1. 简介：

粒化高炉矿渣（GBFS)也称为炉渣 俗称 水渣

1） 水渣是把热熔状态的高炉渣置于水中急速冷却的过程，主要有渣池水淬或炉前水淬两种方式。水渣作建材用于生产水泥和混凝土，由于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，可以作为优质的水泥原料，可制成：矿渣硅酸盐水泥、石膏矿渣水泥、石灰矿渣水泥、矿渣砖、矿渣混凝土等。

2） 高炉炼铁熔融的矿渣在骤冷时，来不及结晶而形成的玻璃态物质。呈细粒状。熔融的矿渣直接流入水池中冷却的又叫水淬矿渣，俗称水渣。矿渣经磨细后，是水泥的活性混合材料。含SiO2多的矿渣为酸性矿渣，含Al2O3和CaO多的为碱性矿渣。碱性矿渣的活性比酸性矿渣高。矿渣由于具有一定的自身水硬性，不宜长期存放。

3）高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。在高炉冶炼生铁时，从高炉加入的原料，除了铁矿石和燃料(焦炭)外，还要加入助熔剂。当炉温达到1400一1600℃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组成的，是一种易熔混合物。从化学成分来看，高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。每生产1t生铁，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，每吨生铁产出1．0一1．2t高炉渣；用富铁矿炼铁时，每t生铁只产出0．25t高炉渣。由于近代选矿和炼铁技术的提高，每吨生铁产出的高炉矿渣量已经大大下降。

由于炼铁原料品种和成分的变化以及操作工艺因素的影响，矿渣的组成和性质也不同。按照冶炼生铁的品种，高炉矿渣可分为铸造生铁矿渣、炼钢生铁矿渣和特种生铁矿渣。按照高炉矿渣化学成分中的碱性氧化物的多少．高炉矿渣又可分为碱性矿渣、中性矿渣和酸性矿渣

4）高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出来的废物。由于炼铁原料品种和成分的变化以及操作工艺因素的差别。高炉矿渣的组成和性质具有较大的变动范围．目前，对于高炉矿渣的分类主要有两种方法。

1 ．按照冶炼生铁的品种分类

(1) 铸造生铁矿渣 冶炼铸造生铁时排出的矿渣。

(2) 炼钢生铁矿渣 冶炼供炼钢用生铁时排出的矿渣。

(3)特种生铁矿渣 用含有其他金属的铁矿石熔炼时排出的矿渣。

2 ．按照矿渣的碱度区分

高炉矿渣的化学成分中，碱性氧化物之各与酸性氧化物之和的比值，称为高炉矿渣的碱度或碱性率，用 MO 表示，即

MO ＝ (CAO+MGO)/(SIO2+AL2O3)

按照矿渣的碱度可把矿渣分为如下三类。 A 碱性矿渣 M0>1 ； B 中性矿渣 MO ＝ 1 ； C 酸性矿渣 MO<1 。

2. 技术指标

矿渣品质要求 国家标准(GB/203-94)对粒化高炉矿渣的质量要求规定如下： 1）、粒化高炉矿渣的质量系数K应不小于1.2;(企业内控标准不小于1.6) 2）、粒化高炉矿渣中锰化合物的含量，以MnO计不得超过4%，锰铁合金粒化高炉矿渣的MnO允许放宽到15%；硫化物含量(以硫计)不得超过3%；氟化物含量(以氟计)不得大于2%； 3）、粒化高炉矿渣的松散容量不大于1.2kg/L，最大直径不得超过100mm，大于10mm颗粒含量(以重量计)不大于8%； 4）、粒化高炉矿渣不得混有外来夹杂物，如铁尖泥，未经淬冷的块状矿渣等； 5）、矿渣在未烘干前,其贮存期限从液冷成粒时算起，不宜3个月

6）①用化学成分分析来评定矿渣的质量是评定矿渣的主要方法.我国国家标准（GB/T203-94）规定粒化高炉矿渣质量系数如下：

式中：各氧化物表示其质量百分数含量。

质量系数K反映了矿渣中活性组份与低活性、非活性组份之间的比例关系，质量系数K值越大，矿渣活性越高。

矿渣化学成分中碱性氧化物与酸性氧化物之比值Mo，称之为：碱性系数。

如果：Mo＞1表示碱性氧化物多于酸性氧化物，该矿渣称之为：碱性矿渣；

Mo=1表示碱性氧化物等于酸性氧化物，该矿渣称之为：中性矿渣；

Mo＜1表示碱性氧化物少于酸性氧化物，该矿渣称之为：酸性矿渣。

②.激发强度试验法

目前有氢氧化钠激发强度法、消石灰激发强度法、矿渣水泥强度比值R法等。但这些方法都存在一定的不足和局限性。

我国国家标准（GB/T18046-2000）规定：对比样品的对比水泥为符合GB/T175的PⅠ型42.5级（原525号）硅酸盐水泥；试验样品由对比水泥和矿渣粉按质量比1:1组成。试验砂浆配比如下表所示：

砂浆种类　水泥 （g）　矿渣粉 （g）　中国ISO标准砂（g）　水（mL）

对比砂浆　450　/　
1350　
225

试验砂浆　225　225　试验方法按GB/T17671进行。分别测定试验样品的7天、28天的抗压强度R7（MPa）、R28（MPa）和对比样品7天和28天的抗压强度R07（MPa）、R028（MPa）。

然后，按下式计算矿渣粉的7天活性指数A7（%）和28天活性指数A28（%），计算结果取整数。

A7=R7÷R07×100（%）

A28=R28÷R028×100（%）

3. 用途与性能

1)高炉矿渣可采用多种工艺加工成具有多种用途的宝贵材料。加工成矿渣碎石可代替天然砂石，作为混凝土、钢筋混凝土以及500号以下预应力钢筋混凝土骨料，工作温度700℃以下的耐热混凝土骨料，要求耐磨、防滑的高速公路、赛车场、飞机跑道等的辅助材料，铁路道渣、填坑道地和地基垫层填料，污水处理介质等。高炉熔渣用大量水淬冷后，可制成含玻璃体为主的细粒水渣，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，显示出水硬胶凝性能，是优质水泥原料。我国生产的水泥有70％一80％掺用了不同数量的水渣。水渣还可作保温材科，湿碾和湿磨矿渣，混凝土和道路工程的细骨料；土壤改良材料等。

热熔矿渣可加工成多孔的膨胀矿渣，经破碎、筛分后成为混凝土轻骨科，还可加工成内含微孔、表面光滑、大小不等的颗粒——膨珠。膨珠是优质的混凝土轻骨料，比用膨胀矿渣可节省水泥20％；还可作水泥混合材料、道路材料、保温材料等。

用压缩空气喷吹或高压蒸汽喷吹热熔矿渣流，可制取矿渣棉。作为保温、吸音、防火材料等用途。

此外．高炉矿渣还可作为铸石、微晶玻璃、肥料、搪瓷、陶瓷等的原料。

2) 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。

（4) 生产矿渣砖和湿碾矿渣混凝土制品

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

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。

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

项 目　不同标号混凝土的配合比

C15　C20　C30　C40

水泥（以425号硅酸盐水泥为准）　—　—　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

浆：矿渣（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。

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。

表4 矿渣棉的化学成分

成 分　SiO2　Al203　CaO　MgO　S

含量/%　32～42　8～13　32～43　5～10　0.1～0.2　表5 矿渣棉的物理性能

热导率/W·m-1·k-1　烧结温度
/℃　密度
/g·cm-3　纤维密度
/μm　使用温度范围
/℃

0.033～0.041　780～820　0.13～0.15　4～6　-200～800　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。

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%。

4. 原材料及生产设备

钢厂在冶炼钢铁的过程中产生废渣。

除了铁矿石和燃料（焦炭）之外，为降低冶炼温度，还要加入适当数量的石灰石和白云石作为助熔剂。它们在高炉内分解所得到的氧化钙、氧化镁、和铁矿石中的废矿、以及焦炭中的灰分相熔化，生成了以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，浮在铁水表面，定期从排渣口排出，经空气或水急冷处理，形成粒状颗粒物，这就是粒化高炉矿渣，简称：矿渣。原材料为：铁矿石，石灰石，白云石。

5. 发展前景及适用范围

我国的高炉矿渣的粉末化发展前景是广阔的矿渣微粉是一种具有可持续发展和环保性的“环境协调型绿色建筑材料”，作为掺合料配制高性能混凝土是对传统混凝土技术上的突破，矿渣微粉的开发利用为处理废渣开创了一条新的道路，不仅适应了水泥工业结构调整的需要，同时节约资源和能源，保护环境，具有很高的经济及社会效益，值得推广应用