一种透辉石和长石主晶相微晶玻璃及其制备方法与流程

本发明属于建筑装饰材料技术领域，具体涉及一种透辉石和长石主晶相微晶玻璃及其制备方法。

背景技术：

微晶玻璃是将具有特定组成的基础玻璃在加热过程中通过控制晶化而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料。微晶玻璃在机械强度、硬度、热膨胀性、化学稳定性、光学和电学性能等方面显现出优异的性能，因而广泛应用于建筑装饰、机械、光学、电子、生物医学和化学化工等领域。其中建筑装饰用微晶玻璃的使用量最大，经济效益显著，其装饰效果和理化性能均优于普通玻璃、瓷砖、花岗岩和大理石板材，已成为具有良好市场前景的新型高档建筑装饰材料。

铁尾矿是选矿厂将铁矿石磨细并选取有用组分后所排放的废弃物。铁尾矿是我国排放量最大、综合利用率最低的工业固体废弃物，其综合利用率仅为10％左右。铁尾矿的堆存不仅占用大量土地资源，而且造成了严重的环境污染，一些年久的尾矿库还存在安全隐患，因此，合理有效的利用铁尾矿是当前迫切需要解决的问题。目前，铁尾矿除了运输费用外，其它成本基本为零，因此用铁尾矿为主要原料制备微晶玻璃不仅可以降低生产成本、提高经济效益，还能够有效缓解资源与环境压力。

微晶玻璃常用的生产工艺主要为烧结法和整体析晶法。烧结法因其基础玻璃的熔融温度低和时间短，析晶能力高，可不加或少加晶核剂，生产过程比较容易控制，可方便地生产出具有类似天然石材花纹的异型板材和各种曲面板，产品品种多，质量稳定，而被广泛采用。烧结法目前最大的问题是产品气孔率较高，板材容易翘曲变形。微晶玻璃的性能主要决定于微晶相的种类、晶粒尺寸和数量、残余玻璃相的性质和数量。以上诸因素，又取决于原料配方及热处理制度。热处理制度不但决定微晶体的尺寸和数量，而且在某些系统中导致主晶相的变化，从而使材料性能发生显著变化。微晶玻璃的原料配方不同，其主晶相的种类不同。因此原料配方设计和热处理工艺制度，是决定微晶玻璃性能的关键技术。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种利用铁尾矿作为主要原料，制备出性能优良的透辉石和长石主晶相微晶玻璃的方法，使铁尾矿利用最大化，实现节约资源、降低生产成本和保护环境等目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种透辉石和长石主晶相微晶玻璃，由以下组份烧制而成，各组份按重量份数计包括：铁尾矿30～40份、SiO₂40～50份、MgO 1～5份、CaO 3～12份、Al₂O₃3～8份、ZnO 2～5份、Na₂CO₃4～7份、B₂O₃1～2份。

一种透辉石和长石主晶相微晶玻璃，各组份按重量份数计包括：铁尾矿30～40份、方解石4～8份、石英36～42份、钾长石15～19份、MgO 1～4份、Al₂O₃3～6份、ZnO 2～3份、B₂O₃1～2份。

上述方案中，所述铁尾矿主要化学组份的质量百分数包括：SiO₂25～40％、TFe₂O₃15～30％、MgO 15～20％、CaO 10～18％、Al₂O₃4～8％、K₂O 1～2％、Na₂O 0.2～1％。

本发明涉及的铁尾矿为低硅高钙镁型，针对铁尾矿的成分特点，进行了原料配方设计，研究制备出了一种透辉石和长石为主晶相、含有少量磁铁矿的微晶玻璃。该微晶玻璃具有较高的力学强度、硬度、化学稳定性和热稳定性，在建筑装饰、化学化工等领域具有良好的市场前景。

上述一种透辉石和长石主晶相微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1)配料和混料：按配比称取各原料，将原料混合均匀后，进行研磨得混合原料；

2)熔融和水淬处理：将混合原料加热进行熔融处理，将所得熔融液进行水淬处理，然后将所得玻璃粒料进行烘干、粉磨得玻璃粉料；

3)晶化和摊平处理：将所得玻璃粉料平铺在耐火坩埚中，加热至800～900℃保温晶化1～2h，然后进行摊平处理，随炉冷却至室温，得透辉石和长石主晶相微晶玻璃。

上述方案中，步骤1)中所述研磨要求为置于研磨机中研磨至所得粉料的粒度达到200目以下不小于95wt％。

上述方案中，步骤2)中所述熔融处理工艺为：升温至1400～1500℃保温2～3h。

上述方案中，步骤2)中所述粉磨要求为粉磨至粒度小于100目。

上述方案中，步骤3)中所述摊平处理条件为1120～1140℃下保温0.5～1h进行摊平。

根据上述方案制备的透辉石和长石主晶相微晶玻璃，其弯曲强度为30～50MPa，体积密度为2.5～2.6g/m³，吸水率为0.12～0.15％，耐酸性0.00～0.02％，耐碱性为0.00～0.02％，莫氏硬度为5～7。样品性能达到并超过了JC/T872-2000《建筑装饰用微晶玻璃》行业标准要求，耐酸碱性能优异。

目前，烧结法是建筑装饰微晶玻璃广泛采用的制备方法，该方法存在的最大问题是产品气孔率较高，板材容易翘曲变形。因此本发明人在基础玻璃晶化后增加了摊平工艺，并对摊平温度和摊平时间进行了系统的研究，研究结果表明，基础玻璃晶化后升温保温一定时间进行摊平处理，样品物质流动性增加，其光滑平整度和致密度提高。但高温长时间摊平，样品中晶体回熔，晶体数量减少，并出现反致密化，样品中气孔增大增多，强度下降。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)以铁尾矿为主要原料制备透辉石和长石主晶相微晶玻璃可以大大降低原料成本，而且尾矿中含有的Na₂O、K₂O等助熔成分能够降低玻璃熔制温度，节约能耗，为铁尾矿的处理提供了理想的途径，具有显著的经济、社会和环境效益。

2)本发明针对烧结法面临的产品气孔率较高，板材容易翘曲变形的难题，在基础玻璃晶化后增加了摊平工艺，提高了产品的平整度、致密度和弯曲性能。

3)基于本发明涉及的铁尾矿具有低硅高钙镁型成分特点，通过配方设计和工艺研究，制备出一种以透辉石和长石为主晶相，含有少量磁铁矿的微晶玻璃，其弯曲强度，硬度、耐酸碱性等主要指标均达到并超过了JC/T872-2000《建筑装饰用微晶玻璃》行业标准要求，且耐酸碱性能优异，在建筑装饰、化学化工等领域具有良好的市场前景。

附图说明

图1为实施例1制备的透辉石和长石主晶相微晶玻璃的XRD图谱。

图2为实施例1制备的透辉石和长石主晶相微晶玻璃的扫描电镜图。

图3为实施例2制备的透辉石和长石主晶相微晶玻璃的XRD图谱。

图4为实施例3制备的透辉石和长石主晶相微晶玻璃的XRD图谱。

图5为不同摊平时间的微晶玻璃样品单偏光显微镜照片(a)1200℃保温40min，(b)1200℃保温50min。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的铁尾矿为铁矿石选矿厂磁选之后所得废渣，其主要化学组份的质量百分数包括：SiO₂30.26％、TFe₂O₃17.01％、MgO 16.55％、CaO 13.16％、Al₂O₃5.01％、K₂O1.10％、Na₂O 0.42％。

实施例1

一种透辉石和长石主晶相微晶玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：

1)配料和混料：按配比称取原料，各组分按重量份数计包括：铁尾矿30份、SiO₂49份、Al₂O₃8份、CaO 3份、MgO 2份、Na₂CO₃4份、ZnO 2份、B₂O₃1份；将称取的原料混合均匀后，放入振动磨中进行研磨至过200目以下不小于95wt％，得混合原料；

2)熔融和水淬处理：将所得混合原料装入刚玉坩埚中，并放入硅钼棒高温电炉中，加热至1450℃保温2h，进行熔融处理，将所得熔融液倒入冷水中进行水淬处理，然后将所得玻璃粒料进行烘干，研磨至粒度小于100目后，得玻璃粉料；

3)晶化和摊平处理：将所得玻璃粉料平铺在耐火坩埚中，然后置于硅钼棒电炉中加热至880℃保温晶化2h，然后在1120℃下保温1小时进行摊平，随炉冷却至室温，得透辉石和长石主晶相微晶玻璃。

将本实施例所得产物进行X射线衍射分析，结果见图1。由图1可见，所得微晶玻璃的物相组成主要为透辉石和长石，还含有少量磁铁矿。本实施例所得样品的扫描电镜分析结果见图2，其晶相和玻璃相的比例分别占40％和60％左右，以长柱状晶体为主，晶体长度5μm左右，直径1μm左右，样品结构致密。

本实施例所得透辉石和长石主晶相微晶玻璃的弯曲强度为49.20MPa，莫氏硬度为5～6，耐酸碱性为0，吸水率为0.12％。

实施例2

一种透辉石和长石主晶相微晶玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：

1)配料和混料：按配比称取原料，各组分按重量份数计包括：铁尾矿30份、SiO₂49份、Al₂O₃8份、CaO 3份、MgO 2份、Na₂CO₃4份、ZnO 2份、B₂O₃1份；将称取的原料混合均匀后，放入振动磨中进行研磨至过200目以下不小于95wt％，得混合原料；

2)熔融和水淬处理：将所得混合原料装入刚玉坩埚中，并放入硅钼棒高温电炉中，加热至1450℃保温2.5h，进行熔融处理，将所得熔融液进行倒入冷水中进行水淬处理，然后将所得玻璃粒料进行烘干，研磨至粒度小于100目后，得玻璃粉料；

3)晶化和摊平处理：将所得玻璃粉料平铺在耐火坩埚中，然后置于硅钼棒电炉中加热至860℃保温晶化2小时，然后在1140℃下保温0.5小时进行摊平，随炉冷却至室温，得透辉石和长石主晶相微晶玻璃。

将本实施例所得产物进行X射线衍射分析，结果见图3。由图3可见，所得微晶玻璃的物相组成主要为透辉石和长石，还含有少量磁铁矿。

本实施例所得透辉石和长石主晶相微晶玻璃的弯曲强度为48.05MPa。

实施例3

一种透辉石和长石主晶相微晶玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：

1)配料和混料：按配比称取原料，各组分按重量份数计包括：铁尾矿30份、方解石6份、钾长石16份、石英39份、MgO 2份、Al₂O₃5份、ZnO2份、B₂O₃1份；将称取的原料混合均匀后，放入振动磨中进行研磨至过200目以下不小于95wt％，得混合原料；

2)熔融和水淬处理：将所得混合原料装入刚玉坩埚中，并放入硅钼棒高温电炉中，加热至1450℃保温2小时，进行熔融处理，将所得熔融液进行倒入冷水中进行水淬处理，然后将所得玻璃粒料进行烘干，研磨至粒度小于100目后，得玻璃粉料；

3)晶化和摊平处理：将所得玻璃粉料平铺在耐火坩埚中，然后置于硅钼棒电炉中加热至890℃保温晶化2小时，然后在1140℃下保温0.5小时进行摊平，随炉冷却至室温，得透辉石和长石主晶相微晶玻璃。

本实施例中采用的方解石、钾长石和石英的组成特征见表1。

表1方解石、钾长石和石英的化学分析结果(计量单位：ω(B)/10-²)

将本实施例所得产物进行X射线衍射分析，结果见图4。由图4可见，所得微晶玻璃的物相组成主要为透辉石和长石，还含有少量磁铁矿。

检测结果表明，本实施例所得透辉石和长石主晶相微晶玻璃的莫氏硬度为6～7，密度为2.572g/cm³，弯曲强度为30.05MPa。

摊平处理工艺研究

按实施例1所述配方和工艺制备透辉石和长石主晶相微晶玻璃，通过调节摊平温度和时间研究其对微晶玻璃性能的影响，具体步骤如下:

在步骤3)所述晶化步骤后，分别在不同温度摊平不同时间(具体见表2)，随炉冷却后，观察样品状态和测试弯曲强度。由样品状态及其弯曲强度测试结果表2可以看出，低温条件需要的摊平时间长；高温条件需要的摊平时间短。低温短时间摊平，样品表面不平整；高温长时间摊平，样品表面不平整，且气孔增多增大。本发明在摊平温度1120℃下分别摊平50min或60min，或者在摊平温度1140℃下分别摊平30min、40min、50min、60min时，样品能得到较好的平整度、致密度和弯曲强度。将两个在1200℃下摊平但保温时间不同(分别为40min和50min)的样品磨成薄片后，在光学显微镜下进行观察，从图5可以看出在1200℃下，随着保温时间增长，晶体变小同时边界变得圆滑，而且晶体数量也逐渐减少，所以认为高温下长时间摊平造成晶体回熔程度增加，晶体数量减少。研究结果表明，基础玻璃晶化后升温保温一定时间进行摊平处理，样品物质流动性增加，其光滑平整度和致密度提高。但高温长时间摊平，样品中晶体回熔，晶体数量减少，并出现反致密化，样品中气孔增大增多，强度下降。

表2不同摊平温度及摊平时间下的微晶玻璃状态及弯曲强度

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。