徐茂炎

(攀枝花鋼城集團有限公司  四川 攀枝花 617000)

1  概述

1.1  國內高鈦型高爐渣處理及利用的行業狀況

我國西南攀西地區蘊藏著極其豐富的釩鈦磁鐵礦，釩鈦磁鐵礦在高爐冶煉過程中產生大量的TiO₂含量高達15～25%的釩鈦磁鐵礦冶煉渣，也稱高鈦型高爐渣，因其中的鈦以鈣鈦礦、富鈦輝石和鈦輝石等極其穩定的礦物組成存在，導致高鈦型高爐渣的化學活性低，所以就無法像其他普通鐵礦石冶煉渣一樣大量用于水泥生產行業，因此，釩鈦磁鐵礦冶煉渣是業內公認的“呆渣”。

然而，“呆渣”也有它不可多得的優勢，周旭、王懷斌、孫金坤等分別對高鈦型高爐渣在混凝土中的應用做了大量研究，結果表明，高鈦型高爐渣結構穩定，用其作混凝土粗骨料與普通碎石配制的混凝土相比，抗壓強度及劈拉強度更高；高鈦型高爐渣摻入混凝土中，有利于混凝土形成細觀自緊密堆積體系，加速水泥水化速率，發生較弱的“二次反應”，促進混凝土強度的發展。

經國家建材測試中心和中國科學院原子能所用丫譜儀進行測試,測定結果表明,攀鋼高鈦型高爐渣的放射性劑量遠低于標準的要求,無放射性危害,可以在建材工業中安全使用。

長期以來，高鈦型高爐渣的處理方式主要是將高溫液態渣采用熱潑打水緩冷方式形成一種具有一定強度的石質材料--高鈦重礦渣，通過機械設備的破碎、除鐵、分級等工序對其進一步加工成渣砂、碎石建筑骨料，其渣處理時間長、生產工序繁雜、占地面積大、能耗高、產品價格低廉。高鈦型高爐渣產品單一，價值并未完全開發利用，導致瑞海公司、環業公司這些處理高鈦型高爐渣的企業，始終處于高成本低利潤的生產經營狀況。

1.2  綠色建筑和建筑節能的相關政策解讀

在國家碳達峰、碳中和政策的大背景下，在民用建筑方面提出加大發展綠色建筑和建筑節能的方針，采用建筑結構保溫一體化系統、低碳型建筑節能保溫隔熱材料的保溫技術將是重要方向。

四川省已經提出全面執行居住建筑節能65%設計標準，根據最新《四川省綠色建筑創建行動實施方案》要求，推廣應用安全、耐久的節能型建筑材料、設備和工藝，支持攀西地區結合當地的氣候、人文、自然資源等特點，因地制宜建立建筑節能體系。《四川省攀西地區民用建筑節能應用技術標準》應運而生，剛剛通過國家強條委審查，其中就提到將大力支持利用當地工業固廢資源發展新型綠色建筑，構建外墻自保溫系統。這個《技術標準》將攀西地區的居住建筑非透光圍護結構熱工性能限值作了新的修訂，尤其是攀枝花地區直接將外墻傳熱系數提升到2.2W/m²·K ,使得堆積密度不超過800kg/m³、導熱系數不超過0.1W/m·K的高鈦型高爐渣輕質化系列產品，取代擠塑板材類保溫隔熱材料，應用到攀西地區的居住建筑保溫系統成為一種可能。

1.3  瑞海公司高鈦型高爐渣處理及利用新研究方向

瑞海公司在2016年新建了一條利用高溫液態高鈦型高爐渣生產膨珠的試驗線，通過該試驗線探索出高鈦型高爐渣渣處理新工藝、渣產品新應用途徑，即高溫液態渣能夠快速冷卻形成膨珠產品，產品理論上可以應用到輕骨料混凝土、輕質混凝土制品（如空心磚、輕質隔墻板），以及民用建筑的屋頂、衛生間、地下室的保溫填充材料。然而，該試驗線較為簡陋，尤其是試驗線的接渣槽在受渣流渣過程中，會不斷的粘渣硬化堵塞流渣通道，被迫停機，待槽內硬化的重礦渣冷卻后，工人爬上接渣槽進行人工破碎清除后才能恢復生產。試驗線產能低、工人勞動強度大、危險系數高，只能少批量進行試生產，無法實現規模化生產，需要進一步對設備設施進行系統性研究。

經過幾年的技術積累和產品目標市場重新定位，2020年瑞海公司立科研項目--高鈦輕質保溫材料的制備技術開發，旨在研究利用高溫液態高鈦型高爐渣生產出一種類似于膨脹玻化微珠的產品--高鈦輕質保溫材料，并且能夠實現穩定規模化生產的條件，努力爭取將高鈦輕質保溫材料開發成建筑保溫材料產品。無疑，若能開發并得到推廣應用，則高鈦輕質保溫材料會得到政策傾向，高鈦型高爐渣的利用途徑和經濟價值也會得到很大的提升。

2  本項目的研究內容與目標

精準對接市場需求，以液態高鈦型高爐渣為原料，通過對原膨珠試驗線進行設備升級改造、工藝參數調整、建設三條中試線等工作，實現建筑填充用輕質保溫顆粒的穩定規模化生產，同時探索其應用于混凝土摻合料的可行性，最終實現高鈦型高爐渣多用途、高價值利用。

3   原膨珠試驗線設備設施升級改造

3.1  改造前生產狀況

改造前每天最多翻2罐液態高爐渣，就出現接渣槽粘渣板結嚴重（見圖3-1：膨珠試驗線改造前生產狀況），堵塞通道，無法繼續翻渣生產，被迫停機，只能等到第二天接渣槽內的重礦渣冷卻后，工人爬上接渣槽進行人工破碎清除后才能恢復生產。在破碎清除過程中，重礦渣不可避免的混入膨珠產品內，影響品質。按照產品平均產量16t/罐計算，日產能僅為32t。

由于接渣槽為上大下小的斜坡，下口過窄容易卡料，多數破碎下來的大塊渣還需要人工撿拾處理，并且因為斜坡的原因，工人在破碎清渣過程中無法有效站位，危險系數也高。由于接渣槽內與高溫液態渣接觸的是耐火材料，與高爐渣粘結極其嚴重，每一次清渣過程都不小于4h，生產效率極為低下。

經檢測，膨珠的堆積密度過高（要求不超過800kg/m³），達到了950kg/m³～1150kg/m³，無法用于生產輕質隔墻板和空心磚。

圖3-1 膨珠試驗線改造前生產狀況

3.2 首次改造及改造后生產狀況

2017年，對生產裝置水路進行了改造，通過增加了增壓泵、水表、水壓表、噴淋管等設備設施，穩定了水壓，控制了水流量；通過將原接渣槽下半截破除縮短500mm，增長水沖渣流程600mm，進一步增加了渣水混合膨脹的時間；通過在接渣槽內底部加鋪50mm厚鋼板，降低了清渣的難度。

圖3-2：首次改造后生產狀況

通過此次改造，生產節奏明顯加快，但依然每天最多翻2罐液態高爐渣（見圖3-2：首次改造后生產狀況），每一次清渣過程縮短至2h左右。按照產品平均合格量16t/罐計算，日產能也僅為32t。

經檢測，此時產品的堆積密度在600kg/m³～900kg/m³之間波動，基本達到使用單位輕質化的要求。然而，輕質化后的膨珠幾乎無強度，甚至不能使用現有設備測量出其筒壓強度，達不到輕質墻材骨料的使用要求。

2017年5月-7月，累積銷售輕質化后的膨珠產品共計1500余t，經了解該客戶主要作屋頂保溫墊層，而且效果比新鋼業水渣好用。自此，過輕質化的膨珠產品開始在保溫墊層市場推廣使用。

3.3本次改造及改造后生產狀況

根據《論高爐渣處理爆炸原因及解決措施》^[1]表述：高爐渣遇水爆炸的重要原因有渣中鐵含量過高、大量高溫渣與水混合、放渣過程集中形成高溫熔渣池渣水混合物所處空間受限熱量得不到釋放等原因。所以，采用膨珠法處理高爐渣過程中只要沖渣槽傾斜度合適不積渣、沖渣水流合適不積渣，是不會發生爆炸現象的。

圖3-3：膨珠生產工藝流程圖

將膨珠生產工藝流程^[2、3]（見圖3-3：膨珠生產工藝流程圖）由接渣槽受渣、流渣槽水沖渣的兩段式流渣工藝，改為受渣水沖渣一段式流渣工藝。主要進行了如下改造：拆除受渣槽內變形嚴重的30mm厚鋼板，在受渣槽內重新鋪設12mm厚鋼板，并使受渣面傾角由30°增加到38°，在受渣槽上方設置1排最大流量達到60t/h的高壓水管。由于高壓水流的作用，生產過程中受渣槽不再粘渣（見圖3-4：改造后生產實景），產品也進一步輕質化，每天至少可以翻5罐，接渣槽再也沒有出現板結料的情況，實現了連續生產的基本條件，完成1罐翻渣生產的時間不超過0.5h，產品平均合格量可達18t/罐，日產能達到90t，生產效率大大提高，產能成倍提升。

圖3-4：改造后生產實景

3.4本次改造后生產統計及參數確定

經過10多次試生產，通過調整滾筒電機頻率、各水管出水流速等方式收集多個數據（見表3-1：設置參數、表3-2：產品檢測情況）進行分析。具體參數確定為：平均翻罐時間為32min、平均水流量為50m³/h左右、電機頻率36.8Hz（即滾筒旋轉葉片頂點的線速度約為24m/s左右）、平均水壓0.63MPa、渣溫為1000℃～1100℃。

表3-1：設置參數

注：4根水管分別為：1#接渣槽上沖水管、2#水箱延長板沖水、3#沖渣槽水箱沖水管、4#粒化輪沖水管；

表3-2 ：產品檢測情況

圖3-5：膨珠樣品                      圖3-6：膨化渣樣品

4 高鈦輕質保溫材料中試生產線設計方案

經過對原膨珠試驗線的升級改造，及改造后生產效能的大大提升，驗證了接渣水沖渣一段式流渣處理液態液態高爐渣的工藝是可行的。瑞海工程技術研究中心自主研發設計了三條中試生產線，并選址在瑞海產業園2#渣坑內原膨珠試驗線位置處，計劃將原膨珠試驗線整體拆除，新建三條高鈦輕質保溫材料中試生產線，設計產能：日翻罐不低于17罐，日產高鈦輕質保溫材料不低于300t，年產能可達6-9萬t。計劃先建設一條生產線，通過試生產，消除設計缺陷后，再建另外兩條生產線。

圖4-1：高鈦輕質保溫材料中試線及高速離心拋冷系統三維設計圖

如圖4-1，高鈦輕質保溫材料中試生產線的設計方案主要亮點在于：

4.1 主體結構

主體結構（3）采用C30混凝土筏板基礎、C30混凝土擋墻結構澆筑成型，而不是采用鋼結構基礎，防止現場高溫高濕環境對基礎結構的銹蝕。

4.2高速離心拋冷設備

高速離心拋冷設備（2）的鋼板零部件采用激光切割下料、葉片的背面開槽折彎后焊接成型、實心軸調質熱處理加工、采用調心軸承，使設備能長時間承受高溫渣的撞擊，大大提高設備的使用壽命。

4.3動力源設備

動力源設備采用模塊化組合齒輪減速機，并且與高速離心拋冷設備通過彈性柱銷聯軸器（22）連接，能夠承受高溫環境的熱輻射。

4.4高空布置設備設施

高速離心拋冷設備和模塊化組合齒輪減速機下方有一定空間高度（31，37），便于生產過程中散熱、不易積渣，以及生產后沖洗設備實施。

4.5水冷箱體式結構接渣槽

接渣槽包括側擋板在內均采用水冷箱體式結構（1），其特點在于接渣槽箱體底端設置有入口管、上端設置有出口細孔噴淋管。生產過程中有高壓冷卻水從入口管不斷涌入，并將受渣鋼板的熱量帶走，從細孔噴淋管排出與高溫液態渣混合，或汽化成水蒸氣或隨渣流向高速離心拋冷設備，使接渣槽的受渣板（1）、側擋板（11）在生產過程中不會因局部受熱變形。

4.6接渣槽長度及傾角

接渣槽受渣板的斜長達到3.5m，傾角達到38°~45°，使高溫液態渣在接渣槽內與水充分混合，而混合不充分、膨脹時間不夠，就會產生渣棉。

4.7高速離心拋冷設備的旋轉速度

高速離心拋冷設備的旋轉速度設定為320r/min左右，旋轉葉片頂點的線速度恒定在25m/s左右，過小則熔渣大量落入滾筒前粘結在一起，過大則渣珠擊得過小、產生風量過大把高爐渣吹成渣棉。

4.8高速離心拋冷設備與接渣槽下檐口的間距

高速離心拋冷設備與接渣槽下檐口的間距保持300mm，距離過近，擠出強大風力，會把高爐渣吹成渣棉。

4.9自動化系統控制

中試線的翻渣生產采用自動化控制系統和手動干預控制相結合的方式操作，并設置最大翻罐角度，自動狀態下能夠精確控制渣流量，手動干預控制下能應急處理突發情況，既保證了生產安全，又保證了產品質量。

4.10蓄水池及噴淋打水系統

蓄水池采用上下水位自動啟停控制，噴淋打水采用變頻調速可調節水流量大小控制。

4.11噴淋管

噴淋管道采用可旋轉調整噴淋孔角度，能夠精準對高溫液態渣沖渣冷卻、膨脹。

5 中試線運行試驗結果及技改優化

5.1 第一條中試驗技改優化

第一條中試線完成設備實施安裝，并進行了11罐翻渣試生產。從試生產的情況來看，該生產線能夠滿足連續生產且不出現沖渣槽粘渣的條件；高速離心拋冷設備減速機電機的電流電壓比較穩定，即使偶爾有大塊狀沖擊也不會有太大的波動，且未出現超負荷運行的情況；管道水泵的流量穩定在63～68m³/h、水壓穩定在0.4MPa；產品的拋射軌跡主要集中在距離滾筒的水平距離10～20m的區域范圍內，能夠滿足不少于8罐的生產堆存量。綜上，該中試線的總體設計工藝是能夠滿足現場生產需要的，然而現場也暴露出部分需要進一步優化技改的不足之處：

圖5-1：受渣面鋼板受熱脫焊       圖5-2：葉片夾角用鋼板二次折彎填補

 接渣槽的受渣面鋼板采用焊接拼接方式加工，鋼板拼接處多次出現脫焊開裂現象（見圖5-1：受渣面鋼板受熱脫焊），需更換為寬達到3.5m的整塊鋼板。

高速離心拋冷設備葉板夾角較深，高速運轉中容易夾帶高爐渣并拋甩至設備側后方，需用鋼板折彎二次填補（見圖5-2：葉片夾角用鋼板二次折彎填補）。

5.2 三條中試線運行試驗結果

在第一條中試線優化改造基礎上，三條中試線全部建成投產后進行了近10天的試生產，日翻渣達12罐，產能達到200t/d。因森林防火及安全回頭看工作安排，中試線基本未安排生產，10月份開始，恢復生產（見圖5-3：中試線生產實景，5-4：中控操作畫面），日翻渣提升到18罐，按照18t/罐計算，產能超過300t/d。

高速離心拋冷系統工藝的應用，使渣處理時間由全周期12h以上縮短至2h以內，噸渣電耗從2度降低到1度以下，產品節省了廠內倒運成本，直接從坑內裝車發貨。

圖5-3：中試線生產實景

圖5-4：中控操作畫面

6 高鈦輕質保溫材料產品的檢測結果

將樣品分別送至攀研院、四川省材科院進行化學成分檢測、物理性能檢測和導熱系數檢測。

從化學成份報告中可看出，高鈦輕質保溫材料里面的金屬鐵含量小于0.5%，說明通過該工藝處理的高爐渣不會導致鐵資源流失，因為鐵的比重比渣大，高爐渣渣罐在從煉鐵廠運輸至渣場，最后上線生產前，含鐵物料基本上已經沉底，而翻渣生產輕質保溫材料過程中，底部10%以下的高溫液態渣都是需要返回主渣坑翻渣，因此高鈦輕質保溫材料里面的金屬鐵含量極低。

對比高鈦重礦渣碎石、渣砂的化學成份（見表6-1：高鈦型高爐渣化學組成），發現：兩者成份幾乎一致，即說明通過該工藝處理的高爐渣不會對化學成份造成改變。

表6-1：高鈦型高爐渣化學組成（wt%）

從物理性能報告可以看出，高鈦輕質保溫材料的放射性、氯化物含量、硫化物和硫酸鹽含量完全符合要求。高鈦輕質保溫材料的堆積密度不超過800kg，筒壓強度僅有0.3MPa，不符合輕粗骨料的指標要求（要求筒壓強度不低于1MPa），因此很難在輕骨料混凝土上得到推廣應用。但是如果把它破碎至5mm以下粒度，沒有筒壓強度的指標要求，成了輕細集料，就可以應用到輕質砂漿中。

從導熱系數報告可以看出，高鈦輕質保溫材料的導熱系數只有0.094W/（m·K），接近《膨脹玻化微珠》（JC/T1042-2007）(見圖7-1：膨脹玻化微珠物理性能指標）關于III類膨脹玻化微珠所要求的≤0.070W/（m·K）。

圖6-1：膨脹玻化微珠物理性能指標

7 高鈦輕質保溫材料的推廣應用

7.1民用建筑保溫填充墊層材料的應用研究

圖7-1：某建筑工地用于屋頂保溫墊層

如圖7-1，西昌市海南缸窯城中村棚戶區改造項目利用高鈦輕質保溫材料做了屋頂、衛生間的保溫填充墊層材料，其中屋頂保溫的鋪設厚度30mm~200mm，衛生間填充料的填充厚度約300mm，該項目累計用量258.04t。

7.2 高鈦輕質保溫材料應用研究

利用環業公司的環輥磨試驗線進行了輕質保溫材料環輥磨微粉試驗（見圖7-2：高鈦輕質保溫材料環輥磨粉試驗），對比其與高鈦重礦渣碎石的臺時產能、耗電情況（見表7-1：高鈦型高爐渣產品環輥磨磨粉試驗數據統計）。將微粉產品送至西南科大進行了活性指數試驗，結果顯示：高鈦輕質保溫材料微粉的活性指數相比高鈦型高爐渣碎石微粉的活性指數提高甚少（見表7-2：高鈦型高爐渣50%摻和比活性指數，7-3：高鈦型高爐渣30%摻和比活性指數）。

圖7-2：高鈦輕質保溫材料環輥磨粉試驗

表7-1：高鈦型高爐渣產品環輥磨磨粉試驗數據統計

表7-2：高鈦型高爐渣50%摻和比活性指數

表7-3：高鈦型高爐渣30%摻和比活性指數

利用世宏建材公司的球磨生產線進行了輕質保溫材料球磨微粉試驗，試驗結果同上。

利用高鈦輕質保溫材料微粉在混凝土摻合料上的應用試驗，效果也差（見表7-4：試塊抗壓強度試驗）。

表7-4：試塊抗壓強度試驗

考慮到運輸成本更高、生產過程控制難度更大，因此高鈦輕質保溫材料相比高鈦重礦渣碎石，在微粉市場沒有什么應用價值優勢。

7.3 探索在民用建筑墻面保溫系統的應用

高鈦輕質保溫材料的筒壓強度只有0.3MPa，達不到輕粗集料的要求，因此很難在輕骨料混凝土上得到推廣應用，但是如果把它破碎到5mm以下粒度，沒有筒壓強度的指標要求，成了輕細集料，就可以應用到輕質砂漿中。

圖7-3：高鈦輕質保溫材料輕質砂漿應用試驗

經過超110組試驗配比的實驗室研究和市場驗證（見表7-5：高鈦輕質保溫材料輕質砂漿應用試驗），在攀西地區將輕質保溫材料推向有較大潛力的內外墻保溫市場技術完全可行。砂漿試塊檢測結果顯示：干密度1136kg/m³，抗壓強度達到10.2MPa、導熱系數只有0.272W/（m·K），滿足《輕質砂漿》（JG/T 521-2017）（見圖8-4：輕質砂漿性能技術要求）的相關指標要求。下一步，在保證抗壓強度不低于5MPa的條件下，爭取輕質砂漿的導熱系數降低到0.2W/（m·K）以下，如果能做到，那么立足于攀西地區的溫和氣候條件研發這個新產品就很有意義。

高鈦輕質保溫材料輕質砂漿一旦推廣使用，可以將墻面抹面砂漿、保溫系統合二為一進行施工，具有節能、環保、施工便利、強度高、不脫落、不燃燒的優點。

表7-5 輕質砂漿性能

8 主要結論

通過本項目的研究，可以得出以下主要結論：

1、以液態高鈦型高爐渣為原料，采用高速離心拋冷系統工藝可以生產出高鈦輕質保溫材料產品，產品的堆積密度不超過800kg/m3，導熱系數不超過0.1W/（m·K），符合用戶使用要求；

2、新建的三條中試線具備實現日翻罐達17罐以上、日產能達300t以上的規模化生產條件；

3、相關產品在西昌及周邊縣市的民用建筑的屋頂、衛生間、地下室保溫填充墊層領域得到推廣應用；

4、高鈦輕質保溫材料的易磨性比高鈦重礦渣碎石的好一些，但是高鈦輕質保溫材料微粉的活性系數相比高鈦重礦渣微粉提高甚少，考慮到運輸成本更高、生產過程控制難度更大，因此高鈦輕質保溫材料相比高鈦重礦渣碎石，在微粉市場沒有什么應用價值優勢。

9 經濟效益測算

9.1 高鈦輕質保溫材料的生產成本

詳見表9-1。

表9-1：高鈦輕質保溫材料生產成本，單位：元/噸

9.2 2021年生產情況

本項目于2021年3月25日建成三條中試生產線并交付使用。因森林防火及安全回頭看等工作安排，4月10日-6月30日、7月20日-10月7日期間未組織生產，10月8日起恢復生產，截至11月25日累計翻罐346罐、產品產量6376t，已經實現了日翻罐達17罐以上、日產能達300t以上的目標，完成了利用液態高鈦型高爐渣生產高鈦輕質保溫材料產品的技術開發和規模化生產工作。

9.3 2021年銷售情況

高鈦輕質保溫材料的銷售價格從最開始的30元/t逐漸提升到40元/t，截至11月25日，累計銷售5774.08t，總收入22.19萬元，總利潤5.16萬元。預計2021年全年可銷售12274.08t，總收入達48.19萬元，總利潤達11.98萬元。

9.4 預估2022年起銷售情況

隨著高鈦輕質保溫材料新產品的推廣應用，市場的逐步打開，預計2022年起，市場銷售量可逐漸提升到6萬t/a以上，銷售價格不低于40元/t，利潤按不低于10.5元/t，則總利潤不低于63萬元/a。

10 存在的問題及建議

10.1 存在的問題

高鈦輕質保溫材料用作墻體保溫系統的的研究工作已經在開展過程中，但尚未完全完成及推廣應用。

10.2 建議

新立科研項目--高鈦輕質保溫材料在墻體保溫系統中的推廣應用，繼續開展高鈦輕質保溫材料在墻體保溫系統中應用的研究工作，同時外委行業權威單位或個人開展推廣應用前專家論證的評審材料撰寫。

通過行業權威單位或個人，竭力爭取得到四川省建科院建筑節能研究所的支持，在攀西地區推廣應用高鈦輕質保溫材料用作墻體保溫系統材料，進一步拓展和提高高鈦輕質保溫材料利用的途徑和價值。

參考文獻

[1]  張志江，高志永.論高爐渣處理爆炸原因及解決措施．2103年煉鐵及原料降本增效實用新技術新設備研討會會議論文集．

[2]  冶金工業部建筑研究院，北京市第三建筑構件廠，北京鋼鐵設計院．膨珠的生產工藝及性能研究．

[3]  北京膨珠及其制品研制組．膨珠混凝土外墻板．1977．