礦業尾礦微晶玻璃制品的開發利用

童玉

【摘 要】微晶玻璃又叫玻璃陶瓷或結晶化玻璃，是將具有特定組成的玻璃在一定溫度下熱處理后形成的微晶體和玻璃均勻分布的復合材料。由于具有特定性能晶體的析出，使微晶玻璃在機械強度、表面硬度、熱膨脹系數、化學穩定性、光電學性能等方面顯現出優異的性能，因而廣泛應用于建筑、生物醫學、機械工程、電力工程、電子技術、航天技術、核工業、電磁學等領域。為此，本文對礦業尾礦微晶玻璃制品的開發利用進行了詳細的分析，以供大家交流探討。

【關鍵詞】礦業尾礦；微晶玻璃制品；開發利用

文章編號：ISSN1006—656X（2013）12-0097-01

引 言：近年來，利用礦山尾礦制造微晶玻璃，得到了迅速發展，在玻璃工 業生產中已成功利用多種尾礦制造出微晶玻璃，用作建筑裝飾材料或耐磨、耐蝕 材料等。因此，我國非常重視尾礦微晶玻璃的開發研究。

一、微晶玻璃的結構特征與制備工藝

（一）微晶玻璃的結構特征

微晶玻璃由結晶相和玻璃相組成。結晶相是多晶結構，晶粒細小，比一般結晶材料的晶粒小得多。在晶體之間分布著殘存的玻璃相，玻璃相把數量巨大、粒度細微的晶粒結合起來。結晶相的數量一般為50%～90%，玻璃相的數量可從5%到50%。微晶玻璃中晶化后的剩余玻璃相很穩定，無論怎樣延長晶化時間也不被消除，在一般條件下也不會析晶。微晶玻璃中結晶相、玻璃 相的分布狀態隨其比例而變化。當玻璃相所占比例大時，玻璃相分布在晶體網架之間，呈連續網絡狀；當玻璃相的數量很少時，就以薄膜狀態分布在晶體之間。微晶玻璃是晶體同玻璃體的復合材料，其性能主要由析出晶體的種類、晶粒大小、晶相數量以及殘存玻璃相的種類和數量決定，而這些因素又取決于玻璃的組成 及熱處理制度。微晶玻璃按基礎組成，可分為硅酸鹽類、鋁硅酸鹽類、硼硅酸鹽類及磷酸鹽類5大類。尾礦廢渣微晶玻璃一般屬于硅酸鹽類，其析出的晶體一般主要為鈣鋁黃長石 （Ca 2A12SiO7）、硅灰石 （CaSiO 3）和透輝石 （CaMg （SiO3）2）。

（二）微晶玻璃的制備工藝

微晶玻璃的生產工藝隨產品種類的不同，其具體過程也各有特點。各種微晶玻璃共同的生產流程為 ：配合料制備一玻璃熔融一成型一加工一 熱處理（晶化、核化 ）一再加工 。

（1）熔制及成型

微晶玻璃的組成中難熔組分多，一般熔制溫度很高。設計配方時，應在不影 響產品性能的前提下調整組成以降低熔制溫度。熔制微晶玻璃的熔窯可采用池窖，也可采用坩堝窯。任何玻璃成型方法均適用于微晶玻璃的成型，如吹制、壓 制、拉制、壓延、離心澆注等。微晶玻璃的液相線溫度較高，在熔制及成型的過程中容易產生析晶。為了防止出現這種情況 ，應采取盡量降低液相線溫度的措施 ，使成型溫度范圍高于液相線溫度，即在高溫低粘度下成型。同時應選擇高速成型，使析晶來不及長大。

（2）加工

微晶玻璃的熱加工或冷加工應盡可能在結晶前完成 ，因為這時玻璃的硬度小，軟化溫度低，容易操作。另外，這時進行機械加工，所形成的擦傷還可以在 熱處理時得到彌合，不致降低制品強度。

（3）熱處理

微晶玻璃的制造工藝一般是先壓制或水淬制得基礎玻璃，也稱原始玻璃，然后再通過一定處理工藝使基礎玻璃微晶化。熱處理是微晶玻璃產生預定晶相和玻璃相的關鍵工序，微晶玻璃的結構取決于熱處理時的溫度制度。熱處理時，玻璃 中先后發生分相、晶核形成、晶體生長、二次結晶生長等過程。對于不同種類的微晶玻璃，上述各過程進行的方式也不同，所以每種微晶玻璃都有特殊的熱處理制度。各種熱處理制度可以歸納為階梯溫度制度和等溫溫度制度兩種類型 。

（4）再加工

微晶玻璃可根據制品精度的要求進行研磨拋光，也可采用表面涂層及離子交 換的方法加以強化。

二、微晶玻璃的制備技術

微晶玻璃的制備技術根據其所用原料的種類、特性的性能要求而變化， 主要有熔融法、燒結法、二次成型工藝、強韌化技術等， 對于尾礦廢渣微晶玻璃而言， 其制備技術以前兩者為主。

（一）熔融法

熔融法制備微晶玻璃是傳統的方法， 將配合料在高溫下熔制為玻璃后直接成型為所需形狀的產品， 經退火后在一定溫度下進行核化和晶化， 以獲得晶粒細小且結構均勻致密的微晶玻璃制品。該法對熱處理制度的確定是技術關鍵。根據各類微晶玻璃的特點， 可將熱處理制度分為兩類： 階梯溫度制度和等溫溫度制度。熱處理制度一般分兩個過程進行， 將退火的玻璃加熱至晶核形成溫度 T 核， 并保溫一定時間， 使其形成大量的晶核， 然后以一定的升溫速率至晶體生長溫度 T 晶 ， 保溫一定時間后，可形成晶粒細小且結構均勻、致密的微晶玻璃。

（二）燒結法

燒結法是將熔制玻璃粒料與晶化分兩次完成。首先將配合料經高溫熔制為玻璃后， 再以水淬冷，使其粉碎為細小顆粒， 成型后采用與陶瓷燒結類似的方法， 玻璃粉在半熔融狀態下致密化并成核析晶。

燒結法的優點為： ①該法制備微晶玻璃不需經過玻璃成形階段； 因此適于極高溫熔制的玻璃以及難于形成玻璃的微晶玻璃的制備； ②由于晶化與小塊玻璃的粘結同時進行， 因此不易炸裂。燒結法生產的產品成品率高、晶化時間短、節能、產品厚度可調， 可方便地生產出異型板材和各種曲面板， 并具有類似天然石材的花紋， 更適于工業化生產；③由于顆粒細小， 表面積增加， 比熔融法制得的玻璃更易于晶化， 可不加或少加晶核劑。相對于熔融法而言， 燒結法的缺點是產品中存在氣孔， 導致生產中的成品率降低。

三、 尾礦微晶玻璃的開發與利用

目前， 用鐵尾礦制備微晶玻璃的成功例子主要限于高硅鐵尾礦（SiO2 > 70%） 利用低硅鐵尾礦制備微晶玻璃， 可以為低硅鐵尾礦的綜合利用開辟一個新的途徑。

（一） 實驗原料與方法

（ 1） 實驗原料

以鐵礦的尾礦作為主要原料， 尾礦直接取自現場流程， 對尾礦進行的多元素化學分析結果見下表。

其它主要原料有： 生石灰、堿式碳酸鎂、硼酸、碳酸鋇、碳酸鈉、碳酸鉀等。

（ 2） 實驗方法

實驗采用燒結法， 實驗工藝流程見下圖。

（二）實驗結果與討論

通過對低硅鐵尾礦成分的研究， 選擇微晶玻璃的主晶相為透輝石， 在低硅鐵尾礦中添加適量的氧化鎂， 使其成為CaO- Al2 O3 - MgO- SiO2 系統。在相圖的基礎上， 確定基礎玻璃的組成設計， 使尾礦的利用率達到 60%； 最終確定的低硅鐵尾礦微晶玻璃組成范圍為（ w t% ） ： SiO2 50～ 60， Al2 O36～ 9， CaO 8～13， MgO 7～ 10， Fe2 O3 / FeO 2～5， R2 O 3～ 8， B 2 O 3 0～ 4， Sb2 O3 0～ 1， BaO 0～1， 晶核劑 2～ 6。

四、結束語

總之，隨基礎理論研究的深入和制備工藝的改進，開發出成本低、能耗少、性能優良，功能多樣的尾礦微晶玻璃將是必然的發展趨勢，利用尾礦制備微晶玻璃的前景將越來越廣闊。

參考文獻：

[1] 梁忠友.復合礦渣微晶玻璃的研究 [J] .現代技術陶瓷， 1998， 3.

[2] 劉殖.用金礦尾礦生產微晶玻璃研究[J]. 非金屬礦，2007，30.