以某鋼渣為主要原料制備全固廢陶瓷試驗研究*

陳宏貴 王 瑋 李 彪 裴德健 華紹廣3

（1．中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2．國家環境保護礦山固體廢物處理與處置工程技術中心）

鋼渣是鋼鐵冶煉過程中轉爐、電爐產生的固體廢棄物，排放量與粗鋼產量之比達15%～20%。國家統計局2021年1月18日公布的數據顯示，2020年中國粗鋼產量達10.53億t，可推算出鋼渣產量在1.5～2億t。由此可見，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，還會污染水土［3-4］。因此，合理、經濟、環保、高效地利用鋼渣成為了當下亟待解決的問題。

傳統陶瓷屬于K2O（Na2O）-Al2O3-SiO2三元體系。從成分上來看，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℃下進行焙燒，得到以輝石為主晶相的發泡陶瓷，抗折強度和抗壓強度分別為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，經過焙燒成功制備了抗彎強度103.05 MPa的高性能建筑陶瓷地磚；趙立華等［7］發現，CaO-MgO-SiO2體系鋼渣陶瓷的鋼渣摻量可達40%，且制備出的鋼渣陶瓷樣品性能良好，抗折強度最大可達99.84 MPa。這些都為鋼渣制備陶瓷提供了試驗依據，但以鋼渣為主的全固廢制備陶瓷則鮮見研究。基于此，本課題組以鋼渣為主要原料開展了全固廢陶瓷的制備研究。

1 試驗原料

試驗用鋼渣來自河北某鋼廠。由于鋼渣塑性較差，所以燒制陶瓷時添加了一些輔料——渣土和煤矸石，渣土來自鋼廠周邊的磚廠，煤矸石來自某煤礦。鋼渣、渣土、煤矸石主要化學成分分析結果見表1。

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2 配料方案

配料方案見表2。

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3 試驗結果與討論

將配好的原料進行球磨，漿料過200目篩，過篩的漿料烘干后加水造粒，然后用壓樣機在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，不同溫度下焙燒產品的性能指標見表3，配料方案F1不同焙燒溫度下陶瓷樣品的XRD圖譜見圖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，陶瓷的抗折強度整體下降，燒結區間變窄，這可能與鋼渣中存在CaO有關，CaO可能導致陶瓷燒結溫度降低，抗折強度下降。在試驗鋼渣摻量情況下，1 200℃燒制的陶瓷抗折強度≥35 MPa，吸水率≤1%，滿足《陶瓷磚》（GB/T 4100—2015）標準要求。

為探究鋼渣陶瓷在焙燒過程中的機理，以配料方案F1為例（圖2），可以看出陶瓷燒制過程經歷3個階段：第一階段（1 120～1 160℃）的陶瓷樣品吸水率較高、抗折強度較低；第二階段（1 180～1 200℃）的陶瓷樣品急劇收縮，抗折強度和吸水率均達到《陶瓷磚》（GB/T 4100—2015）標準（抗折強度≥35 MPa，吸水率≤1%）；第三階段（＞1 200℃）的陶瓷樣品表現為吸水率上升、抗折強度下降，表明陶瓷樣品已經過燒變形，液相量產生過多。

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［8］報道，添加一定量的鐵有利于提高樣品的致密化程度和強度，鐵含量不超過20%的情況下具有較明顯的助熔作用，而當鐵含量超過20%情況下又會起相反的作用。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家標準的陶瓷。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 論

（1）以鋼渣為主原料（摻量為30%～60%），添加鈣質和硅質固廢，可成功制備鋼渣全固廢陶瓷，其抗折強度最高為58 MPa、吸水率為0.6%，遠優于國家標準。

（2）該陶瓷燒結的適宜溫度區間為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現其高摻量、高附加值綠色利用的重要途徑。