基于鐵尾礦的微晶玻璃的制備

薛　路　成兆鑫　趙　勇

(山鋼集團(tuán)金嶺鐵礦)

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基于鐵尾礦的微晶玻璃的制備

薛路成兆鑫趙勇

(山鋼集團(tuán)金嶺鐵礦)

針對(duì)我國(guó)鐵尾礦堆存量大、危害環(huán)境、綜合利用率低的問(wèn)題，以鐵尾礦為基本原料進(jìn)行微晶玻璃的制備，介紹了微晶玻璃的組成設(shè)計(jì)和制備工藝，并指明提高鐵尾礦的利用率、擴(kuò)大基于鐵尾礦制備的微晶玻璃的著色范圍、優(yōu)化工藝流程是今后的研究方向。

鐵尾礦微晶玻璃制備工藝

選礦尾礦是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分。我國(guó)尾礦堆存量巨大，僅金屬尾礦堆存量已超過(guò)百億噸，且年新增尾礦量在10億t以上。尾礦的大量堆積不僅占用土地資源、破壞地貌植被，其所含的重金屬、放射性元素及化學(xué)藥劑等還會(huì)嚴(yán)重污染地表、地下水和大氣等環(huán)境，并可能引發(fā)安全事故，造成人員和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。但尾礦并非一無(wú)是處，金屬尾礦的礦物組成主體是非金屬礦物，可作為非金屬礦產(chǎn)資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。因此，金屬尾礦屬于二次資源。

微晶玻璃是將玻璃和陶瓷兩種制作工藝結(jié)合、在特定環(huán)境下晶化而成的復(fù)合材料，綜合性能主要取決于晶體的種類(lèi)、微晶體的尺寸和數(shù)量、殘余玻璃相的性質(zhì)和數(shù)量等。微晶玻璃是一種高檔建筑裝飾材料，裝飾效果和理化性能均優(yōu)于普通玻璃、瓷磚、花崗巖和大理石板材，并具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹性可調(diào)、抗熱震性好、耐化學(xué)腐蝕、介電損耗低和電絕緣性好等優(yōu)異性能，已廣泛用作建筑材料、機(jī)械力學(xué)材料、光學(xué)材料、電子與航天技術(shù)材料、生物醫(yī)學(xué)材料以及化學(xué)化工材料等，市場(chǎng)前景良好。

微晶玻璃主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、K2O、Na2O等，很多天然巖石和冶金礦渣化學(xué)成分與之相近，可用作制備微晶玻璃的基本原料。利用鐵尾礦制備微晶玻璃，可實(shí)現(xiàn)鐵尾礦的高附加值利用。

1　鐵尾礦性質(zhì)

某鐵尾礦中主要礦物為石英、角閃石、黑云母和磁鐵礦，黃鐵礦、鈉長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、白云母、輝石、綠簾石、石榴子石、電氣石、綠泥石、蛇紋石、方解石、菱鐵礦和磷灰石等少量。主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

從表1可以看出，該鐵尾礦適合用作生產(chǎn)微晶玻璃系列產(chǎn)品的基本原料。

2　組成設(shè)計(jì)

微晶玻璃成分的確定要考慮到制品的性能要求，要保證制品具有良好微觀結(jié)構(gòu)，必須從體系和主晶相的正確選擇開(kāi)始。根據(jù)尾礦的組成，選擇透輝石(CaO·MgO·SiO2) 為制備微晶玻璃的主晶相，鈣長(zhǎng)石等為副晶相，因此把主晶相組成定在透輝石區(qū)、靠近三元低共熔點(diǎn)附近。作為主晶相的重要組成，CaO影響熔體的結(jié)晶能力，MgO影響制品的化學(xué)穩(wěn)定性，Al2O3影響玻璃熔化的難易。SiO2是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面體的結(jié)構(gòu)形成不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，成為玻璃的骨架，R2O(即Na2O+K2O) 可調(diào)節(jié)玻璃料的性能，降低熔化溫度。為使鐵尾礦制備的微晶玻璃具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，確定組成成分CaO、MgO、Al2O3、SiO2、R2O質(zhì)量分別占12%～25%、2%～8%、10%左右、45%～60%、1%～7%。

3　制備工藝

微晶玻璃的制備工藝主要有燒結(jié)法和壓延法。燒結(jié)法工藝比較簡(jiǎn)單，工藝條件要求比較低，目前在國(guó)內(nèi)被廣泛使用。

3.1壓延法

壓延法是通過(guò)控制水淬玻璃的顆粒級(jí)配及加入量制備微晶玻璃的工藝方法。工藝流程：原料處理—粉碎—篩分—配料—均勻混合—熔化—澄清—壓延成型—晶化窯—切割—檢驗(yàn)包裝。優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)量大、成本低，缺點(diǎn)是必須連續(xù)生產(chǎn)，設(shè)備復(fù)雜，產(chǎn)品品種單一，投資大，市場(chǎng)認(rèn)知度低。

3.2燒結(jié)法

燒結(jié)法制備微晶玻璃主要以透輝石和硅灰石為主晶相，主要工藝是配合料制備—玻璃熔融—水淬成粒—粒料分級(jí)—成型—燒結(jié)—冷加工—檢驗(yàn)—成品。優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品品種多，質(zhì)量穩(wěn)定，設(shè)備既可獨(dú)立分成三個(gè)單元進(jìn)行生產(chǎn)，又可連續(xù)化生產(chǎn)，工藝成熟，市場(chǎng)認(rèn)知度高，缺點(diǎn)是成本高、產(chǎn)量低。依據(jù)鐵尾礦的化學(xué)成分組成確定制備微晶玻璃原料配方見(jiàn)表2。

表2　制備微晶玻璃原料配方 %

原料經(jīng)高溫熔融后，水淬得到玻璃粒料，粉碎后放入模具中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)、晶化，最終獲得微晶玻璃。鐵尾礦添加量大時(shí)，玻璃粒料和微晶玻璃呈黑色和紅褐色；添加量小時(shí)，微晶玻璃呈淺褐色。目前，國(guó)內(nèi)鐵尾礦只能制成深顏色的微晶玻璃，限制了其使用范圍。該微晶玻璃比天然石材堅(jiān)硬，不易破損，耐風(fēng)化、耐酸堿性、耐震性強(qiáng)，不吸水，因此不易被污染、不怕凍害，綜合性能優(yōu)于天然石材，性能對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

4　研究方向

鐵尾礦用于制備微晶玻璃的研究方向：

表3　鐵尾礦微晶玻璃與天然石材理化指標(biāo)對(duì)比

注：耐酸性、耐堿性的衡量標(biāo)準(zhǔn)是1%的H2SO4溶液、NaOH溶液中室溫浸泡650h時(shí)的質(zhì)量損失率。

(1)目前鐵尾礦制備微晶玻璃利用率只能達(dá)到50%左右，需進(jìn)一步提高鐵尾礦的整體利用率。

(2)鐵尾礦只能制成深顏色的微晶玻璃，應(yīng)進(jìn)一步研究擴(kuò)大鐵尾礦微晶玻璃的著色范圍，剔除影響著色的因子，加大對(duì)尾礦的利用。

(3)優(yōu)化微晶玻璃組成成分的配比，以制備出性能各異的微晶玻璃，擴(kuò)大鐵尾礦微晶玻璃的應(yīng)用領(lǐng)域。

(4)優(yōu)化制備微晶玻璃工藝流程，簡(jiǎn)化工序，節(jié)約成本。

5　結(jié)　語(yǔ)

國(guó)內(nèi)鐵尾礦是產(chǎn)量和堆存量最大、利用率最低的一類(lèi)工業(yè)固體廢渣，礦山每年不但要花費(fèi)大量的資金用于尾礦壩的維護(hù)管理及新壩的建設(shè)，而且現(xiàn)有的鐵尾礦會(huì)侵占土地，污染土壤和水體，造成揚(yáng)塵，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。鐵尾礦主要化學(xué)成分與微晶玻璃接近，以其為基本原料制造微晶玻璃是利用鐵尾礦途徑之一，但利用率較低、著色范圍窄，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，并積極探索鐵尾礦在其他新領(lǐng)域的應(yīng)用，以改善當(dāng)前我國(guó)鐵尾礦綜合利用較差的現(xiàn)狀。

2016-06-26)

薛路(1983—)，男，助理工程師，255081 山東省淄博市張店區(qū)中埠鎮(zhèn)。