利用鋼渣與陶瓷工業(yè)固廢制備瓷質(zhì)釉面磚的研究

張緹

摘 要：近年來，隨著經(jīng)濟與工業(yè)快速發(fā)展，工業(yè)固廢日益增多，對環(huán)境造成了巨大壓力。本文研究了鋼渣與陶瓷工業(yè)固廢的資源化利用，對鋼渣、陶瓷燒成廢磚破碎瓷粉的性能進行了研究，將其加入到釉面磚配方中，資源化利用生產(chǎn)瓷質(zhì)釉面磚，解決了工業(yè)固體廢棄物的處理難題，提升了工業(yè)固廢的產(chǎn)品附加值，同時也減少了陶瓷生產(chǎn)造成的資源浪費。制得的鋼渣瓷粉拋釉磚相較于普通拋釉磚產(chǎn)品，耐磨度、抗熱震性能更優(yōu)異。除此之外，鋼渣瓷粉拋釉磚固化了鋼渣中的重金屬離子，實現(xiàn)了鋼渣無害化的處理過程。

關(guān)鍵詞：鋼渣;廢磚;破碎瓷粉;瓷質(zhì)釉面磚;循環(huán)利用

1 引 言

隨著社會經(jīng)濟、城市化進程及工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)固廢日益增多，對環(huán)境造成了巨大壓力[1]。全球每年產(chǎn)生的工業(yè)固廢已接近170億噸，預(yù)計到2050年將達到270億噸[2]。

陶瓷工業(yè)固廢主要包括陶瓷生產(chǎn)過程廢粉、廢坯、燒成廢磚及陶瓷磚的后期冷加工廢渣[3-6]，目前因廢渣的不同性質(zhì)而無法大量有效使用。特別是陶瓷燒成廢磚，由于硬度高、破碎困難、球磨難度大，在現(xiàn)有陶瓷生產(chǎn)中無法有效的回收利用。陶瓷燒成廢磚用廢物處理方式作為工程填料等利用方法比較單一，填埋方法已經(jīng)無法滿足持續(xù)增長的需要。對陶瓷生產(chǎn)的廢磚進行破碎，達到所需細度要求，可以替代陶瓷生產(chǎn)中的石粉原料，不僅節(jié)約成本，保護環(huán)境，對陶瓷工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有積極意義[7]。

另一種迫切需要回收利用的工業(yè)固廢是鋼渣。中國是全球鋼鐵生產(chǎn)第一大國，在煉鋼過程中產(chǎn)生了大量鋼渣。據(jù)估計，2017-2018年中國的鋼鐵產(chǎn)量約為9億噸，相應(yīng)的鋼渣產(chǎn)量約為1.2億噸。目前，中國的鋼渣庫存已達到約13億噸，但綜合利用率僅為22%左右[8]。如此大量的鋼渣不僅占用土地資源，并且對環(huán)境產(chǎn)生了諸多不良的影響，例如重金屬離子的滲出，造成地表水、地下水和空氣污染，最終威脅人類健康[9]。

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》[10]中提出，環(huán)境領(lǐng)域優(yōu)先主題之一是"廢棄物資源化利用技術(shù)開發(fā)"。廢物無害化、資源化協(xié)同處理及高附加值利用已成為我國工業(yè)完善循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈的迫切需求，因此，研究鋼渣與陶瓷工業(yè)固廢的資源化利用，可形成多種無害化高附加值資源循環(huán)利用生產(chǎn)新技術(shù)。將大宗工業(yè)固廢在陶瓷行業(yè)加以利用，對促進行業(yè)技術(shù)提升和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，也有重要意義。

本文對鋼渣、陶瓷燒成廢磚破碎瓷粉的性能進行了研究，將其加入到釉面磚配方中，資源化利用生產(chǎn)瓷質(zhì)釉面磚，解決了工業(yè)固體廢棄物的處理難題，提升了工業(yè)固廢的產(chǎn)品附加值，同時也減少了陶瓷生產(chǎn)造成的資源浪費。

2 實 驗

2.1 原料

本試驗所用原料為：鋼渣、陶瓷燒成廢磚破碎瓷粉、球土、黑泥、中溫砂、石粉、高溫砂、長石、石英、三聚磷酸鈉（STPP）、羧甲基纖維素鈉（CMC）等陶瓷用原料。鋼渣及破碎瓷粉的化學(xué)組成見表1。

2.2 儀器設(shè)備

本試驗所使用設(shè)備為佛山歐神諾陶瓷有限公司I&I中心及生產(chǎn)車間所用設(shè)備，包括：SY35型實驗室用油壓機、101-型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱、箱式電爐、小型球磨機、電子天平以及生產(chǎn)窯爐等。

2.3 實驗過程

公司研發(fā)團隊對鋼渣摻入到陶瓷配方中已做了較多研究，發(fā)現(xiàn)鋼渣添加量10%～60%，瓷磚樣品表面效果呈下降趨勢，并且樣品的燒成收縮也逐漸增大，影響樣品的穩(wěn)定性[11]。因此根據(jù)此結(jié)果，本試驗對鋼渣的摻入從10%、15%和20%開始試驗，實驗樣品配方表如表2所示。

（1）10%鋼渣配方（A組樣品）：采用10%鋼渣與不同量的陶瓷原料混合，配方如表2A組所示。

（2）10%鋼渣配方優(yōu)化（B組樣品）：針對A組樣品缺陷情況，將配方中的石英替換成其他相適應(yīng)的原料，進而優(yōu)化配方，具體配方如表2B組所示。

（3）不同比例鋼渣配方（C組樣品）：為驗證不同配比的鋼渣對配方影響，在配方B-3的基礎(chǔ)上調(diào)整鋼渣的不同加入量，其中C-1與B-3為同一配方，具體配方如表2B組所示。

（4）不同比例鋼渣與破碎瓷粉配方（D組樣品）：在不同配比的鋼渣配方中添加10%破碎瓷粉，研究瓷粉對鋼渣配方的影響，具體配方如表2D組所示。

（5）10%鋼渣與破碎瓷粉配方優(yōu)化（E組樣品）：根據(jù)《中國制造2025》提出的要求：到2020年，工業(yè)固體廢物綜合利用率達到73%，主要再生資源回收利用量達到3.5億噸。因此，設(shè)計鋼渣與破碎瓷粉工業(yè)固廢的添加總量為30%的配方，具體配方如表2E組所示。

產(chǎn)品工藝流程圖如圖1所示。按配方稱取原料后，外加0.3 wt.% STPP、0.1 wt.% CMC球磨混合一定的時間（料：球：水=1： 0.6： 2，球磨時間為8 min/100 g）。球磨后的漿料干燥至含水率約7%～8%，用30目篩造粒，15 MPa半干法壓制成型，在100℃烘箱中干燥至恒重。然后樣品送至車間窯爐燒成。

3 結(jié)果與分析

3.1 10%鋼渣配方實驗結(jié)果分析

由圖2可知，10%鋼渣配方（A組樣品）磚形均較好、略有波浪變形、顏色偏深、表面泛著明顯的油光，這是由于配方中的鋼渣Fe含量較高，經(jīng)燒成后發(fā)出較深的顏色，且配方中熔劑類原料含量偏高，導(dǎo)致樣品中玻璃相過多，從而使樣品表面泛著油光。從樣品表面情況看來，A-3表面平整、有較少小氣泡，而其余兩個樣品表面氣泡則多些，這是由于配方中石英的加入，使其在高溫時殘余較多游離的SiO2，導(dǎo)致表面效果不佳，因此下一步對10%鋼渣配方進行了優(yōu)化（B組樣品）。

經(jīng)優(yōu)化后，B組樣品表面平整、無明顯氣泡、無明顯變形;測得的樣品吸水率與抗折強度見表3。由檢測數(shù)據(jù)可知，B-3樣品最佳，有較低吸水率和較高抗折強度，符合拋釉磚相關(guān)標(biāo)準。