尾矿微晶玻璃研究进展概述

来源：职称阁分类：电子论文时间：2019-08-27 14:18热度：

　　介绍了微晶玻璃的定义、性能特点及其制备工艺，对铁尾矿、金尾矿等尾矿制备微晶玻璃研究进展进行综述。已有研究表明，利用尾矿制备微晶玻璃是可行的，可获得性能较好的微晶玻璃;尾矿的加入量也较高，可实现尾矿资源的二次利用。由于尾矿成分复杂，目前对尾矿制备微晶玻璃中助溶剂、晶核剂的加入量以及晶化机理的研究较少，还有待进一步研究。

尾矿微晶玻璃研究进展概述

　　关键词：尾矿;微晶玻璃;核化;晶化;制备工艺

　　微晶玻璃又称陶瓷玻璃，是普通玻璃在合适的热处理条件下获得的一种多晶固体材料，具有玻璃和陶瓷的双重性能，是一种综合玻璃，被认为是一种具有很好发展前景的新型固体材料[1-2]。与普通玻璃无规则的结构相比，微晶玻璃原子排列近程有序。因此，微晶玻璃具有较高的机械强度和硬度，并具有绝缘性能好，热膨胀系数可调，化学稳定性好，耐腐蚀等优良性能。在建筑装饰、电子、能源、生物医疗以及军事等诸多领域都有广泛的应用[3-7]。

　　目前，中国尾矿存储量巨大，并且还在不断增长。尾矿作为一种工业固体废弃物的同时，也是一种可以进行二次再利用的资源。尾矿中通常含有 CaO、SiO2、MgO、Al2O3 等氧化物，如果能对尾矿进行合理的配料，可作为生产微晶玻璃的原料，这样既能缓解尾矿给社会带来的压力，也为制备低成本高性能的微晶玻璃提供一条途径。

　　1 微晶玻璃概述

　　1.1 微晶玻璃的特性

　　微晶玻璃的性质主要取决于主晶相的种类晶体的大小和数量、以及晶体相和残余玻璃相的相对比例[8]。按照化学组成可以将微晶玻璃分为5大类：铝硅酸盐微晶玻璃、硼酸盐微晶玻璃、硅酸盐微晶玻璃、磷酸盐微晶玻璃以及氟硅酸盐微晶玻璃。

　　微晶玻璃的性能指标要优于同成分的玻璃和陶瓷，综合了陶瓷和玻璃的双重性能。以堇青石为代表的MgO-Al2O3-SiO2 系微晶玻璃具有良好的介电性能，可用于绝缘体[9];以钙长石为代表的 CaO-Al2O3-SiO2 系微晶玻璃具有良好的耐磨性以及耐腐蚀性能，可以在恶劣的环境下使用[10];硼酸盐微晶玻璃中的钡铁氧体具有很好的磁性记录功能，可用于信息存储[11]。微晶玻璃还具有易机械加工，热膨胀系数可调，可光照及可刻蚀等诸多性能，广泛应用于生产、生活以及国防军工方面[12]。

　　1.2 微晶玻璃的制备工艺

　　微晶玻璃的制备方法通常有溶胶-凝胶法、整体析晶法以及烧结法[13]。溶胶-凝胶法可制备性能精密的特种材料，但是其生产周期长，成本高。整体析晶法自动化连续性较好，且可以控制制品的形状和尺寸。烧结法是应用最为广泛的一种，其生产流程较短，能耗较低，可进行规模生产，缺点是会出现气孔裂纹问题。烧结法的制备流程大致为：称量—混料—高温熔融—水淬(基础玻璃)—压块成型—热处理工艺—微晶玻璃。在进行热处理前，需要用差热分析仪对基础玻璃的核化和晶化温度进行测定。由热力学的理论可知，处于亚稳态的非晶态玻璃的内能要高于晶态。因此，在合适的温度下对玻璃进行热处理，可使其转变为稳定的结晶态，这就变成了微晶玻璃。

　　2 尾矿制备微晶玻璃

　　2.1 铁尾矿微晶玻璃

　　闫欣[14]等人对比不添加氧化铁与添加氧化铁的效果，探究利用铁尾矿制备微晶玻璃的可行性，结果表明，利用鞍山地区尾矿高硅高铝特点，添加一定量的铝矾和高钛渣，可以制备出主晶相为堇青石的微晶玻璃。雷岩[15]等人以铁尾矿、菱镁石尾矿配以工业铝矾土为主要原料，添加TiO2 为晶核剂，制备出条状晶体的堇青石微晶玻璃，尾矿的利用率可以达到70% 以上。韩茜[16]等人以商洛地区铁尾矿为主要原料，探究烧结温度对微晶玻璃制品的影响，结果表明，在1 150 ℃烧结时样品的密度、莫氏硬度以及抗压强度最好。

　　2.2 金尾矿微晶玻璃

　　含金矿石经过粉碎，采用悬浮法将黄金提取后剩下的废渣就是金尾矿。金尾矿中通常含有Al2O3、CaO、SiO2 等氧化物，对金尾矿进行合理配料可以生产微晶玻璃。陈维铅[17]等人以陕西地区金尾矿为原料，采用高温熔融法制备了以辉石和透辉石为主晶相的微晶玻璃，在850~1 000 ℃内，晶化温度的升高有助于结晶性能和晶体形貌的改善，当核化温度为820 ℃，晶化温度为950 ℃时，所得样品的机械性能最好，可以应用于机械工程领域和建筑装饰行业。

　　[18]以焦家金尾矿配以石英砂和石灰石为主要原料，通过控制烧结最高温度和晶化保温时间来控制析晶量，如图1 所示，制备了以硅灰石相为主晶相的微晶玻璃。在制备过程中加入着色剂使得生产出来的微晶玻璃呈现黄、绿和灰多个花色，可用于装饰行业微晶玻璃板材的工业化生产。尾矿利用率高达60%，资源综合利用率近90%，降低原料成本30%，综合成本20%，具有显著的环境和经济效益，为金尾矿的再利用提供了一条新的途径。曹耀华[19]等人以灵湖地区的金尾矿为主要原料，制备出主晶相为硅灰石的微晶玻璃，当核化温度为892 ℃，晶化温度为976 ℃时，所得制品性能较好。

　　2.3 钨尾矿微晶玻璃

　　中国钨矿的存储量居世界首位，但是品位较低，选矿过程中钨尾矿的产率极高，造成中国钨尾矿存储量巨大。钨尾矿具有高硅、低铁等特点，可作为微晶玻璃原料，进行有价元素的回收再利用。李保庆[20]等人以广东地区的钨尾矿为原料，采用高温熔融法制备出以β-硅灰石为主晶相的CaO-Al2O3-SiO2系装饰微晶玻璃，在830 ℃进行核化处理，950 ℃进行晶化处理时，获得的微晶玻璃各项性能最优，密度为2.82 g/cm3，显微硬度为527 MPa，抗弯强度可达97.52 MPa，耐酸性和耐碱性也较好，为钨尾矿的资源化再利用提供了一条新的途径。匡敬忠[21]等人以西华山钨矿的尾矿为主要原料，采用浇注成型晶化法制备微晶玻璃，配料未加晶核剂，因此为表面析晶，主晶相为β-硅灰石。在其研究中，基础玻璃最佳配比为：SiO2 47%~56%， Al2O3 6%~9%，CaO 15%~30%，MgO 2%~2.5%， K2O 1.3%~2.1%，Na2O 6%~9%。为了获得整体析晶的微晶玻璃制品，进一步提高微晶玻璃的性能，还应继续研究添加晶核剂后的最佳原料配比。

　　2.4 铜尾矿微晶玻璃

　　廖力[22]以高钙高铁低硅型的铜尾矿为原料，采用烧结法制备了CaO-MgO-Al2O3-SiO2 四元系的微晶玻璃，其主晶相为透辉石和辉石。该微晶玻璃制品的光泽度、干燥状态弯曲强度以及水饱和状态弯曲强度均达到国家标准，可作为建材原料使用。

　　刘倩[23]等人以柞水刘家沟铜尾矿为原料添加Cr2O3为晶核剂采用烧结法制备了铜尾矿微晶玻璃。该微晶玻璃制品的密度、莫氏硬度以及抗压强度均随着烧结温度的升高呈现先升高后下降的趋势，在1 100 ℃烧结时性能最优，如表1 所示。

　　匡敬忠[24]等人以江西德兴地区的铜尾矿配合以宜春的钽铌尾矿为主要原料，添加少量萤石作为晶核剂，制备出热膨胀性能和热稳定性较好的β-硅灰石为主晶相的微晶玻璃，研究表明，适当加入CaO 可促进主晶相β-硅灰石的析出，铜尾矿和钽铌尾矿的用量可分别达40% 和20%。

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