1  概述

1.1  国内高钛型高炉渣处理及利用的行业状况

我国西南攀西地区蕴藏着极其丰富的钒钛磁铁矿，钒钛磁铁矿在高炉冶炼过程中产生大量的TiO₂含量高达15～25%的钒钛磁铁矿冶炼渣，也称高钛型高炉渣，因其中的钛以钙钛矿、富钛辉石和钛辉石等极其稳定的矿物组成存在，导致高钛型高炉渣的化学活性低，所以就无法像其他普通铁矿石冶炼渣一样大量用于水泥生产行业，因此，钒钛磁铁矿冶炼渣是业内公认的“呆渣”。

然而，“呆渣”也有它不可多得的优势，周旭、王怀斌、孙金坤等分别对高钛型高炉渣在混凝土中的应用做了大量研究，结果表明，高钛型高炉渣结构稳定，用其作混凝土粗骨料与普通碎石配制的混凝土相比，抗压强度及劈拉强度更高；高钛型高炉渣掺入混凝土中，有利于混凝土形成细观自紧密堆积体系，加速水泥水化速率，发生较弱的“二次反应”，促进混凝土强度的发展。

经国家建材测试中心和中国科学院原子能所用丫谱仪进行测试,测定结果表明,攀钢高钛型高炉渣的放射性剂量远低于标准的要求,无放射性危害,可以在建材工业中安全使用。

长期以来，高钛型高炉渣的处理方式主要是将高温液态渣采用热泼打水缓冷方式形成一种具有一定强度的石质材料--高钛重矿渣，通过机械设备的破碎、除铁、分级等工序对其进一步加工成渣砂、碎石建筑骨料，其渣处理时间长、生产工序繁杂、占地面积大、能耗高、产品价格低廉。高钛型高炉渣产品单一，价值并未完全开发利用，导致瑞海公司、环业公司这些处理高钛型高炉渣的企业，始终处于高成本低利润的生产经营状况。

1.2  绿色建筑和建筑节能的相关政策解读

在国家碳达峰、碳中和政策的大背景下，在民用建筑方面提出加大发展绿色建筑和建筑节能的方针，采用建筑结构保温一体化系统、低碳型建筑节能保温隔热材料的保温技术将是重要方向。

四川省已经提出全面执行居住建筑节能65%设计标准，根据最新《四川省绿色建筑创建行动实施方案》要求，推广应用安全、耐久的节能型建筑材料、设备和工艺，支持攀西地区结合当地的气候、人文、自然资源等特点，因地制宜建立建筑节能体系。《四川省攀西地区民用建筑节能应用技术标准》应运而生，刚刚通过国家强条委审查，其中就提到将大力支持利用当地工业固废资源发展新型绿色建筑，构建外墙自保温系统。这个《技术标准》将攀西地区的居住建筑非透光围护结构热工性能限值作了新的修订，尤其是攀枝花地区直接将外墙传热系数提升到2.2W/m2·K ,使得堆积密度不超过800kg/m3、导热系数不超过0.1W/m·K的高钛型高炉渣轻质化系列产品，取代挤塑板材类保温隔热材料，应用到攀西地区的居住建筑保温系统成为一种可能。

1.3  瑞海公司高钛型高炉渣处理及利用新研究方向

瑞海公司在2016年新建了一条利用高温液态高钛型高炉渣生产膨珠的试验线，通过该试验线探索出高钛型高炉渣渣处理新工艺、渣产品新应用途径，即高温液态渣能够快速冷却形成膨珠产品，产品理论上可以应用到轻骨料混凝土、轻质混凝土制品（如空心砖、轻质隔墙板），以及民用建筑的屋顶、卫生间、地下室的保温填充材料。然而，该试验线较为简陋，尤其是试验线的接渣槽在受渣流渣过程中，会不断的粘渣硬化堵塞流渣通道，被迫停机，待槽内硬化的重矿渣冷却后，工人爬上接渣槽进行人工破碎清除后才能恢复生产。试验线产能低、工人劳动强度大、危险系数高，只能少批量进行试生产，无法实现规模化生产，需要进一步对设备设施进行系统性研究。

经过几年的技术积累和产品目标市场重新定位，2020年瑞海公司立科研项目--高钛轻质保温材料的制备技术开发，旨在研究利用高温液态高钛型高炉渣生产出一种类似于膨胀玻化微珠的产品--高钛轻质保温材料，并且能够实现稳定规模化生产的条件，努力争取将高钛轻质保温材料开发成建筑保温材料产品。无疑，若能开发并得到推广应用，则高钛轻质保温材料会得到政策倾向，高钛型高炉渣的利用途径和经济价值也会得到很大的提升。

2  本项目的研究内容与目标

精准对接市场需求，以液态高钛型高炉渣为原料，通过对原膨珠试验线进行设备升级改造、工艺参数调整、建设三条中试线等工作，实现建筑填充用轻质保温颗粒的稳定规模化生产，同时探索其应用于混凝土掺合料的可行性，最终实现高钛型高炉渣多用途、高价值利用。

3   原膨珠试验线设备设施升级改造

3.1  改造前生产状况

改造前每天最多翻2罐液态高炉渣，就出现接渣槽粘渣板结严重（见图3-1：膨珠试验线改造前生产状况），堵塞通道，无法继续翻渣生产，被迫停机，只能等到第二天接渣槽内的重矿渣冷却后，工人爬上接渣槽进行人工破碎清除后才能恢复生产。在破碎清除过程中，重矿渣不可避免的混入膨珠产品内，影响品质。按照产品平均产量16t/罐计算，日产能仅为32t。

由于接渣槽为上大下小的斜坡，下口过窄容易卡料，多数破碎下来的大块渣还需要人工捡拾处理，并且因为斜坡的原因，工人在破碎清渣过程中无法有效站位，危险系数也高。由于接渣槽内与高温液态渣接触的是耐火材料，与高炉渣粘结极其严重，每一次清渣过程都不小于4h，生产效率极为低下。

经检测，膨珠的堆积密度过高（要求不超过800kg/m³），达到了950kg/m³～1150kg/m³，无法用于生产轻质隔墙板和空心砖。

图3-1 膨珠试验线改造前生产状况

3.2 首次改造及改造后生产状况

2017年，对生产装置水路进行了改造，通过增加了增压泵、水表、水压表、喷淋管等设备设施，稳定了水压，控制了水流量；通过将原接渣槽下半截破除缩短500mm，增长水冲渣流程600mm，进一步增加了渣水混合膨胀的时间；通过在接渣槽内底部加铺50mm厚钢板，降低了清渣的难度。

 

图3-2：首次改造后生产状况

通过此次改造，生产节奏明显加快，但依然每天最多翻2罐液态高炉渣（见图3-2：首次改造后生产状况），每一次清渣过程缩短至2h左右。按照产品平均合格量16t/罐计算，日产能也仅为32t。

经检测，此时产品的堆积密度在600kg/m³～900kg/m³之间波动，基本达到使用单位轻质化的要求。然而，轻质化后的膨珠几乎无强度，甚至不能使用现有设备测量出其筒压强度，达不到轻质墙材骨料的使用要求。

2017年5月-7月，累积销售轻质化后的膨珠产品共计1500余t，经了解该客户主要作屋顶保温垫层，而且效果比新钢业水渣好用。自此，过轻质化的膨珠产品开始在保温垫层市场推广使用。

3.3本次改造及改造后生产状况

根据《论高炉渣处理爆炸原因及解决措施》^[1]表述：高炉渣遇水爆炸的重要原因有渣中铁含量过高、大量高温渣与水混合、放渣过程集中形成高温熔渣池渣水混合物所处空间受限热量得不到释放等原因。所以，采用膨珠法处理高炉渣过程中只要冲渣槽倾斜度合适不积渣、冲渣水流合适不积渣，是不会发生爆炸现象的。

 

图3-3：膨珠生产工艺流程图

将膨珠生产工艺流程^[2、3]（见图3-3：膨珠生产工艺流程图）由接渣槽受渣、流渣槽水冲渣的两段式流渣工艺，改为受渣水冲渣一段式流渣工艺。主要进行了如下改造：拆除受渣槽内变形严重的30mm厚钢板，在受渣槽内重新铺设12mm厚钢板，并使受渣面倾角由30°增加到38°，在受渣槽上方设置1排最大流量达到60t/h的高压水管。由于高压水流的作用，生产过程中受渣槽不再粘渣（见图3-4：改造后生产实景），产品也进一步轻质化，每天至少可以翻5罐，接渣槽再也没有出现板结料的情况，实现了连续生产的基本条件，完成1罐翻渣生产的时间不超过0.5h，产品平均合格量可达18t/罐，日产能达到90t，生产效率大大提高，产能成倍提升。

图3-4：改造后生产实景

3.4本次改造后生产统计及参数确定

经过10多次试生产，通过调整滚筒电机频率、各水管出水流速等方式收集多个数据（见表3-1：设置参数、表3-2：产品检测情况）进行分析。具体参数确定为：平均翻罐时间为32min、平均水流量为50m³/h左右、电机频率36.8Hz（即滚筒旋转叶片顶点的线速度约为24m/s左右）、平均水压0.63MPa、渣温为1000℃～1100℃。

表3-1：设置参数

表3-2 ：产品检测情况

图3-5：膨珠样品                      图3-6：膨化渣样品

4 高钛轻质保温材料中试生产线设计方案

经过对原膨珠试验线的升级改造，及改造后生产效能的大大提升，验证了接渣水冲渣一段式流渣处理液态液态高炉渣的工艺是可行的。瑞海工程技术研究中心自主研发设计了三条中试生产线，并选址在瑞海产业园2#渣坑内原膨珠试验线位置处，计划将原膨珠试验线整体拆除，新建三条高钛轻质保温材料中试生产线，设计产能：日翻罐不低于17罐，日产高钛轻质保温材料不低于300t，年产能可达6-9万t。计划先建设一条生产线，通过试生产，消除设计缺陷后，再建另外两条生产线。

图4-1：高钛轻质保温材料中试线及高速离心抛冷系统三维设计图

如图4-1，高钛轻质保温材料中试生产线的设计方案主要亮点在于：

4.1 主体结构

主体结构（3）采用C30混凝土筏板基础、C30混凝土挡墙结构浇筑成型，而不是采用钢结构基础，防止现场高温高湿环境对基础结构的锈蚀。

4.2高速离心抛冷设备

高速离心抛冷设备（2）的钢板零部件采用激光切割下料、叶片的背面开槽折弯后焊接成型、实心轴调质热处理加工、采用调心轴承，使设备能长时间承受高温渣的撞击，大大提高设备的使用寿命。

4.3动力源设备

动力源设备采用模块化组合齿轮减速机，并且与高速离心抛冷设备通过弹性柱销联轴器（22）连接，能够承受高温环境的热辐射。

4.4高空布置设备设施

高速离心抛冷设备和模块化组合齿轮减速机下方有一定空间高度（31，37），便于生产过程中散热、不易积渣，以及生产后冲洗设备实施。

4.5水冷箱体式结构接渣槽

接渣槽包括侧挡板在内均采用水冷箱体式结构（1），其特点在于接渣槽箱体底端设置有入口管、上端设置有出口细孔喷淋管。生产过程中有高压冷却水从入口管不断涌入，并将受渣钢板的热量带走，从细孔喷淋管排出与高温液态渣混合，或汽化成水蒸气或随渣流向高速离心抛冷设备，使接渣槽的受渣板（1）、侧挡板（11）在生产过程中不会因局部受热变形。

4.6接渣槽长度及倾角

接渣槽受渣板的斜长达到3.5m，倾角达到38°~45°，使高温液态渣在接渣槽内与水充分混合，而混合不充分、膨胀时间不够，就会产生渣棉。

4.7高速离心抛冷设备的旋转速度

高速离心抛冷设备的旋转速度设定为320r/min左右，旋转叶片顶点的线速度恒定在25m/s左右，过小则熔渣大量落入滚筒前粘结在一起，过大则渣珠击得过小、产生风量过大把高炉渣吹成渣棉。

4.8高速离心抛冷设备与接渣槽下檐口的间距

高速离心抛冷设备与接渣槽下檐口的间距保持300mm，距离过近，挤出强大风力，会把高炉渣吹成渣棉。

4.9自动化系统控制

中试线的翻渣生产采用自动化控制系统和手动干预控制相结合的方式操作，并设置最大翻罐角度，自动状态下能够精确控制渣流量，手动干预控制下能应急处理突发情况，既保证了生产安全，又保证了产品质量。

4.10蓄水池及喷淋打水系统

蓄水池采用上下水位自动启停控制，喷淋打水采用变频调速可调节水流量大小控制。

4.11喷淋管

喷淋管道采用可旋转调整喷淋孔角度，能够精准对高温液态渣冲渣冷却、膨胀。

5 中试线运行试验结果及技改优化

5.1 第一条中试验技改优化

第一条中试线完成设备实施安装，并进行了11罐翻渣试生产。从试生产的情况来看，该生产线能够满足连续生产且不出现冲渣槽粘渣的条件；高速离心抛冷设备减速机电机的电流电压比较稳定，即使偶尔有大块状冲击也不会有太大的波动，且未出现超负荷运行的情况；管道水泵的流量稳定在63～68m³/h、水压稳定在0.4MPa；产品的抛射轨迹主要集中在距离滚筒的水平距离10～20m的区域范围内，能够满足不少于8罐的生产堆存量。综上，该中试线的总体设计工艺是能够满足现场生产需要的，然而现场也暴露出部分需要进一步优化技改的不足之处：

  

图5-1：受渣面钢板受热脱焊       图5-2：叶片夹角用钢板二次折弯填补

 接渣槽的受渣面钢板采用焊接拼接方式加工，钢板拼接处多次出现脱焊开裂现象（见图5-1：受渣面钢板受热脱焊），需更换为宽达到3.5m的整块钢板。

高速离心抛冷设备叶板夹角较深，高速运转中容易夹带高炉渣并抛甩至设备侧后方，需用钢板折弯二次填补（见图5-2：叶片夹角用钢板二次折弯填补）。

5.2 三条中试线运行试验结果

在第一条中试线优化改造基础上，三条中试线全部建成投产后进行了近10天的试生产，日翻渣达12罐，产能达到200t/d。因森林防火及安全回头看工作安排，中试线基本未安排生产，10月份开始，恢复生产（见图5-3：中试线生产实景，5-4：中控操作画面），日翻渣提升到18罐，按照18t/罐计算，产能超过300t/d。

高速离心抛冷系统工艺的应用，使渣处理时间由全周期12h以上缩短至2h以内，吨渣电耗从2度降低到1度以下，产品节省了厂内倒运成本，直接从坑内装车发货。

图5-3：中试线生产实景

图5-4：中控操作画面

6 高钛轻质保温材料产品的检测结果

将样品分别送至攀研院、四川省材科院进行化学成分检测、物理性能检测和导热系数检测。

从化学成份报告中可看出，高钛轻质保温材料里面的金属铁含量小于0.5%，说明通过该工艺处理的高炉渣不会导致铁资源流失，因为铁的比重比渣大，高炉渣渣罐在从炼铁厂运输至渣场，最后上线生产前，含铁物料基本上已经沉底，而翻渣生产轻质保温材料过程中，底部10%以下的高温液态渣都是需要返回主渣坑翻渣，因此高钛轻质保温材料里面的金属铁含量极低。

对比高钛重矿渣碎石、渣砂的化学成份（见表6-1：高钛型高炉渣化学组成），发现：两者成份几乎一致，即说明通过该工艺处理的高炉渣不会对化学成份造成改变。

表6-1：高钛型高炉渣化学组成（wt%）

从物理性能报告可以看出，高钛轻质保温材料的放射性、氯化物含量、硫化物和硫酸盐含量完全符合要求。高钛轻质保温材料的堆积密度不超过800kg，筒压强度仅有0.3MPa，不符合轻粗骨料的指标要求（要求筒压强度不低于1MPa），因此很难在轻骨料混凝土上得到推广应用。但是如果把它破碎至5mm以下粒度，没有筒压强度的指标要求，成了轻细集料，就可以应用到轻质砂浆中。

从导热系数报告可以看出，高钛轻质保温材料的导热系数只有0.094W/（m·K），接近《膨胀玻化微珠》（JC/T1042-2007）(见图7-1：膨胀玻化微珠物理性能指标）关于III类膨胀玻化微珠所要求的≤0.070W/（m·K）。

 

图6-1：膨胀玻化微珠物理性能指标

7 高钛轻质保温材料的推广应用

7.1民用建筑保温填充垫层材料的应用研究

 

图7-1：某建筑工地用于屋顶保温垫层

如图7-1，西昌市海南缸窑城中村棚户区改造项目利用高钛轻质保温材料做了屋顶、卫生间的保温填充垫层材料，其中屋顶保温的铺设厚度30mm~200mm，卫生间填充料的填充厚度约300mm，该项目累计用量258.04t。

7.2 高钛轻质保温材料应用研究

利用环业公司的环辊磨试验线进行了轻质保温材料环辊磨微粉试验（见图7-2：高钛轻质保温材料环辊磨粉试验），对比其与高钛重矿渣碎石的台时产能、耗电情况（见表7-1：高钛型高炉渣产品环辊磨磨粉试验数据统计）。将微粉产品送至西南科大进行了活性指数试验，结果显示：高钛轻质保温材料微粉的活性指数相比高钛型高炉渣碎石微粉的活性指数提高甚少（见表7-2：高钛型高炉渣50%掺和比活性指数，7-3：高钛型高炉渣30%掺和比活性指数）。

 

图7-2：高钛轻质保温材料环辊磨粉试验

表7-1：高钛型高炉渣产品环辊磨磨粉试验数据统计

表7-2：高钛型高炉渣50%掺和比活性指数

表7-3：高钛型高炉渣30%掺和比活性指数

利用世宏建材公司的球磨生产线进行了轻质保温材料球磨微粉试验，试验结果同上。

利用高钛轻质保温材料微粉在混凝土掺合料上的应用试验，效果也差（见表7-4：试块抗压强度试验）。

表7-4：试块抗压强度试验

考虑到运输成本更高、生产过程控制难度更大，因此高钛轻质保温材料相比高钛重矿渣碎石，在微粉市场没有什么应用价值优势。

7.3 探索在民用建筑墙面保温系统的应用

高钛轻质保温材料的筒压强度只有0.3MPa，达不到轻粗集料的要求，因此很难在轻骨料混凝土上得到推广应用，但是如果把它破碎到5mm以下粒度，没有筒压强度的指标要求，成了轻细集料，就可以应用到轻质砂浆中。

图7-3：高钛轻质保温材料轻质砂浆应用试验

经过超110组试验配比的实验室研究和市场验证（见表7-5：高钛轻质保温材料轻质砂浆应用试验），在攀西地区将轻质保温材料推向有较大潜力的内外墙保温市场技术完全可行。砂浆试块检测结果显示：干密度1136kg/m³，抗压强度达到10.2MPa、导热系数只有0.272W/（m·K），满足《轻质砂浆》（JG/T 521-2017）（见图8-4：轻质砂浆性能技术要求）的相关指标要求。下一步，在保证抗压强度不低于5MPa的条件下，争取轻质砂浆的导热系数降低到0.2W/（m·K）以下，如果能做到，那么立足于攀西地区的温和气候条件研发这个新产品就很有意义。

高钛轻质保温材料轻质砂浆一旦推广使用，可以将墙面抹面砂浆、保温系统合二为一进行施工，具有节能、环保、施工便利、强度高、不脱落、不燃烧的优点。

表7-5 轻质砂浆性能

8 主要结论

通过本项目的研究，可以得出以下主要结论：

1、以液态高钛型高炉渣为原料，采用高速离心抛冷系统工艺可以生产出高钛轻质保温材料产品，产品的堆积密度不超过800kg/m3，导热系数不超过0.1W/（m·K），符合用户使用要求；

2、新建的三条中试线具备实现日翻罐达17罐以上、日产能达300t以上的规模化生产条件；

3、相关产品在西昌及周边县市的民用建筑的屋顶、卫生间、地下室保温填充垫层领域得到推广应用；

4、高钛轻质保温材料的易磨性比高钛重矿渣碎石的好一些，但是高钛轻质保温材料微粉的活性系数相比高钛重矿渣微粉提高甚少，考虑到运输成本更高、生产过程控制难度更大，因此高钛轻质保温材料相比高钛重矿渣碎石，在微粉市场没有什么应用价值优势。

9 经济效益测算

9.1 高钛轻质保温材料的生产成本

详见表9-1。

表9-1：高钛轻质保温材料生产成本，单位：元/吨

9.2 2021年生产情况

本项目于2021年3月25日建成三条中试生产线并交付使用。因森林防火及安全回头看等工作安排，4月10日-6月30日、7月20日-10月7日期间未组织生产，10月8日起恢复生产，截至11月25日累计翻罐346罐、产品产量6376t，已经实现了日翻罐达17罐以上、日产能达300t以上的目标，完成了利用液态高钛型高炉渣生产高钛轻质保温材料产品的技术开发和规模化生产工作。

9.3 2021年销售情况

高钛轻质保温材料的销售价格从最开始的30元/t逐渐提升到40元/t，截至11月25日，累计销售5774.08t，总收入22.19万元，总利润5.16万元。预计2021年全年可销售12274.08t，总收入达48.19万元，总利润达11.98万元。

9.4 预估2022年起销售情况

随着高钛轻质保温材料新产品的推广应用，市场的逐步打开，预计2022年起，市场销售量可逐渐提升到6万t/a以上，销售价格不低于40元/t，利润按不低于10.5元/t，则总利润不低于63万元/a。

10 存在的问题及建议

10.1 存在的问题

高钛轻质保温材料用作墙体保温系统的的研究工作已经在开展过程中，但尚未完全完成及推广应用。

10.2 建议

新立科研项目--高钛轻质保温材料在墙体保温系统中的推广应用，继续开展高钛轻质保温材料在墙体保温系统中应用的研究工作，同时外委行业权威单位或个人开展推广应用前专家论证的评审材料撰写。

通过行业权威单位或个人，竭力争取得到四川省建科院建筑节能研究所的支持，在攀西地区推广应用高钛轻质保温材料用作墙体保温系统材料，进一步拓展和提高高钛轻质保温材料利用的途径和价值。

参考文献

[1]  张志江，高志永.论高炉渣处理爆炸原因及解决措施．2103年炼铁及原料降本增效实用新技术新设备研讨会会议论文集．

[2]  冶金工业部建筑研究院，北京市第三建筑构件厂，北京钢铁设计院．膨珠的生产工艺及性能研究．

[3]  北京膨珠及其制品研制组．膨珠混凝土外墙板．1977．