从钢渣中制备具有高CaO含量的新型陶瓷外文翻译资料

 2022-10-29 21:58:06

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从钢渣中制备具有高CaO含量的新型陶瓷

赵丽华，于玉丽，周元元，大强

摘要：

钢渣是炼钢工艺排出的工业废渣，由于其高含量的氧化钙，不能广泛用于传统的硅铝酸盐基陶瓷制造中。为了有效利用这样的固体废物，提出了制备具有高CaO含量的陶瓷的方法。在本文中，钢渣与石英，滑石，粘土和长石结合，通过传统的陶瓷工艺转化为新型陶瓷。通过扫描电子显微镜（SEM），X射线衍射（XRD）技术，线收缩率，吸水率和弯曲强度的组合实验研究了烧结机理，微观结构和性能。结果表明，新型陶瓷中的所有晶相均为辉石族矿物，包括透辉石，透辉石和透辉石。几乎所有的原料（包括石英）在烧结过程中加入反应并转化为辉石或玻璃相，不同种类的粘土和长石对最终的晶相没有影响。含有40重量％的钢渣的陶瓷在1210℃的烧结温度下的弯曲强度可以达到143MPa，其相应的吸水率，重量损失，线性收缩率分别为0.02％，8.8％，6.0％。陶瓷中的辉石族矿物有助于优异的物理和机械性能。研究了来自SiO -Al2O3-MgO-CaO-FeO体系的两种玻璃关于铁含量和铁的氧化还原状态对结晶行为的影响。使用差示扫描量热计进行样品的热分析。在发生结晶过程的温度范围内进行两种玻璃的系统热处理。通过X射线衍射，扫描电子显微镜和透射电子显微镜鉴定在玻璃中形成的结晶相。发现铁的浓度和氧化还原状态对热和结晶行为都具有显着的影响。在还原和氧化的玻璃中鉴定的晶相是透辉石/透辉石，并且在氧化的玻璃中也见到钙长石和镁黄长石的痕迹。氧化的玻璃中的晶体的形态是枝晶状的而在还原玻璃之一中形成星形晶体。在具有低铁浓度的其它还原玻璃中，没有看到清晰的晶体图案，但是已经产生裂纹。

1、介绍

随着工业的快速发展，工业废物逐年累积，不仅占用大量土地，而且对地下水和土壤造成各种污染，近年来在许多国家引起了高度关注。作为一种常见的工业废物，钢渣是炼钢过程中产生的主要副产物之一，占钢产量的12-20％。在中国，2012年生产了9300万吨的钢渣，同年仅有22％的钢渣被重复利用。此外，中国沉积的钢渣量已累计超过3.5亿吨。许多学者研究了钢渣在各种方向的利用，从钢铁厂的回收，用于道路建设，水利建筑和水泥和混凝土的生产，农业肥料，废水处理材料[1-4]。然而，世界各地生产的大量钢渣意味着回收利用目前不仅对于土地的污染和占用而且对于人类的生态工业发展是必要的。

陶瓷是一种广泛使用的铝硅酸盐材料，原材料主要包括粘土，补充长石，石英等矿物成分。 其主要相为莫来石，石英，玻璃相等。

普通陶瓷属于Si02-Al2O3-K2-O（Na2O）三元体系，在原料混合物中Fe2O3和CaO需要小于0.8%重量和3%重量。铁和钙离子的存在促进低温液相的形成并影响身体或釉的颜色。因此，传统陶瓷面临着高品质矿产资源枯竭的缺乏和价格上涨的潜在威胁。

最近，从工业废物制备的陶瓷，如红泥[5]，煤飞灰[6,7]和高炉渣[8-12]。这是一个有希望的解决方案，因为它不仅可以减少高质量矿物资源短缺的风险，更有利地，而且还将工业废物转化为有用的材料并减少对环境的污染。关于钢渣在陶瓷中的应用的报道不多。Favonietal[13]研究了城市污水污泥和不同比例的两种钢厂矿渣的陶瓷加工，获得了赤铁矿（Fe2O3），磁铁矿（Fe3O4），埃塞石（CaAlFeSiO6）和钙长石（CaAl2Si2O8）样品，弯曲强度约70MPa.Badieeetal [14]介绍了使用电弧炉钢渣（EAFSS）作为地砖主体的原料，制造了最大量为40%重量的EAFSS的地砖，并且样品的最大弯曲强度为94MPa，高吸水率为1-2％。玻璃陶瓷是各种应用中有吸引力的材料[15,16]。将钢渣转化为玻璃---陶瓷是另一种解决方案。Heetal[17]制备的玻璃---陶瓷材料，使用31-41%重量的钢渣。主要结晶相为硅灰石（CaSiO3），抗弯强度可达到145MPa。但这需要首先熔化淬火和两步热处理成核和晶体生长过程超过4---7小时。这些研究都集中于某些或多种固体废物的陶瓷制备，而没有提出相应的陶瓷体系，因此限制了它们对其它固体废物利用的潜在应用。

到目前为止，有限的注意力已经研究了钙富集陶瓷体系。在这项研究中，基于CaO-MgO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-K2O（Na2O）系统的辉石陶瓷由钢渣与传统的陶瓷材料结合传统的陶瓷工艺。为了与传统陶瓷进行比较，检查了物理和机械性能（包括线性收缩，重量损失，吸水率，挠曲强度）。此外，使用不同的长石和粘土来验证成分波动对样品性质的影响。这项研究还可以为使用其他富含钙的废物提供基础。

2、材料和方法

2.1. 材料

在本研究中使用的原料是钢渣，粘土，滑石，长石和石英。本研究中使用的粉碎和磁分离后的钢渣由山东钢铁集团提供。在磁选分离后，钢渣已经磨成小于150升的颗粒，解决了钢渣一般难于研磨的问题。其他材料包括两种不同的长石和粘土从中国山东省。通过X射线荧光（XRF）测定的主要化学组成示于表1中。

表1：

主要化学成分的原料。

SiO2

Al2O3

MgO

CaO

Fe2O3

K2O

Na2O

钢 渣

14.45

2.03

5.83

30.04

19.20

——

——

石 英

97.66

1.52

0.06

0.05

0.16

0.36

——

滑石粉

64.07

1.34

30.44

3.64

0.14

0.03

——

黏土A

67.87

18.1

4.09

5.35

1.38

2.17

0.33

黏土B

69.15

20.05

0.51

1.43

0.92

4.9

2.69

长石A

74.01

15.18

0.51

2.19

0.81

3.8

3.04

长石B

71.79

15.31

0.28

2.85

1.11

5.28

2.95

可以看出，主要由CaO，Fe2O3，SiO2和MgO构成炉渣。石英几乎没有杂质，尽管SiO2含量在滑石中较高，MgO是主要成分，SiO2和Al2O3是粘土和长石的主要成分，但碱金属氧化物也很重要。两种不同的长石和粘土的组成也示于表1中，分别标记为A和B.从表中可以看出，A和B之间的差异主要存在于CaO，MgO和碱金属氧化物中。

2.2。陶瓷制造工艺

在本实验中使用40％质量分数的炉渣，样品编号和使用的相应原料示于表2中。

300g根据批料组成制备批料，其含有40wt％量的炉渣。将批料混合并在罐磨机中湿磨20分钟，以获得所需的细度（尺寸大于20mu;m的颗粒的比例小于10％）。将获得的浆料过筛，在105℃下干燥12小时，粉碎以破碎附聚物并造粒成小颗粒，以便用6-7％的水分进行更好的压实。将50mm*100mm*7mm的样品进行液压压实，单轴压制在20-25MPa。将成形的样品在105℃下干燥12小时，直到水分含量降低到小于0.5％。干燥的样品在电操作的实验室炉中在不同的温度下烧制。加热速率为7℃/ min，保持时间为20分钟。最后，对烧成的样品进行物理试验，如线性收缩，吸水率（ASTM：C 373-14）和弯曲强度。

然后通过XRD使用Mac M21X粉末衍射仪研究从热处理获得的结晶样品。微结构表征在扫描电子显微镜（SEM）中在25kV下操作的EVO18特别版（Carl Zeiss，Germany）中进行。在SEM测试之前，样品在室温下用0.5％的HF进行蚀刻1.5分钟，并且涂覆有待分析的碳。

3、结果与讨论

3.1 物理和机械性能

具有烧结温度的加热样品的线性收缩和重量损失的变化示于图1中。图1、图2显示了在不同温度下烧结的样品的吸水率和弯曲强度。可以看出，致密化开始于约1195℃，而在约1225℃观察到过烧的开始。最高弯曲强度在1210℃下为143MPa，相应的吸水率，重量损失，线性收缩率分别为0.02％-8.8％和-6.0％。

从图1和图2可以看出，吸水率和弯曲强度的急剧变化表明样品在该温度范围内快速完全致密化。可能的原因在于在该温度范围内产生一定量的液相，并且液体促进了烧结反应并填充晶相之间的间隙。当在1230摄氏度时，由于液相的量和粘度达到一定界限，气体开始膨胀，样品开始变形，这可以通过线性收缩曲线证明。一般来说，生产具有高抗弯强度，即使在1190摄氏度下烧结，吸水率约为7％，也就是说在没有完全致密化的情况下，弯曲强度也可以达到60MPa以上，超过ASTM标准规格 （ASTM：C902-14）和建筑砖（ASTM：C62-13a）。

表2：样品号与相应的原料

图1、不同温度下1＃的线性收缩和重量损失。

图2.不同温度下1＃的吸水率和弯曲强度。

图3.在不同温度下2-4＃的吸水率和弯曲强度。

图3显示了作为烧结温度的函数的样品2-4号的吸水率和挠曲强度的变化。可以看出，2-4号样品在1195-1205摄氏度的温度范围内快速完成致密化，与1号相同。性能显着提高了弯曲强度并相应地降低了吸水率。此外，当比较曲线时，发现对于四个样品存在特定的最佳烧结温度，分别是在1210摄氏度的1号，3号和在1200摄氏度的2号、4号样品。其可能由于低熔点温度组分如Na2O和K2O的含量的差异而引起，如表1所示，即使在低含量水平下，这些差异也会产生液相的存在并降低其粘度，由此影响烧结温度和温度间隔。最后，从图5可以看出，虽然材料和最佳烧结温度不同，但是具有相应的合适的烧结温度，四个样品可以实现吸水率接近0％的性质，并且弯曲强度大于70MPa。

3.2 XRD和SEM分析

晶相的类型、结构和特性以及材料的微观结构是影响陶瓷的材料技术性能的主要因素。图4显示在1210摄氏度下烧结的样品1号的XRD图案。在烧结样品中形成的主相是透辉石铁矿石，透辉石和透辉石。烧结的传统三轴瓷的总体微观结构包含在玻璃状基质中的石英、长石和粘土残渣[18]。传统瓷器的微观结构到其最终状态的演变是众所周知的。粘土提供塑性，容易形成形状，并且用作其它身体部件的粘合剂;长石是低熔点的矿物碱性铝硅酸盐，并且用于降低形成

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