安鋼高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃的可行性探討

賈紅玉，劉敬東，郭玉安

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455004）

安鋼高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃的可行性探討

賈紅玉，劉敬東，郭玉安

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455004）

介紹了微晶玻璃及其生產(chǎn)技術(shù)，并從生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)方面進(jìn)行了分析。提出安鋼微晶玻璃利用的生產(chǎn)技術(shù)方案，就安鋼實(shí)現(xiàn)微晶玻璃生產(chǎn)的可行性進(jìn)行探討。詳細(xì)價(jià)紹了微晶玻璃在新型建筑材料行業(yè)及化學(xué)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用前景。

高爐礦渣；微晶玻璃；可行性

0 前言

礦渣是鋼鐵企業(yè)煉鐵生產(chǎn)時(shí)的副產(chǎn)物，也是鋼鐵企業(yè)開(kāi)發(fā)利用的寶貴資源。在高爐生產(chǎn)時(shí)，除了向高爐內(nèi)加入鐵礦石等原料外，還需加入相當(dāng)數(shù)量的石灰作為助熔劑和造渣劑。在爐內(nèi)溫度為1400～1600℃時(shí)，鐵礦石和助熔劑發(fā)生高溫熔融，經(jīng)空氣或水淬急冷處理形成粒狀顆粒物，稱為粒化高爐礦渣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 t鐵產(chǎn)生約350 kg礦渣，如此大量礦渣不能得到有效的處理和利用，不但造成資源浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。因此，合理有效地利用礦渣已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、尋求可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

安鋼集團(tuán)目前每年產(chǎn)生礦渣約240萬(wàn)t，大量礦渣主要用于生產(chǎn)礦渣水泥、水泥和混凝土的摻合料、生產(chǎn)礦渣微粉等。以礦渣為主要原料制作微晶玻璃是綜合利用礦渣的有效途徑。

1 微晶玻璃

微晶玻璃又稱玻璃陶瓷或結(jié)晶化玻璃，是綜合玻璃和石材技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型裝飾材料。因其可用礦石、工業(yè)尾礦、冶金礦渣、粉煤灰、煤矸石等作為主要原材料，生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)污染、產(chǎn)品本身無(wú)放射污染，是環(huán)保產(chǎn)品或綠色材料。

微晶玻璃集中了玻璃、陶瓷及天然石材的三重優(yōu)點(diǎn)，可用于建筑幕墻及室內(nèi)高檔裝飾，還可作機(jī)械上的結(jié)構(gòu)材料、電子、電工上的絕緣材料、大規(guī)模集成電路的底板材料、微波爐耐熱器皿、化工與防腐材料和礦山耐磨材料等，是具有發(fā)展前景的新型材料。

2 高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃的可行性

2.1 政策可行性

2010年工業(yè)和信息化部已經(jīng)將尾礦生產(chǎn)微晶玻璃技術(shù)納入《金屬尾礦綜合利用專項(xiàng)規(guī)劃（2010～2015年）》的重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)[1]。2013年6月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《新材料產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作三年行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2015年完成200項(xiàng)重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)修訂工作，立項(xiàng)并啟動(dòng)300項(xiàng)新材料標(biāo)準(zhǔn)研制，開(kāi)展50項(xiàng)重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研究，微晶玻璃位列其中。

2.2 技術(shù)可行性

JC/T 2097—2011《工業(yè)用微晶板材》和JC/T 2157—2012《低膨脹透明微晶玻璃》的頒布實(shí)施，為微晶玻璃的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

礦渣是生產(chǎn)微晶玻璃的主要原料之一，其化學(xué)成分與微晶玻璃相近（見(jiàn)表1），因此，利用礦渣生產(chǎn)微晶玻璃在技術(shù)上是可行的[2]。

3 微晶玻璃生產(chǎn)

生產(chǎn)微晶玻璃的方法較多，選取的依據(jù)主要以原料的類別及其性質(zhì)、對(duì)材料使用環(huán)境及性能的要求等，主要有整體析晶法、燒結(jié)法、溶膠-凝膠法和浮法。生產(chǎn)礦渣微晶玻璃主要采用整體析晶法、燒結(jié)法。

3.1 整體析晶法

3.1.1 整體析晶法生產(chǎn)工藝

最早的微晶玻璃是用整體析晶法制備的，至今整體析晶法仍然是制備微晶玻璃的主要方法。其工藝過(guò)程為：在原料中加入一定量的晶核劑并混合均勻，于1400～1500℃高溫下熔制，均化后玻璃熔體成形，經(jīng)退火后在一定溫度下進(jìn)行核化和晶化，以獲得晶粒細(xì)小且結(jié)構(gòu)均勻的微晶玻璃制品。

3.1.2 整體析晶法的特點(diǎn)

可沿用任何一種玻璃的成形方法，如壓延、壓制、吹制、拉制、澆鑄等；適合自動(dòng)化操作和制備形狀復(fù)雜、尺寸精確的制品。微晶玻璃是通過(guò)受控晶化的材料，在熱處理過(guò)程中，玻璃經(jīng)過(guò)晶核形成、晶體生長(zhǎng)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)楫愑谠疾ＡУ奈⒕РＡ?。因此，熱處理是微晶玻璃生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。熱處理過(guò)程一般分2個(gè)階段進(jìn)行，即將退火后的玻璃加熱至晶核形成溫度T核，并保溫一定時(shí)間，在玻璃中出現(xiàn)大量穩(wěn)定的晶核后，再升溫到晶體生長(zhǎng)溫度T晶，使玻璃轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂衼單⒚咨踔良{米晶粒尺寸的微晶玻璃。對(duì)于以氟化物為晶核劑的微晶玻璃，由于氟化物在退火冷卻過(guò)程中從熔體里分相出來(lái)，起著晶核的作用，因此，可以不需核化保溫而直接進(jìn)入晶體生長(zhǎng)階段，使玻璃在晶化上限溫度適當(dāng)時(shí)間，制出的微晶玻璃幾乎可達(dá)到全部晶化。

整體析晶法可采用技術(shù)成熟的玻璃成形工藝來(lái)制備復(fù)雜形狀的制品，便于機(jī)械化生產(chǎn)。由玻璃坯體制備的微晶玻璃在尺寸上變化不大，組成均勻，不存在氣孔等常見(jiàn)的缺陷，因而微晶玻璃不僅性能優(yōu)良且具有比陶瓷更高的可靠性。

3.1.3 整體析晶法的玻璃體系

目前用整體析晶法制備的微晶玻璃體系有：Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)、MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)、Li2O-CaO-MgO-Al2O3-Si2O系統(tǒng)等。

3.2 燒結(jié)法

3.2.1 燒結(jié)法生產(chǎn)工藝

燒結(jié)法制備微晶玻璃材料的基本工藝為將一定組分的配合料投入到玻璃熔窯中，在高溫下使配合料熔化、澄清、均化、冷卻，然后，將合格的玻璃液導(dǎo)入冷水中，使其水淬成一定顆粒大小的玻璃顆粒。水淬后的玻璃顆粒的粒度范圍可根據(jù)微晶玻璃成形方法的不同進(jìn)行不同的處理。

3.2.2 燒結(jié)法的特點(diǎn)

（1）晶相和玻璃相的比例可以任意調(diào)節(jié)控制；

（2）基礎(chǔ)玻璃的熔融溫度比整體析晶法低，熔融時(shí)間短，能耗較低；

（4）由于玻璃顆?；蚍勰┚哂休^高的比表面積，因此，即使基礎(chǔ)玻璃整體析晶較差，生產(chǎn)中利用玻璃的表面析晶現(xiàn)象，同樣可以獲得晶相比列較高的微晶玻璃。

3.2.3 燒結(jié)法的玻璃體系

目前用燒結(jié)法制備的微晶玻璃體系有：CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)、MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)、Na2O-CaO-MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)等。

4 微晶玻璃的應(yīng)用

4.1 作為新型建筑材料的應(yīng)用前景

在建筑裝飾領(lǐng)域，傳統(tǒng)的大理石、花崗巖等天然石材曾一度受到人們的青睞和追捧。由于受到資源上的限制、開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞、部分產(chǎn)品檢測(cè)出輻射物質(zhì)等因素的影響，近年來(lái)人們逐漸開(kāi)始選擇機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、色澤好、顏色可以選擇的微晶玻璃板材作為建筑裝飾材料，還可根據(jù)實(shí)際需要生產(chǎn)各種花紋、形狀和規(guī)格的異型微晶玻璃建材。微晶玻璃已經(jīng)成為機(jī)場(chǎng)航站樓、地鐵墻面裝飾、銀行、別墅等各類型建筑理想的裝飾材料，已廣泛應(yīng)用于高檔建材領(lǐng)域。如北京人民大會(huì)堂廣東廳、北京新機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓、大連國(guó)際中心等都采用了微晶玻璃作為室內(nèi)外建筑裝飾材料[3]。在倡導(dǎo)綠色建材、構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，用微晶玻璃代替其它天然石材已成必然趨勢(shì)。微晶玻璃與大理石、瓷質(zhì)磚、花崗巖的性能比較見(jiàn)表2。

4.2 在化學(xué)工業(yè)上的應(yīng)用前景

利用微晶玻璃優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕性，可用于制造礦漿流、腐蝕性液體或者煤炭等物質(zhì)的管道、襯里、閥門，也可用作反應(yīng)容器、電解池及攪拌器內(nèi)襯。在化學(xué)工業(yè)及食品加工工業(yè)的大型金屬容器作內(nèi)襯材料，晶粒尺寸細(xì)小致密的微晶玻璃襯里更加優(yōu)越，其出色的耐熱沖擊能力及高強(qiáng)度，使它可允許的操作條件得以放寬。微晶玻璃襯里與陶瓷玻璃襯里相比，具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗震性以及更好的機(jī)械性能。

在新型環(huán)保材料及新能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，微晶玻璃也有獨(dú)特的用武之地。例如在噴射式燃燒器中采用多孔微晶玻璃以去除汽車尾氣所含的碳?xì)浠衔?。此外，微晶玻璃可作密封劑出現(xiàn)在鈉硫電池的制造中，在核能開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域，微晶玻璃可以用來(lái)制造核反應(yīng)堆密封劑，用作核廢料儲(chǔ)存材料等。

傳統(tǒng)的骨質(zhì)疏松治療方法主要是抑制骨吸收，但骨質(zhì)疏松患者常伴骨形成受抑制，且常伴有心腦血管疾病、糖尿病、高脂血癥等疾病，存在腸道屏障功能障礙、腸道吸收功能減退、維生素D和鈣攝入不足、肝腎功能減退等狀態(tài)，因此限制了傳統(tǒng)骨質(zhì)疏松藥物的應(yīng)用[1]。

近幾年來(lái)，多孔泡沫微晶玻璃新材料研究的熱點(diǎn)之一是這種微晶玻璃具有大的比表面積和很強(qiáng)的耐酸堿性，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境工程中，例如用作過(guò)濾器、催化劑載體以及生物體反應(yīng)器。

4.3 在機(jī)械工業(yè)上的應(yīng)用前景

類比于金屬材料，微晶玻璃具有很好的耐磨、耐侵蝕性，電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率低且質(zhì)量輕。其優(yōu)異的機(jī)械性能加上可容易獲得光滑的表面使它用于特殊軸承的制造。高強(qiáng)度和較好的耐磨特性使其可替換其它材料用以制作球磨機(jī)內(nèi)襯、料槽或管道，可極大地延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。以PVD法將氧化鋁、氧化硅系微晶玻璃蒸鍍至金屬軸承上形成涂層，可使軸承獲得更為光滑的表面，提高其耐磨性和散熱能力。微晶玻璃也屬于脆性材料，具有高抗張強(qiáng)度，抗熱沖擊能力較強(qiáng)，有的可以抵抗5～1000℃的溫度驟變且不被破壞，甚至可以使用在溫差400℃的極端條件下。

微晶玻璃作為結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)度和可被機(jī)械加工的能力是重要的2個(gè)參考指標(biāo)。目前已有多種提高微晶玻璃強(qiáng)度的方法，比如通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)和工藝控制，促使高膨脹相在基礎(chǔ)玻璃的熱處理過(guò)程中析出；對(duì)制品的表面進(jìn)行涂層處理從而形成壓力層；對(duì)制品添加第二相粒子及纖維增強(qiáng)等。微晶玻璃的可切削性也拓寬了其作為特殊無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用范圍，這一性質(zhì)使它可使用普通車床進(jìn)行機(jī)械加工。利用云母特殊的取向性和可切削性，可制備出可切削加工的云母微晶玻璃。

微晶玻璃的熱膨脹性也是它作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)的重要參考指標(biāo)。低熱膨脹系數(shù)的產(chǎn)品具有更好的尺寸穩(wěn)定性及抗熱沖擊能力，這類微晶玻璃可用來(lái)制造高精度的器件，比如哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)就采用了許多由低膨脹微晶玻璃制作的零件。當(dāng)把微晶玻璃用作封接材料時(shí)，一般要有較高的熱膨脹系數(shù)以實(shí)現(xiàn)熱匹配。微晶玻璃這一優(yōu)秀的力學(xué)材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)葉片、活塞等機(jī)械材料的制造上，且由于其具備的一些獨(dú)特的機(jī)械性能，使其在某些特定的高科技領(lǐng)域也得到一定應(yīng)用，比如，利用其可機(jī)械加工和脆性研制出的多級(jí)火箭隔倉(cāng)材料。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）以高爐礦渣為主要原料生產(chǎn)微晶玻璃，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)和環(huán)保政策。

（2）利用高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃為礦渣的高附加值綜合利用開(kāi)辟一條有效的新途徑。

（3）利用高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃，可促使鋼鐵制造業(yè)和建材行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色化和真正的可持續(xù)發(fā)展。

[1]龍文志.微晶玻璃及微晶玻璃幕墻[J].中國(guó)建材，2001（3）：47-49.

[2]林杰.高溫液態(tài)礦渣在微晶玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].南方金屬, 2006（2）：41-43.

[3]于明興，劉敬東，郭玉安，等.安鋼高爐礦渣利用途徑探討[J].河南冶金，2014（1）：33-36.

Discussion on feasibility of producing glass ceramics with Anyang Iron and Steel blast furnace slag

JIA Hongyu，LIU Jingdong，GUO Yu'an
（Anyang Iron and Steel Group Co.Ltd.，Anyang 455004，Henan，China）

This paper introduced the glass ceramics and its production technology，analyzed from the production process and product application market point of view，put forward the production technology scheme of producing glass ceramics with Anyang slag，and discussed the feasibility of glass ceramics production.Introduce in detail the application prospect of glass ceramics in new building materials industry，chemical industry，and machinery industry.

blast furnace slag，glass ceramics，feasibility

TU524

A

1001-702X（2015）06-0063-03

2014-11-24；

2014-12-29

賈紅玉，男，1968年生，河南扶溝人，高級(jí)工程師，從事鋼鐵冶金渣處理及綜合利用工作。