钢渣—金尾矿复合微晶玻璃的制备及性能研究

GXF360 2017-08-10

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钢渣—金尾矿复合微晶玻璃的制备及性能研究

胡文广崔凯旋王健健郝建林孙明杰

山东省绿色建筑协同创新中心/山东建筑大学材料科学与工程学院山东济南 250101

摘要：本文利用钢渣和金尾矿两种固体废弃物为主要原料，不加入形核剂和助熔剂，采用高温熔融法制备微晶玻璃，并对制备的微晶玻璃进行了DTA和XRD 测试分析。结果表明：在钢渣和金尾矿总量达到90%时仍能得到析晶良好的微晶玻璃，其主晶相为普通辉石，次晶相为透辉石，晶粒形状为颗粒状和块状。当钢渣含量为70%，金尾矿掺量为20%获得的微晶玻璃性能最佳，其抗折强度达到171.7 MPa，密度达到2.8g/cm3，并有较好的化学稳定性。

关键词：钢渣；金尾矿；微晶玻璃；性能分析

我国是世界上钢铁产量最大的国家。每年的钢渣排放量约为粗钢产量的15～20%[1]。金尾矿是金矿石经粉碎选矿或提金工艺后排出的一种固体废渣，钢渣和金尾矿的堆弃给企业以及环境造成了巨大影响。

微晶玻璃(glass-ceramic)机械强度高、热稳定性好、耐磨、耐腐蚀并且无放射性。国内外专家学者对怎样利用钢渣制备微晶玻璃 [2]-[3]和怎样利用金尾矿制备微晶玻璃[4]-[5]进行了研究，但没有发现同时利用钢渣和金尾矿制备微晶玻璃的相关研究。本文创新性的利用钢渣和金尾矿为主料制备全固废微晶玻璃，并且得到的样品机械性能良好，化学性能稳定，可适用于建筑装饰等领域。

1 实验配方设计

钢渣是高钙硅废渣，金尾矿是高硅铝废渣，通过加入其它固体废弃物添加剂调整各含量的平衡，金尾矿中含有部分氧化铁，氧化铁能作为一种晶核剂从而有利于微晶玻璃析晶。从而可以减少外添加剂的用量，提高钢渣和金尾矿的整体用量。本实验优选出6组配方如表1。

表1 主要原料配比(%)

编号钢渣金尾矿添加剂1#855102#8010103#7515104#7020105#6525106#603010

2 实验结果与分析

2.1 核化温度和晶化温度的确定

图1 试样的DTA曲线

图1为六组实验得到的基础玻璃DTA曲线，从中我们可以看出六组样品在650℃～700℃之间有微弱的吸热谷，在800℃～900℃之间有明显的放热峰，前者表示此温度区间可能有晶核形成，后者表示晶粒在此区间长大。所以根据六组基础玻璃的DTA曲线可以初步确定试样的核化温度为680℃，晶化温度为860℃。

2.2 微晶玻璃的物相分析

图2 微晶玻璃的XRD图谱

从图2中可以看出，六组配方制备的微晶玻璃的主晶相都为普通辉石Ca(MgFe)Si2O6，次晶相为透辉石Ca(MgAl)(SiAl)2O6，其中1#和2#样品中还含有镁硅钙石相。随着金尾矿掺量的增加，主晶相和次晶相的析出量都逐渐增加，体系中的部分钙离子会被铝离子和铁离子取代，从而镁硅钙石相Ca3Mg(SiO4)2会逐渐减少，到3#样品时已几乎没有析出。

2.3 性能分析

表2 不同配方微晶玻璃的各项性能

各项性能1#2#3#4#5#6#密度/g·cm-32.42.52.52.82.72.6抗折强度/MPa129.54154.70163.21171.70143.95141.20耐酸性/%0.280.270.250.220.210.19耐碱性/%0.210.220.240.250.280.30

由表2可以看出，抗折强度和密度大小都随着配方的变化先增加后降低，其中4#样品的抗折强度和密度最高，分别达到171.7MPa和2.8g/cm3。1#-6#样品在酸溶液中的质量损失率逐渐较小，而在碱溶液中则规律相反，这是由于随着金尾矿掺加量增加使SiO2含量越来越高，SiO2是一种酸性氧化物，酸性氧化物的含量增加会逐渐降低微晶玻璃的耐碱性和提高微晶玻璃的耐酸性。