矿业尾矿微晶玻璃制品的开发利用

童玉

【摘 要】微晶玻璃又叫玻璃陶瓷或结晶化玻璃，是将具有特定组成的玻璃在一定温度下热处理后形成的微晶体和玻璃均匀分布的复合材料。由于具有特定性能晶体的析出，使微晶玻璃在机械强度、表面硬度、热膨胀系数、化学稳定性、光电学性能等方面显现出优异的性能，因而广泛应用于建筑、生物医学、机械工程、电力工程、电子技术、航天技术、核工业、电磁学等领域。为此，本文对矿业尾矿微晶玻璃制品的开发利用进行了详细的分析，以供大家交流探讨。

【关键词】矿业尾矿；微晶玻璃制品；开发利用

文章编号：ISSN1006—656X（2013）12-0097-01

引 言：近年来，利用矿山尾矿制造微晶玻璃，得到了迅速发展，在玻璃工 业生产中已成功利用多种尾矿制造出微晶玻璃，用作建筑装饰材料或耐磨、耐蚀 材料等。因此，我国非常重视尾矿微晶玻璃的开发研究。

一、微晶玻璃的结构特征与制备工艺

（一）微晶玻璃的结构特征

微晶玻璃由结晶相和玻璃相组成。结晶相是多晶结构，晶粒细小，比一般结晶材料的晶粒小得多。在晶体之间分布着残存的玻璃相，玻璃相把数量巨大、粒度细微的晶粒结合起来。结晶相的数量一般为50%～90%，玻璃相的数量可从5%到50%。微晶玻璃中晶化后的剩余玻璃相很稳定，无论怎样延长晶化时间也不被消除，在一般条件下也不会析晶。微晶玻璃中结晶相、玻璃 相的分布状态随其比例而变化。当玻璃相所占比例大时，玻璃相分布在晶体网架之间，呈连续网络状；当玻璃相的数量很少时，就以薄膜状态分布在晶体之间。微晶玻璃是晶体同玻璃体的复合材料，其性能主要由析出晶体的种类、晶粒大小、晶相数量以及残存玻璃相的种类和数量决定，而这些因素又取决于玻璃的组成 及热处理制度。微晶玻璃按基础组成，可分为硅酸盐类、铝硅酸盐类、硼硅酸盐类及磷酸盐类5大类。尾矿废渣微晶玻璃一般属于硅酸盐类，其析出的晶体一般主要为钙铝黄长石 （Ca 2A12SiO7）、硅灰石 （CaSiO 3）和透辉石 （CaMg （SiO3）2）。

（二）微晶玻璃的制备工艺

微晶玻璃的生产工艺随产品种类的不同，其具体过程也各有特点。各种微晶玻璃共同的生产流程为 ：配合料制备一玻璃熔融一成型一加工一 热处理（晶化、核化 ）一再加工 。

（1）熔制及成型

微晶玻璃的组成中难熔组分多，一般熔制温度很高。设计配方时，应在不影 响产品性能的前提下调整组成以降低熔制温度。熔制微晶玻璃的熔窑可采用池窖，也可采用坩埚窑。任何玻璃成型方法均适用于微晶玻璃的成型，如吹制、压 制、拉制、压延、离心浇注等。微晶玻璃的液相线温度较高，在熔制及成型的过程中容易产生析晶。为了防止出现这种情况 ，应采取尽量降低液相线温度的措施 ，使成型温度范围高于液相线温度，即在高温低粘度下成型。同时应选择高速成型，使析晶来不及长大。

（2）加工

微晶玻璃的热加工或冷加工应尽可能在结晶前完成 ，因为这时玻璃的硬度小，软化温度低，容易操作。另外，这时进行机械加工，所形成的擦伤还可以在 热处理时得到弥合，不致降低制品强度。

（3）热处理

微晶玻璃的制造工艺一般是先压制或水淬制得基础玻璃，也称原始玻璃，然后再通过一定处理工艺使基础玻璃微晶化。热处理是微晶玻璃产生预定晶相和玻璃相的关键工序，微晶玻璃的结构取决于热处理时的温度制度。热处理时，玻璃 中先后发生分相、晶核形成、晶体生长、二次结晶生长等过程。对于不同种类的微晶玻璃，上述各过程进行的方式也不同，所以每种微晶玻璃都有特殊的热处理制度。各种热处理制度可以归纳为阶梯温度制度和等温温度制度两种类型 。

（4）再加工

微晶玻璃可根据制品精度的要求进行研磨抛光，也可采用表面涂层及离子交 换的方法加以强化。

二、微晶玻璃的制备技术

微晶玻璃的制备技术根据其所用原料的种类、特性的性能要求而变化， 主要有熔融法、烧结法、二次成型工艺、强韧化技术等， 对于尾矿废渣微晶玻璃而言， 其制备技术以前两者为主。

（一）熔融法

熔融法制备微晶玻璃是传统的方法， 将配合料在高温下熔制为玻璃后直接成型为所需形状的产品， 经退火后在一定温度下进行核化和晶化， 以获得晶粒细小且结构均匀致密的微晶玻璃制品。该法对热处理制度的确定是技术关键。根据各类微晶玻璃的特点， 可将热处理制度分为两类： 阶梯温度制度和等温温度制度。热处理制度一般分两个过程进行， 将退火的玻璃加热至晶核形成温度 T 核， 并保温一定时间， 使其形成大量的晶核， 然后以一定的升温速率至晶体生长温度 T 晶 ， 保温一定时间后，可形成晶粒细小且结构均匀、致密的微晶玻璃。

（二）烧结法

烧结法是将熔制玻璃粒料与晶化分两次完成。首先将配合料经高温熔制为玻璃后， 再以水淬冷，使其粉碎为细小颗粒， 成型后采用与陶瓷烧结类似的方法， 玻璃粉在半熔融状态下致密化并成核析晶。

烧结法的优点为： ①该法制备微晶玻璃不需经过玻璃成形阶段； 因此适于极高温熔制的玻璃以及难于形成玻璃的微晶玻璃的制备； ②由于晶化与小块玻璃的粘结同时进行， 因此不易炸裂。烧结法生产的产品成品率高、晶化时间短、节能、产品厚度可调， 可方便地生产出异型板材和各种曲面板， 并具有类似天然石材的花纹， 更适于工业化生产；③由于颗粒细小， 表面积增加， 比熔融法制得的玻璃更易于晶化， 可不加或少加晶核剂。相对于熔融法而言， 烧结法的缺点是产品中存在气孔， 导致生产中的成品率降低。

三、 尾矿微晶玻璃的开发与利用

目前， 用铁尾矿制备微晶玻璃的成功例子主要限于高硅铁尾矿（SiO2 > 70%） 利用低硅铁尾矿制备微晶玻璃， 可以为低硅铁尾矿的综合利用开辟一个新的途径。

（一） 实验原料与方法

（ 1） 实验原料

以铁矿的尾矿作为主要原料， 尾矿直接取自现场流程， 对尾矿进行的多元素化学分析结果见下表。

其它主要原料有： 生石灰、碱式碳酸镁、硼酸、碳酸钡、碳酸钠、碳酸钾等。

（ 2） 实验方法

实验采用烧结法， 实验工艺流程见下图。

（二）实验结果与讨论

通过对低硅铁尾矿成分的研究， 选择微晶玻璃的主晶相为透辉石， 在低硅铁尾矿中添加适量的氧化镁， 使其成为CaO- Al2 O3 - MgO- SiO2 系统。在相图的基础上， 确定基础玻璃的组成设计， 使尾矿的利用率达到 60%； 最终确定的低硅铁尾矿微晶玻璃组成范围为（ w t% ） ： SiO2 50～ 60， Al2 O36～ 9， CaO 8～13， MgO 7～ 10， Fe2 O3 / FeO 2～5， R2 O 3～ 8， B 2 O 3 0～ 4， Sb2 O3 0～ 1， BaO 0～1， 晶核剂 2～ 6。

四、结束语

总之，随基础理论研究的深入和制备工艺的改进，开发出成本低、能耗少、性能优良，功能多样的尾矿微晶玻璃将是必然的发展趋势，利用尾矿制备微晶玻璃的前景将越来越广阔。

参考文献：

[1] 梁忠友.复合矿渣微晶玻璃的研究 [J] .现代技术陶瓷， 1998， 3.

[2] 刘殖.用金矿尾矿生产微晶玻璃研究[J]. 非金属矿，2007，30.