利用钢渣与陶瓷工业固废制备瓷质釉面砖的研究

来源:用户上传      作者:张缇

　　摘 要：近年来，随着经济与工业快速发展，工业固废日益增多，对环境造成了巨大压力。本文研究了钢渣与陶瓷工业固废的资源化利用，对钢渣、陶瓷烧成废砖破碎瓷粉的性能进行了研究，将其加入到釉面砖配方中，资源化利用生产瓷质釉面砖，解决了工业固体废弃物的处理难题，提升了工业固废的产品附加值，同时也减少了陶瓷生产造成的资源浪费。制得的钢渣瓷粉抛釉砖相较于普通抛釉砖产品，耐磨度、抗热震性能更优异。除此之外，钢渣瓷粉抛釉砖固化了钢渣中的重金属离子，实现了钢渣无害化的处理过程。
　　关键词：钢渣;废砖;破碎瓷粉;瓷质釉面砖;循环利用
　　1 引 言
　　随着社会经济、城市化进程及工业的快速发展，工业固废日益增多，对环境造成了巨大压力[1]。全球每年产生的工业固废已接近170亿吨，预计到2050年将达到270亿吨[2]。
　　陶瓷工业固废主要包括陶瓷生产过程废粉、废坯、烧成废砖及陶瓷砖的后期冷加工废渣[3-6]，目前因废渣的不同性质而无法大量有效使用。特别是陶瓷烧成废砖，由于硬度高、破碎困难、球磨难度大，在现有陶瓷生产中无法有效的回收利用。陶瓷烧成废砖用废物处理方式作为工程填料等利用方法比较单一，填埋方法已经无法满足持续增长的需要。对陶瓷生产的废砖进行破碎，达到所需细度要求，可以替代陶瓷生产中的石粉原料，不仅节约成本，保护环境，对陶瓷工业的可持续发展也具有积极意义[7]。
　　另一种迫切需要回收利用的工业固废是钢渣。中国是全球钢铁生产第一大国，在炼钢过程中产生了大量钢渣。据估计，2017-2018年中国的钢铁产量约为9亿吨，相应的钢渣产量约为1.2亿吨。目前，中国的钢渣库存已达到约13亿吨，但综合利用率仅为22%左右[8]。如此大量的钢渣不仅占用土地资源，并且对环境产生了诸多不良的影响，例如重金属离子的渗出，造成地表水、地下水和空气污染，最终威胁人类健康[9]。
　　《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》[10]中提出，环境领域优先主题之一是"废弃物资源化利用技术开发"。废物无害化、资源化协同处理及高附加值利用已成为我国工业完善循环经济产业链的迫切需求，因此，研究钢渣与陶瓷工业固废的资源化利用，可形成多种无害化高附加值资源循环利用生产新技术。将大宗工业固废在陶瓷行业加以利用，对促进行业技术提升和产业结构调整，也有重要意义。
　　本文对钢渣、陶瓷烧成废砖破碎瓷粉的性能进行了研究，将其加入到釉面砖配方中，资源化利用生产瓷质釉面砖，解决了工业固体废弃物的处理难题，提升了工业固废的产品附加值，同时也减少了陶瓷生产造成的资源浪费。
　　2 实 验
　　2.1 原料
　　本试验所用原料为：钢渣、陶瓷烧成废砖破碎瓷粉、球土、黑泥、中温砂、石粉、高温砂、长石、石英、三聚磷酸钠（STPP）、羧甲基纤维素钠（CMC）等陶瓷用原料。钢渣及破碎瓷粉的化學组成见表1。
　　2.2 仪器设备
　　本试验所使用设备为佛山欧神诺陶瓷有限公司I&I中心及生产车间所用设备，包括：SY35型实验室用油压机、101-型电热鼓风恒温干燥箱、箱式电炉、小型球磨机、电子天平以及生产窑炉等。
　　2.3 实验过程
　　公司研发团队对钢渣掺入到陶瓷配方中已做了较多研究，发现钢渣添加量10%～60%，瓷砖样品表面效果呈下降趋势，并且样品的烧成收缩也逐渐增大，影响样品的稳定性[11]。因此根据此结果，本试验对钢渣的掺入从10%、15%和20%开始试验，实验样品配方表如表2所示。
　　（1）10%钢渣配方（A组样品）：采用10%钢渣与不同量的陶瓷原料混合，配方如表2A组所示。
　　（2）10%钢渣配方优化（B组样品）：针对A组样品缺陷情况，将配方中的石英替换成其他相适应的原料，进而优化配方，具体配方如表2B组所示。
　　（3）不同比例钢渣配方（C组样品）：为验证不同配比的钢渣对配方影响，在配方B-3的基础上调整钢渣的不同加入量，其中C-1与B-3为同一配方，具体配方如表2B组所示。
　　（4）不同比例钢渣与破碎瓷粉配方（D组样品）：在不同配比的钢渣配方中添加10%破碎瓷粉，研究瓷粉对钢渣配方的影响，具体配方如表2D组所示。
　　（5）10%钢渣与破碎瓷粉配方优化（E组样品）：根据《中国制造2025》提出的要求：到2020年，工业固体废物综合利用率达到73%，主要再生资源回收利用量达到3.5亿吨。因此，设计钢渣与破碎瓷粉工业固废的添加总量为30%的配方，具体配方如表2E组所示。
　　产品工艺流程图如图1所示。按配方称取原料后，外加0.3 wt.% STPP、0.1 wt.% CMC球磨混合一定的时间（料：球：水=1： 0.6： 2，球磨时间为8 min/100 g）。球磨后的浆料干燥至含水率约7%～8%，用30目筛造粒，15 MPa半干法压制成型，在100℃烘箱中干燥至恒重。然后样品送至车间窑炉烧成。
　　3 结果与分析
　　3.1 10%钢渣配方实验结果分析
　　由图2可知，10%钢渣配方（A组样品）砖形均较好、略有波浪变形、颜色偏深、表面泛着明显的油光，这是由于配方中的钢渣Fe含量较高，经烧成后发出较深的颜色，且配方中熔剂类原料含量偏高，导致样品中玻璃相过多，从而使样品表面泛着油光。从样品表面情况看来，A-3表面平整、有较少小气泡，而其余两个样品表面气泡则多些，这是由于配方中石英的加入，使其在高温时残余较多游离的SiO2，导致表面效果不佳，因此下一步对10%钢渣配方进行了优化（B组样品）。
　　经优化后，B组样品表面平整、无明显气泡、无明显变形;测得的样品吸水率与抗折强度见表3。由检测数据可知，B-3样品最佳，有较低吸水率和较高抗折强度，符合抛釉砖相关标准。 　　3.2 不同比例钢渣与破碎瓷粉配方实验结果分析
　　在不同比例的钢渣配方（C组样品）中，随着钢渣加入量增大，样品表面颜色呈深色变化。并且在此配方的K2O-Na2O-SiO2体系中，钢渣的增加并不能提升样品的抗折强度，吸水率也较大，因此在K2O-Na2O-SiO2体系中，钢渣添加10%的情况下，C-1为最优配方。
　　D组配方是在C组的基础上，利用破碎瓷粉替换了配方中的部分石粉等原料，由图2可知，瓷粉的替换对样品无明显不良影响。随着钢渣的量增多，配方烧成收缩变大，配方稳定性也较弱。因此，在钢渣10%的基础上调整破碎瓷粉的加入量，进一步优化配方（E组样品）。
　　由E组配方实验结果可知，在K2O-Na2O-SiO2体系中，添加的10%钢渣所得砖形较好，表面平整、无明显缺陷。测得的样品吸水率与抗折强度见表4。由检测数据可知，在满足国家资源型利用要求的前提下，配方E-1性能最佳，样品表面效果也很好，可作进一步大砖（300mm×300mm、600mm×600 mm规格）配方试验。
　　3.3 10%钢渣与破碎瓷粉配方大样板试验
　　经过大量配方试验探究，得出10%钢渣与破碎瓷粉配方E-1性能最佳，为验证此配方是否具备抛釉砖坯体的基本性能，将配方扩大试验，做出较大的样板，并且配合面釉、花釉以及抛釉一同实验，观察最终效果，判断配方的可行性。将E-1配方按其相应配比称取400 kg料，根据相应的球磨制度将其磨细、喷粉，将粉料压制成300mm×300 mm、600mm×600 mm规格的样砖，分别进行素烧、喷墨印花/丝网印花，试验效果见图3。
　　由图3可知，300mm×300 mm、600mm×600mm规格的素烧砖，表面平整无明显缺陷，上釉之后釉面无明显气泡、缩釉等缺陷;经检测，600×600 cm规格的釉面砖吸水率为0.06%、抗折强度为45.36 MPa。
　　3.4 钢渣瓷粉抛釉砖与普通抛釉砖的对比分析
　　钢渣瓷粉抛釉砖产品通过陶瓷配方研究及原料选择，引入钢渣代替配方中的熔剂类原料，降低配方烧成温度;同时采用陶瓷烧成废砖破碎瓷粉取代原料中的砂石料。钢渣瓷粉抛釉砖与传统抛釉砖产品的晶相对比如图4所示。
　　由钢渣瓷粉抛釉砖产品与传统抛釉砖产品的矿物分析晶相对比可知，钢渣瓷粉抛釉砖中含有7.2%石英晶相、8.5%莫来石晶相与9.5%钙长石晶相;其中Ca、Mg为配方主熔剂，K、Na含量相对较少，这是因为钢渣的化学组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO，尤其钙、镁含量高，因此可采用钢渣替代原料中大量熔剂类原料。钢渣中含有的Mn等金属元素在高温烧结后已固溶到晶体结构中形成固溶体，如图4 （a）所示;普通抛釉砖中含有16.5%石英晶相、6.2%莫来石晶相;其中K、Na为配方主熔剂，Ca、Mg含量相对较少，如图4 （b）所示。
　　钢渣瓷粉抛釉砖产品中的莫来石晶相含量比普通抛釉砖更高，因此瓷砖耐磨度、抗热震性能更优异。除此之外，钢渣瓷粉抛釉砖产品固化了钢渣中的重金属离子，当重金属离子固溶到晶体结构中形成固溶体时，其重金属溶出将变的极微，通过检测报告中的铅、镉溶出检测可以看出，重金属溶出量极微，实现了钢渣无害化的处理过程。
　　4 结语
　　本文研究了钢渣与陶瓷工业固废的资源化利用，对钢渣、陶瓷烧成废砖破碎瓷粉的性能进行了研究，将其加入到釉面砖配方中，资源化利用生产瓷质釉面砖，解决了工业固体废弃物的处理难题，提升了工业固废的产品附加值，同时也减少了陶瓷生产造成的资源浪费。制得的钢渣瓷粉抛釉砖产品相较于普通抛釉砖，耐磨度、抗热震性能更优异。
　　以工业固体废弃物为资源在陶瓷行業生产新型建筑材料，可有效治理陶瓷废渣、冶金废渣所带来的环境污染问题，跨行业实现固废无害化、资源化和高附加值利用，同时开发配套的工艺技术及设备。将大宗工业固废在陶瓷行业加以利用，对于推动佛山陶瓷这一优势传统产业升级，建设具有国际先进水平的固体废物资源循环利用平台，也有重要意义。
　　参考文献
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