CN103288351A - 一种透辉石相微晶玻璃及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透辉石相微晶玻璃及其制备方法，属于建筑装饰材料制备技术领域。透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：以质量分数计，取金矿尾砂40～70%，石英0～20%，方解石18～35%，硼砂3～8%，ZnO1～3%，TiO₂0～2%，Cr₂O₃0.5～3%，CaF₂0～3%，Na₂SiF₆0～3%，Sb₂O₃0.5～3%；混合后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；将混合料在1200～1500℃下，熔炼2～5h后，然后冷却至900～950℃下，保温0～2h后，冷却至25～30℃，得到透辉石相微晶玻璃。本发明利用金矿尾砂为主要原料，代替化工原料，变废为宝、减少环境污染，降低了微晶玻璃的生产成本。通过本方法制得的微晶玻璃的主晶相为透辉石及其固溶体，使产品的机械强度、耐磨性、耐腐蚀、抗分化性能得到提高。

Description

一种透辉石相微晶玻璃及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑装饰材料制备技术领域，具体涉及一种透辉石相微晶玻璃及其制备方法。

背景技术

微晶玻璃，是在特定组成的基础玻璃中加入晶核剂，经过一定的热处理控制基础玻璃微晶化而制得的一种含有大量微晶相及玻璃相均匀分布的多晶复合固体材料。利用尾砂制备的微晶玻璃具有较高的硬度、耐磨性、抗折强度、耐腐蚀、抗风化、可调的膨胀系数等性能可广泛的应用于建筑装饰、机械工业、化学工业、核工业等领域。

随着现代工业技术的发展，尾矿资源综合利用已成为许多国家解决资源供求矛盾、减轻环境污染压力的重要途径。采矿业的发展，越来越多的矿产资源正在被开采，导致在采矿中产生的废弃物大量排放，带来严重的环境问题和资源浪费问题。金矿尾砂是含金矿石经粉碎，采用浮选法提炼黄金过程中产生的废渣，开发金矿尾砂微晶玻璃是解决上述问题的重要途径。

现有利用金矿尾砂为原料制备微晶玻璃的技术，多采用烧结法和熔融法，这两种制备微晶玻璃的技术，都需要经过基础玻璃熔制和晶化处理两步完成。熔制玻璃需对配合料经高温熔制（1500～1600℃），制备水淬玻璃颗粒或熔块。晶化处理需对所得玻璃试样二次加热（900～1100℃），能耗较高，产品的生产成本提高。而且通过这种方法制备的微晶玻璃中析出的主晶相多为β-硅灰石、长石类晶体，这类晶型析晶温度偏高，增加能耗，进一步提高产品的成本。所得微晶玻璃样品机械强度、耐腐蚀性能较差。公开号为CN101696087A发明专利，公开了一种采用烧结法制备金矿尾砂微晶玻璃，晶化温度为1020～1070℃，样品的抗折强度为60～66MPa，这种微晶玻璃的析晶温度偏高、能耗较大、力学性能较差。因此，现有技术制备未能解决矿渣微晶玻璃能耗较大、成本较高，产品机械性能较差的关键问题，从而影响了尾矿资源开发利用的进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透辉石相微晶玻璃及其制备方法，能够有效利用金矿尾砂资源，解决现有技术中生产能耗大、成本高、产品机械性能差的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种透辉石相微晶玻璃，以质量分数计，包括以下组分：

SiO₂45～60%、Al₂O₃5～20%、CaO10～30%、MgO1～5%、Fe₂O₃1～6%、Na₂O1～4%、K₂O2～4%、TiO₂0～2%、B₂O₃1～3%、ZnO1～3%、Cr₂O₃0.5～3%、CaF₂0～2%、Na₂SiF₆1～3%、Sb₂O₃0.5～1.5%。

一种透辉石相微晶玻璃，以质量分数计，由以下原料组份烧制而成：

金矿尾砂40～70%、石英0～15%、方解石18～35%、硼砂3～8%、ZnO1～3%、TiO₂0～2%、Cr₂O₃0.5～3%、CaF₂0～2%、Na₂SiF₆1～3%、Sb₂O₃0.5～3%。

一种透辉石相微晶玻璃，以质量分数计，由以下原料组份烧制而成：

金矿尾砂60～70%、石英1～12%、方解石20～30%、硼砂3～6%、ZnO1～3%、TiO₂1～2%、Cr₂O₃0.5～2%、CaF₂1～2%、Na₂SiF₆1～3%、Sb₂O₃1～3%。

一种透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）以质量分数计，取以下原料并充分混合：

金矿尾砂40～70%，石英0～20%，方解石18～35%，硼砂3～8%，ZnO1～3%，TiO₂0～2%，Cr₂O₃0.5～3%，CaF₂0～3%，Na₂SiF₆0～3%，Sb₂O₃0.5～3%；混合后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

2）将混合料在1200～1500℃下，熔炼2～5h后，冷却至900～950℃，保温0～2h后，冷却至25～30℃，得到透辉石相微晶玻璃。

所述的透辉石相微晶玻璃的制备方法，以质量分数计，取以下原料并充分混合：

金矿尾砂60～70%、石英1～12%、方解石20～30%、硼砂3～6%、ZnO1～3%、TiO₂1～2%、Cr₂O₃0.5～2%、CaF₂1～2%、Na₂SiF₆1～3%、Sb₂O₃1～3%。

所述的熔炼是将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉进行加热熔炼。

所述的冷却为随炉冷却。

透辉石相微晶玻璃抗折强度为90～164MPa，莫氏硬度为6.0～7.0，体积密度为2.81～2.85g/cm³。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明制备微晶玻璃的方法，利用金矿尾砂为主要原料，代替化工原料，开发二次资源、变废为宝、减少环境污染的同时，降低了微晶玻璃的生产成本，且金矿尾砂中含有一定量的Cr、Fe、Ti等金属元素，主要以金属氧化物的形式存在，它们是制备微晶玻璃良好的晶核剂，因此，减少了配合料中外加的化工晶核剂的用量，其中SiO₂、Al₂O₃这些难熔组分，在金矿尾砂中部分以化合物的形式存在，其熔炼所需温度低于使用纯SiO₂、Al₂O₃粉末所需的温度，因而降低了基础玻璃的熔制温度，从而减小能耗、进一步降低微晶玻璃的生产成本。

本发明采用一步烧成法制备微晶玻璃，将熔制好的玻璃在冷却降温的过程中进行保温处理，实际是对玻璃进一步的晶化处理，从而省去了单独进行晶化处理操作而必须对玻璃进行的的二次加热过程，一步烧成法工艺流程简单，生产周期短，大大降低了能耗，从而降低了产品成本，同时方法简单易行，环境友好，适合工业化大规模生产。

本发明方法制得的微晶玻璃的主晶相为透辉石及其固溶体，使产品的机械强度、耐磨性、耐腐蚀、抗分化性能得到提高。通过性能测试，本发明的微晶玻璃抗折强度为90～164MPa，莫氏硬度为6.0～7.0，体积密度为2.81～2.85g/cm³，说明该微晶玻璃力学性能良好，可作为地板砖、墙体砖、屋顶材料，应用于建筑装饰领域。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的透辉石相微晶玻璃的XRD图谱；

图2为本发明实施例1制备的透辉石相微晶玻璃断裂表面SEM照片；

图3为本发明实施例5制备的透辉石相微晶玻璃的XRD图谱；

图4为本发明实施例5制备的透辉石相微晶玻璃断裂表面的SEM照片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

本实施例所用的主要原料金矿尾砂为陕西省汉阴地区的未经筛选的金矿尾砂。

透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）取未经筛选的金矿尾砂，分析其化学组成（质量分数）为：SiO₂65.93%；Al₂O₃15.25%；CaO2.12%；MgO3.42%；Fe₂O₃5.84%；Na₂O4.06%；K₂O3.08%；TiO₂0.83%；

2）以质量分数计，取以下原料：步骤1）所述的未经筛选的金矿尾砂64.6%，方解石25.8%；硼砂4.0%；ZnO1.6%；TiO₂1%；Cr₂O₃1%；Na₂SiF₆1.2%；Sb₂O₃0.8%。混匀后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

3）将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉在1450℃下，保温熔炼3h，使玻璃液充分熔化，无可见气泡；然后随炉冷却至25℃，得到透辉石相微晶玻璃。

通过分析，获得的微晶玻璃各组成（质量分数）为：SiO₂51.74%；Al₂O₃10.52%；CaO11.73%；MgO1.94%；Fe₂O₃4.67%；Na₂O3.01%；K₂O2.45%；TiO₂1.53%；B₂O₃1.81%；ZnO1.6%；Cr₂O₃1.0%；Na₂SiF₆1.2%；Sb₂O₃0.8%。

参见图1、2，为本实例制备得到的微晶玻璃的XRD衍射图谱和其断裂表面的放大倍数为1000倍的SEM照片，可以看出，本实例制备的微晶玻璃试样的主晶相为透辉石相，但因为没有在冷却的过程中，对玻璃进行保温晶化处理，虽然也制备得到了晶相，但晶相的含量较低，晶体分布不是很均匀，结晶度相对较低；

选取制备的样品进行性能测试，得出试样的抗折强度为90MPa，莫氏硬度为6.0，体积密度为2.81g/cm³，说明该微晶玻璃力学性能较好，可作为地板砖、墙体砖、屋顶材料用于建筑装饰领域。

实施例2

本实施例所用的主要原料金矿尾砂同实施例1中所用金矿尾砂一致。

透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）以质量分数计，取以下原料：实施例1中步骤1）所述的未经筛选的金矿尾砂65%，方解石25%；硼砂4.8%；ZnO1.6%；Cr₂O₃0.8%；Na₂SiF₆1.0%；CaF₂1.0%；Sb₂O₃0.8%。混匀后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

2）将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉在1350℃下，保温熔炼4h，使玻璃液充分熔化，无可见气泡；然后随炉冷却至950℃后，保温0.5h，最后随炉冷却至28℃，得到微晶玻璃样品。

通过分析，获得的微晶玻璃样品中各组成（质量分数）为：SiO₂55.04%；Al₂O₃9.17%；CaO17.56%；MgO2.05%；Fe₂O₃3.96%；Na₂O2.52%；K₂O2.60%；TiO₂0.7%；B₂O₃2.2%；ZnO1.4%；Cr₂O₃0.8%；CaF₂0.5%；Na₂SiF₆1.0%；Sb₂O₃0.5%。

选取制备的样品进行性能测试，得出试样的抗折强度为115MPa，莫氏硬度为6.5，体积密度为2.83g/cm³，说明该微晶玻璃力学性能较好，可作为地板砖、墙体砖、屋顶材料用于建筑装饰领域。

实施例3

本实施例所用的主要原料金矿尾砂同实施例1、2中所用金矿尾砂一致。

透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）以质量分数计，取以下原料：实例1中步骤1）所述的未经筛选的金矿尾砂60.5%，方解石27.8%；硼砂4.6%；ZnO2.6%；Cr₂O₃1.7%；Na₂SiF₆1.74%；Sb₂O₃1.06%。混匀后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

2）将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉在1200℃下，保温熔炼5h，使玻璃液充分熔化，无可见气泡；然后随炉冷却至920℃后，保温1.5h，最后随炉冷却至25℃，得到微晶玻璃样品。

通过分析，获得的微晶玻璃样品的各组成（质量分数）为：SiO₂48.15%；Al₂O₃11.2%；CaO18.6%；MgO1.69%；Fe₂O₃4.08%；Na₂O3.06%；K₂O2.14%；TiO₂0.58%；B₂O₃1.8%；ZnO2.6%；Cr₂O₃1.7%；Na₂SiF₆1.74%；Sb₂O₃0.86%。

选取制备的样品进行性能测试，得出试样的抗折强度为124MPa，莫氏硬度为6.5，体积密度为2.84g/cm³，说明该微晶玻璃力学性能较好，可作为地板砖、墙体砖、屋顶材料用于建筑装饰领域。

实施例4

本实例与实例1、2、3不同之处在于：本实施例利用陕西省汉阴地区筛选金矿尾砂为主要原料，经过筛选的金矿尾砂，除去了影响微晶玻璃性能的细粒泥质部分。

透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）分析经过筛选的金矿尾砂的化学组成（质量分数）为：SiO₂60%；Al₂O₃18%；CaO1.12%；MgO4.83%；Fe₂O₃7.14%；Na₂O3.26%；K₂O4.82%；TiO₂0.83%；

2）以质量分数计，取以下原料：步骤1）所述的经过筛选的金矿尾砂59.5%；方解石27.7%；硼砂5.4%；ZnO2.3%；Cr₂O₃2.6%；Na₂SiF₆1.5%；Sb₂O₃1%。混匀后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

3）将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉在1500℃下保温2h，使玻璃液充分熔化，无可见气泡，然后随炉冷却至900℃后，保温2h进行晶化处理，最后随炉冷却至30℃，得到微晶玻璃样品。

通过分析，获得的微晶玻璃的组成（质量分数）为：SiO₂45%；Al₂O₃14.5%；CaO18.4%；MgO3.37%；Fe₂O₃5.24%；Na₂O2.97%；K₂O2.6%；TiO₂0.62%；B₂O₃2.0%；ZnO2.3%；Cr₂O₃0.5%；Na₂SiF₆1.5%；Sb₂O₃1%。

通过本实施例制备得到的微晶玻璃样品主晶相为透辉石及其固溶体，选取制备的样品进行性能测试，得出试样的抗折强度为138MPa，莫氏硬度为7.0，体积密度为2.84g/cm³。该微晶玻璃硬度较高、机械性能较好，可用于机械工业领域。

实施例5

本实施例所用的主要原料金矿尾砂同实例4中所用金矿尾砂一致。

透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）以质量分数计，取以下原料：取实施例4步骤1）所述的经过筛选的金矿尾砂46.6%；石英13.0%；方解石30.8%；硼砂5.0%；ZnO1.6%；Cr₂O₃1.0%；Na₂SiF₆1.2%；Sb₂O₃0.8%；混匀后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

2）将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉在1350℃下保温3h，使玻璃液充分熔化，无可见气泡，然后随炉冷却至900℃后，保温1h进行晶化处理，最后随炉冷却至25℃，得到微晶玻璃样品。

通过分析，获得基础玻璃的组成（质量分数）为：SiO₂49.6%；Al₂O₃10.0%；CaO20.8%；MgO3.2%；Fe₂O₃3.64%；Na₂O3.0%；K₂O2.7%；TiO₂0.46%；B₂O₃2.0%；ZnO1.6%；Cr₂O₃1%；Na₂SiF₆1.2%；Sb₂O₃0.8%；

参见图3、4，本实例制备得到的微晶玻璃的XRD衍射图谱和其断裂表面的放大倍数为1000倍的SEM照片，可以看出，制备得到的微晶玻璃试样的主晶相为透辉石相，且微晶玻璃试样的晶体分布均匀，多为团聚集合体，结晶度较高。

通过本实施例制备得到的微晶玻璃样品主晶相为透辉石及其固溶体，选取制备的样品进行性能测试，得出试样的抗折强度为164MPa，莫氏硬度为7.0，体积密度为2.85g/cm³。该微晶玻璃硬度较高、机械性能较好，可用于机械工业领域。

实施例6

本实施例所用的主要原料金矿尾砂同实例4中所用金矿尾砂一致。

透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）以质量分数计，取以下原料：取实施例4步骤1）所述的经过筛选的金矿尾砂70.0%；方解石18.0%；硼砂3.0%；ZnO3.0%；TiO₂2.0%；Cr₂O₃1.3%；CaF₂2.2%；Sb₂O₃0.5%；混匀后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

2）将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉在1450℃下保温熔炼3h，使玻璃液充分熔化，无可见气泡，然后随炉冷却至920℃后，保温1h进行晶化处理，最后随炉冷却至25℃，得到微晶玻璃样品。

通过分析，获得的微晶玻璃的组成（质量分数）为：SiO₂46.3%；Al₂O₃20.0%；CaO15.0%；MgO1.0%；Fe₂O₃6.0%；Na₂O1.0%；K₂O2.0%；TiO₂2.0%；B₂O₃1.0%；ZnO1.7%；Cr₂O₃0.5%；CaF₂0.5%；Na₂SiF₆2.0%；Sb₂O₃1.0%；

通过本实施例制备得到的微晶玻璃样品主晶相为透辉石及其固溶体，选取制备的样品进行性能测试，得出试样的抗折强度为99MPa，莫氏硬度为6.3，体积密度为2.85g/cm³。该微晶玻璃硬度较高、机械性能较好，可用于机械工业领域。

实施例7

本实施例所用的主要原料金矿尾砂同实例4中所用金矿尾砂一致。

透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）以质量分数计，取以下原料：取实施例4步骤1）所述的经过筛选的金矿尾砂40.0%；石英5.5%方解石35.0%；硼砂8.0%；ZnO1.0%；TiO₂1.0%，Cr₂O₃3.0%；CaF₂1.0%；Na₂SiF₆2.5%；Sb₂O₃3.0%；混匀后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

2）将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉在1350℃下保温熔炼4h，使玻璃液充分熔化，无可见气泡，然后随炉冷却至950℃后，保温0.5h进行晶化处理，最后随炉冷却至25℃，得到微晶玻璃样品。

通过分析，获得的微晶玻璃样品的组成（质量分数）为：SiO₂60%；Al₂O₃5.0%；CaO10%；MgO5.0%；Fe₂O₃4.5%；Na₂O4.0%；K₂O4.0%；B₂O₃3.0%；ZnO1.0%；Cr₂O₃1.5%；Na₂SiF₆1.5%；Sb₂O₃0.5%；

通过本实施例制备得到的微晶玻璃样品主晶相为透辉石及其固溶体，选取制备的样品进行性能测试，得出试样的抗折强度为109MPa，莫氏硬度为6.3，体积密度为2.85g/cm³。该微晶玻璃硬度较高、机械性能较好，可用于机械工业领域。

实施例8

本实施例所用的主要原料金矿尾砂同实例4中所用金矿尾砂一致。

透辉石相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）以质量分数计，取以下原料：取实施例4步骤1）所述的经过筛选的金矿尾砂46.9%；石英20.0%；方解石19.2%；硼砂3.4%；ZnO1.0%；Cr₂O₃0.5%；CaF₂3.0%；Na₂SiF₆3.0%；Sb₂O₃3.0%；混匀后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

2）将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉在1350℃下保温熔炼4h，使玻璃液充分熔化，无可见气泡，然后随炉冷却至950℃后，保温0.5h进行晶化处理，最后随炉冷却至25℃，得到微晶玻璃样品。

通过分析，获得的微晶玻璃样品的组成（质量分数）为：SiO₂45.5%；Al₂O₃5.0%；CaO30.0%；MgO2.0%；Fe₂O₃1.0%；Na₂O1.0%；K₂O2.0%；B₂O₃1.0%；ZnO3.0%；Cr₂O₃3.0%；CaF₂2.0%；Na₂SiF₆3.0%；Sb₂O₃1.5%；

通过本实施例制备得到的微晶玻璃样品主晶相为透辉石及其固溶体，选取制备的样品进行性能测试，得出试样的抗折强度为127MPa，莫氏硬度为6.24，体积密度为2.82g/cm³。该微晶玻璃硬度较高、机械性能较好，可用于机械工业领域。

综上所述，本发明利用金矿尾砂为主要原料，金矿尾砂中含有一定量的Cr、Fe、Ti等金属元素，主要以金属氧化物的形式存在，它们是制备微晶玻璃良好的晶核剂，因此降低了微晶玻璃的生产成本，同时，SiO2、Al2O3这些难熔组分，在金矿尾砂中部分以化合物的形式存在，其熔炼所需温度低于纯SiO₂、Al₂O₃粉末，因而降低了基础玻璃的熔制温度，从而降低了能耗。

Claims (8)

1.一种透辉石相微晶玻璃，其特征在于，以质量分数计，包括以下组分：SiO₂45～60%、Al₂O₃5～20%、CaO10～30%、MgO1～5%、Fe₂O₃1～6%、Na₂O1～4%、K₂O2～4%、TiO₂0～2%、B₂O₃1～3%、ZnO1～3%、Cr₂O₃0.5～3%、CaF₂0～2%、Na₂SiF₆1～3%、Sb₂O₃0.5～1.5%。

2.一种透辉石相微晶玻璃，其特征在于，以质量分数计，由以下原料组份烧制而成：

金矿尾砂40～70%、石英0～15%、方解石18～35%、硼砂3～8%、ZnO1～3%、TiO₂0～2%、Cr₂O₃0.5～3%、CaF₂0～2%、Na₂SiF₆1～3%、Sb₂O₃0.5～3%。

3.根据权利要求2所述的一种透辉石相微晶玻璃，其特征在于，以质量分数计，由以下原料组份烧制而成：

金矿尾砂60～70%、石英1～12%、方解石20～30%、硼砂3～6%、ZnO1～3%、TiO₂1～2%、Cr₂O₃0.5～2%、CaF₂1～2%、Na₂SiF₆1～3%、Sb₂O₃1～3%。

4.一种透辉石相微晶玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）以质量分数计，取以下原料并充分混合：

金矿尾砂40～70%，石英0～20%，方解石18～35%，硼砂3～8%，ZnO1～3%，TiO₂0～2%，Cr₂O₃0.5～3%，CaF₂0～3%，Na₂SiF₆0～3%，Sb₂O₃0.5～3%；混合后充分研磨，研磨后过60～80目筛，得到混合料；

2）将混合料在1200～1500℃下，熔炼2～5h后，冷却至900～950℃，保温0～2h后，冷却至25～30℃，得到透辉石相微晶玻璃。

5.根据权利要求4所述的透辉石相微晶玻璃的制备方法，其特征在于，以质量分数计，取以下原料并充分混合：

金矿尾砂60～70%、石英1～12%、方解石20～30%、硼砂3～6%、ZnO1～3%、TiO₂1～2%、Cr₂O₃0.5～2%、CaF₂1～2%、Na₂SiF₆1～3%、Sb₂O₃1～3%。

6.根据权利要求4所述的透辉石相微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述的熔炼是将混合料置于氧化铝坩埚中，采用硅碳棒电炉进行加热熔炼。

7.根据权利要求6所述的透辉石相微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述的冷却为随炉冷却。

8.一种根据权利要求4～7中任意一项所述方法制备得到的透辉石相微晶玻璃，其特征在于，透辉石相微晶玻璃抗折强度为90～164MPa，莫氏硬度为6.0～7.0，体积密度为2.81～2.85g/cm³。

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