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)

針對我國鐵尾礦堆存量大、危害環(huán)境、綜合利用率低的問題，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。我國尾礦堆存量巨大，僅金屬尾礦堆存量已超過百億噸，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，造成人員和財產(chǎn)的巨大損失。但尾礦并非一無是處，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、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、鈉長石、正長石、斜長石、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

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)法工藝比較簡單，工藝條件要求比較低，目前在國內(nèi)被廣泛使用。

3.1壓延法

壓延法是通過控制水淬玻璃的顆粒級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—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)立分成三個單元進(jìn)行生產(chǎn)，又可連續(xù)化生產(chǎn)，工藝成熟，市場認(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，玻璃粒料和微晶玻璃呈黑色和紅褐色；添加量小時，微晶玻璃呈淺褐色。目前，國內(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，性能對比結(jié)果見表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，簡化工序，節(jié)約成本。

5　結(jié)　語

國內(nèi)鐵尾礦是產(chǎn)量和堆存量最大、利用率最低的一類工業(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)。