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利用工业废料制备玻璃陶瓷材料的方法
利用工业废料制备玻璃陶瓷材料的方法 摘要: 综述了以工业矿渣和废玻璃为原料制备玻璃陶瓷材料的原理及工艺方法,分析了玻璃陶瓷的组成、结构和性能,讨论了以工业废料为原料制备玻璃陶瓷的发展趋势,最后对该系材料的发展进行了展望。 一 综述概况 长期以来,我国侧重于自然资源(即一次资源)的开发利用,而对废弃物资源的综合开发利用得不到应有的重视。据统计,我国煤矸石、粉煤灰和尾矿渣已累计堆存分别达20亿t、6亿t和40亿t,且分别以每年1.3亿t、1.2亿t和3亿t的产生量持续排放和堆存。其中粉煤灰综合利用率仅为30% ,主要用于水泥原料或筑路、回填等中低技术利用领域,煤矸石与尾矿渣的利用基本处于空白状态。另外,玻璃行业中大量的废弃玻璃亦得不到充分的利用。 因此,寻求整体高附加值利用途径,特别是开发高强、高档,以及低成本的建筑、装饰或工业用耐磨及耐蚀材料,以最大程度地消耗处置这些工业固体废弃物,已成为国内外社会可持续发展和推动清洁生产的优先开发项目。为了更好的利用工业废料,很多学者都进行了深入的研究,利用工业废料为原料制备玻璃陶瓷材料是其中很重要的研究方向。 二 制造玻璃陶瓷材料的工业废料的分类 目前制造玻璃陶瓷材料的工业废料主要有2大类: 工业矿渣和废玻璃。 1 以矿渣为原料制备玻璃陶瓷材料 1.1 矿渣玻璃陶瓷的组成 矿渣玻璃陶瓷的制备包括2个基本过程:首先制备矿渣玻璃及其制品,随后将制品热处理,使得玻璃晶化并转变成玻璃陶瓷。为达到形成玻璃和控制析晶的目的,矿渣玻璃陶瓷的组成一般应含有一定的玻璃形成剂SiO2 、A12O3,B2O3等。同时为使玻璃易于析晶或分相,玻璃陶瓷组成中还应具有离子半径小、场强大的Mg2+、Zn2+等,及作为成核剂的Cr2 O3、、TiO2、磁铁矿等。 此外为了形成目标晶相,玻璃组成中还必须包含适当的组成该晶相的成分,如制备以硅(CaSiO3)为主晶相的矿渣玻璃陶瓷就必须含有较多的CaO。因此,并非所有的矿渣都适合于制造矿渣玻璃陶瓷。到目前为止,已经成功地用于制造矿渣玻璃陶瓷的原料主要是冶金矿渣,这类矿渣一般都含有玻璃陶瓷的主要成分以及一些助熔剂、成核剂,但要制得具有所需工艺性能的玻璃陶瓷,还要根据需要添加一些其他的组分(如石英砂、纯碱等)。 1.2 矿渣玻璃陶瓷的分类 1.2.1 灰石矿渣玻璃陶瓷 硅灰石(β—CaSiO3,)具有典型的链状结构,抗弯强度、抗压强度较高,热膨胀系数较低。CaO—A12O3 一SiO2是硅灰石类玻璃陶瓷的基本系统。CaO含量对玻璃制备和玻璃制品性能有很大的影响,CaO含量高有利于形成硅灰石。以硅灰石为主晶相的玻璃陶瓷在热处理过程中,当晶化温度高于1150℃时会发生β—CaSiO3向α—CaSio3的转变,并随着温度的升高转变加剧,导致玻璃性能的恶化。因此,晶化温度在1080℃ ~1120℃ 比较合适。硅灰石玻璃陶瓷的机械力学性能,耐磨、耐腐蚀性能都比较优越,可以作为耐磨、耐腐蚀的器件用于化学和机械工业中。玻璃陶瓷装饰板强度大、硬度高、热膨胀系数小,具有独特的花纹,适宜作建筑材料。 1.2.2 辉石类玻璃陶瓷 透辉石具有一维链状结构,化学稳定性和耐磨性好,机械强度高。基础玻璃系统有CaO— MgO—Al2O3一SiO2、CaO—MgO—SiO2和CaO—Al2O3一SiO2等。辉石的晶化能力高,其趋向于全面同结晶的性质,使得各种阳离子容易构成晶格,因此对于合成辉石矿渣玻璃陶瓷来说可以采用各种组成的矿渣。由于矿渣成分的复杂性,不易制得晶相单一的玻璃陶瓷。以金沙尾矿为主要原料制得以单项透辉石固溶体Ca(Mg、AI、Fe)Si2O6为主晶相的玻璃陶瓷,莫氏硬度达到8.2,抗弯强度为155.13 kg/mm2 ,耐磨、耐腐蚀性能优越 。以硼镁渣为主要原料也制得了以透辉石和透辉石与钙长石固溶体Ca(Al)(Si、Al)O6 为主晶相的矿渣玻璃陶瓷,由于同时含有几种晶相,使得晶相细小均匀,无微裂纹产生,固溶体的形成增强了玻璃陶瓷的强度,是性能良好的建筑饰面装饰材料,矿渣用量达60% 。 1.2.3 含铁辉石类矿渣玻璃陶瓷 许多矿渣,如钢渣、有色金属或黑色金属的选矿尾矿,铁的含量相当高(FeO+Fe 2O310%)。这类矿渣若除铁后使用,不仅增加了生产和工艺的复杂性,而且也大大降低了矿渣的利用率。辉石的大规模同晶趋向可以使各种离子轻易进入晶格,据此可制备含铁辉石矿渣玻璃陶瓷。含铁辉石组成的玻璃陶瓷最适宜的成核剂是Cr2O3 ,而Cr2O3和氧化铁一起形成尖晶石后在其晶体上析出组成复杂的单斜
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