝酸盐水泥熟料矿物组成上发生了明显的变化,因此采用铝灰制备铝酸盐水泥还需要进一步的研究,以降低铝酸盐水泥的生产成本,拓宽其应用领域。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ172.1
【图文】：

铝灰,高铝矾土,石灰石,矿物组成

将石灰石、高铝矾土、铝灰分别用球磨机粉磨，煤灰用制样粉碎机磨细，度控制在 0.080mm 方孔筛筛余小于 10%。表 2.1 原材料化学分析（wt%）Table 2.1 The Chemical composition of the raw materials(wt%)称 Loss SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO TiO2K2O Na2O R2O SO3∑石 41.75 2.32 0.79 0.22 53.59 0.68 / 0.07 0.02 0.07 0.05 99.4土 14.64 2.06 74.73 1.70 1.08 0.78 3.33 0.31 0.03 0.23 0.83 99.4灰 5.07 5.63 64.21 1.82 4.44 7.00 2.03 0.81 3.41 3.94 0.34 94.7灰 / 50.83 40.58 3.39 1.57 0.51 / 0.39 0.10 0.36 0.87 98.2表 2.2 烟煤工业分析Table 2.2 The composition of the bituminous coal 称 Mad Aad Vad FCad Qnet，ad（kcal/kg）全硫焦征特性煤 1.13 18.30 28.13 51.03 6321 0.55 4石灰石、高铝矾土、铝灰的 XRD 矿物组成分析如图 2.1 所示。

路线图,生料,分析曲线,铝灰

过程中煤的燃烧所产生的气体不易排出，所以先将烟煤烧制成煤灰，按灰 4.94%的比例掺入，煤灰灼烧基和干燥基是一样的。考虑掺入煤灰的干分比为：干石灰石 44.38%，干高铝矾土 51.97%，煤灰 3.65%。.2 铝灰掺入方案设计据图 1.1 实验技术路线图，结合铝灰的化学分析，设计了三种掺入方案：（灰中碱含量偏高（表 2.1 所示），其掺量过大，将导致制备的铝酸盐水泥及该熟料磨细制得的铝酸盐水泥的碱含量超出 GB/T 201-2015《铝酸盐水泥.50%的要求。为分析在标准范围内铝灰掺量的影响，试验设计熟料中 R2O 0.39%、0.49%，并计算其相应的铝灰掺量，同时化学成分控制在适宜≤Al2O3＜60.0%，SiO2≤6.0%，Fe2O3≤2.0%；（2）暂不考虑标准对微量元、S（全硫）、Cl- 含量的要求，只要求化学成分满足国标要求时的最大铝灰，即控制 50.0%≤Al2O3 ＜60.0%，SiO2 ≤9.0%，Fe2O3 ≤3.0%；（3水洗预处理方式去除铝灰中可溶于水的碱，再根据沸煮铝灰的化学分析入沸煮铝灰，以使熟料的 R2O、化学成分满足国标要求。煅烧工艺制度

熟料,煅烧温度,外观,铝酸盐水泥

西南科技大学硕士研究生学位论文第 18 页3 铝灰部分替代高铝矾土制备 CA50 铝酸盐水泥3.1 基准铝酸盐水泥制备及性能将各原料粉体按第 2 章 2.3.2.1 基准生料（不掺入铝灰）的配比设计方案，即石灰石：高铝矾土：煤灰=44.38%：51.97%：3.65%，称取 8000g，经 V 型混合机混匀，加入 10%的水，经水泥胶砂搅拌机中搅拌均匀后再每次称取 90g 放入直径为 85mm 的压片模具中，置于压力机下，在 150KN 压力保压 30s 制成厚度 10 mm、直径 85 mm 的波纹形料饼。将料饼在（110±5）℃的恒温鼓风干燥箱中烘干，经恒温鼓风干燥箱中烘干，再将烘干生料饼置于铂金片上，放入节能型快速升温高温箱式电炉，分别按第 2 章 2.3.3 所述的烧成制度进行煅烧，煅烧保温时间结束时，立即打开炉门取出熟料饼和铂金片，对烧制的熟料饼采用电风扇急速冷却制得熟料，并进行封装编号，以便对熟料进行化学分析、XRD、物理性能等分析检测。3.1.1 煅烧温度对基准铝酸盐水泥组成和性能影响

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