CN1024652C - 一种钨矿渣微晶玻璃的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种钨矿渣微晶玻璃的制备方法，它是以50～60%开采钨矿选矿的尾渣为主要原料，再加上35～45%的石灰石、2～10%的长石、3～5%的纯碱、1～2%的芒硝，还有上述配方总量6～9%的萤石，或4～6%萤石和10～14%的磷矿石，经熔化、成型、热处理后而制得的一种兼有玻璃和陶瓷特点的新型材料，本发明变废物为建筑材料，既利用了二次资源又解决了环境污染问题，制得的微晶玻璃外观与大理石相似，而且成本低廉。
Description
本发明涉及一种微晶玻璃陶瓷。
目前矿渣微晶玻璃是以冶金炉渣、固体燃料、灰渣等为主要原料，加入适量的其它玻璃原料以及必要的成核剂，经熔化、成型、热处理之后而形成的一种兼有玻璃和陶瓷特点的新型材料。在英国专利（BP986289）中介绍了一种以冶金炉渣为原料的微晶玻璃，其成分范围为SiO245～65%、CaO 15～45%、Al2O35～30%、MgO 5%，晶核剂包括过渡元素氧化物、氟化物、磷酸盐或者它的混合物、化合物，平炉炉渣，骨灰或燃料灰。日本专利（39-1024）介绍了以高炉渣为原料的微晶玻璃，其成分范围为SiO240～70%、Al2O35～15%、CaO 13～35%、MgO 2～12%、Na2O 2～12%，晶核剂用萤石、重铬酸钾、磷酸。我国现有钨矿尾渣约1000万吨以上，而且每年还以40万吨的速度增加，这些矿渣目前还未得到利用，不仅是资源上的巨大浪费，而且对环境也造成严重破坏。
本发明的目的是利用开采钨矿选矿排放的尾渣作为主要原料生产钨矿渣微晶玻璃。
本发明的目的可通过以下措施来实现：一种钨矿渣微晶玻璃的制备方法，该玻璃的化学成分为：SiO246.7～56.2%、Al2O38.3～11%、CaO 20～25.2%、MgO 0.7～2.5%、Na2O 3.2～4.2%、K2O 2～2.6%、Fe2O30.8～1.1%、CaF20.5～3.5%、P2O50.8～4.3%，其特征在于：上述玻璃的制备方法是：
（1）取50%～60%的下述化学成份开采钨矿选矿的尾渣：
SiO276.2～86.3% Al2O37.4～8.4%
CaO 0.2～1.3% MgO 0.02～0.8%
K2O 2.0～2.8% Na2O 1.04～2.02%
Fe2O30.9～1.6% MnO 0.007～0.09%
CaF20.4～0.53% P2O50.05～0.73%
WO30.01～0.062%
以及35～45%的石灰石、2～10%的长石、3～5%的纯碱、1～2%的芒硝、还有上述配方总量6～9%的萤石或4～6%萤石和10～14%的磷矿石，各组分过40目筛后混合均匀，
（2）在温度为1450～1520℃高温炉使物料全部熔化，
（3）将熔化过程得到的玻璃液经成型后在650～720℃温度核化处理2～6小时，
（4）将核化处理后的玻璃再经850～1050℃晶化处理1～6小时。
最好基础玻璃配料为钨渣55%、长石5%、石灰石40%、纯碱4%、芒硝1.5%。晶核，核化是在680～700℃处理2～4小时，晶化是在900～1000℃处理2～4小时。
钨矿渣微晶玻璃是利用开采钨矿选矿时产生的尾渣作主要原料，并辅以长石、石灰石等其它原料与助熔剂、晶核剂一起熔化、成型，再经核化和晶化处理后制成的。本发明所用钨渣原料其外观呈颗粒状，直径分布：最大为2毫米，含量小于10%;最小为0.07毫米，含量小于10%;平均为0.5～0.6毫米，含量为80%。钨矿渣的主要矿物相为α-SiO2、钠长石（Na[AlSi3O8]）或（Na，Ca）（Si，Al）4O8，还有少量的黑钨矿[（Mn，Fe）（WO4）]和白钨矿[Ca（WO4）]。该矿渣的化学成分范围为：
SiO276.2～86.3% Al2O37.4～8.4%
CaO 0.2～1.3% MgO 0.02～0.8%
K2O 2.0～2.8% Na2O 1.04～2.02%
Fe2O30.9～1.6% MnO 0.007～0.09%
CaF20.4～0.53% P2O50.05～0.73%
WO30.01～0.062%
其用量为50～60%，若在该范围之外则不能形成微晶玻璃。最好钨尾渣的用量在55%，使制得的玻璃具有流动性，粘度小，气泡和浮渣都少的最佳状态。
本发明的另一种原料是长石，其化学成分为：SiO266%、Al2O317%、Fe2O30.5%、Na2O 14%，用量一般为5～10%。当用量超过10%时，熔化困难。当用量低于5%时，对高温炉内的耐火材料侵蚀比较严重，并且玻璃液失透。最好长石的用量为5%。
本发明还有一种原料是石灰石，其化学成分范围为CaO≥49%、MgO≥3%、Fe2O3≤0.25%，用量一般是35～45%。当其用量较低时，玻璃不产生结晶。当其用量较高时玻璃剧烈失透，最好石灰石的用量在40%。
本发明采用的助熔剂为纯碱和芒硝，当加入纯碱量过少时，玻璃熔化困难，粘度增大，但是当加入的纯碱量高于5%时玻璃液失透，因而纯碱的用量一般在3～5%，最好是4%。一般芒硝的加入量为1～2%，当芒硝的加入量高于2%时，熔化会发生溢料现象，但是芒硝量太少或不加芒硝时，又会因SiO2过剩在融熔玻璃液表面出现浮渣，最好芒硝的加入量为1.5%。
为使产品得到比较好的整体晶化，因而需加入适当的晶核剂，本发明所采用的晶核剂为萤石和磷矿粉。萤石的主要成分为CaF2，含量约在83.96%。其单独使用时，用量为基础玻璃配料即原料与助熔剂量之和的6～9%。当用量较低时不能很好成核，当用量较高时不利于微晶玻璃生成，最佳用量在6～7%。由萤石晶核剂所得到的钨矿
渣微晶玻的晶相为硅灰石（CaSiO3）和钙铝黄长石[Ca，Al（Al，Si4O7）]。也可将萤石和主要成分为P2O5含量约在37.46%的磷矿石合用，此时萤石用量为基础玻璃配料的4～6%，磷矿石用量则为10-14，其最佳用量是萤石为5～6%，磷矿石为11～12%。由该两种晶核剂所得到的钨矿渣微晶玻璃的晶相为硅灰石（CaSiO3）、钙铝黄长石[（Ca，Al（Al，Si4O7）和磷灰石[Ca5（PO4）3]。
本发明中钨矿渣微晶玻璃的制备工艺流程简述如下：
原料 1450～1520℃ 650～720℃ 850～1050℃
助熔剂→熔化→成型→核化→晶化
晶核剂 2～6小时 1～6小时
首先是将各种原料、助熔剂和晶核剂按配方规定的数量称重，其中各种组分均需通过40目筛，经均匀混合后放入高温炉内，在空气中熔化，其熔化温度一般在1450～1520℃使物料全部熔化没有矿粒存在为止。将熔化过程得到的无气泡、无砂粒的玻璃液，经成型后再进行核化和晶化热处理。核化热处理是在650～720℃下处理2～6小时。在该温度范围内成核生长速度快晶核数量多，如时间过短，晶核的数量少不利于晶化;反之核化时间过长，晶核数量不但不再增加，而且还会发生晶核转变成链状，最好是在680～700℃处理2～4小时。核化处理后再进行晶化热处理，它是在850～1050℃处理1～6小时，在晶化温度较低时结晶率很低，但晶化温度过高时晶体呈粗大板块，结晶率变化不显著，显微硬度下降，因此最佳晶化温度为900～1000℃。晶化时间过短，析出晶体过细;晶化时间过长，结晶率变化不显著，而晶粒过大，显微硬度稍有下降，因此最佳晶化时间为2～4小时。
由上述方法制得的钨渣微晶玻璃的化学成分为：SiO246.7～58.1%、Al2O38.3～12.7%、CaO 20～25.5%、MgO 0.7～2.9%、Na2O 3.2～4.7%、K2O 2～2.6%、Fe2O30.8～1.1%、CaF20.5～3.5%、P2O50.3～4.7%。
本发明的钨渣微晶玻璃的主要性能范围如下：密度2.6-2.725g/cm3、显微硬度568～766kg/mm2、线膨胀系数78.0～80×10-7·℃-1、耐水性（以滴定耗用的0.01NHCl毫升数计）0.15～0.20。
例1
取47.6份钨矿渣、9.5份长石、38.1份石灰石、2.9份纯碱、1.9份芒硝，另加6份萤石晶核剂，以上各原料均过40目筛后，均匀混合置于熔窑内，于1500℃下熔化成无气泡、无砂粒的均匀玻璃，此时玻璃成份分析如下：
SiO254.95% Al2O310.58% CaO 22.66% MgO 2.76% Na2O 4.27% K2O 2.20% Fe2O31.01% CaF21.10% P2O50.32% WO3＜0.01%待玻璃液成型后，送入热处理窑内进行核化、晶化热处理，在温度680℃时核化处理2小时，再在900℃时晶化处理2小时，得到外观为灰白色的微晶玻璃，密度2.69g/cm3，显微硬度710.2kg/mm2，线膨胀系数80.1×10-7·℃-1。
例2
取52.1份钨矿渣、4.7份长石、37.9份石灰石、3.8份纯碱、1.4份芒硝，另加7份萤石晶核剂。按例1操作，在1500℃下熔化，所得玻璃的成份分析如下：
SiO257.58% Al2O38.31% CaO 22.47% MgO 2.25% Na2O 4.16% K2O 2.40% Fe2O31.07% CaF21.13% P2O50.58% WO3＜0.01%待玻璃成型之后，送入热处理窑内进行核化、晶化热处理。在温度685℃时核化处理2小时，核化处理后，再在950℃晶化处理2小时，得到外观灰白色的微晶玻璃，密度2.711g/cm3，显微硬度766.1kg/mm2，线膨胀系数78.5×10-7·℃-1。
例3
取56.6份钨矿渣、长石4.7份、33.0份石灰石、4.7份纯碱、0.94份芒硝，另加9份萤石晶核剂，重复例1操作，熔窑温度1520℃，所得玻璃成份分析如下：
SiO258.04% Al2O38.52% CaO 21.43% MgO 2.07% Na2O 4.66% K2O 2.01% Fe2O31.05% CaF21.63% P2O50.57% WO3＜0.01%。待玻璃成型后送入热处理窑内进行核化和晶化处理，在温度685℃时处理2小时，再在950℃时处理2小时，得到外观灰白色微晶玻璃，密度2.723g/cm3，显微硬度723.3kg/mm2、线膨胀系数为79.3×10-7·℃-1。
例4
取47.40份钨矿渣、4.7份长石、42.7份石灰石、3.8份纯碱、1.4份芒硝，另加6份萤石晶核剂，重复例1操作，熔窑温度1500℃下熔化，玻璃的成份分析如下：
SiO254.30% Al2O38.43% CaO 25.46% MgO 2.86% Na2O 3.65% K2O 2.13% Fe2O31.00% CaF21.01% P2O50.35% WO3＜0.01%。待玻璃液成型后，送入热处理窑内进行核化、晶化热处理。在温度720℃时核化处理3小时，再在1000℃时晶化4小时，得到外观灰白色微晶玻璃，密度2.72g/cm3，显微硬度700.2kg/mm2、线膨胀系数为81.0×10-7·℃-1。
例5
取52.1份钨矿渣、4.7份长石、37.9份石灰石、3.8份纯碱、1.4份芒硝，另加4份萤石和14份磷矿粉晶核剂，按例1操作，熔化温度1480℃，所得玻璃的成份分析如下：
SiO246.77% Al2O312.64% CaO 25.45% MgO 0.72% Na2O 3.29% K2O 2.02% Fe2O30.84% CaF23.23% P2O54.67% WO3＜0.01%。待玻璃成型后送入热处理窑内进行核化，晶化热处理。在温度685℃核化处理2小时，再在950℃时晶化2小时，得到外观灰白色微晶玻璃，密度2.681g/cm3、显微硬度700kg/mm2，线膨胀系数86.6×10-7·℃-1。
例6
取52.1份钨矿渣、4.7份长石、37.9份石灰石、3.8份纯碱、1.4份芒硝，另加6份萤石和10份磷矿粉晶核剂，按例1操作，熔化温度1450℃，所得玻璃的成份分析如下：
SiO246.87%、Al2O312.54%、CaO 25.5%、MgO 0.74%、Na2O 3.28%、K2O 2.0%、Fe2O30.90%、CaF23.10%、P2O54.55%、WO3＜0.01%。待玻璃成型后送入热处理窑内进行核化、晶化热处理。在温度685℃核化处理4小时，再在950℃时晶化处理4小时，得到外观灰白色微晶玻璃，密度2.682g/cm3、显微硬度700.5kg/mm2、线膨胀系数86.8×10-7·℃-1。
本发明原料中50～60%为钨矿尾渣，它是钨矿选矿时排出的废渣，其合理利用为钨渣的二次资源再利用开辟了途径。长石、石灰石是工厂熔制玻璃的原料，价格低、供应足。因此以钨渣、长石、石灰石为主要原料生产微晶玻璃的成本低。钨渣中含有Na2O、K2O（总和为3～4.5%）使得熔化玻璃时只需加入少量的助熔剂纯碱即可，节约大量纯碱，而且玻璃液澄清良好。一般高炉渣微晶玻璃为深褐色，需加入脱色剂方可生产出浅白色微晶玻璃。而钨渣微晶玻璃无需加脱色剂，能直接生产出浅灰白色微晶玻璃，达到仿大理石的效果。
（注：本申请文件中的百分比均为重量百分比）
Claims (5)
1、一种钨矿渣微晶玻璃的制备方法，该玻璃的化学成分为：SiO246.7～58.1%、Al2O38.3～12.7%、CaO20～25.5%、MgO0.7～2.9%、Na2O3.2～4.7%、K2O2～2.6%、Fe2O30.8～1.1%、CaF20.5～3.5%、P2O50.3～4.7%，其特征在于：上述玻璃的制备方法是：
(1)取50%～60%的下述化学成份开采钨矿选矿的尾渣：
SiO276.2～86.3% Al2O37.4～8.4%
CaO 0.2～1.3% MgO 0.02～0.8%
K2O 2.0～2.8% Na2O 1.04～2.02%
Fe2O30.9～1.6% MnO 0.007～0.09%
CaF20.4～0.53% P2O50.05～0.73%
WO30.01～0.062%
以及35～45%的石灰石、2～10%的长石、3～5%的纯碱、1～2%的芒硝、还有上述配方总量6～9%的萤石或4～6%萤石和10～14%的磷矿石，各组分过40目筛后混合均匀，
(2)在温度为1450～1520℃高温炉使物料全部熔化，
(3)将熔化过程得到的玻璃液经成型后在650～720℃温度核化处理2～6小时，
(4)将核化处理后的玻璃再经850～1050℃晶化处理1～6小时。
2、根据权利要求1所述的钨矿渣微晶玻璃的制备方法，其特征在于：基础玻璃配料为钨渣55%、长石5%、石灰石40%、纯碱4%、芒硝1.5%。
3、根据权利要求1或2所述的钨矿渣微晶玻璃的制备方法，其特征在于：晶核剂萤石单独应用时用量为基础玻璃配料之和的6～7%，晶核剂萤石和磷矿石合用时，萤石用量为5～6%、磷矿石用量为11～12%。
4、根据权利要求3所述的钨矿渣微晶玻璃的制备方法，其特征在于：核化是在680～700℃处理2～4小时。
5、根据权利要求4所述的钨矿渣微晶玻璃的制备方法，其特征在于：晶化是在900～1000℃处理2～4小时。
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