Thermodynamic Modeling and Waste Valorization for Sustainable Self-Glazed Ceramic Tiles Using Induction Furnace Slag
本研究表明，在热力学模型的指导下，将富含锰和二氧化硅的感应电炉渣引入陶瓷砖配方中，能够以较低的烧成温度生产出高性能的自釉砖，同时有效地实现冶金废物的资源化利用。
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陶瓷的世界建立在一个简单而古老的承诺之上：取土，塑形，并将其火烧，直到它变得坚硬、耐用且往往十分美丽。几个世纪以来，这一过程一直依赖于像粘土和长石这样的特定天然原料，通过窑炉加热到足以使材料熔融并使其融合的温度。然而，随着对建筑材料需求的增长，对自然资源的需求以及烧制它们所需的能量也随之增加。与此同时，重工业产生了大量的副产品，例如感应电炉制造钢铁后留下的熔融岩石废料。这种被称为矿渣的废料通常被堆积或丢弃，但它包含了许多在传统陶瓷中发现的相同化学成分。现代科学面临的挑战是如何将这种工业废料转化为有用的资源，而不损害最终产品的质量，也不消耗过多的能量。
来自孟加拉国和澳大利亚的一个研究小组接受了这一挑战，他们正在探索一种制造陶瓷砖的新方法。他们没有仅使用新鲜的粘土和矿物，而是混入了两种废料：钢铁生产中的矿渣和由废弃瓶罐及窗户破碎而成的玻璃。他们的目标是创造出“自釉”瓷砖，即在烧制过程中能自行形成一层闪亮、类玻璃表面的瓷砖，从而省去了单独涂抹釉层的步骤。为此，他们首先利用强大的计算机模拟来预测这些废料在受热时的表现。他们模拟了混合物的化学性质，以观察会形成多少液体、液体的黏度如何，以及瓷砖在什么温度下会熔化并硬化。这种数字测试使他们能够在接触窑炉之前就筛选出最佳配方，从而节省了时间和资源。
模拟结果显示，钢渣起到了强大的辅助作用，即“助熔剂”，这是一种能降低材料熔点物质。由于矿渣富含锰和二氧化硅，它有助于混合物比传统的粘土混合物更早地进入液态。研究人员发现，与标准瓷砖相比，他们可以将烧制温度降低约百分之十，这是一项显著的节能成果。在他们测试的众多组合中，有一种特定的配方脱颖而出。这种配方用百分之三十的钢渣替换了大量的部分天然粘土，并加入了废弃玻璃。计算机模型表明，这种组合将创造出一种光滑、致密的材料，并具有较宽的安全烧制温度范围，使其在工厂生产中非常可靠。
为了证明这些计算机预测是正确的，团队从屏幕转向了实验室。他们混合了原材料，将其压制成瓷砖形状，并在熔炉中进行烧制。结果几乎完美地符合了模拟情况。使用高比例矿渣制成的瓷砖变得极其致密且坚固。它们的吸水率极低，水吸收率仅为 0.0045%，内部几乎没有微小的孔隙。最令人印象深刻的是，这些瓷砖比标准重型地板砖还要强韧，抗折强度达到了 64.29 兆帕。它们还产生了一种自然的、光泽感十足的亮面，无需添加任何釉料，并且具有 17.6% 的透光性，这通常是高端、昂贵陶瓷才具备的品质。
这项研究还展示了当配方不完全正确时会发生什么。如果团队使用了过多的矿渣或改变了成分平衡，瓷砖要么无法充分熔化，要么变得过于流动，导致出现缺陷。一个具体的发现是，仅仅用矿渣替换传统的矿物长石效果并不如通过减少粘土含量来操作那样好。最好的结果来自于通过仔细减少粘土含量并加入矿渣，这使得废料能够承担起粘合瓷砖的任务。研究人员证实，矿渣中的锰是驱动化学变化的键，它帮助瓷砖在较低温度下形成光滑的玻璃状表面。
这项工作证明了工业废料不必成为一种负担。通过理解这些材料的化学性质，将钢渣和废弃玻璃转化为高质量的建筑材料是可能的，而且这些材料甚至比许多传统选项更坚固、更美观。由于瓷砖可以在较低的温度下烧制，该过程所需的能量更少，同时也减少了从地球中挖掘新粘土的需求。研究人员得出结论，这种方法不仅是一个理论上的可能性，更是一个可以被陶瓷行业采用的实际解决方案。他们表明，只要配方得当，废料就可以变成宝贵的资源，创造出耐用、节能且视觉效果出众的瓷砖，同时帮助清理工业景观。
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