微晶玻璃生产工艺设计

1、铁尾矿微晶玻璃生产工艺1.微晶玻璃概述微晶玻璃(CRYSTOE and NEOPARIES)又称微晶玉石或陶瓷玻璃。是综合 玻璃，是一种外国刚刚开发的新型的建筑材料，它的学名叫做玻璃水晶。微晶玻 璃和我们常见的玻璃看起来大不相同。 它具有玻璃和陶瓷的双重特性，普通玻璃 内部的原子排列是没有规则的，这也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷 一样，由晶体组成，也就是说，它的原子排列是有规律的。所以，微晶玻璃比陶 瓷的亮度高，比玻璃韧性强。因其可用矿石、工业尾矿、冶金矿渣、粉煤灰、煤 矸石等作为主要生产原料，且生产过程中无污染，产品本身无放射性污染，故又 被称为环保产品或绿色材料。微晶玻璃集中了玻

2、璃、陶瓷及天然石材的三重优点，优於天石材和陶瓷，可 用於建筑幕墙及室内高档装饰，还可做机械上的结构材料，电子、电工上的绝缘 材料，大规模集成电路的底板材料、微波炉耐热列器皿、化工与防腐材料和矿山 耐磨材料等等。是具有发展前途的 21世纪的新型材料。2利用铁尾矿制备微晶玻璃生产工艺2.1生产原料及设备生产原料包括：铁矿尾矿(铁尾矿)、方解石、氧化铝、菱镁矿、纯碱、硼酸、 碳酸钡等。仪器设备采用LCT-2型差热分析仪、日立S-450扫描电镜、D/MAX-3C 型X衍射仪、EDAX 一 9100型能谱分析仪、KZJ5000- I型电动抗折仪等。铁尾矿形貌及成分铁矿尾矿颜色呈青白色，粒度较细，颗粒小于

3、40目，可以清晰观察到尾矿中 含有的晶莹洁白的石英颗粒，尾矿中泥土含量较少，是理想砂质尾矿。该铁矿尾 矿经扫描电镜观察及能谱分析，其尾矿形貌特征见图l，能谱图见图2，成分检测 结果见表1。£/beV化学组成SiO2AL 2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O其他w74.46.258.592.572.441.322.541.90100玻璃系统的确定由表1可见其中主要成分有SiO2、AI2O3、Fe2O3，并且含有一定量的CaO、 MgO、K2O、Na2O。该尾矿中的铁含量过高；在铁矿尾矿成分改性的研究，添 加适量的CaO、MgO，使之形成CaO MgOAl 2O3一 SiO2系统玻

4、璃。并且在玻 璃成分中引入少量的BaO、B2O3，降低高温粘度，有助于降低熔化温度，并加人 少量硫磺，使部分铁转化成硫化亚铁，有助于晶化。2.2晶核剂通过确定尾矿的CaO MgO Al2O3一 SiO2玻璃系统，晶核剂的选择应与基 础玻璃系统密切相关。米用Cr2O3、TiO2做晶核剂。由于铬尖晶石的晶格常数为 ao=8.086X 10-10 m，透辉石晶格常数 a=9.73X 10-1°m,b=8. 89X 10-10 m，c=5.25X 10-10m,其a、b值与铬尖晶石a0相匹配，易在熔体内形成透辉石晶体；TiO2金红石晶格常数3c=8.88X 10-10m与B -硅灰石a=7.

5、94X 10-10m比较接近，易在TiO2周围 形成B -硅灰石。Cr2O3在CaO MgO AI2O3 SiO2玻璃中溶解度较低，不足以形 成大量晶胚，其单独作为晶核剂效果不好；若同时引入 TiO2晶核剂，可以更好地 诱导硅灰石晶体产生，本工艺采用了复舍晶核剂.w(Cr2O3)=1.5%, w(TiO2)=2.5%。 经过试验，最终摸索出一个铁矿尾矿添加量较多的微晶玻璃矿物配方和化学组成 (见表2、3)。表2铁矿尾矿微晶玻璃矿物组成%矿物组成尾矿氧化铝菱镁矿方解石硼酸碳酸钡纯碱w63.32.610.216.12.61.43.8表3铁矿尾矿微晶玻璃化学成分%化学成分SiO2AI2O3B2O2F

6、eO/Fe2O3CaOMgOBaONa2OK2Ow57.17.91.86.512.87.01.44.51.02.3微晶玻璃生产工艺流程微晶玻璃的生产方法主要有两种：压延法和烧结法。压延法由于投资大，工 艺技术复杂，生产成本也比较高，并且对技术装备要求比较高。国内只有两家企 业采用，大多数企业较普遍地采用烧结法。本工艺采用烧结法工艺，其工艺流程 为：配料一混合一熔制一水淬一过筛一铺料一晶化一抛磨一切割一成品。2.4玻璃料的熔制按照表2所示的矿物组成进行配料，混合均匀。将 200mL氧化铝坩埚在升温 前放人硅钼棒电炉中；用3, 4h将炉温升至1300C,开始加料，每间隔20min加料 一次；最后升

7、至1500C恒温0.51 h,使玻璃液澄清；然后将熔融玻璃液进行水 淬，获得制备微晶玻璃所需的玻璃料。2.5差热分析及热处理应用差热分析仪对玻璃粉末进行差热分析，升温速率为 10°C /min，差热曲线 见图3。其转变温度ts大约为720C，因此确定核化温度t恢=tg+50C =770C ；晶化 温度选择最高放热峰1100C，升温速率控制在35C/min，核化恒温1.5 h,晶化 恒温分别为2 h和I h。将水淬后的玻璃料在球磨机中进行破碎，分别经 & 16、20且筛分成3份，按 照细下粗上的顺序铺在碳化硅模板上，每层厚度控制在 58 mm,这样有利于气 泡排出，经抛磨后制品

8、表面无气泡，花纹清晰。t/C图3铁尾矿玻璃粉末差热分析图2.6X衍射分析微晶玻璃应用X Ray仪进行测定，工作电压为35kV，工作电流为25mA,Cu 靶，扫描速度2° /nin ;其XRD图谱见图4和图5。与标准卡片比对，发现图4主品 相结构为CaO ( MgOFeO/Fe2O3) 2(SiO2AI 2O3)，属于混合型的透辉石结构， 典型透辉石结构为CaO - MgO 2SiO2 ；次晶相为硅灰石相CaO SQ2。而图5仅 有混台型的透辉石晶相，而硅灰石相不明显。召80图4经2h晶化理的做晶玻璃 X衍射图200-亠Ah J山山曲|80图5经lh晶化处理的微晶玻璃 X衍射图2.8扫

9、描电镜观察将经过1 h和2 h晶化处理的微晶玻璃板材，用金刚石切锯切取10 mmx 10 mm 试片，进行抛磨；然后采用质量分数为 5%的的HF腐蚀3min;干燥后，进行表面 喷碳。用扫描电子显徽镜观察微晶玻璃的显微结构，其放大倍数为 l500倍在图 6和图7显现出大量柱状晶体。图7中有极少的针状晶体，柱状为透辉石结构，针 状为硅灰石结构，柱状晶体最长为5卩m,针状晶体为2卩m左右。此结果与XRD 结果相一致。图6 1100C晶化处理1h的SEM照片 图7 1100C晶化处理2h的SEM照片 2.8抗折强度及硬度在KZJ5000 1型电动抗折仪上，对微晶玻璃进行抗折强度测量，在HXD 1000

10、型显徽硬度仪上进行硬度测量，所用负荷为100g乍用时间15 s其抗折强度 为50.2MPa，显微硬度平均值为675.4;而大理石和花岗岩的抗折强度只有1719MPa,显微硬度平均值为153.6。3.原料对微晶玻璃的影响3.1晶核剂与基础玻璃之间的相互影响依据铁尾矿的成分将其改性成 CaO MgO Al 2O3一 SiO2玻璃系统后，晶核 剂的选择与基础玻璃的化学组成有很大关系， 也与期望析出的做晶种类有关。 选 择晶核剂时，应考虑其在基础玻璃中有良好的溶解度，晶格常数之间匹配性好， 晶核剂质点扩散活化能要小。本工艺利用C2O3和TiO2复合晶核剂，铬尖晶石与透辉石晶格常数良好匹配。 铬尖晶石的

11、晶格常数为 ao=8.O86X 10-1°m，透辉石晶格常数a=9.73X 10-10 m, b=8.91O-10 m, c=5.25X1O-10 m,其a b值与铬尖晶石a4相匹配，易在熔体内形成 透辉石晶体；TiO2金红石晶格常数3c=8.88X 10-10m与B 一硅灰石a=7.94X 1O-10 m 比较接近，尽管金红石与B硅灰石品格常数不很匹配，TiO2的成核机理是先析出富含钛氧的液相或玻璃相， 在特定的热处理条件下转变成晶相， 最终促进基础 玻璃成核并长大。Cr2O3具有较强的诱导结晶作用，可以大大地促进玻璃晶化。 期望在玻璃熔体中出现以透辉石 (CaOMgO 2SiO)

12、为主晶相。以B 一硅灰石 (CaO SiO2)为次晶相。通过XRD和SEM分析及观察，在其中出现了大量透辉石 晶相，而硅灰石晶相很少，与期望的结果有一些差别.通过对CaO MgO AI2O3一SiO2系统微晶玻璃的研究，只有w(CaO)=15%40%,才能有效产生口一硅灰 石(CaO - SiO2)晶相。若w(CaO)低于15%，无论采用何种晶桉剂和温度制度均较 难产生硅灰石晶相。而本试验中的w(CaO)仅为12.8%，这是导致不能有足够量的 凸。与SiO2形成硅灰石(CaO - SiO2)晶相的主要原因。 3.3利用铁尾矿对微晶玻璃生产的意义1) 利用铁矿尾矿可以生产建筑用微晶玻璃板材，并且铁尾矿利用率在 6