CN113704983B - 一种基于钒钛矿渣成分特性的矿粉生产自动配料方法及应用 - Google Patents
一种基于钒钛矿渣成分特性的矿粉生产自动配料方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种基于钒钛矿渣成分特性的矿粉生产自动配料方法及应用。本发明提供的基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的配料方法，是以钒钛矿渣粉的可用CaO含量为指标，建立钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系。本发明所述的配料方法可以便捷、有效的预判不同来源及成分的钒钛矿渣粉的品质性能，通过快速选取合适的钒钛矿渣掺入量即可配料生产出满足不同性能等级需求的矿粉，省去了传统方法得到某种钒钛矿渣后进行多次试验的工作量及28d力学性能检测的等待时间，显著节约了用钒钛矿渣配料生产矿粉过程中的人员和物力消耗，提高矿粉生产的时效性。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种基于钒钛矿渣成分特性的矿粉生产自动配料方法及应用。
背景技术
钒钛矿渣是指，以钒钛磁铁矿为主要原料，在高炉炼铁时产生的废渣。通常，每生产1吨铁产出约0.3-0.6吨的废渣，且铁矿石品味越低，排渣量就越大。
与普通矿渣相比，钒钛矿渣中TiO2含量较高，即使采用淬冷的方法，仍然会生成大量的无水硬活性的钙钛矿，致使钒钛矿渣玻璃体聚合度较高、水化活性较低、易磨性较差。钒钛矿渣水化活性较低的特殊性质成为其无法规模化利用的制约条件，导致钒钛矿渣的大量堆存，不仅占用了大量土地，而且造成资源浪费和环境污染，给生产企业增加了占地和环境治理的成本。同时，随着矿渣粉和粉煤灰等优质活性矿物掺和料资源的消耗和减少，需要开发其它潜在可利用的替代性胶凝材料。因此，在这样的背景下，有必要提高对钒钛矿渣的建材资源化开发利用。
现有研究发现，钒钛矿渣经磨细后粉末具有一定的胶凝活性，可用作水泥混合材或者混凝土掺和料。但由于其自身TiO2含量较高、活性较低，难以达到S75级矿粉的活性要求，单独作为活性掺和料使用效果不佳，因而目前普遍采用的解决方式为将其与普通矿渣复配，用来制备不同活性等级的矿粉，从而作为水泥混合材或者混凝土掺和料实现再利用。
但在实际生产中，将钒钛矿渣替代普通矿渣制备混凝土用不同等级的矿粉时，需要进行多组替代量、且至少长达28天的胶砂活性试验，根据试验之后获得的活性指数结果进一步判断该钒钛矿渣是否可用于配制矿粉、是否能达到所需矿粉活性等级以及其适宜的替代量，该过程通常需要大量的试验工作、且耗费时间长。
因此，急需开发一种适合于工业化应用、且快速准确实现钒钛矿渣生产矿粉的配料方法，这对于促进钒钛矿渣的高效建材资源化利用具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于钒钛矿渣成分特性的矿粉生产自动配料方法。该方法可以快速、精确的将不同种类的钒钛矿渣粉配制为所需活性等级的矿粉。且方法更加简便，适合工业化应用，对于促进钒钛矿渣的高效建材资源化利用具有重要意义。
第一方面，本发明提供的基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的配料方法，是以钒钛矿渣粉的可用CaO含量为指标，建立钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系。
本发明首次提出将“可用CaO含量”这一概念应用于钒钛矿渣粉生产矿粉工艺的配料方法中，并利用该指标建立了钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系；该定量关系能够较为准确地反映出各因素与矿粉活性指数之间的作用关系，从而为钒钛矿渣粉生产矿粉的配料比例提供实际指导意义。
同时，通过本发明方法可以有效利用钒钛矿渣粉，解决其综合利用率低和堆存造成的环境污染问题，降低了建材生产成本，具有显著的经济、环境和社会效益。
进一步地，本发明通过对钒钛矿渣粉的水化活性降低机理的研究发现，钒钛矿渣粉中约有76％的钛是以四价的Ti4+存在，24％的钛是以三价的Ti3+存在，这两种价态的钛在钛氧原子组成的四方金字塔几何结构中均是以五配位的形式存在。
通过对钒钛矿渣中钛周围的局部环境结构研究发现，以Ti4+为例，五配位的Ti4+在一个四方形底的金字塔几何体结构中，Ti4+的最近邻为O原子，Ti与一个氧原子形成非桥氧的Ti＝O键，而与其他四个氧原子形成Ti–O桥氧键。在Ti4+的次近邻区域，五配位Ti通过Ti-O-Si键与硅酸盐骨架连接，而较短的Ti＝O键的非桥氧需要Ca2+离子的局部电荷补偿。
五配位的Ti通常在其玻璃体结构中是作为硅酸盐网络结构稳定剂存在的，具有提高玻璃体聚合度的作用。在玻璃体网络结构中，不论Ti4+或者Ti3+都需要Ca2+离子来补偿钛的价键，起到平衡电荷的作用，因此Ti离子通过电荷补偿作用降低了玻璃体结构中Ca2+离子的可用性，致使玻璃体结构中可以发挥活性的作为网络改性剂的Ca2+离子含量降低，因此五配位Ti的存在降低了钒钛矿渣整体的溶解性，从而降低了其水化活性。
基于上述原理，本发明确定可用CaO含量为钒钛矿渣玻璃体结构中剩余可以用做网络改性剂提供活性的CaO含量，即钒钛矿渣中总CaO的含量减去平衡五配位Ti电荷所需钙离子对应的CaO的含量。
通过进一步分析计算，本发明确定所述可用CaO含量的计算公式为：
可用CaO含量＝钒钛矿渣粉中总CaO含量-1.12×钒钛矿渣粉中总TiO2含量。
进一步地，本发明在确定了可用CaO含量的基础上，建立了钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系，具体如下：
A7＝-18.620+0.649×aCaO-0.262×P+0.185×S；
A28＝-57.703+1.012×aCaO-0.399×P+0.344×S；
其中：
aCaO表示钒钛矿渣粉的可用CaO含量；
P表示钒钛矿渣粉替代普通矿渣粉的替代量，以质量百分比计；
S表示钒钛矿渣粉的比表面积；
A7表示矿粉的7天活性指数；
A28表示矿粉的28天活性指数。
在上述定量关系的建立基础上，本发明进一步研究了上述定量关系中各指标的适用范围。
研究结果表明，本发明所述的定量关系中，所述钒钛矿渣粉中总TiO2含量不超过质量百分比20％即可满足自动配料需求。
此外，所述钒钛矿渣粉的比表面积至少400m2/kg以上，以满足自动配料需求及矿粉活性等级需求；同时研究表明，随着比表面积越大，所得矿粉的活性等级越高，但也导致原料粉磨能耗和成本提高，因此综合考虑实际生产需求，本发明限定所述钒钛矿渣粉的比表面积在400-500m2/kg之间更适宜。
此外，本发明所述矿渣粉应满足S95级矿粉的活性技术要求，以满足自动配料需求。
第二方面，本发明还提供上述配料方法的进一步应用。
应用一，本发明可利用上述配料方法实现钒钛矿渣粉的活性等级的预判目的。
具体来讲，利用上述配料方法中钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系，当替代量为100％时，计算得到的对应活性等级为钒钛矿渣粉的活性等级，从而可以便捷、有效的预判不同来源及成分的钒钛矿渣粉的品质性能。
应用二，本发明可利用上述配料方法实现基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的钒钛矿渣粉替代量的判断目的。
具体来讲，利用上述配料方法中钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系，计算预设目标活性等级对应的替代量，并以其中较小数值作为钒钛矿渣粉的合适替代量，从而可快速选取合适的钒钛矿渣掺入量生产出满足不同性能等级需求的矿粉。
需要说明的是，在配制具体矿粉时，须同时满足A7和A28两个活性指数，因此以根据定量关系得到的两个数值中较小值作为替代量，方可使所配矿粉满足预设的要求。
应用三，本发明可利用上述配料方法实现对基于钒钛矿渣粉生产的矿粉的活性等级的预判目的。
具体来讲，利用上述配料方法中钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系，可计算预设替代量对应所得产物矿粉的活性等级。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的配料方法可以便捷、有效的预判不同来源及成分的钒钛矿渣粉的品质性能，通过快速选取合适的钒钛矿渣粉掺入量即可配料生产出满足不同性能等级需求的矿粉，省去了传统方法得到某种钒钛矿渣后进行多次试验的工作量及28d力学性能检测的等待时间，显著节约了用钒钛矿渣配料生产矿粉过程中的人员和物力消耗，提高矿粉生产的时效性，解决了优质原材料供应短缺的问题，为钒钛矿渣生产矿粉规模化应用于混凝土中提供了科学指导方法，适用性广泛。
本发明利用建立的定量关系，通过调节钒钛矿渣替代普通矿渣的替代量，可以预判所制备矿粉的活性等级；同时还可以通过设计所需活性等级的矿粉，计算获得实际钒钛矿渣配料生产不同等级矿粉时适宜的替代量。
本发明通过实际生产应用证明了上述配料方法的有效性，可以便捷、高效的预判不同来源及成分钒钛矿渣的品质性能，实现钒钛矿渣粉制备不同性能等级矿粉的快速精确配料，具有实际应用价值，适用范围广，有效提高钒钛矿渣在建材中的资源化利用率。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明以下实施例中，所用到普通矿渣粉和钒钛矿渣粉的化学组成和基本物性指标如表1所示。
表1
在以下实施例中，如无特殊说明，所有的比例均为质量百分比。
实施例1
本实施例提供一种利用钒钛矿渣粉A不同量替代普通矿渣制备矿粉的方法，具体如下：
(1)根据表1中化学成分数据计算可用CaO含量：
可用CaO含量＝原渣中总CaO含量-1.12×原渣中总TiO2含量＝26.83％
(2)按钒钛矿渣粉A替代普通矿渣粉的替代量分别为20％、50％和80％，根据表1中钒钛矿渣粉A的比表面积、可用CaO含量，依照建立的关系模型分别计算其可以达到的7天活性指数(A7)和28天活性指数(A28)，预判所制备矿粉的活性等级。
当钒钛矿渣粉A替代量20％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝71％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝106％
当钒钛矿渣粉A替代量50％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝64％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝94％
当钒钛矿渣粉A替代量80％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝56％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝82％
实施例2
本实施例提供一种利用钒钛矿渣粉B不同量替代普通矿渣制备矿粉的方法，具体如下：
(1)根据表1中化学成分数据计算可用CaO含量：
可用CaO含量＝原渣中总CaO含量-1.12×原渣中总TiO2含量＝28.61％
(2)按钒钛矿渣粉B替代普通矿渣粉的替代量分别为20％、40％和60％，根据表1中钒钛矿渣粉B的比表面积、可用CaO含量，依照建立的关系模型分别计算其可以达到的7天活性指数(A7)和28天活性指数(A28)，预判所制备矿粉的活性等级。
当钒钛矿渣粉B替代量20％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝70％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝103％
当钒钛矿渣粉B替代量40％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝65％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝95％
当钒钛矿渣粉B替代量60％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝60％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝87％
实施例3
本实施例提供一种利用钒钛矿渣粉C不同量替代普通矿渣制备矿粉的方法，具体如下：
(1)根据表1中化学成分数据计算可用CaO含量：
可用CaO含量＝原渣中总CaO含量-1.12×原渣中总TiO2含量＝16.74％
(2)按钒钛矿渣粉C替代普通矿渣粉的替代量分别为20％、40％和60％，根据表1中钒钛矿渣粉C的比表面积、可用CaO含量，依照建立的关系模型分别计算其可以达到的7天活性指数(A7)和28天活性指数(A28)，预判所制备矿粉的活性等级。
当钒钛矿渣粉C替代量20％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝62％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝91％
当钒钛矿渣粉C替代量40％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝57％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝83％
当钒钛矿渣粉C替代量60％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝52％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝75％
实施例4
本实施例提供一种利用钒钛矿渣粉A不同量替代普通矿渣制备矿粉的方法，具体如下：
(1)根据表1中化学成分数据计算可用CaO含量：
可用CaO含量＝原渣中总CaO含量-1.12×原渣中总TiO2含量＝27.95％
(2)按钒钛矿渣粉D替代普通矿渣粉的替代量分别为30％、50％和80％，根据表1中钒钛矿渣粉D的比表面积、可用CaO含量，依照建立的关系模型分别计算其可以达到的7天活性指数(A7)和28天活性指数(A28)，预判所制备矿粉的活性等级。
当钒钛矿渣粉D替代量30％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝71％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝107％
当钒钛矿渣粉D替代量50％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝66％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝99％
当钒钛矿渣粉D替代量80％时，
A7＝-18.620+0.649×(aCaO)-0.262×(P)+0.185×(S)＝58％
A28＝-57.703+1.012×(aCaO)-0.399×(P)+0.344×(S)＝87％
验证结果：
对上述实施例1-4所制备的各矿粉进行性能试验。
根据GBT18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中粒化高炉矿渣粉》规定的试验方法对矿粉活性指数进行测试，并将实际测试结果与基于模型关系得到的预测结果进行对比分析，结果如表2所示。
表2
由表2可以看出，实施例1-4中，将本发明基于钒钛矿渣成分特性的矿粉生产自动配料方法用于钒钛矿渣替代普通矿渣配料生产矿粉时，不同钒钛矿渣配制矿粉的试验实测活性指数与A7和A28模型关系预测的活性指数非常接近、误差很小，证明实测活性指数与预测活性指数的矿粉活性等级均一致。
对于实施例1，即钒钛矿渣粉A，在其替代量为20％时可配制出活性等级S95的矿粉；在替代量为50％-80％时，可配制出满足活性等级为S75的矿粉。
对于实施例2，即钒钛矿渣粉B，在其替代量为20％时可配制出活性等级S95的矿粉；在替代量为40％-60％时，可配制出满足活性等级为S75的矿粉。
对于实施例3，即钒钛矿渣粉C，在其替代量为20％-40％时，可配制出活性等级S75的矿粉；当替代量为60％及以上时，使用钒钛矿渣粉C配制的矿粉活性等级低于S75级活性要求。
对于实施例4，即钒钛矿渣粉D，在其替代量为30％时可配制出活性等级S95的矿粉；在替代量为50％-80％时，可配制出满足活性等级为S75的矿粉。
通过上述比较可知，基于本发明方法建立的关系模型，通过实际生产应用，钒钛矿渣以不同量替代普通矿渣可以制备不同活性等级的矿粉，矿粉活性等级的实测结果与模型预测结果均一致，证明了该方法的有效性。
同时，利用该发明所建立的关系模型，通过调节钒钛矿渣替代普通矿渣的替代量为100％时，可以预判一种钒钛矿渣粉自身的活性等级。
而且，通过设计所需矿粉的活性等级及活性指数，可计算获得实际钒钛矿渣配料生产满足相应活性等级矿粉时适宜的替代量。根据预设的活性等级，采用建立的A7和A28模型公式可分别计算得到此种活性等级下两个替代量值，在此种情况下，实际应选用7天活性指数和28天活性指数分别计算出的替代量中结果较小的值作为钒钛矿渣适宜的替代量，以保证实际所制备矿粉的性能等级要求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的配料方法，其特征在于，以钒钛矿渣粉的可用CaO含量为指标，建立钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系；
所述可用CaO含量为：所述钒钛矿渣粉中，去除用于平衡五配位Ti电荷所需的钙离子对应的CaO含量后、剩余用做网络改性剂提供活性的CaO含量；
所述可用CaO含量的计算公式为：
可用CaO含量＝钒钛矿渣粉中总CaO含量-1.12×钒钛矿渣粉中总TiO2含量；
所述定量关系如下：
A7＝-18.620+0.649×aCaO-0.262×P+0.185×S；
A28＝-57.703+1.012×aCaO-0.399×P+0.344×S；
其中：
aCaO表示钒钛矿渣粉的可用CaO含量；
P表示钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量，以质量百分比计；
S表示钒钛矿渣粉的比表面积；
A7表示矿粉的7天活性指数；
A28表示矿粉的28天活性指数。
2.根据权利要求1所述的基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的配料方法，其特征在于，以质量百分比计，所述钒钛矿渣粉中总TiO2含量不超过20％。
3.根据权利要求2所述的基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的配料方法，其特征在于，所述钒钛矿渣粉的比表面积在400m2/kg以上。
4.根据权利要求3所述的基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的配料方法，其特征在于，所述钒钛矿渣粉的比表面积在400-500m2/kg。
5.根据权利要求3所述的基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的配料方法，其特征在于，所述矿渣粉满足S95级矿粉的活性技术要求。
6.一种钒钛矿渣粉的活性等级的预判方法，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述配料方法中钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系，当替代量为100％时，计算得到的对应活性等级为钒钛矿渣粉的活性等级。
7.一种基于钒钛矿渣粉的矿粉生产的钒钛矿渣粉替代量的判断方法，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述配料方法中钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系，计算预设目标活性等级对应的替代量，并以其中较小数值作为钒钛矿渣粉的合适替代量。
8.一种基于钒钛矿渣粉生产的矿粉活性等级的预判方法，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述配料方法中钒钛矿渣粉可用CaO含量、比表面积S、钒钛矿渣粉替代矿渣粉的替代量P与矿粉的活性指数A的定量关系，计算预设替代量对应所得产物矿粉的活性等级。
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