基于铁尾矿的微晶玻璃的制备

薛　路　成兆鑫　赵　勇

(山钢集团金岭铁矿)



基于铁尾矿的微晶玻璃的制备

薛路成兆鑫赵勇

(山钢集团金岭铁矿)

针对我国铁尾矿堆存量大、危害环境、综合利用率低的问题，以铁尾矿为基本原料进行微晶玻璃的制备，介绍了微晶玻璃的组成设计和制备工艺，并指明提高铁尾矿的利用率、扩大基于铁尾矿制备的微晶玻璃的着色范围、优化工艺流程是今后的研究方向。

铁尾矿微晶玻璃制备工艺

选矿尾矿是工业固体废弃物的主要组成部分。我国尾矿堆存量巨大，仅金属尾矿堆存量已超过百亿吨，且年新增尾矿量在10亿t以上。尾矿的大量堆积不仅占用土地资源、破坏地貌植被，其所含的重金属、放射性元素及化学药剂等还会严重污染地表、地下水和大气等环境，并可能引发安全事故，造成人员和财产的巨大损失。但尾矿并非一无是处，金属尾矿的矿物组成主体是非金属矿物，可作为非金属矿产资源进行开发利用。因此，金属尾矿属于二次资源。

微晶玻璃是将玻璃和陶瓷两种制作工艺结合、在特定环境下晶化而成的复合材料，综合性能主要取决于晶体的种类、微晶体的尺寸和数量、残余玻璃相的性质和数量等。微晶玻璃是一种高档建筑装饰材料，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，并具有机械强度高、热膨胀性可调、抗热震性好、耐化学腐蚀、介电损耗低和电绝缘性好等优异性能，已广泛用作建筑材料、机械力学材料、光学材料、电子与航天技术材料、生物医学材料以及化学化工材料等，市场前景良好。

微晶玻璃主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、K2O、Na2O等，很多天然岩石和冶金矿渣化学成分与之相近，可用作制备微晶玻璃的基本原料。利用铁尾矿制备微晶玻璃，可实现铁尾矿的高附加值利用。

1　铁尾矿性质

某铁尾矿中主要矿物为石英、角闪石、黑云母和磁铁矿，黄铁矿、钠长石、正长石、斜长石、白云母、辉石、绿帘石、石榴子石、电气石、绿泥石、蛇纹石、方解石、菱铁矿和磷灰石等少量。主要化学成分分析结果见表1。

表1　主要化学成分分析结果 %

从表1可以看出，该铁尾矿适合用作生产微晶玻璃系列产品的基本原料。

2　组成设计

微晶玻璃成分的确定要考虑到制品的性能要求，要保证制品具有良好微观结构，必须从体系和主晶相的正确选择开始。根据尾矿的组成，选择透辉石(CaO·MgO·SiO2) 为制备微晶玻璃的主晶相，钙长石等为副晶相，因此把主晶相组成定在透辉石区、靠近三元低共熔点附近。作为主晶相的重要组成，CaO影响熔体的结晶能力，MgO影响制品的化学稳定性，Al2O3影响玻璃熔化的难易。SiO2是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面体的结构形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架，R2O(即Na2O+K2O) 可调节玻璃料的性能，降低熔化温度。为使铁尾矿制备的微晶玻璃具有较高的机械强度、良好的耐磨性、化学稳定性和热稳定性，确定组成成分CaO、MgO、Al2O3、SiO2、R2O质量分别占12%～25%、2%～8%、10%左右、45%～60%、1%～7%。

3　制备工艺

微晶玻璃的制备工艺主要有烧结法和压延法。烧结法工艺比较简单，工艺条件要求比较低，目前在国内被广泛使用。

3.1压延法

压延法是通过控制水淬玻璃的颗粒级配及加入量制备微晶玻璃的工艺方法。工艺流程：原料处理—粉碎—筛分—配料—均匀混合—熔化—澄清—压延成型—晶化窑—切割—检验包装。优点是产量大、成本低，缺点是必须连续生产，设备复杂，产品品种单一，投资大，市场认知度低。

3.2烧结法

烧结法制备微晶玻璃主要以透辉石和硅灰石为主晶相，主要工艺是配合料制备—玻璃熔融—水淬成粒—粒料分级—成型—烧结—冷加工—检验—成品。优点是产品品种多，质量稳定，设备既可独立分成三个单元进行生产，又可连续化生产，工艺成熟，市场认知度高，缺点是成本高、产量低。依据铁尾矿的化学成分组成确定制备微晶玻璃原料配方见表2。

表2　制备微晶玻璃原料配方 %

原料经高温熔融后，水淬得到玻璃粒料，粉碎后放入模具中进行高温烧结、晶化，最终获得微晶玻璃。铁尾矿添加量大时，玻璃粒料和微晶玻璃呈黑色和红褐色；添加量小时，微晶玻璃呈浅褐色。目前，国内铁尾矿只能制成深颜色的微晶玻璃，限制了其使用范围。该微晶玻璃比天然石材坚硬，不易破损，耐风化、耐酸碱性、耐震性强，不吸水，因此不易被污染、不怕冻害，综合性能优于天然石材，性能对比结果见表3。

4　研究方向

铁尾矿用于制备微晶玻璃的研究方向：

表3　铁尾矿微晶玻璃与天然石材理化指标对比

注：耐酸性、耐碱性的衡量标准是1%的H2SO4溶液、NaOH溶液中室温浸泡650h时的质量损失率。

(1)目前铁尾矿制备微晶玻璃利用率只能达到50%左右，需进一步提高铁尾矿的整体利用率。

(2)铁尾矿只能制成深颜色的微晶玻璃，应进一步研究扩大铁尾矿微晶玻璃的着色范围，剔除影响着色的因子，加大对尾矿的利用。

(3)优化微晶玻璃组成成分的配比，以制备出性能各异的微晶玻璃，扩大铁尾矿微晶玻璃的应用领域。

(4)优化制备微晶玻璃工艺流程，简化工序，节约成本。

5　结　语

国内铁尾矿是产量和堆存量最大、利用率最低的一类工业固体废渣，矿山每年不但要花费大量的资金用于尾矿坝的维护管理及新坝的建设，而且现有的铁尾矿会侵占土地，污染土壤和水体，造成扬尘，严重破坏生态环境。铁尾矿主要化学成分与微晶玻璃接近，以其为基本原料制造微晶玻璃是利用铁尾矿途径之一，但利用率较低、着色范围窄，需要进一步进行优化，并积极探索铁尾矿在其他新领域的应用，以改善当前我国铁尾矿综合利用较差的现状。

2016-06-26)

薛路(1983—)，男，助理工程师，255081 山东省淄博市张店区中埠镇。