利用鐵尾礦制備微晶玻璃試驗研究

南寧 劉萍 孫強強 李春 崔孝煒 趙威 范新會 王之宇 郭家林 劉云鵬

摘? ? ? 要：以商洛鐵尾礦為主要原料，采用燒結法制備CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元體系微晶玻璃。研究了晶化溫度對微晶玻璃抗壓強度、密度和化學穩定性的影響。結果表明，隨著晶化溫度的升高，微晶玻璃的抗壓強度和密度均呈現先增大后降低的趨勢，而耐酸性和耐堿性呈現先降低后增高的趨勢。當晶化溫度為900 ℃，保溫時間為2 h時，制備的微晶玻璃性能最優，其主晶相為透輝石相，抗壓強度為164.75 MPa，密度為2.82 g·cm-3，耐酸質量損失率為0.11%，耐堿質量損失率為0.13%。

關? 鍵? 詞：鐵尾礦;晶化溫度;微晶玻璃;力學性能

中圖分類號：TQ 174? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2199-04

Abstract： A kind of glass ceramics composed of CaO-MgO-Al2O3-SiO2 quaternary system was synthesized with the iron tailings from Shangluo by the sintering process. In this study， the effect of crystallization temperature on compressive strength， density and chemical stability of glass-ceramics was investigated. The results showed that the compressive strength and density of the crystallized glass with the increase of crystallization temperature，while the acid resistance and the alkali resistance first decreased and then increased. When the crystallization temperature was 900 ℃， holding time was 2 h， prepared glass ceramics had optimal performance. As well as， the dominant crystallization phases was diopside， compressive strength， density， mass loss rate of acid-proof and mass loss rate of alkali resistant were 164.75 MPa， 2.82 g·cm-3， 0.11% and 0.13%， respectively.

Key words： Iron tailings; Crystallization temperature; Glass ceramics; Physical properties

礦物質資源對當今社會人們的生產、生活非常重要，它是人類社會發展的物質基礎。礦產業自上世紀60年代開始，以非常快的速度發展擴張開來，但是在生產過程中因為工藝技術的問題，致使大部分礦產資源被浪費掉，導致尾礦大量堆存，尾礦堆存量逐年升高，因此開展尾礦資源綜合利用已經迫在眉睫[1-3]。

微晶玻璃[4-6]其實是一種微晶陶瓷，就是在一定組成的玻璃配方中添加一定量的晶核劑，在熔融條件下進行熔制，從而形成基礎玻璃，這種玻璃由于冷卻速度極快，幾乎全部是非晶組織[7-9]。將這種非晶玻璃在一定的熱處理條件下進行重新析晶，形成大量晶體與少量玻璃相均勻混合的多晶材料[10-12]。從而實現了晶體的轉變，其各方面的性能均優于普通玻璃[13-16]。

本文針對商洛地區大量堆存的鐵尾礦，開展以鐵尾礦為主要原料采用燒結法制備鐵尾礦微晶玻璃研究。主要探究微晶玻璃制備過程中晶化溫度對最終合成的鐵尾礦微晶玻璃的抗壓強度、密度以及化學穩定性的影響，最終確定以鐵尾礦為主要原料采用燒結法制備鐵尾礦微晶玻璃的關鍵工藝參數，變廢為寶，為商洛市乃至整個陜西省鐵尾礦的高值化綜合利用提供技術基礎，對尾礦資源綜合利用具有重要的意義。

1? 實驗部分

1.1? 實驗原材料

實驗主要原料鐵尾礦來自商洛某鐵尾礦尾礦庫，采用XRF分析測試了該鐵尾礦的主要成分，得到鐵尾礦化學成分見表1。

1.2? 基礎玻璃和微晶玻璃的制備

1.2.1? 基礎玻璃的制備

采用球磨機將鐵尾礦研磨至200目以下，按照給定的組分配比進行配料并將其置于混料機中混料3 h，使其混合均勻。將混料放入剛玉坩堝內置于馬弗爐內于1 400 ℃下進行熔制2 h，熔制結束后將坩堝從爐中取出并迅速放入水中進行水淬，水淬之后將樣品取出并在干燥箱中80 ℃下烘干1 h，將烘干的樣品用球磨機研磨至200目以下，得到基礎玻璃粉末。

1.2.2? 微晶玻璃的制備

按照一定比例向基礎玻璃粉中添加助熔劑、成核劑等原料并混合均勻，之后采用粉末成型機壓制成10 mm×10 mm×50 mm的條狀試塊。將條狀試塊放入馬弗爐內在擬定的燒結工藝制度條件下燒制成微晶玻璃樣品，具體工藝流程如圖1所示。

1.3? 分析與測試

采用X射線衍射儀（XPert Powder型，荷蘭帕納科公司）對試樣進行物相結構分析;采用WDW-50型微機控制電子萬能試驗機對試樣進行抗壓強度的測定;采用阿基米德法對試樣進行密度的測定;根據JC/T822-2000“建筑裝飾用微晶玻璃”行業標準，將樣品分別放入1% H2SO4和1% NaOH 的溶液中，放置一定時間，取出經清洗干燥后進行稱重，計算樣品在各自溶液中的失重率以衡量樣品的化學穩定性。

2? 分析與討論

2.1? 鐵尾礦微晶玻璃的物相結構分析

圖2中A，B分別晶化處理溫度為900 ℃，晶化時間2 h條件下合成的基礎玻璃和晶化處理后微晶玻璃的XRD圖譜。

從圖2中可以看出，基礎玻璃XRD圖譜中沒有出現明顯的衍射峰，沒有晶體形成，表明得到的基礎玻璃主要為玻璃相;而經過晶化處理后的微晶玻璃的XRD圖譜中出現了明顯的衍射峰，表明其有晶體形成，出現的特征峰經與標準卡片對比后，發現和透輝石相的特征峰基本吻合，所以經晶化后得到的微晶玻璃主晶相為透輝石相。

2.2? 晶化溫度對抗壓強度的影響

先將基礎玻璃粉末、助熔劑以及成核劑等原料混合均勻后壓制成10 mm×10 mm×50 mm的條狀試塊，之后將其置于馬弗爐內分別在800、850、900、950、1 000 ℃的晶化溫度下保溫2 h，最后隨爐冷卻得到微晶玻璃樣品，檢測抗壓強度，檢測結果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著晶化溫度的升高，鐵微晶玻璃的抗壓強度出現先增大后降低的趨勢，這是因為開始階段隨著溫度的升高，玻璃相開始逐漸轉變為普通輝石和透輝石相，當溫度升高至900 ℃時樣品中玻璃相大量減小，析出大量晶相，使樣品的抗壓強度達到最大值164.75 MPa，之后隨著溫度的持續升高樣品出現裂紋現象使抗壓強度出現降低的趨勢。

2.3? 晶化溫度對密度的影響

采用阿基米德法測試不同晶化溫度（800、850、900、950、1 000 ℃）條件下鐵尾礦微晶玻璃的密度，檢測得出晶化溫度對密度的影響結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著晶化溫度的升高，鐵尾礦微晶玻璃的密度出現先增大后降低的趨勢，在溫度為900 ℃條件下制備的樣品的密度最大，達到2.82 g·cm-3，這是因為在試驗過程中隨著晶化溫度的升高，樣品的晶化程度逐漸提高，晶體內部的分子進行密排堆積，從而使微晶玻璃的真密度提高。但是900 ℃之后隨著溫度的升高樣品中晶粒繼續發育，致使樣品出現裂紋現象，使得樣品的致密性下降，密度降低。

2.4? 晶化溫度對微晶玻璃化學穩定性的影響

根據JC / T822-2000“建筑裝飾用微晶玻璃”行業標準，將不同晶化溫度（800、850、900、950、1 000 ℃）條件下制備的鐵尾礦微晶玻璃樣品分別放入1% H2SO4和1% NaOH 的溶液中，放置一定時間，取出清洗干燥稱重，計算樣品在各自溶液中的失重率來衡量樣品的化學穩定性。

不同晶化溫度條件下制備的鐵尾礦微晶玻璃樣品分別在1% H2SO4和1% NaOH的溶液中腐蝕得到的質量損失率曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，在堿性和酸性條件下隨著晶化溫度的升高鐵尾礦微晶玻璃的質量損失率均呈現出先減少后增大的趨勢，樣品的耐酸性性能要優于耐堿性性能，晶化溫度為900 ℃條件下制備的樣品的化學穩定性最佳，酸性條件下的樣品質量損失率為0.11%，堿性條件下的樣品質量損失率為1.3%。這是因為開始階段隨著溫度的升高，樣品中的玻璃相大量轉變為普通輝石和透輝石相，使其化學穩定性得到提高，之后隨著溫度的繼續升高，樣品中晶粒產生團聚現象，致使樣品出現裂紋等缺陷，從而增大了腐蝕面積，使得樣品的化學穩定性降低。

3? 結? 論

以商洛鐵尾礦為主要原料，采用燒結法制備CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元體系微晶玻璃。探究了晶化溫度對微晶玻璃抗壓強度、密度和化學穩定性的影響。具體結論可以歸納如下幾個方面：

（1）利用商洛地區鐵尾礦，加入適量的添加劑，采用燒結法可以制備出高性能的鐵尾礦微晶玻璃，為同類型的礦山鐵尾礦的再生綜合利用提供了新的途徑;

（2）實驗過程中隨著晶化溫度的升高，制備的鐵尾礦微晶玻璃的抗壓強度和密度均呈現先增大后降低的趨勢，而耐酸性和耐堿性呈現先降低后增高的趨勢。當晶化溫度為900 ℃，保溫時間為2 h時，制備的鐵尾礦微晶玻璃綜合性能最優，其主晶相為透輝石相，抗壓強度高達164.75 MPa，密度為2.82 g·cm-3，耐酸質量損失率為0.11%，耐堿質量損失率為0.13%。

參考文獻：

[1]王海軍， 薛亞洲. 我國礦產資源節約與綜合利用現狀分析[J]. 礦產保護與利用， 2017（02）：1-5.

[2]張景書. 商洛市尾礦資源綜合利用現狀及其對策[J]. 商洛學院學報， 2013， 27（04）：3-7.

[3]呂長征， 彭康， 楊華明. 尾礦制備微晶玻璃的研究進展[J]. 硅酸鹽通報， 2014， 33（09）：2236-2242.

[4]王亞文， 貴永亮， 宋春燕， 等. 高爐渣制備微晶玻璃的研究進展[J]. 礦產綜合利用， 2018（02）：1-6.

[5]劉紅盼， 黃小鳳， 馬麗萍， 等. 工業固廢制備微晶玻璃的研究動態[J]. 現代化工， 2016， 36（01）：33-36.

[6]管艷梅， 孫道勝， 劉開偉， 等. 工業廢物微晶玻璃組分設計和制備工藝的研究進展[J]. 材料導報， 2016， 30（03）：105-108.

[7]Vu D H， Wang K S， Chen J H， et al. Glass-ceramic from mixtures of bottom ash and fly ash[J]. Waste Management， 2012， 32（12）：2306-2314.

[8]李保慶， 郭艷平， 區雪連. 熔融法制備鎢尾礦微晶玻璃的研究[J]. 中國陶瓷， 2017， 53（03）：24-27.

[9]李保慶， 郭艷平， 黨海峰， 等. 晶化溫度對鎢尾礦微晶玻璃析晶性能的影響[J]. 中國陶瓷， 2017， 53（11）：63-68.

[10]廖力. 利用銅礦尾礦制備微晶玻璃試驗研究[J]. 礦產綜合利用， 2017（06）：82-85.

[11]穆小占. 錳方硼石尾礦性能及應用研究[D].河北工業大學，2016.

[12]楊博宇， 張雪峰. 微波加熱法制備尾礦微晶玻璃的研究[J]. 中國陶瓷， 2018， 54（02）：63-67..

[13]李春， 韓茜， 董菁， 等. 商洛井邊溝鐵尾礦渣制備微晶玻璃的試驗研究[J]. 礦產綜合利用， 2016（01）：83-85.

[14]謝春帥， 貴永亮， 胡賓生， 等. ?TiO₂對熔融態高爐渣微晶玻璃析晶及性能的影響[J]. 中國陶瓷， 2016， 52（06）：25-29.

[15]陳維鉛， 高淑雅， 劉杰， 等. 熔融法制備金尾礦微晶玻璃及性能研究[J]. 人工晶體學報， 2014， 43（01）：217-221.

[16] K.C. Vasilopoulos， D.U. Tulyaganov， S. Agathopoulos， et al. Bulk nucleated fine grainedmono-mineral glass-ceramics from low-silica fly ash [J]. Ceramics International， 2009， 35： 555-558.