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尾礦微晶玻璃研究進展概述

來源:職稱閣分類:電子論文 時間:2019-08-27 14:18熱度:

  介紹了微晶玻璃的定義、性能特點及其制備工藝,對鐵尾礦、金尾礦等尾礦制備微晶玻璃研究進展進行綜述。已有研究表明,利用尾礦制備微晶玻璃是可行的,可獲得性能較好的微晶玻璃;尾礦的加入量也較高,可實現尾礦資源的二次利用。由于尾礦成分復雜,目前對尾礦制備微晶玻璃中助溶劑、晶核劑的加入量以及晶化機理的研究較少,還有待進一步研究。

尾礦微晶玻璃研究進展概述

  關鍵詞:尾礦;微晶玻璃;核化;晶化;制備工藝

  微晶玻璃又稱陶瓷玻璃,是普通玻璃在合適的熱處理條件下獲得的一種多晶固體材料,具有玻璃和陶瓷的雙重性能,是一種綜合玻璃,被認為是一種具有很好發展前景的新型固體材料[1-2]。與普通玻璃無規則的結構相比,微晶玻璃原子排列近程有序。因此,微晶玻璃具有較高的機械強度和硬度,并具有絕緣性能好,熱膨脹系數可調,化學穩定性好,耐腐蝕等優良性能。在建筑裝飾、電子、能源、生物醫療以及軍事等諸多領域都有廣泛的應用[3-7]。

  目前,中國尾礦存儲量巨大,并且還在不斷增長。尾礦作為一種工業固體廢棄物的同時,也是一種可以進行二次再利用的資源。尾礦中通常含有 CaO、SiO2、MgO、Al2O3 等氧化物,如果能對尾礦進行合理的配料,可作為生產微晶玻璃的原料,這樣既能緩解尾礦給社會帶來的壓力,也為制備低成本高性能的微晶玻璃提供一條途徑。

  1 微晶玻璃概述

  1.1 微晶玻璃的特性

  微晶玻璃的性質主要取決于主晶相的種類晶體的大小和數量、以及晶體相和殘余玻璃相的相對比例[8]。按照化學組成可以將微晶玻璃分為5大類:鋁硅酸鹽微晶玻璃、硼酸鹽微晶玻璃、硅酸鹽微晶玻璃、磷酸鹽微晶玻璃以及氟硅酸鹽微晶玻璃。

  微晶玻璃的性能指標要優于同成分的玻璃和陶瓷,綜合了陶瓷和玻璃的雙重性能。以堇青石為代表的MgO-Al2O3-SiO2 系微晶玻璃具有良好的介電性能,可用于絕緣體[9];以鈣長石為代表的 CaO-Al2O3-SiO2 系微晶玻璃具有良好的耐磨性以及耐腐蝕性能,可以在惡劣的環境下使用[10];硼酸鹽微晶玻璃中的鋇鐵氧體具有很好的磁性記錄功能,可用于信息存儲[11]。微晶玻璃還具有易機械加工,熱膨脹系數可調,可光照及可刻蝕等諸多性能,廣泛應用于生產、生活以及國防軍工方面[12]。

  1.2 微晶玻璃的制備工藝

  微晶玻璃的制備方法通常有溶膠-凝膠法、整體析晶法以及燒結法[13]。溶膠-凝膠法可制備性能精密的特種材料,但是其生產周期長,成本高。整體析晶法自動化連續性較好,且可以控制制品的形狀和尺寸。燒結法是應用最為廣泛的一種,其生產流程較短,能耗較低,可進行規模生產,缺點是會出現氣孔裂紋問題。燒結法的制備流程大致為:稱量—混料—高溫熔融—水淬(基礎玻璃)—壓塊成型—熱處理工藝—微晶玻璃。在進行熱處理前,需要用差熱分析儀對基礎玻璃的核化和晶化溫度進行測定。由熱力學的理論可知,處于亞穩態的非晶態玻璃的內能要高于晶態。因此,在合適的溫度下對玻璃進行熱處理,可使其轉變為穩定的結晶態,這就變成了微晶玻璃。

  2 尾礦制備微晶玻璃

  2.1 鐵尾礦微晶玻璃

  閆欣[14]等人對比不添加氧化鐵與添加氧化鐵的效果,探究利用鐵尾礦制備微晶玻璃的可行性,結果表明,利用鞍山地區尾礦高硅高鋁特點,添加一定量的鋁礬和高鈦渣,可以制備出主晶相為堇青石的微晶玻璃。雷巖[15]等人以鐵尾礦、菱鎂石尾礦配以工業鋁礬土為主要原料,添加TiO2 為晶核劑,制備出條狀晶體的堇青石微晶玻璃,尾礦的利用率可以達到70% 以上。韓茜[16]等人以商洛地區鐵尾礦為主要原料,探究燒結溫度對微晶玻璃制品的影響,結果表明,在1 150 ℃燒結時樣品的密度、莫氏硬度以及抗壓強度最好。

  2.2 金尾礦微晶玻璃

  含金礦石經過粉碎,采用懸浮法將黃金提取后剩下的廢渣就是金尾礦。金尾礦中通常含有Al2O3、CaO、SiO2 等氧化物,對金尾礦進行合理配料可以生產微晶玻璃。陳維鉛[17]等人以陜西地區金尾礦為原料,采用高溫熔融法制備了以輝石和透輝石為主晶相的微晶玻璃,在850~1 000 ℃內,晶化溫度的升高有助于結晶性能和晶體形貌的改善,當核化溫度為820 ℃,晶化溫度為950 ℃時,所得樣品的機械性能最好,可以應用于機械工程領域和建筑裝飾行業。

  [18]以焦家金尾礦配以石英砂和石灰石為主要原料,通過控制燒結最高溫度和晶化保溫時間來控制析晶量,如圖1 所示,制備了以硅灰石相為主晶相的微晶玻璃。在制備過程中加入著色劑使得生產出來的微晶玻璃呈現黃、綠和灰多個花色,可用于裝飾行業微晶玻璃板材的工業化生產。尾礦利用率高達60%,資源綜合利用率近90%,降低原料成本30%,綜合成本20%,具有顯著的環境和經濟效益,為金尾礦的再利用提供了一條新的途徑。曹耀華[19]等人以靈湖地區的金尾礦為主要原料,制備出主晶相為硅灰石的微晶玻璃,當核化溫度為892 ℃,晶化溫度為976 ℃時,所得制品性能較好。

  2.3 鎢尾礦微晶玻璃

  中國鎢礦的存儲量居世界首位,但是品位較低,選礦過程中鎢尾礦的產率極高,造成中國鎢尾礦存儲量巨大。鎢尾礦具有高硅、低鐵等特點,可作為微晶玻璃原料,進行有價元素的回收再利用。李保慶[20]等人以廣東地區的鎢尾礦為原料,采用高溫熔融法制備出以β-硅灰石為主晶相的CaO-Al2O3-SiO2系裝飾微晶玻璃,在830 ℃進行核化處理,950 ℃進行晶化處理時,獲得的微晶玻璃各項性能最優,密度為2.82 g/cm3,顯微硬度為527 MPa,抗彎強度可達97.52 MPa,耐酸性和耐堿性也較好,為鎢尾礦的資源化再利用提供了一條新的途徑??锞粗襕21]等人以西華山鎢礦的尾礦為主要原料,采用澆注成型晶化法制備微晶玻璃,配料未加晶核劑,因此為表面析晶,主晶相為β-硅灰石。在其研究中,基礎玻璃最佳配比為:SiO2 47%~56%, Al2O3 6%~9%,CaO 15%~30%,MgO 2%~2.5%, K2O 1.3%~2.1%,Na2O 6%~9%。為了獲得整體析晶的微晶玻璃制品,進一步提高微晶玻璃的性能,還應繼續研究添加晶核劑后的最佳原料配比。

  2.4 銅尾礦微晶玻璃

  廖力[22]以高鈣高鐵低硅型的銅尾礦為原料,采用燒結法制備了CaO-MgO-Al2O3-SiO2 四元系的微晶玻璃,其主晶相為透輝石和輝石。該微晶玻璃制品的光澤度、干燥狀態彎曲強度以及水飽和狀態彎曲強度均達到國家標準,可作為建材原料使用。

  劉倩[23]等人以柞水劉家溝銅尾礦為原料添加Cr2O3為晶核劑采用燒結法制備了銅尾礦微晶玻璃。該微晶玻璃制品的密度、莫氏硬度以及抗壓強度均隨著燒結溫度的升高呈現先升高后下降的趨勢,在1 100 ℃燒結時性能最優,如表1 所示。

  匡敬忠[24]等人以江西德興地區的銅尾礦配合以宜春的鉭鈮尾礦為主要原料,添加少量螢石作為晶核劑,制備出熱膨脹性能和熱穩定性較好的β-硅灰石為主晶相的微晶玻璃,研究表明,適當加入CaO 可促進主晶相β-硅灰石的析出,銅尾礦和鉭鈮尾礦的用量可分別達40% 和20%。

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文章名稱:尾礦微晶玻璃研究進展概述

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