以某钢渣为主要原料制备全固废陶瓷试验研究*

2022-01-17陈宏贵裴德健华绍广3

现代矿业 2021年12期

陈宏贵王玮李彪裴德健华绍广3

（1．中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2．国家环境保护矿山固体废物处理与处置工程技术中心）

钢渣是钢铁冶炼过程中转炉、电炉产生的固体废弃物，排放量与粗钢产量之比达15%～20%。国家统计局2021年1月18日公布的数据显示，2020年中国粗钢产量达10.53亿t，可推算出钢渣产量在1.5～2亿t。由此可见，钢渣的量非常大。

钢渣的主要成分为钙、镁、硅、铁、铝、锰等的氧化物［1-2］，主要矿相为硅酸二钙、硅酸三钙、钙镁橄榄石以及RO（金属氧化物）相，还有少量游离的金属铁、氧化钙等［1］。目前，钢渣除了作为二次资源回收铁，大宗应用主要是作为路基工程的充填材料等，这些利用方式附加值低，利用率也低。钢渣的大量堆存不仅占用土地资源，还会污染水土［3-4］。因此，合理、经济、环保、高效地利用钢渣成为了当下亟待解决的问题。

传统陶瓷属于K2O（Na2O）-Al2O3-SiO2三元体系。从成分上来看，钢渣能够成为制备陶瓷的原料。郭伟等［5］以钢渣和滑石为主要原料，硼酸为助熔剂，在1 050～1 150℃下进行焙烧，得到以辉石为主晶相的发泡陶瓷，抗折强度和抗压强度分别为9.46 MPa和13.86 MPa，闭气孔率16.84%～53.13%；王维等［6］以钢渣为主原料，添加滑石和高岭土，经过焙烧成功制备了抗弯强度103.05 MPa的高性能建筑陶瓷地砖；赵立华等［7］发现，CaO-MgO-SiO2体系钢渣陶瓷的钢渣掺量可达40%，且制备出的钢渣陶瓷样品性能良好，抗折强度最大可达99.84 MPa。这些都为钢渣制备陶瓷提供了试验依据，但以钢渣为主的全固废制备陶瓷则鲜见研究。基于此，本课题组以钢渣为主要原料开展了全固废陶瓷的制备研究。

1 试验原料

试验用钢渣来自河北某钢厂。由于钢渣塑性较差，所以烧制陶瓷时添加了一些辅料——渣土和煤矸石，渣土来自钢厂周边的砖厂，煤矸石来自某煤矿。钢渣、渣土、煤矸石主要化学成分分析结果见表1。

2 配料方案

配料方案见表2。

3 试验结果与讨论

将配好的原料进行球磨，浆料过200目筛，过筛的浆料烘干后加水造粒，然后用压样机在20 MPa压力下压制成50 mm×10 mm×5 mm的陶瓷生坯，110℃下干燥2 h，不同温度下焙烧产品的性能指标见表3，配料方案F1不同焙烧温度下陶瓷样品的XRD图谱见图1。

由图1可知，随着焙烧温度升高至1 200℃，钢渣陶瓷的抗折强度升高，吸水率下降，这表明陶瓷随着焙烧温度的升高而致密，从而使吸水率降低；随着钢渣掺量的增大，陶瓷的抗折强度整体下降，烧结区间变窄，这可能与钢渣中存在CaO有关，CaO可能导致陶瓷烧结温度降低，抗折强度下降。在试验钢渣掺量情况下，1 200℃烧制的陶瓷抗折强度≥35 MPa，吸水率≤1%，满足《陶瓷砖》（GB/T 4100—2015）标准要求。

为探究钢渣陶瓷在焙烧过程中的机理，以配料方案F1为例（图2），可以看出陶瓷烧制过程经历3个阶段：第一阶段（1 120～1 160℃）的陶瓷样品吸水率较高、抗折强度较低；第二阶段（1 180～1 200℃）的陶瓷样品急剧收缩，抗折强度和吸水率均达到《陶瓷砖》（GB/T 4100—2015）标准（抗折强度≥35 MPa，吸水率≤1%）；第三阶段（＞1 200℃）的陶瓷样品表现为吸水率上升、抗折强度下降，表明陶瓷样品已经过烧变形，液相量产生过多。

由图2可知，不同焙烧温度下陶瓷样品的主要物相为Si O2（石英）、CaMgSi O6（辉石）和Fe2O3（赤铁矿）。有文献［8］报道，添加一定量的铁有利于提高样品的致密化程度和强度，铁含量不超过20%的情况下具有较明显的助熔作用，而当铁含量超过20%情况下又会起相反的作用。本研究的Fe2O3含量在20%左右，所以能够利用钢渣制备出满足国家标准的陶瓷。SiO2的含量随着温度的升高而降低，表明SiO2生成了透辉石，起到了陶瓷骨架的作用，因而添加SiO2有利于陶瓷的生成。