以某鋼渣為主要原料制備全固廢陶瓷試驗(yàn)研究*

陳宏貴 王 瑋 李 彪 裴德健 華紹廣3

（1．中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2．國(guó)家環(huán)境保護(hù)礦山固體廢物處理與處置工程技術(shù)中心）

鋼渣是鋼鐵冶煉過(guò)程中轉(zhuǎn)爐、電爐產(chǎn)生的固體廢棄物，排放量與粗鋼產(chǎn)量之比達(dá)15%～20%。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2021年1月18日公布的數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量達(dá)10.53億t，可推算出鋼渣產(chǎn)量在1.5～2億t。由此可見(jiàn)，鋼渣的量非常大。

鋼渣的主要成分為鈣、鎂、硅、鐵、鋁、錳等的氧化物［1-2］，主要礦相為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鈣鎂橄欖石以及RO（金屬氧化物）相，還有少量游離的金屬鐵、氧化鈣等［1］。目前，鋼渣除了作為二次資源回收鐵，大宗應(yīng)用主要是作為路基工程的充填材料等，這些利用方式附加值低，利用率也低。鋼渣的大量堆存不僅占用土地資源，還會(huì)污染水土［3-4］。因此，合理、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效地利用鋼渣成為了當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)陶瓷屬于K2O（Na2O）-Al2O3-SiO2三元體系。從成分上來(lái)看，鋼渣能夠成為制備陶瓷的原料。郭偉等［5］以鋼渣和滑石為主要原料，硼酸為助熔劑，在1 050～1 150℃下進(jìn)行焙燒，得到以輝石為主晶相的發(fā)泡陶瓷，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為9.46 MPa和13.86 MPa，閉氣孔率16.84%～53.13%；王維等［6］以鋼渣為主原料，添加滑石和高嶺土，經(jīng)過(guò)焙燒成功制備了抗彎強(qiáng)度103.05 MPa的高性能建筑陶瓷地磚；趙立華等［7］發(fā)現(xiàn)，CaO-MgO-SiO2體系鋼渣陶瓷的鋼渣摻量可達(dá)40%，且制備出的鋼渣陶瓷樣品性能良好，抗折強(qiáng)度最大可達(dá)99.84 MPa。這些都為鋼渣制備陶瓷提供了試驗(yàn)依據(jù)，但以鋼渣為主的全固廢制備陶瓷則鮮見(jiàn)研究。基于此，本課題組以鋼渣為主要原料開(kāi)展了全固廢陶瓷的制備研究。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用鋼渣來(lái)自河北某鋼廠。由于鋼渣塑性較差，所以燒制陶瓷時(shí)添加了一些輔料——渣土和煤矸石，渣土來(lái)自鋼廠周邊的磚廠，煤矸石來(lái)自某煤礦。鋼渣、渣土、煤矸石主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

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2 配料方案

配料方案見(jiàn)表2。

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3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

將配好的原料進(jìn)行球磨，漿料過(guò)200目篩，過(guò)篩的漿料烘干后加水造粒，然后用壓樣機(jī)在20 MPa壓力下壓制成50 mm×10 mm×5 mm的陶瓷生坯，110℃下干燥2 h，不同溫度下焙燒產(chǎn)品的性能指標(biāo)見(jiàn)表3，配料方案F1不同焙燒溫度下陶瓷樣品的XRD圖譜見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨著焙燒溫度升高至1 200℃，鋼渣陶瓷的抗折強(qiáng)度升高，吸水率下降，這表明陶瓷隨著焙燒溫度的升高而致密，從而使吸水率降低；隨著鋼渣摻量的增大，陶瓷的抗折強(qiáng)度整體下降，燒結(jié)區(qū)間變窄，這可能與鋼渣中存在CaO有關(guān)，CaO可能導(dǎo)致陶瓷燒結(jié)溫度降低，抗折強(qiáng)度下降。在試驗(yàn)鋼渣摻量情況下，1 200℃燒制的陶瓷抗折強(qiáng)度≥35 MPa，吸水率≤1%，滿足《陶瓷磚》（GB/T 4100—2015）標(biāo)準(zhǔn)要求。

為探究鋼渣陶瓷在焙燒過(guò)程中的機(jī)理，以配料方案F1為例（圖2），可以看出陶瓷燒制過(guò)程經(jīng)歷3個(gè)階段：第一階段（1 120～1 160℃）的陶瓷樣品吸水率較高、抗折強(qiáng)度較低；第二階段（1 180～1 200℃）的陶瓷樣品急劇收縮，抗折強(qiáng)度和吸水率均達(dá)到《陶瓷磚》（GB/T 4100—2015）標(biāo)準(zhǔn)（抗折強(qiáng)度≥35 MPa，吸水率≤1%）；第三階段（＞1 200℃）的陶瓷樣品表現(xiàn)為吸水率上升、抗折強(qiáng)度下降，表明陶瓷樣品已經(jīng)過(guò)燒變形，液相量產(chǎn)生過(guò)多。

由圖2可知，不同焙燒溫度下陶瓷樣品的主要物相為Si O2（石英）、CaMgSi O6（輝石）和Fe2O3（赤鐵礦）。有文獻(xiàn)［8］報(bào)道，添加一定量的鐵有利于提高樣品的致密化程度和強(qiáng)度，鐵含量不超過(guò)20%的情況下具有較明顯的助熔作用，而當(dāng)鐵含量超過(guò)20%情況下又會(huì)起相反的作用。本研究的Fe2O3含量在20%左右，所以能夠利用鋼渣制備出滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷。SiO2的含量隨著溫度的升高而降低，表明SiO2生成了透輝石，起到了陶瓷骨架的作用，因而添加SiO2有利于陶瓷的生成。

4 結(jié) 論

（1）以鋼渣為主原料（摻量為30%～60%），添加鈣質(zhì)和硅質(zhì)固廢，可成功制備鋼渣全固廢陶瓷，其抗折強(qiáng)度最高為58 MPa、吸水率為0.6%，遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）該陶瓷燒結(jié)的適宜溫度區(qū)間為1 180～1 200℃，制備出的陶瓷以輝石為主晶相，次晶相為SiO2和Fe2O3。

（3）鋼渣等固廢制備陶瓷是實(shí)現(xiàn)其高摻量、高附加值綠色利用的重要途徑。