毕业论文矿渣微晶玻璃热工艺处理的研究(编辑修改稿)

毕业论文矿渣微晶玻璃热工艺处理的研究(编辑修改稿)内容摘要：

提高抵消了低温制备的节能效益，特别是长时间的热处理过程要比短时间的熔化与澄清来 讲更加耗费能量； (2)生产周期长、成本高且凝胶在烧结过程中有较大的收缩，制品容易变形 [30]，产生裂纹等缺陷； (3)要得到没有絮凝的均匀熔胶也较困难。 其方法主要用于 PbTiO BaTiO SrTONaNbO LiTiO Pb(Zr,Ti)O3 等铁电微晶玻璃，这类材料在功能材料、结构材料、非线性光学领域展示了重要的应用前景和科研价值。 微晶玻璃的应用 （ 1） β－ 锂辉石微晶玻璃与碳化纤维复合材料 ： 强增韧效果，航天方面的新材料。 （ 2） 氧氮微晶玻璃 ： 不需辐射或加入晶核可直接整体微晶化，降低氮 化硅晶体的烧结温度且保持高强度的 β－ 氮化硅结构。 （ 3） 可削云母微晶玻璃 ：层状结构，良好的电绝缘性及耐热性（电子绝缘材料）。 目前广泛应用到电磁炉的炉灶上，凹型微晶玻璃即是指形状呈凹型，类似锅的现状的微晶玻璃。 该微晶XX 科技大学 毕 业 论文 6 玻璃板主要用途目前以大功率商用电磁炉及家庭用电磁炉上用为主。 随着煤气，物价的上升，饮食行业的成本骤增，以及人们对无明火烹饪的理解，家庭电磁炉用户的增加。 凹型微晶玻璃的销量也相应增加。 微晶玻璃是由基础玻璃经控制晶化行为而制成的微晶体和玻璃相均匀分布的新型无机非金属材料。 在成分上与普通玻璃的区别在于它 含有微量晶核剂，可以防止失透、控制晶化过程；在制造工艺上与普通玻璃的区别在于继熔制与成型以后，必须经过晶化处理，并且能控制过冷玻璃液体的成核速率和晶体生长速度，使其在该阶段迅速晶化，制取最大可能数目的微小晶体，以赋予微晶玻璃所需的种种特性，比如较高的机械强度、显著的耐磨与耐腐蚀性能、抗风化能力、可调的热膨胀系数和良好的抗热震性能等，可广泛用于建筑、生物医学、机械工程、电磁应用等领域。 因其特点，国内外又称之为微晶大理石、玻璃陶瓷 (Glassceramic)等。 目前对于微晶玻璃的研究进展很快，尤其是在原料的选 配和性能的改良上，各国学者己作了大量的理论和实验研究。 本文的研究重点是有效利用工业废渣资源作为主要原料制备微晶玻璃，这对于环境保护和二次资源再利用有着很重要的现实意义。 随着世界工业化进程的加快，各种工业废渣的大量排放和堆积已引起了更多地关注。 工业废渣的排放量大面广，目前国内只有少部分废渣用来作为路基、水泥以及一些较低附加值的建材行业中的掺料外，大部分都露天堆放，这不仅占用了土地，而且更容易造成粉尘污染、泥石流、河道淤塞，更甚者会带来磷、氟、重金属等有害溶出物污染水体，危害环境，给人类的生活和生产造成极大的 危害。 因此，如何变废为宝、化害为利，做好二次资源的再利用工作已成为广大学者值得探讨的主要议题。 大量实验研究表明：一般工业废渣的主要成分为钙、硅、镁、铝等元素的氧化物，而事实上这些成分都是构成玻璃和陶瓷的重要组分，只要引入少量辅助原料加以调整，通过控制晶化行为就可以获得各种不同类型、性能优良的微晶玻璃〔目前，已用来开发微晶玻璃的工业废渣种类很多，如高炉矿渣、黄磷渣、粉煤灰、赤泥、铬渣、钢渣等等，这些研究所取得的进步为我们提供了丰富的实践经验和理论基础，为进一步拓宽研究领域、加深理论研究奠定了基础。 目前，利用 工业废渣制备微晶玻璃的研究非常活跃，但因为受地方资源的影响，渣的成分特点及其应用有着极强的地域局限性，这使得渣在其利用方面的研XX 科技大学 毕 业 论文 7 究受到限制，在研究的过程中应把握因地制宜的原则，对于不同类型的渣必须进行不同的配方调整和采取不同的工艺方案。 甘肃省是冶金工业大省，而随之带来的工业废渣的排放问题也是不容忽视的，仅酒泉钢铁公司每年就生产高炉矿渣160 万吨、尾矿渣 150 万吨、钢渣 50 万吨、粉煤灰 50 万吨，总计堆放的废渣在3000 万吨以上。 再如金川公司年生产冶金渣 80 万吨，年利用仅为 10 万吨，其余都露天堆放，累计堆存量达 1000 万吨以上。 由于在废渣利用方面的技术非常贫乏，目前尚无很有效的利用途径。 矿渣微晶玻璃 以矿渣为主要原料，辅以其它化工原料，采用熔融一浇注一微晶化工艺制备了矿渣微晶玻璃。 随着工业的发展，各种矿渣大量排放，愈来愈引起人们对工业废渣综合利用、环境保护和资源再循环问题的关注。 综合利用矿渣资源，研究开发高附加值的微晶玻璃装饰材料，对节约能源，变废为宝，改善环境，提高经济效益和社会效益具有重要意义。 矿渣微晶玻璃的分类 粉煤灰微晶玻璃 粉煤灰主要来源于燃煤电厂，从化学成分来看 , 粉煤灰中的 SiO2 和 Al2O3 含量相对较高。 根据其化学成分特点，采用以粉煤灰引入 Al2O3 ，同时引入大量的 SiO2。 粉煤灰微晶玻璃是以粉煤灰为主要原料通过熔制、析晶等过程而得到的一种多晶固体材料。 该材料以 CaO2MgO2Al2O32SiO2 为基础 ,具有多种化学成分。 由于其综合性能优良、价廉而受到重视。 然而 ,这类材料的脆性大、弯曲强度小、韧性较低，因而限制了其在工程方面的应用。 所以改善脆性，提高强度，就显得十分重要。 据报道，虽然采用离子交换增强、纤维增强增韧、 ZrO2 增韧可以获得较好 的增强效果，但却导致工艺上的困难，材料制备过程复杂，生产成本大幅度提高等。 于是，通过调整组成，制备具有较高力学性能的微晶玻璃材料，具有现实意义。 矿渣微晶玻璃 钢渣是钢铁冶炼过程中排放出来的固体废弃物，钢渣一般呈褐色，外观呈结块的水泥熟料状，其中夹带部分铁粒，硬度大，密度为 1700 ～ 2020kg/ m3 ,其 排 XX 科技大学 毕 业 论文 8 放 量 约 为 粗 钢 产 量 的 1520wt %，在冶金工业渣中 , 仅次于高炉矿渣的排放量 , 但其利用率远低于高炉渣 , 仅为 10wt %左右。 钢渣的形成温度在 1500～ 1700 ℃ , 其主要组成为 CaO、 Fe2O3 、 FeO、 SiO2 等。 次要组成有 MgO 、Al2O3 、 P2O5 等；有的钢渣还含有 V2O5 、 Cr2O3 和 TiO2 等。 铜尾矿微晶玻璃 铜尾矿是铜冶炼过程中排放出来的固体废弃物 , 一般呈灰色。 其主要组成为 CaO、 Fe2O3 、 FeO 、 SiO2 等，次要组成有 Al2O3 、 MgO 等。 采用铜尾矿目的是尽量减少 Fe2O3 、 FeO ，引入尽量多的 SiO2。 尾矿废渣微晶玻璃的应用 目前，尾矿废渣微晶玻 璃是以尾矿废渣为主要原料制成的具有高附加值的建筑装饰或工业用新型结构材料，其社会效益和经济效益显著。 利用尾矿废渣原料化学成分特点，制备出了具有独特及优良的性能微晶玻璃，被广泛应用于建筑材料、化学、机械、核工业等领域。 (1)建筑材料中的应用 天然大理石材、花岗岩等高档装饰材料曾经一度受到人们的青睐，但由于其资源的限制、对环境的破坏、以及后来被发现有部分天然材料辐射致癌物质，因此，新型材料矿渣微晶玻璃建材为之诞生。 与天然石材相比，微晶玻璃具有强度高、耐腐蚀性、安全性（无放射性与光污染）、品种多样化等一系列优良 的理化性能，具体见表 11。 因此，可以广泛用作高档装饰建筑装饰材料，如内外墙装饰材料、高档地面和屋顶材料等，这也是当前矿渣微晶玻璃主要应用领域。 目前，矿渣微晶玻璃已被广泛应用于世界各国飞机场、地铁、宾馆、别墅及其他高档建筑外墙和室内装饰。 如北京人民大会堂广东厅、上海东方明珠广场演播厅、南京新街口地铁站等。 (2)机械工程中的应用 矿渣微晶玻璃具有机械强度高、耐磨、耐高温、抗热震、热膨胀系数可调等力学和热学性能，因而可制造出满足各种机械力学性能要求的材料。 微晶玻璃良好的机械性能结合其易获得极其光滑的表面能力是 它可用于特殊用途的轴承。 利用其强度高和耐磨性好的特点，可取代其他材料来制造料槽、管道以及球磨机内衬等，使用寿命可显著延长。 据报道，用 PVD 法把 Al2O3SiO2系微晶玻璃涂层XX 科技大学 毕 业 论文 9 蒸镀到汽车金属轴承上，可提高轴承的耐磨性、表面光滑性和散热性 [31]。 利用云母的可切削性和定向取向性制备出高强和可切削加工的微晶玻璃 [32,33]。 由于微晶玻璃α值低，抗张强度较高，所以具有优良的热稳定性。 有的可以经受 1000～5℃的温度剧变而不破坏。 也能在温差 400℃的条件下使用。 Prewo 等用 SiC 纤维增强主晶相为堇青石的微晶玻璃 ，其抗弯曲强度可达 550～ 650MPa，热稳定性好 [34]。 作为机械力学材料的微晶玻璃广泛应用于活塞、旋转叶片、吹具的制造上，同时也用在飞机、火箭、人造地球卫星的结构材料上。 (3)化学化工材料上的应用材料上的应用 微晶玻璃的化学稳定性好，对王水也有较高的稳定性，只有轻微的侵蚀。 微晶玻璃几乎不被腐蚀的特性，使其广泛应用于化学化工方面。 如可用于制造输送腐蚀性液体管道、阀门、泵等，还可作反应器、电解池及搅拌器内衬。 在控制污染和新能源应用领域也找到了用途，如微晶玻璃用于喷射式燃烧器中消除汽车尾气中的碳氢化合物； 在硫化钠电池中作密封剂；同时，也可以制造核反应堆密封剂、和废料储存材料等。 (4)其他材料上的应用 利用尾矿废渣制备多孔泡沫微晶玻璃，由于其具有多孔、质轻、高机械强度、良好的隔音效果可作催化剂载体、结构材料、热绝缘材料和纤维复合增韧微晶玻璃使用。 还可以利用尾矿废渣制备出具有形状记忆 [35,36]和低膨胀性能 [37]微晶玻璃，为充分利用尾矿矿渣制备微晶玻璃开辟了新的道路。 矿渣微晶玻璃国内外发展与研究现状 早在十八世纪法国化学家鲁米汝尔就提出用玻璃制备多晶材料的设想，但直到二十世纪五十年代，美国康宁公司经过大量的研究才实现了由玻璃变为多晶陶瓷的设想。 随后，市场上出现了由这种多晶材料制成的制品。 五十年代末六十年代初期，前苏联、欧美等国家工业化生产蓬勃发展，各种尾矿废渣排放量也以惊人的速度增加。 因此，这些发达国家的科学家、特别是前苏联科学家在以矿渣为主要原料制备微晶玻璃方面开展了许多研究工作：对矿渣微晶玻璃的基础理论与工艺技术进行探索，解决矿渣微晶玻璃基础玻璃的配料组成、核化与晶化机理及熔制技术等关键性问题。 六十 年代初期至末期，材料科学家主要对矿渣微晶玻璃的半工业性生产和工业性生产试验进行研究。 1971 年世界上第一条矿渣微晶玻XX 科技大学 毕 业 论文 10 璃生产线在前苏联建成投产。 很快，前苏联进一步推动其工业化成果，矿渣微晶玻璃迅猛发展。 据报导 [38]，前苏联 1971 年矿渣微晶玻璃板材的产量为 23 万吨，1973 年的年产量为 8 万吨， 1975 年的年产量猛增至 150 万吨，为前苏联创造了巨大的经济效益，广泛应用于工业与民用建筑等方面。 在前苏联矿渣微晶玻璃产业化取得巨大经济效益推动下，欧美各国也都相应地开展了矿渣微晶玻璃的研究与开发工作。 国内对矿渣微晶 玻璃的研究起步较晚，直到八十年代末九十年代初才在全国掀起了研制、开发、试生产的热潮，主要以清华大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、武汉理工大学、西北轻工业学院以及蚌埠玻璃工业设计研究院等几家为龙头。 目前，国内己经有安徽朗哪山铜矿微晶玻璃厂、宜春微晶玻璃厂、大唐装饰材料有限公司 [39]等单位研制开发出各类微晶玻璃，并正式投入批量生产。 这些微晶玻璃生产厂主要以铜矿尾渣、磷矿渣、粉煤灰、钨矿尾砂和高炉渣等固体废弃物为原料。 本课题研究内容和意义 本课题研究内容 由于国外己经对矿渣微晶玻璃的产业化研 究较为成熟，产品的次品率低，生产稳定，现在其研究重心主要转移到利用矿渣微晶玻璃制备技术对核废料和矿渣中易溶于水的有害重金属离子进行固定，或者进一步提高矿渣微晶玻璃的性能和矿渣用量上。 当前，国内对于各种类别的矿渣微晶玻璃还处于研制开发阶段，由于前期一些微晶玻璃生产单位的运行效果并不令人满意，均在不同程度上存在合格率低、性能不稳定等弊端，严重地影响正常生产，因此还须对产业化的工程技术方面进行研究，解决矿渣成分波动、热工设备的设计、制造等关键性技术问题，提高矿渣微晶玻璃 制品的合格率，降低综合制备成本。 本 文 以稀选 尾矿和粉煤灰为主要原料，添加少量的石英砂、硝酸钾等化工原料，制备出以辉石为主晶相的微晶玻璃， 并通过实验摸索调节核化温度、晶化温度的热处理工艺对制备的微晶玻璃物相、形貌组织及性能等的影响进行研究。 本课题研究的意义 矿渣 微晶玻璃在金属尾矿，铜矿尾矿，铁矿尾矿，钨矿尾矿，高炉矿渣，高岭土尾矿，煤矸石，粉煤灰等尾矿矿渣和炉渣废弃物的综合开发利用方面具有很大的潜力，为解决环境污染和资源再生利用提出了一个有意义的途径。 在 2020年远景规划中，微晶玻璃被规。