张浩等：特殊钢钢渣用作橡胶功能填料及其安全性分析 629. and stability meet the requirements of relevant national standards.When the content of the specialty-steel slag in specialty-steel slag- based rubber composites ranges between 20%-40%,these composites have a tensile strength ranging from 20.0-21.5 MPa,a tear strength of 45.2-48.6 kN-m,an elongation at break value of 475%-501%,a shore A hardness of 63.5-65.3,a limiting oxygen index of 18.5-18.6,a burnout time of 264-292 s,and a heat conductivity coefficient of 0.15-0.17 W-mK-.The main heavy-metal oxides in the specialty-steel slag are identified as Cr2O3,PbO,and CuO,which mainly exist as stable solid metals.In addition,the leaching concentration of the heavy metals,such as Cu,Zn,Cd,Pb,Cr,Ba,Ni,and As,from the specialty-steel slag-based rubber composites is much lower than the limit value of the hazardous-waste identification standards.Therefore,specialty-steel slag is safe and feasible for use as a rubber functional filler. KEY WORDS specialty-steel slag;functional filler;compounded rubber;safety;carbon black 特殊钢钢渣是冶金工业中冶炼特殊钢过程 钢渣作为橡胶功能填料的可行性与环境风险，从 时，其钢渣经过金属提取工艺预处理后残留的含 而实现特殊钢钢渣资源化利用与对其所含重金属 有少量铬、铅等重金属的尾渣，属于危险冶金固体 无害化处理的目的，以期为特殊钢钢渣的安全、大 废弃物-②如果对特殊钢钢渣处理不当或不能合 规模且高附加值资源化利用提供一定的技术支持 理利用，将会对生态环境造成严重的污染，因此针 与理论依据，实现“以废增效”的目的 对日益增长的特殊钢钢渣排放量，如何将其安全、 1实验方法 大规模且高附加值的进行利用是冶金领域近年来 关注的热点问题) 1.1原材料 橡胶是工业生产中广泛使用的聚合物材料)， 800目特殊钢钢渣，中国宝武钢铁集团有限公 我国橡胶年用量在1000万吨以上向，在橡胶制备 司；复合橡胶，安徽欧耐橡塑工业有限公司，其为 加工过程中需要加入大量具有补强性能填料，以达 丁苯橡胶、天然橡胶与顺丁橡胶混炼混合物；炭 到改善橡胶力学性能、加工性能和填充增容的目 黑N220.工业纯，中橡（马鞍山）化学工业有限公 的.目前补强填料主要为炭黑或白炭黑，其生产工 司；硫化促进剂NS,工业纯，山东翔龙橡胶助剂有 艺繁杂、对能源和资源消耗大、市场售价高-0， 限公司：硫磺，工业纯，山东东信化学工业有限公 因此研发价格低廉、可以替代炭黑或白炭黑的功能 司；氧化锌(ZnO),工业纯，安徽省金华化工科技有 填料已经成为橡胶领域关注的热点问题.近年来 限公司；硬脂酸(CH(CH2)16COOH),工业纯，安徽 科研工作者以粉煤灰、漂珠、蒙脱土为研究对象 沙丰新材料有限公司 替代炭黑应用于橡胶领域取得了一定的成果-， 1.2材料制备 同时本课题组前期以碳钢钢渣为研究对象替代炭 首先，利用开炼机对100g复合橡胶进行薄通 黑应用于橡胶领域也取得了一定的成果由于 3~5次后，放入密炼温度为70℃的密炼机进行混 特殊钢钢渣与粉煤灰、漂珠、蒙脱土、碳钢钢渣的 炼3mi.得复合橡胶密炼胶.其次.依次向复合橡胶 性质较为相近，所以利用特殊钢钢渣作为橡胶功 密炼胶中加入1g硬脂酸和3g氧化锌进行混炼 能填料极为可行，但是特殊钢钢渣中含有少量铬、 2min,加入一定量炭黑N220和一定量800目特殊钢 铅等重金属，因此特殊钢钢渣用作橡胶功能填料 钢渣进行混炼2min,加入1g硫化促进剂NS和 时必须考虑其安全性 2g硫磺进行混炼2min,得特殊钢钢渣基复合橡胶 本研究采用特殊钢钢渣代替部分炭黑与橡胶 密炼胶.最后，利用开炼机对特殊钢钢渣基复合橡 基础体系（促进剂、硫磺、氧化锌、硬脂酸、复合橡 胶密炼胶进行薄通5~8次且打三角包5次后停放 胶)进行复合制备特殊钢钢渣基复合橡胶，其中， 12h,再利用硫化温度为145℃的硫化机进行硫化 炭黑具有补强作用，促进剂具有促进硫化作用，硫 30min后放置24h.得特殊钢钢渣基复合橡胶 磺具有硫化交联作用，硬脂酸与氧化锌具有协同 1.3性能测试与表征 活化促进作用.侧试了内辐射指数、外辐射指数、 参照《建筑材料放射性核素限量》(GB6566一 安定性、拉伸强度、撕裂强度、拉断伸长率、邵尔 2010)测试内辐射指数与外辐射指数.参照《水泥 A硬度、极限氧指数、燃尽时间、浸出液中重金属 标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》 浓度、矿物组成、粒径分布、导热系数、孔结构、 (GB/T1346一2011)测试安定性.参照《硫化橡胶 化学成分、微观形貌和热稳定性.研究了特殊钢 或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定标准》and stability meet the requirements of relevant national standards. When the content of the specialty-steel slag in specialty-steel slag￾based  rubber  composites  ranges  between  20%–40%,  these  composites  have  a  tensile  strength  ranging  from  20.0 –21.5  MPa,  a  tear strength of 45.2–48.6 kN·m−1, an elongation at break value of 475%–501%, a shore A hardness of 63.5–65.3, a limiting oxygen index of 18.5–18.6, a burnout time of 264–292 s, and a heat conductivity coefficient of 0.15–0.17 W·m−1·K−1. The main heavy-metal oxides in the specialty-steel  slag  are  identified  as  Cr2O3 ,  PbO,  and  CuO,  which  mainly  exist  as  stable  solid  metals.  In  addition,  the  leaching concentration of the heavy metals, such as Cu, Zn, Cd, Pb, Cr, Ba, Ni, and As, from the specialty-steel slag-based rubber composites is much lower than the limit value of the hazardous-waste identification standards. Therefore, specialty-steel slag is safe and feasible for use as a rubber functional filler. KEY WORDS    specialty-steel slag；functional filler；compounded rubber；safety；carbon black 特殊钢钢渣是冶金工业中冶炼特殊钢过程 时，其钢渣经过金属提取工艺预处理后残留的含 有少量铬、铅等重金属的尾渣，属于危险冶金固体 废弃物[1−2] . 如果对特殊钢钢渣处理不当或不能合 理利用，将会对生态环境造成严重的污染，因此针 对日益增长的特殊钢钢渣排放量，如何将其安全、 大规模且高附加值的进行利用是冶金领域近年来 关注的热点问题[3] . 橡胶是工业生产中广泛使用的聚合物材料[4−5] ， 我国橡胶年用量在 1000 万吨以上[6] . 在橡胶制备 加工过程中需要加入大量具有补强性能填料，以达 到改善橡胶力学性能、加工性能和填充增容的目 的. 目前补强填料主要为炭黑或白炭黑，其生产工 艺繁杂、对能源和资源消耗大、市场售价高[7−10] ， 因此研发价格低廉、可以替代炭黑或白炭黑的功能 填料已经成为橡胶领域关注的热点问题. 近年来 科研工作者以粉煤灰、漂珠、蒙脱土为研究对象 替代炭黑应用于橡胶领域取得了一定的成果[11−14] ， 同时本课题组前期以碳钢钢渣为研究对象替代炭 黑应用于橡胶领域也取得了一定的成果[15] . 由于 特殊钢钢渣与粉煤灰、漂珠、蒙脱土、碳钢钢渣的 性质较为相近，所以利用特殊钢钢渣作为橡胶功 能填料极为可行，但是特殊钢钢渣中含有少量铬、 铅等重金属，因此特殊钢钢渣用作橡胶功能填料 时必须考虑其安全性. 本研究采用特殊钢钢渣代替部分炭黑与橡胶 基础体系（促进剂、硫磺、氧化锌、硬脂酸、复合橡 胶）进行复合制备特殊钢钢渣基复合橡胶，其中， 炭黑具有补强作用，促进剂具有促进硫化作用，硫 磺具有硫化交联作用，硬脂酸与氧化锌具有协同 活化促进作用. 测试了内辐射指数、外辐射指数、 安定性、拉伸强度、撕裂强度、拉断伸长率、邵尔 A 硬度、极限氧指数、燃尽时间、浸出液中重金属 浓度、矿物组成、粒径分布、导热系数、孔结构、 化学成分、微观形貌和热稳定性. 研究了特殊钢 钢渣作为橡胶功能填料的可行性与环境风险，从 而实现特殊钢钢渣资源化利用与对其所含重金属 无害化处理的目的，以期为特殊钢钢渣的安全、大 规模且高附加值资源化利用提供一定的技术支持 与理论依据，实现“以废增效”的目的. 1    实验方法 1.1    原材料 800 目特殊钢钢渣，中国宝武钢铁集团有限公 司；复合橡胶，安徽欧耐橡塑工业有限公司，其为 丁苯橡胶、天然橡胶与顺丁橡胶混炼混合物；炭 黑 N220，工业纯，中橡（马鞍山）化学工业有限公 司；硫化促进剂 NS，工业纯，山东翔龙橡胶助剂有 限公司；硫磺，工业纯，山东东信化学工业有限公 司；氧化锌（ZnO），工业纯，安徽省金华化工科技有 限公司；硬脂酸（CH3（CH2）16COOH），工业纯，安徽 沙丰新材料有限公司. 1.2    材料制备 首先，利用开炼机对 100 g 复合橡胶进行薄通 3～5 次后，放入密炼温度为 70 ℃ 的密炼机进行混 炼 3 min，得复合橡胶密炼胶. 其次，依次向复合橡胶 密炼胶中加入 1 g 硬脂酸和 3 g 氧化锌进行混炼 2 min，加入一定量炭黑 N220 和一定量 800 目特殊钢 钢渣进行混炼 2 min，加入 1 g 硫化促进剂 NS 和 2 g 硫磺进行混炼 2 min，得特殊钢钢渣基复合橡胶 密炼胶. 最后，利用开炼机对特殊钢钢渣基复合橡 胶密炼胶进行薄通 5～8 次且打三角包 5 次后停放 12 h，再利用硫化温度为 145 ℃ 的硫化机进行硫化 30 min 后放置 24 h，得特殊钢钢渣基复合橡胶. 1.3    性能测试与表征 参照《建筑材料放射性核素限量》（GB6566— 2010）测试内辐射指数与外辐射指数. 参照《水泥 标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》 （GB/T1346—2011）测试安定性. 参照《硫化橡胶 或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定标准》 张    浩等： 特殊钢钢渣用作橡胶功能填料及其安全性分析 · 629 ·