CN100551857C - 利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法 - Google Patents

利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法，采用二步法，第一步，采用铁尾矿、铝矾土、碳酸钙和废玻璃为原料制备基础玻璃粉末，对铁尾矿粉碎、细磨后，按重量百分比铁尾矿48～65%、铝矾土5～9%、碳酸钙10～20%、废玻璃15～30%配料；将各物料混合均匀后，熔化焙烧、水淬、研磨，得到玻璃粉末；第二步：制备多孔玻璃陶瓷材料，以重量百分比计，添加占基础玻璃1～5%的碳酸钙、6～10%的磷酸钠、1～3%的无水碳酸钠和1～6%的硼砂后，将混合料研磨混合、模压成型，将该生坯进行高温烧结后冷却至常温，得到产品。产品气孔分布均匀，容重小，抗压强度大。容重为1.5～2.8g/cm3，常温抗压强度为32～60MPa，是良好的保温隔热材料。

Description

利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法
技术领域
本发明属于矿物加工技术领域，具体涉及利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法。
背景技术
多孔玻璃及玻璃陶瓷是20世纪发展起来的崭新材料体系。由于其全无机玻璃的组成和独立封闭的气孔结构，从而赋予了它许多优异的特性。利用廉价的工业固体废弃物，如废玻璃、矿渣、粉煤灰等为原料制备低成本、高质量的多孔玻璃材料已广泛受到人们的重视。
目前，利用工业固体废弃物如废玻璃、煤矸石等为原料制备多孔玻璃材料已有文献报道，但迄今为止，国内外还未见利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的报道。随着钢铁工业的迅速发展，铁矿石尾矿在工业固体废弃物中占的比例也越来越大。据不完全统计，目前我国发现的矿产有150多种，开发建立了8000多座矿山，累计生产尾矿59.7亿吨，其中堆存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近1/3。尾矿不仅占用了大量土地，而且也给人类生产、生活带来了严重污染和危害，现已受到了全社会的广泛关注。同时，随着矿产资源的大量开发和利用，矿石资源日益贫乏，尾矿作为二次资源的再利用问题也已受到世界各国的重视。铁尾矿作为冶金行业的一种废弃物由于其排放量大，利用率低，已对环境造成了较大的污染。因此，无论从经济上还是生态上等方面考虑，都需对铁尾矿进行大量有效的利用。
发明内容
针对现有多孔玻璃复合材料制备技术及铁尾矿利用技术的不足之处，本发明提供一种利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法。
本发明采用二步法制备多孔玻璃复合材料。第一步：采用铁尾矿、铝矾土、碳酸钙和废玻璃为原料，制备基础玻璃粉末。所用铁尾矿的主要化学成分以重量百分比计为SiO260～70％，Fe2O318～25％，其余为CaO、Al2O3、MgO、MnO2和TiO2；用铝矾土(Al2O3含量以重量百分比计为76～85％)、碳酸钙和废玻璃(废玻璃SiO2含量以重量百分比计为67～71％、Na2O含量以重量百分比计为9～15％)调整成分。
工艺步骤如下：
(1)破碎：对粒状铁尾矿用制样机破碎后得到铁尾矿粉；
(2)球磨：对经破碎的铁尾矿粉进行细磨，直至原料粒度达到200目(74μm)以下；
(3)配料：按所要求制备材料的成分和配比进行配料；以重量百分比计，按铁尾矿48～65％、铝矾土5～9％、碳酸钙10～20％、废玻璃15～30％配料。
(4)湿混：将配制好的混合料以无水乙醇为介质进行球磨混合，湿混时间20～24小时；
(5)干燥：将湿混后的料浆放入烘箱中于50～60℃下烘干；
(6)干混：混合料充分烘干后再经球磨干混4～6小时，以确保混合料充分均匀。将所得坯料置于干燥器中保存；
(7)熔化培烧：将干混好的物料装入坩埚中，放入加热炉中熔化焙烧。坩埚采用石墨坩埚，加热炉采用高温箱型电阻炉。熔化温度为1200～1250℃；保温时间为1.5～2小时；升温速率为15～20℃/min；
(8)水淬：将熔融状态的物料取出，放入常温冷水中进行水淬处理；
(9)研磨：将水淬得到的玻璃物料采用制样机破碎后，球磨研磨至粒度145目(105μm)以下，得到玻璃粉末。
第二步：多孔玻璃陶瓷材料的制备。以第一步制备的玻璃粉末为基础原料，以重量百分比计，添加占基础玻璃1～5％的碳酸钙、6～10％的磷酸钠、1～3％的碳酸钠和1～6％的硼砂后，将混合料研磨混合0.5～2h确保混合料充分混合均匀。然后，将混合好的物料单轴向下模压成型，成型压力20～40MPa，保压1～2min。将该生坯放入石墨坩埚中在空气气氛中进行高温烧结。烧结炉采用高温箱型电阻炉。升温、降温过程包括预热、发泡，烧结和冷却阶段。基本升温、降温制度为：以6～8℃/min的速率升温至400～500℃，保温15～25min；以10～12℃/min的速率升温至850～1000℃，保温35～45min；以12～15℃/min的速率升温至1050～1150℃后保温15～25min。降温速率为5～8℃/min，将物料冷却至常温，得到产品。
本发明的产品多孔玻璃复合材料气孔分布均匀，容重小，抗压强度大。该产品生产成本低，属于低密度、高强度材料。容重为1.5～2.8g/cm3，常温抗压强度为32～60MPa，是良好的保温隔热材料。本发明的特点是利用储量巨大、成本低廉的铁尾矿为主要原料，采用两步法制备多孔玻璃陶瓷材料，不仅开辟了制备多孔玻璃陶瓷的新途径，而且为我国铁尾矿无新的废弃和污染且生态化的整体利用提供了一条新途径，也为今后工业规模处理铁尾矿奠定了理论和工艺基础。
具体实施方式
实施例1
采用二步法制备多孔玻璃复合材料。第一步：制备基础玻璃粉末。所用铁尾矿的主要化学成分以重量百分比计为SiO265％，Fe2O322％，其余CaO、Al2O3、MgO、MnO2和TiO2为13％；用铝矾土(Al2O3含量以重量百分比计为82％)、碳酸钙(分析纯)和废玻璃(SiO2含量以重量百分比计为69％，Na2O含量以重量百分比计为11％)调整成分。
其工艺步骤如下：
(1)破碎：对粒状铁尾矿用制样机破碎后得到铁尾矿粉；
(2)球磨：对经破碎的铁尾矿粉进行细磨，直至原料粒度达到200目(74μm)以下；
(3)配料：按所要求制备材料的成分和配比进行配料；以重量百分比计，按铁尾矿56％、铝矾土7％、碳酸钙15％、废玻璃22％配料。
(4)湿混：将配制好的混合料以无水乙醇为介质进行球磨混合，湿混时间22小时；
(5)干燥：将湿混后的料浆放入烘箱中于55℃下烘干；
(6)干混：混合料充分烘干后再经球磨干混5小时，以确保混合料充分均匀。将所得坯料置于干燥器中保存；
(7)熔化培烧：将干混好的物料装入坩埚中，放入加热炉中熔化焙烧。坩埚采用石墨坩埚，加热炉采用高温箱型电阻炉。熔化温度为1220℃；保温时间为1.8小时；升温速率为18℃/min；
(8)水淬：将熔融状态的物料取出，放入常温冷水中进行水淬处理；
(9)研磨：将水淬得到的玻璃物料采用制样机破碎后，球磨研磨至粒度145目(105μm)以下，得到玻璃粉末。
第二步：多孔玻璃陶瓷材料的制备。以第一步制备的玻璃粉末为基础原料，以重量百分比计，添加占基础玻璃5％的碳酸钙、8％的磷酸钠、2％的无水碳酸钠和3％的硼砂后，要求各添加物料的粒度≤200μm，将混合料置于玛瑙研钵中研磨混合1h确保混合料充分混合均匀。然后，将混合好的物料单轴向下模压成型，压成φ15×5mm的小圆坯，成型压力30MPa，保压1.5min。将该生坯放入石墨坩埚中在空气气氛中进行高温烧结。烧结炉采用高温箱型电阻炉。升温、降温过程包括预热、发泡，烧结和冷却阶段。基本升温、降温制度为：以7℃/min的速率升温至450℃，保温20min；以11℃/min的速率升温至950℃，保温40min；以13℃/min的速率升温至1100℃后保温20min。降温速率为6℃/min，将物料冷却至常温，得到产品。
分析结果表明：制得的多孔玻璃复合材料表面光滑，气孔分布均匀，平均直径为0.9mm，容重为1.5g/cm3，抗压强度为60MPa。
实施例2
采用二步法制备多孔玻璃复合材料。第一步：制备基础玻璃粉末。所用铁尾矿的主要化学成分以重量百分比计为SiO270％，Fe2O325％，其余CaO、Al2O3、MgO、MnO2和TiO2为5％；用铝矾土(Al2O3含量以重量百分比计为85％)、碳酸钙(分析纯)和废玻璃(SiO2含量以重量百分比计为71％，Na2O含量以重量百分比计为15％)调整成分。
其工艺步骤如下：
(1)破碎：对粒状铁尾矿用制样机破碎后得到铁尾矿粉；
(2)球磨：对经破碎的铁尾矿粉进行细磨，直至原料粒度达到200目(74μm)以下；
(3)配料：按所要求制备材料的成分和配比进行配料；以重量百分比计，按铁尾矿65％、铝矾土9％、碳酸钙11％、废玻璃15％配料。
(4)湿混：将配制好的混合料以无水乙醇为介质于聚氨酯球磨罐中进行球磨混合，湿混时间24小时；
(5)干燥：将湿混后的料浆放入烘箱中于60℃下烘干；
(6)干混：混合料充分烘干后再经球磨干混6小时，以确保混合料充分均匀。将所得坯料置于干燥器中保存；
(7)熔化培烧：将干混好的物料装入坩埚中，放入加热炉中熔化焙烧。坩埚采用石墨坩埚，加热炉采用高温箱型电阻炉。熔化温度为1250℃；保温时间为2小时；升温速率为20℃/min；
(8)水淬：将熔融状态的物料取出，放入常温冷水中进行水淬处理；
(9)研磨：将水淬得到的玻璃物料采用制样机破碎后，球磨研磨至粒度145目(105μm)以下，得到玻璃粉末。
第二步：多孔玻璃陶瓷材料的制备。以第一步制备的玻璃粉末为基础原料，以重量百分比计，添加占基础玻璃3％的碳酸钙、10％的磷酸钠、1％的无水碳酸钠和1％的硼砂后，将混合料置于玛瑙研钵中研磨混合2h确保混合料充分混合均匀。然后，将混合好的物料单轴向下模压成型，压成φ15×5mm的小圆坯，成型压力40MPa，保压1min。将该生坯放入石墨坩埚中在空气气氛中进行高温烧结。烧结炉采用高温箱型电阻炉。升温、降温过程包括预热、发泡，烧结和冷却阶段。基本升温、降温制度为：以8℃/min的速率升温至500℃，保温15min；以12℃/min的速率升温至1000℃，保温40min；以15℃/min的速率升温至1150℃后保温15min。降温速率为8℃/min，将物料冷却至常温，得到产品。
分析结果表明：制得的多孔玻璃复合材料气孔较密，平均直径为0.6mm，容重为1.96g/cm3，抗压强度为32MPa。
实施例3
采用二步法制备多孔玻璃复合材料。第一步：制备基础玻璃粉末。所用铁尾矿的主要化学成分以重量百分比计为SiO261％，Fe2O320％，其余CaO、Al2O3、MgO、MnO2和TiO2为19％；用铝矾土(Al2O3含量以重量百分比计为76％)、碳酸钙(分析纯)和废玻璃(SiO2含量以重量百分比计为67％，Na2O含量以重量百分比计为9％)调整成分。
其工艺步骤如下：
(1)破碎：对粒状铁尾矿用制样机破碎后得到铁尾矿粉；
(2)球磨：对经破碎的铁尾矿粉进行细磨，直至原料粒度达到200目(74μm)以下；
(3)配料：按所要求制备材料的成分和配比进行配料；以重量百分比计，按铁尾矿48％、铝矾土5％、碳酸钙19％、废玻璃28％配料。
(4)湿混：将配制好的混合料以无水乙醇为介质进行球磨混合，湿混时间20小时；
(5)干燥：将湿混后的料浆放入烘箱中于50℃下烘干；
(6)干混：混合料充分烘干后再经球磨干混4小时，以确保混合料充分均匀。将所得坯料置于干燥器中保存；
(7)熔化培烧：将干混好的物料装入坩埚中，放入加热炉中熔化焙烧。坩埚采用石墨坩埚，加热炉采用高温箱型电阻炉。熔化温度为1200℃；保温时间为1.5小时；升温速率为15℃/min；
(8)水淬：将熔融状态的物料取出，放入常温冷水中进行水淬处理；
(9)研磨：将水淬得到的玻璃物料采用制样机破碎后，球磨研磨至粒度145目(105μm)以下，得到玻璃粉末。
第二步：多孔玻璃陶瓷材料的制备。以第一步制备的玻璃粉末为基础原料，以重量百分比计，添加占基础玻璃1％的碳酸钙、6％的磷酸钠、3％的无水碳酸钠和6％的硼砂后，将混合料置于玛瑙研钵中研磨混合0.5h，确保混合料充分混合均匀。然后，将混合好的物料单轴向下模压成型，压成φ15×5mm的小圆坯，成型压力20MPa，保压2min。将该生坯放入石墨坩埚中在空气气氛中进行高温烧结，烧结炉采用高温箱型电阻炉。升温、降温过程包括预热、发泡，烧结和冷却阶段。基本升温、降温制度为：以6℃/min的速率升温至400℃，保温25min；以10℃/min的速率升温至900℃，保温45min；以12℃/min的速率升温至1050℃后保温25min。降温速率为5℃/min，将物料冷却至常温，得到产品。
分析结果表明：制得的多孔玻璃复合材料表面较光滑，平均直径为0.7mm，容重为2.8g/cm3，抗压强度为50MPa。

Claims (3)

1、利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法，其特征在于采用二步法：
第一步，制备基础玻璃粉末，采用铁尾矿、铝矾土、碳酸钙和废玻璃为原料，首先对粒状铁尾矿破碎后得到铁尾矿粉；对经破碎的铁尾矿粉进行细磨，直至原料粒度达到74μm以下；然后配料，以重量百分比计，按铁尾矿48～65％、铝矾土5～9％、碳酸钙10～20％、废玻璃15～30％配料；将各物料混合均匀后，熔化焙烧，熔化温度为1200～1250℃，保温时间为1.5～2小时，升温速率为15～20℃/min；将熔融状态的物料取出，放入常温水中进行水淬处理；将水淬得到的玻璃物料破碎后，球磨研磨至粒度105μm以下，得到玻璃粉末；
第二步：制备多孔玻璃陶瓷材料，以第一步制备的玻璃粉末为基础原料，以重量百分比计，添加占基础玻璃1～5％的碳酸钙、6～10％的磷酸钠、1～3％的碳酸钠和1～6％的硼砂后，将混合料研磨混合0.5～2h，然后，将混合好的物料模压成型，将该生坯在空气气氛中进行高温烧结，升温、降温过程包括预热、发泡、烧结和冷却阶段，基本升温、降温制度为：以6～8℃/min的速率升温至400～500℃，保温15～25min；以10～12℃/min的速率升温至850～1000℃，保温35～45min；以12～15℃/min的速率升温至1050～1150℃后保温15～25min；降温速率为5～8℃/min，将物料冷却至常温，得到产品。
2、按照权利要求1所述的利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法，其特征在于第一步中物料的混合方法为湿混、干燥、干混，将配制好的混合料以无水乙醇为介质进行球磨混合，湿混时间20～24小时；将湿混后的料浆于50～60℃下烘干；混合料充分烘干后再经球磨干混4～6小时，将所得坯料置于干燥器中保存。
3、按照权利要求1所述的利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法，其特征在于第二步模压成型采用单轴向下模压成型方法，成型压力20～40MPa，保压1～2min。
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