173科学家邮票大版:磷石膏作水泥缓凝剂及其成粒工艺研究

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磷石膏作水泥缓凝剂及其成粒工艺研究
2007-5-17　作者:

作者：彭家惠，张建新，彭志辉，林常青
单位：重庆建筑大学　材料科学与工程系
摘要:研究了不同预处理方式的磷石膏作缓凝剂对水泥性能的影响，结果表明:石灰中和预处理磷石膏可用作硅酸盐水泥、矿渣水泥的缓凝剂，煅烧磷石膏适用于粉煤灰水泥。介绍了以熟石灰、水泥熟料、熟石膏为助剂的成粒工艺。
关键词:磷石膏；缓凝剂；预处理；成粒
Abstract:Effect of the pre-processing method of phosphorous gypsum on the performance of cement was studied.The results indicate that phosphorous gypsum neutralized with lime can be used as retarder for Portland cement and slag Portland cement.The fired phosphorous gypsum is applicable for fly-ash Portland cement.The palletizing process with slaked lime，cement clinker and calcined plaster as additive was also introduced.
Key words:phosphorous gypsum；retarder；pre-processing；palletizing process
中图分类号:TQ172.4+62　文献标识码:A　文章编号:1002-9877(2001)02-0013-03
0　引言
磷石膏中含有磷、氟、有机物等诸多有害杂质，作水泥缓凝剂其性能不如天然石膏，如可溶磷延缓水泥凝结硬化，降低水泥强度，尤其是早期强度[1，2]。因此，磷石膏应进行适当的预处理，以消除或削弱杂质对水泥的有害影响。
为了减少粉尘污染，使磷石膏品质更稳定，磷石膏需造粒，以粒状磷石膏作为商品缓凝剂供应。缺乏经济、实用的造粒技术是制约国内磷石膏缓凝剂推广应用的主要原因。
本文研究磷石膏预处理方式对水泥性能的影响，磷石膏对不同类型水泥的适应性，以及磷石膏成粒工艺，提出了一种集磷石膏预处理与成粒为一体的新型成粒技术。
1　原材料
原材料化学成分见表1。 表1 原材料化学成分 % 原材料
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
H3O＋
可溶P2O5
总P2O5
F－
有机物
磷石膏
3.81
0.62
1.22
31.6
0.20
45.9
16.3
0.86
1.75
0.50
0.12
天然石膏
4.8
1.73
1.35
31.2
1.30
41.1
16.8
－
－
－
－
水泥熟料
20.06
6.58
3.43
65.1
2.11
－
－
－
－
－
－
矿渣
33.6
11.3
2.9
41.8
3.85
－
－
－
－
－
－
粉煤灰
42.8
24.8
21.1
3.30
1.10
1.03
－
－
－
－
－
磷石膏:重庆巴南前进化工厂排放，颜色灰白色，pH值2.5。
天然石膏:重庆璧山石膏公司生产，SO3含量41.1%。
水泥熟料:重庆水泥厂525硅酸盐水泥熟料。
矿渣:重庆钢铁公司水淬矿渣。
粉煤灰:重庆华能珞璜电厂干排二级灰。
2　实验结果与分析
2.1　预处理方式对水泥性能的影响
通过预处理消除有害杂质对水泥的影响是制备磷石膏缓凝剂的必备工艺。测定了水洗、石灰中和、浮选、煅烧磷石膏作缓凝剂的水泥性能，见表2。 表2 不同预处理方式的磷石膏与天然石膏对水泥性能的影响 预处理方式
石膏pH值
标准稠度/%
凝结时间/(h:min)
抗折强度/MPa
抗压强度/MPa
初凝
终凝
3d
28d
3d
28d
未处理
2.5
25.8
3:58
6:42
5.92
8.15
35.7
53.8
水洗
6.2
25.0
2:52
4:16
6.65
9.11
38.8
57.9
石灰中和
6.8
25.3
3:05
4:58
6.57
9.09
38.2
58.7
浮选
3.1
25.2
3:25
4:52
6.33
8.92
35.9
55.1
中和＋煅烧
7.5
25.2
2:45
4:12
6.78
9.36
40.2
59.9
天然石膏
6.5
25.0
2:40
4:15
6.72
9.08
39.8
58.4
注：石膏掺量4%， 磷石膏的煅烧温度为800℃。
不经预处理的磷石膏用作水泥缓凝剂，水泥凝结时间大大延长，强度明显降低，显然是不可取的。
水洗可除去水溶性杂质和有机物，可以替代天然石膏用作水泥缓凝剂。但水洗工艺一次性投入大、能耗较高，污水需进一步处理才能排放。年产10万t以上规模，才能在经济上与天然石膏竞争。
石灰中和预处理使可溶磷、氟转化为惰性难溶盐，从而消除对水泥的不利影响。其性能与采用天然石膏的水泥相当，仅凝结时间略为延长，3d强度稍有降低，28d强度还略有增长。石灰中和预处理是经济、实用且有效的。磷石膏经石灰中和后于800℃煅烧的无水石膏作水泥缓凝剂，克服了磷石膏作缓凝剂时水泥早期强度降低的缺陷，其强度性能优于采用天然石膏的水泥。磷石膏经浮选处理，也有利于改善水泥性能，但其强度尤其是早期强度仍明显低于采用天然石膏的水泥。浮选预处理适用于有机物含量较高的磷石膏，浮选应与消除可溶杂质的预处理配合进行。
2.2　磷石膏对不同类型水泥的适应性
经过预处理的磷石膏与水泥熟料、矿渣、粉煤灰等混磨，制成不同类型水泥，其性能见表3。 表3 磷石膏对不同类型水泥性能的影响 水泥类型
配比/%
磷石膏预
处理方式
标准
稠度/%
凝结时间/(h:min)
抗折强度/MPa
抗压强度/MPa
熟料
矿渣
粉煤灰
磷石膏
天然石膏
初凝
终凝
3d
28d
3d
28d
硅酸盐水泥
96
4
石灰中和
25.3
3:05
4:58
6.57
9.09
38.2
58.7
96
4
25.0
2:40
4:15
6.72
9.08
39.8
58.4
矿渣水泥
60
36
4
石灰中和
25.9
3:31
5:25
5.32
8.21
31.5
50.8
60
36
4
25.9
3:16
5:05
5.67
8.22
32.6
50.2
粉煤灰水泥
60
36
4
石灰中和
26.1
4:10
6:19
4.45
7.36
27.0
44.7
60
36
4
26.0
3:48
5:57
4.81
7.67
29.1
46.6
60
36
4
中和＋煅烧
26.1
3:45
5:37
5.16
7.52
29.8
47.2
从表3看出，对于硅酸盐水泥与矿渣水泥，石灰中和预处理磷石膏与天然石膏作缓凝剂相比，其水泥性能基本相当。掺磷石膏的水泥3d强度略为降低，而28d强度还略高于用天然石膏的水泥。石灰中和预处理磷石膏用于硅酸盐水泥和矿渣水泥是可行的。
石灰中和预处理磷石膏作粉煤灰水泥缓凝剂，与天然石膏相比，凝结时间延长，强度明显降低，3d强度下降约8%，28d强度降低约4%。表明石灰中和预处理磷石膏用作粉煤灰水泥缓凝剂并不可取。将石灰中和磷石膏煅烧成无水石膏，克服了未煅烧磷石膏作缓凝剂粉煤灰水泥凝结时间长、强度降低的缺陷。对于粉煤灰水泥，宜采用煅烧磷石膏作缓凝剂。
2.3　磷石膏成粒工艺
为了适应水泥厂以块状天然石膏作缓凝剂的贮存、运输和计量方式，提高磷石膏质量稳定性，磷石膏需成粒。国外几乎所有磷石膏商品缓凝剂都是以粒状供应。
经过试验和对比分析，选择盘式造粒工艺。试验了不同成粒助剂对磷石膏成粒效果及其对水泥性能的影响，确定以熟石灰、水泥熟料和煅烧磷石膏为成粒助剂。磷石膏成粒工艺如图1所示。

图1　磷石膏成粒工艺流程
通过调节物料含水率和圆盘转速可以得到不同粒径的磷石膏，颗粒的强度则取决于成粒助剂种类和掺量。磷石膏含水率10%，成粒助剂掺量为熟石灰5%、水泥熟料5%、煅烧磷石膏10%。粒状磷石膏粒径为5～20mm，含水率15%～20%。磷石膏成粒后陈化7d即可满足正常运输不破碎的要求。粒状磷石膏作缓凝剂制得的硅酸盐水泥性能见表4。 表4 粒状磷石膏与天然石膏作缓凝剂时水泥的性能 石膏种类
掺量/%
细度/%
标准稠度/%
凝结时间/(h:min)
安定性
抗折强度/MPa
抗压强度/MPa
初凝
终凝
3d
28d
3d
28d
磷石膏
3.5
4.0
25.7
3:15
4:56
合格
6.51
9.05
38.9
58.8
天然石膏
3.5
4.0
25.5
2:52
4:29
合格
6.57
8.92
38.6
57.5
本成粒工艺将磷石膏预处理与成粒统一:熟石灰中和磷石膏中可溶磷、氟，过量部分则作为粘结剂；水泥熟料的水化产物对磷石膏颗粒起固化增强作用，同时这些水化产物又是水泥水化的晶种，有利于水泥早强；煅烧磷石膏则使成球颗粒具有一定的初始强度，使之在输送中不易破碎。与普遍采用的水洗净化、单用熟石膏为助剂的成粒工艺相比，本工艺具有投资省、生产能耗低的特点。经测算，年产5万t粒状磷石膏商品缓凝剂，设备投资约100万元，其生产成本约60元/t。作水泥缓凝剂是磷石膏的初级利用，其附加值较低，经济的运输半径较小。生产线建在缺乏天然石膏和靠近水泥厂的地方。
3　结论
1)石灰中和预处理磷石膏作硅酸盐水泥与矿渣水泥的缓凝剂，其水泥性能与用天然石膏的水泥相当，仅3d强度略为降低，凝结时间稍微延长。煅烧磷石膏作缓凝剂，可加快水泥的凝结硬化，有利于提高水泥早期强度，特别适于作粉煤灰水泥的缓凝剂。
2)以熟石灰、水泥熟料、煅烧磷石膏为成粒助剂的成粒工艺，将磷石膏中和预处理统一到成粒工艺中，该工艺设备投资少，生产能耗低，生产效率高。
参考文献
[1]　王显斌，林春玉，吴兆琦.磷石膏的微量组分及其对水泥凝结、水化和硬化的影响[J].水泥，1993，(5):1-5.
[2]　P K Mehta，J R Brady.Utilization of phosphogypsum in Portland cement industry[J].Cement and Concrete Research，1977，7(5):537-544.