CN103304141A - 一种利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境技术领域，具体涉及一种利用钢渣和赤泥复合制备的高性能玻璃陶瓷及其制备方法。本发明的一种利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，由如下重量份的原料制备而成：钢渣30~65份、赤泥20~60份、河沙5~15份。其制备方法为：将钢渣、赤泥与河沙均匀混合，采用高温熔融法制备基础玻璃，再由基础玻璃进行热处理得到玻璃陶瓷。本发明采用钢渣和赤泥作为主要原料制备玻璃陶瓷，对钢渣和赤泥进行了废物利用，既减少了钢渣和赤泥堆放的土地成本、堆场建设和维护费用，同时也避免了钢渣和赤泥对周围土地环境、水源和空气的污染，有利于节约土地资源，保护环境。

Description

一种利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于环境技术领域，具体涉及一种利用钢渣和赤泥复合制备的高性能玻璃陶瓷及其制备方法。 

背景技术

中国是世界上最早冶炼铁、钢和使用铁、钢的国家。而如今中国钢铁工业取得了多项世界第一：产量第一、出口量第一、消费量第一，并一跃成为全球钢铁生产大国。日前，中国钢铁工业协会副会长兼秘书长张长富在联合金属主办的2012冶金矿产品国际会议上表示，根据今年1～5月我国钢铁行业的生产情况，预计2012年我国粗钢产量将达7亿吨，钢铁的大量生产将增大钢渣的产量。钢渣是炼钢工业排出的废渣，目前，我国的钢渣排放量约为粗钢产量15%～20%。据资料统计，我国钢渣有效利用率仅为10%左右。但随着钢渣产量的逐年增加，钢渣的利用率却呈下降趋势。大量的钢渣弃置堆积形成渣山，不仅占用了大量的土地，还污染环境，破坏生态景观，给环境和企业带来很大负担。

赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，一般平均每生产1吨氧化铝，附带产生 0.8～1.5吨赤泥。我国作为世界第4大氧化铝生产国，每年产生的赤泥为3000万吨以上。目前，我国赤泥综合利用率仅为4%，累积堆存量达到2亿吨。预计到2015年，赤泥累计堆存量将达到3.5亿吨。世界各国大多数氧化铝厂都是将赤泥堆积或倾入深海。赤泥排放量很大，不仅占用大量土地和耕地，耗费较多的堆场建设和维护费用，而且赤泥中还含有较高的碱，渗滤到周围水体后对环境、水源造成污染。此外，晒干的赤泥形成的粉尘到处飞扬，破坏生态环境，造成环境污染。赤泥如果不经过正确的处理不仅是对资源的一种浪费，也是对环境生态甚至是人们身体健康的一种威胁。大量的赤泥的产生已经对人类的生产、生活造成多方面的直接和间接的影响，所以最大限度的减少赤泥的产量和危害，实现多渠道、大数量的资源化已迫在眉睫。

钢渣和赤泥的堆放不但要占用大量土地，而且极易造成环境污染。到目前为止钢渣的综合利用率不超过10%，赤泥综合利用率仅为4%，因此钢渣和赤泥的利用任务十分艰巨。从钢渣和赤泥的综合利用效益来看，目前钢渣主要是用于道路渣石和回填工程材料、水泥添加料、砌砖等。赤泥主要应用于墙体材料、颜料、金属回收等，经济效益和社会效益都一般。

目前，利用钢渣、赤泥和河沙为原料，复合制备玻璃陶瓷，尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于解决钢渣和赤泥的环境污染问题，变废为宝，提供一种利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷材料及其制备方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，由如下重量份的原料制备而成：钢渣30~65份、赤泥20~60份、河沙5~15份。

优选的，上述利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，由如下重量份的原料制备而成：钢渣50份、赤泥40份、河沙10份。

优选的，上述利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，由如下重量份的原料制备而成：钢渣65份、赤泥30份、河沙5份。

优选的，上述利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，由如下重量份的原料制备而成：钢渣65份、赤泥20份、河沙15份。

上述利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷中，所述钢渣为炼钢产生的水淬或未经水淬的钢渣。

本发明的上述利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

（a）将钢渣、赤泥与河沙按照重量份均匀混合，采用高温熔融法制备基础玻璃；

（b）由基础玻璃进行热处理得到玻璃陶瓷。

其中，上述利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷的制备方法中，所述的步骤（a）为具体为：将重量份数为30~65份的钢渣、20~60份的赤泥与为5~15份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1400℃~1600℃温度1~4h，进行熔化处理；玻璃体在550℃~650℃退火30min至1h后随炉冷却，得到基础玻璃。

其中，上述利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷的制备方法中，所述的步骤（b）为具体为：将基础玻璃成型后于热处理炉中，在800℃~1050℃的条件下保温1h进行烧结析晶的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。

优选的，本发明的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷的方法，详细步骤如下：

（a）将50重量份的钢渣、40重量份的赤泥、10重量份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1550℃保温4h进行熔化处理，然后装入退火炉中，在600℃保温30min后随炉冷却，得到基础玻璃；

（b）将玻璃试样成型后于热处理炉中，在900℃保温1h，进行核化晶化的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。

本发明的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，所用的原料钢渣为炼钢排出的渣，依炉型分为转炉渣、平炉渣、电炉渣。排出量约为粗钢产量的15～20%。钢渣主要由钙、 铁、 硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等。有的地区因矿石含钛和钒，钢渣中也稍含有这些成分。

本发明的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，所用的原料赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，赤泥的主要矿物为文石和方解石，含量为60%~65%，其次是蛋白石、三水铝石、针铁矿，含量最少的是钛矿石、菱铁矿、天然碱、水玻璃、铝酸钠和火碱。具有高钙、高硅而低铁的特点。

本发明的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，所用的原料河沙是天然石在自然状态下，经水的作用力长时间反复冲撞、摩擦产生的，其成份较为复杂、表面有一定光滑性，杂质含量多的非金属矿石。河沙现分为：建筑沙、烘干河沙、天然河沙、河沙4-8目、河沙8-16目、河沙10-20目、河沙20-40目、河沙40-70目、河沙50-100目。本发明所用的河沙，建筑沙、烘干河沙、天然河沙均可以，且从4-100目均可以，河沙在高温下熔化，与钢渣、赤泥的熔化物一起，在高温下相互作用，得到本发明的陶瓷玻璃。

通过本发明制备方法制得的钢渣赤泥玻璃陶瓷可用作建筑装饰材料、工业耐磨损材料及工艺品。

本发明优点： 

1）本发明主要原料钢渣和赤泥都是工业废弃物，在炼钢工业中，大量的钢渣弃置堆积形成渣山，不仅占用了大量的土地，还污染环境，破坏生态景观，给环境和企业带来很大负担；在制铝工业中，泥排放量很大，不仅占用大量土地和耕地，耗费较多的堆场建设和维护费用，而且赤泥中还含有较高的碱，渗滤到周围水体后对环境、水源造成污染。此外，晒干的赤泥形成的粉尘到处飞扬，破坏生态环境，造成环境污染。本发明采用钢渣和赤泥作为主要原料制备玻璃陶瓷，对钢渣和赤泥进行了废物利用，既减少了钢渣和赤泥堆放的土地成本、堆场建设和维护费用，同时也避免了钢渣和赤泥对周围土地环境、水源和空气的污染，有利于节约土地资源，保护环境。

2）本发明主要原料钢渣和赤泥都是工业废弃物，利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，原料成本较低，有利于工业推广。

3）本发明制备工艺简单，有利于工业化大生产。

4）本发明制备的玻璃陶瓷强度高，制备出的玻璃陶瓷产品莫氏硬度值≧6，抗折强度值≧140MPa。

5）本研究采用高温熔融法制备高附加值产品钢渣赤泥玻璃陶瓷，钢渣利用率超过30%，赤泥利用率超过20%，二者的总利用率最高可达90%，相对于目前钢渣的综合利用率不超过10%，赤泥综合利用率仅为4%的情况，大大提高了钢渣和赤泥的利用率，提高了矿渣和赤泥的经济效益和社会效益。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不因此限制本发明。

实施例1：

（a）将50重量份的钢渣、40重量份的赤泥、10重量份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1550℃保温4h进行熔化处理，然后装入退火炉中，在600℃保温30min后随炉冷却，得到基础玻璃；

（b）将玻璃试样成型后于热处理炉中，在900℃保温1h，进行核化晶化的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。

制备出的玻璃陶瓷性能如表1所示：

表1 制备出的玻璃陶瓷性能表

性能	本发明玻璃陶瓷
		密度（g/cm3）	2.7
抗折强度（MPa）	185.22
		莫氏硬度	7
吸水率（%）	＜0.03
		化学稳定性	UA+
放射性	无

实施例2：

（a）将65重量份的钢渣、30重量份的赤泥和5重量份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1600℃温度2h进行熔化处理，然后装入退火炉中，在600℃保温30min后随炉冷却，得到基础玻璃；

（b）将基础玻璃试样成型后于热处理炉中，在1050℃保温1h，进行核化晶化的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。

制备出的玻璃陶瓷性能如表2所示：

表2制备出的玻璃陶瓷性能表

性能	本发明玻璃陶瓷
		密度（g/cm3）	2.5
抗折强度（MPa）	156.26
		莫氏硬度	7
吸水率（%）	＜0.03
		化学稳定性	UA+
放射性	无

实施例3：

（a）将30重量份的钢渣、60重量份的赤泥与10重量份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1500℃温度3h进行熔化处理，然后装入退火炉中，在550℃保温30min后随炉冷却，得到基础玻璃；

（b）将基础玻璃试样成型后于热处理炉中，在800℃保温1h，进行核化晶化的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。

制备出的玻璃陶瓷性能如表3所示：

表3 制备出的玻璃陶瓷性能表

性能	本发明玻璃陶瓷
		密度（g/cm3）	2.6
抗折强度（MPa）	145.86
		莫氏硬度	8
吸水率（%）	＜0.02
		化学稳定性	UA+
放射性	无

实施例4：

（a）将40重量份的钢渣、50重量份的赤泥、10重量份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1400℃温度4h进行熔化处理，然后装入退火炉中，在650℃保温1h后随炉冷却，得到基础玻璃；

（b）将基础玻璃试样成型后于热处理炉中，在1000℃保温1h，进行核化晶化的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。

制备出的玻璃陶瓷性能如表4所示：

表4 制备出的玻璃陶瓷性能表

性能	本发明玻璃陶瓷
		密度（g/cm3）	2.6
抗折强度（MPa）	171.87
		莫氏硬度	8
吸水率（%）	＜0.01
		化学稳定性	UA+
放射性	无

实施例5：

（a）将65重量份的钢渣、20重量份的赤泥、15重量份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1500℃温度1h进行熔化处理，然后装入退火炉中，在550℃保温1h后随炉冷却，得到基础玻璃；

（b）将基础玻璃试样成型后于热处理炉中，在950℃保温1h，进行核化晶化的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。

制备出的玻璃陶瓷性能如表5所示：

表5 制备出的玻璃陶瓷性能表

性能	本发明玻璃陶瓷
		密度（g/cm3）	2.6
抗折强度（MPa）	165.81
		莫氏硬度	7
吸水率（%）	＜0.02
		化学稳定性	UA+
放射性	无

Claims (9)

1.一种利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：钢渣30~65份、赤泥20~60份、河沙5~15份。

2.如权利要求1所述的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：钢渣50份、赤泥40份、河沙10份。

3.如权利要求1所述的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：钢渣65份、赤泥30份、河沙5份。

4.如权利要求1所述的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：钢渣65份、赤泥20份、河沙15份。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷，其特征在于，所述钢渣为炼钢产生的水淬或未经水淬的钢渣。

6.权利要求1所述的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

（a）将钢渣、赤泥与河沙按照重量份均匀混合，采用高温熔融法制备基础玻璃；

（b）由基础玻璃进行热处理得到玻璃陶瓷。

7.如权利要求6所述的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤（a）为：将重量份数为30~65份的钢渣、20~60份的赤泥与为5~15份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1400℃~1600℃温度1~4h，进行熔化处理；玻璃体在550℃~650℃退火30min至1h后随炉冷却，得到基础玻璃。

8.如权利要求6所述的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤（b）为：将基础玻璃成型后于热处理炉中，在800℃~1050℃的条件下保温1h进行烧结析晶的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。

9.如权利要求6所述的利用钢渣和赤泥复合制备的玻璃陶瓷的方法，详细步骤如下：

（a）将50重量份的钢渣、40重量份的赤泥、10重量份的河沙均匀混合，在高温炉中保持1550℃保温4h进行熔化处理，然后装入退火炉中，在600℃保温30min后随炉冷却，得到基础玻璃；

（b）将玻璃试样成型后于热处理炉中，在900℃保温1h，进行核化晶化的热处理工艺，然后冷却得到玻璃陶瓷。