张耀辉，于 洋，马孟臣，桂满城，郁 雷

(马钢股份公司技术中心 安徽马鞍山 243000)

钢渣是炼钢过程中的主要副产物，其产生量约占为钢产量的10%-15%。目前，我国钢渣每年产生量约为1亿吨，主要用于筑路、工程回填、水泥等方面，其利用附加值普遍较低。面对当前资源约束趋紧的严峻形势，如何使钢渣“变废为宝”，拓展钢渣高附加值利用新途径，已成为行业焦点。

橡胶作为重要的工业原料广泛应用于各行各业。橡胶制品在生产加工过程中需要添加大量的填料。截止目前，炭黑仍然是橡胶最理想的功能填料。但由于炭黑生产成本高、污染大。因此，寻找新的廉价填料已成为一种发展趋势。近几年，国内学者正在开发以廉价的钢渣作为填料替代炭黑的橡胶填料技术，并取得了一定的研究成果。顾恒星等用铁水脱硫渣替代炭黑用于制备橡胶材料，研究结果表明当铁水脱硫渣/炭黑比例为20:30时，能够确保橡胶材料的力学性能符合要求。张浩等用改性钢渣部分替代炭黑与丁苯橡胶复合，研究结果表明改性钢渣/炭黑质量比为260:250时，丁苯橡胶复合材料的力学性能最佳。刘文欢等以改性钢渣部分替代炭黑制备高性能生态橡胶材料，研究结果表明在一定的工艺参数下，生态橡胶材料力学性能符合要求。

现以转炉热闷渣、转炉风碎渣和电炉热闷渣为研究对象，通过助磨改性制备钢渣微粉，并部分替代炭黑应用于天然橡胶复合材料并对其性能进行分析评价，为钢渣应用于橡胶行业提供一定的借鉴。

1 试验部分

1.1 原材料

主要原材料见表1。

表1 主要原材料

1.2 设备和仪器

主要设备和仪器见表2。

表2 主要设备和仪器

1.3 试验方法

(1)将乙二醇和三乙醇胺按照体积比1:1配制成钢渣助磨改性剂。

(2)将制备好的钢渣助磨改性剂与钢渣按照一定比例混合，采用球磨机粉磨90 min制成钢渣微粉。

(3)根据GB/T 6038-2006相关规定制备钢渣微粉/天然橡胶试验胶料。具体步骤为：首先采用开炼机将天然橡胶薄通3-5次；再将其加入密炼机以70 ℃混炼180 s；然后依次加入氧化锌及硬脂酸混炼120 s；加入炭黑及钢渣微粉混炼90 s；加入促进剂(NS)及硫磺混炼90 s取出；将天然橡胶密炼胶加入开炼机薄通5-8次，打三角包5次后放置12 h备用；称取适量的天然橡胶密炼胶，采用平板硫化机以130 ℃-160 ℃硫化30 min-60 min后放置24 h进行性能测试。其试样配合比见表3。

表3 钢渣微粉/天然橡胶复合材料的配方

(4)按照GB/T 528-2009测试拉伸强度；按照GB/T 531.1-2008测试邵尔A硬度；按照GB/T 10707-2008测试阻燃性能；采用X'PERT MRD型X射线衍射仪测试组成；采用BRUKER UECIOR2 型傅立叶变换红外光谱仪测试组成结构。采用LS-909型激光粒度仪测试粒度。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

不同钢渣微粉/天然橡胶复合材料力学性能及阻燃性能测试结果见表4。

表4 不同钢渣微粉/天然橡胶复合材料力学性能、阻燃性能测试结果

从表4看出，在力学性能方面，三种钢渣微粉应用于天然橡胶的力学性能均优于0#试样。具体比较结果为：电炉热闷渣>转炉热闷渣>转炉风碎渣。

从表4还可以看出，在阻燃性能方面， 三种钢渣微粉应用于天然橡胶的阻燃性能均优于0#试样，具体比较结果为：转炉热闷渣>电炉热闷渣>转炉风碎渣。

结合表3、表4看出，随着助磨改性剂用量的增加，转炉热闷渣、转炉风碎渣及电炉热闷渣微粉/天然橡胶复合材料的拉伸强度均有所增加，其力学性能呈增长趋势；而随着助磨改性剂用量的增加，热闷渣、风碎渣及电炉渣微粉/天然橡胶复合材料的燃尽时间均有所减少，其阻燃性能呈下降趋势，但仍明显优于未掺入钢渣微粉的天然橡胶复合材料试样。

2.2 分析与讨论

2.2.1 钢渣化学成分对天然橡胶复合材料性能的影响

不同钢渣主要化学成分见表5。

表5 钢渣微粉主要化学成分，wt%

从表5看出，转炉热闷渣、转炉风碎渣及电炉热闷渣中含有大量的CaO、FeO、SiO和少量的AlO、MgO等，均为难燃的高熔点物质，其中CaO、AlO通常作为高温耐火材料使用，MgO通常作为阻燃剂使用。因此，转炉热闷渣、转炉风碎渣、电炉热闷渣钢渣微粉/橡胶复合材料具有良好的阻燃性能。

转炉热闷渣、转炉风碎渣及电炉热闷渣中大量的CaO、SiO可能会形成具有胶凝活性的硅酸钙，其对橡胶复合材料的力学性能有一定的补强效果；大量的FeO说明钢渣中存在大量的含铁相，其硬度高。因此，转炉热闷渣、转炉风碎渣、电炉热闷渣均对天热橡胶复合材料的力学性能有一定的提升效果。

2.2.2 钢渣矿物组成对天然橡胶复合材料性能的影响

不同钢渣微粉的XRD分析见图1。由图1可以看出，转炉风碎渣及电炉热闷渣矿物组成主要为CaSiO、CaSiO、CaFeSiO、CaCO、MgO、CaO等高熔点物质。因此，转炉热闷渣、转炉风碎渣、电炉热闷渣均可以提高天然橡胶复合材料的阻燃性能。

图1 不同钢渣微粉的XRD分析

另一方面，CaSiO是硅酸盐水泥熟料的主要成分，其具有较高的胶凝活性。CaFeSiO是由CaO、FeO、SiO在高温下形成的固熔体，具有较高的硬度。其均对天然橡胶复合材料的力学性能有一定的提升作用。电炉热闷渣中的矿物组成主要为CaSiO和CaFeSiO。因此，电炉热闷渣对天然橡胶复合材料的力学性能提升较大。转炉热闷渣中的矿物组成主要为CaSiO。因此，转炉热闷渣对天然橡胶复合材料的力学性能有一定的提升。转炉风碎渣中的矿物组成主要为CaCO与Ca(OH)，其胶凝活性、硬度均比较低。因此，转炉风碎渣对天然橡胶复合材料的力学性能提升效果有限。

2.2.3 钢渣组成结构对天然橡胶复合材料性能的影响

不同钢渣微粉的傅立叶红外光谱(FTIR)分析见图2。由图2可以看出，加入助磨改性剂后，其转炉热闷渣、转炉风碎渣、电炉热闷渣微粉在波长为960 cm处的沸石类相的特征吸收峰和波长为1400 cm处的C-S-H凝胶特征吸收峰均呈现明显增强的现象。这表明助磨改性剂对钢渣中玻璃体和胶凝物质的细化均有一定的提升作用。同时，加入助磨改性剂后，转炉热闷渣、电炉热闷渣、转炉风碎渣微粉在波长为3600 cm处附近新增了N-H伸缩振动特征吸收峰，这表明助磨改性剂中的化学官能团可以较好地吸附在了钢渣微粉表面，从而起到改善钢渣易磨性和分散性的作用。其机理是因为乙二醇和三乙醇胺配含有极性较强的-OH、-NH化学键，可以较好的吸附在钢渣微粉表面，提高钢渣的粉磨效果、屏蔽电荷，从而改善钢渣的易磨性和分散性。

图2 不同钢渣微粉FTIR分析

2.2.4 钢渣微粉粒径对天然橡胶复合材料性能的影响

不同钢渣微粉粒径分析见图3。结合表3、表4、图3看出，随着助磨改性剂用量增加，转炉热闷渣微粉、转炉风碎渣微粉及电炉热闷渣微粉的粒径均呈减小趋势，其对应的天然橡胶复合材料的拉伸强度呈上升趋势，天然橡胶复合材料的燃尽时间呈下降趋势。这说明钢渣微粉的粒径越小对天然橡胶复合材料的力学性能提升效果越好，而对天然橡胶复合材料的阻燃性能提升效果则略有下降。这是因为钢渣微粉的粒径越小、比表面积越大。因此，在其燃烧时对天然橡胶复合材料阻燃性能的影响程度略有减小。

图3 不同钢渣微粉粒径分析

3 结论

转炉热闷渣、转炉风碎渣及电炉热闷渣微粉均对天然橡胶具有一定的补强效果。具体为：电炉热闷渣>转炉热闷渣>转炉风碎渣

转炉热闷渣、转炉风碎渣及电炉热闷渣微粉对天然橡胶均有好的阻燃效果。具体为：转炉热闷渣>电炉热闷渣>转炉风碎渣。