1、Serial No516 April2012 现代矿业 M0RDEN MINING 总第516期 2012年4月第4期 矿渣胶凝材料激发剂配比的试验研究 张国庆 尹裕 杨家冕 ， (1河北钢铁集团矿业有限公司；2中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3金属矿山安全与健康国家重点实验室) 摘要胶结材料是矿山尾矿胶结充填工艺中料浆配制设计的核心，它既是决定充填体强度 的关键指标，又是影响工艺成本的最重要因素。针对传统尾矿胶凝材料存在用量大、成本高及性能 差等问题，探讨以高炉水淬渣及其激发剂为原料，开发低成本、性能优良的新型胶结材料。 关键词矿渣胶凝材料激发剂 正交试验 Experimental Stu
2、dy on Activator Proportion of Slag Cementitious Materials Zhang Guoqing Yin Yu ，。Yang Jiamian 。 (1Hebei Iron and Steel Group Mining Industry Co，Ltd2Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co，Ltd；3The State Key Laboratory for Metal Mine Safety and Health) Abstract Cementing material is the co
3、re of slurry preparation and design in mine tailings cemen ting filling technologyIt not only the key index which decides backfill strengthbut also the most im portant factor to technological costAccording to the problems like large consumption，high cost and poor performance existed in traditional t
4、ailings cementing material，blast furnace slag and its activator as the raw material were discussed，and new cementitious materials with low cost and good performance is deve1 oped Keywords Slag，Cementing material，Activator，Oahogonal test 为充分利用资源，近年来胶结充填采矿法广泛 应用于矿山，但胶结生产成本高，寻找低成本的胶结 材料无疑成为国内外许多学者关注的焦点
5、，而降低 胶结充填成本的主要途径之一就是寻找廉价的水泥 替代品。我国是一个钢铁大国，矿渣是一种产量十 分巨大的工业废渣，堆置会占用大量的良田，如得不 到有效利用，必然会造成严重的环境污染，也将造成 巨大的资源浪费。另外，矿渣具有良好的潜在活性， 开展矿渣激发剂的研究，使其活性被活化、激化后， 形成胶结材料，具有效率高、成本低、性能好，能够满 足尾砂胶结充填要求，而且对环境保护、资源利用都 具有重大意义。 1试验材料选取 11碱激发剂水玻璃 在一般条件下，矿渣一水浆体并不具有水硬性， 只有经过某种激发剂的作用，矿渣的水硬性才能显 现出来。 张国庆(1964一)，男，部长，高级工程师，063000
6、河北省唐山市。 在查阅相关文献以及前期试验的基础上，为了 便于分析水玻璃激发矿渣胶凝材料的水化及反应机 理，本实验中选用模数为10的分析纯(Na SiO 9H2O)水玻璃。 12其他激发剂 硅酸盐水泥熟料：f-CaO15，3 d抗压强度 在280 MPa以上，28 d抗压强度在580 MPa以上； 无水石膏：SO I45，结晶水在030以下。 13高炉矿渣 本实验中选用某公司生产的矿渣粉，密度为 288 gcm ，比表面积700 m kg，其化学成分分析 结果见表1。 表1 矿渣粉化学成分 SiO2 CaO Al203 MnO MgO TiO2 Na20 K20 SO3 Loss 324 38
7、9 139 007 931 089 O3O 054 276O5 2试验设计及结果分析 本课题研究的新型胶凝材料激发剂主要由硅酸 盐水泥熟料、无水石膏、固体水玻璃3种材料复合而 成，采用多因素正交实验，研究激发高炉水淬渣活性 的因素 J。 9 总第516期 现代矿业 2012年4月第4期 21正交实验设计 按五因素、四水平设计，因子水平参数见表2， 采用L (4 )正交试验设计表，测试4个硅酸盐水泥 熟料因子、4个无水石膏因子、4个固体水玻璃因子， 另外设有两个空列，以方便数据分析，总计16组激 发剂配方设计。将高炉矿渣粉、硅酸盐水泥熟料、无 水石膏、固体水玻璃分别破碎后粉磨，其中高炉矿渣 粉和
8、硅酸盐水泥熟料粉磨至比表面积400 m kg以 上，其余粉磨至80 m筛余30以下。将磨好的 高炉矿渣粉与硅酸盐水泥熟料、硬石膏、固体水玻 璃，按质量比4：1混合均匀，参照GBT 17671 1999(水泥胶砂强度检验方法进行胶砂试验，成型 试验室水灰比分别为05，胶砂比为1：3；在湿气中 养护48 h后脱模，在水中或湿气中养护至规定的龄 期。试验结果见表3。 表2试验因子水平参数 表3试验测试结果正交设计表L， (4 ) 22极差分析 对表3试验结果进行极差分析，试块3、7、28 d 的单轴抗压强度分析见表4表6。 Kii=K 4，江1，2，3，4；R1=max( )一min ( )， ，越
9、大，说明jN的因素对试验指标作用越 】0 表4 3 d抗压强度极差分析 大，也越重要，当试验指标越大越好时，在每个因素 中，max( )相应的水平为最佳水平；当要求试验指 标越小越好时，在每个因素中，min(K ，)相应的水平 为最佳水平。 上述方案是在给定的因素和水平的条件下得到 的，若不限定给定的水平，有可能得到更好的试验方 案，所以当所选的因素水平不恰当时，该优方案可能 达不到试验的目的，不是真正意义上的优方案，这时 应该对所选的因素和水平进行适当的调整，以找到 新的更优方案。现将因素水平作为横坐标，以其试 验指标的平均值后 作为纵坐标，得出因素与指标的 抗压强度趋势图，如图1。从图1中
10、很容易看出指 标随因素数值增大时的变化趋势，可根据趋势图的 平坦或陡峭程度判断因素的主次。 通过表4、图1分析得出： (1)由R 的大小推知，影响 、R，抗压强度各 因素的重要性顺序为 C，影响R： 抗压强度各因 素的重要性顺序为ACB。 (2)矿粉活性主要由硫酸盐、碱激发形成。试 验结果显示，在硅酸盐水泥熟料、无水石膏、固体水 玻璃材料中，硅酸盐水泥熟料激发效果最好，其次是 无水石膏、固体水玻璃。相应的水平为最佳水平，即 张国庆尹裕等：矿渣胶凝材料激发剂配比的试验研究 2012年4月第4期 熟料kg 石膏kg (a)3 d 日 岂 鳗 出 12 16 20 24 硅酸钠kg 30 寇20 营
11、10 2 4 52 60 68 熟料kg 3O 皇 寇20 营10 蝠0 【c)28 d 图1各龄期抗压强度趋势 A 。试验中，4左右的无水石膏对矿粉激发效 需要指出的是，把各因子的好水平组合起来而 果最好，无水石膏配比固定为4。因此初步确定 得到的较好生产条件往往不包含在已做过的16次 激发剂配比为：矿粉80，硅酸盐水泥熟料12，无 试验中，而这时若以选出的较好生产条件做验证试 水石膏4，固体水玻璃4。 验，一般都会比所做的16次试验的效果好。这是由 (3)从K， ， ， 瑚计算可以知道，各因子 于使用的正交表安排的16个试验是全部64种搭配 所在列的 ， ， ，的差异实际上只反应该因 中的
12、典型代表，由这16个代表能把64种搭配中较 子由于此水平变动引起指标的波动，而不受其他水 好的生产条件挑出来，正是正交表的优点。 平变动的影响。所以，把各因子的好水平简单的组 23方差分析 合起来就是较好的生产条件。但是，实际选择时，还 正交试验设计的极差分析简便易行，计算量小， 应该区分各因子的主次，对于主要因子，一定要按有 也较直观，但极差分析精度较差，判断因素的作用时 利于指标的要求选取最好的水平，而对于不重要因 缺乏一个定量的标准，需要用方差分析解决。 子则可以根据节约、操作方便等多方面的考虑任取 统计量F服从自由度为(厂v， )的分布。因此， 一个水平。如本激发剂配合比试验中 因子的
13、选 对于给定的显著性水平0=005，A因素对3、7、28 d 取可以根据成本较低，同时对试验效果影响不大的 抗压强度有显著影响，c因素对28 d抗压强度有显 特点，故实际挑选时，可以考虑适当增加B因子含 著影响，各指定因素对试验指标的显著性影响情况 量，适当减少C因子含量。 见表5。 表5各龄期抗压强度方差分析 24试验优化 上述方案是通过理论分析得到，是不是真正的 最优方案还需要进一步的验证。优化配比试验见表 6。 将粉磨好的物料按照一定的配比参照GBT 17671-1999(水泥胶砂强度检验方法进行胶砂试 验，成型试验室水灰比分别为O5，胶砂比为1：3；在 湿气中养护48 h后脱模，在水中
14、或湿气中养护至规 定的龄期。试验结果表明，A 的3、7、28 d的抗压强 度均优于其他组，见图2。 3 结论 经试验确定矿渣胶凝材料激发剂配比为：硅酸 盐水泥熟料60、无水石膏16、固体硅酸钠 20、工业盐4。加人工业盐可进一步提高其早 期强度。试验编号为A 的3、28 d抗压强度达到了 通用硅酸盐水泥325R等级要求。同样采用水灰 1 1 E一 ，1 1 Bd芝 憩瞪 E一 0 O 5 O4 总第516期 现代矿业 2012年4月第4期 表6优化试验配比 比05进行胶砂试验时，A 组胶砂流动度要比325 序号 水淬渣粉 水泥熟料 无水石膏 固体水玻璃 水泥胶砂流动度大得多，有利于井下管道输送
15、，同时 -80 1 4 在配置砂浆充填材料时可以降低水灰比，进一步提 2 。80 12 ： 高充填体强度。 A 8O 13 3 4 一一 A4 80 14 参考文献 B1 75 16 4 5 B2 75 13 4 8 1 周科平，古德生安庆铜矿尾砂胶结充填灰砂配比的遗传优化 75 12 4 9 设计J金属矿山，2001，301(7)：1113 B4 75 14 4 7 2 尹裕矿山新型胶结充填材料的试验研究J1现代矿业， 30 25 。， 3 q-NN我国胶结充填工艺发展的技术创新M中国矿山工 善20 r， 、 t 程，2010，39(5)：1_3，9 15 J山1 幽10 5 记者在线 政策
16、压力增大或将对低品位铁矿石市场构成压制 尽管中国钢材出口和国内外价格差(中美价格 差)之间存在关联，但“十二五规划”中的节能目标 很可能会限制出口增长，因此未来4 a，钢材净出口 将仅仅从260万t，月增至330万t月，出口增长不 会给国内钢材生产带来任何喘息之机。 由于中国的钢材产量几乎占全球产量的一半， 因此往往会调整(如果不是压制)全球钢材价格，而 产能利用率降低将会拉低中国和全球钢材价格。如 果中国和全球其他地区的钢价差足以弥补中国向全 球其他市场的运输费，那么根据历史经验，中国往往 会出口更多的钢材，从而最终限制国际钢价的升幅。 最坏的情况是，中国的铁矿石进口量大幅减少 至20，这将
17、导致进口价格下滑40。不过海运铁 矿石价格的走低会带来供应面的反应。首先，追求 低品位、高单价的铁矿石产量可能会减少。过去5 a 中国铁矿石的平均品位已经从含铁量30以上降 至不足20，2011年仅为17。以铁含量计算， 12 2011年中国的铁矿石产量占全球的13。 低品位铁矿石的开采和加工面临电力、供水和 废弃物处理等多方面效率低下的问题，也似乎与 “十二五规划”的目标相悖，预计政策压力的增大或 将对低品位铁矿石市场构成压制。单单废弃物处理 的数据就令人震惊：2011年中国生产的133亿t铁 矿石，带来了33亿t 66含量精矿和10亿t左右 的废弃物(只能用于建水坝)。估计至少13国产 铁矿石的现金成本在120美r_t以上，如果铁矿石 价格低于这一水平，这部分产量就会面临挑战。 此外，由于铁矿石三巨头控制着23以上的海 运铁矿石贸易，一旦铁矿石价格下滑，供应量将有小 幅下降。总体而言，如果2012年4月钢材生产仍未 见起色，中国钢材产量即有可能出现前所未有的同 比下滑，而其所带来的后果以及对全球钢材市场和 产业的影响将十分值得关注。
