CN103864309A - 利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法，包括以下步骤：配料：由以下重量份的成分组成原料：铁尾矿35～40份，石英20～25份，碳酸镁10～12份，氧化铝13～15份，氧化钙3～4份，氧化钛6～7份，氧化硼3～5份，氧化锑1份；将原料混合后于1450～1500℃熔融保温，所得玻璃液进行压制成型或压延成型，将板状玻璃退火后于950～1000℃下保温3～5小时，然后降温至室温；得高强耐磨微晶玻璃。该方法是一种以铁尾矿为主要原料、实现整体析晶的CMAS微晶玻璃的制备方法。

Description

利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法

技术领域

本发明涉及一种高强耐磨微晶玻璃的制备方法，特别是一种利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法。

背景技术

我国铁尾矿每年产生数亿吨，污染环境的同时给社会也造成了巨大的压力，不仅占用了大量的耕地，而且干涸后的尾砂、粉煤灰等遇大风形成扬尘。尾矿库、赤泥库等超期或超负荷使用，甚至违规操作，会带来极大安全隐患，对周边地区人民财产和生命安全造成严重威胁，是国家目前亟待解决的难题。迫切需要在实现最大量使用废弃物的同时，解决废渣对生态环境严重破坏等问题。

CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(CMAS)微晶玻璃是比较重要的微晶玻璃体系。由于是四元玻璃体系，因此其相图比较复杂，所能析出的晶相也比通常的三元玻璃体系要多。常见的析出晶体有透辉石[CaO·MgO·2SiO₂]、钙长石[CaO·Al₂O₃·2SiO₂]、堇青石[2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂]、莫来石[3Al₂O₃·2SiO₂]、镁橄榄石等。尤其是堇青石晶相的存在会使其相应的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂体系微晶玻璃具有优良的力学性能，因而受到广泛关注。目前，大部分通过采用工业原料来制备各种性能优异的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃。由于CMAS微晶玻璃中所含有的主要成分大多分布广泛，工业废料特别是铁尾矿中含有这类成分。因此，考虑直接使用铁尾矿作为主要原料，外加一些其他成分来制备CMAS微晶玻璃。这样可以有效地降低生产成本，同时又可以减轻铁尾矿对于生态环境的严重影响。

为了获得性能优异的堇青石基CMAS微晶玻璃，需要所制备的玻璃能够充分地析晶，但是析晶困难是当前CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃面临的一大问题。为了解决这一问题，通常是采用烧结法来制备CMAS微晶玻璃，但是烧结法的不足在于工艺比较复杂，成本较高，且所制备得到的微晶玻璃试样具有表面气孔、裂纹、翘板等缺点，这在一定程度上降低了微晶玻璃的密度、力学性能和使用性能。而采用整体析晶法制备的CMAS微晶玻璃在性能上通常比烧结法制备的微晶玻璃要优异，但又存在析晶速度慢，整体析晶能力不强，不易获得优越性能的堇青石主晶相等问题，所以如何提高CMAS微晶玻璃整体析晶能力以及形成以堇青石为主晶相微晶玻璃是一个亟待解决的技术问题。

现有的利用铁尾矿制备的主要是CaO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃，主晶相为硅灰石或辉石主晶相，一般而言，维氏硬度在5～7GP_a，而抗折强度在100MP_a左右。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法，该方法是一种以铁尾矿为主要原料、实现整体析晶的CMAS微晶玻璃的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法，包括以下步骤：

1）、配料：

由以下重量份的成分组成原料：铁尾矿35～40份，石英20～25份，碳酸镁10～12份，氧化铝13～15份，氧化钙3～4份，氧化钛6～7份，氧化硼3～5份，氧化锑1份；

2）、将原料采用机械球磨的方式进行混合，球磨时间6小时；

3）、将步骤2）所得的混合后原料于1450～1500℃熔融保温3.5～4.5小时（较佳为4小时）；

4）、将步骤3）所得的玻璃液进行压制成型或压延成型，从而制备得到板状玻璃；

5）、将板状玻璃送至退火炉中进行退火，退火温度580℃，退火1小时后随炉冷却；得退火玻璃；

6）、将退火玻璃置入热处理炉中，在950～1000℃下保温3～5小时（较佳为5小时），然后降温至室温；得高强耐磨微晶玻璃。

作为本发明的利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法的改进：

所述配料为：由以下重量份的成分组成原料：铁尾矿37份，石英23份，碳酸镁11份，氧化铝14份，氧化钙4份，氧化钛6份，氧化硼4份，氧化锑1份。

在本发明中，室温是指10～35℃。

本发明的技术优势在于：

1、铁尾矿是一种矿山固体废弃物，将其用于玻璃配合料中可以代替部分石英砂、氧化铝、氧化镁、氧化钙等常规原料，能降低原料成本；

2、铁尾矿取代后可降低玻璃熔制温度，改善熔制条件，按照本发明的配方能提高CMAS微晶玻璃的整体析晶能力，实现100%析晶，即没有玻璃相，全部为结晶相，可通过XRD分析，测量依据为GB/T23413-2009。

3、析出以六方晶相的堇青石（cordierite）为主晶相的微晶玻璃（图1），晶粒大小10微米左右（图2），整体析晶，无玻璃相，外观呈黑色，光泽较好；

4、力学性能好，维氏硬度8.0GPa以上，抗折强度在120MPa以上。

备注说明：该维氏硬度采用维氏硬度计测试，测量依据GB/T4340.1-1999；抗折强度采用万能材料试验机测试，测量依据为GB/T3810.4-2006。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为微晶玻璃的XRD图谱；

图1中，◆Cordierite，ΔTio₂；

图2为微晶玻璃的扫描电镜照片。

具体实施方式

以下份均指重量份。

实施例1、一种利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法，依次进行以下步骤：

1）配料：

由以下重量份的成分组成原料：铁尾矿35份，石英25份，碳酸镁10份，氧化铝15份，氧化钙3份，氧化钛6份，氧化硼5份，氧化锑1份。

2）、将上述原料采用机械球磨的方式进行混合，球磨时间6小时；

3）、将步骤2）所得的混合后原料于1450～1500℃熔融保温4小时；

4）、将熔化后的玻璃液进行压制成型或压延成型，制备得到板状玻璃（长、宽、厚分别为100mm、40mm、5mm）；

5）、将上述板状玻璃送至退火炉中进行退火，退火温度580℃，退火1小时后随炉冷却；得退火玻璃；

6）、将退火玻璃置入热处理炉中，在950～1000℃下保温5小时，然后降温至室温；得高强耐磨微晶玻璃。

制备得到的微晶玻璃产品的主晶相为六方晶相的堇青石，晶粒大小10微米左右，整体析晶，外观呈黑色，光泽较好，维氏硬度≥8.0GPa，抗折强度≥120MPa。

实施例2、一种利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法，

配料为：

由以下重量份的成分组成原料：铁尾矿40份，石英20份，碳酸镁12份，氧化铝13份，氧化钙4份，氧化钛7份，氧化硼3份，氧化锑1份。

制备方法同实施例1。

制备得到的微晶玻璃产品的主晶相为六方晶相的堇青石，晶粒大小10微米左右，整体析晶，外观呈黑色，光泽较好，维氏硬度≥8.2GPa，抗折强度≥125MPa。

实施例3：一种利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法，

配料为：

由以下重量份的成分组成原料：铁尾矿37份，石英23份，碳酸镁11份，氧化铝14份，氧化钙4份，氧化钛6份，氧化硼4份，氧化锑1份。

制备方法同实施例1。

制备得到的微晶玻璃产品的主晶相为六方晶相的堇青石，晶粒大小10微米左右，整体析晶，外观呈黑色，光泽较好，维氏硬度≥8.8GPa，抗折强度≥134MPa。

对比例1、闫欣，李静，YAN Xin，LI Jing,基于鞍山铁尾矿的堇青石系微晶玻璃制备,《辽宁科技大学学报》,2013年2期:113-4；

配料为：SiO₂=53.0％，A1₂O₃=20.0％，MgO=15.0％，TiO₂=5.0％，Fe₂O₃=1.9％，FeO=2.1％。

制备工艺参数为：将混匀的原料在熔制玻璃的熔块炉熔制，升温制度：由室温以15℃／min升温速率升至1150℃，保温1h；以12℃／min升温速率升至1600℃，保温2h。

所得产物性能为：堇青石基微晶玻璃，体积密度2.301g/cm³。

对比例2、

将配料改成铁尾矿37份，石英23份，碳酸镁9份，氧化铝10份，氧化钙12份，氧化钛6份，氧化硼2份，氧化锑1份；

制备方法同实施例1。

所得微晶玻璃性能为：得到的主晶相为透辉石[CaO·MgO·2SiO₂]，维氏硬度为7.5GPa，抗折强度为102MPa。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法，其特征是包括以下步骤：

1）、配料：

由以下重量份的成分组成原料：铁尾矿35～40份，石英20～25份，碳酸镁10～12份，氧化铝13～15份，氧化钙3～4份，氧化钛6～7份，氧化硼3～5份，氧化锑1份；

2）、将原料采用机械球磨的方式进行混合，球磨时间6小时；

3）、将步骤2）所得的混合后原料于1450～1500℃熔融保温3.5～4.5小时；

4）、将步骤3）所得的玻璃液进行压制成型或压延成型，从而制备得到板状玻璃；

5）、将板状玻璃送至退火炉中进行退火，退火温度580℃，退火1小时后随炉冷却；得退火玻璃；

6）、将退火玻璃置入热处理炉中，在950～1000℃下保温3～5小时，然后降温至室温；得高强耐磨微晶玻璃。

2.根据权利要求1所述的利用铁尾矿制备高强耐磨微晶玻璃的方法，其特征是：

所述配料为：

由以下重量份的成分组成原料：铁尾矿37份，石英23份，碳酸镁11份，氧化铝14份，氧化钙4份，氧化钛6份，氧化硼4份，氧化锑1份。

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