礦渣微晶玻璃的研究現狀及其發展趨勢

摘 要 本文詳細地介紹了各種礦渣微晶玻璃的研究現狀，指出了今后的發展趨勢。

關鍵詞 微晶玻璃，礦渣，發展趨勢

1引言

目前，國內工業廢渣量大、面廣，除少部分廢渣用來做路基、制成水泥外，大部分露天堆放，既占用了土地，還容易造成粉塵污染、泥石流、河道淤塞，磷、氟、重金屬等有害溶出物污染水源、危害環境。因此，開發高附加值產品，最大程度地處置、消耗這些工業固體廢棄物，已成為研究的熱點。

微晶玻璃具有一些特殊的性能，不僅可以替代工業及建筑業的傳統材料，而且將開辟全新的應用領域，可作為結構材料、功能材料、裝飾材料而獲得廣泛應用。

礦渣微晶玻璃作為微晶玻璃領域中的一個重要組成部分，是以各種冶金廢渣、工礦的尾砂和熱電廠的粉煤灰等為主要原料制備的微晶玻璃。礦渣微晶玻璃于1960年由前蘇聯Kitaigorodiski^[1]研制成功，并在1966年開發出第一條輥壓法制備礦渣微晶玻璃的工業化生產線。隨后，世界各國都積極展開了礦渣微晶玻璃的研究開發，我國第一條微晶玻璃生產線于1993年由河南新鄭藝通建材公司建成。

2礦渣微晶玻璃的研究現狀

礦渣微晶玻璃的制備方法主要有熔融法^[2]、燒結法^[3]、壓延法^[4]、澆鑄法^[5]等，目前礦渣微晶玻璃的生產絕大部分采用燒結法?？锞粗业?sup>[6]在充分吸收熔融澆鑄法和燒結法優點的基礎上，提出一種制作尾礦微晶玻璃板的新方法—碎粒壓延法，這是一種通過控制水淬玻璃的顆粒級配及顆粒加入量生產微晶玻璃的工藝。

2.1工業廢渣微晶玻璃

目前，用來制備微晶玻璃的工業廢渣主要有鋼渣^[7]、鐵渣^[8]、鉻渣、鎳渣、磷渣^[9]、灰渣^[10]及復合渣^[11～12]等。

2.1.1金屬冶金廢渣

裴立宅等^[13]以鋼鐵工業廢渣和天然礦物為主要原料，用熔融法制備了CaO-Al₂O₃-SiO₂系玻璃陶瓷，其主晶相為普通輝石[Ca(Mg，Fe，Al)(Si，A_l)2O6]和透輝石[CaMg(SiO₃)₂]，密度達3.02g/cm³，吸水率小于0.04%，抗彎強度可達250MPa。姚強等^[14]采用熔融法制備微晶玻璃材料，探討了鋼渣微晶玻璃中引入ZrO₂對其顯微結構以及性能的影響，實驗表明：添加ZrO₂的鋼渣微晶玻璃的主晶相仍為透輝石，晶粒形貌為顆粒狀；添加ZrO₂對鋼渣微晶玻璃的抗彎性能和顯微結構有顯著影響：隨著ZrO₂添加量的增多，微晶玻璃的抗彎強度和晶相含量先增大后減??；ZrO₂添加量的質量分數為1%時，微晶玻璃具有細晶組織，晶相含量和抗彎強度最高。

肖漢寧等^[15]以鉻渣為主要原料制備了性能良好的微晶玻璃。當鉻渣用量(質量分數)低于50%時，能很好地熔制玻璃；高于50%時，由于玻璃中Cr₂O₃含量過高，玻璃冷卻時易于析晶。當鉻渣用量達到60%時，在玻璃熔體表面存在不混熔的鉻酸鉀鈉(K₃Na(CrO₄)₂)。隨著鉻渣用量的增加，微晶玻璃樣品中殘余Cr₆+的含量相應增加，當鉻渣用量不超過50%時，殘余Cr6+濃度低于國家規定的（0.5mg/L）排放標準。史偉莉等^[16]在實驗室利用鎳渣提鐵同時用熔渣制備了建筑用微晶玻璃。通過適當的配料，利用高溫還原工藝（還原溫度1500～1550℃，還原時間3h）將熔渣中鐵的質量百分數降到0.5%左右。實驗發現：鎳渣微晶玻璃的主晶相為透輝石（CaO·MgO·2SiO₂），晶體形狀為短柱狀。

2.1.2其它廢渣

楊家寬等^[17]利用赤泥和粉煤灰制備微晶玻璃，赤泥的摻量在50%以上，兩種廢渣總的摻量可以達到90%以上。控制基礎玻璃料中的SiO₂質量百分含量在31%～44%、CaO含量在25%～31%，可以獲得熔化溫度低、熔料粘度小的微晶玻璃。經研究發現：最佳核化溫度約為697℃，最佳晶化溫度約為950℃。隨著晶化溫度的升高，赤泥-粉煤灰微晶玻璃主晶相鈣鐵透輝石（CaO（Fe，Mg）SiO₆）進一步長大，次晶相鈣鋁黃長石（Ca₂Al₂SiO₇）開始規律地生長，呈均勻分布的態勢，最終主晶相和其它次晶相均勻地分布在玻璃基體中，形成了致密的微晶結構。

2.2尾礦微晶玻璃

尾礦微晶玻璃研究較多的是利用金礦尾砂^[18]、銅尾礦、鐵尾礦、鉭鈮尾礦、鎢尾礦、高嶺土尾礦等來制備微晶玻璃。

2.2.1金屬尾礦尾砂

郭仁春等^[19]以金礦尾砂、白云石等為原料，Cr₂O₃為成核劑，制成了微晶玻璃及鑄石板材制品。制品中的主晶相是透輝石類固溶體，其它相含量微小。理化性能測試表明，該產品的各項指標均優于天然大理石及花崗巖，適于做建筑材料、化工耐腐蝕材料或冶金、采礦工業用耐磨材料。

陳吉春^[20]以武鋼程潮鐵礦的低硅鐵尾礦為主要原料，以透輝石為主晶相，在尾礦利用率達60%的基礎上，在實驗室成功地制備出了微晶玻璃。低硅鐵尾礦微晶玻璃組成范圍為(wt%)：SiO₂50～60；Al2O₃6～9；CaO8～13；MgO7～10；Fe₂O₃/FeO2～5；R₂O3～8；B₂O₃0～4；Sb₂O₃0～1；BaO0～1；晶核劑2～6。俞建長等^[21]以鉭鈮尾礦為主要原料，采用燒結法制備了硅灰石為主晶相的微晶玻璃，采用CaO-Al₂O₃-SiO₂系統相圖、XRD、DTA、正交試驗法等手段探索出最佳熱處理工藝：基礎玻璃的熔化溫度為1450℃，核化溫度855℃、核化時間3h、晶化溫度920℃、晶化時間2h。尾礦摻入量可達50%，微晶玻璃的晶粒大小為100～300nm，分布均勻，晶相占60%以上。采用XRD和SEM等方法研究微晶玻璃結構，其理化性能優于陶瓷磚、天然花崗石和大理石。

匡敬忠等^[22]以鎢尾礦為主要原料，不添加晶核劑，采用澆注成形晶化法制備出尾礦微晶玻璃，其主晶相為β-硅灰石，鎢尾礦的用量為55%～75%。

2.2.2其它尾礦尾砂

陳國華等^[23]利用廣西北海的高嶺土尾礦，采用燒結法，在950℃以下低溫燒結2h，制備了較低介電常數和線脹系數的α-堇青石微晶玻璃。配方為（wt%）：尾礦53.2；氧化鎂18.0；氧化鋁16.0；氧化鈰4.4；其它8.4。尾礦的利用率達50%以上。

3礦渣微晶玻璃的發展趨勢

目前，礦渣微晶玻璃的研究還需解決以下幾個問題：（1）擴大礦渣微晶玻璃應用領域。目前研究的礦渣微晶玻璃大多屬于CaO-Al₂O₃-SiO₂體系，今后需根據礦渣的實際組成，選擇新型體系，以制備出性能各異的微晶玻璃，擴大其應用領域；（2）繼續進行礦渣微晶玻璃的基礎理論研究：深入徹底地研究各種組分對燒結過程及晶化機理的影響；研究玻璃顆粒的尺寸及熱處理工藝對礦渣微晶玻璃致密度的影響等。另外，加強晶核劑對礦渣微晶玻璃晶化機理的系統研究，引入多種易熔組分，降低玻璃的熔制溫度，達到節能和工業化生產的目的；（3）參考國外原料公司的先進做法，對各種礦渣進行分類和分級處理，使礦渣成為成分穩定、粒度分級的真正商品化的二次原料資源基地；（4）加大復合渣微晶玻璃的深入研究，實現多種礦渣的優勢互補，從而在保證微晶玻璃質量的前提下增加吃渣量；（5）實現礦渣微晶玻璃材料設計的智能化。根據人工智能原理，結合神經網絡技術和專家系統理論，建立礦渣微晶玻璃材料設計專家系統，以克服傳統反復試驗法效率低下的缺點，提高礦渣微晶玻璃材料設計的智能化水平^[24～27]。

4結語

工業廢渣和礦業尾礦是固體廢棄物的主要類型，同時又是一種巨大的潛在資源。利用各種廢渣制備高附加值的微晶玻璃不僅為綜合治理環境開辟了一條嶄新的途徑，還可以產生可觀的環境效益、經濟效益和社會效益。因此，礦渣微晶玻璃有著廣闊的發展和應用前景。

參考文獻

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Research Situation and Development Trend of Slag Glass-ceramics

Liu Hongjuan Ren Fujian Li Yiman

(College of Material Science and Chemical Engineering，China University of Geosciences Wuhan 430074)

Abstract: The research situation of varieties of slag glass-ceramics was introduced in detail，and its development trend was also pointed out.

Keywords: glass-ceramics，slag，development trend